[논문]거대조류 바이오매스로부터 생산된 바이오가스를 사용하는 연료전지 기반 열병합발전의 타당성 검토

유준

doi:10.7464/ksct.2018.24.4.357

거대조류 바이오매스로부터 생산된 바이오가스를 사용하는 연료전지 기반 열병합발전의 타당성 검토
Feasibility of Combined Heat and Power Plant based on Fuel Cells using Biogas from Macroalgal Biomass 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.24 no.4, 2018년, pp.357 - 364

초록
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미세조류 및 거대조류 등 3세대 바이오매스로부터 바이오가스를 생산하는 연구는 다양한 규모의 실험을 통해 수행된 바 있다. 이 논문에서는 3세대 바이오매스 중 거대조류, 즉 해조류 바이오매스로부터 유래된 바이오가스를 이용하는 복합 열병합 발전의 상용화 가능성을 살펴보았다. 이를 위해 고체산화물 연료전지와 가스터빈, 그리고 유기랭킨사이클로 이루어진 산업 스케일의 통합 열병합발전을 상용 공정모사기를 이용하여 설계, 모사하였고, 계산된 열 및 물질수지를 통해 장치의 가격을 추정하고 경제성을 분석하였다. 모사 결과 설계된 열병합발전 공정은 시간당 62.5톤의 건조 갈조류 원료로부터 생산된 36톤의 바이오가스를 이용하여 68.4 MW의 전력을 생산한다. 이 결과를 토대로 다양한 시나리오에 대해 경제적으로 평가하고 균둥화 발전비용(levelized electricity cost, LEC)을 계산하였는데, SOFC의 수명이 5년, 스택 가격이 $$225kW^{-1}$일 때 LEC는 12.26 ¢ $kWh^{-1}$로 기존의 고정 발전과 동등한 수준으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Studies on the production of biogas from third generation biomass, such as micro- and macroalgae, have been conducted through experiments of various scales. In this paper, we investigated the feasibility of commercialization of integrated combined heat and power (CHP) production using biogas derived from macroalgae, i.e., seaweed biomass. For this purpose, an integrated CHP plant of industrial scale, consisting of solid oxide fuel cells, gas turbine and organic Rankine cycle, was designed and simulated using a commercial process simulator. The cost of each equipment in the plant was estimated through the calculated heat and mass balances from simulation and then the techno-economic analysis was performed. The designed integrated CHP process produces 68.4 MW of power using $36ton\;h^{-1}$ of biogas from $62.5ton\;h^{-1}$ (dry basis) of brown algae. Based on these results, various scenarios were evaluated economically and the levelized electricity cost (LEC) was calculated. When the lifetime of SOFC is 5 years and its stack price is $$225kW^{-1}$, the LEC was 12.26 ¢ $kWh^{-1}$, which is comparable to the conventional fixed power generation.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Economic parameters for discounted cash flow analysis
표 Table 2. Biogas composition used in simulation
그림 Figure 1. Process flow diagram of the proposed CHP process.
표 Table 3. Main simulation results
표 Table 4. Process electricity distribution
그림 Figure 2. Total installed cost breakdown for the SOFC-GT-ORC system.
표 Table 5. LEC for each scenario
표 Table 6. Biogas-powered Turbo-generator vs. SOFCs-GT-ORC (scenario II)
표 Table 7. Plant cost worksheet (in 2016 dollar value)
그림 Figure 3. Cost contribution details from each process area to the levelized electricity cost for scenario III.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 거대조류의 혐기성 소화, SOFC, 가스 터빈(gas turbine, GT) 및 유기 랭킨사이클(organic Ranking cycle, ORC)을 결합한 최신 CHP 공정의 설계, 최적화 및 기술-경제성 분석에 중점을 두고자 한다. 또한 이 연구는 SOFC 기술발전에 맞게 현재와 미래의 CHP 공정에 대한 몇가지 현실성 있는 기술-경제성 시나리오에 대해서 SOFC의 성능을 분석하고 예측하고자 한다.
SOFC를 포함한 바이오 가스를 사용하는 연료전지 기반 CHP 공정의 선행 연구를 살펴보았을 때, 경제성 분석에서 SOFC의 수명을 제대로 고려하지 않거나, 바이오 가스 세정을 고려하지 않는 등 CHP 가능성 타진이 미흡한 연구가 대부분이었다. 이 연구는 거대조류의 혐기성 소화, SOFC, 가스 터빈(gas turbine, GT) 및 유기 랭킨사이클(organic Ranking cycle, ORC)을 결합한 최신 CHP 공정의 설계, 최적화 및 기술-경제성 분석에 중점을 두고자 한다. 또한 이 연구는 SOFC 기술발전에 맞게 현재와 미래의 CHP 공정에 대한 몇가지 현실성 있는 기술-경제성 시나리오에 대해서 SOFC의 성능을 분석하고 예측하고자 한다.

