상변화물질(Phase Change Material, PCM)이란 무엇인가?
상변화물질(PCM)은 주변의 온도변화에 따라 고체에서 액체 또는 액체에서 고체로 상(Phase)이 변할 때 온도가 유지되면서 잠열(Latent heat)의 형태로 자발적으로 열을 저장 및 방출할 수 있는 에너지 저장 물질이다. 예를 들어 상변화물질(PCM)이 28℃에서 상이 변화된다고 할 때, 28℃보다 낮은 온도에서 열을 가하여 28℃보다 높게 되면 낮은 온도에서 고체였던 상변화물질(PCM)이 열을 흡수하면서 액체 상태가 된다. 반대로 액체 상태인 상변화물질(PCM)을 냉각하여 28℃보다 낮게 되면 상변화물질(PCM)이 가지고 있던 열을 방출 하면서 고체 상태가 된다.
PCM이 왜 필요한가?
화석연료의 과도한 사용으로 지구 온난화, 오존층 파괴, 환경오염 등의 문제가 발생하고 해결방안을 위해 여러가지 대체방안을 찾고 있다. 화석연료의 과도한 사용으로 해마다 온실가스 배출량이 증가하고 있고, 그 중 에너지 산업에서 배출하는 온실가스양은 86.9%로 대부분의 온실가스를 배출하는 현주소이다. 온실가스를 줄이기 위한 ‘친환경 에너지’ 의 개발이 최근 대두되고 있는 시점이며, 그 중 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 활용한 열 에너지 저장 기술의 개발이 발전되고 있으며, 상변화물질(PCM)을 소재로 하여 다양하게 응용기술이 적용되고 있다.
PCM의 분류 및 특징
상변화물질(PCM) 물질은 크계 유기계(Organic) PCM 물질과 무기계(Inorganic) PCM 물질로 구분할 수 있고, 유기계 PCM물질로는 paraffin류, fatty acids, sugar alcohol 등이 사용된다.
PCM의 연구 현황
<PCM 열저장 기술> 고등기술연구원_에너지환경연구팀, 2018
산업설비 및 발전설비에서 발생하는 폐열을 회수하여 상변화물질(PCM)의 열을 저장하는 성질을 이용하여 잠열(Latent Heat)형태로 열을 저장한다. 구성 설비로는, 열을 저장하는 축열설비, 저장된 열을 농작물을 재배하는 비닐하우스, 수영장 및 야영장 등 공공편의시설과 같은 시설에 온수 및 난방 형태로 공급하기 위한 방열설비, 열저장시스템의 열전달매체 등 공정 운영을 위한 제어설비 그리고 열을 택배 형식으로 운영하기 위한 차량거치설비로 구성된다. 핵심 기술은 열저장물질인 상변화물질(PCM)의 물성에 대한 분석 및 상변화 현상의 CFD 해석기술, 저장탱크 내부 상변화물질(PCM) 온도 분포 및 녹는점 제어 및 열전달 물체의 유동성을 균일하게 유지하기 위한 저장탱크 설계기술, 축열 및 방열을 위한 시스템 설계 및 운영을 핵심 기술이다. 4GJ급 PCM 축열 시스템을 국내 거창에 설치하여 시운전을 완료하였으며, 이후 폐열회수 및 폐열 이용효율 개선을 위한 사업을 추진 예정이다.
<상변화물질(PCM) 캡슐을 이용한 안전하고 효율적인 온수공급> 한국과학기술연구원(KIST), 2019
가정에서 사용하는 난방용수는 약 50℃ 정도로, 지역난방공사는 온수를 공급하는 과정에서 발생하는 열 손실이 크기 때문에 110℃가 넘는 고온의 용수를 고압 배관을 통해 전달하고 있다. 110℃가 넘는 고온의 용수가 배관을 통과하면서 배관의 파열 사고가 발생할 수도 있다. 이러한 문제를 보완하기 위해서 상변화물질(PCM)을 적용하였고, 상변화물질(PCM)를 타원형의 구슬 모양으로 캡슐화하여 배관을 통해 이송시키는 기술을 개발하였다. 개발된 상변화물질(PCM) 캡슐은 고체에서 액체로 상변화 시 약 50℃로 유지하며, 같은 온도의 일반 물보다 70배 이상의 많은 열을 내부에 저장할 수 있다. 상변화물질(PCM) 캡슐을 활용하면, 기존에 110℃로 수송해야 했던 온수를 50℃도로 수송하게 되면서, 온수의 온도가 낮아져 열 손실이 획기적으로 감소하고 배관의 안정성의 문제도 해결된다. 또한 상변화물질(PCM) 캡슐은 반영구적으로 사용 가능하여 환경적, 경제적 이점을 가지고 있다.
