2.1 스마트팜 적용 SOFC 시스템

본 연구에서 제안하는 기술은 SOFC를 기반으로 한 4가지 에너지원 (전기, 냉열, 온열, CO₂)을 스마트팜 수요에 맞게 공급할 수 있는 기술이다. (Fig. 1) 사용 연료는 기존 공급 인프라를 활용한 도시가스이며, 고온 작동에 따라 연료다변화가 가능한 SOFC의 특성상 공급 인프라가 갖춰진다면 재생 연료 기반의 바이오가스도 연료로 활용이 가능하다. SOFC에서 생산된 전기는 농가 수익을 극대화하기 위해 국내 실정에 따라 자가소비형 보다는 발전사업 (RPS)을 통해 계통을 통한 매전 방식을 택하고 있다. 또한, 스마트팜의 냉방 또는 난방수요에 대응하기 위해 SOFC의 배열을 활용하여 냉방기, 난방기에 각각 냉열과 온열을 공급하고, 하루 중 작물 생산량 증대를 위한 CO₂ 시비 (CO₂ enrichment) 기간에는 SOFC 배가스를 후처리 (Conditioning)하여 스마트팜으로 공급한다.

Fig. 1.

스마트팜 적용 SOFC-배열활용 통합 시스템 개념도

제안 기술의 가능성 및 적용 효과를 파악하기 위해 경상남도 진주에 위치한 경남농업기술원에 위치한 0.3 ha 규모의 토마토를 재배하는 시설원예 온실에 SOFC 및 배열활용 통합 시스템을 구축하여 실증운전 중에 있다. (Fig. 2) 본 시스템의 핵심 구성품은 다음과 같이 1) 2 kW _e급 시스템 5모듈을 병렬 연결한 10 kW _e급 SOFC 시스템 (미코파워社 TUCY 제품), 2) 2m³ 용량의 탱크타입 온열저장조 (Tank-type thermal energy storage, 이하 TTES), 4m³ 용량의 탱크타입 냉열저장조, 3) 8.1 kW _t급의 투입온열을 냉열로 변환할 수 있는 흡착식칠러, 4) 중기 기간의 열을 저장하는 얕은 지중축열장치 (Underground thermal energy storage, 이하 UTES), 5) SOFC 배가스를 컨디셔닝하여 CO₂를 공급하기 위한 배가스 열교환기, 6) 그 외 펌프, 열교환기, 밸브 모듈이 포함된 스키드유닛 등을 포함한다.

Fig. 2.

스마트팜 적용 SOFC-배열활용 통합 구축 시스템 a. 2 kW _e급 SOFC 시스템 5모듈, b. 냉열 및 온열저장장치, c. 통합 시스템 적용 토마토 온실 d. 흡착식 칠러, e. 지중열저장장치, f. 열교환기, 밸브 및 펌프모듈, g. CO₂ 공급 열교환기

스마트팜을 위한 SOFC-배열활용 통합시스템은 외부 환경 (온/습도, 일사 등)이 달라지더라도 온실이 원하는 조건을 충족시키기 위한 에너지를 안정적으로 공급해야 하며, 이를 위해서는 냉방기와 난방기를 모두 대응할 수 있는 설계안과 운영방법이 필요하다. 이를 위한 SOFC-배열활용 통합시스템의 모식도는 Fig. 3과 같으며, 1) SOFC 시스템, 2) 온열저장 시스템, 3) 냉열저장 시스템, 4) CO₂ 공급 시스템 파트로 구성된다. SOFC시스템은 전력과 배열, 배가스를 생산하는 역할을 하며, 온열저장시스템은 생산된 배열을 열구동칠러에 요구되는 온열을 공급하거나 스마트팜 난방이 필요할 때 적절한 온도와 열량으로 스마트팜의 난방부하를 공급하는 역할을 한다. 냉열저장시스템은 온열저장시스템에 저장된 열을 활용하여 냉열로 변환하여 냉수로 저장했다가, 스마트팜 냉방이 필요할 때 냉방부하를 공급하는 역할을 한다. 마지막으로, CO₂ 공급시스템은 작물의 광합성 촉진을 통한 생산성 증대를 위해 CO₂시비가 필요한 시간에 SOFC 배가스를 농장에 적용가능한 조건으로 후처리하여 공급하는 역할을 한다.

Fig. 3.

