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[국내논문] 퍼지기반 해양 미생물 이용 수소 제조 공정의 고장유형 및 영향분석
Fuzzy Based Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) of Hydrogen Production Process Using the Thermococcus Onnurineus NA1 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.4, 2018년, pp.307 - 316  

박성호 (고등기술연구원) ,  안준건 (한국과학기술원 기계공학과) ,  김수현 (고등기술연구원) ,  유영돈 (고등기술연구원) ,  장대준 (한국과학기술원 기계공학과) ,  강성균 (한국해양과학기술원)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the failure mode and effect analysis (FMEA) of hydrogen production process by using the Thermococcus onnurineus NA1 was conducted and advanced methodology to compensate the weakness of previous FMEA methodology was applied. To bring out more quantitative and precise FMEA result for bi...

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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 이러한 고장유형 및 영향분석(FMEA)을 통하여 해양 미생물 이용 수소 제조 공정의 단위 장치에 잠재적인 고장 원인을 식별 및 가정하여, 전체 해양 미생물 이용 수소 제조 공정에 미치는 영향을 분석하고, 고장 유형 중 상위 위험도를 가지는 요인에 대해서 설계 변경 및 보완을 수행하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 해양 미생물 이용 수소 제조 공정에 대한 잠재적인 고장 유형을 식별하고, 이들의 고장 영향을 평가하기 위한 고장유형 및 영향분석을 수행하였다. 또한 심각도, 발생빈도, 검출빈도의 불확실한 정보와 논리를 정량화하여 불확실성을 해소하기 위한 퍼지 논리를 도입하였으며, 심각도 평가의 객관성을 높이고자 ACCE를 통하여 도출된 전체 건설비용과 각 설비의 고장률을 바탕으로 잠재적인 손실비용을 산정하고 인명, 환경의 영향성을 반영하여 고장유형 및 영향 평가를 수행하였다.

가설 설정

  • 원소 u의 소속도가 1에 가까울수록 퍼지집합 Q에 속하는 정도가 높고 0에 가까울수록 속하는 정도가 낮음을 의미한다. 소속도에 따라 산출되는 퍼지수를 예측하기 위해서는 퍼지 형상 모델링이 필요하며 삼각형, 정규분포형, 사다리꼴형, 지수형 및 L-S형 퍼지 형상을 가정하여 모델링하는 것이 일반적이며, 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 퍼지수 Q가 폐구간(a, d)에서 정의되는 사다리꼴 형태로 가정하고 중심 C와 지지 S가 다음 식 (3)와 (4)를 만족하도록 퍼지 형상을 모델링한다20). 또한 Fig.
  • 뿐만 아니라 플랜트 분야에서는 플랜트 공정 설계 단계에서 운용상 발생 가능한 잠재적 고장 원인들을 사전에 식별하여 고장발생 이전에 제거, 보완을 통한 위험요소를 최소화시킬 수 있는 기법 중에 하나로 알려져 있다26,27). 이는 단일 고장 원인(베어링 파손, 침식, 부식, 누설 등)에 의한 고장 상태를 가정하고, 시스템 혹은 공정의 기능/성능에 미치는 영향을 분석한다. 고장 유형으로 분류된 요소에 대해서 심각도(severity)와 발생빈도(likelihood), 검출빈도(detectability)를 산정하고, 이를 통하여 위험도 우선순위(RPN)를 선정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수소에너지의 장점은? 반면 신에너지 중 지구상에서 가장 풍부하고, 다양한 에너지 자원으로부터 전환할 수 있는 수소에너지는 기존 화석연료 중심의 전력 변환 시스템의 큰 변화 없이 적용이 가능하기 때문에 미래에너지 대안으로 평가받고 있다1,2). 수소를 생산하는 방법은 태양광과 풍력 혹은 잉여 전력을 활용하여 수전해를 통하여 수소를 제조하는 기술과 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석 연료를 통하여 화학적 전환 기술로 크게 나뉜다.
수소를 생산하는 방법은? 반면 신에너지 중 지구상에서 가장 풍부하고, 다양한 에너지 자원으로부터 전환할 수 있는 수소에너지는 기존 화석연료 중심의 전력 변환 시스템의 큰 변화 없이 적용이 가능하기 때문에 미래에너지 대안으로 평가받고 있다1,2). 수소를 생산하는 방법은 태양광과 풍력 혹은 잉여 전력을 활용하여 수전해를 통하여 수소를 제조하는 기술과 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석 연료를 통하여 화학적 전환 기술로 크게 나뉜다. 재생에너지-수전해를 통하여 수소를 제조하는 기술의 경우, 높은 시설투자비와 낮은 가동률로 인하여 경제성이 결여될 수 있으며, 화석 연료를 통하여 수소를 제조하는 기술은 기존의 인프라를 활용하기 때문에 생산비용이 저렴하여 경제적이라 할 수 있다.
수소 제조 기술에서 해양 미생물을 촉매로 이용 시 발생하는 장점은? 해양 미생물 이용 수소 제조 기술은 촉매를 이용한 기존 수성가스 전환 반응 공정과 달리 상대적으로 낮은 온도(100℃ 미만)에서도 수성가스 전환 반응이 가능하고, 이에 따라 상대적으로 낮은 시설투자비가 요구된다. 뿐만 아니라 수성가스 전환 촉매에 비해서 상대적으로 저렴한 초고온성 고세균 균주인 Thermococcus onnurineus NA1을 최적 배양할 경우, 높은 가동률과 낮은 유지보수비용으로 수소 생산 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다15).
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참고문헌 (28)

