KR102061294B1 - 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102061294B1
KR102061294B1 KR1020180020924A KR20180020924A KR102061294B1 KR 102061294 B1 KR102061294 B1 KR 102061294B1 KR 1020180020924 A KR1020180020924 A KR 1020180020924A KR 20180020924 A KR20180020924 A KR 20180020924A KR 102061294 B1 KR102061294 B1 KR 102061294B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
air
heat
transfer medium
heat transfer
liquefied
Prior art date
Application number
KR1020180020924A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190101033A (ko
Inventor
장순남
박종포
류주열
이춘식
염충섭
Original Assignee
고등기술연구원연구조합
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고등기술연구원연구조합 filed Critical 고등기술연구원연구조합
Priority to KR1020180020924A priority Critical patent/KR102061294B1/ko
Publication of KR20190101033A publication Critical patent/KR20190101033A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102061294B1 publication Critical patent/KR102061294B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0012—Primary atmospheric gases, e.g. air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/004—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by flash gas recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/0045—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by vaporising a liquid return stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/007—Primary atmospheric gases, mixtures thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0201—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using only internal refrigeration means, i.e. without external refrigeration
    • F25J1/0202—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using only internal refrigeration means, i.e. without external refrigeration in a quasi-closed internal refrigeration loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F25J1/0245—Different modes, i.e. 'runs', of operation; Process control
    • F25J1/0251—Intermittent or alternating process, so-called batch process, e.g. "peak-shaving"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/24—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using regenerators, cold accumulators or reversible heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/30—Compression of the feed stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/90—Hot gas waste turbine of an indirect heated gas for power generation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

본 발명은 잉여 전력으로 공기를 액화시켜 저장하고, 액화 공기를 재기화시켜 전력을 생산하는 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템은, 공기를 액화시켜 저장하는 공기 액화 시스템; 액체 공기를 재기화시켜 전력을 생산하는 재기화 시스템; 상기 공기 액화 시스템과 재기화 시스템을 연결하며 제1 열전달 매체가 순환하면서 상기 재기화 시스템에서 상기 액체 공기로부터 냉열을 회수하여 상기 공기 액화 시스템에서 공기를 액화시키기 위한 냉열로 제공하는 제1 냉매 사이클; 및 상기 제1 냉매 사이클과 병렬로 설치되며, 상기 제1 열전달 매체와 서로 다른 운전점을 갖는 제2 열전달 매체가 순환하는 제2 냉매 사이클;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법 {Liquefied Air Energy Storage System and Method}
본 발명은 잉여 전력으로 공기를 액화시켜 저장하고, 액화 공기를 재기화시켜 전력을 생산하는 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
세계적으로 화석연료를 이용한 전기생산량은 전체 전기생산량의 약 70%를 차지하는데 비해, 신재생에너지를 이용한 전기생산량은 전체 전기생산량의 약 6%에 불과한다. 최근 기후변화 연구에 따르면, 지구의 기온 상승을 2℃ 미만으로 유지하기 위해서는 2050년까지 이산화탄소(CO2) 배출량을 현재의 90% 이하로 감축시켜야 하며, 이를 위해서는 기존의 화석연료 사용을 반드시 저감시켜야 한다.
따라서, 화석연료의 대체에너지로서 신재생에너지를 이용한 전기생산량을 현저하게 증가시켜야 할 필요가 있다. 그러나 아직 대부분의 신재생에너지는 생산량의 변동이 크기 때문에 전력수요와 공급의 균형을 맞추는데 어려움이 있다.
이를 보완하기 위해서는, 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)의 적용을 고려해볼 수 있다. 에너지 저장 시스템을 적용함으로써 안정적인 전기 공급과 유연성을 제공할 수 있다.
신재생에너지 저장 시스템으로는, 리튬이온전지(Li-ion battery), 나트륨-황전지(NaS battery), 레독스 흐름 전지(Redox flow battery), 수퍼 캐퍼시터(super capacitor), 플라이 휠(flywheel), 압축공기 저장(CAES; Compressed Air Energy Storage) 시스템, 양정 수력 저장(PHS; Pumped Hydro Storage) 시스템, 액화 공기 저장(LAES; Liquid Air Energy Storage) 시스템 등이 대두되고 있다.
에너지 저장 시스템은, 지리적 특성이나 에너지 밀도, 수명, 설치 및 운영 비용, 안정성 등을 기준으로 평가되고 적용된다. 각 에너지 저장 시스템 별로 장단점이 있으나 그 중 양정 수력 저장 방법이 가장 대표적인 에너지 저장방법이다. 또한, 액화 공기 저장 장치는 지리적 제약이 적고, 수명이 길며, 운영 비용이 적고, 공기를 이용한 안전한 저장 방식을 이용한다는 점에서 상용화 가능성이 높다.
액화 공기 저장(LAES) 시스템의 기본 원리는 다음과 같다. 기체 상태의 공기를 압축시키고, 압축 공기를 약 -196℃ 이하로 냉각시켜, 에너지 밀도가 높은 액체 상태로 저장한다. 액체 상태로 저장된 액화 공기를 가열하여 고압의 기체 상태로 만들고, 이 고압의 공기로 터빈을 구동시켜 전력을 생산한다.
이러한 액화 공기 저장 시스템은, 전력수요가 적을 때 잉여의 에너지를 액화 공기 형태로 저장하고, 전력수요가 많을 때 액화 공기를 기화시켜 추가 전력을 생산함으로써, 계통 전력망의 전력 수급 불균형을 해소할 수 있다.
또한, 액화 공기 저장 시스템은, 양정 수력 저장(PHS) 시스템에 비해 비용 소모가 적고, 압축공기 저장(CAES) 시스템에 비해 지형적인 제약을 덜 받는다는 장점이 있다.
그러나, 외부의 별도 열원 없이 공기만으로 액화 공기 저장 시스템의 에너지 사이클을 구성하게 되면, 공기의 팽창열 및 압축열만을 이용하여 공기를 액화 및 기화시키므로, 사이클 내 온도 구배가 크지 않고 에너지 손실이 많아 사이클 효율이 낮다는 문제점이 있다. 실증 플랜트의 공정 효율은 약 8% 내외인 것으로 알려져 있다.
이를 해결하기 위해서는, 추가적인 외부 열원을 이용하여 에너지 효율을 높이는 방안을 고려할 수 있는데, 활용 가능한 주변 시스템의 존재 여부와 지속적인 운영 가능성 등 다양한 사항을 고려해야만 한다.
예를 들어, LNG 재기화 공정에서 버려지는 냉열이나, 기존 발전소의 폐열을 활용하는 방법이 제안된 바 있으나, 이 경우 LNG 재기화 플랜트나 발전소가 액화 공기 저장 플랜트와 인접하여 있어야 한다는 단점이 있다.
또는, 에너지 사이클 내 냉각 공기를 일부 분기시켜 재순환시키는 방법(영국 Highview 사)이 있으나, 이 경우에도 효율 향상에 기여하는 바는 미비하며, 전체 순환 공기량이 증가하여 설계 및 제작이 어렵고, 관련 장치의 용량 및 배관 사이즈가 커진다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하고자, 별도의 외부 열원 없이도 공기 액화 및 기화 공정을 연계하고, 공정의 효율을 높일 수 있는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 공기를 액화시켜 저장하는 공기 액화 시스템; 액체 공기를 재기화시켜 전력을 생산하는 재기화 시스템; 상기 공기 액화 시스템과 재기화 시스템을 연결하며 제1 열전달 매체가 순환하면서 상기 재기화 시스템에서 상기 액체 공기로부터 냉열을 회수하여 상기 공기 액화 시스템에서 공기를 액화시키기 위한 냉열로 제공하는 제1 냉매 사이클; 및 상기 제1 냉매 사이클과 병렬로 설치되며, 상기 제1 열전달 매체와 서로 다른 운전점을 갖는 제2 열전달 매체가 순환하는 제2 냉매 사이클;을 포함하는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 공기 액화 시스템은, 공기를 압축시키는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 공기를 상기 제1 열전달 매체 및 제2 열전달 매체와의 열교환에 의해 액화시키는 주 열교환기; 및 상기 액화된 액체 공기를 저장하는 액화 공기 저장탱크;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 액화 시스템은, 상기 주 열교환기에서 액화된 액체 공기를 감압시키는 감압밸브;를 더 포함하고, 상기 감압밸브에서 감압에 의해 온도가 더 낮아진 액체 공기가 상기 액화 공기 저장탱크에 저장될 수 있다.
