바이오가스를 이용한 하이브리드시스템의 성능평가 및 경제성 분석 연구 Performance and Economic Analysis of Biogas Fueled Hybrid Power Systems : Performance Analysis of Biogas Fueled MGT/SOFC원문보기
바이오가스 생산확대를 통하여 신재생에너지 보급률을 2030년까지 20% 달성을 목표로 하고 있으며, 정부의 CO2 37% 저감 목표 설정에 따라 관련 연구개발 및 사업에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 본 연구의 대상이 되는 해당 사업소는 하수 및 음식물류 폐기물을 처리하는 사업장으로 ...
바이오가스 생산확대를 통하여 신재생에너지 보급률을 2030년까지 20% 달성을 목표로 하고 있으며, 정부의 CO2 37% 저감 목표 설정에 따라 관련 연구개발 및 사업에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 본 연구의 대상이 되는 해당 사업소는 하수 및 음식물류 폐기물을 처리하는 사업장으로 슬러지를 혐기성 소화하여 바이오가스를 생산하는 시설이다. 이를 이용하여 소화조를 가온하는데 사용하고 있으며 나머지 소각 폐기된다. 따라서 버려지는 바이오가스를 회수하여 전력을 생산하고자 한다. 본 논문의 전반부에는 하이브리드시스템을 연구함에 있어서 마이크로 가스터빈(MGT), 고체산화물 연료전지 SOFC, 유기랭킨 시스템(ORC)의 1차원 모델링에 관한 내용을 담았으며, 이를 활용하여 시스템 전체 모델을 구성 및 배치하는 방법을 설명하였다. 다음으로 공기예열기가 있는 MGT 단독 시스템을 구축하고 바이오가스 메탄함량, 가스터빈의 입구온도와 압력비 등이 시스템의 성능 특성에 미치는 영향을 시뮬레이션 모델링을 통하여 비교 검토하였다. 2014년 바이오가스의 생산 변동을 고려하여 MGT 하이브리드시스템에 대한 열경제성에 기반하여 시스템 사이즈를 최적화 하였다. 다음으로, SOFC 단독 및 SOFC/MGT시스템을 구축하고 그 시스템에 대한 SCR, 스택의 작동온도와 전류밀도 등이 시스템의 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통하여 검토 하였다. 연료전지의 고효율화를 목적으로 수소가 가진 화학적 에너지를 최대한 전력화 하기 위하여 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용한 소화조 가온으로 하이브리드 시스템의 효율이 증가됨을 확인하였다. 그리고 상기와 같이 이루어진 바이오가스 발전으로 사업장 내에서 이용되는 외부 전력 사용량 감소 및 바이오가스 회수를 통한 소화가스 발전으로 온실가스 감축이 이루어진다. 최종적으로 SOFC 단독 시스템이 전력생산과 온실가스 감축으로 충분히 경쟁력을 가지고 있는 것으로 나타나지만, 정제된 바이오가스를 판매에 비해 경쟁성이 매우 낮은 것으로 나타나, 바이오가스의 전력생산 확대를 위해서는 정부의 투자 지원금과 운영비 지원을 확대할 필요성이 있다고 판단된다.
바이오가스 생산확대를 통하여 신재생에너지 보급률을 2030년까지 20% 달성을 목표로 하고 있으며, 정부의 CO2 37% 저감 목표 설정에 따라 관련 연구개발 및 사업에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 본 연구의 대상이 되는 해당 사업소는 하수 및 음식물류 폐기물을 처리하는 사업장으로 슬러지를 혐기성 소화하여 바이오가스를 생산하는 시설이다. 이를 이용하여 소화조를 가온하는데 사용하고 있으며 나머지 소각 폐기된다. 따라서 버려지는 바이오가스를 회수하여 전력을 생산하고자 한다. 본 논문의 전반부에는 하이브리드시스템을 연구함에 있어서 마이크로 가스터빈(MGT), 고체산화물 연료전지 SOFC, 유기랭킨 시스템(ORC)의 1차원 모델링에 관한 내용을 담았으며, 이를 활용하여 시스템 전체 모델을 구성 및 배치하는 방법을 설명하였다. 다음으로 공기예열기가 있는 MGT 단독 시스템을 구축하고 바이오가스 메탄함량, 가스터빈의 입구온도와 압력비 등이 시스템의 성능 특성에 미치는 영향을 시뮬레이션 모델링을 통하여 비교 검토하였다. 2014년 바이오가스의 생산 변동을 고려하여 MGT 하이브리드시스템에 대한 열경제성에 기반하여 시스템 사이즈를 최적화 하였다. 다음으로, SOFC 단독 및 SOFC/MGT시스템을 구축하고 그 시스템에 대한 SCR, 스택의 작동온도와 전류밀도 등이 시스템의 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통하여 검토 하였다. 연료전지의 고효율화를 목적으로 수소가 가진 화학적 에너지를 최대한 전력화 하기 위하여 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용한 소화조 가온으로 하이브리드 시스템의 효율이 증가됨을 확인하였다. 그리고 상기와 같이 이루어진 바이오가스 발전으로 사업장 내에서 이용되는 외부 전력 사용량 감소 및 바이오가스 회수를 통한 소화가스 발전으로 온실가스 감축이 이루어진다. 최종적으로 SOFC 단독 시스템이 전력생산과 온실가스 감축으로 충분히 경쟁력을 가지고 있는 것으로 나타나지만, 정제된 바이오가스를 판매에 비해 경쟁성이 매우 낮은 것으로 나타나, 바이오가스의 전력생산 확대를 위해서는 정부의 투자 지원금과 운영비 지원을 확대할 필요성이 있다고 판단된다.
