Process Design and Optimization of On-site Hydrogen Production Subject to CO2 Capture

Abstract

As environmental regulations due to carbon dioxide emissions are being strengthened worldwide, various studies are being conducted to reduce carbon dioxide emissions and replace eco-friendly hydrogen as an energy source. This study aims to contribute to a carbon-neutral society by improving access to hydrogen and increasing hydrogen consumption through research on a distributed small-scale hydrogen production system. By establishing a process model for a hydrogen production system based on natural gas reforming that considers carbon dioxide capture, sensitivity analysis on design and operating variables was conducted, and the characteristics of the blue hydrogen station according to operating variables were reviewed to suggest improved operating conditions. A process model was built using Aspen HYSYS, and sensitivity analysis was performed using MATLAB. It produced 35.3 Nm3 /h of hydrogen, a 17% improvement from the existing 30Nm3 /h, and confirmed the operating conditions that facilitate the capture of carbon dioxide from the flue gas. In addition, economic analysis of energy consumption and energy consumption due to carbon capture in the small-scale hydrogen production system was conducted to calculate operating expenses for operating variables, and their tendencies were shown. Through this study, it represents how the operating conditions of a small hydrogen station are affected when carbon capture is considered.|이산화탄소 배출로 인한 환경 규제가 세계적으로 강화되며 이산화탄소 배출을 줄이고 친환경적인 수소를 에너지원으로 대체하고자 다양한 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 분산형 소규모 수소 생산 시스템에 대한 연구를 통해 수소에 대한 접근성을 높이고 수소 소비량을 증가시킴으로써 탄소중립사회에 기여하고자 한다. 이산화탄소 포집을 고려한 천연가스 개질 기반 수소 생산 시스템 공정 모델을 구축하고, 주요 설계 및 운전 변수에 대한 민감도 분석을 진행하여 운전 변수에 따른 블루 수소 스테이션의 특성을 검토하여 개선된 운전 조건을 제시하였다. Aspen HYSYS를 이용하여 공정 모델을 구축하고 MATLAB을 이용하여 민감도 분석을 진행하였다. 기존의 30Nm3/h에서 17% 향상 된 35.3Nm3/h의 수소를 생산하며 배출 가스에서 이산화탄소 포집을 용이하게 하는 운전 조건을 확인하였다. 추가로 소규모 수소 생산 시스템에서의 에너지 사용량과 이산화탄소 배출로 인한 에너지 사용량 등에 대한 경제성 분석을 진행하여 운전 변수에 대한 운전 비용을 확인하였고 그 경향성에 대해 나타냈다. 본 연구를 통해 이산화탄소 포집을 고려하였을 경우 소규모 수소 스테이션의 운전 조건이 어떻게 영향을 받는지 확인하였다.