[표지]
목차
태양열에너지를 이용한 바이오메탄 분해기술 개발 최종보고서 1
제출문 2
요환경기술개발사업 최종보고서 요약서 3
요약문 4
목차 6
1. 연구개발과제의 개요 7
1-1. 연구개발 목적 7
가. 연구개발 개요 7
나. 연구개발의 목표 8
1-2. 연구개발의 필요성 9
가. 연구개발 대상의 국내외 현황 9
나. 연구개발 기술의 차별성 15
1-3. 연구개발 범위 18
2. 연구수행내용 및 성과 26
2-1. 연구 내용 26
가. 촉매개발 26
나. 반응기개발 67
다. 반응기 열유동 및 화학반응 해석 93
라. 메탄 분해 수소 실험 101
마. 실증현장 구축 120
2-2. 연구 개발 성과 141
가. 논문 141
나. 특허 142
다. 저작권 143
라. 성적서 144
2-3. 연구 결과 150
가. 기술적 성과(해외기술비교) 150
나. 경제적 성과(경제성분석) 151
3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 169
3-1. 목표 169
3-2. 목표 달성여부 172
3-3. 차후대책(후속연구의 필요성 등) 175
4. 연구개발성과의 활용 계획 등 182
가. 연구개발성과의 활용방안 182
나. 사업화계획 및 효과 184
다. 기대효과 189
〈별첨〉 주관연구기관의 자체평가 의견서[내용없음] 6
태양열활용 바이오메탄 개질 플랜트의 시스템 상세설계 및 검증 192
요환경기술개발사업 최종보고서 요약서 192
요약문 193
목차 194
1. 연구개발과제의 개요 202
1-1. 연구개발 목적 202
가. 연구개발의 개요 202
나. 연구개발 대상의 국내·외 현황 202
1-2. 연구개발의 필요성 203
가. 연구개발의 중요성(필요성) 203
나. 기술개발의 차별성 205
1-3. 연구개발 범위 207
가. 연구개발의 목표 및 내용 207
나. 평가의 착안점 및 기준 209
다. 연구개발의 추진전략·방법 및 추진체계 210
2. 연구수행내용 및 성과 218
2-1. 연구 내용 218
가. 태양열활용 바이오 메탄 개질 플랜트 시스템 상세설계 및 검증 218
나. 태양열 통합 공정 시스템 경제성 분석 267
다. 태양열 시스템 온실가스감축효과 분석 308
라. 태양열 시스템 바이오 매탄 분해 기술 사업화 330
2-2. 연구 개발 성과 336
가. 기술적 성과, 저작권 336
나. 환경적 성과, 온실가스 감축량 성명서 발급 337
다. 경제적 성과, 국내외 매출실적 달성 337
2-3. 연구 결과 337
가. 태양열 통합 공정 시스템 최적화 설계 및 검증 337
나. 태양열 시스템 가격 경쟁력 확보 338
다. 온실가스 감축효과 분석 339
3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 340
3-1. 최종 목표 340
3-2. 목표 달성여부 340
3-3. 후속연구의 필요성 343
4. 연구개발성과의 활용 계획 등 343
가. 연구 개발 성과의 활용방안 343
나. 사업화계획 344
다. 기대효과 347
붙임. 참고 문헌 348
부록 349
부록 1. 시스템 공정설계 자료 350
부록 1-1. 실증사이트 시스템 공정설계 자료(PBD : Process Block Diagram) 351
부록 1-2. 실증사이트 시스템 공정설계 자료(PFD : Process Flow Diagram) 351
부록 1-3. 실증사이트 시스템 공정설계 자료(P&ID : Piping and Instrumentation Diagram) 358
부록 1-4. Scale-Up 시스템 공정설계 자료(PBD : Process Block Diagram) 366
부록 1-5. Scale-Up 시스템 공정설계 자료(P&ID : Piping and Instrumentation Diagram) 367
부록 2. 최적화 시스템 설계 객관적 검증보고서 387
부록 2-1. 최적화 시스템 객관적 설계 검토 및 검증 보고서, 실증사이트 시스템 387
