해조류 바이오가스 기반 고체산화물 연료전지가 통합된 polygeneration 공정의 설계와 해석

Abstract

본 논문에서는 공동발생(cogeneration) 공정인 열병합 발전(combined heat and power, CHP) 시스템과 병산(polygeneration) 공정인 열수소병합 발전(combined heat, hydrogen and power, CHHP) 시스템에서 융합된 해조류 바이오가스 연료의 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 시스템에 대한 실현 가능성을 평가하였다. 이 공정들은 Aspen Plus를 사용하여 정교하게 모사되었고, 기술 경제 분석(techno-economic analysis)은 공정들이 실현 가능한지를 평가하기 위해 초기 SOFC 가격으로 미국 국립에너지기술연구소(national energy technology laboratory, NETL)의 목표인 1kW당 225$를 기준으로 수행되었다. 경제 변수에 대한 포괄적인 민감도 분석을 통해 두 공정의 불확실성 또한 평가되었다. 해조류 바이오 가스는 천연 가스를 대체 할 에너지 원으로 이용되었는데, 이 연구에서는 다시마(Saccharina japonica)의 혐기성 소화로부터 얻어졌다. 해조류 바이오 가스를 SOFC 용 연료로 사용하려면 바이오 가스를 업그레이드 해야 되는데, 이를 위해 물 세정 장치와 아연 산화물 베드를 사용하여 대부분의 CO2와 H2S를 제거하였다. 공정의 타당성을 분석하기 위해 기술 경제 분석이 수행되었다. SOFC는 스택 수명이 짧고 아직 상업 단계에 진입하지 않았기 때문에 상업적 단계의 SOFC의 스택 수명과 가격의 차이를 비교하기 위해 3가지 시나리오에 대해 분석하였다. 모든 시나리오에서 공장의 수명은 20년으로 고려했다. 첫 번째 시나리오는 스택 수명이 5년인 경우로, 20년 동안 스택 교체가 3번 발생한다. 두 번째 시나리오는 좀 더 현실적으로 교체되는 스택 수명을 길게 하고, 각 스택 교체 비용을 낮춘 경우로 스택 교체가 두 번만 발생한다. 세 번째 시나리오는 가장 이상적인 경우로 스택 가격은 $ 200/kW, SOFC 스택 수명을 10년으로 구성한 결과, 하나의 스택만 교체된다. 전력 손익평형 판매가격(breakeven electricity selling price, BESP)을 계산하여 두 프로세스에 대해 모든 시나리오를 비교하였다. 해조류 바이오 가스로 연료가 공급되는 통합 SOFC–가스 터빈(GT)–유기 랭킨 사이클(organic Rankine cycle, ORC)이 설계되고 평가되었다. SOFC는 Aspen Plus에서 사용 가능한 단위 조작 모델을 연산을 사용하고 Fortan 서브 루틴을 구현하여 전압 및 전류를 계산하여 모사되었다. SOFC-GT-ORC에서 총 62,500kg/h의 해조류가 총 바이오 에너지의 시간당 36,350kg의 바이오 가스를 발생시키며 전체 전력 효율의 70%, 순 전력 69.5MW를 생산했다. 현실적으로 계산된 BESP는 2017년 미국의 평균 전력 판매 가격과 비슷한 10.67 ¢/kWh로 계산되었다. 즉 이 프로세스가 상업화에 적합하다는 것을 의미한다. CHHP 공정의 설계와 평가는 다음과 같이 수행되었다. 2,000kg/h 의 바이오 가스가 통합된 SOFC-ORC 에 공급되어37%의 총 수소 효율로 수소 50kg/h 과 순 전력 2.3MW 를 생산한다. 수소를 공동 생산하기 위해 SOFC 를 약간 수정하였다. 후기 연소기(after-burner)는 SOFC 디자인에서 제거되었고, 반대로 SOFC 로부터 나온 양극(anode)의 출력은 수성 가스 전환 반응기(water-gas-shift reactor)로 공급되었다. 마지막으로, 발생된 수소는 PSA(pressure swing adsorption) 장치를 사용하여 정화된다. 현실적인 시나리오(scenario)의 BESP 는 공정의 실현가능성을 보이는 10.45 ¢/kWh 로 계산되었다. 만약 SOFC 스택이 완전히 개발되고 NETL 에 의해 설정된 스택 목표 가격이 성취될 수 있다면, 이러한 공정들은 곧 화석 연료 기반 발전기를 대체할 수 있으며 이로써 지구 온난화를 상당히 줄일 수 있을 것이다.

In this thesis, the feasibility of a seaweed biogas-fueled solid oxide fuel cell (SOFC) system integrated into combined heat and power (CHP)/cogeneration process and combined heat, hydrogen, and power (CHHP)/polygeneration process is evaluated. Both processes were rigorously simulated using Aspen Plus and techno-economic analysis was performed to evaluate the feasibility of the proposed processes using the National Energy Technology Laboratory (NETL) target of $225/kW as the initial SOFC stack price. Comprehensive sensitivity analyses were performed on economic parameters to assess uncertainties in both processes. Biogas from seaweed was utilized as an alternative energy source to substitute natural gas. In this study it was obtained from anaerobic digestion of brown algae (Saccharina japonica). In order to use seaweed biogas as a fuel for SOFC, the biogas needs to be upgraded. For that purpose, water scrubber and Zinc oxide bed were used to remove most of the CO2 and H2S. Techno-economic analysis was performed to analyze the feasibility of the processes. Since SOFC has a short stack life and has not yet proceeded to the commercial phase, three scenarios were modelled to compare the difference of stack life and price of SOFC in the commercial phase. Plant life of 20 years was used for all scenarios. First scenario was based on 5 years of stack lifetime, resulting in 3 stack replacements in 20 years. Second scenario was modelled more realistically, with a longer stack life and lower price of each stack replacement, resulting in only two stack replacements. Third scenario comprised of projected 10-year SOFC stack lifetime with the stack price of $200/kW, resulting in only one stack replacement. Breakeven electricity selling price (BESP) was calculated and compared for all the scenarios and both processes. An integrated SOFC–Gas Turbine (GT)–Organic Rankine Cycle (ORC) fueled by seaweed biogas, was designed and assessed. SOFC was simulated using available unit operations in Aspen Plus and implementing a Fortran subroutine to calculate the voltage and current. 62,500 kg/hr of seaweed produced 36,350 kg/hr of biogas which was processed by SOFC–GT–ORC to produce net power of 69.5 kW with overall electrical efficiency of 70%. Calculated BESP for the realistic model was 10.67 ¢/kWh, which means that the process is feasible for commercialization. Design and assessment of the CHHP process was performed. 2,000 kg/hr of biogas was fed to an integrated SOFC–ORC, producing 50 kg/hr of hydrogen and 2.3 MW of net power with overall electrical efficiency of 37%. To co-produce hydrogen, SOFC was slightly modified. After-burner was removed from the SOFC design, while the anode output from SOFC was fed to a water-gas-shift reactor. Finally, the produced hydrogen was purified using a pressure swing adsorption unit. BESP for the realistic scenario is calculated at 10.45 ¢/kWh showing that the process is feasible for commercialization. If the SOFC stacks can be fully developed and achieve the stack price target set by NETL, these processes can soon replace fossil fuel-based power generators and thereby considerably reduce global warming.