국내 천연가스 공급 인프라는 2025년 기준 전국 총 5,206 km에 달하는 주배관망과 433개 공급 관리소를 통해 연간 약 34,500천 톤의 천연가스를 공급하는 광범위한 가스 네트워크를 구축하고 있다¹⁰⁾. 한국가스공사의 5개 liquefied natural gas (LNG) 인수기지(인천, 평택, 삼척, 통영, 제주)에서 최대 6.87 MPa의 고압 천연가스가 주배관망을 통해 각 지역으로 수송되며 공급 관리소에서 중저압으로 감압되어 지역 도시가스사와 발전소로 공급된다. 이러한 광범위한 가스 공급망을 활용할 경우 효율적이고 안정적인 대규모 장거리 수소 수송 및 공급이 가능하다.

천연가스 공급 시스템에서 정확한 가스 계량과 품질 측정은 가스 상거래의 근간이 되는 중요한 기술이다. Fig. 1과 같이 한국가스공사의 전국 정압 관리소(governor station, GS)에는 유량계, 온도 및 압력 전송기, 가스 분석기로 구성된 계량 설비(metering system)가 설치되어 있으며 이를 통해 수요처로 공급되는 가스의 양과 품질이 실시간 측정되어 거래 에너지량과 요금 산정에 활용되고 있다. 이 중 가스 품질 측정을 담당하는 가스 분석기는 현재 약 200대가 상거래용으로 운영 중이며 가스 조성에 대한 정밀 분석을 통해 발열량, 상대밀도, 압축계수 등 계량 및 품질 관리를 위한 주요 물성값을 산출한다.

Fig. 1. 
Schematic diagram of natural gas metering system

가스 분석기의 측정 데이터는 거래 에너지량을 결정하는 핵심 요소이므로 경미한 측정 오차라도 누적될 경우 상당한 경제적 파급 효과를 초래할 수 있다. 이에 따라 전체 가스 분석기는 엄격한 정확도 기준에 따라 관리되며 국제 표준에 기반한 정기적인 성능 검증이 이루어지고 있다. 특히 천연가스 열량 거래제 시행 이후 체계적인 품질 관리 시스템을 통해 높은 수준의 측정 신뢰성이 지속적으로 유지되고 있다⁹⁾.

그러나 수소가 천연가스 배관망에 혼입될 경우 가스 품질 측정 체계를 현행 조건대로 유지하는 데에는 기술적 한계가 존재한다. 기존 가스 분석기는 천연가스 조성 분석에 최적화되어 있어 수소 성분의 정량 분석이 어렵고 수소 혼입에 따른 가스 물성 변화를 정확히 반영하지 못할 우려가 있다. 따라서 수소 혼입 환경에서도 현재 수준의 측정 정확도를 유지하는 것은 상거래 신뢰성 확보와 안정적인 수소 혼입 및 공급을 위한 선결 과제라 할 수 있다.

기존 천연가스용 가스 분석기는 가스 배관에 온라인으로 설치되는 공정용 가스 크로마토그래프(gas chromatograph, GC)로 열전도도 검출기(thermal conductivity detector, TCD)를 기반으로 헬륨(He)을 운반가스로 사용한다. TCD는 운반 가스와 분석 물질 간의 열전도도 차이에 감응하는 원리로 작동하는 검출기이다. Table 1과 같이 헬륨은 천연가스 성분(메탄, 에탄, 프로판 등)과 높은 열전도도 차이로 천연가스 분석에 적합하다¹¹⁾. 반면 수소의 경우 헬륨과 유사한 열전도도 특성으로 인해 TCD 감도가 현저히 저하되며 이는 수소를 포함한 천연가스 분석에서 중요한 문제점으로 작용한다.

