Design methodology and validation of low carbon energy system

Abstract

이 논문은 에너지 산업의 설계 방법론과 검증을 다룬다. 지속 가능한 에너지 자원을 확보하고 기후 변화를 대응하기 위해 화석 연료에서 재생 에너지로의 에너지 패러다임 전환이 진행되고 있다. 에너지 전환 중간 단계로써, 본 논문은 저탄소 에너지 시스템에서 발생하는 이동 현상을 화학 공정 시스템 공학의 관점에서 예측하기 위한 적절한 수치 시뮬레이션 모델 개발에 중점을 두었다. 개발된 각 모델은 측정된 데이터로 검증되었으며 각 시스템의 설계 방법론 개발에 적용되었다. 여기에는 1차원 액화천연가스 풍화 예측 모델, 수소 충전 시스템의 0차원 동적 시뮬레이션 모델, 이산화탄소 전기화학적 환원 유로의 3차원 전산 유체 역학 모델이 포함되었다. 액화천연가스 저장탱크에서는 증발가스가 발생하여 시간이 지남에 따라 액화천연가스의 조성이 변화하는데 이를 액화천연가스 풍화라고 한다. 이는 전체 액화천연가스의 가치사슬을 설계하는 데 있어 가장 중요한 특성이다. 액화천연가스는 탱크 내에서 비평형 상태로 존재하기 때문에 이 현상을 분석하기 위해 질소와 탄화수소가 담긴 대규모 탱크 (50 m3)에서 등압 운전 하에 장기간 (50일) 실험을 수행했다. 그리고 본 연구에서는 기상 모델링을 배제한 액화천연가스 풍화의 1차원 예측 모델을 제안했다. 측정된 기상 온도는 열성층화로 인해 전체 기상을 나타낼 수 없기 때문에 대규모 탱크에서 계면에서의 열전달 및 열역학적 평형을 엄밀하게 정량화 하는 것은 어렵다. 따라서, 접근을 용이하게 하기 위해 액화천연가스 터미널에서 도출된 경험적 기-액체 평형 상수와 온도 항을 압력으로 변환하는 통계 속도 이론을 도입하여 순 질량전달을 계산하고 계면에서의 순 열전달도 도입했다. 개발된 모델은 실험 데이터로 검증되었으며 실험과 좋은 일치를 보였다. 개발된 모델을 통해 기존 접근 방식의 편차를 발견하고 증발가스 생성 매개변수(c)와 평형 상수(K_(N_2 ))를 사용하여 다양한 시나리오에 예측 모델을 적용하는 설계 방법론을 제안했다. 연료전지 전기차의 수요 증가에 대응하기 위해 최적화된 수소 충전 설비 및 관련 인프라를 전국에 보급해야 할 필요성이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 주요 수소충전설비 구성요소에 대한 설계변수의 복잡한 상호의존성을 살펴보았다. 수소충전설비의 성능을 평가하기 위해 수소 충전 탱크 및 버퍼 저장 탱크의 압력을 회복하는 것이 포함된 수소충전설비 전체 공정을 0차원 동적 시뮬레이션 모델로 개발했다. 개발된 모델은 한국의 실제 수소충전설비 운영 데이터에 의해 검증되었다. 그리고 본 연구에서는 모든 실질 제약조건을 고려하여 자본 및 운영 비용을 줄이기 위한 새로운 설계 방법론을 제안했다. 첫째, 미리 정의된 수소충전설비와 차량의 사양에 따라 압축기는 충전 수요 및 수소 공급원의 가용 압력을 가지고 크기가 결정되며, 버퍼 저장 탱크 용량의 크기를 줄이기 위해 압축기는 차량 충전 중에 작동할 수 있게 설계한다. 다음으로, 버퍼 저장 시스템은 에너지 소비를 줄이고 완전한 연속 충전을 위해 5가지 변수로 설계된다. 마지막으로, 고압탱크는 압축기의 성능에 따라 연속 충진 시나리오에서 어느 정도 회복되기 때문에 저압 탱크의 크기를 키우는 것에 중점을 둘 필요가 있다. 이산화탄소를 가치 있는 화학 물질로 전기화학적 전환하는 것은 온실 가스를 줄이는 지속 가능한 화학 물질 생산 방법이자 재생 에너지 공급 및 수요 불일치를 해결하기 위한 잠재적인 방안이다. 본 연구에서는 3차원 전산 유체 역학 모델을 개발하여 CO 생산 속도를 개선하기 위한 물질 전달에 대한 유로의 영향을 정량화했다. 그리고 전산 유체 역학 기법으로 설계한 유로를 바탕으로 대규모 전기화학적 이산화탄소 환원반응기에서 일산화탄소의 생성 속도를 실험적으로 측정하고, pH와 계면을 변화시켜 물질 전달 속도를 촉진시키는 다른 외재적 특성을 살펴보는 실험도 수행하였다. 연구 결과는 대류 물질 전달이 생산 속도를 향상시킴을 보여주었고, 대규모 전기화학 반응기의 유로 설계에 대한 일반적인 지침으로 가스확산층을 통한 대류 물질 전달을 최대화하고 반응기 내 흐름을 균일하게 유지하는 것을 제안한다.

