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스마트 미터링을 이용한 친환경 파이프라인 구축

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글/로렌조 아미쿠치(Lorenzo Amicucci), 노르딕 세미컨덕터 스마트 미터링 사업부 사업 개발 매니저

기후변화에 관한 정부간 협의체인 IPCC(Intergovern-mental Panel on Climate Change)에 따르면, 지구온난화를 2℃ 미만으로 제한하기 위해서는 CO2 배출량을 2010년 대비 2030년까지 약 25% 줄이고, 2070년경에는 넷제로(Net Zero) 수준까지 지속적으로 감축해야 한다. 오늘날 전세계적으로 수십억 개에 달하는 건물에서 배출되는 환경오염 문제는 갈수록 심각해지고 있다. 국제재생에너지기구(International Renewable Energy Agency)에 따르면, 에너지 관련 CO2 배출량은 전세계 온실가스 배출량의 3분의 2를 차지하고 있는 것으로 나타났다.

다행히도 글로벌 아젠다를 통해 긍정적인 변화들이 이뤄지고 있다. 추진력을 얻고 있는 한 가지 주목할 만한 아이디어는 가스 네트워크 인프라를 친환경 가스인 수소를 운반하도록 전환하여 탄소중립 미래를 앞당기는 것이다. 이러한 솔루션은 잠재력은 높지만, 이를 실현하기 위해서는 정책 입안자와 규제기관, 소비자 및 에너지 산업 당사자를 포함한 모든 이해 관계자들이 협력해야 한다. 이와 동시에 이러한 목표를 현실화하기 위해서는 첨단 무선 기술에 기반한 스마트 미터링 솔루션이 필요하다.

수소가 대안이 될 수 있을까?

약 50년 전 영국의 가정에서는 요리와 난방 및 조명 등을 위해 ‘천연 가스’인 수소를 연료로 사용했다. 이후 수소 사용은 단계적으로 폐지되었지만, 오늘날 새로운 대안으로 다시 등장하고 있다. 이 가스는 대기 중 산소와 결합하여 연소하기 때문에 물만 부산물로 배출되며, 그을음이나 아산화질소가 발생하지 않고, 무엇보다 가장 좋은 점은 환경온난화에 치명적인 이산화탄소를 배출하지 않는다는 점이다. 

영국 북부 지역의 가스공급 업체인 NGN(Northern Gas Networks)에 따르면, 영국의 모든 주요 도시는 500억 파운드(668억 달러)를 투자해 2052년에 다시 수소를 사용할 것으로 예상되고 있다. 이는 재생 가능한 에너지로 물을 전기분해(전기를 이용해 물(H2O)을 산소와 수소로 분리하는 프로세스)하거나 이산화탄소 부산물을 포집하고, 압축 및 저장하는 메탄 리포밍을 통해 가스를 쉽게 얻을 수 있다. 탄소 제로 수소 생산과 청정 연소 특성을 결합하여 탄소 배출을 대폭 줄임으로써 지구를 보호하는데 크게 기여할 것으로 보인다. 

수소는 모든 연료 공급원 중 부피당 가장 많은 에너지를 생산하지만, 가연성이 높다는 이유로 소비자들이 안전 문제를 우려하는 경향이 있다. 하지만 대부분은 근거가 없다. 이러한 대중적인 우려로 인해 몇몇 선진국들은 탈탄소화 전략의 일환으로 수소 도입을 은밀하게 추진하고 있으며, 초기에는 초경량 가스 23%와 천연가스를 혼합하는 방식을 택하고 있다. 현재로서는 주요 인프라에 대한 투자가 필요하지 않기 때문에 수용 가능한 현실적인 목표로 간주되고 있다.

영국을 비롯한 여러 국가들은 까다로운 탄소 배출 목표를 달성하기 위해 수소/천연가스를 혼합하는 방식으로 파일럿 계획을 추진하고 있으며, 타당성 프로젝트를 통해 건물의 주요 재생 가능한 에너지원으로 수소를 사용할 수 있는지 여부를 조사하고 있다. 예를 들어, 2016년에 시작된 약 28달러 규모의 ‘H21’ 프로그램은 100% 수소를 공급할 수 있도록 영국의 가스 공급망을 전환하기 위해 추진되고 있는 가스 산업 분야의 프로젝트이다. NGN이 주도하고 있는 선도적인 H21 리즈 시티 게이트(Leeds City Gate) 개념 검증에서는 기존의 그리드가 충분한 용량을 가지고 있으며, 대중의 불편함을 최소화하면서 점차적으로 용도를 변경할 수 있음을 확인했다. 또한 영국 정부가 2,500만 파운드를 투자해 추진하고 있는 ‘Hy4Heat(Hydrogen for Heat)’ 프로그램은 BEIS(Department of Business, Energy and Industrial Strategy)가 의뢰한 3년 간의 타당성 조사를 통해 가전기기는 물론, 가정과 기업에서 수소의 잠재적 사용 가능성을 조사하고 있다.

셀룰러 IoT 기반 수소 스마트 계량기

수소는 청정 에너지원으로 주목받고 있지만, 부가적인 문제가 존재한다. 현재 가스 사용량을 측정하고, 요금을 부과할 수 있는 가정용 수소 가스 계량기가 없다는 점이다. 기존 계량기의 경우, 가스 유량을 다이어프램(Diaphragm)에 기반한 기계적 시스템을 이용해 측정하지만, 수소는 분자의 크기가 작아 기존 계량기에 비해 수소 다이어프램 계량기의 크기가 약 3배로 커지기 때문에 실용적이지 않다. 

