수소많이조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 천연가스 기반 수증기 개질 공정의 이론 및 대안 공정 설계와 경제성 비교 분석

영문 : Techno-economic: Comparative Analysis Between The Theory and Alternative Process Design of The Natural Gas-based Steam Reforming Process

과제 팀명

수소많이조

지도교수

정연수 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학부·과 2016340004 김민성(팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 2016340007 김지훈

서울시립대학교 화학공학부·과 2018340024 양귀음

서울시립대학교 화학공학부·과 2016890078 황인하

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 수소는 탄소 배출량이 제로인 에너지원이다. 이에 따라 수소 시장은 지속적으로 증가하고 있으며, 수소 수요 또한 늘어나고 있다. 현재 가장 상용화된 수소 생산 방식은 천연가스를 개질하여 수소를 생산하는 수증기 개질 공정(SMR : Steam Methane Reforming)이다. 수증기 개질 공정은 흡열반응이므로 850℃ 내외의 높은 온도가 필요하기에 에너지 소모가 많다는 단점이 있다.
- 본 과제에서는 기존의 상용화된 공정을 분석하고 이해한 뒤 이론공정을 설계해 볼 것이다. 이론 공정의 개선점을 찾아 최적화를 진행하며 더 높은 수율과 낮은 수소 생산 비용을 가진 공정을 설계해 볼 것이다.
- 공정 설계를 통해 PFD를 완성하고 시뮬레이션을 통해 최적화한다. 공정의 개선점을 분석하여 대안 공정을 설계한다. 최적화된 대안 공정의 COST를 계산하여 기존 공정 대비 수익성을 비교한다.
- 최적화된 공정 설계를 통해 수증기 개질 공정의 효율성 증가 효과를 보고, 시장적으로는 향상된 경제성을 바탕으로 수소 시장에서 경쟁우위를 점할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

개발 과제의 배경

- 2050년 국내 수소 수요는 연간 1,700만 톤에 달하며 이는 최종 에너지 소비량의 약 21%에 해당하는 수치다. 수소는 용도가 다양하고 탄소 배출량 제로인 에너지원으로 발전, 수송, 산업, 건물, 산업용 원료로 활용돼 2030년까지 완만한 증가세를 보일 것이다. 이에 관련 인프라 확충 및 기술 개발의 중요성이 증가하고 있다. 특히 정부는 오는 2030년까지 수소승용차 81만 대, 수소버스 2만 대, 수소충전소 1000개 소를 목표로 수소 충전을 위한 인프라를 구축하고 있다.

- 수소는 제조 방식에 따라 부생 수소, 수전해 수소, 개질(추출)수소로 구분된다. 

- 부생 수소는 석유화학 공정 및 제철 공정에서 얻을 수 있는 수소로서 일찍부터 석유화학 정제용, 반도체 세정용 등에 산업적으로 이용되고 있다.
- 수전해 수소는 전기를 이용하여 물에서 수소를 얻는 방법으로 높은 생산단가로 인하여 경제성이 낮다.
- 개질(추출) 수소는 석탄이나 천연가스 등 화석연료에서 생산되는 수소로서 현재 생산되는 수소 중 가장 큰 비중을 차지하고 있다.

현재의 경제성 평가에서는 수증기 개질 공정이 가장 경제적인 대용량 수소 제조공정으로 평가된다. 수증기 개질 공정은 탄화수소를 원료로 한 부분산화 공정에 비하여 CO2 생성비가 낮고 일정량의 탄화수소로부터 더 많은 양의 수소를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

- 수증기 개질 공정은 촉매의 코킹을 막기 위하여 수증기/탄소 비를 2.5-3 정도로 높여 과잉으로 공급해야 한다. 또한, 공정 온도가 850℃ 내외로 높고 공정 압력이 20기압 이상의 고압이 요구되므로 에너지 소비가 높다는 단점이 있다.

- 과제 진행 방법 및 효과는 다음과 같다.

