Techno-Economic Analysis of Power-to-X

Hankwon Lim(임한권) 한국에너지기후변화학회 2018 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2018 No.11

청정수소생산을 위한 에탄올 수증기개질반응 및 막반응기에서의 응용

임한권(Hankwon Lim) 한국청정기술학회 2013 청정기술 Vol.19 No.4

본 총설에서는 최근 청정수소생산방법으로 큰 관심을 받고 있는 에탄올 수증기개질반응(ethanol steam reforming reaction)에 대해 소개하고자 한다. 다양한 촉매, 반응온도, 에탄올과 물의 몰비에 따른 에탄올 수증기개질반응의 반응특성 및 반응속도식(reaction rate equation)을 검토해 보고자 한다. 또한, 반응기와 분리기를 동시에 장착한 새로운 개념의 막반응기(membrane reactor)를 소개하며, 막반응기의 사용이 일반적인 충전층반응기(packed-bed reactor)에 비해 에탄올 전환율과 수소 수율에 어떠한 영향을 주는지에 대하여 고찰해 보고자 한다. Ethanol steam reforming reaction considered as a clean hydrogen production method is introduced in this paper. Reactivity and reaction rate equation of ethanol steam reforming reaction using various catalysts, reaction temperature, and molar ratio of ethanol and water will be discussed. In addition to introducing a membrane reactor combining a reactor and a separator, the effect of the use of a membrane reactor on an ethanol conversion and hydrogen yield will be compared to those from a conventional packed-bed reactor.

수소생산을 위한 해조류 유래 수용액 상 바이오오일의 수증기 개질 반응

박용범 ( Yong Beom Park ),임한권 ( Hankwon Lim ),우희철 ( Hee Chul Woo ) 한국화학공학회 2016 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.54 No.1

해조류 유래 급속열분해를 통해 생성된 바이오오일로부터 수소가스를 생산하기 위해 상용 개질 촉매를 사용하여 수증기 개질 반응을 수행하였다. 반응원료로 급속열분해로부터 생성되는 crude 바이오오일의 상분리를 통해 얻어진 수용액상의 바이오오일이 사용되었으며, 상용 개질 촉매(FCR-4-02, POS-7, Cat. A, RUA), 반응온도 및 수증기/탄소(S/C)비율에 따른 수증기 개질 반응의 활성을 비교 연구하였다. 실험 결과 원료의 S/C 비율과 촉매의 구성성분에 따라 반응활성이 크게 달라지는 것이 확인되었으며, 특히 POS-7 촉매를 사용한 1073 K, S/C 비율 10의 조건에서의 수증기 개질 반응에서 가장 높은 수소 수율(70%)이 확인되었다. Hydrogen production via steam reforming of bio-oil from algal biomass over fast pyrolysis with commercial catalysts was carried out. Aqueous bio-oil obtained by phase separation from a crude oil over fast pyrolysis was used as a reactant and comparison studies for activity over different catalysts (FCR-4-02, POS-7, Cat. A, RUA), reaction temperature, and steam/carbon (S/C) ratios were performed. Experimental results showed that different catalytic activities were observed with different S/C ratios and catalyst composition and the highest hydrogen yield of 70% was obtained with a POS-7 catalyst at a S/C ratio of 10 and 1073 K.

수소 생산 규모 300 m³ h^-1급 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 경제적 불확실성 분석

허주헌,이보름,김세화,강성묵,임한권,Heo, Juheon,Lee, Boreum,Kim, Sehwa,Kang, Sung-Mook,Lim, Hankwon 한국공업화학회 2018 공업화학 Vol.29 No.5

본 논문에서는 수소 생산 규모 $300m^3h^{-1}$급 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 경제적 불확실성 분석을 Monte-Carlo 시뮬레이션 방법을 이용하여 수행하였다. 핵심 경제적 인자의 변동(${\pm}10-{\pm}40%$)에 따른 수소 생산 단가의 변동을 확인하였으며, 기존 수소 생산 단가인 5.10 $ $kgH{_2}^{-1}$를 얻기 위한 확률인 30.9%를 구하였다. 또한 설비투자비용(${\pm}20%$), 연간운영비용(${\pm}20%$), 수익(${\pm}20%$) 및 할인율의 변동(2-10%)에 따른 비용 편익비의 변동을 확인하였으며, 본 공정이 경제적 타당성이 있기 위해서는 비용 편익비의 값이 1 이상이여야 하며 이를 얻기 위한 확률 범위는 할인율의 변동에 따라 17-55%로 나타났다. In this paper, an economic evaluation with the uncertainty analysis using a Monte-Carlo simulation method was performed for the glycerol steam reforming to produce $H_2$ at a capacity of $300m^3h^{-1}$. Fluctuations in a unit $H_2$ production cost were identified based on the variation of key economic factors at ${\pm}10-{\pm}40%$ and the probability of 30.9% was obtained for a previously reported unit $H_2$ production cost of 5.10 $ $kgH{_2}^{-1}$. In addition, fluctuations in the B/C ratio were obtained by varying the fixed capital investment (${\pm}20%$), cost of manufacturing (${\pm}20%$), revenue (${\pm}20%$), and discount rate (2-10%) and the probability ranging from 17 to 55% was observed to meet a minimum B/C ratio of 1 for the economic feasibility of the glycerol steam reforming to produce $H_2$.

