선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 연료전지 기반 에너지저장 시스템의 원료 채취 및 부품생산, 제조, 설치 및 운영까지, 전과정 동안에 발생되는 환경영향에 대하여 전과정평가(life cycle assessment, LCA)를 수행하여 정량적으로 평가함으로써 환경성 및 에너지 효율성을 규명하고자 한다.
- 본 연구를 통하여, 연료전지와 이차전지 에너지 저장 시스템들의 환경성을 평가하고 에너지 효율성을 분석하였다.
- 본 연구의 에너지 저장시스템인 연료전지와 이차전지들에 대하여 투입되는 에너지와 소비자에게 전달되는 에너지(총 에너지, 전기 에너지)를 기반으로 에너지 효율성을 평가하였다.
- 연료전지 시스템은 전기와 열을 동시에 생산하는데 본 연구에서 기능단위로 선정된 1 MJ의 전기 생산과 관련된 환경영향을 계산하기 위하여 전기와 열 사이에 에너지를 기준으로 할당을 수행하였다. 할당계산 과정은 Table 5에 나타냈으며, 계산된 전기의 할당인자는 MCFC와 PEMFC가 각각 0.
가설 설정
- • 연료전지 시스템의 열 발생량은 스택의 효율저하와 상관없이 유지되며, 발생된 열은 70% 사용하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 각 대상 시스템의 운영 단계에 대해서는 현장 데이터를 사용하는 것을 원칙으로 하였으며, 원료 취득과 제품의 폐기 등과 같은 상위 및 하위공정의 기술계 흐름에 대해서는 공개된 일반데이터를 적용하였다.
- 각 연료전지 시스템별 사양은 Table 1에 나타냈다. 대상 MCFC 및 PEMFC 시스템은 각각 시간당 2,500 kW와 1 kW를 생산할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 두 시스템은 FC, MBoP (mechanical balance of plant)와 EBoP (electrical balance of plant)로 구성되어 있다. 본 연구에서는 FC, MBoP, EBoP를 시스템 경계 내에 포함하였으며 시스템의 수명은 20년으로 설정하였다.
- 의 전과정평가 연구에서 고려하고 있는 지구온난화와 자원고갈 영향범주를 평가대상 범주로 선정하였다. 또한 에너지저장 시스템으로서의 효율을 비교하기 위하여, 전과정 에너지 회수율16)과 전기적 에너지 회수율4)을 고려하였다. 고려한 주요 환경 이슈와 계산 방식은 Table 4와 같다.
- 선정된 MCFC와 PEMFC 시스템에 필요한 수소는 다양한 경로를 통해 생산, 제공될 수 있는데 본 연구에서는 Table 3과 같이 5가지의 수소 생산 방식을 연구에 적용하였다. 크게 화석연료 개질과 물분해로 구분할 수 있는데, 화석연료 개질 방식은 원료에 따라 NGSR(천연가스), LPGSR(액화석유가스), NSR(납사)로 구분하였으며, NSR 방식의 경우 중앙 집중 생산방식(centralized, C)과 분산 생산방식(station, S)으로 구분하였다.
- 제품 제조 단계에서는 제품 생산 시 투입되는 전기 및 도시가스 소비량 데이터를 측정하였으며, 투입되는 도시 가스량을 기반으로 연소에 의한 대기 배출물을 계산하였다. 설치와 테스트 단계에서는 연료전지 시스템의 특성에 맞게 컨디셔닝 혹은 테스트 공정을 고려해서 필요한 도시 가스량을 계산하였다. 운영 단계에서는 시간당 투입되는 도시 가스량을 기반으로 전기 및 열 생산량, 개질, 연소, 전기화학반응에서 발생되는 대기 배출물 양을 계산하였다.
- 연료전지 시스템의 제조단계에 대한 데이터는 현장 데이터를 직접 수집하였으며, 이를 토대로 각 부품 및 모듈을 구성하고 있는 원료의 재질 및 그 무게에 대한 정보를 분석하였다. 제품 제조 단계에서는 제품 생산 시 투입되는 전기 및 도시가스 소비량 데이터를 측정하였으며, 투입되는 도시 가스량을 기반으로 연소에 의한 대기 배출물을 계산하였다.
- 연료전지 시스템의 제조단계에 대한 데이터는 현장 데이터를 직접 수집하였으며, 이를 토대로 각 부품 및 모듈을 구성하고 있는 원료의 재질 및 그 무게에 대한 정보를 분석하였다. 제품 제조 단계에서는 제품 생산 시 투입되는 전기 및 도시가스 소비량 데이터를 측정하였으며, 투입되는 도시 가스량을 기반으로 연소에 의한 대기 배출물을 계산하였다. 설치와 테스트 단계에서는 연료전지 시스템의 특성에 맞게 컨디셔닝 혹은 테스트 공정을 고려해서 필요한 도시 가스량을 계산하였다.
- 이차전지는 충방전 시 발생되는 손실량을 Table 6과 같이 계산하여 적용하였다. 충방전 사이클은 500회로 설정하였으며, LFP와 Li-MH의 1회 충전시에 1,111 kWh와 1,428 kWh가 필요하므로 총 전기 수요량은 각각 5.55E+05 kWh와 7.14E+05 kWh이다. 방전 시에는 최초 전기 전달량이 1,000 kWh이며, 최초의 80%인 800 kWh 이하로 감소했을 때 배터리의 수명이 종료되는 것으로 간주하여, 그 평균인 900 kWh으로 선정하였다.
- 선정된 MCFC와 PEMFC 시스템에 필요한 수소는 다양한 경로를 통해 생산, 제공될 수 있는데 본 연구에서는 Table 3과 같이 5가지의 수소 생산 방식을 연구에 적용하였다. 크게 화석연료 개질과 물분해로 구분할 수 있는데, 화석연료 개질 방식은 원료에 따라 NGSR(천연가스), LPGSR(액화석유가스), NSR(납사)로 구분하였으며, NSR 방식의 경우 중앙 집중 생산방식(centralized, C)과 분산 생산방식(station, S)으로 구분하였다. 물분해는 국가 그리드 전기를 에너지원으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 방식이다6).
대상 데이터
- • 연료전지에 사용되는 도시가스의 밀도 및 열량은 한국가스공사에 공시된 저위발열량(LHV) 자료를(밀도: 0.7861 kg/Nm3, 9,420 kcal/m3, 39.4 MJ/m3) 활용하였다19).
- • 원료취득, 국가 그리드, 수송 등과 같은 상위흐름 데이터는 국가 LCI 데이터베이스17)와 Ecoinvent 데이터베이스18)를 활용하였다.
- 대상 MCFC 및 PEMFC 시스템은 각각 시간당 2,500 kW와 1 kW를 생산할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 두 시스템은 FC, MBoP (mechanical balance of plant)와 EBoP (electrical balance of plant)로 구성되어 있다. 본 연구에서는 FC, MBoP, EBoP를 시스템 경계 내에 포함하였으며 시스템의 수명은 20년으로 설정하였다. FC의 발전 시간은 연간 8,000시간으로 40,000시간의 수명을 보증하여, 20년간 총 4회 교체되는 것으로 적용되었다.
- 본 연구에서는 연료전지 기반의 에너지 저장 시스템으로 용융탄산염 연료전지 시스템(molten carbonate fuel cell, MCFC), 고분자 전해질 연료전지 시스템(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)을 선정하였고3-5), 이차전지로는 리튬인 산철 이차전지(LiFePO4, LFP)와 니켈수소 이차전지(Nickel-metal hydride, Ni-MH)를 선정하였다.
- 연료전지 시스템의 데이터는 2014년도 실제 국내 데이터를 수집하였으며, 이차전지의 경우 국내 데이터 수집이 불가능하여 일반 데이터(문헌 자료)를 기반으로 적용하였다.
- 환경성평가를 위하여 다양한 연료전지6-10)와 이차전지11-15)의 전과정평가 연구에서 고려하고 있는 지구온난화와 자원고갈 영향범주를 평가대상 범주로 선정하였다. 또한 에너지저장 시스템으로서의 효율을 비교하기 위하여, 전과정 에너지 회수율16)과 전기적 에너지 회수율4)을 고려하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 선정된 대상 시스템에 대한 환경성 및 에너지 효율성을 평가하기 위하여 전과정평가 방법론를 활용하였다.
- 에너지 효율성은 총 에너지 회수율(EROI), 전기적 에너지 회수율(ESOI)을 평가하였으며, Table 4에 기술된 계산식을 활용하였다. 에너지 회수율을 계산하기 위해 사용된 에너지 소비량 및 전기 전달량 정보는 다음 Table 7과 같으며, 이를 기반으로 계산된 에너지 회수율은 Table 8과 같다.
