오늘 인터뷰에서 만나 보실 강용태 교수(고려대학교 기계공학부)는 최근 과학기술정보통신부 우수연구로 선정되신 분이십니다. 열에너지 공급에 대한 시간적 한계를 극복하고 저장한 열에너지로 구동하는 냉난방 시스템을 개발하여 건물의 냉난방 부하변동에 능동적으로 대처 가능한 제로에너지빌딩(Zero Energy Building, ZEB)을 뛰어 넘어 플러스에너지빌딩(Pre-engineered Metal Building System, PEB)을 구현하고 계시는 분이십니다.

친환경 및 에너지 절약에 대응한 냉동 및 열 시스템 설계기술에 대해 중점적으로 이야기해보도록 하겠습니다.


1. 지금 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

국제 기술동향에 맞추어 친환경 및 에너지 절약에 대응하는 냉동 및 열 시스템 설계 기술을 개발하고 있습니다. 지구온난화지수가 낮은 Low-GWP 냉매를 이용한 냉동 시스템 구축을 위해 선진 기술을 개발하고 있으며, 범국가적 차원에서 여름철 전력 피크를 해결하여 원만한 에너지 수급을 가능하게 하는 고효율 흡수식 냉동 시스템의 설계 및 개발에 대한 연구를 수행하고 있습니다.

지구온난화의 주범인 이산화탄소를 처리하기 위한 기존의 CCS(Carbon Capture and Storage)기술은 포집과 저장 과정에서 과대한 에너지 소비 및 추가적인 CO2 배출 등의 문제점을 가지게 되는데, 이를 해결하기 위해 하이드레이트 기술을 이용하여 배기가스로부터 이산화탄소 포집 및 변환하는 기술을 개발 중에 있습니다.
포집 과정에서 투입되는 냉각열을 이산화탄소 하이드레이트 해리열로 회수하여 지역 냉방에 적용하는 연구를 수행하고 있으며, 나아가 흡수제인 메탄올에 고체 나노입자가 아닌 실리콘 오일과 같은 나노스케일의 오일류를 첨가하여 분산시키고, 흡수제의 분산안정성 확보를 위해 계면활성제를 사용하여 메탄올 기반 나노에멀젼 CO2 흡수제를 개발 중에 있습니다.
최종적으로는, 포집 된 CO2의 처리 과정 중 광촉매를 활용하여 추가적인 에너지 소비 없이 CO2를 유용한 연료로 전환하는 기술을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

흡수식 냉동 시스템은 전기 대신 열에너지로 구동하는 냉동 시스템으로 여름철 피크 전력 부하에 대한 해결책으로서 주목받고 있으며 친환경 작동 유체를 사용하는 장점이 있습니다. H2O/LiBr 흡수식 시스템은 20세기 중반 미국에서 최초 개발되었으며 19세기에 개발된 NH3/H2O 흡수식 시스템보다 높은 성능을 보입니다. H2O/LiBr 흡수식 시스템은 낮은 구동 압력 덕분에 고온 열원을 여러 번 사용할 수 있다는 특징이 있습니다. 열원은 재생기에서 냉매를 흡수액으로부터 분리시키는데 사용되며, 두 개 이상의 재생기를 이용하여 그만큼 냉매를 재생시키는 시스템을 다중효용 흡수식 시스템이라고 합니다.

본 연구실에서는 국내에서 개발한 위 삼중효용 흡수식 시스템에 적용할 3개의 판형 용액 열교환기 개발에 참여하였습니다. 개발 목표에 따라 높은 열전달 성능을 보일 수 있는 판형 열교환기를 선정하였으며, 실험 결과를 토대로 판형 열교환기에서의 H2O/LiBr 용액의 열전달 상관식을 개발하였습니다. H2O/LiBr 용액 열전달 상관식은 판형 용액 열교환기 판 수 선정 프로그램에 적용되어 현업에서 사용되고 있습니다.


2. 이산화탄소를 제거하기 위한 선행 연구로 나노흡수제와 신개념 흡수기를 개발하셨는데요. 교수님께서 개발하신 나노흡수제와 신개념 흡수기는 어떤 건지 궁금합니다.

