[논문]이산화탄소 배출을 최소화하는 용융탄산염 연료전지 하이브리드 시스템들의 성능 비교

안지호; 윤석영; 김동섭

doi:10.7316/khnes.2017.28.1.30

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Interests in fuel cell based power generation systems are on the steady rise owing to various advantages such as high efficiency, ultra low emission, and potential to achieve a very high efficiency by a synergistic combination with conventional heat engines. In this study, the performance of a hybri...

Interests in fuel cell based power generation systems are on the steady rise owing to various advantages such as high efficiency, ultra low emission, and potential to achieve a very high efficiency by a synergistic combination with conventional heat engines. In this study, the performance of a hybrid system which combined a molten carbonate fuel cell (MCFC) and an indirectly fired micro gas turbine adopting carbon dioxide capture technologies was predicted. Commercialized 2.5 MW class MCFC system was used as the based system so that the result of this study could reflect practicality. Three types of ambient pressure hybrid systems were devised: one adopting post-combustion capture and two adopting oxy-combustion capture. One of the oxy-combustion based system is configured as a semi-closed type, while the other is an open cycle type. The post-combustion based system exhibited higher net power output and efficiency than the oxy-combustion based systems. However, the semi-closed system using oxy-combustion has the advantage of capturing almost all carbon dioxide.

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문제 정의

MCFC를 기반으로 하는 시스템에서 이산화탄소포집을 고려한 다양한 연구가 수행되고 있지만 이를 반밀폐 순산소연소 사이클로 구성한 사례는 전무하다. 따라서 본 연구에서는 반밀폐 사이클로 설계된 MCFC/GT 하이브리드 시스템의 구성을 제안하였다. 또한 일반적인 순산소연소 기술 및 연소후 포집 방법을 적용한 시스템 등 총 4가지의 시스템들과 비교분석함으로써 각각의 특징을 확인하였다.

가설 설정

앞서 언급한 하이브리드 시스템 후단에 포집 공정을 추가함으로써 이산화탄소의 포집이 가능하다. MEA 공정에서 필요한 열은 저온 열교환기(Low Temperature Recuperator, LTR)로 공급하기 전 공기극 배기가스의 열을 일부 공급하는 것으로 가정하였다.
각 시스템은 동일한 비교를 위해 시스템 공급 유량과 연료전지 작동온도를 일정하게 유지하도록 하였다. 따라서 실제 연료전지를 구현 시 각각의 요구 조건에 따라 셀 내부를 새로 설계하는 것으로 가정할 수 있다.
또한 공기극 입구온도의 이산화탄소 함량이 증가함으로써 다른 시스템들에 비해 전압이 가장 높다. 위 두 가지 요인으로 인해 연료전지 출력이 기준 시스템보다 향상된다. 하지만 낮은 연소가스의 온도는 터빈 입구온도의 저하를 야기하고 또한 작동유체의 비열 증가는 터빈 출구온도의 상승을 초래하여 가스터빈 출력을 저하시킨다.

제안 방법

MGT의 출력은 기계효율, 발전효율, 전력 조정기(Digital Power Controller, DPC) 효율을 고려하였다. 각 시스템의 성능은 다음과 같이 나타내었다.
따라서 연료와 포집된 이산화탄소의 탄소 성분을 바탕으로 포집률을 구하였다. 각 시스템은 동일한 비교를 위해 시스템 공급 유량과 연료전지 작동온도를 일정하게 유지하도록 하였다. 따라서 실제 연료전지를 구현 시 각각의 요구 조건에 따라 셀 내부를 새로 설계하는 것으로 가정할 수 있다.
기준이 되는 MCFC 시스템은 입, 출구 조건이 공개되어 있는 제품 카탈로그를 활용하여 모델링하였다. 이밖에 부족한 설계변수는 선행연구¹¹⁾를 참고하였고, 계산된 성능이 Table 2에 나타낸 바와 같이 문헌값과 유사하게 되도록 결정하였다.
개질과정으로 인해 이산화탄소만의 함수로 포집률을 정의하기에는 무리가 있다. 따라서 연료와 포집된 이산화탄소의 탄소 성분을 바탕으로 포집률을 구하였다. 각 시스템은 동일한 비교를 위해 시스템 공급 유량과 연료전지 작동온도를 일정하게 유지하도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 반밀폐 사이클로 설계된 MCFC/GT 하이브리드 시스템의 구성을 제안하였다. 또한 일반적인 순산소연소 기술 및 연소후 포집 방법을 적용한 시스템 등 총 4가지의 시스템들과 비교분석함으로써 각각의 특징을 확인하였다.
본 연구에서는 상용화되어있는 2.5 MW급 MCFC 시스템을 바탕으로 이산화탄소 포집이 결합된 MCFC/GT 하이브리드 시스템을 모사하고 포집 방법에 따른 시스템 성능차이를 비교분석하였다.

