KR102416844B1 - 하이브리드 수소 생산 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 수소 생산 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 재생 에너지원의 잉여 전력 발생 여부에 따라, 재생 에너지원의 잉여 전력 및 전력 계통의 전력 중 어느 하나를 공급받아 변환하여서 변환 전력을 생성하는 전력 변환부; 전력 변환부와 연결되고, 전력 변환부에서 변환된 변환 전력을 공급받아 물을 수소와 산소로 분해하는 수전해부; 수전해부와 연결되고, 수전해부에서 분해된 산소를 공급받아 연료와 반응시켜서 제1 합성가스를 발생시키는 가스화부; 가스화부와 연결되고, 가스화부에서 발생된 제1 합성가스를 물과 열교환시켜서 스팀을 생성하는 열교환부; 열교환부와 연결되고, 열교환부로부터 스팀을 공급받아 저장하는 스팀 공급부; 열교환부 및 스팀 공급부와 연결되고,열교환부를 통과한 제1 합성가스 및 스팀 공급부에 저장된 스팀의 적어도 일부를 공급받아 반응시켜서 제2 합성가스를 발생시키는 가스 전환부; 스팀 공급부와 연결되고, 스팀 공급부에 저장된 스팀 중 나머지를 공급받아 전력을 생산하는 전력 생산부; 및 전력 생산부와 연결되고, 전력 생산부로부터 제2 합성가스를 공급받아 정제하며, 정제된 제2 합성가스로부터 질소를 분리하는 정제 분리부를 포함하는, 하이브리드 수소 생산 시스템이 제공될 수 있다.

Description

하이브리드 수소 생산 시스템{HYBRID SYSTEM FOR GENERATING HYDROGEN}
본 발명은 하이브리드 수소 생산 시스템에 대한 것이다.
환경 문제가 인류의 생존 문제로까지 부각되면서 2016년 11월 4일 파리 기후 변화 협정이 발효되었으며, 2020년부터 2030년까지 온실가스 저감 목표를 달성하기 위해, 우리나라를 포함한 전 세계에서 온실가스의 배출을 억제할 수 있는 재생 에너지원의 수요가 급격히 증가되고 있는 추세이다.
한편, 기존의 화석연료 에너지원은 발전기를 제어하여 전력의 공급과 소비의 균형을 안정적으로 유지할 수 있고, 언제라도 전력을 생산할 수 있는 발전 예비력을 가지고 있는 반면, 재생 에너지원은 입지환경, 날씨 및 시간에 따라서 출력변동이 심하여 연속 공급이 불가능하다는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 재생 에너지원은 에너지 생산 시점과 수요 시점의 시간차에 의해, 전력의 수요와 공급의 균형을 맞추는 것이 어렵다는 문제를 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 재생 에너지원으로부터 전력 수요를 초과하는 잉여 전력이 생산되는 경우, 생산된 잉여 전력을 저장하였다가 전력 수요가 급증하는 시점에 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장 기술이 개발되고 있다.
한편, 재생 에너지원의 발전 비중이 크지 않은 경우에는 재생 에너지원의 잉여 전력이 기존의 배터리 계열의 저장 장치에 저장되는 것이 가능하였으나, 배터리 계열의 저장 장치는 저장 용량이 한정적이고, 재생 에너지원의 발전 비중이 점차적으로 증가함에 따라, 대용량으로 에너지를 저장할 수 있는 새로운 에너지 저장 기술이 요구되고 있다.
이러한 새로운 에너지 저장 기술로서, 재생 에너지원에서 발생하는 잉여 전력을 수전해 장치로 공급하여 물을 전기 분해함으로써 수소를 생산하는 P2G(power to gas) 기술이 각광받고 있다. P2G 기술은 재생 에너지원에서 발생하는 잉여 전력을 연료의 형태로 변환하기 때문에, 재생 에너지원의 잉여 전력을 대용량으로 저장할 수 있고, 잉여 전력이 수일 내지 수개월 동안 저장될 수 있다는 장점이 있다.
