[논문]소용량 수소액화 파일럿 플랜트 구축을 위한 공정의 열역학 해석

김태훈; 최병일; 한용식; 도규형

doi:10.7316/khnes.2020.31.1.41

소용량 수소액화 파일럿 플랜트 구축을 위한 공정의 열역학 해석
Thermodynamic Analysis of a Hydrogen Liquefaction Process for a Hydrogen Liquefaction Pilot Plant with a Small Capacity 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.1, 2020년, pp.41 - 48

김태훈 (한국기계연구원 플랜트융합연구실) , 최병일 (한국기계연구원 플랜트융합연구실) , 한용식 (한국기계연구원 플랜트융합연구실) , 도규형 (한국기계연구원 플랜트융합연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study discussed the thermodynamic analysis of the hydrogen liquefaction process to build a hydrogen liquefaction pilot plant with a small capacity (0.5 ton/day). A 2-stage Brayton cycle utilizing LNG/LN2 cold energy was suggested to be built in Korea for the hydrogen liquefaction pilot plant with a small capacity. Thermodynamic analysis on the effect of various variables on the efficiency of hydrogen liquefaction process was performed. As a result, the CASE in which the ortho-para conversion catalyst was infiltrated inside the heat exchanger showed the best process efficiency. Finally, thermodynamic analysis was performed on the effect of turbo expander compression ratio on the hydrogen liquefaction process and it was confirmed that an optimal turbo expander compression ratio exists.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Process block diagrams of hydrogen liquefaction processes for a 0.5 ton/day pilot plant: (a) CASE 1, (b) CASE 2, (c) CASE 3
표 Table 1. Analysis conditions
표 Table 2. Thermodynamic analysis results for CASEs 1, 2, and 3
그림 Fig. 2. Temperature profile and para concentrations of hydro-gen during liquefaction processes: (a) CASE 1, (b) CASE 2, (c) CASE 3
그림 Fig. 3. Parametric study results for CASEs 1, 2, and 3: (a) helium mass flow rate, (b) compressor power and specific energy con-sumption (SEC), (c) para concentration, (d) heat transfer rate of heat exchangers

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내에서 0.5 ton/day 규모의 수소액화 파일럿 플랜트 구축이 가능하도록 LNG/LN2 냉열활용 2-stage Brayton cycle 기반 수소액화 공정을 제안하고 열역학적 해석을 수행하고자 한다. 특히 수소액화 공정에서 반드시 필요한 ortho-para converter의 고려 방법이 수소액화 공정에 미치는 영향에 대해 조사하고자 한다.
본 연구에서는 국내에서 0.5 ton/day 규모의 수소액화 파일럿 플랜트 구축을 위한 LNG/LN2 냉열활용 2-stage Brayton cycle 기반 수소액화 공정을 제안하고 열역학적 해석을 수행하였다.
5 ton/day 규모의 수소액화 파일럿 플랜트 구축이 가능하도록 LNG/LN2 냉열활용 2-stage Brayton cycle 기반 수소액화 공정을 제안하고 열역학적 해석을 수행하고자 한다. 특히 수소액화 공정에서 반드시 필요한 ortho-para converter의 고려 방법이 수소액화 공정에 미치는 영향에 대해 조사하고자 한다.

가설 설정

두 개의 터보 익스팬더(T-201, 202)의 등엔트로피 효율은 75%로 가정한다. 각 열교환기의 최소온도차는 열교환기가 담당하는 온도 범위에 맞춰 Table 1에서 보는 바와 같이 가정한다. 열교환기 내부의 압력 강하량은 유체에 따라 다르게 가정하였으며 ortho-para converter 내에서 발생하는 압력 강하도 공정해석에서 고려하였다.
114, 1 MPa로 가정한다. 두 개의 터보 익스팬더(T-201, 202)의 등엔트로피 효율은 75%로 가정한다. 각 열교환기의 최소온도차는 열교환기가 담당하는 온도 범위에 맞춰 Table 1에서 보는 바와 같이 가정한다.
각 열교환기의 최소온도차는 열교환기가 담당하는 온도 범위에 맞춰 Table 1에서 보는 바와 같이 가정한다. 열교환기 내부의 압력 강하량은 유체에 따라 다르게 가정하였으며 ortho-para converter 내에서 발생하는 압력 강하도 공정해석에서 고려하였다. 다만 배관에서의 압력강하는 무시하였다.
헬륨 압축기(C-201)의 등온효율은 65%로 가정하며 압축기의 입·출구 압력은 0.114, 1 MPa로 가정한다.

제안 방법

Fig. 1에서 보는 수소액화 공정들에 대해 각 요소들의 heat & mass balance equations 및 REFPROP10 소프트웨어를 사용하여 공정에 대한 열역학 해석을 수행한다.
본 연구에서는 국내에서 수소액화 파일럿 플랜트 구축이 가능한 2-stage Brayton cycle을 Fig. 1과 같이 제안한다. Fig.
액화되는 수소의 유량, 압력 및 온도 조건을 만족할 수 있도록 공정해석을 수행한다.

