우리나라도 대기환경보전법에 따라 냉매 누출방지와 회수, 재활용 등에 관한 법률을 시행하며 지구온난화 물질 배출을 줄이고자 하고 있다.
냉매는 냉동사이클에서 증발하기 쉬운 작동유체로 저온부의 열을 빼앗아 고온부로 운반해 주는 역할을 한다. 최근 오존층 파괴로 인한 지구온난화 문제가 대두되면서 친환경 냉매 개발의 필요성이 부각되고 있다.
국내에서 주로 사용되는 냉매는 HCFC, HFC계열로 세계적인 냉매 규제 물질로 규제가 본격화되면 냉동공조기기 수출경쟁력에 타격을 입을 수밖에 없는 상황이다. 이미 선진국은 냉매 규제에 대비한 4세대 냉매(HFO계열, 자연냉매) 개발에 박차를 가하고 있고 일부는 상품화돼 시장에 나왔다. 이 시장은 아직까지는 초기 시장 단계이지만 향후 높은 성장가능성이 예상된다.
이번 호에서는 냉매 변천 흐름을 통한 냉매시장의 이해와 국내외 냉매 현황을 살펴보고 세계적인 냉매 규제에 따른 국내 대처 방안에 대해 논의해보자 한다. /편집자주
■자연냉매, CFC→HCFC→HFC→HFO
냉매의 역사는 자연냉매를 시작으로 1세대 CFC(염화불화탄소), 2세대 HCFC(수소염화불화탄소), 3세대 HFC(수소불화탄소), 4세대 HFO(수소불화올레핀) 등으로 구분할 수 있다.
자연냉매는 합성냉매를 쓰기 이전의 냉매로 물이나 NH₃, CO₂ 등을 사용했고 태생적 한계(NH₃ 독성/폭발성, CO₂ 고압) 때문에 대안으로 개발된 것이 CFC계열 냉매다. 현재도 냉동 창고와 냉동용으로 많이 사용되고 있다.
CFC계열 냉매는 오존층 파괴물질인 ‘프레온 가스’로 R11, R12, R113, R114 등이 있으며 2009년 생산/판매를 마지막으로 사라졌다.
R11(터보냉동기)은 R123로, R12(냉장고, 정수기, 자동차 에어컨)는 R134a로 대체됐다.
HCFC계열 냉매도 오존층 파괴물질인 ‘프레온 가스’로 몬트리올의정서에 의해 규제되고 있다. 가장 대표적인 냉매로는 R-22(일반 가정용 에어컨)가 있으며 R123, R124 등이 있다. HCFC는 CFC의 대체 냉매는 아니고 단지 시간차가 있을 뿐이다.
HFC계열 냉매는 오존층 파괴는 없으나 지구온난화 물질이다. 오존층 파괴문제가 이슈화되면서 CFC/HCFC를 대체하는 냉매로 대두됐다. 대표적인 냉매로는 자동차 에어컨, 가정용 냉장고에 사용되는 R134a, 천장형 에어컨에 사용되는 R410A, 냉동탑차에 사용되는 R404A 등이 있다.
이 냉매는 교토의정서에 6대 지구온난화 물질 중 하나로 분류됐으나 교토의정서에는 강제성이 없어 사용이 가능했다. 1987년 몬트리올의정서에 의해 오존층 파괴 규제 물질로 규정됨에 따라 선진국은 2020년, 개발도상국은 2030년 이전에는 사용이 금지될 예정이다. 그러다 2006년 유럽 F-gas 규정에 포함되면서 대체 냉매에 대한 연구와 개발이 본격화되기 시작했다.
HFO계열 냉매(Low GWP)은 자연냉매의 근본적인 제한 사항으로 차세대 냉매로 강력히 대두되고 있다. 초기 시장단계인 점을 감안한다면 세계적인 냉매 규제가 본격화되면 높은 성장가능성을 내재하고 있다. 이미 일부 HFO계열 냉매가 연구개발을 마치고 생산을 시작했으나 가격적인 면에서 부담을 안고 있다.
