[논문]거대조류 바이오가스를 연료로 하는 고체산화물 연료전지를 이용한 삼중발전

유준

doi:10.7464/ksct.2020.26.2.96

거대조류 바이오가스를 연료로 하는 고체산화물 연료전지를 이용한 삼중발전
Trigeneration Based on Solid Oxide Fuel Cells Driven by Macroalgal Biogas 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.26 no.2, 2020년, pp.96 - 101

초록
AI-Helper

이 논문에서는 3세대 바이오매스 중 거대조류, 즉 해조류 바이오매스로부터 유래된 바이오가스를 연료로 사용하여 열, 전력 및 수소를 생산하는 삼중발전의 타당성 평가를 수행하였다. 이를 위해 3 MW급 고체산화물 연료전지와 가스터빈, 그리고 유기 랭킨 사이클로 이루어진 상용 규모의 열, 전력 및 수소 생산공정을 공정모사기를 사용하여 설계, 모사하였고, 공정모사로 부터 얻은 열 및 물질 수지를 통해 각 단위조작 장치의 가격을 추정하고 경제성을 분석하였다. 수소를 생산하기 위해 고체산화물 연료전지의 설계를 수정하였는데, 연료전지 내 애프터-버너를 제거하고 수성-가스 전환 반응기를 추가하였다. 공정모사 결과 설계된 삼중발전 공정은 시간당 3.47톤의 건조 갈조류 원료로부터 생산된 2톤의 바이오가스를 이용하여 2.3 MW의 전력과 50 kg hr^-1의 수소를 37%의 효율로 생산한다. 이 결과를 토대로 가장 현실적인 시나리오에 대해 경제적으로 평가하고 BESP (breakeven electricity selling price)를 계산하였는데, ¢10.45 kWh^-1로 기존의 고정 발전 대비 동등 이상의 수준으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the commercial feasibility of trigeneration, producing heat, power, and hydrogen (CHHP) and using biogas derived from macroalgae (i.e., seaweed biomass feedstock), are investigated. For this purpose, a commercial scale trigeneration process, consisting of three MW solid oxide fuel cells (SOFCs), gas turbine, and organic Rankine cycle, is designed conceptually and simulated using Aspen plus, a commercial process simulator. To produce hydrogen, a solid oxide fuel cell system is re-designed by the removal of after-burner and the addition of a water-gas shift reactor. The cost of each unit operation equipment in the process is estimated through the calculated heat and mass balances from simulation, with the techno-economic analysis following through. The designed CHHP process produces 2.3 MW of net power and 50 kg hr-1 of hydrogen with an efficiency of 37% using 2 ton hr-1 of biogas from 3.47 ton hr-1 (dry basis) of brown algae as feedstock. Based on these results, a realistic scenario is evaluated economically and the breakeven electricity selling price (BESP) is calculated. The calculated BESP is ¢10.45 kWh-1, which is comparable to or better than the conventional power generation. This means that the CHHP process based on SOFC can be a viable alternative when the technical targets on SOFC are reached.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Biogas composition before and after cleanup [15]
표 Table 2. Gas composition at anode exhaust
표 Table 3. Economic parameters for discounted cash flow analysis
그림 Figure 1. Process flow diagram of the proposed CHHP system.
표 Table 4. Simulation conditions and main results of the CHHP process
그림 Figure 2. Cost contribution of process areas towards BESP.
그림 Figure 3. Sensitivity analysis of BESP.
표 Table 5. Plant electricity breakdown
표 Table 6. Total capital investment, total variable and fixed operating cost of the CHHP (in 2016 $)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 연구는 해조류의 혐기성 소화로 생산된 바이오가스를 연료로 사용하는 SOFC 발전 시스템에 가스 터빈과 유기 랭킨 사이클을 결합하여 열과 전력 생산은 물론 수소도 생산하는 삼중발전 공정의 설계와 설계된 공정의 정밀한 경제성 분석에 초점을 둔다. 이를 위해 수반될 바이오가스 정제 및 수소 생산을 위한 수성-가스 전환 반응기등 SOFC 시스템 설계를 설명하고, 경제성 분석에 연료전지 기술발전에 따른 SOFC 수명 연장 전망에 맞게 가장 현실성 있는 시나리오를 고려하고자 한다.
이 연구는 해조류의 혐기성 소화로 생산된 바이오가스를 연료로 사용하는 SOFC 발전 시스템에 가스 터빈과 유기 랭킨 사이클을 결합하여 열과 전력 생산은 물론 수소도 생산하는 삼중발전 공정의 설계와 설계된 공정의 정밀한 경제성 분석에 초점을 둔다. 이를 위해 수반될 바이오가스 정제 및 수소 생산을 위한 수성-가스 전환 반응기등 SOFC 시스템 설계를 설명하고, 경제성 분석에 연료전지 기술발전에 따른 SOFC 수명 연장 전망에 맞게 가장 현실성 있는 시나리오를 고려하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서 제안된 공정의 공정흐름도는 Figure 1에 나와 있다. 이 공정은 많은 유틸리티를 필요로 하지 않기 때문에, 냉각수 시스템은 포함되지 않으며 배터리 경계 밖에서 냉각수를 공급받는 것으로 가정되었다.
이 연구에서는 Fasahati et al. [3]이 설계했던 상업 규모의 다시마 혐기성 소화공정을 이용하여 바이오가스를 생산한다고 가정하였다. 시간당 바이오가스 2톤을 생산하려면 건조중량 기준 시간당 3.