또한 현행 가스 분석기는 ISO 6974-5 규격에 따라 3개(또는 모델에 따라 4개)의 컬럼(cloumn, 분리관)을 스위칭 밸브 시스템으로 복합 구성하여 설계되며 전체 천연가스 성분(C₁-C₆₊, N₂, CO₂)을 5분 이내에 효율적으로 분석할 수 있도록 최적화되어 있다(Fig. 2)¹²⁾. 이러한 천연가스 전용 설계로 인하여 수소와 같은 이질적인 성분이 포함될 경우 해당 성분의 분석이 어려울 뿐만 아니라 기존 성분의 정밀한 측정에도 간섭 요인으로 작용할 수 있다.

Fig. 2. 
Scheme of the switching valve system for natural gas analysis. Column 1 retains C₆₊ components ready for backflushing. Column 2 separates C₃ to C₅ hydrocarbons and column 3 separates N₂, C₁, CO₂, C₂

수소 혼입에 따른 가스 분석기 품질 측정 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 실제 수소 혼입 조건에서 기존 가스 분석기의 성능 특성을 실험적으로 검토하였다. 시험 대상 분석기는 현재 천연가스 상거래용으로 널리 사용되는 Rosemount™ 770XA GC 모델(Emerson, St. Louis, MO, USA)이며 시험 가스는 Table 2와 같이 일반 천연가스 조성에 2-20 mol% 범위의 수소를 혼합하여 제조한 표준 가스 5종을 사용하였다.

수소 혼입 시험 가스에 대한 가스 분석기 측정 특성 평가 결과 수소 성분은 질소 피크 직전에 매우 낮은 감도로 검출되었으며 비선형적인 반응 특성을 나타냈다. 특히 주목할 문제는 수소와 질소 간의 낮은 분리능(resolution)이다. Fig. 3에 나타난 바와 같이 두 성분 피크가 완전히 분리되지 않고 상당 부분 중첩되어 비정상적인 피크 형태를 보이고 있다. 이러한 분리 특성으로 인하여 수소의 정량화가 어려울 뿐 아니라 질소 성분의 정상적인 분석까지 방해하는 것으로 확인되었다.

Fig. 3. 
Changes in hydrogen and nitrogen peaks in response to hydrogen blending in natural gas (hydrogen and nitrogen peak variations as a function of hydrogen content in the natural gas)

수소-질소 분리능 문제로 수소가 질소 피크에 일부 또는 전량 포함되면서 수소 혼입 시 질소 성분이 실제보다 과대 측정되는 것으로 나타났다. 특히 수소 20 mol% 혼입 조건(mix 5)에서는 질소 농도가 제조 농도 대비 약 260%까지 높게 측정되었다(Table 3).

수소의 직접적인 분석 간섭은 질소 성분에만 국한되었으며 메탄, 에탄, 프로판 등 다른 천연가스 성분에서는 유의한 간섭이 관찰되지 않았다. 그러나 천연가스용 가스 분석기는 가스 물성(발열량, 상대밀도 등) 산출을 위해 분석 성분의 농도 총합을 100 mol%로 조정하는 정규화(normalization) 처리 후 최종 농도를 산출하므로 수소 및 질소의 분석 오차는 결국 다른 성분의 결과값에도 간접적인 영향을 미치게 된다. 따라서 Table 4와 같이 수소 혼입률이 증가할수록 다른 성분의 농도 또한 비례적으로 증가하는 경향을 나타냈으며 수소 20 mol% 혼입 시 질소는 338.1%, 메탄과 에탄은 각각 24.2% 및 21.9%의 측정 오차를 보였다.

이러한 성분 농도 오차는 궁극적으로 발열량, 상대밀도, 압축계수 등 주요 물성값 산출에도 영향을 미쳤다. Table 5 및 Fig. 4와 같이 수소 함량이 증가할수록 발열량과 상대밀도의 측정 오차는 비례적으로 증가하고 압축계수는 감소하는 경향을 나타냈다. 특히 수소 20 mol% 혼입 조건에서 발열량 및 상대밀도의 측정 오차는 각각 15.6%, 21.4%였으며 압축계수는 -0.12%의 오차를 보였다.

