2021년도 대체물질활용기술개발사업

신규지원 대상과제 RFP

기술분야	과제명	공모형태	개발형태	개발 기간	21년 예산 (백만원)	주관기관
냉매	전기자동차 난방 운전 효율성 확보를 위한 Low-GWP 대체물질 적용 히트펌프 시스템 개발	품목지정	혁신제품	21개월	310	중소·중견
대체 발포	폴리우레탄 스프레이 폼 분야, HCFCs 대체 고난연성 발포기술 개발	품목지정	혁신제품	21개월	310	중소·중견

관리번호

2020-대체물질-일반-품목-01

사업구분

대체물질활용기술개발

산업기술분류 1

대분류

화학

중분류

정밀화학

소분류

기타 합성응용제품

산업기술분류 2

대분류

기계·소재

중분류

자동차/철도차량

소분류

공조기술

해당여부

□ 표준연계     □ 해외연계     □ 특허연계    □ 안전과제

품목명

전기자동차 난방 운전 효율성 확보를 위한

Low-GWP 대체물질 적용 히트펌프 시스템 개발

(TRL :  [시작] 3단계 〜 [종료] 5단계)

1. 개념 및 정의

□ 개념

ㅇ 일반적인 내연기관 자동차의 경우, 엔진 폐열을 실내 난방에 사용하기 때문에 실내 난방으로 인한 주행거리 손실은 발생하지 않음. 이에 반해 전기자동차는 폐열량이 충분하지 않아 충전된 전기를 소비하는 전기히터를 사용하여 실내 난방에 적용하기 때문에, 주행거리는 상온 주행거리 대비 50~70%에 불과하여 전기자동차의 난방 운전 효율(난방시 소모전력 저감) 향상을 위하여,  히트펌프 시스템 적용 연구가 필요함

ㅇ 현재 자동차에 사용중인 냉매는 HFC-134a(GWP : 1,430)로 지구온난화 지수가 상대적으로 높아서, 환경 규제에 대응하기 위해 대체물질의 활용이 필요함. 또한, 증발온도가 높아 외기온도가 낮을 경우 난방에 필요한 열을 흡수하기 힘들어 전기자동차 히트펌프 난방성능 및 효율이 낮기 때문에, 이를 해결할 수 있는 낮은 증발온도를 가지면서, Low-GWP인 대체물질 적용에 대한 연구가 필요함.

- 새로운 대체냉매는 지구온난화 지수(GWP)가 적어도 150 미만이어야 함. 현재 사용되는 대체냉매로 거론되고 있는 HFO-1234yf는 각국의 규제를 만족할 수 있는 GWP값을 지니고 있으나 HFC-134a와 유사한 운전범위를 보이고 있으므로, HFO-1234yf를 전기자동차 히트펌프 시스템에 사용하기 위해, 다양한 증발열원 확보를 위한 연구가 필요함

- HFO-1234yf가 아니며 저온 난방에 유리한 다른 대체물질을 사용할 경우, 핵심부품 및 Layout에 대한 개념 설계를 진행하여, 난방부하 대응이 가능하고, 시스템 효율도 적정 수준을 확보할 수 있는 연구가 필요함

ㅇ 전기자동차 난방 운전 효율성 향상을 위한 Low-GWP 대체물질 적용 히트펌프 시스템 연구는 아래와 같은 기술이 필요함

- 전기자동차 난방부하 5.0kW @ -7℃(환경부 전기차 보조금 지급을 위한 저온운전 평가 온도)에 대응하고, 난방 시스템 효율 2.5 이상을 달성하기 위한 HFC-134a 대체물질(Low-GWP) 적용 히트펌프 시스템 기술

* Low GWP 대체물질 적용시 성능 확보를 위한 핵심부품(열교환기, 팽창밸브 등) 설계 / 제작 기술

* Low-GWP 대체물질 적용 히트펌프 시스템 난방 성능 확보를 위한 제어 기술

□ 핵심 목표 성능

핵심 성능지표		단위	달성목표	국내 최고수준	세계최고수준 (보유국, 기업/기관명)
1	히트펌프 시스템 난방 용량1)	kW	5.0↑	4.0	5.0 (일본/덴소)
2	대체물질 GWP2)	-	150↓	-	-
3	히트펌프 시스템 효율1)	-	2.5↑	2.0	2.5 (일본 / 덴소)

주1) 외기온도 –7℃ 조건에서 자동차가 Soaking되는 조건을 고려하여, 히트펌프 시스템 운전시 난방 용량 및 시스템 효율

주2) 자동차용 냉매 HFC-134a 냉매 대체시

□ 개발결과의 활용방안

ㅇ전기자동차용 고효율 히트펌프 시스템 기술은 승객의 열쾌적성을 만족시키면서도 주행거리의 저하를 최소화시킬 수 있는 기술로 전기자동차의 조기 사업화가 가능할 수 있도록 상품성이 개선될 수 있음.

