Recently, the instability of the power grid has been increased with the increase in the proportion of fluctuating renewable energy sources. In order to improve the grid stability, technologies to compensate the fluctuations of renewable energy through energy storage systems have been widely studied. Hydrogen energy storage system called regenerative hydrogen fuel cell (RHFC) system is attracting attention because of its ability to store large capacity of energy. Previously, hydrogen was stored by high pressure compression. However, this compressed hydrogen gas (CHG) method has limitations of safety issues and low hydrogen storage density. Liquid organic hydrogen carrier (LOHC) stores hydrogen in the form of liquid organic compounds, allowing safe hydrogen storage at atmospheric pressure, and a high hydrogen storage density. In this study, a comprehensive study was conducted to apply LOHC as a hydrogen storage technology for RHFC systems. First, a net energy analysis was conducted to consider the energy required for system manufacturing and operation. Basic characteristics evaluations were performed on the LOHC material of dibenzyltoluene (DBT), and $Pt/CeO_{2}$ catalysts were developed using glycine nitrate process (GNP), which was capable of synthesizing highly dispersed nano-catalysts to improve dehydrogenation rates. Then, a $20$ $Nm^{3}/h$ LOHC system design was proposed to verify the feasibility of LOHC technology at the system level, and the system was successfully developed and evaluated based on the design. Finally, an energy analysis was carried out on each element technology, and future research and development directions for LOHC technology were suggested. This study will make it possible to store hydrogen more safely with high hydrogen storage density, and the results is applicable to various energy systems utilizing hydrogen in the future.
최근 변동성이 큰 신재생 에너지 비율이 증가함에 따라 전력망의 불안정성이 증가하고 있다. 이를 해결하기 위하여 에너지 저장장치를 활용하여 변동성을 보완하는 기술이 활발히 연구되고 있다. 수소에너지 저장 시스템 (RHFC)는 그 중 하나로서 대용량 에너지 저장이 가능하다는 장점으로 인해 주목을 받고 있다. 기존에는 수소를 고압으로 압축하여 저장하는 방식이 활용되었다. 하지만 수소를 고압으로 압축하는 경우, 안전성 이슈와 낮은 수소저장 밀도를 가지는 한계가 있다. 액상 유기화합물 기반 수소저장 기술 (LOHC)는 액상 유기화합물 형태로 수소를 저장하는 기술로서, 상압에서 안전한 수소저장이 가능하며 높은 수소저장 밀도를 가지는 장점이 있다. 본 연구에서는 RHFC 시스템의 수소저장 기술로서 LOHC를 적용하기 위한 종합적인 연구를 수행하였다. 이를 위해, 순 에너지 분석 (Net energy analysis) 기법을 적용하여 시스템 제조 및 운영을 고려한 종합적인 에너지 분석을 수행하였다. LOHC 소재 중 하나인 Dibenzyltoluene (DBT) 소재에 대한 기초특성 평가를 수행하였으며, 탈수소화 반응속도 개선을 위해 고분산 나노촉매의 합성이 가능한 Glycine nitrate process (GNP)를 활용하여 $Pt/CeO_{2}$ 촉매를 개발하였다. 다음으로 시스템 단위에서 LOHC 기술의 실현가능성을 검증하고자 $20$ $Nm^3/h$급 LOHC 시스템 설계안을 제안하고, 이를 토대로 실증시스템을 개발 및 평가하였다. 최종적으로, 각 단위기술 별로 에너지 분석을 수행하여, 향후 LOHC 관련 연구개발 방향을 제안하였다. 본 연구를 통해 수소를 좀 더 안전하고 고밀도로 저장하는 것이 가능할 수 있으며, 향후 수소를 활용하는 다양한 에너지 시스템에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
