매년 이상기후가 심해지며 폭염과 폭설, 집중호우, 가뭄 등이 빈번하게 발생하고 있다. 가장 직격탄을 맞은 농수산업은 그 피해를 이루 말할 수 없어 오랜 시간 농사를 지어온 농민들도 손발을 들 지경이다.

이에 따라 식량확보와 물가안정 등을 위해 1년 내내 안정적으로 작물을 재배할 수 있는 식물공장이 더욱 주목받고 있다.

식물공장은 통제된 시설 내에서 생물의 생육환경에 필요한 빛, 공기, 열, 양분 등을 인공적으로 제어해 농작물을 계획생산하는 농업시스템이다. 온·습도를 제어하며 인공광원에 의해 생육조절이 가능한 시설농업 중 하나다.

날씨나 계절과 관계없이 사계절 농작물을 안정적으로 생산할 수 있으며 비료나 농약 등의 사용도 줄일 수 있다. 농작물의 생육상태를 과학적으로 관리할 수 있어 안전성 확보가 용이하다.

남극 등 극지, 사막, 해양, 건물지하, 우주 등에서도 지역과 장소의 한계극복이 가능하다. 우리나라는 남극 세종기지에 농촌진흥청에서 제공한 컨테이너형 식물공장을 이용해 보급물자에 의존하던 채소류를 자급자족하고 있다.

첨단기술을 접목해 작물에 최적조건을 제공함으로써 최대 생산성을 얻는 신농업형태인 식물공장은 인공광원인 LED, 환경자동조절을 위한 IT, 최적 생장조건을 밝히는 BT, 오염방지 및 자원의 재활용을 위한 ET기술 등이 필수다.

식물공장의 안정적 운영을 위해서는 친환경, 에너지효율화, 식물생장 모니터링 및 환경제어, 자동화시설 등과 같은 종합적인 기술의 집적화와 고부가가치 농산물의 파종에서 수확에 이르는 원스톱관리시스템 체계를 마련해야 한다. 

또한 환경요소를 복합적으로 분석·관리해 재배작물이 고품질·고소득제품으로 업그레이드되도록 지원해야 하므로 친환경 Green IT기술과 융합해야 지속가능성을 높일 수 있다.

우리나라는 2010년부터 본격적으로 스마트팜과 식물공장에 대한 기술개발을 지원하며 유망산업 중 하나로 키우고 있지만 여러 첨단기술이 적용된 식물공장은 대표적 에너지 다소비건물 중 하나다.

한국에너지기술평가원의 한 관계자는 “지금까지 식물공장에 원격시설 제어, 정밀 생육관리, 자동관리를 위한 IoT, 빅데이터·AI, 로봇 등 4차 산업혁명기술 적용에 대한 투자는 많았지만 에너지절감을 위한 지원은 아쉬운 부분이 있다”라며 “인공적으로 생육환경을 만들어주기 위해 원가의 40%에 가까운 비용이 에너지소비에 할애된다는 점을 고려하면 생산한 농작물의 가격경쟁력 확보뿐만 아니라 국가 에너지절감 관점에서도 전략적 접근이 필요하다”고 밝혔다.

식물공장 E효율 개선 표준모델 개발

에기평은 2024년부터 에너지기술개발사업 연구개발과제로 ‘미활용에너지활용 에너지절감형 식물공장시스템 개발 및 실증’ 과제사업을 진행하고 있다.

산업 또는 상업현장에서 활용되지 않고 버려지는 에너지를 사용하고 높은 에너지효율의 핵심자재와 기술들을 적용해 에너지절감 성능이 우수한 식물공장기술을 개발하며 실증단계까지 추진하는 것이 이번 R&D의 목표다. 

에기평의 관계자는 “한국의 미활용에너지는 약 50TWhth로 상당한 규모이며 이번 R&D는 식물공장 사업성 확보와 미활용에너지 활용 등에 모두 크게 기여할 것”이라며 “산업폐열이나 건물배열과 같은 잠재력이 큰 미활용에너지를 활용해 난방뿐만 아니라 냉방과 제습에도 활용해야 한다”고 분석했다.

이를 위해 에너지다소비시설인 식물공장의 에너지 고효율화 기술개발 및 에너지활용 식물공장시스템 건물 실증을 통한 식물공장 표준모델을 개발하고 있다. 

식물공장 표준모델에는 광합성효율이 높으며 발열이 낮은 고출력 LED와 균일한 광원배치설계가 필요하다. 난방과 함께 LED조명발열을 고려해 냉방기능을 고효율로 구현하며 수직농장 작물의 효율적인 생산을 위해 CO₂ 공급도 필수적이다.

