Hot Tech - PCM을 이용한 에너지 절감형 복합식 에어 드라이어, PCM COMBI
Hot Tech는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
▲ 이병승 대표이사
에스피엑스플로우테크놀로지(주)
기술 개발 배경
4차 산업혁명이 모든 산업 분야에서 화두이다.
제임스 와트의 증기기관에 의해 대량생산 시대를 열게 한 1차 산업혁명, 에디슨에 의해 촉발된 전기 에너지를 이용한 2차 산업혁명, 그리고 정보화 시대를 열게 한 3차 산업혁명을 거쳐 현재 우리가 사는 21세기에는 빅데이터와 인공지능으로 대표되는 4차 산업혁명이 도래했다.
1, 2차 산업혁명이 인간이나 동물의 완력을 대체하는 동력 혁명이라면 3, 4차 산업혁명은 인간의 두뇌를 대체하는 지식, 지능 혁명이라 하겠다.
여기에서 우리가 주목할 것은 1차 산업혁명부터 3차 산업혁명까지 거쳐오면서 인류가 이용 가능한 에너지의 총량이 유한할 뿐만 아니라 에너지 사용이 늘어날수록 환경 파괴를 수반한다는 사실을 깨달았기 때문에 전력 수요 절감을 전 인류가 함께 고민하고 해결해야 한다는 사실이다.
그렇기 때문에 모든 산업 분야의 기술 발전 추세는 에너지 절감과 환경보호에 초점이 맞춰져 있으며 이는 자율을 넘어 입법을 통해 분야별로 법적 요구 조건으로서 정착되고 있다.
이렇게 급속도로 변화하고 재편되고 있는 세계 산업 및 경제 질서의 환경 변화에서 상변화식 에어 드라이어(이하 PCM 에어 드라이어)는 기업 스스로가 주도적으로 대응하여 세계 기술 표준을 선점하는 모범적인 사례로 꼽을 수 있다.
제품 소개
에어 드라이어는 압축공기 내 수분을 제거하는 장치이다.
압축공기는 전기와 함께 모든 산업 현장에서 주요 동력원으로 다양하게 사용되는데, 에어 컴프레서에서 토출되는 압축공기 중에는 수분, 먼지, 유분 등 각종 불순물이 대기를 압축하는 과정에서 유입, 농축되어 그대로 사용할 경우 배관 부식, 기기의 오작동, 제품 불량, 생산 중단 등 심각한 해를 입힌다.
따라서 기계, 전자, 조선, 화학, 자동차, 반도체, 식품 등 오늘날 모든 산업 분야에서 생산성과 제품 품질의 확보를 위해서 에어 드라이어는 없어서는 안 되는 설비로 인식되고 있으며, 일반적인 산업 분야에서는 냉동식이 대부분 사용되고 있지만 초건조 공기가 필요한 산업분야에서는 흡착식 에어 드라이어가 사용되고 있다.
PCM 에어 드라이어는 상변화 물질(PCM, Phase Change Material)의 잠열을 이용한 축냉 효과를 이용하여 에너지를 절감하는 냉동식 에어 드라이어이다.
그리고 이 제품에 사용된 상변화 물질은 일정한 온도에서 얼거나 녹는 것이 자유롭기 때문에 아이스박스의 보냉재나 찜질용 팩으로 사용되는 친숙한 물질이다.
PCM 에어 드라이어는 운전 중 냉동 시스템이 상변화 물질을 얼린 뒤 정지하고, 얼린 상변화 물질이 다 녹을 때까지 압축공기를 냉각, 제습하는 동안 에너지 소모가 제로가 되는 원리를 이용하기 때문에 복잡한 제어장치가 없어도 에너지 소모가 부하에 따라 자동으로 조절된다.
통상 에어 드라이어는 여름 혹서기 조건(38℃)으로 설계되어 있지만, 우리나라의 연평균 온도(12.5℃)는 이보다 낮기 때문에 에어 컴프레서를 1년 365일 풀가동한다 하더라도 실제 부하는 40%도 안 된다.
또한 에어 컴프레서의 유량 부하도 평균 50~60%에도 못 미친다.
따라서 실제 현장에 설치된 6,000여 대의 PCM 에어 드라이어의 평균 에너지 절감률은 80% 이상을 기록하고 있다.
여기에서 한 단계 더 스케일 업된 기술이 PCM Combination(이하 상변화 복합식) 기술이다.
통상 식품, 제약, 반도체 등의 산업 분야에는 공정 특성상 초건조 공기(이슬점 -40℃ 이하)가 요구되는 관계로 흡착식을 사용할 수밖에 없는데 문제는 운전 비용이 냉동식에 비해 엄청나게 비싸다는 것이다.
상변화 복합식 에어 드라이어 기술은 운전 비용이 일반 냉동식 에어 드라이어보다 85%나 저렴한 PCM 에어 드라이어에서 75%의 수분을 제거하고 나머지 25%만 흡착식 에어드라이어에서 제거함으로써 흡착제 재생을 위해 소모되는 막대한 에너지를 획기적으로 줄이면서도 제습 성능은 극대화할 수 있는 것이 핵심 기술이다.
