기계硏, ‘온실 3중 열병합발전 시스템’ 세계 최초 개발

신재생에너지 복합열원을 활용해 농업 분야의 에너지 자립과 탄소저감을 동시에 달성할 수 있는 통합 에너지 플랫폼이 개발돼 실증에 성공했다. 기존 온실용 시스템 대비 이산화탄소 배출량을 절반 이상 낮추고 운영비도 1/3 이상 절감했다.

한국기계연구원(원장 류석현) 미래농생명공학연구단 이상민 단장 및 무탄소발전연구실 김영상 책임연구원, 박진영 선임연구원 연구팀은 연료전지, 태양열, 히트펌프, 흡착식 냉동기를 통합한 ‘온실 3중 열병합발전 시스템’을 개발하고 이를 200평 규모의 스마트 온실에 적용했다.

기계연구원 연구팀이 개발한 온실 3중 열병합발전 시스템은 수소 고분자전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 공기열원 활용 히트펌프, 태양열 집열기, 흡착식 냉동기를 연계하여 전기를 생산하고 이때 발생하는 열을 냉방 및 난방에 활용하는 기술이다. 주간에는 태양열을 이용하고 야간 및 일사량 부족 시에는 연료전지와 히트펌프를 조합하여 운전하는 등 전력 및 냉난방 에너지를 계절별, 시간대별로 효율적으로 생산하고 유연하게 공급할 수 있다.

기존의 온실 냉난방 시스템은 주로 태양열이나 지열과 같은 단일 재생에너지 기반으로 설계돼 날씨 변화에 따라 에너지 공급이 불안정하거나 계절에 따른 운전 효율 저하의 한계를 가지고 있다. 또한 배열 활용이 가능한 연료전지 시스템은 대부분 건물이나 산업 분야에 국한돼 왔다.

기계연구원 연구팀은 이 같은 한계를 극복하고자 연료전지, 히트펌프, 태양열을 복합적으로 연계하는 방식을 사용했다. 겨울철 연료전지 배열과 태양열 집열기에서 발생한 열에너지를 온수 형태로 온실에 공급해 작물의 생육환경을 조성한다. 여름철에는 생산된 온수를 흡착식냉동기의 열원으로 활용하여 냉수를 생산하고 스마트 온실로 공급한다. 추가적으로 혹한 및 폭염의 날씨에 대응하기 위해 공기열원 히트펌프를 사용하여 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. 단계별 출력 조절이 가능한 연료전지, 사용전력 대비 5.2배 이상의 온열을 생산할 수 있는 온도 상승용 히트펌프, 연료전지 발전 용량에 맞는 공기열원 히트펌프, 주간 일사를 활용하는 태양열 집열기를 개발하고 실시간 에너지 흐름 모니터링 및 제어가 가능한 운영 시스템을 구축했다. 또한 기존 흡수식 냉동기 대비 약 20℃ 낮은 저온 열원(65~70℃)으로도 냉수 생산이 가능한 흡착식 냉동기를 시스템에 적용했다. 태양열 및 연료전지에서 생성된 온수를 흡착식 냉동기의 열원으로 활용해 냉수를 생산하고 이를 30t급 축열조에 축냉해 온실에 냉열을 공급하는 원리다.

개발한 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.

기계연구원 미래농생명공학연구단 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.

무탄소발전연구실 박진영 선임연구원은 “기존 시스템 대비 안정적이면서도 높은 에너지 효율을 달성했다”며 “연료전지로 자체 발전한 전기를 온실에서 운용할 수 있어 경제성이 높다”고 말했다.