일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.9.27

첨단기술 뉴스플러스
앤시스(Ansys), 수소 시뮬레이션 기술 개요
제조에서 이용까지 다양한 안건들을 통해 기술 축적

구조·유체(流體) 해석 등의 시뮬레이션을 전문으로 하는 미국 앤시스(Ansys)의 일본법인 앤시스 재팬(도쿄)은 수소를 에너지원으로 활용할 때 제조에서 저장·수송, 이용까지 시뮬레이션하는 기술의 개요를 밝혔다. 

수소 관련 기술을 개발하는 고객으로부터 개별적으로 문의를 받아 대응하며 다양한 국면에서의 해석 기술을 축적할 수 있었다고 설명했다. 시뮬레이션 제품이나 서비스로서 메뉴화한 것은 아니며, “좀더 체계적으로 설명할 수 있도록 하는 것이 과제이지만, 문의에 대응해 설명하고 있는 상황이다”(앤시스 재팬)이라고 한다.

수소는 폭발 위험도 있어 고온 환경에서의 반응 실험 등이 쉽지 않다. 또한 실험 설비와 실제 플랜트는 그 규모가 달라 실험 설비의 가동 조건 등을 그대로 실제 플랜트에 적용할 수 없다. 이 때문에 컴퓨터로 사전에 시뮬레이션을 실시하는 것이 필수이다. 앤시스 재팬에 따르면, 최근 수소 공급망 관련 안건에 대해 시뮬레이션 지원을 제공할 기회가 증가했다고 한다.

수소에너지의 활용은 수소 발생원(원료) 취득, 수소의 제조, 수송·저장, 이용과 같은 요소로 이루어진 일련의 공급망 실현을 통해 가능해지기 때문에 기술적인 과제는 각 공정에서 하나씩 해결해나가야 한다. 시뮬레이션 기술도 다양한 공정에서 니즈가 나오고 있다.

-- 제조 : 이산화탄소를 배출하지 않고 수소를 만든다 --
최근 수소 제조에 있어 메탄이나 바이오매스 연료를 열분해하는 새로운 제조법의 시뮬레이션에 대한 니즈가 있다. 기존 제조법은 메탄가스를 수증기와 반응시키는 메탄수증기개질법(SMR)이 주류였지만, 메탄분자에서 수소원자를 뺀 뒤 남는 탄소원자가 CO2가 되어 대기 중으로 배출된다는 것이 문제였다. 열분해에서는 CO2가 아닌 고체인 탄소가 생성된다.

바이오매스 연료의 열분해에서는 일단 메탄이나 수소, 일산화탄소(CO), CO2를 포함한 중간 생성물의 건류(乾留)가스를 추출해서 정제해 수소를 만든다. 석탄의 열분해에서도 일단 석탄에 고열을 가해 주로 수소와 CO로 이루어진 가스를 얻을 수 있다(석탄가스화). 건류가스를 가능한 한 많이 얻을 수 있는 프로세스의 설계에서 시뮬레이션이 필요하다.

이러한 과정에서는 바이오매스 연료가 고체인 경우도 있고 촉매 분말도 관련되기 때문에 기체와 고체(분체)의 양쪽 움직임을 다루는 시뮬레이션 기술이 필요하다. 앤시스는 세워진 관의 내벽에 용융금속을 흘려보내 메탄을 접촉시켜서 탄소를 금속으로 흡입시키는 방식의 열분해에서는 용융금속의 박막 전용 모델을 응용하고 있다.

기존의 SMR에 대해서도 대규모화 등에 의한 열효율 개선을 통해 반응로(Reactor) 가열 등에 필요한 CO2 배출 저감을 도모하는 시뮬레이션도 실시되고 있다. 플랜트 전체를 다루는 1D 시뮬레이션이나 복잡한 모델과 동등한 움직임을 표현할 수 있는 ROM(축퇴 모델)을 통한 디지털트윈 등을 이용하고 있다.

-- 저장·수송: 탱크에 구멍이 뚫렸을 때의 안전성 검증 --
저장 및 수송에 관련해서는 고압수소를 넣는 탱크와 액체수소를 압축하는 펌프 등이 시뮬레이션의 대상이 된다. 일정한 기능이나 강도가 있는지에 대한 검증과 함께 재료의 수소취성, 발화 시의 안전성 확보 등이 포인트라고 한다.

탱크는 금속 라이너에 탄소섬유를 감는 구조를 모델링한다. 만일 구멍이 뚫렸을 경우 구멍이 커지지 않는지, 누출된 수소가스에 의한 발화 여부 등을 시뮬레이션으로 검증한다. 

난류 모델로 공기와 수소의 계면을 명시하고, 연소 모델로 발화 여부, 발화한 경우의 불꽃 상황을 계산한다. “발화하는지 안 하는지 알고 있는 것을 전제로 한 시뮬레이션은 비교적 단순하지만, 발화 여부를 계산으로 알아내는 것은 어렵다”(앤시스 재팬)라고 한다.

펌프는 일반 펌프와 마찬가지로 구조해석과 유체해석을 연계해 계산한다. 여기에 저온의 수소에 노출됨으로써 펌프 재료에 생기는 취성을 고려하기 위해 재료 데이터베이스와도 연계시킨다.

-- 이용: 비정상적인 흐름을 일으키는 수소 연소의 화학 반응을 충실히 추적 --
수소를 이용하는 장면에서도 연소 시 발생하는 현상에 대한 자세한 파악이 필요하다. 린번(Lean Burn, 이론 공연비보다 공기가 많음)에 의한 온도 상승과 질소산화물의 생성 상황, 수소의 착화 용이성에 의한 연소 노즐 내 불꽃 역류(플래시백) 등을 검증해야 한다. 기존의 엔진 연료에 수소를 섞어 CO2 발생을 줄이는 시도에서도 시뮬레이션에 대한 니즈가 있다고 한다.

시뮬레이션으로 수소와 공기를 혼합시켰을 때의 소용돌이를 난류모델로 개별적으로 표현하고, 수소와 공기의 계면에서 생기는 화학반응을 세밀한  소(素) 반응으로 분할해 해석. 수소 연소 시에는 갑자기 물 분자가 만들어지는 것이 아니라 물 분자에 이르기까지 수 십 단계가 있어 이 과정을 각각 추적하는 계산을 실행한다.

앤시스는 연료전지의 동작 상황에 대한 시뮬레이션도 실시하고 있다. 수소를 통해 반응을 일으키는 유로(流路)는 구불구불 굽어져 있는 편이 반응성이 향상되어 발전 밀도를 높일 수 있지만, 압력 손실이 늘어나 생성된 수증기가 잔존할 가능성도 있다. 이 균형을 시뮬레이션으로 검증하고 있다.

'앤시스'의 유저 중 한 곳인 프랑스의 터보테크(Turbotech)는 수소를 이용한 전동항공기용 가스터빈 발전기를 개발하고 있다. 배기에서 열을 회수해서 연료인 수소를 예열해 열효율을 높이는 기능을 가지고 있다. 하지만 수소 전용이 아닌 기존 연료를 병용할 수 있도록 할 방침이며, 이러한 기능 확인에도 시뮬레이션을 이용할 것이라고 한다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.