스마트팜 적용 SOFC 통합시스템 모식도

위 4가지 파트가 통합적으로 운영되기 위해서는 배열회수-저장-전환-활용이 유기적으로 연계되어야 하므로 각 컴포넌트별 운전범위를 고려한 요소설계 기술과 각 운전범위를 모두 만족시키며 동작하기 위한 운전제어기술이 요구된다. 특히, SOFC 시스템의 경우 시스템 내의 배열회수 열교환기로 유입되는 온열저장시스템으로부터의 입수온도, SOFC의 폐열을 회수한 뒤 다시 온열저장시스템으로 재공급되는 온수의 출수온도, 이 때의 순환유량, 열교환기를 거쳐 토출되는 SOFC 배가스의 온도에 대한 정밀 제어가 필요하다. 이는 SOFC 출수온도, 배가스 온도는 국내 법적 규제조건 내로 반드시 유지되어야 하며, SOFC에서 회수된 온열을 활용하여 냉열을 생산하기 위해서는 열구동 칠러가 요구하는 설계 온도 수준을 만족시켜야 하기 때문이다. 본 연구에서는 SOFC의 입, 출수온도, 배가스 온도에 관한 각 요구조건을 만족시킴과 동시에 회수된 열을 효과적으로 활용하기 위해 3종류의 열저장조 (TTES1, TTES2, UTES)를 설계, 도입하였으며, 열을 효과적으로 분배하여 요구조건을 만족시킬 수 있는 운전제어 로직을 개발하였다. 이 때, TTES1은 SOFC의 배열을 높은 온도로 일차적으로 회수하여 저장하였다가 흡착식칠러로 열을 공급한다. TTES2는 SOFC의 입수온도를 안정적으로 제어하면서 열 생산,소비의 미스매치를 해결하기 위한 버퍼의 역할을 한다. UTES는 추가의 잉여열을 지중으로 저장하여 열이 과도하게 남는 경우에도 안정적으로 시스템의 열관리가 이루어지도록 하며, 중기적으로 열을 보다 공간효율적으로 저장하여 난방기에 활용할 수 있게 한다.

Figure 4는 스마트팜 적용 SOFC 통합시스템의 초단위 실증 운전결과를 나타낸다. SOFC에서의 전력생산은 약 10 kW _e 급으로 배열시스템의 운전과 관계없이 일정하게 생산되었다. 이는 배열회수 시스템이 SOFC 스택 운전조건에 영향을 원천적으로 미치지 않아 발생하는 특징이며, 배열회수 시스템이 연료전지 스택운전에 영향을 주는 저온형 연료전지 시스템과는 차별화된 SOFC 시스템의 장점이다. SOFC에서 생산, 회수된 열은 온열저장시스템 내 TTES1, TTES2, 및 UTES로 분배된다. 열구동칠러로의 공급열 그래프에 따르면 10분 주기로 20 kW _t이상의 열이 퍼징방식으로 공급되는 것을 확인할 수 있다. 이는 흡착식 칠러가 고온의 열을 냉열로 전환하는 흡착제의 반응특성을 고려한 칠러시스템의 자체 로컬 제어로직에 기인한다. 이와 같이 흡착식 칠러가 요구하는 운전특성은 퍼징운전으로 그 변동폭이 크나, 생산되는 냉열과 더불어 각 컴포넌트의 온도 분포는 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이는 특정 컴포넌트의 외란에도 3종의 열저장 장치가 버퍼역할을 충분히 수행함과 동시에 개발된 제어로직이 효과적으로 적용되었음을 시사한다.

Fig. 4.

스마트팜 적용 SOFC 통합시스템 실증 운전 결과

온도 프로파일에 보여지는 바와 같이 시스템 내 주요 컴포넌트들은 10℃에서부터 80℃ 이내의 다양한 온도조건 범위에서 운전이 되고 있다. 특히, SOFC로의 공급온도가 상대적으로 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 TTES2, UTES가 버퍼역할을 적절히 함과 온열저장시스템 내 열량 분배 제어가 효과적으로 이루어진 것으로 판단된다. 또한, 열구동 칠러를 통해 생산되는 냉수의 온도도 12℃ 수준으로 흡착식 칠러의 스펙조건 수준으로 냉수가 생산되는 것을 확인하였다. 이는 온실의 냉방과 배가스의 컨디셔닝으로 활용되기 적절한 온도가 SOFC로 부터 회수된 배열로 생산이 가능함을 의미한다. 본 설계안과 실증 시스템의 운영결과를 통해 4가지 주요 파트가 통합된 SOFC 시스템이 온실에서 필요로 하는 온도의 냉열과 온열을 효과적으로 생산, 저장, 공급할 수 있음을 확인하였다.