This thesis deals with the design methodology and validation of the energy industry. Because of securing sustainable energy resources and mitigating climate change, an energy paradigm shift from fossil fuel to renewable energy is ongoing. As an intermittent energy transition, this thesis focused on developing proper numerical simulation models for predicting the transport phenomena that occur in the low carbon energy system from the perspective of chemical process system engineering. Each of the developed models was validated with the measured data and applied to the development of a design methodology for its system. It included a 1D LNG weathering prediction model, a 0D dynamic simulation model of a hydrogen refueling system, and a 3D CFD model of the CO2RR flow pattern. In an LNG storage tank, the composition of LNG changes with time owing to the generation of boil-off gas (BOG), which is called LNG weathering. It is a crucial characteristic in designing the entire LNG value chain. Because LNG exists in a non-equilibrium state in the tank, to analyze this phenomenon, we performed a long-term (50 days) experiment in a large-scale tank (50 m3) containing nitrogen and hydrocarbons, under isobaric operation. And this study proposes a 1D prediction model of LNG weathering, which excludes vapor phase modeling. Because the measured vapor phase temperature cannot represent the entire vapor phase owing to thermal stratification, it is difficult to quantify the heat transfer and thermodynamic equilibrium at the interface rigorously in a large-scale tank. To facilitate this approach, the net mass transfer was calculated using an empirical vapor-liquid equilibrium constant derived from the LNG terminal and the statistical rate theory which converts a temperature term into pressure, and the net heat transfer at the interface was also applied. The developed model was validated with experimental data and showed good agreement with experiments. Through the developed model, we found deviations of the conventional approach and proposes a design methodology to apply the prediction model to different scenarios using the BOG generation parameter (c) and equilibrium constant (K_(N_2 )). The need for nationwide distribution of optimized refueling facilities and associated infrastructure has emerged to cope with the increase in demand for fuel cell electric vehicles. Thus, this study investigated the complicated interdependency of the design variables of the main HRS components. To evaluate the performance of the HRS, we developed a 0D dynamic simulation model covering the whole sequence of the HRS which includes hydrogen filling tank and pressure recovery of buffer storage tanks. The developed model was validated by actual HRS operating data in South Korea. And this study proposed a novel design methodology for reducing CAPEX and OPEX considering all actual constraints. First, with pre-defined HRS capacity and vehicle, a compressor is sized concerning fill-up demand and available pressure of hydrogen source and it can operate during refueling to reduce the size of a buffer storage volume. Next, a buffer storage system is designed with 5 variables to reduce energy consumption and complete back-to-back filling. Because the higher pressure tank is recovered to some extent in the back-to-back filling scenario depending on the performance of the compressor, it is required to focus on increasing the size volume of the lower pressure level. Electrochemical conversion of CO2 to valuable chemicals is a sustainable method of producing chemicals with reducing greenhouse gases and a potential solution for resolving renewable energy supply as well as demand mismatch. A 3D CFD model was developed to quantify the effect of the flow pattern on mass transfer for improving the production rate of CO. We experimentally measured the production rate of CO in a large-scale electrochemical CO2 reduction reactor with the flow pattern designed by CFD and also experimented to investigate other extrinsic properties that facilitate the mass transfer rate by varying pH and interface. This result shows that the convective mass transfer improves the production rate, and we proposed a general guideline for the flow pattern design for a large-scale electrochemical CO2 reduction reactor that maximizes convective mass transfer through a GDE and keeps flow in the reactor uniform.