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스페셜리포트

[인터뷰] 홍종은 한국에너지기술연구원 선임연구원

농업분야 최초 SOFC 도입
실증단지 열수요·SOFC 배열 생산량 부하 매칭 핵심

이번에 농기평의 ‘고체산화물연료전지(SOFC)를 활용한 에너지 생산·관리 및 실증모델 구축’과제로 SOFC가 농업에 처음 도입됐다. 이에 관련 산업계의 관심이 커지고 있으며 실증이 성공적으로 마무리되면 농업부문도 국가 수소경제로드맵 활성화에 기여할 것으로 보인다. 이번 과제 책임자인 홍종은 에너지기술연구원(이하 에너지연) 선임연구원을 만나 과제내용에 대한 얘기를 들어봤다. 

■ 과제 수주 배경은
건물용이나 대규모 발전에 쓰이던 SOFC 열병합발전시스템을 원예에 적용하면 농업에너지생산 고효율화가 가능해진다. 또한 시스템모델을 사업화해 친환경, 고효율 on-site 농업에너지 생산·소비 자립형 신규시장을 창출하고 중소형 및 대규모 분산발전형 SOFC 열병합발전 기반을 마련하고자 한다. 


■ 농업에 SOFC 도입시 장점은
현재 국내 시설원예에서 난방비는 경영비의 큰 비중을 차지하며 농가소득 저하를 일으키고 있다. SOFC는 열을 발생시킴과 동시에 현행 연료전지 중 가장 높은 발전효율을 가진다. 열병합발전으로 이용 시 종합효율을 90%까지 달성 가능하고 화력발전대비 온실가스를 45%정도 감소시켜 친환경적이다. 이를 통해 발생하는 열에너지를 농가에 공급하면 난방문제를 해결할 뿐만 아니라 생산된 전기에너지를 RPS제도로 판매할 시 농가소득 증대효과를 얻을 수 있다. 

또한 작동 시 방출되는 시스템배기가스에 포함된 고순도의 이산화탄소는 시설원예 시비로 활용돼 작물생산량 증가에 기여할 것으로 기대된다.

이외에도 재생에너지의 동일 발전용량대비 설치면적이 90%까지 감소해 공간제약이 줄어들고 상시발전을 통한 안정적인 에너지수급이 가능하다. 

■ 현재 실증단지 구축 현황은 
실증 예정지는 충남 부여의 우듬지영농조합이 관리하는 시설원예단지로 현재 방울토마토를 재배하고 있으며 규모는 약 6,600m²이다. 단지 내 공기열원히트펌프와 축열설비를 갖춰 히트펌프에서 생산한 냉온수를 축열조에 저장해 여름과 겨울에 냉난방 용도로 사용하고 있다.

이번 연구는 SOFC통합시스템이 생산한 열에너지에 따른 전기소비량 감소 등 에너지절감량 데이터를 도출할 수 있다.

또한 생육환경(온·습도, 광, 관수·양액, CO₂ 농도 등)과 생육정보(길이, 굵기, 열매 수 등)에 대한 실시간제어 및 모니터링시스템이 이미 구축돼 SOFC시스템과 기존시스템을 연계해 실증할 경우 △적용성 검증 △시설원예 환경 및 작물생산량 변화 △에너지절감량 등 다양한 항목들에 대한 분석이 가능할 것으로 예측된다.

이렇게 추출된 데이터를 분석하면 △시설원예 연료전지 보급모델 △농가 연료전지 발전사업 모델 △사업화 방안도출 등에 매우 유리할 것으로 판단된다. 

■ 앞으로의 연구 계획은 
1차년도에는 실증용 SOFC시스템 구축에 필요한 제반사항을 확인하고 배열활용 열공급시스템 및 SOFC 연계 통합시스템의 상세설계를 완료할 것이다. 또한 실증예정단지의 기존 냉난방 부하데이터를 분석해 이에 적합한 SOFC 통합시스템모델을 도출하고 농림지역 연료전지·시설원예 연계 발전사업을 위한 법률과 정책을 제시할 예정이다. 

2차년도에는 SOFC와 열공급시스템을 각각 실증단지에 설치하고 통합시스템을 구축해 시운전하며 모니터링체계를 구축할 예정이다. 아울러 시설원예 냉난방·작물부하 및 SOFC 통합시스템 연계모델의 시뮬레이션을 진행해 실증운전 기반을 마련하고 비즈니스모델 수립을 위한 타당성을 검토할 예정이다.

3차년도에는 SOFC 통합시스템 실증운전을 실시하고 데이터분석을 통한 시스템최적화를 진행한다. 여기에 에너지생산량, 시스템효율 등을 평가하고 시설원예의 냉난방부하 실증데이터를 분석해 인공지능 기반의 예측기술을 정립할 예정이다. 또한 연계통합 모델의 경제성 평가를 진행해 사업화모델도 제시할 예정이다. 

■ 참여기관별 역할은
주관기관인 에너지연을 중심으로 에이치에스테크놀로지와 한국농어촌공사의 농어촌연구원이 협동기관으로, 광주과학기술원이 위탁기관으로 연구를 수행할 예정이다.

에너지연은 SOFC 및 열공급시스템과 시설원예설비를 연계한 통합시스템의 △개념설계 △운전최적화 △실증운전 △중장기 축열시스템 구축 △이산화탄소 포집·정제·활용기술 △SOFC 운전모드 개발 등을 담당한다. 


에이치에스테크놀로지에서는 실증부지에 적합한 통합시스템 설계 및 시스템운영·유지·보수 등을 담당하고 사업화모델을 개발할 예정이다.

농어촌연구원에서는 시설원예 연계 연료전지 발전사업의 법적 타당성을 검토하고 정책과 비즈니스모델(농업인·발전사 참여형 발전)을 제시해 그에 대한 경제성평가를 수행할 예정이다. 또한 시설원예 에너지저감량 평가 및 이산화탄소 시비에 따른 작물생산성 예측을 맡는다.

광주과학기술원은 시뮬레이션 기반으로 시설원예 SOFC 통합시스템 모델을 개발해 최적운전 알고리즘을 만들며 인공지능을 이용해 시설원예 냉난방부하데이터를 분석·예측하는 기술을 개발할 예정이다.

■ 가장 중점을 두고 있는 분야는 
실증단지의 열수요와 SOFC 배열 생산량에 대한 열부하매칭을 통해 최적의 열공급시스템 용량을 산정하고 배열 활용률을 극대화시키는 것이다. 이는 SOFC 통합시스템의 성능·효율을 향상시키기 위해 가장 중요한 부분이다.

또한 시설원예의 냉난방에너지 수요변화에 대응할 수 있는 SOFC 운전특성을 평가하고 시스템배기가스에 포함된 이산화탄소를 시비로 활용해 생산성을 높이는 기술을 마련하는 것에 중점을 두고 있다. 

이번 연구의 기대효과는
대규모 시설원예가 설치된 지역은 대부분 발전사업을 수행할 수 없는 농업진흥지역인데 연료전지 발전사업에 대한 법적검토 및 환산정책안을 제시함으로써 농촌태양광사업과 같이 연료전지 농업인 참여형 발전사업을 활성화시킬 것으로 기대된다. 

경제적 측면에서는 △에너지비용 저감 및 생산성 증대 △농외소득(SMP+REC)증가 △에너지신산업 창출 △SOFC 관련사업 활성화 △신규 고용창출 효과 등에 기여할 것으로 예상된다. 


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