가스엔진으로 온실 냉난방을 하고, 엔진에서 배출되는 탄산가스는 식물에 비료로 준다. 한국기계연구원이 세계 최초로 만든 ‘스마트 에너지 온실’의 풍경이다. 오염물질 배출은 90% 이상 줄이고 작물은 20% 이상 쑥쑥 자란다. 우리나라의 1인당 시설원예 면적은 세계 1위로 총 면적이 서울시 크기에 달한다. 이 가운데 난방비는 온실 운영비의 30% 이상을 차지하기 때문에 농가의 소득을 크게 높일 수 있는 기술로 기대를 모으고 있다.

과학기술정보통신부(장관 유영민) 산하 한국기계연구원(원장 박천홍)이 세계 최초로 ‘Tri-Gen(삼중발전)1)’ 시스템을 적용한 스마트 온실 에너지 통합 시스템을 개발했다. ‘Tri-Gen’은 가스히트펌프를 난방, 탄산시비, 냉방(혹은 발전) 3개 용도에 활용한다는 의미다.

기계연 환경기계연구본부 청정연료발전연구실 이상민 실장 연구팀은 세계 최초로 삼중발전이 가능한 시설원예용 가스히트펌프(GHP)2) 시스템을 개발하고 국내 농가에 실증하는 데 성공했다.지금까지 국내 시설원예 농가는 난방기, 냉방기, 탄산시비 장치, 제습기 등 온실이 필요로 하는 에너지 장치를 개별적으로 설치하고, 농장주의 경험에 따라 독립적으로 제어해왔다. 사정이 이렇다 보니 에너지 효율이 떨어지고, 손실되는 에너지가 많았다.

가스히트펌프를 온실에 적용하면, 온실의 냉난방을 공급함과 동시에 배기가스를 이용하여 탄산가스를 공급할 수 있다. 온실이 필요로하는 에너지를 하나의 장치로 모두 생산할 수 있는 장점이 있고, 통합 제어로 에너지 손실을 줄여 에너지 효율도 높일 수 있다.

연구팀은 가스히트펌프를 시설원예 농가에 적용한 결과 기존 유류 난방 대비 겨울철 난방비를 40% 이상 크게 절감하는 효과를 얻었다. 여름철 고온으로 작물 재배가 어렵던 온실에서 온·습도 관리를 통하여 작물의 수확 기간을 연장하는 데에도 성공하였다.

특히 가스히트펌프를 이용해 온실 온·습도와 이산화탄소 농도를 자동으로 제어하는 시스템을 운용하는 과정에서 탄산가스 시비 모델을 개발하여 작물 생산량도 20% 이상 향상시키는데 성공했다. 지금까지 탄산가스 시비는 농장주의 경험에 의존해 이뤄졌지만, 과학적 분석을 통해 최적의 조건과 방법을 찾아낸 것이다.

탄산시비를 위해서는 엔진에서 발생하는 배기가스 중 작물에 해로운 질소산화물(NOx)3)과 일산화탄소(CO), 에틸렌(C2H4) 등을 제거해야 한다.  연구팀은 독자적인 엔진 및 제어기술, 후처리 장치 개발을 통하여 상용 가스히트펌프 대비 유해 배출물을 90% 이상 절감시켰고, 1년 이상의 현장 시험을 통하여 안정성을 검증하였다.

한편 이번 성과는 농촌진흥청의 ‘ICT융합 한국형 스마트팜 핵심기반 기술개발’사업의 지원을 받아 수행됐으며 한국기계연구원과 농촌진흥청 국립원예특작과학원이 함께 연구개발을 수행하고 있다. 현재 경기도 파주의 호접란 농가, 춘천의 토마토 농가에서 실증 사업이 진행되고 있고, 내년부터 시작될 농진청 신기술시범사업 등을 통해 실제 농가에 보급될 전망이다.

기계연 이상민 청정연료발전연구실장은 “유류 연료 및 전기 기반의 국내 시설원예 농가 에너지 체계를 청정한 가스 연료 기반으로 바꿀 수 있는 고효율 에너지 통합기술”이라며 “농업 분야의 온실가스 배출량 뿐 아니라 미세먼지의 전구물질인 NOx를 크게 줄임으로써 국가적인 에너지 안보와 국민 건강 증진에 기여할 수 있는 기술”이라고 말했다.