본 논문에서는 $300m^3\;h^{-1}$급 수소 생산을 위한 글리세롤 수증기 개질반응에 대해 기술 경제성 평가를 수행하였다. 상업용 공정 설계 프로그램인 Aspen $HYSYS^{(R)}$를 이용하여 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 공정을 설계하였으며, 반응온도에 따른 수소 생산량의 차이를 비교 분석하였다. 또한, 항목별 경제성 평가, 민감도 분석, 현금흐름도를 통하여 경제성 평가를 진행하였으며, $300m^3\;h^{-1}$급 글리세롤 수증기 개질반응에서의 수소 생산 단가는 5.10 $ ${kgH_2}^{-1}$로 계산되었다. 수소 생산 단가에 영향을 끼치는 주요 인자를 파악하기 위해 민감도 분석을 실시하였으며, 수소 판매 단가에 따른 현금흐름도 분석을 통해 순현재가치, 할인회수기간, 현재가치율과 같은 다양한 경제성 인자를 파악하였다.
본 논문에서는 $300m^3\;h^{-1}$급 수소 생산을 위한 글리세롤 수증기 개질반응에 대해 기술 경제성 평가를 수행하였다. 상업용 공정 설계 프로그램인 Aspen $HYSYS^{(R)}$를 이용하여 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 공정을 설계하였으며, 반응온도에 따른 수소 생산량의 차이를 비교 분석하였다. 또한, 항목별 경제성 평가, 민감도 분석, 현금흐름도를 통하여 경제성 평가를 진행하였으며, $300m^3\;h^{-1}$급 글리세롤 수증기 개질반응에서의 수소 생산 단가는 5.10 $ ${kgH_2}^{-1}$로 계산되었다. 수소 생산 단가에 영향을 끼치는 주요 인자를 파악하기 위해 민감도 분석을 실시하였으며, 수소 판매 단가에 따른 현금흐름도 분석을 통해 순현재가치, 할인회수기간, 현재가치율과 같은 다양한 경제성 인자를 파악하였다.
In this paper, the techno-economic analysis of glycerol steam reforming for $H_2$ production capacity of $300m^3\;h^{-1}$ was carried out. The process of glycerol steam reforming was constructed by using Aspen $HYSYS^{(R)}$, a commercial process simulator, and parame...
In this paper, the techno-economic analysis of glycerol steam reforming for $H_2$ production capacity of $300m^3\;h^{-1}$ was carried out. The process of glycerol steam reforming was constructed by using Aspen $HYSYS^{(R)}$, a commercial process simulator, and parametric studies for the effect of the operating temperature on $H_2$ production was performed. Moreover, the economic analysis was conducted through an itemized cost estimation, sensitivity analysis (SA) and cash flow diagram (CFD), and the unit $H_2$ production cost was 5.10 $ ${kgH_2}^{-1}$ through the itemized cost estimation of glycerol steam reforming for $H_2$ production capacity of $300m^3\;h^{-1}$. SA was employed to identify key economic factors and various economic indicators such as net present value (NPV), discounted payback period (DPBP), and present value ratio (PVR) were found according to $H_2$ selling price using CFD.
In this paper, the techno-economic analysis of glycerol steam reforming for $H_2$ production capacity of $300m^3\;h^{-1}$ was carried out. The process of glycerol steam reforming was constructed by using Aspen $HYSYS^{(R)}$, a commercial process simulator, and parametric studies for the effect of the operating temperature on $H_2$ production was performed. Moreover, the economic analysis was conducted through an itemized cost estimation, sensitivity analysis (SA) and cash flow diagram (CFD), and the unit $H_2$ production cost was 5.10 $ ${kgH_2}^{-1}$ through the itemized cost estimation of glycerol steam reforming for $H_2$ production capacity of $300m^3\;h^{-1}$. SA was employed to identify key economic factors and various economic indicators such as net present value (NPV), discounted payback period (DPBP), and present value ratio (PVR) were found according to $H_2$ selling price using CFD.
위의 연구결과는 이론 및 실험적으로 글리세롤 수증기 개질반응의 가능성을 보여주지만, 이에 따른 경제성을 판별하는 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 상업적 공정 시뮬레이션 프로그램인 Aspen HYSYSⓇ를 이용하여 300 m3 h-1급 수소 생산을 위한 글리세롤 수증기 개질반응 공정을 설계하고, 설계한 공정에 관한 결과를 바탕으로 수소 단가 계산(unit H2 production cost), 민감도 분석(sensitivity analysis, SA), 현금흐름도(cash flow diagram, CFD)를 통한 경제성 평가를 진행하는 기술 ⋅경제성 평가(techno-economic analysis, TEA)를 수행하여 본 공정의 기술⋅경제적 타당성을 확인할 수 있는 지침을 제시하고자 한다.
제안 방법
300 m3 h-1급 수소 생산을 위한 글리세롤 수증기 개질반응에 대해 공정 설계와 설계한 결과를 바탕으로 경제성 평가를 동시에 진행하는 기술⋅경제성 평가를 진행하였다. 공정 설계는 상업용 공정 설계 프로그램인 Aspen HYSYSⓇ를 이용하였으며 이를 통해 온도에 따른 수소 생산량의 변동을 파악하였다.