1) 기존에 상용화되어있는 공정을 분석하고 공정의 순서와 필요한 공정 장치 등에 대한 이해

2) 상용화되어있는 공정에서 파라미터를 조절하여 이론 공정의 설계 진행

3) 설계한 이론 공정의 개선점을 찾아 최적화된 열교환 시스템을 찾거나, Feed를 조절한 대안 공정 설계

4) 대안 공정과 이론 공정을 비교하고, 다양한 변수를 고려했을 때, 기존의 공정 대비 생산성과 경제성 이득 여부를 판단하며 결론 도출

상기 방법으로 최적화된 공정 설계를 찾아 생산성과 경제성을 향상시키고, 수소 생산단가를 낮추는 데 초점을 둔다. 이를 통해 공정적으로는 천연가스 개질 공정 효율성 증가 효과를 볼 수 있고 시장적으로는 향상된 경제성을 바탕으로 수소 시장에서 경쟁우위를 점할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

- 앞으로 수소의 수요가 늘어남에 따라 더 많은 양의 수소가 생산되어야 한다. 현재 상용화된 수소 생산 공정은 에너지 소모가 크고, 이에 따라 비용이 더 들게 된다. 따라서 상용화 공정을 설계하고 최적화를 통해 에너지 소모를 줄이고, 수소 생산 비용을 줄인 공정을 제시하는 것을 본 개발 과제의 목표로 한다. 또한, 공정의 구조를 바꾸어 더 높은 경제성을 가질 수 있는 공정을 설계하여 제시해본다.

- 공정을 설계하기 위해 필요로 하는 수소 생산량에 대한 천연가스, 수증기, 수소, 일산화탄소 등 물질들의 양론 계산을 진행하고, Input과 Output을 계산하여 Flowchart로 나타낸다. 그 후, 리사이클, 분리공정 등 필요 요소를 파악하여 PFD를 완성한다. 또한 공정들의 필요조건을 파악하여 에너지 밸런스를 계산한다. 이를 통해 열교환기 등을 추가하고, 최종 공정을 설계한다. 설계 후, 열교환기의 유량, 반응기의 온도와 압력 등의 파라미터를 조작하는 과정을 통해 에너지 절약을 위한 공정 최적화를 진행한다. 엑셀을 통해 단위 공정의 결과값을 계산하여 공정을 설계하고 ASPEN, DWSIM 등으로 시뮬레이션하여 공정의 타당성을 검증해본다.

- 설계된 공정에서 수소를 생산하는 데에 필요한 비용을 계산한다. 원료비, 유틸리티 비용 및 부산물 판매 등의 직접비용, 감가상각, 세금 및 공정 간접비용 등의 간접비, 행정, 판매 및 R&D 등의 일반비용을 포함하여 계산한다. 

- 공정을 설계하는 과정에서 공정 상에서 개선할 수 있는 요소를 파악해본다. 해당 부분을 개선한 사례들을 찾아보고, 우리의 추가적인 대안을 만들어 대안 공정을 설계한다. 설계한 대안 공정의 경제성을 분석하여 수소 생산 비용을 계산한다. 기존 공정과 비교하여 기존 공정 대비 수소 생산비용을 얼마나 줄일 수 있는지 계산해본다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

- 한국과학기술기획평가원에 따르면 전세계 천연가스 개질 수소 시장은 2020년 1,029억 달러에서 2024년 1,291억 달러로 연평균 5.9% 성장할 것으로 전망하고 있다.

◇ 국내 개질 기술 현황

- 한국에너지기술연구원에서 현장 생산형 고순도 수소 생산유닛 100% 국산화에 성공했으며, 기존 수소 정제에 사용되는 압력변동흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 방식과 다른 진공압력변동흡착(VPSA, Vacuum PSA) 방식을 자체 개발하여 적용했다.(’20.6)

- SK이노베이션은 매립지 가스를 전처리한 후 발생하는 메탄을 원료로 하는 30Nm³/h급 수소 개질기를 제작하여 상암동 수소충전소에 설치(’10.11)하고 운영하고 있다.

- 한국가스공사에서는 송도 수소충전소에서 운영 중인 외국산 개질기를 리버스 엔지니어링하여 30Nm³/h 급 천연가스 기반 개질기를 자체 설계 및 제작하여 운영하고 있다.

