농업 시설 CO2 시용 현황과 제어 고도화 위한 대응

2025.07.13 16:39:12

안타케 다이스케, 규슈대학 대학원 농학연구원

CO2 시용에 관한 배경과 이 글의 목적

 

농업 시설(온실, 식물 공장)의 식물 생산은 노지 농업에 비해 매우 높은 생산력을 가진 농업 형태로 알려져 있다. 그 생산력을 실현하는 중요한 요인으로는 각종 환경 제어를 들 수 있다. 환경 제어의 대상이 되는 주요 환경 요소로는 빛 강도, 기온, 습도, 뿌리 영역의 양수분 농도 외에도 주간의 광합성을 촉진하여 식물의 성장·수확량에 강하게 영향을 미치는 공기 중의 CO2 농도도 들 수 있다.

 

농업 시설 내의 CO2 농도를 최적으로 제어하기 위해서는 시설의 CO2 수지에 기반한 CO2 농도 환경의 형성 기구를 정확하게 이해한 후에 제어기기를 조작하는 것이 중요하다. 가장 기본적인 접근법으로는 환기나 토양 호흡(농업 시설이 토경 재배인 경우에 한함)을 통한 시설 내 공기에 대한 CO2 가스의 공급이 있다. 전자는 시설 내외의 CO2 농도 차이와 시설의 환기 특성에 의존하고, 후자는 미생물에 의한 토양 중 유기물의 분해나 식물 뿌리의 호흡에 의존한다. 이러한 CO2 공급은 비교적 쉽게 실시할 수 있지만, 시설 내 식물의 광합성에 의한 CO2 흡수와 비교하면 공급량이 부족한 경우가 많다.

 

 

그 결과, 광합성이 활발한 환경 조건 하(비교적 맑은 날의 주간)에서는 시설 내의 CO2 농도가 시설 외부보다 크게 낮아지는 경우가 자주 발생한다(이를 CO2 기아라고 부른다). 이러한 시설 내의 낮은 CO2 농도 환경은 광합성의 속도 제한 요인이 되어 결국 식물의 성장·수확량에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 상황을 피하고 시설 내 CO2 농도를 외부와 동일한 수준(400µmol mol−1) 또는 그 이상(500~1000µmol mol−1 정도)으로 높여 보다 높은 수준의 생산량을 목표로 하기 위해서는 CO2 가스를 인위적으로 공급하는 CO2 적용이 유일한 유효 수단이 된다.

 

이러한 동기에서 일본에서는 1960년대부터 관련 연구가 본격화되어 현재에 이르기까지 다양한 성과가 보고되어 있다. 농업 시설(온실)의 CO2 시용 보급률은 아직 5% 정도에 머물러 있지만(재배하는 품목에 따라 크게 다름), 특히 고도의 농업 시설로 알려진 식물 공장에서는 CO2 시용이 필수적인 환경 제어 기술로 인식되어 있다.

 

CO2 시용에는 주로 액화 CO2 방식과 연소 방식의 두 가지가 있다. 전자의 액화 CO2 방식은 고압 봄베에 충전된 액화 CO2를 기화시켜 시용하는 것이고, 후자의 연소 방식은 등유, 프로판가스, 천연가스 등의 연료를 장치(CO2 발생기 등으로 불린다)에서 연소시켜 발생시킨 CO2 가스를 시용하는 것이다. 러닝 코스트는 전자의 액화 CO2 방식이 후자의 연소 방식에 비해 수배 높아진다. 따라서 코스트 측면에서 CO2 시용을 실시하는 상용 온실의 대부분은 후자의 연소 방식을 채용하고 있다. 이렇게 획득된 CO2 가스는 발생기를 기점으로 하여 직접적으로 혹은 대구경의 배풍 덕트를 통해 시설 내 공간 전체에 시용(전체 시용)되는 것이 일반적이다. 또한 CO2 발생기는 시설 내 CO2 농도 센서의 피드백에 의해 on-off 동작으로 제어된다.

 

이러한 수단에 의한 CO2 시용은 앞에서 말한 바와 같이 농업 시설의 생산력 강화를 이루기 위해 필수적인 환경 제어인 한편, CO2 가스를 인위적으로 발생시켜 이용함으로써 다음의 두 가지 관점에서 지속 가능성에 관한 과제를 가지고 있다고 할 수 있다.

 

첫 번째는 CO2 시용의 자원 절약․에너지 절감화 관점이다. 대부분의 환경 제어에는 자원·에너지의 투입, 즉 코스트가 수반되며 이는 CO2 시용에서도 마찬가지이다. 코스트에 대해 최대의 이익을 얻는 효율성 향상을 위해 노력해야 한다.

