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스페셜리포트

[인터뷰] 윤영직 에너지硏 박사

“자연냉열·무전원 냉방기술 확보…하절기 시설재배 가능케 할 것”
기포자가진동현상 활용 열교환기술 개발
기존 냉방기술대비 70% 이상 E절감 실현

우크라이나-러시아 전쟁로 인한 에너지안보와 함께 주목받고 있는 것이 식량안보다. 에너지안보와 식량안보는 국가경쟁력 및 국민 삶에 크게 영향을 미치는 요소로 이를 확보하기 위한 방안마련이 시급해졌다.

최근 에너지안보와 식량안보를 동시에 해결할 수 있는 기술이 개발돼 주목받고 있다. 윤영직 한국에너지기술연구원 에너지네트워크연구실 박사 연구진은 ‘계절간 자연냉기 저장·이용 기반 차세대 신재생 스마트 온실냉방기술’과제를 통해 겨울철 차가운 냉열을 여름철 농촌의 하우스 냉방에 활용할 수 있는 기포자가진동현상을 적용한 열교환장치 개발에 성공했다.

이번 기술개발을 통해 여름철 높은 온도로 시설작물 재배가 어려운 우리나라의 특성을 극복함으로써 연중 에너지효율적으로 식량을 생산할 수 있는 기반이 마련될 것으로 기대된다.

윤영직 박사를 만나 이번 개발기술의 특장점 및 향후 적용확산 계획에 대해 들었다.

■ 열에너지네트워크 연구실은
에너지네트워크 연구실은 에너지효율 연구본부에 소속으로 열에너지의 효율적인 생산과 활용을 통해 에너지 사용 및 온실가스 배출 감축을 위한 연구를 수행하고 있다.

온실가스 배출을 감축하기 위한 △수소보일러 연소기술 및 목재펠릿보일러 설비기술 △차세대 열에너지 저장기술 △미활용열 이용ORC 및 열전발전기술 △미활용열 및 폐열회수를 위한 고성능 열교환기술 등 열에너지의 효율적인 생산 및 활용을 위한 다양한 기술개발에 매진하고 있다.

최근 겨울철 차가운 공기로부터 냉열을 효과적으로 확보할 수 있는 고성능·무동력 열교환장치 기술개발에 성공했으며 랩스케일 실증 및 파일럿 스케일 실증에 성공했다.

이번 연구에서 전력소모가 거의 없으면서 겨울철 차가운 공기로부터 냉열을 효과적으로 확보해 초단열 축냉조에 저장했다가 여름철 온실냉방에 사용하는 기술로 기존 냉방방식대비 뛰어난 에너지절감 및 온실가스 저감효과를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

■ 이번 기술개발 착수배경은
일반적으로 농업부문 시설재배에 필요한 난방에너지부하는 연간 0.0054TOE/m², 62kWh/m²로 보편적인 주거형태인 아파트 난방부하의 약 2배 수준이다. 특히 냉방에너지부하는 연간 0.0152TOE/m², 185KWh/m²로 난방에너지부하의 약 3배, 아파트 난방에너지부하의 6배에 달한다. 이에 따라 국내 대부분 시설재배 농가에서는 하절기 시설재배가 불가능한 실정이다.

기존 재배시설에 주로 적용되고 있는 냉방기술은 △팬앤패드(Fan&Pad)방식 냉방 △지하공기열 냉방 △포그(Fog) 냉방 △차광스크린방식 등이 있다. 이러한 기술들은 여전히 상당한 전력이 필요하기 때문에 농가에서는 에너지비용 부담문제로 인해 제한적으로 사용하고 있다.

이에 따라 전력소모가 많은 기존 냉방방식에 전적으로 의존하거나 재배를 포기하기보다 자연냉각(Free Cooling)원리를 이용해 전력소모는 낮추면서 고성능 냉방이 가능한 새로운 개념의 냉방기술 개발이 필요한 상황이다.

