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SUMMARY
Contents
목차
제1장 서론 17
제1절 기술의 개요 17
제2절 기술개발의 필요성 및 타당성 20
1. 기술적 측면 20
2. 경제·산업적 측면 21
제3절 기술 실용화/사업화 계획 23
제2장 연구 개발 목표 및 추진 내용 25
제1절 최종 목표 25
제2절 핵심 기술 목표 25
제3절 연구개발 추진 전략 및 체계 26
1. 연구개발팀 편성도 26
2. 연구개발팀 역할 및 협력 방안 27
제4절 당해 연도 연구 목표 및 내용 28
1. 연구 목표 및 내용 28
2. 핵심기술 확보방안 및 주체 29
제3장 핵심 기술별 연구 결과 30
제1절 CO₂ 메탄화 촉매 개발 및 성능 평가 30
1. CO₂ 메탄화 촉매 개발 30
2. CO₂ 메탄화 촉매 특성 평가 41
3. CO₂ 메탄화 반응 시스템 개발 49
4. 온도 제어 및 메탄 순도 측정 결과 56
제2절 반응기 내 열전달 계수 측정 시스템 구축 및 측정 58
1. 열전달 계수 측정 장치 58
2. 열전달 계수 측정 운전 조건 및 입자 특성 62
3. 열전달 계수 결과 및 고찰 64
제3절 그린메탄 합성 반응기를 위한 CFD 모델 개발 68
1. 고정층 및 유동층 반응기 모델 수립 68
2. 각 반응기 별 성능 비교 71
3. 1N㎥/h급 CH₄ 유동층 반응기 내 CFD 모델 개발 73
4. 1N㎥/h급 CH₄ 유동층 반응기 내 CFD 모델 결과 74
제4절 수전해-메탄화 통합 시스템의 동특성 시물레이션 79
1. 수전해-메탄화 통합 시스템의 시뮬레이션 79
2. 전력 가스화 공정의 안전성 모델링 고도화 81
3. 기상에 따른 신재생에너지 생산량 84
4. 전력 가스화 공정의 안전성 모델링 결과 85
5. 사례 연구(Case Study) 87
제4장 결론 90
참고문헌 92
〈표 1-1〉 본 기술 분야의 국내·외 시장 규모 및 점유율 전망 22
〈표 3-1〉 CO₂ 메탄화 촉매의 ICP 분석 결과 44
〈표 3-2〉 CO₂ 메탄화 촉매 표면적과 Pore volume 분석 결과 46
〈표 3-3〉 CO₂ 메탄화 반응 실험 조건 50
〈표 3-4〉 열전달 계수 측정 입자 정보 62
〈표 3-5〉 열전달 계수 측정 운전 조건 64
〈표 3-6〉 GMC-Y3입자의 반응기 하부의 총괄열전달 계수 67
〈표 3-7〉 세가지 타입의 반응기 상세 인자 69
〈표 3-8〉 CO₂ 메탄화 반응 속도식 및 속도 상수값 69
〈표 3-9〉 세가지 타입의 반응기 성능 비교 72
〈표 3-10〉 3차원 유동층 기체-고체 Eulerian CFD 모델 73
〈표 3-11〉 세가지 타입의 반응기에서 온도, 가스 조성, CO₂ 전환율 비교 78
〈표 3-12〉 제주도의 신재생에너지 보급현황(제주특별자치도 정보공개 게시판) 81
[그림 1-1] 전 세계(좌) 및 유럽(우)에서 진행된 power to gas 의 pilot 과 demo project 수 17
[그림 1-2] 에너지 저장 방법에 따른 저장가능 용량 및 방출가능 기간 비교 18
[그림 1-3] 신재생에너지 이용 그린메탄 생산을 위한 핵심융합기술 개발 개념도 19
[그림 1-4] Haldor Topse 社의 TREMP 공정(고정층, 좌) 및 유동층 공정을 적용한 CO₂ 메탄화... 20
[그림 1-5] 프로젝트 마일스톤(실제로는 1단계 2차년도까지 진행 후 종료) 24
[그림 3-1] 유동층용 그린메탄 합성용 촉매의 제조 시 고려사항 및 연구과정 31
[그림 3-2] 유동층 촉매 개발 시 고려 사항 33
[그림 3-3] 공침법에 의한 촉매(GMC-Y1)의 대량제조 과정 및 실제 진행 사진 35
[그림 3-4] 물리 혼합법에 의한 촉매의 제조 과정 36
[그림 3-5] 촉매의 대량제조를 위한 분무건조 성형 및 입자형상 37
[그림 3-6] 물리 혼합법으로 제조된 분무건조법에 의한 대량제조 촉매의 소성온도에 따른... 38
