KR102265521B1 - 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템 - Google Patents

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최동환
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한국산업기술시험원
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Abstract

본 발명은 혐기성 소화조에서 발생되는 에너지를 시설물의 냉방에너지 또는 난방에너지로 사용하는 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템으로서, 유기성 폐기물을 처리하어 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조; 상기 바이오가스를 이용하여 열병합발전하여 상기 시설물에 발전열을 제공하는 열병합발전기; 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 폐액을 액비화하고, 액비 수열을 생성하여 상기 시설물에 제공하는 액비조; 및 상기 열병합발전기 및 상기 액비조에 연결되어, 상기 열병합발전기의 잉여 발전열과 상기 액비조의 잉여 액비 수열을 축열하였다가 상기 시설물에 제공하는 축열시설을 포함하는 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에 관한 것이다.

Description

바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템{UTILIZATION AND STORAGE SYSTEM OF HEAT IN BIOGAS PLANT}
본 발명은 바이오가스화 시설에서의 열 생산 및 저장 그리고 이를 이용하는 시스템에 관한 것이다.
혐기성 소화란 용존산소가 존재하지 않는 환경에서 유기물이 미생물에 의해 분해되는 과정으로 슬러지 중의 유기물은 혐기성균의 활동에 의해 분해된다. 혐기성 소화의 목적은 슬러지의 안정화, 부피 및 무게의 감소, 병원균 사멸 등이다.
혐기성 소화에 의한 유기물의 분해과정은 가수분해단계, 산생성단계, 메탄생성단계의 세 단계로 나눌 수 있다. 혐기성 소화에 의해 최종적으로 메탄, 이산화탄소가 발생하며, 이들은 바이오 가스로서 재활용될 수 있다.
한편, 혐기성 소화 중에 배출되는 폐액은 액비조로 공급되며 액상비료(액비)로 형성될 수 있다. 액비가 형성되면서 열에너지가 발생할 수 있다. 이를 액비 수열이라 할 수 있다.
상술한 바이오 가스 및 액비 수열은 시설물을 가동시킬 수 있는 에너지원이 될 수 있다.
이에, 본 발명의 발명자는 바이오 가스 및 액비 수열을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템을 위하여 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 혐기성 소화조에서 배출되는 바이오가스 및 액비조에서 발생하는 액비 수열을 효율적으로 이용할 수 있는 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 에너지를 저장할 수 있는 장치를 포함하는 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서, 혐기성 소화조에서 발생되는 에너지를 시설물의 냉방에너지 또는 난방에너지로 사용하는 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템으로서, 유기성 폐기물을 처리하어 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조; 상기 바이오가스를 이용하여 열병합발전하여 상기 시설물에 발전열을 제공하는 열병합발전기; 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 폐액을 액비화하고, 액비 수열을 생성하여 상기 시설물에 제공하는 액비조; 및 상기 열병합발전기 및 상기 액비조에 연결되어, 상기 열병합발전기의 잉여 발전열과 상기 액비조의 잉여 액비 수열을 축열하였다가 상기 시설물에 제공하는 축열시설을 포함하는 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템이 제공된다.
상기 축열시설은, 중앙부에 상기 열방합발전기의 잉여 발전열을 축열하고, 상기 중앙부를 둘러싼 둘레부에 상기 액비조의 잉여 액비 수열을 축열할 수 있다.
상기 축열시설은, 상기 열병합발전기와 연결되어 상기 잉여 발전열을 이송하는 제1 축열 배관; 및 상기 액비조와 연결되어 상기 잉여 액비 수열을 이송하는 제2 축열 배관을 포함하고, 상기 제1 축열 배관과 상기 제2 축열 배관은 독립적으로 형성될 수 있다.
상기 축열시설은 관정형 계간축열부를 포함할 수 있다.
상기 혐기성 소화조로부터 배출되는 바이오가스를 정제하여 상기 열병합발전기로 공급하는 정제시설; 및 상기 혐기성 소화조 및 상기 정제시설 사이에 설치되어 상기 혐기성 소화조에서 발생된 바이오가스를 저장하는 저장조를 더 포함할 수 있다.
상기 바이오가스를 공급받아 상기 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소를 상기 시설물에 제공하는 분리막장치를 더 포함할 수 있다.
