Win Tech - 에너지 절약형 신개념 나노세공 수분 흡착제와 친환경 수분 흡착식 냉난방 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 장종산 책임연구원
한국화학연구원 나노촉매 연구그룹
선진국 대도시는 하절기 에너지 사용량의 절반은 건물의 냉방 에너지가 차지한다고 알려져 있을 정도로 여름철 피크전력 문제가 선진국은 물론 우리나라의 전력 수급에도 큰 위협 요인이 되고 있다.
도시 건물의 냉난방에 투입되는 화석에너지 사용 증대는 이산화탄소 배출을 야기하기 때문에 친환경의 에너지 절약형 냉난방 시스템 개발은 화석연료 고갈과 지구온난화 방지를 위한 중요한 도전 과제로서 인식되고 있다.
미국 DOE 보고서01에 따르면 미국의 1차 에너지 사용량의 20%는 주거형 건물에 이용되고 있고 그 가운데 절반은 냉난방 및 온수 등 열을 이용하는 데 사용되고 있다.
도시화와 대도시 인구 집중이 심한 OECD 국가들도 이와 유사한 에너지 의존성을 갖고 있다.
우리나라는 이미 2015연구그룹년 파리 제21차 기후변화협력 당사국총회에서 한국은 2030년까지 온실가스 배출전망치 대비 37%를 감축하겠다는 강도 높은 목표를 세운 바 있기 때문에 전기식 에어컨을 대체하는 에너지 절약형 냉난방 시스템 보급은 국가적으로나 사회적으로 중요한 문제로 인식되고 있다.
기존 전기식 에어컨은 프레온 가스, HFC(Hydro-flurocarbon) 등 불소계 냉매를 사용하여 오존층 파괴 및 지구 온난화 문제를 유발시키기 때문에 오존 파괴와 지구 온난화 문제에서 자유로운 친환경 자연냉매인 물과 값싼 저급 열원을 사용하는 비전기식/비연소식 친환경 냉난방기에 대한 필요성이 고조되고 있다.
물을 활용하는 냉방기는 흡수식과 흡착식이 있는데 표 1에 제시된 바와 같이 흡수식 냉방 장치는 소형화가 어려워 가정용으로 적용하기 어렵고, 중대형 시스템 사용에 따른 중앙 집중식 냉방운전, 냉매 재생을 위한 80℃ 이상의 제한된 열원, 장기간 사용시 장치 부식과 에너지 효율 감소 등의 문제가 발생할 수 있다.
흡수식 냉방기는 건물용과 산업용 냉방기로 사용되고 있지만 초기 투자비가 높기 때문에 친환경성과 에너지 절약적인 특징에도 불구하고 시장이 크게 확대되지 못하고 있다.
상대적으로 흡착식 냉방 시스템은 소형화가 가능하고 흡수식 냉방 시스템의 단점을 보완할 수 있기 때문에 최근에 흡착식 냉난방 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
태양열, 지열 등의 신재생 에너지원이나 지역난방열, 공장 폐열 등의 저급 열원을 이용한 흡착 구동형 냉방장치 및 히트펌프 개발은 건물 공조 및 냉난방을 위한 미래형 에너지 활용 방식이다.
수분 흡착식 냉방 및 히트펌프 장치의 원리는 그림 1에 나타낸 바와 같이 기본적으로 밀폐된 장치 내에 수분증발기, 수분 흡착제 함유 열교환기, 수분 응축기로 구성되며, 수분 흡착제를 재생하기 위한 외부 열원과 장치 내 유입된 열을 외부로 방출시키거나 활용하는 장치가 보조적으로 필요하다.
수분 흡착제를 장착하여 증발 된 수분의 흡착 및 탈착, 그리고 탈착된 수분의 응축을 반복하면서 소모되거나 발생된 열을 작은 구동 에너지로 냉방 및 난방에 활용하는 개념을 활용한다.
냉방의 경우 수분 증발기에서 진공 상태에서 높은 잠열을 갖고 있는 수분이 증발하면서 증발량만큼의 증발 열량을 주변으로부터 뺏어서 냉각을 유도한다.
냉방 장치에서는 증발기에서 발생한 냉각열을 냉수나 냉풍으로 전환하여 사용하고, 히트펌프에서는 응축기에서 발생한 열을 온수나 온풍으로 전환하여 사용하게 된다.
냉방과 히트펌프는 하나의 장치에서 상반되는 사이클로 가동하여 사용할 수 있다.
또한 냉방 장치의 가동 중에 흡착제 재생을 위해 장치 내 유입된 열을 배출할 때 대기로 버리지 않고 온수나 난방에 재활용할 경우 에너지 효율을 더 높일 수 있다.