Fig. 4. 
Measurement errors in gas properties and nitrogen content by hydrogen blending ratio. N₂ error (left axis) denotes the percentage difference between the GC result and the certified test gas concentration. Property errors (right axis) indicate deviations from reference values calculated via ISO 6976 based on certified gas compositions

이론적으로 수소 혼입 농도가 증가하면 발열량과 상대밀도는 감소하고 압축계수는 증가하게 된다. 그러나 기존 가스 분석기에서는 수소가 정량화되지 않은 채 나머지 성분들을 대상으로 정규화 처리되므로 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 시험 가스 5종의 물성값은 혼입 농도 변화와 무관하게 거의 일정하게 측정되었다. 이는 현행 분석 체계가 수소 혼입에 따른 가스 물성 변화를 전혀 반영하지 못한다는 것을 의미한다.

Fig. 5. 
Comparison of reference and GC-measured gas properties by hydrogen content

3장에서 확인한 바와 같이 기존 천연가스용 가스 분석기는 수소 혼입 환경에서 심각한 수준의 측정 오차를 보인다. 따라서 주배관망 수소 혼입이 본격적으로 추진될 경우 혼입 영향권 내의 모든 가스 분석기는 현행 운영 조건으로 사용할 수 없으며 시스템 전면 개편이 불가피하다.

수소 혼입 가스의 정확한 품질 측정을 위해서는 다음과 같은 기술적 개선 사항이 기본적으로 요구된다.

첫째, 수소 감응도 향상을 위해 아르곤(Ar) 또는 질소(N₂)를 운반 가스로 사용하는 독립된 수소 분석 채널 구성이 필요하다. 별도의 검출기(TCD), 컬럼, 밸브 시스템에 의한 병렬 크로마토그래피 구성으로 수소의 정량 분석이 추가적으로 가능하다. 둘째, 수소-질소 간의 간섭 제거 및 분리 성능 확보를 위하여 고분리능 컬럼의 적용과 함께 밸브 스위칭 타이밍 등 분석 조건의 정밀한 조정이 필요하다.

이러한 기술적 요소를 바탕으로 수소 혼입 천연가스 분석을 위한 세 가지 시스템 개편 방안을 검토하였다.

세 가지 방안에 대해 기술적 타당성과 경제성을 종합적으로 비교한 결과 1안의 신규 분석기 교체 방안이 비용 효율성, 측정 성능 보장, 장기적인 운영 안정성 측면에서 가장 효과적인 개선 전략으로 도출되었다. 이 방안은 다음과 같은 주요 강점을 지닌다. 첫째, 상용화된 제품으로 실증 프로젝트를 통해 현장 적용성이 입증된 바 있다. 둘째, 기존 천연가스 분석 시스템과 유사한 운용 방식이 적용되어 운영 전환이 용이하다. 셋째, 정식 출시 제품으로 제조사의 지속적인 기술 지원 및 부품 공급이 보장되며 표준화된 유지 보수 체계를 적용할 수 있다. 마지막으로 향후 수소 혼입률 확대나 추가 성분 분석 등 측정 요구 조건 변화에 대응할 수 있는 확장성을 갖추고 있어 장기적 운용 측면에서 활용성이 높다. 따라서 국내 천연가스 주배관망의 수소 혼입 대응을 위해서는 1안의 신규 분석기 교체를 우선적으로 추진하는 것이 가장 합리적이다.

전 세계적으로 천연가스 네트워크에 수소를 혼입 및 공급하려는 기술적 시도가 확대됨에 따라 이에 대응하기 위한 가스 분석기의 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이미 주요 가스 분석기 제조사에서는 기존 천연가스 전용 분석기의 기술적 한계를 보완한 수소 대응 모델을 상용화하고 있다. 본 연구에서는 국내 천연가스 주배관망에서 운용 중이거나 운용 실적이 있는 주요 공정용 가스 분석기 제조사 5곳(Emerson, ABB, RMG, Elster, Valmet)을 대상으로 직접 인터뷰 및 기술 문헌 조사를 수행하고 수소 혼입 대응 기술 개발 현황과 상용 장비의 주요 사양을 종합적으로 검토하였다.