<도시열섬현상 저감을 위한 PCM(Phase Change Material) Cool Roof System의 적용기술개발>중앙대학교 산학협력단, 2014.07 – 2017.07
상변화물질(PCM)을 플레이트 형식의 ‘PCM Cool Roof System’을 개발하여 건물 옥상에 적용시켜, 도시열섬현상 저하 및 냉방부하 저감을 통해 온실가스저감 효과를 얻는 것이 연구의 목표이다. 상변화물질(PCM)을 적용한 플레이트를 설계하고, 축소 모형 및 실제현장의 실물 모형에 상변화물질(PCM) 플레이트를 적용하여, 온도 데이터 로거 및 열류량을 측정함으로 써, ‘PCM Cool Roof System’의 성능을 검증하였다. 기존 건축물의 지붕 외피에 상변화물질(PCM)을 적용할 수 있는 설계 방법 및 기준이 전무하여, 본 개발 기술을 통한 설계 기준안을 보급 및 확산이 되도록 유도를 할 예정이다.
PCM의 활용 현황
1) NASA
-혹독한 외부 온도의 변화로부터 우주 비행사를 보호하기 위해, 열을 흡수 및 방출할 수 있는 상변화물질(PCM)을 차세대 우주복 기술 개발에 접목시켰다. 현재는 담요, 이불, 와이셔츠, T-셔츠, 속옷 등 실생활 의류 제조에도 이 기술이 활용되고 있다.
-또한 NASA에서는 ‘PCM-HX’이라는 상변화물질(PCM)을 탑재한 열 교환기를 개발하였다. ‘PCM-HX’는 우주선 외부로부터 유입되는 열을 상변화물질(PCM)이 흡수하여 액체 상태로 만들고, 흡수된 열은 우주선 내 냉각장치(radiator)를 통해 냉각되어 열을 방출함으로 써 고체 상태가 된다. 방출된 열이 다시 ‘PCM-HX’가 흡수하게 되면서 열의 순환이 이루어지게 된다. 현재 ‘PCM-HX’는 국제우주정거장(ISS)과 협의를 진행하여 ‘오리온 우주 탐사선’내에서 ‘PCM-HX’의 성능을 검증하고자 준비중이다.
2)<콜드체인(Cold Chain) 시장>
-최근 코로나로 인한 비대면 소비가 확산 되면서 ‘콜드 체인(Cold Chain)’ 시장이 확산 되고 있다. 콜드 체인(Cold Chain)이란 신선 식품, 의약품 등 온도에 따라 품질이 변화되는 것을 방지하기 위해 유통 과정 전반(생산, 보관, 유통, 판매)의 온도를 낮게 유지 시켜주는 ‘저온 유통 시스템’이다. 현재는 저온 상태의 유통을 위해 아이스팩(Ice pack), 드라이아이스(Dry ice), 스티로품 박스(expanded polystyrene, styrofoam) 등이 주로 사용되고 있지만, 장시간동안 저온 상태를 유지할 수 없는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 극복할 수 있는 대안으로 상변화물질(PCM)이 사용되고 있다. 상변화물질(PCM)의 일정 온도를 유지시키려는 능력이 콜드 체인 시장에 응용되면서, 기존의 유통 시장에서 장시간 동안 저온을 유지할 수 없었던 단점을 극복할 수 있게 되었다. 또한 상변화물질(PCM)은 보관 상태에 따라 영구적으로 사용 가능하고, 상변화물질(PCM)의 종류에 따라 다양한 온도대를 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다.
3)<건축물 및 데이터 센터(Data Center)의 에너지 절약>
-데이터 센터(Data Center)에는 각종 데이터를 모아두는 시설로 서버를 적게는 수백 대, 많게는 수만 대를 동시에 운영한다. 데이터 센터의 가장 큰 관심사는 에너지 절감이다. 데이터의 폭증으로 인해 데이터 센터를 운영하는 데 막대한 에너지가 들어가고 있기 때문이다. 이 때문에 데이터 센터는 에너지 절감을 위해 여러 가지의 아이디어와 기술을 동원하고 있다. ‘Phase Change Solutions’ 이러한 에너지 절감을 위해 상변화물질(PCM)를 적용하였다. Phase Change Solution은 PCM이 채워진 판넬을 구조물 내부 전반에 부착하여 구조물 내부의 전자 장비에서 발생하는 열을 흡수 및 방출 함으로 써, 구조물의 열 성능을 최적화하면서 HVAC 장비가 전자 장비를 적절하게 냉각할 수 있도록 과부하를 줄이고 전자 장비의 안정성과 성능을 향상시키는 효과를 거두었다.
l 데이터 센터(Date Center) : 컴퓨터 시스템, 통신장비, 저장장치인 스토리등 등이 서치된 시설로, 빅데이터를 저장하고 유통시키는 핵심 인프라로 대구모 전력을 필요로 하는 시설을 말한다.
l HVAC : 공기조화기술(HVAC, Heating, ventilation, air conditioning)는 난방, 환기, 냉방 등 이들을 통합하여 실내 및 자동차 환경의 안락을 위해 쓰이는 기술을 이른다.