- 정부에서 진행하고 있는 그린뉴딜, 특히 그린 모빌리티 확대에 대응하기 위해, 전기자동차도 내연기관 차량 수준의 열쾌적성을 갖는 상품성을 확보해야 하기 때문에, 본 개발 기술 활용이 가능함

- Low GWP 대체물질을 적용하기 때문에, 환경친화적 전기자동차에 적합함

2. 국내외 기술 동향

ㅇ 2016년 10월, 몬트리올 의정서 당사국 제28차 총회에서 197개국 대표는 지구 온난화 방지를 위해 HFC 계열 냉매의 사용을 단계적으로 규제하기로 합의하는 키갈리 개정의정서를 채택함. 한국을 포함 137개국은 2024년부터 HFC 사용규제를 시작해 2045년까지 80%를 감축해야 함. 이에 따라 국내 자동차 업계도 대체냉매로의 전환을 본격적으로 준비해야 할 것으로 예상됨. 본 과제는 대체냉매 사용으로 인한 시스템 성능 저하 문제(현재 대비 5~10% 저하) 및 시스템에 적용되는 냉매의 가격 상승 문제(현재 대비 약 20배 정도 높은 대체냉매 가격) 대응을 위해, 시스템 효율 향상 및 충진량 저감 관련 연구개발이 필요함.

- 자동차업계에서는 대체냉매로서 HFO-1234yf를 사용하고 있으나 HFC-134a 대비 잠열이 작아 냉난방 성능이 5~10% 낮아져 충분한 난방 성능확보가 어렵고 기존대비 20%이상 높은 가격 때문에 전기차용 히트펌프에 사용하기에는 무리가 있어, 새로운 시스템 연구가 진행됨

ㅇ 해외 완성차 업체에서도 히트펌프 시스템을 적용하여, 1회 충전거리 등 확보를 위한 연구가 진행되고 있고, 저온 운전이 가능한 냉매를 사용하기 위해, 관련 연구가 추가적으로 진행됨

- 중국에서는 탄화수소(HC)계열 냉매를 적용하여, 히트펌프 성능을 높이는 연구가 진행중임

- 유럽에서는 자연냉매(CO2)를 적용하여, 전기구동자동차의 난방 성능 확보를 위한 연구가 진행중임

3. 지원 필요성

□ 기술적 지원필요성

ㅇ 현재 상용화된 친환경 전기자동차의 일회 충전 주행거리는 차량의 냉난방 운전에 상당한 영향을 받고 있음.

- 열원이 부족한 전기자동차의 경우, 전기에너지를 이용 난방을 하고 있음. 일반적으로 많이 사용중인 PTC (positive temperature coefficient) 소자 전기히터를 사용할 경우, 약 30~50% 정도 주행거리가 감소됨.

- 전기구동자동차는 냉난방 성능 확보를 위한 히트펌프 시스템 기술 적용이 필요한 상황임

ㅇ 기존 자동차용 냉방 시스템은 GWP가 높은 HFC 계열의 냉매를 적용하고 있으나, 몬트리올 의정서 및 제28차 키갈리 당사국회의에 따라 2028년까지 HFC계, CFC계열 등의 냉매 사용을 80% 이상 감축해야 함.

- 전기자동차 경우, GWP가 낮은 HFO-1234yf (GWP 지수 4)와 같은 친환경 냉매를 적용한 히트펌프 시스템이 필요함. 저온 운전 환경에서도 운전이 가능한 히트펌프 전용 Low GWP 대체물질을 적용한 시스템 설계 및 요소부품에 대한 최적화 연구가 필요함.

