Korean Chemical Engineering Research

석유화학단지 수소 재활용 최적 네트워크 설계

정창현·이철진·김대현·한종훈^† 서울대학교화학생물공학부

151-742 서울시관악구신림동산56-1 (2006^년 11^월 16^일접수, 2006^년 12^월 13^일채택)

Optimal Hydrogen Recycling Network Design of Petrochemical Complex

Changhyun Jeong, Chul-Jin Lee, Dae-hyeon Kim and Chonghun Han^†

School of Chemical and Biological Engineering, Seoul National Universty,San 56-1, Shinlim-dong, Gwanak-gu, Seoul 151-742, Korea (Received 16 November 2006; accepted 13 December 2006)

요 약

석유화학단지내에서석유화학공장과정유공장과같은산업현장에서는상당량의수소가부산물로발생되고있으나,

이는대부분자체적으로연료로사용되고있다. ^{그러나연료로사용되는상당량의수소를에너지원의원료나기타공}

정의원료로재활용할경우, ^{현재보다수소의가치를높여서사용할수있다}. ^{본연구에서는석유화학단지내공장간수}

소재활용네트워크를설계하였다. ^{수소핀치분석을통하여교환망구성에필요한최소의수소요구및정제량을파}

악하고, ^{네트워크구성에필요한비용과기타제약조건으로최적화문제를구성하여공급처}(source)^와수요처(sink) ^공

장간에최적으로수소를재활용하기위한네트워크를설계하였다.

Abstract −In a petrochemical complex, large amount of hydrogen is produced as a by-product and used as a fuel in petrochemical and oil refinery plants. By recycling this byproduct hydrogen as a raw material, the value of hydrogen can be greatly improved. This paper proposes a design methodology for optimal hydrogen recycle network between plants in petrochemical complex by analyzing the hydrogen pinch, required cost and constraints.

Key words: Hydrogen Network, Hydrogen Pinch, Network Modeling, Optimization

1. 서 론

수소는화학산업뿐만아니라반도체제조, 연료전지, 수소에너지 등의분야에서많이필요로하고있으며, ^{여러산업분야에걸쳐수}

소의수요가계속적으로증가추세를보이고있다. 그러나석유화 학단지내에서석유화학공장과정유공장과같은산업현장에서는상 당량의수소가부산물로발생되고있으나, 대부분자체적으로연료 로사용되고있다. ^{이러한연료로사용되는상당량의수소를에너}

지원의원료나기타공정의원료로재활용할경우, 현재보다수소 의가치를높여서사용할수있다.

수소를재활용하는방법에대한연구는열교환망합성에서사용

되는핀치분석(pinch analysis) ^{기법을착안하여연구가진행되어}

왔다. 핀치분석은 Linhoff가열역학적으로에너지보존에대해제

안하면서열교환망합성에서많이사용되는방법으로[1], 오랫동안

공정합성과최적화부분에서효과적인방법으로발전되어왔다[2-4].

수소핀치는 Towler ^{등은에너지핀치에서사용되는개념을유사}

하게처음으로사용하였고[5], Alves와 Towler는수소핀치개념을 발전시켜수소유틸리티사용을최소로하기위한그래픽적인방 법을제안하였다[6]. 이를기반으로 Hallale와 Liu는정유공정내에서 컴프레서가포함된 MINLP ^{수소네트워크모델을제안하였다}[7].

Liu와 Zhang은수소네트워크에서정제장치를포함하는모델을제

안하였다[8].

본연구에서는석유화학단지전체적으로수소재활용네트워크 를설계하기위한최적화방법을제시하였다. ^{우선수소핀치를활}

용하여네트워크를설계하는데필요한조건을결정하고, 네트워크 구성에필요한장치비용과기타고려사항들을제약조건으로추 가하여구성된수학적모델식을통하여석유화학단지내수소재활 용을위한최적네트워크를설계하였다.

2. 이론적 배경

공장에서발생하는수소를재활용하기위해서는 Fig. 1^에서나타

낸사항을고려해야한다. 우선수소를재활용하기위해서는수소 를사용하는공장에서필요로하는수소의순도를맞추기위해분

†To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

리정제장치가필요하며, 수소의수송을위한파이프라인과압축기 등의설비가필요하다. ^{또한연료로사용하던공장에수소를대체}

할연료비용이고려되어야하며, 수소를사용하는공장에서는네 트워크구성을통해발생할수있는위험을최소화하기위한방안 을마련해야한다. 이러한문제를고려하기위해, 수소재활용네트 워크모델이필요하며, ^{각각의경우에대한경제적인평가를통해수}

소재활용네트워크구성에대한전략및의사결정에도움이된다.

