[논문]원자력 이용 고체산화물 고온전기분해 수소 및 합성가스 생산시스템의 열역학적 효율 분석 연구

윤덕주; 고재화

원자력 이용 고체산화물 고온전기분해 수소 및 합성가스 생산시스템의 열역학적 효율 분석 연구
A Study on Thermodynamic Efficiency for HTSE Hydrogen and Synthesis Gas Production System using Nuclear Plant 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.20 no.5, 2009년, pp.416 - 423

윤덕주 (전력연구원) , 고재화 (전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

High-temperature steam electrolysis (HTSE) using solid oxide cell is a challenging method for highly efficient large-scale hydrogen production as a reversible process of solid oxide fuel cell (SOFC). The overall efficiency of the HTSE hydrogen and synthesis gas production system was analyzed thermo-electrochemically. A thermo-electrochemical model for the hydrogen and synthesis gas production system with solid oxide electrolysis cell (SOEC) and very high temperature gas-cooled reactor (VHTR) was established. Sensitivity analyses with regard to the system were performed to investigate the quantitative effects of key parameters on the overall efficiency of the production system. The overall efficiency with SOEC and VHTR was expected to reach a maximum of 58% for the hydrogen production system and to 62% for synthesis gas production system by improving electrical efficiency, steam utilization rate, waste heat recovery rate, electrolysis efficiency, and thermal efficiency. Therefore, overall efficiency of the synthesis production system has higher efficiency than that of the hydrogen production system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

개발에 연구를 하고 있다. 본 논문은 iooo°c 에서 운전되는 초고온가스로와 300℃에서 운전되는 가압경수로 원전을 이용하는 수소 및 합성가스 생산시스템에 관한 열적 생산 효율을 향상시킬수 있는 방안을 제시하기위해 민감도 분석을 수행하였다.

성능/효과

이는 셀을 어떤 물질로 어떻게 제조하느냐 혹은 운전변수를 어떻게 조절하느냐에 따라 효율이 결정되나 대체로 60%~90% 에서 유지 할 수 있다. Fig. 1과 같이 분석 결과에 따른 전기분해효율은 VHTR의 경우 수소생산효율, 일산화탄소 생산효율, 합성가스 생산효율에 미치는 영향은 대체적으로 전기분해효율이 60%에서 90%까지 증가시킬 경우 생산효율은 13% 가량 증가한다. PWR의 경우 생산효율이 21%에서 32%로 증가한다.
Fig. 4에서 보는 바와 같이 발전효율이 33%에서 50%까지 변하는 동안 VHIR의 경우 34%에서 48%까지 상승하였으며 PWR의 경우 28%에서 42%로 상승하였다. 발전소 발전효율은 온도에 민감하게 변하며 온도는 재료 문제 등으로 인하여 쉽게 올릴 수 없다는 측면에서 전기효율 향상으로 수소 및 합성가스 총괄생산효율을 향상시킬 수 있는 여지는 많지가 않다.
고온전기분해 기술을 이용하여 수소 및 액체연료를 제조하는 과정의 열적 효율을 분석한 결과 기존 경수로 원전 및 초고온가스로에서 수소 및 합성가스 생산총괄효율에 미치는 영향은 발전효율이 가장 크며 그 다음으로 전기분해 효율, 열효율, 증기이용율, 폐열회수율 순으로 영향을 가져온다.
그러나 초고온가스로와 연결된 고온전기분해 수소생산시스템 총괄효율은 33%에서 여러 효율변수를 통해 효율향상을 꾀한 결과 58%까지 향상시킬수 있었다. 같은 시스템에서 합성가스는 62%까지 효율 향상이 가능했다.
발전효율을 제외한 여러 효율인자들을 향상시킬 경우 Fig. 8에서 나타낸 바와 같이 수소생산효율이 34%에서 58%까지 향상되고 합성가스 생산효율이 34%에서 62%까지 향상되는 것을 알 수 있다. 합성가스 생산효율이 더 높아지는 것은 Table 3에서 나타낸 바와 같이 수소에 비해 일산화탄소의 비가역적 에너지 대비 열적 에너지 비중이 더 높기 때문이다.
수전해 수소생산시스템 총괄효율은 발전효율 33%, 전기분해 67% 효율을 가정할 경우 21% 수준의 효율을 보인다.
재생사이클은 터빈을 나가는 고온의 가스를 이용해 열교환기로 유입되는 가스를 예열하는 방식으로 이루어져있다. 열적효율 분석결과에 따르면 최대효율은 압축기와 터빈의 각단의 압력비가 동일하게 유지될 때 이루어지는 것으로 나타났다. 즉, 재생사이클에서 각단의 압력비를 낮게 유지하여 여러 단으로 압축기를 설계할 경우 높은 효율을 낼 수 있는 것으로 나타났다0.

후속연구

따라서 총괄생산효율을 고려할 때 수소만 생산하는 것에 비해 일산화탄소를 동시에 생산하여 합성가스를 생산함으로서 생산효율도 높아지고 에너지 이용성 측면에서 액체연료로 사용할 수 있으므로 수소의 운송 및 저장의 어려움을 피해갈 수 있다. 또한 이러한 고체산화물형 고온 증기 전해기술은 이산화탄소의 자원화라는 측면에서 지구온난화에 대비할 수 있는 기술로서 각광을 받을 수 있으며 향후 전기와 수소와 합성액체연료를 한곳에서 생산하는 에너지 종합 파크 건설에 핵심적인 기술로 자리매김 할 수 있을 것이다.
따라서 효율 향상에 가장 많은 영향을 미치는 발전효율을 제외할 때 그 다음으로 가장 많은 영향을 미치는 것으로는 전기분해효율이다. 이는 전해조 구조설계, 전해조 셀 물질 개발, 운전 최적화 등으로 이루어질 수 있는 것으로서 향후 이러한 셀 물질개발 분야에 많은 연구가 이루어져 효율 향상과 경제성 확보에 한 걸음 더 나아 갈 수 있게 해야 할 것이다. 그 다음으로는 열효율, 증기 이용율및 폐열 회수 시스템 구축을 통해 효율을 향상시킬수 있는데 최적 열전달 시스템 구축, 증기 이용율향상을 위한 운전 최적화 및 셀 구조 개발 등을 통해 이룩할 수 있다.

참고문헌 (14)

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