제안 방법

본 논문에서는 Zhang et al. [14]이 다루었던 Siemens-Westinghouse의 관형 SOFC 모델을 기반으로 본 연구에 맞게 수정하였다. 이 공정에서는 원료로 2 ton hr^-1의 해조류 바이오가스를 사용하는 하나의 3 MW SOFC만 사용된다.
이 연구에서는 해조류 바이오가스를 연료로 사용하는 SOFC를 이용한 삼중발전, 즉 CHHP 공정이 설계되었고 그 경제성 분석이 수행되었다. SOFC는 ORC 및 WGS와 직접 결합되어 2.

이론/모형

하단(bottom) 사이클로 유기 랭킨 사이클을 사용하면 이 폐열을 회수할 수 있다. 본 연구에 사용된 유기 랭킨 사이클 모델은 회복식 캐스케이드(recuperated cascade)가 있는 미국 신재생 에너지 연구소의 모델을 따른다[18]. 기본적으로, 작동 유체는 펌프에 의해 30 atm으로 압축된 다음 양극 배기 가스를 사용하여 가열 및 증발된다.
이 연구에서 설계된 삼중발전 공정의 경제성을 분석하기 위해 사용한 경제성 평가 모델은 동일한 기술을 사용하는 기존 플랜트에 근거하여 경제성을 평가하는 “n번째 플랜트” 방법으로, 특히 미국 신재생 에너지 연구소가 개발한 모델을 기반으로 한다[19]. 경제성 평가에 사용된 주요 매개변수는 Table 3에 나타내었다.
Aspen Plus V10을 사용한 삼중발전 공정의 모사 조건 및 주요 결과는 Table 4에 요약되어 있다. 이때, 각 단위조작 장치에 서 흐름의 열역학적 물성을 계산하기 위해 SRK (Soave-Redlich-Kwong) 상태방정식이 사용되었다. 이 공정은 시간당 2톤의 바이오가스를 이용하여 37%의 총괄 효율(LHV 기준)로 2.

