액화수소 운반선의 증발가스 재액화 비율에 따른 재액화 시스템의 설계 및 평가

Abstract

전 세계적으로 기후 변화에 따른 환경규제의 필요성에 대한 인식의 확대로 해상운송에 대한 환경규제 또한 근원적으로 강화되고 있다. 국제해사기구 (IMO)에서는 2016년 10월에 열린 해양환경보호위원회 (MEPC) 70차 회의에서 선박연료유에 대한 황 (SOx) 함유량 허용치를 기존 3.5 %에서 2020년 1월 1일부로 0.5 %로 강화하기로 결정하였고, 2018년 4월에 개최된 72차 총회에서는 2030년까지 국제 해운 전체의 연비효율을 2008년 대비 40 % 개선하고 2050년까지 선박의 온실가스 배출량을 2008년 대비 50 % 감소시키기로 결정한바 있다. 또한, 발틱해, 북해, 미국의 일부 해역에 배출가스 통제구역 (ECA)을 설정하여 황 함유량이 적은 연료를 사용하도록 규제 하고 있으며, 청정 해역에 대한 요청 증가로 대상 지역이 확대될 전망이다. 이와 같이 강화되고 있는 선박과 관련한 환경 규제에 대하여 선박의 연비 효율의 개선 및 온실가스 배출을 감축하기 위한 대응방안으로 선체 구조의 개선, 선박 속도의 최적화, 화물의 적재 관리, 황산화물후처리장치 (SOx Scrubber)의 적용 또는 저유황유 사용, 액화천연가스 (LNG) 및 액화수소 (LH2)와 같은 친환경 연료의 사용 등 여러 가지 방법이 논의 되고 있다. 이러한 온실가스 배출 감축을 위한 대안 가운데 육 해상 구분 없이 특히 수소는 미래의 유망한 에너지로 인식되고 있다. 최근 많은 국가에서 수소에 대한 관심이 높아지고 광범위한 개발이 이루어지고 있는 가운데, 선박으로 액화수소를 운송하는 것은 대량으로 장거리 운송이 가능하다는 측면에서 실용적인 방법이 될 수 있으며, 또한 액화수소 운반선에서 발생하는 증발가스 (BOG)를 선박추진에 이용함으로써 환경 규제에 대한 대응도 가능하다. 액화수소 운반선에서 증발가스의 발생은 불가피하며, 화물 탱크 내부의 압력 문제를 피하기 위해 적절한 조치가 필요하다. 앞서 언급한 바와 같이 이 증발가스는 선박의 추진 연료로 사용 될 수 있으며, 추진에 사용되고 남은 나머지 부분은 재액화 또는 연소시키는 등 효과적으로 관리해야 한다. 이와 관련하여 본 연구에서는 수소 추진 시스템을 갖춘 160,000 m3 액화수소 운반선에 최적화 된 증발가스 재액화 시스템을 제안한다. 이 시스템은 수소 압축 및 헬륨 냉매 섹션으로 구성되고, 화물 탱크로부터 배출되는 증발가스의 냉열을 효과적으로 활용하여 효율을 증가시켰다. 본 연구에서는 공급 온도 –220 ℃인 수소 증발가스가 재액화 시스템에 들어가는 상태에서 증발가스의 재액화 비율에 따른 엑서지 효율 및 에너지 소모율 (SEC, Specific Energy Consumption) 분석을 통해 시스템을 평가 하고, 아울러, 수소 압축 압력, 수소 팽창기의 입구 온도 및 공급 증발가스 온도 변화에 따른 시스템의 성능을 분석하였다.

Global awareness of the necessity of environmental regulation in response to climate change is also strengthening its environmental regulations on maritime transport. The International Maritime Organization (IMO) has agreed to decrease the SOx content allowance for fuel oil from the previous 3.5 % to 0.5 % as of January 1, 2020 at the 70th meeting of the MEPC in October 2016. The 72nd meeting of the MEPC, held in April 2018, decided to improve the fuel efficiency of international shipping by 40 % compared to 2008 by 2030 and reduce greenhouse gas emissions by 50 % compared to 2008 by 2050. In addition, in the Baltic Sea, North Sea, and some parts of the United States, emission control zones (ECAs) has set up the regulation to use of low sulfur fuels and increasing demand for clean seas is expected to expand the area. In order to improve the fuel efficiency of ships and reduce greenhouse gas emissions in response to the tightening environmental regulations, several methods are being discussed such as improvement of hull structure, speed optimization, cargo loading management, application of sulfur oxide post-treatment devices (SOx scrubbers). And some other methods are use of low sulfur fuels and environment friendly fuels such as liquefied natural gas (LNG) and liquefied hydrogen (LH2). Among these alternatives for GHG emissions reduction, in particular, hydrogen is recognized as a promising energy of the future. In recent years, with increasing interest in hydrogen and widespread development, the transport of liquefied hydrogen by ship can be a reasonable method in terms of long-distance transport in large quantities. It is also possible to respond to environmental regulations by using Boil off gas of liquefied hydrogen for ship propulsion. The generation of boil-off gas is inevitable in liquefied hydrogen carriers, and appropriate measures need to be taken to avoid pressure problems inside the cargo tanks. As mentioned earlier, this boil-off gas can be used as a propulsion fuel for ships, and the remainder must be effectively managed such as reliquefaction or combustion. In this regard, this study propose a BOG reliquefaction system optimized for a 160,000 m3 liquefied hydrogen carrier with a hydrogen propulsion system. The reliquefaction system consists of a hydrogen compression and helium refrigerant section and increased efficiency by effectively utilizing the cold energy of the boil-off gas from the cargo tank. In this study, the system was evaluated through the analysis of exergy efficiency and Specific Energy Consumption (SEC) according to the rate of reliquefaction of the Boil off gas having a supply temperature of -220 ℃. And the parametric study of effects of varying the hydrogen compression pressure, inlet temperature of the hydrogen expander and feed hydrogen temperature were conducted.