날씨·계절변화 상관없이 토마토 ‘쑥쑥’…연중 전기생산-냉·난방 ‘스마트팜’ 구현

기계연, 연료전지-태양열-히트펌프 등 열병합발전시스템 구축
재생에너지 기반 3중 열병합...연중 최적 생육환경 조성 기여

기계연 연구진들이 온실 3중 열병합발전 시스템을 적용한 스마트팜에서 재배되는 토마토 생육상태를 관찰하고 있다. 기계연 제공

수소연료전지, 태양열, 히트펌프 등 다양한 열원을 스마트 온실에 적용할 수 있는 열병합발전시스템이 개발됐다. 기존 온실용 시스템 대비 이산화탄소 배출량은 절반 이상 낮추고, 운영비도 3분의 1 가량 절감할 수 있어 에너지 자립과 탄소중립에 기여할 것으로 기대된다.

한국기계연구원은 이상민·김영상·박진영 박사 연구팀이 신재생에너지 기반 복합열원을 적용한 ‘온실 3중 열병합발전 시스템’을 개발해 661㎡(200평) 규모의 스마트 온실에 적용했다고 16일 밝혔다.

기존 온실 냉난방시스템은 주로 태양열이나 지열과 같은 단일 재생에너지를 기반으로 설계돼 날씨와 계절 변화에 따라 에너지 공급이 불안정하거나, 운전 효율이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 수소 고분자전해질막 연료전지(PEMFC), 공기열원을 활용한 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식 냉동기 등을 연계해 전기를 생산하고 이때 발생하는 열을 냉난방에 활용하는 온실 3중 열병합시스템을 개발했다.

주간에는 태양열을 이용하고 야간이나 비가 올 때는 연료전지와 히트펌프를 조합해 운전함으로써 전력과 냉난방 에너지를 계절별, 시간대별로 효율적으로 생산하고 유연하게 공급할 수 있다.

특히 겨울철에는 연료전지와 배열과 태양열 집열기에서 발생한 열에너지를 온수 형태로 온실에 공급해 작물의 생육환경을 조성하고, 여름철에는 생산된 온수를 흡착식 냉동기의 열원으로 활용해 냉열을 온실에 공급한다. 혹한이나 폭염 시에는 히트펌프를 통해 온실의 냉난방을 보조한다.

기계연이 개발한 온실 3종 열병합발전 시스템. 기계연 제공

개발한 시스템은 전주 농촌진흥청 국립농업과학원 내 스마트 온실에 적용한 결과, 기존 온실용 히트펌프 시스템 대비 운영비 36.5%, 이산화탄소 배출량 58.1%가 줄었다. 또한 지난 1월에 심은 토마토가 4m까지 자라는 등 6개월 이상 안정적으로 재배되고 있다.

이상민 기계연 미래농생명공학연구단장은 “온실 3중 열병합발전 시스템은 외부 기상 조건에 영향을 받지 않고 발전이 가능하며, 특정 열원에 대한 의존도가 낮아 계절변화 등 냉난방 수요의 변동성이 큰 우리나라 환경에 적합하다”며 “신재생에너지를 기반으로 한 온실 농업 에너지 자립에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

박진영 무탄소발전연구실 선임연구원은 “수소연료전지를 스마트팜에 최초로 적용한 사례로, 자체 발전한 전기를 온실에서 운용할 수 있어 경제성이 높다”고 밝혔다.

한편 기계연은 지난 2월 ‘미래농생명공학연구단’을 설치하고, 농업 분야 에너지·자원 기술과 디지털 전환(DX) 기반 소재·부품·장비 기술 등 농생명 미래 원천기술 개발에 주력하고 있다.

온실 3중 열병합발전 시스템이 적용된 스마트팜에서 토마토가 재배되고 있다. 기계연 제공

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr