국립금오공과대학교(총장 김상호)는 김준영 기계공학부(기계공학전공) 교수 연구팀이 건물의 탄소 배출 감소를 위한 다기능 히트펌프 및 에너지 저장 장치를 개발했다고 17일 밝혔다.

건물은 냉·난방, 온수, 냉동 등의 에너지 사용으로 인해 일반적인 에너지 소비의 40% 이상을 차지하고 있다. 그 가운데 냉난방 시스템에 사용되는 수소불화탄소(HFC) 냉매는 탄소 배출량의 주요 원인이 되고 있어, 정부 및 연구 기관에서는 고효율의 친환경 냉난방 기계인 '히트펌프(냉난방 기계)' 개발 연구에 주목하고 있다.

다기능 히트펌프와 같은 차세대 건물 장비는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 개념인 '열용량 사이클'을 통해 보다 효율적으로 제작될 수 있다. 열용량 사이클은 전기에너지 저장 장치인 '전기 이중층 커패시터(EDLC)'를 기반으로 하며, 전기에너지와 다공성 전극을 사용해 열을 흡수하고 방출한다. 이 현상은 칼로릭 히트펌프와 유사하게 셀을 연속적으로 가열하며, 순환하는 유체로 열을 전달함으로써 보다 효율적인 히트펌프를 개발하는 데 활용될 수 있다.

연구팀은 활성탄 전극과 수용성 1 M LiCl(1L 용액에 염화리튬이 1mol 녹아 있음)을 사용한 열용량 전지를 충·방전할 때 온도 변화가 2.7℃까지 향상시킬 수 있음을 확인했다. 이는 셀에서 향상된 엔트로피 변화와 가역적인 열 발생 때문인데, 제작된 LiCl 수용액 전지를 계단식으로 배열하면, 히트펌프 시스템의 예상 온도변화는 12℃로 상승하고, 체적 난방용량은 15kW/m3 가 된다.

건물 탄소 배출 감소를 위한 다기능, 열용량 히트펌프 및 에너지 저장 장치

건물 탄소 배출 감소를 위한 다기능, 열용량 히트펌프 및 에너지 저장 장치

개발된 열용량 히트펌프는 다른 유망한 대체 (칼로릭)장치와 비교할 때보다 평균 15% 높은 열효율을 달성할 잠재력을 가지고 있다. 또 활성탄과 수용성 전해질과 같은 비교적 풍부한 재료를 사용하면서 낮은 전류 밀도에서 높은 효율과 온도 범위를 모두 달성할 수 있는 차세대 냉난방 기술 중 하나가 될 수 있다. 마지막으로, 에너지 저장 기능을 냉난방 장치에 통합하는 것은 건물 열관리 측면에서 유리할 수 있는데, 에너지 저장은 에너지 시스템 통합에 있어 점점 더 중요해지고 있기 때문이다. 이번 연구결과는 최근 열·에너지 분야의 국제 저명 학술지인 '에너지 컨버전 앤 매니지먼트'에 게재됐다.

김준영 교수는 “현재 히트펌프는 10대 혁신기술로 선정되는 등 탄소중립 시대와 에너지 이슈에 게임 체인저로 재해석이 되고 있다. 또한, 냉난방에 대한 수요는 향후 10년 동안 최대 10배까지 증가할 것으로 예측하고 있어 차세대 히트펌프 장비를 개발한 이번 연구는 큰 의미를 지닌다”고 했다.

지난해 9월, 국립금오공대에 부임한 김준영 교수는 세계 최고수준의 연구기관들(미국 국립재생에너지연구소, 퍼듀대, 미시건대, 한국과학기술원)에서 다양한 산·학·연 과제를 수행한 바 있다. 이를 바탕으로 국립금오공대에서 첨단 열시스템 관련 연구를 중점적으로 진행하고 있으며, 최근 전기화학장치와 열시스템 통합을 통해 효율을 높이는 저비용-친환경 에너지시스템 연구를 활발히 진행 중이다.

한편, 이번 연구는 국립금오공대 연구팀과 미국국립연구소(NLR) 연구진과의 국제 공동 연구 성과다.