[기획] Tri-Gen, 세 마리 토끼 한 번에

[에너지신문] 한국기계연구원은 기계 분야의 산업원천기술 개발과 성과 확산, 신뢰성 평가, 시험평가 등을 통해 국가 및 산업계의 발전에 기여함을 기본 목적으로 한다.

현재 시설원예 업계는, 기계연구원이 LNG와 LPG를 이용해 친환경적으로 냉방·난방·발전 등 세 마리 토끼를 한꺼번에 잡는 ‘시설원예 Tri-Gen 시스템’ 프로젝트에 주목하고 있다.

▲ 우리 온실 농가의 문제점

현재 국내 온실 농가들은 몇 가지 문제를 안고 운영되고 있다. 먼저 영세한 비닐하우스의 비중이 크고 자연재해 및 이상한파에 취약하다. 또한 유가변동에 취약한 난방용 석유 중심의 에너지 사용 등이 그것이다.

기후변화에 따른 기상이변으로 시설원예의 가온면적 비중은 점차 증가하고 있다. 하지만 난방비가 총 경영비의 30~40%를 차지하는 현재의 구조는 영세한 농가에 커다란 부담이 된다.

예를 들어 3000평에 달하는 파프리카 온실의 1년 난방비는 약 1억원에 이른다. 이 문제는 면세유 기반의 유류 보일러가 난방 목적으로 주로 사용되기 때문에 발생한다. 유류 보일러는 그 특성상 유가변동에 취약하다. 또한 난방용 경유의 면세혜택 폐지로 2차 에너지인 전기를 난방에 이용하는 현상까지 발생하는 추세다. 이런 에너지 비효율성은 단순히 농가만의 문제가 아니라 국가 전체의 문제로 볼 수 있다.

냉방 역시 문제다. 작물을 기르는데는 고온장해 방지를 위해 냉방이 필요하고, 이를 위해 히트펌프·에어컨 등을 활용해 냉방하고 있다.

또한 광합성 향상을 위해 탄산시비(이산화탄소 농도가 적으면 잘 생장하지 못하는 작물의 증수를 위해 작물 주변 대기 중에 인공적으로 이산화탄소를 공급하는 것)를 적용하는 농가가 늘고 있는 추세라는 것도, 액화탄산의 비용과 공간 필요로 인해 농가에 부담을 안겨주고 있다. 현재 농가들은 탄산시비를 위해 콜라·사이다 등 탄산음료에 들어가는 식음료용 액화탄산을 구매해 사용한다.

▲ 시설원예 Tri-Gen 시스템

이와 같은 온실 농가들의 고민을 해결하기 위해 이상민 기계연구원 박사가 제시한 해결책이 냉방, 난방, 발전이 가능한 ‘시설원예 Tri-Gen 시스템’이다.

가스히트펌프(GHP : Gas engine driven Heat Pump) 방식을 이용한 ‘시설원예 Tri-Gen 시스템’은 히트펌프 사이클을 통해 냉난방을 가능케 한다. GHP를 통한 난방은 보일러보다 난방효율이 30% 이상 높으며, 냉방과 제습기능으로 온실 온습도를 관리해 생산성을 향상시킨다.

히트펌프 대신 LNG와 LPG로 발전기를 돌리면 시설원예에 사용할 전기를 얻는 것도 가능하다. 아울러 LPG, LNG를 연소시켰을 때 나오는 이산화탄소 배기가스를 이용해 탄산시비가 가능하다.

GHP는 초기난방 속도가 빠르며, 서리를 제거하는 공정이 불필요하고, 열풍온도가 높고, 외부기온 영향을 덜 받는다. 현재 유럽에서는 히트펌프를 신재생에너지로 취급하고 있고, 우리나라에서는 신규공공기관에 의무설치 규정 및 각종 지원제도가 마련돼 있다.

일본 역시 GHP 기술을 이용해 온실을 냉난방하는 기술이 확립돼 있다. 일본에서 GHP를 사용하는 농가는 약 200여곳이다.

▲ 작물의 광합성 속도 50% 증가, 유가 폭락에도 경쟁력 있어

파주에 위치한 호접란 농가와 강원도 춘천에 위치한 토마토 농가를 통해 ‘시설원예 Tri-Gen 시스템’을 통한 탄산시비에 대한 실증 시험을 진행하고 있다.

탄산시비를 통해 온실 내부에 추가공급한 CO2는 대기 평균 CO2 농도인 400ppm을 훌쩍 넘어 1000ppm에 달한다.

