[논문]헬륨 냉동사이클을 이용한 수소액화 공정모사 연구

박회경; 박진수

doi:10.14478/ace.2019.1104

헬륨 냉동사이클을 이용한 수소액화 공정모사 연구
Simulation Study of Hydrogen Liquefaction Process Using Helium Refrigeration Cycle 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.2, 2020년, pp.153 - 163

박회경 (상명대학교 미래 환경.에너지 연구소) , 박진수 (상명대학교 미래 환경.에너지 연구소)

초록
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액체 수소는 기체 수소 부피의 약 1/800로 감소시킬 수 있어 동일 압력에서 기체 수소 대비 800배의 체적 에너지 밀도를 가지고 있고, 기체 수소에 비해 폭발 위험성이 낮고 수송이 용이하다는 장점이 있다. 하지만 수소 액화를 위해서는 대규모 시설투자가 필요하고, 단순 압축 저장방식에 비해 많은 에너지가 필요함으로써 경제성 문제가 수반된다. 따라서 에너지 절감형 수소액화공정 연구는 매우 중요하다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 수소 액화를 위한 주요 공정으로 헬륨/네온(몰 비 80 : 20) 냉동사이클을 선정하고 화학공정모사기 AVEVA 사의 PRO/II ver. 10.2를 이용하여 공정모사 및 에너지 사용량을 도출하였다. 수소 액화를 위해 헬륨/네온 냉동사이클만을 사용하는 경우, SMR+헬륨/네온 냉동사이클을 사용하는 경우, C3-MR+헬륨/네온 냉동사이클을 사용하는 경우 에너지 사용량을 상호 비교하였다. 그 결과 수소 1 kg을 액화하는데 소요되는 압축기 총 소요 동력은 각각 16.3, 7.03, 6.64 kWh이었다. 헬륨/네온 냉동사이클만을 사용하는 것보다 상용화되어 있는 SMR 공정이나 C3-MR 공정을 사용하여 예냉하는 경우 에너지를 크게 절감할 수 있는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Compared to gaeous hydrogen, liquid hydrogen has approximately 1/800 volume, 800 times higher volumetric energy density at the same pressure, and the advantage of lower explosion risk and easier transportation than gaseous hydrogen. However, hydrogen liquefaction requires larger scale facility investment than simple compression storage method. Therefore, the research on energy-saving hydrogen liquefaction processes is highly necessary. In this study, helium/neon (mole ratio 80 : 20) refrigeration cycle was investigated as the main refrigeration process for hydrogen liquefaction. Process simulation for less energy consumption were carried out using PRO/II with PROVISION V10.2 of AVEVA. For hydrogen liquefaction, energy consumption was compared in three cases: Using a helium/neon refrigerant cycle, a SMR+helium/neon refrigerant cycle, and a C3-MR+helium/neon refrigerant cycle. As a result, the total power consumptions of compressors required to liquefy 1 kg of hydrogen are 16.3, 7.03 and 6.64 kWh, respectively. Therefore, it can be deduced that energy usage is greatly reduced in the hydrogen liquefaction process when the pre-cooling is performed using the SMR process or the C3MR process, which have already been commercialized, rather than using only the helium/neon refrigeration cycle for the hydrogen liquefaction process.

주제어

표/그림 (22)

그림 Figure 1. A schematic diagram of hydrogen transport flow using a hydrogen station using liquid hydrogen.
그림 Figure 2. Vapor pressure prediction for H₂ using Peng-Robinson (original alpha function).
그림 Figure 3. A snap shot of alpha coefficients window in PRO/II showing availability of user parameters.
표 Table 1. The Coefficients for the Twu Alpha Function in Equation (5)
그림 Figure 4. Vapor pressures prediction H₂ using Peng-Robinson (Twu alpha function).
그림 Figure 5. A schematic diagram of the simulation method in this study.
표 Table 2. Conditions of Gaseous Hydrogen Products Produced by Natural Gas Reforming
그림 Figure 6. A schematic diagram of a hydrogen liquefaction process using only helium refrigerator.
표 Table 3. Heat and Material Balance for a Hydrogen Liquefaction Process Using Only Helium Refrigerator
그림 Figure 7. Composite curves of the heat exchanger E302 in a hydrogen liquefaction process using only helium refrigerator.
표 Table 4. Summary of the Simulation Results of a Hydrogen Liquefaction Process Using Only Helium Refrigerator
그림 Figure 8. A schematic diagram of a hydrogen liquefaction process using helium refrigerator and single mixed refrigerant.
표 Table 5. Heat and Material Balance for a Hydrogen Liquefaction Process Using Helium Refrigerator and Single Mixed Refrigerant
표 Table 6. Mixed Refrigerant Composition of Single Mixed Refrigerant
그림 Figure 9. Composite curves of the heat exchanger E204 and E302 in a hydrogen liquefaction process with single mixed refrigerant.
그림 Figure 10. A schematic diagram of a hydrogen liquefaction process using helium refrigerator and propane pre-cooled mixed refrigerant.
표 Table 7. Summary of the Simulation Results of a Hydrogen Liquefaction Process Using Helium Refrigerator and Single Mixed Refrigerant
표 Table 8. Heat and Material Balance for a Hydrogen Liquefaction Process Using Helium Refrigerator and Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant
표 Table 9. Mixed Refrigerant Composition of C3-MR
표 Table 10. Summary of the Simulation Results of a Hydrogen Liquefaction Process Using Helium Refrigerator and Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant
그림 Figure 11. Composite curves of the heat exchanger E201~E204 and E302 in a hydrogen liquefaction process with propane pre-cooled mixed refrigerant.
표 Table 11. Summary of the Simulation Results

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 예비냉장 없이 바로 헬륨/네온 냉동사이클만 사용하는 경우와 SRM 냉동사이클을 통해서 예비냉장하고 헬륨/네온 냉동사이클을 사용하는 경우, 마지막으로 C3-MR 냉동사이클을 통해서 예비냉장하고 헬륨/네온 냉동사이클을 사용하는 경우에 대해서 에너지 소모량을 비교함으로써 예비냉장 방식에 따른 에너지 절감 정도를 나타내고자 하였다.

