수송수단의 미래에 동력을 공급하는 청정 전력원
모델 기반 설계를 사용한 수소 연료전지 개발의 도전 과제 극복 사례
안정적으로 에너지를 생성하면서 수증기만 배출하는 차량용 연료 공급원이 있다고 하면 비현실적으로 들리겠지만 수소 연료전지는 바로 그런 연료 공급원입니다. 그러나 막상 도로에서는 접근성이 더 높은 충전소 덕분에 배터리 구동 전기차가 여전히 훨씬 더 보기 쉽습니다. 수소 연료전지를 충전하기 위한 기반 시설은 아직 갖춰져 있지 않습니다.
요즘 수소 연료전지가 다시 주목받고 있습니다. 국제 에너지 기구는 수소 연구개발에 대한 투자를 장려하고 있으며, 기업들은 소형 항공기, 대형 트럭, 기차, 해양 선박을 비롯하여 많은 차량이 한 곳에서 수소를 충전할 수 있는 다양한 장소에서 수소 연료전지를 테스트하고 있습니다.
수소 연료전지 사용은 특히 해양 선박에서 2050년까지 크게 증가할 것입니다. (이미지 출처: SEGULA Technologies)
연료전지를 정확하게 모델링하고 내구성이 우수한 연료전지를 만드는 작업은 까다로운 일이기 때문에 광범위한 채택을 가로막는 장애물이 되고 있습니다. SEGULA Technologies는 MATLAB® 및 Simulink®를 사용하여 이러한 도전 과제를 극복하고 있습니다. 이 회사는 생산 시간과 비용을 절감하고 운송 부문에 화석 연료에 대한 청정 대안을 제공하기 위해 AI(인공 지능)를 활용한 모델을 만들고 있습니다.
청정 동력원
수소로 구동되는 PEM(고분자 전해질막) 연료전지는 가볍고 빠른 충전이 가능하며 배터리에 비해 더 높은 에너지 밀도를 충족합니다. 또한 지속적으로 작동이 가능하므로 무거운 화물 및 배송 작업에서 배터리보다 더 실용적인 대안이 됩니다.
하드웨어 프로토타입으로 테스트하기 전에 시스템 수준 시뮬레이션을 사용하면 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.
재생 에너지원으로 수소 연료를 만들게 되면 수소 연료전지는 배터리로 전기를 공급하기 어려운 분야의 탈탄소화를 견인할 수 있습니다. SEGULA Technologies의 연료전지 시뮬레이션 기술 책임자 Dirk Rensink는 이것이 '매우 깨끗한 전력원'이라고 말합니다.
그러나 수소를 얻기 위해 필요한 에너지, 수소 저장 및 수송을 위해 필요한 기반 시설, 제한적인 충전소 등의 문제로 인해 수소 연료전지의 확산은 지지부진한 상황입니다. 이와 같은 장애물을 해결한다 해도 수소 동력원을 설계하고 개발하는 데는 많은 비용이 들 수 있습니다. 그러나 하드웨어 프로토타입으로 테스트하기 전에 시스템 수준 시뮬레이션을 사용하면 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.
연료전지 모델링
독일 뤼셀스하임 소재 SEGULA Technologies 엔지니어링 캠퍼스에서는 PEM 연료전지 개발에 집중하고 있으며, 그 첫걸음으로 이에 필요한 모델을 만드는 것입니다. SEGULA 엔지니어들은 Simulink 및 Simscape™를 사용한 모델 기반 설계를 채택했습니다. 이들은 Simscape의 연료전지 플랜트 모델을 출발점으로 사용했습니다. "Simscape 모델로 시작한 덕분에 초기 개발 시간이 4~6주 단축되었습니다." Rensink이 말합니다.
SEGULA 팀은 자동차, 철도, 항공우주, 해양을 비롯한 모든 연료전지 응용 분야에 사용할 수 있는 더 정교하고 유연한 모델을 만들기 위해 Simscape 모델을 더 발전시켰습니다. 이 모델은 컴포넌트에 대한 최적의 크기를 선택했는지, 주어진 PEM 연료전지 설계가 필요한 전력을 생산할 수 있는지, 제어 기능이 적절히 작동하는지를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
또한 SEGULA 팀은 연료전지 기능에 영향을 미치는 질소 축적, 수증기 이동, 물방울 전파 패턴과 같은 거동도 고려해야 했습니다. "우리는 물 이동 현상을 이해하는 데 많은 시간과 노력을 할애하고 있습니다." Rensink는 말합니다. "이것이 우리 모델의 고유한 특징 중 하나입니다."
이 모델은 압축기, 가습기, 열교환기, 수증기 교환기를 포함하여 전기를 생산하는 데 필요한 많은 컴포넌트로 구성됩니다. "연료전지의 에너지 효율성과 수명을 최적화하기 위해서는 이러한 컴포넌트가 서로 조화롭게 작동하도록 하는 것이 중요합니다." Rensink의 말입니다.
이 팀은 3차원 모델링 툴을 사용하여 셀 내부의 물리적 작용, 특히 물방울과 수증기의 흐름 및 열 전달을 시뮬레이션하기 위한 모델을 개발합니다. 이후 엔지니어들은 이 데이터를 Simscape 모델에 입력하여 연료전지의 컴포넌트가 Simscape 모델과 어떻게 상호작용하는지를 시뮬레이션하여 시스템 수준 시뮬레이션을 더 빠르고 유연하게 수행합니다.
"Simscape 모델로 시작한 덕분에 초기 개발 시간이 4~6주 단축되었습니다."