한 가지 옵션은 기계식 다이어프램 계량기를 초음파 장치로 대체하는 것이다. 이는 정확한 ToF(Time of Flight) 음속 측정 기술을 통해 가정용 파이프를 통해 흐르는 가스의 유속을 결정한다. 그러나 수소의 음속은 천연가스에 비해 약 3배 더 빠르기 때문에 훨씬 뛰어난 타이밍 정밀도가 필요하다. 

이러한 문제에 대응하기 위해 영국의 미터테크(Meter-Tech)는 다이어프램 기반의 기존 가스 계량기와 달리 첨단 초음파 기능을 이용해 수소 미터링을 실용화할 수 있는 스마트 계량기를 출시했다. 미터테크의 새로운 스마트 계량기는 수소의 초음파 신호를 ‘회수(Recovery)’하기 위해 더욱 향상된 기술을 적용했을 뿐만 아니라 수소에서 ToF 정밀 측정이 가능한 타이밍 회로를 갖추고 있다. 또한 이 계량기는 유럽은 물론, 전세계의 가장 엄격한 안전 요건을 충족할 수 있도록 설계되었다.

수소 스마트 계량기의 데이터와 같은 소규모 IoT 애플리케이션 데이터를 간헐적으로 장거리에 걸쳐 전송하기 위해서는 강력한 무선 연결이 필수적이다. 미터테크는 유틸리티 사업자들이 계량기에서 발생하는 일을 원격으로 점검하고, 장기간에 걸쳐 정확한 정보를 수집할 수 있도록 LTE-M 및 NB-IoT 두 가지 버전으로 지원되는 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 기술인 셀룰러 IoT를 구현했다. 이 연결 솔루션은 간단하면서도 안전하고, 표준화된 미래 지향적 솔루션으로 스마트 계량기에서 유틸리티까지 안정적인 클라우드 연결을 제공한다. 또한 수동으로 진행되는 계량기 검침 작업을 없애고, 고객에게 정확한 과금과 동적 가격책정을 적용할 수 있으며, 그리드 손실을 모니터링하고, 그리드 성능을 최적화함으로써 공공사업자와 정부는 최적의 효율을 달성하고, 수익 잠재력을 극대화할 수 있다. 

미터테크의 제품은 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semicon-ductor)의 셀룰러 IoT 솔루션인 nRF9160 SiP(System-in-Package)를 통합하여 LTE-M 및 NB-IoT 셀룰러 연결을 모두 활용하고 있으며, 특히 배터리 수명을 연장하기 위해 낮은 전력소모 또한 중요하게 고려했다. 기존의 초음파 기반 계량기는 평균 약 30 ~ 40마이크로 암페어를 소비하지만, 미터테크는 많은 계산이 필요한 새로운 초음파 가스 측정 기술에도 불구하고 nRF9160을 통해 계량기의 평균 전류를 15마이크로 암페어로 줄일 수 있었다. 

셀룰러 IoT 무선 연결을 기반으로 한 첨단 수소 미터링은 전세계에서 가장 시급한 환경 문제에 대한 하나의 해법을 제시할 수 있을 것이며, 또한 우리가 희망을 버리지 않는다면 기후변화를 극복할 수 있는 낙관적 결론에 도달하게 될 것이다. 실제로 한때 불가능한 희망으로 여겨졌던 탄소 제로의 미래는 이미 파이프라인 안에서 실현되고 있다. 

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노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 LTE-M/NB-IoT 및 GPS 셀룰러 IoT 모듈인 nRF9160 SiP(System-in-Package)는 전세계적으로 주요 인증을 획득하고, 성공적으로 품질 검증을 완료한 솔루션으로 모든 애플리케이션에서 셀룰러 IoT 무선 기술을 손쉽게 구현할 수 있도록 해준다.

nRF9160 SiP는 소형 패키지 안에 애플리케이션 전용 프로세서와 메모리 및 멀티 모드 LTE-M/NB-IoT 모뎀과 통합 RF 프론트엔드(RFFE), GPS, 전력관리 기능 등을 갖추고 있으며, 글로벌 셀룰러 IoT 애플리케이션을 위한 인증을 획득했다. 이 SiP는 Arm M33 프로세서와 플래시 및 RAM, 다양한 아날로그 및 디지털 주변장치와 자동 전력 및 클럭 관리를 비롯해 신뢰할 수 있는 실행을 위한 Arm 트러스트존(TrustZoneⓇ)과 애플리케이션 레이어 보안을 위한 Arm 크립토셀(CryptoCell™) 310을 통합하고 있다. 프로세서는 BSD 보안 소켓 API를 통해 LTE 모뎀과 통신하며, 애플리케이션 레이어 프로토콜(예, CoAP, MQTT 또는 LWM2M) 및 애플리케이션 자체를 지원한다. 

nRF9160 SiP의 LTE 모뎀은 SIM 및 eSIM을 모두 지원하며, 700MHz ~ 2,200MHz의 LTE 대역 지원과 23dBm의 출력 파워, 단일 핀 50Ω 안테나 및 UICC 인터페이스를 제공한다. LTE 스택 레이어 L1-L3, IPv4/IPv6, TCP/UDP, TLS/DTLS는 모뎀의 펌웨어 일부로 지원된다.

nRF9160 SiP는 GPS 지원 기능을 내장하고 있는 셀룰러 IoT 모듈로서 GPS와 셀룰러 데이터를 결합하여 사용함으로써 각각의 기술을 별도로 사용하는 것보다 훨씬 더 정확한 위치확인이 가능하다. 

leekh@seminet.co.kr
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