조사 결과 대부분의 제조사에서 수소 혼입 천연가스의 실시간 조성 분석과 물성 산출이 가능한 온라인 GC 기반 분석기를 출시하고 있는 것으로 나타났다. Table 7은 제조사별 분석기 모델과 주요 기술 사양이며 Fig. 6에 각 모델의 수소 분석 범위를 비교하였다.

Fig. 6. 
Hydrogen measurement ranges of process gas analyzers for H₂NG by manufacturer and model

본 연구에서 조사한 바에 따르면 이들 분석기는 크게 두 가지 유형으로 분류된다. 첫 번째는 기존 천연가스 상거래용 분석기를 기반으로 수소 분석 기능을 확장한 모델로 770XA, 700XA, 470XA (이상 Emerson), PGC1000 (ABB, Zurich, Switzerland), PGC9304 (RMG Messtechnik GmbH, Butzbach, Germany) 및 RGC704 (RMG Messtechnik GmbH), EnCal 3000 (Elster GmbH, Mainz-Kastel, Germany)이 이에 해당한다^13-17). 천연가스 주요 조성과 함께 수소 최대 10 mol% 또는 최대 20 mol%까지 동시 분석 가능한 기본 사양을 제공하며 일부 모델은 수소 50 mol% 또는 100 mol%까지 측정 범위를 확장한 업그레이드 구성도 제공되어 다양한 수소 혼입 시나리오에 대응이 가능하다. 두 번째 유형은 범용 공정 분석 플랫폼을 기반으로 수소를 포함한 다양한 조성의 혼합가스를 분석할 수 있도록 설계된 모델로 PGC 5000 (ABB)과 Maxum II (Valmet, Espoo, Finland)가 대표적이다^18,19). 천연가스와 함께 수소 0-100 mol% 범위의 광범위한 분석 설계가 가능하며 분석 목적에 따라 성분별 모듈 및 검출기를 다양하게 구성할 수 있는 높은 확장성을 특징으로 한다. 다만 일반 가스 상거래용 모델에 비해 설치 공간, 운용비용, 유지 관리 측면에서 제약이 따르므로 적용 목적과 현장 여건에 따른 사전 검토가 요구된다.

이들 가스 분석기가 가스 배관망에서 실제 활용된 사례는 대부분 수소 혼입 실증 프로젝트를 통해 확인된다. 대표적으로 영국 HyDeploy 프로젝트에서 700XA 및 770XA가 최대 20 mol% 수소가 혼입된 천연가스의 품질 모니터링 및 혼입 비율 제어에 활용되었다. 프랑스 GRHYD 프로젝트에서는 770XA 모델이 6 mol% 수소 혼입에 대한 안전성 검증에 적용되었으며 이탈리아 Asset Readiness Project에서도 동일 모델이 2.5-10.0 mol%의 수소 혼입을 위한 파일럿 설비에 활용된 바 있다. 이외에도 헝가리 FGSZ 프로젝트, 호주 ATCO Clean Energy Innovation Hub 등 여러 수소 혼입 실증 프로젝트에서 Emerson사 가스 분석기 활용 사례가 다수 확인되었다¹³⁾. 국내에서는 PGC1000 모델이 한국가스공사 평택 LNG기지 내 수소 혼입 시험 설비에 설치되어 최대 20 mol% 수소의 고압 배관망 혼입 실증에 활용 중이다.

