출처 : https://agrijournal.jp/renewableenergy/76632/

식물공장 사업과 관련된 기본적인 내용부터 최신 동향까지 폭넓게 해설하는 기획 기사.

JPEA 식물공장 연구회의 명예 회장인 고자이 도요키와 해당 연구회의 이사장인 하야시 에리의 인터뷰 내용을 중심으로 정리했다.

▣ 운영비에 어려움, 절반이 적자

식물공장은 온실 등에서 태양광을 이용하여 작물을 기르는 ‘태양광 이용형 식물공장’, 온실 등의 폐쇄된 환경에서 태양광과 인공광을 함께 사용하는 ‘태양광ㆍ인공광 병용형 식물공장’, 태양광을 사용하지 않고 폐쇄된 공간에서 인공광만으로 작물을 기르는 ‘인공광 이용형 식물공장’으로 나뉜다.

일정한 기밀성을 가진 시설 안에서는 온도ㆍ습도ㆍ이산화탄소 농도 등을 자동으로 조절할 수 있으며, 계획적으로 작물을 생산할 수 있다. 농작물의 수확량이 날씨에 달려 있는 노지 재배에 비해 안정적으로 높은 수확량을 얻을 수 있다.

2023년에 공개된 ‘대규모 시설 원예ㆍ식물공장 실시 조사ㆍ사례 조사’에 따르면, 일본 국내에서는 ‘태양광 이용형 식물공장’, ‘태양광ㆍ인공광 병용형 식물공장’, ‘인공광 이용형 식물공장’ 모두 2012년 이후에 서서히 시설이 증가하기 시작했다.

<표> 대규모 시설 원예 및 식물공장의 시설 수 추이

※1) 2015년 이후의 ‘태양광형’은 시설 면적이 대략 1ha 이상이며 양액 재배 장치를 가진 시설(대규모 시설 원예)에 한한다.

※2) 2019년의 ‘인공광형’은 연구 개발 및 전시 목적인 것까지 포함했을 가능성이 있다.

자료 : 대규모 시설 원예·식물 공장 실태 조사·사례 조사(일반 사단법인 일본 시설 원예 협회)

다만, 신종 코로나 바이러스로 인해 자재ㆍ연료ㆍ인건비가 폭등함에 따라 판매처 및 매출이 감소한 시설도 많다.

<그림1>

자료 : 대규모 시설 원예·식물 공장 실태 조사·사례 조사(일반 사단법인 일본 시설 원예 협회)

세계적으로는 네덜란드가 태양광 이용형 식물공장에서 앞서나가고 있지만, 러시아와 우크라이나의 전쟁으로 인해 천연가스의 가격이 폭등하여 겨울철에 재배를 계속할 수 없는 곳도 있는 듯하다.

한편 미국과 캐나다는 인공광 이용형 식물공장이 증가하고 있다. 최근 몇 년 사이 스타트업이 증가했지만, 에너지 가격의 폭등과 자금 조달 환경의 변화로 인해 어려움을 겪고 있는 상황이다.

다음 그림에서 일본 국내 식물공장의 최근 몇 년간의 결산을 보면 전체 중 35% 정도가 흑자이며, 약 절반이 적자를 보았음을 알 수 있다.

<그림2> 각 식물공장의 최근 몇 년간의 결산 결과

자료 : 대규모 시설 원예·식물 공장 실태 조사·사례 조사(일반 사단법인 일본 시설 원예 협회)

이처럼 에너지 소비가 많은 식물공장에서는 연료와 에너지의 가격이 폭등하면 경영난에 빠질 수 있다.

▣ 환경 문제를 고려한 식물공장으로

식물공장의 운영에 있어 에너지 이용이 큰 과제가 되고 있는 지금, 일본 농림수산성은 대규모 재해나 지구온난화 등의 영향으로 일본의 식재료를 안정적으로 공급할 수 없게 될 것을 우려하며, 2021년에 ‘녹색 식량 시스템 전략’을 책정했다.

거기서는 농업에서의 탄소 중립ㆍ지속 가능한 에너지 조달을 하나의 목표로 내걸었으며, 바이오매스 발전 및 태양광 발전 등의 지산(地産) 에너지의 이용 및 에너지 절약형 시설의 도입ㆍ농업용 기기의 전기화, 로봇화 등을 권장하고 있다.

