실증실험 및 국내 시범사업 참여로 Track Record 확보 노력해야
플랜트용 Shell&Tube 열교환기 대체
고효율 고신뢰성 초경량의 콤팩트한 열교환기 개발에 관심 증가...운영비용 절감효과
중동 및 선진국 시장 진입에 판로 확대
대용량 극저온 마이크로채널 열교환기 개발 중요...

개요

열교환기는 전열벽을 통해 온도차가 발생하는 두 유체 사이에 유체간의 혼합 없이 열에너지를 전달하여 가열 및 냉각을 하는 장치이다.
주 사용처는 발전, 오일& 가스, 해양 및 조선, 석유화학, 담수, 원자력 등의 공정효율 및 온실가스 저감에 영향을 미치는 핵심장치이다.
열에너지저장장치의 글로벌시장은 오는 2020년 기준 3.6조원으로 예측되며, 국내 시장규모는 글로벌시장의 8% 수준인 2천800억원의 규모가 형성될 것으로 예상하고 있다.
연평균 성장률은 13.6% 수준으로 급격하지는 않지만, 산업 부분에서 초기 형성 시장으로서는 지속적으로 성장하는 매력적인 시장임에 틀림없다.
한국에너지기술평가원에 따르면 오는 2020년 국내 에너지저장기술 시장규모는 약 8천629억 원으로 추정되고 있다.
이에 모든 산업을 막론하고 에너지효율향상 기술 중심의 기후 변화 대응 관련 기술에 촉각을 곤두세우고 있다.
이에 따라 국내외적으로 온실가스 감축에 대한 법·제도적 장치가 다양하게 실행되고 있다.
이러한 환경적 규제에 대응하고 나아가 세계 기후의 안정화에 기여할 수 있는 산업이 두각되고 있는 것이다.
특히 2015년부터 본격적인 신재생에너지에 대한 보급의 증가와 더불어 산업용 폐열, 지열, 태양열 등 열에너지의 효율적 사용에 관한 관심 및 투자가 증가되고 있으며, 열에너지 이용의무화 정책 확대에 따른 각국의 열에너지 기술 채용노력 확대 방안이 실행되었다.
국내 플랜트 EPC 관련 기관 및 선박제작사의 협력을 통하여 제품과 기술을 홍보하고 개발 열교환기의 경쟁력 강화를 통하여 해외 시장 점유율을 증가시키고 있다.
기존 플랜트에서 사용되던 shell & tube 열교환기를 대체할 수 있는 1~5 MW급 마이크로 채널 열교환기 개발하여 납품함으로써 기술 축적 및 경쟁력 강화, 안전정인 supply chain 확보에 적극 나서야할 것이다.

기후변화 대응을 위한 R&D이정표에 부합하는 배열회수용 판형 열교환기 주도 모델인 3MW급 판형 열교환기의 폐열·지열 회수발전설비 적용 및 설비 공급사와 컨소시엄을 통한 발전사업에도 진출하여 매출의 판로를 확대할 필요가 있다.
차세대 원전인 초고온 원자로(very high temperature reactor:VHTR)의 중간 열교환기(IHX) 제품 개발을 통한 신규시장 개척 발전소 열교환기 Tube Cleaning System의 경쟁력 강화, 우수성 해외 홍보, 한전 및 발전 자회사의 수요 촉진을 통한 해외시장 진출 및 확대를 위해 노력해야 한다.
무공해, 고효율의 발전방식인 복합 발전과 항공기, 선박용 시장이 국내·외적으로 급성장하고 있는 추세에서 가스터빈 등을 채용한 시스템에서 대기로 방출하는 에너지 손실이 상당량 발생하므로 배기가스에서 버려지는 에너지를 회수하여 열효율을 극대화하는 장치를 필요로 한다.

