Techno-economic and environmental analysis of SOFC-ESS-G/E hybrid vessel using real operation profile = 대형 선박의 실운항 프로파일을 활용한 SOFC-ESS-G/E 하이브리드 선박의 경제성 분석 및 환경성 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To keep the global average temperature increase within 1.5°C as outlined in the Paris Agreement, worldwide efforts are needed to reduce greenhouse gas emissions. The International Maritime Organization (IMO) is continuously strengthening guidelines in order to decrease greenhouse gas (GHG) emissions from vessels. In order to respond to the IMO's regulations for greenhouse gas reduction, research is being conducted to decrease fuel consumption by improving the ship's shape and structure, and to cut greenhouse gas emissions by applying new power systems.
Fuel cells based on electrochemical reactions have higher fuel efficiency than existing internal combustion engines, and both carbon-free fuels like hydrogen and ammonia, as well as conventional hydrocarbon fuels, can be utilized. The type of electrolyte in the fuel cell determines the working temperature and performance properties of the fuel cell. For Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) with ceramic electrolytes, the working temperature is significantly higher compared to Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs), widely used in mobility applications. Therefore, startup, shut down, and load variations are very difficult, making them mainly suitable for stationary power plants. However, large vessels exhibit a consistent need for power over extended durations, thereby rendering SOFCs a feasible novel power option to comply with IMO regulations pertaining to greenhouse gas emissions. However, there is a lack of quantitative studies regarding the benefits that can be gained from integrating SOFCs into the power systems of large vessels. Consequently, this study investigated the utilization of SOFCs for powering large vessels within a hybrid power system.
Initially, an analysis of the vessel's design specifications, including power consumption and steam consumption by operation mode, was conducted to evaluate the viability of a hybrid system comprising of SOFC and a power generation engine in terms of its potential to reduce CO2 emissions in comparison to an electric propulsion system utilizing a conventional power generation engine. Consequently, the research found that the installation of a 2.5 MW SOFC could contribute to a reduction of about 4.8% in CO2 emissions, while the installation of a 5.0 MW SOFC could result in a reduction of approximately 9.3%. On the other hand, when 2.5 MW of SOFC is installed, the CO2 emissions are equivalent to those of the mechanical propulsion system widely used in large commercial ships. Furthermore, when the electric propulsion system is composed solely of SOFC systems, CO2 emissions can be reduced by approximately 10% compared to the mechanical propulsion system.
Subsequently, carbon dioxide emissions were examined using authentic operational data from a substantial commercial vessel to validate the feasibility of implementing an Energy Storage System (ESS) in a hybrid system consisting of SOFCs and generator engines. During this study, the Sequential Quadratic Programming (SQP) optimization theory was applied to obtain the numerical solution for the nonlinear objective function. The incorporation of a SOFC energy storage system alongside a 2 MW SOFC and a 4 MWh ESS results in a 6.1% decrease in CO2 emissions compared to a conventional generator engine standalone system. Alternatively, an ESS hybrid system incorporating a 4 MWh ESS has the potential to decrease CO2 emissions by approximately 0.6% in comparison to a generator engine standalone system. Even when applied as an electric propulsion system composed solely of SOFC systems, CO2 emissions can only be reduced by 3% compared to the mechanical propulsion system. On the other hand, when introducing the CO2 equivalency concept with GWP100 that considers various greenhouse gases such as N2O and CH4, a CO2 emission reduction of about 20% can be expected.
The cost-effectiveness of a SOFC hybrid system, consisting of a 2 MW SOFC and a 4 MWh ESS, was assessed by calculating the total cost of ownership over a 20-year operational period. If the assessment is evaluated based on the Well to Wake criterion that considers CO2 generated from the fuel production stage, it could be advantageous in terms of total cost of ownership even at the current carbon tax, fuel cell price, and fuel price levels. Considering the mid-term plan for greenhouse gas reduction presented at the 83rd MEPC meeting, even if it consists of only SOFC systems, a greenhouse gas reduction of about 18% compared to the 2008 baseline can be expected, and it will be difficult to achieve the mid-term plan target from 2029.
In conclusion, it has been confirmed that SOFCs can lower greenhouse gas emissions when integrated into a ship's power source. This method also ensures economic feasibility when compared to existing electric propulsion ships. However, considering the International Maritime Organization’s goal of reducing annual ship carbon emissions by 40% by 2035, it has been confirmed that it is difficult to achieve the CO2 reduction target with existing SOFCs using fossil fuels. In order to apply SOFC as a power source for ships, carbon capture technology for anode-off gas with a relatively high CO2 concentration must be applied, or a system must be designed and applied using carbon-free fuel such as ammonia or hydrogen.

국문 초록 (Abstract)

파리 협약을 통해 지구 평균온도 상승을 1.5℃ 이내로 억제하기 위해 전 지구적으로 온실 가스 배출을 감축해야 하는 노력을 해야 한다. 국제 해사 기구 또한 선박에서 배출되는 온실 가스를 감축하기 위해 지속적으로 규제를 강화하고 있다. IMO의 온실가스 배출 규제를 대응하기 위해 선박의 선형 및 구조를 개선하여 연료 소모량을 줄이고자 하는 연구와 새로운 동력 시스템을 적용하여 온실 가스 배출을 줄이고자 하는 연구가 이루어지고 있다.
