ATR-SOFC 공정은 그린암모니아의 열분해와 선택적 공기 산화가 반응기 내에서 동시에 일어난다. ATR-SOFC의 반응기는 암모니아 산화로 인한 발열반응과 암모니아 분해로 인한 흡열반응이 동시에 일어나기 때문에 외부 열원으로부터 추가적인 열 공급이 요구되지 않는다. 하지만 반응기 내 발열반응과 흡열반응에 의한 열적 불균형으로 심각한 온도 변동을 초래할 수 있다. 이로 인하여 반응기 내 촉매의 과열과 코크스 형성을 유발할 수 있다. 따라서 반응기 내 안정성을 위하여 발열반응과 흡열반응 사이에 적절한 균형을 위한 운전 설정이 무엇보다도 중요하다. 더 나아가 본 연구에서의 ATR-SOFC 공정은 NH₃를 원료로 하고 공기 분리 장치(air separation unit, ASU)부터 O₂를 공급받아 중간 생성물로 NH₃, N₂, O₂ 및 H₂O를 생성한 후 SOFC로 들어가 열과 전기를 생산한다. ATR-SOFC는 외부 개질기에서 암모니아를 개질하여 수소를 생산한 후 SOFC에서 전기를 생산한다. Fig. 1과 Fig. 2는 각각 ATR-SOFC 공정의 블록 다이아그램과 공정흐름도(process flow diagram, PFD)를 보여준다.

Fig. 1. 
ATR-SOFC block diagram

Fig. 2. 
ATR-SOFC process flow diagram

ATR-SOFC 공정에서 반응기는 연료 개질 장치로 사용되었으며 암모니아를 화학적 변환 과정을 통하여 수소가 다량 포함된 가스 형태로 연료전지에 공급하는 역할을 한다. 특히 공정 내로 들어가는 기체연료와 공기는 유량 및 압력 조건을 만족시켜 주기 위하여 blower 또는 압축기를 사용한다. ATR 반응기 내에서 일어나는 화학반응은 식 (1), (2)와 같으며 발열반응과 흡열반응은 열적 평형을 이루고 있다.

ATR-SOFC 공정은 SOFC 운전에 요구되는 열과 연료의 공급이 동시에 가능하며 외부 열원을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 여기에 CO-Ce-Zr 촉매를 적용하고 공기 대 연료비는 0.75를 적용하였다¹¹⁾.

DA-SOFC 공정은 그린암모니아를 직접적으로 SO FC의 주요 원료로 사용하는 공정이다. 본 연구에서는 연료전지 내 촉매로 루테늄(Ru)을 사용하였다. 이는 Ru이 암모니아 분해반응에서 매우 높은 활성을 보이는 금속이고 고온에서도 높은 안정성과 우수한 활성을 보여주어 SOFC의 효율을 높이는 데 기여할 수 있기 때문이다. Fig. 3은 DA-SOFC의 PFD를 보여준다. DA-SOFC의 경우 암모니아가 SOFC 내에서 전기화학적 반응을 통하여 열과 전기를 생산하고 내부 개질 방식이며 별도의 개질기를 구성할 필요가 없고 스택에서 발생하는 열을 이용하기 때문에 시스템 효율과 스택 냉각에 유리한 측면이 있다. DA-SOFC는 암모니아를 연료로 하는 다른 공정들에 비하여 설치 면적이 작고 CO₂를 배출하지 않기 때문에 환경에 미치는 영향이 적다. 또한 SOFC는 내부 전기화학적 반응을 사용하여 암모니아 연료를 직접 전기로 변환할 수 있으므로 터빈이나 기타 발전 장치가 요구되지 않기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있다. DA-SOFC는 천연가스를 연료로 사용하는 연료전지와 유사한 방식으로 수소를 생산하며 이러한 유형의 연료전지는 산화를 위한 양극과 환원을 위한 음극으로 구성되어 있다. 또한 다공성이며 전기전도성이 있는 막으로 양극과 음극을 분리하는 전기 촉매가 있으며 중앙에는 전기적으로 전도되지 않는 이온막이 있다.