2-1.

석유화학단지내에서연료로사용되는고순도/^{저순도의수소를재}

활용네트워크를구성하기위해다음과같이문제를정의한다.

1) 수소가남는공장은수소를공급할수있는공급처(source)로

정의하고, 수소가필요한공장은수소를사용할수있는수요처

(sink)^{로정의한다}.

2) 각각의회사에서남는수소는다른회사에서재활용하여사용 되거나, 순도를높이기위해정제공정으로보내어지거나, 연료로써 사용된다.

3) 수소가필요한회사는수소가남는회사에서직접재활용하거 나, ^{정제공정을거친수소를사용하거나}, ^{고순도의수소를판매하}

는업체로부터외부에서구입하여사용한다.

4) 저순도수소는정제장치를통하여정제된후, 수소가필요한

회사로보내거나연료로써활용한다.

잉여의부생수소를재활용하는방법은연료로사용되는수소의

순도에따라서 Fig. 2에서나타낸것과같이 2가지경우로나누어

생각할수있다. 연료로사용되는수소의순도가비교적높아수소 의순도를그대로사용할수있는공장이존재한다면, 두회사간의 수소교환망은수송문제만을고려하여파이프라인과압축기를통 해네트워크를구성할수있다. 반대로연료로사용되는수소의순 도가낮아그대로사용할수없는경우는수소의순도를높이기위 한분리정제장치와수송을위한파이프라인과압축기를고려해 야한다.

2-2.

(hydrogen pinch)

수소핀치는열교환망합성에서의에너지핀치분석을수소물 질교환에적용한그래피컬한방법이다. ^{그동안핀치분석은열교}

환망, 물질교환망, 유틸리티시스템디자인등에적용되어왔다. 수

소핀치는공정에서수소의공급처(source)와수요처(sink)를찾고, 수

소의사용이최대가되도록이들을연결하는방법을찾는다. ^공급

처는수소를포함하고있는공정을의미하고, 수요처는수소를소

비하는공정이다. 공급처와수요처가찾아지면다음단계는 Fig. 3

에서나타낸것처럼수소합성선도(hydrogen composite curve)를

구축하는것이다. ^{이것은온도와엔탈피로도시하는대신수소의}

순도와유량으로도시하는것을제외하고는일반적인핀치분석의 에너지합성선도와같다. 이합성선도는수소의회수를그래픽적 으로나타내쉽게정보를얻을수있게해준다. 수소합성선도에

Fig. 1. Hydrogen network overview.

Fig. 2. Typical structure for hydrogen recycle network.

Fig. 3. Hydrogen composite curve [6, 7].

Fig. 4. Hydrogen surplus diagram [6, 7].

서공급선과수요선이중첩되는것은공급처와수요처의최적교 환망구성을의미하고, 이는최소의수소요구량을나타낸다.

또다른유용한도구는 Fig. 4의수소잉여도(hydrogen surplus

diagram) 이다. 수소잉여도에서핀치점은수소요구에부합하기위

한수소의순도레벨을나타내준다. ^{이것은직접적인수소사용이}

전체적인수소요구를만족시키지못할때추가적인수소정제장 치의필요여부를결정하는데이용될수있다. 즉, 잉여도에서수요 처보다낮은수소의순도인경우정제후수소사용처에공급될수 있다.

2-3.

(mathematical programming)

수학적모델링은변수 x, 목적함수 f(x), 제한조건들로이루어진

최적화문제를말한다. ^{이문제의해를구한다는것은제한조건들}

을만족시키는 x의범위안에서 f(x)의값을최대화하거나혹은최 소화하는 x의값을찾는것을의미한다. 수식적으로나타내보면다 음과같다.

