중국 버스 기업 유통버스(Yutong Bus,)는 할 수 없었던 일이다. 유통버스의 버스가 상하이 도로를 따라 달릴 때 버스의 전력 소모량이 지붕으로 향했다. 그 이유가 수수께끼였다. 결국, 미국 기업 몬태나테크놀로지스(Montana Technologies)의 연구팀이 그 이유를 찾고자 조사하기 시작했다. 연구팀은 버스에 전기미터기를 정식으로 설치하고는 유통버스가 간과한 사항을 발견했다.
몬태나테크놀로지스 CEO 매트 조르(Matt Jore)는 “유통버스는 버스 내부에 냉방 측정 장치를 갖추지 않았다”라며, 상하이의 무덥고 습한 날씨에 맞서는 데 사용할 수 있는 수단인 버스 에어컨의 전력 소모량이 매우 많다는 점을 설명했다.
누구든 어디서나 에어컨 가동 버튼을 누르거나 실내 희망 온도를 1~2℃ 낮추면, 에너지 사용량이 급격히 증가한다. 습도가 높은 곳에서 에어컨은 유독 더 강력하게 냉방 기능을 실행한다. 이때 에너지 소모량 절반 이상은 냉방이 아닌 제습 기능을 실행할 용도로 사용된다. 몬태나테크놀로지스 연구팀은 중국의 불쾌할 정도로 습도가 높은 날씨를 보고 아이디어를 떠올렸다. 제습 기능 가동 시 에너지 효율성을 높인다면, 에어컨 전체의 에너지 효율성도 함께 높일 수 있다는 점이다. 연구팀은 미국으로 돌아가 제습 기능의 에너지 효율성을 향상하여 에어컨 전체 에너지 효율성을 높일 방안을 깊이 생각하기 시작했다.
냉방 기능은 전 세계 에너지 약 1/10를 소모한다. 다시 말해, 에어컨의 에너지 소모량은 건물의 전체 에너지 사용량 20%를 차지한다. 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 25년 후면 냉방 수요가 급격히 증가하여 2050년경이면 전 세계 가구 2/3가 어떠한 형태든 에어컨을 보유할 것으로 예측했다.
조르는 몬태나테크놀로지스의 새로운 제습 시스템인 에어줄(AirJoule) 내부에 적용된 코팅 구성요소인 습기를 흡수하는 재료를 언급하며, “물 50갤런이 있다. 물은 특수한 가루에서 생성된다”라고 설명했다. 에어줄은 몬태나테크놀로지스 연구팀이 중국 출장 후 다년간 진행한 연구 결과이다. 에어줄의 코팅은 금속유기구조체라는 다공성 물질의 유형이다. 구멍은 물 분자 주변에 배치하기 적합한 크기이다. 금속유기구조체는 건조제를 구성하여 제습기 역할을 한다.
조르는 “1kg으로 수증기 무게 50% 혹은 그 이상 습기를 제거할 수 있다. 에어줄은 수증기 습기 55%를 제거할 수 있다”라고 말했다.
에어줄 시스템은 각각 특수 물질로 코팅 처리를 한 두 개의 원통으로 구성되었다. 통이 회전하면서 대기 중 습기를 제거한다. 통 하나는 에어줄 시스템을 통해 유입되는 공기를 건조하고, 나머지 하나는 이전에 모은 습기를 천천히 방출한다. 건조 통에 가해진 약간의 열은 다른 통의 습기가 포화된 코팅에 적용된다. 이 과정은 물이 서서히 증발하도록 하는 데 도움이 된다. 두 개의 통인 10분 단위로 교대로 회전한다.
에어줄 시스템의 제습 과정 자체는 공기를 냉각하지 않지만, 건조한 공기를 기존 에어컨 장치에 추가로 주입하여 보조 장치의 에너지 소모량을 크게 절감할 수 있다. 조르는 에어줄이 수증기 1리터씩 제거할 때마다 소비하는 에너지가 100Wh 미만이므로 제습기에 필요한 에너지 소모량을 기존 제습기의 에너지 소모량보다 최대 90% 줄일 수 있다고 주장한다.
[사진=Pixabay]
몬태나테크놀로지스는 자체 소비자 제품을 개발하여 기존 에어컨 제조사와 직접 경쟁하는 전략보다는 기존 HVAC 기업에 에어줄 시스템의 구성 요소를 판매하고자 한다. 몬태나테크놀로지스는 이러한 전략을 에어줄 인사이드(AirJoule Inside)라고 칭한다. 또한, 에어줄 시스템을 바탕으로 대기 중 식수를 모으는 미군 시스템 가동 작업에도 참여한다. 사막에 주둔한 군인이 물을 손쉽게 구하는 데 도움이 되는 장점을 상상할 수 있다. 하지만 에어줄 시스템은 아직 시제품이며, 현재 시스템 테스트가 진행 중이다.
조르는 “잠재적 고객과 협력사를 대상으로 에어줄 시스템 시제품 장치 몇 대를 개발했다. 대형 박스를 쌓아둔 유통 매장의 지붕에 에어줄 시스템을 설치한 모습을 상상해 보아라”라고 전했다.
