그린 수소 생산 시뮬레이션 (Simcenter Amesim)

1) 녹색 수소 생산에 대한 관심 급증 

    현재와 미래의 요구는 진정한 무공해 전력입니다. 화석연료를 대체할 수 있는 대안을 찾아야 합니다. 현재 배터리는 자동차용 솔루션입니다. 불행히도 저장 용량, 수명, 충전 제약 및 환경 문제로 인해 많은 응용 분야에 적합하지 않습니다. 따라서 녹색 수소 생산(예를 들어 재생 가능한 전기를 사용하여 전기 분해를 통해 생산)은 장기적으로 배출이 없는 재생 에너지 저장을 위한 유망한 솔루션으로 식별됩니다. 

    2019년에 수소 덕분에 생성된 전력은 현대 원자력 발전소에서 공급되는 전력의 규모와 맞먹었습니다. 그리고 몇 년 동안 수소 소비량이 급격히 증가했습니다. 최근 많은 국가에서 운송, 에너지 또는 산업 분야에서 수소 생산 및 사용을 늘리기 위해 대규모 투자를 약속함에 따라 이러한 추세는 계속해서 크게 증가할 것입니다.

[그림 1 : 수소 소비의 진화]

    대부분의 수소는 여전히 화석 연료에서 생산됩니다. 이는 다음과 같은 과제를 안고 새로운 인프라를 개발해야 함을 의미합니다. 

     • CO2 배출이 없는 녹색수소 생산 . 물 전기분해는 풍력 터빈, 태양광 패널, 파도 변환기 또는 이들의 조합에서 생성된 청정 전기를 사용하는 하나의 솔루션입니다. 

     • 생산된 수소의 수용 가능한 가격에 도달하기 위한 시스템 성능, 신뢰성 및 효율성 개선 

     • 수소의 저장. 이 가스는 주변 조건에서 낮은 질량 에너지 밀도를 가지므로 일반적으로 저장을 위해 압축되거나 액화됩니다.

[그림 2 : 수소 생산 공장]

    그렇다면 이러한 과제를 어떻게 해결하고 수소 생산 공장과 각 하위 시스템의 동작을 포착하려면 어떻게 해야 할까요? 

2) 글로벌 성과를 평가하기 위해 모든 하위 시스템을 결합한 모델 

    Simcenter Amesim 내의 녹색 수소 생산 시뮬레이션이 솔루션입니다. 이를 통해 녹색 수소 생산의 전체 프로세스를 포착하고 하위 시스템 간의 상호 작용과 글로벌 성능을 예측할 수 있습니다.

[그림 3 : Simcenter Amesim 의 수소 생산 플랜트 모델]

    이제 우리는 3가지 다른 친환경 에너지원에서 생성된 전력의 예를 고려해 보겠습니다. 

     • 풍력 발전 용 터빈 

     • 태양 전지 패널 

     • 파동 변환기 

    전력은 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 수소는 최종적으로 압축되어 고압 탱크에 저장되어 사용, 차량 연료 보급 또는 운송 준비가 완료됩니다. 

3) 풍력 발전 용 터빈 

    풍력 터빈 모델은 사용하려는 풍력 터빈의 수, 터빈 형상의 정의(특히 팬 직경, 피치 각도...), 발전기 성능, 하위 구성 요소 손실 및 팬 피치 제어를 고려합니다.

[그림 4 : 풍력 터빈 모델]

    이 모델을 사용하면 바람의 과도 속도에 따른 터빈의 전력 및 기계적 출력 등을 예측할 수 있습니다.

[그림 5 : 풍력 터빈 모델 결과]

4) 태양 전지 패널

    태양광 패널 모델은 셀과 패널의 수와 기하학적 구조, 일시적인 작동 조건, 즉 태양 위치의 변화와 구름의 영향, 태양광 어레이 성능의 정의를 고려합니다.

[그림 6 : 태양광 패널 모델]

    예를 들어, 셀의 일시적인 조사 전력에 따라 태양광 패널이 전달하는 전력을 예측하는 것이 가능합니다.

[그림 7 : 태양광 패널 모델 결과]

5) 파동발생기

    파동 발생기의 성능을 예측하기 위해 우리는 먼저 매우 상세한 다중물리 모델을 구축했습니다. 이 모델은 시스템의 세부 아키텍처를 재현하고 하위 시스템(피스톤, 밸브, 유압 모터 및 발전기, 어큐뮬레이터, 파이프 등)의 크기 및 동작을 고려합니다. 모델은 일시적인 작동 조건을 고려할 수 있습니다. 가변적인 파도 주파수와 진폭을 가지고 있습니다.

    이 모델은 정확하고 Wave Generator의 세부 설계 및 최적화에 유용합니다. 그러나 장시간 시뮬레이션 범위 시뮬레이션의 경우 속도가 여전히 느립니다.

    그런 다음 정확한 모델부터 시작하는 두 번째 단계에서는 Simcenter Amesim Neural Network Builder 도구를 사용하여 축소된 모델을 구축했습니다. 신경망 빌더를 사용하면 축소된 모델을 쉽고 빠르게 훈련하고 매우 빠르게 실행되는 해당 Amesim 모델을 생성할 수 있습니다. 검증 실행에서 감소된 파동 발생기 모델은 크게 향상된 시뮬레이션 시간과 함께 94%의 신뢰도 수준으로 초기 모델의 결과를 재현할 수 있습니다. 정말 놀랍습니다!

