한국지열·수열에너지학회는 10월10일 추계학술대회 특별세션으로 ‘미활용에너지 식물공장’을 진행했다고 밝혔다. 전용석 아주대학교 교수가 좌장을 맡았으며 총 5편의 논문이 발표됐다.
‘미활용에너지 식물공장’ 특별세션은 △도시형 식물공장에 미활용에너지원을 적용하기위한 방법 연구(김민준 한국냉동공조인증센터 수석연구원) △식물공장 CO₂ 시비화 연구사례(신명재 조선대 기계공학과 석사과정) △유출지하수 이용 시스템적용 사례(정대규 신성엔지니어링 신재생환경사업부 팀장) △CFD를 활용한 축열조 디퓨저의 기하변수별 축방열 영향성 분석(최성민 조선대 기계공학과 학부과정) △복합열원 적용 2종 열원 이상의 히트펌프 실증사례 분석(류상범 수에너지 CTO) 등의 발표로 구성됐다.
도시형 식물공장 소비에너지 분석김민준 한국냉동공조인증센터 수석연구원은 ‘도시형 식물공장에 미활용 에너지원을 적용하기 위한 방법 연구’를 주제로 발표했다. 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원이 주관하는 에너지수요관리 핵심기술개발사업 ‘미활용에너지 활용 에너지절감형 식물공장시스템 개발 및 실증과제’를 통해 진행된 연구다.
서울 양재동에 위치한 도심형 식물광장에 설치된 설비를 분석했으며 미활용에너지 활용가능성에 대해 확인하는 데 집중했다. 식물공장은 일정한 시설 내에서 빛‧온도‧습도‧양액조성‧대기공기 농도 등 재배환경을 인공적으로 제어해 계절이나 장소에 관계없이 농작물은 연속 생산하는 농업을 말한다.
외부 환경에 영향을 받지 않아 균일하게 고품질의 농산물을 생산할 수 있다.
하지만 인공적인 생장환경을 조성하기위해 많은 에너지가 소비되고 있다. 이를 개선하고자 식물공장에서 사용하는 에너지소비를 줄여 재배식물의 경제성을 높이기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.
김 수석연구원은 “도심에서 식물공장을 운영하기 위한 조건으로는 내부온도를 연중 20~24℃ 범위로 일정하게 유지해야 하며 하루에 16시간은 주간부하 운전으로, 8시간은 야간부하 운전으로 LED를 점등해줘야 한다”라며 “물 온도유지도 중요한데 분석을 진행한 사이트는 평균적으로 20℃에서 플러스마이너스 2℃를 오가는 정도의 물을 계속 공급하고 있었다”고 말했다.
일반적으로 도시형 식물공장에는 △전기판넬 △기류 팬 △양액기 △CO₂시비 △환기팬 △LED 등 △냉난방설비 △대형 제습기 △공급수 온도조절장치 등의 설비가 구축된다.
김 연구원은 “기본적인 구축설비를 토대로 소비에너지량을 파악했을 때 실질적으로 약214㎡(65평)규모 재배면적을 가진 식물공장에는 약 41kW가 소비되는 것을 확인할 수 있었다”라며 “향후에는 도시형 식물공장에 미활용에너지 적용방안을 찾고자 구체적인 에너지소비량 조사를 진행할 계획”이라고 밝혔다.
운영설비 에너지소비량을 분석하기 위해 고정전력과 변동전력으로 분류해 에너지소비패턴 조사‧분석을 계획했으며 식물공장 주위 미활용에너지를 조사해 적용방법을 검토한다. 이후 △기존 식물공장에서 사용되는 총에너지량 △미활용에너지 적용 후 식물공장 운영 시 소비되는 총에너지량 등을 각각 분석 후 미활용에너지 활용비율을 산출할 계획이다.
순수한 CO₂ 확보방안 연구 필요신명재 조선대 학생은 ‘식물공장 CO₂ 시비화 연구사례’를 발표했다. ‘미활용에너지 활용 에너지절감형 식물공장시스템 개발 및 실증과제’를 통해 진행된 연구이며 현재 과제시작 초기단계로 참고로 삼을 연구사례들을 소개했다.
신 학생은 “CO₂ 시비화(CO₂ dioxide fertilization)는 인위적인 공기환경에 탄산가스를 공급해 농작물생육을 촉진시키는 것으로 식물공장에서 생육과 수확증대를 위해서 필수적인 기술”이라며 “CO₂ 시비화는 작물의 광합성속도를 개선시켜 품질과 수량을 증대시킬 수 있다”고 설명했다.
발표에서 소개된 선행연구사례는 △CO₂를 적용한 스마트팜 조명기기의 열관리 성능향상에 관한 연구(신봉규 외 5인, 2024) △저온열원 구동 CO₂포집재를 이용한 식물재배에 관한 연구(이재원 외 5인, 2024) △아파트의 연료 콜 스마트 팜 연결에 관한 연구(하상우 외 4인, 2022) 등 이었다.
신 학생은 “세 편 사례를 살폈을 때 식물공장에 DAC와 연료전지를 통한 CO₂ 공급기술을 접목할 시 작물 생장촉진에 기여될 것으로 판단된다”라며 “하지만 배가스의 경우 NOx와 SOx가 혼합된 CO₂이므로 순수한 CO₂를 얻기 위한 연구가 더 필요하다”며 앞으로의 과제방향성을 설명했다.
