중대형 선박용 연료전지·배터리 하이브리드 시스템에 관한 모델링 해석

Abstract

최근 예상보다 빠른 속도로 진행되는 해수 온도 상승과 이로 인한 이상기후현상을 해결하기 위한 대책으로 선박으로부터 배출되는 온실가스 및 대기오염물질에 관한 규제가 강화되고 있으며 이에 따라 친환경 선박 도입에 관한 국제사회의 움직임이 급속히 변화되고 있다. 국내에서도 2020년 1월 1일부터‘환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률(약칭, 친환경선박법)’을 제정하였으며[1], 친환경 선박법에 명시된 친환경 선박의 종류 중 한 가지인 연료전지 추진선박에 대한 관심이 높아지고 있고, 이에 따라 친환경 발전원인 연료전지를 적용하기 위한 연구가 소형선박을 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 본 연구는 크게 세 가지의 세부 연구로 구분할 수 있다. 첫째는 중대형선박용 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템의 구성과 배치설계에 관한 연구로서 해당 연구의 진행 결과는 다음과 같다. 연료전지 시스템의 블로워와 모듈화된 스택의 래크(Rack)화 설계를 통해 중대형급 연료전지로 용량을 증대하는 것이 가능함을 확인하였으며, 스택 냉각시스템은 기존 내연기관을 적용한 선박과 동일하게 하나의 냉각수 펌프를 활용하여 전체 시스템을 냉각하는 방식을 최종 적용하였다. 또한 위와 같은 방법으로 가상의 연료전지가 적용된 선박 시스템 배치 결과로서 스택의 모듈화로 인해 다양한 형태의 연료전지 시스템 구성이 가능해지므로 정형화되지 않은 기관실 공간에도 연료전지 시스템을 유연하게 설치하는 것이 가능하고 기존의 디젤엔진을 적용하는 선박에서 사용하던 다량의 보조기기의 설치가 불필요해짐에 따라 기관실의 배치구조가 단순화될 수 있으므로 공간의 활용도를 높일 수 있는 결과를 도출하였다. 둘째는 시뮬레이션을 위한 중대형선박용 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템 모델링과 결과분석이다. Matlab/Simulink를 이용하여 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템을 모델링하고 시뮬레이션을 이용한 검증을 통해 중대형 선박용 연료전지 전기추진 시스템의 적용 가능성 확인을 목표로 하였다. 선박의 주전력원으로는 연료전지, 보조전력원으로 배터리를 사용하였으며, 전기추진 시스템의 추진용 전동기는 유도전동기를 적용하였다. 연료전지는 응답성과 시동성이 우수한 고분자전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 적용하였으며 연료전지의 용량 증대와 유지 및 보수의 용이성을 위하여 모듈화된 30kW 스택 여러 개를 적층해 래크화하는 방식을 사용하였다[2-4]. 보조전력원으로는 배터리 시스템을 적용하였으며 배터리 시스템은 입·출항과 같은 선박 저부하 영역에서의 부하 분담과 전력계통 안정화를 위한 피크 쉐이빙(Peak Shaving)의 역할을 수행한다. 연료전지와 배터리에서 발생되는 전력은 직류 형태이므로 직류배전(DC-Grid)시스템을 적용하였으며, 연료전지와 배터리에서 생산된 전력은 DC/DC 컨버터를 거치며 4,000 VDC로 승압되어 배전하여 추진전동기의 속도제어를 위해 설치된 인버터의 입력측으로 공급되도록 모델링하였다. 모델링한 전체 시스템의 시뮬레이션 분석 결과, 대상 선박의 로드 프로파일에 따라 각부 구성요소들은 목표값에 적합하게 추종하는 것을 확인하였으며, 이를 통해 중대형 선박용 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템의 모델링이 연료전지·배터리 하이브리드 시스템을 적용한 전기추진 시스템의 특성 분석에 적합함을 확인하였다. 셋째는 연료전지와 배터리 간의 적절한 부하분배를 위한 에너지관리시스템의 개발 및 적용이다. 서로 다른 이종의 전력원에 대한 효율적인 부하 분담을 위하여 본 논문에서는 신경회로망을 이용한 규칙기반의 ECMS 제어기를 적용한 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)을 설계하였으며, 이를 시뮬레이션 모델에 적용하여 연료전지와 배터리의 부하를 효율적으로 분담할 수 있도록 설계하고 그 결과를 검증하였다. 신경회로망을 적용한 에너지관리시스템을 본 연구의 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템 시뮬레이션에 반영한 결과로서 Mode 1은 Battery Only, Mode 2는 No.1 Fuel Cell Group with Battery Operating, Mode 3은 No.1 & 2 Fuel Cell Group with Battery Operating, 마지막 Mode 4는 No.1 & 2 Fuel Cell Group Maximum Operating 총 네 가지의 운전 모드를 도출하였다. 선박의 부하와 배터리 SOC 변화에 따라 신경회로망 기반 ECMS 제어기가 적용된 에너지관리시스템을 통하여 초기 설정한 운전 모드로 시스템이 작동하는 결과를 확인할 수 있었다. 위의 내용을 종합해 정리하면, 본 연구를 통하여 중대형선박에 적합한 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템 구성을 제안하였으며 제시한 추진시스템을 적용하면 본 연구에서 설계한 12 MW급 연료전지·배터리 하이브리드 추진시스템 이외에도 다양한 출력의 연료전지 기반 하이브리드 추진시스템 모델 개발 및 분석이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 중대형선박용 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템에 적용하기 위한 에너지관리시스템을 개발하여 적용한 결과 네 가지의 운전 모드를 도출하였으며 이는 하이브리드 전기추진 시스템의 필수적인 구성요소로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.