대상 데이터

일부 부족한 설계변수와 구성에 대한 정보는 선행연구¹¹⁾를 참고하여 모델링하였다. 본 시스템은 프리컨버터, 내부개질기, 셀, 후연소기와 기타 부품으로 구성되어 있다. 외부로부터 공급되는 물은 배기가스와 열교환을 통해 가열된 후 증기상태로 연료와 혼합된다.
4에 나타내었다. 상압형 간접가열식 하이브리드 시스템¹²⁾으로 모델링 하였으며 압력비와 같은 200 kW급 소형 가스터빈(Micro Gas Turbine, MGT)의 주요 설계변수¹³⁾를 차용하였다. 하이브리드시스템에서 MCFC 부분은 단독 시스템과 유사하나 공기극으로 공기 공급 전 일렬의 과정들이 추가된다.
3에 기준이 되는 MCFC시스템을 나타내었다. 상용화 되어있는 2.5 MW급 MCFC 시스템의 제품카달로그에 제시되어 있는 입출구 조건을 사용하였다. 일부 부족한 설계변수와 구성에 대한 정보는 선행연구¹¹⁾를 참고하여 모델링하였다.
해석에는 상용 프로그램¹⁴⁾이 사용되었으며, 표준대기조건 즉, ISO대기조건(15^oC, 101.3kPa, 60% rel-ative humidity)이 사용되었다. 천연가스의 조성과 공급 조건들을 Table 1에 나타내었다.

데이터처리

2) 95%의 포집률을 바탕으로 하는 연소후 포집사이클과 역시 95% 포집율을 갖는 순산소연소 시스템, 그리고 100%에 가까운 포집이 가능한 반밀폐 시스템의 성능을 일반적인 하이브리드 시스템의 성능과 비교 분석하였다. 연소후 포집 기술을 적용한 시스템은 기준 시스템 대비 12.

이론/모형

Table 4에는 MEA공정과 CSU 그리고 ASU의 설계변수를 나타내었다. MEA공정은 문헌⁹⁾을 참고하여 모델링 하였다. 초기조건과 동일한 조건(포집률: 82-85%, CO₂: 3.
연소 및 반응에 필요한 산소량을 계산 한 후 완전한 반응을 위해 계산된 산소량의 3%를 추가로 공급하였다. 산소의 공급량에 따라 ASU의 소모되는 에너지는 문헌¹⁶⁾을 참고하였다.
이밖에 부족한 설계변수는 선행연구¹¹⁾를 참고하였고, 계산된 성능이 Table 2에 나타낸 바와 같이 문헌값과 유사하게 되도록 결정하였다. 시스템에서 일어나는 모든 반응은 온도, 압력 조건에 따라 깁스(Gibbs) 자유에너지 최소화 원칙에 따라 계산되었다. 흡열 개질 반응에 필요한 열을 공급할 정도로 MCFC의 작동온도가 충분히 높기 때문에 내부 개질을 고려하였다.
5 MW급 MCFC 시스템의 제품카달로그에 제시되어 있는 입출구 조건을 사용하였다. 일부 부족한 설계변수와 구성에 대한 정보는 선행연구¹¹⁾를 참고하여 모델링하였다. 본 시스템은 프리컨버터, 내부개질기, 셀, 후연소기와 기타 부품으로 구성되어 있다.

