지속가능성

새로운 히트펌프 설계, 냉매 대신 자석 사용

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열 발생 개선

가능한 모든 에너지 수요 중에서 열은 가장 큰 최종 사용량을 차지합니다(예를 들어 전기를 열로 변환하는 경우 포함). 따라서 탈탄소화는 열 발생이 가능한 가장 친환경적이고 매우 효율적인 방식으로 이루어질 때만 실현될 수 있다는 것이 논리적입니다.

이는 아직 멀었으며, 화석 연료가 건물 난방에 사용되는 전 세계 에너지의 63%를 차지하고 있으며, 2010년 이후 단지 4%포인트 감소에 불과합니다.

출처: IEA

이는 순제로 시나리오에 큰 장애물이 되며, 개별 교통수단을 전기차로 전환하는 것만큼의 노력이 필요합니다.

현재까지 주요 방법은 열펌프를 활용하는 것으로, 연소를 통해 열을 생산하는 대신 열을 한 지점에서 다른 지점으로 이동시킵니다.

열펌프가 더 효율적이라 하더라도 여전히 개선 여지가 있습니다. 미국 에임스 국립 연구소와 아이오와 주립 대학의 연구원들은 “자기칼로리크 히트펌프”라는 새로운 유형의 열펌프를 개발하고 있습니다.

그들은 최근 Applied Energy 저널에 최신 결과를 발표했으며, 제목은 “Scalable and compact magnetocaloric heat pump technology1” 입니다.

전통적인 히트 펌프는 어떻게 작동합니까?

히트펌프의 핵심 개념은 에너지를 한 곳에서 ‘잡아’ 다른 곳으로 운반하는 것입니다.

일반적으로 주택이나 기타 건물 주변 환경으로부터 열을 추출한 뒤 내부로 다시 주입합니다.

열이 실제로 생성되지 않고 단순히 이동되기 때문에, 소비된 전력(와트시, Wh) 기준으로 측정했을 때 100%를 초과하는 효율을 보일 수 있습니다.

이 시스템은 전통적인 난방 시스템보다 다목적으로 활용될 수 있으며, 역방향으로도 작동할 수 있습니다. 따라서 대부분의 경우 여름에는 냉방으로도 사용할 수 있습니다.

전형적인 히트펌프는 가스 압축 시스템을 이용해 열을 이동시키며, 가스는 압축·감압 시 열을 흡수하거나 방출합니다.

가스 압축은 가장 일반적으로 사용되는 방법으로, 밸브, 파이프, 압축기 등 수십 년 전과 크게 다르지 않은 잘 알려진 기술에 기반합니다.

하지만 이것이 최적의 히트펌프 설계는 아닐 수 있으며, 자석이 강력한 대안으로 떠오르고 있습니다.

히트펌프 유형

다양한 히트펌프 설계는 에너지를 추출하는 위치, 전달하는 위치, 그리고 추운 기후에 적합한지 여부 등 여러 측면에서 차이가 있습니다.

에너지 원

  • Ground Source: 지열 펌프라고도 불리며, 지하에서 열을 활용하고 높은 효율성으로 알려져 있습니다.
  • Air Source: 가장 일반적인 유형으로, 공기 중에서 열을 추출하며 지열 펌프보다 설치가 용이합니다.
  • Water Source: 호수나 우물 등 인근 수원을 이용해 열 교환을 수행합니다.

설치

  • Ducted: 주택의 덕트 시스템에 통합되어 중앙 난방 및 냉방을 제공합니다.
  • Mini-Split: 덕트가 없는 주택에 적합하며, 개별 방 온도 제어가 가능합니다.

기후

  • Cold Climate: 극한 겨울에도 효율을 유지하도록 설계된 모델로, 가변 속도 압축기와 같은 고급 기능을 갖추고 있습니다.
  • Normal Climate: 온화한 기후에 적합한 표준 히트펌프로, 일반적인 난방·냉방 요구를 충족합니다.

