캐디언스시스템 CAE: [Amesim] 녹색 에너지와 수소 시스템 시뮬레이션

소개

태양광, 풍력, 수력과 같은 재생 에너지는 비용 절감, 기술 개선, 지원 정책으로 인해 급속한 성장을 경험하고 있습니다. 이러한 에너지원은 CO₂ 배출 없이 전기를 생산하는데, 이는 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 전력 부문의 배출량을 낮추는 데 매우 중요합니다.

수소, 특히 재생 에너지원을 통해 생산된 "녹색 수소"는 깨끗한 연료 옵션으로 부상하고 있습니다. 산업, 운송 및 에너지 저장에 활용될 수 있으며 전기화하기 어려운 부문의 탈탄소화에 역할을 합니다.

재생 에너지와 수소의 결합은 저탄소 경제로의 세계적 전환에 필수적입니다. 이는 기후 목표를 달성하고 온실 가스 배출을 줄이는 데 도움이 되기 때문입니다.

그러나 녹색 에너지와 녹색 수소의 광범위한 채택은 특정한 과제를 제기합니다. 이 글에서는 시스템 시뮬레이션 소프트웨어인 Simcenter Amesim이 이러한 과제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지, 특히 PLC(Programmable Logic Controllers)와 결합할 때 어떻게 도움이 될 수 있는지에 초점을 맞춥니다. 두 가지 구체적인 적용 사례가 제시됩니다. 녹색 수소 생산을 위한 풍력 터빈과 전해조의 결합, 수소 재급유소 구현입니다.

시스템 시뮬레이션과 PLC는 모두 지속 가능하고 효율적인 에너지 시스템으로의 전환을 지원하는 데 필수적입니다.

시스템 시뮬레이션

최적화
최상의 구성과 운영을 찾아 효율성을 높이고 비용을 절감합니다.
통합
재생에너지원과 수소를 에너지 시스템에 원활하게 통합합니다.
환경 영향
환경 영향을 평가하고 최소화합니다.
경제적 타당성
재정적 실행 가능성을 평가하고 투자 결정을 지원합니다.
정책 지원
효과적인 규제와 표준을 위한 데이터를 정책 입안자에게 제공합니다.
혁신
새로운 기술의 개발과 배포를 가속화합니다.
위험 관리
다양한 상황에서 성과를 예측하여 견고한 비상 계획을 수립합니다.

PLC의

수소 생산(전기분해)
PLC는 전해조에서 전류, 물 흐름, 전압을 정밀하게 제어하여 수소 생성을 최적화하고 압력과 온도를 모니터링하여 안전을 보장합니다.
저장 및 압축
수소 압축기를 제어하고 저장 탱크의 압력, 온도, 유량을 모니터링하여 안전하고 효율적인 작동을 보장합니다.
연료 전지 관리
PLC는 연료 전지의 수소 흐름, 공기 공급 및 전력 출력을 조절하여 에너지 생산이나 차량의 최적 성능을 보장합니다.
수소 충전소
PLC는 수소 차량의 연료 공급 프로세스를 자동화하여 흐름과 압력을 제어하여 안전하고 효율적인 연료 공급을 보장합니다.
파이프라인 배포
이들은 수소 파이프라인을 관리하고 흐름과 압력을 조절하며 누출을 감지하여 사고를 예방합니다.

수소 애플리케이션에는 다양한 종류의 PLC를 사용할 수 있지만, 가장 진보된 솔루션 중 하나는 고급 산업 자동화를 위해 설계된 지멘스 SIMATIC S7-1500 고성능 PLC입니다.

주요 기능은 다음과 같습니다.