이산화탄소 포집을 위한 고성능·고분산 나노에멀젼 흡수제는 세계 최초 개발된 것으로, 산업에서 널리 활용되는 CO2 물리적 흡수제인 메탄올에 나노크기의 오일액적을 분산시킨 형태입니다.

나노에멀젼 흡수제의
1) 분산안정 확보를 위한 오일과 계면활성제의 종류, 비율, 농도 등 최적조건 제시,
2) 정량적 분산안정 평가 지표 확보,
3) 나노에멀젼 열물성, 물질 확산계수를 DB화 하여 산업시스템 적용시 거동 예측 및 무차원화 기초 마련
4) CO2 흡수·재생 성능 평가, 5) 이미지 분석을 통한 메커니즘 연구를 수행하고 있습니다.

최종 목표는 나노에멀젼 흡수제를 적용한 산업 CO2 흡수시스템을 개발하여 구동에너지를 저감시키면서 성능을 극대화하는 것입니다.

기존 산업 CO2 물리적 흡수시스템의 반응기는 구동 흡수제에 적합하게 설계되어 있습니다. 이에 나노흡수제의 CO2 포집 거동을 고려하여 최적설계를 하는 것입니다. 구동 조건 변화를 고려하여 무차원 상관식을 개발하고, 작동 차트를 통해 흡수기를 최적화할 수 있는 기반을 개발하고 있습니다.


3. 최근 연구 중 이산화탄소를 활용하여 가스 하이드레이트를 생성하는 기술을 개발하여 업계에 주목을 받으셨다고 하는데요. 어떤 원리의 연구이며, 장점과 단점이 무엇인지 설명 부탁드립니다.

가스 하이드레이트는 물과 가스 분자로 이루어진 화학적 결합이 없는 결정 구조입니다. 대표적인 하이드레이트 형태로 CH4 하이드레이트와 CO2 하이드레이트가 존재합니다. 상대적으로 낮은 온도 및 높은 압력에서 하이드레이트가 생성되며 이는 얼음 구조와 다른 결정 형태를 가집니다. CO2 하이드레이트는 아이스 슬러리 보다 높은 해리 엔탈피를 가지고 있어 잠재적인 에너지 공급원 및 수송수단으로 활용 가능합니다 (Fig 1).




하이드레이트 형태로 CO2를 포집하여 저장하면 대기 중 이산화탄소 농도를 저감할 수 있으며 에너지 저장 시스템을 구축할 수 있습니다. 산업 형태에서 CO2 하이드레이트를 에너지 수송 수단으로 활용활 경우 생성 조건이 다소 까다로워 적절한 첨가제를 활용하여 생성 압력 및 온도를 완화시키는 것이 중요합니다 (Fig 2).

CO2 하이드레이트 슬러리의 유동성 및 높은 해리 엔탈피가 확보시켜 효과적인 에너지 수송 및 저장 시스템 구축 가능합니다.





CO2 하이드레이트의 장점은 일반적인 물에 비해 잠열이 높아, 열저장 매체로 사용할 경우 높은 에너지밀도를 기대할 수 있습니다. 또한 하이드레이트 구조를 이용하여 CO2만 선택적으로 포집한다는 특징이 있습니다. 단점은 형성에 있어 고압과 저온이 요구되어, 고효율을 내기 위하여 특수설비가 필요합니다.


4. 가스냉방 보급 면에서 가스냉방의 기술적 한계에 도달한 상태라 말씀하셨는데요. 가스냉방 어떤 기술적 한계가 있는지 궁금합니다.

국내외 흡수식 냉동기는 주로 이중효용 H2O/LiBr 방식의 도시가스 연소열을 이용한 가스직화식 냉동기가 주력으로 판매되고 있는 실정입니다. 2000년대 초반 우리나라에서는 COP 약 1.0의 흡수식 냉온수기 제품이 시장의 대부분을 형성하였습니다. 그 당시 국내 흡수식 업계에서는 흡수식 시스템의 고효율화보다는 높은 생산성을 위한 제조 기술의 향상에 초점을 맞췄기 때문입니다. 2007년 우리나라에서는 흡수식 냉온수기 고효율 인증 기준이 ‘COP 1.0 이상’에서 ‘COP 1.2 이상’으로 상향됨에 따라 삼중테크 등의 흡수식 시스템 제조 기업들이 COP 1.35의 고효율 흡수식 냉온수기 제품을 개발하여 우리나라의 고효율 흡수식 냉온수기 시장을 주도하고 있습니다.