Minx f(x) Subject to

h(x) = 0 g(x)≥0 where x^T= [x1 x2 … xk]

h^T(x) = [h1(x) h2(x) … hn(x)]

g^T(x) = [g1(x) g2(x)… gm(x)] (1)

수학적인 모델은 목적함수와 제약조건에 따라서 LP(linear programming), NLP(nonlinear programming), MIP(mixed integer programming), MILP(mixed integer linear programming), MINLP (mixed integer nonlinear programming) 등으로나누어진다. 수소재활

용네트워크모델은네트워크구조에대한이진변수(binary variable)

와네트워크구성에따른비용에대한비선형모델을포함한 MINLP

모델로이루어진다.

수소네트워크온구조(superstructure)^{는개념적인수소네트워크}

구성안을제안한것이므로, 물리적으로가능한구조를도출해야한 다. 수소네트워크의안정성을유지하기위해서수요처의순도보다 낮은공급처는직접적인네트워크구성에서제외하고분리정제장 치를통해네트워크를구성한다. ^{이렇게제안된수소의물리적가}

능네트워크중에서최적화모델을통한최적의네트워크를찾는다. 3. 수소 재활용 네트워크 최적화 모델링 석유화학단지내에서수소를재활용하는데중요한사항은재활용 을통해서수익성을얻어야한다. 기업의네트워크참여결정은수 익성과관련이많기때문에네트워크를통해서재활용에참여하는 회사가이익을얻을수있어야한다. ^{따라서수소재활용최적네}

트워크를찾기위한최적화의목적함수는수소를재활용함으로써 얻을수있는이익의최대화로나타낸다. 고려사항은수소를재활 용함으로써얻는수익과수소를대체하기위한연료의비용, 수소 를정제하기위한정제장치, ^{수소를운반하기위한파이프라인과}

압축기등수소를재활용하기위해필요한비용을고려하여, 각공 급처에서재활용하는수소의양을조절변수로하여수소를재활 용함으로써얻을수있는연간이익을최대화할수있도록문제를

구성한다.

본연구에서사용한수학적최적화모델은다음과같은가정하 에전개하였다.

1) 산업단지내수소관련된공정을가진회사는네트워크에참여 한다.

2) 수소의수요량이공급량보다많을경우외부업체에서구입한다. 3) 업체간수소를교환할수있는설비는설치되어있지않다.

4) 수소를교환하기위해서새로운추가설비를도입해야한다.

5) ^{부산물수소의생산단가는외부유통업체에서공급하는수소}

의생산단가보다가격이저렴하다.

6) 수소네트워크구성시압축기는공급처에존재하는압축기를

사용하며, 운전비용만을고려한다.

7) ^{현재공급처에서잉여수소를연료로써사용하고있다}.

8) 대체연료로비용이가장싼연료유를사용한다.

9) 환경적인문제는수소를제조하는데발생하는이산화탄소의 양이연료의연소를통해발생하는이산화탄소의양보다훨씬많 기때문에네트워크를구성함으로써전체적으로발생하는이산화 탄소의양은감소하는것으로가정한다.

10) 수소의공급처(source) = {iㅣi = 1,2,…,N}으로나타내며, 발 생하는수소의양을 Wi, 순도를 yi로표기한다.

11) 수소의수요처(sink) = {jㅣj = 1,2,….,M}으로나타내며, 필요 한수소의양을 Gj,^순도를 zj로표기한다.

12) 수소정제공정(intermediate) = {kㅣk = 1,2,…,K}로표기하며,

요구하는수소의순도로정제한다.

위의사항을고려하여최적화의목적함수는다음과같이결정한다. Max profit function F

=

(2)

조절변수로는공급처에서수요처로보내는양(W)을조절함으로써 목적함수를최대로만족시키는네트워크를찾아낸다. ^{위의가정하}

에물질수지식을세우면다음과같다.

수소의공급처(source)에서의수소는수소가필요한수요처(sink)

로직접보내거나, 정제공정으로보내어지거나, 자체적으로연료 로활용되는경우로나눌수있다.

(3)

수소의수요처(sink)^{에서필요한수소는공급처}(source)^{로부터수소}

를직접공급받거나, 정제공정을통해정제된수소를공급받거나,

외부수소공급업체로부터수소를구입하여공급받을수있다. (4)

수소의수요처에서공급받는수소의순도는다음과같은관계식을 통해계산하여얻을수있다.

