Study for Clean Energy Farming System by Mass and Energy Balance Analysis in the Controlled Cultivation of Vegetable Crop (Cucumber)

Clean energy farming is the agricultural activity to improve an efficiency of agricultural energy use and to replace fossil fuels. This study was carried out to establish the clean energy farming system in the controlled cultivation of vegetable crop (cucumber) adopting the biogas production facility. In order to design the clean energy farming system, mass and energy balance was analyzed between the controlled cultivation system and the biogas production facility. Net yearly heating energy demands ($E_{YHED}$) of forcing and semi-forcing cultivation types were 48,697 and $13.536Mcal\;10^{-1}$ in the controlled cultivation of vegetable cucumber. To cover these $E_{YHED}$, the pig slurry of 511 and $142m^3\;10a^{-1}$ (biogas volume of 9,482 and $2,636Nm^3\;10a^{-1}$, respectively, as 60% methane content) were needed in forcing and semi-forcing cultivation types. The pig slurry of $511m^3\;10a^{-1}$ caused N 1,788, $P_2O_5$ $511kg\;10a^{-1}$ in the forcing cultivation type, and the pig slurry of $142m^3\;10a^{-1}$ caused N 497, $P_2O_5$ $142kg\;10a^{-1}$ in the semi-forcing cultivation type. The daily heating energy demand ($E_{i,DHED}$) by the time scale analysis showed the minimum $E_{i,DHED}$ of $7.7Mcal\;10a^{-1}\;day^{-1}$, the maximum $E_{i,DHED}$ of $515.1Mcal\;10a^{-1}\;day^{-1}$, and the mean $E_{i,DHED}$ of 310.2 in the forcing cultivation type. And the minimum $E_{i,DHED}$, the maximum $E_{i,DHED}$, and the mean $E_{i,DHED}$ were 5.3, 258.0, and $165.1Mcal\;10a^{-1}\;day^{-1}$ in the semi-forcing cultivation type, respectively. Input scale of biogas production facility designed from the mean $E_{i,DHED}$ were 3.3 and $1.7m^3\;day^{-1}$ in the forcing and the semi-forcing cultivation type. The maximum $E_{i,DHED}$ gave the input scale of 5.4 and $2.7m^3\;day^{-1}$ in the forcing and the semi-forcing cultivation type.

물질 및 에너지 수지 분석을 통한 시설채소(오이)의 청정에너지 농업 시스템 구축을 위한 기초 연구

본 연구는 바이오가스 생산시설과 연계하는 시설채소 오이의 청정에너지 농업 시스템 구축을 위하여 물질 및 에너지 수지 분석하였으며, 물질 및 에너지 수지 분석을 통해 시설채소 청정에너지 시스템의 도입 방안을 검토하였다. 시설 채소 오이 재배지의 연간 가온용 순에너지요구량 ($E_{YHED}$)을 충족시키는 바이오가스양은 촉성과 반촉성 재배에서 각각 9,482, $2,636Nm^3\;10a^{-1}$ (60% 메탄함량을 기준)이었으며, 바이오가스 생산을 위해서 각각 양돈슬러리 511, $142m^3\;10a^{-1}$가 요구되었다. 해당 양돈슬러리에서 발생하는 질소(N)와 인산 ($P_2O_5$)은 촉성재배에서 1,788, $511kg\;10a^{-1}$, 반촉성 재배에서 497, $142kg\;10a^{-1}$이었으며, 비료성분의 농지환원을 위해서는 촉성 재배의 경우 질소시비 기준 7.5 ha, 반촉성 재배의 경우 질소시비 기준 2.1 ha의 오이재배 면적이 요구되었다. 가온기간 중 촉성 재배에서 일일 가온에너지 요구량 ($E_{i,DHED}$)은 최소 7.7, 최대 515.1, 평균 $310.2Mcal\;10a^{-1}\;day^{-1}$을 나타냈으며, 반촉성 재배에서 일일 가온에너지 요구량 ($E_{i,DHED}$)은 최소 5.3, 최대 258.0, 평균 $165.1Mcal\;10a^{-1}\;day^{-1}$을 나타났다. 촉성 및 반촉성 재배에서 일일 가온에너지 요구량 ($E_{i,DHED}$)의 평균치를 기준으로 산출한 바이오가스 생산 시설의 양돈슬러리 유입용량은 각각 3.3, $1.7m^3\;day^{-1}$이었으며, 일일 가온에너지 요구량 ($E_{i,DHED}$)의 최대값을 기준으로 한 유입용량은 각각 5.4, $2.7m^3\;day^{-1}$로 나타났다. 또한 소화액의 처리측면에서 지역특성에 따라 액비이용을 고려한 바이오가스 생산시설 용량설계와 하절기의 잉여 바이오가스 활용 방안의 모색이 필요하였다.