스마트팜 설비와 통합시스템

작물 생육환경을 조성하기 위해 필요한 설비와 시스템

기후 변화, 인력 등의 문제로 농작물 수급 변동성이 증가하는 현 시대에 스마트팜은 작물의 생육에 필요한 환경을 기술적으로 조성함으로써 외부환경 변화에 노출되지 않고 효율적인 작물 생산을 가능케 하는 농업의 새로운 형태로 주목받고 있습니다.

스마트팜 시설의 목적인 “최적의 생육환경 조성”을 달성하기 위해서는 작물의 생장에 필요한 요소를 파악하고, 이를 측정하고 제어하는 설비와 설비를 통합적으로 관리하는 시스템이 필요합니다.

작물의 생장에 필요한 요소

Source: 농사로 (농촌진흥청), FoRE Analysis

작물의 생장에는 광합성 3대 요소로 알려진 물, 이산화탄소, 빛와 함께 무기염료가 필요합니다. 이는 식물이 다량의 물과 유기물(98%) 그리고 소량의 무기물(2%)로 구성되기 때문입니다.

일반적인 자연상태에서 식물은 공기를 통해 이산화탄소를 얻고, 토양을 통해 소량의 무기염료를 얻습니다.

자연상태나 흙에서 식물을 키우는 일반적인 토양재배(토경재배) 방식에서는 양질의 흙에 무기염료가 충분할 수 있고 충분치 않더라도 비료의 형태로 양분을 공급하는데, 도심형 스마트팜에 적용되는 수경재배 방식은 흙이 없기 때문에 식물이 필요한 양분을 물에 섞은 양액의 형태로 무기염료를 공급해야 합니다.

'식물의 성장을 좌우하는 것은 넘치는 영양소가 아니라 가장 부족한 영양소'라는 리비히의 최소량의 법칙과 같이 질소, 인산 등의 영양소가 아무리 풍부해도 칼슘 하나가 부족하면 식물은 제대로 성장할 수 없기 때문에 스마트팜은 인공 환경을 조성하는 만큼 작물에 필요한 최소한의 영양소를 누락하지 않고 공급하는 것이 중요합니다.

(Source: 금성출판사)

무기염료는 최소한의 양을 제공하는 것이 핵심이라면, 광합성 3대 요소에 해당하는 물, 이산화탄소, 빛 그리고 온도는 식물의 광합성에 직접적인 영향을 주는 요소이기 때문에 충분한 양에 대한 계산이 필요합니다.

광합성은 빛의 세기가 강할수록, 이산화 탄소의 농도가 높을수록 광합성량은 증가하나, 어느 한계까지 증가하면 포화점에 도달하여 더 이상 광합성량이 증가하지 않습니다. 따라서 임계점에 도달하기에 충분한 양을 제공하되 불필요한 비용 손실이 발생하지 않도록 제어하는 것이 중요합니다.

온도의 경우, 빛이 약할 때에는 온도가 높아도 광합성량은 증가하지 않으나, 강한 빛에서는 온도가 높아지면 광합성량이 증가합니다. 하지만, 온도가 40 ℃ 이상 높아지면 광합성량이 급격히 줄어들기 때문에 적정 온도를 유지하는 것이 중요합니다.

최대 광합성량에 도달하기 위한 CO2 임계점 도달을 가속하기 위해, 에스퓨얼셀 스마트팜은 건물용연료전지 개질 과정에서 포집한 이산화탄소(CO₂)를 스마트팜에 활용하는 실증사업의 일환으로 대기 중 이산화탄소 농도(300~600ppm) 대비 높은 최대 2,500ppm의 고농도의 이산화탄소 공급하는 기술을 개발하고 있습니다.
CO2는 작물의 광합성 효율과 생산량에 직접적인 영향을 주기 때문에, 고농도의 CO2는 작물의 생장 속도와 품질을 높이는 기능을 수행할 수 있습니다.

스마트팜 설비와 통합시스템

스마트팜 설비는 작물 생장에 필수적인 양분의 농도를 측정하여, 부족한 양분을 제공하고 과도한 양분을 제한하는 기능을 수행해야 하므로 크게 측정 장치(Sensing)와 제어 장치(Controlling)로 구분됩니다.

Source : 스마트팜코리아 (농림수산식품교육문화정보원), FoRE Analysis

측정 장치(Sensing)는 작물의 생육에 있어서 중요한 주요 변수를 측정하는 핵심 설비를 칭합니다. 주요 변수는 내부와 외부의 환경 정보로 구분됩니다. 내부 환경 지표는 온도, 습도, CO2, 토양 수분, 양액 농도(EC), 산도(PH) 등으로 구성되며, 외부 환경 지표는 온도, 습도, 풍향/풍속, 강우량, 일사량 등으로 구성됩니다. 다만, 건물 내에서 관리되는 도심형 스마트팜의 경우에는 외부 환경에 의한 영향은 받지 않기 때문에 내부 환경 지표에 한정하여 생육 환경을 관리하게 됩니다.

제어 장치(Controlling)는 측정 장치를 통해 작물의 현재 상태를 측정하여 수집된 데이터를 기반으로 각 변수를 제어하는 설비입니다. 제어센터는 환기, 난방, 차광 커튼, 유동팬, 온수/난방수 조절, 모터제어, 양액기 제어, LED 등 설비로 구성됩니다.