흡수식 시스템 고효율화의 과정에서, 산학이 협동하여 흡수식 시스템 개별 컴포넌트들의 성능을 최대화 및 최적화하였으며 시스템 사이클 자체의 향상 및 재생기 배열 열교환기 등의 각종 열회수기를 적용하는 등 다양한 기술 적용을 통해 이중효용 흡수식 시스템의 이론적 최고 수준의 효율을 달성한 상태입니다.

2016년 한국에너지공단은 ‘고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정’을 개정하여 직화식 흡수식 냉온수기의 고효율 인증 기준을 기존의 ‘COP 1.2 이상’ 뿐만 아니라 ‘통합성능계수(IPLV) 1.41 이상’의 기준을 공용하였으며 2018년 1월 1일부터는 IPLV 기준에만 의거하여 고효율에너지기자재를 인증하고 있습니다.

따라서 전력 및 국가적인 에너지 수급차원에서 효과적인 가스직화식 흡수식 냉동기의 추가적인 효율 향상이 필요해졌고 이를 위해 현행 이중효용 기술을 뛰어넘어 삼중효용 기술로의 전환이 필요한 시점으로 볼 수 있습니다 (Fig 3).






5. 현재 맡고 있는 R&D과제에 대한 설명 부탁드립니다.

1) 열에너지 다소비 산업설비 스마트설계 플랫폼 기술 개발 및 실종

우리나라에서 철강, 식품, 섬유산업 등의 열에너지 다소비 산업은 대기업(설비 운용社) 위주임에 반해, 그 산업설비를 제작하는 제작사는 대부분 중소기업들입니다. 국내 중소기업들은 대부분 부족한 기술력과 전문인력으로 인해 고효율 신기술의 개발 및 보급이 지연되고 있으며 그에 따른 수익 저하는 기술 경쟁력 견인을 위한 민간투자를 저해하는 악순환을 초래하여 지속적 성과창출 및 독자적 사업화 가능성이 미약한 실정입니다.

업종, 설비의 종류, 용도 및 용량 등에 따라 달라지는 설계 인자들로 인해 설비 운용사들의 요구에 맞춘 열에너지 다소비 기기는 주문 제작 방식이 주를 이루고 있으며 또한 고도의 기술이 필요한 설비의 경우에는 국외 기술에 의존하고 있습니다. 이러한, 제한적인 수요처와 용도마다 달라지는 무한한 설계 변수들로 인해 열에너지 다소비 기기 설계 기술 및 설비의 국내 표준화는 난망합니다.

한국에너지기술연구원을 필두로 한 다수의 국내 연구기관들이 협력하여 중소, 중견기업에 정부 지원 R&D의 수혜가 미칠 수 있도록 범용성 있는 설계 플랫폼을 개발하여 공공재로서 제공하고, 기술 수요자와 공급자가 개방형 생태계 내에서 자발적으로 기술을 거래, 이용, 검증할 수 있는 시스템을 개발하고자 합니다.

고려대는 한국기계연구원과 협업하여 대표적인 열회수 기기라고 할 수 있는 열교환기들의 설계 모듈을 개발하여 스마트 디자인 플랫폼에 적용하고자 합니다 (Fig 4).
고려대는 현재 산업 현장에서 주로 사용되는 냉매인 R-32나 R-410A 냉매의 판형 열교환기에서의 열전달 및 압력강하 특성을 연구하고, 경험적 상관식을 개발하여 냉동 및 히트펌프 시스템에 적용할 증발기/응축기 설계에 기여하고 있습니다. 또한 한국기계연구원과 협업하여 공조기기에서 자주 사용하는 핀튜브 열고환기 시험 설비 설계를 지원하고 있습니다.





