시스템 시뮬레이션(Amesim)으로 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 메탄 개질기의 통합을 평가

소개

 2050년 순제로 목표를 고려하는 오늘날의 에너지 탈탄소화를 위한 전 세계적인 경쟁에서 모빌리티는 달성 가능하고 비용 효율적인 솔루션을 찾는 과제에 직면해 있습니다. 모든 운송 수단이 관련됩니다. 국제해사기구(International Maritime Organization)에 따르면 국제 해운은 전 세계 CO2 배출량의 약 2~3%를 차지합니다.

 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)와 천연 가스 또는 메탄(CH 4 ) 개질 장치를 선박에 사용하여 효율적이고 깨끗한 발전 시스템을 제공할 수 있습니다. 비용 고려 사항 , 인프라 요구 사항, 기술 발전 등의 문제가 수반됩니다 . 기술이 계속 발전함에 따라 이러한 문제가 해결될 수 있으며 연료 전지 시스템을 해양 응용 분야에 더욱 적합하게 만들고 선박에서 CH4 개질기와 함께 고체 산화물 연료 전지를 사용하면 상당한 이점을 얻을 수 있습니다 .

• SOFC는 연료를 전기로 변환하는 데 있어 높은 효율성으로 알려져 있습니다. 이는 최대 60%의 효율을 달성할 수 있으며 이는 기존 연소 엔진보다 훨씬 높습니다.
• SOFC는 전기화학적 공정을 통해 전기를 생산하는데, 이는 연소 기반 발전보다 본질적으로 더 깨끗합니다. 그 결과 NOx, SOx, 입자상 물질과 같은 오염 물질의 배출이 줄어듭니다.
• 메탄에서 수소를 생산하는 CH4 개질기 와 결합하면 SOFC는 연료 전지에 사용될 때 부산물로 수증기만 생성하는 청정 연료인 수소로 작동할 수 있습니다. 이는 기존 화석 연료 기반 시스템에 비해 온실가스 배출을 줄이는 데 도움이 됩니다.
• SOFC는 수소, 메탄올, 천연가스 및 기타 탄화수소를 포함한 다양한 연료로 작동할 수 있습니다. CH4개질기를 사용하면 메탄에서 수소를 추출할 수 있어 연료 유연성과 다양한 연료원에 대한 적응성이 제공됩니다.
• 연료전지는 기존 엔진에 비해 조용하게 작동하여 선박 내에서 더욱 조용하고 편안한 환경을 조성하는 데 기여합니다. 이는 소음 감소가 우선시되는 여객선과 해군 선박에 특히 중요합니다.
• SOFC는 기존 엔진에 비해 움직이는 부품이 적기 때문에 유지 관리 요구 사항이 낮고 작동 수명이 길어집니다. 이는 시스템 수명 전반에 걸쳐 비용 절감으로 이어질 수 있습니다.
• SOFC는 열병합 발전용으로 구성되어 전기와 열을 동시에 생산할 수 있습니다. 마이크로가스 터빈은 결국 그러한 시스템에도 연결될 수 있습니다. 전기화학 공정에서 발생하는 폐열은 난방, 담수화 등 다양한 선상 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 또한 수소를 생성하기 위해 열을 소비하는 CH4 개질기를 예열 하는 데에도 사용할 수 있습니다 . 이 구성에서는 시스템 효율성이 쉽게 90%에 도달할 수 있습니다.
• SOFC의 높은 에너지 밀도와 효율성은 선박의 항속 거리와 내구성을 향상시켜 잦은 재급유 없이 장거리 항해에 적합합니다.

 CH4 개질기와 결합된 SOFC로 구동되는 화물선 모델은 시스템 시뮬레이션 도구인 Simcenter Amesim을 사용하여 모델링하였습니다. 이 모델 덕분에 다양한 항로와 해상 조건을 고려하여 선박의 거동과 파워트레인 시스템을 시뮬레이션할 수 있습니다. 예를 들어 선박의 연료 소비량과 선박에서 생성되는 CO2의 양을 평가하는 데 도움이 됩니다. 또한 시스템 구성 요소 간의 상호 작용을 예측하고 더 잘 이해하는 데에도 사용할 수 있습니다. 마지막으로 시뮬레이션을 사용하여 에너지 소비와 CO2 배출을 줄이는 데 도움이 되는 설계 옵션을 평가할 수 있습니다.

Simcenter Amesim 화물선 시스템 모델

모델 분석

해상 상태 및 선박 저항

 Simcenter Amesim을 사용하면 GPS 위치를 기반으로 한 해상 항로뿐 아니라 가변 염도 및 온도, 풍속 및 방향, 파도 높이 및 주기, 해류 속도 및 방향을 포함한 항해 조건을 정의할 수 있습니다.

