NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 30, No. 1, 2012 … 63
연구실 소개
연세대학교 공정시스템연구실은 1993년 9월 설립 된 이래로 박사 11명을 포함한 총 60여명의 졸업생을 배출하며 공정과 안전을 포함하는 여러 분야에서 연 구들을 수행하고 있다. 현재 연구교수 1명, 박사 후 연 구원 1명을 포함하는 총 15명의 연구원들이 연구에 참여하고 있다.
“미래 지속가능에너지 관련 설계 및 운전기술”이라 는 주제로 여러 가지 연구 및 프로젝트를 진행하고 있 으며 대표적인 3가지 기술을 아래에 소개하였다.
수소 인프라 구축 및 안전
소모자원으로서 그 한계가 있는 화석 연료를 대체 할 에너지원으로 태양광, 풍력, 수소 등 친환경적이고 재생 가능한 에너지가 전 세계적으로 연구 및 검토되 고 있다. 이 중 수소는 고효율, 무한, 청정 등 에너지원 으로서 갖추어야 할 필수 조건 등을 만족하고 있어 차 세대 동력원으로 가장 각광받고 있다. 그러나 수소의
다양한 효용성에도 불구하고 수소가 에너지로서 실생 활에 적용되기 위해서는 앞으로도 수많은 기술적 과 제들을 극복해야 한다. 특히 고압가스보다도 강한 폭 발성을 지니고 있는 수소의 특성상 생산(제조), 저장, 운송, 충전, 이용 등에 있어 안전성이 확보된 수소 인 프라 구축은 수소 에너지의 실용화에 있어서 최우선 과제이다.
본 연구실에서는 미래 한국 수소에너지 인프라구조 의 예측을 위하여 미래의 수요에 대한 불확실성, 수소 연료전지 자동차의 기술 발전 가능성, 이산화탄소의 배 출량, 유가와 BTU 세금 등을 고려하여 시나리오를 구 축하였다. 이러한 시나리오들에 대한 수소 공급 망 구 축에 대한 총 비용을 산출하고, 그것을 이용하여 수소 인프라 구축에 대한 안을 제시하였다. 다양한 시나리오 들의 결과를 비교, 분석하여 40년 뒤의 국내 수소에너 지 인프라 구조에 대한 최적의 방안을 모색하였다.
2011년에는 영국 Belfast에서 열린 IC-SES(International Conference for Sustainable Energy Storage) 학회에서 수소에너지 인프라 구축 관련 논문으로‘The Best Paper Award 2011’을 수상하였다(연합뉴스, 2011.03.24., “문일 교수, IC-SES 학회 최우수 논문 수상”).
또한 수소 경제의 핵심 인프라 시설인 수소 충전소 의 조업자 안전 운전을 위한 교육 및 훈련 프로그램을 구축, 수소 사고의 특징과 안전 물성 등의 자료를 수 록함으로써 수소에 안전에 대한 이해를 돕도록 하였 으며, 가상체험 모듈에서는 충전소의 구성과 용도를 3D virtual reality 기술을 도입해 간접 체험할 수 있도 문 일
연세대학교 화공생명공학과, [email protected]
록 하였다.
국내·외 수소 안전 분야에서 문일 교수는 가스안 전공사 비상임 이사직을 겸임하며 활발한 연구 활동 을 통해 그 선두에 위치하고 있다.