가설 설정

시나리오 II에서는 첫 번째 스택의 수명은 3년으로 동일하나 두 번째 새로운 스택으로 교체 시보다 현실적으로 DOE의 SOFC 연구목표를 고려하여 연장된 5년의 수명을 갖는 것으로 가정하였다(공장 수명 8년). 마지막으로 시나리오 III에서는 2025년 DOE 목표인 5년의 스택 수명을 기본으로 하여 10년의 공장 수명 동안 스택을 1번 교체하는 것으로 가정하였다.
현재의 SOFC 스택은 약 3년의 수명을 가지고 있기 때문에, 시나리오 I에서는 이 수명을 기본으로 하여 스택을 3년마다 교체하는 것으로 가정하였다(공장 수명 9년). 시나리오 II에서는 첫 번째 스택의 수명은 3년으로 동일하나 두 번째 새로운 스택으로 교체 시보다 현실적으로 DOE의 SOFC 연구목표를 고려하여 연장된 5년의 수명을 갖는 것으로 가정하였다(공장 수명 8년). 마지막으로 시나리오 III에서는 2025년 DOE 목표인 5년의 스택 수명을 기본으로 하여 10년의 공장 수명 동안 스택을 1번 교체하는 것으로 가정하였다.
현재의 SOFC 스택은 약 3년의 수명을 가지고 있기 때문에, 시나리오 I에서는 이 수명을 기본으로 하여 스택을 3년마다 교체하는 것으로 가정하였다(공장 수명 9년). 시나리오 II에서는 첫 번째 스택의 수명은 3년으로 동일하나 두 번째 새로운 스택으로 교체 시보다 현실적으로 DOE의 SOFC 연구목표를 고려하여 연장된 5년의 수명을 갖는 것으로 가정하였다(공장 수명 8년).

제안 방법

공장의 원료인 바이오매스(다시마, 수분 함량 20 중량%)의 전처리 및 운송 가격은 바이오매스 구매 가격에 포함된다고 가정한다. 본 연구에서 사용한 바이오가스 생산 공정은 Fasahati et al. [3]에 의해 설계된 혐기성 소화 공정으로, 62,500 kg h^-1의 갈조류를 사용하여 주 생성물로 36,350 kg h^-1의 바이오가스를 생산하고 부산물로 33,150 kg h^-1의 소화 잔류물을 생산하여 비료로 판매할 수 있도록 설계되었다. 바이오가스 공급 흐름에 사용된 바이오가스의 조성은 Table 2에 정리하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 SOFC 모델은 Siemens-Westinghouse의 관형 SOFC를 기반으로 하였다[15,16]. 연료전지의 연료로는 해조류 바이오가스를 사용하였는데, 바이오가스는 SOFC에 공급되기 전에 전처리 되어야 한다. 전처리된 바이오가스는 SOFC의 예비 개질기(pre-reformer)로 공급되는데, 양극에서 탄소 형성을 방지하기 위해 양극 배기가스의 재순환 속도를 조절하여 예비 개질기 내의 스팀과 탄소의 비율을 약 2.

