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by 에코타운 Dec 26. 2020

디지털 농업과 그린 팩토리

2018년에 섰던 글로 어느 매체에 기고하기 전 초고입니다. 한번 생각해봤으면 하고, 또 이 글을 읽으시는 분들은 어떻게 생각하시는 지도 궁금해서 공유합니다. 물론 생각이란게 시간이 지나고 정보가 많아지면 변하기 마련이라서... 이 부분도 이해를 부탁드립니다.

우리나라에서는 올 해도 쌀이 남아서 문제가 됐다. 그래서 많은 국민들은 식량은 항상 남는 게 문제라 생각하는 경향이 있다. 그런데 시야를 약간만 넓혀보면 이는 착시라는 걸 바로 알 수 있다. 우리는 쌀을 적게 먹는 대신 다른 식품을 더 많이 섭취하는 것뿐이다.

세계로 시야를 넓혀보면 전혀 다른 사실을 알게 된다. 사실 세계는 늘어나는 인구를 부양하기 위한 식량 증산에 매진하고 있다.

2017년 새롭게 개정된 UN 보고서에 따르면 2017년 76억 명인 인구 수준은 2030년 86억 명, 2050년에는 98억 명, 2100년에는 112억 명에 달할 것으로 추정되었다. 낮아지는 출산율을 반영해도 매년 83백만 명이 증가하는 것이다(UN, 2017). 이 인구를 부양하려면 농업 생산은 지금보다 70%가 더 늘어 나야한다. 그렇지만 이미 농경지로 사용될 수 있는 땅은 대부분 작물이 재배되고 있다. 가속화되는 도시화는 기존 농경지마저 앗아가고 있다. 지금은 과잉처럼 보이는 식량이지만 늘어나는 인구를 부양할 수 있을 만큼 충분한 칼로리를 공급하는 것은 여전히 현대 농업이 해결해야할 최우선 과제이다.

인구증가와 함께 기후변화는 또 다른 위협이다. 불규칙한 계절 변화는 기존에 익숙해왔던 농사를 어렵게 만든다. 봄에는 비가 내리지 않아 모내기를 어렵게 하고, 가을에는 너무 늦게까지 비가 내려 벼 수확을 어렵게 한다. 여름은 너무 더워 가축들이 폐사하고 겨울은 더 추워져 전염병 발생 우려가 높아졌다. 폭우와 우박 등 이상기상은 안정적인 농업생산을 더욱 어렵게 한다.

우리나라 뿐 아니라 전 세계적으로 농촌 인구의 고령화 역시 심각한 문제이다. 우리나라는 이미 65세 이상 농업인구 비중이 42%를 넘어섰다. 오랫동안 축적된 농사 경험이 다음 세대로 전수되지 못하고 만성적인 일손부족은 더욱 심각해질 전망이다. 이 문제는 산업화된 국가에서 전반적으로 나타나는 문제이기도 하다.

농업이 직면한 거대한 문제는 야심찬 사업가들에게는 또 하나의 사업 기회로 작용한다. 주어진 환경조건을 극복할 수 있는 기술개발 투자를 늘리고 경쟁자보다 먼저 새로운 시장을 선점할 수 있는 기회이기 때문이다.

오늘날 우리가 직면한 문제를 해결하기 위해 전세계 기업가들은 새로운 도전을 시도하고 있다. 2019년을 뜨겁게 달굴 농업분야 이슈로는 디지털 농업, 그린 팩토리, 농업용 로봇 등이 있다.

디지털농업이란? 디지털농업은 어디에서나 접근 가능한 높은 수준의 장치 간 상호 커뮤니케이션과 고도의 컴퓨팅 기술이 접목된 개념으로 컴퓨팅파워와 농사정보기술의 발전에 힘입어 혁신적인 농업생산성 향상을 이루는 것으로 정의하고 있다. 역사적으로는 작물생산에 적용되었던 개념인 정밀농업에 대한 새로운 발전방향으로 농업 4차산업혁명의 중심을 이루고 있다.

디지털농업(Digital agriculture)

2020년이면 디지털 데이터는 연간 40 제타바이트(ZB1), zetabyte)가 생산된 것으로 예상된다. 컴퓨팅 파워와 데이터 저장 용량의 증가, 고분해능 원격 환경측정센서가 확산되면서 농업도 바야흐로 디지털 혁명시대로 접어들 게 될 것이다. 디지털 농업 시대로의 진입은 농업과 식품시스템 전반에서 이전에는 상상하지 못했던 새로운 기회를 창출할 것으로 기대된다. * ZB : 40 trillion gigabytes

그림 1. 농장관리시스템(1)

디지털 농업은 농장의 일반적인 관리로부터 최적화, 개별화, 실시간 초연결 및 데이터 기반 농장관리까지 농업 생산시스템 전반에 적용될 수 있다. 예를 들면 지금까지 농장 전체를 균일하게 처리해왔지만, 디지털농업에서는 필지 단위별 맞춤형 처리를 통해 자원을 절약하고 작물 생산성을 높이게 된다. 이런 측면에서 디지털 농업을 정밀농업의 일부로 볼 수도 있지만, 최근에는 별도로 농업의 한 분야로 인식하기도 한다.

호주 뉴잉글랜드 대학교 David Lamb 교수는 “우리는 이미 우리가 흡수하지 못할 수준의 기술적 역량을 가지고 있다. 혁신은 계속 몰려오고 있다. 디지털농업에 대한 역량을 최대한 발휘할 수 있다면, 생산성은 25%까지 높일 수 있고 호주의 농업 생산은 250억 달러를 더 증가시킬 수 있을 것이다”라고 주장한다.

디지털농업을 가능하게 하는 도구로는 다기능, 맞춤형(varied), 컴퓨터에 의한 의사결정 및 분석도구, 클라우드, 센서, 로봇, 그리고 디지털 통신기술 등 범분야 기술 대부분이 포함될 전망이다(표 1).

고해상도 토양 데이터, 세부 지역별 미세기후지도, 항공 이미지, 필지별 양분 투입량, 개체별 착유량 및 가축 건강기록 등 수많은 데이터들이 매순간 농장에서 생산된다(표 2). 농장에서 생산된 데이터는 네트워크를 통해 클라우드 서비스로 옮겨지는 데 이를 분석하기 위해서는 엄청난 수준의 컴퓨팅 파워가 필요하다. 따라서 미래농업은 컴퓨팅 파워의 증가와 함께 발전할 것이다. 이와 함께 데이터 과학 등 농업과 연계된 하이브리드 영역의 발전도 함께 이루어져야 하는 데, 이는 추가적인 기술개발과 투자를 필요로 한다.

표 1. 디지털 농업을 가능하게 하는 범분야 기술

표 2. 디지털 농업을 가능하게 하는 농장단위 기술

농장에서는 GPS 등 정밀한 위치장치 덕분에 수확량 모니터링, 토양관리, 근접 및 리모트 센싱, 무인비행장치 운영, 자율주행농기계 및 맞춤형 처리기술(VRT) 등이 적용이 가능하게 되었고, 온실과 실내농장 등 시설재배에서는 온습도 센서, 광센서 등 더 많은 수의 센서와 자동화 기술이 보편화 되면서 노동력을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 축산분야에서는 개체군 관리에서 개체별 모니터링에 바탕을 둔 개체관리로 전환될 것이다. RFID칩을 활용한 개체 인식 기술이 보편적으로 적용되고 이와 연동된 로봇착유기 및 자동급이로봇도 활용성을 넓혀 갈 전망이다.

디지털농업은 기상변화, 토양상태, 작물생육 과정에서 발생한 엄청난 규모의 데이터 처리능력이 경쟁의 핵심이 될 것으로 예상된다. 농업 경쟁력은 최적화된 컴퓨팅 시스템에 의해 결정되는 것이다. 이와 함께 데이터 처리역량의 확보도 중요한 화두가 될 것으로 예상된다. 물론 이런 시스템적인 측면뿐만 아니라 생물학적, 물리적, 화학적, 사회경제적 프로세스에 대한 깊은 이해가 동시에 충족되어야 농업 생산에 적용이 가능하다.

