한국기계연구원, 수소 연료 전지 통합 발전 시스템으로 온실가스 감축 및 운영비 절감 실현

한국기계연구원(KIMM, 원장 류석현)은 여러 재생 가능 에너지원이 통합된 신개념 에너지 플랫폼을 개발하고 성공적으로 테스트하여 농업 분야의 에너지 독립성과 탄소 감축을 가능하게 했다.

기존의 온실 시스템과 비교했을 때, CO₂ 배출량은 50% 이상 줄어들고 운영 비용은 3분의 1 이상 감소하였다.

KIMM은 수소 연료 전지, 태양열 집열기, 히트펌프 및 흡착 냉각기를 통합한 수소 연료 기반의 열전력 통합 발전 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 660㎡ 규모의 스마트 온실에 성공적으로 적용되었다.

이 시스템은 PEM 연료 전지, 공기-source 히트펌프, 태양열 집열기 및 흡착 냉각기를 조합하여 전기를 생성하고 폐열을 재사용하여 냉방과 난방을 수행한다.

낮 동안에는 주로 태양열을 활용하고, 야간이나 일조량이 적은 시간에는 연료 전지와 히트펌프를 결합하여 계절과 시간에 따라 효율적으로 에너지를 생산하고 공급한다.

번역된 수소 연료 전지 시스템은 기존 온실 시스템이 단일 에너지 소원에 의존하여 날씨 변화와 계절적 효율성 저하에 취약한 점을 해결하고 있다. 기존 연료 전지 시스템은 주로 건물이나 산업 응용에 한정되어 있었지만, KIMM의 시스템은 이러한 한계를 극복했다.

겨울철에는 연료 전지와 태양열 집열기로부터 착화된 열이 온실을 따뜻하게 하기 위해 뜨거운 물로 전환된다. 여름철에는 이 열을 이용하여 흡착 냉각기가 차가운 물을 생산하여 온실을 냉각한다. 또한, 공기-source 히트펌프는 폭염이나 혹한과 같은 극단적인 날씨에서 난방과 냉방을 지원한다.

KIMM의 연구팀은 에너지원 간의 에너지 흐름을 최적화하여 에너지 안정성을 극대화하고 상호 의존성을 최소화하는 통합 제어 시스템을 설계하였다.

주요 혁신 내용으로는 조정 가능한 출력을 갖춘 연료 전지, 입력 전력의 5.2배 이상의 열을 생산하는 히트펌프, 주간 운영을 위해 최적화된 태양열 집열기, 그리고 전체 시스템을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 기술이 포함된다.

흡착 냉각기는 기존의 흡수 냉각기보다 낮은 열원 온도(65–70°C)에서 냉수를 생산할 수 있는 능력을 가지고 있다. 태양열 집열기와 연료 전지에서 발생한 열은 열 저장 탱크에 저장되어 온실에 냉각 에너지를 공급하는 데 활용된다.

이 시스템은 기존의 온실 히트펌프 시스템과 비교했을 때 운영 비용을 36.5% 줄이고 CO₂ 배출량을 58.1% 절감하는 성과를 보였다. 전주에 위치한 농촌진흥청 국립농업과학원 내 660㎡ 시범 온실에서 토마토가 6개월 이상 성공적으로 재배되었다.

KIMM의 미래농업 및 바이오시스템 연구개발센터 장인 상민 박사는 “이 시스템은 외부 날씨 조건에 관계없이 안정적인 에너지 생산을 가능하게 하며, 계절에 따라 에너지 수요가 크게 변동하는 한국의 환경에 적합하다. 이는 스마트 농업에 수소 연료 전지를 적용한 최초의 사례로, 온실 농업에서 에너지 자립을 달성하는 데 기여할 것이다”라고 말했다.

KIMM은 올해 비전을 가지고 미래 농업 생물공학 분과를 설립하였으며, 농업 분야의 핵심 기술 개발과 글로벌 리더십 확보를 위해 꾸준히 노력하고 있다. 이들은 현재 농업 에너지, 자원 관리 및 디지털 전환 분야에서의 고도화된 기술을 개발하고 있다.

수소 연료 기반 열전력 통합 발전 시스템은 KIMM의 미래 농업 생물공학 분과와 제로 카본 전력 연구소가 공동 개발하였으며, 한국의 국가 그린 수소 및 스마트 농장 혁신 프로그램의 지원을 받았다.

이미지 출처：hortidaily