기계연 "신재생에너지로 스마트 무탄소 농업시대 열다"

전주 농촌진흥청 내 설치된 온실 3중 열병합발전 시스템이 처음 공개됐다. 이 시스템은 신재생에너지 복합열원을 활용해 농업 분야 에너지 자립과 탄소저감을 동시에 달성할 수 있는 통합 에너지 플랫폼이다. 지난 15일 전주에 위치한 농촌진흥청 국립농업과학원에서 한국기계연구원 이상민 미래농업생명공학연구단장은 온실 3중 열병합발전 시스템을 소개하며 "기존 온실용 시스템 대비 이산화탄소 배출량은 절반 이상 낮출 수 있고, 운영비는 3분의 1 넘게 절감이 가능하다"고 말했다. 기술 개발에는 미래농생명공학연구단과 무탄소발전연구실 연구팀(김영상 책임연구원, 박진영 선임연구원)이 연료전지, 태양열, 히트펌프, 흡착식 냉동기를 통합한 '온실 3중 열병합발전 시스템'을 개발하고 이를 200평 규모의 스마트 온실에 적용했다. 실제 전라북도 전주시 농촌진흥청 국립농업과학원 내 40여 평 남짓한 온실 3호에 들어서자 줄기 길이만 20m나 되는 토마토 수 백 그루가 양액에 담겨 재배되고 있어 눈길을 끌었다. 가지마다 토마토가 10여 개씩 매달려 익어가고 있었다. 이 온실에 전기와 냉, 난방을 공급하는 72㎡ 면적의 단층 임시 건물 앞에서 설명에 나선 이상민 단장은 "여기에는 수소 고분자전해질막 연료전지(PEMFC)와 공기열원 활용 히트펌프, 흡착식 냉동기가 설치돼 있고, 외부에 설치된 태양열 집열기와 연계돼 전력 및 냉난방 에너지를 계절별, 시간대별로 효율적으로 생산하고 공급한다"고 소개했다. 기존 온실 냉난방 시스템은 주로 태양열이나 지열과 같은 단일 재생에너지 기반으로 설계돼 있다. 날씨 변화에 따른 대응이 불안정하다. 배열 활용이 가능한 연료전지 시스템은 대부분 농업용이 아니라 건물이나 산업 분야에 국한됐다. 혹한이나 폭염 날씨에는 공기열원 히트펌프로 냉난방 보조 무탄소발전연구실 박진영 선임연구원은 "이 같은 한계를 극복하고자 연료전지, 히트펌프, 태양열을 복합적으로 연계하는 방식을 사용했다"며 "겨울철 연료전지 배열과 태양열 집열기에서 발생한 열에너지를 온수 형태로 온실에 공급해 작물의 생육환경을 조성한다"고 말했다. 여름철에는 생산된 온수를 흡착식냉동기 열원으로 활용, 냉수를 생산하고 스마트 온실로 공급한다는 것. 특히, 혹한 및 폭염의 날씨에 대응해 공기열원 히트펌프를 사용, 스마트 온실의 냉난방을 보조하는 것이 이 시스템의 핵심 구조다. 연구팀은 다중 열원 간 상호 보완 구조 및 통합 제어기술을 설계해 열원 간 상호 의존도를 낮추면서도 에너지 대응 안정성을 극대화했다. 단계별 출력 조절이 가능한 연료전지, 사용전력 대비 5.2배 이상의 온열을 생산할 수 있는 온도 상승용 히트펌프, 연료전지 발전 용량에 맞는 공기열원 히트펌프, 주간 일사를 활용하는 태양열 집열기를 개발하고 실시간 에너지 흐름 모니터링 및 제어가 가능한 인공지능(AI) 운영 시스템을 구축했다. 기존 흡수식 냉동기 대비 약 20℃ 낮은 저온 열원(65~70℃)으로도 냉수 생산이 가능한 흡착식 냉동기EH 시스템에 적용했다. 태양열 및 연료전지에서 생성된 온수를 흡착식 냉동기 열원으로 활용해 냉수를 생산하고 이를 30t급 축열조에 축냉해 온실에 냉열을 공급하는 원리다. 이산화탄소 배출 58.1% 감소, 운영비는 36.5% 줄여 이상민 단장은 "기존 온실용 히트펌프 시스템 대비 운영비를 36.5%, 이산화탄소 배출량을 58.1% 감소시켰다"며 "현재 개발 시스템이 적용된 전주 농촌진흥청 국립농업과학원 내 200평 규모 온실에서는 토마토를 6개월 이상 안정적으로 재배중"이라고 부연설명했다. 이 단장은 또 "특정 열원에 대한 의존도가 낮아 계절변화 등 냉난방 수요의 변동성이 큰 우리나라 환경에 적합하다”며, “수소 연료전지를 스마트팜에 적용한 최초의 사례로 신재생에너지를 기반으로 한 온실 농업 에너지 자립에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편, 기계연은 농생명 분야 미래 원천기술 개발 및 국내외 리더십을 확보하기 위해 올해 2월 '미래농생명공학연구단'을 운영체 조직으로 설치했다. 연구단은 현재 농업분야 에너지·자원 기술과 DX 기반 소부장 기술 등 미래 농생명공학 기술 분야를 선도하기 위한 전문 기술 개발을 추진 중이다. 이번에 개발한 온실 3중 열병합발전 시스템은 기계연 미래농생명공학연구단 및 친환경에너지연구본부 무탄소발전연구실 협업으로 개발됐다. 농촌진흥청 그린수소기반 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.