한국에너지기술연구원은 에너지기술분야 연구개발 및 성과확산 등을 통해 국가 성장동력 창출과 국민경제 발전에 기여하기 위한 기관이다. 최근 스마트팜이 식량안보와 차세대 수출품목으로 이목을 집중시키는 가운데 에너지연도 다양한 첨단기술을 스마트팜에 접목시키는 연구가 한창이다. 태양열·지열을 활용한 스마트팜 기술개발을 진행한 김민휘 선임연구원을 만나 연구성과와 향후 스마트팜기술 발전방향에 대해 들었다.
■신재생에너지 활용 스마트팜 연구성과는
쉽게 말해 냉난방공조를 필요로 하는 스마트팜에서 재생에너지를 이용해 경영비용을 절감시키는 모델을 개발하는 연구였다. 계간축열식 태양열설비와 지열원 히트펌프를 융복합해 이용하는 에너지를 생산·저장·관리하는 시스템을 구축하고 실증했다.
계간축열 시스템이란 TTES(탱크축열) 또는 BTES(지중축열)의 결합이다. 히트펌프를 안정적으로 운용하고 비정상부하에 대응하기 위해 보조적인 역할을 하는 축열시스템이다.
스마트팜 전체 시스템을 실시간으로 원격 모니터링하고 대응할 수 있도록 통합에너지 최적 운영시스템도 함께 결합했다. 이와 함께 태양광·열이나 일반 태양열 집열기를 활용하는 복합 태양열시스템도 활용됐다.
여기서 핵심 기술개발 내용은 △계간축열조를 포함한 태양열·지열 등을 융복합 이용하는 재생에너지기반 스마트팜 냉난방시스템 최적 설계 및 구축 △에너지의 생산·저장 및 운용관리기술의 최적화와 고도화기술 개발 △실증운전을 통한 적용성향상 및 경영비용 절감 검증 △보급확대를 위한 최적의 관리·운영방안 제시 및 표준모델 도출 등이다.
■관련 해외기술 동향은
해외에서는 온실에 신재생에너지기술을 이용하는 사례가 늘어나고 있다. 특히 계간축열식 태양열시스템을 이용한 사례가 지속적으로 증가추세다.
유럽·일본·미국 등을 중심으로 첨단농업 및 신재생에너지 활용분야가 활성화돼 앞으로 우리나라도 더욱 많은 관련연구가 진행될 예정이다. 전세계적으로 에너지가격도 상승하고 있고 식량안보와 마찬가지로 에너지안보문제도 대두돼고 있기 때문에 해외 스마트팜 시장규모는 연평균 13%씩 성장 중이다.
또한 중대규모 온실에 신재생에너지를 이용하는 사례도 늘고있으며 열에너지 및 고효율 에너지설비에 대한 수요도 지속적으로 증가하고 있다.
이에 따라 이번 연구도 △통합에너지 시스템 최적설계·구축 △통합에너지 시스템 최적 운영관리 △실증을 통한 개선·매뉴얼 △보급을 위한 표준모델 개발 등에 초점이 맞춰졌다.
■스마트팜 통합에너지 시스템 운용방안은
동절기와 하절기 운용이 각각 다를 것같다. 동절기에는 PVT를 포함한 태양열 집열기로부터 생산돼 계간축열조에 저장된 열을 직접 또는 간접 이용하며 필요할때는 히트펌프를 가동해 온열을 생산·공급한다.
모든 계간축열조로부터 충분한 열이 직접 또는 간접으로 공급되지 못하는 경우 지열원 히트펌프를 가동해 온열을 공급한다. TTES 계간축열조에 저장된 열은 직접 이용하다가 저장된 열이 소진돼 공급온도가 낮아지면 하이브리드 히트펌프의 증발열원으로 활용해 온열을 생산한다. BTES 계간축열조에 저장된 열원은 BTES 연계 히트펌프의 증발열원으로 활용해 온열을 생산한다. 태양열시스템, 계간축열조, 히트펌프 등으로부터 공급되는 온열이 부족한 경우를 대비해 보조열원 설비를 배치한다.
하절기에는 환기나 차양 등 수동적인 자연냉방을 위주로 하며 부족할때는 지열원 히트펌프 등을 이용해 냉열을 생산해 공급하는 것을 우선으로 한다.
지열원 히트펌프로부터 공급되는 냉열이 부족한 경우 하이브리드 히트펌프와 BTES 히트펌프를 냉각탑이나 공기열원을 응축열원으로해 냉열을 생산해 공급한다. 가공시설에서 필요한 온수는 TTES 계간축열조로부터 공급하며 간절기 온실에서는 주간시간대 냉방을 하며 야간시간대는 난방이 필요한 경우에도 대응가능하다. 히트펌프를 이용해 냉방을 하고 TTES 계간축열조를 이용해 난방을 하는 것이다.
■구체적 실증내용은
태양광이나 태양열 및 BTES를 활용한 요소기술들이 확실한 에너지 비용절감 효과를 내서 초기 설치비용에 대한 지원만 있다면 경제적인 성과를 얻을 수 있다는 결과를 얻었다.
원래는 BTES를 온실 하부가 아닌 다른 유휴부지 지하에 매설을 했는데 온실 지하에 설치하는 모델로 하면 온실 내부가 단열재 역할을 하며 단열시공 공사비용도 절감이 가능하다.
온실 내부공간에 따라 더 많은 축열공간을 확보할 수 있으며 온실내부와 축열조 간에 자연스러운 열교환도 가능하다는 결과를 자체 분석을 통해 얻어냈다.
또한 여주온실은 신재생에너지를 활용해도 수확량은 화석에너지를 사용하는 온실과 비슷한 결과도 얻었다. 온실 냉난방성능도 외기온이 비슷한 조건에서 온실의 무냉방조건과 냉방조건의 주간내부온도를 비교한 결과 냉방조건일 때 온도가 무냉방조건일때보다 최대 약2℃ 정도 낮게 나타나 냉방효과가 있는 것으로 나타났다.
■앞으로 연구계획은
현재 하고있는 중점분야가 신재생에너지와 관련된 건물도시·산업공정별시스템이다. 건물에 신재생에너지를 융합해서 활용하는 연구와 부산의 에코델타 스마트시티 연구를 진행하고 있다. 에너지연에 있는 신재생에너지 실증연구마을 조성에도 참여하고 있다. 건물 벽체 일체형으로 된 PVT도 개발하고 있으며 기후변화 적응 에너지기술도 연구하고 있다.
중요한 것은 기후변화가 어떻게 벌어질 것인지가 문제인데 에너지공급분야 입장에서는 신재생에너지를 써서 에너지자립율을 높이는 것도 중요하지만 감염병으로부터 지켜줄 수 있는 건물을 만드는 것도 중요하다. 이와 함께 여름에는 더 더워지고 겨울에는 더 추워질 수 있기 때문에 연료비 측면에서 저소득층이나 취약계층이 기후변화에 어떻게 적응하게 만들 것인지도 중요하다. 앞으로 연료비 절감과 기후변화로부터 지속가능한 미래를 위해 더욱 노력하겠다.