상기 분리막장치로부터 분리된 메탄은 상기 저장조로 이동하여 저장될 수 있다.
상기 열병합발전기와 상기 시설물 사이에 형성되어 발전열을 이송하는 메인라인; 및 상기 열병합발전기와 상기 시설물 사이에 형성되되, 상기 메인라인에서 분기되는 서브라인을 더 포함하고, 상기 서브라인에는 상기 발전열을 냉방에너지로 전환하여 상기 시설물에 제공하는 냉동기가 설치될 수 있다.
상기 시설물은, 스마트팜을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에 따르면, 잉여 에너지를 저장하여 에너지를 효율적으로 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에 따르면, 에너지 저장 시 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서 이용되는 에너지를 정량적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서의 계절 별 에너지 이용 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서의 축열시설의 횡단면을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 축열시설에서의 축열 배관을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 4의 축열시설에서의 방열 배관을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서의 축열시설의 종단면을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서의 축열시설에 설치되는 센서를 나타낸 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템(이하, 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템, 또는 시스템이라고도 함)은, 혐기성 소화조에서 발생되는 에너지를 활용하는 시스템이다. 혐기성 소화조에서 발생되는 에너지는 시설물의 냉방에너지 또는 난방에너지로 사용될 수 있다. 여기서 “시설물”은 다양할 수 있고, 예를 들어 스마트팜일 수 있다. 시설물에서는 여름(하절기)에는 냉방을 위한 냉방에너지가 요구되고, 겨울(동절기)에는 난방을 위한 난방에너지가 요구될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조(10)의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조(10)의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서 이용되는 에너지를 정량적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조(10)의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서의 계절 별 에너지 이용 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템은 에너지 생산 파트(E1), 에너지 전환 파트(E2), 에너지 활용 파트(E3), 에너지 저장 파트(E4)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템은, 혐기성 소화조(10), 열병합발전기(30), 액비조(액비화조)(40), 축열시설(100)을 포함하고, 정제시설(20), 저장조(25), 냉동기(60)(흡수식 또는 흡착식일 수 있음), 분리막장치(50)를 더 포함할 수 있다.
혐기성 소화조(10), 액비조(40) 그리고 저장조(25), 정제시설(20) 등은 에너지 생산 파트(E1)로 분류될 수 있다. 열병합발전기(30), 냉동기(60), 분리막장치(50) 등은 에너지 전환 파트(E2)로 분류될 수 있다. 에너지 활용 파트(E3)에는 시설물(S) 등이 포함되고, 에너지 저장 파트(E4)에는 축열시설(100) 등이 포함될 수 있다.
혐기성 소화조(10)는 혐기성균(미생물)을 이용하여 유기성 폐기물을 처리하는 장치이다. 혐기성 소화조(10)는 유기성 폐기물을 혐기 발효시킬 수 있다. 유기성 폐기물은 음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지 등일 수 있으나 제한되는 것은 아니다. 혐기성 소화조(10)는 복수로 형성될 수 있다. 복수의 혐기성 소화조(10)는 서로 처리 용량이 다를 수 있다. 예를 들어, 혐기성 소화조(10)의 처리 용량은 20톤/일, 100톤/일일 수 있다.
혐기성 소화조(10)에 의하면 폐기물을 처리하는 동시에 바이오가스를 생산할 수 있다. 바이오가스는 메탄을 포함하고, 이산화탄소를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 혐기성 소화조(10)에서는 용존산소가 존재하지 않는 환경에서 유기성 폐기물이 혐기성균(발효균, 아세트산 및 수소생성균, 메탄생성균 등)의 활동에 의해 분해된다.
혐기성 소화 시, 우선 유기성 폐기물이 유기산, 단당류, 아미노산 등과 같은 용해성 유기물을 거쳐 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 고분자 유기산 및 수소(H2), 이산화탄소(CO2)로 변한다. 최종적으로 수소 및 아세트산은 메탄으로 변할 수 있다. 이렇게 생성된 메탄 및/또는 이산화탄소는 바이오가스로 활용될 수 있다. 생성된 바이오가스는 에너지원 또는 연료로서 다양하게 사용될 수 있다.
