농림식품기술기획평가원 ‘태양열·지열 융복합 에너지 생산·저장·관리 기술개발’은 한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 주관기관으로 참여한다.
이번 과제 목적은 난방부하 80%와 냉방부하 50% 이상을 담당할 수 있는 계간축열식 태양열 및 지열히트펌프 융복합시스템을 구축하고 연간 에너지비용 70% 이상을 절감하는 통합시스템을 제시하는 것이다. 과제 총괄책임자인 김민휘 에너지연 선임연구원은 신재생에너지 융복합시스템·친환경공조시스템·제로에너지빌딩 등을 주로 연구해 왔다. 이번 과제의 구체적인 내용을 들었다.
■ 과제참여 배경은
국내에서는 최근 고부가가치 작물의 안정적인 생산량 확보를 위해 냉난방공조가 이뤄지는 온실 비중이 점차 증가하고 있다. 이번 연구과제에서는 해당 온실을 대상으로 재생에너지 융복합시스템을 개발하고 실증모델을 구축하는 것이다.
이번 농식품부의 농업에너지 자립형 산업모델 기술개발과제 중 △태양열·지열 융복합에너지 생산 △계간축열시스템 활용 저장·관리 △에너지 최적화 관리·운영시스템 등을 개발하고 실증하는 분야가 공고됐다.
에너지연의 신재생열융합연구실은 태양열 관련 오랜 노하우와 기술을 축적해왔고 진천 친환경에너지타운을 통해 태양열 계간축열 기반 신재생융복합시스템에 대한 실증을 성공적으로 수행해왔다.
국내 냉난방에너지공급 기계설비 전문기업으로 태양광·열(PVT) 집열기 국내 선도기업이자 지중계간축열(BTES) 방식의 실증경험이 있는 장한기술이 참여했다. 또한 지난 25년간 온실환경 측정·제어기술과 온실에너지 분석기술을 축적시켜온 이현우 경북대 교수와 함께 산·학·연 컨소시엄을 구성하게 됐다.
■ 태양열·지열 활용 계간축열이란
태양복사에너지를 이용해 열을 생산하는 태양열시스템은 계절간 에너지생산·소비가 불균형하다는 단점이 있다. 집열기에서 생산되는 열은 여름철 가장 많으나 난방 및 급탕 소비량은 겨울에 가장 높다. 이러한 계절간 불균형을 해소하기 위해 봄부터 가을까지 생산된 열을 저장했다가 겨울에 공급하는 시스템이 계간축열시스템이다. 계간축열시스템에 저장된 열은 겨울에 직접 난방 및 급탕에 이용될 수 있으며 이후 축열조의 온도가 낮아져 열공급이 어려워질 경우 히트펌프의 열원으로 활용된다. 이때 기존 공기열원이나 지열방식보다 열원온도가 높아 히트펌프 효율을 상승시키는 장점이 있다.
계간축열방식은 크게 △탱크축열(TTES) △피트축열(PTES) △지중축열(BTES) △대수층축열(ATES) 등 4가지 방식으로 이뤄진다. 이번 과제에서는 비용은 높으나 가장 안정적인 운영이 가능한 탱크축열방식과 비용이 비교적 저렴한 지중축열방식 2가지를 복합적으로 이용해 각 축열방식의 적정용량을 산출하게 된다. 이때 지중축열방식으로 활용되는 지열열교환기의 일부를 여름 냉방용으로 활용함으로써 히트펌프가 지열을 활용해 냉방과 난방을 공급할 수 있는 통합시스템으로 구축할 예정이다.
■ 여주 실증단지에서 이뤄지는 것은
실증사업이 진행될 푸르메소셜팜 1호(푸르메여주팜)는 발달장애 청년들에게 일자리를 제공하기 위한 사회적 농업과 지역공동체의 복지를 아우르는 선도적 모델이다.
독지가에게 부지를 기부받고 SK하이닉스 및 여주시 등으로부터 총 65억원의 모금 및 출자를 받아 건립되고 있다. 소셜팜은 총 4,300㎡으로 토마토(2,000㎡), 엽채류(2,000㎡), 표고버섯(330㎡)을 재배할 예정이다.
실증단지 착공이 오는 9월로 예정돼 설계가 현재 에너지분야 및 건설설계가 진행 중이다. 9월 실증단지 착공 전까지 통합에너지시스템 설계를 끝내고 2021년 1월부터 작물을 키우고 6월까지 시스템·모니터링·제어설비 구축과 더불어 시운전까지 마무리될 예정이다. 이후 2022년에는 실증결과를 바탕으로 한 시스템고도화와 시스템확산을 위한 비즈니스모델 및 표준모델을 개발할 계획이다.
■ 중점을 두는 부분은
농업분야에서의 보급확대를 위한 실용화기술로 개발함과 동시에 안정적인 운용을 통해 농가소득 증대에 실질적으로 기여할 수 있는 방안을 찾는 것이 가장 중요하다.
신재생에너지원은 초기투자비용이 높더라도 운용비용 절감과 안정적인 작물생산 환경조성이 가능하다. 이를 수확량 확대로 이끌어 노령화가 진행되고 있는 농업분야에 직접적인 도움이 될 수 있는 기술로 개발하고자 한다. 또한 농민들이 쉽게 시스템을 운영할 수 있도록 구성해 불편을 최소화하고 장기간 안정적으로 운영될 수 있도록 개발하는 것에 집중하고 있다.
■ 컨소시엄 내 각각의 역할은
에너지연에서는 △통합에너지시스템 설계 및 실증설비 구축지원 △제어로직 설계 △실증운전 성능측정 및 분석·개선 △운전매뉴얼 작성을 담당한다. 장한기술은 통합에너지시스템 실증설비 구축과 향후 관리자가 편리하게 활용할 수 있는 IoT기반 모니터링 및 제어시스템 구현, 비즈니스 모델개발을 담당한다. 경북대는 실증온실의 냉난방 부하산정과 온실 내 공조시스템의 설계지원 및 환경분석을 진행하고 통합에너지시스템의 표준모델을 개발한다.
■ 기대효과는
이번 과제는 온실에 적합한 신재생에너지융복합 이용 공조시스템을 개발함으로써 작물의 안정적인 생산량 확보와 운영에너지절감에 기여할 수 있다. 기후변화 대응정책 측면에서 농업부분에서의 화석연료 이용감소와 온실가스 배출저감으로 도움이 되고자 한다.
상업적 측면에서는 정부와 지자체 지원으로 민간주도 태양열기반 계간축열식 열공급시스템 보급 확대를 통해 태양열 및 지열분야 시장이 넓어질 것으로 기대한다. 이에 따라 정체돼 있는 관련분야 활성화 및 고용창출에도 기여할 수 있을 것이다.
또한 실증단지의 다양한 홍보를 통해 중대규모 신재생에너지설비 및 계간축열조 설치에 따른 친환경에너지 이용 인식을 고취시킬 수 있을 것으로 예상된다.
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