유가 상승으로 농사용 전기 가격이 올라 농가 경영에 커다란 부담이 되고 있다. 태양광열과 지열 같은 신재생에너지를 적극적으로 사용해 농가 경영비 부담을 줄이고 나아가 탄소중립 실현의 기반을 마련이 절실하다.

농촌진흥청은 태양광‧열(PVT) 패널과 지열을 결합한 복합열원 히트펌프 온실 냉난방 기술을 개발했다.(※태양광‧열(PVT, Photovoltaic Thermal) 패널 : 태양광 모듈과 태양열 집열기를 결합한 형태로 전기와 열을 동시에 얻을 수 있는 태양에너지 설비. 같은 면적의 태양광 패널보다 에너지 생산량이 많다.)

 

● 복합열원 히트펌프 온실 냉난방 시스템 필요성

 ○ 개념도

시설원예 가온 면적은 전체의 32%로 증가하고 있습니다. 난방비가 경영비의 30~40%를 차지한다.

국내에서는 농업용 신재생에너지로 지열을 많이 사용하고 있으나, 지열은 오랜 시간 사용하면 열원이 부족해져 이를 보완할 기술이 필요하다. 또한, 탄소중립 실현을 위해 화석연료를 사용하지 않고도 열량을 얻을 기술을 확보해야 한다.

개방형(SCW) 지열은 지하수를 히트펌프의 열원으로 공급하고 지열 관정을 통해 지하수층으로 회수한다. 이때 일정량의 저온 지하수를 외부로 배출시켜 회수되는 지하수층 온도가 급격하게 떨어지는 것을 방지하고 있으나 지열 및 지하수의 낭비를 초래한다.

지열의 장기적인 사용으로 인한 열량 부족 해결 및 온실에서의 냉난방 에너지 자립을 위한 기술 개발로 PVT와 지열을 결합한 온실 냉난방 시스템을 개발해 농가소득 증대 및 탄소중립 실현이 절실하다.

 

● 복합열원 히트펌프 온실 냉난방 시스템 개발

 ○ 시스템 구성

농촌진흥청이 개발한 복합열원 히트펌프 온실 냉난방 기술은 온실 면적의 10% 부지에 설치한 태양광‧열 패널에서 발생하는 30~40℃의 태양열과 지중열 교환기에서 얻는 지열을 하나의 열 저장조에 모은 후 이를 히트펌프의 열원으로 사용하여 온실 난방에 적당한 48~50℃의 온수를 만드는 것이다.

복합열원 히트펌프 온실 냉난방 시스템은 크게 지열 관정(SCW 개방형), 태양광·열(PVT)패널, 버퍼탱크, 히트펌프, 축열조, 자동제어반으로 구성한다.

보통 990㎡(10a, 300평) 면적의 온실에 지열 21RT(RT≒3,320kcal/h) + PVT 54패널(108㎡, 18kW(전기) + 47.4kW(태양열))을 설치하여 사용할 수 있다.

태양광 모듈과 태양열 집열기를 결합한 형태의 태양광·열 복합모듈을 PVT (Photovoltaic Thermal) 모듈이라고 부르며 전기와 열을 동시에 획득하는 태양에너지 설비로 해외에서는 1970년부터 태양광과 태양열을 결합하는 다양한 연구개발이 진행되었다.

PVT가 전기와 태양열을 동시에 생산하므로 태양에너지 이용 효율을 70%까지 증대할 수 있는 특징이 있다. 생산된 태양열을 온실 난방에 사용하고 사용되지 않은 태양열은 암반대수층(지하수층)에 저장해 재이용함으로써 지열의 장기간 사용에 의한 열원 부족을 해결할 수 있다.

난방이 필요하지 않은 봄, 여름, 가을에는 태양광‧열 패널에서 생산한 열을 지하수층으로 보내 저장했다가 겨울철 온실 난방에 사용한다.

최근 개발된 PVT는 18㎡에 전기 3kW, 열 7.9kW 생산하여 태양복사에너지 73%을 이용할 수 있어 동일 면적의 태양광 패널보다 에너지 생산량이 높다.

 

● 태양광‧열과 지열을 이용한 온실 냉난방 시스템 효과

태양광에 의한 전기에너지 및 태양열을 동시에 생산할 수 있는 PVT를 온실 면적의 10% 부지에 설치하여 지열과 복합열원으로 사용할 수 있고 같은 면적에서 전기에너지와 열에너지를 생산할 수 있어 태양에너지 이용 효율을 전기 16%, 열에너지 57%로 전체 73%까지 이용할 수 있다.