고성능
모션 제어 및 실시간 프로세스와 같은 복잡한 자동화 작업을 위한 빠른 처리 속도.
모듈식 및 확장 가능
다양한 CPU, I/O 모듈 및 통신 인터페이스를 통해 다양한 애플리케이션에 맞게 유연한 구성을 제공합니다.
통합 안전
기능 안전 기준을 준수하여 표준 작업과 안전이 중요한 작업을 모두 제어할 수 있는 내장형 안전 기능입니다.
통신
PROFINET, Profibus 등 다양한 산업용 프로토콜을 지원하여 원활한 시스템 통합을 보장합니다.
진단 및 시각화
내장 디스플레이와 고급 진단 기능을 통해 문제 해결과 시스템 모니터링을 쉽게 수행할 수 있습니다.
모션 및 PID 제어
통합 모션 및 PID 제어를 통해 모터와 프로세스 변수를 직접 제어합니다.
TIA 포털 통합은 TIA(Totally Integrated Automation) 포털을
통해 프로그래밍과 구성을 간소화합니다 .

이러한 특징을 갖춘 SIMATIC S7-1500은 제조, 공정 제어, 에너지 관리 및 안전이 중요한 애플리케이션에 적합하며, 현대 산업 시스템에 대한 안정성, 확장성 및 보안성을 제공합니다.

그런 다음 실제 시스템에서 사용될 PLC에 물리적 모델을 연결하면 다음을 통해 프로젝트 초기 단계에서 제어를 평가하고 최적화할 수 있습니다.

다양한 시나리오 테스트
다양한 운영 조건을 시뮬레이션하여 최적의 제어 전략을 파악합니다.
성능 분석
전체 시스템의 성능을 고려할 수 있어 효율성과 안정성 향상
비용 절감
물리적 시도 없이 최적의 제어 설정 찾기
위험 완화
가상 테스트를 통해 잠재적인 문제를 파악하고 위험을 완화합니다.

이를 통해 더욱 효율적이고, 안정적이며, 비용 효율적인 재생 에너지와 수소 시스템이 탄생하게 됩니다.

모든 Simcenter Amesim 모델은 HiL 또는 SiL이라고 불리는 방식으로 PLC 컨트롤러와 결합될 수 있습니다.

HiL에서 Siemens Automation을 사용하면 실제 PLC는 시뮬레이션 주변 장치인 시뮬레이션 장치를 사용하여 물리적 시뮬레이션 모델과 데이터를 교환합니다. Siemens Automation이 아닌 경우 실제 PLC는 OPC UA 프로토콜을 사용하여 물리적 모델과 통신합니다.

SiL에서 PLC 자동화는 시뮬레이션됩니다(그러면 가상 컨트롤러입니다). Simcenter Amesim에서 물리적 모델과의 데이터 교환은 컨트롤러 유형과 Siemens 자동화인지 아니면 비-Siemens 자동화인지에 따라 다르게 실현됩니다.

Simcenter Amesim을 사용한 수소 시스템 시뮬레이션

시스템 시뮬레이션이 재생 에너지 및 친환경 H2 생산에 어떻게 도움이 될 수 있는가

시스템 시뮬레이션은 설계 옵션을 평가하고 시스템의 최상의 아키텍처를 빠르게 식별하는 데 사용되며, 하위 시스템 크기와 하위 시스템 세부 설계를 최적화하는 데 도움이 되며, 여러 시나리오를 고려하여 시스템의 성능도 빠르게 평가할 수 있습니다. 전원 크기에 따라 얼마나 많은 전기와 수소를 생산할 수 있는지 예측할 수 있으며, 배터리 노후화를 고려하더라도 에너지 저장 시스템의 최상의 크기를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 모델을 사용하여 전해조 스택을 Balance of Plant와 통합하거나 혁신적인 수소 저장 시스템을 설계할 수 있습니다.

제어는 가상으로 검증 및 최적화할 수 있으며, 시스템은 물리적 시스템 모델 덕분에 가상으로 시운전됩니다. 여기에는 고수준 에너지 전략에서 구성 요소 폐쇄 제어에 이르기까지 다양한 수준의 제어가 포함됩니다. 풍력 터빈의 경우 PLC를 사용하여 블레이드의 요와 피치 및 발전기 전력 생성을 최적화할 수 있습니다. 태양 전지판의 경우 제어를 사용하여 패널의 방향을 태양의 위치에 맞게 조정할 수 있습니다. 전해조 Balance of Plant의 많은 구성 요소가 제어됩니다. 펌프와 밸브가 있는 열 관리 시스템, 물 공급 시스템, 가스 분리 및 저장 시스템…

Simcenter Amesim 기능

녹색 수소 생산 및 재생 에너지 시뮬레이션을 다루기 위해 Simcenter Amesim에는 다음과 같은 여러 기능이 포함되어 있습니다.

