디지털 트윈 기술, 수소 생산에 변화를 일으키다

로익 샤르보누(Loic Charbonneau)/ 에머슨 글로벌 프로젝트 추진 이사

로익 샤르보누(Loic Charbonneau)가 산업용 PEM 전기 분해 수소 생산을 확장하는 데 있어 디지털 트윈 기술이 어떤 역할을 하는지 설명한다.

수소는 미래의 연료이자 유럽 그린 딜과 유럽의 청정에너지 전환을 실현하기 위한 핵심 원동력으로 부상하고 있다. 수소는 높은 발열량과 에너지 밀도, 다양한 운송 및 저장 방법을 제공하는 이상적인 청정 에너지원이지만, 무엇보다도 산소와 함께 연소될 때 온실가스를 배출하지 않는다는 점이 주목할 만하다.

유럽의 에너지 믹스에서 수소가 차지하는 비중은 현재 2%로, 2050년에는 14%까지 증가할 전망이다. 이러한 수요 증가에 부응하기 위해서는 대규모 생산 공장을 비롯한 새로운 인프라가 필요하다.

수소를 생산하는 가장 일반적인 두 가지 방법으로는 증기 메탄 개질과 전기 분해가 있다. 증기 메탄 개질은 가장 저렴한 수소 생산 방법이지만, 현재는 주로 천연가스를 개질해 수소를 생산하고 있고, 그로 인해 다량의 CO2가 방출되고 있다. 전기 분해는 전류를 사용해 물에서 수소를 분리하는 공정으로, 배기가스가 생성되지 않는다. 또한, 물 분리를 위한 에너지원이 재생 가능한 에너지원이거나 저탄소 에너지원일 경우에 생성되는 수소가 있는데 이를 ‘녹색 수소’라고 한다.

유럽연합 집행위원회는 2030년까지 수소 생산 역량을 40GW로 늘리기 위해 전해조에 130억~150억 유로가 투자될 것으로 보고 있다. 현재 산업화된 전기 분해 생산 기술로는 알칼리성 물 전기 분해와 양성자 교환막(PEM, Proton Exchange Membrane) 전기 분해, 두 가지가 확립돼 있다.

‘증기 전기 분해’로도 알려진 고온 고체 산화물 전기 분해(SOE, Solid Oxide Electrolysis cell)는 흥미로운 대안이지만, 아직 상업적인 규모에서는 입증되지 않았다. PEM 전기 분해는 부분 부하 기능, 저전류 밀도 및 저압 작동 등 알칼리 전해조의 근본적인 문제를 보완해가고 있다. 이로써 신속한 시작, 부식 방지 및 간편한 유지보수의 장점을 제공하는 탁월한 대안으로 부상했다.

비용 절감을 위한 생산 확대

전기 분해 기술 제공업체는 시장 수요에 부응하기 위해 설계를 확장 및 개선하기 위한 방법을 모색하고 있다. 일례로, 녹색 수소 캐터펄트(Green Hydrogen Catapult) 이니셔티브는 비용을 kg당 2달러(1.65유로) 미만으로 절감하기 위해 향후 6년간 생산량을 50배로 확대할 계획이다.

때문에 플랜트가 보다 고전류 밀도를 처리하고, 더 오랫동안 높은 효율을 제공할 수 있는 설계가 필요하다. 기술 제공업체는 생산 사슬 제조에 대비하는 설계도 해야 한다. 이 역시 kg당 수소 비용을 낮출 수 있는 방법이기 때문이다. 더불어 시스템의 무결성을 보장하는 동시에, PEM 시스템에서 기존에 사용해온 희소하고 비싼 재료를 대체하기 위한 재활용 재료 사용도 늘려야 한다.

플랜트의 제어 및 운영 전략도 중요하다. 운영 설정점을 정해 BoP(Balance-of-Plant)의 구성요소 및 하위 시스템을 개발 및 통합하고 최적화해야 한다. 이로써 정수 효율성과 수소 정화 측면 모두에서 효율성을 3~5% 정도 개선할 수 있다.

세계 최대 규모 20MW PEM 전기 분해 수소 생산 시설을 통해 효율성 개선하는 방법을 검증하기 위한 대규모 프로젝트가 캐나다 퀘벡에서 곧 실시된다. 임페리얼 칼리지(Imperial College)의 시장 분석에 따르면, 전류 밀도 증가, 정수 개선, BoP 설계, 최소 전류/전압 리플로 개선된 정류기, 시작/중단 절차 최적화 등 다양한 영역에서 추가적으로 프로세스를 개선할 수 있다.

