전기열량 소재를 활용한 냉난방 기술 혁신

냉난방의 막대한 에너지 수요

현대 산업사회는 많은 에너지를 사용하며, 냉난방은 그중 큰 비중을 차지합니다. IRENA에 따르면 냉난방은 세계 최종에너지 소비의 약 절반을 차지합니다. 해당 최종 용도 구분에서 전력 용도는 약 20％, 수송은 약 30％입니다. 이는 냉난방이 건물 공조만을 뜻하거나 전력과 전혀 겹치지 않는 물리적 에너지원이라는 의미는 아닙니다.

따라서 난방·환기·공조(HVAC)의 효율 개선과 저탄소 전력 활용은 에너지 소비와 배출을 줄이는 중요한 수단입니다. 인도나 인도네시아처럼 더운 지역의 경제성장도 냉방 수요를 높입니다. 2050년까지 세 배 증가한다는 전망은 특정 냉방 지표와 시나리오에 관한 것으로, 모든 냉난방 에너지 수요가 반드시 세 배가 된다는 뜻은 아닙니다.

출처: Daikin

현재 널리 쓰이는 고효율 냉난방 기술 중 하나는 증기압축식 히트펌프입니다.

연구자들은 대안으로 전기열량 효과를 이용한 냉각 기술도 개발하고 있습니다. 아직 연구용 시제품의 성능과 상용 공조 설비의 성능을 구분해야 합니다.

히트펌프의 작동 원리

압축식이든 전기열량 방식이든 히트펌프는 열을 한 곳에서 다른 곳으로 이동시키는 장치입니다. 이동에 필요한 에너지도 소비하지만, 공급하는 열의 전부를 직접 만들어 내는 방식과는 다릅니다.

가스·석탄·석유를 태우거나 전기저항을 이용하는 난방은 투입 에너지를 열로 전환합니다. 히트펌프는 외부에서 가져오는 열을 활용하므로 소비 전력보다 더 많은 난방 열을 전달할 수 있습니다.

가역식 히트펌프는 겨울에 외부의 열을 실내로 옮기고, 여름에는 실내의 열을 외부로 내보냅니다. 냉방 운전은 에어컨과 같은 원리를 사용합니다. 모든 제품이 양방향 운전을 지원하는 것은 아닙니다.

적절한 조건에서 압축식 히트펌프는 전력 1 W를 소비해 약 2–4 W의 열을 전달할 수 있습니다. 이는 열을 이동시키는 성능계수의 예이며, 에너지를 새로 만들어 내거나 모든 온도 조건에서 같은 효율을 낸다는 뜻은 아닙니다.

출처: RMI

열원으로는 외기나 지중 배관을 통한 지열 등이 쓰입니다. 수열 등 다른 방식도 있으며, 적합한 열원은 장소와 설비에 따라 달라집니다.

히트펌프는 주택, 사무실, 상업시설의 냉난방에 널리 쓰입니다. 산업에서도 한 공정의 폐열을 다른 공정에 활용하는 등 에너지 절감에 기여할 수 있습니다.

출처: Sintef

압축식을 넘어서는 전기열량 히트펌프

전기열량 기술의 발전

증기압축식 히트펌프는 냉매의 압축·팽창 및 상변화를 이용해 열을 옮깁니다. 일부 HFC 냉매는 누출 시 온난화 영향을 주지만, 냉매마다 성질이 다릅니다. 암모니아를 HFC와 같은 직접 온난화 효과를 가진 냉매로 취급해서는 안 됩니다. 전력 사용에 따른 간접 배출도 별도로 고려해야 합니다.

전기열량 물질은 전기장이 변할 때 온도가 가역적으로 변할 수 있습니다. 일반적인 설명에서는 전기장이 분극을 정렬시키며, 단열 조건에서 온도가 올라가고 전기장을 제거하면 내려갑니다. 실제 냉각 장치는 열교환과 전기장 변화를 순환시켜야 합니다.

출처: Fraunhofer IPM

전기열량 효과는 오래전부터 연구되어 왔으며 1960년대에도 연구가 이루어졌습니다. 초기의 약 2.5 ℃ 변화는 특정 물질과 조건의 결과로, 모든 물질에 적용되는 한계가 아닙니다.

2006년에는 납 지르콘산 티탄산염(PZT) 박막에서 약 12 ℃의 전기열량 온도 변화가 보고되었습니다. 온도 변화는 냉각 용량이나 냉각 출력과 다른 물리량입니다.

벨보에 있는 룩셈부르크 과학기술연구소(LIST) 연구진은 2023년 시제품에서 최대 20.9 K의 온도 차이를 보고했습니다. 온도 차이로는 20.9 ℃에 해당하지만, 이 결과만으로 상용 공조 설비가 완성되었다고 볼 수는 없습니다.

