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농업에도 수소연료전지 바람 분다 

시설원예 농가의 경영비 중 난방비가 30~40% 차지
화석연료인 유류 난방기에 편중돼 온실가스 발생
농어촌연구원, 스마트팜-연료전지 융합시스템 개발 착수
포천시・부안군 등에서 스마트팜-연료전지 사업 추진

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[월간수소경제 이종수 기자] 이미 수소 모빌리티와 가정・건물용, 발전용으로 활용되고 있는 수소연료전지가 농업 분야에서도 특별한 역할을 할 것으로 전망된다.    


정부의 그린뉴딜 및 탄소중립 정책에 부응하고, 농가 소득향상과 일자리 창출 차원에서 스마트팜에 연료전지를 연계하는 사업들이 추진되고 있기 때문이다. 


국가 R&D 과제로 스마트팜-연료전지 융합시스템 개발이 진행 중인 한편 전북 부안군에서는 100MW급 수소연료전지 스마트팜 조성사업이 추진되고 있다. 또 한국서부발전은 스마트팜 연계 5MW 연료전지 시범사업을 추진 중이다. 경기도 이천시에 조성될 예정인 한・중 합작 스마트팜빌리지 조성사업에도 연료전지가 에너지원 역할을 맡게 된다.        


스마트팜은 정보통신기술(ICT)을 온실·축사 등에 접목해 스마트폰, PC를 통해 원격·자동으로 작물과 가축의 생육환경을 관리하는 농장을 말한다. 온실·축사 내 온습도, 일사량, CO2 수준 등의 작물 생육환경 데이터를 기반으로 최적의 생육환경을 조성해 노동력・에너지・양분 등을 종전보다 덜 투입하고도 농산물의 생산성과 품질 제고를 가능케 하는 데 목적이 있다.  


특히 시설원예 농가의 경영비 중 난방비가 많은 부분을 차지하고 있고, 화석연료인 유류 난방기에 편중되어 있어 에너지비용 절감과 친환경 에너지원 개발이 필요한 상황에서 스마트팜-연료전지 연계사업이 확대될 것으로 보인다.


농촌, 스마트팜으로 전환 중

한국농어촌공사 농어촌연구원의 지식 나눔 자료(농업인과 공사가 윈-윈 하는 그린뉴딜, 스마트팜-연료전지 융합시스템, 2020년 10월 22일, 이철성・장정렬 연구원)에 따르면 국내 에너지 소비량(2018년 기준)은 산업부문이 61.5%로 가장 많고, 산업부문 중 농림업(1.8%)의 비중은 제조업(95.8%)에 이어 두 번째로 높다. 농림업 중 시설원예는 대표적인 에너지 다소비 농업이다. 


시설원예 농가의 경영비 중 난방비가 30~40%를 차지하고 있고, 화석연료인 유류 난방기에 편중되어 있어 온실가스 발생과 함께 국제유가 변동에 따라 농가 수익 차이가 크게 발생한다. 향후 시설원예 확산 시 농림업 부문의 에너지 소비량 상승이 우려되고 있다.     




2017년 기준 국내 시설채소면적은 5만2,418ha이다. 이 중 99% 이상이 비닐하우스이고, 유리온실이 0.7%(346ha), 경질판온실이 0.1%(75ha)이다. 


온실은 생육온도 유지를 위해 난방을 하는 가온온실과 무가온온실로 구분되는데, 국내 무가온온실은 약 65%, 가온온실은 약 35%를 차지하고 있다. 가온온실의 유형별 난방형태 중 온풍난방이 가장 높다. 농가의 수익성 향상을 위해 수도광열비가 높은 온실 위주로 에너지비용을 줄이기 위한 대책 마련이 필요한 상황이다.  

 

정부는 지난 2014년부터 스마트팜을 농업의 핵심 성장동력으로 보고 스마트팜 확산을 위한 정책 지원을 확대하고 있다. ICT 기자재 보급 사업 등을 통해 시설원예 면적이 2014년 405ha에서 2018년 4,510ha까지 늘어났다. 스마트팜 보급 및 R&D 관련 예산도 매년 36% 이상씩 증가하는 추세다.