바람직하게는, 상기 액화 공기 저장탱크에서 생성된 자연기화공기 또는 상기 감압 과정에서 발생한 플래시 가스를 상기 압축기 전단으로 회수하는 기체 공기 회수라인;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 재기화 시스템은, 상기 액체 공기를 상기 제1 열전달 매체와의 열교환에 의해 재기화 시키는 재기화기; 상기 재기화기에서 기화된 재기화 공기를 상기 제2 열전달 매체와의 열교환에 의해 가열시키는 복열기; 및 상기 가열된 재기화 공기를 작동 유체로 하여 전력을 생산하는 터빈-발전기;를 포함하고, 상기 재기화기 전단에 설치되며, 상기 터빈-발전기의 입구 측 압력 및 출구 측 압력간의 차압을 크게 하기 위해 상기 재기화기로 공급되는 액체 공기를 가압하는 액화 공기 펌프;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 재기화 공기를 폐열을 이용하여 더 가열시키는 가열기;를 더 포함하고, 상기 복열기 및 가열기 중 어느 하나 이상을 통과하면서 가열된 재기화 공기가 상기 터빈-발전기의 작동 유체로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 열전달 매체의 액화점은 상기 제2 열전달 매체의 액화점보다 낮을 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 냉매 사이클은, 상기 공기 액화 시스템 및 재기화 시스템 중 어느 하나만이 작동될 때, 상기 제1 열전달 매체의 냉열 또는 온열을 저장하는 냉열 저장장치;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 냉매 사이클은, 상기 공기 액화 시스템 및 재기화 시스템 중 어느 하나만이 작동될 때, 상기 제2 열전달 매체의 냉열 또는 온열을 저장하는 냉열 저장장치;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 액화 시스템은 잉여 전력이 발생하였을 때 잉여 전력을 활용하여 공기를 액화시키고, 상기 재기화 시스템은 전력 수요가 전력 공급량보다 많을 때 상기 액체 공기를 이용하여 추가 전력을 생산할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 공기를 압축 및 냉각에 의해 액화시켜 저장하는 액화 및 저장 단계; 상기 저장된 액체 공기를 재기화시켜 전력을 생산하는 재기화 및 발전 단계;를 포함하고, 상기 액화 및 저장 단계는, 상기 재기화 및 발전 단계에서 상기 액체 공기를 재기화시키면서 회수한 냉열을 이용하여 공기를 액화시키고, 상기 재기화 및 발전 단계는, 상기 액화 및 저장 단계에서 상기 공기를 액화시키면서 회수한 온열을 이용하여 액체 공기를 재기화시키는, 액화 공기를 이용한 발전 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 액화 및 저장 단계는, 잉여 전력을 이용하여 공기를 액화시키고, 상기 재기화 및 발전 단계는, 전력 수요가 전력 공급량보다 많을 때 전력을 추가로 생산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 액화 및 저장 단계와 상기 재기화 및 발전 단계는, 시간상 연속되지 않고, 상기 액화 및 저장 단계는 실시되지 않고, 상기 재기화 및 발전 단계만을 실시할 때에는. 상기 회수한 냉열을 상변화가 없는 액상 축열 방식으로 저장하고, 상기 액화 및 저장 단계를 실시할 때에 상기 저장된 냉열을 활용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 액화 및 저장 단계와 상기 재기화 및 발전 단계는, 시간상 연속되지 않고, 상기 재기화 및 발전 단계는 실시되지 않고, 상기 액화 및 저장 단계만을 실시할 때에는. 상기 회수한 온열을 상변화가 없는 액상 축열 방식으로 저장하고, 상기 재기화 및 발전 단계를 실시할 때에 상기 저장된 온열을 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법은, 별도의 외부 열원 없이도 냉매 사이클을 이용하여 공기 액화 및 기화 공정을 효과적으로 연계할 수 있다.
특히, 냉매 사이클을 순환하는 열전달 매체를 이용하여 공기 액화 공정에서 회수한 온열을 재기화 공정에 활용하고, 재기화 공정에서 회수한 냉열은 공기 액화 공정에서 활용할 수 있다.
또한, 계통 전력망과 연계하여, 전력 수요가 적은 시간대에는 잉여전력을 활용하여 공기를 액화시키는 방식으로 에너지를 저장하고, 전력 수요 피크 시간대에는 액화 공기를 재기화시켜 추가 전력을 생산함으로써, 잉여전력 활용 효율을 개선할 수 있다.
또한, 액화 공정과 재기화 공정이 열전달 매체에 의해 열에너지를 주고 받아 활용함으로써 액화 공정과 재기화 공정을 동시에 실시하거나 시간적으로 연속 운전할 수 있음은 물론이고, 액화 공정과 재기화 공정이 비연속적으로 시간차 운전을 실시하더라도 액화 공정에서 회수한 열에너지와 재기화 공정에서 회수한 열에너지를 냉열 저장장치에 저장함으로써 상호 활용할 수 있다.
따라서, 전력 수요 피크 시간대에 전력을 생산을 위한 재기화 공정에서 회수한 열에너지는 냉열 저장장치에 저장함으로써, 액화 및 재기화 시 액화열 및 기화열을 이용할 수 있다. 그에 따라, 공정의 효율을 극대화할 수 있으며, 발전량을 증가시킬 수 있다.
또한, 공기 액화 및 재기화 시, 공기 자체만의 압축열 및 팽창열을 이용한 공정에 비해, 냉매 사이클을 활용함으로써 공정 효율을 개선할 수 있고, 공기 액화 시스템, 재기화 시스템 외 타 시스템과 연계되지 않는 발전 시스템으로서 모듈화할 수 있으므로, 적용이 용이하다.
또한, 액체 공기를 이용한 전력 생산 시, 기존의 발전 시스템으로부터 얻은 배열회수보일러 후단의 연도가스 등 온도가 낮아 재활용이 어려운 폐열을 회수하여 터빈으로 도입되는 액체 공기를 가열시키는 열원으로 사용함으로써, 사이클 효율을 개선할 수 있다.
또한, 냉매 사이클 내 냉열 저장장치 외에 별도의 열 저장장치가 필요하지 않으므로, 각 액화 및 재기화 공정의 성능 확인이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전의 공정 개념을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템을 간략하게 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 사이클 내 냉열 저장장치를 간략하게 도시한 개념도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전의 공정 개념을 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템을 간략하게 도시한 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 사이클 내 냉열 저장장치를 간략하게 도시한 개념도이다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법은 도 1에 도시된 공정 개념을 따른다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 방법은, 기체 상태의 공기를 액화시키고, 액화된 액체 공기를 저장하는 액화 및 저장 단계(S100);와, 저장된 액체 공기를 재기화시키고, 기체 상태의 재기화 공기를 이용하여 전력을 생산하는 재기화 및 발전 단계(S200);를 포함한다.
본 실시예의 액화 및 저장 단계(S100)는, 기체 상태의 공기를 압축하는 압축 단계; 압축 공기를 냉각시키는 냉각 단계; 및 냉각된 압축 공기를 감압시키는 감압 단계;와 압축, 냉각 및 감압 단계를 거치면서 액화된 공기를 액체 상태로 저장하는 저장 단계;를 포함한다.
본 실시예의 재기화 및 발전 단계(S200)는, 저장된 액체 공기를 가압하는 가압 단계; 가압된 액체 공기를 재기화시키는 기화 단계; 및 기화된 기체 상태의 공기를 팽창시키고 팽창일에 의해 전력을 생산하는 팽창 단계;를 포함한다.
상술한 바와 같이, 액화 및 저장 단계(S100)에서는 공기를 액화시키기 위하여 공기에 냉열을 제공하는 저온열원을 필요로 하고, 재기화 및 발전 단계(S200)에서는 액체 공기를 재기화시키기 위하여 액체 공기에 온열을 제공하는 고온열원을 필요로 한다.