이론/모형

이 공정을 분석하는데 사용된 기술-경제성 모델은 미국의 국립 신재생 에너지 연구소(NREL)에서 개발한 모델을 기반으로 하였다[21]. 그리고 각 단위공정 장치의 가격 또한 계산되었는데, 압축기, 송풍기, 펌프, 열교환기의 구입가격은 Torton et al. [22]의 방법에 의해 계산되었다. GT의 가격은 Equation(17) [11], ORC의 가격은 Equation (18) [23]에 의해 계산되었다:
본 논문에서 사용한 SOFC 모델은 Siemens-Westinghouse의 관형 SOFC를 기반으로 하였다[15,16]. 연료전지의 연료로는 해조류 바이오가스를 사용하였는데, 바이오가스는 SOFC에 공급되기 전에 전처리 되어야 한다.
이 공정을 분석하는데 사용된 기술-경제성 모델은 미국의 국립 신재생 에너지 연구소(NREL)에서 개발한 모델을 기반으로 하였다[21]. 그리고 각 단위공정 장치의 가격 또한 계산되었는데, 압축기, 송풍기, 펌프, 열교환기의 구입가격은 Torton et al.

성능/효과

고려한 시나리오 I, II 및 III에 대해 LEC는 각각 33.45, 28.92 및 12.26 ¢ kWh^-1로 많은 차이를 보였다(Table 5). 스택 비용이 LEC 차이의 주요 원인이다.
상용 공정 모사기를 사용하여 이 CHP 시스템을 모사한 결과, 전기 효율은 68%로 기존의 고정 발전과 비교하여 상당히 높음을 확인하였다. 또한 공정 모사 결과인 물질 및 에너지 수지를 바탕으로 다양한 시나리오에 대해 기술-경제성 분석을 실시한 결과, SOFC의 수명과 가격에 대한 NREL의 목표(5년 수명, 스택 가격 $225 kW^-1)가 실현될 경우 SOFC-GT-ORC 통합 CHP 시스템은 수익성이 있음이 확인되었다.
이 연구에서는 해조류의 바이오가스를 연료로 사용하는 SOFC와 이를 기반으로 하는 CHP 공정의 설계와 그에 대한 상세 분석이 수행되었다. 이를 위해 62,500 kg h^-1의 갈조류로부터 36,350 kg h^-1의 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화공정에 20개의 SOFC 스택, GT, 그리고 ORC를 통합하여 68.4MW의 전력을 생산하는 CHP 시스템을 설계하였다. 상용 공정 모사기를 사용하여 이 CHP 시스템을 모사한 결과, 전기 효율은 68%로 기존의 고정 발전과 비교하여 상당히 높음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지의 장점은 무엇인가?	다른 기존의 고정발전(stationary power generation)과 비교할 때 연료전지는 연소 없이 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하고 열 및 수소를 동시에 생산하도록 구성될 수 있다[4]. 연료전지는 조용하고 연소 기반 발전기보다 높은 전기 효율을 제공할 뿐만 아니라, 탄화수소 오염 물질 배출량도 적다[5]. 여러 연료전지 중 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)는 가장 높은 온도(약 750 ~ 1,000 ℃)에서 운전되어, 이러한 과도한 열은 열병합발전(combined heat and power, CHP) 공정 내에서 활용되어 시스템 효율을 높이고 더 많은 전기를 생산하는데 가장 이상적이다.
	다시마의 혐기성 소화 공정에서 생산 된 가스는 주로 무엇을 포함하는가?	[3]은 산업 규모의 바이오 가스를 생산하는 다시마의 혐기성 소화 공정을 설계하고 모사하였다. 이러한 공정에서 생산된 가스는 주로 메탄(CH4), 이산화탄소 (CO2), 수소(H2) 및 물(H2O)을 포함하며, 터빈 발전기는 물론 연료 전지와 같은 발전 시스템용 연료로 활용될 수 있다.
	다시마를 원료로 사용할 경우 최대 얼마만큼의 바이오메탄을 얻을 수 있는가?	바이오매스의 여러 전환 경로 중 바이오 가스를 생산하는 혐기성 소화는 가장 오래된 생화학적 전환 경로 중 하나로서, 예전부터 기술이 상당부분 확립되어 사용되고 있다. 이 혐기성 소화를 통해 바이오매스로부터 바이오 메탄을 생산할 수 있는데, 다시마(Saccharina japonica)를 원료로 사용할 경우 최대 20,800 m3·ha-1·yr-1의 바이오 메탄을 얻을 수 있다. 이것은 옥수수 등 곡물계 바이오매스는 물론 다른 거대조류와 비교했을 때 매우 높은 수치이다[2].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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