농작물의 증산작용으로 인해 습도관리가 중요한 만큼 초기 재배기간에는 가습기술이, 성장과정에서는 제습기술이 중요하다. 다층밀식재배구조 특성상 균일한 내부 환경을 위한 공기유동과 조명설계기술 개발도 필요하다. 

산업폐열 및 건물배열 활용 등 미활용에너지기반 식물공장 에너지시스템을 개발하며 고효율 식물공장 전용기기, 설비 및 시스템설계기술 확보, 식물공장 주간 및 야간운전 최적화를 위한 에너지부하율, 에너지분배량, 기기 냉방효율 등을 종합적으로 반영해야 한다.

다층 재배구조·고정밀 공조기술 핵심

‘미활용에너지활용 에너지절감형 식물공장 시스템 개발 및 실증’ R&D 총괄연구기관으로는 수에너지가 선정됐다. 1세부과제 주관기관은 한국이엔씨가, 2세부과제 주관기관은 총괄기관인 수에너지가 담당한다. 

공동연구개발기관으로 △영진기술 △한국기계전기전자시험연구원 △한국전자정보통신산업진흥회 △녹색에너지연구원 △국립순천대학교산학협력단 △한국스마트팜산업협회 △HM에코팜 △OCI △아이온텍 △모스브라더 △한국생산기술연구원 △한양대학교산학협력단 △월드이엔씨 △한국전자기술연구원 △한국냉동공조인증센터 △조선대학교산학협력단 등이 참여한다. 

연구기관 외 △전북특별자치도 △완주군 △전라남도 △광양시 한국에너지공단 광주·전남지역본부 등도 참여해 산·학·연이 협력할 계획이다.

식물공장은 다층 재배구조 형태의 밀식재배로 운영되므로 수직방향의 유동·환경 균일화가 중요하며 에너지절감을 위한 미활용에너지 활용 고정밀 공조기술 개발이 핵심이다. 

이번 R&D는 총괄과제인 ‘미활용에너지 활용 에너지절감형 식물공장시스템 개발 및 실증’과 함께 탄소중립 플랫폼 추가개발 및 연계로 넷제로에 기여할 계획이다. 이와 함께 1세부과제 ‘고효율 에너지 식물공장 핵심 요소기술 개발’, 2세부과제 ‘미활용에너지 활용 식물공장 에너지공급기술 개발’ 등이 진행된다.

이를 위해 각 분야에서 전문성을 갖춘 산·학·연, 시험원, 협회, 수요기업 등이 대규모 컨소시엄으로 구성됐다. 

전체사업비는 약 243억원이며 이중 정부출연금은 185억원 규모다. 1차연도에 40억원 내외가 지원된다.

산·학·연 협력 대규모 컨소시엄

주관연구기관인 수에너지는 신재생에너지시스템, 지열시스템 및 냉난방에너지 설계·제조·시공전문기업이다. 신재생에너지 중 지열분야에 전문적인 핵심 노하우를 보유했으며 이를 바탕으로 우수, 폐열, 하수열 등 미활용에너지와 결합한 복합열원 에너지를 개발 및 확산하고 있다. 조달우수제품인증, 녹색기술인증 및 미활용에너지시스템 설계 관련 특허를 10건 보유하고 있다.

이번 R&D에서는 식물공장시스템 개발 및 실증사업장 선정 및 제작을 담당한다. 경제성을 고려한 작물재배 기술개발 및 시스템을 확립할 계획이다. 

공동연구개발기관인 한국이엔씨는 식물공장 및 공조설계, 스마트팜솔루션 개발기업이다. 벤처우수기술개발기업, 금탑산업훈장, 대통령표창, 글로벌강소기업 등 각종 인증 및 식물공장, LED관련 특허를 17건 보유하고 있다.

이번 R&D에서는 식물공장 최적 패키지시스템 표준설계 및 기술개발을 담당한다. 12단 이상 다층 재배기술을 확보했으며 고정형·이동형 식물공장 베드 및 LED 설계·실증을 진행한다. 고정형·이동형 식물공장 작물생산 LED설계 보완 환경실증을 지원한다.

영진기술은 미활용에너지 활용 통합 에너지관리시스템 플랫폼을 개발할 예정이다. 탄소중립 종합정보 플랫폼 추가 연계로 미활용에너지 고부가가치를 추진한다. 

한국기계전기전자시험연구원은 글로벌 시험인증기관 및 수출기업 인증지원기관이다. 식물공장 핵심요소기술 및 에너지성능평가 표준화(안)를 담당한다.

