기계연, 산업 현장 맞춤형 친환경 열공급 통합 솔루션 개발

한국기계연구원 탄소중립기계연구소 박창대 책임연구원 연구팀이 산업 현장 조건에 맞춰 열공급 설비를 비교·최적화하는 설계플랫폼과 태양열 히트펌프 기반 열공급 시스템을 개발하고 실증까지 마쳤다. 연구팀은 김포의 식품가공 공장에 300kW급 시스템을 설치해 1년 이상 운전하며 현장 적용성을 검증했다.

기계연은 22일 산업용 열공급설비 최적 설계플랫폼 ‘iTOP(Industrial Thermal energy Optimization Platform)’과 태양열 히트펌프 기반 산업용 열공급 시스템 ‘SoHProtes(Solar Heat pump industrial Process Thermal Energy System)’를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이 시스템을 통해 산업용 열설비의 과대·과소 설계 위험을 줄이고, 화석연료 기반 보일러 의존도를 낮출 수 있다고 설명했다.

iTOP은 사업장 위치, 부지 면적, 필요 온도, 열 사용량, 폐열 유무, 부하 패턴 등 조건을 입력하면 21종 이상의 열공급 설비를 동시에 비교·분석하는 설계플랫폼이다. 가스보일러와 전기보일러, 전극보일러, 고온 히트펌프, 태양열 시스템, 열병합설비 등을 대상으로 동적 성능 시뮬레이션과 경제성 분석을 수행해 최적 설비 조합과 공정설계 결과를 제시한다.

함께 개발된 SoHProtes는 태양열 집열기를 고온 히트펌프의 열원으로 활용하는 산업용 열공급 시스템이다. 폐열이 없거나 부족한 사업장에서도 60도 이상의 열에너지를 공급할 수 있고, 태양열이 부족한 시간에는 축열조와 히트펌프를 연계 운전하는 하이브리드 제어를 적용했다.

기계연은 이번 기술이 설계플랫폼과 열공급 시스템을 함께 개발해 최적 설비 선정부터 실제 고온 열공급까지 연계했다는 점에서 기존 접근과 차별화된다고 설명했다. iTOP은 설비 종류와 용량을 데이터 기반으로 제시해 경제성을 사전 검토할 수 있도록 돕고, SoHProtes는 태양열과 히트펌프를 결합해 폐열이 부족한 환경에서도 탄소중립형 열공급이 가능하다.

실증 결과 SoHProtes는 기존 산업용 가스보일러 대비 탄소배출량을 약 44% 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 1t/h급 가스보일러를 대체할 경우 4,000톤 이상의 이산화탄소 감축 효과와 약 3년 수준의 투자회수기간도 확인했다. 기계연은 식품·화학·제지·섬유 등 200도 이하 열공정을 사용하는 산업 분야로 활용 범위가 넓어질 것으로 보고 있다.

박창대 책임연구원은 “iTOP과 SoHProtes는 산업 현장에 최적화된 열공급 시스템을 설계하고 실제 고온 열에너지 공급까지 가능한 통합 솔루션”이라며 “화석연료 의존도가 높은 산업 열에너지 분야의 탄소중립 실현에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다. 이어 “이번 성과를 바탕으로 2026년 연구원 창업을 추진하고 있으며, 향후 AI 기술을 접목해 설계플랫폼을 더욱 고도화해 나가겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 기후에너지환경부 지원 과제인 ‘산업공정용 열공급을 위한 태양열 융합 열공급시스템 개발 및 스마트 O&M 시스템 개발’의 일환으로 수행됐다. 연구성과는 Energy Conversion and Management, Renewable Energy 등 SCI급 학술지에 게재됐으며, 관련 특허도 출원했다.