더위에 줄어든 농사 일수, 기계연 '온실 3중 열병합발전'으로 저탄소 냉난방 공급

수소연료전지·태양열·히트펌프 복합열원 기반 시스템 개발
전주 농촌진흥청 국립농업과학원 내 스마트온실서 실증 중
"계절 변화, 냉난방 수요 변동성 큰 우리나라 환경에 적합"

기계연 연구진이 개발한 신재생에너지 복합열원을 실증 중인 전북 국립농업과학원 내 스마트온실에 토마토가 매달려 있다. 사진=임효인 기자

"기후위기 때문에 온도가 계속 올라가서 여름 작물 재배 기간이 점점 줄어들고 있습니다. 이 시스템은 전기를 통해 냉난방하는 게 아니라 신재생에너지를 통해 냉난방할 수 있는 게 가장 큰 장점입니다."

한국기계연구원(기계연) 연구진이 신재생에너지 복합열원을 활용해 농업 분야 에너지 자립과 탄소저감을 동시에 달성할 수 있는 통합 에너지 플랫폼을 개발했다. 이상민 미래농생명공학연구단장은 이 기술을 활용하면 기존 온실용 시스템보다 이산화탄소 배출량을 절반 이상 낮추고 운영비도 3분의 1가량 낮출 수 있다고 설명했다.

15일 오전 전북 전주 농촌진흥청 국립농업과학원 내 스마트온실엔 줄기마다 토마토가 주렁주렁 매달려 여물고 있었다. 토마토가 심어진 200평 규모의 온실 온도는 28도가량으로, 온실 아래 긴 원통 덕트에서 시원한 바람이 나오며 온도를 유지했다. 일반 농가에선 토마토 농사를 마친 시기지만 이곳은 온도를 일정 수준으로 유지하며 수확이 가능하다.

온실 밖 바로 앞에 구축된 온실 3중 열병합발전 시스템은 이러한 온실의 온도를 맞추는 데 역할을 한다. 수소 고분자전해질막 연료전지, 태양열 집열기, 흡착식 냉동기를 연계해 전기를 생산하고 이때 발생하는 열을 냉방과 난방에 활용하는 기술이다. 낮 시간엔 태양열을 이용하고 밤이나 일사량이 부족할 땐 연료전지와 히트펌프를 조합해 운전하며 전력과 냉난방 에너지를 계절별·시간대별로 유연하게 생산·공급할 수 있다.

겨울철엔 연료전지 배열과 태양열 집열기에서 발생한 열에너지를 온수 형태로 온실에 공급해 작물의 생육환경을 조성한다. 여름엔 생산된 온수를 흡착식 냉동기의 열원으로 활용해 냉수를 생산하고 스마트온실로 공급한다. 추가로 혹한과 폭염에 대응하기 위해 공기열원 히트펌프를 사용해 스마트온실의 냉난방을 보조하는 것이 시스템의 핵심 구조다.

기계연 미래농생명공학연구단과 친환경에너지연구본부 무탄소발전연구실이 함께 개발한 이 시스템은 기존 온실용 히트펌프 시스템 대비 운영비 36%, 이산화탄소 배출량 58%를 각각 감축할 수 있다.

다만 초기 구축 비용이 많이 들어 일반 농가 상용화까지는 단기간 내 쉽지 않을 것으로 보인다.

이상민 단장이 신재생에너지 기반 온실 3중 열병합발전 시스템에 대해 설명하고 있다. 사진=임효인 기자

이상민 단장은 "온실 3중 열병합발전 시스템은 외부 기상 조건에 영향을 받지 않고 발전이 가능하며 특정 열원에서 대한 의존도가 낮아 계절 변화 등 냉난방 수요의 변동성이 큰 우리나라 환경에 적합하다"며 "수소 연료전지를 스마트팜에 적용한 최초의 사례로, 신재생에너지를 기반으로 한 온실 농업 에너지 자립에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

박진영 무탄소발전연구실 선임연구원은 "기존 시스템 대비 안정적이면서도 높은 에너지 효율을 달성했다"며 "연료전지로 자체 발전한 전기를 온실에서 운용할 수 있어 경제성이 높다"고 말했다. 전주=임효인 기자