  1. D. C. Jun, "A Study on Safety Policies for a Transition to a Hydrogen Economy", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 25, No. 2, 2014, pp. 161-172. 

  2. M. H. Son, S. W. Nam, and K. N. Kim, "The Role of Government to Supply Fuel Cell Electric Vehicle in Korea and Japan", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 27, No. 1, 2016, pp. 71-82. 

  3. G. Voitic, S. Nestl, K. Malli, J. Wagner, B. Bitschnau, F. A. Mautner, and V. Hacker, "High purity pressurized hydrogen production from syngas by the steam-iron process", The Royal Society of Chemistry, Vol. 6, 2016, pp. 53533-53541. 

  4. D. H. Kho, W. S. Cho, and Y. S. Baek, "A Study on the Reaction Optimization for the Utilization of CO2 and CH4 from Bio-gas", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 27, No. 5, 2016, pp. 554-561. 

  5. D. B. Han and Y. S. Baek, "A Simulation Study on the Synthesis of Syngas from mthe Reforming Reaction of Biogas", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 29, No. 1, 2018, pp. 1-10. 

  6. J. D. Mackaluso, "The use of syngas derived from biomass and waste products to produce ethanol and hydrogen", Microbiology and Molecular Genftics, Vol. 3, 2007, pp. 98-103. 

  7. S. Chianese, S. Fail, M. Binder, R. Rauch, H. Hofbauer, A. Molino, A. Blasi, and D. Musmarra, "Experimental investments of hydrogen production from CO catalytic conversion of tar rich syngas by biomass gasification", Catalysis Today, Vol. 277, 2016, pp. 182-191. 

  8. A. Paula, G. Peres, B. H. Lunelli, and R. M. Fllho, "Application of Biomass to hydrogen and Syngas Production", Chemical Engineering Transactions, Vol. 32, 2013, pp. 589-594. 

  9. M. S. Kim, H. N. Fitriana, T. W. Kim, S. G. Kang, S. G. Jeon, S. H. Chung, G. W. Park, and J. G. Na, "Enhancement of the hydrogen productivity in microbial water gas shift reaction by Thermococcus onnurineus NA1 using a pressurized bioreactor", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 42, 2017, pp. 27593-27599. 

  10. A. R. Choi, M. S. Kim, S. G. Kang, and H. S. Lee, "Dimethyl sulfoxide reduction by a hyperhermophilic archaeon Theroncoccus onnurineus NA1 via a cysteine cystine redox shuttle", Journal of Microbiology, Vol. 54, No. 1, 2016, pp. 31-38. 