성능/효과

2는 기체수소가 액체수소로 바뀔 때의 온도 profile 및 para concentration 변화를 보여준다. 0.5 ton/day의 수소가 액체로 될 때 약 25 kW의 열을 냉각시켜 주어야 한다는 것을 확인할 수 있다. 상온에서 기체수소는 LNG 냉열을 활용하여 열교환기(HX-301)를 통해 약 110 K로 냉각된다.
1) 수소액화 공정에서 ortho-para 전환 방법 적용 전략에 따라 수소액화 공정의 특성이 바뀐다.
2) Ortho-para 전환 촉매 물질을 열교환기에 잠입 시켰을 때가 ortho-para converter를 열교환기 외부에 따로 사용할 때보다 Brayton cycle에서 필요한 헬륨 유량, 압축기 소요 동력 및 SEC가 감소한다.
3) 수소액화 공정의 최대 에너지소비효율을 가지는 터보익스팬더 압력비가 존재한다.
생산된 액체수소의 HX-103 후단에 추가로 ortho-para converter (R-104)를 단 경우에는 para concentration이 95%까지 증가시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다. CASE 1과 CASE 2의 결과를 비교해 보면 헬륨 유량, 압축기 소모동력, 열교환기의 용량 등이 크게 차이가 나지 않는 것을 알 수 있다. 다만 ortho-para converter (R-104)를 추가적으로 사용하고 HX-103을 2-stream 열교환기에서 3-stream 열교환기로 변경해야 하는 차이점이 있다.
따라서 ortho-para 전환 촉매를 열교환기 내부에 잠입시키면 전체적인 소요 동력도 감소하고 ortho-para converter를 따로 제작하지 않아도 되기 때문에 cold box의 구조도 간단해지며 제작비용도 절약할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
CASE 1의 경우 최종적으로 생산된 액체수소의 para concentration은 약 92%가 되는 것을 확인할 수 있다. 생산된 액체수소의 HX-103 후단에 추가로 ortho-para converter (R-104)를 단 경우에는 para concentration이 95%까지 증가시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다. CASE 1과 CASE 2의 결과를 비교해 보면 헬륨 유량, 압축기 소모동력, 열교환기의 용량 등이 크게 차이가 나지 않는 것을 알 수 있다.
CASE 3은 열교환기에 ortho-para 전환 촉매를 잠입시켜 설계 및 제작을 할 수 있다고 가정한 공정 모델이다. 해석결과에서 보면 알 수 있듯이 ortho-para 전환 촉매를 잠입시키면 생산된 액체수소의 para concentration이 99%까지 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 헬륨 유량이 약 10% 정도 감소하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소에너지가 미래에 주요한 에너지원으로 사용되기 위해서는 무엇이 원활해야 하는가?	수소에너지가 미래에 주요한 에너지원으로 사용되기 위해서는 수소의 생산, 저장, 이송 및 활용이 원활해야 한다. 수소의 저장 방법으로는 고압기체저장, 고체저장, 물질변환저장 및 액체저장이 있다.
	본 연구에서는 국내에서 0.5 ton/day 규모의 수소액화 파일럿 플랜트 구축을 위한 LNG/LN2 냉열활용 2-stage Brayton cycle 기반 수소액화 공정을 제안하고 열역학적 해석을 수행하였다, 이에 대한 실험 결과는?	1) 수소액화 공정에서 ortho-para 전환 방법 적용 전략에 따라 수소액화 공정의 특성이 바뀐다. 2) Ortho-para 전환 촉매 물질을 열교환기에 잠입 시켰을 때가 ortho-para converter를 열교환기 외부에 따로 사용할 때보다 Brayton cycle에서 필요한 헬륨 유량, 압축기 소요 동력 및 SEC가 감소한다. 3) 수소액화 공정의 최대 에너지소비효율을 가지는 터보익스팬더 압력비가 존재한다.
	신재생 에너지는 에너지 캐리어가 필요한 이유는 무엇인가?	이러한 문제 해결을 위해 환경문제의 근원이 되는 화석에너지의 사용 대신 태양광, 풍력, 조력 및 수력과 같은 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다1). 그러나 이러한 신재생 에너지는 지역별, 계절별 수급 불균형 때문에 신재생 에너지로 생산된 전력을 대용량, 장기간 저장할 수 있는 에너지 캐리어가 필요하다. 다양한 에너지 저장 가능 매체 중에 수소는 대용량, 장기간 저장 및 다양한 타 에너지원으로의 변환을 고려 시 최적의 에너지 캐리어로 각광받고 있다2-4).

참고문헌 (7)

United Nations Framework Convention on Climate Change, Paris Climate Conference (COP21). InL Paris Agreement. UNFCCC 2015. Retrived from https://unfccc.int/processand-meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement.
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J. W. Ahn, "The significance of long-term perception on renewable energy and climate change", Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 29, No. 1, 2018, pp. 117-123, doi: https://doi.org/10.7316/KHNES.2018.29.1.117.

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B. Lee, H. Lee, C. Moon, S. Moon, and H. Lim, "Preliminary economic analysis for H2 transportation using liquid organic $H_2$ carrier to enter $H_2$ Economy Society in Korea", Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 30, No. 2, 2019, pp. 119-127, doi: https://doi.org/10.7316/KHNES.2019.30.2.119.

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M. S. Sadaghiani and M. Mehrpooya, "Introducing and energy analysis of a novel cryogenic hydrogen liquefaction process configuration", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 42, No. 9, 2017, pp. 6033-6050, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.01.136.

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Y. E. Yukel, M. Ozturk, and I. Dincer, "Analysis and assessment of a novel hydrogen liquefaction process", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 42, No. 16, 2017, pp. 11429-11438, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.03.064.

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U. Cardella, L. Decker, J. Sundberg, and H. Klein, "Process optimization for large-scale hydrogen liquefaction", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 42, No. 17, 2017, pp. 12339-12354, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.03.167.

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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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