식물공장은 폐쇄된 환경에서 빛, 온도·습도, 이산화탄소(CO2) 농도, 배양액 등을 인위적으로 조절해 농작물을 계획 생산하는 재배시설로 고품질 농작물을 안정생산·공급할 수 있는 장점이 있다.
또 기본적으로 농약을 사용하지 않고 재배할 수 있으며 벌레 등 이물질 유입 리스크가 낮을 뿐만 아니라 트레이서빌리티(Traceability)가 가능해 보급이 가속화되고 있다.
일본 시설원예협회에 따르면, 일본에서는 2016년 2월 기준 완전 인공광형 식물공장이 191개 가동하고 있으며 통계에 포함되지 않은 소규모 시설을 포함하면 300개를 넘어서는 것으로 추정되고 있다.
일본은 상추 수요가 60만톤 수준으로 파악되고 있으나 식물공장 생산량은 1만톤에도 미치지 못하고 있어 성장 가능성이 주목되고 있다.
식물공장은 채산성 및 경제성에 대한 논의가 활발하게 이루어지고 있다.
Showa Denko는 식물 육성에 특화된 적색 LED(Light Emitting Diode)와 적색·청색을 교차 조사하는 고속재배법 및 재배 시스템을 활용해 2013년부터 식물공장 프로젝트를 진행하고 있으며 2017년 말 기준 지상부 생중량으로 평방미터당 일일 500g에 달하는 생산성을 실현하고 있다.
자연상태의 농경지에서 재배하는 노지재배의 30배를 넘어서는 수준으로, 교차 조사를 통한 고속재배법을 활용해 파종, 육묘, 정식 공정을 최적화함으로써 최근 2년간 생산성을 2배 이상으로 대폭 향상시킨 것으로 나타났다.
코스트 경쟁력 확보 “필수”
식물공장은 수익력이 낮아 적자운영을 면치 못하는 곳이 많은 점이 문제시되고 있다.
일본 시설원예협회가 2015년 식물공장 운영자를 대상으로 실시한 설문조사에 따르면, 적자가 55.9%로 절반 이상을 차지했으며 수지가 균형을 이루고 있는 23.5%를 포함해 총 80%에 달하는 사업자가 경영 측면에서 어려움을 겪고 있는 것으로 나타났다.
이에 따라 식물공장은 신규 사업으로 검토하기 어려운 상황이 계속되고 있다.
인공광형 식물공장은 규모를 불문하고 감가상각비를 포함한 코스트가 kg당 1만원을 상회하고 있어 노지재배에 비해 경쟁력이 크게 떨어지는 것으로 파악되고 있다.
그러나 일부에서는 노지재배와 경쟁하지 않고 전혀 다른 시장영역을 개척해야 한다는 의견을 제기하고 있다.
식물공장과 노지재배 농작물은 이용률이 달라 가격을 단순 비교하기가 불가능하기 때문이다.
자연상태의 농경지에서 재배한 상추는 손상된 겉잎을 떼어낸 후 사용해 이용률이 50-70%에 불과하나 식물공장에서 재배한 상추는 재배방법 차이에 따라 거의 90%를 이용할 수 있는 것으로 나타나고 있다.
여기에 이물질 유입 리스크, 세정공정 간소화, 트레이서빌리티 등 식물공장의 강점을 비용으로 환산하면 식물공장에서 재배한 농작물은 단위중량당 가격을 노지재배물의 1.5-2.0배로 계산하는 것이 타당한 것으로 분석되고 있다.
그럼에도 식물공장과 노지재배는 거래가격에 큰 차이가 있어 식물공장의 수익성을 악화시키는 요인으로 작용하고 있어 수익성 확보를 위해서는 대폭적인 코스트다운이 필수적으로 요구되고 있다.
다양한 코스트 절감방안 모색
식물공장은 농작물 원가를 파악함으로써 다양한 수단 및 조건에 따라 코스트를 절감할 수 있는 것으로 분석되고 있다.
식물공장 농작물 원가를 주요 구성요소(i)로 분석하면 생산성(x), 출하무게(y), 상수로 분해되며 f(x,y)=∑[(Ai/x)+(Bi/y)+Ci]엔/kg으로 계산된다. A, B, C는 식물공장 고유의 상수이다.
원가가 주로 생산성에 따라 결정된다고 가정하면 Bi=0, Ci=0이 된다.
감가상각비, 공조공과 등은 설비투자 및 고정자산에 비례해 원가의 상당부분을 차지하며 단순히 생산성을 향상시킴으로써 코스트다운을 실현할 수 있다.
일반적인 식물공장은 상추를 일일 1kg 생산하는데 필요한 재배면적이 5-6평방미터로 총원가를 끌어올리는 요인으로 작용하나 Showa Denko가 가동하고 있는 S500 식물공장은 필요한 재배면적이 2평방미터에 불과해 생산성을 향상시킴으로써 코스트를 대폭 감축할 수 있는 것으로 파악된다.
그러나 조광 가능한 LED조명, 청정도 확보로 이어지는 설비 등 설비투자가 비교적 높다는 점을 고려할 것이 요구된다.
원가가 포기당 중량에 따라 결정된다고 가정하면 Ai=0, Ci=0이 된다.
종자, 포장재, 파종용 우레탄(Urethane) 매트를 비롯한 소모품은 kg당 포기 수에 따라 비용이 결정되기 때문에 포기당 중량을 늘림으로써 비용을 절감할 수 있다.
일반적인 식물공장은 상추 중량이 포기당 70-100g이며 200-400g으로 생육함으로써 소모품 비용을 절감할 수 있는 것으로 분석된다.
