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연구성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 산업 미세먼지 저감을 위한 금속 구조체 기반 SCR 촉매 제조기술 개발 |
占쏙옙占쏙옙占� 버려지는 저온 폐열을 이용한 저전력 흡착식 냉방시스템 개발 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 기술융합으로 풍부해지는 문화콘텐츠, RAoRA 로봇공연플랫폼 개발 |
연구책임자 : 청정생산시스템연구소 열유체시스템그룹 권오경 그룹장
전력 피크 문제의 주범으로 하절기 냉방기기 사용이 문제되고 있다. 전체 전력사용량 대비 냉방부하 비중이 20.9%(2008년)에서 27.4%(2016년)로 크게 높아졌다. 게다가 전기식 냉방기 냉매인 프레온은 오존층 파괴 물질로 지구 온난화를 유발한다. 이에 따라 물을 냉매로 폐열을 활용하는 ‘흡착식 냉방기’가 친환경 냉방시스템으로 주목받고 있다. 융합연구를 통해 해당 시스템 개발에 성공한 청정생산시스템연구소 권오경 그룹장 팀을 만났다.
에너지와 환경문제를 동시에 해결할 ‘흡착식 냉방시스템’
에너지경제연구원에 따르면 국내 제조업의 에너지 소비량은 연간 9,700만 TOE(Ton of Oil Equivalent, 1TOE=1,000만kcal)로, 이중 약 11%가 폐열로 버려지고 있다. 산업체의 소각로와 보일러 등에서 나오는 폐열은 ‘난방 공정용 증기 생산’, ‘증기터빈을 이용한 전략 생산’ 등에 재활용되지만 60~80℃의 저온 폐열은 직접 이용이 어렵기 때문이다. 게다가 폐열을 버릴 때 자연에 무해한 온도로 낮춘 후 배출해야하기 때문에 추가 에너지 사용도 발생한다. 에너지 교환을 통해 이중으로 에너지를 절약할 수 있는 흡착식 냉방시스템이 주목받는 이유이다.
흡착식 냉방기란 흡착제를 사용해 증발된 수분의 흡착 및 탈착, 그리고 탈착된 수분의 응축을 반복하면서 소모되거나 발생된 열을 이용하는 냉방기를 말한다. 원리는 간단하다. 진공상태인 증발기 내로 물을 뿌리면 약 5℃에서 수분이 증발하면서 증발량만큼의 열을 주변으로부터 빼앗아 기온이 떨어지게 된다. 이 과정에서 증발된 수분을 흡착하는 흡착제를 말려 다시 사용할 수 있도록 하는 탈착이 이뤄진다. 폐열원이 사용되는 것은 바로 탈착 과정이다.
탈착에 필요한 열원의 온도는 60~90℃의 저온이기 때문에 가장 낮은 온도의 폐열까지 활용할 수 있다. 또 흡착식 냉방장치를 구동할 때 펌프 등 일부 장치에서만 전력이 소비돼, 실제 전력 소비량은 동일 용량의 전기식 에어컨 전력 소비량의 1/10에 불과하다.
한국형 흡착식 냉방시스템 원천기술 확보
국내에서 사용되는 에너지원 대부분은 해외 수입에 의존하고 있다. 에너지를 효율적으로 활용해 자립도를 높이는 연구가 시급한 이유이다. 사실 흡착식 냉방시스템이 완전히 새로운 개념은 아니다. 일본을 비롯해 독일, 중국 등에서 이미 활발한 연구를 수행하고 있지만 국내 연구는 전무했다. 버려지는 폐열 등을 효과적으로 활용할 수 있는 한국형 흡착식 냉방기 개발이 반드시 필요했다.
생기원 열유체시스템그룹 권오경 그룹장은 2012년부터 팀을 꾸려 ‘저온 열구동 7kW급 흡착식 냉방시스템 개발’에 나섰다. 핵심기술인 흡착제 합성 및 코팅 원천기술을 확보하고, 이를 적용한 흡착탑과 흡착식 냉방시스템 설계기술을 확보했다. 화학소재 분야 전문가인 지능형청정소재그룹 박인 수석연구원은 제올라이트 흡착제 합성을, 재료 분야에서는 열처리그룹 황태진 수석연구원은 금속 열교환기 표면에 흡착제 코팅기술을, 그리고 기계 분야의 권오경 그룹장은 설계, 제작, 평가기술을 담당했다. 이번 연구 성과는 기계, 화학, 금속재료 등의 내부 융합연구를 통해 이룬 성과라 더욱 의미가 크다.
후속 연구로 저밀도 에너지 활용 저변 확대
“저온열원에 대한 국내 활용기술이 전무한 상황에서 4년간의 연구를 통해 원천기술 확보라는 큰 성과를 이뤘다고 자부합니다. 향후 70℃ 온수를 이용한 COP(Coefficient of Performance) 0.5 이상의 35kW급 저전력 흡착식 냉동기를 개발하는 것이 목표입니다. 최종 시제품을 현장 2곳에 구축해 실증연구를 진행하려고 준비 중입니다.”
권 그룹장은 연구 개발을 통해 국내외 특허출원 22건, 특허등록 12건, SCI 논문 20편 등의 성과를 냈다, 특허 기술은 흡수식 냉동기 제조사인 삼중테크(주)와 ㈜월드이엔씨로 기술 이전을 완료했다.
저온열원 활용기술의 확보는 △지역난방온수+흡착식 냉방 △태양열+흡착식 냉방 △연료전지+흡착식 냉방 △흡착식+압축기 Hybrid 등 다양한 형태로 존재하는 저밀도 에너지 활용을 가능케 할 전망이다. 아울러 권 그룹장 팀은 설비비용과 설치 면적의 문제도 개선해 흡착식 냉방기가 가정용으로까지 확대 가능할 것으로 내다보고 있다. 이렇게 해외와 차별화된 한국형 흡착식 냉방기 시장을 확보하면 이를 기반으로 중국과 동남아 지역은 물론 유럽 진출까지도 가능할 것으로 기대를 모으고 있다. 에너지 활용과 환경문제 해결이라는 두 마리 토끼를 모두 잡은 흡착식 냉방시스템이 우리 생활 깊숙이 자리잡을 날이 멀지 않아 보인다.