그러나, P2G 기술은 재생 에너지원의 연간 가동률과 전력의 수요, 공급 차이로 발생할 수 있는 잉여 전력 발생 비율을 고려해 볼 때, 수전해 장치의 가동률이 현저히 낮아지는 문제가 있다. 나아가, 수전해 장치의 낮은 가동률로 인해 수전해 장치로부터 생산되는 수소의 원가가 높아지는 문제가 있다.
따라서, 재생 에너지원의 잉여 전력 발생 유무에 관계없이 수전해 장치의 가동률을 극대화하여 수소의 생산 단가를 절감함으로써, 경제성을 확보할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명의 실시예들은 상술한 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 재생 에너지원의 잉여 전력 발생 유무에 관계없이 수전해 장치의 가동률을 극대화하여 수소의 생산 단가를 절감함으로써, 경제성을 확보할 수 있는 하이브리드 수소 생산 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 재생 에너지원의 잉여 전력 발생 여부에 따라, 재생 에너지원의 잉여 전력 및 전력 계통의 전력 중 어느 하나를 공급받아 변환하여서 변환 전력을 생성하는 전력 변환부; 상기 전력 변환부와 연결되고, 상기 전력 변환부에서 변환된 변환 전력을 공급받아 물을 수소와 산소로 분해하는 수전해부; 상기 수전해부와 연결되고, 상기 수전해부에서 분해된 산소를 공급받아 연료와 반응시켜서 제1 합성가스를 발생시키는 가스화부; 상기 가스화부와 연결되고, 상기 가스화부에서 발생된 상기 제1 합성가스를 물과 열교환시켜서 스팀을 생성하는 열교환부; 상기 열교환부와 연결되고, 상기 열교환부로부터 스팀을 공급받아 저장하는 스팀 공급부; 상기 열교환부 및 상기 스팀 공급부와 연결되고, 상기 열교환부를 통과한 상기 제1 합성가스 및 상기 스팀 공급부에 저장된 스팀의 적어도 일부를 공급받아 반응시켜서 제2 합성가스를 발생시키는 가스 전환부; 상기 스팀 공급부와 연결되고, 상기 스팀 공급부에 저장된 스팀 중 나머지를 공급받아 전력을 생산하는 전력 생산부; 및 상기 전력 생산부와 연결되고, 상기 전력 생산부로부터 상기 제2 합성가스를 공급받아 정제하며, 정제된 상기 제2 합성가스로부터 질소를 분리하는 정제 분리부를 포함하는, 하이브리드 수소 생산 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 수전해부 및 상기 정제 분리부와 연결되고, 상기 수전해부에서 분해된 수소 및 상기 정제 분리부로부터 분리된 수소 중 적어도 하나를 공급받아 저장하는 수소 저장부; 및 상기 가스화부 및 상기 정제 분리부 사이에 연결되고, 내부에 상기 연료를 저장하도록 구비는 연료 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료 저장부의 전단에는 상기 정제 분리부로부터 분리된 질소를 공급받아 압축하는 압축기가 구비되고, 상기 연료 저장부는, 상기 압축기로부터 압축된 질소를 공급받고, 공급된 질소의 압력에 의해 상기 연료 저장부에 저장된 상기 연료가 상기 가스화부로 이송될 수 있다.