생성된 바이오가스는 저장조(25)에 저장될 수 있다. 또한, 저장조(25)에 저장된 바이오가스는 정제시설(20)로 공급될 수 있다. 정제시설(20)은 바이오가스에 함유된 불순물(메탄, 이산화탄소 외 물질)을 제거할 수 있다. 즉, 바이오가스는 혐기성 소화조(10), 저장조(25), 정제시설(20) 순으로 이동되며, 정제시설(20)을 거쳐 정제된 바이오가스가 열병합기로 공급될 수 있다.
열병합발전기(Combined heat & power, CHP)(30)는 바이오가스를 연료로 사용하여 열과 전기를 생산할 수 있다. 열병합발전기(30)는 고효율로서 종합효율이 80% 이상일 수 있고, 열 생산 효율이 50% 이상, 전기 생산 효율이 30% 이상일 수 있다.
열병합발전기(30)는 복수로 형성될 수 있다. 복수의 열병합발전기(30)는 발전기 출력이 서로 동일하거나 다를 수 있다. 열병합발전기(30)의 출력은 100 kWe, 250 kWe 등일 수 있다.
열병합발전기(30)에서 발생되는 열을 발전열이라 칭하여 설명한다. 발전열은 90~100℃의 온도를 가질 수 있다. 발전열은 스마트팜과 같은 시설물(S)에 제공되어, 냉방 또는 난방에 이용될 수 있다. 다만, 발전열이 시설물(S)의 난방에 이용될 때에는 발전열 그대로 이용될 수 있으나, 발전열이 시설물(S)의 냉방에 이용될 때에는 발전열의 온도 조절 후에 이용될 수 있다.
구체적으로 발전열이 냉방에 이용될 때에는 발전열이 냉동기(60)의 에너지원으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 흡수식 냉동기(60)의 에너지원으로 사용될 수 있다.
흡수식 냉동기(60)에서는 냉매와 흡수제에 의해 차가운 냉수를 형성할 수 있다. 냉매는 흡수제에 흡수되고, 다시 재생되는 사이클을 반복할 수 있다. 냉매는 물(H2O), 흡수제는 리튬브로마이드(LiBr)(농축된 리튬브로마이드 수용액)일 수 있으나, 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에서 흡수식 냉동기(60)는 흡착식 냉동기로 대체되어 사용될 수 있다. 즉, 발전열이 냉방에 이용될 때에는 발전열이 흡착식 냉동기(번호 생략, 이하 동일)의 에너지원으로 사용될 수 있다.
흡착식 냉동기는 2개의 열교환기로 구성된 흡착탑이 1조로 구성되어 있으며, 진공 상태로 운전된다. 운전 시 진공조건 하에서 냉매가 기화되고, 기화된 냉매는 한쪽의 흡착탑에서 기화된 냉매가 흡착되고 다른 한쪽은 냉매가 탈착되면서 흡착과 탈착 과정을 주기적으로 변화시키는 연속 사이클로 냉매가 다시 액화되어 회수된다. 흡착제는 실리카젤, 금속유기골격체 또는 고분자 소재가 될 수 있다. 흡수식 냉동기 보다 저온의 구동열원으로 냉방에너지로 전환이 가능하여, 중, 소 규모의 냉방 수요처에 냉방에너지를 공급이 가능하다.
진공 상태에서 냉매가 증발하면서 냉수의 온도를 떨어뜨리고, 증발한 냉매는 흡수제(흡수용액)에 흡수되어, 흡수용액이 형성될 수 있다. 흡수제의 끓는점이 냉매보다 높으므로 흡수용액의 온도가 올라가면 냉매는 기화되고, 흡수제는 액상으로 남아 분리될 수 있다. 여기서, 흡수용액을 가열하는 데에 발전열이 이용될 수 있다.
열병합발전기(30)와 시설물(S) 사이에는 발전열을 이송하는 메인라인(L1)이 형성될 수 있다. 즉, 열병합발전기(30)에서 생성된 발전열이 메인라인을 통해 시설물(S)로 공급될 수 있다. 또한, 열병합발전기(30)와 시설물(S) 사이에 형성되되, 상기 메인라인에서 분기되는 서브라인(L2)이 마련될 수 있다. 서브라인에는 발전열을 냉방에너지로 전환하는 흡수식 냉동기(60)가 설치될 수 있다. 메인라인과 서브라인 각각은 파이프로 구현되고, 열은 유체에 저장되어 이송될 수 있다.