전기열량 시제품

연구진은 납 스칸듐 탄탈레이트(PST) 세라믹 기반 다층 커패시터(MLC)를 이용했습니다. 이 시제품의 전기열량 물질을 고분자로 설명하는 것은 정확하지 않습니다.

출처: UPCommons

연구는 전기장 10 V/μm 조건에서 최대 온도 차이 20.9 K와 최대 냉각 출력 4.2 W를 보고했습니다. 이 최대값들이 동일한 운전점에서 동시에 나타난다는 뜻은 아니며, V/μm는 전력이 아니라 전기장의 단위입니다.

출처: Techspot

기사에서는 이전 전기열량 장치와 비교해 온도 차이가 약 50％ 크고 냉각 출력이 15배라고 소개합니다. 이는 특정 선행 시제품과의 비교이지, 모든 기존 냉각 방식보다 그만큼 우수하다는 의미가 아닙니다.

이 결과는 전기열량 냉각의 가능성을 보여 주지만, 압축식 제품을 대체하려면 규모 확대와 신뢰성, 비용, 시스템 전체 효율을 검증해야 합니다.

출처: UPCommons

출처: UPCommons

반복적인 가열·냉각 시험에서 관찰된 안정성은 유망한 결과입니다. 다만 제한된 시험에서 열화가 관찰되지 않았다고 해서 장기간의 모든 사용 조건에서 열화가 없다는 뜻은 아닙니다.

전기열량 장치는 소형화 가능성이 있어 소형 전자기기나 배터리의 열 관리에도 응용될 수 있습니다. 가능한 응용과 이미 상용화된 제품은 구분해야 합니다.

연구에서 보고한 높은 효율은 전기 에너지를 적절히 회수하는 등 특정 조건에 기반합니다. 이를 압축식 히트펌프가 도달할 수 있는 효율보다 언제나 높다고 일반화할 수는 없습니다.

추가 개선 방향

Science에 발표된 2023년 연구는 시제품과 그 개선 가능성을 설명합니다.

시제품은 단락 위험을 줄이기 위해 물 대신 절연성 유체를 사용합니다. 이 유체의 열적 특성은 물보다 불리할 수 있어 열교환 성능 개선의 과제가 됩니다.

방수 기능을 갖춘 다층 커패시터를 개발해 물을 활용할 수 있다면 열교환 속도와 냉각 성능을 개선할 가능성이 있습니다. 전기적 절연과 신뢰성 검증은 여전히 필요합니다.

커패시터 수와 배치 밀도를 늘리는 것도 냉각 용량을 높이는 방법이 될 수 있습니다. 유체 흐름과 열전달, 구동 에너지의 균형을 함께 고려해야 합니다.

더 얇고 평평한 모듈도 개선 방향입니다. 전기장을 더 높이는 방법은 절연 파괴, 발열, 내구성, 안전성을 검토해야 하므로 단순한 성능 향상 수단으로 볼 수 없습니다.

고효율 히트펌프 관련 기업

기사에서 다루는 전기열량 시스템은 2024년 당시 연구·시제품 단계였습니다. 아래 기업들은 기존 냉난방 산업의 업체이며, 해당 시제품을 판매하거나 전기열량 기술에 투자하고 있다는 뜻은 아닙니다.

연구기관은 기업과 협력하거나 특허를 활용해 상용화를 모색할 수 있습니다. 하지만 시제품의 효율만으로 상용 제품의 경제성이 이미 확보되었다고 판단할 수는 없습니다.

기존 히트펌프 업체들은 관련 지식재산을 도입하거나 자체 연구를 진행할 잠재적 주체입니다. 실제 기술이전이나 사업 참여 여부는 별도로 확인해야 합니다.

상용 시스템 개발과 생산·유통에는 상당한 자본이 필요할 수 있어 대기업의 역량이 도움이 될 수 있습니다. 그렇다고 대기업만 성공하거나 기존 업체가 반드시 수혜를 보는 것은 아닙니다.

1. Carrier Global

Carrier는 냉난방·환기·공조(HVAC), 콜드체인, 화재·보안 분야에서 사업을 해 왔습니다. 기사에 인용된 직원 5만8,000명 이상과 사업 구분은 당시 자료를 기준으로 합니다. 히트펌프는 회사가 주목하는 제품군 중 하나입니다.

인용된 당시 자료에서는 미주 시장의 비중이 크고 HVAC가 매출의 절반 이상을 차지했습니다. 사업 매각이나 인수에 따라 이러한 구성은 달라질 수 있습니다.