□ 경제적 지원필요성

ㅇ 그린 뉴딜 정책(그린 모빌리티 확대(전기자동차(113만대 보급 목표)) 대응 전기자동차 상품 경쟁력 확보를 위한 기술개발의 정부 지원이 필요함

- 국내 자동차 히트펌프 시스템 시장 규모는 약 1,087억 규모임

□ 정부/정책적 지원필요성

ㅇ 지구온난화 물질을 사용중인 자동차용 냉매를 HFC-134a에서 HFO-1234yf로 대체를 진행하고 있지만, 난방 운전시 주행거리 감소 문제는 여전히 발생하고 있으므로, 관련 대응 기술에 대한 정책적인 지원이 필요함

- 전기자동차 히트펌프 시스템에서, 대체 진행중인 HFO-1234yf 냉매를 사용할 경우, 저온의 운전환경에서 열원을 확보하기 위한 신기술 연구가 필요함

- HFO-1234yf가 아닌 다른 Low-GWP 냉매(HC, CO2등)를 사용하기 위해 냉매 특성에 맞는 새로운 설계 기술에 대한 연구가 필요함.

4. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간 :  21개월 이내 (1차년도: 9개월, 2차년도: 12개월)

ㅇ 정부출연금 : ‘21년  3.1억원 이내(총 정부출연금 7.2억원 이내)

ㅇ 주관기관 : 중소·중견기업

ㅇ 기술료 징수여부 : 징수

관리번호

2020-대체물질-일반-품목-02

사업구분

대체물질활용기술개발

산업기술분류 1

대분류

화학

중분류

고분자재료

소분류

고분자가공기술

해당여부

□ 표준연계     □ 해외연계     □ 특허연계    □ 안전과제

품목명

폴리우레탄 스프레이 폼 분야, HCFCs 대체 고난연성 발포기술 개발

(TRL :  [시작] 4단계 〜 [종료] 7단계)

1. 개념

□ 개념

ㅇ PU(Polyurethane) spray 폼은 건축, 축사 및 LPG 선박 등 단열을 요하는 분야에 광범위하게 적용이 되고 있는 단열 자재임.

ㅇ 개발하고자 하는 친환경 PU spray폼 기술은 친환경 발포제를 사용하여 시장에서 요구되는 단열 및 난연 성능 인증 기준을 충족하는 기술임

ㅇ 건물 및 LPG 선박 등의 냉・난방의 에너지 소비를 줄이기 위한 단열성능 강화를 위해 필요한 자재 중 가장 우수한 성능을 가지고 있으며 시공성에 있어서도 빠르고  쉽게 작업을 할 수 있는 기술임.

ㅇ PU spray는 현재 주로 HCFCs와 물을 사용한 제품이 주를 이루고 있으며 HCFCs는 주로 경질 spray제품에 물은 연질 spray 기술에 적용이 되고 있음.

ㅇ 사이클로펜탄과 같은 탄화수소계 발포제의 경우 가연성문제로 시장에서 요구되는 난연 성능 인증 기준을 충족하기 어려운 실정임.

□ 개발내용

ㅇ HCFCs/HFCs 대체하는 고난연성 PU Spray Foam 발포기술 개발

- ODP 0, GWP 25 이하 기준을 충족하는 친환경 발포제

* 메틸포메이트 또는 GWP 25 이하의 Blended blowing agent 발굴 적용

- Spray Foam 분야의 현장시공 특성을 고려한 ECO 난연화 기술개발

* 비할로겐화 난연제 적용 기술로 HCFCs 대비 동등 수준이상의 난연 성능

* 현장 시공성 확보를 위한 Foam 생성 효율, 접착력 등 HCFCs 대비 동등 수준이상

□ 핵심 목표 성능

평가항목		단위	연구개발전 세계최고수준 (HCFC-141b 단열재 품질 동등수준)	개발목표치	평가방법
Foam Gas		-	-	HCFC, HFC 불검출	GC 정성분석
열전도율		W/m.K	0.023	0.021 이하	KS M 3809
굴곡강도		N/㎠	35	35 이상
압축강도		N/㎠	15	15 이상
연소성	연소시간	초	120	120 이하
	연소길이	mm	60	60 이하
치수안정성		%	5	5 이하	KS M ISO 4898

□ 개발결과의 활용방안

ㅇ 메틸포메이트 발포혼합물은 사이클로펜탄과 달리 제2석유류로 분류되어 발포설비 구축 및 위험물의 취급 및 관리 부담이 없어 경제적, 기술적 어려움으로 HCFC-141b 대체하지 못하고 있는 PU폼 단열재 제조기업의 대체전환 촉진 가능