이들 상용 분석기들은 측정 성능에 대한 공인 기관 인증과 함께 상거래용 사용 승인을 통해 법정 계량 목적의 품질 측정에 대비하고 있는 것으로 조사되었다. 770XA 모델은 수소 최대 30 mol% 혼입 조건에서 국제 법정 계량기 기술 기준(OIML R140)에 따른 계량 적합성 인증을 획득하였다¹³⁾. PGC1000 모델은 네덜란드 국가 계량 인증 기관인 Netherlands Measurement Institute (NMi)로부터 OIML R140 및 유럽 법정 계량기 적합성 인증제도(Measuring Instruments Directive, MID) 기준에 따라 최대 10 mol% 수소가 혼합된 천연가스에 대한 조성 및 발열량 측정을 위한 시스템 적합성을 인증받았다²⁰⁾. 최대 20 mol% 수소 분석이 가능한 PGC 9304 및 RGC 704 모델(RMG)은 ATEX, EMC 등 방폭 및 전자파 적합성을 충족하여 EU 적합성 선언(EU declaration of conformity)을 통해 산업용 사용 적합성을 확보하였고 특히 RGC 704의 경우에는 독일의 국가 측정 기관인 Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)로부터 형식 승인(type examination certificate)을 받아 상거래용 가스 분석기로 사용 승인까지 획득한 상태이다^21,22). 또한 EnCal 3000은 ATEX, IECEx, FM, KC, EMC 등 다양한 국가 및 국제 기준에 따른 안전 및 기능 적합성 인증을 획득하였고 독일 PTB로부터 계량 인증서(metrological certificate)를 발급받아 측정 성능을 공식적으로 검증받았다¹⁷⁾.

이러한 인증은 해당 장비들이 수소 혼입 조건에서도 상거래 적용을 위한 기술적 요건을 충족함을 공식적으로 입증한 사례로 평가되며 향후 수소 혼입 천연가스의 법정 계량 및 품질 측정 체계 구축을 위한 신뢰 기반으로 활용될 수 있다.

이와 같이 수소 혼입 조건에서 가스 품질 측정에 대한 산업계 수요가 증가함에 따라 분석기의 기술 사양뿐만 아니라 실증 적용성과 인증 확보 여부 또한 중요한 고려 요소로 부각되고 있다. 따라서 향후 분석기 도입 및 적용 시에는 상용화 수준, 실증 이력, 인증 현황을 종합적으로 검토하여 현장 여건에 적합한 장비를 선택할 필요가 있다.

조사된 분석기들은 대부분 기존 천연가스 상거래용 장비의 검증된 기술을 기반으로 하고 있어 기본적인 측정 성능과 운영 안정성은 확보되어 있을 것으로 판단된다. 그러나 수소 혼입 조건에서의 장기 운영 안정성, 정밀도 및 정확도 유지, 다양한 혼입 농도 대응성 등에 대해서는 추가적인 실증 검증이 요구된다.

현재 제조사에서 공개한 기술 자료는 대부분 기본 사양 및 성능 개요 수준에 국한되어 있으며 수소 혼입 환경에서의 주요 성능 지표에 대한 정량적 데이터는 확인이 어려운 실정이다. 특히 수소 농도 변화에 따른 분석 간섭 영향, 운반 가스 이중 구성에 따른 시스템 안정성, 측정 불확도 변화 등의 요소에 대해서도 체계적인 평가가 필요하다. 또한 동일 모델이라도 분석 가스의 조성 특성이나 운영 조건에 따라 컬럼 구성, 운반가스 종류, 밸브 시퀀스 등 세부 설계 사양이 달라질 수 있으며 수소 분석 범위 확대 시 일부 천연가스 성분의 분리 및 정량 성능에 제약이 발생할 가능성도 존재한다.

