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PEM 수전해를 이용한 P2G에 대한 경제적 타당성 분석

Economic Feasibility Analysis for P2G Using PEM Water Electrolysis

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.3, 2017년, pp.231 - 237  

정선주 (대구가톨릭대학교 신소재화학공학과) ,  최낙헌 ((주)엘켐텍) ,  문창환 ((주)엘켐텍) ,  문상봉 ((주)엘켐텍) ,  임한권 (대구가톨릭대학교 신소재화학공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

With worldwide efforts to increase the portion of renewable energy for $CO_2$ reductions, a lot of attention has been paid to P2G (power-to-gas) in Europe and Japan to efficiently utilize the surplus electricity. In this paper, economic feasibility analysis has been carried out for P2G us...

주제어

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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 잉여전력을 이용하여 수전해장치를 통해 생산된 수소와 메탄화반응기를 이용하여 생산된 메탄에 대해 300 Nm3h-1 규모를 기준으로 한국형 경제성 분석을 실시하였다. 또한, 향후 기술개발을 통한 수전해장치 및 메탄화반응기의 가격 절감 효과 및 잉여전력 사용으로 인한 낮은 전기 요금 효과를 적용하여 P2G로부터 생산되는 수소와 메탄이 국내시장에서 경쟁력을 가질 수 있는지에 대한 경제성 분석을 진행하였다.
  • 잉여전력은 소비하지 않으면 버려야하는 일회성 에너지이므로, 재생에너지의 공급량 증가로 인하여 발생될 수 있는 잉여전력을 적극적으로 활용할 수 있는 기술의 개발은 필수적이라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 최저 전기요금(KRW 20 kWh-1)을 가정할 경우에 대해 kg 당 수소 및 메탄 가격과 실제 사업 가능성을 분석하였다.
  • 본 논문에서는 잉여전력을 활용하여 수전해를 실시하고, 이를 통해 수소와 메탄을 생산하는 P2G 공정에 대한 경제성 분석을 수행하였다. 수전해로부터 생성된 수소와 이산화탄소가 반응하여 메탄을 생성하는 Sabatier reaction은 아래 식(1)과 같다.
  • . 알칼리 수전해장치는 현재 가장 값싸고 신용도가 높은 기술이지만 간헐 작동을 하는 PEM 수전해장치의 특성이 P2G 공정에 적합하여8) 본 논문에서는 PEM 수전해장치를 바탕으로 경제성 분석을 수행하였다.
  • 독일정부는 온실가스를 감축하기 위한 노력의 일환으로 2030년까지 1990년 온실가스 배출 대비 55% 감축을 제시하였고, 이를 달성하기 위해 화석연료에 비해 낮은 탄소배출을 발생시키는 재생에너지 사용 비율을 50%까지 증가시킨다는 계획을 발표하였다1). 우리나라 또한 온실가스 배출 감축을 위한 방안으로 정부는 2030년까지 재생에너지 사용 비율을 20%까지 증가시키는 것을 목표로 제시하였다. 이러한 세계적인 흐름에 편승하여 재생에너지 사용 비율을 늘리게 되면 필연적으로 잉여전력이 발생하게 되며, 이러한 잉여전력은 배터리에 저장되거나, 수전해장치를 통하여 새로운 물질로 전환될 수 있다.