Fig. 3. 
DA-SOFC process flow diagram

본 연구에서 제안한 ATR-SOFC 및 DA-SOFC 공정들은 Table 1의 운전 조건을 만족시키면서 발전 출력이 300 kW가 되도록 모델링하고 시뮬레이션을 수행하였다¹². 시스템에 공급되는 암모니아의 저위 발열량을 기준으로 효율을 도출하여 비교하였으며 두 공정에 대한 전체 시스템 전기 효율 수식은 다음과 같다.

식 (3)에서 Power와 m˙LHVinput은 각각 전체 시스템의 순 전력 출력과 시스템에 공급된 에너지를 의미한다.

균등화 발전 비용(levelized cost of energy, LCOE)은 균일하게 등가화한 발전 비용이다. 이는 발전 설비의 전 수명 주기에 걸친 비용을 고려한 것으로 발전 단가의 기초가 되며 발전원의 경제성 분석에 가장 널리 사용되는 지표이다. LCOE을 사용하는 이유는 발전에 투입되는 원재료가 매우 다양하고 시점에 따라 발생하는 비용이 불규칙적이기 때문이다. 일반적으로 LCOE는 경제 수명 기간 동안 연도별로 불규칙하게 발생하는 발전 전략과 건설비, 연료비, 운전유지비 등의 발전 비용 등을 연도별로 균등화하여 산출하거나 발전기의 수명 기간 동안 등가화한 총 발전 비용을 등가화한 총 발전량으로 나누어 계산할 수 있으며 이는 식 (4)와 같다.

I_o, A_t, M_t,el, i, n 및 t는 각각 투자 비용, 연간비용, 생산되는 전기량, 이자율, 경제 수명, 전체 수명을 나타낸다.

ATR-SOFC 및 DA-SOFC 공정에 대한 경제성 평가는 공정 모델링 및 시뮬레이션을 기반으로 자본 지출(capital expenditure, CAPEX) 및 운영 비용(operating expenditure, OPEX)을 포함하여 분석하였다. CAPEX는 직접 비용과 간접 비용으로 구성되며 식 (5)로 나타낼 수 있다.

특히 구매 장비 비용을 추정하기 위하여 6/10 인자 규칙(six-tenth rule)이 사용되었으며 이는 수식 (6)에서 보여준다¹³⁾. 일반적으로 six-tenth rule을 이용한 비용 추정은 운영 기간 동안의 경제성을 보장하는 데 필수적이며 six-tenth rule은 ±20% 내에서 대략적인 비용이 필요할 때 매우 만족스러운 결과를 제공한다.

C₂와 C₁은 각각 주요 장비에 대한 추정 및 기준 비용을 의미하며 S₂와 S₁은 각각 장비의 목표 및 기준 용량을 의미한다. α는 스케일링 팩터로 일반적인 화학 공정 비용 추산 시 0.6으로 설정하며 CEPCI_t와CEPCI_ref는 각각 목표 및 기준 연도의 화학 공학 플랜트 비용 지수(chemical engineering plant cost index, CEPCI)로 시간 변수에 의한 장비 비용 추정에 있어 정확도를 높이는 데 사용된다. OPEX의 경우는 고정 비용과 변동 비용으로 나눌 수 있으며 이는 식 (7)과 같다. 대표적인 고정 비용에는 유지보수, 보험, 감가상각 및 세금 비용이 포함되며 변동 비용에는 원자재, 유틸리티 및 인건비가 포함된다. Table 2는 경제성 분석을 위한 가정이다.

