백수소셰프

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : TC-LOHC 시스템의 수소 방출 및 저장을 위한 열역학적 모델링 및 시뮬레이션 연구

영문 : Thermodynamic Modeling and Simulation Study for Hydrogen Release and Storage in TC-LOHC Systems

과제 팀명

백수소셰프

지도교수

유준재 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 윤*(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 박*원

서울시립대학교 화학공학과 20193400** 강*철

서울시립대학교 화학공학과 20213400** 김*원

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ SOFC 연료전지는 기존 화석 연료와 다르게 생산 및 사용과정에서 탄소 배출이 없는 수소를 사용하기 때문에 탄소저감시대에 각광받는 새로운 발전방식이다. 하지만, 발전과정에서 많은 열이 필요하며, 주 연료인 수소를 운반하기 위해선 액체 상태 혹은 압축하여 운송해야하는데, 이는 매우 많은 에너지를 소비한다. 이를 해결하기 위해 LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carriers)를 통해 수소를 이동 시키는 방법을 제시한다.

◇ LOHC들의 탈수소화 반응의 온도가 각각 다른 점을 이용해 이들의 반응 공정을 각각 설치하는 것 보다 TC(Temperature Cascade) 구조를 채택하여 각 반응온도가 다른 LOHC1, LOHC2, LOHC3, LOHC4를 각자 반응 후 남은 잔열로 다음 LOHC를 반응하기 위한 열로 만드는 공정을 제시한다.

◇ 이렇게 반응온도가 다른 LOHC들을 TC구조를 사용했을 때, 기존 Stand alone으로 있는 공정보다 더 에너지 절감과 효율적인 발전이 가능한지 공정시뮬레이션 프로그램인 Aspen Plus로 비교하여 결과를 확인한다. 또한, 기존 제시된 LOHC 이외에도 공정에 추가가 가능한 LOHC가 있는지 탐구하고 그 LOHC를 추가한 공정과 기존 공정을 비교해본다.

개발 과제의 배경

◇ 이 연구는 수소 경제를 실현하기 위한 핵심 기술인 수소 저장 및 운반 시스템의 효율성을 향상시키는 것을 목표로 한다. 수소는 청정에너지원으로서 잠재력이 크지만, 저장 및 운송 과정에서의 에너지 소모와 안전 문제가 과제로 남아 있다. 기존의 수소 저장 방식인 고압 압축 또는 액화는 고도의 에너지가 필요하고 경제적, 환경적 부담이 커 대안이 필요하다.

◇ 이에 따라 액상 유기 수소 운반체(LOHC)는 기존의 화석연료 운반 인프라를 활용할 수 있다는 장점과 더불어 비교적 안전하고 탄소 배출이 적어 새로운 대안으로 주목받고 있다. 그러나 단일 LOHC 시스템은 탈수소화 과정에서 에너지 효율이 떨어지는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 ‘온도 계단식(Temperature-Cascade)’ 탈수소화 방식이 도입되었다. 여러 LOHC 물질을 동일한 열원에서 순차적으로 탈수소화하여 수소 방출 효율을 단일 시스템 대비 1.3배에서 2배까지 향상시킬 수 있다.

◇ TC-LOHC 시스템은 Stand-alone 시스템에 비해 더 많은 수소를 생산할 수 있는 기술로, 공정 복잡성을 크게 증가시키지 않으면서도 효율성을 극대화할 수 있다. 이를 통해 LOHC 기반 수소 공급망의 효율성을 높이고, 탄소 배출이 없는 청정 수소 생산에 기여함으로써 지속 가능한 수소 경제 활성화에 중요한 역할을 기대할 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 이 연구의 목표는 유기 액체 수소 운반체(LOHC)를 활용하여 수소를 효율적으로 저장하고 운송하는 기술을 발전하는 것이다. 수소는 재생 가능 에너지원으로 주목받고 있지만 안정적인 저장과 운송 기술이 부족하여 상용화에 어려움을 겪고 있다. 이를 해결하기 위해 LOHC 기술이 주목받고 있으며, 이 연구는 LOHC 기술의 효율을 향상시키는 데 중점을 둔다. 특히, 여러 LOHC 화합물을 온도 계단형(Temperature-Cascade) 방식으로 결합하여 동일한 에너지원에서 수소를 방출하는 과정을 모델링하고 시뮬레이션한다. 이 방식을 통해 각 화합물의 특성과 반응 조건을 최적화하고, 단일 시스템과 비교하여 에너지 효율성과 수소 방출 성능의 향상을 목표로 한다. 이를 통해 LOHC 기반 수소 저장 및 운송 시스템의 상업적 실용화를 위한 기술적 기반을 마련하는 것이 궁극적인 목표이다.

