요약
- 재생 에너지의 확대: 풍력, 수력, 태양광은 에너지 전환의 핵심입니다. 재생 에너지는 화석 연료 의존도를 줄이고 탈탄소화를 촉진하며 증가하는 에너지 수요를 충족하면서 기후를 보호할 수 있는 지속 가능한 에너지 시스템의 기반이 됩니다.
- 가스의 가교 역할: 재생 에너지의 빠른 확대에도 불구하고 천연가스는 앞으로도 안정적이고 경제적인 에너지 공급을 확보하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 천연가스는 더 친환경적인 대체 에너지원이 확대되고 널리 보급되는 동안 안정성을 유지하는 가교 기술의 역할을 합니다.
- 수소 및 저장 기술: 재생 에너지의 날씨 의존성과 계절별 에너지 소비 변화의 균형을 맞추기 위해서는 새로운 솔루션이 필요합니다. 수소가 다목적 에너지원으로 부상하고 있지만, 잉여 에너지를 저장하고 안정성을 확보하기 위한 첨단 저장 기술이 반드시 필요하며, 이를 통해 CO2 중립 에너지 공급이라는 목표에 한 걸음 더 다가설 수 있습니다.
가스 네트워크에서 수소 활용
재생 에너지로부터 수소를 생산하고 이를 기존 가스 네트워크에 공급하는 것은 CO2 중립 에너지 공급으로 가는 과정에서 중요한 역할을 합니다. 수소는 재생 에너지가 풍부한 지역에서 생산될 수 있습니다. 또한 기존 가스 네트워크를 통해 추가적인 에너지원으로 저장 및 수송되어 소비자에게 공급될 수 있으며, 기존 천연가스 배관망에서 최대 30 vol.%의 수소를 저장 및 수송할 수 있습니다.
순수 수소용 네트워크는 초기에는 지역 단위로 확대되며, 이후 점차 연결되어 더 큰 규모의 네트워크를 형성하게 됩니다. 유럽 전역의 수소 수송 네트워크에 대한 전망에 따르면 2040년까지 최대 40,000 km에 달하는 네트워크 구축이 가능할 것으로 예상됩니다.
가스 유량 측정에 미치는 영향
따라서 수소가 혼합된 천연가스의 유량을 신뢰성 있고 안정적으로 측정하는 능력은 오늘날 점점 더 중요해지고 있습니다. 가스 조성의 변화는 다양한 측정 기술에 새로운 측정 과제를 제기합니다. 이는 첨가된 수소가 천연가스의 특성에 영향을 미치기 때문이며, 가스의 밀도, 점도, 폭발성, 유량, 음속 등이 변화하게 됩니다. 그 결과 파이프라인, 압축기, 씰, 밸브, 측정 기술 등에서 누설 및 폭발 위험이나 발열량 산정과 관련된 완전히 새로운 과제가 발생하게 됩니다. 따라서 가스 네트워크 운영사와 가스 공급업체들은 이러한 변화가 가스 유량계 성능에 어떤 영향을 미칠지에 대해 궁금해 합니다.
초음파 유량 측정은 지난 20년 동안 천연가스 및 프로세스 가스 산업에 신뢰성, 내구성, 측정 정확성의 새로운 기준을 제시해 왔습니다.
천연가스에 소량의 수소만 추가해도 혼합 가스의 음속(SOS)이 크게 증가합니다. 수소 함량이 100 vol.%에 도달하면 음속은 천연가스의 약 3배 수준이 됩니다. 그림 1은 천연가스, 30 vol.% 수소 혼합 가스 그리고 순수 수소의 SOS를 보여줍니다.
그림 1: 일반적인 천연가스(메탄 함량 90 vol.%)와 최대 100 vol.% 수소 혼합 가스의 음속
이는 USM 설계에 다양한 요구사항을 제시합니다. 천연가스와 동등한 측정 범위와 측정 불확도가 모두 확보되어야 하며, 여기에는 측정값 산포 감소, 압력, 온도, 유체 변동에 대한 교차 감도 감소, 유체역학적 영향 최소화가 포함됩니다.
최대 30 vol.%의 수소가 혼합된 천연가스의 경우 이러한 영향을 여전히 보정할 수 있습니다.
그림 2: FLOWSIC 계기의 적용 사례
초음파 유량 측정: 미래 요구사항 대응
향후 수소 혼합 가스와 순수 수소의 상거래 계량에도, 특히 측정 정확도 측면에서 천연가스 측정과 동일한 사양 및 요구사항이 적용될 것으로 예상됩니다. 따라서 초음파 가스 유량계(USM)도 새로운 측정 과제에 맞게 적절히 조정되어야 합니다.
