CO₂ 배출을 절감하는 수소 연료전지

수소 연료전지를 사용한 상용차 전동화

해운 및 항만 인프라는 GHG(온실가스) 배출의 중요한 원인입니다. 국제해사기구(International Maritime Organization)에 따르면 해상 운송으로 인해 매년 9억 톤 이상의 CO₂가 발생합니다. 세계 경제는 제품을 소비자에게 전달하기 위해 운송에 의존하고 있으며 모든 해외 상품의 최대 90%가 컨테이너 선박의 항구를 통해 이동하지만 환경에 미치는 피해는 상당합니다. 그리고 분주한 항구 근처에 사는 사람들은 항구에 있는 상업용 차량의 디젤 엔진에서 나오는 배기가스로 인해 위험한 수준의 대기 오염에 노출되어 있습니다.

예를 들어, 대형 산업 차량이라고 불리는컨테이너 핸들러컨테이너 선박에서 컨테이너를 싣고 내립니다. 각 컨테이너 핸들러는 최대 144 톤의 CO₂를 배출할 수 있으며 대규모 항구에는 이러한 기계가 현장에 수백 대 있을 수 있습니다. 단 한 대의 컨테이너 핸들러에 있는 디젤 엔진을 친환경적인 대안으로 교체하는 것은 도로 위의 가솔린 구동 승용차 32대를 없애는 것과 동일한 환경적 효과를 가져올 것입니다.

승용차부터 장거리 트럭, 기관차, 중장비에 이르기까지 ICE(내연 기관)가 보다 친환경적인 대안으로 교체되고 있습니다. 배터리로 구동되는 전기차는 자동차 모델과 충전 위치 모두에서 소비자가 선택할 수 있는 옵션이 늘어나면서 많은 주목을 받았습니다. 그러나 항구에서 ICE는 야드 트럭, 지게차, 컨테이너 핸들러와 같은 대형 산업용 차량에 사용되는 디젤 엔진을 의미합니다. 배터리와 필수 충전 인프라는 이러한 작업 중 상당수에서는 효과적으로 작동하지 않습니다.

연료전지가 도움이 될 수 있는 부분이 바로 여기에 있습니다.

전동화 활성화

연료전지는 재급유를 위한 가동 중지 시간을 최소화하면서 장시간 교대 근무를 해야 하는 중장비가 있는 장소에 적합합니다. 수소 연료전지를 재충전하는 데 걸리는 시간은 비슷한 크기의 휘발유 탱크를 채우는 데 필요한 시간과 거의 동일하지만, 대형 전기차의 배터리를 완전히 재충전하는 데는 몇 시간이 소요됩니다. 연료전지는 차량이 8시간 교대 근무를 하는 데 필요한 전력 밀도와 범위를 제공합니다. 상용차용 연료전지 기술에 주력하고 있는 한 회사는 Nuvera입니다.

Nuvera의 창립 멤버이자 이사인 Gus Block은 "장거리 주행이 필요할 때나 배터리 충전 시간이 너무 길어질 때 연료전지가 배터리보다 유리합니다. 그래서 보트, 비행기, 트럭, 버스, 그리고 비상 대응 차량 등에 적합하죠."라고 말했습니다.

Block은 "배터리가 너무 커서 차량에 장착하기 어렵거나, 너무 무거워서 페이로드에 영향을 줄 수 있을 때도 필요합니다."라고 말합니다. “예를 들어, 전기 컨테이너를 다루는 데 필요한 배터리는 작은 코끼리 크기 정도일 것입니다.”

Nuvera 연료전지의 사진. — Nuvera의 E-시리즈 연료전지 엔진 중 하나입니다. 이미지 출처: Nuvera Fuel Cells.

재충전이 필요 없는 전기 에너지 대안

연료전지는 열과 물 외에는 배기가스를 배출하지 않습니다. 움직이는 부품이 없으므로 설계는 원칙적으로 간단합니다. 멤브레인이 두 전극 사이에 끼워져 있습니다. 수소 연료가 산화전극을 만나면 양성자와 전자로 분리됩니다. 양성자는 막을 통과하여 환원전극으로 이동한 후 산소와 결합하게 됩니다. 전자는 전기 회로를 통해 이동하면서 전극 사이의 더 긴 경로를 취합니다. 전자의 흐름은 모터의 동력을 생성합니다. 환원전극에서는 양성자, 전자, 산소가 결합하여 물을 형성합니다.

모델링 및 실시간 시뮬레이션을 사용하면 Nuvera의 엔지니어는 설계를 신속하게 반복하고 실제 엔진을 위험에 빠뜨리지 않고 실험할 수 있습니다.

과학적 원리는 단순하지만, 고성능 전원을 위한 방법을 완성하는 것은 어렵습니다. 연료전지 내부의 다양한 반응은 많은 요인에 의해 좌우되며, 소프트웨어 제어 시스템은 장치에서 최대한의 전력과 효율성을 끌어내기 위해 이러한 요인을 모두 고려해야 합니다. 제어 시스템은 피드백을 기반으로 지속적으로 수정합니다.

Nuvera의 수석 엔지니어인 Pierre-François Quet는 “설계상의 가장 큰 과제 중 하나는 세포에 적절한 수분 공급을 유지하는 것입니다. "물이 부족하면 양성자가 통과할 수 없습니다. 너무 많으면 세포가 범람하게 됩니다."