(5) CiWij

j

∑M i

∑N Cifuel valueWi fuel, Cfresh Wfresh j,

j=1

∑M i=1 –

∑N

–

CCompressor–Cpipe–CPSA

–

Wi Wij j

∑M

= +Wi fuel, +Wik

Ginj Wij+Wkj+Wfresh,j i

∑N

=

Ginjzinj Wijyi i

∑N +Wkjyk+Wfresh,jyfresh

=

이렇게구해진수소수요처에서의순도와수소공급량은수소의수 요처에서요구하는조건을만족시켜야한다.

(수요처에서수소의필요요구량) (6) (수요처에서수소의필요요구순도) (7)

핀치분석을통하여외부에서구입하는양과정제량에대한제 약조건을추가한다.

(8)

3-1.

(compressor)

수소네트워크를구성하기위해서압축기를통한수소의수송이 이루어져야한다. 따라서압축기의운전비용을고려해보면,

(9) Pbhp: brake horse power

Ckwh: electricity cost hyear: operating hour

µ: efficiency

Brake horse Power는 Peter and Timmerhaus가이상기체의등엔 트로피다단압축에대해서다음과같이제안하였다[10].

bhp = (10)

γ: ratio of specific heat of gas at constant pressure to specific heat of gas at constant volume

η: efficiency Pin: intake pressure Pout: final delivery pressure F: the flowrate being compressed

압축기에대한설치비용은 Marshall and Swift index^{에서다음과}

같이정리되어있다.

(11) a, b: cost parameter

3-2. PSA

수소를정제하는주된세가지방법은 PSA(pressure swing adsorption),

박막분리(membrane systems), ^{극저온분리}(cryogenic systems) ^이

다. 이들은각각다른원리를이용하여분리하는방법이기에공정 의특성도매우다르다. 최적의수소분리공정을선택하는것은비 단경제적인부분뿐만아니라공정의안정성, ^신뢰성, ^{그리고앞으}

로의증축여부에따라결정된다.

또한분리정제장치에서중요한인자는장치에대한수소의회

수율이다. ^{회수율에따라서수소가정제되는양이달라진다}. ^회수

율에미치는중요한인자는사용하는촉매의선택도와운전할때 의장치내의고압과저압상태, 그리고장치로들어오는수소의순 도이다.

(12) R: Hydrogen recovery

θ: Adsorbent selectivity between 0 and 1 PH, PL: high and low pressure of PSA yPSA,f: PSA feed purity

회수율을고려하여분리정제되는수소는다음과같이나타낼수 있다.

(13)

또한수소의정제공정에공급되는수소의순도는각공급처에서 받는수소의순도와양을가지고구할수있다.

(수소정제공정으로들어오는수소의물질수지) (14)

(^{정제가능한수소의필요요구량}) (15)

(수소의순도요구량) (16)

수소를회수하기위해 PSA 장치를사용하기위해고려해야할

사항은정제할수소의순도와양, 원하는수소의정제순도, 공급물 의압력과정제후수소의압력, 장치에사용되는촉매, 장치의운전

조건등이다. ^{이러한요소들에의해서} PSA ^{장비의장치비용과운}

전비용에영향을받는다. Ruthven 등은수소정제장치의비용을산

정하는데간단한 Shortcut 모델을제안하였다[9]. Towler 등은제안

된 Shortcut 모델을장치의운전조건을고려한모델로발전시켰다[5].

F: flowrate (17) Y: recovery yield

Z: feed mole fraction of hydrogen a,b: cost data

3-3.

(pipeline)

수소네트워크를구성하기위해서는공장간파이프라인의설치 는반드시필요하다. 공장내에서는각공정간의공급라인이설치되 어있지만, 공장간물질교환을위한공급라인이설치되어있는곳 은매우드물기때문이다. ^{기존의유통업체에서설치한라인을활}

용할경우, 임대비용을고려할수있겠다.

