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문제 정의
- 본 연구에서는 나프타 분해를 통해 생산되는 수소를 연료로 사용하는 연료전지자동차의 전과정에 대해 분석하였으며, 전과정온실가스(CO2, CH4, N2O 포함) 배출량을 계산하였다. Fig.
- 에 대한 분석 결과를 발표하였으며 이외에도 LPG, 전기발전, 바이오연료 등에 대한 연구를 동시에 진행하여 국내 상황에 특화된 종합적 인 분석을 수행하고 있다. 이번 연구에서는 최근 각광 받고 있는 수소 연료 전지 자동차에 대한 전과정적인 온실가스 발생량 분석 방법과 결과를 다루고 있다.
- 1에서의 Combustion technology share)에 따라 일괄적으로 분배되며, 각 기술 별로 주어진 온실가스 가중치인 배출계수 (Emission factors)가 곱해져 최종적인 온실가스량이 계산된다. 이에 따라서 아래 본문에서는 GREET 분석에 필요한 과정연료량과 과정연료에사용된연료를 위주로 제시하였다.
가설 설정
- 2의 energy.% 비율을 이용하였으며, 계산의 편의를 위해 나머지 209 GJ/hr은 전부 LPG로 가정하였다. 위의 가정을 통해 총 1046 GJ/hr에서 각각의 연료가 차지하는 연료량과 비율은 Table 3과 같다.
- 수도권으로 수소를 조달하는 유통업체 공장은 충청남도 서산시 대산읍에 위치해 있다. 각각의 수소 스테이션의 정확한 위치를 알기 어려운 관계로, 수도권에 있는 수소 충전소는 서울 시청에 위치해 있다고 가정하여 유통업체공장과의 거리를 이용해 평균값으로 이용하였다. 계산된 거리는 134 km이다.
- 시간당 생산되는 에틸렌에너지는 연단위로 생산되는 에틸렌의 질량과 에틸렌의 발열량을 통해 단위환산하여 나타내었다. 나프타 분해 공장은 24시간 가동되며 2~3년 중에 한 번 정도 점검을 위해 가동을 중단하므로 항시 가동된다고 가정하였으며, 이는 연단위의 에틸렌 생산량을 시간단위의 생산량으로 환산할 수 있게 한다.
- 180 bar의 카트리지로부터 수소충전소 저장탱크에 수소를 전달할 때는, 카트리지의 압력이 180 bar에서부터 정해져 있는 저압까지 떨어지게 된다. 따라서 본 연구에서는 카트리지 공급압력을 평균 100 bar로 가정하였고, 수소 저장탱크에는 450 bar로 저장되므로 압축기 출력압력은 450 bar로 놓고 압축기에서의 에너지 소모량을 계산하였다. 또한 차량탱크 압력을 산정함에 있어서, 현재 판매중인 FCEV모델인 투싼ix의 경우 충전압력이 700 bar이므로 충전시에 450 bar에서 700 bar로 가압하는 압축과정을 계산에 추가하였다.
- 유통업체로 운송된 수소는 저장용기에 저장되며, 이 과정에서 또한 압축기가 사용된다. 용기로 저장시의 입력압력과 출력압력은 각각 10 bar와 180 bar로설정하였다. 입출력 압력을 제외한 나머지 자료는 GREET 값을 참조하였다.
- 이때 분석을 위한 추가적인 가정으로, 837 GJ/hr을 차지하는 수소와 메탄 사용량은 각각 생산품의 에너지 구성비를 나타내는 표인 Table 1에 따라 2.6:14.2의 energy.% 비율을 이용하였으며, 계산의 편의를 위해 나머지 209 GJ/hr은 전부 LPG로 가정하였다.
- 전과정 분석에서는 이러한 연산 공정에 대해서 여러 가지 할당 방법을 적용하고 있으며, 본 논문에서는 그 중에서도 비교적 간단하면서도 공학적으로 의미가 있는 에너지 할당 방법을 적용하였다. 이러한 방법에서는 나프타 분해 공정에서의 과정연료 에너지 사용량이 각각의 생산품이 함유하는 에너지에 비례하여 분배되고 사용된다는 가정을 한다. 예컨대 에틸렌 생산량이 전체 생산품 에너지의 30 energy.
- 2 %가 남는다. 이렇게 남은 과정연료는 앞서 분해 과정에서의 과정연료와 마찬가지로 공정의 부산물로 취급하여 동일한 연료인 천연가스, 수소, LPG가 사용되며 같은 구성비를 갖는다고 가정하여 Table 3의 비율을 적용하여 분배하였다.
- Table 5를 통해 알 수 있듯이 NCC별로 생산된 에틸렌 양이 다르므로 각 공장에서 사용되는 과정연료량 또한 다르다. 이에 따라 Table 5의 NCC 에틸렌 생산량을 평균 내었을 때 만큼 에틸렌을 생산하였을시에 Table 2의 과정연료 양을 사용한다고 가정하였다. 평균에 대한 불확실성은 표본 신뢰도 90%의 오차범위를 두어 최종 결과의 Error bar로 나타내어 신뢰구간을 확보하였다.
- 15) 두 자료의 연도와 유통량 비율을 통해 석유화학공장에서 유통업체 공장까지의 수소 운송에 차지하는 파이프라인의 비중과 중요도가 점점 커지고 있다는 것을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 나프타 분해 공장과 수소 유통업체는 대체로 매우 가까이에 있다는 점에 착안하여, 이 둘 사이의 수소 운송은 전량 파이프라인을 통해 이뤄진다고 가정하였다. 특히 국내에서 가장 큰 나프타 분해 공장인 여천 NCC공장과 유통업체 공장인 덕양에너젠 여수공장 사이 거리는 약 3 km이며 이를 파이프라인 운송 거리로 사용하였다.
- 유통업체 공장에서 수소 충전소로 운반되는 수소의 운송방식은 모두 카트리지를 통해 이뤄지며 180bar로 가압된 기체 상태의 수소를 저장된 용기에 탱크로 담아 운송한다. 점보형 카트리지의 적재용량인 320 kg-H2/대로 수송한다고 가정하였으며10) 수송트럭의 연비는 GREET 값을 참조하였다.
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