결론
‘2030년 국가온실가스감축목표’에는 2030년까지 세계 100여 개국이 2017년 온실 가스 배출량 대비 24.4%를 감축하겠다는 목표를 수립해 놓았다. 목표 달성을 위해서는 화석연료를 통한 에너지생산 감축이 불가피할 것으로 보이며, 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원들의 시장가치가 높아질 것으로 예상된다.
상변화물질(PCM)은 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원으로 매년 시장 규모가 성장하고 있지만, 국내 상변화물질(PCM) 시장은 국외 시장보다 현저히 작은 시장 규모가 형성되어 있고, 대부분의 상변화물질(PCM)을 수입하여 유통하고 있는 상황이다. 기술 개발을 통한 실제 적용 사례도 적다. 국내에서 상변화물질(PCM)의 시장 확대 및 관련 기술 개발에 더 많은 투자가 필요할 것으로 사료된다.
현재 국가 정책방향에서 제시하듯이 ‘친환경, 재생가능한’ Trend가 확산되고 있다. 상변화물질(PCM)이 제조되는 과정 또한 이러한 Trend에 영향을 받을 것이고, 석유로부터 정제되는 PCM 또는 무기계 PCM 보다는, Bio 기반의 정제된 PCM이 보다 시장 내 성장 가능성이 높을 것으로 예상된다. 현재 여러 산업군에서 상변화물질(PCM)을 적용하기 어려운 이유 중 하나가 비싼 가격 때문이다. 정제 관련 기술들이 개발 되면서 가격이 저렴해 진다면, 향후 상변화물질(PCM)의 활용 분야가 점차 늘어날 것으로 기대한다.
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References
- 중앙대학교 산학협력단, ”도시열섬현상 저감을 위한 PCM(Phase Change Material) Cool Roof System의 적용기술 개발” (2014. 07 ~ 2017. 07)
- 숭실대학교 산학협력단, ”주거공간 성능개선을 위한 상변화물질(PCM)의 건축물 적용 기술개발 기획” (2016. 09. 07 ~ 2017. 03. 06)
- 환경부, 한국환경산업기술원, “상변화소재를 활용한 열에너지 저장 기술 개발 동향”
- 환경부(온실가스종합정보센터), “국가 온실가스 인벤토리(1990-2018) 공표”
- 고등기술연구원(에너지환경연구팀), “PCM 열저장 기술” (2018)
- 한국과학기술연구원(KIST), “상변화물질(PCM) 캡슐을 이용한 안전하고 효율적인 온수공급” (2019)
(https://www.kist.re.kr/kist_web/?sub_num=2935&ord=0&pageNo=1&state=view&idx=2606)
- NASA(National Aeronautics and Space Administration) 웹사이트
(https://www.nasa.gov)
- Phase Change Solutions 웹사이트 (https://phasechange.com)
- EST(Energy Solution Technology) 웹사이트 (www.est-in.com)
- OCI 웹사이트 (https://www.oci.co.kr)
- BINGO ICE 웹사이트 (https://bingoice.com)
그림 및 사진 출처
그림 2. 연도별 온실가스 배출량
→ <환경부(온실가스종합정보센터, “국가 온실가스 인벤토리(1990-2018) 공표> 발췌
그림 3. PCM 기술 관련 헤드라인 캡처
→① <EST ‘축랭시스템’…의약 식료품 업체에 각광>
https://www.hankyung.com/economy/article/2020100425381발췌
② <KIST, 실내 온도 2.5도 낮추는 건물벽 소재 개발>
https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/09/08/2020090801497.html발췌
③ <OCI, ‘콜드체인’ 시장 사업 확대…”온도유지 성능 2배 우수”>
https://www.shinailbo.co.kr/news/articleView.html?idxno=1362872발췌
그림 4. 폐열을 회수하여 산업 및 농업에 축열 에너지를 사용하는 체제
→ https://www.iae.re.kr/post/306 발췌
그림 5. PCM 수송을 이용한 4세대 열에너지 네트워크 모식도
그림 6. PCM을 이용한 온수 수송 원리
→https://www.kist.re.kr/kist_web/?sub_num=2935&ord=0&pageNo=1&state=view&idx=2606발췌
그림 7. PCM이 적용된 Cool Roof System
→<중앙대학교 산학협력단, ”도시열섬현상 저감을 위한 PCM(Phase Change Material) Cool Roof System의 적용기술 개발” (2014. 07 ~ 2017. 07)> 발췌
그림 8. PCM을 적용한 우주복(NASA)
→https://www.nasa.gov/offices/oct/40-years-of-nasa-spinoff/phase-change-materials발췌
그림 9. PCM-HX(NASA)
→https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/game_changing_development/projects/archived/PCM-HX발췌
그림 10. PCM이 적용된 운송박스와 냉동팩
→https://www.shinailbo.co.kr/news/articleView.html?idxno=1362872발췌(운송박스)
→http://www.klnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=300937발췌(냉동팩)
그림 11. PCM이 탑재된 냉동 탑차
→https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=02542006625934560&mediaCodeNo=257발췌
그림 12. 에너지 절감을 위한 PCM 판넬의 활용
→https://phasechange.com/case-studies/telecom/발췌