[사이언스칼럼] 탄소중립, 열에너지-히트펌프 기술로 해답 찾다

오승훈 한국기계연구원 기계정책센터장

오승훈 한국기계연구원 기계정책센터장

세계적인 이상고온과 자연재해 현상을 비롯한 기후 위기로 탄소중립 달성에 대한 절실함이 커지고 있다. 열에너지 기술은 탄소중립 달성이라는 시대적 과제 해결에 강력한 영향력을 발휘할 것으로 기대된다.

열에너지 기술 중 핵심인 히트펌프는 기존의 열공급 시스템을 대체하는 고효율·친환경 에너지 전환 기술로 주목받고 있다. 히트펌프는 저온 열원에서 열을 흡수해 고온 열원으로 옮기는 친환경 기기로, 화석연료 의존 감소, 에너지 효율 향상, 지속 가능성 측면에서 성장성이 크다. 공기·하천·폐수·폐열 등 미활용 에너지나 지열·태양열 등 신재생 에너지를 고급 에너지로 바꾼다.

히트펌프의 주요 기술 분야로는 산업용 히트펌프, 카르노 배터리, 미활용 에너지 히트펌프, 열에너지 네트워크를 들 수 있다. 산업용 히트펌프는 폐열이나 미활용 열원으로 산업공정에 필요한 100℃ 이상 고온 증기를 생산해 공급하는 기기다. 전략 품목으로 스크류 압축기 적용 중소 규모형 산업용 스팀 히트펌프, 대용량 터보 히트펌프 MVR(Mechanical Vapor Recompression) 적용 산업용 히트펌프 등이 있다.

카르노 배터리는 대량의 잉여전력을 300℃ 이상 고온 열에너지로 저장했다가 필요시 전력으로 바꿔 고온열 수요-공급의 완충 역할을 하는 기술이다. 전략 품목으로 자연냉매 활용 고온 히트펌프 시스템, 고온 고체 열저장 기술, 카르노 배터리 장주기 ESS(Energy Storage System) 기술이 있다.

미활용 에너지 히트펌프는 열 회수 시스템이 추가된 것으로, 열원 특성과 수요처 온도 영역을 고려하여 열을 공급한다. 재생열원 하이브리드 Low GWP(Global Warming Potential) 냉매 히트펌프, 자연냉매 냉각장치 활용 수열·지열 하이브리드 데이터 센터 냉각 시스템 등이 전략기술이다.

열에너지 네트워크는 열에너지 생산-수요 불균형을 넘어 에너지 이용 효율을 높이는 기술로, 단순한 열에너지원 공유를 넘어 에너지 거래 개념까지 확장 가능하다. 산업폐열을 이용한 열에너지 거래기술 개발 및 열에너지 네트워크 실증이 핵심이다.

히트펌프는 에너지 효율이 높고 환경에 미치는 영향이 적어 전통적 열공급 시스템을 대체하는 친환경 에너지 전환 기술이다. 이같은 히트펌프 유망 기술 분야의 국산화 개발과 미래 시장을 대비한 원천기술의 선도적 개발이 필요하다.

국내뿐만 아니라 냉난방 중심에서 비주거용 히트펌프로의 시장 확대가 예상되는 아시아, 소형 보일러에서 히트펌프로의 전환으로 성장성이 큰 유럽 시장에 대한 글로벌 선점에도 관심을 기울일 필요가 있다.

한국기계연구원 히트펌프연구센터는 '세상의 모든 열을 움직이는 히트펌프연구센터'라는 슬로건 하에 열에너지 토탈 솔루션을 제공하는 것을 목표로 시스템 연구, 핵심기자재 기술, 히트펌프 응용 및 혁신, 열에너지 변관 등 4개의 연구그룹 등을 운영하고 있다. 올해 말에는 단기, 중기, 장기로 구분되는 전략품목별 실천과제가 담긴 2040년까지의 '히트펌프 기술개발 로드맵'을 수립할 예정이다.

정출연을 중심으로 탄소중립이라는 전지구적 과제 달성을 위해 열교환기나 압축기 등 히트펌프 핵심 부품에 대한 우리의 기술적 강점을 바탕으로 산·학·연이 협력하는 생태계 강화에 발 벗고 나서야 할 때다. 오승훈 한국기계연구원 기계정책센터장