농촌진흥청은 수소시대 전환을 대비해 ‘그린수소기반 농업시설 에너지 공급시스템 개발 및 실증’을 진행하고 있다. 이에 따라 기계연구원 미래농생명공학연구단 이상민 단장 연구팀은 두산퓨어셀파워와 공동으로 ‘수소연료전지 3중 열병합시스템 농업모델 개발’을 진행 중이다. ‘수소연료전지 3중 열병합시스템 농업모델 개발’과제는 총 5차연도 과제로 2021년 4월1일 시작해 2025년 12월31일 종료된다. 현재 5차연도 ‘온실용 수소연료전지 3중 열병합시스템 표준모델 및 운전모델 개발’을 수행 중에 있다.
이번 과제를 통해 기계연은 수소연료전지를 농업분야에서 활용한 최초 사례를 구축했다. 나아가 수소연료전지와 공기열원 활용 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식냉동기를 연계해 농업분야 에너지자립 및 사용되지 못했던 배열을 활용할 수 있는 시스템을 구축했다.
기후위기가 가속화되고 있는 가운데 안정적인 농산물 수급을 위한 방안이 점점 더 구체적으로 논의되고 있다. 이와 동시에 인공적인 환경을 구축할 수 있는 에너지사용 설계도 중요하게 연구할 지점으로 떠오르고 있다. 지구가 점점 뜨거워지는 것은 더 이상 돌이킬 수 없는 지점에 도달했다. 이 가운데 어떻게 지속가능성을 추구해야 하는지 농업과 에너지활용분야의 고민이 깊어지고 있다. 이상민 기계연 미래농생명공학연구단장을 만나 농업분야 수소연료전지 활용방안 및 ‘3중 열병합발전시스템 개발’에 대한 이야기를 들었다.
▎ 과제에서 맡은 역할은
농진청에서 그린수소기반 농업시설 에너지공급시스템개발 및 실증사업을 진행 중이다. 농촌에서 재생에너지로 수소를 생산하고 이를 에너지원으로 활용하는 것을 목적으로 하는 사업이다.
이 사업은 △그린수소 생산 △연료전지 적용 △실증모델 개발로 구성돼 있고 기계연 미래농생명공학연구단 소속 연구팀에서는 농진청 그린수소 사업에서 수소연료전지를 이용해 온실에 전기·난방·냉방 등 3가지 에너지원을 공급할 수 있는 ‘3중 열병합발전시스템 개발’을 담당하고 있다.
▎ 스마트팜업계 에너지관리 현황은
스마트팜 에너지 관리에서 현재 가장 뜨거운 이슈는 바로 냉방이다. 기존 스마트팜은 난방위주로 운영돼 왔으며 생산성 향상을 위해 조명과 탄산시비기술이 선택적으로 적용돼 왔다.
그런데 최근 기후변화에 따라 온도가 계속 상승하고 있으며 온실내부 온도가 너무 높아져서 작물을 키울 수 없는 기간이 점차 늘어나고 있다. 온실에 냉방을 적용하면서 작물 재배기간을 늘릴 뿐만 아니라 수익성을 극대화할 수 있는 방법이 고안되고 있다. 실제로 최근에 공기열히트펌프를 설치하는 농가가 빠르게 증가하고 있는 추세다.
▎ ‘수소 연료전지 3중 열병합 기술농업 적용연구’ 목적은
수소시대에 대비해 수소를 연료로 하는 발전시스템을 온실 에너지원으로 활용하는 것이 가장 큰 목적이다.
온실은 계절별 열수요가 굉장히 크다. 연료전지에서 전기를 생산하면서 발생하는 배열을 충분히 활용하면서 연료전지 이용효율을 최대한 끌어올리고자 했다.
에너지효율을 높이는 관점에서 독자적인 시스템을 개발하고 장기실증을 통해 기술을 검증한 후 이를 기반으로 맞춤형 농업모델을 개발하고자 했다. 여름철 전력피크에 대비해 온실의 전기수요를 줄이는 것도 중요한 목적이다.
▎온실용 수소 연료전지 3중 열병합시스템의 특징 및 기존 시스템과 차별점은
개발한 시스템은 수소연료전지를 온실에너지원으로 적용한 최초 사례로 참여기관인 두산모빌리티이노베이션에서 개발된 수소연료전지가 적용됐다.
과제기간동안 개발된 고분자 전해질 수소연료전지 제품이 적용됐으며 30kW급 연료전지시스템이 현재 3,000시간 이상 온실현장에서 실증 중이다. 이 과제에서 가장 특징적인 차별점은 연료전지에서 발생하는 배열을 이용해 흡착식냉동기를 구동하며 이를 온실냉방에 적용한 것이다.
흡착식냉동기는 65~70oC 저온조건에서 냉열을 생산할 수 있어 연료전지 배열을 이용하기에 적합하다고 판단했다. 지금은 온도를 맞추기 위해 승온용 히트펌프가 추가설치돼 있으나 연료전지에서 배열온도를 높이며 저온 흡착제 제품이 개발되면 앞으로 시스템을 단순화할 수 있을 것으로 보고 있다.
▎ 실증지 현황은
국립농업과학원 농업공학부부지에 설치된 200평규모의 첨단디지털온실에 적용돼 있다. 온실외부에 연료전지와 흡착식 냉동기가 설치된 설비실을 구축했으며 설비실 외부에는 연료전지 발전용량에 맞는 공기열 히트펌프와 축열조, 흡착식 냉동기 냉각탑 등이 설치돼 있다.
연료전지에서 발생하는 냉온열을 축열조에 저장하고 스마트팜 제어시스템을 통해 온실 요구조건에 맞게 열을 공급할 수 있도록 했다.
과제수행 중에 다부처 스마트팜연구개발사업단의 신재생 다중열원사업을 농업공학부와 공동으로 수주했으며 실증지에 태양열이 추가돼 신재생에너지로 온실에너지 100% 자립을 실현하고자 한다. 온실 내에서는 현재 토마토를 재배중이며 냉열을 공급함으로써 7월말 혹서기에도 안정적으로 토마토를 생산 중이다.
▎ 연구 성과 및 향후 남은 과제는
올해 1월부터 실증한 결과 개발한 시스템은 기존 온실 냉난방시스템대비 운영비를 30%, 이산화탄소 배출량을 50% 이상 감소시키는 성과를 나타냈다.
일반적으로 스마트팜 연구는 1년간의 실증을 통해서 최종 성능평가 및 경제성 분석이 가능하다. 때문에 올해 연말까지 성공적인 시스템운전을 수행한 후 이 결과를 바탕으로 기술개발을 마무리하고자 한다.
과제 종료 이후에도 시스템이 안정적으로 운전될 수 있도록 자동화 기술을 정립하고 운전 메뉴얼을 만들 계획이다.
▎ 향후 기대효과는
수소시대를 미리 대비해 개발된 시스템이기 때문에 당장의 사업화는 어려울 것이라 예상하지만 이번 과제 결과를 바탕으로 정책을 개발함으로써 경제성을 확보하고자 한다.
농식품부에는 신재생에너지 설치를 지원하는 에너지이용효율화사업이 있다. 이 사업에 수소연료전지가 포함될 수 있도록 노력을 다할 계획이다. 시스템 적용성을 높이기 위해 1,000평이상 중대형온실을 위한 유형별, 규모별 모델을 도출하고자 한다. 에너지 다소비시설인 온실에서 에너지효율을 높이며 온실가스 배출량을 줄일 수 있어 앞으로 이 시스템에 대한 요구가 빠르게 증가할 것으로 기대하고 있다.
