‘온실 3중 열병합발전 시스템’이 개발돼 스마트팜업계의 획기적인 에너지자립 및 탄소배출저감이 기대되고 있다.
한국기계연구원은 최근 ‘온실 3중 열병합발전시스템’ 실증사례를 발표했다. 온실 3중 열병합발전시스템은 수소 고분자전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 공기열원 활용 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식냉동기를 연계해 전기를 생산하고 이때 발생하는 열을 냉방 및 난방에 활용하는 기술이다. 이를 통해 기존 온실용 시스템대비 이산화탄소 배출량을 절반 이상 낮추고 운영비도 1/3 이상 절감했다.
‘온실 3중 열병합발전 시스템’은 농촌진흥청 내 약 660㎡(200평)규모 첨단온실에 적용돼 있다. 해당 온실은 토마토를 주요 재배작물로 선정해 계절별 냉난방 요구량, 에너지 공급 효율, 작물 생장 반응 등 다양한 실증데이터를 축적하고 있다.
이번 온실 3중 열병합발전 시스템은 기계연 미래농생명공학연구단 및 친환경에너지연구본부 무탄소발전연구실의 협업으로 개발됐다. 농촌진흥청 그린수소 기반 농업시설 에너지 공급시스템 개발 및 실증(수소연료전지 3중 열병합발전 시스템 농업모델 개발) 및 (재)스마트팜연구개발사업단 스마트팜 다부처 패키지 혁신기술개발사업 (신재생에너지 및 복합열원 등을 활용한 온실에너지기술 상용화)으로 수행됐다.
이와 함께 우원엠앤이는 제어시스템과 설비운영 안정화 기술을 담당했으며 삼중테크는 배열활용을 위한 흡착식 냉동기를 공급해 이번 과제에 함께 했다.
연료전지·태양열·히트펌프 복합열원 활용
온실 3중 열병합발전시스템의 핵심 발전기기인 30kW급 연료전지 시스템은 10kW급 PEMFC 세 대로 구성되며 천연가스를 연료로 하는 시스템 두 대와 수소기반 시스템 한 대가 조합돼 있다. 이들은 50%, 75%, 100%의 출력 단계로 탄력적인 운전이 가능하며, 전기 생산과 함께 약 40~50도의 배열을 발생시킨다.
발생한 전기는 공기열 히트펌프 구동 및 설비실 운용에 사용되고 배열은 난방 및 흡착식냉동기 열원으로 활용돼 시스템 전체의 종합 효율을 끌어올린다. 공기열원 히트펌프는 70kW급 장비 2대로 구성돼 총 140kW 용량을 갖추고 있다. 이 장비는 냉방과 난방을 모두 지원하며 계절에 따라 자동으로 모드를 전환할 수 있도록 설계됐다.
태양열 시스템은 온실 외부에 별도 설치된 20kW급 태양열 집열기를 통해 낮시간 동안 태양에너지를 흡수해 온수를 생산하고 이를 축열조에 저장함으로써 야간이나 흐린 날에도 열공급을 유지할 수있도록 보조열원 역할을 한다. 또한 상대적으로 낮은 연료전지 배열의 온도를 높여 흡착식냉동기의 열원으로 사용될 수 있도록 돕는다.
농업분야 역시 기후변화와 에너지위기 속 어려움을 마주하고 있다. 여름철 폭염과 겨울철 한파로 작물 생육환경은 불안정해지는데 이를 해결하기 위한 온실이나 스마트팜의 화석연료 의존도는 여전히 높다. 이번에 개발된 ‘온실 3중 열병합발전 시스템’은 효율적인 에너지활용으로 향후 지속가능한 스마트팜산업의 방향이 될 것으로 기대되고 있다.
