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.

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

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구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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