[가스신문=양인범 기자] 우리나라의 대표적인 에너지원은 전기와 도시가스이며 계절에 따라 그 수요량이 크게 달라 국가 에너지정책에 있어 큰 문제가 되고 있으며 전력은 냉방수요에 집중했던 예전과 달리 최근에는 난방수요까지 급격히 증가해 여름철뿐만 아니라 겨울철에도 수요의 피크를 나타내고 있다.

이러한 동고하저(冬高夏低)형 도시가스 수요패턴은 배관 등 공급설비의 이용효율을 저하시키고 비수요기에 도입되는 LNG저장을 위해 엄청난 저장시설을 필요로 하여 막대한 시설자금이 소요된다.

그러므로 정부에서는 이러한 전기·가스의 계절적 수요 불균형을 해소하고 두 에너지가 상호 보완적인 역할을 할 수 있도록 에너지정책의 기본방향을 설정하고 있다. 그 방법의 하나로 가스냉방을 권장하고 있고 가스냉방기기 설치비의 약 20%를 정책자금(전력기금)에서 지원, 장려하고 있다.

가스냉방이란 도시가스 등 연료가스를 공조용 냉온열원장치의 에너지로 이용하는 것을 말하며 대표적인 것이 흡수식냉온수기이다.

본지는 이번 기획에서 흡수식 냉온수기·냉동기의 원리와 역사, 국내 제조사들과 해외 제조사들을 소개하고, 흡수식 기술이 세계적으로 어떻게 발전하고 있는지를 살펴보고자 한다.

흡수식 냉온수기는 고온의 열원을 이용해 저온에서 열을 받아 중온(주로 대기)의 상태로 열을 방출하는 기기로 미국에서 1929년 Servel에서 H2O/Licl 방식 흡수식 냉동기를 최초로 개발했다. 이후 1945년 캐리어(Carrier)에서 H2O/LiBr방식 흡수식 냉동기를 개발해 상업용 및 산업용 공조기기로 시판한 이래 York, McQuay, Trane, Hunham-Bush 등이 기기개발에 참여해 다양한 모델을 시장에 출시하게 되었다.

일본의 경우는 1958년 기차회사에서 H2O/LiBr 방식 패키지형 흡수식 냉동기를 개발해 지역 냉난방 및 산업용으로 사용했고, 1968년 가와사키중공업에서 2중 효용 흡수식 냉동기를 개발했다. 이후 Ebara, Sanyo, Hitachi, Takuma, Yazaki 등에서 7.5~2000RT(냉동톤)에 이르는 기종을 생산하고 있다.

흡수식 냉온수기의 원리를 간단히 설명하면, 물의 증발·흡수 과정에서 압력에 따른 변화를 이용하는 것이다. 물은 대기압인 760mmHg에서 100℃에서 끓지만, 진공에 가까운 6mmHg에서는 5℃에서 끓는다.

흡수식 냉온수기는 크게 4가지 파트로 구성된다. 증발기, 흡수기, 응축기, 재생기가 그것이다. 증발기에는 냉매로 사용할 물을 넣고 흡수기에는 물을 잘 흡수하는 성질을 가진 리튬브로마이드(LiBr)수용액을 넣은 다음 증발기 내부를 진공펌프로 6mmHg의 진공 상태로 만들면, 물은 약 5℃ 근방에서 증발하게 된다.

이때 증발기 내부를 순환하는 튜브를 통해 물의 증발잠열에 해당하는 만큼의 열을 빼앗아가 튜브 내의 물을 냉각시킨다. 일반적으로 튜브 내의 냉수는 증발기에서 약 7℃까지 냉각되어 AHU(Air Handling Unit)나 FCU(Fan Coil Unit)같은 공조기기에 공급돼, 공기와 열교환하여 사람이 거주하는 실내에 냉풍을 만들어주고 냉수 자신은 온도가 약 12℃ 정도로 높아져 다시 증발기로 되돌아 온다.

흡수기의 흡수용액은 증발기에서 나오는 수증기(냉매증기)를 어느 정도 흡수하면 더 이상 흡수할 수 없는 포화상태가 되어 수분을 분리해야 한다.

이때 수분을 분리하기 위해서 흡수용액을 이동시킨 재생기를 가열해 수분을 증발시킨다. 흡수식 냉온수기는 전기를 사용하는 증기압축식 냉동기와 달리 가스버너를 설치하고 가열해서 물을 증발시킨다. 원칙적으로 가열할 수 있는 열원을 위한 연료면 기름이나 석탄도 가능하지만 가장 편리하고 친환경적인 연료가 천연가스이기에 흡수식 냉온수기는 대부분 가스로 가열을 하는 것이다.

