① 동향정보의 개요

열차는 이미 역을 떠났는가? 새로운 저-지구온난화 에어컨 냉매인 [R-1234yf]를 선택한 산업계는 그 길이 순탄한 것처럼 보였다. 모든 필요한 미국자동차공학회 국제 표준(SAE International standards)이 완성되었고 생산 공장은 작업에 들어갔으며 모든 시험결과가 만족스러웠다. 그러나 실제로 선택의 대안 중의 하나가 될 새로운 냉매 2가지가, 출발한 열차에 같이 갈 수 있도록 좌석을 찾고 있으며 많은 지지자들을 가지고 있다.

이 두 가지 냉매는 [AC-5]와 [AC-6]이며, [R-134a]에 그 뿌리를 두고 있는 역사가 있는 대형 화학회사에 의해 도입되었다. 당신은 Mexichem Fluor라는 회사를 모를 수도 있지만, 이 멕시코 회사는 [R-134a]를 최초로 생산한 업체들 중의 하나인 ICI Klea사를 흡수했던 영국 화학회사인 INEOS Fluor사를 거느리고 있다. 새 냉매는 영국에서 개발되었다. 새로운 냉매는 미국 애리조나 주 스코츠데일에서 개최된 [대체 냉매 및 시스템 효율성(Alternative Refrigerant and System Efficiency)] 연례 SAE 심포지엄에서 발표되었다.

Mexichem사가 아직 공식적으로 화학 공식을 공개하지는 않았지만, 그들은 비공개 합의서에 사인한 몇 개의 회사들에게 그것을 공개했다. 이 회사의 발표에 의하면, 2가지 냉매는 유럽 공동체가 제정한 지구온난화 리미트 150 기준 아래에 있다.

이 새롭게 개발된 냉매는 SAE 규정에 따라 산학협력 프로그램(CRP, Cooperative Research Program)에 의해 평가가 진행 중이다. 2012년 중반까지 이 냉매의 타당성 분석을 완료할 계획인 산학협력 프로그램(CRP) 의장은 르노자동차의 Enrique Peral-Antunez씨이며, GM, 볼보, 현대 및 기아, 재규어/랜드로버, PSA 푸조, 르노, 상하이자동차산업(주), 일본의 산덴, 덴소, 두원기후제어 그리고 물론 Mexichem Fluor사도 대표로 참여하고 있다.

<2011년 새로운 냉매의 가능성이 열릴 것인가? 그것은 더욱 많은 물음표를 가지고 시작되고 있다>

② 현황 및 세부내용

새로운 옵션은 가스 상태로 분리될 수 있는 혼합액체(Zeotropic Blends)이다!

두 냉매는 모두 가스 상태로 분리될 수 있는 혼합액체(zeotropic blends)이다. 자동차 에어컨 산업은 싱글 컴파운드 냉매인 [CFC-12] 냉매와 [R-134a] 냉매 그리고 [R-1234yf] 냉매를 선호한다고 알려져 있다. 그러나 공비혼합물(azeotropic mixture, 기체상의 조성과 액체상의 조성이 같은 액체혼합물)도 거의 적용가능하다. 이것은 적어도 시스템 내부의 운영 조건하에서는 액체나 기체로서 같은 조성상태를 유지함을 의미한다. 공비혼합물(azeotropic mixture)의 조성은 증발과 응축 도중에 연속적으로 변화하며 특히 증발 온도의 변화는 증발기의 열역학적 성능에 영향을 미친다. 이 변화의 수준을 온도 글라이드(glide)라고 부르며, 비록 혼합액체를 사용하는 정지된 에어컨 시스템이 소량의 온도 글라이드를 다룰 수 있도록 설계되었다 할지라도, [AC-6] 냉매는 현재 사용되고 있는 다른 냉매보다 더 많은 양의 온도 글라이드를 연속적으로 제공한다고 Peral-Antunez 의장은 산학협력 프로그램(CRP) 보고서에서 밝혔다.

[AC-5] 냉매는, [R-1234yf] 냉매가 가진 환경 영향에 대한 척도인 라이프-사이클 기후 성능(LCCP, Life Cycle Climate Performance)과도 부합한다. 두 개의 냉매 모두 인화성은 상대적으로 매우 낮다. [AC-6] 냉매는 라이프-사이클 기후 성능(LCCP) 동등성에 도달하기 위해서는 효율성 면에서 성능이 개선될 필요가 있다. 그런데, 이 지점에 도달하기 위한 엔지니링적 접근이 가능할 것으로 보이며, 만약 온도 글라이드가 제어 가능한 것으로 증명되다면, [AC-6] 냉매도 그것이 가진 저 인화가능성(이것은 [R-1234yf] 냉매나 [AC-5] 냉매보다 인화성이 훨씬 낮음.) 때문에 선호될 물질이다.