출처: Carrier Global

기사는 당시 설치 기반으로 상업용 HVAC 33만 대 이상, 주거용 HVAC 3,300만 대, 냉동 장비 180만 대, 화재·보안 시스템 9,000만 대 이상을 소개합니다. 이는 역사적 추정치이며 현재 판매량이나 전기열량 장치의 보급량이 아닙니다.

Carrier는 2030년을 향한 온실가스 감축 목표를 제시했습니다. 목표와 실제 달성 실적, 자체 운영 배출과 고객의 제품 사용 배출은 구분해야 합니다.

냉난방 설비의 배출에는 에너지 사용과 일부 냉매의 누출이 관여합니다. 암모니아 누출을 주요한 직접 온난화 배출원으로 단정하는 것은 부정확합니다. 전기열량 기술이 일부 냉매를 대체하더라도 제조, 재료, 전력 사용 등 전 과정의 환경영향은 남으며, 모두 재생에너지로 공급된다고 가정할 수는 없습니다.

출처: Carrier Global

2. Daikin Industries

1924년에 설립된 일본 기업 Daikin Industries는 세계적인 공조 장비 업체입니다. 세계 1위라는 표현은 비교하는 시장과 지표, 시점에 따라 달라집니다.

다이킨은 히트펌프를 비롯한 공조 기술을 개발해 왔으며, 2006년 이후 유럽의 히트펌프 사업을 확대했습니다. 2008년에는 중국 공조 업체 Gree Electric Appliances와 제휴했습니다. 2006년을 회사의 모든 히트펌프 기술 활동의 시작으로 단정해서는 안 됩니다.

주요 시장은 미주, 유럽, 동아시아이며 인도에서도 성장했습니다. 인용된 자료는 2009～2022년 인도 매출이 약 23배 늘었다고 소개합니다. 이는 해당 기간과 시장에 관한 과거 실적입니다.

출처: Daikin

다이킨은 R-32 냉매의 활용을 강조합니다. R-32는 R-410A보다 지구온난화지수가 낮지만 온난화 영향이 없는 것은 아니며, 모든 경쟁 냉매보다 낮은 것도 아닙니다. 냉매 선택에는 효율, 가연성, 설비 설계와 규제도 고려해야 합니다.

전기열량 시스템은 장기적으로 기존 공조 기술에 영향을 줄 수 있습니다. 그러나 연구 단계의 기술이 단기간에 다이킨의 경쟁우위를 무너뜨릴 것이라고 예측할 근거는 충분하지 않습니다.

출처: Daikin

다이킨은 공조 기술의 효율과 환경영향을 연구하며, 2015년 새 연구개발센터에 약 3억 달러를 투자한 것으로 소개됩니다. 이러한 역량은 새로운 기술 개발에 도움이 될 수 있지만, 해당 전기열량 시스템의 상용화 참여가 확인된 것은 아닙니다.

다이킨은 2011년 개발도상국에 개방했던 R-32 관련 기본 특허 93건의 무료 이용 범위를 2015년 전 세계로 확대했습니다. 2019년에는 2011년 이후 출원한 관련 특허에도 비권리행사 약정을 확대했습니다. 이는 그룹의 모든 기술 특허를 제한 없이 공개했다는 의미가 아닙니다.

3. NIBE Group

히트펌프 관련 사업에 관심 있는 투자자는 NIBE도 조사할 수 있습니다. 다만 이 회사도 여러 사업을 운영하며, 기술·시장·재무 위험에서 자유로운 순수 전기열량 투자 대상은 아닙니다.

스웨덴의 NIBE는 히트펌프와 장작 난로 등을 제조합니다. 장작 연소는 CO₂와 대기오염 물질을 배출하며, 목재의 조달과 재성장, 시간 범위에 따라 탄소 영향이 달라지므로 무조건 탄소중립이라고 할 수 없습니다.

회사는 스웨덴에서 출발해 북유럽과 유럽 등에서 사업을 운영합니다. 기사에 제시된 2022년 직원 수는 2만1,333명으로, 당시 기준의 수치입니다.

출처: Nibe

NIBE의 2022년 연차보고서는 2021년 판매한 히트펌프와 관련해 연간 약 36만 톤의 CO₂ 감축 효과를 추정합니다. 이는 특정 비교와 계산 가정에 따른 회사의 추정치이며, 모든 제품의 전체 수명 동안 실제 측정한 배출량과는 다릅니다.

NIBE는 히트펌프의 주요 업체이지만, 비교 가능한 판매량이나 매출 자료 없이 다이킨 또는 Carrier와 규모가 같다고 단정할 수는 없습니다.

룩셈부르크와 독일 등에서 진행되는 전기열량 연구는 유럽 기업들에 협력 기회를 제공할 수 있습니다. 다만 지리적 근접성만으로 NIBE가 특혜적 관계를 맺거나 가장 먼저 상용화한다는 결론을 내릴 수는 없습니다.