개발 제품의 주요 특징
흡착식은 연속적인 건조 공기의 생산을 위해 두 개의 타워가 제습과 재생 사이클을 4시간 간격으로 교대하면서 반복 운전한다.
상변화 복합식 제품은 상기 원리로 흡착식 제습 부하가 4분의 1로 줄어 사이클 전환 주기를 16시간 이상까지 연장할 수 있다.
따라서 흡착제 재생에 필요한 단위 시간당 열량을 줄일 수 있어 블로어나 히터와 같은 부품의 용량을 대폭으로 낮추는 것이 가능해 에너지 절감 효율이나 제습 성능 개선뿐만 아니라 초기투자비도 낮추는, 세 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 획기적인 기술이다.
그림 4는 시간당 14,000N㎥/hr를 처리할 수 있는 히터 외장형 흡착식 에어 드라이어를 상변화 복합식 블로어 넌퍼지 타입으로 개조한 포항의 모 제철소의 에너지 절감률 및 유지 비용을 비교한 것이다.
개조 전 히터 외장형 흡착식 에어 드라이어의 연간 에너지 비용이 4억 6천여만 원 정도 지출되고 있었지만, 상변화 복합식 블로어 넌퍼지 타입으로 개조한 뒤 에너지 비용은 연간 7천 8백여만 원으로 대폭 감소하여 에너지 절감률은 83%, 에너지 절감 비용은 3억 9천여만 원을 기록하며 현재까지 1년 넘게 운전되고 있다.
성능 검증
이와 같이 상변화 복합식 제품의 연간 에너지 비용을 예상하는 것과는 별개로 실제 에너지 절감 성능을 객관적으로 검증할 필요성이 있다.
지금까지 당사가 겪었던 일반적인 사용자 중 설치 현장에서 충분히 입증된 결과에도 불구하고 상변화 복합식 제품의 에너지 절감 효율이 과장되지 않았나 의구심을 가진 고객들이 더러 있어서이다.
상변화 복합식 에어 드라이어의 성능 검증은 사용자 측이 주관하여 제품이 설치되기 전, 후의 전력 소모, 이슬점 등의 변화를 '공기 질 검사(Air Audit)'를 통해 비교하는 방식으로 이루어진다.
그리고 당사의 또 다른 독보적인 기술인 '스마트 모니터링(Smart Monitoring)'을 이용하면 세계 어디에서나 실시간으로 운전 데이터 및 로깅 데이터를 볼 수 있어 100% 객관적인 검증이 가능해짐에 따라 검사 결과에 대한 객관적 신뢰 역시 확보할 수 있다.
그동안 현장에 설치된 제품들의 평균적인 에너지 절감률은 약 85%에 달하고 있으며, 이슬점은 -20~-40℃에서 -80~-90℃까지 개선되었다.
그림 5는 제품 검사 후 제출된 제품 시험성적서 중의 하나이며 그 외 포스코, 벽산, 두신전자, 오성전자, 프라이맥스 등에도 제출되었거나 제출될 예정이다.
또한 당사는 구매 자금 여력이 여의치 않은 고객을 위해 KEPCO ES 및 KT와 전략적 협약을 맺어 에너지 효율화 사업을 진행하고 있다.
이를 통해 고객은 초기 구매 비용 부담 없이 절감된 에너지 비용만으로 매달 제품 가격을 갚아 나갈 수 있다.
즉, 투자 비용 제로로 PCM 및 상변화 복합식 에어 드라이어를 구매할 수 있는 기회인 것이다.
파급 효과
지금까지 PCM 에어 드라이어 및 상변화 복합식 에어 드라이어가 어떻게 에너지를 절감하고 제습 성능을 획기적으로 개선할 수 있는지를 설명하였다.
산업현장에서는 에어 드라이어의 에너지 절감이 에어 컴프레서에 비해 미미하다고 잘못 생각하고 있는 고객들이 많은데 실제로는 그렇지 않다.
100마력 용량의 에너지 절감형 에어 컴프레서의 경우 일반형보다 약 1,000만 원 더 비싼데 10㎾를 절약할 수 있는 반면, 동일 용량의 PCM 에어 드라이어는 일반형과의 금액차가 50만 원도 나지 않으면서 2.5㎾를 절약할 수 있다.
따라서 투자 비용에 대한 회수율이 매우 높아 전세계에 설치된 에어 드라이어를 PCM 및 상변화 복합식 에어 드라이어로 교체한다면 약 2조 5천억 원 정도의 에너지 비용을 절감할 수 있다.
이렇듯 당사의 모든 임직원은 우리 기술을 세계표준기술로 정착시키기 위해 매진하고 있다.
더 나아가 지구 온난화 가스 배출의 주범인 에너지 소비를 줄이는 데 기여하고 있는 지구 환경 보호의 파수꾼이라는 사명감과 자부심을 함께 느끼고 있다.