열 전달 방식

  • Gas compression: 간단하고 잘 알려진 기술로, 비교적 잘 작동합니다.
  • Magnets: 냉매가 필요 없는 “솔리드 스테이트” 칼로리크 히트펌프의 한 부분입니다.

자기칼로리크 히트펌프 (MCHP) 기술

MCHP는 외부에서 가해지는 자기장의 변화에 따라 자기 물질이 냉각 또는 가열되는 자기칼로리크 효과 원리를 활용합니다.

출처: DST

이론적으로 이는 훨씬 더 나은 시스템이 될 수 있는데, 일반적으로 독성이 있거나 환경에 해로운 냉매 물질이 필요 없게 되기 때문입니다. 전통적인 히트펌프는 특히 장비가 오래될수록 냉매가 새는 경우가 많습니다.

수년에 걸쳐 다양한 자기장 강도, 다양한 자기칼로리크 물질(순수 가돌리늄, 가돌리늄 합금, LaFeSi 합금 등), 그리고 다양한 형태의 자기칼로리크 물질을 이용한 설계가 제안되었습니다.

  • 다양한 자기장의 강도.
  • 순수 가돌리늄, 가돌리늄 합금, LaFeSi 합금(란탄-철-실리콘) 등 다양한 자기칼로리크 물질.
  • 자기칼로리크 물질의 다양한 형태.

이 시스템들은 최고 수준의 증기 압축 시스템보다 높은 효율을 입증했으며, 온도 범위와 열 출력도 좋은 매치를 보였습니다.

하지만 아직까지 이러한 시스템이 비용, 질량, 크기 측면에서 전통적인 히트펌프와 동등한 수준을 달성할 수 있는지는 입증되지 않았으며, 이는 상업적 성공을 위한 중요한 고려 사항입니다.

가변 성능

연구진은 다양한 MCHP 설계의 시스템 전력 밀도(SPD), 즉 와트 단위의 열 출력을 kg 단위의 장치 질량으로 나눈 값을 측정했습니다.

기존 과학 문헌은 약 1~40 W/kg에 이르는 다양한 SPD 값을 보고하고 있습니다.

흥미롭게도, 가장 높은 SPD를 보인 두 설계는 완전히 다른 접근 방식을 사용했습니다. 하나는 고주파에서 높은 자기장을, 다른 하나는 저주파에서 낮은 자기장을 사용했습니다. 따라서 각각 기술적으로 실현 가능한 여러 접근 방식이 존재할 가능성이 높습니다.

압축기와 경쟁

연구진은 지금까지 소홀히 다루어졌던 SPD 향상을 위한 다양한 방법을 조사했으며, 절대 효율과 재료 과학 연구자들의 관심을 중심으로 연구를 진행했습니다.

그러나 대량 채택을 위해 가장 중요한 것은 바로 SPD일 것입니다. 소비자와 건설업자 모두가 전체 방 크기만큼 크거나 다루기 어려울 정도로 무거운 히트펌프를 받아들이지 않을 것이기 때문입니다.

그들은 다음과 같은 다양한 방법을 사용했습니다:

  • 사용된 자기 합금의 변형:
    • 가돌리늄 단독 사용 시 질량당 전력은 374 W/kg였습니다.
    • LaFeSi 기반 물질 단독 사용 시 질량당 전력은 854 W/kg였습니다.
  • 플레이트에서 비드에 이르는 다양한 형태의 자기 물질 설계.
  • 주파수와 강도가 다른 다양한 자기 펄스.

이 체계적인 테스트를 통해 연구진은 기술 기준선 5.9 W/kg에서 MCHP 시스템을 최대 81.3 W/kg까지 끌어올릴 수 있음을 발견했으며, 이는 시스템 전력 밀도가 거의 14배 증가한 것입니다.

이러한 결과로 볼 때, MCHP는 특히 200 W 이하의 낮거나 중간 수준 냉방 전력에 대해 현재 사용되는 압축기 기반 히트펌프의 SPD와 거의 일치할 수 있음을 알 수 있습니다.

