"수소많이조"의 두 판 사이의 차이

2021년 12월 14일 (화) 05:46 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 00000000..

영문 : 00000000..

과제 팀명

00000..

지도교수

000 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 김**(팀장)

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 정**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 조**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 이**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 남**

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.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용