[논문]표준유량계법을 적용한 수소 충전소 계량 정확도 평가

한원국; 임상식; 송보희; 길성희; 김영규; 김홍철

doi:10.7842/kigas.2019.23.6.67

표준유량계법을 적용한 수소 충전소 계량 정확도 평가
Evaluation of Metering Accuracy of Hydrogen Station Using Master Meter Method 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.6, 2019년, pp.67 - 73

한원국 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 임상식 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 송보희 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 길성희 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김영규 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김홍철 (대구대학교)

초록
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수소는 차량에 충전 시 급격한 온도변화와 압력상승으로 인해 정확한 충전량의 측정이 어렵다. 수소 인프라 구축을 위하여 상거래 시 민감한 문제가 될 수 있는 충전량 정밀 측정 기술은 중요하다. 본 연구에서는 수소 충전기의 계량 관리를 위한 연구의 일환으로 국내 수소 충전소의 계량정확성 평가를 실시하였다. 실험을 위하여 표준유량계법을 적용한 장비를 제작하고 실제 수소자동차의 충전 환경에서 유량을 측정하였다. 그 결과 평균적으로 10% 내외의 오차가 발생하였으며, 1대 충전 당 수소 손실량은 최대 60g까지 나타나는 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen is difficult to accurately measure the amount of charge due to sudden temperature changes and pressure rise when charging the vehicle. In order to construct a hydrogen infrastructure, it is important to precisely measure the amount of charge that can be a sensitive issue in commercial transactions. In this study, the accuracy of metering of domestic hydrogen stations was evaluated as a study for metering management of hydrogen dispenser. For the experiment, we constructed metering system using master meter method and measured the flow rate in the actual hydrogen vehicle charging environment. As a result of error occurred about 10% on average, and the hydrogen loss per one charge was found to be up to 60g.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Summary of Road-map for Hydrogen economy
표 Table 2. MPE values [OIML R139 Edition 2018(e)]
표 Table 3. Coefficients in Density Calculation
그림 Fig. 1. Measuring principle of Coriolis flow meter.
표 Table 4. Coefficients in Density Calculation Using Compressible Factor
표 Table 5. Spec. of Coriolis Flowmeter
그림 Table 8. Spec. of charging parts
그림 Fig. 2. Diagram of data acquisition and re-sending.
표 Table 6. Spec. of Pressure and Temperature sensors
표 Table 7. Calibration result of sensors
그림 Fig. 3. Comparison of dispenser, SOC and master meter charges.
그림 Fig. 4. Results of Charging error in Chung-Nam (Nae-po).
그림 Fig. 5. Loss due to de-pressurization in Chung-Nam (Nae-po).
그림 Fig. 6. Comparison of dispenser and master meter charges.
그림 Fig. 7. Results of Charging error in Gwang-Ju (Jin-Gok).
그림 Fig. 8. Loss due to de-pressurization in Gwang-Ju (Jin-Gok).

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 우리나라는 수소 충전량을 정밀 측정할 수 있는 유량기술이 미흡할 뿐만 아니라 국내 수소충전소의 충전 시 발생하는 오차의 조사도 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 수소 충전 인프라 구축과 계량 측정 기술 개발의 선행 연구로 코리올리 유량계를 사용한 실시간 유량 측정 장비를 구축하였다. 그리고 표준유량계법을 활용하여 충남 내포 수소충전소와 광주 진곡 수소충전소 2개 충전소에 대한 충전 시 수소 유량 측정 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 표준유량계 장비를 사용하여 국내 수소 충전소에서 차량으로 충전 시 발생하는 오차를 측정하고 이를 비교 분석하였다. 실험을 통해 얻은 결과는 다음과 같다.