◇ 연구 과정에서 주요 초점은 다양한 LOHC 물질의 특성을 비교하고, 이를 단일 시스템과 온도 계단형 시스템에서 적용했을 때의 차이를 평가하는 것이다. 이를 위해 LOHC 물질로 Ammonia, Toluene, 2-(N-Methylbenzyl) pyridine, N-ethylcarbazole을 선정하였다. 이들은 각각 다른 온도 조건에서 수소를 방출할 수 있는 특징을 가지고 있어 온도 계단형 방식에 적합하다. 연구는 각 물질의 반응 특성을 분석하고, 이 데이터를 바탕으로 Aspen plus 공정 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 수소 방출 과정을 모델링한다. 이후, 단일 시스템과 온도 계단형 시스템에서의 수소 방출 효율을 비교, 평가한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 수소 경제에서 수소 저장은 필수적인 요소지만, 기존의 압축 및 액화 방식은 에너지 소모와 안전 문제로 인한 어려움이 있다. LOHC는 기존 연료 운송 인프라를 활용할 수 있는 안전한 대안으로 부상하고 있다. TC 방식은 단일 LOHC 시스템에 비해 에너지 효율성을 크게 향상시킨다. 각 LOHC의 탈수소화 온도 차이를 활용해 열원을 여러 단계를 거쳐 효율적으로 사용할 수 있으며, 이를 통해 LOHC 당 에너지 출력을 1.3-2배 증가시킬 수 있다.

◇ LOHC 시스템은 수소를 저장(수소화)하고 다시 방출(탈수소화)하는 과정을 기반으로 한다. 최근 연구에서는 이 과정을 더 적은 에너지로 수행할 수 있도록 촉매를 개선하여 저온에서 반응이 일어나도록 하는 데 중점을 두고 있다. 이를 통해 에너지 소비를 줄이고 대규모 에너지 저장 및 운송에 실용성을 높이는 데 기여하고 있다.

◇ LOHC 기술은 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지와 통합되어 과잉 전력을 저장하는 데 사용되고 있다. 재생 에너지로 전기를 생산한 후, 전기분해를 통해 생성된 수소를 LOHC에 저장하는 방식이다. 이는 재생 에너지의 간헐성을 해결하고, 장거리 수소 운송 중에도 에너지 손실을 최소화하는 방법이다.

◇ LOHC 기술을 더욱 경제적, 효율적으로 만들기 위한 연구도 활발하게 진행 중이다. 기존의 석유 파이프라인 및 유조선 인프라를 이용하여 새로운 설비 구축 비용을 줄이고 저장, 운송, 방출 과정의 비용을 최적화하는 것이 주요 목표이다. 이러한 최적화는 LOHC가 에너지 그리드와 수송 시스템보다 경제적으로 통합될 수 있게 한다.

◇ LOHC의 수소화 및 탈수소화 반응의 효율성을 높이기 위한 촉매 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다. LOHC에서 수소를 방출하는 탈수소화 과정은 고온이 필요한데, 이를 개선하기 위해 촉매 개발이 활발하다. 최근 연구에서는 저온에서 반응할 수 있는 비동질 촉매(non-homogeneous catalyst)를 개발하여 에너지 효율성을 높이고 있다. 이를 통해 탈수소화 반응이 더 효율적이고 경제적으로 가능해졌다.

◇ 햇빛을 활용하여 LOHC의 수소 방출 과정을 광촉매를 통해 구동하는 연구가 진행되고 있다. 이 방법은 탈수소화에 필요한 에너지를 크게 줄일 수 있어 더욱 지속 가능한 접근 방식으로 주목받고 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ LOHC를 이용한 수소 저장 및 방출 공정

본 특허는 기존의 압축 수소 저장 방식과 달리, LOHC를 사용해 수소화 및 탈수소화 반응을 통해 수소를 효율적으로 저장하고 방출하는 공정에 관한 것이다. LOHC는 고체가 아닌 액체 형태로 수소를 저장할 수 있어 더 안전하고 효율적인 저장 방법을 제공한다. 이 공정은 LOHC의 수소화 및 탈수소화 반응을 통해 고순도의 수소를 저장하고 필요시 방출한다. 백금(Pt)과 같은 촉매를 알루미나 기반의 지지체에 담지해 수소화 및 탈수소화 반응을 촉진하며, 탈수소화 시 수소 외에도 탄화수소 등의 부산물이 생기지 않도록 설계한다. 이 기술은 수소 에너지가 미래 에너지원으로 주목받고 있는 가운데, 고순도 수소를 안전하게 저장, 방출할 수 있는 공정으로 상용화 가능성이 높다.

◇ 전기화학적 수소 생산 및 저장을 통한 친환경 연료전지 시스템

본 특허는 LOHC의 전기화학적 수소 생산/저장을 이용하여 상온에서 이산화탄소 배출이 없고 연료의 재사용이 가능한 새로운 개념의 고효율 친환경 연료전지 시스템을 개발하는 것이 가능함을 실증하는 것을 목표로 한다. 전기화학적 수소 생산을 위해 수용액 분산이 가능한 LOHC로 PP와 PPMI의 수용액 상에서의 CV 측정을 통해 적용할 수 있음을 확인했다. Cyclohexane, Piperidine, Hydroquinone의 전기화학적 탈수소화 가능성을 확인하고, 전기화학적 탈수소화를 위한 전기화학 촉매로 Au, Pd, Pt의 이용 가능성을 확인했다. 이는 열을 사용하지 않기 때문에 안정성이 중요한 자동차 또는 모바일 기기용 수소 에너지원으로 활용이 가능하다. 새로운 LOHC 활용 시스템의 개발로 수소 에너지 생산, 저장 및 운송 분야의 산업적 저변을 확대한다.