가스 상거래용 분석기로 활용하기 위해서는 기존 천연가스 전용 분석기와 동등한 수준의 측정 정확도가 요구되므로 수소 혼입 조건에서도 일관된 분석 성능을 확보할 수 있는지에 대한 사전 검증이 필수적이다. 따라서 실제 도입 시에는 예상 가스 조성 범위, 목표 성능 정확도, 응답 시간 등을 고려한 기술 검토와 함께 수소 혼입률별 성능 평가, 장기 안정성 시험, 기존 시스템과의 측정 정확도 비교 등을 포함한 체계적인 실증 시험이 반드시 선행되어야 한다.

현재 수소 혼입 가스 분석과 관련된 문헌 및 제조사 제공 정보는 크로마토그래피 컬럼, 검출기 등 주요 분석 장치의 상세 설계 사양과 정량적 분석 특성에 대한 기술 자료가 매우 제한적이다. 특히 수소가 혼입된 천연가스를 대상으로 한 정밀한 성능 평가 자료가 부재하여 분석기의 측정 불확도를 정량적으로 파악하기 어려운 실정이다. 이에 따라 ISO 10723 및 ISO/TR 14749 등의 가스 분석기 성능 평가 지침에 근거하여 분리능(resolution), 감도(sensitivity), 검출 한계(limit of detection), 반복성(repeatability), 재현성(reproducibility), 직선성(linearity) 등 주요 성능 지표를 실험적으로 도출하고 기존 천연가스 분석 성능과의 정량적 비교 평가를 수행할 계획이다.

천연가스 배관망 내 수소의 혼입 농도는 공급 조건에 따라 달라지며 경우에 따라 광범위한 농도 범위를 형성할 수 있다. 이러한 운영 특성을 고려하여 수소 혼입률 0-20% 범위 내 다양한 농도 구간에서 가스 분석기의 측정 정확도와 불확도를 체계적으로 평가할 계획이다. 특히 저농도 구간(0-5 mol%)에서의 검출 안정성과 고농도 구간(15-20 mol%)에서의 성분 간섭 영향을 중점적으로 분석하여 수소 농도 변화에 따른 측정 견고성(robustness)을 확보하고자 한다. 또한 수소 농도 변동에 따른 가스 물성(발열량, 상대밀도, 압축계수, 웨버지수 등)의 불확도를 정량화하고 농도 구간별 최적 교정 주기 및 방법을 도출할 예정이다. 이를 통해 수소 공급 조건 변화에도 일관된 측정 신뢰도를 유지할 수 있는 가스 품질 관리 체계를 확립하고자 한다.

가스 배관 샘플링 시스템(프로브, 필터, 감압 장치, 이송 배관 등) 및 시료 주입 장치(밸브, 루프, 레귤레이터 등)를 포함한 전체 시스템 구성 요소에 대한 수소 적합성 및 내구성을 평가할 예정이다. 이를 바탕으로 분석기의 설치 환경 조건, 교정 방법 및 주기, 분석 절차 등 수소 혼입 가스 측정에 최적화된 운영기술을 정립할 계획이다.

수소 혼입 가스 측정 시스템의 신뢰성 확보를 위하여 국가 표준 기관인 한국표준과학연구원(Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS)과의 협력을 통해 가스 분석기 교정용 인증 표준 물질(certified reference material, CRM) 확보 방안을 마련하고 측정 결과의 소급성(traceability)을 확보하고자 한다.

실제 배관 환경에서의 검증 시험을 통해 수소 혼입 가스 품질 측정 시스템의 현장 적용성을 검토할 계획이다. 이를 바탕으로 수소 혼입 가스 품질 측정을 위한 표준 운영 절차(standard operating procedure)와 기술 지침을 마련하고 향후 국내 천연가스 배관망 수소 혼입 정책 추진 시 계량 기술 표준으로 활용될 수 있도록 할 예정이다.

이러한 종합적 연구를 통해 기존 천연가스 상거래용 품질 측정 시스템과 동등 이상의 정확도와 신뢰성을 확보함으로써 수소 혼입 환경에서도 가스 품질 측정의 공정성과 투명성이 보장되는 계량 체계를 구축하고자 한다.