LNG 냉열을 활용한 CO2 포집과 통합된 LNG 고체 산화물 연료전지 시스템의 개념설계에 대한 열역학적 분석

Abstract

고체산화물연료전지(SOFC) - 고분자전해질막연료전지 고분자전해질막연료전지(PEMFC) 및 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 폐열회수 활용시스템을 설계 및 통합하였다. LNG 공급 시스템의 냉열(Cold energy)는 수집되고 배기가스로부터 배기가스로부터 CO2를 포집하는 시스템에 활용된다. 가스터빈(GT), 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle), 증기 랭킨 사이클(SRC)이 통합되어 LNG 냉열 및 시스템 폐열을 사용하고 이를 유용한 일과 전력으로 전환한다. PEMFC는 SOFC가 선박의 시동 및 조종 기간을 지연시키는 단점을 해결하기 위해 통합 시스템으로 구성 및 결합된다. 국제 및 지역 해양 당국의 규정 및 표준을 수용하기 위해 CO2 포집 시스템이 설계 및 통합되었다.

ORC-SOFC-GT-PEMFC-ORC-SRC-CO2 포집 시스템은 열역학적으로 분석 및 조사되었다. ASPEN HYSYS V12.1이 LNG 냉열을 활용한 CO2 포집 시스템과 결합된 LNG SOFC 통합 시스템을 시뮬레이션하고 시뮬레이션하고 최적화하는 데 사용되었다. 열역학 방정식을 구축하고 시스템 성능 지표를 추정하기 위해 열역학 제1, 2법칙이 사용되었다. 제안된 시스템의 개념설계 및 작동을 최적화 하기 위해 주요 구성 요소의 엑서지 파괴가 설정되고 계산되었다.

제안된 시스템의 에너지 및 엑서지 효율은 각각 68.76% 및 33.58%로 계산되었다. 폐열 회수 복합 사이클은 시스템 총출력의 35.60%에 해당하는 2,100.42kW를 추가로 제공했다. 본 모델은 문헌의 실험 데이터에 대해 잘 일치하여 검증되었다. 또한 매개변수 연구에 따르면 전류밀도가 930에서 1,930A/m2로 변화할 때 에너지와 엑서지효율은 각각 33.18%와 16.20% 감소를 보여주며 성능 지표에 영향을 미침을 입증하였다. ORC는 냉열과 고온 상태의 폐열의 두가지 장점을 모두 활용하여 높은 에너지 회수 효율을 나타내었다. LNG 냉열과 배기가스의 열을 수확하는 것의 조합은 국제해사기구 (IMO)의 해양 선박 이산화탄소 배출 규제를 수용한다.