KR102410689B1 - 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 및 그 운전방법 - Google Patents

이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 및 그 운전방법 Download PDF

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Abstract

액화수소저장부; 상기 액화수소저장부로부터 수소 및 천연가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지부; 및 상기 연료전지부로부터 발생한 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 포함하며, 상기 이산화탄소포집부는 상기 액화수소저장부로부터 배출되는 액화수소의 냉열을 공급받아 상기 이산화탄소를 액화시켜 이산화탄소를 포집하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템이 제공된다.

Description

이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 및 그 운전방법{Power generation system capturing CO2 and operation method for the same}
본 발명은 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 및 그 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소 포집에 따른 에너지 효율 문제를 해결한 발전시스템과 그 운전방법에 관한 것이다.
재생에너지는 화석연료나 우라늄과 달리 고갈되지 않기 때문에 지속적으로 이용할 수 있는 에너지로서, 태양에너지, 풍력, 수력, 바이오 에너지, 지열, 조력, 파력 등 다양한 종류가 있다.
하지만, 재생에너지원 확대 보급에 따라 기상 조건 등에 따라 설비 출력이 변화하는 재생에너지원 특성이 전력 계통에 미치는 영향이 커질 것으로 예상된다.
이러한 문제를 보완하기 위해서 리튬이온 배터리와 같은 화학 배터리 연계를 통한 전력 계통 안전성 확보가 확대 보급 되고 있으나, 대용량 리튬 이온 배터리의 경제적/기술적 어려움으로 인해서 대안이 필요한 상황이다.
이를 위해 재생에너지원으로부터 발생되는 잉여전력을 수전해를 통해 수소를 생산하고 이를 저장한 후 전력 수요 급증이 발생할 시 이를 다시 연료전지나 가스터빈에 공급하여 전력으로 전환하는 방식이 주목 받고 있다.
하지만 재생에너지원 자체의 가동률(연간 운용률)이 상대적으로 낮고, 여기에 수요/공급에 따른 잉여전력을 추산한다면 그 비율은 현저하게 낮아지게 된다. 즉, 저장된 수소를 다시 전기로 변환하기 위해 운용되는 연료전지나 가스터빈의 이용률 또한 현저하게 낮아져 경제성 확보가 어려우며, 특히 수소를 연료로 이용할 수 있는 연료전지나 가스터빈은 화력발전의 스팀터빈이나 엔진 발전기에 비해서 상대적으로 비싸므로 경제성 확보가 어렵다는 문제가 있다.
더 나아가 수소를 연료고 사용하는 연료전지를 전력생산원을 사용하는 경우, 전력 생산시 발생하는 이산화탄소는 현재 환경규제상 다양한 문제를 야기시키며, 이를 포집하기 위해서는 막대한 양의 에너지가 사용되어야 하는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 10-2019-0066857 " 태양광-수소 기반의 소형 전력 발생 장치 및 그 방법"
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수소를 활용하여 전력을 생산하는 발전시스템에 있어서, 이산화탄소 포집에 따른 에너지 효율 문제를 해결한 발전시스템과 그 운용방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은,
액화수소저장부;
상기 액화수소저장부로부터 수소 및 천연가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지부; 및
상기 연료전지부로부터 발생한 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 포함하며,
상기 이산화탄소포집부는 상기 액화수소저장부로부터 배출되는 액화수소의 냉열을 공급받아 상기 이산화탄소를 액화시켜 이산화탄소를 포집하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템을 제공한다.
또한, 상기 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템은,
재생에너지를 이용하여 전력을 생산하는 재생에너지발전시스템; 및
상기 재생에너지발전지스템에서 생산된 전력을 공급받아 수소를 생산하는 수전해시스템을 더 포함하며,
상기 수전해시스템에서 생산된 수소는 액화되어 상기 액화수소저장부에 저장되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템을 제공한다.
또한, 상기 연료전지부는 2개 이상의 단위연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템을 제공한다.
또한, 상기 2개 이상의 단위연료전지 중 적어도 어느 하나는 외부전력수요가 기설정된 수치 이하인 경우에도 외부로부터 천연가스 및 수소를 공급받아 전력을 생산하며, 상기 상기 2개 이상의 단위연료전지 중 적어도 또 다른 어느 하나는 외부전력수요가 기설정된 수치를 초과하는 경우, 상기 액화수소저장부로 수소를 공급받아 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템을 제공한다.
또한, 상기 단위연료전지로부터 생산된 전력 중 일부는 상기 이산화탄소 포집부로 공급되어 상기 연료전지부로부터 생산된 이산화탄소를 액화시키는 에너지로 사용되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은,
이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법으로,
천연가스 및 수소를 공급받아 상기 연료전지부가 전력을 생산함에 따라 발생하는 이산화탄소를 상기 이산화탄소포집부로 보내는 단계;
상기 액화수소저장부로부터 액화수소를 이산화탄소포집부로 공급하는 단계; 및
상기 액화수소의 냉열을 이용하여 상기 이산화탄소를 포집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법을 제공한다.
또한, 상기 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법은,
재생에너지발전시스템을 이용하여 전력을 생산하는 단계;
상기 생산된 전력을 공급받아 수전해시스템으로부터 수소를 생산하는 단계;
상기 수소를 공급받아 액화수소로 저장하는 단계를 포함하며,
상기 수소를 생산하는 단계는 상기 재생에너지시스템에서 생산된 전력이 기설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 전력을 상기 수전해시스템으로 공급하여 수소를 생산하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법을 제공한다.
