농업은 전통적으로 인력과 자연환경에 의존해온 산업이었다. 그러나 시설하우스, 스마트팜 등으로 인해 생산과정에서 냉난방이 필요해짐에 따라 농업은 점차 에너지다소비산업으로 변모하고 있다.
농업이 우리나라 전체 에너지소비 중 차지하는 비중은 작으나 농업부분 중 에너지소비량이 많은 시설재배가 점차 증가할 전망이다.
계절에 구애받지 않고 고품질 작물을 안정적으로 생산한다는 점에서 시설재배가 선호되고 있기 때문이다.
탄소중립을 달성하기 위한 방안으로 에너지소비 절감이 강조되고 있는 가운데 태양열을 시설재배에 활용하는 연구가 진행되고 있어 주목된다.
‘태양열을 활용한 에너지 생산·저장·관리 및 실증모델 구축’과제를 수행하고 있는 이경호 한국에너지기술연구원 신재생열융합연구실장을 만났다.
■ 신재생열융합연구실은
에너지연 신재생열융합연구실은 태양열기술을 기반으로 △태양광 냉각열 △연료전지 배열 △수열 △지열 등 신재생열에너지의 효율향상을 위한 요소기술 및 시스템 기술개발과 실증연구에 주력하고 있다.
적용대상으로는 건물과 도시, 산업공정, 스마트팜 등 다양한 분야에 적용하고 있으며 제로에너지기술을 위한 신재생에너지 공급 및 관리기술을 연구하고 있다.
또한 태양열설비에 대한 KS인증을 위한 시험을 수행하고 있다.
신재생열융합연구실은 대규모 태양열시스템에 대한 실증연구로 태양열 지역난방시스템 개발과 진천 친환경에너지타운의 태양열 계간축열 열공급시스템 등을 수행한 바 있다.
또한 부산 에코델타시티(EDC)를 실증대상으로 다양한 신재생에너지시스템에 대한 기술의 실증연구를 수행하고 있다.
■ 이번 과제를 소개한다면
태양열을 활용한 에너지 생산·저장·관리 및 실증모델 구축과제는 2020년 4월 착수해 2023년 6월까지 진행될 계획이며 한라봉, 바나나 등과 같은 아열대 작물을 재배하는 난방중심 온실재배시설의 에너지비용을 절감하기 위한 방안으로 태양열설비를 구축하는 것이 핵심이다.
또한 여름철 사용하지 못하는 태양열을 계간축열조에 저장하고 난방이 필요한 시기에 히트펌프와 하이브리드시스템으로 난방에 필요한 열공급시스템 기술을 실증한다.
현재 경북도 포항시에 실증시설 구축이 대부분 완료된 상황으로 태양열을 계간축열조에 저장하는 운전이 진행되고 있다.
기존 재배시설에는 소규모 태양열집열기를 설치해 난방에 활용하거나 공기열 혹은 지열히트펌프를 설치해 냉난방을 공급해 에너지소비량을 절감하고 있다.
이번 과제에서는 태양열집열기 설치면적을 시설원예 현장조건에 적합한 수준에서 최대한 설치하고 여름철 잉여열을 계간축열조에 저장한 후 난방기간 사용해 에너지비용 절감효과를 극대화한다는 점에서 차별성을 가지고 있다.
이를 위해 계간축열조에 잉여열을 히트펌프 열원으로 활용하며 공기열도 활용할 수 있도록 복합열원 히트펌프를 적용했다.
전체 시스템의 효율성을 제고하기 위해 얕은 지중축열과 하부에 수직형 지중열교환기를 배치하는 방식을 새로이 적용해 히트펌프와 연계, 원활한 운전을 실현했다.
■ 실증현황은
현재 태양열 축열모드로 실증운전을 시작한 지 4개월가량 경과됐다. 계간축열조에 태양열을 지속 저장하는 운전을 진행하고 있어 에너지비용 절감효과에 대한 데이터가 축적되지 못한 상황이다. 그러나 연간시스템 정상상태 시뮬레이션 결과에 따르면 기존 등유보일러대비 약 80%의 에너지비용이 절감될 것으로 기대된다.