2026년경 16억달러 육박

지구온난화에 따른 기온상승의 여파로 전 세계의 냉동공조기기 수요가 늘어남에 따라 다양한 기기들이 연구·개발되고 있다.

이중 전 세계 흡수식 냉온수기 시장은 2020년에 미화로 12억 5천만 달러에 도달했다고 한다. 이 산업은 2021~2026년 기간 동안 연평균 4% 이상 성장해 2026년경에는 약 15억8천만 달러에 이를 것으로 예상되고 있다.

특히 아시아·태평양 지역은 흡수식 냉온수기의 주요 수요지이며, 예측 기간 동안에도 급속도로 성장하고 있다. 성장은 주로 중국과 인도와 같은 개발도상국의 수요 증가에 의해 촉발된다.

이들 신흥 국가는 전기수요에 비해 발전이 부족한 상황으로 전기를 쓰지 않고 냉난방을 할 수 있는 흡수식의 적용이 증가할 것으로 많은 애널리스트들이 예상하고 있다.

흡수식 냉온수기는 냉동창고와 실내 냉방에 가장 많이 쓰이고 있다. 다른 냉각장치와 달리 가스나 기타 도시의 발생하는 열을 이용할 수 있다. 또 운영비용이 전기를 이용하는 냉동기에 비해 적게 들기에 교육기관, 병원 등에서도 널리 사용된다.

흡수재 유형에 따라 시장은 암모니아와 리튬브로마이드로 나뉘며, 기술에 따라서 단일 효용, 2중 효용, 3중 효용으로도 나뉜다.

해외 제조사는 Robur Corporation, Trane,Inc, Carrier Corporation, Thermax Limited, 
Shuangliang Eco-Energy Systems Co.Ltd, Kawasaki Thermal Engineering, Yazaki Corporation, 
Broad Group, EAW Energieanlagenb GmbH, Colibri bv, Johnson Controls-Hitachi Air 
Conditioning 등이 있다.

국내 제조사로는 귀뚜라미그룹 계열사인 범양냉방, 센추리와 LG전자, 현대공조, 삼중테크, 월드에너지 등이 있다.

3중 효용 기술로 수출 늘려야

국내 냉동공조기기시장은 한국냉동공조산업협회에 따르면 2019년 기준으로 출하금액은 약 8조원, 생산금액은 약 10조원을 기록하고 있다.

이 가운데 가스를 연료로 사용하는 제품은 흡수식 냉온수기·냉동기, GHP(Gas HeatPump)등이 있다.

흡수식 냉온수기와 냉동기는 2019년 기준 출하금액이 약 1240억원에 달하며, 생산금액은 약 1140억원에 도달했다. 이는 국내 냉동공조기기시장에서는 작은 비율이라고 할 수 있다.

흡수식 냉온수기 기술은 현재 재생기를 3개(저온·중온·고온)를 갖는 3중 효용 방식을 최고 수준으로 보고 있다. 국내에서는 삼중테크가 지난해 개발에 성공, 상용화에 앞장서고 있다.

3중 효용 기술은 COP(냉동기 성적계수)값이 1.6 이상을 가지는데, 일본 가와사키가 먼저 상용화에 성공했으며 미국은 개발을 보류한 상태다. 특히 국내 기술은 선진기술 대비 기술격차가 아직 있는 것으로 업계에서는 보고 있다.

다만 삼중테크가 개발한 200RT급 3중 효용 흡수식 냉동기는 COP 1.65를 기록한 만큼 세계 무대에서도 경쟁력을 갖추고 있는 상태다.

특히 2040년까지 진행되는 3차 에너지기본계획에서 비전력 냉방을 보급 확대하는 계획이 발표된 만큼 가스(LNG, LPG)를 이용한 냉방기기 수요는 더 늘어날 것으로 업계에서는 예상하고 있다.

다만 아직 여러 과제가 남았다고 할 수 있다. 국내 흡수식 냉온수기 제조사들은 기술력을 갖췄지만 상대적으로 규모가 작기에 세계 시장에서의 인지도가 떨어지고, 수출 시 어려움을 겪고 있다.

한 흡수식냉동기 제조사 관계자는 “기술 개발과 수출에 있어 중소기업이 겪는 어려움을 정부가 관심을 가져야 하며, 가스식 냉방을 늘리는 것이 전체 전력 수급 안정화에도 도움이 된다는 점을 국민들에게 적극 홍보해야 한다”고 밝혔다.