◇ 유무기 복합소재 기반 촉매

본 특허는 LOHC에서 수소를 방출하는 탈수소화 반응을 위한 금속-유기 골격체(MOF) 기반 촉매를 개발했다. MOF 촉매는 대용량 수소를 상압에서 안전하게 저장하고 반복적으로 방출할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 고온에서 내구성을 유지하는 촉매로 바나듐(V)을 조촉매로 활용한 Pt/MIL-47(V) 촉매가 가장 효과적인 것을 확인했다. 이 촉매는 340°C에서 99.8%의 전환율을 보이며 목표 성능을 초과 달성했다. 또한, 이 촉매는 장기 실험에서도 50시간 동안 90% 이상의 전환율을 유지하여 높은 내구성을 입증했다. LOHC 탈수소화 반응에 대한 촉매로 MOF 소재가 매우 적합하고, 전이 금속을 활용해 부반응을 억제하는 방식으로 성능을 더욱 개선할 수 있다. 이 기술은 수소 저장 및 방출 공정에서 에너지 효율을 높이고, 장기 운전 시 촉매의 성능 저하를 막을 수 있는 중요한 기초 기술로 평가된다.

◇ LOHC 관련 특허 출원은 2004년에 급증한 후 감소세를 보이다가, 2010년 이후로 다시 꾸준하게 증가하는 추세를 보였다. 이러한 증가세는 1980년대부터 시작된 재생에너지에 대한 관심과 함께, LOHC 기술의 초기 개발이 이루어진 결과로 풀이된다. 특히, LOHC와 관련된 최초 특허는 1980년대에 출원되었으며 이후 에너지 저장 및 운송 기술이 주목받으면서 특허 출원이 점차 늘어났다. 그러나 상대적으로 한국은 LOHC 관련 특허 출원이 다른 주요 국가에 비해 적은 편인 것을 확인할 수 있다.

◇ LOHC 관련 특허의 국가별 출원 비율을 살펴보면, 일본이 전체의 33.6%로 가장 많은 비중을 차지하며 이어서 중국이 22.3%, 미국이 20.4%, 유럽이 15%, 그리고 한국이 8.7% 순이다. 미국은 1964년에 최초의 LOHC 특허를 출원했으며, 2015년까지 꾸준히 출원이 이루어졌다. 그러나 2015년 이후 다소 감소하는 양상이 나타나며, 이는 유럽에서도 비슷하게 관찰된다. 일본은 미국보다 늦은 시기인 2000년대 초반부터 대규모 특허 출원이 이루어졌으며, 2016년까지 안정적인 출원 흐름을 보이다가 2017년에는 소폭 감소하였다. 한국은 일본과 비슷한 시기에 LOHC 관련 특허를 출원했으나 전체적으로 출원 건수가 적고 꾸준히 낮은 수준을 유지하고 있다. 반면 중국은 2000년대 초반부터 특허 출원을 시작하여 꾸준히 증가세를 보였으며, 특히 2015년에 가장 많은 특허를 출원한 후 2018년까지도 지속적으로 증가하는 경향을 보인다. 이는 중국이 LOHC 기술의 상업적 활용과 인프라 구축에 적극적으로 나선 결과로 해석된다. LOHC 특허 동향을 종합적으로 보면, 국가별로 기술 집중 분야와 성장 속도가 다르며, 일본과 중국이 현재 가장 강력한 경쟁력을 보이고 있다.

시장상황에 대한 분석

1. 경쟁제품 조사 비교

• 고압 압축 수소 저장:

장점: 기술 성숙도가 높고, 기존 인프라를 활용할 수 있음. 단점: 고압 탱크 제조 및 유지 비용이 높으며, 장거리 운송 시 안전성 문제가 있음. LOHC 비교: LOHC는 상온 및 상압에서 저장이 가능해 안전성과 경제성 측면에서 유리함.

• 액화 수소 저장:

장점: 부피당 저장 밀도가 높아 대량 운송에 적합. 단점: 극저온(-253°C)에서 저장이 필요하므로 냉각 및 유지 비용이 매우 높음. LOHC 비교: LOHC는 극저온 환경 없이 액체 상태로 저장 가능하며, 에너지 소모를 줄일 수 있음.

• 금속 수소화물 저장:

장점: 수소 저장 밀도가 높아 소형 저장 시스템에 유리함. 단점: 금속 수소화물의 가격이 비싸며, 탈수소화 과정에서 높은 온도가 요구됨. LOHC 비교: LOHC는 다양한 촉매와 온도 계단식(TC) 구조를 통해 효율적인 탈수소화를 실현할 수 있어 대규모 상용화에 더 적합함.