해상 상황 및 선박 모델

 우리의 시뮬레이션을 위해 해상 경로는 오슬로(노르웨이)에서 르아브르 (프랑스)까지의 경로를 설정하고, 항해 조건은 아래 그림과 같이 정의됩니다. 배의 무게는 8000톤이고 길이 75미터, 폭 9미터이며 항해하는 데 거의 4일이 걸립니다.

항해 조건

 Simcenter Amesim 선박 모델은 선박의 질량과 마찰로 인한 항해 저항을 고려하여 선박의 종방향 운동을 예측합니다. 이는 물의 다양한 밀도와 점도, 바람과 파도를 고려합니다.

추진자

 프로펠러 모델은 추력과 토크를 계산하는 데 사용됩니다. 시뮬레이션 중에 프로펠러 직경(6m), 블레이드 면적 비율 AE/AO(0.57 – AE: 프로펠러 확장 블레이드 면적, AO: 프로펠러 디스크 면적)를 입력으로 사용하여 Simcenter Amesim이 제안한 Wageningen B 시리즈 프로펠러 모델을 선택했습니다. ) 및 블레이드 수(4). 프로펠러 피치는 일정하다고 가정합니다(3.5m).

프로펠러 모델

전기 모터 및 그 변속기

 프로펠러는 1.2MW 전기 모터로 구동됩니다. 최대 연속 토크는 15000N.m입니다. 효율은 90%로 설정되어 있습니다. Simcenter Amesim 전기 모터 모델은 표로 작성된 모델입니다. 내장된 도구인 Electric Motor Tables Creator를 사용하여 몇 가지 입력 데이터로부터 모델 맵을 자동으로 생성할 수 있습니다.

Simcenter Amesim 전기 모터 테이블 생성기 인터페이스

 PID 컨트롤러는 선박 속도와 목표 속도 간의 최상의 일치를 얻기 위한 목적으로 모터 토크 요청을 정의하는 데 사용됩니다. 고체산화물 연료전지와 모터 사이에 통합된 DC/DC 컨버터는 모터 전압을 800V로 유지합니다. 비율이 12로 설정된 변속기는 프로펠러와 모터 사이에 통합되어 두 하위 시스템 간의 속도와 토크를 조정합니다.

고체산화물 연료전지(SOFC)

고체산화물 연료전지(SOFC)는 공기 중의 산소와 연료(일반적으로 수소 또는 천연가스) 사이의 전기화학 반응을 이용하여 전기를 생성하는 전기화학 장치입니다. 기존 연료전지와 달리 SOFC는 고온(일반적으로 500~1000°C)에서 작동하므로 광범위한 연료를 전기로 효율적으로 변환할 수 있습니다. 이는 연료원의 고효율, 저배출 및 다용도로 알려져 있어 발전 및 해상 운송을 포함한 다양한 응용 분야에 적합합니다.

연료전지 모델

 우리의 전기화학적 모델에서 수소는 개질 공정(외부 사전 개질기와 연료 전지 내부에서 발생하는 내부 개질)을 사용하여 CH4 에서 추출됩니다 . 결과적으로, SOFC 양극에는 H 2 뿐만 아니라 CH4, CO, CO 2 및 H 2 O(증기)를 포함하는 가스 혼합물이 공급됩니다 .

 Simcenter Amesim 고체 산화물 연료 전지 모델은 활성화, 저항 및 농도 손실을 고려하여 Butler Volmer 전기 화학 방정식을 사용하여 연료 전지 전압을 예측합니다. 온도, 압력, 반응물 농도 등 작동 조건의 영향을 포착합니다. 더욱이, 일산화탄소는 연료에 존재하기 때문에 양극에서 전기화학적 산화를 겪을 수도 있어 전체 전지 반응에 기여합니다.

 열중성전위를 고려하여 연료전지의 열손실을 예측함으로써 SOFC의 일시적인 열거동을 평가할 수 있습니다.

 우리 모델에서 SOFC는 각 셀 의 활성 영역이 1000cm2 인 1500개의 셀로 구성됩니다. 최대 1.2MW의 전력을 공급할 수 있는 크기입니다. 여기서는 실제 설정에서 4개의 개별 300kW 스택으로 구성될 가능성이 가장 높은 동등한 글로벌 스택을 고려합니다.