급 수소 생산을 위한 글리세롤 수증기 개질반응에 대해 공정 설계와 설계한 결과를 바탕으로 경제성 평가를 동시에 진행하는 기술⋅경제성 평가를 진행하였다. 공정 설계는 상업용 공정 설계 프로그램인 Aspen HYSYSⓇ를 이용하였으며 이를 통해 온도에 따른 수소 생산량의 변동을 파악하였다. 시뮬레이션의 결과로 온도가 증가할수록 메탄의 생산량보다 수소의 생산량이 증가하였음을 확인하였으며, 이는 흡열반응에 기인한 것임을 확인하였다.
이론/모형
경제성 평가는 기존 공정 또는 새롭게 제안된 공정에서의 경제성 타당성을 확인하기 위해 수행하는 것으로써, 공정 시뮬레이션과 그에 따른 경제성 평가를 동시에 진행하는 기술⋅경제성 평가는 전 세계적으로 연구되고 있으며[14-18], 본 논문에서는 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 기술⋅경제성 평가를 수행하였다. 경제성 평가는 Turton 등[19]이 출판한 analysis, synthesis, and design of chemical processes의 경제성 평가 방법을 기반으로 진행하였다.
성능/효과
민감도 분석을 이용하여 ± 20%의 변동에 따른 수소 단가의 영향에 가장 큰 영향을 끼치는 경제성 인자는 반응물이며, 다음으로는 전기 비용과 천연가스 비용이었다. 또한, 각각의 수소 판매 단가 및 할인율에 대한 현금흐름도를 통하여 경제적인 타당성을 가지기 위한 5.00∼6.67 $ kgH2-1의 수소 판매 단가 구간을 도출하였으며, 6.67 $ kgH2-1의 수소 판매 단가를 적용하였을 때 경제적 타당성을 확인할 수 있는 경제성 인자인 순현재가치, 할인회수기간, 현재가치율을 할인율에 따라 분석하였다.
10 $ kgH2-1의 수소 단가를 계산하였다. 민감도 분석을 이용하여 ± 20%의 변동에 따른 수소 단가의 영향에 가장 큰 영향을 끼치는 경제성 인자는 반응물이며, 다음으로는 전기 비용과 천연가스 비용이었다. 또한, 각각의 수소 판매 단가 및 할인율에 대한 현금흐름도를 통하여 경제적인 타당성을 가지기 위한 5.
공정 설계는 상업용 공정 설계 프로그램인 Aspen HYSYSⓇ를 이용하였으며 이를 통해 온도에 따른 수소 생산량의 변동을 파악하였다. 시뮬레이션의 결과로 온도가 증가할수록 메탄의 생산량보다 수소의 생산량이 증가하였음을 확인하였으며, 이는 흡열반응에 기인한 것임을 확인하였다.
후속연구
본 논문의 글리세롤 수증기 개질반응을 이용한 수소 생산에 대한 공정 시뮬레이션 결과와 경제성 평가는 앞으로 수소 생산용 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 하나의 지침이 될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오매스란 무엇인가?
현재 파리협정으로 인한 온실가스 감축이 의무화됨에 따라 천연가스, 석유, 석탄과 같은 화석연료의 소모를 줄이기 위해 전 세계적으로 대체에너지에 관한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 여러 대체에너지 중 바이오매스(biomass)에 대한 관심이 증가하고 있다[1]. 바이오매스는 유기성 생물체를 총칭하는 말로 현재는 바이오에너지(bio-energy)를 만드는 데 쓰이는 원료를 의미한다. 바이오매스의 종류는 식물성기름, 미세조류(microalgae), 거대조류(macroalgae), 음식물쓰레기, 축산분뇨, 유기성폐수, 섬유성식물체 등과 같이 다양하며 이들은 다양한 공정을 거쳐 바이오디젤(bio-diesel), 바이오수소(bio-hydrogen), 바이오메탄올(bio-methanol), 바이오에탄올(bio-ethanol), 합성가스(syngas), 바이오오일(bio-oil) 등의 다양한 에너지원을 생산한다.
메탄 수증기 개질반응의 문제점을 보완한 수소생산 반응은 무엇인가?
전 세계적으로 수소 생산 방법의 48%를 차지하는[11] 메탄 수증기 개질반응은 반응의 최종 결과물로 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 생성하며, 반응을 위해 고온⋅고압을 요구하기 때문에 그에 따른 높은 운영비가 필요하다는 문제점이 대두되고 있다. 그에 반해 글리세롤 수증기 개질반응은 상대적으로 저온 및 대기압에서 반응하므로 운영비가 훨씬 절감되는 효과를 기대할 수 있다.
수소 생산 방법에는 어떠한 것들이 있는가?
본 논문에서는 저탄소사회 구축을 위한 바이오매스 이용과 미래 수소 사회로 나아가기 위한 수소 생산이 동시에 가능한 글리세롤 수증기 개질반응(glycerol steam reforming, GSR)[3-5]에 초점을 두었다. 수소 생산 방법에는 크게 메탄 수증기 개질반응[6], 수성가스 전환반응[7], 오일/나프타 개질반응[8], 석탄가스화[9], 수전해[10] 등이 있다. 전 세계적으로 수소 생산 방법의 48%를 차지하는[11] 메탄 수증기 개질반응은 반응의 최종 결과물로 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 생성하며, 반응을 위해 고온⋅고압을 요구하기 때문에 그에 따른 높은 운영비가 필요하다는 문제점이 대두되고 있다.
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