• 시장 상황:

현재 LOHC 기술은 초기 상용화 단계로, 일본, 유럽, 중국에서 기술 개발과 특허 출원이 활발히 이루어지고 있다. 일본은 수소 경제 선도국으로 LOHC 기반 기술을 재생 에너지와 통합하여 수소 공급망 구축에 활용 중이며, 중국은 대규모 LOHC 기반 인프라를 구축하며 시장 점유율을 확대하고 있다. LOHC 기술의 주요 경쟁력은 기존 방식 대비 낮은 에너지 소비와 높은 안전성에 있으며, 특히 TC 구조와 같은 혁신적인 설계를 통해 경쟁 제품보다 우수한 에너지 효율과 경제성을 제공한다는 점이 강조된다. 이러한 시장 분석 결과는 LOHC 기술의 상업적 가능성을 확인하며, 지속적인 기술 혁신과 비용 절감을 통해 시장 경쟁력을 더욱 강화할 필요가 있음을 시사한다.

2. 마케팅 전략 제시

• 기존 기술(고압 압축, 액화 수소, 금속 수소화물) 대비 LOHC 기술의 장점인 안전성, 에너지 효율성, 상온·상압 저장 가능성을 적극 홍보한다.

특히 TC(Temperature Cascade) 구조를 활용한 혁신적 설계가 에너지 소비를 크게 줄이고, 탈수소화 공정의 효율을 극대화함을 강조한다. 목표 시장 세분화

• 대규모 에너지 소비 기업: 발전소, 정유 공장 등 대량의 수소를 사용하는 산업을 주요 고객으로 설정하고, LOHC 기술의 비용 절감 효과를 어필한다.

재생 에너지 인프라: 태양광, 풍력 발전에서 생성된 잉여 전력을 수소로 전환해 저장하려는 기업과 협력한다. 운송·물류 기업: 기존 화석연료 운송 인프라를 활용할 수 있는 LOHC 기술의 강점을 기반으로, 장거리 수소 운송 시장을 공략한다.

• 정부 및 에너지 관련 기관과 협력하여 탄소 중립 목표를 달성하기 위한 핵심 기술로 LOHC를 제안한다.

재생 에너지 기업과의 협력을 통해 LOHC 기반 수소 저장 기술을 에너지 저장 솔루션으로 통합한다. 글로벌 수소 공급망에서 선도적 위치를 차지하고 있는 일본, 유럽, 중국의 기업과 공동 연구 및 프로젝트를 진행한다.

• LOHC 기술의 성능과 안정성을 입증하기 위해 파일럿 프로젝트와 대규모 실증 사업을 추진한다.

학술 논문, 기술 보고서, 컨퍼런스 발표 등을 통해 기술의 우수성과 지속 가능성을 알린다.

• 생산 및 운영 비용 절감을 위한 공정 최적화 연구를 지속하여 초기 도입 비용을 낮춘다.

각국의 탄소 중립 정책 및 재생 에너지 지원 보조금을 활용해 초기 시장 진입 장벽을 낮추고 수요를 창출한다. 디지털 홍보 강화

• LOHC 기술의 원리와 효율성을 시각적으로 설명하는 홍보 자료(동영상, 애니메이션, 인포그래픽)를 제작하여 디지털 채널에서 홍보한다.

기업 웹사이트, 기술 관련 소셜미디어 플랫폼, 산업별 전문 포럼을 활용해 목표 시장에 기술의 가치를 효과적으로 전달한다. 핵심 메시지: LOHC는 기존 수소 저장·운송 기술의 한계를 극복하고, 에너지 전환과 탄소 중립 목표를 실현할 수 있는 차세대 솔루션이다. LOHC 기술을 통해 에너지 비용 절감, 안전한 수소 공급망 구축, 그리고 지속 가능한 미래를 함께 만들어갈 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ TC 구조를 도입하여 각 LOHC의 탈수소화 온도 차이를 활용함으로써 잔열을 효율적으로 재사용할 수 있다. 기존의 독립 공정 방식에서는 각 LOHC의 탈수소화 반응을 개별적으로 수행했기 때문에 에너지 소모가 컸다. 그러나 TC 구조는 첫 번째 LOHC의 탈수소화 과정에서 발생한 잔열을 다음 LOHC로 전달하여 추가적인 에너지를 투입하지 않아도 연속적으로 반응을 이어갈 수 있도록 설계되었다. 이를 통해 전체 공정의 에너지 소비량을 대폭 줄일 수 있으며, 수소 방출 및 저장 공정에서의 에너지 효율을 1.3-2배 향상시키는 결과를 기대할 수 있다. 이는 수소 저장 기술의 경제성과 실용성을 크게 높여줄 것이다.

◇ 공정 시뮬레이션 프로그램인 Aspen plus를 활용한 TC 구조 공정은 기존 Stand alone 방식보다 더 나은 공정 설계 가능성을 제공한다. 다양한 LOHC 물질의 특성을 반영한 시뮬레이션을 통해 공정을 최적화하고 시뮬레이션 결과를 활용하여 LOHC 물질을 공정에 적용했을 때의 효율 변화를 비교 분석할 수 있다. 이는 지속적인 LOHC 기술 발전과 다양한 운영 조건에서의 적응력을 제공한다. 또한, LOHC 물질 조합의 다양성을 고려하여 새로운 물질을 도입하거나 기존 물질의 특성을 개선할 때에도 공정을 효율적으로 조정할 수 있는 기술적 토대를 마련한다.

