[논문]액화수소 운반선의 증발가스 재액화 비율에 따른 재액화 시스템의 설계 및 평가

조욱래; 이현용; 류보림; 강호근

doi:10.5394/kinpr.2020.44.4.283

액화수소 운반선의 증발가스 재액화 비율에 따른 재액화 시스템의 설계 및 평가
Design and Assessment of Reliquefaction System According to Boil Off Gas Reliquefaction Rate of Liquefied Hydrogen Carrier 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.44 no.4, 2020년, pp.283 - 290

조욱래 (한국선급) , 이현용 (한국선급) , 류보림 (한국해양대학교 대학원) , 강호근 (한국해양대학교 기관시스템공학부)

초록
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액화 수소 운반선에서 증발가스의 발생은 불가피하며, 화물탱크 내부의 압력 문제를 피하기 위해 적절한 조치가 필요하다. 이 증발 가스는 선박의 추진연료로 사용 될 수 있으며, 추진에 사용되고 남은 나머지 부분은 재액화 또는 연소시키는 등 효과적으로 관리해야 한다. 본 연구에서는 수소 추진 시스템을 갖춘 160,000㎥ 액화 수소 운반선에 최적화된 증발 가스 재액화 시스템을 제안한다. 이 시스템은 수소 압축 및 헬륨 냉매 섹션으로 구성되고, 화물탱크로부터 배출되는 증발가스의 냉열을 효과적으로 활용하여 효율을 증가시켰다. 본 연구에서는 공급 온도 -220℃인 수소 증발가스가 재액화 시스템에 들어가는 상태에서 증발가스의 재액화 비율에 따른 엑서지 효율 및 에너지 소모율 (SEC, Specific Energy Consumption) 분석을 통해 시스템을 평가하였다. 그 결과 재액화 비율 20%에서 4.11kWh/kgLH₂의 SEC와 60.1%의 엑서지 효율을 보여 주었다. 아울러, 수소 압축압력, 수소 팽창기의 입구온도, 공급 증발가스 온도변화에 따른 영향을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

BOG (Boil Off Gas) generation is unavoidable in the liquefied hydrogen carrier, and proper measures are necessary to prevent pressure problems inside the cargo tank. The BOG can be used as propulsion fuel for ships, and the remaining parts used for propulsion must be effectively managed, such as in the form of reliquefying or burning. This study proposes an BOG reliquefaction system optimized for a 160,000 m3 liquefied hydrogen carrier with a hydrogen propulsion system. The system comprises a hydrogen compression and helium refrigerant section, and increases the efficiency by effectively using the cold energy of the BOG discharged from the cargo tank. In this study, the system was evaluated through the exergy efficiency and SEC (Specific Energy Consumption) analysis according to the rate of the reliquefaction of the BOG while the hydrogen BOG with a supply temperature of -220℃ entered the reliquefaction system. As a result, it showed SEC of 4.11 kWh/kgLH2 and exergy efficiency of 60.1% at the rate of reliquefaction of 20%. And the parametric study of the effects of varying the hydrogen compression pressure, inlet temperature of the hydrogen expander, and the feed hydrogen temperature was conducted.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1 Specification of liquefied hydrogen tanker in this study
그림 Fig. 1 Design of the re-liquefaction system for liquefied hydrogen tanker
표 Table 2 Exergy efficiency and specific energy consumption
그림 Fig. 2 Exergy efficiency and destruction of each component
그림 Fig. 3 Exergy Efficiency of varying Expander inlet temperature
그림 Fig. 4 SEC of varying Expander inlet temperature
그림 Fig. 5 Exergy Efficiency of varying Hydrogen compression pressure
그림 Fig. 6 SEC of varying Hydrogen compression pressure
그림 Fig. 7 Exergy Efficiency of varying BOG feed temperature
그림 Fig. 8 SEC of varying BOG feed temperature

