바이오가스플랜트 효율성 제고를 위한 정밀 중량 측정 기술

바이오가스는 에너지 전환에 지대한 기여를 하고 있는 친환경적인 에너지원입니다. 베를린 훔볼트 대학 농업·도시생태사업연구소는 앞으로 바이오가스플랜트에서 더 많은 폐기물을 활용하여 지속가능성을 제고할 수 있는 해결책을 연구하고 있습니다. 이와 관련하여 복잡한 장기 테스트를 실시하려면 정밀 측정 기술이 필요합니다. 연구진은 실험용 반응기 수위를 측정하기 위해 HBM에서 제공하는 일체형 중량측정 기술 측정 체인을 이용하고 있습니다. 이 측정 체인은 PW12C 싱글 포인트 로드셀, PAD 디지털 트랜스듀서 전자용품, PanelX 소프트웨어 등을 포함합니다.   

바이오가스는 에너지 전환에 있어 필수불가결한 요소입니다. 바이오가스 기술은 태양광 또는 풍력 발전설비와는 달리 당일 기후나 날씨의 영향을 받지 않습니다. 따라서 태양광이나 풍력 발전으로 얻은 에너지가 부족해지면 그리드의 출력 변동을 보상할 수 있습니다. 2018년 기준 독일의 바이오가스플랜트에서 생산하는 전력은 이미 신재생에너지원에서 생산된 전체 전력의 약 13%를 차지했습니다. 그러나 단점이 없는 것은 아닙니다. 바이오가스 생산에 쓰이는 특수 옥수수를 재배하려면 아직 비용이 많이 들고 효율이 낮습니다.

문제점

베를린 훔볼트 대학 농업·도시생태사업연구소는 현재 BioKat 연구사업을 수행하고 있습니다. 연구진은 앞으로 바이오가스플랜트에서 더 많은 폐기물을 활용하여 지속가능성을 제고할 수 있는 해결책을 연구 중입니다. 연구진은 4대의 25리터 실험용 반응기를 이용하여 실험을 수행합니다. 이때 반응기의 충전 수위(유체의 양)가 매우 중요합니다. 연구진은 새롭게 실시되는 실험에서 중량 측정식 수위 측정 기술을 이용하고자 합니다. 이 기술의 특장점은 아래와 같습니다.

  • 전체 시험 기간 동안 수위를 정확하게 측정합니다.
  • 까다로운 공정 시뮬레이션 환경에서 믿을 수 있는 데이터를 제공합니다.
  • 설비 운전 시 신속성, 안전성, 사용 편의성을 보장합니다.

“잔류폐기물을 보다 효과적으로 활용할 수 있다”

베를린 훔볼트 대학 농업·도시생태사업연구소(IASP)에서 박사후 연구원으로 BioKat 연구사업에 임하고 있는 Marius Conrady에 따르면, “우리는 BioKat 사업을 통해 바이오가스플랜트에서 사용되는 버섯효소 성분이 어떤 방식으로 분해가 어려운 물질도 빠르고 쉽게 분해하는지를 연구하고 있습니다.” 이에 프로젝터 매니저 Ing. Patrice Ramm 박사는 “앞으로 바이오가스 생산을 위해 잔류폐기물을 보다 효과적으로 활용할 수 있습니다.”고 덧붙였습니다.
수 개월 동안 각종 테스트를 실시하려면 신뢰도가 높은 측정 기술을 이용해야 합니다. 이러한 측정 기술은 전체 시험 기간 동안 정밀도가 높은 데이터를 제공합니다. HBM은 관련 연구진에게 고품질 중량 측정 기술 패키지를 지원하고 있습니다. 이 패키지에서 가장 중요한 요소는 고정밀 PW12C 싱글 포인트 로드셀입니다.     

바이오가스 반응기용 정밀 수위 측정

4대의 평범한 검은색 실린더가 BioKat 연구 사업의 핵심입니다. Marius Conrady에 따르면, “우리는 이 4대의 실험용 반응기를 이용하여 각각 다른 종류의 효소 제제들이 어떤 방식으로 청보리 사일리지에서 얻은 시험용 기판의 발효 과정을 촉진하는지를 연구하고 있습니다. 실험을 위해 반응기 가동 단계가 경과한 후 매일 176g의 청보리와 물을 공급합니다. 교반기가 계속 내용물을 교반하면, 온도 제어 반응조에서 사업기간 동안 동일한 상태를 보장하기 위해 반응기 온도를 섭씨 38도로 유지합니다.