◇ 국외 개질 기술 현황

- 대표적인 수소 회사인 프랑스 Air Liquide는 소규모부터 20,000Nm³/h ~ 145,000Nm³/h급 대형 개질수소 플랜트 제조 및 설치 경험이 풍부하며, ’19년 기준으로 전 세계적으로 145기의 수증기 개질수소 플랜트를 운영하고 있다.

- 독일 Linde에서 출시한 Hydroprime은 도시가스와 액화프로판가스로부터 최대 1,000Nm³/h까지 수소 생산이 가능하며 69%의 제조효율을 보였다.

• 특허조사

◇ 용이한 초기 구동, 운전 안정성 및 높은 열효율을 갖는 수소 발생 장치
- 출원번호 : 10-2007-0111068
- 특허권자 : SK이노베이션
- 요약 : 탄화수소를 원료로 하는 수증기 개질에 의한 수소 발생 장치와 이의 운전 방법에 관한 것. 개질 반응에 필요한 열의 일부를 고온의 배기가스 또는 개질 가스의 열 교환에 의하여 충당시키고, 상기 개질 반응에 비하여 저온에서 작동하는 수성가스 전환 반응 및 PSA을 위하여 저온의 공기 또는 물에 의하여 열 교환시키는 한편, 상기 열 교환된 공기 및 PSA의 잔가스를 연료 탄화수소와 함께 개질반응기의 열 공급원으로 사용하도록 하여 손실되는 열이 최대한 억제되도록 구성된 열 교환망이 제공된다.

◇ 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치
- 출원번호 : 10-2016-0073364
- 특허권자 : 한국에너지기술연구원
- 요약 : 탈황부, 개질기, 개질부, 수성가스 전환부, PSA부, 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하는 개질 장치. 본 발명에 따른 개질 장치는, 열교환기를 개질부 내부에 내장형으로 구성하여 전체적인 설비의 컴팩트화를 도모한다. 이를 위해 자기 축열식 구조의 연소기를 사용하여 배기가스 열의 회수율을 높임으로써 고효율을 달성하고 열교환기 내장이 가능한 컴팩트한 구조의 개질 장치를 구성하는 것이다.

◇ 연료전지용 수증기 개질 반응기에 열원을 공급하는 원형버너
- 출원번호 : 10-2016-0013526
- 특허권자 :  (주)신넥앤테크
- 요약 : 본 발명은 연료전지용 수증기 개질 반응기에 열원을 공급하는 원형버너에 관한 것으로, 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시켜 수증기 개질 반응기에 반응열을 전달하는 원통형 중앙 연소부, 및 중앙 연소부의 하부에 배치되어, 연료가스, 1차 연소공기 및 2차 연소공기를 중앙 연소부에 공급하는 가스 공급부를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지용 수증기 개질 반응기에 열원을 공급하는 원형버너는 연료가스와 1차 연소공기와 혼합되어 1차 연소한 다음 연료가스와 2차 연소공기와 혼합되어 완전 연소하며, 폐쇄식 연소반응으로 열효율이 우수한 장점을 가진다.

◇ 수증기 개질 촉매
- 출원번호 : 10-2017-0047815
- 특허권자 : 영남대학교 산학협력단
- 요약 : 망간을 기본 물질로서 포함하여 기존의 니켈계 촉매에 비하여 일산화탄소의 흡착에 의한 촉매의 열화를 효율적으로 방지할 수 있다. 실리카 담체를 사용하여 수소의 수율 증가를 가져올 뿐 아니라 미세 세공 막힘으로 인한 활성저하를 줄이고 활성점들의 반응 참여 효율을 높일 수 있다.

