KR101051306B1 - 압축공기저장 발전시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압축공기저장 발전시스템에 관한 것이다. 본 발명은 압축기를 통하여 압축된 공기가 열교환되는 제1열교환기; 상기 제1열교환기를 통과한 압축공기를 산소와 질소로 분리하는 공기 분리 유닛; 상기 공기 분리 유닛에서 분리된 산소가 저장되는 산소 저장탱크; 상기 공기 분리 유닛에서 분리된 질소가 저장되는 질소 저장탱크; 상기 산소 저장탱크에서 배출된 산소가 연료와 혼합되어 연소되는 연소기; 상기 연소기에서 배출되는 연소 가스에 의해 가동되는 제1터빈; 및 상기 질소 저장탱크에서 배출된 질소에 의해서 가동되는 제2터빈;을 포함하는 압축공기저장 발전시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 압축공기저장 발전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산소와 질소를 분리해서 저장하고 발전을 하는 압축공기저장 발전시스템에 관한 것이다.
심야전기란 전력사용량이 적은 심야시간인 밤 10시 이후부터 다음날 8시까지 또는 밤 11시 이후부터 다음날 9시까지만 사용하는 전기를 의미하며, 생산된 잉여전력을 공급하기 때문에 사용요금이 저렴하다. 따라서 심야전기를 이용하는 다양한 방법이 제시되고 있는바 대표적인 장치로는 심야전기를 축적시켜 사용하는 축열식 심야전기보일러 및 심야전기온수기 등이 있다. 이러한 장치는 야간에 심야전기를 축적하고, 주간에 축적된 에너지를 사용하여 대체적으로 주간에 편중된 전력소비량을 분산시키도록 한 것이다.
또한, 상기 심야전기를 이용하는 다른 방법으로는 지하 공동에 심야전기를 이용하여 압축공기를 축적시키고, 주간에 축적된 압축공기를 터빈에 공급하여 발전기가 구동되도록 하여 주간전력소비를 줄일 수 있도록 한 것이다. 그러나 종래의 심야전기를 이용한 압축공기저장(CAES; Compressed Air Energy Storage) 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 심야전기를 이용해 구동하는 압축기(2)에 의해 압축된 공기를 저장탱크(3)에 주입시키고, 이를 전력소비량이 많은 시간대에 배출되도록 하면서 배출된 압축공기를 연소기(5)에서 연료와 혼합연소시키고, 연소된 연소가스의 압력으로 터빈(4)을 구동시킴으로 인해 발전기가 구동되도록 한 것이다.
이러한 종래의 시스템은 배출되는 배기가스에 대한 관리가 되지 않아 문제가 있고, 시스템을 구현하는 동안에 에너지 효율을 향상시켜 보다 효율적인 시스템을 구현할 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 산소와 질소를 별도로 관리하여 압축공기저장 발전시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 압축공기를 이용해서 전기를 생산하는 과정에서 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 압축공기저장 발전시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기를 통하여 압축된 공기가 열교환되는 제1열교환기; 상기 제1열교환기를 통과한 압축공기를 산소와 질소로 분리하는 공기 분리 유닛; 상기 공기 분리 유닛에서 분리된 산소가 저장되는 산소 저장탱크; 상기 공기 분리 유닛에서 분리된 질소가 저장되는 질소 저장탱크; 상기 산소 저장탱크에서 배출된 산소가 연료와 혼합되어 연소되는 연소기; 상기 연소기에서 배출되는 연소 가스에 의해 가동되는 제1터빈; 및 상기 질소 저장탱크에서 배출된 질소에 의해서 가동되는 제2터빈;을 포함하는 압축공기저장 발전시스템을 제공한다.
또한 상기 제1터빈을 통과한 연소 가스가 열교환되는 제2열교환기를 더 포함하고, 상기 질소 저장탱크에서 배출된 질소는 상기 제2터빈에 공급되기 전에 상기 제2열교환기에서 열교환이 이루어지는 것이 가능하다.
