[논문]LPG-수소복합충전소 운영데이터 모니터링 분석

박송현; 김동환; 구연진; 김필종; 허윤실

doi:10.5855/energy.2019.28.4.001

초록
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최근 수소충전소 수요 증가에 따라, 산업통상자원부는 LPG, CNG, 주유소 등 기존의 자동차용 연료공급시설 내에 융합, 복합의 형태로 수소충전소 설치가 가능하도록 특례고시를 제정·공포하였다. 수소 융복합충전소는 특례기준 제정 이전까지 국내에서 운영된 사례가 없어, 4계절, 일교차와 같은 환경특성을 감안한 실증이 필요하다. 본 연구에서는, 국내 최초로 실증을 위해 설치된 울산 LPG-수소복합충전소의 충전데이터를 수집하여 분석하였다. 충전데이터는 압축기, 저장용기, 디스펜서에서 발생한 시간별 온도, 압력 데이터이며, 계절별 특성을 비교하기 위해 2018년 7월 중 울산 지역의 최고기온 일과 2018년 1월 중 최저기온 일을 포함하여 4계절 충전데이터를 수집하여 비교하였다. 비교결과, 외기온도의 변화가 수소차 차량용기의 초기온도에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 이는 최종적으로 차량의 충전시간과 충전속도에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 국내 수소충전소 기준(KGS FP217)과 미국의 충전프로토콜(SAE J2601)에서 제시한 한계온도를 초과한 경우는 없어 차량용기에 대한 영향은 없는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In response to the recent increase in demand for hydrogen stations, the Ministry of Trade and Industry has enacted and promulgated special notifications to enable the installation of hydrogen stations in the form of the combined complex in existing automotive fuel supply facilities such as LPG, CNG,...

In response to the recent increase in demand for hydrogen stations, the Ministry of Trade and Industry has enacted and promulgated special notifications to enable the installation of hydrogen stations in the form of the combined complex in existing automotive fuel supply facilities such as LPG, CNG, and gas stations. Hydrogen multi energy filling stations haven't been operated yet in Korea till the establishment of special standards, so it is necessary create special standards by considering all Korean environmental characteristics such as four seasons and daily crossings. In this study, we collected and analyzed the charging data of Ulsan LPG-Hydrogen Multi Fueling Station installed for the first time in Korea. The data are hourly temperature and pressure data from compressors, storage vessels and dispensers. We used the data collected for a year, including the highest temperature and the lowest temperature in Ulsan to compare seasonal characteristics. As a result, it was found that the change of the outside temperature affects the initial temperature of the vehicle's container of the hydrogen car, which finally affects the charging time and the charging speed of the vehicle. There was no effect on vehicle containers because the limit temperature suggested by the Korean Hydrogen Station Standard(KGS FP217) and the US Filling Protocol(SAE J2601) was not exceeded.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. LPG-Hydrogen Multi-Fueling Station
그림 Fig. 2. Components and refueling process of hydrogen station in ulsan
표 Table 1. List of data acquisition for HRS monitoring
그림 Fig. 3. Pressure characterization for hydrogen fueling process
표 Table 2. Temperature data in ulsan
그림 Fig. 4. Temperature variation of vehicle container by Ambient Air Temperature
그림 Fig. 5. Variation of vessel pressure by ambient air temperature
그림 Fig. 6. Comparison of pressure rise rate with seasonal changes

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 국내의 4계절 변화가 수소차 충전에 미치는 영향을 분석하기 위해 LPG수소복합충전소의 충전데이터를 수집하고 이를 분석하였다. 충전영향 분석을 위해 수소충전소의 주요설비인 압축기, 저장용기, 디스펜서, 차량 등의 온도, 압력데이터를 초당 1회의 속도로 수집하였으며, 이를 날짜별, 계절별로 비교하여 보았다.
본 연구에서는 수소 융복합충전소의 운영데이터를 수집, 분석하여 국내 환경특성에 따른 영향과 이를 통한 국내 제도 개선 방안의 수립에 활용하고자 한다.