제안 방법

20 MPa)로 만든 후, 차량을 이용해 수소 충전소로 운송한다. 그다음 증발기(evaporator)를 통해 고압용 수소(hight pressure hydrogen, 70.00MPa)와 저압용 수소(low pressure hydrogen, 35.00MPa)로 나누어 저장한다. 수소 액화를 위해서는 0.
또한, 가스 압축 시 다단 압축공정과 inter cooler를 사용함으로써 압축기 소요 동력을 줄일 수 있도록 하였다.
본 연구에서 앞서 선정한 3가지 공정에 대해서 에너지 사용량을 비교하고 수소 예비냉장 방식에 따른 효율적인 액화 공정을 선정하는 것이므로 오르토-파라 수소 전환으로 인해 발생하는 에너지를 0.146 kW/kg[29]으로 고정하고 3가지 공정에 대해서 같이 적용하였다.
본 연구에서는 15단 압축과 함께 inter cooler를 사용함으로써 최대한 에너지 소모량을 줄일 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 LNG나 BOG 액화 공정으로 잘 알려진 SRM (single mixed refrigerant)와 C3-MR (propane per-cooled mixed refrigerant) 냉동사이클 공정을 수소 액화 공정에서 예비냉장 공정으로 응용하였다.
본 연구에서는 압축비를 최대 3 이상이 되지 않도록 하면 서식 (9)를 통해 압축비를 결정하였다.
본 연구에서는 전사 모사 및 최적화를 통해서 3가지 공정에 대한 에너지 사용량을 도출하고 상호 비교를 통해서 가장 효율적인 공정을 선정하였다.
수소 액화 공정에서 수소를 원하는 온도 (85K)까지 예비냉장하기 위해서 MR 조성은 사례분석(case study)을 통해 변경하였다.

대상 데이터

사용한 수소원료는 천연가스 개질반응을 통해 99.999 mol%의 기체 수소를 시간당 3,600 kg 정도 생산하는 수소생산 공정의 제품을 대상으로 하였으며, Table 2에 제품의 조건을 나타내었다

이론/모형

Figure 2. Vapor pressure prediction for H2 using Peng-Robinson (original alpha function).
본 연구에서는 전산모사를 위한 열역학 모델식으로 Peng-Robinson 상태방정식[18]을 사용하였다. Peng-Robinson 상태 방정식은 비이상성이 큰 실제 기체에 대한 거동과 다양한 성분들에 대해 순수 및 혼합 물성들을 잘 예측하는 것으로 알려져 있으며, 식 (1)과 같다.
한편, 3가지 방식의 냉동사이클 공정을 모사하고 에너지 소모량을 도출하기 위해서 많이 사용되고 있는 상용성 화학 공정 모사기 중 하나인 AVEVA 사의 PRO/II version 10.2를 사용하였다.

성능/효과

따라서 헬륨/네온 냉동사이클만을 통해서 수소를 액화하는 수소 액화 공정보다 이미 상용화되어 있는 C3-MR 공정을 통해, 수소를 예 냉할 수 있다면 수소 액화 공정에서 에너지를 크게 절감할 수 있는 것을 확인하였다.
전력비용을 12.9kW로 가정한다면 각각 1.26, 0.54 및 0.51 $/kg로 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

따라서 더욱 정확한 공정선정을 위해서는 추후 설계비용을 고려한 경제성 평가가 수행되어야 할 것으로 여겨지며, 본 연구결과는 경제성 평가 수행을 위한 참고자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소 액화에 경제성 문제가 수반되는 이유는 무엇인가?	액체 수소는 기체 수소 부피의 약 1/800로 감소시킬 수 있어 동일 압력에서 기체 수소 대비 800배의 체적 에너지 밀도를 가지고 있고, 기체 수소에 비해 폭발 위험성이 낮고 수송이 용이하다는 장점이 있다. 하지만 수소 액화를 위해서는 대규모 시설투자가 필요하고, 단순 압축 저장방식에 비해 많은 에너지가 필요함으로써 경제성 문제가 수반된다. 따라서 에너지 절감형 수소액화공정 연구는 매우 중요하다고 볼 수 있다.
	수소의 상용화를 위한 저장 방법으로는 어떤 종류가 있는가?	수소 저장 방법으로는 물리적 저장(physical storage), 화학적 저장 (chemical storage)가 일반적이며, 물리적 저장 방법으로는 기본적으로 압축 수소(compressed hydrogen), 액화 수소(liquid hydrogen) 및 냉동압축 수소(cry-compressed) 저장 등 3가지가 일반적으로 알려졌다 [5-7].
	액체 수소의 특징과 장점은 무엇인가?	액체 수소는 기체 수소 부피의 약 1/800로 감소시킬 수 있어 동일 압력에서 기체 수소 대비 800배의 체적 에너지 밀도를 가지고 있고, 기체 수소에 비해 폭발 위험성이 낮고 수송이 용이하다는 장점이 있다. 하지만 수소 액화를 위해서는 대규모 시설투자가 필요하고, 단순 압축 저장방식에 비해 많은 에너지가 필요함으로써 경제성 문제가 수반된다.

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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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