2) Ni계 CRA 소재 및 폭 3,500 mm 급 CRA/steel 후판 클래드 금속소재 제조기술 개발

이종금속 후판의 클래딩재를 구성하는 고부가가치 CRA (STS 304L, STS 316L, Ni-Alloy 625, 825) 합금을 대형 잉곳 고청정 제조하고 단조/압연하여 대형화하는 기술을 개발하고자 합니다. CRA 소재의 클래딩재 제공은 고부가가치 압연 기반 클래드 후판재 제조의 필수이나, 국내 연구 경험이 거의 전무하고 개별 중소중견기업의 단독 기술개발은 불가능하여, 기업과 대학/정부출연 연구소가 공동연구를 수행하여 달성하고자 합니다.

본 연구실에서는 CRA 소재 제조과정에서 응력, 변형률 기반 고온변형 저항 예측 모델을 개발하여 제조 과정의 신뢰성을 향상시킵니다. 예측 모델을 실기 압연 결과(기업제공)를 바탕으로 모델 신뢰성을 검증합니다. 클래드재 냉각 온도 변화 및 변형 거동 수치해석 모델을 개발합니다.





3) 나노에멀젼 흡수제를 이용한 CO2 흡수/재생 성능 촉진 및 연료화 기술

기존 CO2 물리적 흡수 공정은 높은 흡수율을 얻기 위해 흡수기의 온도를 저온(-40oC)로 유지하여 대용량의 냉동에너지가 필요하다는 한계점이 있음. CO2 포집성능을 극대화하고 구동온도를 상온으로 끌어올려 에너지를 저감하고자 하는 목적을 기반으로, 나노에멀젼 흡수제를 개발합니다 (Fig 6).






포집된 CO2를 저장하는데에 그치지 않고 무한한 청정에너지를 이용하여 CO2를 연료화하는 기술을 포함합니다 (Fig 7).





4) 태양열을 이용한 고성능 지중 계간축열 시스템 개발

태양열을 이용한 고성능 지중 계간축열 시스템이란, 하절기에 태양열을 이용하여 지중에 열에너지를 저장하고, 동절기에 저장된 열을 활용하는 시스템입니다. 열에너지가 유입되는 인입위치제어를 통해 축열 효율 향상 시뮬레이션을 수행하고 (Fig 8), CFD를 이용하여 액체인 열원으로부터 축열조에 열전달을 가시화하고 최적화 모델링을 개발, 예측모델을 정립하고자 합니다.





6. 지금까지 연구내용이 국내기업과 국외기업이 어떤 식으로 상용화 되었는지 궁금합니다.

산업적용 이산화탄소 흡수시스템에 적용하기 위한 나노흡수제 특허를 기술이전하는 성과를 거뒀습니다
(특허 등록번호: 10-1296512). 그 외에 플러스에너지빌딩 혁신기술 연구센터는 LH공사에서 테스트베드 건물을 제공받아 기술개발한 내용을 실제 건물에 적용하여 실증할 계획을 가지고 있습니다.


7 우리나라의 가스냉동산업의 경쟁력 강화를 위해 어떤 부분의 연구가 더 필요한지 궁금합니다.

2017년 기준 국내 시스템 에어컨 시장을 살펴보면 대형건물의 중앙집중식 냉방용 가스 흡수식 기기가 전체의 약 9%를 차지하고 있으며 이는 2013년 기준 일본의 약 23.4%의 절반도 못 미치는 수준입니다. 또한, 가스냉방 보급속도 둔화로 인해 전체 냉방부하 대비 가스냉방 비중은 2014년 이후 하락세이며 가스 냉방기기 신규설치는 2016년 이후 감소하고 있습니다. 이러한 상황에서 우리나라는 현재 여러 법규와 지원제도들을 통해 가스 냉난방을 장려하기 위한 정책적 규제와 금전적 지원을 동시에 수행하고 있습니다.

지난 5월 산업통상자원부는 가스냉방 지원의 실효성을 높이고, 보급 활성화 기반을 조성하기 위해 ‘가스냉방 보급 확대방안’을 발표하였습니다. 산자부에서 발표한 위 방안은 크게 4가지이며 이 중 우리나라 연구자들이 주목하는 부분은 ‘핵심부품 국산화, 효율화 기술개발’입니다. 정부는 전체 설비가격의 50%를 차지하는 주요부품인 압축기와 엔진을 국산화하여 가격경쟁력을 강화함과 동시에 고성능 제품을 생산하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이에 더해 가스 흡수식 시스템 연구를 수행하는 본 연구실에서는 판형 열교환기의 국산화를 위한 연구 또한 필요하다고 사료됩니다.