‘시설원예 Tri-Gen 시스템’을 총괄하고 있는 이상민 박사에 따르면 1000ppm의 CO2 농도 속에서 식물의 광합성 속도는 최대 50%까지 증가해 성장기간 단축, 수확량 증가, 품질개선, 탄산가스 기아 방지 등의 효과를 얻을 수 있다.

호접란 농가에서 진행한 시험에 따르면 탄산시비로 CO2를 공급한 온실은 그렇지 않은 온실보다 꽃 개수와 곁가지가 더 많았고, 개화까지 걸리는 기간은 더 짧았다. 이상민 박사는 이 같은 사실을 통해 적정한 탄산시비와 적정한 양분공급 시에 고품질 작물을 생산 가능할 것이라고 보고 있다.

이상민 박사는 ‘시설원예 Tri-Gen 시스템’이 에너지시장 급변에도 무리 없이 적응할 수 있을 것이라고 내다봤다. 국제 유가폭락에도 불구하고 가스연료는 하락하면서 경쟁력을 유지하고 있다는 것이 근거다.

또한 동고하저 현상으로 줄어들기 쉬운 하절기 수요가 늘어날 수 있기에 현재 국내 가스공급사들의 농업 분야 진출의지가 강력한 상황이다. 아울러 농업용 면세 LPG를 통한 농업용 가스수요 지원책도 마련돼 있으며, 50%의 하절기 가스냉방 할인요금은 비용경쟁력을 더욱 상승시킨다.

파리협정으로 인한 온실가스 저감에도 유리하다는 입장이다. 전기, 고체연료, 유류에 비해 가스연료는 온실가스 배출량이 확연히 적다. 이산화탄소 배출량은 발전소에서 이산화탄소를 뿜어내는 전기보일러 대비 60% 감축 효과를 보였다.

▲ 간편한 취급

가스를 이용한 GHP냉난방은 연료의 취급도 유류에 비해 간편하다. 경기 서남부 지역 18개 시군을 조사한 바에 따르면 시설원예 단지의 45%는 배관을 이격하는 것만으로도 ‘시설원예 Tri-Gen 시스템’을 설치할 수 있다.

도시가스가 닿지 않는 곳이라도 LPG 탱크는 자유롭게 설치할 수 있다는 점도 강점이다. 또한 향후 대규모 시설원예단지 보급 시에는 최근 진행되고 있는 마을단위 LPG배관망 사업과의 연계로 염두에 두고 있다. 이미 춘천 천전리에 있는 토마토 농가 30여가구에는 LPG보일러를 설치해 등유 대비 만족도가 높다는 평을 받고 있다. 농업용 면세LPG요금을 사용할 수 있어 가격 면에서도 유리하다.

‘시설원예 Tri-Gen 시스템’은 농민들의 편의성 향상을 위해 컴퓨터나 스마트폰으로도 조작할 수 있다. 실시간으로 컴퓨터 또는 스마트폰을 이용해 온습도와 이산화탄소 농도, CCTV 등을 확인할 수 있는 것이다. 또한 필요에 따라 원격으로 시스템을 끄고 켜는 스마트제어가 가능하다.

▲ 한국, 원예면적 1위지만 기술은 낙후

기계연구원 측은 이 시스템은 우리나라 시설원예 농가의 현실에서 시작됐다고 밝혔다. 1인당 시설원예 면적이 1위에 달할 정도로 시설원예가 활발히 이뤄지고 있지만, 자연재해 같은 외부요인에 취약하고 기술적인 부분도 낙후돼 네덜란드 같은 농업선진국에 의존하고 있는 실정이다.

하지만 ‘시설원예 Tri-Gen 시스템’은 차후 중앙아시아나 러시아에 수출할 예정이 있을 정도로 높은 기술력이 집약된 시스템이다. 기계연구원은 이를 통해 부가적인 수입을 얻을 수 있을 것으로 보고 있으며, 타국에서도 매우 적극적인 자세로 관심을 보이고 있다고 밝혔다.

비용에 대한 우려도 크지 않다. ‘시설원예 Tri-Gen 시스템’은 엔진을 사용하기 때문에 보일러를 사용했을 때에 비해서 초기비용이 높지만 삼종발전 시스템을 통해 부차적인 비용이 줄어들기 때문에 설치 후 2년 뒤에는 훨씬 큰 수익을 낼 수 있을 것으로 보인다. 자동차와 마찬가지로 소모품은 교환해줘야 하지만 부하변동이 적어 내구성이 보다 낫다는 것이 기계연구원의 입장이다.

‘시설원예 Tri-Gen 시스템은’ 2018년까지 GHP 양산 모델과 비즈니스 모델을 개발하고 확산보급을 진행할 예정이다.