태양광에 수전해 장비를 붙일 때 - 부하를 어디까지 낮춰도 될까요?

안녕하세요, AEM 수전해 기술로 청정수소 생산 단가를 낮추고 있는 HydroXpand입니다.

태양광이나 풍력에 수전해 장비를 붙이려는 분들께 받는 질문이 있습니다. 해가 기울면서 전기가 줄어들 때 장비를 끄지 않고 약한 힘으로 계속 돌려도 되는지, 된다면 최소 몇 퍼센트까지 내려도 되는지입니다. 발전량 프로파일을 들고 시스템을 설계 중인 분들이 묻는 질문이고, 최근에는 자체 생산라인을 준비하는 해외 제조사에서도 같은 것을 물었습니다.

오늘은 이 질문에 답해보겠습니다.

부하를 낮추는 것 자체는 됩니다. 다만 한계가 있고, 그 한계가 왜 존재하는지를 알면 여러 대를 운용하는 방법까지 달라집니다. AEM이 변동에 강하다는 말은 어디에나 있지만 얼마까지 강한지, 왜 거기가 한계인지를 정리한 자료는 드물어서 저희 기준을 그대로 적습니다.

부분부하 운전, 핵심만 먼저

결론부터 정리합니다.

첫째, 약한 부하로 계속 돌리는 것 자체는 됩니다. 전기가 줄었다고 장비를 반드시 꺼야 하는 것은 아닙니다.

둘째, 다만 하한이 있습니다. 지금 데이터 기준 저희 권고는 돌리는 장비를 원래 성능의 60% 이상으로 유지하는 것입니다.

셋째, 하한이 생기는 이유는 효율이 아니라 안전입니다. 부하를 줄이면 만드는 수소는 줄지만 새어 나가는 양은 그만큼 줄지 않아서, 농도 기준선에 가까워집니다.

넷째, 여러 대라면 전부 부하를 빼지 말고 한 대씩 끕니다. 5대가 있다면 4대를 끄고 1대만 60%로 돌리는 방식입니다.

다섯째, 자주 켜고 끄는 운전의 장기 반복 시험은 진행 중입니다. 지금까지의 반복 기동에서 문제는 없었지만, 오래 반복하는 시험은 아직 마치지 않았습니다.

태양광 전기로 수전해 장비를 돌릴 때의 고민

태양광 발전량은 해가 뜨고 지는 것만으로 0에서 정격까지 오갑니다. 구름이 지나가도 출력이 흔들리고, 계절에 따라 낮 길이도 달라집니다. 풍력은 방향이 다를 뿐 변동이 크다는 점은 같습니다.

수전해 장비는 전기를 받아 수소를 만드는 설비라서 이 변동을 그대로 넘겨받습니다. 그래서 설계 단계에서 같은 고민이 반복됩니다. 전기가 줄어드는 시간대에 장비를 끌 것인가, 아니면 부하(장비를 돌리는 세기)를 낮춰 계속 돌릴 것인가입니다.

끄면 다시 켤 때까지 수소 생산이 멈추고, 부분부하로 낮추면 장비는 계속 돌지만 최소 부하를 어디까지로 봐야 하는지가 문제가 됩니다.

부분부하로 낮추면 수전해 스택 안에서 일어나는 일

부하를 무작정 낮추면 안 되는 이유는 스택 안의 가스 흐름에 있습니다.

수전해 스택 안에서는 막을 사이에 두고 수소와 산소가 만들어지는데, 막이 있어도 수소가 산소 쪽으로 조금씩 넘어갑니다. 정상 운전에서는 만들어지는 산소가 많아서 넘어온 수소의 농도가 낮게 유지됩니다.

부하를 낮추면 이 균형이 달라집니다. 만들어지는 산소는 부하에 비례해 줄어드는데, 막을 넘어오는 수소는 그만큼 줄지 않습니다. 분모는 작아지고 분자는 덜 작아지니 농도가 올라갑니다. 저희 실측에서도 같은 조건에서 부하만 정격의 40%로 내리면 산소 속 수소 농도가 0.39%에서 0.66%로 올라갔습니다.

이 농도에는 안전 기준선이 있습니다. 저희는 산소 속 수소를 2% 미만으로 관리하고, 그래서 부하를 내릴 수 있는 하한이 생깁니다. 효율이 조금 나빠지는 것은 감수할 수 있지만 이 기준선은 넘을 수 없습니다.