CO2 배출량의 절감이라는 사회적인 여론이 전 세계적으로 고조되어 에너지의 이용이 과제가 되고 있다. 유럽을 비롯한 국가들에서는 생산물을 생산하는 데 얼마의 이산화탄소를 배출했는지를 소비자가 신경 쓰기 때문에 그에 대응해야 한다. 그러한 세계적인 흐름도 맞물려, 일본의 농업도 변화하려 하고 있다. 식물공장도 에너지의 절감을 의식한 시책을 취해야 한다.

한편 에너지 소비량의 저하 비율은 생산물 kg당 CO2 배출량 및 비용과는 비례하지 않는다. 발전 시 kW(킬로와트)당 CO2 배출량은 석탄, 중유, 액화 천연가스, 자연 에너지(일사(日射), 풍력, 수력, 지열, 바이오매스 등) 순으로 작아지며, 자연 에너지 발전은 석탄 발전에 비해 CO2 배출량이 1/10 이하이다.

그러므로 CO2 배출량을 절감하려면 전기 에너지의 소비량과 난방용 연료의 소비량을 줄이는 것과 비슷하게 또는 그 이상으로 발전 및 난방 열원에서 자연 에너지를 이용해야 한다.

실제로 태양광 발전 및 태양열ㆍ온천열의 이용으로 에너지를 절감하는 식물공장도 있다. 발전용ㆍ에너지 변환용 기기를 도입하기 위한 초기 비용이 많이 들어가긴 하지만, 도입 시 지원금을 얻을 수 있는 경우도 있으며, 운영 비용이 저렴하기 때문에 상대적으로 비용을 절감할 수 있다.

자연 에너지의 발전 비용은 중국, 미국, 인도, 유럽 등에서는 이미 석유에서 기원한 에너지(중유 및 액화 천연가스)보다 저렴하다. 지열을 제외한 자연 에너지(중유 및 액화 천연가스)보다도 이미 낮다. 지열을 제외한 자연 에너지를 이용하는 경우에는 전기 및 열을 야간에 이용하려면 축전지(배터리)가 필수지만, 다행히도 축전지의 kWh당 가격은 전기자동차의 보급으로 인해 2020년 이후 빠르게 낮아졌고, 그 감소 경향은 2030년경까지 이어질 것으로 보인다.

친환경 에너지를 안정적으로 얻고 활용하는 방법이 앞으로 점점 더 보급될 것으로 기대된다.

▣ 발전 중인 기술, 아직 많은 과제

식물공장 관련 기술은 해마다 진화하고 있으며, 수확 로봇을 도입하거나 IoT를 이용함으로써 인건비를 절감하고 재배 관리를 간소화하고 있다. 특히 인공광 이용형 식물공장에서는 양액을 이용하고 이산화탄소를 시비(施肥)하는 것은 물론 광원의 소등 및 온도ㆍ습도까지 센서를 통해 자동으로 측정ㆍ제어한다. 하지만 아직은 과제도 많이 있다.

온도 및 습도는 확실하게 측정하여 제어할 수 있지만, 관리해야 항목은 훨씬 더 많다. 일례로, 기류 속도는 반드시 측정ㆍ관리해야 한다. 기류 속도는 엽면(葉面) 기공의 개폐, 더 나아가 광합성에 영향을 미치기 때문이다. 이처럼 인공광형 식물공장에서는 하나하나의 항목을 더 섬세하게 관리 및 제어할 수 있으며, 아직은 진정한 잠재력을 누리지 못하고 있다. 노지 재배 등 과거의 재배 경험을 통해 알 수 있는 범위 안에서 설정ㆍ관리하는 것에 지나지 않는다.

어떤 LED를 어떤 식물에 얼마나 쏘아야 하는지, 어떤 목적일 때 어떻게 제어해야 하는지까지 알아야 사업이 성립할 수 있다. 이미 이익을 보고 있는 기업이 있긴 하지만, 아직은 개선의 여지가 있다. 결국은 개화 수ㆍ당도ㆍ수분 상태 등 가능한 모든 항목을 실시간으로 제어할 수 있어야 한다.

어디까지나 현재의 식물공장에서의 재배는 인간의 오랜 역사 속 농업 체험에 근거한 것이기 때문에, 앞으로는 식물공장의 환경 제어에 맞춰 재배 방법을 바꿔 나가야 한다. 오히려 식물공장에서 재배함으로써 새로운 식물의 가능성과 기존에는 생각하지 못했던 생산 방식을 찾게 될 가능성도 있다. 그런 의미에서도 식물공장 사업은 아직 개발 단계에 있다고 할 수 있다.

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