 

두 번째는 심각화되는 기후 변동의 영향을 배경으로 한 탄소 중립·탈탄소 사회 실현의 관점이다. 일본 농림수산성이 2021년에 수립한 ‘녹색 식량 시스템 전략’에 의해 농산업의 CO2 제로 에미션(Zero Emission)화가 목표로 정해져 있으며, 농업 시설에서도 CO2 배출 감소의 노력이 강하게 요구되고 있다. 즉, 현재는 농업 시설의 생산력 강화와 지속성을 동시에 충족시키는 기술군이 요구되고 있으며, 이들의 개발이 활발한 상황에 있다.

 

이러한 CO2 시용에 관한 배경을 바탕으로, 이 글에서는 우선 널리 채용되고 있는 시설 내 전체에 대한 CO2 시용(전체 시용)에 관해 CO2 농도의 공간 분포에 기초하여 발생할 수 있는 문제를 추출한다. 다음으로, 이 전체 시용의 문제를 해결하고 CO2 시용의 지속성에 기여하는 기술로서 최근 보급이 진행되고 있는 CO2 국소 시용 기술에 주목하여 그 효과를 소개한다. 마지막으로 지속성을 더욱 추구한 제로 에미션화에 기여할 것으로 기대되는 CO2 제어의 고도화(다음 단계)에 관한 최신의 첨단 기술군과 대응에 대해서도 다룬다.

 

기존의 CO2 전체 시용의 효과와 문제군

 

딸기 고설 재배가 도입된 고천장 식물 공장에서 CO2 전체 시용을 실시했을 때의 CO2 가스의 확산 프로세스를 수치 유체 역학 시뮬레이션(Computational Fluid Dynamics; CFD)을 통해 재현함으로써 시설 횡단면의 CO2 농도 공간 분포를 가시화하였다(그림 1). CFD란 시스템 내의 복잡한 유체의 운동을 컴퓨터로 표현하는 시뮬레이션 기법으로, 건축물이나 기계의 설계에 이용하는 외에도 농업 시설에 응용하는 사례도 증가하고 있다. 이 글에서는 CFD의 상용 소프트웨어인 Ansys Fluent(2019 ver. R1, ANSYS Inc., USA)를 이용하였다.

 

 

시설 횡단면에서 고농도의 CO2 영역은 식물이 존재하는 고설 재배 베드 근처가 아니라, 시설 내 상층부의 공간에 나타났다. 이는 CO2 발생기가 연소 방식이기 때문에 고온의 CO2 가스가 대류에 의해 상승했기 때문이다. 이 상황은 시용한 CO2 가스가 식물 근처에 존재하지 않는다는 것과 환기창(여기서는 천창)에서 시설 외부로 누출되기 쉽다는 두 가지 이유로 인해 시용 효율의 저하가 우려된다. 특히 시설의 틈새 간격(환기창 등)에서 누출되는 CO2 가스의 양은 예를 들어 환기창이 폐쇄된 조건 하에서 시용한 CO2량의 약 50%나 되는 것으로 보고되어 있는데, 그 이유 중 하나로는 시설 내 상층부에 CO2의 체류가 있다고 생각된다. 이처럼 시용 효율의 저하로 이어질 수 있는 부적절한 CO2 농도의 공간 분포가 고천장 식물 공장에서 형성되는 문제로 우려된다.

 

다음으로, CO2 전체 시용 하의 농업 시설 내 CO2 공간 분포의 특징을 보다 일반화하여 이해하기 위해 세 가지 형상적 특징(소형 단동 온실 : Small, 긴 단동 온실 : Long, 긴 2연동 온실 : Long+Wide)을 가진 상용 온실에서 동일한 CFD 해석을 실시하였다. 여기서는 고설 재배 딸기가 존재하는 높이(1.2m)의 수평면에서 CO2 분포(및 미기상 환경)를 CFD로 재현하고, 또한 광합성 생화학 모델을 기반으로 기공 모델․가스 확산 모델 등을 조합함으로써 개별 잎의 광합성 속도의 수평면 분포도 가시화하였다(그림 2).

