[논문 리뷰] Hydrogen as a Renewable Energy Carrier for Commercial Aircraft

Caleb Amy, Alex Kunycky|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 12.

Hybrid Renewable Energy Systems참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 상업용 항공기의 재생 가능 에너지 운반체로 녹색 수소를 사용하는 가능성에 대해 평가하며, 라킨다 국제공항(LAX)을 수소 연료 인프라로 전환하는 데 초점을 맞춘다. 기술적·경제적 분석을 통해 녹색 수소를 대규모 전기분해 및 효율적인 액화 기술로 생산할 경우, 수소 추진 상업용 여객기의 총 운영 비용이 기존 항공유 기반 항공기보다 낮아질 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

This report starts with the state of the art of electrolysis and liquefaction technology, and then presents a techno-economic case study of converting LAX airport to hydrogen fuel. The main conclusion is that a path exists to hydrogen passenger aircraft having a lower total cost than those powered by jet fuel.

연구 동기 및 목표

• 상업용 항공기에서 항공유를 녹색 수소로 대체하는 기술적·경제적 타당성을 평가하기 위해.
• 대규모 공항에 적용 가능한 전기분해 및 수소 액화 기술의 현재 수준을 평가하기 위해.
• 상업용 항공기용 녹색 수소 공급 허브로 LAX 공항를 전환하는 사례 연구를 수행하기 위해.
• 수소 추진 항공기와 항공유 추진 항공기의 총 소유비용(TCO)을 비교하기 위해.
• 지속 가능하고 비용 경쟁력 있는 수소 항공 생태계를 가능하게 하는 핵심 인프라 및 기술 길잡이를 규명하기 위해.

제안 방법

• 대규모 프로톤 교환 막(PEM) 전기분해를 활용한 녹색 수소 생산에 대한 기술적·경제적 분 析를 수행하였다.
• 고도화된 초저온 공정을 사용하여 LAX에서 녹색 수소를 액체화하는 데 필요한 에너지 및 자본 요구량을 모델링하였다.
• 국제 공항인 LAX와 같은 곳에서 수소를 저장하고 배포하며 충전하기 위한 인프라 요구 사항을 평가하였다.
• 수소 추진 단체형 및 광체형 상업용 여객기의 항공기 수준 성능 및 연료 소비를 예측하였다.
• 수명주기 비용 모델링을 사용하여 수소 추진 항공기와 기존 항공유 추진 항공기의 총 소유비용(TCO)을 계산하였다.
• 재생 가능 전력 가격, 전기분해기 효율성, 액화 에너지 손실이 전체 시스템 경제성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 전기분해로 생산된 녹색 수소가 저비용 재생 가능 전력과 효율적인 전기분해를 통해 상업용 항공기에서 기존 항공유보다 낮은 총 소유비용(TCO)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 로라 테이프 국제공항과 같은 주요 국제공항에 녹색 수소를 도입할 때의 핵심 인프라 및 에너지 변환 과제는 무엇인가?
• RQ3 수소 액화 및 저장 과정에서 발생하는 효율 손실이 전체 웰 투 웨이 에너지 및 비용 균형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 규모의 경제와 재생 가능 전력 가격은 케로신 기반 항공유와 경쟁할 수 있는 녹색 수소를 만드는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 항공기 응용 분야에서 다양한 전기분해 기술과 수소 저장 방법 간의 기술적·경제적 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• 연구 결과, 저비용 재생 가능 전력과 효율적인 전기분해를 통해 생산된 녹색 수소를 사용할 경우, 상업용 항공기의 총 소유비용(TCO)이 기존 항공유 기반 항공기보다 낮아질 수 있음을 확인하였다.
• 대규모로 녹색 수소를 액화하면 높은 에너지 손실이 발생하지만, 고효율 초저온 시스템과 최적화된 충전 로지스틱을 통해 이를 완화할 수 있다.
• 유리한 재생 가능 전력 가격과 규모 확대 조건 하에서 PEM 전기분해를 통한 녹색 수소 생산 비용은 2달러/kg 이하로 감소할 것으로 예측된다.
• 0.03달러/kWh의 재생 가능 전력 가격과 60%의 시스템 효율을 가정할 경우, LAX 공항의 수소 연료 인프라 전환은 20년 기간 동안 기술적으로 가능하고 경제적으로 타당하다.
• 수소 추진 비행의 전체 웰 투 웨이 에너지 비용은 항공유보다 높지만, 낮은 연료 비용과 감소된 탄소 가격 노출로 인해 장기적으로 이를 상쇄할 수 있다.
• 연구는 중요한 임계점을 규명하였다: 전력 가격이 0.03달러/kWh 이하이고 전기분해기 자본 비용이 300달러/kW 이하일 경우, 녹색 수소는 항공유와 비용 경쟁력을 확보하게 된다.