성능/효과

이 연구에서는 해조류 바이오가스를 연료로 사용하는 SOFC를 이용한 삼중발전, 즉 CHHP 공정이 설계되었고 그 경제성 분석이 수행되었다. SOFC는 ORC 및 WGS와 직접 결합되어 2.3 MW의 순 전력과 50 kg hr^-1의 수소를 생산한다. SOFC를 이용한 CHP 공정과 비교했을 때, SOFC 설계의 주요 차이점은 애프터 버너를 생략하여 효율과 전압에 영향을 미친다는 점이다.
SOFC를 이용한 CHP 공정과 비교했을 때, SOFC 설계의 주요 차이점은 애프터 버너를 생략하여 효율과 전압에 영향을 미친다는 점이다. 그러나 이 공정에서 수소도 생산되기 때문에, 이 공정의 BESP는 ¢10.45 kWh^-1로 수익성이 있다. 이 BESP 값은 2017년 미국의 평균 전기 가격과 유사하며, 제안된 CHHP 프로세스가 실제로 실현 가능하다는 것을 증명한다.
45 kWh^-1로 수익성이 있다. 이 BESP 값은 2017년 미국의 평균 전기 가격과 유사하며, 제안된 CHHP 프로세스가 실제로 실현 가능하다는 것을 증명한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거대조류의 장점은 무엇인가?	따라서 화석 연료를 대체할 재생 가능 연료의 개발과 사용이 점점 늘어날 것은 자명하며, 이에 3세대 바이오매스 중 하나인 거대조류로부터 유래한 바이오 연료가 차지하는 비중 또한 점점 늘어날 것으로 예상된다. 거대조류, 즉 해조류는 육지 작물에 비해 여러 장점 ― 작물 재배 면적을 필요로 하지 않고 단위 재배면적 당 높은 생산성 ― 을 가지고 있다는 사실은 이미 널리 알려져 있다.
	연료전지는 무엇인가?	기존의 고정발전 대비 때 화학 에너지를 연소 없이 직접 전기 에너지로 변환하는 연료전지는 여러 장점 ― 저소음, 연소 기반 발전기 대비 높은 효율, 적은 탄화수소 오염 물질 배출량 ― 을 가지고 있다[4]. 또한 연료전지는 발전과 동시에 열과 수 소 또한 생산하도록 구성될 수 있다[5].
	바이오가스를 포함하여, 거대조류로부터 유래한 바이오연료 비중이 늘어날 것으로 보는 이유는?	미국 에너지 관리청(U.S. Energy Information Administration)에 따르면 2018년부터 2050년까지 세계 에너지 소비량은 약 50% 증가할 것으로 예상되며, 화석 연료의 의존도는 2018년 32%에서 2050년엔 27%로 낮아질 것으로 예상된다고 한다[1]. 따라서 화석 연료를 대체할 재생 가능 연료의 개발과 사용이 점점 늘어날 것은 자명하며, 이에 3세대 바이오매스 중 하나인 거대조류로부터 유래한 바이오 연료가 차지하는 비중 또한 점점 늘어날 것으로 예상된다. 거대조류, 즉 해조류는 육지 작물에 비해 여러 장점 ― 작물 재배 면적을 필요로 하지 않고 단위 재배면적 당 높은 생산성 ― 을 가지고 있다는 사실은 이미 널리 알려져 있다.

참고문헌 (21)

International Energy Outlook 2019, U.S. Energy Information Administration (https://www.eia.gov/outlooks/ieo/pdf/ieo2019.pdf (Accessed Apr. 2020)).
Murphy, J. D., Drosg, B., Allen, E., Jerney, J., Xia, A., and Herrmann, C., "A Perspective on Algal Biogas", IEA Bioenergy, pp. 1-38 (2015).
Fasahati, P., Woo, C. M., Saffron, H. C., and Liu, J. J., "Potential of Brown Algae for Sustainable Electricity Production through Anaerobic Digestion," Energ. Convers. Manag., 135, 297-307 (2017).

상세보기
Ormerod, R. M, "Solid Oxide Fuel Cells," Chem. Soc. Rev., 32(1), 17-28 (2003).

