유기성 폐자원 기반 모빌리티용 고순도 수소 생산 통합 공정 개발 및 경제성·환경성 평가
핵심 원료 : 바이오매스(목질계) + 폐플라스틱(PE·PP) 혼합
목표 순도 : ISO 14687 기준 99.999% 이상 초고순도 수소
연구책임자
이재우 교수
01연구의 개요
최종 목표
- 바이오매스와 폐플라스틱 혼합 원료로부터 모빌리티용 초고순도 수소 생산을 극대화하는 전체 공정을 개발하고, 핵심 모듈의 Lab-scale 디자인과 후단 공정 모델링으로 통합 타당성(TEA·LCA)을 검증
연구 범위
- 반응기 제작·실험(Hardware), 공정 모델링(Software), 타당성 평가(Analysis)를 병행하는 3-Track 하이브리드 연구
02연구의 배경 및 필요성
탄소중립 실현 및 폐기물 자원화의 시급성
- 2050 탄소중립 선언이 이어지는 가운데 난분해성 폐플라스틱과 산림·농업 잔재물의 처리 문제가 환경·사회적 이슈로 대두
- 유기성 폐자원을 수소로 전환하는 자원화 기술(Waste-to-Hydrogen)은 순환경제 구축과 탄소 감축을 동시에 달성하는 핵심 전략
초고순도 수소 수요 급증
- FCEV·수소 드론·UAM의 주력 동력원인 PEMFC는 CO, H2S 등 불순물에 의한 촉매 피독에 매우 취약
- 모빌리티 적용에는 ISO 14687 기준 99.999% 이상 초고순도 수소가 필수이며, 폐자원 기반 청정 수소 생산 경로 개발이 요구됨
통합 공정 실증 및 정량적 타당성 평가의 부재
- 가스화·개질에서 WGS, 후단 정제(CO2 포집·PSA)까지 연계하는 통합 공정 설계·검증은 초기 단계이며, TEA·LCA 통합 평가 연구가 요구됨
03주요 연구개발 목표
| 세부 목표 | 주요 내용 |
|---|---|
| ① 통합 경로 확립 | 혼합 원료 가스화·개질 → WGS → CO2 Capture → PSA로 이어지는 전주기 공정 흐름도 최적 설계 |
| ② Lab-scale 실증 | 연속식·반연속식 가스화-WGS 연계 모듈 제작 및 수소 수율 최적 조건 도출 |
| ③ 후단 정제 분석 | 실측 데이터를 연동한 CO2 포집(Amine 흡수) 공정 모델링, PSA는 검증된 상용·문헌 데이터를 차용 |
| ④ TEA·LCA 평가 | 균등화 수소 생산 단가(LCOH) 도출 및 온실가스 감축 잠재량(GWP) 평가 |
04연구 방법 및 추진 전략
[Track 1] 가스화 및 WGS 연계 프로토타입 실증
- 바이오매스(목질계)와 폐플라스틱(PE, PP)을 선정하고 H2 생산량 극대화를 위한 최적 Co-gasification 혼합 비율 도출
- 반응 온도·체류 시간·개질제 투입량·촉매 조건을 최적화하고, WGS 반응기를 직렬 연결해 GC로 수소 수율을 정량 확보
[Track 2] 분리·정제 공정 모델링 (Aspen Plus)
- MEA 등 흡수제 기반 화학적 흡수 공정을 모사하여 CO2 포집 효율 90% 이상 및 재생 에너지를 정밀 산출
- PSA는 상용·문헌 스펙(수소 회수율 60~80%)을 벤치마킹하여 통합 질량 수지를 완성하고 CAPEX·OPEX 인자를 후단 평가에 연계
[Track 3] 경제성(TEA) 및 환경성(LCA) 평가
- 일일 수소 생산량 1~10톤 규모 분산형 H2 Station으로 Scale-up 가정, DCF로 LCOH($/kg-H2) 산출 및 민감도 분석
- SimaPro·Ecoinvent DB를 활용해 Cradle-to-Gate 범위의 GWP를 산정하고 폐자원 처리 회피 효과를 반영
05기대 성과 및 활용방안
성과물
- 가스화-WGS 연계 Lab-scale 디자인, 상용 시뮬레이터 기반 CO2 흡수 설계 파일, 상위 15% 이내 SCI(E)급 논문 게재
활용 방안 및 기대 효과
- 이종 폐자원 복합 가스화 기술로 단일 원료 공정의 한계(낮은 발열량, 타르 발생)를 극복하는 원천기술 확보
- 지역 폐기물을 해당 지역 모빌리티 연료로 전환하는 지역 거점형(On-site) 분산 수소 충전소 설계의 기초 데이터로 활용
- 연료 생산 단계부터 탄소중립을 달성하는 'Well-to-Wheel' 관점의 친환경 모빌리티 생태계 구축에 기여