굿바이, 화학 냉매! 친환경 냉매 새 시대 연다 물을 이용한 값싼 냉매 국내 최초 개발

- 기계연, 환경오염지수 0, 최대 100배 저렴한 물 냉매 활용 350kW급 압축식 냉각기술 개발

- 정부 2045년까지 일부 냉매 사용량 80% 감축 목표…‘물’ 친환경 냉매 대체 가능

□ 탄소중립을 달성하기 위한 국제적인 냉매 규제가 강화되는 가운데, 환경 오염 지수가 0인 물을 냉매*로 하는 냉각기술이 국내 최초로 개발됐다. 이 기술은 기존 화학 냉매보다 가격이 저렴해 경제적이며, 향후 에어컨이나 산업 냉방기 등에 친환경 냉매를 적용할 수 있어 탄소중립 실현에 기여할 것으로 기대된다.

   * 냉매: 설비 내에서 순환 과정을 통해 열을 흡수해 온도를 낮추는 화학물질

<냉각기 내부구조>

□ 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 히트펌프연구센터 김정철 선임연구원은 물을 냉매로 하여 냉각하거나 열을 이동시킬 수 있는 친환경 물 냉매 냉각 시스템 원천기술을 국내 최초로 개발했다.

□ 이번에 개발한 시스템은 기존 화학 냉매가 아닌 물을 냉매로 사용하는 기술로, 친환경적이며 가격도 저렴해 냉매 비용 절감은 물론, 유지 보수와 운영 비용에서도 효율성을 크게 높일 것으로 기대된다. 이 기술은 독일과 일본 등 선진국을 중심으로만 개발됐던 기술이었으나 이번에 국내 최초로 원천기술을 개발하여 국가적인 경쟁력을 확보할 수 있게 됐다.

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<기계연 김정철 선임연구원이 친환경 물 냉매 냉각 시스템에 대해 설명하고 있다>

□ 기계연은 기존의 합성 냉매를 사용하는 압축기와는 다르게 물을 냉매로 사용할 수 있는 원심식 압축기와 증발기, 응축기를 개발했다. 물을 냉매로 사용하는 경우 냉각 시스템에서는 증발기 내부를 7℃ 이하로, 응축기 내부를 35℃ 이상으로 유지해야 하며, 냉각 시스템 내부는 진공 상태여야 한다. 또한, 물의 표면 장력이 크기 때문에 증발기와 응축기의 구조에 맞게 전열관*을 합성 냉매 시스템과는 다르게 선정하고 배치했다. 이 시스템은 압축하기 어려운 물의 특성에 맞게 설계됐으며, 기존 시스템과 기능은 유지하면서도 냉각 과정에서 물의 장점을 최대한 활용할 수 있다. 장치 개발에는 한국생산기술연구원(KITECH), 진솔터보기계가 함께 참여했다.

   * 전열관: 두 유체 사이에서 열을 전달하는 장치로, 냉각기나 난방기 등의 열교환 장치에서 주로 사용한다. 

□ 암모니아나 프로판 등 친환경 냉매는 가연성이거나 독성인 경우가 많아 이들을 사용해야 할 경우, 고압가스 안전관리법에 따라 냉각 장치에 따로 안전시설을 반드시 구비해야 한다. 반면, 물은 무독성이고 비가연성 특징을 갖고 있어 별도의 안전시설을 구비하지 않아도 된다는 장점이 있다. 

□ 현재 시장에서 사용 중인 냉매는 환경규제 기준이 강화되면서 2045년까지 냉매 종류에 따라 냉매를 전량 폐기 또는 80%까지 사용량을 감축해야 한다. 또한 개발용으로 판매되고 있는 친환경 합성 냉매는 단가가 비싸고 이를 생산하는 기업이 시장을 독점하고 있어 이를 대체할 수 있는 대안이 필요하다.

□ 이번에 개발한 냉각 시스템은 기존 냉매 대비 단가가 최대 100배까지 낮은 물을 냉매로 사용할 수 있어 냉각 시스템 유지 보수에 드는 비용을 절감할 수 있다. 또한, 물을 냉매로 사용하면 열을 효율적으로 흡수하고 방출할 수 있어, 기존 냉매와 같은 냉각 효과를 내면서도 에너지 소비량을 줄일 수 있어 전기 사용료 절감도 기대할 수 있다.

<기계연 김정철 선임연구원이 증발기 전열관을 점검하고 있다>

□ 기계연 김정철 선임연구원은 “일부 선진국을 중심으로 개발됐던 물을 냉매로 하는 산업용 냉각기·히트펌프 시스템을 국내에서 개발한 첫 번째 사례”라며, “신규 냉매 규제 관련 친환경 냉각기·히트펌프 기술 개발이 꾸준히 요구되는 국제적 추세에 따라, 국내에서도 관련 기술이 체계적으로 개발되고, 상용화에 이를 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

□ 이번 연구는 산업통상자원부 지원 ‘350kW급 자연냉매(R-718) 적용 압축식 냉각 기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행되었다.