수전해 설비 용량, 한 대로 부족할 때는 어떻게 정할까요?

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

수전해 설비를 검토하다 보면 필요한 수소량이 제품 등급 사이에 걸리는 경우가 많습니다. 한 대로는 모자라고 다음 등급은 지나치게 큽니다. 이럴 때 큰 장비 한 대를 기다릴지 작은 장비 여러 대를 묶을지가 설비 용량을 정할 때 가장 먼저 내리는 결정이 됩니다. 오늘은 작은 장비 여러 대를 묶는 방식의 장점과 단점이 무엇인지, 실제로 어떻게 구성하는지, 어디부터는 큰 스택이 맞는지 정리해보겠습니다. 하루 수 kg 단위의 수소가 필요한 현장을 설계하시는 분과, 재생에너지 발전량에 맞춰 설비 규모를 잡으시는 분께 도움이 되는 내용입니다.

수전해 설비 용량은 어떻게 정할까요

필요한 양이 제품 한 대와 다음 등급 사이에 있다면 작은 장비를 여러 대 묶는 쪽이 먼저 검토할 선택입니다. 한 대를 정비해도 나머지는 운전을 이어가고 수요가 늘면 대수를 더하면 되며 발전량이 줄어드는 시간대에는 대수로 총량을 맞출 수 있기 때문입니다. 대신 배관과 제어가 대수만큼 늘고 설치 면적을 더 씁니다.

첫째, 등급 사이의 간격이 넓습니다. 2 kW 시스템은 하루 1 kg이고 30 kW 스택은 하루 15 kg 설계입니다. 그 사이의 수요는 작은 장비 여러 대로 채웁니다.

둘째, 묶으면 세 가지를 얻습니다. 한 대가 멈춰도 설비 전체가 멈추지 않고, 나중에 늘리기 쉬우며, 부하가 줄 때 전부를 낮추는 대신 한 대씩 끌 수 있습니다.

셋째, 대신 두 가지를 더 씁니다. 유닛마다 배관과 전원, 통신을 연결해야 하고 설치 자리가 대수만큼 필요합니다.

넷째, 큰 스택으로 넘어가는 기준은 필요량과 자리입니다. 하루 15 kg 안팎이 넘거나 한 덩어리 설비를 요구하는 현장이라면 30 kW 스택 기반 설계를 검토합니다.

한 대로는 부족하고 다음 등급은 과할 때

수전해 제품은 등급이 촘촘하지 않습니다. 2 kW 시스템 HXB-V1은 시간당 500 L, 하루 약 1 kg의 수소를 만듭니다. 그 다음 등급인 30 kW 스택 HXS-30은 시간당 6,900 NL, 하루 15 kg이 설계 기준입니다. 하루 생산량으로 두 등급 사이가 열다섯 배입니다.

하루 3 kg이나 5 kg, 10 kg이 필요한 현장은 이 사이에 있습니다. 소량의 수소를 상시 쓰는 현장이나 소형 모빌리티 충전용 현장 수소 생산이 이 구간에 해당합니다. 한 대는 모자라고 30 kW는 필요량의 몇 배가 됩니다. HXS-30 46셀·30 kW급 풀스택은 현재 판매 중이지만, 스택을 선택하면 BoP·전력·제어·안전 계통을 별도로 통합해야 합니다.

이 구간을 채우는 방법이 작은 장비를 여러 대 묶는 것입니다. 큰 장비 한 대를 새로 만드는 것이 아니라 이미 판매 중인 단위를 필요한 수만큼 나란히 놓습니다. 5대를 묶으면 10 kW급이 되어 하루 약 5 kg 수준이 됩니다.

여러 대를 묶을 때 얻는 것

작은 장비 여러 대가 큰 장비 한 대와 다른 점은 생산량이 아니라 운용입니다.

첫째, 한 대가 멈춰도 설비 전체가 멈추지 않습니다. 큰 장비 한 대는 정비에 들어가면 수소 생산이 0이 됩니다. 다섯 대 구성이라면 한 대를 빼도 나머지 네 대가 운전을 이어갑니다. 저희는 스택을 반송받아 정비하는 방식이라 한 대가 빠지는 기간이 생기는데 여러 대 구성에서는 그 기간에도 공급이 끊기지 않습니다.