• 특허 전략

◇ 기존의 특허는 개질 반응에 필요한 열의 일부를 고온의 배기가스 또는 개질 가스의 열 교환에 의하여 충당하는 등의 방법으로 폐열을 활용하여 생산비용을 줄이고 있다. 또한 기존 촉매를 개선하여 촉매 효율을 높이거나 개질기 자체의 열효율을 높여 수율이 높은 공정을 제시하고 있다. 하지만 경제성과 생산성을 모두 고려한 특허는 부족한 실정이다. 본 연구는 각 특허의 전략들을 활용하여 생산 비용을 줄이고 수율을 높일 수 있는 공정을 설계함을 목표로 하고 있다. 따라서 본 연구 주제를 진행한다면 경제적인 최적 공정을 도출함으로써 큰 경쟁력을 가지고 특허를 출원할 수 있을 것으로 기대한다.

◇ 특허를 활용해 기존의 수증기 개질 공정을 설계해보고 이를 통해 각 공정의 수소 생산 효율과 경제성을 분석한다. 또한 공정의 개선 가능한 부분을 검토한 후 파라미터 조절과 추가 공정을 설계하는 등의 방법으로 최적 공정을 도출한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 천연가스 개질기의 열효율을 높이고, 열교환기 개수와 Feed 비율을 조절하여 기존 SMR 공정의 경제성을 증대시킬 수 있다.

◇ 수증기 개질을 통한 수소 제조 공정의 설계 기술을 파악한 후 개선시켜, 해외 시장과의 기술격차가 존재하는 수소충전소 기술의 국산화에 기여할 수 있다.

◇ 경제성 분석을 통해 수소 생산 비용의 계산 과정을 파악하고 이 과정에서 비용 절감이 가능한 기술을 제시할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 본 연구를 통해 수소 중 가장 많이 사용되는 천연가스 기반 수소의 생산 비용을 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 생산 비용의 감소는 곧 시장 경쟁력으로 이어지기에 수소에너지 산업의 활성화에 기여할 수 있다.

◇ 수소 생산 비용 감소로 청정연료인 수소의 사용성을 증가시킴으로써 정부의 친환경 에너지 정책인 '2050 탄소중립'과 연계하여 기후변화 대응과 온실가스 저감 등에 기여할 수 있다.

◇ 최근 이슈가 되고 있는 수소에너지를 활용한 연료전지 자동차 시장이 본격적으로 활성화가 될 경우, 기존 부생수소를 이용한 수소생산만으로는 공급에 제한이 예상되므로 천연가스 기술의 공정 개선으로 수소 공급에 기여할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

◇ 스팀과 탄소의 몰 비율인 S/C Ratio는 탄소 침적 방지를 위해 3이상으로 설정

◇ 수소 생산 공정 방식은 SMR(Steam Methane Reforming) 방식을 사용

설계 사양

◇ 수소의 생산량은 On-site 수소충전소에 적합한 하루 1000kg(=500Nm3/h)로 설정

◇ 피드로 들어가는 LNG는 메탄만으로 구성되어 있다고 가정

개념설계안

◇ 열교환기의 개수는 0~3개로 설정

◇ 공정의 순서는 Reformer, WGS, Condenser, PSA로 구성됨.

◇ SMR 반응기에서 발생하는 반응은 다음과 같음. 700~1000℃에서 일어나는 흡열반응으로 수소 생산 공정 중 가장 경제적인 방식임.

◇ WGS 반응기에서 발생하는 반응은 다음과 같음. CO 처리 및 수소 생산 최대화를 위한 공정. 약 97%의 높은 CO 전환율을 보임.

◇ PSA 반응기는 열을 가하지 않고 압력 변화를 통해 특정 기체를 흡, 탈착. 제올라이트로 CO를, 활성탄으로 메탄과 CO2를 흡착. 약 99.999%의 높은 수소 분리 효율을 보임.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ SMR 기본 공정의 물질 수지 계산

SMR 공정의 조건

SMR 공정 물질 수지 계산

- 수소를 하루 1000kg 생산할 때 들어가는 Feed의 양은 메탄 약 2191kg, 스팀 약 7690kg이다.

◇ SMR 기본 공정의 공정도

DWSIM을 활용하여 모사한 SMR 공정 시뮬레이션 결과

상세설계 내용

◇ Heat integration을 통한 최적의 열교환 시스템을 찾음.

