2022.10.31 (월)

HOT ISSUE

수소충전 플랫폼을 위한 통합제어시스템

수소충전소 압축기‧냉각기 등 개별 제어…효율성 떨어져
제아이엔지 박인규 대표 “수소충전 통합제어시스템으로 가야”
개별 장비 PLC 통합 위해선 ‘소스코드’ 공개 선행돼야
제아이엔지-포스코플랜텍 ‘모듈형 수소충전시스템’ 사업 추진
“액화수소‧그린수소도 시스템 관점에서 접근해야”

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[월간수소경제 성재경 기자] 국내에 보급된 수소전기차 등록 대수가 2만5,000대를 훌쩍 넘어섰다. 국내 수소충전소 구축 현황도 어느덧 200기를 바라보고 있다. ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’에서 올해 말까지 제시한 목표인 310기에는 크게 못 미치지만 결코 작은 수가 아니다. 


평택-제천고속도로 제천 방향에 있는 안성맞춤휴게소에 들른다. 이곳에서도 제이엔케이히터의 주도로 수소충전소가 구축 중이다. 현장에 설치된 두 대의 충전기는 제아이엔지에서 지난 9월에 출시한 신제품이다. 라틴어로 처음, 출발을 뜻하는 ‘리멘(LIMEN)’이란 이름을 달고 있다.


제아이엔지는 2018년에 설립된 회사로 수소충전소 시공 분야에서 탄탄한 입지를 다져왔다. 전국의 현장을 돌며 충전 인프라 관련 엔지니어링 기술을 현장에 접목해왔고, 수소생산 분야인 P2G(Power to Gas) 사업도 성공적으로 수행한 바 있다. 


또 지난 2021년에 강원도 액화수소 규제자유특구 사업에 선정되어 액화수소 저장 방식의 수소충전소 건설사업을 수행하고 있고, 한국형 수소충전소 성능안전 평가장비인 Hy-PAS의 핵심 소프트웨어인 충전 프로토콜 제어보드를 개발하기도 했다. 
 


수소충전을 위한 통합제어시스템
“수소충전소 구축 초기에는 린데나 에어리퀴드, 넬 사의 시스템을 그대로 도입했지만, 지금은 많이 따라잡았다고 봅니다. 실제로 해외 담당자에게 수소충전을 하루에 몇 대나 하는지 물어보면 다섯 대에서 열 대에 불과하다고 답을 해요. 우리처럼 하루에 100대씩 충전하는 곳은 찾을 수가 없죠. 해외 압축기 업체들이 국내 시장을 테스트베드 삼아 프로토콜을 잡는다는 말이 그냥 나온 게 아닙니다.”

 

제아이엔지를 이끌고 있는 박인규 대표의 말이다. 


제아이엔지는 그동안 제이엔케이히터, 이엠솔루션, 현대로템 등과 수소충전소 사업을 진행해왔다. 지난 5월 말에는 ‘수소충전소 구축·설계’ 부문의 정부 지정 수소전문기업에 선정되기도 했다.


“우선순위패널(Priority Panel)의 설계, 디스펜서 작업, 배관 일을 주로 하면서 전국의 여러 현장을 돌았어요. 아직은 사업 초기다 보니 수소충전소 구축에 급급해서 유지보수나 운영 측면에 소홀한 점이 있죠. 압축기, 칠러, 디스펜서 같은 요소 장비들은 시간이 지날수록 성능이 개선되겠지만, 시스템 전반을 보면 크게 달라진 게 없어요. 정부 지원금으로 충전소가 구축되다 보니 크게 신경을 안 썼다고 봐야죠. 어느 순간 민간으로 업무가 넘어가면 유지보수 비용을 얼마나 줄이느냐가 정말 중요해집니다.”


경쟁이 치열한 주유소나 LPG충전소 업계를 보면 알 수가 있다. 인건비를 낮추기 위해 셀프충전을 적용하고 1~2%의 에너지 효율을 잡기 위해 애쓴다. 박 대표는 “수소충전소가 자생력을 키우려면 시스템 전반을 손봐야 한다”고 말한다.


수소충전소 사무실에 가면 스카다(SCADA)를 통한 원격감시제어 화면을 볼 수가 있다. 압축기, 고압용기, 디스펜서 등 요소 장비나 전체 설비의 작동 현황이 실시간으로 표시된다. 


“지금은 개별 장비의 운영 현황에 대한 데이터만 받고 있죠. 업체들마다 PLC(제어장치)를 따로 운영하고 있어요. 각 장비들이 저마다 자기 일만 하는 거죠. 전체 시스템 관점에서 외기온도나 충전 조건에 따라 유기적으로 움직이는 게 아니라 압축기 따로, 냉각기 따로, 우선순위패널 따로 제어가 되다 보니 시스템 효율이 낮을 수밖에 없어요. 이 부분을 하나로 통합하면 운전 효율을 크게 높일 수 있습니다.”