특히 상기 산소 저장탱크에서 배출되는 산소와 상기 질소 저장탱크에서 배출되는 질소는 상기 제1열교환기를 통과하여 열교환이 이루어질 수 있다.
한편 상기 산소 저장탱크에서 배출되어 상기 제1열교환기를 통과한 산소가 상기 연소기에서 연소되기 전에 통과하는 이젝터를 더 포함할 수 있다.
상기 이젝터에는 상기 제2열교환기를 통과한 연소 가스 중에 수증기(H2O)가
전달되어, 산소에 수증기가 포함되어 상기 연소기에서 연소되는 것이 가능하다.
물론 상기 제2열교환기를 통과해서 배출되는 연소 가스 중 이산화탄소(CO2)를 포집하는 이산화탄소 포집 유닛을 더 포함할 수 있다.
이외에도 상기 압축기는 풍력발전, 태양광발전 또는 심야전기를 이용해서 구동되는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 산소와 질소를 분리해서 개별적으로 이용하기 때문에 발생되는 배출 가스를 친환경적으로 관리할 수 있다. 특히 본 발명은 산소와 질소를 각각 저장하므로, 저장된 산소를 이용해서 연소기에서 순산소 연소를 구현할 수 있다. 나아가 순산소 연소에 의하여 이산화탄소(CO2)를 회수할 수 있다.
또한 본 발명은 산소와 질소를 수 차례 열교환시켜 열교환의 효율을 높일 수 있기 때문에, 전체 시스템 내에서 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 압축공기저장 발전시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기저장 발전시스템을 도시한 도면.
도 3은 다른 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기저장 발전시스템을 도시한 도면.
도 3은 다른 실시예를 도시한 도면.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기저장 발전시스템을 도시한 도면이다. 이하 도 2를 참조해서 설명한다.
본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템은 압축기(10)를 통하여 압축된 공기가 열교환되는 제1열교환기(20), 상기 제1열교환기(20)를 통과한 압축공기를 산소와 질소로 분리하는 공기 분리 유닛(30), 상기 공기 분리 유닛(30)에서 분리된 산소가 저장되는 산소 저장탱크(50), 상기 공기 분리 유닛(30)에서 분리된 질소가 저장되는 질소 저장탱크(40), 상기 산소 저장탱크(50)에서 배출된 산소가 연료와 혼합되어 연소되는 연소기(70), 상기 연소기(70)에서 배출되는 연소 가스에 의해 가동되는 제1터빈(80) 및 상기 질소 저장탱크(40)에서 배출된 질소에 의해서 가동되는 제2터빈(100)을 포함한다.
상기 압축기(10)는 풍력발전, 태양광발전 또는 심야전기를 이용해서 구동되는 것이 가능하다. 상기 압축기(10)는 모터에 의해서 구동되면서 공기를 압축하게 된다. 풍력발전, 태양광발전을 이용할 경우 압축기를 구동하기 위해서 불필요하게 기존 전력이 소모되는 것을 방지하고, 친환경적으로 설계가 이루어질 수 있다.
풍력발전은 바람이 지니고 있는 에너지를 사용할 수 있는 전기에너지로 바꿔주는 방식이다. 일반적으로 풍력발전의 원리는 불어오는 바람의 힘으로 풍력발전기의 날개를 회전시키고, 이때 발생된 날개의 회전력으로 전기를 생산하여 사용하게 되는 것이다. 구체적으로 풍력발전기는 날개, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성되어 있는 것이 통상적이다. 풍력발전기의 날개는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이다. 변속장치는 날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시킨다. 발전기는 날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.
