태양광·열과 지열 등을 활용한 복합열원 히트펌프를 통해 온실 냉난방비를 최대 78% 저감할 수 있는 기술이 개발됐다. 

농촌진흥청(청장 조재호)은 태양광‧열(PVT) 패널과 지열을 결합한 ‘복합열원 히트펌프 온실 냉난방 기술’을 개발했다고 밝혔다.

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.

시설원예 가온면적은 전체의 32%로 증가 중이며 난방비가 경영비의 30~40%를 차지한다. 신재생에너지로 지열시스템이 보급되고 있으나 장기간 사용하면 지열이 부족해 보조 유류 난방기를 사용하는 농가가 늘어나고 있다.

특히 개방형(SCW) 지열은 지하수를 히트펌프의 열원으로 공급하고 지열 관정을 통해 지하수층으로 회수하는 기술이다. 그러나 이때 일정량의 저온 지하수를 외부로 배출시켜 회수되는 지하수층 온도가 급격하게 떨어지는 것을 방지하고 있으나 지열 및 지하수 낭비를 초래하고 있다.

농진청이 이번에 개발한 복합열원 히트펌프 온실 냉난방기술은 온실면적의 10% 부지에 설치한 태양광‧열패널에서 발생하는 30~40℃의 태양열과 지중열교환기에서 얻는 지열을 하나의 열저장조에 모은 후 이를 히트펌프 열원으로 사용해 온실난방에 적당한 48~50℃의 온수를 만드는 것이 핵심기술이다.

난방이 필요하지 않은 봄, 여름, 가을에는 태양광‧열패널에서 생산한 열을 지하수층으로 보내 저장했다가 겨울철 온실난방에 사용한다.

복합열원 히트펌프기술을 딸기(설향) 온실(175㎡)에 적용한 결과, 면세 등유대비 냉난방비용을 78% 줄일 수 있었다. 또한 온실면적의 10% 부지에 태양광‧열패널을 설치했을 경우 온실난방에 필요한 전체 열량의 30%를 분담할 수 있으며 지열만 이용했을 때보다 에너지를 20%까지 줄일 수 있었다.

또한 오랜 시간 사용하면 열원이 부족했던 지열시스템의 단점을 보완하고 농업에서 신재생에너지이용을 확대하는 기반 기술을 확보하게 됐다.

농진청은 복합열원 히트펌프기술을 특허출원했으며 신기술 보급사업으로 농가에 보급할 계획이다. 또한 농업분야에서 태양광‧열패널의 활용을 늘리기 위해 다양한 기술과 접목하는 방안을 추가 연구 중이다. 

유인호 농진청 에너지환경공학과 과장은 “농사용 전기가격이 올라 농가 경영에 커다란 부담이 되고 있다”라며 “태양광‧열과 지열 같은 신재생에너지를 적극적으로 사용해 농가 경영비 부담을 줄이고 나아가 탄소중립 실현의 기반을 마련할 수 있길 바란다”고 말했다.

복합열원 히트펌프 온실 냉난방시스템 구성은 크게 지열 관정(SCW 개방형), 태양광·열(PVT)패널, 버퍼탱크, 히트펌프, 축열조, 자동제어반으로 구성된다. 보통 990㎡(10a, 300평) 면적의 온실에 지열 21RT(RT≒3,320kcal/h)+PVT 54패널(108㎡, 18kW(전기)+47.4kW(태양열))을 설치할 수 있다. 

유류용 온수보일러는 자부담 100%, 복합열원 냉난방시스템(개방형)은 보급사업으로 지원받을 경우를 고려해 자부담 10%, 융자 10%(농식품부 농업에너지이용효율화사업 중 지열시스템 지원기준)로 농가 부담 20%로 비교한 경제성 분석 결과, 연간 10a당 800만원의 수익액이 있어 4.4년 이내에 복합열원 온실 냉난방시스템 설치를 위한 추가비용을 회수할 수 있을 것으로 분석됐다. 

특히 생산된 태양광 전기를 판매하지 않고 소비전력으로 사용한 경우 농사용전기 을의 경우를 적용해 kWh당 46.5원으로 산정하면 냉난방 시 소비된 전력값인 난방비용 209만1,000원, 냉방비용 69만3,000원, 지중축열 지열펌프 운영비 52만4,000원을 다 합한 비용인 330만8,000원과 비교할 때 107만1,000원을 확보할 수 있다. 이를 냉난방비 및 지중축열 운영비용으로 지불하면 223만7,000원 부족한 것으로 나타나 냉난방비용 및 지열히트펌프 운영비용으로 223만7,000원을 지불해야 하는 것으로 나타났다. 

그러나 면세경유를 사용하는 경우 총 냉난방비용이 1,004만3,000원인 것에 반해 복합열원 히트펌프를 사용하면 223만7,000원을 지불해야 하므로 연간 면세경유대비 78%의 냉난방비용 절감이 이뤄진 것으로 평가됐다. 

한편 태양광모듈과 태양열집열기를 결합한 형태의 태양광·열 복합모듈인 PVT (Photovoltaic Thermal)는 전기와 열을 동시에 획득하는 태양에너지설비로 해외에서는 1970년부터 태양광과 태양열을 결합하는 다양한 연구개발이 진행됐다.

최근 개발된 PVT는 18㎡에 전기 3kW, 열 7.9kW 생산해 태양복사에너지 73% 이용, 동일 면적의 태양광패널보다 에너지생산량 많은 것이 특징이다. 에너지믹스시대에 PVT보급·확대를 위한 제도화가 시급한 상황이며 적극적인 PVT와 히트펌프 응용기술 개발이 필요한 상황이다.