이에 따라, 메인라인(L1)은 동절기에 필요한 난방에너지로서 발전열을 시설물(S)에 공급하고, 서브라인(L2)은 하절기에 필요한 냉방에너지를 발전열을 이용하여 전환한 후 시설물(S)에 공급할 수 있다.
메인라인(L1) 및 서브라인(L2) 상에는 일간 부하변동량에 유연하게 대처하기 위한 버퍼탱크(Buffer Tank)가 설치될 수 있다.
바이오가스는 열병합기 뿐만 아니라 분리막장치(50)로 공급될 수 있다. 분리막장치(50)는 바이오가스를 공급받아 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리할 수 있다. 분리된 이산화탄소는 시설물(S)로 제공될 수 있다. 구체적으로 이산화탄소는 스마트팜에 작물 시비(탄산 시비)를 위해 공급될 수 있다. 또한, 분리막장치(50)에서 분리된 메탄은 바이오가스를 저장하는 저장조(25)로 이동하여 저장될 수 있다.
한편, 혐기성 소화조(10)에서는 메탄, 이산화탄소 등의 가스 성분 외에 폐액이 배출될 수 있다. 배출된 폐액은 처리되어 토양으로 환원되거나, 재활용될 수 있다.
액비조(40)는 혐기성 소화조(10)에서 배출되는 폐액을 처리하는 장치로서, 폐액으로부터 액상비료(액비)를 획득할 수 있다. 액비조(40)에서 폐액을 액비화하면서 액비 수열이 발생할 수 있다. 액비 수열은 40~60℃의 온도를 가질 수 있다.
액비조(40)에서 생성된 액비 수열은 시설물(S)에 제공될 수 있다. 액비 수열은 특히 동절기에 시설물(S)에 제공되어 난방에너지로 사용될 수 있다. 액비 수열은 액비조(40)와 시설물(S)을 연결하는 라인(M1)을 통해 시설물(S)로 제공될 수 있다.
라인(M1) 상에는 일간 부하변동량에 유연하게 대처하기 위한 버퍼탱크(Buffer Tank)가 설치될 수 있다.
축열시설(100)은 열병합발전기(30)와 액비조(40) 각각에 연결되어 잉여 열에너지를 축열할 수 있다. 특히, 열병합발전기(30)에서 발생하는 잉여 발전열과, 액비조(40)에서 발생하는 잉여 액비 수열이 축열시설(100)에 저장될 수 있다. 잉여 발전열은 열병합발전기(30)와 축열시설(100)을 연결하는 축열 라인(L3)을 통해 이송되고, 잉여 액비 수열은 액비조(40)와 축열시설(100)을 연결하는 축열 라인(M2)을 통해 이송될 수 있다.
구체적으로, 동절기에는 발전열의 대부분이 시설물(S)로 제공되어 난방에 이용될 수 있다. 하절기에는 발전열의 적어도 일부가 흡수식 냉동기(60)를 거쳐 시설물(S)로 제공되어 냉방에 이용될 수 있다. 이 과정에서, 발전열 전체가 항상 시설물(S)로 제공될 필요는 없다. 춥지 않은 동절기 또는 하절기와 같은 저부하 시에는, 발전열의 적어도 일부는 잉여 발전열이 될 수 있다. 또한, 잉여 발전열은 동절기, 하절기뿐만 아니라, 봄, 가을에도 발생할 수 있다. 이러한 잉여 발전열은 축열시설(100)에 저장(축열)될 수 있다.
또한, 액비조(40)에서 발생하는 액비 수열의 경우에도, 동절기에는 시설물(S)로 제공될 수 있는데, 특히 아주 추운 동절기와 같은 고부하 시에 그러할 수 있다. 춥지 않은 동절기 또는 하절기와 같은 저부하 시에는, 액비 수열의 적어도 일부는 잉여 액비 수열이 될 수 있다. 또한, 잉여 액비 수열은 동절기, 하절기뿐만 아니라, 봄, 가을에도 발생할 수 있다. 이러한 잉여 액비 수열은 축열시설(100)에 저장(축열)될 수 있다.