또한, 상기 전력 생산부는, 상기 스팀 공급부와 연결되고, 상기 스팀 공급부로부터 스팀을 공급받으며, 공급된 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 제1 발전 장치; 상기 가스 전환부 및 상기 제1 발전 장치와 연결되고, 상기 제1 발전 장치를 통과한 스팀을 공급받아 재열하는 스팀 재열기; 및 상기 스팀 재열기와 연결되고, 상기 스팀 재열기에서 재열된 스팀을 공급받아 전력을 생산하는 제2 발전 장치를 포함하고, 상기 스팀 재열기는, 상기 가스 전환부로부터 상기 제2 합성가스를 공급받고, 상기 가스 전환부에서 상기 제2 합성가스가 생성될 때 발생하는 열을 이용하여 스팀을 재열할 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 상기 스팀 재열기와 연결되고, 외부로부터 물을 공급받으며, 상기 스팀 재열기에서 상기 제2 합성가스가 스팀을 재열시키고 남은 열을 이용하여 물을 예열하는 물 예열기; 상기 물 예열기와 연결되고, 상기 물 예열기에서 예열된 물을 공급받아 저장하는 물 저장 탱크; 및 상기 물 저장 탱크와 연결되고, 상기 물 저장 탱크로부터 물을 공급받아 상기 가스화부에서 발생된 상기 제1 합성가스와 열교환시키는 열교환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환기 및 상기 가스 전환부 사이에 연결되고, 상기 열교환기를 통과한 상기 제1 합성가스를 필터링하는 필터부를 더 포함하고, 상기 필터부에 의해 필터링된 상기 제1 합성가스는 상기 가스 전환부로 전달될 수 있다.
또한, 상기 정제 분리부는, 상기 물 예열기와 연결되고, 상기 물 예열기를 통과한 상기 제2 합성가스를 공급받아 응축시켜서 상기 제2 합성가스에 포함된 수분을 제거하는 응축기; 상기 응축기와 연결되고, 상기 응축기에서 수분이 제거된 상기 제2 합성가스로부터 이산화탄소를 제거하는 포집부; 및 상기 포집부와 연결되고, 상기 포집부에서 이산화탄소가 제거된 상기 제2 합성가스로부터 질소를 분리하는 분리기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스팀 공급부는, 상기 열교환기로부터 스팀을 공급받아 저장하는 스팀 저장 드럼; 상기 스팀 저장 드럼 및 상기 가스 전환부 사이에 연결되는 제1 스팀 공급 라인; 상기 제1 스팀 공급 라인으로부터 분기되고, 단부가 상기 제1 발전 장치에 연결되는 제2 스팀 공급 라인; 및 상기 제2 스팀 공급 라인에 구비되는 스팀 제어 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 재생 에너지원의 잉여 전력 발생 유무에 관계없이 수전해 장치의 가동률을 극대화하여 수소의 생산 단가를 절감함으로써, 경제성을 확보할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수소 생산 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 하이브리드 수소 생산 시스템을 상세하게 도시한 상세 개념도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 일 측, 타 측 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수소 생산 시스템 및 이를 포함하는 에너지 공급 시스템의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수소 생산 시스템(1)은 전력 변환부(10), 수전해부(20), 가스화부(30), 열교환부(40), 스팀 공급부(50), 가스 전환부(60), 전력 생산부(70), 정제 분리부(80), 수소 저장부(90), 연료 저장부(100) 및 필터부(110)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(10)는 재생 에너지원(2)의 잉여 전력 발생 여부에 따라, 재생 에너지원(2)의 잉여 전력 및 육상의 전력 계통(3)의 전력 중 어느 하나를 공급받아 변환하여서 변환 전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 재생 에너지원(2)에서 잉여 전력이 발생하는 경우, 재생 에너지원(2)의 잉여 전력이 전력 변환부(10)로 공급되고, 재생 에너지원(2)으로부터 잉여 전력이 발생하지 않은 경우, 육상의 전력 계통(3)의 전력이 전력 변환부(10)로 공급될 수 있다.
수전해부(20)는 전력 변환부(10)와 연결되고, 전력 변환부(10)에서 변환된 변환 전력을 공급받아 물을 수소와 산소로 분해할 수 있다. 이때, 수전해부(20)로 공급되는 물은 후술할 열교환부(40)의 물 예열기(41)에서 소정의 온도로 예열된 물일 수 있다.
이와 같이 수전해부(20)는 소정의 온도로 예열된 물에 전기를 흘려서 전기화학반응을 일으킴에 따라, 수소 및 산소를 생산할 수 있다. 이때, 수전해부(20)에서 생산되는 수소는 수소 저장부(90)에 저장될 수 있으며, 수전해부(20)에서 생산되는 산소는 가스화부(30)로 전달되어 가스화 공정의 부분 산화제로 사용될 수 있다.
