그린 수소 시스템 개발을 위한 전력 반도체 솔루션

지구는 환경과 기후에서 위험에 처해 있습니다. 청정 에너지, 특히 그린 수소 에너지 생산으로 많은 국가와 산업이 기후 및 자연 자원 보호를 목표로 하는 수소 관련 연구에 더 많이 투자하고 있습니다. 온실가스 감축이 전보다 훨씬 더 엄격해질 것이며 2050년이면 배출이 완전히 사라질 것으로 기대됩니다.

물에서 수소 추출

수소는 주기율표에서 제일 앞에 나오는 원소입니다. 수소는 처음부터 바로 만들 수 있는 것이 아니라 물에서 얻을 수 있는 원소입니다. 수소를 추출하는 방법은 다양합니다. 어떤 방법은 오염이 더 많이 발생합니다. 흔히 수소는 동일한 제조 공정에서 생산되고 소비되기 때문에 분리할 필요가 없습니다. 전기분해를 통해 수소를 물에서 추출할 수 있습니다. 이 공정에서 얻을 수 있습니다.

가장 단순한 방법 중 하나는 수용액에 전류를 가하는 것입니다. 이 과정에서 전극 중 하나에 수소가 쌓입니다. 이 공정에서 가장 복잡한 단계는 화학 원소를 모아 저장하고 폐기물을 처리하는 것입니다.

수소는 지구의 미래

세계는 해결해야 할 가장 중요한 문제에 직면하고 있습니다. 즉, 30년 이내에 온실가스 배출 제로를 달성해야 합니다. 이 문제를 해결할 가장 확실한 기술 중 하나가 그린 수소입니다. 이를 통해 클린 모빌리티가 가능하고 여러 방식으로 CO₂ 배출을 줄일 수 있을 것입니다. 단, 생산, 저장, 운송, 사용이 최대로 보장되어야 합니다. Infineon의 전력 반도체는 그린 수소의 효율적인 생산과 소비를 위한 해법을 제시하며 미래의 에너지 시스템에 필요한 잠재력을 지녔습니다. 물론 청정 에너지 사용은 달성된 과학 발전에 의존하지만 각국 정부의 정치적 결정에도 크게 좌우됩니다. 온실가스 저감 비율이 매해 늘고 있어 과감한 결단을 취하지 않는다면 머지 않아 티핑 포인트에 도달할 수 있습니다. 따라서 새로운 응용 부문에서는 수소를 주된 에너지원으로 예측합니다. 당연히 반도체 제조 부문은 이 개발 경로를 따라야 합니다(예: 클린 IoT 시스템). 다양한 종류의 수소가 나올 것입니다.

•  화석 자원으로 생산되는 그레이 수소에서는 CO2가 배출되기 때문에 그 가능성을 반드시 막아야 합니다.
•  블루 수소는 원전 탄소 포집 및 격리 기술을 사용해 화석 자원에서 생산합니다.
•  그린 수소는 수력 발전, 태양광, 풍력 발전 같은 신재생 에너지원에서만 생산됩니다.

수소가 응용되는 영역은 에너지 저장에서 연료 저장까지 다양합니다. 수소는 깨끗하기 때문에 여러 영역에서 화석 연료를 대신할 수 있습니다. 물론 수소만 생산하는 것으로는 부족합니다. 신재생 에너지가 늘고 있어 충분한 대규모 에너지 저장장치가 필요합니다. 수소 생산비는 kg당 1달러로 매우 낮습니다(적어도 초기에는). 수소는 모든 부문에서 배출을 줄이는 중요한 역할을 할 것입니다. 생산과 유통망에서 수소의 유용성에는 다음에 관여하는 효율 시스템이 포함될 것입니다.

•  AC와 DC 전기분해 공정을 거치는 오염이 발생하지 않는 청정 기법을 사용한 발전과 생산.
•  중장기 에너지 저장이 가능한 효율적 송전.
•  상당히 낮은 비용으로 소비.

그리고 새로운 반도체 전력 장치가 생산됨에 따라 1 kW에서 50 MW 이상에 이르는 전력을 쉽게 관리할 수 있게 되었습니다. 그린 수소는 대규모 운송, 산업 생산, 고온 발열 부문에서 매우 중요하게 이용할 수 있습니다. 그린 수소 생산(그림 1의 블록 다이어그램 참조)에는 전기분해 공정에 필요한 구조물이 있어야 합니다. 교류를 직류로 변환해야 합니다. 당연히 전자 통신 및 안전성 지원 시스템으로 압축 구조물, 보조 시스템, 제어 장치를 관리하게 될 것입니다.

그림 1: 수소 생산 블록 다이어그램(출처: Infineon)

수소 전기분해용 시리스터

요즘은 높은 전류를 직선화하는 시스템이 주류입니다. 시리스터와 IGBT는 엄청난 양의 에너지를 관리할 수 있지만 가장 주목할 점은 전도 손실을 줄여 전력 밀도를 최대화하는 것입니다. 냉각 시스템도 시리스터에서 중요한 지점입니다. 일반적으로 시스템이 있는 퓨즈로 이러한 시스템을 보호할 수 있습니다. 그린 수소 생산에 사용하는 AC 결합 시리스터(그림 2 참조)는 많은 이점이 있습니다.

•  회로가 덜 복잡합니다.
•  최종 시스템이 IGBT가 있는 다른 시스템보다 저렴합니다.
•  IGBT보다 튼튼합니다.
•  앞에서 언급했듯이 퓨즈로 보호할 수 있습니다.
•  전압이 0을 넘으면 자동으로 꺼집니다.
•  큰 전도 손실 없이 최대 전력 밀도를 달성합니다.

그림 2: 덜 복잡한 시리스터 회로(출처: Infineon)

개략도를 보면 좌측 상단에 고전류 정류기가 있고 우측 상단에는 전해조가 있는데 여기서 수소가 생산됩니다. 사용되는 회로는 고전류 용도에서 흔히 사용하는 시리스터 정류기(현재 최대 20 MW 이상)와 IGBT DC/DC 변환기가 있는 다이오드 정류기입니다. 시리스터는 DC 라인에 고조파가 있을 수 있는데 이는 전해조 때문에 생깁니다. 이것은 전해조 출력 전력에 영향을 주지 않으며 111mm ~ 150mm의 원판으로 구현하거나 단일 스택 안에 결합할 수 있습니다. 후자에는 연결부, 시리스터, 냉각용 원판이 있는데 바로 조립할 수 있는 시스템을 이룹니다. IGBT는 고조파는 적지만 손실이 더 큽니다. 최종 요구에 따라 이 두 시스템 중에서 전해조를 통과하는 전류의 양을 적절히 조절할 시스템을 선택할 수 있습니다. 시리스터는 전류량을 더 쉽게 조절할 수 있습니다.

많은 출력을 내는 다양한 모델

Infineon의 Power Block 모듈은 필요한 전력 등급에 따라 다양한 종류로 제공됩니다(그림 3). 가장 작은 모델은 50mm와 60mm이며 다이오드 또는 시리스터 정류기에 사용할 수 있습니다. 전력이 몇 메가와트 더 높은 경우에는 150mm 원판 소자를 사용합니다. 111mm, 100mm, 75mm 모델이 가장 흔히 사용됩니다. 일반 스택 용도에서 사용할 때는 최대 전력을 구현할 수 있도록 액체 냉각 장치가 장착됩니다. 일부 모델은 최대 3.6 kV까지 작동할 수 있습니다.

그림 3: 다양한 정류기 솔루션(출처: Infineon)

이제 수소 연료 전지 전기차를 살펴보겠습니다. 이것은 배터리 시스템과 연료 전지로 구성됩니다. 이 시스템의 작동 방식을 쉽게 이해할 수 있도록 배터리가 완전히 방전되어 사용자가 AC 또는 DC 충전 회로가 있는 케이블로 전력망에서 에너지를 끌어온다고 가정해보겠습니다. 배터리가 가득 찬 상태에서는 케이블이 분리되어 있고 배터리가 인버터로 전력을 공급하면 인버터는 모터에 전력을 공급합니다. 다음은 연료 전지를 사용할 때 가능한 것들입니다.

•  매우 작은 배터리(1–2 kWh)를 사용할 수 있고 충전 시스템이 필요 없습니다. 배터리는 주로 버퍼로 사용되고 주 에너지는 연료 전지에서 공급되어 인버터에 전력을 공급합니다.
•  더 큰 배터리(10–20 kWh)를 사용할 수 있는데 이 경우 주행거리 5,000km 이상이 가능합니다. 이 때는 충전 시스템이 필요합니다.

가장 중요한 장치는 수소가 통과하는 연료 전지 시스템으로 표현되어 있습니다(그림 4). 시스템을 통과하는 공기를 압축한 후 연료 전지로 보냅니다. 이후 전압이 인가됩니다. 변환기는 고효율 변환기로 설계된 것이어야 합니다. 반응을 거친 가스를 방출하여 대기로 보내야 합니다. 이 단계에서는 연료 전지 온도를 제어하는 열 관리가 중요합니다. 전체 시스템은 다섯 개의 하부 시스템으로 구성됩니다.

•  AF 하부 시스템
•  수소 하부 시스템
•  양자 교환막 하부 시스템
•  배기 하부 시스템
•  열 관리 하부 시스템

첫 번째 하부 시스템에는 양자 교환막을 오염시킬 수 있는 악취를 공기 중에서 제거할 필터가 있어야 합니다. 이 단계에서는 압력, 온도, 공기 유량을 지속적으로 측정해야 합니다. 그리고 압축 때문에 온도가 상승하므로 양자 교환막의 온도와 습도를 적정 수준으로 맞추기 위한 냉각기와 가습기도 필요합니다.

그림 4: 연료 전지 작동을 보여주는 블록 다이어그램(출처: Infineon)

두 번째 하부 시스템에는 매우 안전한 연결부와 이어져 있는 수소 분배기가 있습니다. 유량을 지속적으로 측정해 손실을 방지합니다. 탱크의 높은 밀도에 도달할 수 있도록 수소를 약 –40˚C의 온도로 냉각합니다. 이후 수소가 압력 레귤레이터를 거쳐 고속 인젝터로 이동하기 때문에 물질의 재순환이 가능합니다. 배기 장치에서 수소가 방출되는 것을 막아야 합니다. 세 번째 하부 시스템에서는 전압을 연속으로 제어합니다. 네 번째 하부 시스템인 배기 하부 시스템은 수증기가 많이 쌓인 에어 시스템에서 흐름이 시작됩니다. 정교한 시스템이 매우 조용하게 작동합니다. 다섯 번째 하부 시스템은 열 관리를 전담합니다. 물 온도를 제어하고 조절하여 온도가 매우 낮을 때 얼음이 생기는 것을 막습니다. 강력한 마이크로컨트롤러가 이것을 관리합니다.

결론

그린 수소는 분명 기후 위기를 해결할 수 있는 해법 중 하나가 될 수 있어, 이 방향으로 연구를 진행하고 있는 기업들이 많이 있습니다. 가장 큰 과제는 그린 수소의 생산, 저장, 운송, 사용에 집중되어 있어, 많은 제조사들이 청정 에너지를 생산하고 소비할 전자 시스템 제조에 필요한 전자 제품과 구성품을 다양하게 제공하고 있습니다.

참조

그린 수소 시스템 개발을 위한 전력 반도체 솔루션 — Markus Hermwille
(Infineon Technologies AG), Nils Przybilla(Infineon Technologies Bipolar GmbH), Patrick Leteinturier
(Infineon Technologies AG) — 웨비나