가설 설정

  • 본 연구는 현금흐름도를 이용하여 본 공정을 실제로 실행하였을 때 얻을 수 있는 이익에 대하여 분석하였으며, 건설 기간은 2년, 프로젝트 수명을 10년, 세율은 30%라고 가정하였다. 운영 자본 투자금은 전체 자본 투자금의 15%라 가정하였고, 감가상각비는 수정된 조기원가회수제어(modified accelerated cost recovery system, MACRS)로 계산하였다.
  • 본 연구는 현금흐름도를 이용하여 본 공정을 실제로 실행하였을 때 얻을 수 있는 이익에 대하여 분석하였으며, 건설 기간은 2년, 프로젝트 수명을 10년, 세율은 30%라고 가정하였다. 운영 자본 투자금은 전체 자본 투자금의 15%라 가정하였고, 감가상각비는 수정된 조기원가회수제어(modified accelerated cost recovery system, MACRS)로 계산하였다. 300 Nm3h-1 규모의 수전해장치로 얻을 수 있는 연간 이윤은 KRW 1,048,248,350, 동일한 규모의 메탄화반응기로 얻을 수 있는 연간 이윤은 KRW 1,363,986,611로 앞서 언급한 Penner식과 KOGAS의 천연가스 도매요금 가격으로부터 계산하였다.
  • 본 연구에서는 전기요금의 변동에 따른 가격변동을 고찰하고자 kWh 당 KRW 20, KRW 40, KRW 60, KRW 80일 경우에 대하여 kg 당 가격을 추산하였다. 인건비의 경우, 300 Nm3h-1규모의 공정을 가동시키기 위해 정규직(KRW 41,000,000y-1) 1명이 필요하다고 가정하였고, 보수유지비와 기타 운영비는 선행 연구결과를 참고하여 각각 초기투자비의 2%, 1%로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
P2G 공정에서 가장 중요한 요소는 무엇인가? 수소와 메탄을 생성하기 위한 P2G 공정에서 가장 중요한 요소는 수전해장치로서 대표적으로 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane, PEM) 수전해장치와 알칼리(alkaline) 수전해장치를 들 수 있다7). 알칼리 수전해장치는 현재 가장 값싸고 신용도가 높은 기술이지만 간헐 작동을 하는 PEM 수전해장치의 특성이 P2G 공정에 적합하여8) 본 논문에서는 PEM 수전해장치를 바탕으로 경제성 분석을 수행하였다.
잉여전력을 저장하는 배터리 기술은 대규모로 운전될 경우 어떻게 되는가? 이러한 세계적인 흐름에 편승하여 재생에너지 사용 비율을 늘리게 되면 필연적으로 잉여전력이 발생하게 되며, 이러한 잉여전력은 배터리에 저장되거나, 수전해장치를 통하여 새로운 물질로 전환될 수 있다. 하지만 잉여전력을 저장하는 배터리 기술은 대규모로 운전될 경우 수많은 장애요소로 인해2) 곧바로 사용되지 않으면 버려지게 되므로 수전해장치를 통해 잉여전력을 최대한 활용하는 것이 좋다.
수소의 판매가격은 천연가스 가격을 기반으로 한 Penner식으로 추산하였는데 그 관계식은 어떻게 되는가? H2 cost = 0.286 × Natural gas price + 0.15       (3)
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참고문헌 (13)

  1. J. Schedlinsk, "Introduction to energy efficiency and renewable energies in the building sector in Germany", June 22nd, 2015. 

  2. The International Renewable Energy Agency (IRENA), "Battery storages for renewables: market status and technology outlook", IRENA, UAE, 2015. 

  3. A. Boretti, "Renewable hydrogen to recycle $CO_2$ to methanol", Int. J. Hydroen Energy, Vol. 38, No. 4, 2013, pp. 1806-1812. 

  4. A. K. Sayah and A. K. Sayah, "Wind-hydrogen utilization for methanol production: An economy assessment in Iran", Renewable Sustainable Energy Rev., Vol. 15, No. 8, 2011, pp. 3570-3574. 

  5. Y. Shibata, "Is power to gas feasible in Japan?", IEEJ, Japan, 2016. 

  6. G. Reiter and J. Lindorfer, "Evaluating $CO_2$ sources for power-to-gas applications - A case study for Austria", J. $CO_2$ Util., Vol. 10, 2015, pp. 40-49. 

  7. B. Gim, J. Kim, H. Ko, "Economic evaluation of domestic low-temperature water electrolysis hydrogen production", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 22, No. 4, 2012, pp. 559-567. 

  8. M. Kopp, D. Coleman, C. Stiller, K. Scheffer, J. Aichinger, B. Scheppat, "Energiepark Mainz: Technical and economic analysis of the worldwide largest Power-to-Gas plant with PEM electrolysis", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 42, No. 19, 2017, pp. 13311-13320. 

  9. C. Breyer, E. Tsupari, V. Tikka, and P. Vainikka, "Power-to-Gas an emerging profitable business through creating an integrated value chain", Energy Procedia, Vol. 73, 2015, pp. 182-189. 

  10. R. Turton, R. C. Bailie, W. B. Whiting, J. A. Shaeiwitz, and D. Bhattacharyya, "Analysis, synthesis, and design of chemical processes", Pearson, USA, 2013. 

  11. B. Lee, H. Chae, N. H. Choi, C. Moon, S. Moon, and H. Lim, "Economic evaluation with sensitivity and profitability analysis for hydrogen production from water electrolysis in Korea", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 42, No. 10, 2017, pp. 6462-6471. 

  12. http://www.x-rates.com/average/?from-EUR&toKRW&amount1&year2016. 

  13. A. Shafiee, M. Arab, Z. Lai, Z. Liu, and A. Abbas, "Modelling and sequential simulation of multi-tubular metallic membrane and techno-economics of a hydrogen production process employing thin-layer membrane reactor", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 41, No. 42, 2016, pp. 19081-19097. 

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