신재생에너지 복합열원 활용 농업분야 에너지자립 및 탄소저감을 달성할 수 있는 ‘온실 3중 열병합발전 시스템’을 전문적으로 공유하는 워크숍이 개최됐다.
한국기계연구원(KIMM)은 지난 7월16일 ‘신재생에너지기반 스마트팜 냉난방시스템 워크숍’을 개최했다고 밝혔다.
기후변화대응 신재생에너지기반 스마트팜 냉난방시스템 기술공유 및 농촌진흥청 등이 주관하는 R&D협력 네트워크 강화를 위해 자리가 마련됐다. 행사에는 R&D에 참여하고 있는 국립농업과학원, 한국기계연구원, 삼중테크 등의 관계자와 스마트팜관련 연구자 60여명이 참석했다.
KIMM은 농촌진흥청주관 ‘그린수소기반 농업시설 에너지 공급시스템 개발 및 실증’과제와 농림축산식품부·과학기술정보통신부·농촌진흥청 등의 ‘스마트팜 다부처 패키지 혁신기술 개발사업’을 통해 온실 3중 열병합발전 시스템을 개발했으며 실증을 성공적으로 진행 중이다.
KIMM 미래농생명공학연구단및 친환경에너지연구본부 무탄소발전연구실의 협업으로 개발됐으며 실증은 전주시 농촌진흥청 내 660㎡(200평)규모 첨단온실에서 이뤄지고 있다. 워크숍은 주제발표 이후 실증지 탐방으로 구성됐다.
농업분야 탄소중립·E자립 기대
이상민, 김영상 KIMM 연구원은 ‘신재생에너지기반 스마트팜 냉난방시스템 실증사례 소개’를 주제로 발표했다.
2050년 세계 식량수요는 2010년대비 70% 증가할 것으로 전망된다. 그러나 우리나라는 식량 자급률이 50% 이하로 OECD 국가 중에서도 하위권에 머물고 있다. 농업현장도 기후변화, 에너지비용 부담, 온실가스감축 요구 등 복합위기에 직면해 있다. 이에 따라 농업 핵심자원인 에너지·식량·물 문제를 통합적으로 해결할 획기적 기술의 필요성이 커져왔다.
한국기계연구원 연구진은 스마트팜에 신재생에너지 연계와 자원순환시스템을 융합한 ‘에너지 자립형 3중 열병합 온실’을 국내 최초로 구축했다. 이 시스템은 △수소 및 도시가스 연료전지 △태양열 집열기 △공기열원 히트펌프 △흡착식 냉동기의 네가지 에너지원 통합이 핵심이다.
연료전지에서 생산된 전기와 대량의 저온배열, 태양광과 히트펌프의 도움으로 난방과 냉방을 동시에 운영한다. 배열은 겨울난방은 물론 여름철 흡착식냉동기 냉방에도 사용된다. 특히 65~70℃ 저온배열만으로도 냉각이 가능한 흡착식냉동기를 활용해 에너지효율성을 높였으며 축열조를 통해 수요에 맞춘 냉·난방이 자유롭다. 히트펌프는 수요변동이 클 때 보조역할을 맡아 전체 에너지 공급의 안정성과 경제성을 높인다.
또한 스마트제어시스템을 통해 중앙관리 기능을 담당한다. 실시간 온실 내·외부 기후, 작물생장 상태, 수요변화 등을 센싱해 에너지 공급을 자동·최적화한다. 실제 200평 규모의 실증온실에서 토마토 재배에 적용한 결과 기존 온실대비 겨울철 에너지 운영비를 36% 절감했으며 연간 이산화탄소 배출량이 58% 감소했다. 자가발전을 통한 농장 내 전력자급은 물론 잉여 전기판매까지 가능해 농가수익성 제고도 기대된다.
KIMM은 오래전부터 ‘스마트팜+에너지 지속가능성’을 융합한 ‘와이즈팜(WISE Farm)’ 플랫폼 구축에 힘써왔다. 와이즈팜은 폐에너지·자원 재활용, IT·AI 기반 환경제어, 다양한 신재생에너지 융합 등을 모두 담은 ‘미래형 스마트농업’ 솔루션이다. 이번 실증 외에도 도시형 옥상온실, 산업폐열·LNG냉열 활용 대형온실, 제로에너지 수직농장 등 차세대농업 생태계를 위한 실증도 병행 중이다.