본 실시예에 따르면, 액화 및 저장 단계(S100)에서 필요로 하는 냉열과 재기화 및 발전 단계(S200)에서 필요로 하는 온열을, 냉매 사이클을 순환하는 열전달 매체를 이용하여 제공한다. 냉매 사이클을 순환하는 열전달 매체는, 재기화 및 발전 단계(S200)에서 액체 공기를 기화시키면서 액체 공기로부터 냉열을 얻고, 액체 공기로부터 얻은 냉열을 액화 및 저장 단계(S100)에서 공기를 액화시키기 위한 냉열로 활용하며, 액화 및 저장 단계(S100)에서 공기를 액화시키면서 기체 공기로부터 온열을 얻고, 기체 공기로부터 얻은 온열을 다시 재기화 및 발전 단계(S200)에서 액화 공기를 재기화시키기 위한 온열로 활용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 액화 공기를 이용한 발전 방법의 개념은, 후술하는 액화 공기를 이용한 발전 시스템을 통하여 실시될 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템을 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 공기를 액화시키고, 액화된 액체 공기를 저장하는 공기 액화 시스템(100); 및 액체 공기를 재기화시키고, 재기화된 기체 공기를 이용하여 전력을 생산하는 재기화 시스템(200);을 포함한다.
공기 액화 시스템(100)과 재기화 시스템(200)은 제1 열전달 매체가 순환하는 제1 냉매 사이클(300);과 제2 열전달 매체가 순환하는 제2 냉매 사이클(400);을 공유한다. 공기 액화 시스템(100)은 제1 냉매 사이클(300)을 순환하는 제1 열전달 매체와 제2 냉매 사이클(400)을 순환하는 제2 열전달 매체로부터 공기를 액화시키기 위한 냉열을 얻는다. 또한, 재기화 시스템(200)은 제1 냉매 사이클(300)을 순환하는 제1 열전달 매체와 제2 냉매 사이클(400)을 순환하는 제2 열전달 매체로부터 액체 공기를 재기화 시키기 위한 온열을 얻는다.
제1 열전달 매체는, 제1 냉매 사이클(300)을 순환하면서, 재기화 시스템(200)에서 액체 공기를 기화시키면서 얻은 냉열을 공기 액화 시스템(100)에서 공기를 액화시키기 위한 냉열로 제공하고, 공기 액화 시스템(100)에서 공기를 액화시키기 위한 냉열을 제공하면서 얻은 온열은 다시 재기화 시스템(200)에서 액체 공기를 기화시키기 위한 온열로 공급한다.
제2 열전달 매체는, 제2 냉매 사이클(400)을 순환하면서, 재기화 시스템(200)에서 액체 공기를 기화시키면서 얻은 냉열을 공기 액화 시스템(100)에서 공기를 액화시키기 위한 냉열로 제공하고, 공기 액화 시스템(100)에서 공기를 액화시키기 위한 냉열을 제공하면서 얻은 온열은 다시 재기화 시스템(200)에서 액체 공기를 기화시키기 위한 온열로 공급한다.
공기 액화 시스템(100)으로는, 제1 열전달 매체가 제2 열전달 매체보다 더 낮은 온도의 냉열을 제공할 수 있다. 따라서, 제1 열전달 매체가 공기를 액화시키는 주 냉매로 활용되고, 제2 열전달 매체는 공기를 액화시키는 보조 냉매로 활용될 수 있다.
또한, 제1 열전달 매체가 재기화 시스템(200)으로 공급하는 온열은, 제2 열전달 매체가 재기화 시스템(200)으로 공급하는 온열보다 더 낮은 온도의 온열일 수 있고, 따라서, 제1 열전달 매체는 제2 열전달 매체보다 전단에서 액체 공기에 온열을 제공할 수 있다.
본 실시예의 공기 액화 시스템(100)은, 공기 액화 시스템(100)으로 유입된 공기(500)를 압축시키는 압축기; 압축된 공기를 제1 열전달 매체 및/또는 제2 열전달 매체와 열교환에 의해 냉각(액화)시키는 주 열교환기(107); 주 열교환기(107)에서 액화된 공기를 감압시키는 감압밸브(108); 및 액화 공기를 저장하는 액화 공기 저장탱크(109);를 포함한다.
본 실시예의 압축기는, 상압(약 100 kPa, 약 1 bar)의 공기를 일정 이상의 압력, 예를 들어 약 10,000 kPa(약 100 bar) 이상의 압력으로 압축시킬 수 있다.
압축기는, 다단계에 걸쳐 공기를 압축시킬 수 있도록 다수개의 압축기를 포함하는 다단 압축기로 구성될 수 있다.
공기는 고압으로 압축할수록 액화 공기의 수율(유입된 기체 상태의 공기량 대비 생산되는 액체 상태의 공기량)이 높아지는 경향이 있으나, 고압으로 압축할수록 압축일이 커지므로 전체 에너지 효율은 감소하게 된다. 따라서, 고압의 압축을 통해 많은 양의 전기 에너지를 소모하기 보다는, 압축 단계수 및 각 단계에서의 압축비와 액체 공기 생산량과의 상관관계를 분석하여 다단 압축 정도와 적정 압축비를 결정하여 사이클을 최적화하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 압축기가 제1 공기압축기(101); 제2 공기압축기(102); 및 제3 공기압축기(103);를 포함하여, 3단계에 걸쳐 기체 공기를 압축시키는 3단 압축기(101, 102, 103)인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
본 실시예에서는, 부피 압축 타입의 압력 승압 시 한계점, 즉, 1단 압축만으로는 압축기 후단에서 원하는 압력(약 100 bar 이상)을 얻기 어렵고 부피비가 커진다는 점을 고려하여, 3단계의 공기 압축 방식을 채용하고, 각 단계별 압축비는 약 5:1로 함으로써 최적의 공정 효율을 얻을 수 있다. 압축 단계 수와 단계별 압축비는 이에 한정하는 것은 아니며, 시스템의 용량이나 공기 유입 온도 등 다양한 변수를 고려하여 최적값을 도출할 수 있다. 단, 본 실시예에서 압축기는 3단 압축기이며, 각 압축 단계에서의 압축비는 5:1인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
본 실시예에서, 공기 액화 시스템(100)으로 유입된 공기(500)는, 압축기에서 3단계에 걸쳐 약 10,000 kPa(약 100 bar) 이상 또는 약 약 10,000 kPa(약 100 bar) 내지 약 15,000 kPa(약 150 bar), 또는 약 12,000kPa (약 120 bar)로 압축될 수 있다.
본 실시예의 제1 공기 압축기(101)에서는, 상압, 즉 약 100 kPa(약 1 bar)로 유입된 공기(500)를 약 500 kPa(약 5 bar)로 압축시키고, 제2 공기 압축기(102)에서는 제1 공기 압축기(101)에서 약 500 kPa(약 5 bar)로 압축된 공기를 약 2,500 kPa(약 25 bar)로 압축시키며, 제3 공기 압축기(103)에서는 제2 공기 압축기(102)에서 약 2,500 kPa(약 25 bar)로 압축된 공기를 약 12,000 kPa(약 120 bar)로 압축시킬 수 있다. 상술한 바와 같이 압축기로부터 토출되는 압축 공기의 압력과 각 단계에서의 압축비가 이에 한정되는 것은 아니다.
각 압축기의 후단에는, 압축 공정에 의해 온도가 상승한 압축 공기를 냉각시키는 인터쿨러(intercooler)가 구비될 수 있다.
즉, 본 실시예와 같이 압축기가 3단 압축기(101, 102, 103)로 구성되는 경우, 제1 공기 압축기(101) 후단에 구비되며 제1 공기 압축기(101)에서 압축되면서 온도가 상승한 제1 압축 공기를 냉각시키는 제1 인터쿨러(104);와 제2 공기 압축기(102) 후단에 구비되며 제2 공기 압축기(102)에서 압축되면서 온도가 상승한 제2 압축 공기를 냉각시키는 제2 인터쿨러(105);와 제3 공기 압축기(103)후단에 구비되며 제3 공기 압축기(103)에서 압축되면서 온도가 상승한 제3 압축 공기를 냉각시키는 제3 인터쿨러(106);를 포함할 수 있다. 여기서 제3 인터쿨러(106)는 압축기의 가장 후단에 설치되는 애프터쿨러(after cooler)일 수 있다. 이하, 본 명세서에서 압축기라 함은, 인터쿨러(및 애프터쿨러)를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
압축기에서 압축된 압축 공기는, 주 열교환기(107)로 유입되며, 주 열교환기(107)에서 열교환에 의해 액화된다.
본 실시예에서, 3단 압축기(101, 102, 103)를 통과하면서 약 12,000 kPa(약 120 bar)로 압축된 압축 공기는, 주 열교환기(107)에서 열교환에 의해 약 -184℃까지 냉각될 수 있으며, 이 과정에서 공기는 액체 상태가 된다.