이와 함께 화석연료 사용 절감에 따른 연간 탄소배출량 37% 저감 등 효과를 얻을 수 있을 것으로 보인다.
그러나 등유보일러와 달리 비교적 저렴한 농사용 전기요금에서 차지하는 기본요금까지 포함할 경우 전기를 사용하는 시설과 비교했을 때 절감효과는 다소 낮아질 것으로 보인다.
실증농가에서는 태양열과 히트펌프를 통해 에너지비용을 절감하는 것에 매우 높은 관심을 가지고 있다. 그러나 전력설비용량에 따라 전기를 거의 사용하지 않는 여름철에도 축열 등으로 인해 발생하는 고정적인 기본요금에 대해서는 부담을 느낄 가능성이 있다.
이에 따라 적절한 설비용량 설계와 여름철에 히트펌프를 냉방으로 활용할 수 있도록 시스템을 구성하는 방안검토도 중요할 것으로 보인다.
또한 에너지비용 저감 외에도 온실 내 공조기 설치를 통해 개선된 실내환경을 조성할 수 있다는 점도 주목받고 있다.
최근 포항에 영향을 끼친 초강력 태풍에도 실증설비에 피해가 없어 안정성도 증명됐다.
국내 시설원예설비 대부분은 비닐온실방식이며 이번 과제의 실증대상은 비닐온실방식에 대한 실증이다.
특히 소규모 온실을 대상으로 적절한 태양열 설치면적과 계간축열 용량, 설비 등을 도출했으며 온실면적의 10% 이내에서 콤팩트화한 기계실 내부와 지붕에 설치하도록 설계반영에 심혈을 기울였다.
또한 기존 농가에 보급되고 있는 공기열원 히트펌프와 지열원 히트펌프는 버퍼조로 구성돼있어 태양열집열기설비와 계간축열조 등의 추가설치가 가능하도록 시스템을 구성해 보급에 용이한 시스템방식을 고안했다.
■ 농업분야 신재생E 적용확산에 정책제언을 한다면
정부에서는 농촌의 탄소중립과 기후변화 적응을 위한 계획에 축사, 온실, 신재생에너지시설 등의 단지화로 재생에너지 생산과 이용체계구축을 포함하고 있다.
이를 기반으로 태양열 등과 같은 신재생에너지설비 보급을 계획단계에 반영하는 것이 필요하다.
지금까지 태양열보급은 건물대상이 중심이었으나 태양열 등 신재생에너지설비의 탄소중립 기여도를 높이기 위해서는 건물뿐만 아니라 농업시설 등에도 적절한 산업화 모델개발과 함께 보급이 확대돼야 한다.
또한 신재생에너지설비로서 지열히트펌프뿐만 아니라 태양열집열설비와 계간축열설비 등에 대한 지원금제도 등 보급이 확대될 수 있는 기반이 조성돼야 한다. 특히 신재생에너지를 적용함에 있어 스마트팜 초기 설치계획단계에서부터 설치면적과 위치 등 체계적인 조사와 설계반영이 이뤄져야 한다.
■ 추후 기술고도화 방향은
현재 실증연구 대상인 시스템은 난방열수요를 전기화하는 것으로 히트펌프를 이용해 난방열을 공급하고 태양열 계간축열을 이용해 일정부분 공급함으로써 에너지절감을 도모하는 방식이다.
이에 따라 설비의 구성이 기존 방식대비 복잡하며 자동화된 설비운전과 예측모델, 데이터기반 지능화를 통해 운전비절감을 최적화할 수 있는 기술개발과 실증이 필요하다.
또한 신재생에너지를 통한 에너지공급뿐만 아니라 온실자체의 에너지부하를 저감할 수 있는 온실효율화기술을 통해 에너지자립이 가능한 온실설계와 구축기술이 필요할 것으로 보인다.
농업은 전통적으로 인력과 자연환경에 의존해온 산업이었다. 그러나 시설하우스, 스마트팜 등으로 인해 생산과정에서 냉난방이 필요해짐에 따라 농업은 점차 에너지다소비산업으로 변모하고 있다.
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