Development of Carbon-Neutral Energy Transport Systems : Experiments and Dynamic Simulation for CO₂ Pipeline and NH₃-fueled LCO₂ Carrier = 탄소중립 에너지 운송 시스템 개발:CO₂ 파이프라인 및 NH₃ 추진 LCO₂ 운반선을 위한 실험과 동적 시뮬레이션 연구

국문 초록 (Abstract)

탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS) 기술과 암모니아와 같은 대체 연료의 도입은 해양 산업에서 탈탄소화를 향한 필수적인 경로로 점차 인식되고 있다. 본 논문은 CO₂ 수송 인프라와 암모니아 연료 선박 시스템에서의 주요 기술적 문제를 해결하는 실험적 및 모델링 연구를 제시하며, 이를 통해 운영 안전성, 효율성 및 확장성을 개선하는 것을 목표로 한다.
첫째, 본 연구는 CO₂ 수송 파이프라인에서의 두 상 불안정 흐름(USF)에 의한 진동(FIV)을 다룬다. 특히 해양 인프라를 재사용할 때 중요한 문제로, 수직 riser 유동 루프를 사용한 실험을 통해 불안정한 유동 조건에서 진동 및 압력 변동 데이터를 수집하였다. 이 데이터를 바탕으로 인공지능 신경망(ANN) 모델을 개발하여 두 상 불안정 흐름의 조기 탐지를 구현하였으며, 내부 모델 제어(IMC) 시스템을 통해 제어 작용을 유도하였다. 이 제어 시스템은 한국 동해의 CO₂ 주입 파이프라인에 대한 OLGA 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 압력 급등과 불안정 지속 시간을 줄여 파이프라인 신뢰성을 개선하였다.
둘째, 본 연구는 액화 CO₂ (LCO₂) 혼합물의 열역학적 거동과 취급 특성을 다룬다. 이산화탄소와 N₂, H₂, CH₄, Ar과 같은 불순물이 포함된 이진 및 삼원 혼합물에 대해 −30 °C 및 −50 °C에서 기체-액체 평형(VLE) 측정을 수행하여 기체 조성을 측정하고 상용 열역학 모델을 검증하였다. LCO₂ 전송 중 압력 및 온도 불안정성에 대해 실험에서는 LCO₂ 화물 시스템의 상 행동과 운영 신뢰성에 대한 통찰을 제공하였다.
셋째, 본 논문은 암모니아 연료 공급 시스템에서 질소 퍼징 중 발생하는 암모니아 배출 문제를 다루고, 이를 해결하기 위한 동적 시뮬레이션 및 완화 연구를 제시한다. Aspen HYSYS를 사용하여 다양한 퍼징 조건 하에서의 일시적 흐름 특성을 시뮬레이션하였다. 그 결과를 바탕으로 0.5 wt% MgCl₂가 함유된 제올라이트 13X를 이용한 온도 스윙 흡착(TSA) 시스템을 Aspen Adsorption을 통해 모델링하고 평가하였다. 이 시스템의 성능은 에너지 소비와 장비 크기 면에서 물 스크러버 및 소각장치와 비교되었으며, TSA 시스템은 컴팩트한 설계, 암모니아 재활용 및 규제 준수, 합리적인 에너지 수요를 갖춘 지속 가능한 해결책으로서의 가능성을 입증하였다.
이 연구는 미래 해양 에너지 운송 시스템의 주요 측면에 대한 실용적인 통찰을 제공한다. 실험 데이터, 제어 전략 및 모델링 프레임워크를 통해 보다 안전하고 청정하며 효율적인 해양 운영을 지원하며, CO₂ 수송 시스템의 개발과 암모니아와 같은 무탄소 연료의 통합을 촉진하여 확장 가능하고 효과적인 탄소 중립 에너지 운송 시스템으로의 전환을 가속화하는 데 기여한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Carbon capture, utilization, and storage (CCUS) and the adoption of alternative marine fuels such as ammonia are increasingly recognized as essential pathways to decarbonize offshore and maritime sectors. This dissertation presents a series of experimental and modeling studies that address key technical challenges in CO₂ transport infrastructure and ammonia-fueled ship systems, aiming to improve operational safety, efficiency, and scalability.