- 연료전지 시스템은 전기와 열을 동시에 생산하고 있는데, 기능단위로 설정된 1 MJ의 전기생산과 관련된 환경영향만을 고려하기 위하여 전과정평가에 대한 국제표준인 ISO 14040에 따라 모든 투입물과 산출물들을 전기와 열 사이에서 할당(allocation)을 수행하였다.
성능/효과
- 137 kg CO2 eq./MJ의 온실가스를 배출하는 우리나라 국가 그리드와 비교하여, 연료전지 시스템 기반의 에너지저장 시스템 중 납사를 이용하여 중앙 집중 방식으로 생산된 수소를 사용하는 연료전지 시스템, NSR(C)은 국가 그리드의 약 51.2% (PEMFC)~약 53.8% (MCFC)로 가장 적은 CO2를 배출하는 것으로 분석되었다. 그러나, NGSR(S), LPGSR(S), NSR(S), WE의 경로로 수소를 제공하는 연료전지 시스템들은 국가 그리드보다 많은 양의 CO2를 배출하는 것으로 확인되었다.
- 4 g Sb eq./kg H2으로 약 93.8%의 영향을 미쳤으며, 납사 개질 시 투입되는 전기의 영향이 약 6.1%로 도출되었다.
- WE에서 물 분해를 통해 수소 1 kg을 생산하기 위한 ADP 영향은 180 g Sb eq./kg H2이었으며, NGSR(S) 대비 약 2.8배의 ADP 영향을 미치는 것으로 나타났다. WE는 모든 다른 방식 대비 2배 이상의 ADP 영향을 미치는 것으로 결과가 도출되었다.
- 1) 1 MJ의 전기를 생산하는 과정에서 MCFC와 PEMFC의 경우에 NSR(C) 방식으로 생산된 수소를 사용하는 것이 국가 그리드 대비 가장 적은 온실가스를 배출하는 것으로 나타났다. 다음으로 NGSR(S), LFP, LPGSR(S), NSR(S), Ni-MH, WE 순으로 온실가스 배출량이 적은 것으로 나타났다.
- 2) 자원고갈 영향범주는 지구온난화와 다르게 MCFC와 PEMFC 모두 NGSR(S) 방식이 가장 낮은 자원고갈 영향을 나타내는 것으로 분석되었다. WE방식이 가장 높은 영향을 보여주고 있으며, 이차전지의 ADP에 대한 영향은 WE를 제외한 모든 연료전지 시스템과 국가 그리드에 비해 높은 영향을 나타내었다.
- 3) 지구온난화와 자원고갈이 모두 높게 나타나는 WE의 경우 물 분해를 위한 에너지원을 재생에너지로 변환하였을 때 환경성이 크게 좋아지는 것으로 분석되었다.
- 4) 에너지 효율 측면에서 대부분의 연료전지 시스템이 이차전지보다 효율적으로 나타났으나, WE의 경우는 이차전지보다 효율이 낮았다. 총 에너지 회수율인 EROI는 이차전지의 에너지 충전을 위해 국가 그리드 전기가 사용되므로 연료전지가 높은 효율을 보인다.
- Ni-MH는 충전을 위해 투입되는 전기에너지가 LFP보다 많아 효율이 LFP보다 떨어지는 것으로 분석되었다. ESOI가 가장 높은 방식은 NGSR(S) 연료전지 시스템으로 456% (MCFC)~351% (PEMFC)를 보이고 있으며, NSR의 경우, 중앙 집중 방식과 분산 방식 모두 약 165% (PEMFC)~약 210% (MCFC) 수준이었다.
- /MJ이다. GWP 영향 범주의 경우에는 NSR(C)가 가장 낮은 영향을 미쳤으나, ADP의 경우에는 NGSR(S) 경로로 생산한 수소를 사용하는 연료전지 시스템이 국가 그리드의 약 89.7% (PEMFC)~약 94.5% (MCFC)로 가장 적은 영향을 보였다. LPGSR(S), NSR(S), NSR(C), WE로 생산한 수소를 사용하는 연료전지 시스템은 국가 그리드보다 ADP에 더 많은 영향을 보였으며, 특히 WE를 사용한 방식은 국가 그리드 대비 약 2.
- 5% (MCFC)로 가장 적은 영향을 보였다. LPGSR(S), NSR(S), NSR(C), WE로 생산한 수소를 사용하는 연료전지 시스템은 국가 그리드보다 ADP에 더 많은 영향을 보였으며, 특히 WE를 사용한 방식은 국가 그리드 대비 약 2.4배(PEMFC)~약 2.5배(MCFC)의 ADP 영향을 미치는 것으로 나타났다. WE 방식의 경우에 물 분해를 통한 수소 생산의 ADP 영향이 전체 영향의 약 97%를 차지했으며, 그 외에 가압을 통한 수소 저장에서 약 2.