이 테스트에서는 총 용량이 25리터인 반응기 내부의 수위가 특히 중요합니다. 유체의 양(수위)은 기체 발생, 유체 교반기에 작용하는 토크, 체적 하중 등 각종 주요 요인에 큰 영향을 미칩니다. Marius Conrady는 “이전 테스트에서는 반응기 점검창을 통해서만 수위를 측정할 수 있었습니다. 그러나 청보리와 물로 이루어진 반응기 내 혼합물이 매우 불균질하고 건조하다는 문제점이 있었습니다. 게다가 반응기 내부에 폼이 자주 발생합니다.” 따라서 연구진은 새로 수행할 테스트에서 중력 측정 기술을 이용하여 수위를 확인할 수 있는 해결책을 모색하고 있습니다. HBM의 전문가팀은 IASP 연구진에게 자문을 제공할 뿐아니라, 센서 기술과 소프트웨어 기반 전자용품 평가를 아우르는 일체형 중량 측정 솔루션을 함께 개발하고 있습니다.

해결책

HBM의 측정기술 전문가팀은 IASP 연구진과 협력하여 해당 테스트에 가장 적합한 일체형 측정 솔루션을 개발하고 있습니다. 이 솔루션은 아래와 같은 요소들을 포함합니다.

  • C3 복수계량범위 정확도 등급을 갖춘 PW28 싱글 포인트 로드셀은 로드셀 디자인에 특화된 우수한 정밀도를 제공합니다. 일체형 편심 하중 보상 기능 덕분에 대형 중량 측정 플랫폼을 포함한 각종 싱글 포인트 로드셀 적용분야에 매우 적합합니다.
  • PAD 트랜스듀서 전자용품은 HBM의 스트레인 게이지에서 전달된 로드셀 신호를 고분해능 디지털 측정 데이터로 변환합니다. 이 PAD 제품은 다양한 필터를 갖추고 있어 까다로운 측정 환경에서도 정확한 데이터를 제공합니다.
  • HBM의 중량 측정용 전기용품은 사용이 편리한 PanelX 소프트웨어를 내장하고 있어 다양한 측정 작업을 수행하는 데 매우 적합합니다. 또한 측정값 기록, 평가, 조절, 시각화에도 적합한 제품입니다.

반응기 수위 측정용 싱글 로드셀

HBM의 제품관리 중량측정기술과 OEM센서 담당부장 Marcel Richter에 따르면, “HBM의 PW12C 싱글 포인트 로드셀은 50kg의 용량을 갖추고 있고 IASP 연구진이 원하는 중량측정 솔루션의 핵심이라고 할 수 있습니다. 이 로드셀은 일체형 편심 하중 보상 기능을 갖추고 있어 최대 800mm x 800mm까지 대형 싱글 포인트 플랫폼에 사용하기에 매우 적합합니다. IASP에서 수행하는 테스트의 경우 싱글 포인트 로드셀을 사용하면 실험용 반응기 중량 전체를 측정할 수 있습니다. 타 제품과 차별화되는 디자인에 걸맞는 성능을 제공합니다.” PW12C 싱글 포인트 로드셀은 C3 복수계량범위 정확도 등급을 준수하며, 50~750kg까지 폭넓은 하중을 정밀하게 측정합니다.

또한 측정 본체에 케이블 실드가 연결되어 있어 완벽한 전자파 장해방지와 보호 기능을 제공합니다. 따라서 실험실 환경에 딱 알맞는 제품입니다. Marchel Richter에 따르면, “PW12C는 강성이 우수하고 HBM에서 제공하는 검증된 스트레인 게이지 기술을 내장하고 있어 정적·동적 측정 작업에 모두 적합합니다. 가령 중량선별기에 이용할 수 있습니다. 게다가 매우 견고한 로드셀입니다.” 또한 PW12C는 보호등급이 IP67이고 개별적으로 조절 가능한 과부하 보호 장치를 갖추고 있어 매우 가혹한 산업 환경에서 사용하기에 적합합니다.

고분해능 측정 데이터의 디지털화

Marius Conrady에 따르면, “BioKat 프로젝트를 위해 PAD 디지털 트랜스듀서를 사용하고 있습니다. 이 제품은 로드셀의 아날로그 데이터를 고분해능 디지털 데이터로 변환합니다. 이 트랜스듀서를 이용하면 테스트 후 측정결과를 PC에서 간편하게 기록하여 평가·검토할 수 있습니다.” HBM은 IASP 연구진이 필요로 하는 로드셀, 전자용품, 각종 부속품을 원스톱 솔루션으로 지원합니다. Marcel Richter는 “HBM은 고객에게 가장 적합한 측정 체인을 구성하기 위해 매우 다양한 부속품들을 제공합니다. HBM의 PAD 디지털 트랜스듀서 전자용품의 경우, 아날로그 데이터, 스트레인 게이지 기반 로드셀, 센서 데이터 등을 초고분해능 디지털 데이터로 쉽고 간편하게 변환해 줍니다.”고 덧붙였습니다.