전용 수소 수송 파이프라인은 천연가스 파이프라인과 크게 다르지 않을 것입니다. 요구사항 역시 현재 천연가스 계량기의 요구사항과 유사합니다. 동일한 에너지 기준 수송 용량을 확보하려면 수송 시스템에 더 큰 공칭 직경이나 더 높은 유량이 필요하기 때문에 수소용으로 설계된 USM은 더 높은 최대 가스 유속을 지원해야 합니다.
USM은 이러한 모든 요구사항을 충족할 수 있기 때문에 미래의 수송 및 분배 네트워크에서 수소 혼합 가스와 순수 수소 모두의 상거래 유량 측정에 적합합니다.
USM을 사용한 유량 측정의 장점은 다음과 같습니다.
- 다양한 공칭 직경(DN50 ~ DN1400)
- ≥ 1:100의 넓은 측정 범위
- 유로 막힘 없음, 압력 손실 없음
- 기계적 구동 부품 없음, 맥동 없음
- 수소의 경우 더 높은 유량 대응 가능
- 다른 유체로의 교정값 전이 가능
또한 USM은 수소 함량에 따른 분류 외에도 프로세스 가스 애플리케이션, 수송 네트워크 및 분배 네트워크에서의 사용 목적에 따라 구분할 수 있습니다.
가스 품질 지표(GQI): 수소 함량 측정
초음파 가스 유량계(USM)는 기본 측정값과 높은 정확도 외에도 추가적인 장점을 제공합니다. USM에 "가스 품질 지표(GQI)" 기능이 내장되어 있어 음속(SOS) 값을 통해 가스 조성 변화를 감지할 수 있습니다. 수소는 SOS가 매우 높기 때문에 수소 함량의 작은 변화도 매우 정확하게 감지할 수 있습니다. 기준 가스 조성 또는 SOS(수소 미포함)를 알고 있는 경우 수소 함량 역시 매우 정확하게 산출할 수 있습니다. 이 계기는 측정된 SOS 값과 기준 SOS 값을 비교합니다. 두 값의 차이가 오직 수소 혼합 때문이라고 가정할 경우 수소 함량을 직접 계산할 수 있습니다. 이 계산은 USM 펌웨어에 구현된 경험식을 통해 수행됩니다.
100% 수소 상거래 가스 측정 대응
고속 음속을 위해 개발된 최첨단 수소 트랜스듀서, 1000 kHz 주파수로 동작하는 완전히 새로운 전자장치, 새롭게 설계된 생산 제어 및 테스트 프로세스 등 수년간의 상거래 측정 경험을 바탕으로 엔드레스하우저는 DN50부터 DN400까지 모든 크기에서 상거래 수소 가스 측정을 위한 MID 승인을 받고 상거래 정확도 등급 1을 획득한 최신 초음파 유량계 FLOWSIC610을 제공합니다.
FLOWSIC610은 데이터 통신을 위한 표준 인터페이스 외에도 시운전 및 서비스 전용 인터페이스를 갖추고 있습니다. Bluetooth® 호환 어댑터를 장착하면 Bluetooth® 지원 단말기와 최대 30미터까지 무선 연결이 가능합니다. 별도의 계기 전용 어댑터는 필요하지 않으며, USB-C 인터페이스를 사용하는 유선 어댑터도 제공됩니다.
요약
초음파 가스 유량계는 20년 이상 다양한 수소 함량을 가진 가스를 포함해 여러 분야에서 가스 유량 측정에 사용되어 왔습니다. 이러한 분야에서 사용되는 계기와 다른 FLOWSIC 제품들은 이미 최대 30 vol.%의 수소가 포함된 천연가스의 상거래 계량에 맞게 조정 및 승인되었습니다. 따라서 가스 네트워크 운영사는 추가적인 신규 유량계 투자 없이도 재생 에너지 기반으로 생산된 수소를 기존 가스 네트워크에 공급하고 이를 수송 및 저장하는 추세에 대응할 수 있습니다.
USM의 진단 옵션은 가스의 정량적 측정뿐만 아니라 정성적 분석도 지원합니다. 따라서 이 계기를 보조적인 수소 분석 수단으로 활용할 수 있습니다. 일부 분야에서는 추출식 가스 크로마토그래피와 같은 고비용 수소 분석 기술을 대체할 가능성도 있습니다.
이미 설치된 계기의 경우 최대 30 vol.% 수소 공급이 미치는 영향을 평가하기 위해 계기 상태 점검을 수행할 것을 권장합니다. 또한 노후화 영향, 설치 조건, 압력 조절기 상태 등도 함께 점검해야 합니다. 엔드레스하우저 서비스 부서에서 이러한 평가와 관련된 지원을 받으실 수 있습니다.