The supply rate goal for new and renewable energy has been set to 20% by 2030 through the expansion of biogas production. Due to the goal to reduce CO2 and greenhouse gas emissions by 37% below the business-as-usual (BAU) level of 851 million by 2030 was set by the Korean Government, a significant a...
The supply rate goal for new and renewable energy has been set to 20% by 2030 through the expansion of biogas production. Due to the goal to reduce CO2 and greenhouse gas emissions by 37% below the business-as-usual (BAU) level of 851 million by 2030 was set by the Korean Government, a significant amount of attention has been paid to clean energy-related research and development and projects related to reducing greenhouse gas emission. The target sewage and food waste treatment facility produces biogas through the anaerobic digestion of sludge. But biogas from the corresponding treatment facility is not used for the purpose of energy production and is incinerated only to raise the temperature of the digester. This study aims to conduct a performance evaluation of various hybrid systems such as micro gas turbine (MGT), solid oxide fuel cell (SOFC) and Organic Rankin Cycle (ORC) using actual biogas operation data that processes food wastes and sewer sludge, analyzes thermal economic feasibility, and suggests data on greenhouse gas reduction in terms of power production viewpoints. Thermoeconomics of a biogas fueled MGT, MGT/ORC, SOFC, SOFC/MGT has analyzed. Hybrid systems were designed for heating a digester using heat in the exhaust gas. For the MGT and SOFC, a series of multi-unit systems was considered, and the partial-load performance was derived from the performance curves. For ORC, an exergy-optimized cycle was firstly designed using n-pentane which is a widely used working fluid then the partial-load performance was analyzed. The economic parameters were expressed based on the system size. I analyzed the system economics based on the annual utilization ratio (the produced power to the available maximum power) and the net present value (NPV). The effects of system control, methane concentration were analyzed. A membrane biogas upgrade system was considered for the comparison. In particular, I found the followings: first, the biogas power generation systems showed the optimal system scales to provide the maximum NPVs according the seasonal changes; second, the economics and the system were very sensitive to changes in the biogas methane ratio, electricity prices; and third, in Korea, where electricity prices are low and natural gas prices are high, the competitiveness of power generation system is very low compared to a system that sells biogas directly. For hybrid systems using biogas, its economic feasibility was very low compared to its sales. Thus, it is necessary to expand the subsidy of investment or assistance with operation cost from the government in order to expand power production using biogas.
The supply rate goal for new and renewable energy has been set to 20% by 2030 through the expansion of biogas production. Due to the goal to reduce CO2 and greenhouse gas emissions by 37% below the business-as-usual (BAU) level of 851 million by 2030 was set by the Korean Government, a significant amount of attention has been paid to clean energy-related research and development and projects related to reducing greenhouse gas emission. The target sewage and food waste treatment facility produces biogas through the anaerobic digestion of sludge. But biogas from the corresponding treatment facility is not used for the purpose of energy production and is incinerated only to raise the temperature of the digester. This study aims to conduct a performance evaluation of various hybrid systems such as micro gas turbine (MGT), solid oxide fuel cell (SOFC) and Organic Rankin Cycle (ORC) using actual biogas operation data that processes food wastes and sewer sludge, analyzes thermal economic feasibility, and suggests data on greenhouse gas reduction in terms of power production viewpoints. Thermoeconomics of a biogas fueled MGT, MGT/ORC, SOFC, SOFC/MGT has analyzed. Hybrid systems were designed for heating a digester using heat in the exhaust gas. For the MGT and SOFC, a series of multi-unit systems was considered, and the partial-load performance was derived from the performance curves. For ORC, an exergy-optimized cycle was firstly designed using n-pentane which is a widely used working fluid then the partial-load performance was analyzed. The economic parameters were expressed based on the system size. I analyzed the system economics based on the annual utilization ratio (the produced power to the available maximum power) and the net present value (NPV). The effects of system control, methane concentration were analyzed. A membrane biogas upgrade system was considered for the comparison. In particular, I found the followings: first, the biogas power generation systems showed the optimal system scales to provide the maximum NPVs according the seasonal changes; second, the economics and the system were very sensitive to changes in the biogas methane ratio, electricity prices; and third, in Korea, where electricity prices are low and natural gas prices are high, the competitiveness of power generation system is very low compared to a system that sells biogas directly. For hybrid systems using biogas, its economic feasibility was very low compared to its sales. Thus, it is necessary to expand the subsidy of investment or assistance with operation cost from the government in order to expand power production using biogas.
주제어
#biogas MGT SOFC hybrid power system performance economic analysis
학위논문 정보
저자
김선희
학위수여기관
부산대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
기계공학부
지도교수
김경천
발행연도
2018
총페이지
v, 96 장
키워드
biogas MGT SOFC hybrid power system performance economic analysis
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