1. 국내외 수소 산업 현황

수소 산업은 전 세계적인 탄소중립 목표와 맞물려 빠르게 성장하고, 에너지 안보 측면에서도 중요한 역할을 담당하고 있다. 글로벌 컨설팅 업체 맥킨지에 따르면 2050년에는 규모가 연간 2,940조 원에 이를 것으로 예상하고 있으며, 국내외 기업들은 수소경제의 확장을 기회로 활용해 지속 가능한 성장을 추구하고 있다.

한국 정부도 수소 산업의 활성화를 미래 먹거리로 꼽으며 적극적으로 육성하고 있다. 핵심 기술 확보, 생태계 조성, 규제 완화, 해외 진출 지원 등 다양한 정책을 추진하면서 ‘수소 산업 글로벌 선도 국가’로 도약하겠다는 비전을 제시했다. 유럽연합(EU)은 수소 에너지 기술 개발에 적극적으로 투자하면서 탄소중립 경제를 향해 나아가고 있고, 이러한 흐름에 발맞춰 국내 기업들도 수소 사용량을 늘리고, 청정 수소 비중을 높여가면서 수소경제를 선도해 나가고 있다.

2. 수소 산업 기술 개발 현황과 과제

수소는 생산, 저장, 운송, 활용 등 다양한 분야에서 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 수전해 기술은 그린 수소 생산의 핵심 기술로 주목받으면서 알칼라인, PEM(Polymer Electrolyte Membrane, 고분자 전해질막 수전해), SOEC(Solid Oxide Electrolyzer Cell, 고체산화물 수전해), SO FC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체산화물 연료전지) 등 다양한 방식이 개발되고 있다. 뿐만 아니라 수소는 에너지 밀도가 낮고, 효율적인 저장과 운송이 필수적이기에 고압 기체 저장, 액화수소 저장, 암모니아 변환 등 다양한 기술이 연구되고 있다. 활용 측면에서는 연료전지 기술 개발에 따른 수소차나 발전용 연료전지 같은 분야에서 상용화가 빠르게 진행되고 있다.

하지만 넘어야 할 산이 많이 남아 있다. 그린 수소 생산 비용을 낮추고, 저장 및 운송 효율을 높이는 게 가장 큰 과제이기 때문이다. 또 수소충전소 같은 인프라를 확충하고, 안전 관련 문제의 해결과 기술 격차를 줄이기 위한 노력도 꾸준히 해야 한다. 결국 지속적인 기술 혁신과 투자, 정부 지원, 국제협력이 함께 이루어져야 수소 산업이 제대로 성장할 수 있다.

3. 수소 산업 발전과 기술 개발을 위한 ‘Digital Pathway’

이런 상황에서 Digital Pathway는 수소 산업 라이프사이클 전반에 걸쳐 R&D 단계에서부터 저장, 수송 그리고 활용까지 수소경제 관련 전 부분에서 지속가능성에 대한 이니셔티브를 지원하고, 다양한 Value를 제공하여 수소 산업 발전과 기술 개발에 큰 힘이 될 수 있다.

1) CAPEX-OPEX 최소화를 위한 모델링
AspenTech의 Fidelis 솔루션은 재생에너지 기반 수소 생산시설의 최적화를 위한 프로젝트 리스크를 최소화하고, 투자 및 운영 성과를 극대화하는 모델링 솔루션이다. 크게 4가지 영역에서 프로젝트를 최적화할 수 있으며, 이를 통해서 ‘Investment Confidence’ 달성, 즉 투자에 대한 확실성을 확보할 수 있다.
•재생에너지원(풍력 발전과 태양광 발전)의 최적 비율 도출
•ESS 용량 최적화를 통한 과잉 투자 방지
•최적화된 수전해 설비 구성
•경제성 분석 및 CAPEX 최적화