정부는 2018년 4월 ‘제5차 경제관계장관회의’를 통해 스마트팜 청년 창업생태계 및 혁신밸리 조성 등의 내용을 담은 ‘스마트팜 확산 방안’을 발표하기도 했다.   




농식품부(2019년 11월 보도자료)에 따르면 시설원예 농가의 스마트팜 도입 시 생산량 27.9% 증가, 고용 노동비 15.9% 감소, 투입 노동 1인당 생산량 40.4% 향상 등의 효과가 있다.  


일자리 창출 효과도 큰 것으로 나타났다. 한국노동연구원은 지난 2019년 ‘스마트팜 활성화 정책이 고용에 미치는 영향 분석’ 보고서를 통해 2022년까지 스마트팜 7,000ha 조성 시 최대 3만7,069개, 2028년까지 스마트팜 1만ha 조성 시 최대 4만1,936개의 일자리가 창출될 것으로 예상했다. 


그러나 스마트팜(시설원예)은 경영비 중 난방비 비중이 약 40%로 매우 높아 스마트팜 확산에 큰 걸림돌이 되고 있다.


이철성 농어촌연구원 주임전임연구원은 “정부의 스마트팜 확산정책에 의한 시설원예 면적증가 시 현재와 같은 화석연료 의존 에너지 이용체계에서는 스마트팜을 포함한 시설원예 농가의 온실가스 발생 증가는 필연적”이라며 “탈탄소 경제체계로 전환을 위해서는 에너지 다소비형인 시설원예의 친환경 에너지원 개발과 함께 에너지비용도 줄여야 하는 게 과제”라고 밝혔다.  

 

스마트팜-연료전지 비즈니스 모델 제시 

농어촌연구원은 농림수산식품기술기획평가원의 ‘2020년 농업에너지 자립형 산업모델 기술개발사업’의 국가 R&D 과제로 ‘SOFC를 활용한 에너지 생산관리 및 실증모델 구축’ 연구를 수행하고 있다. 지난 4월 스마트팜-연료전지 융합시스템 모델을 제시하고, 토마토 온실을 대상으로 에너지 소비량과 생산성 예측을 위한 실증연구에 본격 착수했다.   


이 과제에는 한국에너지기술원, 광주과학기술원, 에이치에스테크놀로지, 경남도농업기술원이 함께 참여하고 있다. 


10kW급 SOFC 발전시스템을 스마트팜에 적용해 필요한 농업에너지(전기, 열)를 생산・소비하는 자립모델을 구축하고, 이의 현장 실증 운전을 통한 에너지 생산 최적화와 고효율화를 목표로 하고 있다. 


연료전지 시스템은 발전과정에서 전기와 열뿐만 아니라 이산화탄소가 발생한다. 농어촌연구원이 제시하는 비즈니스 모델은 연료전지 발전과정에서 발생한 이산화탄소는 포집해 시설원예에 시비하고, 발생된 열은 온실 난방에 사용하며, 발전에너지는 한전에 판매하는 방식으로, 농업인 및 발전사 참여형으로 구분할 수 있다. 


농업인 참여형 모델은 신재생공급의무화제도(RPS)를 활용한 전력 매매수익과 신재생공급인증서(REC) 매매수익을 얻고, 열에너지와 이산화탄소는 온실에 공급하는 방식으로 발전수익과 생산성 향상을 동시에 도모할 수 있다.


발전사 참여형 모델은 발전사가 시설원예 근처에 연료전지 발전소를 건립해 전기를 생산함으로써 신재생 의무 공급량을 달성하고, 인근 농가에 열에너지와 이산화탄소를 제공하는 방식이다. 난방시설 설치비와 유지보수 관련 관리비가 들지 않는다는 점에서 발전사 참여형 모델 또한 농가 경제성 향상에 기여할 수 있다.


이철성 연구원은 “가온온실의 농업경영비 중 에너지비용이 약 30~40%를 차지하고 있는데 저가의 연료전지 배열을 활용함으로써 에너지비용을 절감하고, 발생하는 CO2의 적절한 시비를 통한 생산성 향상으로 농업소득 증대 효과가 기대된다”고 밝혔다.


