기계연, 친환경 고효율 '온실 3중 열병합 발전시스템' 실증 성공

온실 3중 열병합발전 시스템이 적용된 온실에서 자라는 토마토. 한국기계연구원 제공.

"친환경적이고 에너지 효율이 높은 온실에서 토마토를 키우고 있습니다." 설명을 들으며 들어선 스마트팜 내부에는 빨강, 노랑, 초록 등 다양한 색의 튼실한 토마토가 주렁주렁 매달려 있다. 환하게 조명이 켜진 온실에서는 바깥의 부슬부슬한 비와 먼지, 그리고 습도가 느껴지지 않았다. 200평 규모의 잘 정돈된 온실은 쾌적한 분위기마저 느껴졌다. 

여느 스마트팜과 다를 바 없어 보였지만 이곳의 특별함은 수소 연료전지가 적용된 최초의 국내 스마트팜이라는 점이다. 수소로 생산한 전기에너지와 열을 더해 히트펌프와 태양열까지 모두 활용한다. '친환경'으로 일컬어지는 대표적인 기술과 에너지 효율을 모두 잡은 스마트팜이다. 

15일 오후 전북 전주시 농촌진흥청 안에 마련된 특별한 온실이 공개됐다. 한국기계연구원은 이날 "연료전지, 히트펌프, 태양열을 복합적으로 연계해 에너지 효율을 크게 높인 친환경 '3중 열병합발전 시스템' 개발 실증에 성공했다"고 말했다. 복합 열원을 활용해 농업 분야 에너지 자립과 탄소 저감을 동시에 활용할 수 있는 통합 에너지 플랫폼이다. 

이상민 한국기계연구원 미래농생명공학연구단장은 "기존 시스템 대비 이산화탄소 배출량을 58.1% 낮추고, 운영비도 36.1% 절감했다"고 소개했다. 한국기계연구원 미래농생명공학연구단은 올해 초부터 이 시스템을 이용해 온실에서 안정적으로 토마토를 재배해 오고 있다. 

온실 3중 열병합발전 시스템은 수소 고분자전해질막 연료전지(PEMFC), 공기열원 활용 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식 냉동기를 연계해 전기를 생산하는 방식이다. PEMFC는 수소를 연료로 사용해 전기와 열을 동시에 생산하는 장치다. 연료전지에 수소가 들어가면 내부 화학반응으로 전기가 만들어지고, 이때 나오는 열도 보조적으로 활용할 수 있다. 에너지 생산 과정에서 물만 배출돼 친환경적이다. 수소 연료전지가 스마트팜에 적용된 사례로는 세계 최초이다. 

히트펌프는 실내 온도를 데워주는 장치다. 태양열 집열기는 햇빛의 열에너지를 모으는 패널을 말한다. 흡착식 냉동기는 온실을 시원하게 식혀주는 역할을 한다. 이 장치들은 모두 온실 옆에 자리를 잡고 있었다. 연료전지와 히트펌프 등은 온실 바로 앞 설비실에, 그 뒤에는 태양열을 모으는 집열기가 있다. 

PEMFC, 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식 냉동기 등은 각각 위치해 있어 얼핏 별도의 독립 장치처럼 보였다. 하지만 지하 배관을 통해 서로 연결되어 온실에서 필요할 때마다 효율적으로 에너지와 열을 공급하는 하나의 시스템이다. 이를 통해 24시간 내내 최적의 온도를 에너지 효율적으로 유지한다. 

박진영 한국기계연구원 무탄소발전연구실 선임연구원은 "이전 방식처럼 단일 에너지원만 사용하는 것이 아니라 여러 첨단 에너지 기술을 묶어 효율적으로 전기와 열을 만들어내도록 설계한 것"이라며 "이를 통해 날씨나 주변 환경 영향을 많이 받았던 기존 시스템의 한계를 극복했다"고 말했다.

전기를 생산할 때 발생하는 열은 따로 모아 냉방 및 난방에 활용한다. 주간에는 태양열을 이용하고 태양에너지가 없거나 적은 밤에는 연료전지와 히트펌프를 조합해 에너지를 만든다. 전력 및 에너지를 계절별이나 시간대별로 효율적으로 생산하고 유연하게 공급할 수 있게 된 것이다.

이 단장은 "한국의 식량자급률은 OECD 국가 중 최하위 수준으로 50%가 되지 않는다"며 "식량 위기에 대응하는 차원에서도 이 기술은 매우 의미가 있다"고 말했다. 에너지 효율이 높은데다 운영비용이 저렴해 식량을 확보하는데 도움이 되는 기술이라는 의미다. 또 우주농업이나 남극 등 극한의 기후에서 식량을 생산할 때도 도움이 될 것이라고 덧붙였다.  
 

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]

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