수분 흡착식 냉방 장치에는 과립형 또는 코팅형 열교환기에 충진된 수분 흡착제가 수분 증발량을 높이기 위해 사용되는데, 핵심은 저습의 흡착 조건과 탈착 조건에서 높은 유효 흡착량을 갖고 낮은 온도에서 많은 양의 수분이 탈착되어 높은 재생률을 갖는 수분 흡착제를 적용하는 것이다.
재생 온도는 외부의 태양열, 지열 등의 신재생에너지 또는 지역난방열, 산업용 폐열 등의 온도에 의존하기 때문에 55~75℃의 낮은 온도에서 재생될 수 있는 흡착제의 개발이 흡착식 냉방 장치의 경제성을 좌우한다.
신재생에너지 또는 폐열을 사용할 경우 수분 흡착식 냉방장치 구동에는 제어기기, 센서, 펌프 등의 저전력 장치에만 전력이 소비되므로 실제 전력 소비량은 동일 용량의 전기식 에어컨의 전력 소비량의 1/20에 불과하다.
이러한 에너지 절약 특성 때문에 하절기 지역냉방이나 태양열, 폐열 등 저급 열원에 친환경 냉매 물을 적용할 때 10만 세대(냉동능력 20만 USRT) 기준으로 하절기 전력피크부하 약 234 ㎿, 연간 에너지 약 7.3천 톤(TOE)및 온실가스 약 19.5천 톤을 줄일 수 있는 것으로 산출되고 있다.
흡착식 냉방 장치는 여러 가지 장점에도 불구하고 비싼 장치비와 시스템의 부피 때문에 아직까지 시장에서 널리 사용되지 못하고 주로 독일과 일본, 미국 등 일부 선진국에서만 활용되고 있다.
저온 재생의 흡착식 냉방장치에 가장 널리 사용되는 저온 재생형 수분 흡착제는 메조세공의 실리카겔이다.
이 흡착제는 가격이 저렴하고 내구성이 비교적 좋은 대신에 유효 수분 흡착량이 크게낮은 단점이 있다.
따라서 냉방 용량 대비 시스템의 부피를 감소시켜 장치비를 낮추는 것이 이 분야의 가중 중요한 현안이다.
최근 유효 흡착량이 향상된 SAPO/AlPO계 제올라이트 수분 흡착제가 개발되어 일부 적용되고 있는데, 가격이 비싸고 유효 흡착량 향상에 대한 추가 개발의 필요성을 갖고 있다.
최근 기술개발 동향은 실리카겔과 제올라이트 흡착제에 비해 유효 수분 흡착량이 향상되고, 재생 운전조건을 더 낮춰서 재생 열원의 적용 범위를 넓힐 수 있는 신개념의 하이브리드 나노세공체 소위 MOF(Metal-Organic Framework)를 설계, 합성하고 적용하려는 움직임이 활발하다는 것이다.
MOF는 다공성 배위고분자 화합물로 결정성 골격을 가지며, 금속이온의 클러스터와 유기 리간드 분자가 배위되어 골격을 형성한다.
MOF 물질은 금속의 다양한 배위상태, 유기 리간드의 종류 등에 따라 지금까지 20,000종 이상의 새로운 물질들이 보고되어 있고, 이 가운데 수천 종류의 나노세공형 물질이 발견되어 있다.
MOF는 50% 이상의 빈 공간과 1,000 ~ 6,000 ㎡/g의 넓은 비표면적을 가질 수 있어 현재 보고된 소재 가운데 다공성이 가장 큰 초다공성의 소재로 알려져 있다.
MOF 물질은 세공 크기 조절의 용이성 및 구조의 다양성, 골격의 유연성, 금속과 유기물의 이중적 특성 등을 갖고 있어 촉매, 메탄, 이산화탄소, 수소 등의 기체 저장체, 기체분리용 흡착제, 약물 전달, 이온 교환, 자성체 등의 연구에 응용되고 있다.
한국화학연구원에서 개발 중인 MOF 수분 흡착제 특징은 그림 2의 개발 전략에서 제시한 바와 같이 비표면적이 실리카겔과 제올라이트에 비해 3~5배 이상 높고, 수분 흡착 용량도 그에 비례하여 높다.
이러한 MOF 수분 흡착제는 일반적으로 골격에 친수성 부분과 소수성 부분을 동시에 보유하고 있어서 수분의 선택적 흡착과 저온에서의 용이한 탈착이 가능할 수 있다.
그림 3에 나타낸 바와 같이 수분 흡착제 개발 방향은 현재 상용화되어 있는 1세대 실리카겔 흡착제 기반의 흡착식 냉방 장치와 시장에 진입 단계에 있는 2세대 제올라이트 흡착제 기반의 흡착식 냉방 장치에 이어서 궁극적으로 MOF 흡착제 기반의 3세대 흡착식 냉방 장치가 모두 사업화 되는 것이다.