LNG 설계 원천기술개발
천연가스 산업과 관련하여 LNG 플랜트 액화공정 설계 및 최적화에 대한 연구가 국내·외에서 활발하 게 진행되고 있다. 천연가스를 효율적으로 운반하기 위해서는 가스를 액화시키는 공정이 필요하다. 하지 만 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)의 끓는점 –162
℃까지 온도를 낮추어야 하는 천연가스 액화공정은 많은 에너지가 필요하기 때문에 최적화가 필수적이며 이에 따라 본 연구실에서는 원천기술 중의 하나인 LNG 플랜트 액화공정설계 최적화에 관한 연구를 진 행하고 있다. 이는 대용량 LNG 플랜트 설계에 반영 하여 공정의 효율을 높이고 경쟁력을 향상시키는 것 을 목적으로 한다. LNG 액화공정을 모델링하기 위해 서는 열역학 물성 값을 계산하여야 하며 특히 극저온
물성에 대하여 정확한 값을 갖는 열역학 패키지가 필 요하다. 이러한 열역학 물성들은 상당히 높은 비선형 성을 나타내기 때문에 LNG 액화공정을 최적화하는 것은 쉽지 않다. 따라서 국내·외 관련 연구 기관에서 는 LNG 액화공정 최적화를 위해 다양한 방법들을 시 도하고 있으며 본 연구실에서는 확률적 최적화를 적 용하는 다른 국내·외 기관들과 달리 수학적 최적화 를 적용하고 있다. 따라서 장시간이 걸리는 다른 기관 들의 기법과 달리 수학적 알고리즘을 이용한 최적화 를 적용하여 불과 수 십초 만에 최적의 결과를 찾을 수 있으며 수학적인 기법을 사용했기 때문에 신뢰할 만한 결과를 얻을 수 있다.
상용화된 SMR(single mixed refrigerant) 공정에 서는 1 kg의 LNG를 생산하는데 1485 kJ의 에너지가 소모된다. 타 연구기관에서는 최적화를 통해 에너지 소모를 1249 kJ/kg으로 줄인 바 있다. 이에 비해 우리 팀은 수학적 알고리즘을 이용한 최적화로 타 연구기 관의 최적화 값보다도 11% 더 적은 양의 에너지를 소모하는 최적값을 찾아내었다. 이는 액화공정 전반
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연구실 소개
그림 1. 수소 인프라 시나리오 및 민감도 분석.
그림 2. Virtual reality module & Accident scenario module.
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연세대학교 화공생명공학과 공정시스템연구실
적인 에너지 시스템 최적화에 큰 기여를 할 수 있는 방법과 결과를 제시한 것이다.
Computational 3D-Dynamic Simulation 최근 가장 돋보이는 연구 성과로는 2010년에 수행 한“ECS(Electro CleenTM System)시설의 CFD 시 뮬레이션”을 예로 들 수 있다.
선박평형수 장치는 해수를 이용하여 화물선의 균형 을 유지하기 위한 장치로 선박평형 탱크에 해수를 채 움으로써 총 하중을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
이 때 서로 다른 해역의 해수가 혼합되면서 외래 미생 물이 유입되어 생태계 교란현상이 발생하게 된다. 유 엔 국제해사기구(IMO)에서는 2004년 선박평형수 관 리 협약을 채택하였고 이 협약에 의하면 2012년 이후
건조되는 선박에는 해수에 포함된 미생물을 기준치 이 하로 낮출 수 있는 처리 장치(ballast water treatment system, BWTS)를 갖추어야 한다. 이에 따라 BWTS 시장 규모도 점차 증가하는 가운데 국내 한 중소기업에서는 세계 최초로 전기분해 기술을 이용하 여 해수의 미생물을 살균하는 장치를 개발하였으나 살균과 동시에 물의 전기분해로 인해 발생하는 수소 가스의 안전성 문제로 인해 수출에 난항을 겪고 있었 다. 본 연구실에서는 전산유체역학 기법을 도입하여 선박평형탱크(ballast tank) 내부의 수소 농도를 예측 하여 수소 가스의 안전성을 평가하였고 이를 검증하 기 위해 건조 중인 선박에 설치된 ECS 장치의 시범운 전을 통해 발생하는 수소를 측정하였다. 이러한 결과 들이 반영되어 ECS 장치에 대한 국제기구의 승인이 이루어졌고, 결과적으로 해외무역 장벽 해소를 통해 5,000만 불 수출 수주를 달성하는 가시적인 성과를 이 루는 데 일조하였다(뉴시스, 2010.12.08., “가스안전公, 中企 기술적 문제 해소해 수출 간접지원”).
본 연구실은 위에 열거한 연구 외에도 ACO(advanced catalytic olefin) 공정, PSA(pressure swing adsorption) 공 정의 최적화와 안전도 분석을 위한 모델링 및 전산모 사, 납사가격예측을 위한 모델링 등 공정시스템 분야 에서 많은 연구들을 수행하고 있다.