부록 2-2. Scale-Up 시스템 최적화 시스템 설계 객관적 검증보고서 407
부록 3. Aspen Capital Cost Estimator 결과 보고서 409
부록 4. 한국표준협회 제출용 외부사업 사업계획서 418
부록 5. 예상 온실가스감축량 성명서 441
부록 6. 태양열 시스템 공동 기술연구 제안서 442
부록 7. 국외(미국) 기술사업화 추진율 Bradley County Landfill 방문 회의록 443
부록 8. "바이오메탄 분해 수소생산 기술" 온라인 기술설명회 발표 동영상 444
매립지 가스의 전처리 기술 개발 및 실증 450
요환경기술개발사업 최종보고서 요약서 450
요약문 452
목차 454
1. 연구개발과제의 개요 456
1-1. 연구개발의 목적 456
1-2. 연구개발의 필요성 459
가. 연구개발의 개요 459
나. 연구개발 대상의 국내·외 현황 461
다. 연구개발의 중요성(필요성) 485
라. 선행연구 내용 및 결과 487
마. 연구개발대상 기술의 차별성 490
바. 연구개발의 창의성·혁신성 등 493
1-3. 연구개발 범위 496
가. 1차년도 496
나. 2차년도 496
다. 3차년도 497
라. 4차년도 498
2. 연구수행내용 및 성과 500
2-1. 연구 내용 500
가. 1차년도 연구 내용 500
나. 2차년도 연구 내용 512
다. 3차년도 연구 내용 540
라. 4차년도 연구 내용 562
2-2. 연구 개발 성과 598
가. 논문 성과 598
나. 특허 성과 600
다. 사업화 매출 601
2-3. 연구 결과 603
가. 1차년도 연구 성과 603
나. 2차년도 연구 성과 603
다. 3차년도 연구 성과 603
라. 4차년도 연구 성과 604
3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 605
3-1. 목표 605
가. 1차년도 목표 및 연구 내용 605
나. 2차년도 목표 및 연구 내용 605
다. 3차년도 목표 및 연구 내용 606
라. 4차년도 목표 및 연구 내용 606
3-2. 목표 달성 여부 607
3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책 608
4. 연구개발성과의 활용 계획 등 609
4-1. 활용 계획 609
가. 바이오메탄 전처리 원천기술 확보 및 활용 609
나. 산소 제거 장치의 사업화 창출 방안 609
다. 친환경적 대체 에너지원으로 활용 609
4-2. 기대 효과 610
가. 기술적 측면 610
나. 경제, 사회적 측면 610
다. 환경적 측면 611
붙임. 참고 문헌 611
[표 01] 바이오 메탄 유형별 가스 조성비 226
[표 02] 경제성 분석 기준 267
[표 03] 실증설비 공정설계 기준 268
[표 04] 2차년도 장비 예상 가격 269
[표 05] 현장설치 기준 장비 가격 271
[표 06] 현장설치 기준 Direct Cost 항목 별 반영금액 272
[표 07] 실증설비 현장 설치 완료된 공정 기준 273
[표 08] 경제성 분석 기준 273
[표 09] 실증설비 현장 설치 완료 기준 Total Direct Field Costs 274
[표 10] 사업규모별 수익성 분석 기준 277
[표 11] Scale-up CDM 사업추진 총 추진비용 분석 278
[표 12] Scale-up 외부 사업추진 비용 분석 278
[표 13] 실증 사업 Utility 비용 분석 279
[표 14] 실증 사업 Raw Material 비용 분석 279
[표 15] 실증 사업 유지보수 비용 분석 280
[표 16] 실증사업 및 Scale-up Product 수익 분석 280
[표 17] 실증사업 및 Scale-up 감축량 인증실적 281
[표 18] 가스발전기 개요 283
[표 19] 바이오가스 정제 방식 284
[표 20] 수소제조 원료원 비율 284
[표 21] 개질 기술별 이산화탄소 발생비율 285