  11. S. M. Lee, T. W. Kim, H. S. Lee, J. H. Lee, and S. G. Kang, "Statistical Optimization of Medium for Formate-driven Bio-hydrogen Production by Hyperthermophilic Archaeon, Thermococcus onnurineus", Ocean and Polar Research, Vol. 39, No. 4, 2016, pp. 269-277. 

  12. H. C. Jung, S. H. Lee, S. M. Lee, Y. J. An, J. H. Lee, H. S. Lee, and S. G. Kang, "Adaptive evolution of a hyperthermophilic archaeon pinpoints a formate transporter as a critical factor for the growth enhancement on formate", Scientific Reports, 2016. 

  13. H. J. Kim, S. Y. Kim, and J. Ahn, "Dynamic thermal design of 1-ton Class Bio-Hydrogen Production System Simulator Using Industrial Waste Heat and by-Products", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 29, No. 5, 2017, pp. 259-268. 

  14. S. H. Cho, M. S. Kim, Y. J. Jeong, B. R. Lee, J. H. Lee, S. G. Kang, and B. K. Cho, "Genome-wide primary transcriptome analysis of H2-producing archaeon Thermococcus onnurineus NA1", Scientific Reports, 2017. 

  15. S. H. Park, Y. D. Yoo, and S. G. Kang, "Economic Feasibility study for Commercial Production of Bio-hydrogen", Ocean and Polar Research, Vol. 38, No. 3, 2016, pp. 225-234. 

  16. N. Kasai, Y. Fujimoto, I. Yamashita, and H. Nagaoka, "The qualitative risk assessment of an electrolytic hydrogen generation system", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 41, 2016, pp. 13308-13314. 

  17. L. A. Zadeh, "Fuzzy sets", Information and Control, Vol. 8, No. 3, 1965, pp. 338-353. 

  18. D. Dubois and H. Prade, "Fundamentals of Fuzzy Sets", Springer, USA, 2000. 

  19. T. J. Ross, "Fuzzy Logic with Engineering Applications", 3rd ed, Wiley, USA, 2010. 

  20. G. D. Baek, S. S. Kim, S. P. Cheon, H. W. Suh, and D. H. Lee, "Prioritizing for Failure Mode of Dynamic Positioning System Using Fuzzy-FMEA", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 25, No. 2, 2015, pp. 174-179. 

  21. R. Nait-Said, F. Zidani, and N. Ouzraoui, "Modified risk graph method using fuzzy rule-based approach", Journal of Hazardous Materials, Vol. 164, 2009, pp. 651-658. 

  22. R. Nait-Said, F. Zidani, N. Ouzraoui, "Fuzzy risk graph model for determining safety integrity Level", International Journal of Quality, Statistics, and Reliability, Vol. 2008, 2008, pp. 1-12. 

  23. IMO, "Guidelines for Formal Safety Assessment for Use in the IMO Rule-Making Process", International Maritime Organization, London, 2002. 

  24. T. Tronstad, H. H. Astrand, G. P. Haugom, and L. Langfeldt, "Study on the use of fuel cells in shipping", DNV GL, Norway, 2017. 

  25. IMO, "International Code of Safety for High-Speed Craft (HSC Code), Annex 4 - Procedures for Failure Mode and Effects Analysis", The International Maritime Organization, 2000. 

  26. E. Adar, M. Ince, B. Karatop, and M. S. Bilgili, "The risk analysis by failure mode and effect analysis (FMEA) and fuzzy-FMEA of supercritical water gasification system used in the sewage sludge treatment", Journal of Environmental Chemical Engineering, Vol. 5, 2017, pp. 1261-1268. 

  27. J. K. Ahn, Y. L. Noh, S. H. Park, B. I. Choi, and D. J. Chang, "Fuzzy-based failure mode and effect analysis (FMEA) of a hybrid molten carbonate fuel cell(MCFC) and gas turbine system for marine propulsion", Journal of Power Sources, Vol. 364, 2017, pp. 226-233. 

  28. N. T. N. U. Sintef, "Offshore and Onshore Reliability Data", OREDA Handbook, 6th ed, DNV, Oslo, 2015. 

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