둘째, 나중에 늘리기 쉽습니다. 수요가 늘면 같은 단위를 추가합니다. 처음부터 최대 수요에 맞춰 큰 장비를 들일 필요가 없고 확실한 수요만큼 시작해서 대수를 더해 갑니다. HXB-V1은 19인치 랙 구성이라 같은 랙에 적층하는 방식으로 늘립니다.

셋째, 부하가 줄 때 전부를 낮추는 대신 한 대씩 끕니다. 재생에너지에 연계하면 발전량이 줄어드는 시간대가 매일 옵니다. 큰 장비 한 대는 그때 낮은 부하로 운전해야 하는데 낮은 부하 구간은 가스 농도의 여유가 가장 적은 구간입니다. 여러 대 구성에서는 운전하는 장비를 권고 하한인 60% 이상으로 유지하고 대수로 총량을 맞출 수 있습니다. 다섯 대라면 네 대를 끄고 한 대만 운전하는 방식입니다.

같은 단위를 반복하면 성능 예측이 판매 중인 단위의 공개 운전 데이터에 근거합니다.

대신 감수해야 하는 것

여러 대를 묶을 때 늘어나는 것은 크게 둘입니다.

첫째, 배관과 전원, 통신이 대수만큼 늘어납니다. 유닛마다 급수와 수소 출구, 산소 출구, 벤트, 드레인 배관을 연결해야 합니다. 전원도 유닛마다 들어갑니다. 한 대의 소비전력이 약 2.4 kW이므로 다섯 대면 현장 전원이 그만큼을 받쳐야 합니다. 통신은 유닛마다 랜 케이블 한 줄을 허브에 넣는 구조라 부담이 크지 않지만 배선 자체는 대수만큼 생깁니다.

둘째, 설치 자리를 더 씁니다. 한 대의 크기는 482 × 647 × 266 mm에 무게 51.3 kg이고 앞쪽 300 mm와 뒤쪽 400 mm의 이격이 필요합니다. 랙에 적층하면 바닥 면적은 아끼지만 높이와 접근 통로는 그대로 필요합니다. 실내 5~45도의 설치 환경과 환기 조건도 대수와 무관하게 갖춰야 합니다.

여기에 유닛마다 보조 장치가 함께 붙는다는 점이 있습니다. 전원 변환과 순환 펌프, 계측이 각 유닛 안에 들어 있으므로 보조 전력도 대수만큼 더해집니다. 큰 장비 한 대에서는 이 부분을 한 번만 갖추면 됩니다. 어느 쪽이 유리한지는 필요량과 운전 방식에 따라 달라지므로 설계 단계에서 전체 소비전력을 놓고 비교하시는 것이 맞습니다.

실제로 어떻게 묶는가

해외의 한 고객에게 10대를 병렬로 묶는 구성을 제안한 적이 있습니다. 구성은 다음과 같습니다.

수소 출구는 공통 배관으로 모읍니다. 각 유닛의 수소 출구를 하나의 헤더 배관에 연결하고 그 뒤의 건조기와 저장 설비는 공동으로 씁니다. 건조와 저장은 대수만큼 갖출 필요가 없습니다.

급수는 유닛마다 내장 펌프가 보충합니다. 고객이 준비한 물탱크를 급수 입구에 연결하면 내장 펌프가 필요한 만큼 자동으로 보충하므로 외부 급수 펌프는 필요하지 않습니다.

운전은 노트북 한 대에서 합니다. 유닛마다 랜 케이블을 허브에 넣고 데스크톱 앱의 다중 제어 화면에서 전체 명령과 개별 제어를 같이 합니다. 특정 유닛이 나머지를 통제하는 구조가 아니라 각 유닛이 완결된 발생기이고 조율은 소프트웨어가 맡습니다.

전원은 유닛마다 단상으로 들어갑니다. 각 유닛이 200~240 V 단상 전원을 쓰며 총 소비전력은 대당 약 2.4 kW입니다.

이 구성에서 10대는 20 kW급이고 하루 약 10 kg 수준입니다. 5대 구성의 두 배로 계산한 값이며 실제 생산량은 운전 조건과 일일 운전 시간에 따라 달라집니다.

설계 항목으로 남는 것은 헤더 배관의 구경과 유닛 사이의 압력 균형입니다. 출력 압력은 유닛마다 앱에서 상압 또는 10 barg로 선택하므로 모든 유닛을 같은 압력으로 맞춘 뒤 헤더에 합칩니다. 뒤에 붙는 저장 설비의 압력이 이 선택을 정합니다.