 참고: Simcenter Amesim 고체 산화물 연료 전지 모델은 고체 산화물 전해조를 시뮬레이션하는 데에도 사용할 수 있으며 동일한 하위 시스템은 가역 반응을 수행할 수 있습니다.

CH ₄ 개질기

 CH₄ 개질기는 우리 시스템에서 메탄으로부터 수소를 생산하는 데 사용됩니다. 이는 주로 증기 메탄 개질(SMR)이라는 공정을 통해 작동됩니다.

 메탄과 증기(H2O)가 개질기 챔버로 공급됩니다. 증기 대 탄소 비율(증기 몰 대 메탄 몰의 비율)은 반응 효율의 핵심 매개변수이며 일반적으로 1:1에서 3:1 사이입니다. 우리 모델에서는 증기 대 탄소 비율이 2.5:1로 설정되었습니다.

개질기 원자로 모델 및 챔버

 개질기 챔버 내부에서 메탄과 증기는 가열되어 일반적으로 니켈이 포함된 촉매층을 통과합니다. 이 촉매는 특히 낮은 온도에서 반응을 촉진합니다. 관련된 주요 화학 반응은 다음과 같습니다.

CH4 ₊ H2O <-> CO + 3H2

CH4 + 2H2O <-> CO2 + 4H2​

 이러한 반응은 흡열반응이므로 열이 필요합니다. 이러한 반응을 촉진하기 위해 메탄과 증기 혼합물을 고온(일반적으로 700°C~1,000°C)으로 가열합니다.

 수소 생산과 함께 일산화탄소(CO)도 반응 부산물로 생성됩니다. CO의 존재는 독성과 촉매 중독 가능성으로 인해 많은 응용 분야에서 바람직하지 않습니다. 따라서 평형을 더 많은 수소 생산과 더 적은 CO로 전환하기 위해 일반적으로 추가 단계가 사용됩니다. 우리 모델에서는 수성 가스 전환 적당한 발열 반응도 고려됩니다.

CO + H ₂ O <-> CO ₂ + H ₂

 개질 반응은 전체적으로 흡열 반응이므로(즉, 열을 흡수함) 필요한 반응 온도를 유지하기 위해 일반적으로 외부 히터를 통해 또는 생성된 수소나 메탄의 일부를 연소시켜 개질기에 열이 공급됩니다. Simcenter Amesim CH 4 개질기 모델에서는 메탄 연소 반응을 작동하여 자열 반응을 시뮬레이션할 수 있습니다. 그러나 우리 선박 모델에서는 개질기가 SOFC의 열 손실을 사용하여 온도를 필요한 범위로 유지한다는 점을 고려하는 것이 좋습니다.

 우리 모델에서는 효율성과 전체 시스템 성능을 극대화하기 위해 2개의 개질 반응기를 결합합니다. SOFC 외부의 첫 번째 장치는 CH4에서 가장 많은 양의 H2를 추출 합니다 . 그런 다음 SOFC 양극과 통합된 내부 개질기는 연료 흐름을 더욱 정제하여 수소 함량을 최대화하고 거의 완전히 메탄을 소비할 수 있습니다.

개질기 CH ₄ 및 증기 공급

개질기에 공급해야 하는 메탄의 양은 전기화학반응을 수행하기 위해 SOFC에 공급해야 하는 수소의 양에 따라 달라집니다. 우리 모델에서 개질기에 공급되는 메탄 유량은 목표 연료 활용도 75%를 고려하여 연료 전지에 의해 전달되는 전류로부터 정의됩니다.

 개질기로 전달되는 증기 유량은 메탄 유량과 증기 대 탄소 비율로부터 계산됩니다.

 메탄과 증기의 혼합물은 SOFC 양극에서 나오는 가스 혼합물에서 열을 추출하는 데 사용되는 열 교환기에 도달하기 전에 150°C에 있어야 합니다. 이러한 방식으로 메탄과 증기 혼합물은 개질기에 도달하기 전에 예열되어 개질기의 전체적인 효율성을 향상시킵니다.

급기

 메탄과 증기의 경우, SOFC 음극 측에서 시스템에 전달되는 공기의 양은 산소에 대한 화학량론적 비율 1.5를 기준으로 연료 전지에 의해 전달되는 전류로부터 예측됩니다.

 그러나 열 손실을 줄이고 전체 시스템 효율성을 향상시키기 위해 열 교환기는 공기 공급 시스템에 통합되어 SOFC 음극에 공급되기 전에 공기 흐름을 예열합니다. 이는 음극 출구에서 나오는 공기 흐름에서 열을 추출하여 수행할 수 있습니다. 그러나 일부 조건, 특히 높은 전력 수요의 경우 시스템 온도가 950°C로 설정된 예상 최대값을 초과할 수 있습니다. 이러한 상황을 방지하기 위해 제어 밸브가 있는 바이패스 시스템이 통합되었습니다. 이를 통해 SOFC에 따뜻한 공기 대신 신선한 공기를 공급해 연료전지 온도를 낮출 수 있다.

