[논문]수소액화공정에서 LNG 냉열 적용에 관한 시뮬레이션 연구

한단비; 변현승; 백영순

doi:10.7316/khnes.2020.31.1.33

수소액화공정에서 LNG 냉열 적용에 관한 시뮬레이션 연구
Simulation Study on the Application of LNG Cold Energy for Hydrogen Liquefaction Process 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.1, 2020년, pp.33 - 40

한단비 (수원대학교 환경에너지공학과) , 변현승 (수원대학교 환경에너지공학과) , 백영순 (수원대학교 환경에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As hydrogen utilization becomes more active recently, a large amount of hydrogen should be supplied safely. Among the three supply methods, liquefied hydrogen, which is an optimal method of storage and transportation convenience and high safety, has a low temperature of -253℃, which is complicated by the liquefaction process and consumes a lot of electricity, resulting in high operating costs. In order to reduce the electrical energy required for liquefaction and to raise the efficiency, hydrogen is cooled by using a mixed refrigerant in a precooling step. The electricity required for the precooling process of the mixed refrigerant can be reduced by using the cold energy of LNG. Actually, LNG cold energy is used in refrigeration warehouse and air liquefaction separation process, and a lot of power reduction is achieved. The purpose of this study is to replace the electric power by using LNG cold energy instead of the electric air-cooler to lower the temperature of the hydrogen and refrigerant that are increased due to the compression in the hydrogen liquefaction process. The required energy was obtained by simulating mixed refrigerant (MR) hydrogen liquefaction system with LNG cold heat and electric system. In addition, the power replacement rate of the electric process were obtained with the pressure, the temperature of LNG, the rate of latent heat utilization, and the hydrogen liquefaction capacity, Therefore, optimization of the hydrogen liquefaction system using LNG cold energy was carried out.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Conventional electrical H₂ liquefaction process
표 Table 1. MR and LNG cold energy system synopsis for hydro-gen liquefaction
표 Table 2. LNG condition for cold energy system
그림 Fig. 2. Modeling of H₂ liquefaction system for MR and LNG cold energy
그림 Fig. 3 Pressure and temperature phase diagram for LNG
표 Table 3. The components of LNG new typical
그림 Fig. 4. LNG latent heat with LNG supply pressure
그림 Fig. 5. Effect of LNG outlet temperature on LNG flow rate at 70 bar (cold energy : 389,700 kcal/hr)
그림 Fig. 6. Effect of LNG outlet temperature on LNG flow rate at 10 bar (cold energy : 389,700 kcal/hr)
표 Table 4. LNG cold energy for various conditions
그림 Fig. 7. Effect of LNG supply pressure on required electrical amount for LNG system process
그림 Fig. 8. Effect of LNG latent heat utilization on required energy for process
그림 Fig. 9. Effect of hydrogen liquefaction capacity on electric amount and electric replace ratio
표 Table 5. Effect of LNG utilization condition on the replace rate of required electric power for 250 kg H₂ liquefation

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수소액화공정 중 MR 공정에서 압축기로부터 상승된 고온의 수소와 MR을 25℃까지 냉각시키기 위하여 전기식과 LNG 냉열 이용 방식을 시뮬레이터(PRO/II 10.0 ver)에 의해 각각 공정에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. LNG 냉열을 이용할 때 LNG 잠열 이용율, LNG의 공급압력, LNG의 기화 온도에 따라 소요되는 전력량을 구하여 전기식 MR 시스템과 비교분석하였다.
LNG는 바닷물과 열교환하여 NG로 기화하고 LNG가 가지고 있던 냉열들은 바다로 버려지고 있다. 이러한 냉열을 냉매를 통해 얻고, 냉열을 필요로 하는 곳에 이용하고자 한다. 액체 상태를 기화시킬 때는 잠열이 발생하며, 이러한 잠열과 현열을 모두 이용하여 냉각시킬 수 있다.

가설 설정

0 ver)를 이용하여 공정모사 하였다. 열역학적 상태 방정식은 Soave-Redlich-Kwong을 이용하였으며, ortho-para 전환기의 효율은 상용화 촉매전화 기 효율이 99% 이상이므로 1로 가정하여 수행하였다. MR을 이용한 공정에서 냉매의 조성은 Krasae-In 등¹⁴⁾의 결과를 이용하였으며, Tables 1, 2와 같은 조건으로 MR system과 LNG system을 각각 공정모사 하였다.