본 실시예의 주 열교환기(107)에서는, 압축기(101, 102, 103)에서 압축된 압축 공기;와, 제1 냉매 사이클(300)을 순환하는 제1 열전달 매체;와, 제2 냉매 사이클(400)을 순환하는 제2 열전달 매체;가 열교환하여, 압축 공기는 냉각(액화)되고, 제1 열전달 매체 및 제2 열전달 매체는 압축 공기를 냉각시키면서 압축 공기의 온열을 회수하여 온도가 상승한다.
주 열교환기(107)를 통과하면서 액화된 액체 공기는, 감압밸브(108)로 유입되며, 감압밸브(108)는 액체 공기를 액화 공기 저장탱크(109)에서 요구하는 압력, 또는 상압 수준 까지 감압시킬 수 있다.
본 실시예의 감압밸브(108)는 액체 공기를 단열팽창시킬 수 있고, 액체 공기는 감압밸브(108)를 통과하면서 단열팽창되어 압력 및 온도가 낮아질 수 있다.
본 실시예의 감압밸브(108)는 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson valve)일 수 있다. 감압밸브(108)를 이용하여 압축기에서 다단압축된 공기를 팽창시킴으로써, 줄-톰슨 효과에 의해 액화 공기의 온도는 더 낮아진다. 따라서, 공기 액화 수율을 높이고, 저장성을 높일 수 있다.
본 실시예에서, 주 열교환기(107)에서 약 -180℃이하로 냉각된 액체 공기는, 감압밸브(108)를 통과하면서 온도가 약 -190℃ 이하로 낮아질 수 있다.
본 실시예의 액화 공기 저장탱크(109)는, 공기 액화 시스템(100)을 통과하면서 액화된 액체 공기(600)를 저장하기 위한 것으로서, 액체 공기가 극저온의 온도를 유지하며 액체 상태로 저장되어 있을 수 있도록 단열 처리될 수 있다.
본 실시예의 액화 공기 저장탱크(109)의 운용 압력은 약 100 kPa 내지 약 200 kPa(약 1 bar 내지 약 2 bar), 또는 약 150 kPa(약 1.5 bar)일 수 있다. 즉, 본 실시예의 액화 공기 저장탱크(109)에 저장된 액체 공기의 압력은 약 100 kPa 내지 약 200 kPa(약 1 bar 내지 약 2 bar), 또는 약 150 kPa(약 1.5 bar)일 수 있다.
또한, 감압밸브(108)는 압축기(101, 102, 103) 및 주 열교환기(107)를 통과하면서 액화된 공기를 약 100 kPa 내지 약 200 kPa(약 1 bar 내지 약 2 bar), 또는 약 150 kPa(약 1.5 bar)까지 감압시킬 수 있다.
감압밸브(108)에 의해 약 150 kPa(약 1.5 bar)로 감압된 액체 공기는 이 과정에서 약 -191℃까지 온도가 낮아질 수 있다. 이때, 주 열교환기(107)를 통과하면서 액화되지 않은 기체가 있다면, 감압밸브(108)를 통과하면서 전량이 액체 상태로 액화될 수 있다. 또한, 감압밸브(108)를 통과한 액체 공기는 과냉각 액체일 수 있다.
감압밸브(108)를 통과하면서 압력 및 온도가 낮아진 액체 공기의 압력은 약 150 kPa(약 1.5 bar), 온도는 약 -191℃일 수 있다.
즉, 액화 공기 저장탱크(109)는, 약 100 kPa 내지 150 kPa(약 1 bar 내지 1.5 bar), 약 -191℃ 내지 -185℃의 조건 하에서 액체 공기를 저장하고 있을 수 있다.
본 실시예의 압축기(101, 102, 103), 주 열교환기(107), 감압밸브(108) 및 액화 공기 저장탱크(108)는, 공기 액화라인(AL)에 의해 연결될 수 있으며, 공기 액화 시스템(100)으로 유입된 공기는, 공기 액화라인(AL)을 따라 유동하면서 액화되고, 액화 공기 저장탱크(109)에 저장된다.
또한, 액화 공기 저장탱크(109)는, 액화 공기 저장탱크(109)에 저장된 액체 상태의 액체 공기를 배출시키는 액화 공기라인(LL); 및 액화 공기 저장탱크(109)로부터 기체 상태의 공기를 배출시키는 기체 공기 회수라인(AL1);과도 연결된다.
액화 공기라인(LL)은 후술하는 재기화 시스템(200)과 연결될 수 있으며, 액체 공기는 액화 공기 저장탱크(109)로부터 액화 공기라인(LL)을 따라 유동하며 재기화 시스템(200)으로 유입된다.
기체 공기 회수라인(AL1)은 압축기(101, 102, 103) 전단의 액화 공기라인(AL)으로 합류될 수 있으며, 기체 공기는 액화 공기 저장탱크(109)로부터 기체 공기 회수라인(AL1)을 따라 유동하며 압축기(101, 102, 103)로 재공급될 수 있다.
본 실시예의 액화 공기 저장탱크(109)의 내압은 약 1.5 bar로 운용되므로, 기체 공기 회수라인(AL1)은 액화 공기 저장탱크(109)로부터 배출된 기체 공기의 압력과 가장 유사한 압력의 도입 압력을 갖는 제1 공기 압축기(101) 전단으로 연결되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 실시예의 제1 공기 압축기(101)로는, 공기 액화 시스템(100)으로 유입된 공기(500)와 기체 공기 회수라인(AL1)을 따라 재도입되는 기체 공기의 혼합공기가 유입될 수 있다.
기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 회수되는 기체 공기가 없는 경우에는 공기 액화 시스템(100)으로 유입되는 공기(500)만이 제1 공기 압축기(101)로 도입될 수 있음은 물론이고, 기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 회수되는 기체 공기의 유량이 많은 경우에는, 기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 회수되는 기체 공기만이 제1 공기 압축기(101)로 도입될 수도 있을 것이다. 그러나, 기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 회수되는 기체 공기는, 액화 공기 저장탱크(109)로부터 배출된 극저온 상태이므로, 기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 회수되는 기체 공기만을 제1 공기 압축기(101)로 공급하는 것보다는 외부로부터 유입되는 공기(500)와 혼합함으로써 온도를 조절하여 공급하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 외부로부터 유입되는 공기(500)는 약 100 kPa(약 1 bar), 15℃일 수 있다. 또한, 액화 공기 저장탱크(109)로부터 배출되는 기체 공기는, 약 150 kPa(약 1.5 bar), -191℃이며, 제1 공기 압축기(101)로 도입되는 혼합 공기는 약 100 kPa(약 1 bar), 약 2℃일 수 있다. 그러나, 혼합 공기의 온도는 외부로부터 유입되는 공기(500)의 유량과 기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 회수된 기체 공기의 유량에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
기체 공기 회수라인(AL1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 주 열교환기(107)와도 연결될 수 있다. 즉, 기체 공기 회수라인(AL1)을 따라 압축기(101, 102, 103)로 재공급되는 기체 공기는, 압축기(101, 102, 103)로 재도입되기 전에, 주 열교환기(107)에서 열교환에 의해 온도가 상승한 후 압축기(101, 102, 103)로 재도입될 수 있다.
즉, 본 실시예의 주 열교환기(107)에서는, 압축기(101, 102, 103)에서 압축된 압축 공기;와, 제1 냉매 사이클(300)을 순환하는 제1 열전달 매체;와, 제2 냉매 사이클(400)을 순환하는 제2 열전달 매체; 및 기체 공기 회수라인(AL1)을 따라 액화 공기 저장탱크(109)로부터 압축기 전단으로 회수되는 회수 기체 공기;가 열교환하여, 압축 공기는 냉각(액화)되고, 제1 열전달 매체, 제2 열전달 매체 및 회수 기체 공기는 압축 공기를 냉각시키면서 온도가 상승한다.
기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 주 열교환기(107)로 도입되는 기체 공기는 약 150 kPa(약 1.5 bar), -191℃일 수 있고, 주 열교환기(107)에서 열교환을 마치고 기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 배출되는 기체 공기는 약 140 kPa(약 1.4 bar), -129℃일 수 있다.
제1 공기 압축기(101)로 도입되는 공기 흐름은, 상술한 바와 같이, 외부로부터 유입된 약 100 kPa(약 1 bar), 15℃의 유입 공기(500)와 약 140 kPa(약 1.4 bar), -129℃의 회수 기체 공기가 혼합된, 약 100 kPa(약 1 bar), 2℃의 혼합공기일 수 있다.