수도 관리

 이전에 논의한 바와 같이, 우리는 시스템의 전반적인 효율성을 향상한다는 목표를 가지고 일부 구성요소에서 열을 추출하여 다른 구성요소에 전달하도록 시스템 아키텍처를 정의했습니다. 또 다른 관심 포인트는 물 관리다.

 실제로, 개질기는 증기 개질 반응으로 물을 소비하고 있습니다. 그리고 다른 쪽에서는 SOFC 전기화학 반응으로 물이 생성됩니다.

 따라서 물에 대한 자율적인 시스템을 만들기 위해 SOFC 배출구에서 거부되는 물을 회수하여 저장하고 개질 반응기에 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

시뮬레이션 및 분석

글로벌 결과

 오슬로에서 르아브르까지 4일간의 여행을 시뮬레이션하는 것은 매우 빠릅니다(기본 노트북에서는 몇 초). 이렇게 하면 다양한 시나리오나 여러 설계 옵션을 평가하기 위해 많은 시뮬레이션을 수행하는 것이 매우 쉬워집니다.

 우리의 경우, 먼저 파워트레인과 그 제어가 예상 속도로 항해를 가능하게 하는지 검증할 수 있습니다.

시뮬레이션 결과: 선박 속도, 변위, 연료 소비 및 CO2 배출

 시뮬레이션이 끝나면 다음과 같은 결과를 쉽게 얻을 수도 있습니다.

• 거리: 700nmi
• 여행 기간: 330564초(3일, 19시간, 49분 24초)
• CH4 소비량 : 6.13t
• 해리당 CH 4 소비량: 8.77kg/nmi
• CO 2 배출량: 15.1t
• 해리당 CO 2 배출량: 21.6kg/nmi
• 전체 시스템 효율( CH 4 HHV 기준 CH 4 탱크부터 프로펠러까지 ): 42%

 선박 모델은 외부 개질기의 평균 온도, 압력, 열 균형 및 질량 유량을 예측할 수 있습니다. SOFC에서 생산해야 하는 수소의 양에 따라 여행 중에 동적으로 진화합니다.

 흡열 화학 반응에는 최대 540kW의 열이 필요합니다. 반응기 내부의 혼합가스 온도는 700°C~920°C로 유지되어 화학반응이 원활하게 이루어집니다.

 시뮬레이션을 통해 가스실 출구의 가스 혼합물 구성도 예측할 수 있습니다. 따라서 다음을 확인할 수 있습니다.

• 우리는 여행 내내 과잉 물을 원자로에 전달합니다. 증기 농도는 25%에 가깝게 유지됩니다.
• 메탄의 가장 중요한 부분은 수소를 생산하는 데 소비됩니다. CH4 농도는 1%에서 3% 사이로 유지됩니다.
• 가스 혼합물은 주로 수소로 구성되며 일반적으로 53%에서 56% 사이의 구성을 갖습니다.
• CO 및 CO ₂ 는 14% 이상에 도달할 수 있는 CO 농도와의 반응 부산물입니다.

시뮬레이션 결과: 외부 개질기 시뮬레이션

고체산화물 연료전지(SOFC)

 셀 전압은 일반적으로 0.7V에 가깝게 유지됩니다. 이는 H 2 및 CO 와의 반응의 Nernst 전위 와 활성화 및 저항 손실로 인한 전압 강하로부터 예측됩니다. 작동하는 Nernst 전위는 SOFC의 높은 온도에 영향을 받기 때문에 표준 조건의 Nernst 전위에 비해 상당히 낮습니다. 활성화 손실과 관련하여 O2와 관련된 손실이 가장 두드러집니다.

 스택에 의해 전달되는 전력은 거의 1.2MW에 달할 수 있습니다. 손실로 인해 발생하는 열의 크기는 동일합니다. 이러한 맥락에서 SOFC 열역학적 효율은 50%를 약간 넘는 수준으로 유지됩니다.

 연료전지 온도는 950°C 가까이 유지됩니다.