이러한 대규모 수소 플랜트는 대부분 정유소, 암모니아 플랜트, 제철소, 항구/항만, 연안 등 기존의 산업 클러스터 내에 건설될 것이기 때문에 무엇보다 안전이 중요하다.

디지털 트윈 기술

이런 목적 아래 다수의 산업 분야에서 판도를 바꾸는 것으로 입증된 솔루션이 바로 디지털 트윈 기술이다. 디지털 트윈은 생산 공정뿐 아니라 프로세스 장비, 계측 및 제어를 비롯해 생산 시설의 전체적인 물리적 자산을 소프트웨어를 기반으로 가상 복제한 것을 말한다.

이 복제본을 통해, 해당 자산의 수명주기 동안의 운영을 모델링 및 시뮬레이션 할 수 있다. 디지털 트윈은 일반적으로 자동화 시스템을 위한 공정 모델링, 실시간 실행 및 통합 솔루션과 함께 제어 시스템, 운영자 디스플레이 및 알람을 복제한 것이다. 배관 및 계측 다이어그램, 공정 흐름도 및 해당 프로세스를 관리하는 기타 데이터를 포함해 공정 설계 정보를 통해 개발되고, 해당 정보는 시뮬레이션 소프트웨어를 사용해 프로세스 소프트웨어 기반으로 변환 및 개발한다.

이 소프트웨어에는 사전에 다양한 단위 개체가 구성되어 있어, 해당 프로세스의 동작과 역학을 정확하게 표현할 수 있는 모델을 효율적으로 개발할 수 있다. 디지털 트윈은 다양한 정류기나 정수 시스템, 다양한 BoP 설계 개선 아이디어 등과 같이 다양한 ‘가정(what if)’ 설계 시나리오를 분석하는 데 매우 중요한 도구다.

또한 고급 제어 모델 및 시작/중단 절차를 비롯해 제어 및 안전 체계 최적화도 검증할 수 있다. 디지털 트윈 기술은 전기 분해 시설이 기존 산업 플랜트에 통합되는 제안된 안전 개념의 규정 준수 및 검증 분야에서도 필수적이라는 점을 입증할 수 있다.

우선 공정 제어 시스템과 운영 절차를 비용 효율적으로 준수 및 검증할 수 있다. 플랜트 가동 시, 장비 및 시스템 상태에 대한 데이터와 통찰력을 제공함으로써 플랜트 경영진이 예방적 유지보수 실무를 최적화하고 예기치 못한 다운타임으로 막대한 비용이 발생하는 것을 막을 수 있다.

디지털 트윈을 사용하게 되면 프로세스에서 직접 데이터를 불러와 정확도를 지속적으로 개선할 수 있다. 이는 다수의 수소 전기 분해 프로젝트가 단계적으로 구축되는 방식이기 때문에, 디지털 트윈을 통해 각 단계를 원활하게 통합할 수 있다.

또한 디지털 트윈은 운영자 교육 및 역량 평가를 지원하는 플랫폼도 제공한다. 실제 플랜트와 정확히 같은 디지털 복제본을 실행해 가동 시작 전, 제어실 운영자 및 기술자들이 훈련을 통해 제어 시스템 및 프로세스에 익숙해질 수 있다. 디지털 트윈은 직원들을 위험 요소가 없는 오프라인 환경에서 실제 제어실과 같은 경험에 노출시킴으로써 프로세스 장애나 비정상적인 상황을 성공적으로 제어할 수 있도록 대비한다.

결론

디지털 트윈은 공정 제어 및 운영 솔루션을 실제 플랜트에 적용하기 전에 설계 및 테스트할 수 있는 가상 환경을 제공함으로써 전기 분해 플랜트 설계 확장 시 벌어질 수 있는 위험을 줄일 수 있다.

또한 플랜트의 수명주기 전반에 걸쳐 보다 신속하고 안전하게 온라인 상태를 유지하고, 안전한 환경에서 작업자의 기술을 개선하고 운영 효율성을 극대화 시켜 플랜트의 생산성 및 수익성을 높이는 데 기여할 수 있다.