기계연구원(KIMM) 친환경에너지본부 무탄소발전연구실 김영상 책임연구원과 박진영 선임연구원 팀은 ‘신재생에너지 및 복합열원 등을 활용한 온실에너지기술 상용화’과제를 통해 기계연 미래농생명공학연구단과 협업해 ‘신재생에너지 기반 3중 열병합시스템’을 개발했다.‘신재생에너지 및 복합열원 등을 활용한 온실에너지기술 상용화’과제는 2024년 4월1일 시작돼 2025년 12월31일 종료되며 국립농업과학원과 우원엠앤이가 공동연구개발기관으로 함께하고 있다.
극단적으로 덥고 추운 한국의 연중 기온변화는 노지작물 재배를 어렵게 하고 있으며 이러한 변화 속 스마트팜산업 필요성이 점점 커지고 있다. 일반적으로 식물공장 등 스마트팜은 실내의 온도를 균일하게 유지하는 것이 관건이며 이에 대한 에너지소비가 큰 것으로 알려져있다. 하지만 한발 더 나아가 최근에는 극한으로 치닫는 고온·저온의 외기환경 속에서도 일정한 온·습도를 유지하는 관리체계가 중요해지고 있다.
이 가운데 ‘신재생에너지 기반 3중 열병합시스템’은 에너지과소비 산업분야인 스마트팜의 효율적인 에너지 사용과 탄소저감을 꾀할 방법으로 기대되고 있다. 극한의 외기환경 속에서 기존에 버려졌던 배열을 활용해 에너지자립의 선순환 구조를 구축했다. 농업분야 에너지자립 및 배열활용을 고민한 기계연 무탄소발전연구실 박진영 선임연구원은 만나 신재생에너지 기반 3중 열병합시스템의 차별점 및 이번 연구 성과에 대해 들어봤다.
▎ 과제에서 맡은 역할은
KIMM은 농업과학원, 우원엠앤이와 함께 신재생에너지 복합열원을 최대한 활용해 온실의 냉난방에너지를 효율적으로 생산하고 공급하는 실증사업을 진행하고 있다. 기계연구원에서는 신재생에너지 기반 3중 열병합시스템 개발 및 운용, 농업과학원에서는 작물 재배 및 경제성 분석, 우원엠앤이는 600~1,000평규모 중소형 온실 적용확대를 위한 설계안 및 사업화를 담당하고 있습니다.
▎연구 목적은
기존에는 온실에너지기술관련이나 지열 히트펌프, 태양광, 태양열, PVT 등 단일 재생에너지를 활용하거나 복수의 재생에너지를 조합한 연구가 많이 이뤄져왔다. 그런데 재생에너지만을 이용할 경우 변동성에 대응하기 위해 대형 계간축열조 등을 구비해야하는 단점이 있었다.
이번 연구에서는 신에너지인 연료전지를 도입해 외부환경에 관계없이 온실에 전기 및 열을 공급해보고자 추진됐다. 또한 연료전지, 태양열, 히트펌프 등 총 3가지의 신재생에너지에서 발생하는 열을 최대한 효율적으로 활용해 온실에 냉난방에너지를 공급하는 것을 목적으로 하고 있다. 목표치는 열에너지 활용효율 87%를 달성하는 것이다.
▎ 스마트팜 운영 시 에너지관리의 중요성은
스마트팜 운영 시 내부온도를 일정하게 유지만 하면 된다고 오해하는 경우가 다수다. 하지만 일반적인 인식과는 반대로 스마트팜 운영 시 내부온도를 여러 단계로 나누어 하루에도 여러 번 온도에 변화를 주면서 과실 생장을 촉진하고 있다. 외부환경이 좋지 못한 상황에서도 열에너지를 적절히 공급해 내부 온도변화를 만들어줘야 한다. 이 때문에 일반 가정이나 건물에너지공급보다 어려운 측면이 있습니다. 특히 에너지관리 실패는 작물 냉해로 이어질 수 있어 세심한 관리가 필요하다.