축열시설(100)에 축열된 열(에너지)은 필요 시에 시설물(S)로 공급될 수 있다. 즉, 잉여 에너지를 축열시설(100)에 저장하였다가 에너지가 많이 필요한 시기에 저장된 에너지를 시설물(S)로 공급할 수 있다. 축열시설(100)에 저장된 열은 방열 라인(N1)을 통해 시설물(S)로 공급될 수 있다. 방열 라인(N1)을 통해 난방 에너지가 시설물(S)로 공급될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 시스템에의 실제 에너지량(연간 평균)을 보면, 열병합발전기(30)에서 시설물(S)에 제공되는 난방에너지는 연간 1,738,269Mcal이고, 냉방에너지는 1,072,040Mcal일 수 있다. 또한, 액비 수열로부터 시설물(S)에 제공되는 난방에너지는 연간 83,512Mcal이다. 열병합발전기(30)에서 축열시설(100)로 저장되는 잉여 열에너지는 연간 1,829,755Mcal, 액비조(40)에서 축열시설(100)로 저장되는 잉여 열에너지는 연간 263,721Mcal일 수 있다. 또한, 축열시설(100)에서 시설물(S)로 공급되는 열에너지는 연간 3,009,100Mcal일 수 있다.
도 3을 참조하면, 계절 별로 요구되는 에너지량과, 축열되는 에너지량을 대략적으로 알 수 있다. 도 3에서 H1, H2의 합은 필요한 난방에너지이고, C는 필요한 냉방에너지이다. 0-90 day(1월~3월) 및 330~360day(11월~12월)에는 시설물(S)(스마트팜)에서 요구되는 난방에너지가 급증하며, 150~270day(5월~9월)에는 시설물(S)에서 요구되는 냉방에너지가 급증함을 알 수 있다. 동절기에는 축열되는 에너지가 적고, 하절기에는 상대적으로 많은 에너지가 축열될 수 있다. B1은 열병합기로부터 축열되는 잉여 발전열, B2는 액비조(40)로부터 축열되는 잉여 액비 수열이다. 동절기와 하절기 사이의 봄과 가을 기간 동안에는 가장 많은 잉여 에너지가 축열될 수 있다. 이렇게 축열된 에너지는 에너지를 다량으로 필요로 하는 시기(고부하 시)(예를 들어, 아주 추운 동절기)에 사용될 수 있다.
축열시설(100)은 지중계간 축열시설(100)로서, 관정형 계간축열부(BTES, borehole thermal energy storage)를 포함할 수 있다. 다만, 축열시설(100)은 이에 한정되지 않고, 탱크형(TTES, tank thermal energy storage), 피트형(PTES, pit thermal energy storage), 대수층 활용형(ATES, Aquifer thermal energy storage) 등을 포함할 수도 있다. 이하, 관정형에 대해서 설명하지만, 본 발명에서 축열시설(100)의 종류가 한정되는 것은 아니다.
관정형 계간축열부의 경우 지반(1)에 복수의 관정(시추공, borehole)(200)을 형성하여 지반(흙, 자갈, 모래, 암석 등)에 열을 저장할 수 있다. 열저장 용량이 1 m3 당 15~30kWh 일 수 있다. 관정(200)은 지름 150mm이고, 수직으로 30~200m의 깊이로 형성될 수 있다. 바람직하게는 열 손실을 최소화하고, 축열 효율을 증대시키기 위해 수직으로 50m 이하의 깊이로 형성될 수 있다. 복수의 관정(200)은 행과 열을 구성하며 배치될 수 있고, 인접한 관정(200) 간 거리는 2~4m일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조(10)의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서의 축열시설(100)의 횡단면을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 축열시설(100)은 행, 열로 배열된 복수의 관정(200)을 포함할 수 있다. 축열시설(100)은 중앙부(110)와 둘레부(120)를 포함할 수 있다. 둘레부(120)는 중앙부(110)를 둘러싸며, 외부(지반)와 인접 또는 접촉될 수 있다. 도 4에서, 둘레부(120)는 관정(220)이 한 줄로 배열되도록 구성되나, 한정되는 것은 아니며, 가장자리의 관정(220)을 포함하도록 구성되기만 하면 된다.