유출지하수 활용 하수도요금 절감정대규 신성엔지니어링 신재생환경사업부 팀장은 ‘유출지하수 이용 시스템 적용사례’를 발표했다.
현재 많은 현장들이 지하를 개발하면서 상당량의 지하수가 유출되고 있다. 2020년 기준유출지하수는 전국에서 연간 1억4,000만톤 이상 발생했으며 이는 팔당댐 저수용량 2억4,000만톤의 60%에 버금간다. 이에 따라 환경부는 ‘유출지하수 활용확대 종합대책’을 마련하는 등 법제화를 시도하고 있다.
정 팀장은 “버려지는 지하유출수를 냉난방에 활용했을 시 발생할 경제적 효과나 새로운 시장에 대한 관심으로 과제를 시작했다”라며 “강동구 고덕동에 있는 1만8,000여평 규모 건물에서 유출지하수활용 시스템을 적용했다”고 설명했다.
초기계획 당시에는 지열시스템 활용안으로 △업무‧판매시설 및 지열시스템 예비열원으로 적용 △지열시스템 효율향상을 위한 지열시스템과 유출지하수 열교환 방안 △히트펌프를 통한 온천수 예열용 △냉각탑 보급수 공급방안 등을 검토했다.
적용결과 지층에서 열을 회복하는 지열시스템이지만 유출지하수 추가열교환을 통해 히트펌프 COP를 향상시킬 수 있었다. 이는 연간 운전비 절감효과를 얻을 수 있는 방법으로 파악됐다. 또한 예비열원 적용과 지열시스템 열교환 열원으로 적용하면서 연간 운전비 절감이 가능하다는 것도 확인할 수 있었다.
정 팀장은 “하지만 실제 설계에 들어가면서 유출지하수가 2,000톤에서 1,000톤으로 줄어들었으며 공사비 상승 등의 이유로 규모가 축소된 상황”이라며 “이번 적용사례를 통해 유출지하수를 냉난방열원으로 사용하며 조경수‧하천‧유지용수 등으로 사용한다면 하수도요금 절감효과를 얻을 수 있다는 것을 확인했다”고 말했다.
열매체 저장 온축열조 효율적 활용고민 최성민 조선대 학생은 ‘CFD를 활용한 축열조 디퓨저의 기하변수별 축방열 영향성 분석’을 통해 식물공장 운영 시 효율적 에너지사용에 대해 발표했다.
온축열조는 재생에너지 또는 생활폐열을 열매체에 저장해 온수 및 급탕과 같이 집중수요가 발생하는 시간 때의 부하대응과 설비의 빠른 응답대응을 위한 보조설비로 사용된다.
식물공장은 식물을 재배할 수 있는 일정한 환경을 유지하기 위해 많은 에너지가 소비된다. 이 때문에 식물공장 운영비 저감에 있어서는 미활용에너지를 저장해 적극적으로 사용할 필요가 있다. 이러한 관점에서 온축열조는 생활폐열의 저장 및 활용에 핵심장치로 활용된다.
최 학생은 “온축열조 제작과 효율적인 축방열운전을 위해서는 축방열과정에서 축열조의 온도 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다”라며 “이번 연구에서는 방열과정에서 평판형 디퓨저를 포함한 온축열조 운전특성에 대해 CFD해석을 수행했다”고 말했다.
해석에 사용된 축열조는 직경 400mm, 높이 800mm 크기를 갖는 온축열조를 선정해 연구를 진행했다. 온축열조의 초기온도는 60°C로 설정했으며 방열과정 동안 방열온도는 20°C, 질량유량은 0.03kg/s, 단열상태로 해석을 진행했다.
그 결과 평판형 디퓨저 존재는 방열 시 축열조로 유입되는 열매체가 코안다 효과(Coanda effect)로 인해 성층화를 유발하며 이로 인해 방열과정 동안 성층화가 명확히 발생함을 확인할 수 있었다.
2가지 재생에너지 활용 시스템개발류상범 수에너지 CTO는 ‘복합열원 적용 2종 열원 이상의 히트펌프 실증사례 분석’을 주제로 발표했다.
전 세계적인 탄소중립 경향에 따라 에너지효율 극대화를 위한 재생에너지 사용이 권장되고 있다. 에너지수요측면에서 특히 대도시를 중심으로 가정 및 산업용 냉난방‧급탕 등 열수요가 급증하는 추세다. 이에 따라 건물에서 에너지사용량 및 각 용도별 에너지사용형태를 분석해 정책 및 기술개발에 활용하는 것이 중요해지고 있다.
류 CTO는 “열원특성을 분석하며 복합열원을 이용해 시스템구성 및 검증을 진행하려고 한다”라며 “이번 연구를 통해 재생에너지 2가지 열원을 설계해 안정성있는 시스템 도입에 도움이 될 것”이라고 말했다.
현재 복합열원 2종 열원 히트펌프시스템의 운전이 가능하며 최적 온도조건을 적용해 성능계수가 증가하는 것을 확인했다. 또한 리사이클탱크의 열원공급수 온도제어(다중 열원포함)와 히트펌프의 최적온도를 분석하면 히트펌프의 최적 성능을 도출할 수 있다는 것도 확인해 향후 연구를 확장해나간다는 계획이다.