1. 열교환기 시장 동향

(1) 국내시장 동향

최근들어 에너지 효율이라는 말이 여기저기서 많이 나온다.
이는 그 만큼 중요하기 때문이다.
에너지를 새롭게 만들어 내는 것보다 이미 발생된 에너지를 놓치지 않으면서 제대로 사용하는 것이 에너지 효율이라 할 수 있다.
이러한 에너지 효율에 가장 효자 역할을 하는 기자재는 열교환기라 볼 수 있다.
열효율을 우수하게 해주어 전체적인 운영비용 절감 효과를 낼 수 있도록 하기 때문이다.
앞서 말한 바와 같이 산업 분야를 막론하고 에너지 저감과 환경친화적인 기술에 대한 요구가 끊임없이 진행되고 있다.
이에 따라 열전달 분야에서 중요한 기능을 갖는 열교환기 시장에서도 적용된다.
고효율, 편리한 유지보수, 컴팩트화하여 자리를 많이 차지 않는 등의 기술력이 계속적으로 요구되고 있다.
또한 내외부 저해 요인으로부터 손상을 막을 수 있는 열교환기 제품의 개발이 속속 되고 있다.
국내 해외플랜트 수주액은 615억달러(2010년 누계, 한국플랜트산업협회) 수준으로 전년도 대비 9.5% 증가한 규모이며 산유국의 에너지 플랜트 투자 확대와 글로벌 경기의 완만한 회복세로 플랜트의 국내 수주 증가가 지속될 전망이다<그림 1>

국내 업체들의 분야별 해외 플랜트 수주 현황은 발전·담수 부분이 60%, 원유·정유·화학 플랜트가 13%, 가스시설, 파이프라인 등이 23%에 달하는 것으로 조사됐다.
권역별로는 전통적 주력 시장인 중동지역 발전 및 석유화학 프로젝트가 73%에 달하고, 아시아 지역에서도 원유 및 가스, 발전 부분에서 대형 프로젝트를 수주하면서 전체 수주액의 약 10%를 점유하고 있다.
또한 상대적으로 부진했던 해양플랜트 부문에서도 약진하여 8% 정도에 달한다.
산업연구원은 해외 플랜트 수주 규모가 연평균 11.2%의 증가세를 기록하면서 지난 2013년 800억달러, 2015년에는 920억달러까지 확대될 것으로 예상했다.
일본 후쿠시마 원전 사태의 영향으로 LNG 소비는 6.8백만톤 증가할 것으로 예측했으며, 향후 3년간 연평균 LNG 발주 금액은 27억 달러 수준으로 조선시장의 급격한 확대를 예상했다.
세계 LNG 수입량은 2015년까지 매년 30% 증가하여 2억8천600만톤에 이를 것으로 예상했다.
영국 조선해운 전문기관인 클락슨도 2015년까지 총 120척의 LNG선이 발주될 것으로 전망하고 있으며, 이에 대한 기자재 또한 많은 영향을 미칠 것으로 판단된다.
열교환기 세정기술과 관련하여 국내 플랜트 열교환기용 Tube Cleaning System의 시장은 원전과 화력·복합발전소(80기)를 대상으로 3조3천600억원 규모로 추산되며 관련기술을 대부분 해외 기술에 의존, 수입하고 있는 실정이므로 원천 기술에 대한 국산화가 시급하다는 게 전문가의 분석이다.
발전소를 비롯한 공장, 병원, 관공서 등 열교환기를 이용하는 시설이 지속적으로 늘어남에 따라 열교환기용 Tube Cleaning System에 대한 수요 또한 지속적으로 늘어 날 것으로 관련 업계는 내다보고 있다.
열교환기 부품 제조업과 관련된 건설사 및 엔지니어링 업체가 매우 많기 때문에 전문업체만을 분류하여 분석하기 어려운 측면이 있다.
플랜트용 열교환기 제조를 위해서는 원자재인 철강, 금속 또는 부품을 이용하며, 건설 또는 중공업(엔지니어링) 업체에 납품하는 형태를 가진다.
해외 플랜트 선진업체에 직접 납품하거나 상사를 통하여 납품하는 구조를 가진다.
잠재적으로 플랜트용 열교환기 제조업체도 선박용 열교환기 시장에 참여 가능하다.
선박용 열교환기는 주로 엔진이나 보일러, LNG 선박 등에 적용이 되기 때문에 열교환기의 주요 원재료인 철강이나 특수강을 구매하여 열교환기를 제조하여 선박용 엔진 제조사에 납품하거나 조선소로 납품되는 형태를 보인다.