■국내 냉매 현황
우리나라는 세계 5위의 냉동공조기기 생산국으로서 전체 시장 규모는 약 9조원(2013년 기준)이며 국내 생산액의 절반 이상을 수출하고 있다. 따라서 우리나라의 수출경쟁력은 세계적인 냉매 규제에 큰 영향을 받을 것으로 예상된다.
국내에서는 HCFC, HFC계열 냉매가 전체 냉매량의 95% 이상을 차지하고 있다. 2013년 기준 국내 냉매 사용량은 약 2만3,000톤으로 국내 냉매시장 규모는 약 1,500억원으로 추정된다. 국내 냉매 사용량의 90%를 수입에 의존하고 있으며 가전, 수송기계, 냉동기, 발포, 세정용으로 사용되고 있다. 사용량 중 약 30%(7,000톤)는 보충용으로 사용되고 있다.
국내에서는 HCFC, HFC계열 냉매를 주로 사용하다보니 세계적인 냉매 규제가 본격화되면 국내 냉동공조기기 수출경쟁력에 타격을 입게 된다. HFC계열 냉매를 감축하고 대체 물질로 전환할 경우 국제 경제력 상실에 따른 기반 위축과 적정한 냉매 개발의 어려움(전량 수입 의존), 국산 냉동공조기기 개발 제품과의 형평성, 대체 냉매의 수급 어려움 등 여러 문제점을 발생시킬 가능성이 농후하다.
차세대 냉매로 전환할 경우 냉동공조기기 개발에 약 5,000억원, 개발 기간은 약 3~7년이 소요될 것으로 예상된다. 또한 국내 개발이 이뤄졌다고 하더라도 해외 특허 문제 등 더 복잡한 문제들도 야기될 수 있다. 이미 국가 지원으로 민간과 기관에서 공동으로 친환경 대체 냉매를 개발했지만 글로벌 화학 회사들과의 특허 문제로 상용화 단계까지는 험난한 길이 예상되고 있다.
현재 대기업에서는 HFC계열 대체 냉매로 R1234yf(HFO계열)와 R32(HFC계열)에 대한 검토를 하고 있으며 이미 일부 수출품에 대해 R1234yf로 대체하고 있다. 내수 위주의 기업은 여전히 HFC 제품(터보냉동기)과 HCFC 제품(기타 냉동공조기기)이 주를 이뤄 HFC 규제에 반대하는 목소리를 내고 있다.
현재 미국과 유럽은 가정용 냉장고(이소부탄) 및 산업용 냉동기(암모니아/이산화탄소)를 제외하고는 High GWP 냉매가 적용되고 있다. 냉매 규제가 제시된 만큼 냉매 개발에 중요성이 커지면서 제시된 감축 계획에 맞는 Low GWP 냉매 적용 제품을 확대할 것으로 예상된다.
Low GWP 냉매에는 탄화수소계 냉매(이소부탄 등)와 자연냉매(암모니아/이산화탄소 등) 및 HFO계열 냉매(R1234yf 등)들이 고려되고 있다. 이 중에서 Low GWP 냉매인 탄화수소계 냉매의 경우는 가연성 문제로 인해 극히 소량이 요구되는 가정용 냉장고 정도에만 암모니아/이산화탄소와 같은 자연냉매는 독성과 성능 문제 때문에 극히 제한적으로 적용되고 있다.
기존의 에어컨과 냉동기 등에는 Low GWP의 특성을 가지면서 기존 냉매와의 호환성을 가진 새로운 냉매와 이를 이용한 제품개발이 진행되고 있다. 특히 하니웰, 듀폰, 멕시켐 등의 냉매 전문회사들은 GWP 10 이하인 HFO계열 냉매(R1234ze, R1233zd, R1336mzz 등)를 개발하고 이를 적용한 제품개발에 협력하고 있다. Carrier, MHI, Trane 등에서는 단일기기로써 많은 양의 냉매 봉입이 요구되는 터보냉동기에 Low GWP 냉매인 R1234ze와 R1233zd를 적용한 제품을 개발해 시장진출을 시도하고 있다.