[그림 8 " 파동 발생기 모델 축소]

    이 축소된 모델은 녹색 수소 생산 시스템 모델에 필요한 성능과 함께 파동 주파수 및 진폭에 따라 파동 발생기에 의해 생성되는 전력을 예측하는 데 사용될 수 있습니다.

[그림 9 : Wave Generator 모델 결과]

6) 전해조

    태양광 패널, 풍력 터빈, 조력 발전기에서 생성된 전력은 전해조에서 결합되어 사용됩니다. _{이렇게 하면 물이 O 2} 와 H ₂ 로 변환됩니다 . 우리 모델에서는 매개 변수로 제공되는 분극 곡선, 셀 수 및 셀의 활성 영역을 통해 성능 및 반응 속도를 예측합니다.

[그림 10 : 전해조 모델]

    이를 통해 전해조에서 사용되는 전력, 생산되는 수소 순간 흐름 및 하루에 생산할 수 있는 해당 평균 질량을 예측할 수 있습니다. 이 예에서는 하루에 약 9Kg의 수소를 생산할 수 있습니다.

    또한 하위 시스템의 크기를 보면 파동 변환기가 전력의 88%, 태양광 패널이 4%, 풍력 터빈이 7%를 생산한다는 것을 확인할 수 있습니다.

[그림 11 : 전해조 모델 결과]

7) 수소 저장

    마지막으로 수소 저장 모델에서는 수소가 압축됩니다. 이 모델은 파이프, 제어 장치가 있는 압축기, 제어 밸브 및 여러 탱크를 기반으로 합니다. 밸브 제어를 통해 첫 번째 탱크는 압력이 750바에 도달할 때까지 채울 수 있습니다. 두 번째 탱크는 다음으로 채워지고 마지막으로 세 번째 탱크가 채워집니다. 수소, 파이프 및 탱크 사이에서 발생하는 열 교환이 고려됩니다. 3개 탱크 각각의 압력이 750bar에 도달하면 시뮬레이션이 중단되었습니다.

[그림 12 : 수소 저장 시스템 모델]

    우리의 모델과 시뮬레이션 덕분에 우리가 정의한 작동 조건에서 42일 안에 3개의 탱크를 채울 수 있다는 것을 예측할 수 있습니다. 또한 3개 탱크 내부의 압력과 수소 질량 또는 가스 온도의 변화를 얼마나 빨리 증가시키는지 명확하게 이해할 수 있습니다.

    750도에서 수소를 압축하면 태양광 패널, 풍력 터빈, 조력 발전기에서 생성된 전력의 일부가 소비됩니다. 그러면 마침내 수소 생산이 줄어들게 됩니다. 시뮬레이션 덕분에 압축기가 전력의 약 6%를 소비하는 것으로 평가할 수 있습니다.

[그림 13 : 수소 저장 시스템 모델 결과]

8) 결론

    결론적으로 Simcenter Amesim의 녹색 수소 생산 시뮬레이션은 녹색 수소 생산 문제를 해결하는 데 확실히 도움이 될 수 있습니다. 

     • 광범위한 다중 물리 시뮬레이션 플랫폼을 통해 전체 시스템 모델링이 가능합니다.

     • 다양한 작동 조건을 고려하여 다양한 하위 시스템의 크기를 조정하는 것이 좋습니다.

     • 하위 시스템을 보다 효과적으로 통합하고 전반적인 성능과 ROI를 향상시킬 수 있습니다.

     • 시스템 전역 동작에 대한 더 나은 이해를 제공합니다.

     • 시스템 시뮬레이션을 사용하면 시스템을 더 효과적으로 설계할 수 있을 뿐만 아니라 가상으로 평가하고 제어 전략을 개선할 수도 있습니다.

     • 첫 번째 시도 에서 마침내 올바른 디자인을 선택할 수 있어 오류 위험을 줄이고 프로젝트를 가속화할 수 있습니다.

    마지막으로 Simcenter Amesim은 일반 모델과 라이브러리 덕분에 청정 수소 생산뿐 아니라 다른 많은 응용 분야도 다룰 수 있습니다. 예를 들어 다음과 같은 사항을 간략하게 언급할 수 있습니다.

     • 고압 또는 극저온 탱크를 고려하여 차량 또는 항공기에 통합된 수소 탱크를 설계하고, 연료 보급 또는 수소 추출과 같은 시나리오를 시뮬레이션합니다.

     • 항공기 엔진 및 가스 터빈의 성능 평가, 다단계 압축기에 대한 블리드 영향 분석, 설계 외 모델 분석 및 과도 평가에 대한 엔지니어링 질문에 중점을 둡니다.

     • 수소 연소 엔진 설계, 분사 시스템 및 제어, 충전 시스템, 연소 제어 및 후처리 시스템을 조정합니다.

     • 연료 전지 설계 및 공기 및 수소 공급, 전력 전자 장치, 열 관리 및 제어와의 통합.

[그림 14 : 수소 관련 기타 애플리케이션을 위한 Simcenter Amesim 기능의 예]

    더 궁금하신 사항은 Cadians System으로 연락 부탁 드립니다.

    감사합니다.