이들 시스템은 냉각수 온도를 변경하고 기류를 조작하여 증발량을 늘리거나 줄여 수분 공급을 관리합니다. 일반적으로 연료전지 속에는 수백 개의 연료전지가 겹겹이 쌓여 있고 그 사이에 냉각수가 흐르며 냉각수 펌프와 공기 압축기도 있는데, Nuvera는 자사의 연료전지 엔진을 제어할 소프트웨어를 설계하기 위해 MATLAB^® 및 Simulink^®를 사용합니다. 전기적, 화학적 반응뿐만 아니라 물, 가스, 냉각수의 온도와 압력을 제어하는 방정식으로 이루어진 연료전지 엔진의 플랜트 모델이 Simulink에서 구현되어 있다고 Quet은 말했습니다. 이 시뮬레이션을 통해 Nuvera는 최고의 성능을 끌어내기 위해 냉각수 흐름과 같은 사항을 개선하는 알고리즘을 작성합니다. 알고리즘이 완성되면 Simulink는 이를 실제 연료전지 엔진에 내장된 프로세서에서 실행될 코드로 변환합니다.

부두에서 컨테이너 더미의 맨 위에 있는 두 개의 매우 큰 선적 컨테이너를 제거하는 상단 적재 컨테이너 핸들러. — Hyster^® 탑 로딩 컨테이너 핸들러. 이미지 출처: Hyster-Yale Group.

제어 알고리즘은 다양한 동작 조건도 고려합니다. 시뮬레이션에서 Nuvera는 낮은 주변 온도와 높은 주변 온도, 낮은 습도와 높은 습도 환경에서 시스템을 테스트합니다.

보다 현실적인 설정에서 알고리즘을 실험하기 위해 Nuvera는 Hardware-in-the-Loop 테스트를 수행합니다. 그들은 실제 엔진과 동일한 입력 및 출력을 갖도록 맞춤화된 Speedgoat에서 만든 맞춤형 컴퓨터에 엔진 모델을 로드하고 실시간으로 작동을 시뮬레이션할 수 있습니다. 연료전지 엔진을 구동하는 동일한 임베디드 컴퓨터가 Speedgoat 상자에 연결되어 있으며 Simulink에서 생성된 C 코드로 프로그래밍됩니다.

이 설정은 Nuvera의 엔지니어가 설계를 신속하게 반복할 수 있도록 하는 동시에 엄격함을 더해줍니다. 또한 실제 엔진을 위험에 빠뜨리지 않고도 실험이 가능합니다.

다른 종류의 하이브리드

사실상 모든 연료전지 차량은 전기 하이브리드화되어 연료전지와 배터리를 모두 사용하여 구동됩니다. 어떤 경우에는 연료전지가 배터리를 충전하기 위해 전류를 공급하는 반면, 다른 경우에는 연료전지와 배터리가 모두 전기 버스를 통해 모터에 전력을 공급합니다. 지게차가 브레이크를 밟거나 부하를 내릴 때와 같이 차량의 회생 전력을 수용하기 위해 배터리도 사용됩니다.

Quet 팀은 먼저 제조업체가 제공하고 내부에서 수집한 데이터를 기반으로 Simulink에서 리튬이온 배터리 모델을 구축해야 했습니다. 또한 그들은 측정할 수 있는 전압과 전류를 기반으로 배터리의 충전 상태를 추정할 수 있는 알고리즘을 작성했습니다. 그런 다음 Simulink를 사용하여 제어 알고리즘을 프로그래밍했습니다. 시스템은 이상적인 배터리 충전 수준을 유지해야 하므로 항상 최대 부하에 충분한 에너지와 에너지를 재흡수할 수 있는 충분한 용량이 있습니다. Nuvera 팀은 또한 다양한 시뮬레이션 지게차 및 적재 시나리오에서 알고리즘을 테스트하여 다양한 시스템 구성 요소에 대한 최적의 크기를 설계했습니다.

두 세계의 최고를 결합하다

연료전지는 배터리 및 ICE와 장점을 공유합니다. 배터리와 마찬가지로 확장 가능하고 조용하며 유해한 방출을 생성하지 않습니다. 그러나 연료전지 차량은 가솔린 및 디젤 구동 ICE 차량에서 볼 수 있는 장거리 주행과 빠른 재급유 시간도 제공합니다. 수소는 동일한 크기의 배터리보다 훨씬 더 많은 에너지를 담을 수 있는 압력으로 연료 탱크에 저장할 수 있으므로 배터리를 재충전하거나 교체하기 위해 정지하는 대신 차량을 1년 이상 동안 운행할 수 있습니다. 배터리로 구동되며 연료 탱크를 채우는 데 몇 분 정도 소요됩니다.

Nuvera의 연료전지 엔진은 모회사인 Hyster-Yale Group이 만든 지게차에 사용됩니다. Nuvera는 또한 E-45 연료전지 엔진 2개를 사진에서 보이는 모델과 유사한 로스앤젤레스항에서 사용될 Hyster^® 컨테이너 핸들러로 통합했습니다. 이 차량에서 디젤 엔진을 연료전지 구동식 전기 구동계로 교체하면 연간 128톤의 CO₂ 배출을 줄일 수 있습니다. 상업용 및 산업용 차량의 디젤 엔진은 탄소 배출의 원천이자 대기 질을 저하시키는 기준 오염 물질입니다. Nuvera는 다른 제조업체와 협력하여 연료전지를 사용하여 버스, 기차 및 특수 차량을 전기화하여 배출량을 크게 줄이는 데 도움을 줍니다.