국내에서 에너지 플랜트용 마이크로 채널 열교환기 기술수준은 상온의 소형 마이크로 채널 열교환기의 경우에 대하여 제작기술이 확보되어 있으나 플랜트에 적용할 수 있는 수준의 대용량 마이크로 채널 열교환기나 가스액화 공정 등의 극저온 환경에서 사용되는 마이크로 채널 열교환기에 대한 기술은 확보되어 있지 않다.
국내 열교환기 관련업체 현황은 <표 1>과 같다.
열교환기 관련 업체들의 2014년 동태를 살펴본 결과 북미지역 셰일가스 기반의 저가 에탄올을 활용해 원가경쟁력이 있는 에틸렌(Ethylene) 생산 공사 수주에 주목했던 것으로 조사됐다.
또한 환경친화적인 움직임에 맞추어 고효율, 비용 절감효과를 낼 수 있는 열교환 시스템 개발에 박차를 가하고 있는 것으로 나타났다.
특히 열교환기의 경우 부식성 문제가 크다. 이점을 보완하기 위해 부식성이 강한 부분에 타이타늄으로 야금접합 처리한 열교환기 개발에도 성공했다.
또한 이처럼 제품 자체의 기술력 뿐만 아니라 유지보수 즉 관리 차원에서의 보다 더 업그레이드된 서비스 체계를 구축하여 재 구매를 유도하는 마케팅 전략도 눈에 띄었다.

(2) 해외시장

유럽을 비롯 미국, 일본 등의 선진국의 에너지 정책방향은 오는 2030년까지 온실가스를 최소한 20% 감축하는데 목표를 두고 있다.
이에 따라 유럽 총에너지 소비량의 20%를 신재생에너지로 대체하는 등의 에너지 효율화 및 청정 에너지 개발 지원에 예산을 늘리고 있는 상황이다.
산업연구원과 관련 업계에 따르면 세계 플랜트 발주 규모는 연평균 약 7%의 성장세를 기록하며, 지난 2013년 9천800억달러, 2015년 1조1천100달러를 예상했다.
지난 2009년 글로벌 금융위기의 여파로 일시적인 둔화세를 보였으나, 지난 2010년 중동 석유화학 플랜트 및 발전플랜트 수주가 이어지고 있어, 세계 플랜트 발주액은 사상 최대 규모인 8천200억 달러의 규모를 형성하기도 했다.
지난 2013년 기준 자료 조사에 의하면 해외 플랜트 시장의 60% 이상이 에너지 플랜트 시장이며 중동 및 아시아 신흥개발도상국 중심으로 플랜트 수요가 확대되고 있다.
이들 국가의 경제성장과 더불어 해외 플랜트 발주 규모는 완만한 상승세를 유지할 것 이라는 게 관련 업계의 전망이다.
실제로 지난 2011년 사우디, 이란, 쿠웨이트, UAE 등의 주요 국가의 플랜트 투자 예산이 전년 대비 확대되고 있어 중동의 대규모 발주 가능성을 높이고 있다.
산업연구원과 하나금융연구소 조사보고에 의하면 2015년까지 국내 기업의 해외 플랜트 수주액은 연평균 11.2% 증가, 2015년 920억달러의 시장 형성을 전망했다.
또한 글로벌 경기의 완만한 회복세로 세계 플랜트 시장이 지속될 전망이며, 완만한 유가 상승세로 중동의 플랜트 발주 규모도 지속적인 확대를 예상했다.
특히 국내 업체들이 강점을 지닌 석유화학 및 발전플랜트의 고성장세가 예상됨에 따라 해외 플랜트의 국내 수주 규모 증가세도 당분간 지속될 것으로 전망했다.