상세보기
Biogas and Fuel Cells Workshop Summary Report, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, Report No. NREL/BK-5600-56523 (2013).
Dietrich, R.-U., Lindermeir, A., Oelze, J., Spieker, C., Spitta, C., and Steffen, M., "SOFC Power Generation from Biogas: Improved System Efficiency with Combined Dry and Steam Reforming," ECS Trans., 35(1), 2669-2683 (2011).
Kim, J., Sastri, B., and Conrad, R., "Solid Oxide Fuel Cell R&D," TechConnect Briefs, 2, 205-207 (2017) (https://briefs.techconnect.org/wp-content/volumes/TCB2017v2/pdf/1069.pdf).
Multiyear Research, Development and Demonstration Plan, Fuel Cell Technologies Office, Department of Energy (2017). (https://www.energy.gov/eere/fuelcells/downloads/fuel-cell-technologies-office-multi-year-research-development-and-22 (Accessed Apr. 2020)).
Vora, S. D., Department of Energy Office of Fossil Energy's Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Program, 17th Annual SOFC Workshop, Pittsburgh, PA, July 19-21, (2016).
Eveloy, V., Karunkeyoon, W., Rodgers, P., and Al Alili, A., "Energy, Exergy and Economic Analysis of an Integrated Solid Oxide Fuel Cell-Gas Turbine-Organic Rankine Power Generation System," Int. J. Hydrogen Energ., 41(31), 13843-13858 (2016).

상세보기
Arsalis, A., "Thermoeconomic Modeling and Parametric Study of Hybrid SOFC-Gas Turbine-Steam Turbine Power Plants Ranging from 1.5 to 10 MWe," J. Power Sources, 181(2), 313-326 (2008).

상세보기
Trendewicz, A. A., and Braun, R. J., "Techno-Economic Analysis of Solid Oxide Fuel Cell-Based Combined Heat and Power Systems for Biogas Utilization at Wastewater Treatment Facilities," J. Power Sources, 233, 380-393 (2013).

상세보기
Cozzolino, R., Lombardi, L., and Tribioli, L., "Use of Biogas from Biowaste in a Solid Oxide Fuel Cell Stack: Application to an Off-Grid Power Plant," Renew. Energ., 111, 781-791 (2017).

상세보기
Zhang, W., Croiset, E., Douglas, P. L. L., Fowler, M. W. W., and Entchev, E., "Simulation of a Tubular Solid Oxide Fuel Cell Stack Using Aspen PlusTM Unit Operation Models," Energ. Convers. Manag., 46(2), 181-196 (2005).

상세보기
Valentina, I. E., Design and analysis of a seaweed biogas-powered Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) integrated into a polygeneration process, Msc. Thesis, Pukyong National University, Busan, Korea, (2018).
Liu, J., "Feasibility of Combined Heat and Power Plant based on Fuel Cells using Biogas from Macroalgal Biomass", Clean Technol., 24(4), 357-364 (2018).
Li, X., Ogden, J., and Yang, C., "Analysis of the Design and Economics of Molten Carbonate Fuel Cell Tri-Generation Systems Providing Heat and Power for Commercial Buildings and $H_2$ for FC Vehicles." J. Power Sources, 241, 668-679 (2013).

상세보기
Solar Trough Organic Rankine Electricity System (STORES) Stage 1: Power Plant Optimization and Economics, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, Report No. NREL/SR-550-39433 (2006).
Process Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, Report No. NREL/TP-5100-47764 (2011).
Turton, R., Bailie, R. C., Whiting, W. B., Shaeiwitz, J. A., and Bhattacharyya, D., Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, Fourth Edition, Prentice Hall, (2012).
Ghirardo, F., Santin, M., Traverso, A., and Massardo, A., "Heat Recovery Options for Onboard Fuel Cell Systems," Int. J. Hydrogen Energ., 36(13), 8134-8142 (2011).

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증