[표 22] 천연가스를 원료원으로 하는 수소제조기술 285
[표 23] 수소 제조방법 비교 286
[표 24] 수소제조 기술 트리 286
[표 25] 검색 DB 및 검색 범위 286
[표 26] 유효특허 선별 결과 287
[표 27] 바이오 가스 발전 수익·비용 분석 297
[표 28] 바이오가스 발전 CAPEX, OPEX 분석 298
[표 29] 바이오 메탄 도시가스 공급 사업 수익·비용 분석 298
[표 30] 바이오 메탄 도시가스 공급 사업 CAPEX & OPEX 분석 299
[표 31] 바이오가스 기술별 경제성 평가 299
[표 32] 지역별 수소생태계 비전 303
[표 33] 지역별 수소생태계 비전 내용 303
[표 34] 국내 탄소산업 분야 기업별 주요제품 현황 305
[표 35] 승인대상 외부사업 분류 310
[표 36] 사업규모별 시간당 사업 환경 315
[표 37] 사업규모별 연간 환산 사업 환경 315
[표 38] 주요 수소 생산 기술 현황 316
[표 39] 온실가스 감축량 산정결과 320
[표 40] 1차 사업타당성 주요 검토 의견 및 수정 보완 321
[표 41] 전력생산 원단위 산정 결과 322
[표 42] 전력사용 원단위 산정 결과 323
[표 43] 바이오가스를 활용하여 전기를 생산하는 기술 감축량 산정 결과 325
[표 44] 바이오가스를 활용하여 도시가스를 공급하는 기술 감축량 산정 결과 327
[표 45] 바이오가스 활용 기술별 온실가스 감축효과 산정 결과 327
[표 46] 수증기 개질 온실가스 배출량 산정 결과 329
[표 47] 수전해 기술 온실가스 배출량 산정 결과 330
[표 48] 수소 생산 기술별 온실가스 배출량 산정 결과 330
[표 49] 기술 사업화 SMCU(Solar Bio Methane Conversion Unit) 시스템 규모 335
[표 50] 기술 사업화 SMCU(Solar Bio Methane Conversion Unit) 온실가스 감축효과 336
[그림 01] 1kW급의 Capital cost 시스템 비용 206
[그림 02] 바이오 Site 바이오메탄 가스 활용 시스템 구성도 207
[그림 03] 정읍 실증 Site Plot Plan 210
[그림 04] 정읍 실증 Site SKID별 PFD 211
[그림 05] 정읍 실증 Site SKID별 P&ID 211
[그림 06] 정읍 실증 Site ISO DWG 212
[그림 07] 정읍 실증 Site BOM Sheet 212
[그림 08] 정읍 실증 Site M&S 212
[그림 09] 정읍 Site M&H Balance sheet 213
[그림 10] 시스템 효율계산에 관한 개념 214
[그림 11] 태양열 이용 바이오메탄 분해 처리 시스템 219
[그림 12] Off-site 실증사이트 현장사진 220
[그림 13] On-site 실증사이트 현장사진 220
[그림 14] Feed Gas Pre-Heating 222
[그림 15] Steam Generator 223
[그림 16] Raw Feed Gas Pre-Heating 223
[그림 17] 1단계 연구과제 공정 시스템 개념설계 224
[그림 18] 2단계 연구과제 공정 시스템 개념설계 225
[그림 19] 000 Unit(Off-site) 물질수지 226
[그림 20] 000&100 Unit 공정 시스템 기본설계 227
[그림 21] 100 Unit 물질수지 228
[그림 22] 200 Unit O₂ 제거 공정 시스템 기본설계 228
[그림 23] 200 Unit CO₂ 제거 공정 시스템 기본설계(Membrane Skid) 229
[그림 24] 200 Unit CO₂ 제거 공정 시스템 기본설계(MEA-Solvent) 229
[그림 25] 200 Unit 물질수지(Membrane Skid 적용) 230
[그림 26] 200 Unit 물질수지(MEA-Solvent 적용) 230
[그림 27] 300 Unit 공정 시스템 기본설계 Case-Study 231
