This study is an efficient liquid hydrogen (LH2) supply chain design for transportation and use of the LH2 as energy medium. The LH2 causes additional energy consumption due to liquefaction process itself and exothermic reaction in the process induced from intrinsic nature of hydrogen (ortho-para conversion) at a cryogenic temperature of -253 ℃. This is the biggest factor that lowers the efficiency and economy of the LH2 supply chain. First, this study analyzed the effects of the concentration of isomers (ortho and para) on the LH2 supply chain for the liquefaction process, marine transportation and land transportation. The conceptual design of the LH2 tanker for marine transportation and the LH2 truck for land transportation was carried out. For the conceptual design, it is analyzed following variables: liquefaction energy, pressurization behavior, and loading limit. Based on this, the economics of the transportation system including the liquefaction plant were evaluated using the life-cycle cost. Second, it is suggested a hydrogen refueling process using the cold energy of the liquid hydrogen for a hydrogen refueling station (HRS) as the end user of the LH2 supply chain. The proposed system is designed to evaluate the energy consumption, exergy analysis, availability, and its economics for comparison with the existing gas storage refueling process (GH2 storage), and liquid storage refueling process (LH2 storage). Finally, this study analyzed the entire LH2 supply chain considering the ortho-para conversion and proposed a method for efficient operation in the LH2 supply chain.
본 연구는 에너지 매개체로서 액화수소(Liquid Hydrogen, LH2)의 수송과 사용에 있어 효율적인 액화수소 공급망(LH2 Supply Chain) 설계에 대한 연구이다. 액화수소는 대기압에서 -253 ℃의 극저온으로 액화과정 자체에서의 에너지 소모와 수소의 본질적 특성인 이성질체간 변환(Ortho-Para Conversion)으로 인한 발열반응으로 추가적인 에너지 소모가 발생하게 되며, 이는 전체 액화수소 공급망(LH2 Supply Chain)의 효율 및 경제성을 저하시키는 가장 큰 요소이다. 이에 본 연구는 첫째로, 이성질체(Ortho and Para)의 분율이 액화수소 공급망에 미치는 영향을 해상수송(Marine Transportation)과 육상수송(Land Transportation)에 대해 분석 하였다. 해상수송을 위한 액화수소 운반선(LH2 Tanker)과 육상수송을 위한 액화수소 운반트럭(LH2 truck)의 개념설계를 수행하고, 액화일(Liquefaction Energy), 저장탱크 내 압력변화(Pressurization Behavior), 싣기 한계(Loading Limit)에 대해 분석하였다. 이를 바탕으로 생애주기 비용(Life-cycle Cost)과 순현재가치(Net Present Value) 방법을 이용하여 액화플랜트(Liquefaction Plant)를 포함한 수송체계에 대한 경제성을 평가 하였다. 둘째로, 액화수소 공급망의 최종사용자(End User)로서 수소 충전소 내 이성질체간 변환성질과 액화수소의 냉열을 이용한 수소 주입시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 기존의 압축수소가스 저장용(Gaseous Hydrogen Storage, GH2 Storage) 주입시스템과 액화수소 저장용(LH2 Storage) 주입시스템과의 비교평가를 위해 입력일(Energy Consumption), 엑서지효율(Exergy Analysis), 가용도(Availability) 및 경제성 분석을 수행한다. 끝으로, 이성질체간 변환을 고려한 전체 액화수소 공급망에 대해 분석하고 효율적인 액화수소 운영에 대한 방법을 제안한다.
