Renewable energy value chain analysis using ammonia and hydrogen energy carriers

Abstract

암모니아는 현재 친환경 연료와 장거리 에너지 운송을 위한 에너지 운반체로 주목받고 있다. 에너지 운반체의 생산, 저장, 운송 및 사용에서 에너지 손실은 불가피하다. 따라서 전체 가치사슬의 성능뿐만 아니라 그것을 구성하는 하위 프로세스의 에너지 효율성도 분석해야 한다. 본 연구에서는 해양에서 생산된 재생 전기에너지가 수소와 암모니아를 에너지 운반체로 활용하여, 육지의 최종 사용자가 사용하는 가치사슬 시나리오의 에너지 분석을 수행하였다. 가치사슬 시나리오는 수소생산, 질소생산, 암모니아 합성, 암모니아 액화, 해상운송, 암모니아 개질, 수소 연료전지를 통해 전기에너지로 최종 사용자에게 공급하는 것으로 구성된다. 가치사슬의 에너지 손실 및 효율성을 분석하기 위해 각 요소 프로세스에 대한 세부 분석과 가치사슬 전체에 대한 종합적인 분석을 수행하였다. 에너지 소비량은 전기에너지와 열에너지로 구분하고, 열에너지는 냉열에너지와 열에너지를 분리, 계산하여 분석하였다. 본 연구에서는 세부 하위공정에 대한 비교분석을 위해 합성반응기의 운전조건, 3가지 수송선, Boil-off Gas 발생 및 재액화에 따른 효율변화를 분석하였다. 항해, 저장, 적재 및 하역 과정이 전체 가치사슬의 에너지 효율성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 암모니아 합성공정에서 냉각 에너지원으로 해수를 사용하면 에너지 손실을 어느 정도 줄일 수 있는지를 조사하였다. 해양에서 100 MWh의 전기 에너지를 생산하고 해수 냉각으로 400˚C 및 150 bar에서 합성된 암모니아를 fully pressurized carrier를 통해 운송했을 때 최종 사용자가 사용할 수 있는 전기 에너지는 약 20.8 MWh로 확인되었다. 하지만 가치사슬 최악의 시나리오에서는 누적 효율이 7.5%로 떨어졌다. 해양 프로세스는 전체 가치 사슬에서 총 에너지 손실의 38-70%를 차지하였다. 수송선의 종류를 변경함으로써 에너지 전달 효율을 최대 20.2%까지 높일 수 있다. 또한 계산 결과 암모니아 합성 조건, 선박 유형 및 냉각 에너지원으로 해수를 활용하는 방법에 따라 최종 사용자가 사용할 수 있는 에너지의 상대적 차이가 최대 108%에 이를 수 있음이 밝혀졌다.

Ammonia is currently attracting attention as an energy carrier for long-distance energy transportation and eco-friendly fuel. Energy losses in the generation, storage, transport, and usage of energy carrier are unavoidable. Therefore, it is necessary to analyze not only the performance of the whole value chain, but also the energy efficiency of the sub-process it comprises. In this study, we performed the energy analysis of an end-to-end value chain scenario, where electric energy produced offshore is used by the end-user on land exploiting hydrogen and ammonia as energy carriers. The value chain scenario comprises hydrogen production, nitrogen production, ammonia synthesis, ammonia liquefaction, marine transport, ammonia cracking, turning it back to electric energy, and supplying it to the end demand. To analyze the energy consumption and efficiency of the end-to-end value chain, a detailed analysis of each element process as well as a comprehensive analysis of the entire value chain was performed. Energy consumption was divided into power and rate of heat flow, and the rate of heat flow was analyzed by calculating heating and cooling energy. For a comparative analysis of detailed sub-processes, this study calculated and analyzed the efficiency change in terms of the operating conditions of the synthesis reactor, three types of transport vessels, and the generation and re-liquefaction of boil-off gas (BOG) during sailing, temporary storage, and loading and unloading while analyzing their impact on the energy and efficiency of the entire value chain. Furthermore, the extent by which the energy consumption can be lowered using seawater as the source of cooling thermal energy in the offshore energy production process was examined. When 100 MWh of electrical energy was produced offshore and ammonia, synthesized at 400 ˚C and 150 bar with seawater cooling, was transported via a pressurized carrier, the electric energy available for the end-user was calculated to be about 20.8 MWh. However, in the worst-case scenario of the value chain, the cumulative efficiency was lowered to 7.5%. The offshore process accounted for 38-70% of the total energy loss in the entire value chain. The energy delivery efficiency could be enhanced up to 20.2% by changing the type of transport vessel. Furthermore, calculations revealed that depending on ammonia synthesis conditions, type of vessel, and utilization of seawater as the source of cooling thermal energy, the relative difference in energy available for the end-user might reach up to 108%.