First, the study addresses two-phase flow-induced vibrations (FIVs) in CO₂ transport pipelines, which are particularly critical when reusing offshore infrastructure. Lab-scale experiments using a vertical riser flow loop captured vibration and pressure fluctuation data under unstable flow conditions. These data were used to develop an artificial neural network (ANN) model for early detection of two-phase unstable flow (USF), which triggers control actions using internal model control (IMC). The control system was validated through OLGA simulations of a CO₂ injection pipeline in the East Sea of South Korea, demonstrating its effectiveness in reducing pressure surges and instability duration, thus improving pipeline reliability.
Second, the study investigates the thermodynamic behavior and handling characteristics of liquefied CO₂ (LCO₂) mixtures under cryogenic storage conditions. Vapor–liquid equilibrium (VLE) measurements were conducted for binary and ternary mixtures containing impurities such as N₂, H₂, CH₄, and Ar at −30 °C and −50 °C. Vapor phase compositions were measured to validate commercial thermodynamic models. Additional experiments examined pressure and temperature instability during LCO₂ transfer between pressurized cells, focusing on the influence of impurity content and flow conditions. These findings provide insight into phase behavior and operational reliability of LCO₂ cargo systems.
Third, the dissertation presents a dynamic simulation and mitigation study for ammonia release during nitrogen purging in ammonia fuel supply systems. Aspen HYSYS was used to simulate transient flow characteristics under varying purging conditions. Based on these results, a temperature swing adsorption (TSA) system utilizing zeolite 13X impregnated with 0.5 wt% MgCl₂ was modeled and evaluated using Aspen Adsorption. The model was validated using experimental isotherms and breakthrough data. Its performance was then compared with water scrubbers and incinerators in terms of energy consumption and equipment size. The TSA system demonstrated a compact design, ammonia recovery potential, and regulatory compliance, with a reasonable level of energy demand. These results confirm its feasibility as a sustainable solution for ammonia release mitigation.
Collectively, this work provides practical insights into key aspects of future maritime energy transport systems. It contributes experimental datasets, control strategies, and modeling frameworks that support safe, effective, and scalable offshore operations. The findings offer guidance for the development of CO₂ transport systems and the integration of zero-carbon fuels such as ammonia, accelerating the transition toward scalable and operationally reliable carbon-neutral energy transport systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of tables vi
• List of Figures viii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Shifting paradigms in energy transport systems 1
• 1.2. Flow assurance for CO2 transport pipelines 4
• 1.3. Phase behavior of CO2 in transport ships 7
• 1.4. Safe operation of ammonia fuel supply system 11
• 1.5. Scope of the study 14
• Chapter 2. Design of a flow control system for CO2 transport pipelines 16
• 2.1. Experimental and modeling methods 17
• 2.1.1. Two-phase flow loop experiments 17
• 2.1.2. Detection model for the two-phase unstable flow 23
• 2.2. Results and discussion 27
• 2.2.1. Detection of the two-phase unstable flow 27
• 2.2.2. Mitigation of the two-phase unstable flow 35
• 2.2.3. Implementation of the control strategy to CO2 Pipelines 45
• 2.3. Summary 59
• Chapter 3. Impact of non-CO2 components on liquid CO2 storage and transfer systems 61
• 3.1. VLE measurements of CO2 mixtures 63
• 3.1.1. Experimental and calculation methods 63
• 3.1.2. Measurement results 77
• 3.1.3. Evaluation of thermodynamic models 94
• 3.2. Liquid CO2 transfer experiments 96
• 3.2.1. Experimental method 96
• 3.2.2. Transfer of pure liquid CO2 results 102
• 3.2.3. Transfer of liquid CO2 with non-CO2 components results 106
• 3.3. Summary 117
• Chapter 4. Dynamic simulation of ammonia fuel supply system with adsorption and recovery unit 119
• 4.1. Modeling method 120
• 4.1.1. Ammonia fuel supply system 120
• 4.1.2. Ammonia adsorption model 129
• 4.2. Results and discussion 137
• 4.2.1. Nitrogen purging and ammonia recovery 137
• 4.2.2. Adsorption process simulation for release mitigation 149
• 4.2.3. Evaluation of ammonia release mitigation systems 164
• 4.3. Summary 167
• Chapter 5. Concluding remarks 169
• 5.1. Conclusions 169
• 5.2. Future works 171
• Bibliography 173
• Abstract in Korean (국문초록) 183