태양광발전은 발전기를 사용하지 않고, 태양전지를 이용하여 태양빛을 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식이다. 태양광발전은 태양전지와 축전지, 전력변환장치로 구성되어 있다. 태양빛이 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양전지에 쪼여지면 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 태양전지에 정공(hole)과 전자(electron)가 발생한다. 이때 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 되는 것이다. 태양광발전의 장점은 공해가 없고, 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있으며, 유지보수가 용이하다는 것이다. 반면에 전력생산량이 일조량에 의존하고, 설치 장소가 한정적이며, 초기 투자비와 발전단가가 높은 단점이 있을 수 있다.
심야전기는 전력수요가 적은 밤에 축열하였다가 전력수요가 많은 낮에 이용하여 전력부하의 조화와 기존 발전설비의 이용률을 증대시키는 방법으로 청정에너지라는 장점을 살려 최근 다양한 산업에의 활용이 증가되고 있다.
상기 압축기(10)를 통과한 공기는 상기 압축기(10)에 의해서 가압된다. 기체는 압력이 증가하면 부피가 줄어들기 때문에, 압축 공기는 온도가 증가된다. 따라서 압축 공기는 상기 제1열교환기(20)를 통과하면서 상기 제1열교환기(20)에 에너지를 제공한다. 즉 압축 공기에 의해서 상기 제1열교환기(20)의 온도는 상승할 수 있다.
이어서 압축 공기는 공기 분리 유닛(Air Separation Unit)(30)에서 산소(O2)와 질소(N2)로 분리된다. 상기 공기 분리 유닛(30)은 공기냉각 액화분리공정(cryogenic air separation)을 사용할 수 있으나 다른 방법이 적용되는 것이 가능하다. 이러한 방법은 공기를 액화(liquefaction) 및 정류(rectification)의 물리적 과정을 통하여 산소와 질소의 비등점(boiling point, bp) 차이로 분리탑(distillation column)에서 분리한다. 공기냉각액화분리공정은 N2는 b.p. -195.8℃ 이고, O2는 b.p. -183℃인 차이를 이용하는 방법이다.
상기 공기 분리 유닛(30)에서는 순산소 연소를 위하여 공기로부터 산소와 질소를 분리하게 되는데, 이때 압축공기의 에너지를 이용하여 산소와 질소를 분리시킬 수 있다. 따라서 분리시키기 위한 추가적인 에너지를 필요로 하지 않는다.
상기 공기 분리 유닛(30)을 통해서 분리된 산소는 상기 산소 저장탱크(50)에 수용되고, 질소는 상기 질소 저장탱크(40)에 수용된다. 즉 본 발명에서는 압축 공기를 하나의 저장탱크에 수용하지 않고, 산소와 질소를 구분해서 각각의 저장 탱크에 보관하고 사용하게 된다. 상기 산소 저장탱크(50)과 상기 질소 저장탱크(40)는 각각 지하 또는 동굴에 매설되는 것이 가능하다. 저장탱크가 지하 또는 동굴에 매설되는 경우 지하는 고압과 고온을 견딜 수 있기 때문에 저장탱크 설치에 드는 비용을 줄일 수 있다.
상기 산소 저장탱크(50)에서 배출된 산소와 상기 질소 저장탱크(40)에서 배출된 질소는 상기 제1열교환기(20)를 통과하면서 열교환이 이루어진다. 상기 제1열교환기(20)는 상기 압축기(10)에 의해서 압축된 압축공기가 통과할 때 제공한 에너지를 축적하고 있기 때문에, 상기 산소 저장탱크(50)에서 배출된 산소와 상기 질소 저장탱크(40)에서 배출된 질소에 각각 에너지를 공급해서, 산소와 질소의 온도를 증가시킬 수 있다. 이에 의해서 산소에 의한 연소 효율을 향상시킬 수 있고, 질소의 압력을 증가시켜 질소에 의해서 터빈이 구동되는 힘을 증가시킬 수 있다. 상기 제1열교환기(20)를 통과하여 열교환이 이루어진 경우 질소는 대략 300℃ 정도로 가열될 수 있다.
