기계硏, 21종 설비 비교하는 'iTOP'과 고온 열공급 시스템 통합 개발
300㎾급 설비 1년 실증…투자비 회수기간 약 3년 추산

사업장별 여건에 맞는 열공급 설비를 설계하고 태양열과 히트펌프로 고온의 열을 생산하는 통합 기술이 개발됐습니다. 실제 식품공장에서 1년 넘게 운전한 결과 기존 가스보일러보다 탄소배출량을 약 44% 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.

한국기계연구원 탄소중립기계연구소 박창대 책임연구원팀은 산업용 열공급 설비 최적 설계플랫폼 '아이톱(iTOP)'과 태양열 히트펌프 기반 열공급 시스템 '소프로테스(SoHProtes)'를 개발했습니다.

연구팀은 경기 김포의 식품가공 공장에 300㎾급 설비를 설치해 1년 이상 가동하며 성능과 현장 적용성을 검증했습니다.

산업 현장에서는 제품 생산과 세척, 건조 등에 많은 열이 필요합니다. 현재는 대부분 화석연료를 사용하는 가스보일러로 열을 공급하기 때문에 탄소배출을 줄이기 어렵습니다.

사업장마다 요구하는 온도와 열 사용량, 부지 조건이 다르지만 여러 설비의 성능과 비용을 객관적으로 비교할 수 있는 도구도 부족했습니다.

아이톱은 사업장의 위치와 부지 면적, 필요 온도, 시간대별 열 사용량, 폐열 발생 여부 등을 입력하면 적용할 수 있는 열공급 방식을 동시에 분석하는 플랫폼입니다.

가스보일러와 전기보일러, 전극보일러, 일반·고온 히트펌프, 태양열 시스템, 열병합설비 등 21종 이상의 설비를 비교합니다.

각 설비를 실제 사업장 조건에서 운전했을 때의 성능을 시간대별로 모의실험하고 설치·운영 비용까지 계산해 적합한 설비 조합과 용량을 제안합니다.

이를 통해 필요한 용량보다 설비를 지나치게 크게 설치하거나 반대로 부족하게 설계하는 문제를 줄이고, 투자에 앞서 경제성을 검토할 수 있습니다.

소프로테스는 태양열 집열기에서 얻은 열을 고온 히트펌프의 열원으로 사용하는 시스템입니다. 공정에서 활용할 폐열이 없거나 부족한 사업장에서도 60도 이상의 열을 공급할 수 있습니다.

햇빛이 부족한 시간에는 축열조에 저장한 열과 히트펌프를 함께 사용합니다. 태양열 생산량이 변하더라도 공정에 필요한 열을 안정적으로 공급하도록 제어하는 방식입니다.

기존 고온 히트펌프는 충분한 폐열을 확보해야 효율적으로 작동해 적용할 수 있는 사업장이 제한적이었습니다. 연구팀은 폐열 대신 태양열을 활용해 이러한 제약을 줄였습니다.

현장 실증 결과, 소프로테스의 탄소배출량은 기존 산업용 가스보일러보다 약 44% 적었습니다.

연구팀은 시간당 증기 1톤을 생산하는 가스보일러를 해당 시스템으로 대체하면 이산화탄소를 4천 톤 이상 감축할 수 있을 것으로 추산했습니다. 에너지 비용 절감 등을 고려한 투자비 회수기간은 약 3년으로 분석했습니다.

다만 탄소 감축량과 경제성은 일조량과 전력·가스 가격, 열 사용 형태, 설비 규모 등 사업장 조건에 따라 달라질 수 있습니다.

개발 기술은 식품과 화학, 제지, 섬유 등 200도 이하의 열을 사용하는 산업공정에 우선 적용할 수 있을 것으로 예상됩니다.

박창대 책임연구원은 "사업장에 적합한 열공급 설비의 설계부터 실제 고온 열에너지 생산까지 연결한 통합 기술"이라며 "산업 열에너지 분야의 화석연료 사용을 줄이는 데 활용할 계획"이라고 말했습니다.

연구팀은 태양열 히트펌프 시스템과 설계 방법에 관한 특허를 출원하고, 앞으로 AI를 적용해 설비 조합과 운전 조건을 더욱 정밀하게 제안하도록 아이톱을 고도화할 계획입니다.

이번 연구는 성과는 '에너지 컨버전 앤드 매니지먼트(Energy Conversion and Management) 등 다수의 SCI급 학술지에 게재됐습니다.