 


이런 고민은 비단 수소충전소에 국한되지 않는다. 각종 전자장비가 들어가는 전기차 플랫폼만 해도 제어시스템 통합이 중요한 화두로 떠올랐다. 

 

현대차그룹만 해도 신형 전기차 전용 플랫폼 개발에 통합제어시스템 개발을 진행한다. 레벨3 이상의 자율주행 기술, 소프트웨어 무선 업데이트(OTA) 기능을 기본으로 탑재하려면 개별 제어기의 소프트웨어 시스템을 한 번에 수정할 수 있는 통합시스템이 꼭 필요하다. 현대차그룹은 내년부터 출시될 차량에 OTA 기능 기본 탑재를 선언하고 소프트웨어 기술 분야에 18조 원을 투입하기로 했다.


“대용량 수소충전소가 늘면서 압축기만 해도 다이어프램, 피스톤 방식을 조합해서 쓰고 있죠. 중압, 고압 탱크에 수소를 효율적으로 압축하고 저장해서 충전에 활용하는 방안을 시스템 측면에서 고민하는 업체가 그동안 없었어요. 서로 다른 언어로 제어되는 개별 장치를 하나의 언어로 통합해서 제어하려면 소스코드 공유가 꼭 필요합니다. 이 과정이 매우 번거롭고 시간이 걸리는 일이다 보니, 그 필요성을 알면서도 나서는 업체가 없었다고 할 수 있죠.”


디스펜서 노즐을 통해 차량 내 수소탱크의 상태에 대한 신호가 주어지면 외기온도, 충전소 중고압 탱크의 잔압 상태에 맞춰 압축기와 냉각기가 돌면서 충전과 압축이 효율적으로 이뤄져야 한다. 이를 하나로 제어하는 올인원(All-in-One) 통합제어시스템이 필요하다는 것이 박인규 대표의 주장이다.
 
시스템 통합의 출발은 ‘소스코드’ 공개
제아이엔지는 2, 3년 전부터 수소충전소 통합제어시스템 개발에 집중해왔다. 강원도 액화수소산업 규제자유특구 기술지원 사업으로 ‘수소충전소용 통합제어 디스펜서 개발’을 진행했고 시제품 개발도 완료했다. 


“압축기, 냉각기, 우선순위패널을 따로 운영할 게 아니라 올인원으로 통합한 하나의 PLC 제어기로 전체 시스템 제어가 가능합니다. 통합제어로 가면 계장을 일원화해서 설비가 단순해지고 실시간 모니터링을 통한 신속한 상황 대처 및 문제점 파악이 가능해지죠.”


수소충전에 관여하는 요소 제품들을 유기적으로 제어해 효율적인 운전으로 최적의 충전 상태를 유지할 수 있고, 자가진단 시스템을 유지보수 관리에 적극 활용할 수 있다. 다만 이를 위해서는 전제조건이 필요하다. PLC를 하나의 기판에 통합하려면 장비 업체들이 소스코드를 공유해야 한다.


“국내 업체 중에 프로그램 소스와 데이터를 주겠다는 곳이 있어요. 경남 함안에 있는 피스톤 압축기 업체인 지티씨란 곳이죠. 지티씨 함안공장에 있는 수소충전 시험동을 제아이엔지에서 구축했어요. 우선 이런 업체들과 자체 프로젝트를 진행하면서 토대를 만들어갈 생각입니다.” 

 


수소충전에 문제가 생기면 그 원인이 명확해질 때까지 서로 책임을 떠넘긴다. 문제점에 대한 파악이 늦어지면 원상복구에 시간이 걸리고, 그동안 충전소 이용객은 큰 불편을 겪게 된다. 이런 사례를 방치하면 수소산업 전반에 대한 불신으로 이어질 수 있다. 이를 통합제어로 바꾸면 한눈에 문제를 파악할 수 있고, 장비 개선 데이터를 축적하기도 쉽다. 


“단순히 운영 현황을 보는 게 아니라 기술 데이터를 공유한다는 면에서 ‘민낯 공개’에 해당한다고 볼 수 있어요. 장비 회사나 설비 업체들이 제품에 자신감이 있다면 소스코드 공유를 꺼릴 이유가 없습니다. 다른 장비와 물렸을 때 나타나는 문제점을 찾아내고 성능 향상을 도모하는 편이 장기적으로 보면 더 유리하죠.”


실제로 민낯을 노출한 뒤 친근함으로 인기가 높아진 연예인이 많다는 점을 상기할 필요가 있다. 다만 숙제도 안고 있다. 소스코드 공유가 가능해지려면 시스템 업체의 영향력이 커져야 하고, 그에 걸맞은 규모와 공신력을 갖춰야 한다. 