어디까지 묶고 어디부터 큰 스택인가

작은 장비를 묶는 방식에도 경계가 있습니다.

필요량이 하루 15 kg 안팎을 넘으면 30 kW 스택 기반 설계를 검토합니다. 2 kW 단위로는 15대가 넘어가는 규모이고 이때부터는 유닛당 15 kg 설계인 HXS-30을 단위로 삼는 쪽이 배관과 자리에서 유리해집니다. 46셀 풀스택은 지금 구입할 수 있습니다. 첫 구동을 마치고 장기 평가 운전 중이므로, 공개된 실측 데이터와 생산량·효율 등의 설계값을 구분해 통합 조건을 검토해야 합니다.

한 덩어리 설비를 요구하는 현장도 30 kW 쪽입니다. 스키드 한 대로 납품받아야 하거나 설치 면적이 제한된 곳은 대수를 늘리는 방식이 맞지 않습니다.

소프트웨어의 설계 한계는 50대입니다. 다만 그 대수를 동시에 운전해 본 값은 아니므로 수십 대 규모는 실제 운전 실적을 기준으로 따로 검토합니다.

정리하면 하루 1 kg에서 15 kg 사이는 2 kW 단위를 묶고 그 위는 30 kW 단위로 넘어가는 구조입니다. 30 kW 시스템 완제품과 그 이상의 구성은 개발 로드맵이며 현재 판매 사양이 아닙니다.

설비 용량을 정할 때 확인할 네 가지

어느 공급사의 장비를 검토하시든 용량을 정하기 전에 아래 네 가지를 먼저 정리하시길 권합니다.

첫째, 하루 필요량과 운전 시간입니다. 시간당 생산량에 운전 시간을 곱한 값이 하루 생산량이므로 하루 몇 시간 운전할 수 있는지가 대수를 정합니다. 재생에너지 연계라면 발전 프로파일이 이 값을 대신합니다.

둘째, 한 대가 멈춰도 되는지입니다. 공급이 끊기면 안 되는 현장이라면 필요량보다 한 대 여유를 두는 구성이 맞고 잠시 멈춰도 되는 현장이라면 필요량에 맞춥니다.

셋째, 증설 계획입니다. 몇 년 뒤 수요가 늘 가능성이 있다면 처음부터 대수를 늘릴 자리와 전원 여유를 확보해 둡니다.

넷째, 자리와 전원입니다. 설치 면적과 이격, 환기, 그리고 대수만큼의 전원 회로를 현장이 받쳐 주는지 확인합니다.

이 네 가지를 알려주시면 저희는 대수 구성과 운전 구간을 함께 제안합니다. 필요 유량과 일일 운전 시간이 출발점입니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 하루 5 kg이 필요한데 몇 대가 있어야 하나요?

2 kW 시스템 5대를 적층하면 10 kW급이 되어 하루 약 5 kg 수준입니다. 하루 운전 시간과 필요 압력에 따라 달라지므로 두 값을 알려주시면 구성을 제안합니다.

Q. 처음에 두 대만 사고 나중에 늘릴 수 있나요?

가능합니다. 같은 단위를 추가하는 방식이라 나중에 대수를 더하면 됩니다. 다만 배관 헤더와 전원 회로, 설치 자리는 처음부터 늘릴 수를 감안해 잡아 두시는 것이 좋습니다.

Q. 여러 대를 묶으면 전원은 3상이 필요한가요?

각 유닛은 200~240 V 단상 전원을 씁니다. 총 소비전력은 대당 약 2.4 kW에 대수를 곱한 값이므로 현장 전원 여유는 설치 전에 확인하셔야 합니다.

Q. 한 대가 고장 나면 나머지는 어떻게 되나요?

각 유닛이 완결된 발생기라 한 대를 빼도 나머지는 각자 운전합니다. 몇 대를 어느 출력으로 운전할지는 운전자가 앱에서 정합니다.

HydroXpand를 더 알아보시려면

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

제품별 상세 사양과 스케일업 로드맵, 세 방식의 정량 비교는 회사소개서에 정리돼 있습니다. 설비 용량을 검토 중이시라면 소개서에서 판단에 필요한 정보를 확인하실 수 있습니다.