액체수소 냉열을 활용한 수소충전소의 설계 및 기술경제성 분석 = Systems Design and Techno-economic Assessment of Hydrogen Refueling Stations Utilizing Liquid Hydrogen Cold Energy

국문 초록 (Abstract)

액체수소는 밀도가 높아 대규모 운송과 저장이 용이하므로 액체수소 충전소는 대용량 충전소로 주목받고 있다. 액체수소 충전소는 수소차에 수소를 충전하기 위해 기화하는 과정에서 액체수소의 극저온 에너지가 버려진다. 이를 해결하기 위해 본 연구는 버려지는 냉열을 회수하여 생산한 전력을 충전소에 공급하고 초과분의 전력은 전기차 충전에 사용하는 새로운 수소 기반 슈퍼스테이션을 설계하였다. 비용 측면에서 가장 효율적으로 냉열을 회수하는 구조를 탐색하기 위해 두 가지 발전 사이클 구조를 제안한다. 제안하는 발전 사이클은 기화 과정의 넓은 온도 범위에서 냉열을 효과적으로 회수하기 위해 BC(Brayton Cycle) 이후 RC(Rankine Cycle)로 냉열을 회수하는 BC-RC 구조와 RC 이후 RC로 냉열을 회수하는 RC-RC 구조로 설계하였다. 각 구조에서 전력 생산량이 최대가 되도록 Bayesian 최적화 기법을 사용하여 최적의 운전조건을 도출하였다. 냉열을 회수하는 발전 사이클을 적용한 액체수소 충전소를 비교한 결과, BC-RC 구조는 RC-RC 구조보다 냉열 회수량과 전력 생산량이 각각 53%와 19% 높았으며 엑서지 손실은 8% 낮아서 열역학적으로 우수했다. 하지만 수소 충전소에 적용된 작은 규모의 냉열 회수 시스템에서는 압축기를 대신해 펌프를 사용하여 절감한 비용이 BC의 추가적인 전력 생산 수익보다 큰 것으로 나타났다. 결과적으로, RC-RC 구조를 적용한 액체수소 충전소가 BC-RC 구조보다 Net Present Value(NPV)가 2% 높아서 가장 경제적이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Liquid hydrogen refueling stations are gaining attention due to their high capacity, which stems from the high volumetric density of liquid hydrogen. Liquid hydrogen refueling stations face a significant challenge: the cold energy during the vaporization process is often wasted, despite being crucial for the refueling of hydrogen vehicles. To cope with this challenge, this study proposes novel liquid hydrogen-based hydrogen superstations that utilize liquid hydrogen cold energy for power generation. The generated power is supplied to the hydrogen superstations, and the surplus power is utilized for charging electric vehicles. To explore the economically competitive configuration for cold energy utilization, two configurations of integrated power generation cycles are designed: (1) the Brayton cycle followed by a Rankine cycle (BC-RC) and (2) the Rankine cycle followed by a Rankine cycle (RC-RC). To maximize power generation of hydrogen superstations, the Bayesian optimization method is used to explore optimal conditions. Between hydrogen superstations, the BC-RC configuration shows 53% higher cold energy recovery, 19% higher power generation, and 8% lower exergy waste than the RC-RC configuration. Therefore, BC-RC reveals itself to be a thermodynamically superior configuration. For small-scale cold energy recovery systems such as hydrogen superstations, the reduction in capital costs achieved by using a pump instead of a compressor is significantly more beneficial than the profit increase derived from the additional power production from the Brayton cycle. As a result, the combination of a hydrogen superstation with the RC-RC configuration is identified as the most economical option, offering a Net Present Value that is 2% higher than that of the BC-RC configuration.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 2. 공정 설명 5
• 2.1 Case 1: 기존 기체수소 충전소 11
• 2.2 Case 2: 기존 액체수소 충전소 13
• 2.3 Case 3: 브레이튼 사이클-랭킨 사이클 통합형 수소 슈퍼스테이션 15
• 2.4 Case 4: 랭킨 사이클-랭킨 사이클 통합형 수소 슈퍼스테이션 17
• 3. 방법론 19
• 3.1 에너지 분석 방법 20
• 3.2 엑서지 분석 방법 23
• 3.3 경제성 분석 방법 25
• 3.4 공정 최적화 방법 31
• 4. 결과 및 토론 33
• 4.1 열교환 분석 35
• 4.2 에너지 분석 37
• 4.3 엑서지 분석 39
• 4.4 경제성 분석 43
• 5. 결론 52