한국기계연구원(이하 기계연)은 신재생에너지 복합열원을 활용해 농업 분야의 에너지 자립과 탄소저감을 동시에 달성할 수 있는 통합 에너지 플랫폼을 개발해 실증에 성공했다고 16일 밝혔다.

기계연에 따르면 미래농생명공학연구단 이상민 단장과 무탄소발전연구실 김영상 책임연구원, 박진영 선임연구원 연구팀이 연료전지, 태양열, 히트펌프, 흡착식 냉동기를 통합한 ‘온실 3중 열병합발전 시스템’을 개발하고 이를 60.5㎡ 규모의 스마트 온실에 세계 처음으로 적용했다.

온실 3중 열병합발전 시스템은 수소 고분자전해질막 연료전지(PEMFC), 공기열원 활용 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식 냉동기를 연계해 전기를 생산하고 이때 발생하는 열을 냉방 및 난방에 활용하는 기술이다.

주간에는 태양열을 이용하고 야간 및 일사량 부족 시에는 연료전지와 히트펌프를 조합해 운전하는 등 전력 및 냉난방 에너지를 계절별, 시간대별로 효율적으로 생산하고 유연하게 공급할 수 있다.

겨울철에는 연료전지 배열과 태양열 집열기에서 발생한 열에너지를 온수 형태로 온실에 공급하고, 여름철에는 생산된 온수를 흡착식 냉동기의 열원으로 활용해 냉수를 생산하고 스마트 온실로 공급한다. 특히 혹한 및 폭염의 날씨에 대응하기 위해 공기열원 히트펌프를 사용해 스마트 온실의 냉난방을 보조하는 것이 시스템의 핵심 구조다.

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

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

이상민 기계연 미래농생명공학연구단 단장은 “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 “수소 연료전지를 스마트팜에 적용한 최초의 사례로 신재생에너지를 기반으로 한 온실 농업 에너지 자립에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

김형중 기자 kimhj@ggilbo.com