제안 방법

본 연구에서는 수소 충전 인프라 구축과 계량 측정 기술 개발의 선행 연구로 코리올리 유량계를 사용한 실시간 유량 측정 장비를 구축하였다. 그리고 표준유량계법을 활용하여 충남 내포 수소충전소와 광주 진곡 수소충전소 2개 충전소에 대한 충전 시 수소 유량 측정 실험을 진행하였다.
디스펜서와 수소 차량 사이에 장비를 설치 하여 실제 수소차량에 수소를 충전 시 나타나는 디스펜서의 유량값과 SOC값, 장비내 표준유량계를 통해 측정된 유량값을 각각 비교 분석하였다. 실험 환경은 차종, 조건에 관계 없이 실제 충전소에서 차량으로 충전되는 상황과 동일하게 진행하였다.
또한 현장에서 데이터를 실시간으로 받고(Real-time), 안전하고 안정적인 데이터 수집을 위하여 장거리 무선 통신(LoRa, Long Range communication module)을 채택하였다. 또한 LoRa 통신 모듈과 방폭함의 연결은 방폭동축케이블(ATEX Coaxial Cable)을 사용하여 외부 신호의 간섭을 최소화 하였다.
측정군으로부터 수집한 데이터의 형태는 연속적 신호(Analog Signal)로, 이를 이산적 신호(Digital signal)로 변환하며 수집 속도는 초당 최소 2회(2Hz)로 설정하였다. 또한 현장에서 데이터를 실시간으로 받고(Real-time), 안전하고 안정적인 데이터 수집을 위하여 장거리 무선 통신(LoRa, Long Range communication module)을 채택하였다. 또한 LoRa 통신 모듈과 방폭함의 연결은 방폭동축케이블(ATEX Coaxial Cable)을 사용하여 외부 신호의 간섭을 최소화 하였다.
본 연구에서는 질량유량계를 사용하여 충전량을 계산했으며, 사용한 질량 유량계는 RHEONIK의 Mass Flowmeter RHE21을 사용했으며, 상세사양은 다음과 같다.
광주 진곡 수소충전소에서도 충남 내포 수소충전소와 동일한 조건에서 실험을 수행하였다. 차량의 SOC값을 실시간으로 수집하여 계산하는 충남 내포 수소충전소와 달리 광주 진곡 수소충전소에서는 SOC 측정이 불가하여 해당 실험에서는 디스펜서의 유량값과의 비교만을 진행하였다.
측정군으로부터 수집한 데이터의 형태는 연속적 신호(Analog Signal)로, 이를 이산적 신호(Digital signal)로 변환하며 수집 속도는 초당 최소 2회(2Hz)로 설정하였다. 또한 현장에서 데이터를 실시간으로 받고(Real-time), 안전하고 안정적인 데이터 수집을 위하여 장거리 무선 통신(LoRa, Long Range communication module)을 채택하였다.
통신부는 차량의 IR emitter와 같은 제품을 리셉터클 가까이 설치 후 통신 케이블을 이용하였고 노즐의 IR receiver에서 수신된 데이터를 데이터 수집장치(DAQ)와 디스펜서의 노즐 IR receiver를 통해 송신하도록 설계하였다. 차량을 통해 수신되는 데이터의 취득 및 재전송 개념도는 다음과 같다.

대상 데이터

광주 진곡 수소충전소에서도 충남 내포 수소충전소와 동일한 조건에서 실험을 수행하였다. 차량의 SOC값을 실시간으로 수집하여 계산하는 충남 내포 수소충전소와 달리 광주 진곡 수소충전소에서는 SOC 측정이 불가하여 해당 실험에서는 디스펜서의 유량값과의 비교만을 진행하였다.

이론/모형

온도센서와 압력센서는 부착용 4-port block 가공품을 사용하되 20,000 psi의 내압을 견디도록 가공했으며, 배관과의 호환을 위해 초고압 피팅류 연결 방식(Thread & Collar connection)을 사용했다.
충전요소군은 크게 충전소 디스펜서에서 차량으로 이어지는 수소 충전부, 디스펜서와 차량간의 통신부로 구성된다. 충전부의 충전 노즐, 리셉터클 등 주요 부품의 규격은 SAE J2600에 따라 설계하였으며, 주요 부품에 대한 상세사양은 다음과 같다.

성능/효과

(1) 실제 수소충전소에서 차량으로의 충전환경에서 유량 측정 시, 충전소 간 발생하는 오차에 차이가 있으나, 평균적으로 약 10 ~ 15 %의 오차가 나타났으며, 현재 전세계적으로 규정하고 있는 OIML R139 기준인 최대 5%의 허용가능오차를 만족시키지 못하는 것으로 나타났다.
(2) 수소차량으로 충전 시 손실되는 수소의 손실량은 평균 30g, 최대 50g 이상까지 나타나는 것으로 측정되었으며, 수소 충전소 운영 시 이에 대한 고려가 필요하다.
사각형은 각 충전 건별 탈압에 의한 손실량이며 원형은 12건의 충전 시 누적된 총 손실량을 나타낸다. 건별로 평균 손실량은 약 24g으로 나타났고 최대 64g, 최소 10g의 손실량을 보였다. 해당 손실량은 장비를 통해 측정된 값으로, 실제 디스펜서에서 수소차량으로 충전 시 손실되는 수소의 양은 충전 배관라인 등을 고려했을 때 이보다 많을 것으로 추측되며, 향후 정밀한 손실량 측정이 필요할 것으로 사료된다.
4%로, OIML R139의 기준인 최대 5% 이내의 허용가능오차를 만족시키지 못하는 것으로 나타났다.또한, 삼각형은 SOC계산식을 통해 계산된 SOC값과 표준유량계 유량값 간의 오차 결과값으로, 평균 오차값은 약 7%로 디스펜서와 표준유량계 간의 평균 오차보다 작게 측정되었다.
위 그림은 광주 진곡 수소충전소에서 측정한 수소 충전량 결과값으로, 사각형은 디스펜서의 유량계를 통해 측정된 유량값, 원형은 연구장비의 표준유량계 를 통해 측정된 유량값을 나타낸다. 총 8건의 실험 중 2번 실험을 제외한 나머지 실험에서 약 0.5kg의 거의 일정한 경향을 나타내었고, 디스펜서에서 측정된 충전량이 표준유량계를 통해 측정된 값보다 작게 나타나는 것으로 확인되었다.
탈압에 의한 수소의 손실량은 평균 32.6g, 최대 50g으로 측정되었으며, 8대의 충전 간 총 261g의 수소가 손실된 것으로 나타났다. 충남 내포 수소충전소에서 측정된 수소 손실 경향과 마찬가지로 실제 디스펜서에서 수소차량으로 충전 시 손실되는 수소 양은 이보다 더 클 것으로 추측된다.
삼각형은 상대 오차, 사각형은 절대 오차를 각각 나타낸다. 평균 오차는 약 14.4%로 OIML R139 기준을 초과하는 것으로 측정되었으며, 충남 내포 수소충전소에 비해서도 높은 것으로 확인되었다.
위 그림에서 사각형은 디스펜서의 유량계를 통해 측정된 유량값과 연구장비 내부의 표준유량계를 통해 측정된 유량값 간의 오차 결과를 의미한다. 평균적인 오차 값은 약 9.4%로, OIML R139의 기준인 최대 5% 이내의 허용가능오차를 만족시키지 못하는 것으로 나타났다.또한, 삼각형은 SOC계산식을 통해 계산된 SOC값과 표준유량계 유량값 간의 오차 결과값으로, 평균 오차값은 약 7%로 디스펜서와 표준유량계 간의 평균 오차보다 작게 측정되었다.