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 에너지 소모율의 분석을 통해 전체 시스템의 성능을 평가하였다. 높은 에너지 소모율은 공정의 에너지 효율이 낮음을 나타낸다.
본 연구에서는 이러한 미래의 유망한 에너지원인 수소의 선박 운송과 관련하여 증발가스의 효율적인 관리를 위하여 아래와 같은 목표를 정하였다.
본 연구에서는 제안된 시스템에 대해 에너지 및 엑서지 관점에서 분석하였다. 본 연구에 적용된 선박은 4개의 IMO B type prismatic 카고 탱크로 구성된 총 화물 용량 160,000 m³의 액화 수소 운반선으로 액화 수소가 탱크 내에서 1bar의 압력으로 저장되며, 동일한 압력에서 하루 0.
엑서지 분석은 본 연구에서 소개된 시스템의 각 구성품에 대한 엑서지 파괴 및 엑서지 효율을 측정하기 위해 적용되었다.
(2017)은 헬륨 냉각 수소 액화 사이클을 기반으로 한 초 임계 수소 액화 공정 (supercritical hydrogen liquefaction process)을 에너지 및 엑서지 분석을 통해 연구했다. 이 연구에서는 수소 및 헬륨 압력의 증가가 엑서지 파괴 및 엑서지 효율에 미치는 영향에 대해 확인하였고, 또한 공정 매개 변수 및 작동조건의 변화에 따른 영향을 조사하여 시스템의 성능을 분석 하였다. Valenti and Macchi(2008)은 수소의 냉각 및 액화를 위해 4개의 헬륨 회복식 줄-브레이튼사이클(Helium recuperative Joule-Brayton cycles)의 활용을 제안했다.

제안 방법

둘째, 제안된 시스템에 대한 재액화 비율별 엑서지 효율및 에너지 소모율 확인을 통해 전체 시스템을 평가 하고 각 구성품 (Component)의 엑서지 효율 및 엑서지 파괴 결과를 확인하여 성능 개선이 요구되는 구성품을 확인 한다.
재액화 시스템으로 들어가는 증발가스는 각 화물탱크에서 재액화 시스템으로 이송되는 동안 헤더 파이프를 통한 외부 열 유입에 의해 가열된다. 따라서 공급되는 수소 증발가스의 온도변화에 대한 시스템의 엑서지 효율 및 에너지 소모율의 변화를 확인하였다.
여기서 재액화 시스템의 증발가스 압축기는 연료 가스 공급에 사용된다. 또한, 시스템 성능을 향상시키기 위해, 증발가스의 냉열 에너지 회수 및 증발가스 압축열 제거에 해수를 이용한 냉각기가 제안되었다. Tan et al.
본 연구에서 제안한 수소 증발가스 부분 재액 시스템은 그 재액화 비율을 조정하며 엑서지 및 에너지 관점에서 평가하였다.
본 연구에서는 미래의 유망한 에너지원인 수소의 선박 운송과 관련하여 액화수소 운반선에서 발생하는 증발가스의 일부를 선박의 추진 연료로 사용하고 나머지를 재액화 하는 선박용 증발가스 부분 재액화 시스템을 설계 하였다.
본 연구의 수소 증발가스 부분 재액화 시스템은 수소 압축 섹션과 헬륨 냉매 섹션으로 구성되어 있다. 선박 운항 중 액화 수소 탱크 내에서 발생한 증발가스는 탱크의 압력을 상승시키게 되고, 상승한 압력이 탱크의 설정 압력보다 커지면 저장 탱크와 연결된 밸브가 열려 저온 저압(-220℃, 1bar)의 상태로 증발가스가 배출된다.
셋째, 수소 팽창기의 입구온도, 수소 압축압력, 공급 증발 가스 온도 등 주요 조건의 변화에 따른 파라메타 연구를 수행 한다.
위에서 살펴본 바와 같이 LNG 운반선 및 육상의 수소 증발가스 액화 시스템에 대한 다양한 연구가 수행 되었으나, 액화 수소를 선박을 통하여 운반하고 이때 발생하는 증발가스의 부분 재액화에 대한 연구는 수행 된 바 없다. 이에 따라 본 연구에서는 기존 연구의 증발가스 관리 시스템 및 평가방법을 참고하여 액화수소 운반선의 화물 탱크에서 발생한 증발가스를 부분 재액화 할 수 있는 시스템을 Fig.1과 같이 설계하였다.
첫째, 액화 수소 운반선에서 발생하는 증발가스 일부를 선박의 추진 연료로 사용하고 나머지를 재액화 하는 선박용 증발가스 부분 재액화 시스템을 설계 한다.