비록 2개의 혼합액체에 대한 알려진 정보는 제한되어 있지만, 산학협력 프로그램(CRP) 보고서는 [AC-5] 냉매가 [R-134a] 냉매와 [R-1234yf] 냉매 모두와 유사한 압력-온도 곡선과 냉각 효율성을 가지고 있으며 인화성은 [R-1234yf] 냉매와 유사하고 온도 글라이드는 정지 냉각 상태의 혼합액체(zeotropic blends)와 유사하다고 밝히고 있다. [AC-6] 냉매는 조금 더 높은 작동 압력을 가지지만, [R-1234yf] 냉매와 비교해 볼 때, 이 혼합액체는 열 교환기를 다시 디자인하게 되면 더 높은 냉각 효율성을 가질 잠재성을 가지고 있다. 게다가, [AC-6] 냉매는 전체적으로 인화성을 줄였을 뿐 아니라 운송과 취급 도중에 만나는 온도에서도 타지 않기 때문에 히트펌프 액체로 사용이 가능하다. 산학협력 프로그램(CRP)에 의해 승인된 작업장 노출한계(Occupational Exposure Limit)에 따른 사전 독성 평가와 미래의 일정기간의 전체적 독성에 따르면, [R-1234yf] 냉매의 500ppm보다 더 높고 [R-134a] 냉매의 1,000ppm과 비슷하다. 즉, [AC-5] 냉매는 800ppm이며 [AC-6] 냉매는 900ppm이다.

법률적으로 미국에서 요구되는 모든 자동차용 에어컨 냉매는, 혼합액체를 회복시키고 재활용하는 데 관한 서비스 이슈가 존재한다. [R-134a] 냉매에 이것을 할 수 있는 기계장치는 가격이 적정하여 에어컨 시스템을 수리하는 대부분의 자동차 가게에서 이용할 수 있다. [R-1234yf] 냉매의 경우는, 더욱 비싼 기계장치가 사용되고 있다. 냉매 식별장치를 사용하여 결정된 더 높은 압력 부품의 선택적 누설로부터 혼합액체 냉매의 조성 변화를 위해서는, 재공식화를 위해 혼합 액체 냉매가 수집되고 외부로 반출되거나 재 공식화된 혼합액체 냉매가 시스템에 설치될 것을 요구한다. 이것은 사용을 위한 비용과 복잡성을 추가할 것이지만, 만약 누설로 인해 조성 상태가 변화되는 것이 연속적으로 예측가능하다면 서비스 가게에서 취급될 수 있는 방법이 도출될 것이다. 산학협력 프로그램(CRP)은 가게에서의 회복과 재생이 가능하다는 것을 증명하기 위해 연구 중이다.

③ 향후 추진 계획

가격이 중요한 요소이다!

혼합액체에는 몇 가지 요소들을 고려해야 한다. Mexichem사는 아직 평가 가격을 가지고 있지 않지만, 다른 혼합액체가 [R-1234yf] 냉매보다 훨씬 가격이 낮았다는 사실 이상의 가격으로 보인다. [R-1234yf] 냉매의 가격은 어느 지역에서는 1파운드 당 45~60 달러(1kg 당 100~130달러)이며, 저비용의 냉매는 자동차 제작회사들이 세계적으로 연간 수조원의 비용을 절감할 수 있도록 할 것이다. 오랫동안 사용되어 온 [R-134a] 냉매는 [R-1234yf] 냉매의 가격보다 약 10% 정도 싸다.

유럽과 미국에서의 소송을 포함한 특허 문제가, 조인트 벤처를 보유하고 있는 Honeywell사와 DuPont사를 제외한 어느 누구도 [R-1234yf] 냉매를 생산하는 공장을 만들지 못하도록 했다. 이것이 잠재적인 공급을 제한했고 경쟁적 환경에서 생기는 예상 가격의 하락을 막았다. 경쟁에도 불구하고, [R-1234yf] 냉매는 [R-134a] 냉매를 만드는 것보다 더욱 더 비쌀 것으로 보인다. 그러므로 엄청난 가격 하락은 반드시 필요한 것은 아니다. 적어도, Mexichem사의 혼합액체는 경쟁이 가능한 환경을 만들어내야 할 것이다.

[AC-6] 냉매에는 많은 상대 시험이 시행되고 있다. 그 성능과 효율성은 높은 냉각 부하에서는 [R-134a] 냉매와 비슷하다. [AC-6] 냉매의 효율성은 낮은 부하에서는 낮지만, 일리노이즈주 얼바나에 있는 열 연구소인 CTS(Creative Thermal Solutions)의 연구에 의하면, 그 이유는 최적화되지 않은 시스템에서 발생하는 특이한 문제가 아니라 사용된 [R-134a] 냉매 증발기에서의 냉매의 부적정한 배치였다.