검증된 방정식을 포함하는 구성 요소 라이브러리:
- 전해조 전기화학 모델
- 풍력 터빈 모델링을 위한 구성 요소
- 태양광 패널 모델
- 전기적 성능을 예측하는 배터리 모델
- 유체 하위 시스템을 위한 모델
- 대규모 유효 도메인을 위한 다중 Gaz 모델
- 자세한 열 효과 모델
1년 전체 시뮬레이션에도 빠른 시뮬레이션 가능
고급 플롯, 애니메이션을 생성하기 위한 포괄적인 후처리 도구…
데이터 시트를 직접 입력하기 위한 유연성과 사용자 정의 가능한 구성 요소
상태 차트 컨트롤러는 상태 머신을 기반으로 제어 전략을 정의하는 데 사용할 수 있습니다.
PLCSIM 고급 연결은 물리적 모델을 PLC 컨트롤러에 연결합니다.
실시간 기능…

이러한 기능을 활용할 수 있게 되면 엔지니어는 시스템 시뮬레이션을 사용할 때 여러 가지 이점을 얻을 수 있습니다.

안전

과압 시 압력 손실 및 거동을 평가합니다.
크기 압력 안전 밸브(PSV)
밸브가 닫힐 때 충격파를 피하기 위한 크기 라인
탱크의 온도를 평가하세요

성능 및 효율성

공급업체 데이터시트 구현
다양한 시나리오에서의 크기 검증(채우기)
냉각 요구 사항 평가
탱크 최적화(크기 및 제어 로직)
밸브 조절을 위한 제어 루프 정의

사례 1: 재생 에너지와 전기 분해를 사용하여 녹색 수소 생산

디자인의 주요 과제

녹색 수소는 산업, 운송 및 에너지 저장의 탈탄소화를 돕는 새로운 솔루션으로 확인되었습니다. 그러나 솔루션의 수용 가능성과 대규모 배포를 위해서는 다음을 포함하여 해결해야 할 많은 과제가 남아 있습니다.

초기 투자(CAPEX)와 운영 수수료(OPEX)는 기존 솔루션이나 기타 청정 솔루션과 경쟁력이 있어야 합니다.
녹색 수소는 생산부터 사용까지 전체 수명 주기를 고려할 때 CO 2 배출을 실제로 크게 줄여야 합니다 .
변동하는 재생 에너지원과 시스템 위치는 전력 생산, 전해조 성능 및 성능 저하에 영향을 미칩니다.
에너지와 H2 저장 시스템을 통합하면 시스템 성능을 개선할 수 있습니다.
시스템은 안전해야 합니다.
시스템은 수명 동안 성능 저하가 최소화되면서도 안정적이어야 합니다.
시스템은 많은 구성 요소, 물리학 및 제어를 포함하며 복잡합니다.

시스템 설계를 위한 Simcenter Amesim 독립형 모델

Simcenter Amesim이 재생 에너지와 전해조의 조합을 모델링하고 시뮬레이션하여 녹색 수소를 생산하는 능력을 보여주기 위해 물리적 모델이 개발되었습니다. 이 모델은 다음을 포함한 여러 하위 시스템으로 구성됩니다.