2. 국내 열교환기 종류별 기술 분석

국내 열교환기 업체들의 경우 현재 세계시장에서 생산성 향상을 통한 원가절감으로 가격경쟁력이 높은 편이나, 품질 및 납기 준수 부문에서 세계 선두인 일본 플랜트 기기업체 대비 아직 열위에 있어 대형 EPC(Engineering, Procurement, and Construction)업체들의 국산제품 채택 비율이 낮은 것으로 파악되고 있다.
현재 국내에서는 항공기용 가스터빈 및 이와 관련된 기자재 기술 수준이 낮은편이며 대부분 발전용 미 선박용 가스터빈에 대한 열교환기 연구가 초기 제작 및 연구단계에 있는 상황이다.
한국에너지기술평가원에 따르면 향후 차세대 동력 산업에서 기자재 산업의 역할이 매우 클 것으로 고려되므로 국내 유관 업체의 역량 성장이 절실하게 필요한 실정이다.
현재 국내에서 마이크로 채널 열교환기 기술 수준은 상온의 소형 마이크로 채널 열교환기의 경우에 대하여 제작기술이 확보되어 있으나 플랜트에 적용할 수 있는 수준의 대용량 마이크로 채널 열교환기나 가스액화 공정 등의 극저온 환경에서 사용되는 다 유로(multi-channel) 마이크로 채널 열교환기에 대한 기술은 아직 미흡하다.
플랜트용 열교환기는 주로 원통 다관 열교환기(shell & tube heat exchanger) 형태를 사용하고 부분의 제조사에서 상(相) 분리가 없는 타입은 제조가 가능하지만 주변 환경여건의 변화로 shell & tube heat exchanger를 대체할 수 있는 고효율 열교환기로의 대체가 요구되고 있다.

(1) 고온용 판형-휜(plate-fin) 열교환기

고온용 판형-휜(plate-fin) 열교환기인 리큐퍼레이터(recuperator)의 핵심기술은 고온부 열원으로부터 효과적으로 열을 회수할 수 있는 콤팩트형 열교환기 설계, 고온부 조건에서 장시간 작동할 수 있는 내구성 향상 기술이다.
고가의 내열소재를 활용하면서도 저가격 제품 생산이 가능한 제작 기술이다.
주로 항공기용 및 선박용에 쓰이는 재열기의 경우 해외의 선행 연구 및 상업화가 존재하지만 국내에서는 현재 그 연구 단계가 미비하다고 관련 업계는 판단하고 있다.
해외에서는 약 25~100 MW급 재열기 및 인터쿨러(intercooler)를 개발하여 시장을 독점하고 있다.
plate-fin형 열교환기는 높은 효율과 비교적 작은 크기와 무게 때문에 항공, 자동차 및 극저온용 등으로 광범위 하게 사용되고 있는 열교환기 종류이다.
일반적인 구조는 편평한 층으로 구성되는 판과 그 사이에 존재하는 주름진 형태의 핀으로 구성되어 있다.
plate-fin형 열교환기의 특징은 단위 면적당 높은 전열 면적과 이에 따른 고효율특성을 가지고 있으며, 비교적 1, 2차 측의 온도차가 작아도 사용이 가능하다.
또한 판형 열교환기와 동일하게 다중 적층이 가능하고 이로 인해서 counter-flow 및 cross-flow의 설계가 비교적 자유로운 것이 장점이다.
하지만 제작 기술상의 문제로 인하여 온도와 압력의 한계가 존재하며, 외부 파울링 및 먼지로 인한 막힘 현상이 발생할 수 있으며, 내부 파손 시 수리가 곤란한 단점이 있다.

(2) 에너지 플랜트용 열교환기

마이크로 채널 열교환기는 구조의 우수한 열적성능을 가지면서 플랜트에 적용 가능한 용량으로 대형화하기에 적합한 구조로 평가받고 있다.
열교환기의 특성길이(characteristic length)가 1㎛에서 1mm 사이의 채널을 가지는 열교환기를 말하며 단위 체적 당 전열면적이 크므로 우수한 열전달 성능을 가지며 이에 따라 소형 경량화가 가능하다는 장점이 있다.
마이크로 채널 열교환기는 유체의 흐름이 미세 채널에서 이루어지기 때문에 체류시간과 열의 소모를 줄여서 열전달 저항을 감소시키고 전열효율을 높여 기체간의 열전달계수는 1천700 W/㎡K, 액체 간에는 5만4천 W/㎡K 까지 얻을 수 있다.
마이크로 채널 열교환기 중에 금속 박판에 반도체 제조 공정과 유사한 리소그래피 공정(lithography process)을 통해 화학적 에칭(chemical etching)으로 마이크로 채널을 제작하는 방식의 열교환기를 특별히 인쇄기판형 열교환기(printed circuit heat exchanger: PCHE)로 표현하고 있다.
인쇄기판형 열교환기는 레이저 등을 이용한 정밀가공 기술로 마이크로 채널을 제작하는 것보다 제조비용이 적게 들고 대량 생산이 용이한 장점이 있다.
이러한 방식으로 마이크로 채널이 식각된 박판을 필요한 압력과 온도에 대하여 충분한 내구성을 가지도록 적층하여 열교환기 코어(core)를 제작하는데 현재 주로 사용되는 방식은 브레이징(brazing) 방식과 확산접합(diffusion bonding) 방식이 있다.