작물 생육과정 조절을 위한 환경제어시스템 (Source: 농촌진흥청 농사로)

통합관리시스템(System)은 최적의 생육환경을 조성하기 위해 스마트팜 설비를 종합적으로 관리하는 시스템입니다. 통합관리시스템은 측정 장치가 수집한 데이터를 실시간으로 분석하여 작물의 상태와 환경 변화를 정밀하게 파악하고, 이를 통해 작물의 생육 단계와 환경 조건에 적합한 제어 전략을 자동으로 실행하여 최적의 생육 환경을 제공합니다. 국내 스마트팜 통합관리시스템 개발 회사로는 팜에이트(Farm8), 엔씽(N.thing)과 같은 기업이 대표적입니다.

스마트팜 설비 설치 예시

(Source: 상상텃밭, FoRE Analysis)

스마트팜 설비 중 양액 측정기(EC, pH)

수경재배 환경에서는 배지 내 양액의 EC와 pH 관리를 통해 작물의 성장 속도와 품질을 높일 수 있기 때문에 스마트팜 설비의 핵심적인 구성요소입니다.

양액 농도 (EC)

수경재배에서 배지 내 EC는 양액의 이온 농도를 나타내며, 이것은 영양분인 무기염료(비료)의 양을 의미합니다. 이는 작물의 영양분 흡수 상태를 결정짓는 중요한 요소로, EC 수치가 적정 수준을 벗어날 경우 작물의 생육 저하나 생리적 장애가 발생할 수 있습니다.

양분의 농도를 측정하는 것이 양액 측정기인데, 원칙적으로는 용존 고형도 농도(TDS)를 확인해야 하나 용존 고형물 농도(TDS)가 어느 정도 전기전도도와 비례한다는 점에서 간단하게 전기전도도(EC)로 측정하여 TDS을 짐작하는 원리입니다.

일반적으로 작물에 따라 EC 범위는 0.8~3.0 dS/m 수준이며, 작물 종류, 생육 단계, 환경 조건 등을 고려하여 EC를 조절해야 합니다.

EC는 급액(양액 공급) 및 배액(배출된 양액) 모두에서 측정 가능하며, 이를 통해 양액의 재사용 여부를 판단하거나 불필요한 자원 낭비를 방지할 수 있습니다.

작물별 적정 전기전도도
1. 적정 전기전도도는 작물의 종류에 따라 차이가 있으며, 거의 대부분 작물들은 EC가 0∼4dS/m 범위에서 생육이 잘 이루어지지만 그 이상이 되면 작물의 종류에 따라 장애를 받아 생육이 억제되거나 이상증상이 나타나게 됩니다.
2. 전기전도도에 따른 작물 생육과의 관계는 아래 표와 같습니다.

작물별 적정 전기전도도 범위 (Source: 농촌진흥청 농사로)

수소이온 농도 (pH)

pH(산도)는 양액의 산도 수준을 나타냅니다,

pH(산도)는 식물 생장에 직접적인 영향을 주지는 않지만, 식물의 물과 양분 흡수 과정에 영향을 줍니다.

pH가 높거나 낮아 적정 수준을 벗어나면 무기염료를 변형시켜 식물이 이용할 수 없는 형태가 되기 때문에 양액의 pH 관리가 중요합니다.

대부분의 식물은 pH 5 ~ 7 범위(약산성 ~ 약알칼리성) 내에서 양분을 가장 잘 흡수합니다.

스마트팜 설비 및 통합시스템 개발사례

1. 엔씽의 "모둘형 컨테이너 수직농장"

엔씽의 수직농장은 컨테이너 단위로 표준화되어 있기 때문에 생산량을 늘리거나 줄일 때 유연하다는 장점을 갖습니다. 여러 개의 컨테이너를 블록처럼 쌓거나 연결해 쉽게 확장할 수 있어 고객의 수요에 따라 농장 규모 조정이 용이합니다. 각 컨테이너는 독립된 환경 제어가 가능하므로, 다른 작물을 동시에 재배할 수 있습니다.

(Source: 엔씽, 삼성증권)

이천 이마트 후레리센터 옆 부지에 구축한 엔씽 물류센터도 모듈형 컨테이너 형태로 구축되었으며, 엔씽은 모듈형 컨테이너 구조가 컨테이너 개수에 따라 농장의 생산성을 쉽게 추산할 수 있다는 점(ex: 컨테이너 1개당 3ton/yr 생산)을 엔씽만의 차별점으로 내세우고 있습니다.

2. 넥스트온의 "저열 LED" & "지하시설 활요한 온도 유지전략"

넥스트온은 일반 LED 대비 발열 줄여 전기료 부담 적은 광합성용 저열 LED를 자체 개발하여 재배비용을 절감하고 있습니다.

[재배 최적화 온도: 넥스트온 vs. 타사]

(Source: 삼성증권, 넥스트온)

실내 농장의 경우, 내부 온도를 항상 18~20도로 유지해야 하는데, 넥스트온의 저열 LED 온도는 35도 이하(상용 LED 평균 온도 67도)로 타사 대비 공조 비용을 5배 정도 절감하고 있습니다. 딸기재배에는 엽채류보다 5배의 LED 전력이 필요하기에 넥스트온의 LED 기술이 최적으로 활용되고 있습니다.

(Source: 넥스트온, 서울 서초동 지하 사업장)

또한, 넥스트온은 지하공간을 중심으로 출점전략을 펼치고 있는데, 온도가 상시 균일하게 유지된다는 이점을 활요한 것입니다. 여름에는 냉방비, 겨울에는 난방비를 절약할 수 있어, 타사대비 비용우위를 점하고 있습니다. 충북 옥천터널에 2,500평 규모의 딸기 농장과 서울 남부터미널 역사 내 1,600평 규모의 엽채류 농장을 설치하며, 수직형 인도어팜 사업을 확장하고 있습니다.