[그림 28] 300 Unit 물질수지 232
[그림 29] 000 Unit(Off-Site) 공정 시스템 최종 기본설계 233
[그림 30] 000 Unit 가스 포집 분석 및 최종 물질수지 233
[그림 31] 100 Unit 공정 시스템 최종 기본설계 234
[그림 32] 100 Unit 가스포집 분석 및 최종 물질수지 235
[그림 33] 200 Unit 공정 시스템 최종 기본설계 235
[그림 34] 200 Unit 산소제거 공정 가스 포집 분석 및 최종 물질수지 236
[그림 35] 300 Unit 공정 시스템 최종 기본설계(Feed gas 가압시스템) 237
[그림 36] 300&400 Unit 공정 시스템 최종 기본설계 237
[그림 37] 300 Unit 가스포집 분석 및 최종 물질수지 238
[그림 38] 바이오 메탄 공급조건 시뮬레이션 데이터 239
[그림 39] 산소 제거공정 제외 공정 시뮬레이션 검증 239
[그림 40] 100 Unit 공정 시뮬레이션 데이터 239
[그림 41] 200 Unit 공정 시뮬레이션 데이터(O₂ 제거공정) 240
[그림 42] 200 Unit 공정 시뮬레이션 데이터(CO₂ 제거공정) 240
[그림 43] 300 Unit 공정 시뮬레이션 데이터 #01 240
[그림 44] 300 Unit 공정 시뮬레이션 데이터 #02 241
[그림 45] 300 Unit 메탄 분해율 Calibration Data 241
[그림 46] 메탄 분해 반응 폐열 활용 공정 시뮬레이션 검증 242
[그림 47] M&S Tool 기준 열교환기 기본설계 도면 242
[그림 48] M&S Tool 기준 Exchanger Data Sheet 243
[그림 49] CO₂ Membrane System 공정 Simulation 구성 243
[그림 50] CO₂ MEA-Solvent 공정 Simulation 구성 244
[그림 51] 실증사이트 시스템 최종 M&S Tool 프로그램 검증 245
[그림 52] 공정 시스템 상세설계 도면 범례 #01 246
[그림 53] 공정 시스템 상세설계 도면 범례 #02 246
[그림 54] 000 Unit(Off-site) 상세설계 도면 247
[그림 55] 100 Unit 상세설계 도면 247
[그림 56] 200 Unit O₂ 제거 상세설계 도면 248
[그림 57] 200 Unit CO₂ 분리막 모듈 상세설계 도면 #01 248
[그림 58] 200 Unit CO₂ 분리막 모듈 상세설계 도면 #02 248
[그림 59] 200 Unit MEA 흡수제 공정 상세설계 도면 249
[그림 60] 300 Unit Feed gas 가압 시스템 상세설계 도면 249
[그림 61] 300&400 Unit 바이오 메탄 분해 및 태양열 집열 시스템 상세설계 도면 249
[그림 62] On-Site Plot Plan 평면도 250
[그림 63] On-Site Plot Plan 상세 측면도 251
[그림 64] On-Site Plot Plan 설비기기 및 구조물 리스트 251
[그림 65] 실증사이트 시스템 ISO Metric 252
[그림 66] ISO Metric 기준 실증사이트 Bulk Fitting BOM 252
[그림 67] BOM 기준 경제성 분석(CAPEX 분석 : Aspen Process Economic Analyzer) 253
[그림 68] Stress Analysis Sketch 253
[그림 69] Stress Analysis 3D Modeling 254
[그림 70] 실증사이트 1차 3D Modeling 254
[그림 71] 실증사이트 2차 3D Modeling 255
[그림 72] Scale-up System 최종 개념설계 256
[그림 73] 000 Unit(Off-site) 상세설계 도면 256
[그림 74] 100 Unit 상세설계 도면 257
[그림 75] 200 Unit 상세설계 도면 257