축열시설(100)은 열병합발전기(30)의 잉여 발전열을 중앙부(110)에 축열하고, 액비조(40)의 잉여 액비 수열을 둘레부(120)에 축열할 수 있다. 발전열은 액비 수열보다 상대적으로 고온이므로, 축열시설(100)의 중앙부(110)에는 상대적으로 고온의 열이 축열되고, 둘레부(120)에는 상대적으로 저온의 열이 축열될 수 있다. 이러한 둘레부(120)의 상대적으로 저온인 열은, 외부보다는 상대적으로 고온이므로, 온도는 외부<둘레부(120)<중앙부(110)가 될 수 있고, 둘레부(120)는 외부와 중앙부(110) 간의 열적 완충 역할을 할 수 있다. 즉, 둘레부(120)의 완충 작용에 따라 중앙부(110)에 축열된 고온의 열에서 외부로 방출되는 열 손실이 없다.
축열시설(100)은 열교환기로서 다수의 열교환 배관을 포함할 수 있다. 특히, 축열시설(100)은 잉여 열(잉여 에너지)을 저장하기 위한 축열 배관(300)과, 축열된 열을 추출하여 이용하기 위한 방열 배관(400)을 포함할 수 있다. 축열 배관(300)은 상술한 축열 라인(L3, M2) 상에 형성될 수 있고, 방열 배관(400)은 상술한 방열 라인(N1) 상에 형성될 수 있다.
축열 배관(300)은 고온의 열(고온의 유체)을 축열시설(100)까지 이송하며, 방열 배관(400)은 고온의 열(고온의 유체)를 시설물(S)까지 이송할 수 있다. 축열 배관(300) 및 방열 배관(400) 내부에는 유체가 이동하면서 관정(200) 및/또는 지반과 열교환할 수 있다. 축열 배관(300) 및/또는 방열 배관(400)은 PE 소재로 형성될 수 있고, 관정(200)의 지름이 150mm인 경우, 각 배관의 지름은 40mm일 수 있다.
도 5 및 도 6은 도 4의 축열시설(100)에서의 축열 배관(300)을 나타낸 도면이다. 도 7은 도 4의 축열시설(100)에서의 방열 배관(400)을 나타낸 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조(10)의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서의 축열시설(100)의 종단면을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 축열 배관(300)은 열병합발전기(30)와 연결된 제1 축열 배관(310)과 액비조(40)와 연결된 제2 축열 배관(320)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 축열 배관(310)과 제2 축열 배관(320)은 서로 독립적으로 형성될 수 있다. 독립적으로 형성된다는 것은, 배관 내부로 이송되는 유체들이 서로 섞이지 않도록 유로가 독립적인 것을 의미한다.
즉, 중앙부(110)로 잉여 열을 공급하는 제1 축열 배관(310)과, 둘레부(120)로 잉여 열을 공급하는 제2 축열 배관(320)은 서로 독립적으로 형성될 수 있다. 따라서, 잉여 발전열은 중앙부(110)로만, 잉여 액비 수열은 둘레부(120)로만 축열될 수 있다.
한편, 도 5에서는 제1 축열 배관(310)과 제2 축열 배관(320) 각각의 일부만을 도시하였으나, 제1 축열 배관(310)은 중앙부(110)에 있는 모든 관정(210)을 통과하도록 구성되고, 제2 축열 배관(320)은 둘레부(120)에 있는 모든 관정(220)을 통과하도록 구성될 수 있다.
다만, 제1 축열 배관(310)이 한 개 배관으로 모든 관정(210)을 통과할 필요가 없고, 제1 축열 배관(310)은 열병합기에 연결된 메인배관에서 분기된 복수의 배관(또는 열병합기와 연결된 독립적으로 형성된 복수의 배관)으로 구성될 수 있다. 나아가, 제1 축열 배관(310)은 중앙부(110) 관정(210) 개수와 동일한 개수의 배관을 포함할 수도 있다. 이에 따라, 한 배관은 한 관정(210)만을 통과할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.