2.2 SOFC 실증운영 시 도출된 기술적 이슈

본 장에서는 스마트팜 적용 SOFC 통합시스템의 실증운영간 발생한 이슈들에 대하여 소개한다. 첫째로 SOFC 배열회수 열교환기 설계관련 이슈이다. 본 실증연구에서는 배열회수를 고려하여 설계된 SOFC 시스템이 상용화되어 있지 않아 발전용으로 설계된 SOFC 시스템을 활용하였다. SOFC의 배열회수는 Fig. 5의 모식도에서 시스템 내 버너 후단에서 토출되는 배가스의 열을 열교환을 통해 활용하는 것을 의미하며, SOFC시스템의 운용 목적에 맞는 배열회수를 위해서는 배열회수 열교환기의 설계가 수반되어야 한다. 열교환기 설계 시 고려사항은 후방 시스템이 요구하는 온도와 열량이며, 이를 만족시키기 위한 열교환기의 UA 값을 고려하여 상세설계가 필요하다. 스마트팜 냉방에 필요한 냉열을 전기가 아닌 열구동칠러를 통해 얻기 위해서는 회수되는 배열의 온도가 중요하다. 일반적으로 열구동칠러를 통해 온열을 냉열로 전환할 시에는 투입 온수의 온도가 높아질수록 투입 온열열량 대비 생산되는 냉열열량을 의미하는 열 성능계수 (Thermal Coefficient of Performance) 측면에서 유리해진다. 본 실증에서는 기 설치된 열교환기를 통해 얻을 수 있는 온수의 온도가 75℃ 수준이 한계였으며, 이 온도 수준에서 작동이 가능한 흡착식칠러를 선정하여 활용하였다.

Fig. 5.

SOFC 배열활용 시스템 설계인자 도출을 위한 실험 모식도

만약 더 높은 열 성능계수가 필요로 하다면 흡수식 냉동기를 도입할 수 있으나, 120℃ 이상의 배열회수 온도가 요구된다. 따라서, 스마트팜용 SOFC가 더욱 효과적으로 활용되기 위해서는 각 스마트팜 환경이 요구하는 냉방부하와 시스템 설치 용량에 따라 SOFC 시스템 내 배열회수 열교환기의 설계 최적화가 필요로 하다.

두번째로는 SOFC의 배가스 관련 내용이다. SOFC의 배가스에 함유될 수 있는 수분의 양은 Fig. 6과 같이 온도가 증가함에 따라 급증한다. 냉방기 열구동칠러 가동을 위해서는 SOFC로부터 회수되는 온수의 온도를 높여야하며, 이에 따라 열교환 된 후 토출되는 배가스의 온도도 같이 높아지게 된다. 배가스의 온도가 높아지면 다음의 두가지 이슈가 있다. 1) 일반적인 SOFC 시스템은 배가스에서 응축되는 물을 재순환하여 개질수로 활용한다. 발전용 SOFC의 경우 배가스의 온도가 상대적으로 낮아 응축수 회수가 용이하나, 배가스 온도가 높아지면 혼합가스 내 함유될 수 있는 수분의 양이 급증하여, 배가스로 상당수의 수분이 배출된다. 이에 따라 더 많은 개질수의 공급이 필요로 하다. 2) 스마트팜 CO₂ 공급을 위한 배가스 활용시 배가스의 온도가 증가하면 공급가스의 온도와 수분 모두 높아지게 되며, 이러한 가스가 온실에 바로 공급되게 되면 작물생장에 악영향을 끼치게 된다. 따라서, 온실에 영향을 미치지 않게 온도와 습도를 조절할 수 있는 배가스의 컨디셔닝 기술이 요구된다. SOFC 배가스의 온도가 67°C 일 경우, 온실 습구온도 18°C 달성을 위해 제거해야 할 배가스의 수분의 양은 Fig.6의 온도에 따른 포화수증기압 선도와 같으며, 배가스의 온도가 증가할수록 배가스 컨디셔닝 장치에서 제거해야 할 수분의 양이 급증하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6.

