이번 농림식품기술기획평가원(이하 농기평) ‘태양열을 활용한 에너지 생산·저장·관리 및 실증모델 구축’ 과제는 한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 주관을 맡았다. 총 책임자인 이경호 에너지연 신재생열융합연구실 실장은 태양열을 비롯한 재생열 저장식 신재생에너지시스템 개발·운영분야의 전문가로 매년 꾸준히 연구개발을 진행해오고 있다. 이 실장을 만나 핵심기술인 태양열을 활용한 장기계간축열기술에 대해 들었다.
■ 과제참여 배경은
이번 과제는 열에너지가 많이 쓰이는 시설원예에 태양열을 적용해 농촌 에너지자립을 돕기 위한 실증형 연구과제로 신재생에너지 저장기술과 농업기술과의 융합형 산업화 모델개발에 의미가 있다.
태양열은 건물뿐만 아니라 다양한 산업에 응용가능한 기술이지만 그동안 태양열을 이용한 열공급기술은 건물부문을 중심으로 개발이 이뤄졌다. 이번 농식품부에서 지원하는 연구과제와 같이 시설원예분야에도 태양열을 효과적으로 사용할 수 있다.
특히 여름철 남는 열을 저장했다가 겨울철 온실 열공급에 활용하는 계간축열 시스템과 연계하면 시설원예 에너지절감에 큰 도움이 될 수 있겠다는 생각이 들어 이번 과제에 참여하게 됐다. 그동안 에너지연과 대학, 산업계가 다져온 기술 및 경험을 바탕으로 에너지자립형 온실산업화와 작물의 생육환경 개선 등에도 기여할 수 있는 기술로 개발하고자 한다.
■ 장기 열저장기술이란
여름철은 해가 오래 떠 있어 태양열에너지가 풍부하지만 연중 열수요가 가장 적게 발생하는 기간이다.
개발된 기술은 △탱크식 △보어홀식 △피트식 △대수층식 등이 있으며 각각 열저장밀도와 설치비용, 적정 열저장온도 등에 차이를 가진다. 탱크식과 보어홀식의 경우 지중수 깊이 등의 조건에 따라 설치깊이 등에 대한 설계가 요구된다. IEA에 따르면 △탱크식 60~80kWh/㎥ △보어홀식 15~30kWh/㎥ △피트식 60~80kWh/㎥ △대수층식 30~40kWh/㎥ 등의 열저장밀도를 가지며 설치비용의 경우 설치규모에 따라 감소하는 경향이 있다.
이번 연구에선 실증대상지의 여건과 특성 등을 검토해 계간축열시스템에 가장 적합한 방식을 선정할 예정이다. 국내에서는 2019년 미래창조과학부 지원으로 진천 친환경에너지타운에 탱크식 태양열 계간축열 실증연구사업이 이뤄졌다. 이번 사업에서는 태양열 계간축열을 더욱 효과적으로 이용하기 위해 히트펌프와 계간축열을 연계한 고효율시스템을 구성하고 있다. 계간축열을 시설원예에 적용한 해외사례로는 중국과 벨기에 등에서 보어홀식, 탱크식 등을 활용해 난방공급설비로 설치했었다.
■ 실증단지 추진계획은
이번 연구에선 한라봉, 바나나와 같은 아열대작물을 키우는 포항의 온실을 대상으로 계획하고 있으며 규모는 3,300m² 정도다. 열공급설비 설치비용 등을 고려해 올해 내 설계할 예정이며 신축이 아닌 기존 시설을 활용하는 것이기 때문에 태양열집열기 설치 확보공간을 최대화하면서 작물재배에 미치는 영향을 최소화하는 방안이 필요하다.
여기에 계간축열을 위한 지질분석, 현장 설치여건 파악, 설치공간 확보 등의 기술적 검토가 중요하다. 실증을 위한 열공급시스템은 크게 △태양열집열기 △계간축열 △히트펌프 △온실열공급설비 등으로 구성된다.
적정용량은 TRNSYS 상세시뮬레이션을 이용한 다년간의 분석을 통해 결정할 계획이다. 시뮬레이션은 여름철 집열기의 과열이 발생하지 않는 적정 설치면적·계간축열 용량·시스템효율·설비 구축비용 등 종합적인 검토를 통해 이뤄질 예정이다.
■ 연간 연구계획은
1차 년도인 2020년에 실증설계를 완료하고 2차 년도에는 태양열집열기와 계간축열, 계간축열 융합 히트펌프 일부 등을 설치해 사전 시운전을 한다. 마지막 3차년도 상반기까지 실증연구를 위한 전체 설비구축을 완료한 뒤 온실 냉난방운전을 계획하고 있다.
■ 참여기관의 역할은
에너지연을 주관기관으로 △세한에너지 △에스앤지에너지 △경상북도농업기술원 △대전대학교 등 5개 기관이 참여하고 있다. 주관기관인 에너지연은 전체 열공급시스템 설계·구축·실증운영·성능분석 등의 총괄진행을, 세한에너지는 진공관형 집열기와 집열기설치구조물, 온실 열공급 등을 위한 설비를 맡는다. 에스앤지에너지는 평판형집열기와 계간축열 상세설계 및 부분설비를, 경북농업기술원은 온실 재배작물의 생육환경과 작물생산성을 관리한다. 대전대는 시스템시뮬레이션 분석과 고장진단기술을 각각 담당할 계획이다.
■ 태양열 적용 시 기대효과는
기존 온실에 태양열집열기를 효과적으로 설치하고 이를 계간축열과 히트펌프 열공급시스템 등과 융합하기 위한 방안을 연구할 계획이다.
실증을 통해 시스템에 연계된 태양열집열기의 집열효율을 평가하고 태양열 계간축열을 통한 축열운전성능, 히트펌프 운전성능, 태양열시스템에 대한 고장진단 기술 등을 실증데이터를 통해 분석한다. 최종적으로 기존 난방시설과 비교했을 때 연료비절감과 온실환경 개선효과 등이 검증되면 이를 산업화모델을 위한 중요한 기초 성능데이터로도 활용할 수 있을 것이다.
이를 통해 그동안 건물 위주로 쓰이던 태양열설비의 적용성 향상과 기술 융합을 이뤄 농업에서의 제로에너지형 온실의 기술적 토대를 마련할 수 있도록 노력하겠다.
■가장 중점을 두는 분야는
기존 온실에 태양열과 계간축열을 효과적으로 적용하는 방식과 히트펌프의 통합적인 에너지운영기술 등에 중점을 두고 있다. 보다 구체적으로는 △온실적합 태양열 계간축열 △계간축열 및 히트펌프 연계 효율향상 △태양열 효율적 집열 및 축열운전 △계간축열 열원활용 및 공기열원 이용 운전 △고장진단기술 적용 △재배작물 생육환경개선 등을 고려하고 있다.
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