전기 화학 반응에 기반한 연료전지의 경우, 기존의 내연 기관과 비교하여 연료 효율이 높으며, 기존의 탄화수소 연료 뿐만 아니라 무탄소 연료인 수소 및 암모니아를 사용할 수 있는 장점이 있다. 연료전지의 전해질 타입에 따라 연료전지의 운전 온도 및 특성이 결정된다. 세라믹 계열의 전해질로 구성된 고체산화물 연료전지의 경우 모빌리티 용으로 많이 사용되는 PEMFC에 비해 운전 온도가 매우 높다. 따라서 기동이나 정지 및 부하 변동이 매우 어렵기 때문에 주로 육상 발전에 적합하다. 하지만 대형 선박의 경우 전력 수요가 장시간동안 일정하다는 측면에서 IMO의 온실가스 배출 규제에 대응하기 위한 새로운 동력 시스템으로써 고체산화물 연료전지의 활용이 가능하다. 하지만 고체산화물 연료전지를 대형 선박의 동력 시스템으로 적용하였을 때, 확보할 수 있는 장점에 대한 정량적인 연구가 부족하다. 따라서 본 연구에서는 고체산화물 연료전지를 복합 동력원의 발전원으로써 적용하여 대형 선박에 적용하는 것을 검토하였다.
우선 선박의 설계 스펙인 운항 모드 별 전력 사용량 및 스팀 사용량을 고려하였을 때 SOFC와 발전엔진으로 구성된 하이브리드 시스템을 적용하면 기존의 발전 엔진을 구성된 전기추진시스템에 비해 CO2 배출량을 얼마나 감소시킬 수 있는지 계산을 수행하였다. 그 결과 2.5 MW 탑재했을 경우 약 4.8%, 5.0 MW를 탑재했을 경우 약 9.3%의 CO2 배출량을 감소시킬 수 있는 것을 확인하였다. 반면, 대형 상선에서 많이 사용되는 기계식 추진시스템과 비교하였을 경우, SOFC가 2.5 MW 탑재했을 경우 기계식 추진시스템의 CO2 배출량과 동등한 수준이며, SOFC 시스템으로만 구성된 전기추진시스템인 경우 기계식 추진시스템 대비 약 10%의 CO2 배출량을 감소시킬 수 있다.
이후 SOFC와 발전엔진으로 구성된 하이브리드 시스템에 ESS를 적용 가능성을 확인하기 위해 대형 상선의 실 운전 데이터를 활용하여 CO2 배출량을 분석하였다. 이 때, SQP (Sequential Quadratic Programming) 최적화 이론을 적용하여 비선형 목적함수를 수치적 방법으로 최적 솔루션을 도출하였다. SOFC 2 MW와 ESS 4 MWh를 탑재한 SOFC ESS 하이브리드 시스템의 경우 발전엔진 단독 시스템에 비해 약 6.1%의 CO2 배출을 감소시킬 수 있다. 반면 ESS 4 MWh를 탑재한 ESS 하이브리드 시스템의 경우 발전엔진 단독 시스템에 비해 약 0.6%의 CO2 배출을 감소시킬 수 있다. SOFC 시스템으로만 구성된 전기 추진시스템으로 적용하더라도 기계식 추진시스템과 비교하여 CO2 배출량을 3%만 감소시킬 수 있다. 반면 N2O와 CH4와 같은 다양한 온실 가스를 고려하는 GWP100 기준의 CO2 등가 개념을 도입할 경우, 약 20% 정도의 CO2 배출량 감소를 기대할 수 있다.
마지막으로 SOFC 2 MW와 ESS 4 MWh를 탑재한 SOFC 하이브리드 시스템의 선박 운항 기간 20년을 기준으로 총 소유 비용을 도출하여 경제성을 검토하였다. 연료의 생산 단계에서부터 발생하는 CO2를 고려하는 Well to Wake 기준으로 경제성을 평가한다면, 현재의 carbon tax, 연료전지 가격, 연료 가격 수준으로도 총소유비용 측면에서 이득을 가질 수 있었다. MEPC 83차 회의에서 제시한 온실가스 감축 중기 계획을 고려할 경우, SOFC 시스템으로만 구성하더라도 2008년 기준 대비 온실가스 감축량을 약 18%를 기대할 수 있으며, 2029년부터는 중기 계획의 목표를 달성하기 어렵다.
연구를 통해 선박의 동력원의 일부로써 SOFC는 온실 가스 배출을 줄일 수 있으며, 기존의 전기추진 선박과 비교하여 경제성을 확보할 수 있는 방법으로 확인하였다. 하지만 연간 선박 탄소 배출량을 2035년까지 40%를 감축하려는 국제 해사 기구의 목표를 고려할 때, 기존의 화석 연료를 사용하는 SOFC로는 CO2 저감 목표를 달성하는 것이 어렵다는 것을 확인하였다. 선박의 동력원으로써 SOFC를 적용하기 위해서는 CO2 농도가 상대적으로 높은 Anode-off gas에 대한 탄소 포집 기술을 적용하거나 암모니아나 수소와 같은 무탄소 기반의 연료를 사용하는 시스템으로 설계하여 적용해야 한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Tables vi
• List of Figures viii
• Acronyms and Abbreviation xii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background of the study 1
• 1.2. Fuel cell for the marine application 6
• 1.3. Purpose of Research 14
• Chapter 2. Modeling of SOFC hybrid system in marine application 15
• 2.1. Introduction 15
• 2.2. System modeling and calculation model 25
• 2.3. Surrogate optimization algorithm 36
• 2.4. Results and discussion 38
• 2.5. Summary 48
• Chapter 3. Operation strategy for the power distribution in the SOFC hybrid system 51
• 3.1. Introduction 51
• 3.2. System modeling and calculation method 52
• 3.3. Control strategy for hybrid power distribution 61
• 3.4. Result and discussion 68
• 3.5. Summary 78
• Chapter 4. Techno-economic assessment for SOFC hybrid system in marine application 79
• 4.1. Introduction 79
• 4.2. Methodology 80
• 4.3. Results and discussion 90
• 4.4. Summary 112
• Chapter 5. Conclusion 118
• Bibliography 121
• 국문 초록 128