▎ 기존 스마트팜 에너지관리와 차별점은
크게 두 가지 차별점이 있다. 먼저 환경변화에도 강건하게 대응할 수 있는 시스템을 구축했다. 기존 재생에너지원만으로 구성된 에너지공급 시스템은 혹한이나 폭설과 같은 기후이변에 적절히 대응하기가 어려웠다. 외부기온의 하강과 함께 생산하는 열에너지량이 감소하거나 일사량에 함께 제약을 받기 때문이다.
이번에 개발한 시스템은 신에너지로 분류되는 연료전지를 도입해 환경제약없이 전기와 열을 발생시킬 수 있게끔 만들었다. 동절기 큰 외부환경 변화에도 안정적으로 열에너지를 공급하는 것을 확인했다.
두 번째는 하절기 발생하는 신재생에너지 배열로 냉열을 생산해 열활용률을 극대화한 점이다. 동절기에 연료전지 배열이나 태양열은 온실에 공급할 수 있지만 하절기의 배열은 방열기 등을 통해 외부로 버려야하는 폐열이다. 그런데 이번에 개발한 시스템은 하절기에도 배열(폐열)을 흡착식냉동기의 열원으로 활용할 수 있는 과정을 구축했다. 흡착식냉동기로 냉열을 생산해 온실 냉방에 활용할 수 있게됐다.
▎ 기술적용 시 에너지절감 효과는
동절기 일간 온열에너지 수요량이 동일한 경우에서 공기열원 히트펌프를 단독으로 사용했을 때보다 신재생에너지기반 3중 열병합 시스템 사용 시 운전비는 36.5%, 이산화탄소 배출량은 58.1%를 감축할 수 있었다.
3중 열병합시스템 운전비는 전주지역 도시가스 요금을 적용했으며 초과 생산된 전기는 한전에 판매하는 것으로 계산했다. 공기열원 히트펌프는 운전비 대부분 농사용 전기요금으로 계산했다.
▎ 신기술보급 및 상용화 장애물은
연료전지는 다른 발전시스템 대비 전기효율이 매우 높은 제품이다. 다만 최근 농사용 전기요금이 많이 상승했음에도 불구하고 가정용·산업용 전기요금대비 농사용 전기요금이 저렴하다. 이 때문에 농업분야 연료전지도입에 대한 경제적 이득이 다소 적게 나타나고 있다.
에너지이용효율화사업 등 정부지원책을 통해 연료전지 보급을 늘려서 제품 자체의 단가를 절감시킬 수 있다면 농업분야 탄소배출저감과 에너지자립화에 많은 도움이 될 것으로 생각한다.
또한 이번 기술의 핵심 중 하나인 ‘흡착식냉동기’는 현재 65℃ 이상에서 구동할 수 있다. 최근 흡착식냉동기의 구동온도를 낮출 수 있는 여러 흡착제가 개발되고 있어 배열을 활용한 냉열에너지생산이 더욱 효율적이고 용이해질 것으로 예상하고 있다. 하지만 이 역시 정부에서 관심을 가지고 지원한다면 농업분야뿐만 아니라 점점 상승하는 여름철 냉방수요에 대응할 수 있는 좋은 대안이 될 수 있을 것으로 기대한다.
▎ 성과 및 향후 남은 과제는
개발한 시스템으로 올해 상반기 실증을 마쳤다. 현재 하절기 운전 중이며 다양한 실험을 통해 하절기 신재생에너지 기반 3중 열병합시스템 적용효과도 분석할 예정이다. 최종적으로는 연말까지 실증을 통해 최종 효과를 확인할 것이다. 또한 시스템이 중소형 온실에 보급될 수 있도록 실증결과를 정리하고 표준화한 가이드라인을 제시할 예정이다.
장기적으로는 설비가 국내 농업분야 최고 연구기관인 농촌진흥청 농업과학원 내 부지에 설치되는 만큼 앞으로 수년간 운전해도 높은 효율을 보여줄 수 있도록 강건한 자동화시스템을 구축할 계획이다.