기체 공기 회수라인(AL1)을 통해 회수되는 기체 공기는, 액화 공기 저장탱크(109) 내에서 저장된 액체 공기가 자연기화하여 생성된 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)이거나, 주 열교환기(107)에서 냉각되면서 액화된 액체 공기가, 감압밸브(108)를 통과하면서 발생한 플래시 가스(flash gas)등 일 수 있다.
도 2의 본 실시예의 공기 액화 시스템(100)에 표시된 각 위치에서 유체의 압력 및 온도를 표 1에 나타내었다.
위치 유체 압력(kPa) 온도(℃)
1 유입 공기(500) 100 15
2 유입 공기와 회수 기체 공기의 혼합 100 2
3 제1 공기 압축기(101) 후단 공기 500 183
4 제1 인터쿨러(104) 후단 공기 490 20
5 제2 공기 압축기(102)후단 공기 2,500 216
6 제2 인터쿨러(105) 후단 공기 2,470 20
7 제3 공기 압축기(103)후단 공기 12,000 210
8 제3 인터쿨러(106) 후단 공기 11,990 35
9 주 열교환기(107) 후단 공기 11,800 -184
10 감압밸브(108) 후단 공기 150 -191
11 액화 공기 저장탱크(109)로부터
배출된 기체 공기		 150 -191
12 주 열교환기(107) 후단 회수 기체 공기 140 -129
표 1에 나타낸 각 위치에서의 유체의 압력 및 온도는, 본 실시예에서 공기 액화 시스템(100)과 재기화 시스템(200)을 모두 가동할 때, 즉, 액화 공정과 재기화 공정이 함께 실시될 때의 공정 시뮬레이션 결과이며, 공정 규모나 유입 공기 온도, 유량, 장치의 용량 등 다양한 변수 조절에 따라, 각 위치 별 수치는 달라질 수 있다.
예를 들어, 공기 액화 시스템(100)으로 유입된, 약 100 kPa, 약 15℃의 공기(위치 1)는, 제1 공기 압축기(101)를 통과하면서 약 500 kPa까지 압축되고, 압축에 의해 온도가 183℃까지 상승하며, 제1 인터쿨러(104)에서 약 20℃로 냉각된 후, 제2 공기 압축기(102)로 도입된다.
이 과정을 통해, 공기는 약 12,000 kPa, 35℃로 압축기로부터 배출되어 주 열교환기(107)로 유입되고, 주 열교환기(107)에서 열교환에 의해 약 -184℃까지 냉각된 후, 감압밸브(108)로 유입된다. 감압밸브(108)에서 액화 공기는 약 150 kPa까지 압력이 낮아지고, 온도는 약 -191℃까지 낮아져 액화 공기 저장탱크(109)에 저장된다.
본 실시예의 재기화 시스템(200)은, 액화 공기 저장탱크(109)에 저장된 액체 공기를 가압하는 액화 공기 펌프(201); 가압된 액화 공기를 열교환에 의해 가열(기화)시키는 재기화기(202)(evaporator); 재기화기(202)로부터 배출되는 공기를 열교환에 의해 가열하는 복열기(203)(recuperator); 및 기화된 공기를 이용하여 터빈을 구동시키고, 터빈의 구동력을 전력으로 전환하여 전력(800)을 생산하는 터빈-발전기(205);를 포함한다.
터빈-발전기(205)의 전력 생산 효율은, 터빈 입구 압력을 높여 터빈 출구 압력과의 차압을 최대화함으로써 향상될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 액화 공기 펌프(201)는, 액체 공기의 압력을 높여 터빈 입구 압력을 높임으로써, 터빈-발전기(205)의 입·출구 차압을 최대화시켜 전력 생산량을 증가시킬 수 있다.
본 실시예의 액화 공기 펌프(201)는, 액화 공기 저장탱크(109)에 약 150 kPa(약 1.5 bar)의 압력으로 저장되어 있는 액체 공기(600)를 약 2,200kPa(약 22 bar)의 압력으로 가압하고, 약 2,200kPa의 압력으로 터빈-발전기(205)로 도입된 재기화 공기는, 터빈을 구동시키면서 약 100 kPa(약 1 bar)로 팽창될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 터빈 입구 측과 터빈 출구 측의 압력비는 약 22:1에 달한다.
액체 공기가 액화 공기 펌프(201)에 의해 승압된 후, 터빈-발전기(205)에 도달하기 까지, 후술하는 재기화기(202), 복열기(203) 및 가열기(204) 등을 통과하면서 압력 손실이 발생하여 압력이 약 2,100 kPa(약 21 bar)까지 낮아지는 것을 감안하더라도, 터빈 입구 측과 터빈 출구 측의 압력비는 약 21:1에 달하는 것이다. 마찬가지로, 터빈 입·출구 차압비가 이에 한정되는 것은 아니고, 공정 규모 등 변수에 따라 달라질 수는 있으나, 액화 공기 펌프(201)에 의해 재기화시킬 액체 공기를 가압함으로써, 터빈 입·출구 차압이 커지고 그에 따라 발전량은 증대되는 효과를 기대할 수 있다.
재기화기(202)에서는, 제1 냉매 사이클(300)을 순환하는 제1 열전달 매체와 액화 공기 펌프(201)에 의해 가압된 액체 공기를 열교환시킨다. 재기화기(202)에서의 열교환에 의해, 제1 열전달 매체는 가압된 액체 공기로부터 냉열을 얻어 냉각되고, 가압된 액체 공기는 냉열이 회수되어 가열된다. 이 과정에서 제1 열전달 매체가 회수한 액체 공기의 냉열은 상술한 주 열교환기(107)에서 공기를 액화시키는 냉열로 활용된다.
본 실시예에서, 재기화기(202)로 도입되는 제1 열전달 매체의 온도는 약 -60℃이고, 재기화기(202)로 도입되는 압축 액체 공기의 온도는 약 -190℃이며, 열교환에 의해 압축 액체 공기의 온도는 약 -67℃까지 상승한다. 재기화기(202)에서 제1 열전달 매체와의 열교환에 의해 압축 액체 공기는 기체 상태로 기화될 수 있다.
복열기(203)에서는, 제2 냉매 사이클(400)을 순환하는 제2 열전달 매체와 재기화기(202)에서 1차 가열된 액화 공기를 열교환시킨다. 복열기(203)에서의 열교환에 의해, 제2 열전달 매체는 1차 가열된 액화 공기로부터 냉열을 얻어 냉각되고, 1차 가열된 액화 공기는 냉열이 회수되어 더 가열된다. 이 과정에서 제2 열전달 매체가 회수한 액화 공기의 냉열은, 상술한 주 열교환기(107)에서 공기를 액화시키는 냉열로 활용된다.
본 실시예에서, 복열기(203)로 도입되는 제2 열전달 매체의 온도는 약 25℃이고, 복열기(203)로 도입되는 압축 액체 공기의 온도는 약 -67℃이며, 열교환에 의해 압축 액체 공기의 온도는 약 -21℃까지 상승한다. 재기화기(202)에서 가열(기화)된 압축 액체 공기는 복열기(203)에서 제2 열전달 매체와의 열교환에 의해 더 가열될 수 있으며, 재기화기(202)에서 기화되지 않은 액체 상태의 공기가 있다면 복열기(203)에서 전량이 기체 상태로 기화될 수 있다.
액화 공기가 재기화기(202) 및 복열기(203)를 통과하면서 기화 및 가열된 기체 공기는, 터빈-발전기(205)로 공급된다. 기체 공기를 작동유체로하여 터빈을 구동시키고, 터빈의 구동력은 발전기에 의해 전력으로 전환된다.
또한, 본 실시예의 재기화 시스템(200)은, 복열기(203)와 터빈-발전기(205) 사이에 설치되며, 복열기(203)로부터 터빈-발전기(205)로 공급되는 공기를 더 가열하는 가열기(204);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 가열기(204)에서는, 공기를 가열시키는 열원으로서 폐열을 이용할 수 있다. 예를 들어, 기존 발전 설비나 보일러 등으로부터 배출되는 연도가스(700)(flue gas)를 열원으로 활용할 수 있다.
또한, 가열기(204)에서 공기를 가열시키는 열원으로서 사용되는 폐열은, 다른 용도로 재사용되기 어려운 중저온, 즉 약 200℃ 미만의 폐열을 활용할 수 있다.