경쟁사인 블루프론티어(Blue Frontier)도 건조 기반 제습 시스템을 개발했다. 다만, 액체 건조 방식을 사용한다. 바로 대기 중 습기를 모을 수 있는 염분 솔루션이다. 블루프론티어 CEO 다니엘 벳츠(Daniel Betts)는 블루프론티어가 사무실, 창고, 식당을 포함한 미국 내 공개되지 않은 지역 여러 곳에 액체 건조 기반 제습 시스템을 설치 중이라고 밝혔다. 현재 3대가 가동 중이며, 6대는 2024년 말이면 설치가 완료될 예정이다.
블루프론티어의 제습 방식은 에어줄 시스템과 마찬가지로 별도로 제2의 냉방 과정과 연결하여 건조된 공기를 냉각한다. 블루프론티어도 에어줄과 비슷하게 자체 건조제를 재생성할 필요가 있는 과정을 포함했으나 건조제 재생성 과정은 제습기와 별도로 진행되면서 전력 그리드 수요가 적은 시간에 실행할 수 있다. 벳츠는 “냉방 가동 시간을 전력 수요가 가장 많은 시간에서 다른 때로 전환한다”라고 전했다.
거대한 냉방 시스템은 가정이나 아파트에서 사용할 법한 냉방 장치 안에서 다른 방식으로 실행된다. 호텔의 중앙화 냉방 플랜트를 예시로 언급할 수 있다. 냉방 플랜트는 공기 냉방 기능을 가동하는 객실에 냉각된 액체가 순환하도록 한다. 액체 온도를 낮추는 냉방 플랜트는 이미 에너지 효율성이 충분히 우수한 편이다. 그러나 에너지 저장 기술에 주력하는 기업인 노스트로모 에너지(Nostromo Energy) 최고 기술 책임자 벤 넌(Ben Nun)은 누구나 무더운 날 실내 온도를 낮추고자 할 때 늦은 오후와 같이 그리드 수요가 가장 많은 시간에 전력을 대거 소모한다는 점에 주목했다.
노스트로모 에너지는 전력 수요가 가장 많은 시간을 피하고자 아이스브릭(IceBrick)이라는 시스템을 개발하여 캘리포니아주 호텔인 비버리 힐튼(Beverly Hilton) 호텔과 월도프 아스토리아 비버리 힐스(Waldorf Astoria Beverly Hills) 호텔에 설치했다. 정사각형 모듈로 제작된 아이스브릭은 건물 지붕에 설치하여 사용할 수 있다. 물을 포함한 절연 처리된 캡슐 약 200개를 포함하여 에너지 수요가 가장 많을 때는 즉시 물을 냉각할 수 있다. 호텔 투숙객이 땀을 흘리기 시작하는 무더운 날 오후가 되면, 냉방 플랜트는 캡슐에 저장된 냉각된 물을 사용하여 전기세 부담을 덜 수 있다. 사실, 에너지 소모량 절감과는 거리가 멀다. 오히려 기존 냉방 시스템보다 에너지 소모량이 조금 더 많은 편이다. 하지만 벤 넌은 아이스브릭이 연간 냉방비 30%, 냉방 관련 배출량 최대 80% 절감 효과가 있다고 설명했다. 아이스브릭이 그리드에서 재생에너지를 다량으로 사용할 수 있을 때 한 번에 전력을 대거 끌어서 사용하기 때문이다. (풍력 터빈이 한밤중 분주하게 가동하는 모습을 예시로 언급할 수 있다.)
아이스브릭은 대형 중앙화 냉방 설비를 사용할 때만 가동할 수 있다는 점에서 가정용으로는 적합하지 않다. 다만, 다양한 냉방 플랜트에 고정하여 사용할 수 있으며, 순환 액체 종류는 문제가 되지 않는다.
옥스퍼드대학교 지속 가능한 냉방 수석 연구원인 니콜 미란다(Nicole Miranda) 박사는 “아이스브릭은 흥미로운 냉방 시스템이다. 수요가 발생하는 즉시 가동하고, 빠르게 고정하면서 유연하게 냉방 기능을 가동하는 해결책을 적용한 점에서 훌륭하다”라고 평가했다.
모든 냉방 상황에 새로운 냉방 방식이 필요한 것은 아니다. 특정 실내 공간에 냉난방 기능을 가동하는 창문형 열펌프 제조사 그래디언트(Gradient) CEO 빈스 로마닌(Vince Romanin)은 기존 에어컨 기술도 설계를 개선하여 효율성을 높일 수 있다고 주장한다. 그래디언트의 창문형 열펌프처럼 에어컨을 창틀 외부나 내부에 걸어두어 파이프로 연결하여 사용할 수 있다. 에어컨 외부는 대다수 에어컨처럼 더 큰 편이다. 더 크고, 효율성이 우수한 열 교환 장치를 내부에 장착했다는 의미이다. 그러나 로마닌은 효율성이 가장 우수한 에어컨 개발이 그래디언트의 핵심 목표가 아니라고 강조했다. 대신, 더 많은 건물에 고효율 시스템을 설치하는 것을 목표로 삼았다고 덧붙였다.
