5. CFC/HCFC 사용규제 및 대체냉매

5.1 몬트리얼 의정서

 CFC/HCFC 화합물은 우수한 열역학적, 화학적 성질과 높은 안정성 등으로 인해 지난 반세기 동안 여러 분야에서 다양하게 사용되었다. 그런데 1974년 Rowland 및 Molina가 CFC계 화합물이 성층권의 오존층을 붕괴한다는 이론을 발표한 이래, 이러한 가설을 증명하는 항공관측이 이루어졌으며 국제환경기구인 UNEP를 중심으로 1987년에 몬트리얼 의정서를 제정하여 전세계적으로 CFC의 사용 및 생산의 규제에 대한 법적인 기준의 틀을 마련하였다.(12)

 오존층 붕괴의 주된 이유로는 CFC가 염소를 함유하고 있다는 사실과 이 화합물이 시스템 외부로 누출되었을 때 그 구조의 안정성이 크므로 파괴되거나 소멸되지 않고 약 100년 정도의 오랜 기간 동안 존재한다는 사실이다. 즉, 대기 중으로 방출된 CFC/HCFC는 화학적으로 안정되어 분해되지 않고 성층권에 도달하며, 태양의 자외선에 의해 그 화학적 구조가 분해된다. 이 때 분해된 구성원자 중에서 염소는 오존과 반응하여 일산화염소를 생성시키고, 또한 촉매반응에 의하여 염소는 다시 분리되어 다른 오존과 반응하며 염소원자가 불활성화되거나 안정한 대류권으로 돌아가기까지 계속해서 오존층을 파괴하게 된다. 이러한 성층권 오존층 파괴는 지구 표면에 도달하는 유해한 자외선의 양을 증대시킴으로 인류와 생태계에 중대한 영향을 끼칠 수 있다.

 오존층 붕괴와 더불어 인류가 안고 있는 또 하나의 커다란 환경문제는 지구온난화현상이다. 지구온난화를 일으키는 주요 인자는 석탄, 석유 및 천연가스의 연소시 발생되는 이산화탄소이지만, 미량 가스인 메탄, 산화질소 및 CFC의 영향도 무시할 수 없다. 특히, CFC는 이산화탄소와 비교해서 수천/수만 배의 적외선 흡수능력을 가지고 있고 대기 중에서 수명이 길기 때문에 이로 인한 문제가 심각하다 할 수 있다. 기본적으로 지구온난화를 방지하기 위한 대책은 온난화가스의 생성 및 방출을 줄이는 것이다. 지구온난화에는 냉매 자체로 인한 직접효과와 냉동/공조기를 구동하기 위한 전력 생산시 발생하는 이산화탄소로 인한 간접효과가 있다. 따라서 온난화지수가 낮은 냉매를 사용하였지만 시스템의 에너지 성능이 기존 시스템에 비해 저하되었다면, 직접 효과는 줄겠지만 에너지 소비가 늘어나므로 간접효과는 늘어나게 된다. 냉동/공조기의 경우에는 간접효과가 직접효과보다 훨씬 커서 전체 효과의 95% 이상을 차지한다. 그러므로 온난화 문제를 해결하기 위해서는 에너지 효율의 증대에 큰 관심을 기울여야만 한다.