성능/효과

1) 이산화탄소 포집률이 상승할수록 연소후 포집을 적용한 시스템에서는 총출력이 향상되나 순산소연소 기술을 적용한 시스템은 저하된다. 포집률의 상승에 따라 모든 시스템들의 효율이 감소하지만 그 원인은 서로 다르다.
3) 본 연구 결과에 의하면 MCFC 하이브리드 시스템에서 연소후 포집기술을 적용시 가장 높은 성능을 보인다. 하지만 이산화탄소 분리를 위해 복잡한 화학공정이 요구되며 손실되는 화학물질을 지속적으로 보충해야 하는 문제가 있다.
Table 6에 기준이 되는 MCFC 하이브리드 시스템 및 연소후 포집, 순산소연소 기술을 적용한 시스템들의 성능을 나타내었다. 3.1절의 계산결과를 바탕으로 연소후 포집 및 순산소연소 기술을 적용한 시스템의 포집률은 95%일 때 성능을 나타내었으며, 순산소연소 기술 중 반밀폐 사이클로 구성된 시스템은 100%에 근접하게 이산화탄소 포집이 가능하다.
또한 증가한 미반응 연료는 터빈 입구온도를 상승시켜 가스터빈 출력을 향상시킨다. 따라서 총 출력이 기준시스템에 비해 12.1% 증가하지만 증가한 연료 및 CCS 소모동력으로 인해 효율은 9.2% 저하된다.
따라서 다른 시스템들과 비교하여 터빈 출력이 가장 낮다. 순산소연소를 위한ASU의 소모동력을 반영하여 총 출력은 기준 시스템보다 10.8% 감소하고 효율은 18.2% 저하된다.
MEA공정은 문헌⁹⁾을 참고하여 모델링 하였다. 초기조건과 동일한 조건(포집률: 82-85%, CO₂: 3.73mole-%, H₂O: 6.71mole-% 등)에서 요구되는 비에너지소모(specific energy consumption)가 3.409-3.636 MJ/kg-CO₂ (문헌: 3.4 - 3.65 MJ/kg-CO₂)로써 모델의 신뢰성을 확인하였다. CSU는 문헌¹⁰⁾에 따라 모델링하였으며 가압 및 응축과정을 거친 이산화탄소는 15,000 kPa, 60^oC의 액화상태로 저장된다.

후속연구

시스템 구성에 대한 본격적인 설명에 앞서 이산화탄소 포집 및 저장을 위한 주요 기기들을 먼저 다루고자 한다. 본 절에서 설명하는 주변기기들은 다음절에서 다룰 MCFC 기반 시스템에 적용할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS)기술은 어떻게 구분하는가?	이산화탄소 배출의 40%를 차지하고 있는 발전업계에서도 직접적인 이산화탄소 포집 기술을 적용함으로써 온실가스 배출 억제를 위해 노력하고 있다5). 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS)기술은 연소후 포집, 연소전 포집 그리고 순산소연소로 구분 가능하다6). 연소후 및 연소전 포집은 가스내 이산화탄소를 분리하기 위해 아민 기반의 흡수식 포집 공정을 사용한다.
	일반적인 열기관에서 고효율을 기대하기 어려운 이유는 무엇인가?	분산발전에 대한 관심이 증가하는 가운데 연료전지가 이 같은 수요에 적합할 것으로 기대되고 있다1). 일반적인 열기관은 여러 단계의 에너지변환을 거치기 때문에 고효율을 달성하기 어렵다. 그러나 연료전지는 화학 반응을 통한 직접적인 발전으로 기존의 열기관에 비해 높은 효율을 달성 가능하다.
	연료전지는 환경측면에서 어떠한 장점이 있는가?	그러나 연료전지는 화학 반응을 통한 직접적인 발전으로 기존의 열기관에 비해 높은 효율을 달성 가능하다. 또한 연소반응이 없기 때문에 이론적으로 SOx, NOx 그리고 미세먼지 같은 불필요한 물질이 배출되지 않는다. 연료전지는 전해질과 작동온도에 따라 여러 종류로 구분 가능하다.

참고문헌 (16)

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