따라서 디지털 농업이 심화될수록 작물생산 원리에 대한 수준 높은 이해를 갖춘 전문가에 대한 수요가 증가할 것으로 예상된다. 컴퓨터와 농장 사이를 매개하기 위해서는 두리뭉실한 경험적 지식보다는 세밀한 과학적 지식이 더 중요해질 것이기 때문이다.

결론적으로 국가별 농업 경쟁력과 자연자원의 활용 능력은 디지털농업 혁신에 달려있다고 말해진다. 따라서 미래농업은 디지털 산업의 발전에 크게 영향을 받을 것이며, 디지털 산업의 발전에 따라 농업기술도 함께 발전해나가는 등 농업은 디지털 산업기술과 빠르게 융합되어 갈 것이다.

식물공장 또는 수직농장

2018년 11월 1일 일본 스프레드(Spread Co. Ltd.) 사의 테크노 팜 게이하나(Techno Farm Keihanna)이 본격적인 운영에 들어갔다. 게이하나의 테크노 팜은 하루 3만 포기의 상추를 생산할 수 있는 세계 최대 규모의 식물공장으로, 2007년에 만들어진 1세대 식물공장인 카메오카 플랜트 보다 1.5배 더 큰 규모이다.

1세대 식물공장이 만들어 졌을 때만 해도 기술적인 가능성과는 별도로 상업적인 성공을 예상한 전문가는 많지 않았다. 그럼에도 불구하고 스프레드 사는 베지투스(Vegetus)라는 브랜드로 2,200개의 슈퍼마켓에 납품하고 있고, 베타카로틴 등 특정 성분이 강화된 상추를 재배하여 품질 차별화를 꾀하였다. 이런 노력의 결과로 설립 6년만인 2013년에는 흑자구조로 전환했다.

그림 2. 스프레드 사의 카메오카 플랜트(좌) 및 게이하나 테크노 팜(우) 의 전경

이런 기술적 상업적 성공에 힘입어 게이하나 테크노 팜이 새롭게 추진되었다. 1 세대 식물공장 운영 경험을 살려 더 향상된 자동생육관리시스템, 물 재순환장치, 환경제어기술, 수직농장에 최적화된 LED 기술을 새롭게 적용하였다.

신기술의 적용에 의해 단위면적당 생산량은 300 포기/m2에서 648 포기/m2로 두 배 이상 증가했다. 물 여과시스템을 도입해 물 재사용율을 98%까지 높여 상추 한포기 당 물 사용향을 0.11 L까지 줄였고, 새로 도입된 LED 전구를 사용하여 조명에너지 사용량도 30% 정도 줄였다.

전체적으로는 약 1,000평 정도의 규모에서 매일 3만 포기의 상추를 생산하여 총 생산량은 연간 1,000톤에 이를 전망이다. 매출액으로는 일 천만 달러 정도를 예상하고 있는 데, 이는 평당 1만 달러에 해당한다. 스프레드 사는 이런 식물공장을 50개까지 신축하여 일본 상추시장의 10%를 점유할 계획이다.

식물공장의 진화는 여기에서 멈추지 않을 전망이다. 스프레드 사는 정보통신 전문기업인 NTT 컴웨어와 제휴하여 인공지능(AI)과 IoT를 적용한 시스템으로 업그레이드 할 계획이기 때문이다. 향후 유사한 시스템이 전 세계적으로 설치될 경우 각 농장에서 얻어진 생산 시뮬레이션 결과에 따라 재배 조건을 동시에 업그레이드 하여 생산 효율성을 극대화하는 진화하는 스마트팜 개념을 적용하고 있다(그림 3).

식물공장은 자동제어 설비에 의해 관리가 용이하고 빠른 생산이 가능함은 물론, 최종 소비지인 도시에 위치하여 수송과 신선도 유지에도 유리하다. 또한 기상에 영향을 받지 않아 안정적인 생산이 가능할 뿐 아니라 병해충 방제가 필요 없어 식품안전성도 높다.