후속연구

추후, 국내의 다른 수소 충전소에서의 충전 시 발생하는 오차 측정을 진행할 예정이며, 외기 온도별 · 충전 방법 별· 오차 측정 밥법 별 측정 실험을 진행할 계획이다.
건별로 평균 손실량은 약 24g으로 나타났고 최대 64g, 최소 10g의 손실량을 보였다. 해당 손실량은 장비를 통해 측정된 값으로, 실제 디스펜서에서 수소차량으로 충전 시 손실되는 수소의 양은 충전 배관라인 등을 고려했을 때 이보다 많을 것으로 추측되며, 향후 정밀한 손실량 측정이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소 충전을 정확하게 계량하는 것이 어려운 이유는 무엇인가?	수소는 700bar의 고압에서 충전이 되기 때문에 충전 시 감압으로 인한 손실이 발생하며, 충전 시 온도와 압력 변화가 단시간에 크게 발생하기 때문에 실시간으로 정확하게 측정하는 것이 어렵다. 따라서 수소 충전소에서 충전 시 충전된 수소의 양을 정확하게 계량하는 것이 매우 중요하다.
	충전된 수소의 양을 정확하게 측정하는 것이 수소 인프라 구축에 있어 중요한 이유는 무엇인가?	수소는 700bar의 고압에서 충전이 되기 때문에 충전 시 감압으로 인한 손실이 발생하며, 충전 시 온도와 압력 변화가 단시간에 크게 발생하기 때문에 실시간으로 정확하게 측정하는 것이 어렵다. 따라서 수소 충전소에서 충전 시 충전된 수소의 양을 정확하게 계량하는 것이 매우 중요하다.
	OIML이 무엇인가?	따라서 수소 충전소에서 충전 시 충전된 수소의 양을 정확하게 계량하는 것이 매우 중요하다. 각종 계량기의 법정계량을 담당하는 국제법정계량기구 OIML(International Organization of Legal Metrology)에서 는 일반적인 기체연료의 충전 시 최대허용가능오차를 2% 이내로 규정하고 있으며, 수소 연료의 경우 3~5% 이내를 만족하도록 2018년 개정이 이루어졌다. 미국, 일본 등 해외 선진국에서는 2000년대 초반부터 고압기체연료의 계량기술 개발에 많은 투자를 해왔고, 현재 대부분의 수소 충전소에서 OMIL 국제기준을 만족시키고 있다.

참고문헌 (6)

Lee, T. H., "The Study to Find Causes for Measuring Differences of Hydrogen Fillings in Hydrogen Refueling Station", KHNES, Vol 29, 32-40, (2018)
Ribas, L., "Summary of the workshop on hydrogen metering accuracy", CHIC, (2013)
Pope, J., "Hydorgen Field Test Standard: Laboratory and Field Performance", NIST, (2015)
Pope,J., "Performance of Coriolis Meters in Transient Gas Flows", Flow Measurement and Instrumentation, (2014)
OIML R139 Edition 2018(E), "International Recommendation : Compressed gaseous fuel measuring systems for vehicles, International organization of Legal Metrology", (2018)
Lemmon, E and Huber, M., "Revised Standardized Equation for Hydrogen Gas Densities for Fuel Consumption Applications", Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 341-350, (2008)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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