현재 수소충전은 미국 자동차기술자협회(SAE: Society of Automotive Engineers)에서 개발한 SAE J2601 프로토콜에 기반하고 있다. 


수소충전소에서 자체 생산한 수소나 외부에서 공급받은 수소를 초고압(90MPa)으로 저장해서 디스펜서(최대 87.5MPa)를 통해 수소전기차에 충전(70MPa)하는 방식이다. 차량에 수소를 충전할 때 용기의 온도가 상승하는 걸 방지하기 위해 수소를 최저 영하 40℃까지 냉각해서 공급한다.


제아이엔지는 수소충전소와 수소전기차의 허용온도, 허용압력, 허용유량의 범위를 명확히 이해하고 이를 소프트웨어로 구현하는 기술을 확보하고 있다. 수소충전 프로토콜의 안전성을 검증하기 위한 한국가스안전공사의 Hy-PAS 장비에 들어간 독점 제어기술도 여기에 기반하고 있다.

 


“수소충전 프로토콜은 압축 수소를 모빌리티에 충전할 때 용기 손상을 예방하는 데 초점을 맞추고 있어요. 중·소용량의 모빌리티용 수소충전 프로토콜은 SAE J2601이 세계적으로 널리 적용되고 있지만, 외부온도가 높거나 낮은 지역에 대한 충전 방식은 아직 확정이 안 돼 있죠. 이에 미래기준연구소와 함께 계산식을 활용한 RTR 방식의 프로토콜 개발에 참여하고 있어요. RTR 방식의 수소충전 프로토콜 로직을 현장에 적용해서 타당성 검증이 완료되면 국제 규격으로 채택되어 모든 충전소에 사용될 수 있습니다.”


RTR(Real Time Responding) 방식을 적용하면 대기온도가 50℃를 넘는 열대지방에서도 충전이 가능해진다. 실시간 계산법을 적용하기 때문에 고성능 칩이 들어간 PCB(인쇄회로기판) 보드를 적용하게 된다. 제아이엔지는 이 부분에 대한 설계를 이미 완료했다. 또 메인보드 고장 시 충전소 시스템을 정지하지 않고 교체할 수 있는 안전장치도 마련했다. 
 
시스템 플랫폼 사업이 대세
제아이엔지는 포스코플랜텍과 함께 PRG-모듈형 수소충전시스템 사업을 진행하고 있다. PRG는 생산(Production), 충전(Refueling), 발전(Generation) 시스템을 하나로 묶은 모듈형 패키지를 말한다. 패키지는 △수소생산모듈 △수소저장모듈 △수소충전 & 발전·송전 모듈 세 부분으로 구성된다.


“PRG 시스템은 수소가 필요한 충전소 현장에서 수소를 생산해 수소차를 충전하고, 잉여수소로 전기를 생산해 한전에 판매하거나 전기차 충전에 활용하는 차별화된 통합시스템이죠. 지난 3월에 포스코플랜텍과 공동으로 특허출원도 완료했습니다.”


올인원 패키지 시스템은 공장에서 사전제작을 거쳐 충전소 부지에 빠르게 설치할 수 있고, 고장 시 대응에도 유리하다. 공기 단축, 건설비 절감에 도움이 되고 도심의 좁은 부지에도 설치할 수 있다.


“도심에 튜브트레일러가 진입하기에는 한계가 있어요. 또 전기차 보급이 늘면 계통에 상당한 부담이 되죠. 제조식으로 현장에서 수소를 생산해서 충전에 활용하고, 연료전지로 전기를 만들어 전기차에 충전하는 시스템에 대한 수요가 늘 겁니다. 또 수소를 동력으로 하는 지게차나 드론에도 활용할 수 있죠.”


사업 면에서 보면 두산퓨얼셀의 ‘트라이젠(Tri-gen)’, SK에너지의 ‘에너지 슈퍼스테이션’과 닮아 있다. 트라이젠은 두산퓨얼셀의 발전용 연료전지(PAFC)를 기반으로 수소와 전기, 열을 생산해 공급하는 패키지 시스템이다. 


국내 정유업계 1위인 SK에너지는 기존의 주유소를 에너지 슈퍼스테이션으로 전환하는 사업을 추진하고 있다.

 

서울 금천구 시흥동에 있는 박미주유소 옥상에 350kW급 연료전지(SOFC)를 설치해 전기도 생산한다. 현행 전기사업법은 두 종류 이상의 전기사업 겸업을 금하고 있어 전기차 충전에 바로 활용할 수 없다. 현재 이렇게 생산한 전기를 한전에 판매하고 있다.