그림 3. 테크노 팜의 글로벌 시스템 개념도(2)

반면에 아직까지 최적 생육조건 설정 등 해결해야할 과제가 남아 있다. 그렇지만 확산의 가장 큰 장해는 역시 초기 투자비용 과다로 인한 수익성 저하이다. 부가가치가 낮은 엽채류의 생산에만 제한적으로 적용되고 있어 미래를 마냥 낙관할 수만은 없다.

이러한 움직임은 미국에서도 유사하다. 일본에서는 식물공장(Plant Factory)로 불리지만 일반적으로는 실내 수직농장(Indoor vertical farm)으로 분류된다. 최근 추세를 보면 새롭게 신축되는 시설농장 중에서 수직농장은 30%를 차지해 전통적인 온실(47%) 다음으로 선호되고 있는 것으로 나타났다. 아마 이는 최근 이 분야에 대한 벤처투자가 증가하면서 나타난 현상으로 추정된다(그림 4).

이에 따라 시설농장이 들어서는 위치도 도시의 비중이 43%를 차지해 농촌(47%)과 비슷한 수준을 나타냈다.

그림 4. 형태별 시설농장 신축 현황(3)

글로벌마켓인사이트(Global Market Insights)에 따르면 2024년 수직농장의 시장규모는 130억 달러에 이를 전망이다. 이는 2017년 25억 달러에 비해 5배 이상 성장한 규모로 연평균 28%의 성장률을 보일 것으로 추정하였다.

농업용 로봇

농장 로보틱스는 농가당 경작규모가 늘어나고 농사 인력 확보가 어려워지면서 빠르게 성장할 것으로 예상되는 분야이다. 산업분야에서 개발된 자율주행 기술과 인지기술이 농업용 로봇에도 빠르게 적용되고 있기 때문이다. 2018년은 농업용 로봇에 대한 가능성을 보여준 해였다는 2019년은 농업 현장에서 실제 활용 단계로 접어드는 시점이 될 전망이다.

최근 존디어(John Deer) 사에 의해 인수된 블루리버(Blue River Technology)의 살포 및 잡초제거 로봇은 농약 사용량을 90%까지 감소시켜 생산성은 높이고 투입요소는 획기적으로 절감했다. 나이오(Naio Technologies) 사는 레이저와 카메라에 의해 작물과 과수나무 사이를 주행하며 잡초를 인식하여 제거할 수 있는 로봇을 상용화하였다. 어번던트 로보틱스(Abundant Robotics)는 서로 다른 크기의 사과를 안전하게 수확할 수 있는 자율주행로봇 개발하였다. 특히 어번던트 로보틱스 사는 2017년 구글이 포함된 투자사로부터 천만 달러의 시리즈 A 투자를 유치해서 화제가 되기도 했었다.

그림 4. 농업에 사용되는 각종 로봇들. (좌상)Blue River사의 제초로봇 (우상) Abundant Robotics 사과수확 로봇 (하) NAIO사의 잡초제거로봇과 다목적 로

일본은 2017년부터 ‘인공지능 미래농업 창조 프로젝트’ 계획을 추진 중에 있다. 여기에는 인공지능, 빅데이터, IoT, 로봇 등 핵심 기술을 개발하고 현장 적용을 목표로 하고 있다. 이를 추진하기 위한 실행계획에서 스마트농업을 위한 5대 핵심 분야를 선정하였는데, 여기에 “힘들고 위험한 농작업 대체”를 위한 로봇화가 포함되어 있다. 농사에서 가장 힘든 일로 여겨지는 제초를 위한 자동제초로봇, 여성들도 힘든 작업을 무리 없이 수행할 수 있게 하는 근력강화보조 작업복 등 노동력 줄일 수 있는 새로운 장비가 현장에 적용되고 있다.