- MCFC와 PEMFC 시스템에서 GWP에 미치는 영향의 대부분은 에너지 전달을 위해 투입되는 원료(수소)를 생산할 때의 영향인 것으로 분석되었다. MCFC와 PEMFC 시스템 모두 WE 방식 다음으로 현장에서 생산하는 NSR(S)의 방식으로 수소를 생산할 때 GWP 영향이 크게 나타났으며 그 뒤로 LPGSR(S), NGSR의 영향이 큰 것으로 분석되었다.
- 연료전지 시스템의 ADP에 미치는 영향은 GWP와 동일하게 대부분이 에너지 전달을 위해 투입되는 원료(수소)를 생산할 때의 영향인 것으로 분석되었다. MCFC와 PEMFC에서 모두 WE에 이어 NSR(S) 방식이 두 번째로 크게 나타났으며 그 뒤로 LPGSR, NSR(C)의 순서로 나타났다.
- 반면에, 이차전지인 LFP와 Ni-MH는 투입되는 전기에너지 대비 약 81%와 63%를 다시 회수시킬 수 있는 것으로 분석되었다. Ni-MH는 충전을 위해 투입되는 전기에너지가 LFP보다 많아 효율이 LFP보다 떨어지는 것으로 분석되었다. ESOI가 가장 높은 방식은 NGSR(S) 연료전지 시스템으로 456% (MCFC)~351% (PEMFC)를 보이고 있으며, NSR의 경우, 중앙 집중 방식과 분산 방식 모두 약 165% (PEMFC)~약 210% (MCFC) 수준이었다.
- 5배(MCFC)의 ADP 영향을 미치는 것으로 나타났다. WE 방식의 경우에 물 분해를 통한 수소 생산의 ADP 영향이 전체 영향의 약 97%를 차지했으며, 그 외에 가압을 통한 수소 저장에서 약 2.6%의 영향이 발생되었고 원료 채취 및 부품 제조 단계의 경우 전체 영향의 약 0.2%를 차지하여 거의 영향이 없는 것으로 나타났다.
- 8배의 ADP 영향을 미치는 것으로 나타났다. WE는 모든 다른 방식 대비 2배 이상의 ADP 영향을 미치는 것으로 결과가 도출되었다. WE의 ADP 영향을 저감하기 위하여 에너지원을 국가 전기 그리드를 재생에너지인 태양광(Sc-Si)과 풍력으로 변경했을 때, 환경영향의 변화는 Fig.
- 2) 자원고갈 영향범주는 지구온난화와 다르게 MCFC와 PEMFC 모두 NGSR(S) 방식이 가장 낮은 자원고갈 영향을 나타내는 것으로 분석되었다. WE방식이 가장 높은 영향을 보여주고 있으며, 이차전지의 ADP에 대한 영향은 WE를 제외한 모든 연료전지 시스템과 국가 그리드에 비해 높은 영향을 나타내었다.
- 5배(MCFC)의 CO2를 배출하는 것으로 나타났는데, WE를 통한 수소 생산과정에서 GWP에 대한 연료전지 시스템 전체 영향의 약 97%를 차지하고 있다. 그 외에 가압을 통한 수소 저장에서 약 2.6%의 영향이 발생되며, 원료 채취 및 부품 제조 단계의 경우 전체 영향의 약 0.2%를 차지하여 거의 영향이 없는 것으로 나타났다.
- 8% (MCFC)로 가장 적은 CO2를 배출하는 것으로 분석되었다. 그러나, NGSR(S), LPGSR(S), NSR(S), WE의 경로로 수소를 제공하는 연료전지 시스템들은 국가 그리드보다 많은 양의 CO2를 배출하는 것으로 확인되었다. 특히 WE 방식은 국가 그리드 대비 약 2.
- 1) 1 MJ의 전기를 생산하는 과정에서 MCFC와 PEMFC의 경우에 NSR(C) 방식으로 생산된 수소를 사용하는 것이 국가 그리드 대비 가장 적은 온실가스를 배출하는 것으로 나타났다. 다음으로 NGSR(S), LFP, LPGSR(S), NSR(S), Ni-MH, WE 순으로 온실가스 배출량이 적은 것으로 나타났다.