파이프의설치비용은보통파이프의직경과설치할거리에의 해서계산된다. 파이프의직경을결정하는요소는유체의밀도, 유량,

공급속도등에의해결정된다. Gminj≤Ginj≤Gmaxj

zminj≤zinj≤zmaxj

Wfresh j,

j=1

∑M Wik

i=1

∑N

+ =Pinch

CCompressor=0.746 P× bhp×Ckwh×hyear⁄µ

3.03 10× ^–5γ η γ( –1)

---Pin×F Pout

Pin

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

γ–1 ---γ

1

⎝ – ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

×

Ccomp^[kUS^＄]=acomp+bcomp^⋅Powercomp^[kW^]

R 1( –θ) 1 PH⁄PL

( )yf

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

=

Wk,fuel ⁽1 R– ⁾ Wi k, i

∑N

= ×

Wink yink Wikyi i

∑N

=

Wmink≤Wink≤Wmaxk

ymink y≤ ink y≤ maxk

CPSA[US＄] 0.4330 Fin,PSA

--- 0.2986+--- CY Z⋅ → PSA=aPSA+bPSA⋅Fin,PSA

=

파이프라인의설치비용에대한계산식은 Peters and Timmerhaus

가제안했듯이파이프직경의제곱과거리에의해결정된다[10].

Parker는수소파이프라인설치비용에파이프라인재료비용, 설

치비용, 기타잡비등을고려하여실험적인방법에의한설치비 용을제안하였다[11].

CPipeline(dia, length) = [a(dia)²+ b(dia) + c](length) + d (18) dia: pipe diameter(inch)

length: installed distance(miles) a,b,c,d: cost data

파이프의직경은공급량에따라결정된다. 파이프의비용에서알 수있듯이파이프의직경이비용에큰비중을차지하므로네트워 크를통해보내어지는수소의양에따라수소의직경이달라지므 로목적함수의값이크게변하게된다.

국내석유화학단지의경우, 산업단지내파이프라인을설치하기 위해서는허가된장소에만설치가가능하다. 산업단지의경우, 공

동으로투자된파이프랙(pipe rack)에임대비용을지불한후설치

가가능하도록되어있다. ^{따라서파이프라인이설치되는거리는파}

이프랙을통해설치되는거리로계산이되야한다.

Fig. 5의그림을보면, 파이프랙이그림과같이설치되어있다고

가정하자, 두지점간의거리는설치가능한파이프랙의거리가두 지점간의파이프를설치하는거리가된다.

3-4.

석유화학단지내수소의생산은납사, 천연가스, LPG 등을원료 로하여스팀개질반응을통해수소를생산하는방식이약 70^％

이상을차지하고있다. 이러한수소생산공정을통한수소의원가 는공급되는원료의가격, 사용되는유틸리티의비용, 장치비용,

기타운전비용등이고려되어수소의생산단가가결정된다. 이중 원료의가격이차지하는비중이 80^{％이상으로고유가시대인현}

재수소의가격이점차적으로증가하고있다. 이에반해부산물로 생성되고있는수소의단가는수소생산공정을통해직접적으로

생산되는수소의단가와비교해볼때 30~50％이상저렴한단가를

갖는다. ^{따라서수소의공급가격은생산되는단가의} 80^％의가격

으로공급한다고가정하며, 수소의순도에따라서가격할인요소를 추가하여수소의공급가격을산정한다.

4. 사례 연구

수소재활용네트워크구성에대한데이터는 Table 1과같다. 잉

여의수소가발생되는공장은 6개이고, 수소를사용하고있는공정 은 5^개이다. ^{이외에고순도의수소를공급할수있는수소공급업}

체가존재하며, 공급가능량은무한하고순도는 99.9999％이상으

로가정한다.

네트워크를구성하기위해필요한공급처와수요처간의거리는

Table 2^{에나타나있다}.

4-1.

주어진문제에대한수소핀치는 Fig. 6과같다. 석유화학단지내

에서요구하는수소의순도는초고순도(99^％이상) ^{수소가대부분}

이기때문에수소잉여도에서순도에따른잉여량이음(-)의값으

Fig. 5. Evaluating distance between sources and sinks.

Table 2. Distances between sources and sinks (km)

Sink A Sink B Sink C Sink D Sink E

Source 1 6 2 1 3 12

Source 2 3 1 4 6 15

Source 3 15 11 8 6 3

Source 4 11 7 4 2 7

Source 5 1 5 8 10 19

Source 6 13 9 6 4 5

Table 1. Process data of sinks and sources

Flowrate(Nm³/hr) Purity(^％) Source

1 10,000 99.9999

2 15,000 99

3 12,000 95

4 15,000 95

5 8,000 75

6 10,000 75

Sink

A 15,000 99.9999

B 25,000 95

C 15,000 99

D 8,000 99

E 10,000 99.9999

Fig. 6. Construction of a hydrogen composite curve and a surplus dia- gram.

