수소 냉동 시스템의 에너지 효율 최적화, 엑서지 성능 향상 및 경제성 분석 = Optimization of energy efficiency, exergy performance enhancement, and economic analysis in hydrogen refrigeration systems

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study introduces an optimized hydrogen liquefaction process using an enhanced precooled Joule-Brayton cycle. Hydrogen liquefaction is highly energy-intensive due to the cryogenic temperatures required, and its efficiency improvements are limited by the process complexity, capital costs, and technical risks. To address these challenges and harness the environmental benefits of hydrogen as a future energy source, we propose a novel optimization approach by analyzing the sensitivity of the objective function to key process variables. This method reduces the total cost by balancing equipment costs and energy consumption. The optimization is conducted through an integrated MATLAB-Aspen HYSYS framework using a Genetic Algorithm (GA). A thermodynamic analysis, accounting for non-ideal operations, is carried out based on the composite curves of heat exchangers and the entropy of the cycle. The process liquefies 5 tons of hydrogen per day, achieving a specific energy consumption (SEC) of 5.941 kWh/kg, a coefficient of performance (COP) of 0.2065, and a figure of merit (FOM) of 0.5125, showing better performance than recent studies. Exergy analysis reveals an efficiency of 51%, significantly higher than that of similar processes. The economic analysis estimates the levelized cost of hydrogen (LCOH) to be $3.42/kg. These results provide practical insights into the optimization and economic feasibility of hydrogen liquefaction processes.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 향상된 사전 냉각 Joule-Brayton 사이클을 사용한 최적화된 수소 액화 공정을 소개한다. 수소 액화 공정은 극저온 온도로 인해 매우 에너지 집약적이며, 공정의 복잡성, 자본 비용, 기술적 위험 때문에 효율성 개선에 한계가 있다. 이러한 도전 과제에 대응하고, 미래 에너지원으로서 수소의 환경적 이점을 활용하기 위해 우리는 주요 공정 변수에 대한 목적 함수의 민감도를 분석하고 새로운 최적화 접근 방식을 제안한다. 이 방법은 장비 비용과 에너지 소비의 균형을 맞추어 총비용을 줄인다. 최적화는 유전 알고리즘 (GA)를 사용하는 통합 MATLAB-Aspen HYSYS 프레임워크를 통해 수행된다. 열교환기의 복합 곡선과 사이클의 엔트로피에 기반하여 비이상적인 작동을 고려한 열역학적 분석이 진행된다. 이 공정은 하루에 5톤의 수소를 액화하며 5.941 kWh/kg의 특정 에너지 소비량 (SEC), 0.2065의 성능 계수 (COP), 0.5125의 공정 지수 (FOM)을 달성하여 최근 연구보다 우수한 성과를 보였다. 엑서지 분석에서는 51%의 효율이 도출되어 유사한 다른 공정들보다 상당히 높은 효율을 보여준다. 경제성 분석 결과 수소의 균등화 생산 단가 (LCOH)는 $3.42/kg으로 산출되었다. 이러한 결과는 수소 액화 공정의 최적화와 경제적 타당성 분석에 실질적인 근거를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 11
• Chapter 2. Process modeling 13
• 2.1 Simulation of liquefaction system 13
• 2.2 Model description and assumptions 15
• Chapter 3. Thermodynamic analysis and process optimization methods 18
• 3.1 Energy and exergy analysis 18
• 3.2 Composite curve analysis 21
• 3.3 Compare and select variables 21
• 3.4 Optimization algorithm 22
• Chapter 4. Techno-economic analysis 25
• 4.1 CAPEX 27
• 4.2 OPEX 28
• 4.3 Cash flow 28
• Chapter 5. Results 30
• 5.1 Case studies and parameter analysis 30
• 5.2 Process optimization 32
• 5.3 Exergy analysis 36
• 5.4 Economic evaluation 37
• Chapter 6. Conclusions 39
• References 41