200 kW 급의 고체산화물 연료전지 및 인산형 연료전지 시스템 제작에 대한 정량적 환경영향평가 및 분석 = Quantitative Life Cycle Assessment and Environmental Impact Analysis of Materials and Processes for the Manufacturing of 200 kW Solid Oxide Fuel Cell and Phosphoric Acid Fuel Cell Systems

국문 초록 (Abstract)

발전용 연료전지는 지속 가능한 발전기술이라는 관점에서 주목을 받는 기술 중의 하나이다. 특히, 세계적인 이슈인 탄소중립을 달성하기 위해서는 연료전지의 발전 과정뿐만 아니라, 원료의 채취와 시스템 제작 등을 포함하는 전과정에 대한 탄소발자국을 정량적으로 평가하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 200 kW급 발전용 SOFC와 PAFC system 제작 공정의 전과정을 stack, BOP(balance of plant) 및 system assembly로 구분하여 원료 채취부터 시스템 제작까지를 평가하는 cradle-to-gate 방식의 환경영향평가를 진행하였다. 환경영향평가 결과에서, global warming(GW) potential을 포함한 모든 환경영향 범주에서 이들 두 가지 연료전지 모두에 대한 BOP 제작 공정이 50% 이상의 환경영향을 미치는 것으로 나타났다. BOP 제작 공정에 따른 환경영향 비율이 높은 것은 BOP 제작에 사용하는 철, Pt 및 Copper와 같은 재료의 생산 공정에서 발생하는 환경물질과 공정에 사용하는 많은 전기량에 의한 것으로 나타났다. 또한 Pt를 촉매로 사용하는 PAFC stack이 미치는 환경영향이 전체 범주에서 최소 88% 이상이었으며, Ni을 촉매로 사용하는 SOFC stack이 TA, ME 및 FE에 미치는 환경영향의 비율이 각각 58.0, 55.8 및 54.5%로 나타났다. 이러한 주요 환경영향 물질들의 감축 혹은 재활용으로 배출량을 감축시키는 것이 환경영향을 줄이는 측면에서 필요한 것으로 나타났다. SOFC system의 Stack, BOP 및 system assembly 중에서 Stack이 GW와 FRS에 미치는 환경영향의 비율이 각각 41.3과 40.6%로 BOP 와 system assembly의 경우보다 비교적 높게 나타났다. SOFC stack을 제작할 때 GW와 FRS에 대해서는 총 전기사용량이 각각 47.7과 48.6%로 가장 큰 환경영향을 미쳤는데, 총 전기사용량은 공정 최적화 등으로 감축할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The fuel cells of the future for sustainable development are SOFCs and PAFCs, and they will have to coexist as future energy sources. This requires understanding the properties of the materials used in both fuel cell systems, and identifying and improving the challenges of materials with high environmental impact. In this study, all materials and processes involved in the manufacturing of 200 kW solid oxide fuel cell (SOFC) and phosphoric acid fuel cell (PAFC) systems for power generation are divided into stack, BOP (balance of plant), and system assembling components, and a cradle-to-gate environmental impact assessment is conducted to assess the life cycle process from raw materials extraction to a final system manufacturing. As a result of the environmental impact assessment, the PAFC system is found to have greater potential than the SOFC system in all environmental impact categories, as it uses Pt as a catalyst material in the stack and reforming system. Since Pt has a significant environmental impact per unit mass, its reduction and recycling are essential. The BOP manufacturing process accounts for more than 50% of the potential in all environmental impact categories. The environmental impact potential of the anode and cathode of the PAFC stack was at least 88% of all environmental impact categories in the stack analysis stage, and the environmental impact potentials of the anode of the SOFC stack using Ni as a catalyst material on TA, ME, and FE were correspondingly 58.0%, 55.8%, and 54.5%.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 발전용 연료전지 기술의 소개 1
• 2. 전과정평가의 소개 7
• Ⅱ. 연구 배경 9
• 1. 고체산화물 연료전지와 인산형 연료전지 9
• 2. 발전용 연료전지에 대한 전과정평가의 필요성 13
• Ⅲ. 환경영향평가 방법론 16
• 1. 평가 방법론 16
• 2. 소프트웨어와 데이터베이스 17
• 3. 시스템 경계의 설정 19
• 4. LCI의 수집 방법과 가정 21
• Ⅳ. 결과 및 고찰 22
• 1. 프로세스 차트 22
• 2. LCI 결과 25
• 2.1 SOFC와 PAFC 스택의 LCI 26
• 2.2 SOFC와 PAFC BOP의 LCI 29
• 2.3 SOFC와 PAFC 케이스의 LCI 32
• 2.4 SOFC와 PAFC의 제작에 사용한 전기량의 LCI 33
• 2.5 특정 BOP 부품의 LCI 37
• 3. LCA 결과 41
• 3.1 200 kW SOFC와 PAFC 시스템에 대한 환경영향평가 결과 41
• 3.2 200 kW SOFC와 PAFC 스택에 대한 환경영향평가 결과 43
• 3.3 200 kW SOFC와 PAFC BOP에 대한 환경영향평가 결과 50
• Ⅴ. 결론 57
• 참고 문헌 59
• 영문 초록 67