Process Design and Economic Assessment of Biomass-based Hydrogen Production Processes

Abstract

A wide range of research and development on hydrogen energy is in progress as one of key paths for achieving net-zero and carbon-neutral society. Significant attention is currently being paid to the biomass-based hydrogen production process, as the utilization of biomass energy is more sustainable than that of fossil fuels. In this study, the hydrogen production via biomass gasification and reforming is modeled with AspenPlus, with which different grade of biomass feedstock is considered and its techno-economic impact on hydrogen production rate and production cost is evaluated. Process model built in this study is constructed to simulate thermo-physical properties and operating characteristics of syngas production through the gasification of woodchip and tar reforming, and the conversion of syngas to hydrogen, based on steam reforming and water gas shifting reaction. The sensitivity analysis is carried out how the process performance is influenced by the properties of moisture content, ash content and particle size, while the relationship between gasification temperature and characteristics of feedstock is investigated. Economic evaluation is also made with literature data and the economic analyzing tool available in AspenPlus, which provides hydrogen production cost and its production rate subject to the grade of biomass.|탄소 중립 사회의 실현을 위한 핵심 방안 중 하나로 수소에너지에 대한 다양한 연구 개발이 진행되고 있다. 바이오매스 에너지의 활용은 화석연료에 비해 지속가능하기 때문에 현재 바이오매스 기반의 수소 생산 공정이 주목받고 있다. 본 연구에서는 바이오매스의 가스화 및 개질을 통한 수소 생산을 AspenPlus를 사용하여 모델링하고, 다른 등급의 바이오매스 원료를 고려하여 수소 생산량과 생산 비용에 대한 경제성 영향을 평가하였다. 본 연구의 공정 모델은 증기 개질과 타르 개질을 통한 합성가스 생성과, 개질 공정과 수성 가스 전환 반응을 통한 합성가스의 전환의 운전 특성과 열역학적 특성을 모사하기 위해 설계하였다. 원료의 특성과 가스화 온도 사이의 상관관계를 파악하면서 수분함량과 애쉬함량, 입자 크기에 의한 공정 성능 영향을 확인하기 위해 민감도 분석을 실시하였다. 경제성 평가는 Aspenplus에서 가용한 경제성 분석 툴과 문헌 자료를 통해 수행하였고, 바이오매스의 등급에 따른 수소 생산량과 수소 생산 비용을 제공한다.