한국기계연구원(이하 기계연)이 신재생에너지 복합열원을 활용해 농업 분야 에너지 자립과 탄소저감을 동시에 실현할 통합 에너지 플랫폼을 개발했다.
이 기술은 기존 온실시스템보다 이산화탄소 배출량을 절반 이하로 낮추고 운영비도 1/3 이상 절감할 수 있다.
기계연 미래농생명공학연구단 이상민 단장과 무탄소발전연구실 김영상·박진영 박사 연구팀은 연료전지, 태양열, 히트펌프, 흡착식 냉동기를 통합한 ‘온실 3중 열병합발전 시스템’을 세계 최초로 개발, 660㎡(200평) 규모 스마트 온실에 적용하는 실증을 완료했다.
이 시스템은 수소 고분자전해질막 연료전지(PEMFC), 공기열원 활용 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식 냉동기를 연계해 전기를 생산하고, 이때 발생하는 열을 냉방 및 난방에 활용하는 것이 핵심이다.
이를 통해 주간에는 태양열을 이용하고 야간 및 일사량 부족 때는 연료전지와 히트펌프를 조합해 운전하는 등 전력 및 냉난방 에너지를 계절별, 시간대별로 효율적으로 생산하고 유연하게 공급할 수 있다.
기존 온실 냉난방 시스템은 주로 태양열이나 지열의 단일 재생에너지 기반으로 설계돼 날씨 변화에 따라 에너지 공급이 불안정하거나 계절에 따른 운전효율 저하 한계가 있다. 또 배열 활용이 가능한 연료전지 시스템은 대부분 건물이나 산업 분야에 국한됐다.
기계연 연구팀은 이런 한계를 극복하고자 연료전지, 히트펌프, 태양열을 복합 연계하는 방식을 적용했다.
이는 겨울철 연료전지 배열과 태양열 집열기에서 발생한 열에너지를 온수 형태로 온실에 공급해 작물 생육환경을 조성한다.
반면 여름에는 온수를 흡착식냉동기 열원으로 활용해 냉수를 생산하고 스마트 온실로 공급한다.
여기에 혹한 및 폭염의 날씨에 대응하기 위해 공기열원 히트펌프를 사용, 스마트 온실의 냉난방을 보조하는 시스템을 갖췄다.
연구팀은 다중 열원 간 상호 보완구조 및 통합제어기술을 설계해 열원 간 의존도를 낮추면서도 에너지 대응 안정성을 극대화했다.
이를 위해 단계별 출력 조절이 가능한 연료전지, 사용전력 대비 5.2배 이상 온열을 생산할 수 있는 온도 상승용 히트펌프, 연료전지 발전 용량에 맞는 공기열원 히트펌프, 주간 일사를 활용하는 태양열 집열기를 개발하고 실시간 에너지 흐름 모니터링 및 제어가 가능한 운영 시스템을 구축했다.
또 기존 흡수식 냉동기 대비 20℃ 낮은 65~70℃의 저온 열원으로 냉수 생산이 가능한 흡착식 냉동기를 적용했다.
이는 태양열 및 연료전지에서 생성된 온수를 흡착식 냉동기의 열원으로 활용해 냉수를 생산하고 이를 30톤급 축열조에 축냉해 온실에 냉열을 공급하는 원리다.
이 시스템은 기존 온실용 히트펌프 시스템 대비 운영비를 36.5%, 이산화탄소 배출량을 58.1% 줄이는 성능을 확보했다.
기계연은 이 시스템을 전북 전주시 농촌진흥청 국립농업과학원 온실에서 실증, 토마토를 6개월 이상 안정적으로 재배하고 있다.
이 단장은 “온실 3중 열병합발전 시스템은 외부 기상 조건에 영향을 받지 않고 발전이 가능하며 특정 열원에 대한 의존도가 낮아 계절변화에 따른 냉난방 수요 변동성이 큰 우리나라 환경에 적합하다”며 “수소 연료전지를 스마트팜에 적용한 최초 사례로 신재생에너지 기반 온실농업 에너지 자립에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 설명했다.
한편, 기계연은 농생명 분야 미래 원천기술 개발 및 국내외 리더십을 확보하기 위해 지난 2월 미래농생명공학연구단을 신설, 농업 에너지·자원 기술과 DX 기반 소부장 등 미래 농생명공학 기술을 선도하기 위해 매진하고 있다.
온실 3중 열병합발전 시스템은 기계연 미래농생명공학연구단 및 친환경에너지연구본부 무탄소발전연구실의 협업으로 개발했고, 농촌진흥청 그린수소기반 농업시설 에너지 공급시스템 개발 및 실증(수소연료전지 3중 열병합발전 시스템 농업모델 개발) 및 (재)스마트팜연구개발사업단 스마트팜 다부처 패키지 혁신기술개발사업(신재생에너지 및 복합열원 등을 활용한 온실에너지기술 상용화)으로 수행됐다.