한편, 재생 에너지원(2)으로부터 잉여 전력이 발생하는 경우, 수전해부(20)는 수소 생산 운영 주체가 될 수 있다. 구체적으로, 재생 에너지원(2)의 잉여 전력이 전력 변환부(10)를 통해 변환된 다음 수전해부(20)로 공급되면, 수전해부(20)는 공급된 전력을 이용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소는 수소 저장부(90)에 저장될 수 있다. 아울러, 수전해부(20)에서 수전해 공정의 부산물로서 생산되는 산소는 가스화부(30)로 공급될 수 있다.
이와는 달리, 재생 에너지원(2)으로부터 잉여 전력이 발생하지 않는 경우, 수전해부(20)는 산소 공급 운영 주체가 될 수 있다. 이 경우, 육상의 전력 계통(3)의 전력이 전력 변환부(10)를 통해 변환된 후 수전해부(20)로 공급되며, 수전해부(20)는 공급된 전력을 이용하여 산소를 생산하고, 생산된 산소는 가스화부(30)로 공급될 수 있다. 이때, 수전해부(20)에서 수전해 공정의 부산물로서 부산물로 생산되는 수소는 수소 저장부(90)에 저장될 수 있다.
가스화부(30)는 수전해부(20)와 연결되고, 수전해부(20)에서 분해된 산소를 공급받아 연료와 반응시켜서 제1 합성가스를 발생시킬 수 있다. 이때, 가스화부(30)는 연료 저장부(100)로부터 연료를 공급받을 수 있으며, 이러한 연료는 일 예로 탄화수소 계열 연료일 수 있다. 탄화수소 계열 연료는 천연가스, 디젤, 가솔린, 프로탄, 에탄올 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 연료 저장부(100)의 연료는 후술할 정제 분리부(80)의 분리기(83)로부터 배출되는 질소 가스에 의해 연료 저장부(100)로부터 가스화부(30)로 이송될 수 있다. 이때, 가스화부(30)로 이송된 연료는 수전해부(20)로부터 공급되는 산소에 의해 부분 산화될 수 있으며, 연료가 산소에 의해 부분 산화되는 과정에서 일산화탄소(CO), 수소(H2), 황화수소(H2S), 이산화탄소(CO2) 및 비산재를 포함하는 제1 합성가스가 가스화부(30)로부터 배출되어 후술할 열교환부(40)의 열교환기(43)로 전달될 수 있다.
한편, 가스화부(30)에서 수행되는 연료와 산소의 가스화 반응은 발열반응에 해당하므로, 반응의 결과물로서 고열이 발생되고, 가스화부(30)로부터 배출되는 제1 합성가스는 고온 상태를 가질 수 있다. 이에 따라, 가스화부(30)로부터 배출되어 열교환기(43)로 전달되는 고온의 제1 합성가스는 열교환기(43)로 공급된 물과 열교환되면서 스팀을 생성하는데 사용될 수 있다.
열교환부(40)는 가스화부(30)와 연결되고, 가스화부(30)에서 발생된 제1 합성가스를 물과 열교환시켜서 스팀을 생성할 수 있다. 이를 위해, 열교환부(40)는 후술할 전력 생산부(70)의 스팀 재열기(72)와 연결되고, 외부로부터 물을 공급받으며, 스팀 재열기(72)에서 제2 합성가스가 스팀을 재열하고 남은 열을 이용하여 물을 예열하는 물 예열기(41), 물 예열기(41)와 연결되고, 물 예열기(41)에서 예열된 물 공급받아 저장하는 물 저장 탱크(42) 및 물 저장 탱크(42)와 연결되고, 물 저장 탱크(42)로부터 물을 공급받아 가스화부(30)에서 발생된 제1 합성가스와 열교환시키는 열교환기(43)를 포함할 수 있다.
물 예열기(41)에는 외부의 물이 공급될 수 있다. 예를 들어, 외부로부터 물 예열기(41)로 공급되는 물은 보일러 공급수일 수 있다. 다만,본 실시예에서는 물 예열기(41)에 보일러 공급수가 공급되는 경우를 일 예로 들어 설명하나, 이는 예시에 불과하고, 이로 인해 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다. 물 예열기(41)로 공급되는 물을 보일러 공급수 이외의 다양한 공급수 등으로 대체될 수 있다.