세계 판형 열교환기 시장은 세계적인 에너지 이용 효율화 기조에 따라 계속 성장할 것으로 예상되나, 국내 판형 열교환기 업체들의 기술은 아직 세계적인 인정을 받지는 못하고 있습니다. 가스 흡수식 냉난방 기기에서는 고효율의 내부식성이 강한 판형 열교환기가 필요하지만 이러한 조건을 갖춘 All Stainless Steel 혹은 Nickel 브레이징 판형 열교환기들은 외국 업체들이 자국의 본사에서만 생산하여 공급하고 있습니다.

결론적으로, 우리나라의 가스냉동산업의 제고를 위해서는 엔진, 압축기의 고효율 국산화 뿐만 아니라 고효율 내부식성 판형 열교환기의 국산화 개발도 필요합니다.


8. 국제적으로 많은 연구자들이 Low GWP 냉매에 대한 연구에 매진하고 있습니다. 교수님께서 생각하시는 국내 상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면 어떤 실정인가요?

최근 국제적으로 Low GWP 냉매 대응에 대한 노력이 많이 이루어지고 있습니다. 키갈리 의정서와 같이 국제 협약도 이루어지고 있고 유럽이나 미국 등의 선진국에서는 국제협약에서 이루어진 규제안보다 한층 강화된 규제를 스스로 실행중이며 기존의 냉매 사용이 금지된 후를 미리 대비하고 있습니다. 미국은 정부 부처 차원에서 Low GWP 냉매를 개발하고 적용하는 연구개발을 구체적 로드맵과 함께 활발히 수행하고 있습니다.

이러한 노력은 분명 2030년 이후 Low GWP 냉매를 각종 산업에서 의무적으로 활용해야 하는 상황에서 큰 효과를 볼 것으로 기대됩니다. 국내에서도 에너지기술평가원 등 정부출연 연구소를 중심으로 산학협력하에 Low GWP 냉매에 대한 연구가 진행중이나 기존의 냉매를 대체하여 성능을 향상시키는 실증차원의 연구가 더 이루어져야 한다고 생각합니다 (Fig 9).





9. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

친환경 에너지관련 연구를 다년간 수행하면서 쌓아온 노하우를 바탕으로, 국가 정책에 걸맞는 “플러스에너지빌딩 혁신기술 연구센터”를 선도연구센터-공학분야(ERC) 과제를 통해 설립하였습니다.
연구의 추진 배경은 서울 에너지 소비 부문에서 가정·상업용 건물이 55.9%로 가장 높은 비율을 차지하며, CO2 배출량도 상응하게 지배적입니다. 정부는 건물 에너지 소비를 중대한 사안으로 인식하고 있고, 제로에너지건축의무화 로드맵을 장기적 목표로 제시하였습니다 (Fig 10).





제로에너지건물이란 건물에서 사용되는 에너지 소모양을 최소로하고 신재생에너지를 통해 필요로하는 에너지를 자체적으로 생산하는 에너지 자립 건물을 말합니다 (신재생에너지: 재생가능한 에너지태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열 또는 신에너지 연료전지, 수소, 액화석탄). 국내 제로에너지빌딩의 에너지자립률은 30-40% 수준으로 매우 낮은 실정입니다. 본 플러스에너지빌딩 혁신기술 연구센터에서는 건물에서 필요로하는 에너지보다 20%를 더 생산하는 플러스에너지 20%를 달성하는 것이 목표입니다.

제로에너지빌딩을 달성하려면 신재생에너지의 활용이 필수적이나 아직 국내에서는 그 활용도가 낮은 실정으로 전체 에너지 공급의 6.5%를 차지합니다.