발전 터빈의 전력 생산 효율을 향상시키는 방법으로는, 상술한 바와 같이 터빈의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압을 최대화하는 방법과 함께, 터빈으로 도입되는 유체의 온도를 높이는 방법도 고려할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 가열기(204) 또는 복열기(203)와 가열기(204)를 이용하여 재기화된 기체 공기를 더 가열시킴으로써, 터빈 입구 온도를 높여 터빈-발전기(205)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템은, 복합화력 발전소에 설치될 수 있으며, 이 경우, 연도가스(700)는, 복합화력 발전 배열회수 보일러(HRSG; Heat Recovery Steam Generator)로부터 배출되는 연도가스를 이용하여 터빈-발전기(205)로 도입되는 재기화 공기의 온도를 높일 수 있다. 복합화력 발전 배열회수 보일러(미도시)로부터 배출된 연도가스(700)는, 약 180℃일 수 있으며, 가열기(204)와 연결되는 연도가스 라인(FL)을 따라 가열기(204)로 공급되고, 가열기(204)에서 재기화 공기를 가열시키면서 약 120℃로 온도가 낮아진 채로 가열기(204)로부터 배출될 수 있다. 재기화기(202) 및 복열기(203)를 통과하면서 제1 열전달 매체 및 제2 열전달 매체에 의해 기화된 재기화 공기의 온도는 약 21℃일 수 있고, 재기화 공기는 가열기(204)에서 연도가스(700)와 열교환하면서 약 175℃까지 가열될 수 있다.
본 실시예의 액화 공기 저장탱크(109), 액화 공기 펌프(210), 재기화기(202), 복열기(203), 가열기(204) 및 터빈-발전기(205)는, 액화 공기 라인(LL)에 의해 연결되고, 액화 공기 저장탱크(109)에 저장된 액체 공기는, 액화 공기 라인(LL)을 따라 유동하며 재기화되고, 터빈-발전기(205)에서 전력을 생산하는 작동 유체로 활용된다.
도 2의 본 실시예의 재기화 시스템(200)에 표시된 각 위치에서 유체의 압력 및 온도를 표 2에 나타내었다.
위치 유체 압력(kPa) 온도(℃)
13 액체 공기(600) 150 -191
14 액화 공기 펌프(201)
후단		 2,200 -190
15 재기화기(202) 후단 2,150 -67
16 복열기(203) 후단 2,120 21
17 가열기(204) 후단 2,100 175
18 터빈-발전기(205) 후단 100 -10
23 도입 연도가스(700) 103 180
24 배출 연도가스 100 120
표 2에 나타낸 각 위치에서의 유체의 압력 및 온도는, 본 실시예에서 공기 액화 시스템(100)과 재기화 시스템(200)을 모두 가동할 때, 즉, 액화 공정과 재기화 공정이 함께 실시될 때의 공정 시뮬레이션 결과이며, 공정 규모나 유입 공기 온도, 유량, 장치의 용량 등 다양한 변수 조절에 따라, 각 위치별 수치는 달라질 수 있다.
본 실시예의 제1 냉매 사이클(300)에서는 작동 유체로서 제1 열전달 매체가 순환한다. 제1 열전달 매체는 제1 냉매 순환라인(RL)을 따라 제1 냉매 사이클(300)을 순환하면서, 주 열교환기(107) 및 재기화기(202)에서 공기와 열교환한다.
본 실시예의 제1 냉매 사이클(300)은, 재기화기(202)에서 액체 공기와 열교환하면서 액체 공기로부터 냉열을 회수한 제1 열전달 매체가 재기화기(202)로부터 주 열교환기(107)로 유동하도록 제1 열전달 매체를 가압하는 제1 냉매 공급 펌프(303); 및 주 열교환기(107)에서 액화시킬 공기에 냉열을 공급하면서 액화시킬 공기로부터 온열을 회수한 제1 열전달 매체가 주 열교환기(107)로부터 재기화기(202)로 유동하도록 제1 열전달 매체를 가압하는 제1 냉매 회수 펌프(304);를 포함한다.
본 실시예의 제1 열전달 매체는, R-600a(iso-butane, C4H10) 냉매일 수 있다. R-600a 냉매는, 제1 냉매 사이클(300)을 순환하면서, 재기화기(202)에서 냉열을 얻은 약 -185℃의 R-600a 냉매가 주 열교환기(107)로 공급되고, 주 열교환기(107)에서 온열을 얻은 약 -60℃의 R-600a 냉매가 재기화기(202)로 공급된다.
즉, 제1 냉매 사이클(300)에서 재기화기(202)는, 기체 상태의 제1 열전달 매체를 응축시키는 응축기로서의 역할을 하고, 주 열교환기(107)는, 액체 상태의 제1 열전달 매체를 기화시키는 기화기로서의 역할을 한다.
또한 본 실시예의 제1 냉매 사이클(300)은, 제1 냉매 사이클(300)을 순환하는 제1 열전달 매체의 열에너지를 저장하는 제1 냉열 저장장치(301); 및 제2 냉열 저장 장치(302);를 더 포함한다.
제1 및 제2 냉열 저장장치(301, 302)는 액상 냉매의 현열 축열 방식으로, 상변화를 일으키지 않고 화학적으로 안정성이 있는 저장물질로 채워진 열 저장장치로서, 밀도 구배에 따라서 냉매 흐름의 구배가 발생하는 원리가 적용된다. 제1 및 제2 냉열 저장장치(301, 302)는 도 3에 도시된 바와 같이, 장치 내 구간을 분배하여 유량에 따라 사용 구간을 설정할 수 있도록 구성된다. 열매체 충전층으로 구성된 각각의 셀이 나란히 적층되어 있는 형태로서, 각 셀의 충전층은 작은 비드형태의 규암 등으로 채워져 있다.
제1 및 제2 냉열 저장장치(301, 302)는, 공기 액화 시스템(100) 및 재기화 시스템(200) 중 어느 하나의 공정만이 실시될 때 제1 열전달 매체의 열에너지를 저장하는 역할을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 냉열 저장장치(301)는 제1 냉매 공급 펌프(303)의 전단에 설치되고, 제2 냉열 저장장치(302)는 제1 냉매 회수 펌프(304)의 전단에 설치될 수 있다.
예를 들어, 공기 액화 시스템(100)은 가동되지 않고, 재기화 시스템(200)만이 가동될 경우, 재기화기(202)에서 제1 열전달 매체가 액체 공기로부터 회수한 냉열을 주 열교환기(107)로 공급할 수 없기 때문에, 재기화기(202)에서 제1 열전달 매체가 회수한 냉열은 제1 및 제2 냉열 저장장치(301, 302) 중 어느 하나 이상, 바람직하게는 제1 냉열 저장장치(301)에 저장할 수 있다.
제1 및 제2 냉열 저장장치(301)에 저장된 냉열은, 재기화 시스템(200)은 가동되지 않고 공기 액화 시스템(100)만이 가동될 경우, 주 열교환기(107)로 공급하는 냉열로 활용된다.
본 실시예의 제2 냉매 사이클(400)에서는 작동 유체로서 제2 열전달 매체가 순환한다. 제2 열전달 매체는 제2 냉매 순환라인(ML)을 따라 제2 냉매 사이클(400)을 순환하면서, 주 열교환기(107) 및 복열기(203)에서 공기와 열교환한다.
본 실시예의 제2 냉매 사이클(400)은, 복열기(203)에서 재기화 공기와 열교환하면서 재기화 공기로부터 냉열을 회수한 제2 열전달 매체가 복열기(203)로부터 주 열교환기(107)로 유동하도록 제2 열전달 매체를 가압하는 제2 냉매 공급 펌프(403); 및 주 열교환기(107)에서 액화시킬 공기에 냉열을 공급하면서 액화시킬 공기로부터 온열을 회수한 제2 열전달 매체가 주 열교환기(107)로부터 복열기(203)로 유동하도록 제2 열전달 매체를 가압하는 제2 냉매 회수 펌프(404);를 포함한다.
본 실시예의 제2 열전달 매체는, 메탄올(methanol, CH3OH) 냉매일 수 있다. 메탄올 냉매는 제2 냉매 사이클(400)을 순환하면서, 복열기(203)에서 냉열을 얻은 약 -60℃의 메탄올 냉매가 주 열교환기(107)로 공급되고, 주 열교환기(107)에서 온열을 얻은 약 25℃의 메탄올 냉매가 복열기(203)로 공급된다.