■ 브레이징 접합

브레이징 방식은 박판 사이에 모재보다 낮은 온도에서 녹는 접합재를 접합부에 위치시키고 열을 가하여 접합재를 녹여 모재를 접합하는 방법이다.
섭씨 450℃를 기준으로 그 이상에서 녹는 접합재로 접합하는 것을 경납땜(brazing)이라고 하며, 그 온도 미만에서 녹는 접합재로 접합하는 것을 연납땜(soldering)이라고 구분한다.
브레이징의 가장 큰 장점은 이종재질의 접합에 있다<그림 3>.
즉 모재를 녹이지 않고 접합하기 때문에 모재의 조직변화가 없어 구조적으로 취약한 부분이 생기지 않는다.
하지만 제작 가능한 최대 크기의 제약이 있으며, 확산 접합에 비해 내열성이나 접합도가 낮다.
따라서 고온·고압의 큰 용량에서 사용되는 플랜트형 열교환기의 접합방식으로는 적합하지 않다 할 수 있겠다.

■ 확산 접합

금속 판재를 적층한 후 용융시키지 않은 상태에서 이종 금속을 투입하지 않고 원자 간의 확산을 통해 접합시키는 방법이다.<그림 3>

(3)배열회수용 판형 열교환기

배열회수용 판형 열교환기는 자원의 재순환, 재생에너지 시장에 이슈인 각종 배(폐)열 회수 발전, 지열, 해양온도차 발전의 체적효율을 극대화하고, 작동유체의 특성에 맞는 열교환기이다.
폐열 회수 발전용 판형 열교환기는 특수 가스용으로 개발하되 소형 KALINA, UEHARA, ORC 등의 기술이 적용되는 폐열 회수 발전용 판형 열교환기이다.
지열회수 발전용 판형 열교환기는 국내 경북지역에서 검토되고 있는 3 MW급 지열발전 및 해외선진사가 독점하고 있는 미국, 호주, 아이슬란드 시장 적용가능한 중소형발전용 판형 열교환기이다.

(4) 열교환기 세정 시스템

열교환기 튜브 내벽의 오염물질(fouling)을 제거하여 열전달 효율 및 운전 시 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 기술이다.
발전소 열교환기에 사용되고 있는 튜브는 냉각수에 녹아있는 칼슘성분의 스케일 및 기타 오염 물질에 의해 열전달 효율이 저하되고 있으며, 열 설비에서는 오염성분을 함유한 고온 배 가스의 열 회수를 위한 폐열회수 열교환기를 사용하고 있으나, 전열면의 오염으로 인하여 열교환기의 열효율이 저하된다.
이를 제거하기 위해 액체인 경우, 화학 약품에 의한 세관 작업을 주로 하고 있으며 근래에는 해외 제품을 수입하여 사용하기도 한다.

■ 열교환기 오염의 종류

슬라임(slime) : 공기 중 먼지(suspended solid) 미생물 등 유기체(organism)로 끈적끈적한 접착성의 막(film)
스케일(scale) : 탄산염 칼슘(CaCO₃), 역용해성 석출물(crystallization) 기존 장치는 열교환기 튜브내벽의 오염을 사전에 차단하여 열효율을 높이는 목적에는 부합되지만 운전 중 미 회수되는 세정볼이 해수로 유실되어 공해를 유발할 수 있다.
텐터기의 경우 열교환기에서의 파울링 문제가 심각하여, 보편적으로 사용되는 청소기술이 아직 없다.
열교환기 Tube Cleaning System의 적용 분야는 발전소 복수기 및 열교환기에 우선 적용 가능하다.