상기 산소 저장탱크(50)에서 배출된 산소는 연료와 혼합되어 상기 연소기(70)에서 연소가 이루어지고, 그 연소 가스에 의해서 상기 제1터빈(80)을 회전시킬 수 있다. 상기 제1터빈(80)에서 회전된 힘으로 전기를 생산할 수 있다. 이 경우에 상기 연소기(70)에서는 순산소 연소가 이루어지기 때문에, 공급되는 연료가 보다 높은 효율로 연소되어 상기 제1터빈(80)을 구동하는 효율이 향상될 수 있다. 한편 상기 연소기(70)에서 제공되는 연료는 통상적인 연료뿐 만아니라, 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 혼합가스인 폐가스를 연료로 이용하는 것이 가능하다. 상기 연소기(70)에서는 순산소를 이용한 연소가 이루어지기 때문에, 고품질의 연료는 물론 저품질의 연료를 연소시키는 것이 가능하다. 또한 순산소 연소가 이루어지기 때문에 배출 가스에서 이산화탄소를 포집하는 것이 용이하다.
반면에 상기 질소 저장탱크(40)에서 배출된 질소는 상기 제2터빈(100)을 회전시킬 수 있고, 상기 제2터빈(100)에서 회전된 힘으로 전기를 생산할 있다.
도 3은 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 3에 따른 실시예는 도 2에 도시된 실시예에 비해서 에너지 효율을 향상시키기 위해 추가적인 구성요소를 구비한다. 이하 도 3을 참조해서 설명한다.
본 실시예에서는 상기 제1터빈(80)을 통과한 연소 가스가 열교환되는 제2열교환기(90)를 더 포함한다. 상기 제1터빈(80)을 통과한 연소 가스는 500 ~ 600 ℃ 정도이기 때문에, 상기 제2열교환기(90)는 연소 가스에 의해서 에너지를 얻을 수 있다. 물론 도 2의 실시예와 동일하게 상기 제1터빈(80)을 구동하는 것에 의해서 전기가 생산된다.
특히 상기 질소 저장탱크(40)에서 배출된 질소는 상기 제2터빈(100)에 공급되기 전에 상기 제2열교환기(90)에서 열교환이 이루어질 수 있다. 질소는 상기 질소 저장탱크(40)에서 상기 제1열교환기(20) 및 상기 제2열교환기(90)를 차례로 거치면서 최종적으로 500 ~ 600 ℃로 가열될 수 있다. 따라서 질소가 보다 큰 에너지를 갖기 때문에 상기 제2터빈(100)을 구동하는 힘이 커지고, 결과적으로 상기 제2터빈(100)에 의해서 발생되는 전기량이 증가할 수 있다.
도 3의 실시예에서는 상기 산소 저장탱크(50)에서 배출되어 상기 제1열교환기(20)를 통과한 산소가 상기 연소기(70)에서 연소되기 전에 통과하는 이젝터(60)를 더 포함한다. 상기 이젝터(60)에는 상기 제2열교환기(90)를 통과한 연소 가스 중에 수증기(H2O)가 전달되어, 수증기와 산소가 서로 혼합된다. 혼합된 수증기와 산소는 상기 연소기(70)에서 연소가 이루어져, 상기 연소기(70)에서 발생되는 화염의 온도를 낮출 수 있다. 상기 연소기(70) 내에서 산소의 농도가 높으면 화염의 온도도 높아지게 되는데, 상기 이젝터(60)에 의해서 수증기가 일정량 포함될 수 있기 때문에 산소의 농도가 낮아져서 화염의 온도를 낮출 수 있다. 상기 제2터빈(100)을 통해서 배출되는 연소 가스는 대략 500 ~ 600℃ 정도이기 때문에 주변환경에 적은 영향을 주기 위해 온도를 낮출 필요가 있기 때문이다.
