[논문]수소충전소의 연료 계량 방법에 따른 계량 오차가 발생하는 원인 고찰

이택홍; 강병우; 이은웅; 정진배; 홍석진

doi:10.7316/khnes.2018.29.1.32

문제 정의

MFM과 SOC의 계량 오차를 분석하기에 앞서 표본 충전 데이터에서 1회 충전시 어느 정도의 양을충전하는지 고찰하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 수소충전에 대한 계량 오차의 원인을 분석하여 정량 계량을 하기 위한 기초 데이터를 마련하고, 이를 활용하여 수소충전의 정량 계량에 대한 기준을 세우는 데 활용하고자 한다.
또한 하루 동안 충전횟수가 누적될수록 계량 오차가 추가로 발생한다는 것을 발견하였다. 본 연구가 수소충전의 정량계량에 대한 기준을 세우는 데 기초자료로 활용되고자 한다.
본 연구에서는 MFM과 SOC 상호 간에 일정한 오차비율이 존재하고 있음을 밝혔다. 또한 하루 동안 충전횟수가 누적될수록 계량 오차가 추가로 발생한다는 것을 발견하였다.
선행 연구를 통하여 동일한 충전량에 대하여 SOC값과 MFM값(질량식유량계)이 서로 오차가 발생하고 있음을 밝혔다. 본 연구에서는 SOC값과 MFM값의 오차가 어떤 요인에 의해 발생하고 얼마나 영향을 미치는지 분석하였다.
그러나 간혹 디스펜서 수신의 오류가 나는 데이터 값들이 포함되는 경우가 있다. 본 연구에서는 데이터의 신뢰도와 외기기온을 고려하여 247개의 표본 데이터를 선정하여 한 달 동안 매일 일어나는 충전 오차의 거동을 분석하였다.
계측 방식의 구조적 특성상 서로 다르게 계측할 수 있는 가능성이 존재한다. 본 연구에서는 현재 통용되고 있는 SOC를 MFM값과 비교하여 어떤 요인에 의해 오차가 발생하는지 분석하고자 한다.
수소충전소는 100-700 bar의 고압의 기체가 5분 이내로 하루 10여회의 간헐적인 충전이 이루어지는 특징이 있다. 이런 수소충전소의 충전 특성이 MFM의 계량에 어떤 영향을 미치는지 향후 더 연구하고자 한다.

제안 방법

외기온도에 의한 영향을 분석하기 위하여 기상청에서 2016년 충남 서산지방의 월별 평균 기온데이터를 사용하고 1월부터 10월까지의 각각의 월별 평균 계량 오차값을 사용하였다(11월과 12월의 데이터는 디스펜서 설비 교체로 인해 SOC값을 정확히 분석할 수 없어 제외하였다). 1월부터10월까지를 x축으로 두고, 그 달에 발생하는 각각의 평균 수소 계량 오차와 평균 외기온도를 y축에 두고 그 거동을 분석하였다.
본 연구에서는 현재 수소충전소에서 사용되고 있는 SOC값(kg)을 충전량 기준으로 설정하였다. SOC값과 MFM값이 일정한 오차비율을 가지는 경우 충전량이 늘어남에 따라 오차량도 늘어날 것이므로 SOC값(kg)의 변화에따른 MFM/SOC 값(%)과 MFM-SOC 값(kg)의 거동을 분석하였다.
계량 오차에 영향을 줄 수 있는 요인으로 충전량(kg), 충전압력비(bar), 계절(외기온도), 누적충전에따른 영향을 파악하였다.
수소충전소는 100-700 bar에 이르는 고압이 간헐적으로 충전되는 특징이 있다. 고압으로 간헐적으로 누적되는 충전 특성이 계량에 영향을 미칠 수 있는지 분석하였다. 하루 동안 최초충전에서 최종충전에 이르기까지 충전이 누적됨에 따르는 계량 오차의 거동을 분석하였다.
최초압력과 최종압력 각각을 단순 변수로 하여 거동을 선행 분석하였는데 최초압력과 최종압력은 SOC 충전량 계산 과정에서 포함되어 나타나기 때문에 본 연구에서는 제외하였다. 단순 변수를 대신하여 본 연구에서는 최초압력과 최종압력의 차이에 따라 오차가 어떻게 거동하는지 충전압력비율(=최종압력/최초압력)에 대한 오차의 거동을 분석하였다.
SOC값은 식 (1)과 같이 수소충전차량으로부터 제공되는 온도와 압력으로 결정되어 진다. 따라서 온도와 압력을 수소계량오차에 영향을 미칠 수 있는 변수로 설정하였다. 최초압력과 최종압력 각각을 단순 변수로 하여 거동을 선행 분석하였는데 최초압력과 최종압력은 SOC 충전량 계산 과정에서 포함되어 나타나기 때문에 본 연구에서는 제외하였다.
충전초기압력과 충전최종압력은 SOC 충전량을 계산할 때 각각 모두 사용되는 변수여서 SOC 충전량 그래프와 유사한 분포를 나타낸다. 따라서 충전압력에 의한 영향을 도출하기 위하여 충전최종압력을 충전초기압력으로 나눈 충전압력비를 변수로 하여 초기 압력과 최종 압력의 편차 비율의 증가에 따라 계량 오차에 대한 영향을 분석하였다.
64 kg으로 정의하여 사용하고 있다. 또한 최대 충전 피크시 시간당 6대(1대당 4.9 kg), 1일(9시간 기준) 40대 충전 조건으로 설계되었다. 가스충전온도는 SAE J2601 T40 조건을만족하는 것으로 설계되었다.
충전량(kg)은 SOC값(kg)이나 MFM값(kg) 둘 중 하나를 기준으로 설정할 수 있다. 본 연구에서는 현재 수소충전소에서 사용되고 있는 SOC값(kg)을 충전량 기준으로 설정하였다. SOC값과 MFM값이 일정한 오차비율을 가지는 경우 충전량이 늘어남에 따라 오차량도 늘어날 것이므로 SOC값(kg)의 변화에따른 MFM/SOC 값(%)과 MFM-SOC 값(kg)의 거동을 분석하였다.
압력에 의한 계량 오차의 영향을 분석하기 위해 충전압력비(충전최종압력/충전초기압력)에 따른 계량 오차의 변화를 분석하였다. 충전초기압력과 충전최종압력은 각각을 단독 변수로 설정하지 않았다.
4℃까지 변화한다. 최대 28℃의 외기온도 편차는 수소전기차 연료탱크의 온도에 직접적인 영향을 미치므로 외기온도 변화에 따라 수소계량오차가 어떻게 거동하는지 분석하였다.
추가적인 계량 오차 원인을 밝히기 위하여 충전횟수의 반복에 따른 MFM-SOC 값의 거동을 분석하였다. 하루 중 최초충전에서 발생하는 MFM-SOC의 오차와 최종충전에서 발생하는 MFM-SOC의 오차를 Table 5에서 정리하였다.
고압으로 간헐적으로 누적되는 충전 특성이 계량에 영향을 미칠 수 있는지 분석하였다. 하루 동안 최초충전에서 최종충전에 이르기까지 충전이 누적됨에 따르는 계량 오차의 거동을 분석하였다.