한편, 물 예열기(41)에 연결된 물 공급 펌프(411)가 보일러 공급수 탱크(미도시)로부터 물 예열기(41)로 보일러 공급수를 펌핑함으로써, 물 예열기(41)로 보일러 공급수가 공급될 수 있다. 이때, 물 예열기(41)에 공급된 보일러 공급수는 소정의 온도로 예열될 수 있으며, 예열된 물은 물 저장 탱크(42)로 공급될 수 있다.
물 저장 탱크(42)는 물 예열기(41)로부터 소정의 온도로 예열된 물을 공급받아 저장할 수 있다. 이렇게 물 저장 탱크(42)에 저장된 물은 열교환기(43)로 공급되어 스팀을 생성하는데 사용될 수 있다.
열교환기(43)는 가스화부(30)에서 산소와 연료의 가스화 반응에 의해 생성되는 제1 합성가스를 물 저장 탱크(42)로부터 공급되는 물과 열교환시켜서 스팀을 생성할 수 있다.
한편, 열교환기(43)로 공급되는 제1 합성가스는 가스화부(30)에서 수행된 연료와 산소의 가스화 반응에 의해 생성되는 가스로서, 가스화부(30)의 가스화 반응은 발열반응에 해당하므로, 반응의 결과물로서 발생된 제1 합성가스는 고열을 가질 수 있다. 이에 따라, 열교환기(43)는 제1 합성가스의 고열을 이용하여 스팀을 생산하고, 생산된 스팀을 스팀 공급부(50)로 공급할 수 있다. 이때, 스팀 공급부(50)로 공급된 스팀은 가스 전환부(60)로 전달되어 수성가스 전환 공정에 사용되거나, 전력 생산부(70)로 공급되어 전력을 생산하는데 사용될 수 있다.
스팀 공급부(50)는 열교환부(40)와 연결되고, 열교환부(40)로부터 스팀을 공급받아 저장할 수 있다. 이때, 스팀 공급부(50)에 공급된 스팀 중 적어도 일부는 가스 전환부(60)로 공급되어 수성가스 전환 공정에 사용될 수 있으며, 스팀 공급부(50)에 공급된 스팀 중 나머지는 전력 생산부(70)로 공급되어 전력을 생산하는데 사용될 수 있다.
이를 위해, 스팀 공급부(50)는 열교환기(43)로부터 스팀을 공급받아 저장하는 스팀 저장 드럼(51), 스팀 저장 드럼(51) 및 가스 전환부(60) 사이에 연결되는 제1 스팀 공급 라인(52), 제1 스팀 공급 라인(52)에 연결되고, 스팀 저장 드럼(51)으로부터 가스 전환부(60)로 공급되는 스팀의 유량을 제어하는 제1 스팀 제어 밸브(53), 제1 스팀 공급 라인(52)으로부터 분기되고, 단부가 제1 발전 장치(71)에 연결되는 제2 스팀 공급 라인(54) 및 제2 스팀 공급 라인(54)에 연결되고, 스팀 저장 드럼(51)으로부터 제1 발전 장치(71)로 공급되는 스팀의 유량을 제어하는 제2 스팀 제어 밸브(55)를 포함할 수 있다.
한편, 제1 스팀 제어 밸브(53)가 개방되고, 제2 스팀 제어 밸브(55)가 폐쇄되면, 스팀 공급부(50)의 스팀이 제1 스팀 공급 라인(52)을 통해 가스 전환부(60)로 공급될 수 있다. 이때, 가스 전환부(60)로 공급된 스팀의 유량이 기 설정된 유량에 도달하면, 제1 스팀 제어 밸브(53)가 폐쇄되고 제2 스팀 제어 밸브(55)가 개방되어 스팀 공급부(50)의 스팀이 전력 생산부(70)로 공급될 수 있다. 이로써, 스팀 저장 드럼(51)에 저장된 스팀이 가스 전환부(60)에서 수성가스 전환 반응을 수행하는데 필요한 만큼만 가스 전환부(60)로 공급된 다음, 스팀 저장 드럼(51)의 잔여 스팀이 전력 생산부(70)로 전달되므로, 스팀의 효율적인 사용이 가능하다.