PAD 트랜스듀서는 플러그-앤-플레이 방식으로 로드셀에 쉽게 연결할 수 있고, 단 몇 분이면 바로 사용 가능합니다. 이 트랜스듀서 전자용품은 선택 가능한 필터나 자동 필터로 통합된 측정 신호 처리가 가능하기 때문에 최대한의 정밀도를 보장합니다. IAS의 실험용 반응기에 장착된 교반기가 계속해서 진동할 때도 고정밀 측정값을 제공합니다. 컴팩트한 스테인리스강 하우징과 IP68/IP69K 보호등급을 갖추고 있어 매우 혹독한 환경에서 사용하기에 적합합니다.  

결과

정확도가 우수한 PW12C 로드셀을 이용하면, 테스트 기간 동안 고정밀도 중량 측정으로 실험용 반응기의 수위를 측정할 수 있습니다. 싱글 포인트 시험 환경에서는 반응기 1대당 싱글 로드셀 1개면 충분합니다. IASP 연구팀은 HBM에서 제공한 PAD 트랜스듀서 전기용품과 그에 맞는 부속품을 이용하여, 로드셀을 PC에 직접 연결하고 시험에 적용할 중량 측정 기술 체인을 쉽게 설정할 수 있습니다. 또한 PanelX 소프트웨어의 다양한 기능을 이용하면 실험용 반응기의 수위를 나타내는 측정 데이터를 빠르게 평가·분석·시각화할 수 있습니다.

측정 시작과 시각화

IASP 연구진은 HBM에서 제공하는 소프트웨어도 사용하고 있습니다. Marius Conrady는 “HBM의 PanelX 소프트웨어를 이용해 로드셀 검교정, 측정값 기록·출력·시각화 작업을 할 수 있”다며 강조했습니다. “PanelX로 직관적인 작업이 가능하기 때문에 측정 기술을 주어진 테스트 환경에 맞게 조절하고 바로 작업을 진행할 수 있습니다. 게다가 측정 결과를 빠르게 시각화하고 평가할 수 있는 손쉬운 해결책이기도 합니다.” PanelX 소프트웨어는 수많은 기능을 갖추고 있습니다. 이 기능들을 이용하면 매우 다양한 정적·동적 중량 측정 작업에 HBM의 측정 기술을 알맞게 적용할 수 있습니다. 또한 이 소프트웨어가 지원하는 다양한 기능을 중량 측정 설비 가동·검교정 작업 시 이용할 수 있고, 신속한 평가와 시각화가 가능합니다. 동적 측정 결과를 평가·최적화하는 작업의 경우, 통합 주파수 분석 기능이 특히 유용합니다.

바이오가스 연구용 정밀 측정 데이터

Marius Conrady에 따르면, “HBM의 정밀 측정 기술을 이용하면 실험을 진행하면서 청보리 사일리지와 물의 혼합물을 매일 정확하게 모니터링하고 목표량과 비교할 수 있습니다. 덕분에 실험 프로세스를 최적화하고 바이오매스를 매일 추가하면서 부정확한 계량을 방지할 수 있게 되었습니다.” 뿐만 아니라 분해 과정에 따른 반응기 내부의 손실된 중량을 더욱 정밀하게 확인하고, 이를 기체 발생과 연관지을 수 있습니다. Marius Conrady는 “테스트를 실시하면서 체적유량계로 기체 발생량을 측정하고 있습니다. 중량 손실 곡선과 기체 발생량은 매우 높은 상관관계를 가집니다”고 덧붙였습니다.

“측정 결과를 비교함으로써 측정 오류를 신속히 검출하고 연구 결과에 맞게 수정할 수 있습니다. HBM의 정밀 측정 체인을 이용하면 확실히 믿을 수 있는 데이터베이스를 구축할 수 있고, 앞으로 바이오가스 기술을 발전시키는 데 큰 도움이 될 것입니다.”

농업·도시생태사업연구소

베를린 훔볼트 대학 농업·도시생태사업연구소는 식품공학, 바이오제닉원료, 가축사육, 플랜트 시스템 분야에서 혁신적인 기술 연구개발하는 중소기업을 지원합니다. 과학기술 전문가 35명으로 구성된 다학제적 팀은 과학분야 파트너로서 해당 분야에서 맞닥뜨리는 문제들을 해결하기 위해 응용분야 중심의 솔루션을 개발하고 있습니다. 특히 IASP의 주력분야는 바이오가스 연구입니다. IASP는 BioKat과 같은 연구사업을 통해 보다 지속가능하고 효율적인 바이오가스 기술을 구현하는 데 크게 기여하고 있습니다.