또한 ‘재생에너지 3020’ 정책에 따라 2030년까지 농촌 태양광 보급목표 10GW 달성을 위한 무분별한 태양광 설치로 인한 농촌 경관 훼손과 우량농지 잠식 우려를 해소할 수 있을 것으로 보고 있다. 


이 연구원은 “100kW급 발전을 위한 시설면적은 농촌 태양광은 1,320㎡(약 400평)이지만 연료전지는 50㎡로 동급 용량 설치 시 약 96%의 설치면적 감소가 가능해 농촌 지역의 경관 훼손과 우량농지 잠식문제를 해소할 수 있을 것”이라며 “현재 농촌 태양광은 한전 송전선로를 확보하지 못해 2~3년 대기해야 하는 상황으로 농촌 지역 ‘재생에너지 3020’ 보급목표 달성 여부에 어려움이 예상되나 연료전지 발전시설과 대규모 시설원예단지를 연계하면 대규모 송전시설과 선로가 필요하지 않게 된다”고 설명했다.




연료전지 발전을 위한 농촌 지역 도시가스 보급 기반시설 확충에 따라 농가에 도시가스 보급도 가능해져 농촌 지역 에너지비용 절감과 복지향상 등의 효과도 기대된다. 


한편 한국농어촌공사는 스마트팜-연료전지 융합시스템의 효용성과 경제성이 입증되어 관련 비즈니스가 활성화될 경우 공사가 수행 중인 ‘농업에너지이용효율화사업’이 확대되어 공사 수익 증대도 가능할 것으로 기대하고 있다. 


‘농업에너지이용효율화사업’은 농가 경영비 부담 경감을 위한 에너지 절감 자재 지원을 목적으로 하고 있고, 공사는 설계·감리를 통한 수익을 확보하고 있다. 


그러나 대규모 시설원예가 설치된 지역은 대부분 발전사업을 수행할 수 없는 농업진흥구역이다. 농어촌공사는 이번 실증사업을 통해 스마트팜-연료전지 발전사업 확산을 위한 법적·제도적 개선 방안을 마련할 계획이다. 


농촌 태양광 및 영농형 태양광 사업과 같은 농업인 협동조합 참여형의 ‘소규모 비즈니스 모델’과 발전사 참여형의 ‘대규모 비즈니스 모델’ 등 시나리오별로 경제성을 평가한 후 정책 제안도 추진할 예정이다.


한편 농촌진흥청 국립농업과학원의 올해 주요 업무계획에는 그린수소 관련 기술개발이 포함되어 있다. 농업 부산물을 이용한 수소생산과 농업용 수소연료전지 열병합시스템 설계에 대한 기초연구를 추진한다는 계획이다. 작물별 양액 배액 성분 및 막 분리 최적 운전 조건, 수자원, 이온결정화 등을 분석하고, 계절・지역・작물별 에너지(전기, 열) 및 CO2, 물 소비량 데이터베이스를 구축하는 연구다. 

 

스마트팜-연료전지 연계 확산 

5개 발전 자회사들은 정부의 신재생에너지 확대정책에 따라 신재생에너지 발전사업을 확대해 나가고 있다. 발전 자회사 중 한국서부발전이 스마트팜-연료전지 발전사업을 적극 추진하고 있어 주목된다.   


서부발전은 전라북도 완주군 소재 농촌진흥청 산하기관인 국립원예특작과학원에 ‘스마트팜 연계 5MW 연료전지 시범사업’을 추진하고 있다. 서부발전은 연료전지 운영 과정에서 발생하는 냉・난방열(2만1,756Gcal/년)과 이산화탄소(1만 톤/년)를 스마트팜에 공급함으로써 REC를 확보하게 된다.  




지난해 10월에는 청양군, LG CNS, 대우건설과 ‘청양군 농촌형 스마트타운 단지 개발을 위한 양해각서’를 체결했다. 농촌형 스마트타운은 부산 및 세종 등지에서 추진하고 있는 스마트시티 개념을 농촌형으로 적용한 모델이다. 


청양군은 지난 3월 국내 최대 규모의 ‘농촌형 스마트타운 단지’ 개발을 위한 마스터플랜 수립을 완료했다. 청양군 남양면 일원 79만㎡를 사업 대상지로 선정하고, 스마트팜 43%, 산업시설 22%, 관광·상업 시설 13%, 주거시설 22%를 배치한다는 청사진이다.