지열 시스템의 장기간 사용에 의한 열원량 부족을 해소할 수 있고 계절별 발생하는 태양열을 대수층 또는 지층에 저장함으로써 충분한 열원 확보가 가능하여 기존 지열 시스템의 설치용량을 30%까지 축소할 수 있다. 태양광과 태양열을 복합적으로 사용할 수 있어 농업 분야의 신재생에너지 이용 확대 및 탄소중립을 실현할 수 있을 것으로 기대한다.

복합열원 히트펌프 온실 냉난방 시스템 기술을 개발함으로써 오랜 시간 사용하면 열원이 부족했던 지열 시스템의 단점을 보완하고 농업에서 신재생에너지 이용을 확대하는 기반 기술을 확보하게 되었다.

 

● 복합열원 히트펌프 온실 냉난방 시스템 현장 적용

복합열원 히트펌프 온실 냉난방 시스템을 딸기(설향) 온실(175㎡)에 적용한 결과, 면세 등유 대비 냉난방 비용을 78% 줄일 수 있었다. 또한, 온실 면적의 10% 부지에 태양광‧열 패널을 설치했을 경우, 온실 난방에 필요한 전체 열량의 30%를 분담할 수 있으며, 지열만 이용했을 때보다 에너지를 20%까지 줄일 수 있었다.

태양광·열(PVT)에 의한 연간 전기 생산으로 기존 지열 시스템 대비 에너지 절감률을 20%까지 증대시킬 수 있으며 면세등유 대비 난방비용을 78% 절감할 수 있었다.

농촌진흥청은 이 기술을 특허출원 했으며, 신기술 보급사업으로 농가에 보급할 계획이다. 또한, 농업 분야에서 태양광‧열 패널의 활용을 늘리기 위해 다양한 기술과 접목하는 방안을 추가 연구 중이다. ※ 특허출원 : 복합열원을 이용하여 냉방, 난방, 및 전기 생산하는 복합에너지 시스템(10-2021-0149929)

에너지믹스 시대에 PVT 보급·확대를 위한 제도화 시급, 적극적인 PVT와 히트펌프의 응용기술 개발 필요하다.

 

● 복합열원 히트펌프 시스템 경제성 분석

 ○ 손실적 요소(A)

 .증가되는 비용(A)- 복합열원 온실냉난방시스템 : 174,000천원- 자부담 20% 적용

 

  ○ 이익적 요소(B)

  .증가되는 이익(B)※ 면세등유 리터당 1,422.10원 적용시('22.11.18 기준)

 

● 경제성 분석 조건

.딸기 재배 온실 적용(온실 야간 8℃), 육묘시 원예원 채소과 제공 딸기 자묘 생산량 45,000주/10a

.복합열원시스템 내용연수 : 10년

.잔존율 0%, 고정자본이자 5%, 수리 보수비 6%, 면세등유 리터당 1422.10원, 농업용전력을(기본료 1,150원/kW, 전력량 요금 46.5원/kWh)

.영농형 태양광 전기 판매비용 207원/ 1kWh

.적용 면적 10a

.온수보일러 12만 kcal/h

.복합열원 냉난방시스템(지열(개방형) 21RT + PVT 54패널(108㎡)

.유류용 온수보일러는 자부담 100%, 복합열원 냉난방 시스템(개방형)은 보급사업으로 지원받을 경우를 고려하여 자부담 10%, 융자 10%(농식품부 농업에너지이용효율화사업 중 지열시스템 지원기준)로 농가 부담 20%로 비교하였다.

 

● 경제성 분석 결과

.연간 10a당 8백만원의 수익액이 있어 4.4년 이내에 복합열원 온실 냉난방 시스템 설치를 위한 추가 비용을 회수할 수 있을 것으로 분석되었다.

.생산된 태양광 전기를 판매하지 않고 소비전력으로 사용한 경우, 농사용 전기 을의 경우를 적용하여 kWh당 46.5원으로 산정하면 냉난방 시 소비된 전력 값인 난방비용 2,091천원, 냉방비용 693천원, 지중축열 지열펌프 운영비 524천원을 다 합한 비용인 3,308천원과 비교할 때 1,071천원을 확보할 수 있고 이를 냉난방비 및 지중축열 운영 비용으로 지불하면 2,237천원 부족한 것으로 나타나 냉난방비용 및 지열 펌프 운영비용으로 2,237천을 지불하여야 하는 것으로 나타났다.

.그러나 면세경유를 사용하는 경우 총 냉난방비용이 10,043천원인 것에 반하여 복합열원 히트펌프를 사용하면 2,237천원을 지불해야 하므로 연간 면세경유 대비 78%의 냉난방비용 절감이 이루어진 것으로 평가되었다

국립농업과학원에너지환경공학과 문종필 063-238-4082