[논문]바이오가스 연료기반 연료전지발전 기술동향

이종규; 전재호; 이종연

[국내논문] 바이오가스 연료기반 연료전지발전 기술동향
Technology Trends of Fuel Cell Power Plant Based on Biogas Fuel 원문보기

이종규 (포항산업과학연구원(RIST) 환경에너지연구본부) , 전재호 (포항산업과학연구원(RIST) 연료전지연구단) , 이종연 (환경관리공단 바이오매스팀)

The target for the reduction of $CO_2$ emissions, as specified in the Kyoto Protocol, can only be achieved by an extended use of renewable fuels and the increasing of the energy efficiency. The energy generation from waste gases with a reasonable content of methane like biogas can significantly contribute to reach this target. A further reduction of greenhouse gas emissions is possible by increasing the electrical efficiency using progressive technologies. Fuel cells can be highly energy conversion devices. Utilizing biogas as the fuel for fuel cell systems offers an option that is technically feasible, potentially economically attractive and greenhouse gas neutral. High temperature fuel cells that are able to operate with carbon monoxide in the feed are well suited to these applications. Furthermore, because they do not require noble metal catalysts, the cost of high-temperature fuel cells has the greatest potential to become competitive in the near future compared to other types of fuel cells.

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문제 정의

그러므로 본고에서는 중대규모 에너지공급에 초점을 맞춰 바이오가스 연료기반의 연료전지발전 기술을 소개하고자 한다.
시작되었다. 이 프로젝트는 이태리의 Ansaldo FC 사와 독일의 CFC솔루션사의 1MW급 MCFC발전시스템을 대상으로 MCFC발전시스템을 위한 신개념의 바이오가스 정제 시스템개발을 목표로 하고 있다. 대상이 되는 바이오가스는 LFG와 ADG이며, 가스정제 공정개발은 BASF에서 주도하고 있다.
그러므로 연료전지의 단위부품개발 및 스케일업과 신개념의 바이오가스정제 공정개발을 통하여 바이오가스기반 연료전지의 총비용을 줄이고자 한다.
저온형 연료전지인 PEMFC와 PAFC에 대한 바이오가스 연료에 대한 연료전지 성능을 보고한 자료는 거의 찾아볼 수가 없어서 여기서는 고온형 연료전지인 MCFC와 SOFC로 한정하고자 한다.

제안 방법

3). 이 프로젝 트에는 독일, 오스트리아, 스페인 및 슬로바키아가 참여하였으며, Profactor사에서는 바이오가스중 함유된 H₂S 및 실록산을 제거하는 가스 정제공정인 Biotrickling filter을 개발하였으며, 독일 CFC솔루션사가 천연가스 연료로 개발한 250kW 급 MCFC 발전시스템의 내구성과 성능을 확인하였다.
연료전지는 45%의 전기효율과 40%의 열효율을 보이면서 220kW의 전력을 약 10, 000시간 동안 발전하였다. 또한 연료전지를 3000시간 운전 후 연료전지 배가스 성분분석결과 CO, NOx, SO₂가 Ippm이하이고, 배열을 회수하여 생산되는 온수 ( = 75℃)는 소화조 가온용으로 공급하였다.

대상 데이터

이 프로젝트는 이태리의 Ansaldo FC 사와 독일의 CFC솔루션사의 1MW급 MCFC발전시스템을 대상으로 MCFC발전시스템을 위한 신개념의 바이오가스 정제 시스템개발을 목표로 하고 있다. 대상이 되는 바이오가스는 LFG와 ADG이며, 가스정제 공정개발은 BASF에서 주도하고 있다.

성능/효과

포함되어 있다. 종전의 환경과 경제를 통합하는 환경관리에서 환경과 경제 그리고 에너지를 통합하는 3Es 패러다임을 채택하였다. 장래 화석연료의 고갈 및 지국온난화에 대비한 대체에너지의 개발.
설치하여 ADG를 연료로 운전하였다. Yonker 처리장은 세계 최초의 실증기로서 ADG정제공정 최적화에 많은 기간을 필요로 했지만, ADG내 불순물을 제거하는 가스정제공정 최적화, 연료전지와의 연동운전등에 많은 난관에 해결하느라가동율은 초기 조정 기간이 다소 영향을 주어 60%를 넘는 정도 이며 전기효율은 35%, 열병합효율은 87%를 달성하였다.
복합화가 보고되고 있으며, 다음과 같은 특징을 갖는다. 첫째로 바이오메탄은 천연가스 공급 시스템을 이용함으로써 생산지역에 상관없이 모든 지역에서 이용할 수 있고, 둘째로 황 성분이 적기 때문에 연료전지 모듈의 핵심 구성요소인 연료 개질 니켈촉매들에 대한 훼손을 방지할 수 있다.
연료전지에 공급되는 연료가스는 SMR를 거쳐 수소로의 메탄 전환율을 97%로 일정하게 하여 연료가스를 수소 및 기타 성분으로 개질하였다. 개질한 ADG의 성분은 39.17% H₂, 18.59% CO2, 9.1% CO및 0이고, 개질한 NG의 성분은 54.92% H₂, 6.9% CO2, 8.58% CO 및 0이다. Fig.
58% CO 및 0이다. Fig. 4에서 연료전지 특성은 연료전지의 연료이용률에 따라 NG와 바이오가스인 ADG의 전압이 감소하고 있지만, 연료 이용률이 증가할수록 NG보다 ADG가 우수한 특성을 보여주고 있다.

후속연구

열병합발전시설등의 계획을 수립하였다. 전국을 4대 권역(중부권 호남권, 동부권, 영남권)으로 나누어 각 권역내 지역특성에 따라 소규모의 지역형 개별시설인 "폐기물 에너지타운"을 신설하여 유기성 폐기물 바이오가스화 시설과 연계한 열병한 발전시설을 설치할 계획이다.
복합화하는새로운 개념의 에너지 이용 기술은 높은 잠재력을 가지게 될 것이다. 하지만 바이오가스를 연료로 사용하기 위해서는 가격이 저렴하고 성능이 우수한 바이오가스 정제공정, 바이오가스에 적합한 연료개질기와 같은 단위부품개발 및 바이오가스 기반의 연료전지 발전시스템 운전기술에 대한 국내고유 기술개발이 하루 빨리 이루어져야 할 것이다.

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