청양군은 2023년에 특수목적법인(SPC)을 설립한 후 2024년에 토지보상과 단지 조성에 들어갈 예정이다.


서부발전은 스마트타운 단지 내 스마트팜에 연료전지 부생 열과 이산화탄소를 공급하게 된다. 


서부발전은 연료전지의 부생 열과 CO2 공급기술을 지속적으로 연구·개발하고, 이에 대한 프로세스를 확립해 국내 최초로 신재생-스마트농업 융합형의 ‘한국형 All-in One 사업모델’을 개발할 계획이다. 


이를 통해 농촌진흥청 스마트팜 연구단지 42개소를 조성하고, 전국 4대(김제・상주・고흥・밀양) 스마트팜 혁신밸리와 연계해 사업을 확대 추진할 계획이다. 




전라북도 부안군은 100MW급 해창석산 수소연료전지 스마트팜 조성사업을 추진하고 있다. 해창석산 자연 속 치유공간 조성사업과 함께 부안군에서 한국판 뉴딜사업으로 추진하고 있는 대표적인 사업이다. 


사업 대상지인 해창석산 부지가 농식품부 소유이고, 새만금 기본계획에 포함되어 있는 지역이어서 관계부처의 협조가 절실한 실정이다. 현재 농림축산식품부, 새만금개발청과 막바지 협의를 진행 중이다.  


부안군 관계자는 “연료전지 발전으로 생산한 전기와 그 부산물인 온수를 이용해 효율적인 대규모 스마트팜을 조성할 수 있어 경제성이 높고 각각의 스마트팜은 청년 농부 등에 분양해 청년 일자리를 창출할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.


강원도 평창군에서는 6.16MW 규모의 스마트팜-연료전지 융합시스템 구축사업이 올해 착공할 것으로 전해졌다.     


또한 지난 2019년 12월 선정된 수소 시범도시(울산, 안산, 전주・완주)에도 특화요소로 스마트팜-연료전지 연계사업이 추진되고 있다. 


울산은 북구 화봉화훼단지(1만㎡)에 도심형 스마트팜을 조성하고, 국산 수소연료전지(SOFC)를 설치해 운영할 예정이다. 


안산은 대부도에 에너지타운과 스마트팜을 조성해 수전해 수소를 활용한 연료전지에서 생산되는 전기와 열을 스마트팜에 공급할 계획이다.   


전주・완주는 수소생산시설에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 농가(스마트팜)에 재배작물용(하루 10톤)으로 공급할 계획이다. 


서울시는 지난 2019년 11월 발표한 ‘물재생센터 비전 3.0 계획’의 일환으로 4개 물재생센터(중랑·난지·서남·탄천)에 수소연료전지 기술을 적용한 ‘신재생에너지 환상망’을 구축할 계획이다. 


물재생센터 소화조에서 발생하는 바이오가스(소화가스)에서 수소를 생산하고, 수소연료전지 발전과정과 바이오가스 정제과정(수소생산)에서 나오는 이산화탄소는 스마트팜에 공급한다. 또 수소연료전지 발전과정에서 나오는 열은 센터 내 소화조와 건조・소각시설에 공급하고, 소화조에서 발생하는 열은 스마트팜에 공급하는 방식이다.  




(사)한중민간경제협력포럼과 메가타임홀딩스-메가팜빌리지는 ‘한・중 스마트팜빌리지 조성사업’을 추진 중이다. 지난 4월 3일 포천시 한화콘도에서 사업설명회와 함께 두산퓨얼셀, CJ올리브네트웍스, 신한은행과 업무협약을 체결했다. 


포천시 관인면 사정리 일대에 조성될 스마트팜빌리지는 약 25만㎡ 규모에 스마트팜과 스마트빌리지가 결합된 한・중 합작 프로젝트이다. 두산퓨얼셀이 이번 사업에 연료전지 발전시스템을 공급할 예정이다. 


이처럼 스마트팜-연료전지 연계사업이 농업 혁신성장을 선도하고 탈탄소 경제체계 전환에도 기여하는 모델이 될 것으로 기대를 모으고 있다. 





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