CTS의 엔지니어링 매니저인 Xinzhong Li씨가 SAE 미팅에서 밝힌 바에 따르면, 평균적인 증발온도에서의 2℃(3.6°F) 증가는 성능계수(COP, Coefficient Of Performance, 냉동기 능률의 양호 또는 불량 정도를 표시하는 계수)를 6.6%까지 증가시킨다. “증발기에 대한 새로운 디자인이 큰 잠재력을 가지고 있다.”라고 그는 말했다. [AC-6] 냉매를 위한 적절한 증발기 구조의 개발은 산학협력 프로그램(CRP) 작업 계획에 포함되어 있다.

[AC-6] 냉매와 [R-1234yf] 냉매 사이의 효율성 분야에서의 차이는, [AC-6] 시스템이 개발 초기단계임에도 불구하고 50W로 비슷하다. 이 규모는 연간 연료를 1~2리터 정도만 사용하는 것이라고 SAE 미팅에서 르노자동차의 JM L’Huillier씨와 Peral-Antunez씨는 발표했다. 르노자동차의 데이터는 Valeo Thermal Systems사와 공동으로 개발된 것이다.

또한 CTS의 연구에 의하면, 압축기로부터의 높은 방전압력이 감소될 수 있으며 냉매를 위해 최적화된 새로운 응축기 디자인을 갖추게 되면 시스템 효율성이 증가될 것이다. Li씨에 의하면, CTS가 다른 흐름 통로 설계를 가진 새로운 응축기를 시험할 예정이다.

[R-1234yf] 냉매가 단지 매우 온화한 인화성이 있다고 할지라도, 전혀 인화성이 없는 냉매가 있다는 사실은 매우 호소력이 있는 것이다. 또한, 이것은 이동과 취급 과정뿐 아니라 에어컨 부품과 서비스 장치의 디자인에서도 절감분을 만들 것이다.

호스와 시일에 적합한 재료들이 혼합액체를 위해 조사되고 있다. 일부 압축기 오일 문제가 여전히 풀려야 하지만, 해결 불가능한 문제는 아직까지 발생하지 않았다. 두 가지 문제 모두 최적화를 위해 산학협력 프로그램(CRP)이 연구 중이다.

혼합액체(zeotropic blends)는 더 이상 무조건 안 된다고 할 사항이 아니다. 이것은 특별한 부품 설계가 필요하지만, 오늘날의 매우 타이트한 시스템을 이용하면 누설은 최소화된다. 이것은 많은 누설이 비록 성능에 영향을 미치는 혼합액체 조성상의 변화를 만들지라도 큰 문제가 아님을 의미한다. 예를 들어, 지금은 사용되지 않는 [CFC-12] 냉매의 경우, 정상적인 작동 상에서도 연간 0.5~1파운드(0.23~0.45kg) 만큼의 시스템 누설이 있어서 매년 충전해야 하는 때가 있었다는 사실을 상기할 필요가 있다.

오늘날, 정상적인 시스템은 평균 연간 약 10g를 누설하며, 그 정도도 점차 낮아지고 있다. 상업용 에어컨과 가정용 에어컨 산업은 혼합액체 냉매를 사용했지만, 그들의 시스템은 침투나 누수를 방지하기 위해 플렉시블 호스를 필요로 하지 않는다. 그리고 냉매 라인의 조인트는 성능이 저하되지 않아 자동차같이 운행 진동과 온도에 의해 누설이 발생하지 않는다.

냉매 누설의 최악의 상황에서의 인화성에 대한 혼합액체의 조성 변화 영향은, [AC-6] 냉매가 여전히 낮은 점화속도를 가지며 60℃/50% 상대습도에서도 더 좁은 범위의 인화성을 가짐을 보여 주었다. 시스템 성능과 내구성 문제에 대한 최악의 경우의 영향에 관한 데이터는 공개되지 않았지만, 비밀 협약을 체결한 대상자들에게는 보고되었다.

저-지구온난화 냉매는 자동차 제작회사들이 g/CO2 단위로 측정되는 강력한 규제에 직면하는 2017년~2025년 기간에 매우 중요해 질 것이다. 저-지구온난화 크레디트는 제작회사들이 에어컨이 누설되지 않는 기술 향상을 통해 벌어들이는 것보다 상당히 많을 것이다. 비록 시스템 효율성 개선을 위해 승용차와 트럭 간에 2017년~2025년간의 크레디트 할당에 약간의 수정이 있었을지라도, 전체 총계는 2012년~2016년 기간의 그것과 핵심적으로는 동일할 것이라고 미국 환경보호청(EPA)의 평가 및 표준분야(Assessment and Standards Division) 엔지니어인 Brian Nelson씨는 말했다.

저-지구온난화 냉매와 효율성 향상을 위한 최대의 크레디트는 승용차는 1마일 당 18.8g 그리고 트럭은 1마일에 24.4g가 될 것이다.

④ 참고자료

1. http://www.sae.org/mags/sve/10366

▣ 원문제목 : Two new A/C refrigerants proposed at SAE refrigerant symposium