‘계절간 자연냉기 저장·이용 기반 차세대 신재생 스마트 온실냉방기술’과제는 동절기 친환경적인 자연냉각을 이용한 시설하우스 냉방기술을 개발하기 위한 것으로 농림축산식품부, 과학기술정보통신부, 농촌진흥청 등이 공동으로 주관하는 스마트팜 다부처 패키지 혁신기술개발사업의 일환으로 추진됐다.



■ 기존 기술과의 차별성은
기존의 대부분 열교환장치는 내부 열전달매체를 물-물, 공기-공기 등과 같이 단상(Single Phase)유동을 이용한다.

이번에 개발한 기포자가진동현상을 이용한 열교환장치는 액체와 기체(기포)형태의 이상(Two Phase)유동을 이용하기 때문에 단상유동 열교환장치대비 약 25배 이상의 열전달성능을 달성할 수 있어 보다 효율적인 열교환이 가능하다.

특히 기포자가진동현상 기반 열교환장치는 외부의 동력없이 유동이 형성되기 때문에 기존 열교환장치에 비해 상당한 에너지절감이 가능하다. 고효율 무전원의 특성을 통해 낮은 에너지만으로도 냉방할 수 있어 하절기도 작물을 재배할 수 있을 것으로 전망된다.

기포자가진동형상을 이용한 열교환장치를 적용한 동절기 냉열생산 소형 실증실험을 지난 3월부터 강원도 평창에서 수행했다. 적용냉매는 R143a로 향후 적합한 친환경 냉매를 적용할 계획이다.

실험결과 기포자가진동현상을 이용한 열교환장치를 이용해 약 82.4kWh의 냉열을 저장할 수 있었다. 82.4kWh의 냉열을 기존 전기냉방장치로 생산한다고 가정할 경우 약 41kWh의 전력이 소비된다.

소비전력을 비교할 경우 기존 전기냉방장치대비 약 70% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며 절감량에 따라 온실가스 배출저감효과를 달성할 수 있다.

이번 기술은 냉열을 효율적으로 확보할 수 있는 열교환기술이 핵심으로 지열, 수열, FCU 등에 적용할 수 있으며 이를 통해 에너지효율을 제고할 수 있다.



■ 실증계획 및 적용 확산계획은
서울대 평창캠퍼스 첨단스마트팜 융복합단지에 330m²(약 100평) 규모 유리온실을 구축해 실증할 예정이다. 유리온실을 통해 재배될 작물로 저온성 작물인 딸기(설향)를 선정했다.

330m² 유리온실 면적 중 기존 냉방기술을 적용한 비교군 온실 165m², 동절기 자연냉열을 이용한 신개념 냉방기술을 적용한 온실 165m²에 대해 실증을 수행해 성능 및 효율비교연구를 수행할 계획이다.

해당 온실대상 실증연구를 통해 기존 냉방방식을 적용했을 때보다 50% 이상 에너지절감을 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 10월까지 설비를 적용해 축냉을 시작할 계획이며 11월까지 온실을 완성해 연간 운영데이터를 확보할 예정이다.

저장된 냉열을 오래도록 보존하기 위해 축냉조에는 진공단열재가 적용되며 이를 통해 동절기부터 하절기까지 냉열손실이 3% 수준일 것으로 예측된다.

올해 서울대 평창캠퍼스 내 실증온실을 대상으로 성공적인 실험결과를 바탕으로 전남 고흥 스마트팜 혁신밸리 실증단지에 대규모 실증연구 추진여부를 결정할 방침이다.

전북 김제, 경북 상주, 경남 밀양, 전남 고흥 등 전국 스마트팜 혁신밸리 중 고흥은 에너지특화 혁신밸리 실증단지로 고흥 실증밸리에서 대규모 실증연구를 위해 농식품부 스마트팜연구개발사업단 및 고흥군과 협의하고 있다.

국내뿐만 아니라 해외 곳곳에서 적용할 수 있을 것으로 보고 있다. 특히 중동의 경우 야간에는 온도가 급격히 떨어지기 때문에 밤에 저장한 냉기를 낮시간에 사용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

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