■ 열교환기 세정 기술

국내에 보급된 발전소 열교환기용 세관 시스템은 해외 제품을 수입적용하고 있으며, 대부분의 설비에서는 화학약품에 의한 세관 작업을 주로 사용하고 있다.
세정볼의 세정장치에 대한 특허는 국내에서 일부 등록되어 있는 상황이다.
일성기계와 첨단에너지는 한국에너지기술연구원과 공동으로 텐터기 열교환기의 자체청소기술을 상용화 하고 있는 것으로 알려졌다<그림 4>

열교환기 세정 설비를 개발하기 위해서는 원자력 발전소 및 정부의 적극적인 지원이 요망된다.
개발 설비의 현장조립 시운전 및 성능시험에 발전소 측의 협조가 어려울 것으로 예상되며 초기 상용화 실적 확보에 정부의 지원이 요구된다.
텐터기 배가스의 다양한 오염 성분에 대한 다수의 성공적인 적용 사례를 통하여 자체 청소기술의 신뢰성을 확보하고 폐열 회수의 경제성을 향상할 필요가 있다.

3. 해외  열교환기별 기술분석

(1) 고온용 Plate-fin 열교환기

고온용 Plate-fin 열교환기는 현재 가스터빈에 사용하고 있으며, 주로 GE(General Electric), Rolls Royce Trent(RR), MTU Aero engines 등이 시장을 주도하고 있다.
이에 필요한 열교환기는 스미토모, Serck- Combo, H.S Mastone 등이 납품을 주도하고 있다.
유럽의 Northrop Grumman/Rolls-Royce는 인터쿨러와 재열기를 장착한 효율 43%의 25 MW급의 WR21 선박용 가스터빈 엔진을 개발하였고, 미국에서는 GE(General Electric)가 인터쿨러를 장착한 100MW급 LMS100 산업용 가스터빈을 개발하였다.

(2) 에너지 플렌트용 열교환기

영국 Heatric사의 마이크로 채널 열교환기가 상업적으로 가장 앞서 있다.
현재 가스 및 오일 플랜트용, 발전 플랜트용, 화학반응기 등 다양한 용도로 마이크로 채널 열교환기를 제조하여 공급하고 있다.
압력은 600 bar까지 내압성능을 가지며 고온으로는 900℃까지 적용 가능한 다양한 제품을 개발하고 있다.
미국의 Velocys사는 마이크로 채널 열교환기의 적용 분야에 대해 LNG 플랜트의 액화공정용 등을 다각적으로 검토하다.
최근에는 청정합성연료를 제조하는 GTL (gas to liquids)나 BTL(biomass to liquids) 플랜트의 합성반응기로 이용하려는 연구에 주안점을 두고 개발하고 있다.

(3) 열교환기 Tube Cleaning System

이스라엘의 C.Q.M社와 독일의 Taprogge社가 세계 시장을 선도하고 있으며 다양한 열교환기용 Tube Cleaning System을 세계 각국에 수출하고 있다<표 5>

(4) 배열회수용 판형 열교환기

조선용 및 일부 플랜트용 열교환기에 판형 열교환기가 적용되고 있으며, 현재까지의 기술로는 25 bar, 250℃ 조건에서 사용 가능한 기술이 개발되어 있다.
동일 용적 당 전열면적이 shell & tube 보다 plate type이 5배 이상 뛰어나지만, 상변화가 동반되는 고압·고온용 및 저압·저온용 열교환기로는 plate type의 적용이 용이하지 않다.
일부 plate type 열교환기 제조사들에서 Gasketless의 열교환기를 개발하였으나, 고압에는 적용이 어려운 실정이다.
Gasketless 판형 열교환기의 경우, Brazing 용접으로 판과 판을 이음하는 방식을 사용하나, 용접이음부의 취약성으로 소용량으로만 시판되고 있다.
최근 급격한 성장세를 나타내는 해양온도차 발전, 폐열회수 발전 및 지열 발전, 암모니아 등의 특수가스 취급을 위해 고압·고온 및 저온·저압에 적용 가능한 판형 열교환기의 개발이 요구되고 있다. 고온, 고압 상태에서 상변화 또는 탈기를 유도할 수 있는 Plate의 형상 개발이 가장 필요한 기술이다.
특히 해양모듈의 경우 체적효율이 설비비에 가장 큰 영향을 주기 때문에 대용량의 고집적형 판형 열교환기의 개발이 필요한 상황이다.