제안 방법

앞서 언급한 것처럼 LNG 공급 압력과 LNG 기화율에 따라 냉열량이 달라진다. 250 kg/hr 수소액화기 에서 H₂ 컴프레서 후단 열교환기에 1 톤, MR 컴프레서 후단 열교환기에 LNG 1.4 톤을 10-70 bar까지 공급하고 NG 기화온도를 20℃로 하여 LNG 압력이 증가에 따른 냉열량과 대체 전력율을 시뮬레이션 하여 Fig. 7에 나타냈다. LNG 공급압력이 10 기압에서 70 기압으로 증가할 경우 LNG 냉열량이 감소하여 전력 대체율이 13%에서 12%로 약간 낮아진다.
0 ver)에 의해 각각 공정에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. LNG 냉열을 이용할 때 LNG 잠열 이용율, LNG의 공급압력, LNG의 기화 온도에 따라 소요되는 전력량을 구하여 전기식 MR 시스템과 비교분석하였다.
LNG 압력은 10-70 bar에서 기화하여 나가는 온도를 –122.5℃부터 20℃까지 변화시키며 공정모사를 수행하였다.
LNG 인수기지 부근에서 LNG 냉열을 이용한다면 LNG 70 기압에서는 약 –54.3℃에서 기화되기 시작하여 –37.8℃에서 100%로 기화되지만 기화가스의 온도를 20℃까지 냉열을 활용하고 인수기지에 재공급하게 하였다.
MR 수소액화시스템에서 압축기 후단의 쿨러를 LNG 냉열로 대체 적용하였을 때를 시뮬레이터 (PRO/II 10.0 ver)를 이용하여 공정모사 하였다. 열역학적 상태 방정식은 Soave-Redlich-Kwong을 이용하였으며, ortho-para 전환기의 효율은 상용화 촉매전화 기 효율이 99% 이상이므로 1로 가정하여 수행하였다.
열역학적 상태 방정식은 Soave-Redlich-Kwong을 이용하였으며, ortho-para 전환기의 효율은 상용화 촉매전화 기 효율이 99% 이상이므로 1로 가정하여 수행하였다. MR을 이용한 공정에서 냉매의 조성은 Krasae-In 등¹⁴⁾의 결과를 이용하였으며, Tables 1, 2와 같은 조건으로 MR system과 LNG system을 각각 공정모사 하였다. 수소와 MR은 컴프레서를 지나면서 온도가 높아지게 되며 고온으로 올라간 온도를 상온으로 낮춰주는데 Fig.
수소 250 kg/hr 액화할 때 MR 전기식의 air cooler 2대에 소요되는 에너지를 2.4 톤 LNG의 냉열에너지로 대체하는 LNG 냉열시스템을 공정모사 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
MR을 이용한 공정에서 냉매의 조성은 Krasae-In 등¹⁴⁾의 결과를 이용하였으며, Tables 1, 2와 같은 조건으로 MR system과 LNG system을 각각 공정모사 하였다. 수소와 MR은 컴프레서를 지나면서 온도가 높아지게 되며 고온으로 올라간 온도를 상온으로 낮춰주는데 Fig. 2에서 보는바와 같이 LNG와 열교환 하도록 하였다. LNG의 조성은 Table 3같은 조건에서 공정 모사하였다.

성능/효과

1) LNG는 온도와 압력조건에 따라 물리적 특성이 달라지며, 10 bar에서는 –122.5℃ 이상에서 기화되기 시작하여 –48.8℃에서 100% 기화되는 반면, 70 bar에 서는 –54.3℃에서 기화되기 시작하며 –37.8℃ 이상에 서 100% 기화된다.
2) LNG 탱크로리와 같이 10 bar로 이용하는 경우에는 기화율(잠열이용률)이 높을수록 많은 냉열에너지를 얻을 수 있어 유리하므로 100% 기화하는 조건으로 전력 대체율을 높일 수 있다.
2) LNG가 100% 기화하여 20℃ 가스로 될 때 생산되는 냉열에너지는 70 bar LNG의 경우는 1 톤당 191,000 kcal, 10 bar LNG의 경우 211,000 kcal 냉열 에너지를 얻을 수 있다. LNG 2.
3) 수소액화용량이 증가할수록 수소와 냉매의 압축기에 필요한 전력량이 증가하기 때문에 압축기 후 단을 냉각하는데 많은 전기가 필요하다. 100 kg/hr 수소를 액화할 때 2.
09 bar로 나타났다. 포화증기상태인 NG에서 압력을 낮추면 LNG 응축이 일어나는 역행응축현상도 나타났다.

