스마트팜기술과 신재생에너지 융복합시스템인 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템(Solar&GSHP Hybrid System)을 결합해 효율적인 에너지생산·저장·관리가 가능한 미래형 스마트 농업모델이 개발될 전망이다. 

세한에너지(대표 권영호)는 애플망고, 만감류 등 아열대작물 시설원예온실 난방부하를 신재생열에너지로 100% 공급하기 위한 ‘미래형 스마트 시설원예용 신재생 융복합시스템 개발 및 실증사업’에 참여해 실증설비 구축을 진행하고 있다고 밝혔다. 

이번 사업은 경북도 영천시가 추진하고 있는 3만6,727m² 규모 스마트팜 조성단지사업의 세부사업으로 추진되고 있다. 실증사업대상지 규모는 8,000m²로 이중 애플망고 재배온실은 2,818m², 만감류 재배온실은 2,112m²로 구성됐다. 

태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템을 통해 생산된 열을 아열대작물의 최적 생장온도를 유지하기 위한 유일한 난방원으로 활용하게 된다.

이를 통해 스마트팜과 ICT기반 친환경에너지 융복합 기술접목을 통한 미래농업가치를 구현하고 선진농업인프라를 확보할 것으로 기대된다. 

세한에너지는 이번 사업의 주관기관으로서 한국에너지기술연구원, 대전대, 영천시농업기술센터와 함께 사업을 진행하고 있다. 세한에너지는 △스마트팜용 유형별 신재생에너지 복합시스템(REHS) 모델개발 총괄 △실증용 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템 연구 및 구축 △실증단지 PVT, 진공관형 집열기 적용연구 △축열 및 보어홀 보상용 태양열시스템 개발 △태양열·지열히트펌프 하이브리드 시스템 시공, 운영 및 관리 △경북형 REHS 비즈니스모델 및 사업화방안 제시 등을, 에너지연은 △실증용 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템 최적화 설계 △효율적 에너지생산·공급을 위한 총괄시스템 제어기법 및 장치개발 △모니터링시스템 구축, 결과분석·보완 등을 수행한다. 

대전대는 △스마트팜 에너지부하 계산 △에너지시뮬레이션 △태양열·지열히트펌프시스템 고장진단시스템 검증 및 보급모델 제시 등을 영천시농업기술센터는 이번 실증사업이 차질없이 진행될 수 있도록 기술지원 및 스마트팜 운영·관리를 담당한다. 

실증사업의 사업기간은 2020년 9월1일부터 2023년 8월31일까지로 경북도 14억원, 영천시 12억5,000만원, 기업투자 8억7,500만원 등 총 35억2,500만원이 투입된다.

재생E 융복합 통한 안정성 확보 

현재까지 시설원예에는 지열히트펌프가 주로 적용돼왔으나 난방중심 장기운전 시 지중온도가 하락하면서 성능이 저하되는 문제점이 빈번히 발생했다. 이에 대응하기 위해 축열조 용량을 과도하게 설계하는 경우에도 축열조 열손실로 인해 투자효과를 보기 어려우며 용량확대로 인한 비용부담만 가중됐다. 

또한 태양열 난방시스템만 적용되는 경우에도 난방부하에 대응하기 위한 집열기 설치면적이 과도하게 요구되며 난방을 하지 않는 하절기 잉여 태양열로 인해 시스템과열 및 고장이 발생된다. 

한 가지 신재생에너지원을 통한 시설원예 난방부하 대응의 한계점을 탈피하고자 이번 실증사업이 추진되고 있으며 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템은 최적화 설계를 통해 기존대비 적은 설비용량으로도 난방부하를 100% 대응할 수 있을 것으로 기대된다. 

특히 지열히트펌프를 장기간 운전해도 난방을 하지 않는 하절기 태양열을 보어홀에 공급해 지중온도를 보상하기 때문에 지열히트펌프의 고효율운전이 가능하며 태양열시스템의 과열로 인한 고장발생 또한 예방할 수 있어 시스템 안정성을 확보할 수 있다. 

1차연도(2020~2021년)에는 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템에 대한 기본설계와 영천지역 기후분석이 진행됐다. 애플망고, 만감류 등 아열대작물의 난방부하를 분석했으며 이를 통해 11월부터 4월까지 지속적인 난방공급이 필요한 것으로 파악됐다. 

또한 스마트팜용 유형별 REHS모델을 연구하고 부하기반 REHS 용량을 설계, 에너지 시뮬레이션을 통한 운전비용·민감도분석을 통해 시스템을 최적화했다. 

2차연도(2021~2022년)에는 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템의 상세설계 및 구축이 진행되고 있으며 현재 태양열시스템은 20%, 지열시스템은 80% 구축이 완료됐다. 이와 함께 실증시스템의 통합제어 및 운영관리 기술개발과 스마트팜 기술연계, 작물생육분석 등 실증단지 환경기반 조성이 추진될 예정이다. 

3차연도(2022~2023년)에는 설치된 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템의 실증운영 및 비즈니스모델을 제시하고 운영을 통해 수집된 데이터를 분석해 에너지절감률 및 경제성을 평가할 계획이다. 또한 실증시스템 성능을 평가하고 보급확산을 위한 사업화 보급모델이 제시될 것으로 향후 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템 적용농가가 증가할 것으로 기대된다.

경제성·친환경 동시 실현 가능

시뮬레이션을 통해 난방부하를 계산한 결과 온실면적 2,314m²(약 700평) 기준 최대부하는 701kW, 연간 총 난방부하는 412kWh로 나타났으며 연간 300kW 이하 난방부하가 97.3%를 차지하고 있다. 

부하분석을 통해 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템 설계가 진행됐는데 주요 난방에너지원 역할을 수행할 태양열시스템은 태양열집열기 803.8m², 태양열축열조 150톤으로 구성됐다. 이를 통해 지열히트펌프 운전으로 인해 낮아진 지중온도를 보상할 수 있으면서 재생에너지로 난방부하에 100% 대응할 수 있을 것으로 예측된다. 

지열히트펌프시스템은 태양광시스템 및 시간별 난방부하 발생빈도를 고려해 최대부하의 70% 수준인 90RT로 설계됐다. 또한 200m 깊이 보어홀 36공을 통해 지중온도를 보상할 계획이다. 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템의 설계를 토대로 10년 이상 장기운전 시뮬레이션을 진행한 결과 보어홀 평균온도는 18±2℃로 지중온도 하락이 발생하지 않았다. 

특히 난방을 하지 않는 기간 잉여 태양열의 지중축열을 통해 집열기 과열이 원천차단됨을 확인했다. 연간 총 난방공급열량 40만5,812kWh 중 37%인 14만8,911kWh가 태양열시스템에서 직접 공급됐으며 나머지 63%인 25만6,831kWh가 지열히트펌프를 통해 공급됐다. 

운전 시뮬레이션 결과를 토대로 한 경제성 및 탄소배출량 분석에 따르면 태양열·지열히트펌프 하이브리드시스템의 연간 난방비는 기존 등유보일러대비 약 90% 절감된 299만원으로 나타났으며 전기보일러와 비교했을 경우에는 약 80% 절감하는 것으로 파악됐다. 이와 함께 탄소배출량은 등유보일러대비 약 64% 절감된 38.2톤으로 나타났다.