기계연, '온실 3중 열병합발전 시스템' 실증 성공

신재생에너지 복합열원 활용… 전주서 6개월간 실증
이산화탄소 배출량 50% 이상·운영비 1/3 이상 줄여

한국기계연구원은 전북 전주시 농촌진흥청 국립농업과학원 내 실증 200평 규모 온실에서 '온실 3중 열병합발전 시스템'을 적용해 토마토를 6개월간 재배하고 있다. 한국기계연구원 제공

한국기계연구원이 신재생에너지 복합열원을 활용해 기존 시스템 대비 이산화탄소 배출량을 절반 이상, 운영비도 30% 이상 줄인 통합에너지 플랫폼 실증에 성공했다.

16일 기계연에 따르면 미래농생명공학연구단 이상민 단장과 무탄소발전연구실 김영상 책임연구원, 박진영 선임연구원 연구팀은 연료전지, 태양열, 히트펌프, 흡착식 냉동기를 통합한 '온실 3중 열병합발전 시스템'을 개발하고 이를 200평 규모 스마트 온실에 적용했다.

온실 3중 열병합발전 시스템은 수소 고분자전해질막 연료전지, 공기 열원 활용 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식 냉동기를 연계해 전기를 생산, 이때 발생하는 열이나 전기 등을 냉방 및 난방에 활용하는 기술이다.

연구팀은 다중 열원 간 상호 보완 구조 및 통합 제어기술을 설계해 열원 간의 상호 의존도를 낮추면서도 에너지 대응 안정성을 극대화했다.

단계별 출력 조절이 가능한 연료전지, 사용전력 대비 5.2배 이상 열을 생산할 수 있는 온도 상승용 히트펌프, 연료전지 발전 용량에 맞는 공기열원 히트펌프, 주간 햇볕을 활용한 태양열 집열기 등을 개발하고 실시간 에너지 흐름 모니터링 및 제어가 가능한 운영 시스템을 구축했다. 또 기존 흡수식 냉동기 대비 약 20℃ 낮은 저온 열원(65-70℃)으로도 냉수 생산이 가능한 흡착식 냉동기를 시스템에 적용했다.

개발한 시스템은 기존 온실용 히트펌프 시스템 대비 운영비를 36.5%, 이산화탄소 배출량을 58.1% 감소시켰으며 현재 개발 시스템이 적용된 전북 전주시 농촌진흥청 국립농업과학원 내 실증 200평 규모 온실에서 토마토를 6개월 이상 안정적으로 재배하고 있다.

이상민 단장은 "온실 3중 열병합발전 시스템은 외부 기상 조건에 영향을 받지 않고 발전이 가능하며 특정 열원에 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 밝혔다.

전북 전주시 농촌진흥청 국립농업과학원 내 복합열원을 적용한 온실 3중 열병합발전 시스템 실증 시험 현장. 한국기계연구원 제공