 

 

Small에서는 시용된 CO2 가스가 전면에 충분히 확산되어 있었으나, Long에서는 CO2 가스가 발생기가 있는 측면에서 반대편 측면을 향해 1차원적으로 수송되어 그 결과 두 측면 간에 큰 CO2 농도 구배가 형성되어 있었다. 또한 폭이 넓은 Long+Wide에서는 2차원적인 수송에 의해 CO2 가스가 확산되어 있으나, 전체적으로 낮은 CO2 농도 분포가 확인되었다. 광합성 속도의 분포에는 CO2 농도의 영향이 크게 반영되고 있었지만, 온실 내의 수평면에서 보이는 불균일성은 CO2 농도만큼 현저하지는 않았다. 이는 광합성 속도와 CO2 농도의 관계가 비선형(포화형 곡선)이라는 것에 기인한다. 그러나 수평면 상의 불균일성은 여전히 작지 않으며, 그 결과 식물의 성장이나 수확량에 편차가 생길 가능성이 있기 때문에 시설 전체에 대한 CO2 시용으로 부적절한 CO2 농도의 공간 분포를 개선할 필요가 있다.

 

CO2 국소 시용과 그 효과

 

농업 시설의 CO2 전체 시용에 의한 부적절한 CO2 분포 문제를 해결하는 방법 중 하나로, CO2 가스를 필요로 하는 장소, 즉 식물 영역에 직접 공급하는 국소 시용이 있다. 최근에는 연소 방식에도 개선이 이루어진 여러 사례가 있으며, CO2 가스의 온도를 저하시켜 국소 시용하는 시판 시스템이나 기존의 CO2 발생기에 범용성 있는 부재를 조합함으로써 CO2 가스를 농축하여 국소 시용을 가능하게 하는 시스템도 제안되고 있다.

 

그림 3은 국립연구개발법인 농업·식품산업기술종합연구기구 규슈 오키나와 농업연구센터가 개발한 국소 시용 시스템으로, CO2 가스를 발생기와 농축 탱크 간에 순환시킴으로써 농축(약 4000µmol mol−1)하고, 그 가스를 범용적인 관수 튜브를 통해 식물 영역에 직접 공급할 수 있다. 큰 장점으로는 새롭게 시스템 자체를 구입하는 것이 아니라 기존의 CO2 발생기를 활용할 수 있다는 점을 들 수 있다.

 

 

이 CO2 국소 시용 시스템이 가동되는 딸기 식물 공장에서 CO2 농도의 공간 분포(횡단면)를 CFD로 시뮬레이션한 결과를 그림 4에 나타냈다. 높은 CO2 농도의 영역은 재배 베드 상에서만 나타나고, 다른 공간은 비교적 낮은 농도 환경이 형성되어 있었다. 즉, CO2의 국소 시용에 의해 식물 공장 내의 공간 전체가 아니라 식물 영역만의 CO2 농도를 목표값(800µmol mol−1)로 유지할 수 있다는 것이 가시화되었다. 이는 CO2 전체 시용의 경우와 달리, 시설 벽면 주변의 CO2 농도가 비교적 낮기 때문에 시용 효율을 저하시키는 요인이 되는 CO2 외부 누출도 경감될 것으로 기대된다. 또한 시설 내 전체가 아니라 식물 영역만의 CO2 농도가 제어되기 때문에 CO2 가스의 발생에 따른 연료(등유) 소비량의 감소도 기대된다.

 

 

여러 가지 딸기 품종에 대한 국소 CO2 시용의 시험 결과에 따르면, 수확량 증대 효과는 기존의 CO2 전체 시용과 동등하거나 혹은 식물체가 그루터기에서 고농도의 CO2에 노출되기 쉽기 때문에 동등 이상의 효과가 얻어지면서 등유 소비량은 25~30% 감소된 것으로 보고되었다. 즉, CO2 국소 시용은 수확량 증대(생산력 강화)와 에너지 절감․자원 절약(지속성)의 두 가지 효과를 가지고 있다는 것이 입증되었다.

 

또한 CO2 국소 시용의 장점은 또 하나 존재한다. 앞에서 말한 에너지 절감 효과는 식물 영역의 CO2 농도를 목표값으로 증가시키기 위해 필요한 등유(즉, CO2 가스의 양에 상당)의 필요량이 적다는 것을 의미한다. 이는 도입한 CO2 국소 시용 시스템이 보다 넓은 면적의 농업 시설에도 적용할 수 있다는 스케일 장점의 가능성을 나타낸다. 이에 처음 설치했던 농업 시설 면적을 기준으로, 4배까지 시설 면적을 확장했을 때의 CO2 농도 분포의 CFD 시뮬레이션을 실시했다.

 

그 결과, 처음의 CO2 국소 시용 시스템은 농업 시설의 면적이 3배 정도까지 확장되어도 전체 시용과 동일한 정도의 식물 영역 내의 CO2 농도 환경을 유지할 수 있다는 것이 시뮬레이션 상으로 확인되었다(그림 5). 필자가 딸기 생산자에게 문의한 바에 의하면 2.5배의 면적을 가진 농업 시설에서도 이 스케일 장점이 유효하다는 것이 확인되었으며, 앞에서 말한 시뮬레이션 결과의 타당성을 증명하고 있다.

