전 세계가 기후변화 속도를 늦추기 위해 힘을 모으고 있지만 산업의 방향은 탄소중립이나 에너지절감과는 다른 방향으로 나아가고 있다. 기후위기 속 전 세계 농작물은 기존처럼 생산되지 않고 있다. 생산된 작물이나 식품의 안전한 운송관리도 중요해지고 있다. 이런 변화 속 식량안보가 중요한 화두로 떠오르며 식물공장 등 스마트팜 산업도 각광받고 있다.산업통상자원부와 한국에너지기술평가원은 2024년 제2차 에너지수요관리핵심기술개발사업으로 ‘미활용에너지 활용 에너지절감형 식물공장 시스템 개발 및 실증’ R&D를 선정해 총 55개월간 과제를 진행한다.
이윤빈 전 에기평 효율향상PD를 만나 2024년 6월부터 진행되고 있는 과제를 중심으로 식물공장 산업동향 및 식물공장을 통한 미활용에너지 활용가능성에 대해 들어봤다. 향후 식량위기 대응과 고효율·탄소중립이란 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 핵심방향성을 나눴다.
▎ 국내 미활용에너지 규모는
글로벌 컨설팅사에서 발표한 자료에 의하면 전 세계 사용가능한 미활용열에너지는 3100TWhth가 넘는 상당한 규모로 파악된다. 이 값에 한국이 전 세계 GDP에서 차지하는 비율을 적용하면 한국의 미활용에너지는 50TWhth 규모로 산출된다. 상당한 규모이며 향후 다양한 기술들을 적용해 미활용에너지 활용정도를 높인다면 에너지사용량 절감 및 탄소배출저감에 동시에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
▎ 미활용에너지의 식물공장 등 활용방향성은
국내는 산업폐열이나 건물배열과 같은 미활용에너지 잠재량이 크다. 일반적으로 폐열을 활용한다고 하면 배열이나 폐열을 열교환을 통해 온열로 사용하는 방안만 많이 고려된다. 난방만을 사용하는 폐열활용으로는 식물공장 경제성 개선이 제한적이다.
식물공장 에너지수요는 난방보다는 냉방과 제습 비중이 크기 때문에 이 과정에서 미활용에너지를 적극적으로 활용하는 것이 중요하다. 이를 바탕으로 2024년 ‘미활용에너지 활용 에너지 절감형 식물공장 시스템 개발 및 실증’과제가 고안됐다. 이번 과제를 통해 기술이 개발돼 실증을 통해 실효성까지 확보할 수 있을 것이라고 기대한다.
▎ 식물공장 기술개발‧실증 R&D가 선정된 배경은
에너지절감과 탄소중립이 중요하다는 것은 대부분의 사람들이 동의한다. 하지만 산업발전은 일반적인 건물들에서 소비되는 에너지보다 훨씬 많은 양의 에너지를 소비하는 에너지다소비건물들이 늘어나는 방향으로 나아가고 있다.
계산과 데이터량 증가로 인한 데이터센터도 에너지다소비 건물이며 수직형 식물공장도 대표적인 에너지다소비건물이다. 현재 도시농업 수요가 증가하면서 식물공장 시장이 급격한 성장세에 올랐다. 안정적 농산물 확보 및 IT·로봇기술을 적용한 생산성 향상과 더불어 신선식품 시장확대로 인한 물류혁신이 동력이 되고 있다.
농작물재배에 관한 연구인 스마트팜에 대한 기술개발 지원은 2010년부터 시작됐다. 하지만 에너지절감을 위한 수요관점 노력은 아쉬운 부분이 있었다. 높은 층고의 물리적인 공간을 특징으로 하는 수직형 식물공장은 기존 스마트팜보다는 자동화와 에너지관점에서 고민이 중요하다. 인공적 생육환경을 만들기 위해 원가의 40%에 가까운 비용이 에너지소비에 할애된다는 점을 고려하면 생산한 농작물의 가격경쟁력 확보뿐만 아니라 국가 에너지관점에서도 전략적 접근이 필요하다.
관련 시장이 단단하게 기반을 다지며 확실한 방향성을 갖고 성장하기 위해선 기술적 검토와 정밀한 고민의 과정인 R&D가 필요하다는 판단이 있었다. 수직형 식물공장 성패는 적절한 자동화와 에너지 비용절감에 달려있다.
