활성탄·수용성 전해질 등 친환경 재료 활용...에너지 저장 기능 통합
국립금오공과대학교는 최근 김준영 기계공학부 교수 연구팀이 미국국립연구소(National Laboratory of the Rockies, NLR) 연구진과 함께 건물의 탄소 배출을 줄일 수있는 '다기능 히트펌프 및 에너지 저장 장치'를 개발했다고 20일 밝혔다.
건물이 소비하는 에너지의 40% 이상은 냉난방과 온수 사용 등에 기인한다. 특히 냉난방 시스템에 쓰이는 수소불화탄소(HFC) 냉매가 탄소 배출의 주요 원인으로 지목되면서 고효율 친환경 히트펌프 개발이 시급한 과제로 떠올랐다.
김 교수팀은 전기에너지를 열에너지로 변환하는 '열용량 사이클'(Thermocapacitive Cycle)을 적용해 장치 효율을 높였다. 이 기술은 전기 이중층 커패시터(EDLC)에 기반한 다공성 전극으로 열을 흡수·방출하는 방식이다. 고체 재료의 물리적 성질 변화를 이용하는 칼로릭 히트펌프와 유사한 원리로 순환 유체에 열을 전달한다.
연구팀은 활성탄 전극과 수용성 1 M LiCl을 사용한 열용량 전지의 충·방전 과정에서 온도 변화를 2.7℃까지 끌어올렸다. 해당 전지를 계단식으로 배열할 경우 시스템 예상 온도 변화는 12℃까지 상승하며, 체적 난방용량은 15kW/㎥에 달하는 것으로 나타났다.
개발된 장치는 다른 대체 장치와 비교해 평균 15% 높은 열효율을 달성할 잠재력을 가졌다. 풍부한 재료인 활성탄과 수용성 전해질을 사용해 낮은 전류 밀도에서도 높은 효율을 낼 수 있기 때문이다. 또 냉난방 장치에 에너지 저장 기능을 통합함으로써 건물 열관리 효율을 극대화했다.
김 교수는 "히트펌프는 10대 혁신기술로 선정되는 등 탄소중립과 에너지 이슈의 게임 체인저로 급부상하고 있다"며 "냉난방 수요는 향후 10년간 최대 10배까지 증가할 것으로 예측된다. 이런 상황에서 차세대 히트펌프 장비 개발은 큰 의미를 지닌다"고 말했다.
한편 이번 연구는 금오공대와 미국 에너지부 산하 미국국립재생에너지연구소의 지원을 받아 수행됐다.
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연구 결과는 'Investigation of a Thermocapacitive Cycle by Aqueous Supercapacitors for Multifunctional Heat Pumping and Energy Storage'(다기능 히트펌핑 및 에너지 저장을 위한 수용성 슈퍼커패시터를 이용한 열용량 사이클 연구)라는 제목으로 열·에너지 분야 국제학술지 'Energy Conversion and Management'(IF=10.9, 상위 2%)에 게재됐다.