바람 조건 정의를 통해
실제 기상 데이터나 사용자 정의 값을 사용하여 변동하는 풍속과 풍향을 정의할 수 있습니다.
풍력 터빈 발전
이 하위 시스템 모델은 풍속 및 방향, 풍력 터빈 프로펠러 특성, 전달 비율, 발전기 및 전력 전자 장치를 고려하여 풍력 터빈에서 생성된 동적 전력을 평가합니다. 프로펠러 피치 각도 및 발전기를 포함한 여러 구성 요소가 제어됩니다.
이 풍력 터빈 요 시스템은
6개의 전기 모터, 변속기, 브레이크를 사용하여 풍력 터빈을 풍향에 맞추는 데 사용됩니다. 전기 모터와 브레이크는 모두 제어됩니다.
배터리 에너지 저장 시스템
배터리는 풍력 터빈에서 생성된 전력 피크를 흡수하기 위해 시스템에 통합되어 전해조에서 사용할 수 있는 전력을 초과합니다. 배터리는 또한 전해조 전력 역학을 줄여 성능을 개선하고 저하를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 마지막으로 충전된 배터리는 바람이 부는 것을 멈추어도 전해조를 계속 작동시킬 수 있게 합니다.
PEM 전해조와 열 관리 시스템
여기에는 PEM 전해조 전기화학 모델이 포함되지만 전해조와 배터리 사이의 에너지 흐름을 제어하는 데 사용되는 DC/DC 컨버터, 전해조 애노드 측에서 물을 재순환하고 전해조 열적 거동을 관리하는 데 사용되는 워터 펌프도 포함됩니다. 펌프 속도는 열교환기가 유체에서 열을 제거할 때 전해조를 적절한 온도 범위로 유지하도록 제어되고 바이패스 밸브는 전해조가 차가울 때 열교환기를 우회하도록 제어됩니다. 이 모델은 H2 및 O2 가스 생성과 물 소비도 포착할 수 있습니다 . 또한 전기 전력 소비와 온도 변화를 생성하는 열 손실을 포함한 전해조 성능을 예측합니다.

이 모델을 사용하여 1일 시나리오를 시뮬레이션하는 데 일반 노트북으로 걸리는 시간은 보통 30초도 채 걸리지 않습니다.

시뮬레이션 결과의 예

이 메카트로닉스 모델 덕분에 시뮬레이션을 수행하여 다양한 하위 시스템의 물리적 동작을 포착할 수 있습니다. 예를 들어 다음을 위해 사용할 수 있습니다.

요 시스템 동적 동작 캡처
요 시스템 모터 크기 조정
요 제어 최적화 및 검증
요 시스템 전력 소비량 예측
피치 컨트롤 전략 평가
풍력 터빈 에너지 생산을 예측하세요
팬, 발전기, 기어 감속 시스템 및 DC/DC 컨버터의 크기를 조정합니다.
다양한 아키텍처 평가
전해조와 배터리 크기 조절
시스템 에너지 관리 최적화
전해조 동적 성능 및 효율 예측
전해조 전력 소비량 예측 H2 및 O2 생산 예측
전해조의 동적 열 동작을 포착합니다.
열 관리 시스템 아키텍처 평가
펌프와 열교환기의 크기를 조정하세요
분해를 줄이는 동시에 전해조 작동 온도를 최적화하여 최상의 성능을 달성합니다.

제어 설계 및 사전 시운전을 위한 PLC 컨트롤러에 시스템 모델 연결

그런 다음 시스템 설계에 사용된 Simcenter Amesim 독립형 모델을 사용하여 PLC 제어를 가상으로 검증하고 가상 사전 시운전을 수행할 수 있습니다. 제어는 물리적 시스템에서 제거되고 인터페이스 블록으로 대체되어 입력(제어 요청)과 출력(센서 측정)을 PLC에 연결할 수 있습니다. PLC는 실제 하드웨어이거나 가상 PC일 수 있습니다.

저희 애플리케이션에서는 PLCSIM Advanced를 사용하여 가상 PLC를 생성하고 Automation Connect 덕분에 Simcenter Amesim 모델에 연결했습니다. 마지막으로, SIMATIC WinCC Unified System을 사용하여 물리적 모델과 가상 PLC를 모두 시각화하고 상호 작용할 수 있는 사용자 인터페이스를 만들었습니다.

그런 다음, 친숙한 사용자 인터페이스에서 시뮬레이션을 시작할 수 있으며, 이를 사용하여 플롯과 애니메이션으로 시스템의 동적 동작을 시각화할 수도 있습니다. 동일한 인터페이스에서 풍속 및 주변 온도 방향과 같은 시스템의 작동 조건을 수동으로 수정할 수도 있습니다. 제어 전략의 매개변수를 조정하여 제어 교정 및 시스템 성능을 개선할 수도 있습니다.