일본에서는 Low GWP 연구를 통해 F-gas를 사용하지 않는 소·대형 에어컨시스템 기술을 개발했다. 또한 약가연성을 가진 Low GWP 냉매에 대한 안정성 연구도 진행 중이다.
국내에서는 가정용 냉장고에 탄화수소계 냉매를 적용, 극히 일부 산업용 냉동기에 암모니아와 같은 자연냉매를 적용한 시스템이 설치됐으며 Low GWP 냉매 관한 연구도 이뤄지고 있다.
■대체 냉매 물질은
HCFC, HFC계열 냉매의 규제로 자연냉매, HFO계열의 냉매가 부각되고 있다.
CO₂ 냉매는 선박, 창고 등과 같은 대형 공조시스템과 차량용 공조시스템에 사용된다. 불가성, 무독성, 자연냉매이면서 가격도 저렴하다. 체적용량이 커 시스템의 소형화가 가능하며 재활용 조치도 불필요하다. 하지만 고압 작동영역으로 신규개발비 투자가 필요하고 고압 작동으로 안전성, 이산화탄소 중독 문제 등의 문제점을 해결해야 한다.
R600a는 냉장고와 냉동고 냉매로 사용되고 있다. 에너지효율성이 좋아 가전제품에 적합한 냉매이지만 시스템에 적용할 경우 기존 냉매와 상당한 차이점이 있다.
R600a는 R123a 또는 R12보다 압력이 낮다. 다른 냉매의 운전압력보다 현저히 낮은 압력 수준으로 높은 응축온도에서도 좋은 냉동 능력을 제공한다. 하지만 55℃의 응축온도에서 R600a는 R12의 50%, R134a의 55%의 체적용량으로 R600a에 필요한 압축기 흡입체적은 R12에 사용되는 흡입체적의 2배 가량 된다.
자동차 에어컨과 칠러와 히트펌프, 중온 냉장고 등에 주로 사용되는 R134a의 대체 냉매로 R290과 R1234ze, R540A, R515A가 제시되고 있다.
R290과 R134a의 차이는 압력에 있다. R290의 압력은 R134a보다 R22와 R404A와 비슷해 증발기 설계도 유사하다. R290의 압력과 임계온도는 R22와 거의 동일하나 토출온도는 R22에 비해 낮아 높은 압축비에서도 운전이 될 수 있어 낮은 증발 온도와 높은 흡입 온도에서도 운전이 가능하다. 하지만 R290은 45℃의 응축온도에서 R22의 약 90%, R134a의 150%의 체적용량으로 압축기 토출량 또한 R22에 가깝지만 R401A에 비해 10~20% 정도 더 많다. 체적용량은 R600a의 약 2.5~3배 정도다.
R1234ze는 순수 HFO계열 냉매로 GWP<1, A2L(ASHRAE 분류) 이다. 임계온도는 109.4℃(R134a 101.1℃), 비등점은 -19.0℃(R134a -26.1℃)이며 용량은 76%(R134a 100%)로 R134a와 비슷한 효율을 나타낸다.
혼합냉매인 R450A(R1234ze 58%, R134a 42%), R515A(R1234ze 88%, R134a 12%)는 GWP가 각 547, 403을 낮은 수준으로 적은 용량으로 R134a와 비슷한 효율을 가진다.
R401A(R32 50%, R125 50%) 대체 냉매로는 R452B(R32 67%, R125 7%, R1234yf 26%)와 R444B(R32 68%, R125 8%, R1234ze 24%)로 GWP는 각 676, 714로 낮으며 R410A보다 적은 용량으로 비슷한 효율을 나타낸다.