스마트팜 CO₂ 공급시스템 설계를 위해 고려해야할 포화수증기압 선도

마지막으로는 SOFC 시스템 단위 모듈 스케일업의 필요성이다. SOFC 시스템의 단위모듈 용량이 작으면 스마트팜 요구 용량에 맞게 SOFC 시스템 단위모듈을 병렬로 연결해야 한다. 스마트팜 적용 SOFC의 경우 전력뿐만 아니라 배열과 배가스 모두를 활용해야 한다. 실증 운영결과 SOFC 시스템의 모듈 개수가 많아질수록 통합시스템 운영 안정성이 저하될 수 있는 이슈를 확인하였다. SOFC의 배열을 활용하기 위해서는 개별 SOFC 시스템 내에 있는 각각의 배열회수 열교환기와 온열저장시스템과 열네트워크를 구성해야 한다. 10 kW 발전용량을 만족시키기 위해 2 kW 시스템 5기를 도입한 경우, 온열저장시스템으로 부터 공급되는 온수가 5기의 SOFC 시스템 내 열교환기로 고르게 분배되어야 한다. 이 때, 온수의 유량 분배가 적절히 발생하지 않을 시 특정 시스템의 출수 온도가 설계 치 이상으로 높아질 수 있으며, 이는 개별 시스템의 비상 셧다운으로 이루어질 수 있다. 한편, SOFC 배가스를 CO₂ 시비용으로 활용하기 위해서는 개별 SOFC 모듈의 배가스를 통합하여 컨디셔닝 하기 위한 배가스 배관의 통합연결이 요구된다. 즉, 운영 안정성 저하문제 뿐만 아니라 SOFC 개별 유닛의 열배관, 배가스 배관의 네트워크 구성을 위해 요구되는 공간과 이를 구성하기 위한 비용이 크게 증가할 수 있다는 단점이 있다. 온실의 냉/난방 부하는 일반 건물보다 기본 4배 이상으로 크므로, SOFC를 통한 배열과 배가스를 활용 시 이러한 단점이 더욱 크게 부각될 될 수 있다. 따라서, 보다 경제적인 스마트팜용 SOFC 시스템을 위해서는 SOFC 시스템의 단위 모듈 용량을 증가시키기 위한 기술개발의 필요성을 확인하였다.

2.3 제언

고효율 열병합 발전과 CO₂ 공급이 가능한 SOFC 시스템은 전기 및 열에너지 수요가 높은 농업 분야의 효과적인 에너지 해결책으로 활용가능성이 높은 것으로 기대되는 반면 보급 확대를 위해서는 스마트팜이나 농업 시설에 사용 연료의 원활한 공급을 위한 도시가스나 바이오가스 설비 구축이 반드시 선행되어야 할 것이다. 또한 생산된 전기의 매전을 통한 발전수익 확보를 위해서는 해당 농업 부지에 대한 관련 규제 완화가 반드시 필요할 것으로 예상된다. 한편 이러한 제약을 극복하면서 SOFC 시스템을 시설원예에 적용하기 위한 방안으로 도심형 스마트팜 또는 수직농장 (Vertical farm)을 고려해 볼 수 있을 것이다. 최근 사물인터넷과 연계된 도심형 수직농장은 생육환경 제어 및 자동화를 통해 생산량을 획기적으로 증가시키고 연중 재배와 수송거리 최소화 등을 통해 농촌 지역의 노지 또는 시설원예 농업 대비 경제성을 극대화시켜 차세대 신산업으로 각광받고 있다. 하지만 기존 농업 방식에 비해 태양광을 대신하는 LED와 같은 인공광원의 활용이나 냉방부하 증가 및 온,습도 제어 시스템 운영 등으로 인해 에너지 사용량이 급격히 증가하는 문제가 대두되고 있으며, 화석연료 기반의 전력을 사용할 경우 온실가스 배출을 촉진할 수 있기 때문에 신재생에너지 기술을 바탕으로 한 에너지 공급을 모색할 필요가 있다. 특히 대부분의 도심이나 상업 지역에는 도시가스 공급 설비가 이미 구축되어 있어 SOFC 시스템의 설치 및 운영이 농촌지역에 비해 편리할 것으로 예상된다. 또한 단위부피당 에너지 밀도가 높고 모듈화가 용이하기 때문에 재생에너지 기술에 비해 설치 면적을 최소화 시킬 수 있으며 냉,난방 부하나 온,습도 조절 및 CO₂ 시비 등에 복합적으로 대응함으로써 에너지 비용 저감 및 작물 생산성 향상으로 경제성을 극대화 시키고 도시재생이나 국민생활환경 증진에도 이바지 할 수 있을 것이다.