그림 5. 얀마 사의 자율주행트랙터(좌) 구보타 사의 근력강화장치 라쿠 베스트(우)

얀마 사에서는 자동운전기능을 장착한 트랙터를 개발하여 홋카이도와 나가사끼 지역에서 시범운영사업을 실시하고 있다. 구보타 사에서는 농작업 지원시스템인“Kubota Smart Agri System (KSAS)”과 연동되는 콤바인을 개발하였고, 비료살포 효율을 높일 수 있도록 자동으로 이식간격을 조정하는 이앙기도 개발하였다. 또한 KSAS 시스템과 연동되는 방제용 드론 등 스마트 농업을 구현하기 위한 다양한 자동화 장비를 실용화하고 있다. 이세키 사에서는 트랙터의 자율주행을 지원하는 GPS 가이드 광학장치, 농약을 살포하는 등 농작업을 대신하고 작업을 기록하고 농기계 정보를 관리하고 이상 시 경보를 주는“ISEKI AGRI SUPPORT”시스템을 제공하고 있으며 이 시스템과 호환되는 트랙터, 이앙기, 콤바인 등을 판매하는 등 스마트 농업을 구현하는 데 적극적인 행보를 보이고 있다.

스마트 농업이 초래할 변화

식물공장, 농업용 로봇, 그리고 디지털 농업의 확산은 지금까지 농업을 지탱해온 농촌과 농민의 역할에 대한 근본적인 변화를 초래할지도 모른다는 우려를 불러일으키고 있다.

여기에는 먼저 농업 고용구조의 변화가 예상된다. 농업은 계절노동 중심으로 연중 상시 고용이 어려워 가족농 중심의 생산기반이 유지되고 있었다. 이런 농업 노동의 특징은 생산 농가를 계열화하고자 하는 기업은 나왔지만, 직접적으로 농업 생산에 기업이 참여하기는 어려운 장벽으로 작용했다. 하지만 대규모 자본투자와 연중 생산이 가능해지면 기업의 참여가 경제성을 가질 수 있게 될 것이다.

자동화 장비와 농업 의사결정시스템이 고도화되면 농업 생산자 그룹의 분화를 가속화하는 계기로 작용할 전망이다. 농민으로 통칭되던 농업생산자는 자급형 생산자, 농업경영자, 농업생산기업 등으로 분화가 가속화 될 것이다. 기업이 시설농업에 직접하여하는 것은 농업보조금 문제가 해결되지 않는 한 경제성을 가지기는 어려울 수 있지만, 축산 분야는 기업투자 증가 및 기업형 농장으로 전환이 빨라질 것으로 예상된다.

디지털농업 시대에는 농사의 주체는 로봇과 센서로 대표되는 자동화 장비로 이동하고 농장관리와 경영은 의사결정 기능을 장착한 컴퓨터에게 의존하게 될 가능성이 높다. 미래농업은 기후 스마트한 농업생산, 생산기계의 로봇화, 의사결정시스템의 진화와 맞물려 진행될 것이다. 따라서 미래농업은 시설과 장비, 투자되는 자본에 더 의존적이 될 것이다. 이는 투자대비 수익성 저하로 나타나고 농업의 규모화를 촉진하는 계기로 작용할 전망이다.

미래농업 발전을 위해서는 시설 농축산업에 국한된 스마트팜보다는 농업 전반에 활용 가능한 농업용 로봇, 농사의사결정시스템 등 핵심 하드웨어 및 소프트웨어에 집중하는 전략이 유효할 것이다.

스마트 농업, 그 가능성과 한계

스마트팜이 침체에 빠진 농업에 새로운 대안이 될 수 있을까? 긍정적이던 부정적이던 시설농업의 스마트화가 우리 농업이 처한 현실을 바꿀 수는 없다는 데는 대부분 전문가의 의견이 일치한다. 이미 최고 수준의 스마트팜을 운영하고 있는 네델란드 농가의 사례를 참고하더라도 투자비의 증가는 농업경영을 어렵게 하는 요인이 되고 있음을 부정할 수는 없다.

농업용 로봇이 현장에 도입되기 위해서는 규모화가 선행되어야 투자대비 효율성을 가질 수 있었다. 그런데 농촌의 인력난과 임금 상승은 기술에 대한 투자의 경제성을 향상했다.

그럼에도 불구하고 미래농업을 위한 과감한 투자를 지금 하지 않는다면 우리 농업의 미래가 어두울 수밖에 없다는 점도 분명하다. 우리는 어떤 전략을 선택할 수 있을까?