자기칼로리크 히트펌프 기업

현재까지 공개 상장된 기업 중 MCHP를 판매하는 기업은 아직 없는 것으로 보입니다. 그러나 이 분야는 많은 스타트업이 활발히 활동하고 있으며, 대부분은 최첨단 대학 연구의 스핀오프입니다. 예를 들어:

따라서 접근성이 쉽지는 않지만, 인증된 투자자이며 이러한 투자에 접근할 수 있는 사람들에게는 흥미로운 아이디어가 될 수 있습니다.

가돌리늄 회사

가돌리늄은 희토류이며, 전 세계 가돌리늄 이산화물 생산량의 97%가 중국에서 생산됩니다.

흥미롭게도 이 금속은 현재 핵반응로의 중성자 흡수제나 MRI용 자기 대비제와 같은 틈새 용도 외에는 거의 사용되지 않고 있어, 현재 히트펌프에 사용되는 오염된 냉매 대신 활용하기에 완벽한 자원입니다.

미국과 중국 간 무역 긴장이 첫 트럼프 대통령 재임 시절부터 지속적으로 고조되고 있기 때문에, 가돌리늄을 포함한 희토류에 베팅하려는 서구 투자자들은 대체 공급원을 선호할 가능성이 높습니다.

잠재적인 기업으로는 Neo Materials가 있습니다.

NEO.TO 가격 차트

Neo Materials는 희토류 및 핵심 소재 생산을 전문으로 하며, 여기에는 가돌리늄뿐만 아니라 현재 중요한 다른 희토류와 소재(예: 하프늄, 나이오븀, 갈륨, 희토류 자석)도 포함됩니다.

이 모든 제품은 반도체, 풍력 터빈 자석, 전기차 등 생산에 필수적이며, 대부분이 90~99% 중국에서 공급됩니다.

회사는 주로 “Magnequench”에서 수익을 창출합니다: 전기 모터(전기차 포함)에 사용되는 네오디뮴-철-보론(NdFeB) 자성 분말 및 자석입니다.

두 번째로 큰 수익원은 석유·화학 촉매, 하이브리드·전기차, 수처리, 고효율 디스플레이, 광학 렌즈, 소비자 전자제품 등에 사용되는 화학물질 및 산화물입니다.

Neo의 수익은 지리적으로도 매우 다양화되어 있어, 이 분야 대부분의 기업보다 지정학적 위험에 덜 취약합니다. 일부 제품은 중국에서 제조하고, 2019년 인수한 AsiaMag을 통해 중국 내 상위 5대 결합 자석 제조업체로 성장시켰으며, 매출량을 5배 확대했습니다.

또한 지리적 위험을 분산시키고 있습니다. 예를 들어, 회사는 EU(에스토니아) 내에 중국 외 최초의 전기차용 소결 자석 공장을 건설할 예정이며, 2025년에 첫 생산이 시작될 것으로 예상됩니다.

전반적으로 Neo Materials는 원광 채굴을 제외하고는 영구 자석 및 희토류 가치 사슬 전반에 가장 통합된 존재감을 가지고 있습니다.

이 회사는 중국이나 일본 외의 어느 기업보다도 희토류 자석 제품에 대한 고급 학위와 기술 전문가를 더 많이 보유하고 있으며, 일본에서도 혼다나 다이도 스틸과 같은 기업과 계약을 체결하는 데 있어 현지 경쟁자를 앞설 수 있습니다.

이러한 녹색 전환에 필수적인 소재와 반도체 제조부터 특수 합금·촉매에 이르는 다양한 고부가가치 응용 분야에서의 강력한 존재감은, 무역 전쟁이 악화될 경우 잠재적 상승 여력이 있는 투자자들에게 Neo를 매력적인 주식 선택으로 만들고 있습니다.

연구 참고문헌:

1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). 재생 에너지 시스템에서 머신러닝 응용에 대한 포괄적 검토. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798 (ATLO )

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Jonathan은 유전 분석 및 임상 시험을 수행한 전직 생화학 연구원입니다. 그는 현재 주식 분석가이자 금융 작가이며, 혁신, 시장 주기 및 지정학에 초점을 맞춘 출판물 'The Eurasian Century'을 운영하고 있습니다.