즉, 제2 냉매 사이클(400)에서 복열기(203)는, 기체 상태의 제2 열전달 매체를 응축시키는 응축기로서의 역할을 하고, 주 열교환기(107)는, 액체 상태의 제2 열전달 매체를 기화시키는 기화기로서의 역할을 한다.
또한, 본 실시예의 제2 냉매 사이클(400)은, 제2 냉매 사이클(400)을 순환하는 제2 열전달 매체의 열에너지를 저장하는 제3 냉열 저장장치(401); 및 제4 냉열 저장 장치(402);를 더 포함한다.
제3 및 제4 냉열 저장장치(401, 402)는 액상 냉매의 현열 축열 방식으로, 상변화를 일으키지 않고 화학적으로 안정성이 있는 저장물질로 채워진 열 저장장치로서, 밀도 구배에 따라서 냉매 흐름의 구배가 발생하는 원리가 적용된다. 제3 및 제4 냉열 저장장치(401, 402)는 도 3에 도시된 바와 같이, 장치 내 구간을 분배하여 유량에 따라 사용 구간을 설정할 수 있도록 구성된다. 열매체 충전층으로 구성된 각각의 셀이 나란히 적층되어 있는 형태로서, 각 셀의 충전층은 작은 비드형태의 규암 등으로 채워져 있다.
제3 및 제4 냉열 저장장치(401, 402)는, 공기 액화 시스템(100) 및 재기화 시스템(200) 중 어느 하나의 공정만이 실시될 때 제2 열전달 매체의 열에너지를 저장하는 역할을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제3 냉열 저장장치(401)는 제2 냉매 공급 펌프(403)의 전단에 설치되고, 제5 냉열 저장장치(402)는 제1 냉매 회수 펌프(404)의 전단에 설치될 수 있다.
예를 들어, 공기 액화 시스템(100)은 가동되지 않고, 재기화 시스템(200)만이 가동될 경우, 복열기(203)에서 제2 열전달 매체가 액체 공기로부터 회수한 냉열을 주 열교환기(107)로 공급할 수 없기 때문에, 복열기(203)에서 제2 열전달 매체가 회수한 냉열은 제3 및 제4 냉열 저장장치(401, 402) 중 어느 하나 이상, 바람직하게는 제3 냉열 저장장치(401)에 저장할 수 있다.
제3 및 제4 냉열 저장장치(401, 402)에 저장된 냉열은, 재기화 시스템(200)은 가동되지 않고 공기 액화 시스템(100)만이 가동될 경우, 주 열교환기(107)로 공급하는 냉열로 활용된다.
도 2의 본 실시예의 제1 냉매 사이클(300) 및 제2 냉매 사이클(400)에 표시된 각 위치에서 유체의 압력 및 온도를 표 3에 나타내었다.
위치 유체 압력(kPa) 온도(℃)

19		 주 열교환기(107) 후단, 재기화기(202) 전단
제1 열전달 매체
140
-60

20		 주 열교환기(107) 전단,
재기화기(202) 후단
제1 열전달 매체
140
-185

21		 주 열교환기(107) 후단,
복열기(203) 전단
제2 열전달 매체
140
25

22		 주 열교환기(107) 전단,
복열기(203) 후단
제2 열전달 매체
140
-60
표 3에 나타낸 각 위치에서의 유체의 압력 및 온도는, 본 실시예에서 공기 액화 시스템(100)과 재기화 시스템(200)을 모두 가동할 때, 즉, 액화 공정과 재기화 공정이 함께 실시될 때의 공정 시뮬레이션 결과이며, 공정 규모나 유입 공기 온도, 유량, 장치의 용량 등 다양한 변수 조절에 따라, 각 위치별 수치는 달라질 수 있다.
또한, 본 실시예의 제1 열전달 매체 및 제2 열전달 매체는 각각 제1 열전달 매체로서 R-600a 냉매, 제2 열전달 매체로서 메탄올 냉매인 것을 예로 들어 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니다. 제1 열전달 매체 및 제2 열전달 매체는, R-600a 냉매, 메탄올 냉매 외에도, 상호 운전점이 보완 가능한 2종류의 냉매를 병렬로 함께 사용함으로써, 열교환에 의해 발생하는 엑서지의 손실을 최소화하고, 핀치 곡선에 최대한 근접하게 활용할 수 있다. 예를 들어, 제1 열전달 매체 및 제2 열전달 매체는, 탄화수소 계열의 냉매(HCs, 프로판 등), 플루오르 계열 냉매(HFCs, R-134a, R245fa 등) 및 자연냉매(이산화탄소, 암모니아 등) 등 다양한 냉매를 활용할 수 있다.
본 실시예에서 제1 열전달 매체, 즉 R-600a 냉매의 운전점은 약 -185℃ ~ -60℃인데, 주 열교환기(107)로 도입되는 액화시킬 공기의 온도는 약 35℃(도 2의 위치 8)이다. 즉, 주 열교환기(107)에서 제1 열전달 매체만을 이용하여 공기를 액화시킬 경우에는, 열교환 대상인 제1 열전달 매체와 공기의 핀치포인트 온도 차가 너무 커 결과적으로 열교환 효율이 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위하여, 운전점이 제1 열전달 매체와 공기의 중간점, 즉 약 -60℃ ~ 25℃인 제2 열전달 매체, 즉 본 실시예에서 메탄올 냉매를 활용하고, 주 열교환기(107)에서 제1 열전달 매체, 제2 열전달 매체 및 공기를 상호 열교환시킴으로써, 냉열을 제공하는 냉매 사이클과 냉열을 제공받는 공기 액화 시스템 간의 온도 구배를 최소화시킬 수 있는 것이다.
즉, 운전점이 상호 보완 가능하다는 것은, 운전점이 서로 다른 2개 이상의 냉매를 활용하여, 냉매 사이클과 공기 액화 시스템 간의 온도 구배를, 공기 액화를 위한 열전달 효율을 최적화할 수 있는 온도 범위 내에서 운전(작동)되도록 하는 것을 의미할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 액화 공정(S100)과 액화 공기의 재기화 공정(S200)은 동시에 실시될 수도 있고, 각각 실시될 수도 있다. 즉, 공기 액화 시스템(100)과 재기화 시스템(200)은 동시에 작동될 수도 있고, 둘 중 어느 하나의 시스템만이 작동될 수도 있다.
또한, 공기 액화 공정(S100)과 재기화 공정(S200)은 시간상 연속되는 공정일 수도 있고, 연속되지 않는 공정일 수도 있다. 즉, 공기 액화 시스템(100)과 재기화 시스템(200)은 시간상 연속적으로 작동될 수도 있고, 연속되지 않고 필요에 따라 시간차를 두고 작동될 수도 있을 것이다.
공기 액화 공정(S100)은, 전력 계통망 내 전력 수요가 적어 잉여 전력이 사용 가능한 시간대에 실시되고, 재기화 공정(S200)은 전력 계통망 내 전력 수요가 많은 전력 피크 시간대에 추가로 전력을 생산하기 위해 실시될 수 있다. 즉, 공기 액화 공정(S100)과 재기화 공정(S200) 간의 열에너지 교환은 시차를 두고 발생할 수 있다.
본 실시예에 따른 액화 공기를 이용한 발전 시스템은, 냉열 저장장치(301, 302, 401, 402)를 구비하여, 시간차 운전 등 필요 시 냉열 또는 온열을 저장함으로써, 공기 액화 공정(S100) 또는 재기화 공정(S200)을 실시할 때 활용할 수 있으므로 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 냉매 사이클(300, 400) 내에 상변화가 없는 액상 축열(현열 축열) 방식의 냉열 저장장치(301, 302, 401, 402)를 구비함으로써, 상변화가 나타나는 잠열 축열 방식의 냉열 저장장치를 구비하는 것보다 안정적으로 열에너지를 저장할 수 있고, 이를 공정에 활용함으로써 시스템 효율을 극대화 할 수 있다.
따라서, 기존의 큰 체적의 열 저장방식에 비해 배관 및 관련 기기의 설비가 적게 들며, 이에 따라 전체 공정 모듈 제작 시 설치 용적의 최적화가 가능하다.