1. 디지털농업시대를 주도할 기술 혁신에 집중 : 농업용 로봇, 설비장치, 의사결정지원시스템 등 핵심 분야의 기술 중에서 우리가 집중할 부분과 제휴할 부분을 분명히 해서 기술경쟁력 및 투자효율성 높여야 한다. 국내 시장보다는 글로벌 시장을 타겟으로 설정해야 한다.

2. 창의성을 갖춘 인력의 양성 : 스마트팜은 데이터를 해석하고 최적의 솔루션을 찾아주는 전문가의 역할이 더욱 중요하다. 기술보다는 이를 적용하여 최적의 경영을 창출해내는 전문컨설턴트 그룹에 대한 수요가 증가할 것이다.

3. 수요와 공급을 예측할 수 있는 의사결정시스템 : 농장의 스마트화는 데이터의 취득을 용이하게 하여 빅데이터의 시대를 앞당길 것이다. 이를 통해 수요와 공급의 적절한 균형을 찾을 수 있는 시장메커니즘을 도입할 필요가 있다.

4. 글로벌 농업 가치사슬에 대한 접근 강화 : 글로벌 농업에서 우리가 가진 구매력과 기술적 우위를 활용하여 가치사슬 통합을 위한 노력이 필요하다.

5. 스마트농사에 집중적인 투자 : 정밀농업 등 환경을 보호하고 생산을 최적화 할 수 있는 기술체계를 조속히 실용화해야한다. 이는 새로운 농업기술 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

반면에 한계도 분명하다. 첫째는 투자 비용의 증가이다. 투자가 활성화되기 위해서는 높은 투자비용을 부담할 수 있고 투자회수 기간 동안 안정적인 농업환경이 조성될 수 있다는 확신이 필요하다. 따라서 소규모 농가에서는 일부 기술에 대한 제한적인 투자만 진행될 것이며 이 또한 정부지원에 의존할 가능성이 높다.

스마트팜은 침체된 농업 흐름을 바꾸는 게임체인저가 될 수 있을까?

현재의 기술 수준은 지금까지의 흐름을 바꾸기엔 힘에 부쳐 보인다. 스마트팜 정책은 스마트농사를 위한 징검다리 역할을 할 수 있도록 새로운 포지셔닝이 필요하다. 각 나라마다 고유한 전략을 선택하고 있다. 영국은 인공위성을 중심으로 한 기술개발과 글로벌 컨설팅, 싱가포르는 스마트농업을 위한 전시산업, 이스라엘은 물관리 등 환경제어 기술, 그리고 일본은 농업용 로봇기술에 강점을 가지고 있다. 안타깝게도 우리는 어떤 기술분야에서 경쟁우위가 있는지 두드러지고 있지 않다. ICT 산업의 강점을 살려 농업용 로보틱스와 농장경영지원 소프트웨어 등 디지털 농업시대를 이끌 핵심 기술에 역량을 집중할 필요가 있다.

새로운 기술은 작물과 축산시스템의 다양성과 연계되고, 적절한 시장과 정책이 서로 조화를 이룰 때 디지털 시대의 스마트 농사가 될 수 있을 전망이다. 우리가 적절하게 대응하지 않는 다면 우리 농민들은 농장의 로봇들과 경쟁할 수밖에 없는 환경에 노출될 것이다. 농업이 스마트화 되려면 농업 생산인구는 줄고 전후방 산업의 인력 고도화와 창의성이 높은 일자리 창출이 필연적으로 수반된다. 그런데 우리 농업은 그 부분을 우리 농업으로 포함할 준비가 되어 있는 지도 돌아 볼 필요가 있다.

끝으로 우리의 농업의 거버넌스 구조는 그런 산업구조 변화에 적절하게 대응할 수 있는지도 돌아봐야 한다. 농산업 정책과 농민 정책이 상충할 경우 어떻게 해결해 나갈 수 있을지, 스마트농업은 농업정책과 농촌정책, 농민정책 간에 새로운 균형을 요구하고 있다.