ㅇ 水발포와 동등한 수준의 친환경성 및 HCFC-141b 수준의 단열성능과 사이클로펜탄 수준의 경제성을 갖춘 친환경 발포기술로서 스프레이 폼 분야 뿐만 아니라, 단속식, 연속식 등 폴리우레탄 단열재 산업 전 분야에 활용 가능함

ㅇ 기후ㆍ생태계 변화유발물질(HCFCs, HFCs)에 대한 사용 규제로 성장한계에 직면한 폴리우레탄 단열재 산업의 위기 해소와 친환경･저탄소 등 그린 경제로 전환에 기여할 수 있음

2. 국내외 기술 동향

ㅇ 미국 환경부에서는 메틸포메이트 발포제의 안전성, 환경성을 검증하여 2004년 스프레이 PU폼 분야 CFCs, HCFCs 대체제로 지정하였으며, 2010년 UNDP에서는 메틸포메이트의 성능 및 환경성, 안전성, 경제성을 평가하여 HCFC-141b 대체발포제로 적합하다는 보고서를 발표함.

ㅇ 2001년 미국의 Foam Supplies, Inc.에서 세계 최초로 메틸포메이트 발포제를 개발한 이후, 현재 미국과 남미를 중심으로 호주, 유럽 등에서 스프레이 PU폼 분야에 사용되고 있으며, 세계 각국에서 메틸포메이트 발포제의 난연성과 단열성능을 향상시키는 연구가 진행되고 있음

ㅇ Foam Supplies사에서 우리나라를 포함한 여러 국가에서 메틸포메이트 발포제에 대한 특허권을 행사하고 있으며, 2022년 12월 특허권이 종료될 예정임

3. 지원 필요성

□ 기술적 지원필요성

ㅇ 스프레이 PU폼 분야는 현장시공 특성상 현재 PU업계에서 대체발포제로 도입하고 있는 사이클로펜탄 적용이 어려움(화재, 폭발사고 우려). 현재 검토되고 있는 HFC계, HFO계, 水계 대체발포제 또한 HCFC-141b 대비 경제성 및 단열성능이 떨어져 대체적용이 어려운 상황임

ㅇ 메틸포메이트는 국제적으로 HCFC-141b 대체 발포제로서 제품의 성능과 안전성을 인정받아 스프레이 PU폼 산업에 널리 활용되고 있으나, 우리나라에서는 특허권 문제로 상용화가 어려워 메틸포메이트를 활용한 발포기술에 대한 연구가 활발히 진행되지 못했음

□ 경제적 지원필요성

ㅇ 현재 국내 산업에서 사용 중인 HCFCs, HFCs, HFOs계 발포제는 전량 수입에 의존하고 있어 수급위험이 매우 크고 소재의 가격변동이 산업에 미치는 영향이 매우 높아 대외의존형 산업구조 탈피를 위한 국가주도 친환경 대체 발포제 합성 및 생산 기술개발이 필요함

ㅇ 하니웰, 케무어스, 다이킨 등 세계적인 불소화합물 제조사들이 차세대 발포제로서 HFO계, 水계 발포제 등을 개발하여 판매하고 있으나, 기존 발포제(HCFC-141b) 대비 낮은 단열성, 폭발 및 화재 위험성, 높은 생산비용 등 극복하기 어려운 기술적 한계를 지니고 있어 새로운 발포제 개발에 대한 시장 요구가 증가하고 있음

ㅇ 본 기술개발을 통해 환경영향(ODP 0, GWP 5 이하)이 낮고 난연성을 갖춘 발포제 원천 기술과 생산 기술을 개발하여 소재 자립화를 통한 공급 안전성을 확보하여 국내 스프레이 PU폼 산업 경쟁력 강화 및 미래 발포제 시장을 진출이 가능함

□ 정부/정책적 지원필요성

ㅇ 국제환경규제 강화(몬트리올의정서 개정)와 정부의 한국판 뉴딜 추진 선언으로 친환경ㆍ저탄소 등 그린경제로의 전환을 위해 현재 스프레이 PU폼 산업에서 HCFC-141b 대체제로 검토되고 있는 HFCs을 대체하는 친환경 발포제 개발이 시급함

3. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간 :  21개월 이내 (1차년도: 9개월, 2차년도: 12개월)

ㅇ 정부출연금 : ‘21년  3.1억원 이내(총 정부출연금 7.2억원 이내)

ㅇ 주관기관 : 중소·중견기업

ㅇ 기술료 징수여부 : 징수