(5) 배열회수용 용접식 판형 열교환기 해외업체 현황

기자재 납품을 위한 인증은 시장 진입의 필수사항이 됐다.
플랜트 기자재는 대부분 ASME(American Society of Mechanical Engineers) 인증이 필수적으로 국내 주요 플랜트 기자재업체의 경우에는 필요한 인증을 받은 상태이다.
조선 기자재의 경우에는 주요 선급의 인증이 필수적으로 대표적인 선급으로는 DnV, LR, ABS, GL, BV, KR, NK, RINA 등이 있다.
DnV(노르웨이 선급협회), LR(영국 선급협회), ABS(미국 선급협회), GL(독일 선급협회), BV(프랑스 선급협회), KR(한국 선급협회), NK(일본 선급협회), RINA(이탈리아 선급협회) 그 외에도 특정 엔지니어링 업체나 설치 지역별로 필요한 인증을 요구하기도 하므로 기자재 납품을 위해서 필요한 인증여부가 중요한 사항이다.
실증 실적(Track Record) 보유는 필수적인 요소이다.
플랜트 및 조선 기자재 인증을 보유하고 있다고 하더라도 주요 엔지니어링, 중공업업체들은 기존의 플랜트 기자재 공급 실적을 요구한다.
플랜트 및 조선의 경우 안정성과 신뢰성이 중요하고 전체 프로젝트의 비용이 크기 때문에 기자재의 가격보다는 성능과 품질이 결정요인이 된다.
그러나 실증 실적(track record)을 쌓는 일은 다양한 프로젝트에서 장기간에 걸쳐 달성할 수 있기 때문에 단기간 확보는 거의 불가능하다.
따라서 설계, 제작, 검사, 실험을 거쳐 플랜트 EPC사 및 조선소에 품질을 인정받을 수 있도록 제품의 성능 실험을 수행하여 설계능력을 검증받고 이후 제작검사를 통과하여 초기 상용화 실적 확보가 필요하다.

4. 전망

열에너지저장장치의 글로벌시장은 오는 2020년 기준 3.6조 원으로 예측되며, 국내 시장규모는 글로벌시장의 8% 수준인 2천800억원의 규모가 형성될 것으로 예상하고 있다.
산업연구원과 관련 업계에 따르면 세계 플랜트 발주 규모는 연평균 약 7%의 성장세를 기록하며, 지난 2013년 9천800억달러, 2015년 1조1천100달러를 예상했다.
이처럼 열교환 시스템 적용 빈도수는 증가할 것으로 보인다.

산업용 설비 및 기기의 에너지 절감 및 탄소 배출량 감소 요구

보일러는 국내 연간 최종 에너지 사용량의 17.9%의 에너지를 소비하는 7대 에너지 다소비 기기로 에너지효율 향상 기술이 요구되는 부분이다.
온실가스·에너지 목표관리제도의 본격적인 도입으로 대부분의 사업장은 산업용 보일러가 설치되어 있으며, 에너지 절감 기술로 가격 경쟁력과 설치 면적이 작은 열교환기인 판형 절탄기에 대한 수요가 증대 될 것으로 예상된다.

조선산업 전망

조선기자재의 경우 선박이 인도되기 3~9개월 전에 납품되는 특성 때문에 기자재업체는 선박 인도량이 감소하는 시기를 기준으로 약 6개월 이전부터 영향을 받는 특성이 있다.
지난 2011년 이후 신규 수주의 급상승으로 회복세를 보이고 있으므로, 2012년 이후부터 조선기자재 시장 역시 상승세를 보였다.

열교환기 세정기술

국내 플랜트용 세관 시스템(tube cleaning system) 시장은 원전과 화력복합발전소를 대상으로 3조3천 600억원 규모로 추산된다.
국내에 개발된 세관 시스템의 경우 냉동기 및 공기 압축기용의 소형 열교환기용으로 개발된 것이다.
전 세계적으로 가장 절실한 에너지절약 문제에 맞추어 경제성장이 빠른 신흥국의 관련 산업 수요 증가가 예상된다.
관련 업계에 따르면 텐터기 배가스 자체청소형 열교환기는 선진국과 국내에서 개발 사례가 있으나, 현재 열교환기에서의 파울링(fouling)이 심하여 보급이 원활하지 못한 실정이다.
이에 따라 업계는 신뢰성 확보와 폐열회수의 경제성 향상에 신경써야 할 것이다.