로마닌은 효율성 향상이라는 장점을 바탕으로 스마트 제어 기능을 포함한 다양한 기능을 추가하는 방법도 사용자가 에너지를 낭비하지 않는 것을 보장할 수 있다는 점에 주목했다. 그래디언트의 일반 창문형 열펌프 비용은 3,800달러이지만, 최종적으로 판매가를 1,000달러로 인하하여 열펌프 접근성을 최대한 높이고자 한다.
슬로베니아 류블랴나대학교 기계공학 부교수인 자카 투섹(Jaka Tušek) 부교수는 “에어컨이 없는 생활은 상상할 수 없다. 에어컨이 없다면, 일을 제대로 할 수 없을 것이다”라고 말했다. 2024년 기준 슬로베니아의 기온은 35℃ 안팎이다. 그러나 오늘날 개별 냉방 시스템 대부분 이론상 최대 효율성 중 약 20%만 활용한다.
전 세계 기온이 심각한 수준으로 상승하여 냉방 장치 가동률을 높일 필요가 있다는 사실에는 의심의 여지가 없다. 과도한 냉방 지점도 없다. 비엔나대학교 독일 문학 및 문화 이론 교수인 에바 혼(Eva Horn) 교수는 2016년, 에어컨을 주제로 작성한 에세이에서 기온 상승에 따른 냉방 수요의 역설을 지적했다. 혼 교수는 “앞으로 인간이 주로 냉방 기술의 결과로 이산화탄소를 대거 배출하면서 똑같은 수준의 고온을 참기 더 어려워할 것이다”라고 작성했다.
혼 교수가 지적한 기온 상승과 냉방의 역설은 에어컨 전체의 에너지 소모량 절감 방식을 찾아야 할 시급성을 제시한다. 앞서 언급한 냉방 기술 모두 기존 에어컨에 적용된 기술의 다양한 버전이거나 약간 변형된 기술이다. 그러나 이전과는 다른 설계 방식을 채택한 에어컨을 개발할 방법을 중심으로 다양한 아이디어가 제시되었다. 투섹 부교수가 관심을 보인 방법은 전기장으로 물질 내 원자의 이동을 미묘하게 변경하는 일종의 전환 단계를 형성하여 물질의 상태를 변경하는 전기열 냉방 방식이다. 전기열 냉방 방식은 냉방 장치 내부의 기온을 바꾼다.
2023년 11월, 룩셈부르크대학교 에마뉘엘 디페이(Emmanuel Defay) 박사 연구팀은 전기열 냉방 장치를 설명하는 연구 논문을 발표했다. 전기열 냉방 장치는 다른 물질의 위에 쌓인 세라믹 물질의 얇은 끈과 공기 사이 얇은 틈만 이용하여 제작한다. 작은 세라믹 물질은 액체가 가득 찬 튜브 안에 쌓인다. 전기장을 적용할 때 고체 세라믹 물질 내부에서 전환 단계가 발생하면서 가열 현상이 발생한다. 액체는 장치 안에 쌓인 세라믹의 열을 흡수하여 튜브 한쪽으로 이동하도록 한다. 이후 전기장을 차단하면, 세라믹이 냉각된다. 이 과정에서 액체는 반대 방향으로 이동하여 반대쪽 튜브를 냉각한다.
디페이 박사는 “여러 가지 현상이 함께 작용한다”라고 말했다. 약 100회 회전하면, 한쪽 튜브의 온도가 약 30℃까지 상승하고, 다른 튜브는 약 15℃ 수준으로 기온이 하락한다. 디페이 박사는 “조금씩 물질의 온도를 형성한다”라고 덧붙였다. 오늘날 많은 인구가 의존하는 냉방 기술과는 차이가 크며, 실내 공간 한 곳에서 가동하는 냉방 기술보다 전체 에너지 효율성을 20% 더 우수한 것으로 추산된다. 그러나 실험실 단계의 시제품은 냉방 전력 약 4W만 사용하며, 세라믹은 유해 물질인 연보다는 냉방 기술에 사용하기에는 이상적이지 않은 물질이다. 투섹 부교수는 냉방 시스템에 사용하는 물질의 장기 의존성이 아직 입증되지 않았다는 점에 주목했다.
미란다 박사는 더 우수한 적극 냉방 기술 개발 경쟁 속에서 수동 냉방 방식을 채택할 기회를 놓칠 수 있다는 문제점을 지적했다. 여름철 낮에 창문으로 들어오는 햇빛을 차단하는 것처럼 간단한 수동 냉방 방식은 비용 부담이 없다. 미란다 박사는 “냉방 기술 개발 과정의 위험성으로 수요가 발생하는 즉시 손쉽게 사용할 수 있는 냉방 해결책을 확보하면서 전기 사용량을 줄일 수동 냉방 방식 채택을 게을리하는 문제 반복을 지적할 수 있다”라고 말했다.
** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
![[사진=Pixabay]](/news/photo/202407/5708_7347_188.jpg)
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