후속연구

2%를 대체 가능하다. 따라서 수소 액화량과 전력 대체율에 따라 적절하게 LNG 공급량을 늘리거나 LNG 기화온도를 높여서 냉열을 활용해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소 이용이 증가함에 따라 중요해지는 것은 무엇인가?	수소는 연료전지에 의한 전력생산 뿐 아니라 수소차에 활용되고 있으며, 잉여 전력을 통한 H2나 CH4와 같은 가스로 저장하는 power to gas 기술 등 다양한 이용방법이 나타나고 있다. 수소 이용이 증가하게 됨에 따라 생산된 수소를 이용 가능한 사이트 확장이 중요하고 많은 양의 수소를 저장하고 안전하게 이송이 가능하여야 한다. 현재 수소는 주로 200-350 bar의 고압으로 저장하여 이송하며, 수소를 고압으로 압축시키기 위해 압축기에서 많은 동력을 필요로 하고 저장탱크의 경우, 수소취성이 없고 고압에서도 버틸 수 있는 재질이 필요하기 때문에 많은 기술력을 필요로 하게 된다1,2).
	수소 이송과 저장 시 많은 기술력을 필요로 하는 이유는 무엇인가?	수소 이용이 증가하게 됨에 따라 생산된 수소를 이용 가능한 사이트 확장이 중요하고 많은 양의 수소를 저장하고 안전하게 이송이 가능하여야 한다. 현재 수소는 주로 200-350 bar의 고압으로 저장하여 이송하며, 수소를 고압으로 압축시키기 위해 압축기에서 많은 동력을 필요로 하고 저장탱크의 경우, 수소취성이 없고 고압에서도 버틸 수 있는 재질이 필요하기 때문에 많은 기술력을 필요로 하게 된다1,2).
	수소 250 kg/hr 액화할 때 MR 전기식의 air cooler 2대에 소요되는 에너지를 LNG의 냉열에너지로 대체하는LNG 냉열시스템을 공정모사하여 얻은 결론은 무엇인가?	1) LNG는 온도와 압력조건에 따라 물리적 특성이 달라지며, 10 bar에서는 –122.5℃ 이상에서 기화되기 시작하여 –48.8℃에서 100% 기화되는 반면, 70 bar에 서는 –54.3℃에서 기화되기 시작하며 –37.8℃ 이상에 서 100% 기화된다. 압력이 커질수록 잠열에너지양은 작아진다. 2) LNG 탱크로리와 같이 10 bar로 이용하는 경우에는 기화율(잠열이용률)이 높을수록 많은 냉열에너지를 얻을 수 있어 유리하므로 100% 기화하는 조건으로 전력 대체율을 높일 수 있다. 2) LNG가 100% 기화하여 20℃ 가스로 될 때 생산되는 냉열에너지는 70 bar LNG의 경우는 1 톤당 191,000 kcal, 10 bar LNG의 경우 211,000 kcal 냉열 에너지를 얻을 수 있다. LNG 2.4 톤의 냉열에너지로부터 수소 250 kg/hr를 액화하는데 소요되는 전력의 13.3%, 12.2%를 각각 대체할 수 있다. 3) 수소액화용량이 증가할수록 수소와 냉매의 압축기에 필요한 전력량이 증가하기 때문에 압축기 후 단을 냉각하는데 많은 전기가 필요하다. 100 kg/hr 수소를 액화할 때 2.4 톤 LNG의 냉열에너지를 활용 할 경우, 27%의 전력 대체가 가능하며 250 kg/hr에 서는 12.2%를 대체 가능하다. 따라서 수소 액화량과 전력 대체율에 따라 적절하게 LNG 공급량을 늘리거나 LNG 기화온도를 높여서 냉열을 활용해야 할 것이다.

참고문헌 (14)

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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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