또한, 상기 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법은,
상기 저장된 액화수소는 외부전력수요가 기설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 액화수소저장부에 저장된 액화수소를 상기 이산화탄소포집부로 공급한 후 기화시켜 상기 연료전지로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 액화수소의 냉열을 이용하여 연료전지로부터 발생한 이산화탄소를 포집한다. 그 결과 이산화탄소 배출이 없는 친환경 에너지 저장시스템 및 운전 방법을 발전시스템과 결합하여 구현 가능하고, 액체수소 냉열을 활용하여 이산화탄소 액화 공정에 필요한 에너지 소모량을 저감함으로써 전체 시스템의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템의 블록도이다.
도 2 및 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템의 블록도 및 그 운전방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템의 운전방법의 단계도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 액화수소로 저장된 수소의 냉열을 이용하여 이산화탄소를 포집한다. 이 경우, 천연가스를 연료로 공급받아 전력을 생산함에 따라 발생하는 이산화탄소를 액화시켜 포집함으로써 이산화탄소 포집에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 에너지 발전 시스템은, 액화수소저장부(10); 상기 액화수소저장부(10)로부터 수소 및 천연가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지부(20); 및 상기 연료전지부(20)로부터 발생한 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부(30)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 이산화탄소포집부(30)는 상기 액화수소저장부로부터 배출되는 액화수소의 냉열을 공급받아 상기 이산화탄소를 액화시켜 이산화탄소를 포집한다.
즉, 본 발명은 액화수소의 기화시킴에 따라 발생하는 냉열 손실을 다시 이산화탄소 포집에 필요한 냉열로 전환하여 전체 발전시스템의 효율을 향상시켜, 이산화탄소 배출이 없는 이산화탄소 포집형 발전시스템을 구현 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 수소 이외에 상기 연료전지부(20)로부터 생산된 전력을 함께 상기 이산화탄소포집부로 공급하여 실제 액화시 필요한 에너지를 저감시킬 수 있다.
도 2 및 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템의 블록도 및 그 운전방법을 설명하는 도면이다. 하기 실시예에서는 둘 이상의 단위 연료전지를 포함하는 연료전지 중 적어도 어느 하나는 낮은 전력부하에도 전력을 생산하고, 적어도 나머지 중 어느 하나는 높은 전략부하의 경우에 상기 액화수소를 공급받아 전력을 생산하며, 이때 액화수소의 냉열로 과도하게 발생하는 이산화탄소를 액화시켜 포집한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템은 2개의 단위연료전지(21, 22)를 포함하는 연료전지부(20)를 포함한다.
이 경우, 하나는 항상 전력을 생산하는 제 1 단위연료전지(21)이고 나머지는 외부전력수요가 많은 경우, 즉 기설정된 기준치를 초과하는 경우 전력을 생산하는 제 2 단위연료전지(22)이다. 이 경우 제 1 연료전지는 외부 수소 및 천연가스를 공급받아 전력을 생산하며, 이 중 생산된 전력 중 잉여 전력은 이산화탄소 포집부로 공급하여 천연가스 연소에 따라 발생햐는 이산화탄소를 액화시키는 에너지로 사용된다.
필요에 따라 상기 제 1 단위연료전지(21)로부터 생산된 전력 일부는 다시 수소 생산에 사용될 수 있으며, 이는 후술하는 수전해시스템으로 상기 전력이 공급될 수 있다.
도 3을 참조하면, 외부 전력 수요가 높아지는 경우, 즉 전력단가가 기준치 이상으로 올라가는 경우 제 2 단위 연료전지(22)를 이용하여 전력을 생산하는데, 이 경우 수전해시스템 등을 통하여 생산된 후 저장된 액화수소가 상기 제 2 단위 연료전지(22)로 공급된다. 이때 액화수소는 상기 이산화탄소 포집부로 냉열을 공급하는 냉매의 역할을 수행하며, 이후 액화 수소는 냉열 공급 후 기화되어 제 2 단위 연료전지(22)로 공급되어 전력을 생산한다.
즉, 본 발명은 액화수소의 냉열을 필요에 따라 이산화탄소의 액화 공정에 공급하여 이산화탄소 배출량을 줄이면서 동시에 전체 발전시스템의 에너지 효율을 제고할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 상술한 도 1 내지 3 시스템 재생에너지발전시스템(50); 상기 재생에너지발전지스템(50)에서 생산된 전력을 공급받아 수소를 생산하는 수전해시스템(60)을 더 포함하며, 상기 수전해시스템(60)에서 생산된 수소는 액화되어 상기 액화수소저장부(10)에 저장된다. 이때 상기 재생에너지발전시스템에서 생산된 전력은 기설정된 기준치 이상으로 외부 전력 수요가 있는 경우 수전해로 전력을 공급, 수소를 생산하여 상기 제 2 연료전지부(22)로 수소를 공급, 전력을 생산한다.
이러한 본 발명은 재생에너지의 외부조건에 의한 영향, 그리고 계속 변화되는 외부 전력 수요량의 문제, 그리고 이산화탄소 배출에 따른 환경 문제와 에너지 효율 저하의 문제를 모두 해결할 수 있는, 수전해시스템-수소저장-연료전지-이산화탄소 포집시스템을 포함하는, 발전시스템을 제공한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템의 운전방법의 단계도이다 .
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집형 발전시스템 운전방법은, 천연가스 및 수소를 공급받아 상기 연료전지부가 전력을 생산함에 따라 발생하는 이산화탄소를 상기 이산화탄소포집부로 보내는 단계; 상기 액화수소저장부로부터 액화수소를 이산화탄소포집부로 공급하는 단계; 및 상기 액화수소의 냉열을 이용하여 상기 이산화탄소를 포집하는 단계를 포함한다.
즉, 본 발명은 외부의 전력수요가 증가하는 경우 수전해시스템에서 생산되어 저장된 수소를 연료전지에 공급하여 전력을 생산하며, 이때 생산된 수소는 냉열을 공급하는 매질로서 이산화탄소를 포집하는 냉열 공급원으로 사용된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 액화수소저장부
20 : 연료전지부
21 : 제 1 단위연료전지
22 : 제 2 단위연료전지
30 : 이산화탄소포집부
50 : 재생에너지발전시스템
50 : 재생에너지발전시스템
60 : 수전해시스템

