I. 제목
폐기물의 지능형 에너지 이용기술 개발
II. 연구개발의 목적 및 중요성
본 연구에서는 폐기물로부터 전력과 합성천연가스(메탄)을 동시에 생산할 수 있는 지능형 녹색에너지 생산기술을 개발하고자 한다. 개발하고자 하는 시스템은 향후 「스마트그리드」에 편입되어 궁극적으로 「지능형 복합에너지 그리드」를 구성하는 세부기술이 될 수 있는 폐기물의 지능형 간접가스화/연료전지 발전/직접 메탄화 시스템이다. 「스마트그리드」는 지능형 전력 공급망으로 현재 전력만을 대상으로 하나 「지능형 복합에너지 그리드」는 전력뿐 아니라 수소, 메탄 등 청정연료의 지능형 공급망도 포함하는 포괄적 성격의 공급망을 의미한다. 「지능형 복합에너지 그리드」에서 폐기물의 지능형 간접가스화/연료전지 발전/직접 메탄화 시스템의 운전방식은 그리드 내에서의 전력수요에 비례하여 「간접가스화/연료전지 발전 경로」에 의한 전력생산과 「간접가스화/메탄생산 경로」에 의한 메탄생산 비율을 조절하는 것으로, 간접가스화/ 연료전지 발전에 의한 전력생산으로 그리드 내의 전력 수요를 공급하고, 간접 가스화/직접 메탄화에 의한 메탄생산으로 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스를 직접 메탄화 하여 합성천연가스(SNG: synthetic natural gas)를 생산하고 그리드 내의 수요처에 공급하므로 지능형 복합에너지 그리드 발전의 기초를 제공할 것이다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구기획은 폐기물로부터 전력과 합성 천연가스를 동시에 생산할 수 있는 폐기물의 지능형 에너지화 기술을 대상으로 하고 있다. 지능형 에너지화 기술은 「지능형 복합에너지 그리드」에 포함되어 그리드 내부에서의 전력 및 천연가스의 수요에 따라 전력과 천연가스 생산량을 자율적으로 조절할 수 있는 기술이며, 본 연구를 통하여 개발되는 폐기물의 지능형 에너지화 시스템을 구성하는 핵심 요소기술은 ① 폐기물 간접가스화, ② 합성가스 직접메탄화, ③ 합성가스 연료전지 발전, ④ 중고온 스팀 전기분해 등의 기술이다.
IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
이중유동층 가스화기의 요소기술 개발을 위하여 1차년도에 제작한 유동층 반응기의 문제점을 해결하고 이를 이용한 유동층 반응 실험을 수행하였다. Pilot 반응기의 기초 설계를 통해 1톤/일 규모의 바이오매스를 처리하기 위해서는 0.6m의 지름을 가지는 유동층 반응기를 제작해야 하며 반응기의 높이는 5m 이하로 설계하는 것이 적당함을 발견하였다. 이중유동층 가스화 시스템 개발을 위하여 1차년도에 제작된 원료 5kg/hr 처리규모 이중유동층 가스화 시스템을 설치 및 보완하고 운전인자의 영향을 조사하기 위한 실험을 수행하였다. 실험결과 Settling Chamber에서의 온도가 760℃에서 860℃로 증가함에 따라 생성된 합성가스 중의 H₂ 농도는 23.1%에서 34.2%로 증가하였고 CO 농도는 29.4%에서 27.8%로 약간 감소하였다. CO₂ 농도는 21.8~23.8% 사이에서 큰 변화가 없었다. CH₄는 온도가 증가함에 따라 12.4%에서 8.3%로 감소하였다. 전반적으로 온도가 증가함에 따라 H₂의 생성은 크게 증가하였고 CH₄의 생성은 크게 감소하였으며 CO와 CO₂는 상대적으로 큰 변화가 없었다. 수증기/원료 비가 0.22에서 0.3으로 증가함에 따라 H₂ 농도는 25.2%에서 28.3%로 증가하였고, CO 농도는 27.5%애서 25.4%로 감소하였으며, CO₂ 농도는 거의 일정하였고 CH₄ 농도는 12.6%에서 10.4%로 감소하였다. 온도가 760℃에서 860℃로 증가할 때 냉가스 효율은 43.1%에서 65.9%로 증가하였다. 860℃에서의 냉가스 효율 65.9%는 설계시 가정한 값 850℃에서의 75% 보다 크게 작으며 설계시 가정된 합성가스 조성보다 실험시 측정된 CO와 CH₄ 농도가 크게 낮은 것이 주된 이유로 보인다.
SOFC 발전기술 개발과 관련하여 100W급 5 cells 내부 Manifold형 Stack이 제작 및 평가/분석되었다. 100W급 5장 단위전지(100x100mm)를 적층한 내부 Manifold형 분리판 및 열교환기, End Plate를 설계하여 Stack을 제작하여 평가하여 원하는 전력을 달성하는 것을 확인하였으며 또한 온도를 하강하고 분해하여 분석을 실시함. Non-glass seal을 통한 유지 보수가 용이한 Stack 설계 기술 개발하여 Compact하고 시스템과 연계가 용이한 단순한 구조의 Stack 설계 기술을 고도화 시켰다. 30장 2단 Stack 1kW 급으로 설계하여 각각 500Watt의 출력을 예상하여 설계하였으며, 유량 분배를 위해 각 분리판의 구조를 10 Cell당 하나의 Module로 구성하여 Module 사이에 열교환기(분배기)를 넣어 균일한 유량분배와 예열이 되도록 설계하였다. 기존 핵심 구성품의 Compact 및 통합화를 위해 통합형 개질기/기동연소기 설계 및 제작을 완료하였다. Simulator 실험 및 시스템 해석을 바탕으로 개선된 1kW real BOP SOFC 시스템 설계/제작 완료. Stack 보호 및 시스템 유지보수 용이성을 향상시키기 위해 Stack과 핵심 BOP가 분리되는 Compact한 시스템으로 제작하였다.
중온 수증기 전기분해에 필요한 소재, 공정 및 핵심기술을 개발하고자 하였다. 활성이 높은 중온용 스택 소재로 지르코니아계 전해질을 기반으로 한 all-Ceramic 스택구조를 선정하여 중온형 전기분해 기술을 개발하고자 하였다. 이를 중온수전해용 고성능 단위셀 및 스택의 성능 향상 방안에 대하여 연구하였다. 이를 위하여 단위셀 제작공정 최적화, 단위셀 밀봉 신뢰성 향상, 내부식성 집전체 등에 대하여 연구하였다. 또한 스택 개발 연구에서 스택 적층구조 및 하우징에 대하여 연구를 진행하였다. 수증기 전기분해용 스택 성능 평가 연구에서는 단위셀 특성 평가 및 스택의 수소 발생 평가에 대항 연구를 진행하였다. 3셀 스택을 이용하여 최대 시간당 4.2 리터의 수소 발생효율을 나타내었다. (@700℃) 수증기 전기분해를 통해 수소를 제조하는 기술에 대한 기초 연구를 실시하였다.