소형 풍력 발전 연계형 고효율 수전해 시스템 개발

4. 제어 알고리즘 개발 (Control Strategy)

4.1. 모드별 운전 전략

시스템 효율을 극대화하고 스택 수명을 보호하기 위해 3가지 운전 모드를 정의함.

운전 모드              조건 (풍력 발전량 Pwind​)                   제어 내용

대기제어              Pwind < 최소 가동 전력                      수전해 정지, 배터리 최소 충전 상태 유지

정상 운전             Pmin < Pwind < Prated                     풍력 전력을 전량 수전해에 공급, 변동분은 배터리가 흡수

피크 제어             Pwind > 수전해 정격 용량                   잉여 전력으로 배터리 급속 충전 후, 남는 전력은 Dump Load 

4.2. 전력 평활화 로직 (Smoothing Logic)

• 이동 평균 필터(Moving Average Filter)를 적용하여 풍력 발전의 고주파 변동 성분을 제거한 '지령치'를 수전해 장치에 전달.

• 순간적인 출력 급락 시 배터리가 방전하여 스택 전압을 유지, 잦은 On/Off 방지.

5. 시뮬레이션 및 기대 효과

5.1. 시뮬레이션 조건

• 풍력 터빈: 10kW급 가변 속도 풍력 발전기

• 수전해 설비: 5Nm³/h급 PEM 스택

• 대상 지역: 평균 풍속 5.5m/s (해안 도서 지역 가정)

5.2. 예상 결과

1. 가동률 향상: 배터리 버퍼 적용 시, 적용 전 대비 수전해 설비의 가동 시간이 약 15% 증가할 것으로 예측됨.

2. 수소 순도 확보: 저부하 운전 구간 최소화로 수소 가스 순도 99.99% 이상 안정적 유지.

3. 스택 수명 연장: 급격한 전압 변동(Ripple)을 90% 이상 제거하여 촉매 내구연한 20% 이상 증대 기대.

6. 결론 및 향후 과제

6.1. 결론

소형 풍력과 PEM 수전해의 결합은 기술적으로 타당하며, 특히 소용량 배터리를 활용한 하이브리드 구성이 시스템의 안정성을 확보하는 핵심 솔루션임. 이는 독립형 마이크로그리드의 에너지 자립을 위한 최적의 모델임.

6.2. 향후 과제

• AEM 수전해 적용 연구: PEM의 고비용(귀금속 촉매) 문제를 해결하기 위해, 차세대 AEM 스택을 적용한 실증 연구 필요.

• 열 관리 시스템(TMS) 최적화: 소형 설비에 적합한 공랭식(Air-cooling) BOP 단순화 설계 연구 필요.

[붙임] 참고 문헌 및 데이터

1. IRENA (2020), Green Hydrogen Cost Reduction

2. Modeling and Control of Wind-Hydrogen Hybrid System, IEEE Transactions on Sustainable Energy.

3. 소형 풍력 발전기 출력 데이터 시트 (Sample).