한편, 제1 축열 배관(310)의 각각의 배관은 중앙부(110)의 중심부부터 통과하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 축열 배관(310)의 각각의 배관은 외곽을 가장 나중에 통과하도록 구성될 수 있다. 즉, 배관 내를 유동하는 유체는, 중앙부(110)의 중심부를 먼저 통과하고 및/또는 중앙부(110)의 외곽을 마지막에 통과함으로써, 중앙부(110)의 중심부에 가장 고온의 열이 저장될 수 있도록 할 수 있다. 그리고, 중앙부(110)의 외곽에는 상대적으로 낮은 온도의 열이 저장될 수 있다.
또한, 제2 축열 배관(320)도 제1 축열 배관(310)과 마찬가지로 한 개 배관으로 모든 관정(220)을 통과할 필요가 없고, 제2 축열 배관(320)은 액비조(40)에 연결된 메인배관에서 분기된 복수의 배관(또는 액비조(40)와 연결된 독립적으로 형성된 복수의 배관)으로 구성될 수 있다. 나아가, 제2 축열 배관(320)은 둘레부(120) 관정(220) 개수와 동일한 개수의 배관을 포함할 수도 있다. 이에 따라, 한 배관은 한 관정(220)만을 통과할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.
도 6에는 관정(200) 내부를 통과하는 제1 축열 배관(310)이 도시되어 있다. 다만, 제2 축열 배관(320)도 동일하다. 제1 축열 배관(310)은 관정(200)을 따라 삽입되고 U자로 굴곡될 수 있다(앞서 이러한 굴곡 형태를 “통과”라는 단어로 설명하였음). 제1 축열 배관(310)은 관정(200) 내부에 지반과 인접(또는 접촉)하게 위치한다. 유체는 배관을 따라 관정(200) 내부로 들어가서 U턴하여 관정(200) 밖으로 나오며, 유체는 관정(200) 내부 및/또는 지반과 열교환하여 지반에 축열할 수 있다. 도면에서 화살표가 열교환을 나타낸다.
도 6(b)를 참조하면, 지반을 관통하는 관정(200)이 형성되고, 관정(200) 내부에 제1 축열 배관(310)이 U자로 굴곡된다. 여기서, 내부 유체의 유동 방향을 따라, 관정(200) 내부로 유입되는 부분(311)과 관정(200)으로부터 유출되는 부분(312)이 있게 된다. 유입되는 부분에서의 유체는 지반보다 훨씬 고온이며, 유체의 온도는 유입되는 부분(311)에서 유출되는 부분(312)으로 갈수록 낮아질 수 있다.
도 6(a)를 참조하면, 관정(200)의 단면 상에서, 관정(200) 내부로 유입되는 부분(311)과 관정(200)으로부터 유출되는 부분(312)에 대한 배관 단면이 나타난다.
도 7을 참조하면, 방열 배관(400)은 시설물(S)과 연결되고 축열시설(100)을 통과하도록 구성될 수 있다. 방열 배관(400)이 한 개 배관으로 모든 관정(200)을 통과할 필요가 없고, 방열 배관(400)은 시설물(S)에 연결된 메인배관에서 분기된 복수의 배관(또는 열병합기와 연결된 독립적으로 형성된 복수의 배관)으로 구성될 수 있다. 나아가, 방열 배관(400)은 중앙부(110) 관정(210) 개수와 동일한 개수의 배관을 포함할 수도 있다. 이에 따라, 한 배관은 한 관정(210)만을 통과할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.
방열 배관(400)은 축열시설(100)의 중앙부(110)의 관정(210)만을 통과하도록 구성될 수 있다. 즉, 둘레부(120)는 완충역할만을 할뿐, 축열된 열을 공급하는 역할은 하지 않을 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 둘레부(120) 열까지 이용할 수도 있고, 이 경우에는 방열 배관(400)은 둘레부(120) 관정(220)도 통과할 수 있다.
방열 배관(400)은 축열 배관과 마찬가지로 도 6과 동일한 형태로 형성될 수 있다. 다만, 유입되는 부분에서의 유체는 지반보다 훨씬 저온이며, 유체의 온도는 유입되는 부분에서 유출되는 부분으로 갈수록 높아질 수 있다.