- 반면에 2차전지의 경우 9% (LFP) 및 7% (Ni-MH)로 매우 낮은 에너지 회수율을 보이는데 이는 전기를 생산하는 많은 화석에너지가 투입되기 때문이다. 또한, WE 방식의 경우에는 수소를 생산하기 위해 투입되는 전기로 인해 이차전지의 경우보다도 낮은 에너지 효율을 보였다.
- 총 에너지 회수율인 EROI는 이차전지의 에너지 충전을 위해 국가 그리드 전기가 사용되므로 연료전지가 높은 효율을 보인다. 또한, 전기적 에너지 회수율인 ESOI의 경우에도 연료전지 시스템에서 수소를 생산하기 위해 투입되는 원료(LPG, NG, 납사)의 feedstock 에너지가 전기 에너지로 전환되므로 순수 전기만을 사용하는 이차전지에 비해 높은 것으로 분석되었다.
- 자체적으로 함유하고 있는 에너지가 수소를 생산하고 이를 전기 에너지로 변환시키기 때문에 투입되는 전기 에너지 대비 더 많은 전기에너지가 생성되기 때문이다. 반면에, 이차전지인 LFP와 Ni-MH는 투입되는 전기에너지 대비 약 81%와 63%를 다시 회수시킬 수 있는 것으로 분석되었다. Ni-MH는 충전을 위해 투입되는 전기에너지가 LFP보다 많아 효율이 LFP보다 떨어지는 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서는 단결정 실리콘 태양전지 시스템 보다 풍력 시스템을 도입했을 때 GWP 저감 효과가 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 이 때, 기존대비 96.
- 연료전지 시스템의 ADP에 미치는 영향은 GWP와 동일하게 대부분이 에너지 전달을 위해 투입되는 원료(수소)를 생산할 때의 영향인 것으로 분석되었다. MCFC와 PEMFC에서 모두 WE에 이어 NSR(S) 방식이 두 번째로 크게 나타났으며 그 뒤로 LPGSR, NSR(C)의 순서로 나타났다.
- 연료전지의 시스템의 EROI는 WE의 경우를 제외하고 약 33~41%로 투입되는 총 에너지 대비 1/3 가량의 에너지가 회수되는 것으로 분석되었다. 반면에 2차전지의 경우 9% (LFP) 및 7% (Ni-MH)로 매우 낮은 에너지 회수율을 보이는데 이는 전기를 생산하는 많은 화석에너지가 투입되기 때문이다.
- 본 연구에서는 단결정 실리콘 태양전지 시스템 보다 풍력 시스템을 도입했을 때 GWP 저감 효과가 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 이 때, 기존대비 96.7% (MCFC)~93.8% (PEMFC)까지 저감할 수 있는 것으로 나타났다.
- 이차전지인 LFP 및 Ni-MH는 1 MJ의 전기 전달을 위해 국가 그리드 대비 약 1.2배 및 약 1.6배의 GWP 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, 이는 충전 시에 필요한 전기가 주요 원인이었다.
- 4) 에너지 효율 측면에서 대부분의 연료전지 시스템이 이차전지보다 효율적으로 나타났으나, WE의 경우는 이차전지보다 효율이 낮았다. 총 에너지 회수율인 EROI는 이차전지의 에너지 충전을 위해 국가 그리드 전기가 사용되므로 연료전지가 높은 효율을 보인다. 또한, 전기적 에너지 회수율인 ESOI의 경우에도 연료전지 시스템에서 수소를 생산하기 위해 투입되는 원료(LPG, NG, 납사)의 feedstock 에너지가 전기 에너지로 전환되므로 순수 전기만을 사용하는 이차전지에 비해 높은 것으로 분석되었다.
- 그러나, NGSR(S), LPGSR(S), NSR(S), WE의 경로로 수소를 제공하는 연료전지 시스템들은 국가 그리드보다 많은 양의 CO2를 배출하는 것으로 확인되었다. 특히 WE 방식은 국가 그리드 대비 약 2.4배(PEMFC)~약 2.5배(MCFC)의 CO2를 배출하는 것으로 나타났는데, WE를 통한 수소 생산과정에서 GWP에 대한 연료전지 시스템 전체 영향의 약 97%를 차지하고 있다. 그 외에 가압을 통한 수소 저장에서 약 2.
- 7과 같다. 풍력으로 에너지원을 대체함으로써 기존 그리드 대비 약 96.9% (MCFC)~96.3% (PEMFC)의 저감 효과를 얻을 수 있는 것으로 분석되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.