로나타남을확인할수있다. ^{이는현재네트워크를구성하기위해}

서는공급가능한수소의양이외에추가의많은양의초고순도수 소가필요함을알려준다. 현재가능한네트워크는합성선도에서공 급처와수요처의곡선이겹치게되는부분에서만수소의교환망구 성이가능하다.

따라서초고순도수소를공급처(source) 측에추가함으로써잉여

도에서의그래프를양의값으로변화시켜핀치점이나타나게되는 구입량이최소의수소구입량으로결정이된다. Fig. 7은공급가능 한고순도수소를추가의공급처로나타낸경우를보여주는그림 이다. ①의경우는외부에서네트워크구성이가능한임의의수소 량을공급했을경우나타나는그래프이고, ②의경우는핀치점이 나타나도록외부에서수소의공급량을정했을경우이다. 핀치점은 외부에서필요한추가의수소를최소화할수있도록알려주는지 표이다. 따라서핀치점이생성되도록수소를공급하는것이최소로 구입하는양이된다. 또는핀치점아래부분의수소를수소분리정 제를통하여고순도수소로정제하기위한분리정제장치의용량 을알려준다. 분리정제장치를통하여정제된수소는외부에서구

입하는수소의순도와같기때문에 PSA ^{설비의설치용량을결정}

할수있다. 핀치분석을통하여결정된고순도수소의필요량은수 학적모델링에제약조건으로추가되어최적네트워크구성에중 요한역할을한다.

4-2.

수소재활용네트워크구성에대한전형적인온구조(superstructure)는

Fig. 2에나타나있는것과같다. 우선수소재활용최적네트워크

를구성한결과를보면핀치점이구성되도록외부구입량을정한 것과네트워크를통해구입되는수소의양이같음을확인할수있 었다. 핀치분석을통해서는전체적인수소의구입및정제요구량 에대한값을알수있고, 최적화문제를통하여비용을최소화할

수있는구체적인네트워크설계값을구할수있다. 최적화도구

(solver)는 What’s Best를사용하여값을구하였다. Table 3은추가 의설치비용을제외하고최적화문제를구성하여최적네트워크

를설계한행렬(matrix)^이다. ^{행렬은각각의공급처에서수요처로}

보내는양에대한구체적인흐름정보를나타낸다. Table 4는수소

분리정제장치를추가하여네트워크를구성한결과이다. PSA는 각각의공급처에서분리정제장치를통해정제한후수요처로보 내는양을나타낸다. ^{즉공급처에서분리장치}, ^{분리장치에서수요}

처로가는네트워크교환망이다.

수소의순도제약조건에서소량의저순도수소를다량의고순 도수소와혼합하여순도제약조건을만족시키는경우도있을수 있다. ^{이렇게되면수소핀치분석에서혼합을하지않은경우보다}

적은양의핀치점을얻게되어외부로부터구입하는수소의양을줄 일수있다. 그러나장치비용이추가되어전체적인경제적이익은 적어진다. 따라서순도의제약조건을추가하여수요처의순도보다 같거나높은공급처수소만을받을수있도록구조를설정한후최 적화를수행한다.

분리정제장치를추가한네트워크의구성에서추가하지않은 경우와구조적으로는크게차이가나지않는다. 이는핀치분석 을통한외부수소의 구입및분리정제량에대한제약조건을 추가하여, ^{네트워크구조적인면에서는큰영향을미치지못하고}, ^추

가설비비용에따른네트워크교환량에작은변화가있음을확 인할수있다.

네트워크구성에따른경제적인효과는 Table 5에나타나있다. 네

트워크를구성하지않은경우와비교해보면, ^{석유화학단지내수소}

재활용최적네트워크를구성한경우추가의투자비용을제외하 고연간 190억원에서 330억원의효과를얻을수있다. 투자회수

기간역시 0.4~0.6년으로나타나소규모투자비용에비해파급효

과가상당한경제적가치를가지고있음을알수있다.

수소의연료로써의단가는연료유와열량을비교하여대체연 료유의가격에의해결정된다. 현재 B-C유의가격과발열량을비 교해보면, 수소의연료로써의단가는수소의생산단가보다약 40％ 이상가치가떨어지므로네트워크를구성함으로써경제적으로이익 을얻을수있다. 그러나연료유의가격은유가의영향을많이받기

Fig. 7. Feasible hydrogen composite curve and a surplus diagram.

