한국기계연구원이 수소연료전지, 태양열, 히트펌프를 연계한 ‘온실 3중 열병합발전 시스템’을 개발해 토마토 재배에 성공했다.
실험은 전북 전주 국립농업과학원 실증 온실에서 진행됐다. 시스템은 수소 고분자전해질막 연료전지(PEMFC), 태양열 집열기, 공기열원 히트펌프, 흡착식 냉동기를 통합해 전기 생산과 함께 난방과 냉방을 제공한다. 주간에는 태양열을, 야간이나 일사량이 부족할 때는 연료전지와 히트펌프를 활용해 계절과 시간대별 에너지 수요에 대응할 수 있다.
겨울철에는 연료전지와 태양열로 생산한 온수를 공급해 작물 생육 환경을 유지하고, 여름철에는 흡착식 냉동기로 냉수를 만들어 냉방을 지원한다. 혹한기와 폭염기에는 공기열원 히트펌프가 보조 역할을 맡아 안정적 운용을 가능하게 한다.
실증 결과, 전주 국립농업과학원 내 200평 규모 스마트 온실에서 6개월 이상 토마토를 안정적으로 재배했다. 기존 온실용 히트펌프 시스템 대비 운영비는 36.5% 줄었고, 이산화탄소 배출량은 58.1% 감소했다.
연구팀은 다중 열원을 통합 제어하는 기술을 적용해 계절 변화와 기상 조건에 따른 변동성을 최소화했다. 연료전지는 단계별 출력 조절이 가능하고, 맞춤형 히트펌프는 사용 전력 대비 5.2배의 난방 효과를 낸다. 태양열 집열기는 일사량을 극대화해 효율을 높였으며, 흡착식 냉동기는 기존보다 낮은 온도(65~70℃)에서도 냉수 생산이 가능해 여름철 냉방을 지원한다.
이상민 기계연 미래농생명공학연구단장은 “온실 3중 열병합발전 시스템은 외부 기상 조건에 영향을 받지 않고 발전할 수 있어 국내 농업 환경에 적합하다”며 “수소연료전지를 스마트팜에 적용한 첫 사례로 농업 에너지 자립에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 농촌진흥청의 ‘그린수소 기반 농업시설 에너지 공급시스템 개발 및 실증’ 사업과 다부처 ‘스마트팜 혁신기술개발사업’의 일환으로 수행됐다. 기계연은 앞으로 농생명 분야 원천기술 확보와 글로벌 스마트농업 시장 진출을 추진할 계획이다.