한국에너지기술평가원은 최근 ‘2024년도 제2차 에너지수요관리핵심기술개발사업 신규지원대상 연구개발과제’ 공고를 통해 ‘미활용에너지 활용 에너지절감형 식물공장시스템 개발 및 실증’ R&D가 발표됐다.

식물공장 대형화와 자동화가 진행될수록 운영비에서 에너지비용이 차지하는 비율이 증가하게 되며 미활용에너지(산업폐열, 건물폐열, 폐기물, 폐가스 등) 활용 및 시스템 고효율화를 통한 에너지사용량 절감 기술개발 필요하다. 

글로벌 시장조사기관인 Markets and Markets에 따르면 글로벌 식물공장시장은 2021년 32억달러 규모에서 2026년 97억달러 규모로 25.0%의 높은 연평균성장률(2021~2026)이 예상된다. 건물형 수직농장(Building-based) 28억달러, 컨테이너형 수직농장(Shipping container-based) 4억달러 규모로 신선식품시장 확대로 도시농업 수요도 증가 추세다.

식물공장은 다층 재배구조 형태의 밀식재배로 운영되므로 수직방향의 유동 및 환경 균일화가 중요하며 에너지절감을 위한 미활용에너지 활용 고정밀 공조기술에 대한 수요도 증가한다. 물류와 연계한 식물공장 대형화로 에너지사용량 절감을 위한 기술적인 난점도 증가하고 있다.

이에 따라 에너지다소비건물인 식물공장에 대한 에너지효율 관점에서의 정책 마련이 필요하다. 식물공장을 대상으로한 체계적인 공조, 설비분야 기술 확보는 물론 식물공장 급증 시 에너지수요관리 관점에서의 대응 방안이 시급히 요구되고 있다. 

산업 또는 상업현장에서 활용되지 않고 버려지는 에너지를 사용하고 높은 에너지효율의 핵심 자재와 기술들을 적용해 에너지절감 성능이 우수한 식물공장기술을 개발하고 실증단계까지 추진하는 것이 이번 R&D의 목표다. 

이를 위해 에너지다소비시설인 식물공장의 에너지 고효율화 기술 개발 및 에너지활용 식물공장시스템 건물 실증을 통한 식물공장 표준모델을 개발해야 한다. 

식물공장 표준모델에는 광합성 효율이 높으면서 발열이 낮은 고출력 LED와 균일한 광원 배치 설계가 필요하다. 난방과 함께 LED조명의 발열을 고려해 냉방기능을 고효율로 구현하며 수직농장 작물의 효율적인 생산을 위해 CO2 공급도 필수적이다. 

작물의 증산작용 때문에 습도관리한 만큼 초기 재배기간에는 가습기술이, 성장과정에서는 제습기술이 중요하다. 다층밀식재배 구조 특성상 균일한 내부 환경을 위한 공기 유동과 조명설계기술 개발도 필요하다. 

특히 산업 폐열 및 배가스 활용 등 미활용에너지 기반 식물공장 에너지시스템을 개발하고 고효율 식물공장 전용기기, 설비 및 시스템설계 기술 확보, 식물공장 주간 및 야간 운전 최적화를 위한 에너지부하율, 에너지분배량, 기기 냉방효율 등으로 종합적으로 반영해야 한다. 

폐열을 흡수식 냉방 및 제습기 재생열원으로 활용해 배가스를 이용한 CO₂ 시비 활용 기술도 식물공장 운영시 필요한 기술이다. 

이번 R&D는 에너지다소비시설인 식물공장의 에너지 고효율화 기술 개발 및 미활용에너지 활용 식물공장시스템 건물 실증을 통한 식물공장 표준모델 개발이 최종 목표다. 목표 달성을 위해 총괄과제 1개(미활용에너지 활용 에너지절감형 식물공장시스템 개발 및 실증)와 세부과제 2개(고효율 에너지 식물공장 핵심 요소기술 개발, 미활용에너지 활용 식물공장 에너지공급기술 개발)가 추진된다.

R&D의 총괄은 △세부 연구개발 과제 종합관리 및 사업추진 방향 조정 △미활용에너지 활용 및 고효율 기기 제어 전략 적용 통합에너지관리시스템 플랫폼 개발 △식물공장 수요 기반 최적 패키지(광원, 공조, 재배)시스템 표준 설계 기술 개발 △미활용에너지 활용 및 고효율 기기 제어 전략 적용 통합에너지관리시스템 플랫폼 개발 △식물공장 수요 기반 최적 패키지(광원, 공조, 재배)시스템 표준 설계 기술 개발 △식물공장 핵심요소기술 및 에너지 성능평가 표준화(안) 개발 △미활용에너지 활용 식물공장시스템 다중 사업화 모델 개발 △맞춤형 최적 환경 조성을 위한 LED조명, 공조기기, 터미널설계‧배치 기술 개발 △식물공장 건물 실증 추진 등을 맡는다. 

특히 실증운전 규모는 소규모 모듈형, 500m² 이상 대규모 건물형을 각각 구성하며 전체 사용 에너지대비 미활용에너지 활용 비율 20% 이상으로 구성해야 한다.

1세부과제는 식물공장 에너지부하인 조명, 냉난방, 제습, 환기 등을 분석해 △초고효율 식물공장 전용 LED 광원 장치 △LED 발열 냉각 및 열회수기술 △냉방 및 제습 에너지절감 기술 △식물공장 전용 고효율 공조기기(냉방, 제습, 환기 등) △계절별‧작물별 냉방, 제습, 환기 등 공조기기 에너지절감 최적 제어기술 등을 개발하고 식물공장 적용 LED 광원 및 공조기기 에너지효율기준을 도출해야 한다.

2세부과제는 미활용에너지이용 식물공장 사례분석과 활용방안을 도출해 △미활용에너지 회수, 저장, 이송 기술 △식물공장 연계 미활용에너지 공급 인프라 구축 기술 △다양한 특성(식물공장 내외부, 온도대, 열규모 등)을 갖는 미활용에너지의 식물공장 공급 기술 △수요기반 계절별‧작물별 미활용에너지 공급 최적 제어 및 운영기술 등을 개발하고 식물공장 미활용에너지 활용비율 기준을 도출하는 것이 목표다. 

이번 연구과제 기간은 55개월 이내이며 1차년도 정부지원연구개발비는 40억원 내외로 총 정부지원연구개발비는 185억원이 지원된다. 단계별로는 1단계(31개월 이내) 110억원 내외, 2단계(24개월 이내) 75억원 내다.