신재생에너지 활용이 미미한 이유는:

1) 기존에너지원에 비해 공급이 불안정함: 기존 발전소와 같이 일정한 에너지를 지속적으로 생산할 수 있는 것이 아니라, 외기조건에 큰 영향을 받음 (예를 들어, 오후에는 태양광 생산량이 매우 크나 일몰 이후에는 생산이 불가함)

2) 낮은 에너지 생산밀도: 다른 에너지에 비해 동일 면적당 발전가능 에너지가 현저히 낮음

3) 에너지 저장기 미비: 불안정한 공급과 관련되어 [에너지 생산>에너지 수요]인 경우에는 잉여에너지를 저장하고, [생산<수요]인 경우에는 저장된 에너지를 활용하는 기술이 부족함;입니다. 에너지 자립률 100% (제로에너지 1등급)을 달성하기 위해서는 [신재생에너지 생산]부터 [에너지 저장/변환] 및 [에너지관리 최적화] 시스템을 모두 포함하여야합니다

기술적 한계를 고려하여 센터에서는 세 가지 연구그룹을 구성하였습니다 (그림 11)





1그룹 : 신재생에너지 생산/변환 성능 고도화 기술개발

건물일체형 태양광/열 발전(BIPVT) 성능을 극대화(열에너지 변환율 100% 향상, 생산량 350 W/m2)하고, 잉여전력 연료화 (수소 변환 효율 75%) 및 연료전지 발전기술을 통하여 에너지 생산량을 향상시키고 (0.3 W/cm2), 위 두 기기에서 발생하는 중-저온 폐열을 통해 전기에너지를 생산하는 열-전기화학 전지(30 mV/K, ZT>3.3 이상)를 개발하여 신재생에너지 생산/변환 성능 고도화를 실현함.

2그룹 : 고밀도 건물에너지 저장/활용 기술을 적용한 냉난방 겸용 혼합축열 기술개발

냉매/이온성 액체 혼합물을 활용한 열에너지 저장기술(저장밀도 550 kJ/kg)과 H2O/LiBr 용액의 상온 농도차 포텐셜을 이용한 열에너지 저장(SSA) 기술을 개발. 또한 SSA를 통한 냉난방 동시 활용 시스템(COP 0.5)과 솝션 열배터리 시스템(COP 0.4)을 개발하여 건물 냉난방 부하변동에 유동적으로 대응. 고효율 혼합축열조를 개발(축열밀도 50 kWh/m3)하고 부하 특성을 고려한 운용기술을 개발하여 고밀도 건물에너지 저장/활용 기술을 적용한 냉난방 겸용 혼합축열 기술을 개발함.

3그룹 : 패시브/액티브 핵심 원천기술 및 건물유형별 통합시스템 최적설계 기술개발

패시브 디자인과 액티브 시스템 핵심기술 개발을 통해 건물에너지 부하를 저감하고 건물유형별 통합시스템 설계를 최적화함. 실증데이터 기반 통합 최적화 플랫폼을 구축하여 최종적으로 주거 및 비주거 건물에 대하여 플러스에너지 20%를 달성함.





플러스에너지빌딩(PEB) 기술은 건물 내에서 필요로 하는 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하여 주위에 공급하는 기술로 향후 에너지 소비의 저감은 물론이며 불균형에 적극 대응할 수 있는, 제로에너지빌딩(ZEB)보다 미래를 선도할 수 있는 기술입니다 (Fig 12).

구체적으로 대상건물(주거용: 화성상리단지, 비주거용: 서울시 관공서 기준 산정)에서 발생하는 에너지 부하를 패시브 디자인 설계를 통해 50% 원천 저감하고, 냉난방 등 액티브 시스템의 에너지 효율향상으로 에너지레벨 70% 달성 (액티브 기술 적용 잔여에너지 부하 40% 저감) 및 최종적으로 신재생에너지 생산을 통해 최종 에너지레벨 120% 달성하고자 합니다.

주거용과 비주거용 건물형태에 적용될 수 있는 연계기술을 구조·특성에 맞게 각각 개발 및 최적화할 것을 최종목적으로 합니다. 이를 바탕으로 플러스에너지 20%를 통해 건물 자체가 에너지 생산자가 되며, 스마트그리드 시스템 연계로 지역사회에 에너지 안정을 유도하리라 기대합니다.