Humanity has been facing major energy challenges such as the severe climate change, threat of energy security and global energy shortage especially for the developing world. Particularly, growing awareness of the global warming has led to efforts to develop the sustainable energy technologies for the harmony of the economy, social welfare and environment. Water-splitting nuclear hydrogen production is expected to help to resolve those challenges, when high energy efficiency and low cost for hydrogen production become possible.
Once-through Hybrid Sulfur process (Ot-HyS), proposed in this work, produces hydrogen using the same $SO_2$ Depolarized water Electrolysis (SDE) process found in the original Hybrid Sulfur cycle (HyS) proposed by Westinghouse, which has the sulfuric acid decomposition (SAD) process using high temperature heat source in order to recover sulfur dioxide for the SDE process. But Ot-HyS eliminated this technical hurdle by replacing it with well-established sulfur combustion process to feed sulfur dioxide to the SDE process. Because Ot-HyS has less technical challenges, Ot-HyS is expected to advance the realization of the large-scale nuclear hydrogen production by feeding an initial nuclear hydrogen stock. Most of the elemental sulfur, at present, is supplied by desulfurization process for environmental reasons during the processing of natural gas and petroleum refining and expected to increase significantly. This recovered sulfur will be burned with oxygen in the sulfur combustion process so that produced sulfur dioxide could be supplied to the SDE process to produce hydrogen. Because the sulfur combustion is a highly exothermic reaction releasing 297 kJ/mol of combustion heat resulting in a large temperature rise, efficiency of the Ot-HyS is expected to be high by recovering this great amount of high grade excess heat with nuclear energy. Sulfuric acid, which is a byproduct of the SDE process, could be sent to the neighboring consumers with or even without concentration process depending on the acid concentration they need. It is reasonable to assume that nearly all the recovered sulfur is reportedly consumed after first converted to sulfuric acid, which is the leading sulfur end-use in all forms. Ot-HyS could meet the additionally rising sulfuric acid demand by feeding severely increasing sulfur surplus.
Flowsheet for the sulfur combustion and SCHRS (Sulfur Combustion Heat Recovery System) including Rankine cycle, developed by referring to the existing facilities under some assumptions, was simulated using Aspen Plus with an ideal Henry model and STEAMNBS model. Other part of the flowsheet, modified from the SRNL's work, was simulated using Aspen Plus with OLI-MSE model. Acid concentration of sulfuric acid product was set to be 75 wt% and SDE was treated as a black box under the reasonable assumptions including a cell potential of 0.6 V versus current density of $500 mA/cm^2$, which is a development performance target of the SRNL. As the results, it was demonstrated that net thermal efficiency of Ot-HyS is 47.1 % (based on LHV) and 55.7 % (based on HHV) assuming 33.3 % thermal-to-electric conversion efficiency of nuclear power plant. Hydrogen produced through the energy-efficient Ot-HyS would be used as off-peak electricity storage, to relieve the burden of load-following and help to expand applications of nuclear energy, which is regarded as a `sustainable development` technology. Further detailed economic feasibility study could help to show the feasibility of Ot-HyS.
본 연구의 목적은 Once-through 형 하이브리드 황 공정을 개발하고, 또한 이것이 현재 세계가 직면한 에너지 문제를 해결하기 위한 고효율 수소생산 공정으로서의 경쟁력을 가지는지 확인하는 것이다.
개발된 Once-through 형 하이브리드 황 공정은 기존의 하이브리드 황 공정과 같이 수소생산을 목적으로 이산화황을 이용한 수전해 기술을 이용하지만, 이산화황을 공급하기 위하여 상당한 에너지와 기술을 요구하는 고온 황산분해 대신 황 연소기술을 사용한다는 차이점이 있다. 이 차이점에 의해서 Once-through형 하이브리드 황 공정은 여러 가지 장점을 지닌다.
Once-through 형 하이브리드 황 공정의 에너지효율을 평가하기 위하여, SRNL에 의해 개발된 하이브리드 황 공정도와 기존의 황 연소기술을 참고로 하여 먼저 상세한 공정도를 개발하였다. 이후 화학공정 모사 프로그램인 Aspen Plus와 함께 최적의 열역학모델을 이용하여 에너지효율을 추정하고, 그것을 최종적으로 다른 수소생산 공정과 벤치마킹하였다.
Once-through 형 하이브리드 황 공정의 에너지효율은 원자력발전소의 열-전기효율을 33.3 %로 가정하였을 때, LHV 기준으로 47.1 %, HHV 기준으로 55.7 %, 42.0 %로 가정하였을 때 LHV 기준으로 50.9 %, HHV 기준으로 60.1 %인 것으로 나타났다. 이는 비교 대상이 되는 수소생산 공정 (즉 원자력-수전해와 기존 하이브리드 황 공정)의 효율에 비해 상당히 높은 수준이다.
이번 연구에서 사용된 황 연소 열 회수공정의 랭킨사이클 열-전기효율은 37.3 %에 해당하지만, 추후 좀 더 효율적인 전력변환사이클을 사용하여 전체 공정의 효율을 더욱 증진시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이산화황을 이용한 수전해 기술은 Once-through 형 하이브리드 황 공정이 가지는 유일한 기술적 난제이고 또한 이에 필요한 전력은 에너지효율에 가장 큰 영향력을 가진다. 따라서 Once-through 형 하이브리드 황 공정이 경쟁력을 잃지 않으려면, 이에 대한 만족할만한 연구결과가 반드시 이루어져야 할 것이다.
Once-through 형 하이브리드 황 공정에 의해 생산된 고효율의 수소는 off-peak 전력을 저장하고 이를 다시 첨두부하 전력으로 공급하는 효율적인 전력 저장체로 사용함으로써, 전력생산의 부하추종 부담을 줄이고 또한 에너지 문제를 해결하기 위한 현존하는 최적의 에너지원인 원자력의 적용범위를 넓히는데 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
결론적으로 Once-through 형 하이브리드 황 공정은 다른 수소생산 공정에 비하여 상대적으로 적은 기술적 어려움을 지니며, 고효율 수소생산 공정으로서의 경쟁력을 가지는 것으로 확인되었다. 황의 수요와 공급 측면에서도 경쟁력을 가지고 있으며, 특히 이와 같은 경쟁력은 앞으로 더욱 제고될 것으로 예측된다. 따라서 Once-through 형 하이브리드 황 공정은 단기간의 과도기 동안 미래에 좀 더 완벽한 에너지기술을 개발하기 위한 교두보 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
최종적으로 적용 가능 여부를 판단하는 것은 결국 단위 수소 생산비용이므로 추후 Once-through 형 하이브리드 황 공정에 대한 상세한 경제성평가가 반드시 이루어져야 할 것이다.