◇ LOHC 시스템의 에너지 효율을 극대화하려면 탈수소화 과정에서 요구되는 반응 온도를 낮추는 것이 중요하다. 이를 위해 기존의 고온 기반 촉매 기술을 개선하거나 새로운 촉매 기술을 개발할 필요가 있다. 비동질 촉매(non-homogeneous catalyst)와 MOF(Metal Organic Framework) 기반 촉매는 최근 연구에서 에너지 소모를 줄이고 저온 반응을 가능하게 하는 유망한 대안으로 주목받고 있다. 이러한 기술 개발은 LOHC 기반 수소 저장 및 방출 공정을 한층 더 효율적이고 경제적으로 만들 수 있다. 이러한 기술 개발은 LOHC 기반 수소 저장 및 방출 공정을 한층 더 효율적이고 경제적으로 만들 수 있다. 나아가, 촉매 기술은 LOHC 기술뿐 아니라 다양한 화학 공정에도 적용 가능성이 있어 다른 분야로의 확장성도 제공한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ LOHC 기술은 기존 화석연료 운송 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 기존의 고압 수소 운송 방식과 비교해 설비 구축 비용을 줄이고 안정성을 확보할 수 있어 장거리 운송에도 유리하다. 특히, 재생에너지의 잉여 전력을 이용해 생산된 수소를 LOHC에 저장하고 이를 안정적으로 운반할 수 있는 시스템은 수소 경제의 상업적 성공 가능성을 높인다. 이로써 LOHC 기술은 에너지 그리드 안정화, 수소 공급망 구축, 장기적 에너지 저장 솔루션 제공 등의 역할을 통해 수소 경제 활성화에 크게 기여할 수 있다.

◇ LOHC 기술은 탄소 배출 없이 수소를 안전하게 저장하고 방출할 수 있어 환경적으로 매우 우수한 대안이다. 특히, 탈수소화 공정을 TC 구조로 설계하면 기존 공정보다 에너지 효율이 높아져 공정 중 에너지 낭비를 줄이고, 수소 기반 친환경 에너지원의 상용화를 앞당길 수 있다. 이는 재생에너지와 통합해 에너지 생산 문제를 해결하는 데에도 중요한 역할을 한다. 이는 온실가스 감축 목표를 달성하려는 국가 및 국제적 노력에 기여하며, 지속 가능한 에너지 시스템 구축을 촉진한다.

◇ LOHC 기술의 상용화는 글로벌 수소 시장에서 경쟁력을 확보하는 데 중요한 역할을 할 것이다. LOHC 기반 시스템은 기존 기술 대비 에너지 효율성과 안정성을 제공하며, 다양한 수소 응용 분야에서 활용 가능성이 높다. 이러한 기술적 우위는 국내 수소 산업의 국제적 입지를 강화하고, 해외 시장에서의 기술 추출 및 협력 기회를 늘릴 것으로 예상된다. 특히, LOHC 시스템의 경제성과 안정성은 장거리 운송 및 대규모 저장 솔루션이 필요한 국가들에게서 큰 수요를 창출할 것이다.

◇ LOHC 기술 개발은 단순히 기술적 진보에 그치지 않고 관련 산업의 성장과 일자리 창출로 이어질 것이다. LOHC 기반 기술은 수소 생산, 저장, 운송, 방출의 모든 단계에서 전문 인력이 필요하며, 관련 인프라 구축과 유지보수 과정에서도 고용 효과를 기대할 수 있다. 이러한 고용 창출은 지역 경제 활성화에 기여하며, 수소 경제를 기반으로 한 새로운 산업 생태계를 조성하는 데도 중요한 역할을 할 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ LOHC 시스템 전반에 관련한 최신 연구 동향 조사-강*철, 박*원

LOHC 시스템의 기술적 발전 및 최근 연구를 분석하여 효율적인 에너지 저장 및 운송 방법에 대한 최신 정보를 파악한다.

◇ LOHC 화합물의 물리적/화학적 성질 조사-김*원, 윤*

LOHC 화합물의 물리적/화학적 성질을 조사하여 Aspen plus 시뮬레이션에 적용한다.

◇ Aspen plus를 이용한 Stand-alone LOHC 시스템 시뮬레이션-전원

공정 시뮬레이션 소프트웨어인 Aspen plus를 사용해 Stand-alone LOHC 시스템에 대한 시뮬레이션을 진행한다.

◇ Aspen plus를 이용한 TC-LOHC 시스템 시뮬레이션-전원

공정 시뮬레이션 소프트웨어인 Aspen plus를 사용해 TC-LOHC 시스템에 대한 시뮬레이션을 진행한다.

◇ 시뮬레이션 결과에 따른 TC-LOHC 시스템의 우수성 검토 및 평가-강*철, 김*원, 박*원, 윤*

시뮬레이션 결과를 바탕으로 기존 시스템과 비교하여 TC-LOHC 시스템의 성능, 효율성을 평가하고 단위질량 생성된 에너지의 증가량을 계산한다.

