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양방향수전해 기반 수소제조용 초고온스팀 생산시스템의 엑서지 분석
Exergy Analysis on the System of Superheated Steam (700℃, 3 atm) Production for the Reversible Electrolysis: Based Hydrogen Production 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.3, 2018년, pp.235 - 242  

한단비 (수원대학교 환경에너지공학과) ,  박성룡 (한국에너지기술연구원) ,  조종표 (한국에너지기술연구원) ,  백영순 (수원대학교 환경에너지공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Hydrogen can be produced by reforming reaction of natural gas (NG) and biogas, or by water electrolysis. In this study, hydrogen production through water-electrolysis needs superheated steam above $700^{\circ}C$ for high efficiency. The production method of hydrogen like this was recommen...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고온의 스팀을 이용하는 양방향 수전해방법으로 수소를 생산하는데 있어서, SRF 연소로의 열원으로부터 700℃의 수증기를 생산하는 네 가지 공정을 PRO/II를 이용하여 공정을 시뮬레이션하고, 이러한 시뮬레이션 결과로부터 엑서지 분석을 통하여 최적 공정을 선정하는데 있다.

가설 설정

  • 연소시스템 모델은1) 연소시스템의 설비는 정상 상태에서 운전된다.2) 모든 부품은 열 손실 없이 작동한다.3) 터빈과 과열기로 보내는 질량 유량비는 3:1로 하였다.
  • 2) 모든 부품은 열 손실 없이 작동한다.3) 터빈과 과열기로 보내는 질량 유량비는 3:1로 하였다.4) Turbine의 작동효율은 80%로 가정하였다7).
  • 3) 터빈과 과열기로 보내는 질량 유량비는 3:1로 하였다.4) Turbine의 작동효율은 80%로 가정하였다7).
  • ① 감압밸브에서 180℃, 3 bar 스팀으로 압력을 낮추고 과열기로부터 700℃, 3 bar 스팀을 생산하는 공정, ② 180℃, 7 bar 스팀을 과열기에 의한 700℃, 7 bar로 가열한 후 감압밸브로 700℃, 3 bar로 감압하는 공정, ③ 180℃, 7 bar 스팀을 400℃, 40 bar로 가압, 가열하여 스팀을 터빈을 통하여 전기를 생산하고, 남은 스팀은 감압밸브에 의하여 400℃, 3 bar로 감압한 후 과열기로 700℃, 3 bar로 가열하는 공정 그리고 ④ 180℃, 7 bar 스팀을 400℃, 40 bar로 가열, 가압한 후 스팀을 터빈을 통하여 전기를 생산하고, 남은 스팀은 과열기에 의하여 다시 700℃, 40 bar로 가열한 후 700℃, 3 bar로 감압하는 공정과 같이 네 가지로 나누어 공정을 분석, 실시하였다. 연소시스템 모델은1) 연소시스템의 설비는 정상 상태에서 운전된다.2) 모든 부품은 열 손실 없이 작동한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Exergy란 무엇을 의미하는가? 엑서지의 개념은 19세기말 Gouy, Stodola 등에 의하여 손실 일에 관한 연구로부터 시작되었으며, 1956년 Rant는 주어진 에너지에서 일로 변환 가능한 부분을 엑서지(exergy), 일로 변환 불가능한 부분을 아너지(anergy)라는 이름을 제안하였다4). Exergy는 고온이나 저온의 에너지원 상태로부터 우리가 생활하고 있는 환경까지 실질적으로 얻을 수 있는 일 형태의 최대 유효 에너지량을 의미한다. 엑서지는 어떤 계(system)가 열역학적 평형상태에 도달할 때까지 최대한 얻을 수 있는 일(work)의 양이다.
수소는 어떻게 생산할 수 있는가? 전 세계적으로 지구온난화, 환경오염 등의 문제로 연료 이용시 온실가스나 대기오염물질이 발생 되지 않아 청정에너지로 수소에너지가 주목받고 있다. 수소는 주로 천연가스, 바이오가스로부터의 개질반응을 통하여 생산하거나, 물로부터 전기분해를 통하여 생산하는 방법으로 나뉜다. 전기분해를 통하여 생산하는 방법에는 고온 수증기 전해법, 양성자 교환막전해법(proton exchanger membrane, PEM), 알칼리수전해법(alkailne electrolysis, AE) 등의 방법이 있다.
수소를 물로부터 전기분해를 통하여 생산하는 방법에는 무엇이 있는가? 수소는 주로 천연가스, 바이오가스로부터의 개질반응을 통하여 생산하거나, 물로부터 전기분해를 통하여 생산하는 방법으로 나뉜다. 전기분해를 통하여 생산하는 방법에는 고온 수증기 전해법, 양성자 교환막전해법(proton exchanger membrane, PEM), 알칼리수전해법(alkailne electrolysis, AE) 등의 방법이 있다. 이 중 고온수증기 전기분해법은 고체산화물연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)기술을 응용한 것으로 고체산화물전기셀(solid oxide electrolysis cell, SOEC)에서 700-900℃의 고온의 운전조건을 갖는다.
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참고문헌 (8)

  1. T. Lee, "Electrolysis equipment technology overview and Outlook", Journal of the Electric World, Special Issue March, pp. 14-17. 

  2. S. K. Woo, J. H. Yoo, and S. B. Moon, "High Efficiency Electrolysis", News & Information for Chemical Engineers, Vol. 27, No. 4, 2009, pp. 429-433. 

  3. M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Booettner, and M. B. Bailey, "Fundamentals of Engineering Thermodynamics", 4th edition, John Wiley & Sons., 2001. 

  4. D. J. Kim and D. B. Kim, "Consideration of exergy and exergy ratio on T-s chart of water", The Society of Air-conditioning and Refrigerating Engineers, 2009, pp. 0827-0832. 

  5. S. K. Yoon, "Exergy nalysis of LNG cold energy", The Society of Air-conditioning and Refrigerating Engineers, 2015, pp. 17-37. 

  6. J. Y. Yi and C. Lee, "The anlaysis on exergy Loss and its re- duction methods in steam desuperheating and depressurizing process", The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 18, No. 6, 2015, pp. 19-26. 

  7. G. S. Lee, "Design and exergy analysis for a combined cycle using LNG cold/hot energy", The Society of Air-conditioning and Refrigerating Engineers, 2005, pp. 285-296. 

  8. A. Ghannadzadeh, "Exergetic Balances and Analysis in a Process Simulator: A Way to Enhance Process Energy Integration", Institut National Polytechnique de Toulouse, France, 2012, pp. 33-55. 

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