 연료 전지 반응과 내부 개질 과정으로 인해 가스 혼합물에 여전히 약간의 과잉 수소(약 7%)가 포함되어 있을 때 양극 출구에서 메탄의 함량은 0%에 가깝습니다. CO 함량은 2%에 가깝습니다. 이를 줄이기 위해서는 추가 반응기가 필요할 수 있습니다. CO 2 농도 는 16%에 가깝고 수증기 농도는 75%에 가깝습니다.

 음극 측에서는 공기도 과잉으로 공급됩니다. 출구의 산소 농도는 8%에 가깝습니다.

시뮬레이션 결과: SOFC 스택

열 교환 및 열 관리

 우리의 시스템 모델은 연료 전지 시스템의 열 흐름 속도, 열 교환 및 열 과도 현상을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 SOFC와 개질기를 올바른 온도 범위에서 유지하여 효율적으로 작동하는 데 실제로 중요합니다. 에너지 손실은 잠재적으로 복구되어 전체 시스템 효율성을 향상시킬 수도 있습니다.

 다음 그림에서 볼 수 있듯이, 연료 전지로 가는 공기 흐름(초기에는 주변 온도)과 연료 전지에서 나가는 공기 흐름(스택에 가까운 온도) 사이의 열 교환기는 SOFC에 따뜻한 가스를 공급하는 데 도움이 됩니다( 900°C 이상의 온도에서). 또한 바이패스 밸브가 작동하여 SOFC 온도를 제어하고 950°C 이하 또는 가까운 온도로 유지하는 것을 확인할 수 있습니다.

 공기의 경우, 증기와 메탄의 혼합물은 개질기에 공급되기 전에 예열되어 연료 전지 양극에서 나오는 가스 흐름에서 일부 열을 추출합니다. 이러한 방식으로 가스 혼합물은 900°C에 가까운 온도에서 반응기에 도달할 수 있습니다.

시뮬레이션 결과: 열 관리

 Simcenter Amesim Sketch Animation을 사용하면 시스템의 여러 부분에서 온도 변화를 빠르게 시각화할 수 있어 매우 흥미롭습니다.

시뮬레이션 시각화: 시스템의 다양한 부분의 온도

물 소비 및 생산

 개질기에 공급되는 물의 양과 SOFC에서 나오는 가스 혼합물의 물 함량은 시뮬레이션 중에 평가됩니다. 다음 그림과 같이 개질기로 공급되는 물의 양은 항상 SOFC 배출구에서 회수할 수 있는 증기의 양보다 적습니다. 이는 시스템에 외부 물 공급이 필요하지 않음을 의미합니다. 예를 들어 응축 후 SOFC에서 물을 회수하고 이 물을 사용하여 개질기에 공급하는 것이 가능합니다. 일부 잉여 물은 예를 들어 선박 화장실용 식수 생성과 같은 다른 용도로 사용될 수도 있습니다.

시뮬레이션 결과: 물 생산 및 소비 평가

결론

 Simcenter Amesim 덕분에 우리는 CH 4 개질기 와 결합된 고체산화물 연료전지로 구동되는 화물선을 모델링할 수 있었습니다 . 이러한 모델을 통해 우리는 다양한 하위 시스템의 동작뿐만 아니라 서로 상호 작용하는 방식도 포착할 수 있었습니다. 이를 통해 개념, 하위 시스템 크기, 부품 열 관리를 검증하고 해당 파워트레인 솔루션의 성능, 연료 소비 및 CO 2 배출을 예측할 수 있습니다.

 시뮬레이션은 매우 빠르게 수행될 수 있으므로 모델을 사용하여 다른 설계 변형은 물론 해상 항로나 항해 조건에 ​​관한 다양한 시나리오를 평가할 수 있습니다.

 다음 단계에서 Simcenter Amesim은 시뮬레이션 정확도 수준을 향상시키기 위해 모델에 더 많은 물리학을 추가할 수 있을 뿐만 아니라 플랜트의 SOFC 균형, 열 관리(펌프 포함)와 같은 선박 하위 시스템을 보다 세부적으로 설계할 수도 있습니다. , 기하학 기반 열 교환기…)

 SOFC 양극에서 나오는 과잉 수소를 연소하는 데 사용되는 버너와 같은 추가 구성 요소도 통합할 수 있습니다. 이 연소로 인해 생성될 수 있는 열은 시스템의 효율성을 더욱 향상시키기 위해 가치를 평가할 수 있습니다.

 밸브, 펌프, 압축기와 같은 구성 요소에 대한 제어와 관련하여 Simcenter Amesim을 사용하면 보다 자세한 전략을 평가할 수 있습니다. 프로젝트 사전 시운전 중에 물리적 시스템 모델과 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러) 간의 결합을 사용할 수도 있습니다.