Coordinated Optimal Scheduling Method for Electricity Hydrogen Coupled System Based on Dynamic Behavior of Electrolyzer

현대 전력망은 지속적인 과제에 직면해 있습니다. 태양은 항상 빛나지 않으며, 바람은 항상 불지 않습니다. 사회가 태양광이나 풍력과 같은 재생 에너지에 더 많이 의존함에 따라, 이들이 생성하는 전기는 예측 불가능해집니다. 전등을 계속 켜두기 위해 엔지니어들은 이 잉여 에너지를 가장 필요한 시기에 사용할 수 있도록 저장하는 방법을 찾아야 합니다. 한 가지 유망한 해결책은 '수전해'라고 불리는 과정을 통해 잉여 전력을 수소 가스로 변환하는 것입니다. 이 과정에서 전류는 물 분자를 분해하여 수소를 방출하며, 이 수소는 탱크에 저장되었다가 나중에 연료로 사용될 수 있습니다. 그러나 이 작업을 수행하는 기계인 수전해 장치(electrolyzer)는 단순한 온-오프 스위치가 아닙니다. 이들은 열을 발생시키고, 내부 온도가 변하며, 받는 전력량에 따라 다르게 작동하는 복잡한 장치입니다. 만약 엔지니어들이 이 기계들이 완벽하고 변하지 않는 효율로 작동한다고 가정한다면, 그들의 전력망 계획은 서류상으로는 훌륭해 보일지 몰라도 실제 세상에서는 실패할 수 있습니다.

중국 전력연구원(China Electric Power Research Institute)과 국가전망 간쑤 전기전력공사(State Grid Gansu Electric Power Company)의 연구진은 전기와 수소 사이의 관계를 관리하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 전력 변화에 빠르게 반응하는 것으로 알려진 특정 유형의 기계인 양성자 교환막(PEM) 수전해 장치의 동적 거동을 고려한 상세한 컴퓨터 모델을 만들었습니다. 이 기계들이 전력을 일정한 비율로 전기에너지에서 수소로 변환한다고 가정하는 기존 모델과 달리, 새로운 모델은 기계가 가열되거나 냉각됨에 따라 효율이 변화한다는 점을 인식합니다. 연구진은 표준 30개 모선(bus) 시스템을 기반으로 한 가상 전력망과 벨기에의 20개 노드 시스템을 모델로 한 수소 네트워크를 사용하여 이 접근 방식을 테스트했습니다. 그들의 목표는 장비를 안전하게 유지하고 수명을 연장하면서 전체 시스템을 운영하는 데 있어 가장 비용 효율적인 일정을 찾는 것이었습니다.

연구에 따르면 수전해 장치의 효율은 고정된 숫자가 아니라 기계의 온도와 전력 입력에 따라 약 80%에서 90% 사이를 오가는 살아있는 변수입니다. 수전해 장치가 가동될 때 초기에는 차가운 상태이므로 효율이 낮습니다. 가동이 진행됨에 따라 내부 열이 쌓이면서 화학 반응이 개선되고, 최적의 온도에 도달할 때까지 효율이 높아집니다. 그러나 기계가 너무 뜨거워지면 막(membrane)이나 촉매층과 같은 내부 구성 요소가 손상될 위험이 있으며, 이는 장비의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 연구진은 이러한 열적 역학을 무시할 경우, 전통적인 스케줄링 방식이 기계를 너무 오랫동안 최대 용량으로 가동하도록 유도하여 장비에 위험을 초래한다는 것을 발견했습니다. 엄격한 온도 제한과 시작 및 정지의 마모를 고려하는 그들의 새로운 방식은 시스템이 더 안전하게 작동할 수 있도록 합니다.

시뮬레이션에서 연구진은 시스템을 관리하는 세 가지 서로 다른 방법을 비교했습니다. 첫 번째 접근 방식은 전기 네트워크와 수소 네트워크를 별개의 개체로 취급했으며, 그 결과 재생 에너지 수용률은 75%에 그쳤고 전체 비용은 가장 높았습니다. 두 번째 접근 방식은 두 네트워크를 연결하되, 일정한 효율을 가정하는 기존의 단순화된 모델을 사용했습니다. 이 방식은 가장 낮은 비용과 95%라는 가장 높은 재생 에너지 수용률을 달ach했지만, 연구진은 이러한 결과가 지나치게 낙관적이며 하드웨어에 안전하지 않을 수 있다고 지적했습니다. 세-번째 접근 방식인 새로운 동적 모델을 사용한 방식은 92%의 재생 에너지 수용률을 달성했으며, 시스템 비용은 비현실적인 두 번째 방식보다 약간 높은 수준이었습니다. 이 중간 지점은 녹색 에너지를 저장해야 하는 필요성과 값비싼 장비를 열적 스트레스 및 빈번한 시작-정지 사이클로부터 보호해야 하는 필요성 사이의 균형을 맞추며 가장 실용적인 것으로 증명되었습니다.

연구팀은 또한 수전해 설치 규모가 시스템에 미치는 영향을 조사했습니다. 그들은 수전해 용량을 늘리면 그리드가 더 많은 재생 에너지를 흡수할 수 있고 총 운영 비용을 낮출 수 있지만, 이는 특정 지점까지만 가능하다는 것을 발견했습니다. 용량이 일정 수준에 도달하면, 장비를 구매하고 설치하는 추가 비용이 에너지 저장의 작은 이득을 상회하게 되어 수익 체감의 법칙이 나타납니다. 이는 이러한 설치 시설의 이상적인 규모가 가용한 풍력 및 태양광 전력의 조합과 지역 그리드의 배치에 따라 달라진다는 것을 시사합니다. 연구진은 자신들의 동적 모델이 운영자들에게 현실적인 청사진을 제공하여, 수소 기반 에너지 미래로의 전환이 경제적으로 건전할 뿐만 아니라 그 일을 수행하는 기계들에게도 물리적으로 지속 가능하도록 보장한다고 결론지었습니다.