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조준현
(한국에너지기술연구원 열변환시스템연구실)
2023-06-16
  IEA Heat Pump Conference 2023 (HPC2023)는 국제에너지기구(IEA)에서 주관하는 대표적인 히트펌프 국제학술대회로, 최근 IEA의 탄소중립 목표 달성을 위한 중요한 기술로 히트펌프의 역할이 증대됨에 따라, 유럽, 미국, 아시아 국가 중심으로 운영되고 있는 학술대회이다. 3년마다 개최되고 있으며, 2020년은 한국에서 개최(COVID-19로 '21으로 연기되어 온라인으로 진행) 되었으며, 2023년 올해 5월 15일부터 18일까지 미국 시카고에서 개최되었고, 2026년은 오스트리아 개최될 예정이다. 최신 히트 펌프 기술 및 응용 분야에 대해 논의하고 관련 기술에 대한 연구, 시장, 정책 및 표준 정보에 대한 지식을 교환하는 포럼의 역할을 하고 있으며, 제품과 기술을 공유하기 위한 전시회도 개최되었다. HPC 2023에는 IEA Executive Director, U.S. DOE, IEA HPT TCP 리더, International Institute of Refrigeration (IIR) 의장 등 히트펌프 분야의 글로벌 리더들의 기조 연설이 진행되었다. 또한 IEA 내 국제공동 연구프로그램 (Annex) 워크샵도 함께 진행되어, 다양한 국가/기관의 사람들이 모여 히트펌프 분야별 기술 발전 방향 및 정책 등에 대하여 토론하는 자리가 마련되었다. 학술대회는 Plenary 세션, 35개의 발표세션과 포스터 세션으로 구성되었고, 대표 주제와 관련 세션을 정리하면 다음과 같다.  학술대회는 Plenary 세션, 35개의 발표세션과 포스터 세션으로 구성되었고, 대표 주제와 관련 세션을 정리하면 다음과 같다.  필자는 본 학술대회에 아래와 같은 논문을 발표하여 본 연구팀에서 진행하고 있는 차세대 대체 냉매 연구 주제에 대하여 소개하고, 관련 연구자들과 기술 교류를 가졌다. “논문 제목: Preliminary test result of an oil compatibility of a low-GWP refrigerant as an alternative to R410A in a compressor test loop”  첫날에는 IEA HPT TCP (Technology Collaboration Programme on Heat Pump Technologies by the IEA)에서 운영하고 있는 국제공동연구 프로그램(Annex)들의 워크샵이 진행되었고, 필자가 속한 한국에너지기술연구원 열변환시스템연구실에서 한국 대표로 참여하고 있는 Annex 58: High Temperature Heat Pump 참석하였다. Annex 58의 Operating Agent인 Danish Technological Institute(DTI)의 Benjamin Zuhlsdorf의 진행에 따라 Keynote 발표 및 그룹 토의가 진행되었다.  첫번째 Keynote로 Application potential of HTHPs in industry 발표가 진행되었으며, 최근 탄소중립을 위한 산업공정열 전기화의 솔루션으로 산업용 고온 히트펌프가 급격히 이슈화되고 있는데, 일찍부터 실증이 시작된 유럽의 사례들을 바탕으로 고온 히트펌프의 포텐셜에 대해 발표가 진행되었다. 현재까지 10MW이하의 용량 실증이 대부분으로 아직 TRL이 낮은 수준으로 평가되고 있으며, 정부의 인센티브 정책, 전기/가스 가격에 따른 경쟁력 확보가 필요할 것으로 판단하였다. 두번째 Keynote로 Technology status and perspectives 제목으로 현재 고온 히트펌프 기술 및 실증 현황에 대해 발표가 진행되었다. 현재 Temperature Lift 100도씨 조건에서 COP 2, 로렌츠 효율 0.5-0.6 정도로 실증이 진행되고 있는 것으로 나타났다. 이 후 약 100여명의 참석자들을 Technology Providers, End-Users, Policy Makers, Research Organizations 의 4가지 그룹으로 분류하여 각각의 입장에서 고온 히트펌프의 “포텐셜”, “챌린지”, “액션아이템” 3가지에 대해 토의하는 시간을 가졌으며, 메모지를 활용한 키워드 메모 스탠딩 브레인스토밍 방식으로 진행되었다. 이러한 방법은 국내에서 익숙하지 않은 토의 방식인데, Annex 회의에 참석하면 유럽을 중심으로한 서구권 국가들의 연구자들은 자유롭게 토론하고 사고를 확장하고 기록하고 정리하는 이러한 방식이 매우 자연스러운 상황을 볼 수 있다.  학회 기조 연설로 IEA Executive Director인 Fatih Birol의 발표가 있었으며, 그는 탄소중립으로 도달하는 경로에 히트펌프의 역할이 더욱 증대될 것으로 예상하고 있으며, 2030년까지 히트펌프로 공급하는 Heating 에너지가 2배 이상 증가할 것으로 내다보았다.  