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최정안(Jeongan Choi),송호현(Hohyun Song),이대훈(Dae Hoon Lee) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2
대기 중 방출되는 바이오가스 (CH4, CO2 주성분)는 주요 온실가스로서 이를 이용한 H2 생산은 탄소중립 (CO2 neutral) 공정으로 그린 수소 생산 기술이다. CO2를 포함하는 바이오가스를 활용한 수소 생산 기술은 그린 수소 생산 기술 중에서 저렴하고 유망한 기술이며, 기술적 경제적으로 타당한 기술이고 환경 친화적인 기술로 알려져 있다. 국내의 경우, 천연가스를 활용한 수소 생산 비용은 수소 1kg 당 7,328원 (산업부, 2021년 4 월기준)이며, 화석연료를 이용하는 수소 생산방식은 CO2가 추가로 발생한다. 향후 국내에서도 탄소세 는 유럽과 마찬가지 로 점점 높 아질 것으로 예상되기 때문에 탄소세 증가와 기술 개발을 고려하면, CO2 포함 바이오가스를 이용한 그 린수소 생산은 경제성이 크다고 볼 수 있다. 본 연구에서 는 회전아크 플라즈마를 활용한 버너를 이용해 바이오가스를 활용해 열중립적인 방법으로 수소를 생산하는 방법에 대한 실험을 진행하였다. 바이오가스 일부 (20~30%)를 연소시켜 얻은 반옹열 로 촉매반옹을 이용해 수소를 생산하였다.
회전 아크 방전 플라즈마를 이용한 메탄의 열분해 및 수소 생산
송호현(Hohyun Song),줄피카알리(Zulfiqar Ali),최정안(Jeongan Choi),이대훈(Dae-Hoon Lee) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2
현재 전 세계적으로 수소 연료 기반의 전력 생산, 정제, 암모니아 및 메탄올 합성 등등의 다양한 분야에서 수소의 수요가 증가하고 있다. 하지만 현재 생산되고 있는 대부분의 수소는 화석연료 기반의 이른바 회색 수소이며 이 과정에서 10 tCO₂/tH₂의 이산화탄소가 배출되고 있다. 이 때문에 온실가스 배출이 없는 청록 수소나 녹색 수소 생산에 대한 연구 개발 수요가 종가하고 있다. 본 연구에서는 플라즈마를 활용하여 메탄의 열분해 반옹을 일으키고 이룰 통해 수소를 생산하는 실험을 수행하였다. 대기압에서 양 전극 사이에 고전압을 인가하고 수 A 이상의 전류를 흘려주는 방식의 아크 방전 플라즈마를 활용하였다. 청록 수소를 생산하기 위해 , 메탄올 방전 기체로 주입하여 플라즈마 상태를 만둘었다. 이로 인해 메탄의 이온화 및 분해 반응을 일으킨 동시에, 회전 아크로 인해 방전 영역 내 기체 온도가 상승하여 공급된 메탄의 열분해 반응을 유도하였다. 기체크로마토그래피 장비를 이용하여 생성된 기체 혼합물 내의 수소, 탄화수소 및 메탄의 양을 측정하였고, 이룰 통해 메탄의 전환율, 수소 및 탄화수소의 선택도를 계산하였다. 플라즈마로 전달되는 파워가 증가할수록 메탄의 전환율이 증가하고, 수소의 선택도가 증가하였다. C₂-hydrocarbons의 선택도와 carbon balance가 동시에 감소하는 것으로 보아 메탄의 열분해로 인해 생산된 주요 물질은 수소와 고체 탄소임을 알 수 있었다. 본 연구를 통해, 메탄을 방전 기체로 한 플라즈마를 활용하여 메탄올 열분해할 때 SEI 조건에 따라 높은 선택도의 청록 수소를 생산할 수 있음을 알 수 있었다.