한국전자정보통신산업진흥회는 미활용에너지 활용 시스템 다중 비즈니스모델을 개발한다. 식물공장 핵심기술의 보급확산과 실증연계형 사업화모델을 확산한다. 

녹색에너지연구원은 에너지연구 및 정책사업수행 전문연구기관으로 에너지 전 분야 기술자문을 하고 있다. 미활용에너지 식물공장 안전관리 기술을 개발한다.

농업회사법인 HM에코팜은 식물공장 실증을 지원하며 식물공장의 환경분석 및 고효율 설비 적용 분석·식물성장조명 LED 비교분석 등을 담당한다. 이동형 식물공장 미활용에너지 활용공정 최적화 및 타공정 확산적용을 검토한다. 

순천대학교는 스마트팜 및 농업에너지 전문연구교육기관으로 농업에너지, 스마트팜 및 생육분석 연구기술을 보유했다. 식물공장 작물재배 기술을 개발한다.

한국전자정보통신산업진흥회는 국제·국가 및 단체표준화, 정책수립지원기관으로 약 270개 회원사를 보유했다. 미활용에너지 활용시스템 다중 비즈니스모델을 개발한다.

한국스마트팜산업협회는 스마트팜 표준화 기술확산 및 보급지원기관이다. 약 250개 협력사를 보유한 국내 스마트 농업 최대규모 협회다. 식물공장시스템 다중 사업화 모델을 개발한다.

많은 협력사를 보유한 한국전자정보통신산업진흥회와 한국스마트팜산업협회가 사업에 참여하며 약 500개 협력 회원사를 통해 식물공장시스템을 보급·확산할 계획이다.

수요기관인 HM에코팜과 OCI는 각각 식물공장과 미활용에너지 실증화를 추진한다.

이외에도 많은 산·학·연이 참여해 현장실증, 기준평가, 상용화, 사업화를 위해 체계적으로 과제를 실천할 계획이다.

하수열원 등 다양한 실증모델 구축

총 55개월에 걸쳐 진행되는 이번 R&D의 1차연도 목표는 실증형(건물형·모듈형) 식물공장 제작 및 열원 수요기관 일정확인 등이다. 2차연도는 고효율 식물공장용 8단·12단 식물재배베드 설치 및 모듈형타입 실증, 3차연도는 고효율 식물공장 제작, 생육데이터 분석 및 실증사이트 제작확정 완료 등이다. 4차연도는 미활용에너지 활용 500㎡ 이상 대규모 건물형 식물공장 맞춤형 최적환경 조성, 5차연도는 500㎡ 이상 대규모 건물형 식물공장의 미활용비율 25% 달성 등이다.

하수열원, 우수, 공장·산업체 방류수, 온천폐열 등 다양한 미활용에너지를 활용한 식물공장 냉난방설비 구축을 목표로 6개 이상 식물공장 실증운영 계획을 수립 중이다. 

비경쟁부문 협업모델과 철저한 현지화전략을 기반으로 포지셔닝단계의 공격적 마케팅 활동을 지원하며 식물공장 ICT기자재 경쟁력 강화를 통한 수출활성화를 통해 국내와 해외수출 모두 사업화를 계획 중이다.

국내 최초 E효율 25% 달성 목표

우리나라 식물공장시장의 글로벌 진출까지 고려한 이번 과제는 국내 최초 미활용에너지를 활용한 식물공장으로 에너지비용 절감, 탄소배출권 확보, 지역 인프라 개선 등 기술, 경제·산업, 사회적 측면에서 많은 기대를 받고 있다.

기술적 측면에서 국내 최초 에너지효율 25% 달성을 목표로 미활용에너지 분석을 통해 에너지 냉난방부하 절감을 최적화할 계획이다. 또한 LED 최적제어 설계와 공조환경 통합제어를 통한 식물의 생육주기 자동화시스템을 구축해 AI가 재배하는 식물공장을 실현한다.

에너지관리, 공정개선, 품질관리를 연계하는 농업용 전 주기적 공정관리시스템 구축으로 미활용에너지 적용 작물재배 식물공장 IoT, IoE시장에서 기술력을 확보하게 된다. 

경제적 측면에서는 고용창출, 수출증대, 식물공장 품질향상과 표준화를 통한 경쟁력을 강화할 수 있다.

국내 농업환경 개선과 일자리 창출 및 지역특산품 개발 등 지역파급효과와 미활용에너지 식물공장 성공사례를 통한 글로벌시장 선두주자에 도전하는 이번 과제에 많은 이목이 집중되고 있다.