Table 3. Hydrogen network matrix without purification process Sink A Sink B Sink C Sink D Sink E Fuel

Source 1 10,000 0 0 0 0 0

Source 2 0 0 15,000 0 0 0

Source 3 0 10,000 0 0 0 2,000

Source 4 0 15,000 0 0 0 0

Source 5 0 0 0 0 0 8,000

Source 6 0 0 0 0 0 10,000

Fresh 5,000 0 0 8,000 10,000 0

Table 4. Hydrogen network matrix with purification process Sink A Sink B Sink C Sink D Sink E Fuel

Source 1 2,000 0 0 8,000 0 0

Source 2 0 0 15,000 0 0 0

Source 3 0 10,000 0 0 0 0

Source 4 0 15,000 0 0 0 0

Source 5 0 0 0 0 0 0

Source 6 0 0 0 0 0 0

Fresh 3,000 0 0 0 0 0

PSA 1 0 0 0 0 0 0

PSA 2 0 0 0 0 0 0

PSA 3 2,000 0 0 0 0 0

PSA 4 0 0 0 0 0 0

PSA 5 8,000 0 0 0 0 0

PSA 6 0 0 0 0 10,000 0

때문에연료유의가격이상승하면수소의생산단가를초과하는경 우가나타날수도있다. 본연구에서제안하는수소재활용네트워 크의구성은수소의공급단가가수소의연료로써의단가보다높다 는가정하에구성을하는것이므로, ^{연료의가격이높아져수소공}

급단가보다높아질경우수소를재활용하여원료로사용하기보다 는연료로써활용하는경우가훨씬경제적이다.

이상에서고찰한바와같이석유화학단지내연료로사용되는수 소는재활용할경우상당한고부가가치의경제적인효과를가져 올것으로판단되며, 이에대해최적의재활용네트워크설계방법 은수소재활용에대한좋은방안으로활용될것으로판단된다.

5. 결 론

본연구에서는석유화학단지내에서연료로사용되고있는부산 물수소사용의효율성을높이기위해최적화문제를통해수소네 트워크설계방법을제시하였다. ^{이를위해문제구성을위한공급}

처(source)와수요처(sink)를정의하여모든가능한네트워크구성

안중에서수소핀치를이용해네트워크에서필요한고순도수소 의양을정의하여불필요한네트워크구성을통한추가비용을제 외시킬수있었다. 수소의구입및정제량이결정된후, 네트워크 구성을통한비용을산출하기위해서비선형장비비용모델을활 용한최적화를통하여구체적인네트워크를설계하였다.

제시한네트워크구성에서잉여수소의활용을통하여경제적인 이익이증가함을확인할수있다. 현장상황을근거로네트워크구 성안을제안하였지만본연구가현장에적용되기위해서는현장데 이터의검증, 최적화문제의현장적용성, 제안된네트워크에대한 기업의활용가능성등에대한연구와검증이필요하다.

감 사

본연구는산업자원부국가청정생산지원센터(KNCPC)와서울대

학교화공분야연구인력양성사업단(BK21), 한국과학기술연구원

(KIST), ^{에너지관리공단}(^{에너지자원기술개발사업}), ^{한국과학재단}

(특정기초연구, R01-2004-000-10345-0), 한국과학재단지정포항공 과대학교차세대바이오환경기술연구센터(AEBRC, R11-2003-006)

의연구지원으로수행되었으며이에감사드립니다. 참고문헌

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Table 5. Hydrogen network results

Existing Network (no network) New network 1 (without PSA) New network 2 (with PSA)

Hydrogen Purchased Costs ^\ 156 billion/yr ^\50 billion/yr ^\6.5 billion/yr

Hydrogen Fuel value ^\ 70 billion/yr ^\17 billion/yr ^\0 billion/yr

Capital costs

Pipeline - -^\8 billion/yr -^\14 billion/yr

PSA - - -^\7 billion/yr

Compressor(operating) - -^\0.1 billion/yr -^\0.2 billion/yr

Fuel costs - -^\53 billion/yr -^\70 billion/yr

Hydrogen Selling Profit - ^\76 billion/yr ^\111 billion/yr

EP(economic potential) - ^\19 billion/yr ^\33 billion/yr

Payback period - 0.4 years 0.6years