Claims (8)

  1. 액화수소저장부;
    상기 액화수소저장부로부터 수소 및 천연가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지부; 및
    상기 연료전지부로부터 발생한 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 포함하며,
    상기 이산화탄소포집부는 상기 액화수소저장부로부터 배출되는 액화수소의 냉열을 공급받아 상기 이산화탄소를 액화시켜 이산화탄소를 포집하며,
    상기 연료전지부는 2개 이상의 단위연료전지를 포함하고, 상기 2개 이상의 단위연료전지 중 적어도 어느 하나는 외부전력수요가 기설정된 수치 이하인 경우에도 외부로부터 천연가스 및 수소를 공급받아 전력을 생산하며,
    상기 2개 이상의 단위연료전지 중 적어도 또 다른 어느 하나는 외부전력수요가 기설정된 수치를 초과하는 경우, 상기 액화수소저장부로 수소를 공급받아 전력을 생산하며,
    상기 단위연료전지로부터 생산된 전력 중 일부는 상기 이산화탄소 포집부로 공급되어 상기 연료전지부로부터 생산된 이산화탄소를 액화시키는 에너지로 사용되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템은,
    재생에너지를 이용하여 전력을 생산하는 재생에너지발전시스템; 및
    상기 재생에너지발전시스템에서 생산된 전력을 공급받아 수소를 생산하는 수전해시스템을 더 포함하며,
    상기 수전해시스템에서 생산된 수소는 액화되어 상기 액화수소저장부에 저장되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지부는 2개 이상의 단위연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법으로,
    천연가스 및 수소를 공급받아 상기 연료전지부가 전력을 생산함에 따라 발생하는 이산화탄소를 상기 이산화탄소포집부로 보내는 단계;
    상기 액화수소저장부로부터 액화수소를 이산화탄소포집부로 공급하는 단계; 및
    상기 액화수소의 냉열을 이용하여 상기 이산화탄소를 포집하는 단계를 포함하며,
    상기 연료전지부는 2개 이상의 단위연료전지를 포함하고, 상기 2개 이상의 단위연료전지 중 적어도 어느 하나는 외부전력수요가 기설정된 수치 이하인 경우에도 외부로부터 천연가스 및 수소를 공급받아 전력을 생산하며,
    상기 2개 이상의 단위연료전지 중 적어도 또 다른 어느 하나는 외부전력수요가 기설정된 수치를 초과하는 경우, 상기 액화수소저장부로 수소를 공급받아 전력을 생산하며,
    상기 단위연료전지로부터 생산된 전력 중 일부는 상기 이산화탄소 포집부로 공급되어 상기 연료전지부로부터 생산된 이산화탄소를 액화시키는 에너지로 사용되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법은,
    재생에너지발전시스템을 이용하여 전력을 생산하는 단계;
    상기 생산된 전력을 공급받아 수전해시스템으로부터 수소를 생산하는 단계;
    상기 수소를 공급받아 액화수소로 저장하는 단계를 포함하며,
    상기 수소를 생산하는 단계는 상기 재생에너지발전시스템에서 생산된 전력이 기설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 전력을 상기 수전해시스템으로 공급하여 수소를 생산하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법은,
    상기 저장된 액화수소는 외부전력수요가 기설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 액화수소저장부에 저장된 액화수소를 상기 이산화탄소포집부로 공급한 후 기화시켜 상기 연료전지로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 포집형 에너지발전시스템 운전방법.
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