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전기분해 어플리케이션의 전류 측정
수소 기술은 성공적인 에너지 전환을 위한 핵심 요소로 꼽힙니다. 특히 산업 및 운송 부문에서 이산화탄소 배출을 크게 줄일 수 있습니다. 수소는 에너지원으로 저장 및 운송할 수 있으며 에너지 전환에 사용될 수 있습니다. 이는 전기분해 과정을 통해 가능합니다. 여기에는 전기를 사용하여 물을 수소(H2)와 산소(O)로 분리하는 전기분해기(“Power-to-Gas” 또는 “Power-to-X”)의 사용이 포함됩니다.
전해조는 대규모 태양광 발전소나 풍력 발전소 등 물류 및 에너지 관점에서 수소 생산이 적절한 곳이라면 어디에서나 사용됩니다. 재생 에너지는 현장에서 직접 물 전기분해에 사용될 수 있습니다. 그런 다음 연료 전지를 사용하여 수소를 다시 전기로 변환할 수 있습니다.
전해조는 천연가스 그리드에 공급되는 수소를 생산하는 데에도 적합합니다. 최대 10%의 수소를 천연가스 그리드에 직접 공급할 수 있습니다. 또는 메탄화를 통해 천연가스로 전환할 수도 있습니다.
또한 수소는 철강이나 화학 부문과 같이 이산화탄소를 많이 배출하는 일부 산업 공정에서 화석 연료를 대체할 수 있어 온실가스 배출을 줄이고 글로벌 경쟁력을 강화하는 데 도움이 됩니다.
전해조 효율은 표준 조건에서 1입방미터의 수소를 생산하는 데 필요한 전기 에너지를 기준으로 정의할 수 있는데, 최신 고압 전해조에서 이 요구 사항은 12bar의 압력에서 m3(표준 부피) 당 4.8kWh 미만입니다. 이는 62.5%의 효율에 해당합니다(수소의 낮은 발열량 기준).
전기분해 시스템의 효율성은 재생 에너지를 이용한 전기화학 수소 생산에 있어 결정적인 기술적, 경제적 요소입니다.
오늘날 상대적으로 높은 전기 비용은 플랜트의 가동 시간 및 감가상각과 함께 수소 생산 비용의 주요 요인입니다. 기술적 관점에서 이러한 비용은 시스템의 전반적인 효율성을 높여야만 줄일 수 있습니다.
특히 효율 측정의 경우 측정 체인의 전반적인 정확도가 매우 정확해야 합니다. 작은 비율 오차도 효율과 손실을 결정할 때 큰 편차로 이어질 수 있습니다. 손실은 직접 측정할 수 없고 입력 전력과 출력 전력의 차이로만 계산할 수 있기 때문입니다.
위 그림에 사용된 전력 값을 사용하면 이제 비율 정확도가 0.1%인 전류 트랜스듀서에 대한 예제 계산을 수행할 수 있습니다. 최악의 시나리오에서는 입력 전력의 측정값이 0.1% 증가함과 동시에 출력 전력의 측정값이 0.1% 감소합니다. 이로 인해 전력 손실 계산에서 가능한 가장 큰 오차가 발생합니다.
정확도가 0.1%인 전류 트랜스듀서를 사용하여 입력 및 출력 전력을 측정하는 경우 주파수 변환기와 같은 테스트 장치의 계산된 전력 손실은 최악의 경우 실제 값과 3.9%까지 편차가 발생할 수 있습니다. 전압 분배기 및 전력 분석기 자체와 같은 다른 모든 필수 구성 요소는 오차 없이 이상적이라고 가정합니다.
다음 그림 2는 전류 측정의 다양한 비율 오차가 손실 계산의 편차 비율에 미치는 영향을 보여줍니다.
전력 분석기 또는 전압 센서의 측정 오차도 실제로 고려해야 합니다. 계산된 3.9%의 값은 0.1%의 정확도를 위해 녹색 선에 표시되어 있습니다. 손실 계산의 오차 비율은 테스트 중인 장치의 효율이 증가함에 따라 증가합니다.
고효율 정류기의 경우에도 오류를 가능한 한 낮게 유지하려면 진폭 오차가 ppm 범위인 전류 트랜스듀서가 필요합니다.
수소 생산에서는 다양한 효율 분석을 수행할 수 있습니다. 전기 부품을 평가하기 위해 일반적으로 다음과 같은 효율 측정이 수행됩니다.
DC 전류는 두 자릿수 kA 범위인 경우가 많습니다. Danisense는 표준 포트폴리오에서 최대 10kA DC까지 연속적으로 측정할 수 있는 전류 센서를 제공합니다. 값이 이보다 높은 경우, 많은 고객이 전력 분석기의 각 전류 입력 채널에 전류 트랜스듀서를 상호 연결하기로 결정합니다. 다음 그림은 DC 회로에서 측정 설정의 개략도를 보여줍니다.
이 방법은 측정 범위를 두 배로 늘릴 뿐만 아니라. 전류 측정의 허용 오차도 두 배가 됩니다. 그러나 플럭스게이트 전류 트랜스듀서의 탁월한 정확도 덕분에 전체 허용 오차는 항상 고객 사양보다 훨씬 낮습니다. 다음 다이어그램은 자주 사용되는 DR5000IM의 정확도를 보여줍니다.
측정기가 전류 트랜스듀서의 DC 오프셋을 보정*(예: ZES ZIMMER LMG600 시리즈의 제로 조정 기능)할 수 있으면 작은 1차 전류에서도 매우 높은 정확도를 달성할 수 있습니다.
Danisense 전류 트랜스듀서는 많은 프로젝트에서 LMG600 시리즈의 ZES ZIMMER 전력 분석기와 함께 사용되어 왔으며 권장되고 있습니다. 따라서 고객은 새롭고 까다로운 기술 분야에서 검증된 기술을 사용할 수 있습니다. ZES ZIMMER의 LMG600은 측정 신호의 TRMS 값을 매우 정밀하게 측정할 뿐만 아니라 AC 및 DC 구성 요소를 개별적으로 표시합니다. 18비트라는 매우 높은 분해능 덕분에 DC 신호에서 매우 작은 AC 구성 요소(예: 정류기로 인한 리플 구성 요소)를 식별하고 분석할 수 있습니다. 뛰어난 DC 및 AC 정확도를 제공하는 Danisense 정밀 전류 트랜스듀서와 함께 사용하면 완벽한 분석 시스템을 구축할 수 있습니다.
다음 그림은 풍력 터빈의 효율 측정에 관한 최근 유럽 프로젝트를 보여줍니다. 최종 보고서는 제공된 링크를 통해 자유롭게 액세스할 수 있습니다.
작성자:
롤랜드 부어거 – Danisense A/S
티모시 헤르트슈타인 – ZES ZIMMER