본 연구에서의 환경성 분석은 공정에서 발생하는 CO₂ 등가 배출을 기준으로 하였다. 제안된 공정의 환경 성능은 단위 CO₂ 배출량을 사용하여 산정하였다¹⁰⁾. 본 연구에서는 직접 CO₂는 배출되지 않기 때문에 간접 CO₂ 배출량만 산출하였다. 간접 CO₂ 배출은 소비된 유틸리티(압축기, blower 및 SOFC 운전을 위해 사용된 전기)에 의해 추정하였으며 grid 전기 비용을 고려하였고 heater의 경우 전기를 이용한 가열로 가정하였다. 단위 CO₂ 배출량은 식 (8)에 정의되어 있다.

본 연구는 제안된 DA-SOFC 공정에 대한 모델링 및 시뮬레이션을 기반으로 CAPEX 및 OPEX를 포함한 기술 경제적 타당성 그리고 CO₂ 배출량을 산정하여 환경성 평가를 수행하였다. 본 연구는 300 kW의 순 전력을 얻기 위한 시스템이며 제안된 공정에 대한 파라미터 및 가정은 Table 2와 같다. SOFC에 대한 운전 조건은 한국수력원자력에서 제공한 데이터를 사용하였으며 그 외 데이터들은 선행 연구 데이터를 이용하였다¹²⁾. 또한 SOFC 스택의 작동 온도는 연료의 평형 조성에 일부 영향을 주지만 본 연구에서는 암모니아가 H₂, N₂ 및 H₂O로 완전 분해되며 SOFC 스택은 완전히 단열된다고 가정하였다.

암모나아는 25℃, 100 kPa에서 6.528 kgmol/h의 유량으로 저장탱크로 나와 공정으로 들어간다(Stream 1). 100 kPa의 암모니아 기체를 조금 더 빠르게 이동시키기 위하여 blower를 설치하였으며 blower 후단에서는 135kPa의 압력으로 토출(Stream 2)되고 SOFC 출구로부터 나오는 13.99 kgmol/h의 유량을 가진 Stream 4 (650℃, 135 kPa)과 열교환을 통하여 SOFC의 인입 온도인 600℃ 맞춘 후 SOFC anode로 들어간다(Stream 3). SOFC anode 출구로부터 나오는 Stream 4는 Stream 2과 열교환되고 배출되는 Stream 5는 Stream 10과 합쳐지고 배가스의 형태로 배출된다(Stream 11). 공기는 25℃, 100 kPa에서 31.06 kgmol/h의 유량으로 공정으로 들어간다(Stream 6). 공기도 암모니아와 동일하게 파이프라인 내에서 조금 더 빠르게 이동시키기 위하여 blower를 설치하였으며 blower 후단에서는 135 kPa의 압력으로 토출(Stream 7)되고 SOFC의 운전조건을 만족시켜주기 위하여 SOFC cathode 출구에서 나오는 Stream 9와 열교환되어 650℃까지 온도가 올라간다(Stream 8). SOFC cathode로부터 나온 Stream 9는 Stream 7과 열교환 후 온도는 192℃로 감소한다.

ATR-SOFC 및 DA-SOFC 공정의 시스템 효율은 암모니아가 분해되어 전기에너지를 변환하는 과정에서 발생하는 에너지 손실을 종합적으로 고려하였다. 두 공정의 시스템 효율은 전체 공정에서 암모니아가 분해되어 전기에너지를 변환하는 과정에서 발생하는 에너지 손실을 종합적으로 고려하였으며 SOFC에서 발생하는 폐열을 활용함으로써 전체 공정 효율을 향상시켰다. Fig. 4는 ATR-SOFC와 DA-SOFC의 전체 시스템 효율을 보여준다. 두 공정 시스템 효율을 분석한 결과 DA-SOFC와 ATR-SOFC는 각각 86.6%와 80.3%로 나타났으며 DA-SOFC 공정은 ATR-SOFC 공정보다 약 7.32% 정도 높은 효율을 가졌다. DA-SOFC 공정은 ATR-SOFC 공정 대비 blower, 반응기 및 히터와 같은 추가 장치가 필요하지 않아 추가 장치에서 요구되는 전력 소비를 줄일 수 있다. 더 나아가 DA-SOFC 공정이 더 적은 암모니아로 동일한 발전량을 생산할 수 있다.

