기계연, 산업 현장 맞춤형 열설비 설계플랫폼 ‘iTOP’ 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 산업 현장의 열공급 설비를 친환경·고효율 시스템으로 전환할 수 있는 통합 솔루션이 개발됐다.

이번 성과는 화석연료 기반 가스 보일러에 의존해 온 산업용 열설비를 사업장 조건에 맞춰 비교·최적화하고, 태양열 히트펌프 기반 고온 열공급까지 가능하게 한 것으로, 산업 분야 탄소중립 전환을 앞당길 것으로 기대된다.

한국기계연구원은 탄소중립기계연구소 박창대 책임연구원 연구팀이 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 개발하고 실제 산업 현장 실증을 완료했다고 22일 밝혔다.

아울러 김포 소재 식품가공 공장에 300kW급 시스템을 설치해 1년 이상 운전하며 현장 적용성을 검증했다.

연구팀이 개발한 iTOP은 사업장의 위치, 부지 면적, 필요 온도, 열 사용량, 폐열 유무, 부하 패턴 등 조건을 입력하면 21종 이상의 열공급 설비를 동시에 비교·분석하는 설계플랫폼이다.

가스보일러, 전기보일러, 전극보일러, (고온) 히트펌프, 태양열 시스템, 열병합설비 등을 대상으로 동적 성능 시뮬레이션과 경제성 분석을 수행해 최적 설비 조합과 공정설계 결과를 제공한다.

함께 개발된 SoHProtes는 태양열 집열기를 고온 히트펌프의 열원으로 활용하는 산업용 열공급 시스템이다.

폐열이 없거나 부족한 사업장에서도 60℃ 이상의 열에너지를 공급할 수 있으며, 태양열이 부족한 시간에는 축열조와 히트펌프를 연계 운전하는 하이브리드 제어를 적용해 연중 안정적인 열공급이 가능하도록 했다.

기존 산업 현장은 대부분 화석연료 기반 보일러에 의존하고 있으며, 사업장별 조건에 적합한 열설비를 객관적으로 판단할 수 있는 도구가 부족했다.

또 고온 히트펌프는 충분한 열원이 필요하지만, 실제 산업 현장에서는 활용 가능한 폐열이 부족해 적용에 한계가 있었다. 반면 이번 기술은 설계플랫폼과 열공급 시스템을 함께 개발해 최적 설비 선정부터 실제 고온 열공급까지 연계한 것이 핵심 차별점이다.

이 기술은 산업 현장의 열설비 도입 과정에서 발생하는 과대·과소 설계와 투자 리스크를 줄일 수 있다.

iTOP은 수요처 조건에 맞는 설비 종류와 용량을 데이터 기반으로 제시해 경제성을 사전에 검토할 수 있도록 지원한다. 아울러 SoHProtes는 태양열과 히트펌프를 결합해 폐열이 부족한 환경에서도 탄소중립형 열공급이 가능하다는 점에서 기존 설비와 차별성을 가진다.

실증 결과 SoHProtes는 기존 산업용 가스보일러 대비 탄소배출량을 약 44% 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

또 1t/h급 가스보일러를 대체할 경우 4,000톤 이상의 이산화탄소 감축 효과와 약 3년 수준의 투자회수기간을 확인했으며, 식품·화학·제지·섬유 등 200℃ 이하 열공정을 사용하는 다양한 산업 분야의 탄소중립 전환을 지원하는 기반 기술로 활용될 것으로 기대된다.

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 밝혔다.

이어 “이번 성과를 바탕으로 2026년 연구원 창업을 추진하고 있으며, 향후 AI 기술을 접목해 설계플랫폼을 더욱 고도화해 나가겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 기후에너지환경부 지원 과제인 '산업공정용 열공급을 위한 태양열 융합 열공급시스템 개발 및 스마트 O&M 시스템 개발'을 통해 수행됐다.

연구성과는 국제학술지 Energy Conversion and Management를 비롯해 Renewable Energy 등 다수의 SCI급 학술지에 게재됐으며 ‘산업공정용 태양열 히트펌프 시스템’, ‘태양열 히트펌프 융합 시스템 및 설계 플랫폼을 이용한 설계 방법’ 등 관련 특허도 출원했다.