Ni-K₂Ti<SUB>x</SUB>O<SUB>y</SUB> 촉매를 이용한 해조류 유래 수열 액화 원료의 수증기 개질 반응 연구

박용범(Yong Beom Park),임한권(Hankwon Lim),우희철(Hee-Chul Woo) 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.23 No.1

해조류로부터 수열 액화 반응을 통해 생성된 원료를 이용하여 수소가스를 생산하기 위해 개질 반응용 상용화 촉매와 K₂TixOy가 첨가된 니켈(Ni) 제조 촉매를 사용하여 반응온도에 따른 수증기 개질 반응을 수행하였다. 반응원료는 해조류 바이오매스를 503 K의 반응온도에서 2시간 동안 수열 액화를 통해 생성된 액화 원료를 사용하였으며, 상용화 촉매(FCR-4-02)와 제조 촉매(Ni/K₂TixOy-Al₂O₃, Ni/K₂TixOy-SiO₂, Ni/K₂TixOy-ZrO₂/CeO₂, Ni/K₂TixOy-MgO) 및 반응온도에 따른 수증기 개질반응의 활성을 비교 연구하였다. 실험결과 제조 촉매 4종 모두 상용화 촉매와 비교하여 반응활성이 높게 나타나는 것이 확인되었으며, 제조 촉매의 지지체에 따라 생성되는 가스의 조성이 달라지는 것이 확인되었다. 특히, 산성이나 염기성을 띄는 Al₂O₃와 MgO의 지지체와 중성을 띄는 SiO₂의 지지체에서는 CO가 선택적으로 높게 생성이 되었으며 환원성을 띄는 CeO₂를 포함하는 지지체에서는 수성가스 전환 반응이 일어나 CO₂가 높게 생성됨을 보였다. Hydrogen production via steam reforming of liquefaction liquid from marine algae over hydrothermal liquefaction was carried out at 873 ~ 1073 K with a commercial catalyst and Ni based K2TixOy added catalysts. Liquefaction liquid obtained by hydrothermal liquefaction (503 K, 2 h) was used as a reactant and comparison studies for catalytic activity over different catalysts (FCR-4-02, Ni/K2TixOy-Al₂O₃, Ni/K₂TixOy-SiO₂, Ni/K2TixOy-ZrO₂/CeO₂ and Ni/K₂TixOy-MgO), reaction temperature were performed. Experimental results showed Ni/K₂TixOy based catalysts (Ni/K₂TixOy-Al₂O₃, Ni/K₂TixOy-SiO₂, Ni/K₂TixOy-ZrO₂/CeO₂ and Ni/K₂TixOy-MgO) have a higher activity than commercial catalyst (FCR-4-02) and In particular, a product composition was different depending on support materials. An acidic support (Al₂O₃) and a basic support (MgO) led to a higher selectivity for CO while a neutral support (SiO₂) and a reducing support (ZrO₂/CeO₂) resulted in a higher CO₂ selectivity due to water gas shift reaction.

Ni 촉매상에서 해조류 유래 바이오-오일의 수증기 개질반응 연구

박용범(Yong Beom Park),임한권( Hankwon Lim),우희철(Hee Chul Woo) 한국에너지기후변화학회 2016 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2016 No.5