R450A는 혼합냉매(R1234ze 58%, R134a 42%)로 GWP는 547, A1 이다. 임계온도는 105.6℃, 비등점은 -23.6℃이며 용량은 91%로 R134a와 같은 효율이다.
R515A는 R450A와 같은 혼합냉매(R1234ze 88%, R134a 12%)로 GWP는 403, A1 이다. 임계온도는 108.7℃, 비등점은 -19.0℃이며 용량은 76%로 R134a와 같은 효율이다. R123의 대체 냉매로는 R245F와 R1233zd가 있으며 R1233zd는 GWP<1 이다.
우리나라도 2012년 5월 대기환경보존법 개정령 공표에 따라 오존층 파괴와 지구온난화 등 기후 생태계 변화를 유발시키는 냉매물질에 대해 규제를 해오고 있다.
2014년 몬트리올 의정서 규제물질로 지정된 HCFC계열 냉매에 대한 감축안이 제출된 이후 우리나라도 2009~2010년 평균 소비량을 기준으로 2013년부터 동결 및 감축을 시작해 2030년 97.5% 감축을 목표로 하고 있다.
수입 냉매에 의존도가 높은 우리나라는 국내에서 생산된 냉동공조기기를 미국과 유럽 등지에 수출하기 때문에 새로운 냉매 개발뿐만 아니라 이를 적용하기 위해서는 해외업체와의 협력이 선행돼야 한다.
이를 위해 우선적으로 큰 틀의 냉매 정책을 확고히 수립하고 세부적인 내용은 정부 관련 부서의 지원을 통한 연구소 또는 관련 단체 설립 등으로 보완해 나가야 한다. 여기에 참여할 전문인력 양성에 힘을 쏟아야 한다. 기존의 기술 부족을 해결하기 위해 단기적으로는 국내외 전문가 영입과 장기적으로는 프로젝트를 통한 전문인력 창출이 요구된다.
냉매 개발과 적용 이외에도 회수·재생도 간과해서는 안 되는 부분이다. 국내에서도 냉매 회수와 재생이 이뤄지고 있지만 사실상 없다시피 하다는 것이 업계의 말이다.
미국의 냉매 재생업자 인증과 같이 냉매 회수로 일정 수준의 순도를 지닌 냉매로 재생산·판매가 될 수 있는 방안을 모색해봐야 한다.
세계적인 냉매 규제에 따라 선진국에서는 3세대 냉매에서 4세대 냉매로 전환 시점이지만 국내에서는 아직 2세대에서 3세대로 전환되고 있다. 수출국가인 우리나라 입장에서는 세계적인 추세에 적극적인 대응이 절실하다.
이를 위해 정부와 민간, 학계의 협력 체계를 보다 굳건히 강화해 본격적인 냉매 규제 시대에 따른 조속한 대비가 강조된다.
세계 냉매 현황
미국
미국 환경보호청(EPA)에서는 폐냉매 관련 관리제도, 대기정화법(1990년)에 의거해 공조 및 냉동설비의 냉매를 관리하고 있다. 2014년부터 2015년까지 R22 냉매 사용량을 절반 이상 수준으로 감소시키고 있다.
HFC계열 냉매 관리는 대기청정법에서 주로 다루고 있는데 냉매를 무단누출 시 최대 3만7,500달러의 벌금이 부과된다. 캘리포니아의 환경보호국에서도 High GWP 냉매에 대한 관리규칙을 운영하고 대상기기와 용량 및 냉매의 종류, 용량 규모에 따른 정기누출검사 및 수리의무 등이 부여된다. 여기서 High GWP는 R12, R22, R404A, R407C, R410A, R507과 같은 CFC, HCFC, HFC계열 냉매 등이 포함돼 있다.
이와 함께 미국 냉동공조협회(ASHREA)는 냉매의 안전성을 불연성, 미연성, 강연성 등 3등급으로 나눠 위험을 평가하고 있다. 냉동·공조기기의 안전기준을 제정하는 ASHREA에서는 미연성 냉매의 사용을 권고하고 있다.