또한, 냉열 저장장치(301, 302, 401, 402)를 활용하지 않더라도, 제1 및 제2 냉매 사이클(300, 400)을 이용하여 공기 액화 및 재기화 각각의 일대일 공정의 정상상태를 해석할 수 있으며, 유효성을 확인할 수 있다는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100 : 공기 액화 시스템
101, 102, 103 : 공기 압축기
104, 105, 106 : 인터쿨러
107 : 주 열교환기
108 : 감압밸브
109 : 액화 공기 저장탱크
200 : 재기화 시스템
201 : 액화 공기 펌프
202 : 재기화기
203 : 복열기
204 : 가열기
205 : 터빈-발전기
300 : 제1 냉매 사이클
301, 302 : 냉열 저장장치
303 : 제1 냉매 공급펌프
304 : 제1 냉매 회수펌프
400 : 제2 냉매 사이클
401, 402 : 냉열 저장장치
403 : 제2 냉매 공급펌프
404 : 제2 냉매 회수펌프
500 : 유입 공기
600 : 액체 공기
700 : 연도가스
800 : 전력

Claims (14)

  1. 공기를 액화시켜 저장하는 공기 액화 시스템;
    액체 공기를 재기화시켜 전력을 생산하는 재기화 시스템;
    상기 공기 액화 시스템과 재기화 시스템을 연결하며 제1 열전달 매체가 순환하면서 상기 재기화 시스템에서 상기 액체 공기로부터 냉열을 회수하여 상기 공기 액화 시스템에서 공기를 액화시키기 위한 냉열로 제공하는 제1 냉매 사이클; 및
    상기 제1 냉매 사이클과 병렬로 설치되며, 상기 제1 열전달 매체와 서로 다른 운전점을 갖는 제2 열전달 매체가 순환하는 제2 냉매 사이클;을 포함하고,
    상기 공기 액화 시스템은,
    공기를 압축시키는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기를 상기 제1 열전달 매체 및 제2 열전달 매체와의 열교환에 의해 액화시키는 주 열교환기; 및
    상기 액화된 액체 공기를 저장하는 액화 공기 저장탱크;를 포함하는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 액화 시스템은,
    상기 주 열교환기에서 액화된 액체 공기를 감압시키는 감압밸브;를 더 포함하고,
    상기 감압밸브에서 감압에 의해 온도가 더 낮아진 액체 공기가 상기 액화 공기 저장탱크에 저장되는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 액화 공기 저장탱크에서 생성된 자연기화공기 또는 상기 감압 과정에서 발생한 플래시 가스를 상기 압축기 전단으로 회수하는 기체 공기 회수라인;을 더 포함하는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 재기화 시스템은,
    상기 액체 공기를 상기 제1 열전달 매체와의 열교환에 의해 재기화 시키는 재기화기;
    상기 재기화기에서 기화된 재기화 공기를 상기 제2 열전달 매체와의 열교환에 의해 가열시키는 복열기; 및
    상기 가열된 재기화 공기를 작동 유체로 하여 전력을 생산하는 터빈-발전기;를 포함하고,
    상기 재기화기 전단에 설치되며, 상기 터빈-발전기의 입구 측 압력 및 출구 측 압력간의 차압을 크게 하기 위해 상기 재기화기로 공급되는 액체 공기를 가압하는 액화 공기 펌프;를 더 포함하는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 재기화 공기를 폐열을 이용하여 더 가열시키는 가열기;를 더 포함하고,
    상기 복열기 및 가열기 중 어느 하나 이상을 통과하면서 가열된 재기화 공기가 상기 터빈-발전기의 작동 유체로 공급되는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열전달 매체의 액화점은 상기 제2 열전달 매체의 액화점보다 낮은, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  8. 청구항 1 또는 7에 있어서,
    상기 제1 냉매 사이클은, 상기 공기 액화 시스템 및 재기화 시스템 중 어느 하나만이 작동될 때, 상기 제1 열전달 매체의 냉열 또는 온열을 저장하는 냉열 저장장치;를 포함하는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  9. 청구항 1 또는 7에 있어서,
    상기 제2 냉매 사이클은, 상기 공기 액화 시스템 및 재기화 시스템 중 어느 하나만이 작동될 때, 상기 제2 열전달 매체의 냉열 또는 온열을 저장하는 냉열 저장장치;를 포함하는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  10. 청구항 1 또는 7에 있어서,
    상기 공기 액화 시스템은 잉여 전력이 발생하였을 때 잉여 전력을 활용하여 공기를 액화시키고,
    상기 재기화 시스템은 전력 수요가 전력 공급량보다 많을 때 상기 액체 공기를 이용하여 추가 전력을 생산하는, 액화 공기를 이용한 발전 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
KR1020180020924A 2018-02-22 2018-02-22 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법 KR102061294B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180020924A KR102061294B1 (ko) 2018-02-22 2018-02-22 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180020924A KR102061294B1 (ko) 2018-02-22 2018-02-22 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190101033A KR20190101033A (ko) 2019-08-30
KR102061294B1 true KR102061294B1 (ko) 2019-12-31

Family

ID=67776145

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180020924A KR102061294B1 (ko) 2018-02-22 2018-02-22 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102061294B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210137273A (ko) * 2020-05-07 2021-11-17 한국기계연구원 액체공기 에너지 저장 시스템

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102316757B1 (ko) * 2020-03-19 2021-10-25 고등기술연구원연구조합 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템 및 방법
KR102470782B1 (ko) * 2020-08-19 2022-11-28 고등기술연구원연구조합 수소 액화 시스템 및 방법
KR102340148B1 (ko) * 2020-08-31 2021-12-16 고등기술연구원연구조합 태양열을 이용한 공기 발전 및 전기차 충전 시스템
KR102533384B1 (ko) * 2021-06-02 2023-05-26 한국과학기술원 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템
CN116242054A (zh) * 2023-03-14 2023-06-09 大连理工大学 一种基于相变直接制冷的液态co2冷热电联产储能系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012054310A2 (en) * 2010-10-18 2012-04-26 Expansion Energy, Llc System and method for liquid air production, power storage and power release
US20150113940A1 (en) * 2013-10-25 2015-04-30 Mada Energie Ltd Systems, methods, and devices for liquid air energy storage in conjunction with power generating cycles

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012054310A2 (en) * 2010-10-18 2012-04-26 Expansion Energy, Llc System and method for liquid air production, power storage and power release
US20150113940A1 (en) * 2013-10-25 2015-04-30 Mada Energie Ltd Systems, methods, and devices for liquid air energy storage in conjunction with power generating cycles

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210137273A (ko) * 2020-05-07 2021-11-17 한국기계연구원 액체공기 에너지 저장 시스템
KR102357143B1 (ko) * 2020-05-07 2022-02-03 한국기계연구원 액체공기 에너지 저장 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190101033A (ko) 2019-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102061294B1 (ko) 액화 공기를 이용한 발전 시스템 및 방법
KR102048844B1 (ko) 이산화탄소 포집 장치를 포함하는 액화공기 재기화 시스템 및 방법
CN110374838B (zh) 一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能系统及方法
Ding et al. Liquid air energy storage
KR102196751B1 (ko) 액화가스 연료의 냉열을 이용한 액체공기 저장 시스템
EP2753861B2 (en) Method and apparatus for power storage
KR20190122050A (ko) 액체공기 저장 장치와 연계한 발전 시스템 및 방법
WO2015000200A1 (zh) 一种基于深冷储能的核电调峰系统
CN115632488B (zh) 一种级联型储能系统及储能方法
EP2663757A2 (en) Electricity generation device and method
CN202250272U (zh) 一种lng冷能四级回收利用系统
KR102575379B1 (ko) 수소 공급 시스템 및 방법
CN203585806U (zh) 一种基于双热源热泵的lng气化系统
CN114673571A (zh) 碳捕集利用与封存和超临界二氧化碳储能技术的耦合系统
KR101864935B1 (ko) 액화천연가스 가스화 공정을 이용한 극저온 에너지 저장 시스템
CN113294243A (zh) 氢气与液态空气的联合储能发电系统
WO2023279907A1 (en) System and method with boil-off management for liquefied gas storage
CN116335823A (zh) 与Allam循环形式电站相结合的联合循环系统及低温循环方法
CN213540514U (zh) 压缩热自消纳的液态空气储能系统
CN112112694B (zh) 压缩热自消纳的液态空气储能系统及方法
CN114991896A (zh) 一种闭式循环储能系统及方法
CN114991891A (zh) 一种压缩空气储能系统及方法
CN117318318B (zh) 二氧化碳气液两相储能系统及其工质液化方法
KR102466843B1 (ko) 수전해 반응으로부터의 에너지 저장 시스템 및 방법
CN117514382A (zh) 一种气体压缩储能装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant