'20년 EU, 중국 등이 탄소중립을 실천하기로 선언했고, 조 바이든 대통령 취임 이후 미국도 2050 탄소중립에 동참함으로써 세계적으로 신기후체제하에서 국제적 온실가스 감축 논의가 가속화되고 있다. 또한 기후변화협약 당사국 총회(COP26)에서 지구 온도 상승 억제를 위한 온실가스 감축 의지를 재확인하면서 우리나라도 탄소중립을 선언했으며, 기후변화로부터 안전하고 지속가능한 탄소중립 사회를 구축하기 위해 2050 탄소중립 장기전략을 마련하고 있다.
2016년 기준 우리나라의 농업부문에서 배출되는 온실가스 양은 21,245천톤 CO2eq으로 국가 총배출량(694.1 백만톤 CO2eq)의 약 3.1%를 차지했으며, 이는 전년 대비 약 1.6%가 증가했다(2018 온실가스종합정보센터, 2019 저탄소 농업기술 편람). 농업에너지 부문의 온실가스 배출은 농기계의 에너지전환 및 에너지 이용 효율화와 재생에너지 등 저탄소 에너지 이용 확대로 점차감소할 것으로 전망하고 있다. 그러나 시설원예 가온 면적의 81.6%에서 석유류를 에너지원으로 사용하고 있고, 전기는 9.0%, 재생에너지 활용은 5.2%(지열1.5%, 목재팰릿 3.7%)로 아직 미미한 수준이다. 또한 최근 대형화, 규모화된 스마트팜 시설 농업이 증가하고 있고, 우리나라 기후가 아열대성 기후로 변화하고 있어 냉방 에너지에 대한 요구가 점차 커지면서 농업용 전기 및 열에너지 사용이 점점 증가하고 있다.
이러한 환경변화에 대응하기 위해 국립농업과학원 에너지환경공학과 신재생에너지연구실에서는 농업 에너지의 효율적인 공급방안에 대해 꾸준히 연구해 왔다. 온실의 난방비용을 줄이기 위해 농업 분야에서 활용되지 않았던 기술을 발굴해 농업 분야에 효율적으로 활용하는 방안을 연구했으며, 대표적인 기술로는 시설 원예용 지열히트펌프 시스템을 들 수 있다. 신재생에너지인 지열을 이용해 농업용 히트펌프의 효율을 높이는 기술로서 겨울철에 소요되는 온실 난방비를 78%까지 획기적으로 절감할 수 있었다. 이 기술은 채소, 화훼 등을 재배하는 온실에 “에너지 이용 효율화 사업”을 통해 보급되고 있다. 또 다른 신재생 에너지인 수열을 이용하는 냉난방 기술로 강변 여과수의 열에너지를 냉난방 시스템에 이용하는 기술과 여름의 온열과 겨울의 냉열을 지하수층에 저장하는 계절간 축열 냉난방 시스템을 연구했다. 이외에 산업 폐열을 이용한 재생에너지를 주변 온실과 연계해 난방에 사용하거나 가축분뇨 공동자원화시설 내 미활용 폐열을 회수해 펠릿형 퇴비 건조 시 이용하는 기술도 개발했다. 또한 가축분뇨를 처리하면서 동시에 전기에너지를 생산할 수 있는 미생물연료전지 기술 등 농업부산물을 이용한 기술을 개발해 농업적으로 활용하기 위해 노력하고 있다.
뿐만아니라 국가 수소 중심 에너지산업에도 기여할 수 있는 연구를 농업 현실에 맞춰 농업부산물로부터 수소를 생산하는 연구를 시작했다. 현재 수소생산은 부생가스로부터 수소 생산하는 기술에 의존하고 있는데 생산량이 제한적이다. 수소경제로 나아가기 위해 저비용 고품질의 수소생산은 매우 중요한 요소기술이다. 이러한 수소생산을 위해 가축분뇨 바이오 가스 발효조에서 생산된 메탄을 스팀 바이오가스 리포밍(SBR) 기술을 통해 수소로 전환하고, 이 과정에서 생산되는 CO2는 농작물의 광합성 촉진을 위해 원예시설에 활용해 이산화탄소의 배출을 최소화하는 연구를 수행하고 있다.
또한 신재생에너지연구실에서 개발 중인 복합열원 온실냉난방시스템은 기존 지열(밀폐형, 개방형) 냉난방 시스템에 태양광+태양열 일체형 장비(PVT)를 추가로 설치해 전기도 생산하고, 태양열을 이용해 온수도 생산하는 시스템이다. PVT(태양광·열)와 지열을 열원으로 사용하는 복합열원 냉난방시스템의 원리는 동절기 PVT에서 발생되는 태양열과 지열을 히트펌프 열원으로 사용하고, 간절기 및 하절기에는 PVT 및 온실에서 발생되는 태양열을 지하수 암반대수층에 축열했다가 다음 동절기에 사용하는 시스템으로서 <그림 1>과 같이 구성했으며, 생산된 전기는 히트펌프가 소비하는 전력량을 상쇄할 수 있을 것으로 기대한다.
또한 농업시설(온실, 축사, 버섯사) 냉난방 부하를 현장에서 간편하게 산정할 수 있는 모바일 웹 프로그램을 개발해 제공하고자 연구를 수행하고 있다.
모바일기반의 온실 냉·난방 에너지 계산 프로그램은 이미 개발 완료돼 모바일에서 웹프로그램의 메뉴로 제공되고 있으며, 축사와 버섯사에 대한 냉·난방 에너지 계산 프로그램도 개발하고 있다. 이 프로그램은 온실 최대 난방부하, 기간 난방부하(기간별 연료소비량), 주간 및 야간 냉방부하, 온실 표면적 계산 등의 기능을 제공한다. 또한 온실 피복재 12종 및 보온재 16종의 조합별 열관류율(난방부하계수)을 제공해 피복재 및 보온재에 설치 형태에 따라 온실의 에너지 절감율을 설계할 수 있다. 이 계산 프로그램을 이용하기 위해서는 스마트폰 또는 PC 브라우저를 실행한 후 주소창에‘http://phri.iptime.org/apps/kr.re.arap.dec’을 입력한 후 접속해 이용할 수 있다.
이상과 같이 에너지환경공학과 신재생에너지연구실에서는 농업분야 경쟁력 강화 및 탄소중립을 위한 정부 정책에 부응하기 위해 지속 가능한 친환경에너지 기술을 개발하고 농업인과 함께하는 현장실증연구를 추진하고 있다.