냉동공조설비의 유지보수, 서비스, 수리 및 폐기 시 냉매로 사용되는 오존층 파괴 물질의 의도적인 대기배출 금지 법률이 1992년 7월에 발효됐다. 특수한 경우를 제외하고는 배출이 차단됐다.
EPA에서는 냉매의 배출 차단에 따라 냉매 재생·재활용 설비 인증프로그램을 마련해 운영하고 있다.
기술자들은 공조기와 냉각장비의 유지보수, 정비, 수리 및 폐기를 위해 설비를 열 때 일정 수준의 진공상태에서 냉매를 제거·회수해야 한다. 회수 또는 재활용 설비는 반드시 EPA의 공인시험기관에서 인증을 받아야 한다.
EPA는 EPA 인증 재생업체를 통해 재생된 것이 아닐 경우 사용한 냉매를 새로운 사용자에게 재판매하는 것을 제한하고 있다. 재생업체는 냉매를 AHRI Standard700(업계 순도기준)에 명시된 수준의 순도까지 재생할 것을 요구 받고 있으며 순도를 증명하기 위해 동일한 기준으로 설정된 실험실 규정을 따라야 한다.
폐기 시 비용이 발생하는 장치들(자동차 에어컨, 가정용 냉장고와 냉동고, 공조기)은 최종 담당자가 최종 폐기 전에 장비로부터의 냉매 회수를 보장해야 한다.
EPA는 그밖에 ‘책임감 있는 가전제품 폐기’ 프로그램을 통해 냉매 회수를 촉진하고 있다.
유럽
유럽의 F-gas에 대한 규제는 2006년에 제정된 유럽의회 및 이사회 규정에서 정의하고 2013년 12월 유럽의회 및 이사회는 F-gas 배출 감소를 위한 잠정적인 합의내용을 도출했다.
이번 합의안의 골자는 F-gas, 특히 HFCs의 단계적 감축으로 EU시장 내 도입량을 줄이는 것으로 2030년까지 현재보다 79% 감소시킨다는 내용이다. 지구온난화지수(GWP) 150을 초과하는 HFCs 상업용 밀폐 냉매장치들은 2020년부터 EU 내 판매가 금지된다. GWP 150을 초과하고 40kW를 넘는 상업적 용도의 중앙집중식 냉매장치들은 2022년부터 판매가 금지된다. 단 GWP 1,500 이하 캐스케이드 방식의 1차 냉매장치들은 예외가 인정된다. HFCs가 함유된 밀폐 냉난방 장치의 경우 2020년부터 금지된다.
이 밖에도 EU 내 수입되는 F-gas를 포함하는 제품 및 장치들의 효율적 감시를 위해 이력추적시스템 도입으로 2015년부터 적용되고 있다.
F-gas는 교토의정서에서 규정하는 6개 온실가스(이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소, 과불화탄소, 육불화항)에 포함되며 불소(F)를 함유한 기체를 총칭한다.
수소불화탄소(HFCs)는 냉장고 및 에어컨의 냉매, 솔벤트, 에어로졸 등, 과불화탄소(PFCs)는 전자분야, 화장품, 제약산업, 소화기 등, 육불화항은 전기 제품과 변압기 등의 절연제로 사용되고 있다.
2011년 기준으로 EU 내 전체 배출된 온실가스량 중 F-gas는 1.9%를 차지해 이산화탄소(82.2%)에 비해 적은 양을 배출하나 대기 중에 한 번 방출되면 분해되지 않아 적은 양으로도 지구온난화에 막대한 영향을 끼칠 수 있어 요주의 대상으로 꼽힌다.