▎ 과제 특징은
에너지효율향상부문 R&D과제는 고효율과 저탄소를 동기화할 수 있는 기술개발이 핵심이다. 해당과제는 ‘고효율저탄소 동기화’와 가장 정합성이 높은 대표 과제라고 할 수 있다. 인공조명을 사용하는 식물공장의 전기에너지 소비와 식물공장의 냉방 및 제습에 요구되는 에너지소비량 절감을 실현할 수 있다.
수직형 식물공장은 에너지투입량을 줄이면서 작물재배 환경을 조성할 수 있는 설비시스템 기술개발이 중요하다. 열유동관점에서 보면 높은 층고를 갖는 공간에서 균일한 환경을 유지하기 위한 제어방법을 개발해 수직형 고밀도재배를 효과적이면서도 효율적으로 구현할 수 있는 기술개발을 핵심으로 한다.
연중가동을 위해 사계절에 따른 식물공장 에너지 효율최적화를 위한 시스템 구성 및 운전기술 확보가 필요하다. 또한 폐열·배열 등 미활용에너지기반 식물공장 에너지 시스템구현을 통해 미활용에너지 활용과 식물공장 에너지 사용량 절감을 이뤄야한다. 이를 통해 경제성과 사업성 제고라는 핵심목표를 동시에 달성하도록 과제를 구성했다. 에너지효율 관점에서 볼 때 식물공장을 대상으로 한 고효율의 공조·설비분야 기술확보는 필수적이다.
과제 공고 시 제시된 핵심목표는 △미활용에너지 미적용 시 단위생산량 당 에너지소비량 △미활용에너지 적용 시 단위생산량당 에너지소비량 △미활용에너지 활용비율 △실증운전 누적시간 등이며 각 목표들이 모두 중요하다. 실증과제가 진행되면서 핵심목표를 하나씩 달성해 가면서 수직형 식물공장의 사업화에 한층 가까워질 수 있을 것이다.
▎향후 도심형 식물공장 전망은
식물공장은 외부환경의 영향을 받지 않으면서 식물 재배에 필요한 빛·공기·온도·습도·양분 등을 인위적으로 조절해 농산물을 생산하는 시설로서 계획적인 농산물생산이 가능하다는 장점을 갖는다. 이 때문에 세계 각국에서 관심이 집중되고 있다. 일본은 도쿄 근교와 나고야지역 등에서 수직형 식물공장을 위한 건물 설치가 검토되고 있으며 유럽에서도 수직형 식물공장의 경제성을 높이는 방향으로 다양한 노력이 진행 중이다.
도심형 식물공장은 정밀농업의 발전된 버전 중 하나로 볼 수도 있다. 지능형 조명·자동화·로봇기술 등을 접목해 생산성을 높여 전통산업군을 최첨단 고부가가치 산업군으로 재탄생시키는 과정이다. 다수의 기업이 AI와 데이터활용을 적극적으로 적용해 사업성을 높여가고 있다.
글로벌 식물공장 시장은 2021년 기준으로 건물형 수직농장(Building-based)의 경우 28억달러이며 컨테이너형 수직농장(Shipping container-based)은 4억달러 규모로 총 32억달러 규모로 파악된다. 2026년에 97억달러 규모로 성장해 25.0%의 높은 연평균성장률을 보일 것으로 발표된 바 있다. 물론 식물공장의 성장여부는 도심 내 신선식품 공급 필요성 증대 및 에너지 효율적 운영기술로 지속가능성을 어느 정도 확보하는가에 크게 좌우될 수 있다.
Fifth Season, GlowFarms, AeroFarms에 이어 미국 뉴욕에 본사를 둔 Bowery Farming까지 현실의 벽에 부닥친 다수의 사례가 있다. 수직형 식물공장의 시설개발과 구축 및 운영비용 등 경제성 이슈가 문제의 중심인 것으로 알려져 있다. 식물공장도 다른 산업부문과 유사하다. 맹목적인 자동화나 시설 대규모화 및 에너지밸런스에 대한 정밀분석 부재 등은 결국 부메랑이 돼 돌아올 수밖에 없다. 수요에 맞춘 적정규모와 에너지 비용절감을 위해 최적의 설계 및 시장·유통 간 긴밀한 연계 같은 문제들이 필수적으로 해결돼야 한다.