관련 연구는 2021~2025년 농진청 ‘그린수소 연료전지 3중 열병합 실증’, 2024~2025년 스마트팜사업단 ‘다중열원 융합에너지시스템’, 2025~29년 농식품부 ‘제로에너지 수직농장’ 등 대형 R&D과제와 연계해 차근차근 고도화되고 있다. 산업공장 폐열을 활용한 상업용 대형온실, 도시지역 에너지 인프라접목 등 사업화모델 확장도 추진한다.
김영상 연구원는 “KIMM은 국내 최초로 농업분야 장기 실증을 진행해 왔으며 여러 열원을 통합해 계절별 수요에 유연하게 대응, 기존 온실대비 경제성과 안정성을 모두 확보했다”라며 “지금까지 화석연료에 의존해왔던 농업이 탄소중립·에너지자립·고부가가치 창출이라는 세 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 기반을 마련할 것”이라고 밝혔다.
스마트팜·데이터센터 등 적극적 배열활용 필요우성민 삼중테크 이사는 ‘스마트팜 적용 냉동기(흡착식·흡수식)의 이해 및 사례소개’라는 주제로 주제발표를 진행했다.
삼중테크는 열구동 냉동기 전문 제조사로 △냉동공조시스템 △기계식 주차시스템 △승강장 안전문 등을 사업분야로 보유하고 있다. 삼중테크는 과제가 진행되고 있는 실증지에 ‘흡착식 냉방기’를 공급하며 연구과제에 동참하고 있다.
직접적으로도 국가연구개발사업에 참여하고 있으며 현재 △전기화학적 압축기를 이용한 화학흡착식 히트펌프 개발 △다중 분산발전 기반의 옥상온실형 스마트 그린빌딩 융복합 시스템 개발 △액침냉각 미활용열 능동 활용 및 열관리 기술 개발 등의 과제를 수행 중이다.
냉동기는 전기식, 열구동식으로 나뉘며 열구동냉동기는 또 흡수식·흡착식으로 구분될 수 있다. ‘전기식 압축식 냉동기’는 운전이 간편하지만 전력을 에너지원으로 갖고 있기 때문에 전력난의 원인이 되고 있으며 지구온난화 냉매를 사용한다는 단점 등이 있다.
우성민 이사는 “최근 폭염이 지속되면서 전력피크에 대한 소식이 자주 들려오고 있다”라며 “이런 가운데 효율적인 전력사용 및 미활용 배열에 대한 연구가 중요해지고 있다”라고 열구동식 냉동기에 대한 의미를 강조했다.
‘흡수식 냉동기’는 다양한 배열을 활용할 수 있으며 대용량 냉난방 부하처리가 가능하다. 전력소비 절감 및 친환경냉매를 사용하는 긍정적인 지점이 있다. 다만 주기적인 관리가 중요하다.
‘흡착식 냉동기’는 70℃ 이하 온수를 사용한다. 7분 이내에 빠른 응답성과 전력소비가 거의 없으며 간단한 유지보수 등이 장점으로 꼽힌다. 다만 다른 냉동기에 비해 큰 체적을 가지고 있다.
삼중테크는 국내 최초 60℃ 이상 미활용 온수 구동 흡착식 냉동기를 개발했다. 5RT~30RT 모델의 COP는 0.5다. 4세대 지역냉방, 배열발생 플랜드, 연료전지, 소각로, 태양열 등 각종 미활용 온수와 매칭이 가능한 흡착식 냉동기다.
흡착식 배열솔루션 사례로는 서울에너지공사 4세대 지역난방 실증처인 ‘마곡 스마트에너지 시티’와 부산 섬유공장 배열온수 활용 사례 등이 소개됐다. 부산 섬유공장에서는 기존에 버려지던 배열온수를 활용해 공장 내 섬유 가공기기에 공정요 냉수를 공급하는 솔루션이었다. △20RT급 하이브리드 흡착식냉동기 △40RT급 밀폐식 냉각탑 △각종 펌프 및 자동제어반 등으로 구성됐다.
우 이사는 “데이터센터와 스마트팜산업은 국가안보와 직결된 산업이지만 전력사용량이 상당한 산업이기도 하다”라며 “전력피크에 대한 우려가 커지는 시점에서 버려지는 열을 활용해 효율적으로 국가 산업을 관리할 필요가 있다”고 강조했다.
이어 “정부에서는 데이터센터는 산업통상자원부가, 스마트팜은 농림축산식품부가 담당하는 등 부서의 장벽으로 쉽게 사안을 파악하고 해결할 수 없는 것 같다”라며 “하지만 기업은 스마트팜이나 데이터센터나 크게 다르지 않은 사업형태로 인지하고 있으며 이를 강점으로 다양한 연구교류가 있길 바란다”고 말했다.
