수소연료선박 적용을 위한 고온형 고분자 전해질 연료전지와 통합된 메탄 및 메탄올 개질 시스템의 비교 분석

Abstract

The International Maritime Organization (IMO) assessed that international shipping accounted for about 2.2% of total carbon dioxide emissions in 2012, which is approximately 796 million tonnes of CO2, and forecasted that this amount will increase between 50% and 250% in the period to 2050 under a business-as-usual scenario. As an efforts to reduce harmful emissions from shipping industry, in April 2018, the International Maritime Organization adopted an initial strategy to reduce the total annual greenhouse gas (GHG) emissions at least 50% by 2050 compared to 2008. Several alternatives to reduce GHG was proposed which include using carbon neutral fuel such as hydrogen, ammonia etc., increasing energy efficiency of engines, adopting waste heat recovery systems and other energy converters such as fuel cell. In this study, fuel cell as an alternative energy converter for marine application was investigated. The advantage of fuel cells for maritime applications is the reduction of noise, vibrations, and infra-red signatures, along with their modular and flexible design, water generation, etc., although they may be application specific. However, there are significant huddle which fuel cell has to overcome, and that is how to store fuels onboard safely. Both compressed hydrogen and liquefied hydrogen have disadvantages such as low volumetric energy density, high pressure(250~300bar for compressed H2) and cryogenic temperature(-253℃ for liquefied H2). Therefore in this study, fuel cell system using LNG or methanol as primary fuel, which both are being used as marine fuel, was considered. Steam methane reforming system fed by LNG and steam methanol reforming system fed by methanol, which both are combined with HT-PEMFC system for use in hydrogen-fueled ships was modeled in Aspen HYSYS environment. Exergy and energy analysis were implemented for comparison of systems. The required space for the primary fuel and the fuel cost have also been investigated to find the more advantageous system for ship application. All the simulations have been conducted at a fixed net electricity (Wnet,electrical : 475kW) to meet the average shaft power of the reference ship. Results show that at the base condition, the electrical efficiency of the methanol-based system are 9.37% higher than those of the methane-based system. The cogeneration efficiency of the methane-based system is 4.23% higher than that of the methanol-based system. The comparison of space for fuel reveals that the methanol-based system requires a space 1.07 times larger than that of the methane-based system for the total voyage time, although the methanol-based system has higher electrical efficiency. In addition, the methanol-based system has a fuel cost 1.07 times higher than that of the methane-based system to generate 475kW net of electricity for the total voyage time.

국제해사기구(IMO)는 제3차 온실가스 연구 보고서를 통해서 2012년 선박기인 이산화탄소 배출량이 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 2.2%인 2억 7,800만 톤이며, 2050년에는 이 비율이 약 50%에서 250%까지 증가할 것으로 예측하였다. 이에 따라, 2018년 4월, 국제해사기구는 해운업계의 온실가스(GHG) 배출량을 줄이기 위한 노력의 일환으로 2008년 대비 2050년까지 선박 기인 연간 온실가스(GHG) 배출량을 최소 50%까지 줄이기 위한 초기전략을 채택하였다. 온실가스 감축을 위한 몇 가지 대안으로는 수소, 암모니아 등과 같은 탄소 중립 연료 사용, 엔진의 에너지 효율 증가, 폐열 회수 시스템 도입 및 연료전지 등과 같은 새로운 에너지 컨버터의 도입 등이 대안으로 제시되고 있다. 연료전지를 선박에 적용할 경우, 연료전지의 종류와 용도에 따라 다를 수 있지만, 모듈식 설치에 따른 공간효율성, 소음 및 진동의 최소화 등이 장점으로 꼽힐 수 있다. 하지만, 연료전지를 선박에 적용하기 위해서는 극복해야 할 과제들이 많이 있으며, 이 중 하나가 바로 연료를 안전하고 효율적으로 선박에 저장하는 방법이다. 압축수소와 액체수소는 부피 에너지 밀도가 기존 선박연료 대비 낮다는 단점을 가지고 있으며, 액체수소의 경우, -253℃의 극저온, 압축수소의 경우, 250~350bar의 고압저장에 따른 위험성이 단점으로 꼽히고 있다. 하지만 이 중에서도 선박의 공간제약성을 고려하면, 낮은 부피 에너지 밀도가 가장 큰 단점으로 고려된다. 따라서 본 연구에서는 기존에 선박 연료로 사용되고 있는 LNG 또는 메탄올을 1차 연료로 사용하는 연료전지시스템을 고려하였다. 고온형 고분자 전해질 연료전지 시스템과 결합된, LNG를 1차 연료로 사용하는 수증기-메탄 개질시스템과 메탄올을 1차 연료로 사용하는 수증기-메탄올 개질시스템이 각각 Aspen HYSYS에서 모델링되었다. 시스템 성능 분석을 위해 엑서지 및 에너지 분석기법이 적용되었으며, 나아가 선박 적용에 보다 유리한 시스템을 찾기 위해 1차 연료에 필요한 공간 및 연료 비용 분석을 수행하였다. 모든 시뮬레이션은 본 연구에 적용된 기준 선박의 평균 샤프트 출력을 만족하기 위해 고정전력 (Wnet : 475kW)을 고려하여 수행되었다. 시뮬레이션 결과, 기본 설계조건에서 메탄올 기반 시스템의 전기 효율이 메탄 기반 시스템의 전기 효율보다 9.37% 높으며, 메탄 기반 시스템의 열병합 효율이 메탄올 기반 시스템의 열병합 효율보다 4.23% 더 높게 나타났다. 1차 연료의 저장 부피 분석을 통해서, 메탄올 기반 시스템이 더 높은 전기 효율을 갖지만, 메탄올 기반 시스템이 총 항해 시간 동안 메탄 기반 시스템보다 1.07배 더 큰 공간을 필요로 하는 것으로 나타났다. 또한, 메탄올 기반 시스템은 총 항해 시간 동안 475kW의 전기를 생성하기 위해 메탄 기반 시스템보다 1.07배 높은 연료 비용을 갖는 것으로 나타났다.