◇ 최종 시뮬레이션 공정 제시-강*철, 김*원, 박*원, 윤*

모든 시뮬레이션 결과를 종합하여 최적의 TC LOHC 시스템을 설계한다. 또한 기존 제시된 LOHC 이외에도 공정에 추가가 가능한 LOHC가 있는지 탐구하고 그 LOHC를 추가한 공정과 기존 공정을 비교한다.

설계

목표 달성을 위한 설계 방법

연구 과정 개요

연구 과정 개요

1단계 및 2단계 개발 목표 및 세부목표

단계	목표	세부 목표	Objective
1단계	LOHC 물질의 물성값 확인 및 물질 설정	LOHC의 반응 Kinetics 설정, 더 높은 수율을 가진 반응 Kinetic 설정	더 높고 정확한 수율을 가진 반응 Kinetic 설정
2단계	Aspen Plus V14를 이용한 Stand-alone system에 대한 Simulation	Stand-alone system에서의 최적의 stream값 찾기	Reactor 와 Heat Exchanger를 반응이 일어나는 최적 온도로 설계

3단계 및 4단계 개발 목표 및 세부목표

단계	목표	세부 목표	Objective
3단계	Stand alone system 기반으로 TC System 세부 설계	TC System에서의 오류 제거	현실에서 실현 가능한 시스템인지에 대한 최적화
4단계	TC 시스템과 Stand alone system의 효율성 비교	전체 / 단일 수소 생산, 소비량 비교 Aspen Economics에서 공정 효용성 및 Cost계산	열효율과 경제적 효용성에 대한 동시 비교 비용을 고려한 단수 최적화 spec 상향 조정하여 비교

상세설계 내용

1. Stand alone system

• LOHC 1 - Ammonia

본 연구에서는 Stand Alone System 1로 정의된 암모니아 탈수소화 공정을 열역학적으로 모델링하고 시뮬레이션을 수행하였다. 암모니아(NH₃)는 25℃, 1.013bar의 조건에서 28.35kg/h의 유량으로 설정되었으며, 펌프를 통해 압력을 1.5bar로 증가시킨 뒤 열교환기를 이용해 반응에 필요한 온도로 가열하였다. 반응기는 RPlug 유형으로 설계되었으며, co-current thermal fluid 방식을 적용하여 열 교환이 이루어지도록 구성하였다. 반응기의 주요 설계 매개변수는 열전달 계수 U=300W/m²·K, 튜브 개수 2개, 반응기 길이 1.5m, 직경 0.15m로 설정하였다.

암모니아 탈수소화 반응은 Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson(LHHW) 메커니즘을 적용한 촉매 흡착반응으로 모델링되었으며, 반응 속도 상수 k=7000mol/g·s, 활성화 에너지 Ea=106kJ/mol, 반응 차수 n=1의 조건이 적용되었다. Driving force 표현식에서는 Term1 반응물 농도 차수를 1, 계수 A를 8.854로 설정하였으며, Term2의 계수 A는 -100으로 입력하였다. 또한 Adsorption 표현식에서는 Term2 암모니아 농도 차수를 1로, Term4 수소 농도 차수를 0.5로 설정하였고, 각각의 계수는 Term2에 0.48, Term4에 1.58로 입력하였다. 촉매와 관련된 물성은 bed voidage 0.29, particle density 3198kg/m³로 설정하였으며, 이는 관련 논문의 데이터를 참고하였다. 반응 후 생성된 수소와 질소를 분리하기 위해 Flash Drum을 사용하였으며, 분리 조건은 온도 -215℃, 압력 1.013bar로 설정하였다. 이 과정에서 암모니아는 100% 반응하여 수소(H₂) 5.03363kg/h와 질소(N₂) 23.3164kg/h가 생성되었다.

반응기에 열을 공급하기 위해 공기(질소 79%, 산소 21%)와 수소의 비율을 조정하여 RStoic 반응기에서 연소 가스(flue gas)를 생성하였다. 구동 조건은 압력 1.013bar, 열 부하(Duty)를 기준으로 설정하였으며, 공기와 수소의 유량은 각각 300kg/h와 2kg/h로 입력되었다. 생성된 연소 가스는 1190.43℃로 반응기에 주입되었고, 반응 후 배출된 가스는 536.80℃로 배출되었다.

이를 통해 28.35kg/h의 암모니아를 투입하고, 2kg/h의 수소를 연소하여 5.03363kg/h의 수소를 생성하는 공정을 구현하였다.

• LOHC 2 - Methylcyclohexane

Methylcyclohexane의 탈수소화 반응 kinetic factors를 바탕으로 Stand-Alone 반응기를 설계하였다. 반응 속도는 Power Law 모델을 적용하였으며, 열교환기와 반응기의 조건은 Ammonia의 탈수소화 반응과 동일하게 적용되었다. 적절한 반응 온도(315 ℃ ~ 370 ℃)를 맞추기 위해 시간당 1.25 kg의 수소를 연소시켜 Flue gas의 온도를 유지시켰다. 생성된 연소 가스는 640.16℃로 반응기에 주입되었고, 반응 후 배출된 가스는 332.99℃로 배출되었다.

이를 통해 32.44kg/h의 Methylcyclohexane를 투입하고, 1.25kg/h의 수소를 연소하여 2.00kg/h의 수소를 생성하는 공정을 모델링하였다.