2) 디자인 최적화와 혁신적인 모델링
시뮬레이션과 설계를 위한 소프트웨어인 Aspen Plus와 HYSYS(Hyprotech Systems)는 단순히 수전해 모델만 모델링하는 것이 아니라, 주변 장치까지 모두 모델링 해 BOP(Balance of Plant)를 검토해 볼 수 있다. 수전해 모델의 경우 반응에 대한 부분만 시뮬레이션하는 것을 넘어 전기화학적 분석부터 지오메트리 설계까지 폭넓은 기능을 제공하기에 전력 발생량 시뮬레이션을 통해 전력이 얼마나 생성되는지 정확히 계산할 수 있다. 또 내장된 반응식 라이브러리를 통해 공정 설계 엔지니어는 반응식을 직접 설정할 필요 없이 자동 계산될 수 있게 되었다. 지오메트리 영향성 평가의 경우 셀의 크기와 구조가 성능에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 분석할 수 있도록 지원한다. Dynamic Model로 전환 시 재생에너지원(태양광, 풍력 등)에서 발생하는 전력 변화량에 따라 수소 생산량이 어떻게 변하는지 확인할 수 있다. 과거 특정 시간에 발생했던 데이터를 바탕으로 What-if 분석을 통해 다양한 경우의 수를 테스트하는 것도 가능하다. 뿐만 아니라 실시간으로 공정 상황을 모니터링하면서 빠른 의사 결정이 필요한 경우, 사용 중인 모델을 디지털 트윈(Digital Twin)으로 확장하여 적용할 수 있다.

3) 재생에너지와 전력 저장 및 최적화를 위한 분산 에너지 자원 관리 시스템(DERMS)
Aspen OSI의 분산 에너지 자원 관리 시스템(DE RMS, Distributed Energy Resources Management System)은 실시간 모니터링 및 제어 기능을 통해 재생에너지의 불규칙한 생산을 효과적으로 관리하며, 잉여 전력을 그린 수소 생산에 활용할 수 있다. 이를 통해 그리드의 안정성을 향상시키고, 관련 설비를 통합적으로 관리할 수 있다.

4) 하이브리드 모델과 디지털 트윈
Aspen Hybrid는 AI/ML 기반의 모델링을 결합한 솔루션이다. 수소 전기분해를 위해 도입된 새로운 공정 기술이나 탄소 포집 시스템과 함께 블루 수소를 위한 SMR(Steam Methane Reforming, 증기 메탄 개질) 기술을 결합하는 데도 활용할 수 있다. 예를 들면 파일럿 규모에서 구현된 데이터를 수집 후 AI와 머신러닝 기반의 분석 및 개선을 통해 향상된 모델을 적용할 수 있도록 높은 수준의 인사이트를 제공하고, 즉각적으로 개선된 모델을 활용할 수 있다.

5) 재생에너지의 변동성 영향을 최소화하고, 운영 비용을 낮추기 위한 공정 제어
AI 기반의 APC(Advanced Process Control) 솔루션인 Aspen DMC3를 활용할 경우, 물리적인 수소 플랜트가 없더라도 동적 모델을 사용하여 초기 Seed 데이터를 생성할 수 있다. 생성된 모델은 온라인으로 보정할 수 있으며, AI의 도움을 받아 실시간으로 프로세스를 최적화하고, 컨트롤러에 제어 신호를 보내 공정 운전을 최적화하고, 생산량을 늘리기 위한 가이드를 제공한다.

6) 수소 저장 및 수송의 안전성을 위한 모니터링 및 모델링
Emerson의 Terminal Manager, Pipeline Manager 그리고 AspenTech의 OSI Continua GAS Solution을 통해 액체 및 가스 파이프라인의 실시간 하이드로릭 모델링을 할 수 있다. 핀홀 누출부터 파열까지 실시간 모델링을 통해 누출을 신속히 식별할 수 있으며, AI 기반의 처방적 예지보전 솔루션인 Mtell을 통해(24/7/365 플랜트 및 저장, 운송 설비에 대해) 실시간 모니터링을 할 수 있다. 무엇보다 예상치 못한 셧다운을 방지하고, 전체 설비의 신뢰성과 플랜트의 운영 효율성 향상이 가능하다.
  

4. 마치면서

산업용 소프트웨어는 수소 산업의 도전 과제를 해결하는 데 크게 기여할 수 있다. 특히 CAPEX 최소화와 생산 효율 향상을 위한 다양한 방법론을 통해 그린 수소의 경제성을 개선하고, 안전성 강화를 통해 수소 활용의 확대를 촉진할 수 있다. 궁극적으로 국내 수소경제의 발전과 탄소중립 목표 달성에 중요한 역할을 담당한다.

DongHoon.Lee@Emerson.com