제안 방법

본 논문에서는 국내의 4계절 변화가 수소차 충전에 미치는 영향을 분석하기 위해 LPG수소복합충전소의 충전데이터를 수집하고 이를 분석하였다. 충전영향 분석을 위해 수소충전소의 주요설비인 압축기, 저장용기, 디스펜서, 차량 등의 온도, 압력데이터를 초당 1회의 속도로 수집하였으며, 이를 날짜별, 계절별로 비교하여 보았다. 또한 정상적인 충전 여부를 판단하기 위해 고압가스안전관리법, KGS FP217(저장식 수소충전소 기준) 등 국내 기준과 미국의 SAE J2601 충전프로토콜 내용을 토대로 검토하여 보았다.

대상 데이터

봄과 가을의 기온은 여름, 겨울의 평균 수준으로 큰 온도 차이를 보이지 않았다. 계절별 특성비교를 위해 2018년 7월 중 울산 지역의 최고기온 일과 2018년 1월 중 최저기온 일을 포함한 총 4일의 충전데이터에서 임의로 4대를 선정해 비교하였다. 충전데이터는 압축기, 저장용기, 디스펜서에서 발생한 시간별 온도, 압력 값이며, 외기온도는 Table 2에 나타냈다.
앞서 설명한 것과 같이 대한민국은 4계절이 뚜렷한 특성이 있으며, 여름과 겨울의 기온차가 크기 때문에 수소 충전시 발생할 수 있는 특성에 대해 분석하였다. 먼저 울산지역의 기온변화를 파악하기 위해 기상청의 기온데이터를 사용하였다. ⁽⁹⁾ 최저기온은 1월에 측정된 –12℃이며, 최고기온은 7월에 측정된 36℃로 약 48℃가량 차이를 보인다.
본 논문에서 제시하는 충전소 실증 대상은 2017년 9월에 완공되어 운영 중인 옥동LPG수소복합충전소이다.(Fig. 1) 수소충전소 실증을 위해 충전소와 관련된 제도, 설비 및 수소차 충전절차를 이해할 필요가 있다.
서론에서 언급하였듯이 본 연구의 실증대상은 옥동LPG수소복합충전소이다.(이하 “옥동충전소”라 한다.) 옥동충전소는 기존의 LPG 충전소에 수소충전소를 설립한 것으로 융복합충전소 구축을 위해 제정된 특례고시를 따르고 있다. 특례고시는 그 근간을 고압가스안전관리법과 KGS FP216, 217에 두고 있어 수소충전소 구축시 안전거리 등 일부 변경된 기준을 제외하고 일반 수소충전소와 동일한 설비와 충전절차를 갖는다.

데이터처리

1) 수소충전소 실증을 위해 충전소와 관련된 제도, 설비 및 수소차 충전절차를 이해할 필요가 있다. 또한 충전소와 수소차의 특성을 나타낼 수 있는 데이터를 선정 · 수집하여 이를 분석하고자 하였다.
수소차 충전 중 차량용기 온도와 외기온도의 상관관계를 분석하였다. Fig.
외기온도의 변화가 충전속도에 미치는 영향을 확인하기 위해 초기의 차량용기 압력이 약 180(bar) 정도로 유사한 경우에 대해 충전속도를 비교해 보았다.(Fig. 6 참조) 그 결과, 초기 차량압력이 유사한 경우일지라도 외기온도에 따라 충전시간이 서로 다른 것으로 나타났다.

이론/모형

충전영향 분석을 위해 수소충전소의 주요설비인 압축기, 저장용기, 디스펜서, 차량 등의 온도, 압력데이터를 초당 1회의 속도로 수집하였으며, 이를 날짜별, 계절별로 비교하여 보았다. 또한 정상적인 충전 여부를 판단하기 위해 고압가스안전관리법, KGS FP217(저장식 수소충전소 기준) 등 국내 기준과 미국의 SAE J2601 충전프로토콜 내용을 토대로 검토하여 보았다.

성능/효과

충전데이터 분석 결과, 국내 4계절 변화는 수소 충전에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 외기온도에 의한 차량의 온도상승을 억제하기 위해 프로토콜 상에서 더운 여름철에는 충전속도를 느리게 하여 압력과 온도 상승을 기준에 만족하도록 유지하였으며, 차량의 초기 온도가 낮은 겨울철에는 충전 속도가 여름대비 2배가량 빨랐음에도 최종 용기온도가 여름철보다 낮은 것으로 나타났다.