 


“연료전지로 생산한 전기를 전기차에 바로 충전하려면 제도적으로 풀어야 할 문제들이 있죠. 시장에서 요구하는 규제나 제도 개선 요구가 빠르게 반영이 되었으면 하는 바람이 있어요. 그 방향에 맞게 준비를 해나가고 있죠.”


제아이엔지는 포스코플랜텍, 한국환경공단과 함께 PRG 모듈형 시스템 개발을 진행해 내년 6월에 시제품을 내놓을 계획이다.


제아이엔지는 국내 최초로 한국전력 대전연구원에 20N㎥/h 수전해 시설의 인허가와 시공을 맡았고, 나주혁신산단에서 진행 중인 2MW급 P2G 실증사업에도 참여하고 있다. 또한 한화솔루션이 강원도, 한국가스기술공사와 함께 추진하고 있는 평창 P2G 사업에도 이름을 올렸다. 


평창 P2G 사업의 경우 풍력과 연계한 PEM(고분자전해질막) 수전해 방식으로 그린수소를 생산한다. 한화솔루션은 자체적으로 AEM(음이온교환막) 수전해 기술도 개발하고 있다.


“100kW와 1MW급은 다른 차원의 얘기라 할 수 있습니다. 100kW급을 단순히 스케일업한다고 해서 해결되는 문제가 아니죠. 불어난 스택의 용량에 맞는 새로운 BOP(주변장치)를 설계해서 효율적으로 운영하는 기술이 뒷받침돼야 합니다. 국내 업체들이 이런 부분에 취약한 것이 사실이죠. 비용을 들여서라도 메가와트급 설비를 구축한 이력이 있는 해외 업체와 사업을 함께하는 기회를 잡으려고 노력하고 있죠.”


국내를 대표하는 PEM 수전해 스택 제작사인 엘켐텍은 플랜트 엔지니어링 경험이 있는 부산의 조선기자재 업체인 선보유니텍과 손을 잡고 수전해 사업을 벌이고 있다. 서로 부족한 부분을 보완하기 위한 선택이다.


반도체, 디스플레이 제조장치 회사인 예스티는 독일의 AEM 수전해 회사인 인앱터와 손을 잡았다. 인앱터가 2MW급 AEM 스택 모듈을 제공하고 예스티가 BOP 시스템 개발에 참여하는 형태로 사업을 추진 중이다. 2년 뒤에는 제주 현장에 설치가 된다.


“수소를 생산해서 저장하고 충전하는 시스템 전반을 이해해야 합니다. 현장의 인허가, 설계와 시공 경험을 두루 갖춰야 시스템 사업을 할 수가 있어요. 수전해 설비가 됐든, 압축기가 됐든, 연료전지가 됐든 요소 장비의 개발은 그것대로 가겠죠. 우리는 시스템에 집중합니다. 여기서 얻는 데이터를 잘 가공해서 사업 제안이나 운영에 활용할 수 있죠.”  

 


기승전 ‘시스템’으로 귀결된다. 빅데이터를 활용해서 P2G 플랫폼 사업을 벌이겠다는 지필로스도 이 흐름을 따르고 있다. 지필로스가 P2G 그린수소 생산에 특화되어 있다면, 제아이엔지는 수소충전소 구축에 특화되어 있다. 평창 액체수소충전소에 들어갈 기화기 시제품의 개발도 완료한 상태다.


수소사업이 전주기 영역으로 폭넓게 전개되면서 시스템 접목 기술이 다양해지고 있다. 수소생산만 해도 메탄개질(SMR), 수전해, 암모니아 분해 등 다양한 방식을 취할 수 있다. 


이제 고속도로휴게소만 해도 주유소, LPG충전소에 더해 수소충전소, 전기차 충전소가 함께 간다. 새로 짓는 휴게소는 애초에 통합 설계를 적용해서 건물의 배치를 조정하고 충전시스템을 최적화할 필요가 있다. 


“통합제어시스템의 중요성을 알고 있지만, 큰 기업들은 이 시장에 들어오길 꺼려요. 수익모델이 눈에 딱 들어오지 않기 때문이죠. 제아이엔지는 수소충전 시장에서 기초 체력훈련을 해온 겁니다. 이렇게 체력을 길러둬야 해외 업체들과의 경쟁에서 밀리지 않죠.”


세리에A에서 활약하는 김민재의 플레이를 보다 깜짝 놀랄 때가 있다. 몸싸움에 능한 건 기본이다. 센터백이 미드필드 윗선까지 드리블로 치고 올라가 공격의 활로를 튼다. 상대 수비는 움찔한다. 기본기가 출중하면 이런 공격도 가능하다. 


어쩌다 ‘리멘’으로 시작해 ‘김민재’까지 왔다. 시스템을 잘 잡으면 수소충전 시장은 한 단계 크게 성장할 수 있다. 통합으로 가는 ‘열린 마음’이 필요하다.





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