• LOHC 3 - 2-(N-methylbenzyl)pyridine

2-(N-methylbenzyl) pyridine의 탈수소화 반응 kinetic factors를 바탕으로 Stand-Alone 반응기를 설계하였다. 반응속도는 2번째 시스템과 동일한 POWER LAW 모델을 적용하였다. 열교환기, 반응기의 조건은 Ammonia의 탈수소화 반응과 동일하게 적용되었다. 적절한 반응 온도(250 ℃ ~ 270 ℃)를 맞추기 위해 시간당 1.00 kg의 수소를 연소시켜 Flue gas의 온도를 유지시켰다. 생성된 연소 가스는 434.3℃로 반응기에 주입되었고, 반응 후 배출된 가스는 262.1℃로 배출되었다.

이를 통해 38.36kg/h의 12H-MBP를 투입하고, 1.00kg/h의 수소를 연소하여 0.60kg/h의 수소를 생성하는 공정을 모델링하였다.

• LOHC 4 - N-ethylcarbazle

N-ethylcarbazole의 탈수소화 반응 kinetic factors를 바탕으로 Stand-Alone 반응기를 설계하였다. 반응속도는 2번째 시스템과 동일한 POWER LAW 모델을 적용하였다.- 열교환기, 반응기의 조건은 Ammonia의 탈수소화 반응과 동일하게 적용되었다. 적절한 반응 온도(100 ℃ ~ 115 ℃)를 맞추기 위해 시간당 0.70 kg의 수소를 연소시켜 Flue gas의 온도를 유지시켰다. 생성된 연소 가스는 304.72℃로 반응기에 주입되었고, 반응 후 배출된 가스는 104.96℃로 배출되었다.

이를 통해 31.97kg/h의 12H-NEC를 투입하고, 0.70kg/h의 수소를 연소하여 1.86kg/h의 수소를 생성하는 공정을 모델링하였다.

2. TC(Temperature Cascade) LOHC system

우선, TC LOHC system에서는 선행 논문과 다르게 heat exchanger를 10개로 늘렸으며, 각각 stream에서 부족한 온도를 보완함으로써 에너지 효율을 극대화했다. 이에 따라 필요한 stream의 개수가 늘었지만, 열적 효율은 더 극대화된 모습을 보여준다. 설정한 LOHC input 값은 위 Stand alone system과 동일하였으며, 각 반응의 Kinetic 또한 동일한 값으로 simulation을 실행했다. 선행논문과 동일하게 LOHC2, LOHC3, LOHC4는 25도에서 액체상태라고 가정하였다. 선행논문에서는 heat exchanger와 Reactor의 열역학적 모델을 새로 설정하여 reactor의 thermal fluid가 couter current 모델로 설정하였으나, 이번에 진행한 TC LOHC system에서는 reactor를 co-current 모델로 설정하였다. 또한, HX3, HX5, HX8, HX9이 추가되었는데, HX3은 35번 stream의 온도가 반응을 진행시키기에 부족하여 HX1에서 나온 온도가 높은 LOHC1(-)를 stream36으로 옮겨주고, 에너지 효율을 극대화 하기 위해 HX8에서 stream18, HX1에서 stream LOHC(+)로 열교환시켜준다. HX5는 HX4에서 열교환을 진행한 LOHC2(-)의 에너지 효율을 극대화 하기 위해 사용했으며, 여기서 나온 steram13은 HX6(선행논문에서는 HX5)로 들어가 열교환을 한다. HX9는 HX7에서 열교환을 진행한 LOHC3(-)의 에너지 효율을 극대화 하기 위해 사용했으며, 여기서 나온 stream 22는 C3에서 냉각된 후 FD3로 들어가 수소와 LOHC3(-)로 분리된다. 공정도 최상단의 stoichiometric reactor에 사용한 수소량은 2.5kg/h이며, 공정에서 총생산된 수소량은 10.67kg/h이다.

결과 및 평가

개발 과제 핵심 결과

• Comparison of single LOHC and TC systems based on LOHC flowrate and resulting H2 generated.

본 연구에서는 다양한 LOHC 시스템에서 최적의 유량 조건을 기반으로 수소 생성량과 효율성을 비교하였다. 분석 결과, TC LOHC 시스템은 다른 시스템에 비해 동일 질량의 LOHC를 활용하여 더 많은 수소를 생성할 수 있어 우수한 성능을 보였다. LOHC 유량 대비 수소 생성량 측면에서 TC LOHC 시스템은 Stand-alone 시스템에 비해 약 1.31배에서 3.28배까지 증가한 수치를 기록하며, 가장 높은 효율을 기록한 것을 확인할 수 있다. 이는 TC 시스템이 수소의 저장과 운송을 더욱 효과적으로 수행할 수 있는 기술적 우위를 가지고 있음을 보여준다. TC 시스템의 높은 효율은 LOHC의 화학적 반응성 및 반응 조건의 최적화가 주요 요인으로 작용한 결과로 보인다. 이러한 효율성은 기존의 Stand-alone 시스템 대비 더 적은 자원 투입으로 더 많은 수소를 생산할 수 있는 가능성을 열어준다. 이는 향후 수소 저장 및 활용 기술 개발의 방향성을 제시하며, 다양한 산업 분야에서 응용될 수 있는 잠재력을 시사한다.