대상 데이터

본 연구에서는 제안된 시스템에 대해 에너지 및 엑서지 관점에서 분석하였다. 본 연구에 적용된 선박은 4개의 IMO B type prismatic 카고 탱크로 구성된 총 화물 용량 160,000 m³의 액화 수소 운반선으로 액화 수소가 탱크 내에서 1bar의 압력으로 저장되며, 동일한 압력에서 하루 0.3%의 증발가스가 생성된다. 본 연구의 액화 수소 운반선 각 사양은 Table 1과 같다.

이론/모형

본 연구에서 제안한 증발가스 재액화 시스템의 시뮬레이션은 ASPEN-HYSYS 소프트웨어에 의해 수행되었다.

성능/효과

1) 액화 수소는 화물탱크에 1bar, -253℃로 저장되고 동일한 압력에서 증발가스가 생성된다.
2) 증발가스의 총 질량 유량(mass flow rate)은 1,400kg/h로 설정되며, 이는 총 용량 160,000 m³ 액화 수소 운반선에서 하루 0.3 %의 증발이 일어날 때의 증발 속도와 같다.
3) 증발가스가 발생하여 화물탱크에서 재액화 시스템으로 이송 중 헤더 파이프를 통한 열 유입으로 인해 재액화 시스템으로 유입되는 증발가스 온도는 –220℃가 된다.
Valenti and Macchi(2008)은 수소의 냉각 및 액화를 위해 4개의 헬륨 회복식 줄-브레이튼사이클(Helium recuperative Joule-Brayton cycles)의 활용을 제안했다. 60bar 및 300K의 수소 공급 조건에서 사이클의 에너지 소모율은 약 5kWh/kgLH₂이고 엑서지 효율은 47.7%로 확인되었다.
Fig. 5에 나타낸 바와 같이, 압력이 20bar에서 60bar로 증가함에 따라 엑서지 효율은 약 60%에서 39%로 감소하고, Fig. 6 의 에너지 소모율은 4.11kWh/kgLH₂에서 6.36 kWh/kgLH₂로 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 각 구성품의 엑서지 파괴를 통해 설명될 수 있다.
2와 같다. 결과는 팽창기 EXP-2에서 엑서지 효율이 18%로 가장 낮음을 확인할 수 있다. 팽창기 EXP-3 및 팽창기 EXP-1은 각각두 번째, 세 번째로 효율이 낮은 구성품임을 알 수 있다.
Table 2는 재액화 비율의 증가에 따른 엑서지 효율의 변화 및 에너지 소모율의 변화를 나타낸다. 결과는 화물탱크에서 생성된 증발가스의 20%가 재액화될 때, 엑서지 효율이 최댓값인 60.1%를 달성하고 에너지 소모율은 4.1kWh/kgLH2의 최젓값에 도달함을 보여 준다. 이러한 재액화 비율별 엑서지 효율 및 에너지 소모율의 변화를 통해 연료량, 즉 제안된 시스템에서의 냉매의 역할을 하는 증발가스 양이 증가함에 따라 시스템 효율이 높아진다는 것을 알 수 있으며 이를 통해 증발가스의 냉열을 이용한 증발가스간의 열교환 개념이 효율에 큰 영향을 주는 시스템의 주요 요소임을 확인 할 수 있다.
이는 구성 요소 성능을보다 합리적인 방식으로 평가하기 위해 에너지 효율과 에너지 파괴를 동시에 고려해야 한다는 것을 의미한다(Vatani et al,　2014). 결론적으로 각 구성품의 엑서지 파괴값 및 엑서지 효율 각각의 확인을 통해 성능 개선여지가 큰 구성품을 확인할 수 있다.