그러나 중량이 늘어남에 따라 칼슘 결핍으로 잎 끝이 마르는 팁번(Tip-burn) 현상 등이 발생해 수확률이 저하될 가능성이 있어 계산대로 코스트를 설계할 수 없는 문제점이 대두되고 있고, 단위시간당 취급 가능한 포기 수가 줄어들어 인건비 등이 상승할 가능성도 내포하고 있다.
생산성과 포기당 중량이 전혀 관계되지 않는다고 가정하면 Ai=0, Bi=0이 된다.
수송비 등은 kg 기준으로 상수로 고려해도 되는 원가이다.
4톤 트럭은 상추 약 1톤을 적재해 출하할 수 있으며 소비지역까지의 거리가 코스트 설계에 중요한 요소로 작용하고 있다.
인건비·수도광열비·비료 코스트도 고려해야
원가에 영향을 미치는 요소로는 인건비, 수도광열비, CO2, 비료 등도 상당한 것으로 파악되고 있다.
인건비는 공장원가 가운데 감가상각비, 수도광열비와 함께 높은 비율을 차지하고 있다.
구체적으로 파종, 육묘, 정식, 수확, 출하를 포함한 재배실무가 2분의 1에서 3분의 2를 차지하며 나머지는 정기적인 청소 및 유지보수 등으로 분류된다.
재배실무는 상당부분이 포기 수와 비례하고 나머지 부분은 생산성과 반비례하는 것으로 파악된다.
따라서 포기당 중량을 늘려 kg당 포기 수를 줄임으로써 코스트다운을 실현할 수 있다.
이동시간을 포함하지 않은 재배실무 시간은 포기당 40초로 계산되며 단위작업 효율화, 동선설계, 땅고르기 등 추가공정 간소화가 중요할 뿐만 아니라 시설 대형화와 동시에 자동화, 노동력 절감도 필수적으로 요구된다.
수도광열비는 대부분을 차지하는 조명, 에어컨 등 동력계에 대한 전기요금이 설비가동률과 거의 연동됨에 따라 생산성에 반비례하고 있다.
수도요금은 생산량에 비례하는 부분과 배양액 교환, 패널 세척 등 설비규모에 비례하는 부분으로 분류된다.
또 상추 식물공장은 CO2 농도가 약 1000ppm으로 유지되도록 CO2를 공급해 광합성을 촉진하고 있는데, 대기 중 CO2 농도는 약 400ppm으로 약 60%를 봄베 등을 통해 공급하고 있다.
상추는 건조중량이 실제 중량의 약 6-7%로 S500 식물공장에서는 뿌리를 포함해 탄수화물이 일일 제곱미터당 40g 수확되는 것으로 파악된다.
CO2(MW=44)→CH2O(MW=30)로 환산하면 고정화되는 CO2는 일일 40×44/30≒59g으로 분석되고 있다.
식물공장은 환기를 통해 대량의 CO2를 방출하기도 한다.
S500 식물공장은 단위면적당 부피가 약 2입방미터로 환기할 때마다 600ppm의 CO2를 방출해 방출량은 2000리터÷22.4×6/1000×44≒24/g㎡/회이다.
양측을 비교하면 CO2는 절반 가량이 환기에 따라 소비되고 원가에서 차지하는 비율도 건물면적 및 부피에 따라 결정되는 환기량(환기횟수)을 생산성으로 나눈 값에 따라 좌우된다.
수경재배에서는 상추류의 무기성분이 모두 시비에 따라 공급되고 있다.
상추는 칼륨 함유량이 약 0.4%로 S500 식물공장에서는 칼륨이 평방미터당 일일 2g 공급된다. 칼륨 공급량은 생산성, 포기당 중량에 따르지 않는 상수로 간주할 수 있다.
반대로 식물공장에서는 일정기간마다 배양액을 교환함에 따라 칼륨이 배출되기도 한다.
EC2.0 배양액은 비료 약 1000ppm을 함유하고 있으며 칼륨이 25%를 차지하고 있다.
S500 식물공장은 배양액 사용량이 평방미터당 약 50리터로 칼륨을 12.5g 함유하고 있는 것으로 파악된다.
따라서 배양액을 30일에 1회 교환한다고 가정하면 평방미터당 일일 약 0.4g의 칼륨이 외부로 배출되는 것으로 추정된다.
결과적으로 비료 원가는 절반이 상수, 일부가 생산성에 의존하는 것으로 분석된다.
수익성 향상으로 급성장 가능성…
식물공장에서 재배하는 상추의 단위중량당 원가를 절감하는 방법은 포기당 중량과 단위면적당 생산성 향상으로 집약된다.
특히, 생산성 향상은 코스트다운 효과가 매우 크게 나타나고 있으며 수확 시 포기의 크기도 코스트 절감을 위해 고려할 가치가 있는 것으로 파악된다.
LED 식물공장은 수익성 측면에서 평가가 엇갈리고 있으나 S500과 같이 생산성을 끌어올리고 포기의 크기를 최적화함으로써 수익성이 획기적으로 향상될 가능성이 있어 수년 이내에 급속히 성장할 것이라는 의견이 부상하고 있다.
해외에서는 중동 등 농작물 재배에 적합하지 않은 고온지역, 북유럽, 러시아 등 겨울철 일조가 확보되지 않는 한랭지역, 싱가폴, 홍콩 등 경작지 확보가 어려운 인구밀집지역, 환경이 오염된 지역 등 개별 지역이 보유한 문제를 해결함과 동시에 인류의 식량 문제를 해결할 수 있는 요소로 식물공장에 대한 관심이 높아질 것으로 예상된다.
