“그린수소 플랜트, 디지털 트윈 기반의 설계·운영 최적화가 청정수소 시장 경쟁력 확보의 핵심 수단이 될 것”

25일 열린 ‘지속 가능한 수소 경제 실현을 위한 디지털 전략’ 웨비나에서 지멘스 디지털 인더스트리 홍정표 부장은 수소 생산·저장·운송·활용 전 과정을 아우르는 디지털 솔루션과 실제 적용 사례를 소개했다.

홍 부장은 먼저 국내외 수소 경제 현황을 짚었다.

현재 국내 수소 생산은 정유·석유화학 공정, 스팀 메탄 개질(SMR), 나프타 크래킹, 프로판 탈수소화(PDH) 등 화석연료 기반이 주를 이루며, 청정수소 비중은 미미하다.

정부는 2023년부터 ‘청정수소 발전 의무화 제도(CHPS)’를 도입해 일반 수소와 청정수소 시장을 병행 운영하고 있으나, 초기 입찰에서는 가격·계약조건 부담으로 참여가 저조했다.

그는 “청정수소 확대는 탄소중립과 ESG 목표 달성을 위한 필수 과제”라며 “LCOH(수소 균등화 비용)를 낮추기 위한 기술·경제적 최적화가 핵심”이라고 강조했다.

이를 위해 지멘스는 △타당성 조사(Feasibility) △확장성(Scalability) △운영 효율성(Efficiency) 세 가지 도전 과제에 대응하는 ‘디지털 H₂ 플랜트’ 개념을 제시했다.

지멘스의 디지털 트윈 기술은 플랜트의 물리적 자산과 공정을 가상 환경에 그대로 재현해 설계·시뮬레이션·운영 최적화를 가능하게 한다.

단순한 3D 모델이 아니라, 물리 기반(Physics-based) 시뮬레이션과 실시간 데이터가 결합된 ‘살아있는 모델’이다.

이 기술은 환경적·경제적·기술적 측면에서 모두 실질적인 이점을 제공한다.

설계 단계에서 에너지 흐름과 자원 사용을 최적화해 불필요한 연료 소모와 온실가스 배출을 줄이고, 변동성 있는 재생에너지를 안정적으로 통합해 화석연료 의존도를 낮춘다.

또한 설계·운영 최적화를 통해 LCOH를 최대 12% 절감하고, 설비 과잉투자나 불필요한 유지보수를 줄여 CAPEX·OPEX를 동시에 절감한다.

가상 시운전으로 시공 지연과 비용 초과를 방지하고, 다양한 시장·연료 가격 시나리오를 시뮬레이션해 투자 회수 기간과 수익성을 사전에 분석할 수 있다.

여기에 전해조, 화학 반응기, 압축기 등 핵심 장비의 고충실도 모델링으로 실제 운전 조건과 거의 동일한 결과를 예측한다.

설계 변경이 모든 부문에 자동 반영돼 데이터 일관성이 유지되고, 실시간 데이터와 결합한 예지보전으로 부품 성능 저하를 조기 감지한다.

날씨·전력 가격·수요 변동을 반영해 하루 단위로 최적 운전 스케줄을 제시하며, 모듈화·표준화를 통해 향후 설비 증설도 용이하다.

핵심 툴로는 △에너지 시스템 설계(MMESD) △물리 기반 공정 시뮬레이션(G-Proms) △통합 엔지니어링 플랫폼(Comos) △분산제어시스템(PCS 7) △운영 대시보드(HyDrogen Performance Suite)가 있다.
 

Wunsiedel 플랜트는 디지털 트윈의 실전 무대다. 이 플랜트는 지멘스가 합작 투자한 시설로, 8.75MW급 PEM 전해조(Silyzer 300)를 기반으로 100% 재생에너지(풍력·태양광)로 수소를 생산한다.

Wunsiedel은 독일 내 재생에너지 활용과 탄소중립 실험이 활발한 지역으로, 이번 플랜트는 그린수소 상용화의 대표 사례로 꼽힌다.

투어에서는 전해조 모듈, 가스 분리기, 탈염수 설비, 압축·저장 시스템, 안전·환기 설비 등이 360도 화면으로 공개됐다.

홍 부장은 “이 플랜트는 설계 단계부터 디지털 트윈을 적용해 전력 공급 변동성 대응, 냉각·정제 공정 최적화, 압축·저장 효율 개선 등을 사전에 검증했다”며 “실제 운영 중에도 실시간 데이터와 가상 모델을 결합해 최적 운전 조건을 도출하고 있다”고 설명했다.

그는 타사 대비 강점으로 “프로젝트 초기 설계부터 운영 최적화까지 전 주기를 아우르는 풀 포트폴리오”를 꼽았다.

단일 공정이나 장비 공급에 그치지 않고, 에너지 시스템 설계·공정 시뮬레이션·통합 엔지니어링·운영관리까지 일관된 데이터와 플랫폼으로 지원한다는 것이다.

홍정표 부장은 “디지털 트윈 기반의 설계·운영 최적화가 향후 청정수소 시장 경쟁력 확보의 핵심 수단이 될 것”이라며 “수소산업 뿐만 아니라, 재생에너지·철강·석유화학 등 수소 활용 잠재력이 큰 산업군에도 실질적으로 도움이 될 수 있다”고 밝혔다.