후속연구

실증의 내용은 안전거리 완화에 대한 실험적인 접근을 위한 제트화재, 방호벽 및 폭압시험과 4계절 변화와 같은 국내 환경특성에 따른 영향을 분석하기 위한 실시간 운영데이터 수집 및 분석 이다. 실증의 결과는 고압가스 안전관리법 시행규칙 등 수소충전소와 관련된 기준을 개선하기 위해 사용되어질 예정이다.
현재 강원도 영월에 이러한 수소충전소 운영데이터를 실시간으로 분석, 모니터링하기 위한 센터가 구축되어 운영될 예정이다. 이를 통해 국내의 계절변화 등 다양한 환경조건에 따른 데이터의 실시간 분석을 통해 국내 제도 및 한국형 충전프로토콜 개발 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
현재 강원도 영월에 이러한 수소충전소 운영데이터를 실시간으로 분석, 모니터링하기 위한 센터가 구축되어 운영될 예정이다. 이를 통해 국내의 계절변화 등 다양한 환경조건에 따른 데이터의 실시간 분석을 통해 국내 제도 및 한국형 충전프로토콜 개발 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경에너지 중수소의 장점은 무엇인가?	(2) 이로 인해 수소, 태양광 등 친환경에너지를 중심으로 하는 정부 정책이 수립되어 오고 있다. 친환경에너지 중수소는 이산화탄소를 줄일 수 있는 것과 더불어 석유화학단지 등에서 발생하는 부생수소와 화석연료 개질, 수전해 등의 공정을 이용해 많은 양을 확보할수 있다. 또한, 이미 국내에서 수소차 양산을 하고 있기 때문에 정부에서 수소사회로 진입하기 위한 많은 정책을 수립하고 있다.
	뱅크스위칭 현상은 무엇인가?	수소차 용기 압력이 약 400(bar) 이상이 되면 고압 압력용기의 압력이 낮아지며 수소차 용기의 압력이 급격히 상승 하게 된다. 이렇게 저압 압력용기에서 고압 압력용 기로 전환하는 상태를 확인할 수 있으며, 이때 유속이 변화하거나 일시적인 연료공급 중단이 일어나는 뱅크스위칭 현상이 나타난다. (8)
	수소차에 차압방식을 통해 충전하게 될 때의 문제점은 무엇인가?	충전소에서 수소차를 충전하기 위해 압축기를 통해 약 800(bar) 이상의 압력으로 압축하여 저장용 기에 저장한 후 수소차에 차압방식(cascade)으로 충전하게 된다. 이때 수소는 줄-톰슨 효과에 의해 수소차 용기의 온도를 상승시키게 되고, 85℃ 이상의 고온이 형성되면 용기의 내구성에 영향을 미치게 된다. 이러한 이유로 국내 기준과 미국의 SAE J2601 (수소차 충전프로토콜)에서는 충전시 수소차 용기의 온도가 85℃를 넘지 않도록 하고 있다.

참고문헌 (9)

2019, The need for a hydrogen economy society, http://h2korea.or.kr/sub/sub02_01.php
The 2030 National Greenhouse Gas Reduction Roadmap, 2018, Ministry of Environment
Roadmap for activating hydrogen economy, 2019, Ministry of Trade and Industry
Park, J. W., et al., 2017, A study on site to build hydrogen multi energy filling station in domestic LPG station, KHNES, Vol. 28, No. 6, pp. 642-648
High-Pressure Gas Safety Control Act, 2018.
KGS FP216, 2019, "Facility/Technical/Inspection Code for Vehicles Refueling by Type of On-Site Hydrogen Production", Korea Gas Safety Corporation.
KGS FP217, 2019, "Facility/Technical/Inspection Code for Vehicles Refueling by Type of Compressed Hydrogen Delivery", Korea Gas Safety Corporation.
SAE International, 2014, Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles
The Meteorological Administration, 2019, http://www.weather.go.kr

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