[그림 3-7] K₂CO₃를 무기성 결합제로 적용한 촉매의 소성온도에 따른 분무건조... 39
[그림 3-8] K₂CO₃를 무기결합제로 적용된 촉매의 소성온도에 따른 XRD 패턴 40
[그림 3-9] K₂CO₃를 무기결합제로 적용된 촉매의 반응 후 이미지 40
[그림 3-10] CO₂ 메탄화 촉매 현미경 사진 41
[그림 3-11] CO₂ 메탄화 반응을 위한 촉매성능 평가장치 개요도(상-고정층, 하-유동층) 42
[그림 3-12] CO₂ 메탄화 촉매 45
[그림 3-13] CO₂ 메탄화 촉매의 고정층 반응기에서 촉매활성 비교 실험 결과 47
[그림 3-14] CO₂ 메탄화 촉매의 유동층 반응기에서 촉매활성 비교 실험 결과 48
[그림 3-15] CO₂ 메탄화 실험 장치 모식도와 제어화면 50
[그림 3-16] 온도에 따른 GMC-Y3촉매의 CO₂ 전환율 결과 51
[그림 3-17] 압력에 따른 GMC-Y3 촉매의 CO₂ 전환율 결과 52
[그림 3-18] H₂/CO₂ 비에 따른 GMC-Y3 촉매의 CO₂ 전환율 결과 53
[그림 3-19] 유속에 따른 GMC-Y3 촉매의 CO₂ 전환율 결과 54
[그림 3-20] 반응기내 촉매층별 온도, 가스농도, 전환율 profile 55
[그림 3-21] 가압(7bar), 100% 공급가스 조건에서의 CO₂ 전환율, CH₄ 순도, CH₄ 생산량 57
[그림 3-22] 열전달 계수 측정 장치 및 장치전경 59
[그림 3-23] 평균열전달 계수 측정 프로브 60
[그림 3-24] 로컬열전달 계수 측정 프로브 60
[그림 3-25] bed-to-wall 열전달 계수 측정 프로브 61
[그림 3-26] 글래스비드(좌), GMC-Y2(중), GMC-Y3(우)의 현미경 사진 62
[그림 3-27] 글래스비드와 GMC-Y2, GMC-Y3의 온도에 따른 최소유동화 속도 63
[그림 3-28] (a) 유속조건 및 (b) 온도조건에 따른... 65
[그림 3-29] GMC-Y2 촉매의 반응 유속에 따른 반응기 하부(왼쪽)와... 66
[그림 3-30] 유속에 따른 열교환기 면적 설계 결과 67
[그림 3-31] CO₂ 메탄화를 위한 세가지 타입의 반응기 개념도 68
[그림 3-32] 세가지 타입의 반응기(1FB, 2FB, BFB)에서 축방향 몰분율(yi), 온도(T),... 71
[그림 3-33] 불균일 반응 동역학과 열전달 모델이 결합된 Eulerian-Eulerian 2상 CFD 모델 74
[그림 3-34] 내부 열교환기가 삽입된 기포유동층 반응기의 형상 74
[그림 3-35] 내부열교환기가 삽입된 3차원 기포유동층 반응기의 메시 구조 75
[그림 3-36] t=8s에서 유동층 반응기 내 고체 체류량 분포 75
[그림 3-37] t=8s에서 유동층 반응기 내 압력과 고체 속도 분포 76
[그림 3-38] t=8s에서 유동층 반응기 내 가스 온도 분포 76
[그림 3-39] t=8s에서 유동층 반응기 내 CO₂, H₂, CH₄의 농도 분포 77
[그림 3-40] 반응기의 길이에 따른 합성가스의 몰 분율 및 문헌과의 결과 비교 77
[그림 3-41] 수전해-메탄화 통합 시스템 공정 시뮬레이션 플로우시트(Flowsheet) 80
[그림 3-42] 배터리 on/off 작동 알고리즘 순서도 83
[그림 3-43] 1년 동안의 제주도 풍속 및 일사량 Input 데이터 84
[그림 3-44] 1년 동안의 제주도 신재생에너지 생산량 Output 데이터 84
[그림 3-45] 배터리 상태(SOC) 및 수소 저장 탱크 압력 변화 그래프 85
[그림 3-46] 주 생산물인 메탄과 부 생산물인 산소의 생산 유량 86
[그림 3-47] Scenario 1에서 수소 저장 탱크 압력 변화 그래프 87
[그림 3-48] Scenario 2에서 수소 저장 탱크 압력 변화 그래프 88
[그림 3-49] Scenario 3에서 저감 전력량과 탱크 용량 비교 그래프 89
[그림 3-50] Scenario 3에서 배터리 용량이 50%일 때 배터리 상태(SOC) 및 수소 저장 탱크... 89