Process Design of E-fuel Production Systems using Power-to-Syngas Process based on Reverse Water Gas Shift Reaction

Abstract

The need to use renewable energy is emerging to take a leap toward a carbon-neutral society. Power-to-Gas is a technology that can stabilize output volatility, a fatal disadvantage of renewable energy. This study aims to propose a carbon circulation process that can contribute to the use of renewable energy and the development of sustainable clean fuel production through research on the Power-to-Syngas process based on Reverse Water Gas Shift reaction and the SNG production process based on Power-to-Syngas. The Power-to-Syngas process model is established using Unisim Design®, and sensitivity analysis of major design and operation variables is conducted to analyze the characteristics of the process, and to present optimization possibility. The electrification scenario of Power-to-Syngas process is suggested, and it is found that an additional 175.4 MW of power should be applied when the process is electrified. For power calculation, 15kW scale Alkaline Electrolyzer modeling is scaled up to a 3MW commercial scale using Matlab®. The electrification of Power-to-Syngas process based on renewable energy presents a new possibility of a low-carbon process with CO2 emission reduced by up to 98% compared to a fossil fuel-based process. Using ASPEN HYSYS®, the sustainable process of producing SNG is also suggested through an integrated design with a Power-to-Syngas process and a commercialized Syngas to SNG conversion process. For the energy-efficient design, the overall operating pressure of the Power-to-Syngas process is changed to present effect with energy savings of 145.7MW. |탄소 중립 사회로의 도약을 위해 신재생 에너지 사용의 필요성이 대두되고 있다. Power-to-Gas 기술은 신재생 에너지 발전의 치명적인 단점인 출력 변동성을 안정화할 수 있는 기술이다. 본 연구에서는 Reverse Water Gas Shift reaction을 기반으로 한 Power-to-Syngas 공정과, Power-to-Syngas 공정을 바탕으로 한 SNG 생산 공정에 대한 연구를 통해 신재생 에너지 활용 및 지속 가능한 청정 연료 개발에 기여할 수 있는 탄소 순환 공정을 제안하고자 한다. Unisim Design®을 이용하여 Power-to-Syngas 공정 모델을 구축하고, 주요 설계 및 운전 변수에 대한 민감도 분석을 진행하여 공정의 특성을 분석하며, 최적화 가능성을 제시하였다. Power-to-Syngas 공정의 전력화 시나리오를 제시하고, 공정의 전력화 시 추가적으로 175.4MW의 전력이 투입되어야 함을 밝혀냈다. 전력량 계산을 위해 Matlab®을 이용하여 15kw scale의 Alkaline Electrolyzer modeling을 3MW급 상용화 규모로 scale-up했다. 신재생 에너지를 기반으로 전력화된 Power-to-Syngas 공정은 화석 연료 기반의 공정에 비해 최대 98% 저감된 이산화탄소 배출량으로 저탄소 공정의 새로운 가능성을 제시하였다. ASPEN HYSYS®를 추가적으로 이용하여 Power-to-Syngas 공정과 Syngas를 SNG로 전환하는 상업화된 공정과의 통합 설계를 통해 지속 가능한 방법으로 SNG를 생산하는 방식을 제시했다. 이 때, 에너지 효율적인 공정을 위해 Power-to-Syngas 공정의 전반적인 가동 압력을 바꿔 145.7MW의 에너지가 절감된 통합 설계를 제시하였다.