1 참조). 결론적으로, 전체 시스템 성능을 향상시키기 위해서는 시스템 구성 요소의 효율을 향상시키는 것뿐만 아니라 효과적인 단열 시스템을 적용하여 헤더파이프를 통한 열 유입을 최소화하는 것이 중요 하다는 것을 알 수 있다.
이는 엑서지 파괴의 결과에서도 나타난다. 따라서 이러한 스트림간의 온도 차이를 줄이면 전체 시스템 엑서지 파괴를 효과적으로 줄이고 시스템성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
(2018)은 LNG 운반선을 위한 이중 혼합 냉매 사이클을 사용하는 증발가스 재액화 시스템을 제안하였고 에너지 및 엑서지 분석을 통해 평가했다. 또한, 메인엔진에서의 증발가스 소비로 인한 재액화율이 감소함에 따라 COP 및 엑서지 효율이 증가하고 에너지 소모율이 감소되는 것으로 밝혀졌다. 이러한 가운데 수소액화와 LNG액화를 비교해 볼 때 수소액화에 필요한 최소이론에너지는 3.
또한, 수소 팽창기 EXP-1의 엑서지 효율이 습식 수소 팽창기 EXP-3의 엑서지 효율보다 근소하게 높은 가운데, 엑서지 파괴 또한 높은 것으로 나타났다. 이는 구성 요소 성능을보다 합리적인 방식으로 평가하기 위해 에너지 효율과 에너지 파괴를 동시에 고려해야 한다는 것을 의미한다(Vatani et al,　2014).
마지막으로 파라메타 연구 결과, 팽창기 입구온도가 –248℃일 때 최고의 효율을 보였고 이에 따라 최적의 팽창기 입구온도에 대한 관리가 필요하다는 것을 확인 할 수 있었다.
압축기에서도 이러한 작동온도와 효율의 관계가 설명된다. 수소 압축기 Comp-1에 비해 높은 작동온도의 Comp-3의 경우 효율이 86%로 Comp-1에 비해 11% 효율이 높음을 확인할 수 있다.
이러한 결과는 각 구성품의 엑서지 파괴를 통해 설명될 수 있다. 수소 압축압력이 증가함에 따라 수소 온도가 상승하고 이에 따라 냉각기와 열교환기에서 엑서지 파괴가 증가하게 되어 결론적으로 전체 시스템의 효율 감소 및 에너지 소모율의 증가를 가져온다. 이를 통해 수소 압축압력의 관리가 필요함을 확인할 수 있다.
아울러 각 구성품의 엑서지 효율 및 엑서지 파괴를 확인한 결과 구성 요소의 성능을 보다 합리적인 방식으로 평가하기 위해서 에너지 효율과 에너지 파괴를 동시에 고려해야 하며 이에 따라 엑서지 파괴 값이 큰 열교환기 HEX-2와 엑서지 효율이 낮은 팽창기 EXP-2가 우선적으로 성능 개선이 요구되는 구성품임을 확인 할 수 있었다.
마지막으로 파라메타 연구 결과, 팽창기 입구온도가 –248℃일 때 최고의 효율을 보였고 이에 따라 최적의 팽창기 입구온도에 대한 관리가 필요하다는 것을 확인 할 수 있었다. 아울러 수소 압축압력과 증발가스 공급온도를 증가시킴에 따라 엑서지 효율은 감소하고 에너지 소모율은 증가함을 확인할 수 있었다. 이에 따라 수소 압축압력의 관리가 필요함을 알 수 있었고, 증발가스의 냉열이 유지 될 수 있는 단열 시스템을 적용하여 헤더파이프를 통한 열 유입을 최소화하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.
3은 수소 팽창기의 입구온도가 -248℃일 때 엑서지 효율이 최대임을 보여 준다. 아울러 에너지 소모율의 경우반대로 해당 조건에서 최소임을 알 수 있었다.