특히 상기 산소 저장탱크(50)에서 배출되는 산소는 상기 산소 저장탱크(50) 내에서 압축되어 외부로 배출되기 때문에, 상기 이젝터(60)에서도 소정의 압력을 갖는다. 따라서 상기 제2열교환기(90)를 통과한 수증기는 별도의 가압장치인 압축기를 사용하지 않더라도 산소의 압력에 의해서 원활하게 상기 이젝터(60)로 이동될 수 있다. 이러한 기술 내용은 상기 이젝터(60)의 기본적인 특징을 이용한 것으로 당업자가 자명하게 이해할 수 있을 것으로 판단하여, 구체적인 설명을 생략한다. 상기 이젝터(60)를 사용하는 경우에 별도의 팬 등을 이용하지 않기 때문에 에너지를 절약할 수 있다. 또한 상기 이젝터(60)는 고온에서도 용이하게 적용가능한 장치이기 때문에 본 발명의 설계가 용이하게 이루어질 수 있다.
한편 상기 제2열교환기(90)를 통과해서 배출되는 연소 가스 중 이산화탄소(CO2)를 포집하는 이산화탄소 포집 유닛(110)을 더 포함할 수 있다.
이산화탄소 포집 유닛(110)은 상기 연소기(70)에서 배출되는 연소 가스에서 수증기를 응축시키는 방법으로 이산화탄소를 포집한다. 이러한 단순한 방식으로 이산화탄소의 포집이 가능한 이유는 상기 연소기(70)에서는 순산소 연소가 이루어져 연소 가스가 배출되기 때문이다. 즉 별도의 후처리 과정 없이 순산소 연소가 이루어져, 고농도의 CO2를 회수할 수 있는 점에 본 발명의 주요한 특징이 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
10: 압축기 30: 공기 분리 장치
40: 질소 저장탱크 50: 산소 저장탱크
60: 이젝터 70: 연소기
80: 제1터빈 100: 제2터빈
40: 질소 저장탱크 50: 산소 저장탱크
60: 이젝터 70: 연소기
80: 제1터빈 100: 제2터빈
Claims (7)
- 압축기를 통하여 압축된 공기가 열교환되는 제1열교환기;
상기 제1열교환기를 통과한 압축공기를 산소와 질소로 분리하는 공기 분리 유닛;
상기 공기 분리 유닛에서 분리된 산소가 저장되는 산소 저장탱크;
상기 공기 분리 유닛에서 분리된 질소가 저장되는 질소 저장탱크;
상기 산소 저장탱크에서 배출된 산소가 연료와 혼합되어 순산소 연소가 이루어지는 연소기;
상기 연소기에서 배출되는 연소 가스에 의해 가동되는 제1터빈; 및
상기 질소 저장탱크에서 배출된 질소에 의해서 가동되는 제2터빈;을 포함하고,
상기 산소 저장탱크에서 배출되는 산소와 상기 질소 저장탱크에서 배출되는 질소는 상기 제1열교환기를 통과하여 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1터빈을 통과한 연소 가스가 열교환되는 제2열교환기를 더 포함하고,
상기 질소 저장탱크에서 배출된 질소는 상기 제2터빈에 공급되기 전에 상기 제2열교환기에서 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템. - 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 산소 저장탱크에서 배출되어 상기 제1열교환기를 통과한 산소가 상기 연소기에서 연소되기 전에 통과하는 이젝터를 더 포함하는 압축공기저장 발전시스템. - 제4항에 있어서,
상기 이젝터에는 상기 제2열교환기를 통과한 연소 가스 중에 수증기(H2O)가 전달되어, 산소에 수증기가 포함되어 상기 연소기에서 연소가 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제2열교환기를 통과해서 배출되는 연소 가스 중 이산화탄소(CO2)를 포집하는 이산화탄소 포집 유닛을 더 포함하는 압축공기저장 발전시스템. - 제1항에 있어서,
상기 압축기는 풍력발전, 태양광발전 또는 심야전기를 이용해서 구동되는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
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