수전해 장비의 최소 부하, 지금 권고는 60%입니다

이 원리를 저희 운전 데이터에 적용한 최소 부하 권고가 60%입니다.

돌리는 장비는 원래 성능의 60% 이상으로 유지하시길 권합니다. 그 아래로 내려가면 가스 농도의 여유가 빠르게 줄어들기 때문입니다. 이 숫자는 지금까지의 운전 데이터 기준이며, 시험이 쌓이면 조정될 수 있습니다.

한 가지를 함께 봐야 합니다. 압력을 걸어 운전하면 이 하한이 더 올라갑니다. 압력과 낮은 부하는 둘 다 농도를 올리는 방향이라 겹치면 여유가 더 빨리 줄어듭니다. 가압 운전을 계획하신다면 압력과 최소 부하의 조합을 함께 정해야 하며, 그 실측 자료는 가압 운전 기술 노트에 공개돼 있습니다.

수전해 장비가 여러 대라면 전부 줄이지 말고 한 대씩 끕니다

수전해 장비가 여러 대인 현장에서는 최소 부하가 운용 방법의 문제로 바뀝니다.

전기가 줄었을 때 5대 전부를 낮은 부하로 돌리는 것보다, 4대를 끄고 1대만 60%로 돌리는 쪽을 권합니다.

이유는 위와 같습니다. 낮은 부하 구간은 대수와 무관하게 가스 농도의 여유가 가장 적은 구간이라, 전부를 그 구간에 넣는 것보다 돌리는 장비를 안전한 부하로 유지하고 대수로 총량을 맞추는 편이 낫습니다.

거꾸로 전기가 늘면 한 대씩 다시 켜면 됩니다. 발전량 프로파일에 따라 몇 대 구성이 맞는지가 달라지므로, 설계 단계에서 프로파일을 놓고 대수와 운전 구간을 함께 정하는 것이 순서입니다.

부분부하 운전의 검증 범위와 진행 중인 범위

이 권고가 어디까지의 데이터에 근거한 것인지 구분해서 말씀드립니다.

확인된 것은 부하별 운전에서의 가스 농도 변화와, 지금까지의 반복 기동에서 문제가 없었다는 것입니다. 부하 60% 권고는 이 데이터에서 나왔습니다.

진행 중인 것도 말씀드립니다. 자주 켰다 껐다 하는 운전을 오래 반복했을 때의 장기 시험은 아직 마치지 않았습니다. 재생에너지 연계처럼 기동과 정지가 잦은 용도를 검토하신다면 이 시험의 진행 상황을 저희에게 확인하고 판단하시면 됩니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 밤이나 흐린 날에는 수전해 장비를 꺼도 되나요?

됩니다. 지금까지의 반복 기동과 정지에서 문제는 없었습니다. 다만 오래 반복하는 장기 시험은 진행 중이라, 하루 몇 회 수준의 기동 정지 계획이라면 현 단계 데이터 기준으로 안내드립니다.

Q. 최소 부하인 60% 아래로 내리면 바로 문제가 생기나요?

바로 사고가 나는 것은 아니고, 가스 농도의 여유가 빠르게 줄어드는 구간에 들어갑니다. 저희는 산소 속 수소 농도를 2% 미만으로 관리하고 기준을 넘으면 정지 후 점검을 권고합니다. 그 구간에서 상시 운전하는 설계는 권하지 않습니다.

Q. 풍력 연계도 태양광과 같은 기준인가요?

최소 부하의 원리는 전원과 무관하게 같습니다. 다만 풍력은 변동 패턴이 달라서, 발전 프로파일을 알려주시면 그 패턴 기준으로 대수 구성과 운전 구간을 안내드립니다.

HydroXpand를 더 알아보시려면

HydroXpand는 AEM 수전해를 소재부터 시스템까지 수직 내재화한 회사이며, 10개국 이상의 연구기관과 산업체에 전극, 스택, 시스템을 공급하고 있습니다.

재생에너지 연계 구성은 재생에너지 저장 용도 페이지에, 제품별 상세 사양과 실측 데이터는 회사소개서에 정리돼 있습니다. 발전량 프로파일을 들고 설계 중이시라면 아래의 회사소개서와 함께 검토하시면 됩니다.