Fig. 4. 
Comparison of process efficiency

Fig. 5는 두 공정의 LCOE 비교를 보여준다. LCOE는 공정 전체 생애 동안 발생하는 총 비용을 전체 전기 생산량으로 나눈 값이며 Fig. 5는 DA-SOFC와 ATR-SOFC의 LCOE를 비교한 것이다. DA-SOFC가 ATR-SOFC에 비해 LCOE가 약 19% 줄었는데 이는 DA-SOFC가 ATR-SOFC보다 CAPEX와 OPEX로 소요되는 비용이 적기 때문이다. 게다가 ATR-SOFC와 DA-SOFC 공정들은 모두 발전량은 동일하다. 하지만 DA-SOFC 공정은 ATR-SOFC 공정보다 초기투자 및 OPEX 비용이 낮다. 초기투자 비용 관점에서는 DA-SOFC 공정은 ATR-SOFC 공정과 달리 반응기, blower, 열교환기 및 히터가 없기 때문에 약 26.2%를 절감할 수 있으며 OPEX 비용 관점에서는 원재료인 암모니아와 전기 비용을 각각 27.5%와 96.9% 절감할 수 있다.

Fig. 5. 
Comparison of LCOE

ATR-SOFC 및 DA-SOFC 공정에 대한 장비 비용과 OPEX를 비교하여 경제성을 분석하였다. OPEX는 원재료비, 전기 비용, 유지보수비, 인건비 및 공정간접비로 구성되며 Fig. 6은 DA-SOFC와 ATR- SOFC의 OPEX를 비교한 것을 보여준다. DA-SOFC 공정으로 들어가는 원재료로써 암모니아의 양을 ATR-SOFC보다 약 7.3% 줄일 수 있으며 다른 복합적 요소들을 포함하여 DA-SOFC는 ATR-SOFC에 비하여 약 17.3%의 OPEX를 줄일 수 있다.

Fig. 6. 
Comparison of OPEX for two processes

Fig. 7은 DA-SOFC와 ATR-SOFC의 전체 장치 비용을 비교한 것이다. DA-SOFC는 반응기 및 압축기가 요구되지 않아 ATR-SOFC의 장치 비용보다 약 26.2% 줄일 수 있다. ATR-SOFC 및 DA-SOFC 공정 모두 운전 조건을 만족시켜 주기 위하여 공정 내로 들어가는 암모니아, 산소 및 공기의 압력을 올려주기 위하여 사용하는 blower와 SOFC의 스택 비용이 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 분석되었다.

Fig. 7. 
Comparison of equipment cost for two processes. (a) ATR-SOFC, (b) DA-SOFC

Fig. 8은 제안된 두 공정에 대한 민감도 분석 결과이다. LCOE를 기준으로 분석한 결과 두 공정 모두 원재료 비용에 가장 민감하게 변동하였으며 유지보수 비용에는 상대적으로 둔감하게 변동하였다.

Fig. 8. 
Sensitivity analysis for two processes. (a) ATR-SOFC, (b) DA-SOFC

본 연구에서 제안된 반응기 또는 SOFC 내 암모니아 분해반응은 CO₂를 생성하지 않기 때문에 직접 CO₂는 발생하지 않지만 공정을 운전하기 위하여 에너지를 사용하기 때문에 간접 CO₂가 발생한다. Fig. 9는 DA-SOFC와 ATR-SOFC의 전체 CO₂ 배출량을 비교 분석한 것이다. 분석 결과 DA-SOFC는 ATR-SOFC 대비 약 96.9%의 CO₂ 배출량을 줄일 수 있었다. DA-SO FC 공정은 SOFC에서 발생하는 폐열 활용을 통하여 SOFC 전단에서 요구되는 열의 대부분을 공급하기 때문에 공정에서 사용되는 많은 에너지를 줄여 전체 CO₂ 배출량을 감소시킬 수 있다.

Fig. 9. 
Comparison of CO₂ emissions for two processes