US DOE에서도 우크라이나 사태 이후 화석연료가 무기가 되는 상황을 겪으면서, 미국 소비자들의 히트펌프 선택이 증가하고 있다고 발표하였으며, 특히 DOE에서 히트펌프에서 가장 중요하게 생각하는 2가지 이슈로 다음을 꼽았다. ① 냉매 문제 중요: 키갈리 의정서 이후 냉매 규제 중요. ② 한랭지 히트펌프 중요: 가정용 히트펌프에서 한랭지 조건에서의 난방 성능 중요  또한, European Commission의 Directorate-General인 Mechthild Woersdoerfer는 유럽 히트펌프 정책 현황에 대하여 발표하였으며, 2027년까지 천만대의 히트펌프, 2030년까지 3천만대의 추가적인 히트펌프가 필요할 것으로 예측하였다. 이를 통해 2030년까지 러시아 화석연료로부터 에너지 독립하는데 히트펌프가 중요한 역할을 해주어야 하며, 히트펌프 1천만대가 가스 수요 1.5 bcm(billion cubic meter)를 줄여줄 것으로 분석하였다.  International Institute of Refrigeration (IIR)의 의장을 맡고 계신 서울대학교 김민수 교수님의 발표에서는 히트펌프의 미래 기술로 산업용 스팀 생산 히트펌프, 자연 냉매, AI 기반 고장 진단, 디지털 트윈 베이스 제어 및 운전, 전기차용 히트펌프를 선정하였다.  이어진 Oak Ridge National Lab.과 메릴랜드 대학의 발표에서 히트펌프의 미래 기술 개발 방향으로 소형화(압축기: 수백Hz 초고속 운전, 열교환기: 높은 면적/체적비), 기존개념탈피(구동부 없는 압축, 비정형 열교환기), 설계/제조기술 진화(AI 기반 최적설계, 다양한 형상 대응 제조를 꼽았다.  일반 세션에서 주목할만한 발표들 중, 히트펌프의 대표적인 글로벌 기업들의 대체 냉매에 대한발표가 인상적이었다. 일본의 Daikin에서는 전기자동차용 히트펌프에서 현재 사용중인 R1234yf를 대체하는 R-474A 냉매 특성 분석을 수행하였으며, 본 냉매 사용시 -20C 온도 조건까지 충분히 사용 가능하여 전기차의 PTC전기히터 사용을 줄일 수 있어 주행거리를 늘릴 수 있음을 발표하였다.  미국의 대표적인 히트펌프 회사인 Trane에서는 가정용 냉난방용 히트펌프의 대체 냉매 성능 분석에 대한 내용을 발표하였는데, 기존 R410A 냉매를 대체할 GWP 300 및 150 이하 냉매로 DR-4와 R-479A를 검토하였다. 특히 GWP<1인 R1132(E) 가 포함된 R479A가 GWP 150 이하로 후보 냉매로 적합하며, 기존 R410A 대비 냉난방용량은 줄어들지만 압축기 회전수를 증가시켜 사용 가능할 것으로 판단하였다.  미국 오크릿지 국립연구소(ORNL)에서는 공기열원 히트펌프의 기존 R-410A 냉매를 대체하기 위한 GWP 150 이하 냉매에 대한 분석을 수행하였으며, R454C, R455A, R457A를 5mm 전열관 열교환기를 사용할 경우 대체 가능 할 것으로 분석하였다.  이러한 글로벌 메이저 그룹들의 발표를 통해, 가정용 히트펌프에서는 안전한 냉매 (A1등급) 사용이 중요하나, 앞으로 냉매 GWP 규제(<150)를 만족하기 위해서 불가피하게 약가연성(A2L) 및 가연성(A3) 냉매를 사용할 수밖에 없으며, Low-GWP 냉매는 기존 냉매 대비 시스템 성능 감소 존재하기 때문에 냉매 충진량 저감 기술, 안전성 확보 기술, 표준 및 법규 제정이 필수적이며, 성능 저하를 보상하기 위한 기술이 필요할 것으로 생각되었다.   대체 냉매 관련 발표 이외에 또한 HPC 2023에는 산업용 히트펌프에 대한 발표들이 다수를 이루었는데, 대표적으로 일본의 CRIEPI에서 일본 고온 히트펌프 시장 분석에 대한 발표가 인상적이었다. 산업 공정에 필요한 열을 기존에는 화석연료로 공급해왔는데, 탄소중립을 위하여 이를 전기 구동 히트펌프로 대체하는 실증 연구들과 기업들의 제품 개발이 진행되어 왔다. 현재 일본에서는 공기열원 히트펌프 (ASHP)는 90℃ 까지의 열원 생산 제품이 있으며(200kW 이하), 수열원 히트펌프(WSHP)는 100℃ 이상의 대용량 제품군이 판매 중이다.  일본의 사례뿐만 아니라 유럽에서 수행되고 있는 다양한 산업용 히트펌프 실증 연구들이 발표되었다. 독일의 SPH사는 자사 피스톤압축기 기반 고온 히트펌프를 젤라틴 생산 공정용 2 bar 스팀 생산에 도입하였으며, 독일 SIEMENS사는 20MW급 수열 활용 99C 온수 생산 히트펌프를 운영하고 있으며, 지역냉방 플랜트 폐열 활용 8MW급 120C 온수 생산 히트펌프를 설치 완료, 운영 계획 중에 있다.  일본 및 유럽에서는 다수의 산업 공정 실증 사례 연구를 바탕으로 산업 열공급기기로써 히트펌프의 필요성과 중요성을 알리고 보급이 확대되고 있음을 느꼈으며, 국내에도 다양한 업종에 산업용 고온 히트펌프 실증 연구들이 진행되어야 산업부문 탄소중립을 달성하는데 도움이 될 것으로 생각된다. |
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