300 m³ h^-1급 수소 생산을 위한 글리세롤 수증기 개질반응의 기술·경제성 분석

허주헌 ( Juheon Heo ),임한권 ( Hankwon Lim ) 한국공업화학회 2018 공업화학 Vol.29 No.2

본 논문에서는 300 m³ h^-1급 수소 생산을 위한 글리세롤 수증기 개질반응에 대해 기술·경제성 평가를 수행하였다. 상업용 공정 설계 프로그램인 Aspen HYSYS^ⓡ를 이용하여 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 공정을 설계하였으며, 반응온도에 따른 수소 생산량의 차이를 비교·분석하였다. 또한, 항목별 경제성 평가, 민감도 분석, 현금흐름도를 통하여 경제성 평가를 진행하였으며, 300 m³ h^-1급 글리세롤 수증기 개질반응에서의 수소 생산 단가는 5.10 $ kgH₂^-1로 계산되었다. 수소 생산 단가에 영향을 끼치는 주요 인자를 파악하기 위해 민감도 분석을 실시하였으며, 수소 판매 단가에 따른 현금흐름도 분석을 통해 순현재가치, 할인회수기간, 현재가치율과 같은 다양한 경제성 인자를 파악하였다. In this paper, the techno-economic analysis of glycerol steam reforming for H₂ production capacity of 300 m³ h^-1 was carried out. The process of glycerol steam reforming was constructed by using Aspen HYSYS^ⓡ, a commercial process simulator, and parametric studies for the effect of the operating temperature on H₂ production was performed. Moreover, the economic analysis was conducted through an itemized cost estimation, sensitivity analysis (SA) and cash flow diagram (CFD), and the unit H₂ production cost was 5.10 $ kgH₂^-1 through the itemized cost estimation of glycerol steam reforming for H₂ production capacity of 300 m³ h^-1. SA was employed to identify key economic factors and various economic indicators such as net present value (NPV), discounted payback period (DPBP), and present value ratio (PVR) were found according to H2 selling price using CFD.

Comparative studies for the performance of a natural gas steam reforming in a membrane reactor

Boreum Lee(이보름),Hankwon Lim(임한권) 한국가스학회 2016 한국가스학회지 Vol.20 No.6

본 연구에서는 다양한 수소 생산 방법 중 하나인 천연가스 수증기 개질반응(natural gas steam reforming reaction)에 대해 일반적인 충전층반응기와 반응기와 수소분리기가 결합된 새로운 형태의 분리막 반응기에서의 성능에 대한 비교분석을 수행하였다. Xu 와 Froment에 의해 기존에 발표된 실험결과를 바탕으로 상업용 화학공정모사기인 Aspen HYSYS<SUP>Ⓡ</SUP> 모델이 개발되었으며, 반응온도, H₂ 투과량, Ar 유량 등이 분리막 반응기에서의 반응물의 전환율 및 H₂ 수율 향상도에 미치는 영향에 대해 분석한 결과 분리막 반응기에서 보다 많은 양의 수소 수율 및 메탄전환율이 확인되었다. 더 나아가, 전체 시스템에서 필요로 하는 열량을 공급하기 위해 요구되는 천연가스의 양에 초점을 맞춰 분리막 반응기에서의 원가절감 가능성을 평가한 결과, 분리막 반응기에서 10.94%의 원가절감이 관찰되었다. For a natural gas steam reforming, comparative studies of the performance in a conventional packed-bed reactor and a membrane reactor, a new conceptual reactor consisting of a reactor with series of hydrogen separation membranes, have been performed. Based on experimental kinetics reported by Xu and Froment, a process simulation model was developed with Aspen HYSYS<SUP>Ⓡ</SUP>, a commercial process simulator, and effects of various operating conditions like temperature, H₂ permeance, and Ar sweep gas flow rate on the performance in a membrane reactor were investigated in terms of reactant conversion and H₂ yield enhancement showing improved H2 yield and methane conversion in a membrane reactor. In addition, a preliminary cost estimation focusing on natural gas consumption to supply heat required for the system was carried out and feasibility of possible cost savings in a membrane reactor was assessed with a cost saving of 10.94% in a membrane reactor.

메탄 수증기 개질반응에서의 분리막 반응기 길이가 미치는 영향

이성근 ( Sunggeun Lee ),임한권 ( Hankwon Lim ) 대구가톨릭대학교 자연과학연구소 2016 자연과학연구논문집 Vol.14 No.1

The computer-based simulation study for methane steam reforming has been done. The kinetics we use is obtained based on a nickel/alumina catalyst reported by Ko et al. The reactor has a structure of which tube shape heating source is being centered while the six membranes are surrounding the heating tube at a distance inside the reactor. The profiles of the molar concentration and the temperature of a reformer bed were obtained by varying the length of the reactor with a fixed H₂ flux (2 × 10^-5 kg ·m^-2 ·s^-1 ) into the membranes.

Assessment of the regional economic potential for methanol steam reforming based on historical data of natural gas price and CO₂ tax credit

Sehwa Kim(김세화),Wonmo Yeon(연원모),Hankwon Lim(임한권) 한국에너지기후변화학회 2018 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2018 No.11