일본
일본은 2015년까지 모든 제조사가 RAC에 R32를 적용하고 있으며 시장점유율도 빠르게 증가하고 있다. 2015년 4월부터 F-gas 저감을 위한 규제가 소유 및 사용자 모두에게 적용됐다. Daikin사와 Toshiba-Carrier사는 법의 범위 내에서 장비를 취급할 대 필요한 체크 및 점검에 도움이 되는 앱을 개발했고 ME사는 냉매 봉입락의 체크와 점검을 단순화라는 기능이 탑재된 VRF 제품을 출시했다.
중국과 동남아시아
중국은 R410A 냉매를 사용하는 제품이 점차 표준화가 돼 가고 있다. 일부 제조사는 R32 냉매를 사용하는 제품을 생산해 우리나라와 호주, 중앙아시아, 유럽 등에 수출하고 있으며 우리나라 냉매의 절대적인 부분을 차지하고 있다.
2015년 6월 Gree사는 243대의 R290 냉매 제품을 Shenzhen 대학에 적용했다.
동남아시아는 아직 R22 적용이 대세이다. 일부 국가에서는 R32 적용으로 변환을 시도하고 있으나 한정적으로 시장의 전체적인 전환은 시간이 걸릴 것으로 예상된다.
인도네시아는 2015년 1월부터 R22 냉매 이용 제품 수입을 금지하고 있다. R32 적용 제품이 약 15%를 차지하고 있으며 모든 일본 제조사는 R32 적용 제품을 판매하고 있다.
타일랜드는 2013년 1월부터 R22 적용 제품에 대한 제한이 적용되고 있다. 2017년 1월부터 R22 적용 제품의 생산과 수입이 금지돼 R32로 대체되고 있다.
말레이시아는 R22 대체는 진전이 이뤄져 많은 제조사가 생산과 판매를 중지한 상태다. 일본 제조사들은 일부 R32 제품과 함께 R410A 제품을 대부분 판매하고 있다.
싱가포르는 안전성 문제로 인해 HC 냉매의 사용을 엄격하게 관리 혹은 금하고 있다. 소형의 RAC에도 안전에 대한 규제가 적용돼 2015년 7월에 R32 봉입락이 최대 1.8kg인 제품을 승인 바 있다.
베트남은 R22가 주요 냉매로 사용되고 있으며 차세대 냉매로의 전환을 아직 시도하고 있지는 않으나 일본 제조사들은 R32 적용 제품 판매를 가속화하고 있다.
인도는 일본 제조사 및 LG 등은 R32 적용 모델을, 일부 중국제조사는 R290 적용 모델을 판매하고 있다. R22 적용 제품은 2015년 1월부터 금지됐으나 제조는 2020년에 금지될 예정이다. 인도의 제조사는 일단 상황을 지켜보고 있으며 모든 지역 제조사는 인버터 모델에는 R410A를 적용하고 있다.
중동과 남미
중동은 R410A로의 전환이 사우디아라비아와 UAE에서 이뤄지고 있다.
이란의 경우에도 일부 제품에서 전환이 시도되고 있으며 사우디아라비아는 2015년 1월부터 R22 적용 제품 수입을 금지해 전부 R410A 제품이 수입되고 있다.
남미의 브라질은 아직 R22 제품이 주류를 이루고 있으나 2020년까지 감축 프로젝트가 진행 중이다. 2010년을 시작으로 R22 적용 제품의 수입이 매년 10% 이상 감소하고 있다.
아르헨티나는 2013년 9월 말부터 17.6kW 용량 이하의 창문형, 휴대형, 덕트형, 분리형 등 모든 에어컨에 대해 R22 적용 제품의 판매가 금지됐다. 현재 큰 용량의 PAC와 VRF 제품의 경우는 R410A가 적용되고 있다.
멕시코는 2020년 HCFC 단계적 철수를 3년 정도 앞당길 계획이다. 아직 R22 제품에 대한 규제가 없는 상태이나 미국과 중국의 냉매 공급자들이 R410A 냉매로 대체하고 있어 시장에서의 R22 값이 상승하고 있어 2020년까지의 R22 적용 에어컨의 수요는 빠르게 감소할 것으로 예상된다.