[그림 76] 300 Unit 상세설계 도면 258
[그림 77] 400 Unit 상세설계 도면(Carbon Black 포집 공정) 258
[그림 78] 400 Unit 상세설계 도면(PSA System) 258
[그림 79] Product gas 액화 저장 공정 상세설계 도면 259
[그림 80] Air Utility 상세설계 도면 259
[그림 81] Cooling Tower 상세설계 도면 #01 260
[그림 82] Cooling Tower 상세설계 도면 #02 260
[그림 83] Plant Water 상세설계 도면 261
[그림 84] Knock-Out Drum & Flare Header 상세설계 도면 262
[그림 85] Flare Stack 상세설계 도면 262
[그림 86] 소방용수 공급 시스템 263
[그림 87] Scale-up System Plot Plan 263
[그림 88] Scale-up System On-site 3D Modeling 264
[그림 89] Scale-up 전처리 시스템 3D Modeling 264
[그림 90] Scale-up System CH₄ 분해 반응기 및 집열 시스템 3D Modeling 265
[그림 91] 메탄 분해 반응기 촉매 제공 및 형태 266
[그림 92] APEA Total Cost 구성 268
[그림 93] APEA 반영 각 단위 공정별 장비가격 269
[그림 94] 실증설비 공정설계 기준 Total Project Cost 270
[그림 95] 실증설비 구축현황 271
[그림 96] 실증설비 현장설치 기준 Total Project Cost 272
[그림 97] 실증설비 현장설치 완료기준 Total Project Cost 275
[그림 98] 실증사업 추정 당기순익 및 누적 현금흐름 281
[그림 99] 상용화 사업 추정 당기순익 및 누적 현금흐름 282
[그림 100] 바이오가스 자원화 개요 283
[그림 101] 수증기 개질법 관련 특허 출원 동향 287
[그림 102] 수증기 개질법 관련 주요 출원인 288
[그림 103] 수증기 개질법 관련 한국 주요 출원인 289
[그림 104] 수증기 개질법 관련 미국 주요 출원인 289
[그림 105] 수증기 개질법 관련 일본 주요 출원인 290
[그림 106] 수증기 개질법 관련 유럽 주요 출원인 290
[그림 107] 플라즈마 개질법 관련 특허 출원 동향 291
[그림 108] 플라즈마 개질법 관련 주요 출원인 292
[그림 109] 물 전기분해법 관련 특허 출원 동향 293
[그림 110] 물 전기분해법을 통한 수소 제조 기술 관련 주요 출원인 293
[그림 111] 열화학 사이클에 의한 수소제조 기술 관련 특허 출원 동향 294
[그림 112] 열화학 사이클에 의한 수소제조기술 관련 주요 출원인 295
[그림 113] 생물학적 수소제조 기술 관련 특허 출원 동향 296
[그림 114] 생물학적 수소제조기술 관련 주요 출원인 296
[그림 115] 국내 수소시장 현황 300
[그림 116] 수소 저장 및 운송 301
[그림 117] 수소차량 충전 301
[그림 118] 지역별 수소기업 현황 302
[그림 119] CDM 방법론 구조 311
[그림 120] 베이스라인 시나리오 312
[그림 121] 프로젝트 시나리오 312
[그림 122] 해외 CDM사업 및 국내 외부사업 사례를 벤치마킹 314
[그림 123] LPG조성, SK 가스 317
[그림 124] LPG 개질기_HYSERVE-300P 사양_OSAKA GAS 318
[그림 125] 광주 환경공단 전경 및 시설 332
[그림 126] 정읍 사이트 현장 방문 및 기술소개 332
[그림 127] 1단계 LFG 매립 Site 현장 333
[그림 128] 2단계 매립지 Site 현장 334
[그림 129] LFG(Landfill gas) 포집 및 처리시설 334
[그림 130] LFG(Landfill gas) 포집 시설 및 제어시스템 335