자동차 응용 사례의 연료전지 시스템 모델. MathWorks의 FCEV 참조 응용 사례에 대한 문서는 FCEV 참조 응용 사례에서 볼 수 있습니다. (이미지 출처: SEGULA Technologies)
수소 연료전지. (이미지 출처: SEGULA Technologies)
테스트 장비 위에 있는 연료전지 스택. (이미지 출처: SEGULA Technologies)
시뮬레이션은 설계가 잘 작동하는지 확인하는 것 외에, 연료전지의 에너지 소비를 제한해서 발전된 에너지가 연료전지 자체의 압축기 또는 펌프를 작동하는 데 지나치게 많이 소비되지 않도록 합니다.
이 접근 방식을 개선하기 위해 활용할 수 있는 실제 데이터가 제한적이었기 때문에 SEGULA 팀은 전문가 시스템을 선택했습니다. Rensink는 이렇게 말합니다. "이 시스템은 파라미터를 위한 ChatGPT까지는 아닐지라도, 과거 시뮬레이션을 되돌아보고 비슷한 종류의 파라미터를 추출할 수 있는 지능적인 시스템입니다. 그런 다음 이전 경험을 기반으로 누락된 파라미터에 대해 새 모델에서 제안합니다." 이 접근 방식을 사용하면 팀은 새로운 연료전지 시스템을 설계할 때마다 처음부터 새로 시작하고 모델에 입력할 최선의 값을 추정할 필요가 없습니다.
"과거의 데이터를 입력함에 따라 모델이 진화합니다. 우리는 이 전문가 시스템으로 큰 진전을 이루었습니다." SEGULA Technologies의 연료전지팀 리더인 Stephan Schnorpfeil이 말합니다.
이 모델들은 SEGULA 팀에 프로토타입을 제작하기도 전에 설계를 테스트할 수 있는 기회를 제공합니다. 이들은 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트를 통해 연료전지 제어기를 검증하고 테스트하며, 연료전지가 일반적인 작동 시 일주일 동안, 또는 30,000시간의 수명 동안 어떻게 작동할지를 시뮬레이션합니다. 그들은 Simulink Real-Time™을 사용하여 압축기 및 가습기를 중점으로 하여 연료전지에서 제어기의 기능을 테스트합니다.
"일반적으로 테스트벤치에서 시스템 프로토타입을 구축한 다음 소프트웨어를 보정하지만, 이 모델은 현장에서 사용되는 연료전지 소프트웨어를 테스트하기 위한 환경을 만들 수 있습니다." Schnorpfeil이 말합니다. "이 같은 사전 테스트를 통해 올바른 값을 보정할 수 있는데, 이는 현실에 상당히 근접한 수준입니다."
"사전에 시뮬레이션한 보정된 모델을 사용하여 테스트벤치에 시스템을 올리면 모든 작업을 테스트벤치에서 해야 하는 경우에 비해 개발 시간이 훨씬 더 빨라집니다."
이 모델은 이미 시간과 비용을 절약하면서 SEGULA 고객들에게 보다 원활한 공정을 제공하고 있습니다. 예를 들어 SEGULA 엔지니어들은 프로토타입 구축에 앞서 연료전지 시스템을 조정함으로써 많은 비용을 초래하는 실수를 방지하고 있습니다. "사전에 시뮬레이션한 보정된 모델을 사용하여 테스트벤치에 시스템을 올리면 모든 작업을 테스트벤치에서 해야 하는 경우에 비해 개발 시간이 훨씬 더 빨라집니다." Schnorpfeil는 말합니다. Rensink는 AI 보조 파라미터 데이터베이스가 추가적으로 고객의 출시 시간 단축에 도움을 준다고 말합니다.
또한 SEGULA의 모델링 작업은 정교한 시뮬레이션으로만 다룰 수 있는 특화된 솔루션도 고객에게 제공합니다. 이 같은 유연성을 통해 고객의 선박용 연료전지 시스템을 자동차 응용 분야에 맞게 조정하는 등 다양한 응용 분야와 전력 수요에 맞추어 PEM 연료전지를 시뮬레이션 및 개발할 수 있습니다. SEGULA의 리소스를 사용해서 컴포넌트 크기 조정을 위한 이상적인 파라미터를 신속하게 추출하여 PEM 연료전지 시스템을 최적화한 고객도 있습니다.
차세대
SEGULA의 모델링 접근 방식으로 개발된 연료전지 중 일부는 이미 사용되고 있습니다. SEGULA 팀은 점점 늘어나는 실제 데이터 지식 베이스를 모델에 다시 집어넣어 설계를 더 개선하고 있습니다.
교육 역시 주요 초점 영역입니다. SEGULA 팀은 모델을 개발 및 개선할 때 Bingen Technical University of Applied Science와 RheinMain University of Applied Science의 학사 및 석사 과정 학생들과 협력하여 연료전지 시스템 내에서 각 컴포넌트가 어떻게 맞물리고 작동하는지를 수학적으로 모델링했습니다.
"학생들은 자신이 대학 연구를 통해 하는 일이 산업에 영향을 미치는 것을 볼 수 있습니다. 연료전지에 대한 SEGULA의 사명에는 차세대 엔지니어를 교육하여 재생 에너지 및 연료전지 분야에서 일하도록 이끄는 것도 포함됩니다."
"학생들은 자신이 대학 연구를 통해 하는 일이 산업에 영향을 미치는 것을 볼 수 있습니다." Rensink이 말합니다. 이 팀은 학생들에게 졸업 후에 활용할 수 있는 실무 경험을 제공합니다. "연료전지에 대한 SEGULA의 사명에는 차세대 엔지니어를 교육하여 재생 에너지 및 연료전지 분야에서 일하도록 이끄는 것도 포함됩니다."