1kWh/kgLH2의 최젓값에 도달함을 보여 준다. 이러한 재액화 비율별 엑서지 효율 및 에너지 소모율의 변화를 통해 연료량, 즉 제안된 시스템에서의 냉매의 역할을 하는 증발가스 양이 증가함에 따라 시스템 효율이 높아진다는 것을 알 수 있으며 이를 통해 증발가스의 냉열을 이용한 증발가스간의 열교환 개념이 효율에 큰 영향을 주는 시스템의 주요 요소임을 확인 할 수 있다.
아울러 수소 압축압력과 증발가스 공급온도를 증가시킴에 따라 엑서지 효율은 감소하고 에너지 소모율은 증가함을 확인할 수 있었다. 이에 따라 수소 압축압력의 관리가 필요함을 알 수 있었고, 증발가스의 냉열이 유지 될 수 있는 단열 시스템을 적용하여 헤더파이프를 통한 열 유입을 최소화하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.
제안된 시스템에 대해 재액화 비율별 엑서지 효율 및 에너지 소모율 확인을 통하여 전체 시스템 평가 하였고, 그 결과 제안된 시스템에서 냉매의 역할을 하는 연료량이 증가함에 따라 시스템 효율이 증가한다는 것을 알 수 있었다.
한편 열교환기 HEX-2와 냉각기 CR-2를 제외한 열교환기와 냉각기는 80% 이상의 엑서지 효율을 보였다. HEX-2와 CR-2의 효율이 다른 열교환기와 냉각기보다 낮은 것은 스트림 사이의 큰 온도 차이 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박의 연비 효율의 개선 및 온실가스 배출을 감축하려는 대응방안으로 논의되는 주제는?	선박에 디젤엔진이 사용된 이래 약 100년의 시간이 지난 현재, 기후 변화에 따른 환경 규제의 필요성에 대한 국가 간의 인식공유가 확대되고 있다. 선박과 관련한 환경 규제의 강화와 관련 하여 선박의 연비 효율의 개선 및 온실가스 배출을 감축하려는 대응방안으로, 선체 구조의 개선, 선박 속도의 최적화, 화물의 적재 관리, 황산화물 후처리 장치(SOx Scrubber)의 적용 또는 저유황유 사용, 액화천연가스(LNG) 및 액화 수소(LH2)와 같은 친환경 연료의 사용 등 여러 가지 방법이 논의되고 있다.
	수소에 대한 전 세계 에너지 수요의 비중은 어느 정도인가?	수소에 관한 관심은 많은 국가에서 지속적으로 증가하고 있으며, 광범위한 연구·개발이 진행되고 있다. 현재 수소에 대한 전 세계 수요는 세계 1차 에너지 소비의 약 2%에 해당하며, 이는 앞으로 더욱 증가할 것으로 예상된다(Verfondern, 2008).
	액화 수소 운반선에서 필수 불가결적으로 발생하는 증발가스(BOG)를 선박의 추진에 이용할 경우 어떠한 문제에 대응할 수 있겠는가?	이때 액화 수소 운반선에서의 증발가스(BOG) 발생은 필수 불가결한 부분이며 이로 인한 화물탱크 내부의 압력 증가에 따른 문제를 피하기 위해 적절한 조치가 필요하다. 이 증발가스를 선박의 추진에 이용할 경우 환경 규제에 대한 한 가지 대응방법이 될 수 있으며, 추진에 사용되고 남은 잔여 증발가스는 재액화 시스템을 통해 관리할 수 있다.

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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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