• Comparison of Stand alone total and TC systems based on H2 generated/H2 used.

Flue gas 연소에 사용된 최적의 수소량과 그에 따른 수소 생성량을 기준으로 Stand-alone 시스템과 TC 시스템의 성능을 비교하였다. 분석 결과, TC 시스템은 생성된 수소량 대비 사용된 수소량의 비율이 Stand-alone 시스템 대비 약 2.21배 높은 효율을 보였다. 이는 TC 시스템이 수소 생성 효율 측면에서 뛰어난 잠재력이 있음을 입증하며, 동일한 수소 투입량으로 더 많은 수소를 생성할 수 있는 시스템임을 의미한다. TC 시스템의 이러한 성과는 수소 저장 및 활용 기술의 경제성과 지속 가능성을 크게 향상시킬 수 있다. Stand-alone 시스템 대비 효율성이 증가한 이유는 TC 시스템의 최적화된 반응 조건과 개선된 연소 설계에 기인하며, 이는 수소 경제 활성화를 위한 기술적 기반을 강화하는 중요한 요소로 작용한다. 따라서 TC 시스템은 고효율 수소 생산이 요구되는 산업 및 에너지 분야에서 활용될 가능성이 높으며, 수소 기반 에너지 전환 기술의 상업화에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 향후 연구에서는 TC 시스템의 대규모 적용 가능성, 안정성 그리고 경제적 타당성을 추가적으로 검증하여 더욱 구체적인 기술적 해답을 도출하는 데 초점을 맞춰야 할 것이다. 이를 통해 에너지 전환 과정에서 수소 활용을 효율성을 극대화하고, 지속 가능한 에너지 공급망 구축에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

완료작품의 평가

향후계획

◇ Reactor 설계에서 co-current 방식 대신 counter-current 방식으로 적용하여 열전달 효율과 반응 성능 개선을 향상시킬 수 있다. 또한, Heat exchanger 온도 설정에서 열교환기의 지정 온도가 본 연구에서 대략적으로 설정되어 있다. 반응이 가능한 온도를 기반으로 더 정확히 계산하여 설정한다면 열교환 성능이 향상될 것이다. 열교환기 및 반응기의 압력강하를 계산하면 정확한 효율성과 Stream의 압력을 계산할 수 있다. 본 연구에서는 선행 연구에서 제시된 최적의 반응기 크기를 그대로 사용하였다. 하지만 조건에 맞게 별도의 최적화된 반응기의 크기 및 개수를 사용하여 시뮬레이션을 진행한다면 설계의 효율이 더 높아질 것이다. 공장의 가동 비용 및 수소 소비량을 고려한다면 경제성을 더욱 부각시키는 효율성 비교가 가능할 것이다.

◇ LOHC 기술은 저온 탈수소화 촉매 개발, 공정 최적화, 신뢰성 향상과 같은 분야에서 발전을 거듭할 그것으로 예상한다. 기존의 LOHC 시스템은 탈수소화 과정에서 높은 온도를 필요로 했으나, 비동질 촉매 및 MOF 기반 기술의 도입으로 저온에서도 반응이 가능해지고 있다. 이는 에너지 소모를 대폭 줄이고 시스템의 경제성을 높이는 방향으로 이어질 것이다. 또한, 다양한 LOHC 물질의 혼합 사용과 TC 구조의 적용은 공정 효율성을 더욱 극대화할 가능성을 제시한다. 기존 물질 외에도 반응 조건과 비용 효율성이 우수한 신규 LOHC 물질이 계속 개발될 것으로 예상한다.

◇ LOHC 기술의 상용화는 전 세계 수소 경제 활성화의 중요한 요소로 자리 잡을 것이다. 특히, LOHC 시스템이 기존 화석연료 운송 인프라를 활용할 수 있어 초기 설비 투자 비용을 크게 절감할 수 있다. 이는 수소 저장 및 운송의 비용 장벽을 낮춰 산업 전반에 긍정적인 영향을 미칠 것이다. 또한, TC-LOHC 시스템은 단위 질량당 수소 생산량을 증가시킬 수 있어 대규모 수소 공급망 구축에 핵심적인 역할을 할 수 있다. LOHC 기술은 일본과 유럽과 같은 수소 수요가 높은 지역에서 중요한 역할을 할 것으로 보이며, 이는 수소 무역 활성화와 국제 협력 확대의 계기가 될 것이다.

◇ 환경적 측면으로는 TC-LOHC 시스템은 탄소 배출량을 줄이고 재생에너지와의 통합을 통해 지속 가능한 에너지 전환에 기여할 수 있다. 잉여 전력을 저장하는 데 LOHC 기술을 활용하면 태양광, 풍력과 같은 재생에너지의 간헐성 문제를 해결하면서 안정적인 에너지 공급을 가능하게 한다. 이는 온실가스 감축과 청정에너지 확대라는 전 세계적인 목표 달성에 중요한 역할을 할 것이다.

포스터