 전 세계의 많은 국가들은 CFC 화합물에 의한 지구환경문제를 국지적인 논의나 규제만으로 해결할 수 없다는 인식을 하게 되었고, 1985년 3월에는 오존층 보호를 위한 비엔나조약을 체결하여 국제적 협력의 기본 틀을 마련하였다. 그 후 국제보건기구 회의(1985년), 미항공우주국(NASA) 보고서(1986년) 등은 오존층 파괴와 온실효과의 원인 중 CFC의 비중이 상당하다고 보고하였으며, 1987년 3월에는 오존층 파괴물질의 생산, 사용 및 무역을 금지시키는 것을 주요 내용으로 하는 몬트리얼 의정서가 세계 24개국과 구주공동체 등에 의해 조인되었다. 이 의정서에서는 일부 CFC의 연차적 생산감소계획을 수립하였고, 비가입국의 규제대상물질과 규제대상물질이 함유된 제품에 대한 수출 및 수입 규제를 결정하였다. 1990년 6월의 런던 회의에서는 종래의 계획을 수정하여 모든 CFC를 규제할 것을 결정하였고, 2000년 이후에는 CFC의 생산을 중단하고 사용을 규제하도록 하였다. 1992년 11월 코펜하겐에서 열린 제 4차 몬트리얼 의정서 가입국 회의에서 CFC의 소비 및 생산규제의 일정을 앞당겼고, 경과물질로 규정한 HCFC도 규제대상에 포함시켰다. 그 결과 선진국의 경우에는 1996년 1월 1일 이후로 CFC의 생산이 중단되었고, 개발도상국은 10년간의 유예기간을 갖고 CFC를 전폐하게 되었다.

5.2.대체냉매의 개발

 CFC/HCFC의 대체냉매는 앞서 열거한 바와 같이 우수한 열역학적, 물리화학적 특성을 가짐과 동시에 환경친화적이어야만 한다. 다시 말해, 궁극적으로 채택될 대체냉매는 에너지 효율이 높아야 하며, 오존층붕괴지수가 0.0이고 지구온난화지수가 낮아야 하고, 독성 및 가연성이 없어야 한다. 1987년 McLinden과 Didion 등은 현재 인류가 개발한 860종의 산업용 액체 중 냉매의 기준조건을 만족하는 물질은 51개가 있으며 그 중 가연성과 유독성이 높은 물질을 제외하면 단지 20여 개만을 냉매로 쓸 수 있다고 보고하였다.(13)

 메탄계 및 에탄계 할로카본 화합물 중에서 독성 및 가연성이 없으며, CFC가 아닌 냉매는 R22, R23, Rl34a, R123, R124 및 R125 등 소수가 있다. 이 중에서 R22, R123 및 R124 등은 HCFC이므로 규제대상이며 또한 R23은 HFC이지만 열역학적 성질이 좋지 않아 냉매로 활용하기 어렵다. 이상에서 살펴본 것처럼 할로카본 중에서 대체냉매로 사용할 수 있는 HFC 순수냉매는 극히 제한되어 있다. 그러므로 2개 또는 3개의 순수물질을 적절한 조성비로 혼합하여 순수물질이 가지고 있는 단점을 보완하여 좋은 환경지수를 나타낼 수 있는 혼합냉매가 대체냉매로 많이 개발되었고 연구되고 있는 실정이다.
 
 가정용 냉장고 및 자동차 에어컨 등에 널리 사용되어온 R12를 대체할 수 있는 냉매로는 Rl34a, R152a 및 사이클로 프로판(RC270) 등이 있다. 저온냉매로 주로 많이 사용되고 있는 R502의 대체냉매로는 R404A 및 R507 등의 HFC 혼합냉매가 고려되고 있다. 열펌프 및 각종 공조기기에 사용되고 있는 R22의 대체냉매로는 R32를 포함한 HFC 혼합냉매들이 고려되고 있으며 이에 대한 많은 연구가 진행중이다. R22 대체냉매로서 고려되고 있는 주요 HFC 혼합냉매로는 R407C 와 R410A 등을 들 수 있다. 이 외에도 많은 종류의 혼합냉매 및 자연냉매에 대한 연구가 진행중이며, 제3세대 대체냉매로 탄소, 불소, 수소 이외에 산소, 질소, 요오드, 규소 등이 더 포함되어 환경친화성이 높은 화합물에 대한 연구가 활발히 진행중이다.

 끝으로 냉매의 특성 및 데이터에 관하여 좀더 자세한 정보를 원한다면 ASHRAE 핸드북을 참조하기 바란다.(5)