도 8을 참조하면, 관정(200)은 지반의 표면으로 개방되지 않고, 관정(200)은 커버될 수 있다. 예를 들어, 관정(200)은 시추 가능한 토질의 지반(P1)에 형성되고, 배관(U-파이프) 매설 후 그 상부가 모래(P2)로 덮인다. 그 상부에 단열재(P3)가 적층될 수 있다. 단열재 상에 시트방수재가 적층될 수 있고, 시트방수재는 계간축열부의 측면까지 연장되어 커버할 수 있다. 단열재 및 시트방수재 상에 다시 모래(P4)가 적층되고, 그 상부에 부직포(P5), 상토(P6)가 적층되며, 마지막으로 콘크리트(P7)가 타설될 수 있다. 결과적으로 관정(200) 상부는 여러 층에 의해 1~2m 두께로 커버될 수 있다. 이에 따라, 축열시설(100)은 지반 표면으로부터 단열될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조(10)의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템에서의 축열시설(100)에 설치되는 센서를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 관정(200)에는 일정 깊이마다 지중 온도를 측정하는 제1 센서(510)가 설치될 수 있다. 또한, 관정(200)과 관정(200) 사이에 온도를 측정하는 제2 센서(520)가 설치될 수 있다. 제1 센서(510) 및 제2 센서(520)를 통해 축열시설(100)의 온도를 모니터링할 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
10: 혐기성 소화조
20: 정제시설
30: 열병합발전기
40: 액비조
50: 분리막장치
60: 냉동기
S: 시설물
100: 축열시설
110: 중앙부
120: 둘레부
200, 210, 220: 관정
300: 축열 배관
400: 방열 배관
510, 520: 온도 센서

Claims (9)

  1. 혐기성 소화조에서 발생되는 에너지를 시설물의 냉방에너지 또는 난방에너지로 사용하는 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템으로서,
    유기성 폐기물을 처리하어 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조;
    상기 바이오가스를 이용하여 열병합발전하여 상기 시설물에 발전열을 제공하는 열병합발전기;
    상기 혐기성 소화조에서 배출되는 폐액을 액비화하고, 액비 수열을 생성하여 상기 시설물에 제공하는 액비조; 및
    상기 열병합발전기 및 상기 액비조에 연결되어, 상기 열병합발전기의 잉여 발전열과 상기 액비조의 잉여 액비 수열을 축열하였다가 상기 시설물에 제공하는 축열시설을 포함하고,
    상기 축열시설은 복수의 관정을 포함하는 관정형 계간축열부를 포함하고,
    상기 축열시설은, 중앙부;와 상기 중앙부를 둘러싸는 둘레부;를 포함하고,
    상기 둘레부는 상기 축열시설의 가장 외곽에 위치하는 관정들을 포함하고,
    상기 축열시설은, 상기 중앙부에 상기 열병합발전기의 잉여 발전열을 축열하고, 상기 둘레부에 상기 액비조의 잉여 액비 수열을 축열하고,
    상기 발전열은 상기 액비 수열보다 고온이고,
    상기 둘레부의 온도는, 상기 중앙부보다 저온이되, 상기 둘레부의 외측에 위치하는 지반보다 고온이고,
    상기 열병합발전기와 연결되어 상기 잉여 발전열을 상기 중앙부로 이송하는 제1 축열 배관; 및
    상기 액비조와 연결되어 상기 잉여 액비 수열을 상기 둘레부로 이송하는 제2 축열 배관을 더 포함하고,
    상기 제1 축열 배관과 상기 제2 축열 배관은 독립적으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혐기성 소화조로부터 배출되는 바이오가스를 정제하여 상기 열병합발전기로 공급하는 정제시설; 및
    상기 혐기성 소화조 및 상기 정제시설 사이에 설치되어 상기 혐기성 소화조에서 발생된 바이오가스를 저장하는 저장조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이오가스를 공급받아 상기 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소를 상기 시설물에 제공하는 분리막장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분리막장치로부터 분리된 메탄은 저장조로 이동하여 저장되는 것을 특징으로 하는,
    혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열병합발전기와 상기 시설물 사이에 형성되어 발전열을 이송하는 메인라인; 및
    상기 열병합발전기와 상기 시설물 사이에 형성되되, 상기 메인라인에서 분기되는 서브라인을 더 포함하고,
    상기 서브라인에는 상기 발전열을 냉방에너지로 전환하여 상기 시설물에 제공하는 냉동기가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시설물은,
    스마트팜을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    혐기성 소화조의 바이오가스화 시설에서의 열의 이용 및 축열 시스템.
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