대상 데이터

9 kg), 1일(9시간 기준) 40대 충전 조건으로 설계되었다. 가스충전온도는 SAE J2601 T40 조건을만족하는 것으로 설계되었다.
본 연구에서 사용하는 질량 유량계는 오차범위가 ±0.11% 이내로 보증하고 있는 RHEONIK의 Mass Flowmeter RMH 04를 사용하였다.
연구에서 사용된 MFM은 Coriolis type이 사용되고 있다. Coriolis type MFM는 코리오리스 힘 Fc가 질량과 속도의 곱에 비례한다는 원리를 이용하여 코리오리스힘을 측정하여 질량 유량을 구한다.
식 (1)에 따라 SOC값은 연료탱크의 온도변화에 직접적인 영향을 받는다. 외기온도에 의한 영향을 분석하기 위하여 기상청에서 2016년 충남 서산지방의 월별 평균 기온데이터를 사용하고 1월부터 10월까지의 각각의 월별 평균 계량 오차값을 사용하였다(11월과 12월의 데이터는 디스펜서 설비 교체로 인해 SOC값을 정확히 분석할 수 없어 제외하였다). 1월부터10월까지를 x축으로 두고, 그 달에 발생하는 각각의 평균 수소 계량 오차와 평균 외기온도를 y축에 두고 그 거동을 분석하였다.
충남 내포충전소에서 2016년 수소전기차에 공급한 충전 데이터를 사용하였다. 충전 데이터는 수소전기차의 초기압력, 최종압력, SOC값(kg), MFM값(kg) 등으로 구성되어 있다.
충남 내포충전소에서 2016년 수소전기차에 공급한 충전 데이터를 사용하였다. 충전 데이터는 수소전기차의 초기압력, 최종압력, SOC값(kg), MFM값(kg) 등으로 구성되어 있다. 디스펜서에서 적외선통신을 통해 계량값을 읽어 들여 HMI를 통해 통제실의 데이터베이스에 기록된다.
내포수소충전소는 충청남도 공용 수소연료전지차량 17대와 충남테크노파크와 국토부 소속의 연료전지 차량 4대 등 총 21대의 차량에 수소를 공급하고 있다. 충청남도청이 보유한 17대의 차량은 현대 투산 IX FUEL CELL이다. 투산 IX FUEL CELL의 제원은 Table 4와 같다.

성능/효과

1) 본 연구에 사용된 데이터에서 MFM의 계량값과 SOC의 계량값은 평균 15.5%로 오차비율을 가지며 MFM이 SOC값보다 15.5% 더 높게 계측되는 것으로 분석되었다.
2) MFM이 SOC값보다 15.5% 높계 계량되므로, 수소충전량(SOC)이 증가할수록 수소 계량 오차(MFM-SOC)의 값도 비례하여 커지는 것을 밝혔다.
3) 외기온도가 1월 –1.7℃에서부터 8월 26.4℃로 변화할 때 월별 계량 오차는 온도 변화에 직접적인 영향을 받지 않고 있음을 확인할 수 있었다.
4) 하루 중 충전횟수가 누적됨에 따라 수소 계량오차(MFM-SOC)의 값이 일정하게 증가하는 것을 발견하였고, 충전횟수의 증가에 따라 수소 계량 오차는 0.038 kg×(충전횟수)만큼 추가 증가하는 것으로 분석되었다.
MFM과 SOC의 계량 오차를 분석하기에 앞서 표본 충전 데이터에서 1회 충전시 어느 정도의 양을충전하는지 고찰하였다. Fig. 2와 같이 충전량 분포를 분석한 결과 수소전기차는 1 kg에서 2.5 kg을 가장 많이 충전하는 거동을 나타내었다. 평균 충전량은 2.
그 결과 Fig. 6에서 보는 바와 같이 외기온도가 1월 –1.7℃에서부터 8월 26.4℃로 변화할 때 월별 계량 오차는 온도변화에 직접적인 영향을 받지 않고 있음을 확인할 수 있었다.
3과 같이 분포그래프로 나타내었다. 그 결과 SOC값이 1kg에서 5kg까지 증가하는 동안 MFM/SOC 값(%)은 평균 115.5%로 일정하게 수렴하였다. 이론상 MFM과 SOC값이 동일한 유량에 대하여 동일한 계측값을 가진다면 MFM/SOC 값(%)은 100%가 되어야 한다.
그 결과 x축을 수소충전횟수 y축을 수소 계량 오차로 둘 때 수소충전횟수가 증가할수록 수소 계량 오차도 0.038 kg×(충전횟수)만큼 비례하여 MFM-SOC 값이 추가로 증가하는 것으로 나타났다.
그 결과 충전압력비와 계량 오차의 분포는 다른 변수와는 달리 선형적으로 증가하거나 감소하는 경향성을 나타내지 않고 Fig. 5와 같이 로그함수 그래프 형태로 나타났으며 충전압력비가 최소 1.23에서 최대 13.24까지 증가하는 동안 평균 0.8 kg 이내로 수렴하는 형태로 나타났다. 식 (1)에 따라 충전압력비는 충전량과 직접적인 연관 관계에 있으므로 충전압력비의 증가는 충전량의 증가에 영향을 미치고 충전량의 증가에 따라 계량 오차가 증가하는 것으로 판단된다.
그 이후, 충전횟수가 거듭될수록 최초의 오차에서 누적충전에 따라 0.038 kg×(충전회수)의 계량 오차가 더해지는 것으로 나타났다.
7은 2016년 5월 4일부터 5월 11일까지 47개 표본의 SOC값(kg), MFM값(kg), MFM-SOC 값(kg)을 그래프로 나타낸 것이다. 그래프에서 나타난 바와 같이 하루 동안 충전횟수가 증가할수록 MFM-SOC 값(kg)이 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 특히 하루의 충전을 마치고 다음 날 충전이 시작되는 경우에 MFM-SOC 값이 초기화되어, 최초충전에서 최종충전에 이르기까지 MFM-SOC 값이 다시 증가하는 특성을 나타내었다.
이론상 MFM과 SOC값이 동일한 유량에 대하여 동일한 계측값을 가진다면 MFM/SOC 값(%)은 100%가 되어야 한다. 그러나 MFM/SOC는 평균 115.5%로 MFM이 SOC값보다 15.5% 더 높게 계측되는 것으로 분석되었다.
본 MFM은 870 bar까지 측정할 수 있다. 따라서 내포수소충전소의 충전에 대한 계량은 본 MFM 유량계로 측정이 유효한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 MFM과 SOC 상호 간에 일정한 오차비율이 존재하고 있음을 밝혔다. 또한 하루 동안 충전횟수가 누적될수록 계량 오차가 추가로 발생한다는 것을 발견하였다. 본 연구가 수소충전의 정량계량에 대한 기준을 세우는 데 기초자료로 활용되고자 한다.
특히 하루의 충전을 마치고 다음 날 충전이 시작되는 경우에 MFM-SOC 값이 초기화되어, 최초충전에서 최종충전에 이르기까지 MFM-SOC 값이 다시 증가하는 특성을 나타내었다. 충전횟수가 증가할수록 MFM-SOC 값이 더 증가하는 특성은 표본 81개를 포함하여 247개의 모든 데이터 값에서도 동일한 특성을 나타내고 있다.
그래프에서 나타난 바와 같이 하루 동안 충전횟수가 증가할수록 MFM-SOC 값(kg)이 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 특히 하루의 충전을 마치고 다음 날 충전이 시작되는 경우에 MFM-SOC 값이 초기화되어, 최초충전에서 최종충전에 이르기까지 MFM-SOC 값이 다시 증가하는 특성을 나타내었다. 충전횟수가 증가할수록 MFM-SOC 값이 더 증가하는 특성은 표본 81개를 포함하여 247개의 모든 데이터 값에서도 동일한 특성을 나타내고 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SOC(State of charge)는 어떤 값을 말하는가?	SOC는 수소충전소 국제표준인 SAE J2601에서정의하고 있다. SOC는 수소차량의 탱크 충전 상태를 지시하는 값으로 0-100%로 표기된다. 현재 수소충전소는 SOC (%)를 kg으로 환산하여 이것을 기준으로 수소충전량을 계량하는 데 사용하고 있다.
	에너지 경제 패러다임의 전환은 어떤 일을 계기로 시작되었는가?	2015년 12월 유엔 기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 신기후체제 합의문인 ‘파리 협정(Paris Agreement)’ 채택을 시작으로 기존의 화석연료 중심의 에너지 체제에서 저탄소 경제로의 이행이 강제되고 있다1,2). 신기후체제 시대에서는 기존의 화석연료 기반의 경제성장에서 지속가능한 에너지를 이용한 경제 성장으로 패러다임의 전환이 필수적이다3).
	연료로서의 수소는 어떤 특징을 지녔는가?	신기후체제 시대에서는 기존의 화석연료 기반의 경제성장에서 지속가능한 에너지를 이용한 경제 성장으로 패러다임의 전환이 필수적이다3). 수소는그 소비 과정에서 부산물로 순수한 물만을 생산하고 에너지 효율이 매우 높은 특징4)을 가지고 있다. 또한 잉여 에너지를 수소가스로 전환이 용이하여 세계 각국은 수소를 에너지 기반으로 하는 경제체제로의 이행을 추진 중이다5,6).

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