‘탄소 44%·비용 56% 줄인다’… 기계연, 산업 맞춤형 태양열 히트펌프 통합 솔루션 개발

한국기계연구원(이하 기계연)이 산업 현장의 열공급 설비를 친환경·고효율 시스템으로 전환하는 통합 솔루션을 세계 최초로 개발했다.

기계연 탄소중립기계연구소 박창대 박사팀은 산업용 열공급설비 최적 설계플랫폼 ‘iTOP‘과 태양열 히트펌프 기반 산업용 열공급 시스템 ’SoHProtes‘를 개발하고 실제 산업 현장 실증을 완료했다.

화석연료 기반 보일러에 의존하는 산업현장은 사업장별 조건에 적합한 열설비를 판단할 도구가 부족했다.

고온 히트펌프는 충분한 열원이 필요하지만 실제 현장에서는 활용 가능한 폐열이 부족해 적용에 한계가 있었다.

연구팀은 설계플랫폼과 열공급 시스템을 함께 개발해 최적 설비 선정부터 고온 열공급까지 하나로 연계했다.

연구팀이 개발한 iTOP은 사업장 위치, 면적, 필요 온도, 폐열 유무, 부하 패턴 등 조건을 입력하면 21종 이상 열공급 설비를 동시 비교·분석하는 설계플랫폼이다.

가스보일러, 히트펌프, 태양열 등 다양한 설비를 대상으로 동적 성능 시뮬레이션과 경제성 분석을 수행해 최적 설비 조합과 공정설계 결과를 제공한다.

SoHProtes는 태양열 집열기를 고온 히트펌프 열원으로 활용하는 산업용 열공급 시스템이다.

폐열이 없거나 부족한 사업장에서도 60℃ 이상 열에너지를 공급할 수 있고, 태양열이 부족한 시간에는 축열조와 히트펌프를 연계 운전하는 하이브리드 제어를 적용해 연중 안정적인 열공급이 가능하다.

연구팀은 이 시스템을 김포 소재 식품가공 공장에 300kW급으로 설치해 1년 이상 운전하며 현장 적용성을 검증했다.

실증 결과 SoHProtes는 기존 가스보일러 대비 탄소배출량을 약 44% 감축했다.

이를 시간당 1톤급 가스보일러를 대체할 경우 4000톤 이상의 이산화탄소 감축 효과와 약 3년 수준의 투자회수기간을 확인했다.

특히 실증 기업 운영비를 56%가량 절감하는 효과를 입증해 비용 측면에서도 우수성을 보였다.

이번 성과는 식품, 화학, 제지, 섬유 등 200℃ 이하 열공정을 사용하는 산업 분야 탄소중립 전환을 앞당기는 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.

박 박사는 “이번 기술은 화석연료 의존도가 높은 산업 열에너지 분야의 탈탄소화를 이끄는 현실적인 해법"이라며 ”향후 인공지능(AI) 기술을 접목해 플랫폼을 고도화하고 2026년 연구원 창업을 통해 기술을 널리 보급하겠다"고 말했다.

이재형 기자 jh@kukinews.com