◇ S/C Ratio에 변화를 주어 전환율과 에너지 비용 비교.

◇ 각 공정의 공정 비용을 계산하여 공정별 경제성을 비교.

◇ 여러 변수들을 고려할 때의 가격 범위 오차 표시.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

개발 과제 핵심 결과

◇ Heat Integration 과정을 통해 찾아낸 열교환 시스템은 두 가지이다.

열교환기 2개를 사용한 공정의 경우, 히터를 2개 사용하게 된다. 이 경우 경제적으로 손해를 볼 수도 있다고 판단하였고, 히터를 하나만 사용할 수 있는 방안을 고려하여 열교환기를 3개 사용한 공정을 설계해보았다. 이 경우, C2 흐름과 H1 흐름을 추가적으로 열교환시켜주어 히터가 1개만 필요하게 된다.

각각 열교환기가 2개, 3개인 공정의 DWSIM으로 모사한 공정도이다.

◇ 설계된 공정의 비용을 계산하기 위해 K.M.Guthrie의 1969년 논문을 참고하였다. Equipment Cost의 경우 다음과 같은 식으로 계산된다.

◇ 열교환기 개수에 따른 공정의 경제성 비교

설비의 재료인 카본스틸, 원재료인 메탄, 프로덕트인 수소의 최근 가격 범위를 고려했을 때의 가격 범위를 최소치와 최대치로 나타내었다. 각 공정을 비교해보았을 때, 열교환기가 2개인 공정이 Total Capital Cost가 가장 낮지만, 열교환기가 3개인 공정이 연간 Profit이 가장 높기에 가장 경제성이 높은 공정이었다.

◇ S/C Ratio의 변화에 따른 경제성 비교

S/C Ratio가 높아질수록, 반응의 전화율이 높아진다. 하지만 이 경우 Feed의 질량 유량이 커지므로 에너지가 더 필요하게 되어 설비 비용이 증가할 수 있다.

S/C Ratio가 3.12, 4, 5 일 때의 공정별 경제성을 비교한 결과이다. S/C Ratio가 커질수록 Total Capital Cost는 늘어나지만, 높아진 전화율로 인해 S/C Ratio가 4일 때, 가장 연간 Profit이 높은 것을 확인할 수 있다.

◇ 결과적으로 Heat Integration과 경제성을 감안했을 때, 열교환기의 개수는 3개, S/C Ratio는 4일 때가 가장 경제성이 높은 수소 생산 공정임을 알 수 있다.

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

개발 과제 관련 향후 전망

◇ 2050년 국내 수소 수요는 연간 1,700만 톤에 달하며 이는 최종 에너지 소비량의 약 21%에 해당하는 수치다. 수소는 용도가 다양하고 탄소 배출량 제로인 에너지원으로 발전, 수송, 산업, 건물, 산업용 원료로 활용돼 2030년까지 완만한 증가세를 보일 것이다. 이에 관련 인프라 확충 및 기술 개발의 중요성이 증가하고 있다. 특히 정부는 오는 2030년까지 수소승용차 81만 대, 수소버스 2만 대, 수소충전소 1000개 소를 목표로 수소 충전을 위한 인프라를 구축하고 있다.

◇ 본 연구를 통해 수소 중 가장 많이 사용되는 천연가스 기반 수소의 생산 비용을 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 생산 비용의 감소는 곧 시장 경쟁력으로 이어지기에 수소에너지 산업의 활성화에 기여할 수 있다.

◇ 수소 생산 비용 감소로 청정연료인 수소의 사용성을 증가시킴으로써 정부의 친환경 에너지 정책인 '2050 탄소중립'과 연계하여 기후변화 대응과 온실가스 저감 등에 기여할 수 있다.

◇ 최근 이슈가 되고 있는 수소에너지를 활용한 연료전지 자동차 시장이 본격적으로 활성화가 될 경우, 기존 부생수소를 이용한 수소생산만으로는 공급에 제한이 예상되므로 천연가스 기술의 공정 개선으로 수소 공급에 기여할 수 있다.

특허 출원 내용

내용