차세대 냉난방 시스템 제시, 향후 제로하우스 등 에너지 자립화 가능성 기대

[인더스트리뉴스 최홍식 기자] 한 여름 뜨거운 태양열을 배터리에 저장했다가 한 겨울 난방에 활용하고, 한 겨울 얼음과 눈의 차가운 냉기를 배터리에 저장했다 한 여름 냉방에 사용하는 아이디어에서 파생된 기술이 ‘열 배터리(Termal bettery)' 기술이다. 열 배터리 기술은 최근 이상기후로 인한 폭염과, 블랙아웃 등에 대비할 수 있는 차세대 대체 에너지 관련 핵심 연구 중 하나다. 이에 국내 연구진이 냉‧난방비 부담을 크게 줄이고 국민 삶의 질을 높일 수 있는 최고 수준의 열 배터리 기술을 발표해 큰 주목을 받고 있다.

새로 개발한 자동열량제어장치와 '코로나 방전' 플라즈마 제어기술이 탑재된 열배터리 탱크를 선보인 KIST 연구진. 오른쪽이 KIST 도시에너지연구단 신유환 박사이며, 왼쪽은 제1저자인 신동호 박사. [사진=KIST]

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 도시에너지연구단 신유환 박사팀은 지난 수 년 간 도시 에너지로 활용 가능한 열 배터리 기술의 성능을 세계 최고 수준으로 올리기 위한 연구를 수행해왔다. 최근 신 박사팀은 열 배터리의 핵심 요소 기술인 ‘열량제어장치’를 개발 및 실증에 성공해 열 배터리 성능을 크게 증가시켰다고 밝혔다. 열 배터리 기술의 핵심 소재는 저온 상변화 물질(low temperature phase change material)이다. 이 물질은 고체에서 액체로 상변화 시 주변의 열을 흡수하고, 반대로 액체에서 고체가 될 때에는 그 열을 주변으로 방출한다.

휴대용 손난로가 대표적인 기술 적용 제품이다. 휴대용 손난로는 초기 액체 상태에서 내부에 들어있는 동전 모양의 스위치를 ‘똑딱’ 하고 건드리면, 내부 액체가 하얗게 굳으며 뜨거운 열을 방출한다. 손난로 사용 후, 재사용하기 위해 물에 넣고 끓이면 그 열을 흡수해 다시 액체 상태로 돌아간다. 이와 마찬가지로 열 배터리는 한 낮의 태양열을 저온상변화 물질을 이용해 ‘잠열축열조’라는 탱크에 저장한 후, 사용하고 싶을 때 스위치를 켜 발열시킴으로써 물을 데워 사용하는 원리이다.

KIST 신유환 박사팀은 최근 항공·우주선에 쓰이던 형상기억 합금과 플라즈마 제어 기술을 열배터리 시스템에 접목해 뛰어난 성능을 보이는 ‘자동열량제어장치’를 개발했다. 이번에 개발된 ‘자동열량제어장치’는 주변 온도에 반응해 형상이 변하는 형상기억합금의 특성을 이용한 것이 핵심이다.

신유환 박사팀이 지속적으로 연구개발하고 있는 열 배터리 모식도 [그림=KIST]

이를 응용 개발한 특수 파이프가 열 배터리 탱크인 잠열축열조에 적용됨으로써 주변 온도에 따라 관의 지름이 유동적으로 바뀌게 된다. 이런 특징을 통해 열 전달 부하를 효과적으로 제어하는 것이 가능해, 열 배터리가 방출하는 열의 온도를 날씨와 상관없이 온수 공급온도인 45℃로 일정하게 유지시켜주는 역할을 한다. 이는 불안정한 공급온수의 온도와 부족했던 온수공급 시간 등의 열 배터리 문제점을 획기적으로 개선시켜 주는 시스템이다.

또한 KIST 연구진은 플라즈마 제어 기술 중 하나인 ‘코로나 방전’ 기술을 열교환기에 성공적으로 접목시킨 공랭식 열교환기를 개발했다. 코로나 방전 기술은 기체 속 방전의 형태로 전기장이 강한 부분이 발광해 전도성을 갖는 현상을 말한다. KIST 연구진이 개발한 기술은 코로나 방전에 의해 발생하는 유동을 적절히 제어함으로써 공급 용수의 온도를 효과적으로 조절할 수 있게 한다. 팬을 이용하던 기존 공랭 시스템을 크게 진보시킨 기술로, 손톱만한 크기로 소형화가 가능하며 기존 팬보다 1/100 정도의 사용전력으로 구동가능하다.

이번 응용 기술을 통해 KIST 연구진은 열 배터리 탱크 관내 열 손실은 최대 56% 감소하며, 탱크 내 저장 열량이 기존 온수 저장 탱크 대비 2.2배 증가함을 밝혀냈다. 또한 온수 발생 시 운전시간이 응용기술 적용 전보다 70분 이상 증가하는 것을 실험을 통해 증명했다.

첨단 기술을 접목한 최고 수준의 열 배터리 성능을 테스트하고 있는 모습. 열 배터리 탱크안의 최고성능의 상변화 물질에 레이저를 비춘 후, 카메라로 내부 물질의 거동을 확인하고 있다. [사진=KIST]

연구의 제1저자인 KIST 신동호 박사는 “본 기술이 적용된 열 배터리 장치는 수 년 내 상용화 될 것으로 보이며, 이에 따른 경제적 잠재 가치는 매우 클 것으로 전망된다”고 말했다. 신유환 박사는 “이번 연구결과는 도시에너지 해결을 위한 차세대 냉난방 시스템의 명확한 발전 방향을 제시한 것”이라고 말하며, “향후 상용화 실증단계를 거쳐 제로하우스 등 건물 에너지 자립화에 기여하길 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행됐으며, ‘자동 열랑제어장치’와 ‘공냉식 열교환기 개발’의 연구결과는 ‘Energy Conversion and Management’ 최신호에 각각 2건이 게재됐다.

[최홍식 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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