【브레이크뉴스 구미】이성현 기자=국립금오공과대학교(총장 김상호) 기계공학부 김준영 교수 연구팀이 건물의 탄소 배출 저감을 위한 ‘다기능 히트펌프 및 에너지 저장 장치’ 개발에 성공했다. 이번 연구는 국립금오공대와 미국국립연구소(National Laboratory of the Rockies·NLR) 연구진이 함께 수행한 국제 공동연구 성과다.
 ▲ 건물 탄소 배출 감소를 위한 다기능, 열용량 히트펌프 및 에너지 저장 장치 © 금오공대 |
건물 부문은 냉난방, 온수, 냉동 등 에너지 사용으로 전체 에너지 소비의 40% 이상을 차지한다. 특히 냉난방 시스템에 사용되는 수소불화탄소(HFC) 냉매는 탄소 배출의 주요 원인으로 꼽히면서, 친환경 고효율 냉난방 기술인 히트펌프 개발의 중요성이 커지고 있다.
김 교수 연구팀은 전기에너지를 열에너지로 전환하는 ‘열용량 사이클(thermocapacitive cycle)’ 개념을 적용해 차세대 히트펌프 시스템을 구현했다. 이는 전기 이중층 커패시터(EDLC)를 기반으로 전기에너지와 다공성 전극을 활용해 열을 흡수·방출하는 방식으로, 기존 냉매 사용을 줄이면서도 높은 효율을 기대할 수 있는 기술이다.
연구팀은 활성탄 전극과 수용성 염화리튬(LiCl) 전해질을 적용한 열용량 전지를 충·방전할 때 최대 2.7℃의 온도 변화가 가능하다는 점을 확인했다. 이를 계단식으로 배열할 경우 히트펌프 시스템의 예상 온도 변화는 12℃까지 높아지고, 체적 난방용량은 15kW/㎥에 달하는 것으로 분석됐다.
특히 개발된 열용량 히트펌프는 기존 유망 대체 기술들과 비교해 평균 15% 높은 열효율을 달성할 잠재력을 지닌 것으로 평가됐다. 또한 활성탄과 수용성 전해질 등 비교적 풍부한 재료를 활용해 경제성과 친환경성을 동시에 확보할 수 있다는 점에서도 주목받고 있다.
이번 연구 결과는 열·에너지 분야 국제 저명 학술지 Energy Conversion and Management(상위 2%, IF 10.9)에 지난 6일 게재됐다. 논문 제목은 ‘Investigation of a Thermocapacitive Cycle by Aqueous Supercapacitors for Multifunctional Heat Pumping and Energy Storage’이다.
김준영 교수는 “히트펌프는 탄소중립 시대를 이끌 10대 혁신기술 가운데 하나로 주목받고 있다”며 “냉난방 수요가 향후 10년간 최대 10배까지 증가할 것으로 예상되는 만큼, 이번 차세대 히트펌프 연구는 큰 의미가 있다”고 밝혔다.
한편 김 교수는 지난해 9월 국립금오공대에 부임했으며, 미국 국립재생에너지연구소(NREL), 퍼듀대, 미시간대, 한국과학기술원(KAIST) 등 세계적 연구기관에서 다양한 연구 과제를 수행한 바 있다. 현재 국립금오공대에서 첨단 열시스템과 전기화학장치 융합을 통한 저비용·친환경 에너지 시스템 연구를 활발히 진행하고 있다.
이번 연구는 NLR의 Nelson James, Donal P. Finegan, Bertan Ozdogru 연구원들과 공동으로 수행됐으며, 국립금오공대와 미국 에너지부 산하 미국국립재생에너지연구소의 지원을 받아 진행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
Kumoh National Institute of Technology Professor Kim Jun-young's Team Develops Next-Generation Heat Pump to Reduce Building Carbon Emissions
A research team led by Professor Kim Jun-young of the Department of Mechanical Engineering at Kumoh National Institute of Technology (President Kim Sang-ho) has successfully developed a "multifunctional heat pump and energy storage device" to reduce carbon emissions in buildings. This research is the result of an international joint study conducted by researchers from Kumoh National Institute of Technology and the National Laboratory of the Rockies (NLR) in the United States.
The building sector accounts for more than 40% of total energy consumption through energy usage for heating, cooling, hot water, and refrigeration. In particular, as hydrofluorocarbon (HFC) refrigerants used in heating and cooling systems are identified as a major cause of carbon emissions, the importance of developing heat pumps—an eco-friendly, high-efficiency heating and cooling technology—is growing.
Professor Kim's research team implemented a next-generation heat pump system by applying the concept of the "thermocapacitive cycle," which converts electrical energy into thermal energy. This technology utilizes electric double-layer capacitors (EDLCs) to absorb and release heat by employing electrical energy and porous electrodes, offering the potential for high efficiency while reducing the use of conventional refrigerants.
The research team confirmed that a thermal capacity battery equipped with activated carbon electrodes and a water-soluble lithium chloride (LiCl) electrolyte can achieve a maximum temperature change of 2.7°C during charging and discharging. Analysis showed that when arranged in a stepped configuration, the expected temperature change of the heat pump system increases to 12°C, with a volumetric heating capacity reaching 15 kW/㎥.
In particular, the developed thermal capacity heat pump was evaluated as having the potential to achieve an average thermal efficiency 15% higher than existing promising alternative technologies. It is also attracting attention for its ability to secure both economic viability and eco-friendliness by utilizing relatively abundant materials such as activated carbon and water-soluble electrolytes.
The results of this study were published on the 6th in Energy Conversion and Management (top 2%, IF 10.9), a prestigious international journal in the field of thermal energy. The title of the paper is ‘Investigation of a Thermocapacitive Cycle by Aqueous Supercapacitors for Multifunctional Heat Pumping and Energy Storage.’
Professor Kim Jun-young stated, “Heat pumps are attracting attention as one of the top 10 innovative technologies leading the era of carbon neutrality,” adding, “As the demand for heating and cooling is expected to increase by up to tenfold over the next decade, this research on next-generation heat pumps holds great significance.”
Meanwhile, Professor Kim joined Kumoh National Institute of Technology last September and has conducted various research projects at world-renowned institutions such as the U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL), Purdue University, the University of Michigan, and the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Currently, he is actively conducting research at Kumoh National Institute of Technology on low-cost, eco-friendly energy systems through the convergence of advanced thermal systems and electrochemical devices.
This research was conducted in collaboration with researchers Nelson James, Donal P. Finegan, and Bertan Ozdogru of the NLR, and was supported by Kumoh National Institute of Technology and the National Renewable Energy Laboratory under the U.S. Department of Energy.
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