 

 

CO2 제어의 다음 단계를 위해 : CO2 회수․저장․유효 이용 기술

 

지금까지 소개한 CO2 국소 시용 기술은 기존의 CO2 전체 시용으로 인한 문제였던 생산력 강화와 지속성의 양립에 대해, ‘CO2 농도의 부적절한 공간 분포’의 개선(제어)에 주목한 접근 방식이다. 이 기술의 효과는 앞에서 말한 바와 같으며, 새로운 장치의 구입이라는 큰 초기 투자가 필요 없다는 점으로 생산자가 도입하기 쉬운 기술로 평가되어 보급이 진행되고 있다. 그러나 CO2의 발생원으로 등유 등을 사용하는 것, 시용한 CO2가 농업 시설 외부로 누출되는 과제는 여전히 남아 있다. 이는 농업 시설에서 CO2 제로 에미션이라는 큰 미래 목표를 달성하기 위해서는 CO2 국소 시용 외에도 돌파구가 될 혁신적인 기술이 필요하다는 것을 의미한다. 그러한 유망 기술 중 하나로 언급되는 것이 CO2 회수·저장·유효 이용 기술(Carbon Capture, Utilization, and Storage; CCUS)이다. 이 CCUS 기술을 농업 시설의 식물 생산에 활용하는 대응 사례를 이하에 소개한다.

 

첫 번째 사례는 농림수산 분야에서 온실 효과 가스 배출량의 약 30%를 차지하는, 야간 난방의 가동에 따른 배기 CO2 가스를 대상으로 한 대응이다. 즉, 난방 배기의 CO2를 회수하고, 그것을 CO2 시용에 이용하는 것을 목표로 한 기술이다. 여기서 난방 가동에 따른 CO2 배출은 주로 야간에 발생하지만, CO2 시용을 위한 CO2의 수요가 발생하는 시간대는 광합성이 이루어지는 주간이다. CO2의 배출과 이용 사이에 시간적인 간격(반일)이 있기 때문에 충분한 ‘회수’와 ‘이용(시용)’에 더하여 ‘저장’의 요소도 필요하다. 이를 실현하기 위해 활성탄을 CO2 흡수재로 이용하는 시스템이 시판되어 있지만, 난방 배기에 대량으로 포함된 수증기로 인해 CO2 흡수의 효율이 저하될 수 있는 문제가 지적되고 있다. 따라서 최근에는 수증기가 풍부한 조건 하에서도 CO2를 효율적으로 흡수할 수 있는 새로운 소재인 아민 함유 겔을 사용한 시스템이 제안되고 있다. 현재는 프로토타입이 시험 온실에 도입되어 시스템의 퍼포먼스 평가와 최적의 제어 기술 개발이 진행되고 있다.

 

두 번째 사례는 분리막을 이용하여 공기 중에서 CO2 가스를 직접 회수하는 기술(Direct Air Capture; DAC)을 핵심으로 한 대응이다. 이 CO2 분리막을 이용하여 생성한 고CO2 농도 환경에 의한 작물 생육 촉진 효과를 실험실 규모 및 실제 시설 규모에서 검증하는 작업이 진행되고 있다. 또한 이 CO2 분리막은 CO2 시용에서 식물에 흡수되지 않고 잔류한 CO2 가스를 시설 외부로 누출되기 전에 분리․회수하는 데도 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이것이 실현되면, 지금까지 CO2 시용을 실시하는 데 있어 최대의 제한 요인이었던 환기와 양립도 가능해지는 꿈의 기술 개발로 이어질 것으로 기대된다.

 

여기서 소개한 두 가지 사례처럼 시설 농업의 스마트화·CO2 제로 에미션화를 지향하여 최근에는 이종 분야 융합, 특히 농공 연계를 통한 대응에 의해 CO2 제어의 다음 단계로 나아가는 연구 개발이 급속히 진행되고 있는 상황이다(그림 6).

 

 

맺음말

 

마지막으로 이 글에서는 CO2 시용의 현황과 그 고도화를 위한 동향을 주로 필자의 대응과 관련하여 소개하였다. CO2 시용은 농업 시설에서 생산력 강화를 위한 필수 환경 제어 기술로 인식되고 있지만, 동시에 탈탄소 사회의 관점에서 해결해야 할 과제도 많이 있다. 농학 분야뿐만 아니라 다양한 학술·산업 분야와 공동 창조를 통해 기술 개발이 가속화되어 생산력 강화와 지속성의 양립이 조속히 실현되기를 기대한다.

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