산업의 특성

플랜트 산업에서의 열교환기는 요구 사양에 따라 디자인되어야 하기 때문에 다양한 설계 경험에 따른 축적된 노하우가 필요하다.
고객의 주요 요구사항인 저렴한 설치가격, 유지보수의 편의성 및 신뢰성, 높은 효율 등은 열교환기 개발의 정량적 목표치로 삼을 수 있다.
플랜트 산업은 신뢰성 검증이 매우 중요한 요소로 개발한 열교환기의 실증시험 설비가 구축되어 실험을 통한 실증검증 부분이 중요하다.
플랜트 분야의 기존 열교환기 대체 가능한 마이크로 채널 열교환기 개발을 통해 설계 원천기술 및 안정된 supply chain 확보가 중요하다.
특히 극저온에 대한 내구성 및 고효율로 인한 콤팩트화가 가능한 마이크로 채널 열교환기를 이용하여 LNG-FPSO(floating production, storage and offloading, 부유식 원유생산저장하역장치) 등 해양플랜트에 적용한다.
또한 열교환기 Tube Cleaning System의 국산화를 통해 주요 구성품의 국산화를 통한 원가 절감, 품질 향상 및 원천기술 국산화에 따른 수입대체 효과를 유도할 필요가 있다.

기술고도화 및 대형화를 통한 세계시장 선도 제품군 육성

설계조건 최대온도 925℃와 가스계통압력인 70 기압, 높은 열교환기 효율이 요구되는 차세대 초고온 원자로(very high temperature reactor: VHTR)의 중간열교환기(IHX) 제품 개발을 통한 신규시장 개척에 노력해야 한다.

1천MW급 발전소용 열교환기 Tube Cleaning System 개발 체제 마련

지열회수 발전용 판형 열교환기는 국내 경북지역에서 검토되고 있는 3MW급 지열 발전 및 해외 선진사가 독점하고 있다.
즉 미국, 호주, 아이슬란드 시장 적용 가능한 중소형 발전용 판형 열교환기 개발이 중요해졌다.
해양 온도차 발전용 판형 열교환기는 리튬, 수소 등의 심해자원 개발용 5 MW급 내부식성 Titanium 판형 열교환기 개발로 가능해졌다.
이와 관련 지난 1월 20일 산업통상자원부는「타이타늄 산업발전협의회」발족식을 갖었다.
타이타늄 원천소재와 항공·의료 부품 개발, 조기 시장창출을 주요 내용으로 하는 타이타늄 산업육성전략과 타이타늄 징검다리 프로젝트 추진계획을 발표한 것이다.
타이타늄 산업육성전략에 따르면 산업자원통상부는 특히 고 순도광에 비해 매장량이 20배, 가격은 1/4인 저 순도광으로부터 원천소재를 제조하는 新공정 개발을 통해 원천소재 제조비용을 외국에 비해 50% 이상 절감한다는 계획이다.
이를 위해 향후 7년간 총 818억원(정부 603억, 민간 215억)을 투입할 계획이며, 올해는 정부 예산 95억원이 투입될 예정이다.
원천소재 개발 45억원, 플랜트·발전·의료용 소재·부품 국산화 40억원, 항공·의료 시험인증 인프라 구축 10억원이 지원된다.
특히 충분한 국내 수요를 바탕으로 해수담수화설비 열교환기 부품의 경우 오는 2017년까지 2천400억원을 지원하고, 발전소 증기터빈 블레이드의 경우 오는 2019년까지 520억원을 지원한다는 계획이다.
이에 따라 관련 업계의 어깨가 조금은 가벼워 질 것으로 판단된다.
다시 말해 단기적으로는 시장과 기술 측면에서 국내 보급을 기반으로 수출전략화가 가능한 제품군 육성에 꾸준한 노력을 해야 할 것으로 보인다.
중장기적으로는 원자력 발전소용 50 MW급 마이크로 채널 열교환기 개발을 통해 기술 고도화 및 수출 경쟁력 강화를 꾀해야 할 것으로 전망된다.
장기적으로는 차세대 원전인 초고온 원자로(very high temperature reactor: VHTR)의 중간 열교환기 (IHX) 제품 개발을 통한 신규시장 개척에 노력을 아끼지 말아야 할 것으로 예상된다.
특히 장기 시장에 출현 할 기술인 해양온도치 발전용 5MW급 대형 발전용 시범단지 건설을 통한 상용화를 위해서는 실증 실적(track record) 확보도 염두해야 할 부분이다.

<정경원 기자 / press@iunews.co.kr>