이러한 3종류의 흡착식 냉방 장치가 사업화 될 경우 시장의 다양성이 공존하게 되고 경쟁력이 강화되어 흡수식 냉방 장치 시장과 함께 전기식 에어컨과 가스연소식 에어컨 시장을 부분 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
한국화학연구원에서는 2006년부터 높은 수분 흡착량과 저온 재생의 신개념 MOF 수분 흡착제를 개발하여 이 분야 최초의 특허를 출원하고 등록한 바 있다(한국특허 제 10-0806586호 미국특허 제 8,980,128호).
한국화학연구원에서 개발한 MOF 수분 흡착제는 유효 수분 흡착 용량이 기존 상업용 실리카겔 흡착제 대비 2~4배 이상 향상되고 50~70℃ 범위에서 총 흡착량의 80% 이상이 탈착되는 매우 우수한 저온 재생 능력을 갖는다.
또한 MOF 흡착제의 설계와 수열합성법을 개발하여 기존 MOF 물질이 갖고 있는 수열안정성의 문제점을 극복하는 한편 저온 재생 운전을 통해 수열안정성에 대한 우려를 제거하고 있다.
현재까지 수분 흡착제의 물질특허와 흡착제 합성 및 응용에 대해 5건의 미국 특허를 확보하였고, 국제 유명 학술지에 10편 이상의 논문을 게재한 바 있다.
한국화학연구원에서는 2000년대 후반에 국내 전자회사와 저온 재생형 MOF 흡착제를 이용한 실내 제습건조기 개발 연구에 참여하여 상업용 실리카겔과 제올라이트 수분 흡착제에 비해 높은 에너지 절약 효과를 확인한 바 있다.
또한 2010년대 초반 이후부터 수분 흡착제의 밀폐형 흡착식 냉방 장치 적용 연구를 수행하여 5종의 MOF 수분 흡착제를 개발하는 데 성공하였다.
한국화학연구원의 연구그룹은 과학기술정통부에서 지원하는 글로벌프론티어사업의 ‘하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단’과제를 통해 사업화를 추진 중이다.
현재 10~100㎏ 규모의 MOF 수분 흡착제 합성기술과 성형 기술을 확보했고 국내에서 유일하게 흡착식 냉방장치 시스템 기술을 보유하고 있는 G사와 협력하여 1~5㎾급 흡착식 냉방 장치에 대한 파일롯 테스트를 진행 중에 있다(그림 4).
현재까지 실험실에서 예측한 수준의 파일럿 테스트 결과를 얻고 있기 때문에 2018년에는 산업용 저온 폐열이 풍부한 촉매 회사 공장에 직접 적용하여 한국화학연구원에서 개발한 흡착제와 G사에서 개발한 냉방장치 기술의 실증화 테스트를 진행할 계획을 갖고 있다.
한편 국내에서는 열병합발전에 의해 생성된 열원을 아파트 단지의 온수나 동절기 난방열로 활용하고 있으나 하절기에는 활용성이 크게 떨어져 이에 대한 대안으로 흡착식 냉방시스템 활용을 고려하고 있다.
지역 난방열의 공급 온도는 80℃ 이하이며, 난방수 형태로 가정이나 건물 등으로 전달될 때 열 손실 등을 고려하면 실제로 70℃ 이하에서 재생이 가능한 수분 흡착제 개발과 이를 이용한 흡착식 냉방시스템의 제품화가 필수적이다.
해외와 차별화된 한국형 흡착식 냉방기 시장을 확보할 경우 이를 기반으로 중국 및 동남아 지역은 물론 유럽까지 해외 진출을 기대할 수 있다.
국내에는 아직까지 흡착식 냉방 장치의 사업화가 진행되지 못하고 있지만 개발된 MOF 흡착제와 G사의 냉방 장치의 실증화가 성공할 경우 해외와 차별화된 한국형 흡착식 냉방기를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
아직까지 MOF 흡착제가 장착된 냉방기는 전 세계적으로 개발되어 있지 않기 때문에 실용화될 경우 미래형 냉방 장치로 한국은 물론 고온다습한 중국 및 동남아 지역과 미국, 유럽 등의 선진국으로의 해외진출까지 기대할 수 있을 것이다.
한국화학연구원에서 개발한 수분 흡착제의 생산과 흡착식 냉방시스템의 적용성이 검증될 경우 지역난방열, 열병합발전 및 산업용 폐(미)온수 등을 활용하는 가정용(소형) 냉난방 겸용 시스템, 산업용 제습 에너지 효율 개선을 위한 수분제어 분야, 태양열 기반 냉방/제습 분야, 전기자동차 에어컨, 가정용 및 산업용 제습제 및 제습기, 공기필터 분야 등의 제품 생산에도 다양하게 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
01 DOE EERE 2009 Buildings Energy Data Book