가스 전환부(60)는 열교환부(40) 및 스팀 공급부(50)와 연결되고, 열교환부(40)를 통과한 제1 합성가스 및 스팀 공급부(50)에 저장된 스팀의 적어도 일부를 공급받아 반응시켜서 제2 합성가스를 발생시킬 수 있다.
이러한 가스 전환부(60)에서는 수성가스 전환 반응이 수행된다. 여기서, 수성가스 전환 반응은 가스 전환부(60)로 공급된 제1 합성가스의 일산화탄소(CO)가 스팀 공급부(50)로부터 공급된 스팀에 의해 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제2 합성가스로 전환되는 반응을 의미한다. 이때, 수성가스 전환 반응은 발열반응에 해당하므로, 반응의 결과물로서 고열이 발생됨에 따라, 가스 전환부(60)에서 전환된 제2 합성가스는 고온의 상태를 가질 수 있다. 이와 같이 고온의 상태를 갖는 제2 합성가스는 후술할 전력 생산부(70)의 스팀 재열기(72)로 전달되어 스팀을 재가열시키기 위한 열원으로서 사용될 수 있다.
전력 생산부(70)는 스팀 공급부(50)와 연결되고, 스팀 공급부(50)에 저장된 스팀 중 나머지를 공급받아 전력을 생산할 수 있다. 이를 위해, 전력 생산부(70)는 스팀 공급부(50)와 연결되고, 스팀 공급부(50)로부터 스팀을 공급받으며, 공급된 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 제1 발전 장치(71), 가스 전환부(60) 및 제1 발전 장치(71)와 연결되고, 제1 발전 장치(71)를 통과한 스팀을 공급받아 재열하는 스팀 재열기(72) 및 스팀 재열기(72)와 연결되고, 스팀 재열기(72)에서 재열된 스팀을 공급받아 전력을 생산하는 제2 발전 장치(73)를 포함할 수 있다.
제1 발전 장치(71)는 스팀 공급부(50)로부터 공급되는 고온의 스팀을 이용하여 제1 터빈(미도시)을 구동시킨다. 제1 터빈의 구동에 의해 발생되는 에너지는 터빈축(미도시)을 통해 제1 터빈 발전기(미도시)로 전달되어 제1 터빈 발전기의 로터(미도시)를 회전시킴으로써, 전력이 생산될 수 있다. 이렇게 제1 발전 장치(71)에서 전력 생산이 완료되면, 제1 발전 장치(71)로부터 저온의 스팀이 배출되고, 배출된 저온의 스팀은 스팀 재열기(72)로 공급될 수 있다.
스팀 재열기(72)는 가스 전환부(60)로부터 제2 합성가스를 공급받고, 가스 전환부(60)에서 제2 합성가스가 생성될 때 발생하는 열을 이용하여 스팀을 재열할 수 있다. 달리 말하면, 스팀 재열기(72)에서 제2 합성가스의 열을 이용하여 제1 발전 장치(71)로부터 공급되는 저온의 스팀을 재가열할 수 있으며, 스팀 재열기(72)에서 재열된 스팀은 제2 발전 장치(73)로 전달되어 전력을 생산하는데 사용될 수 있다. 또한, 저온의 스팀을 재가열하면서 열이 회수된 제2 합성가스는 스팀 재열기(72)로부터 배출된 후, 물 예열기(41)로 공급되어 물 예열기(41)의 물을 예열하는데 사용될 수 있다.
제2 발전 장치(73)는 스팀 재열기(72)로부터 재열된 스팀을 공급받아 제2 터빈(미도시)을 구동시킨다. 제2 터빈의 구동에 의해 발생되는 에너지는 터빈축(미도시)을 통해 제2 터빈 발전기(미도시)로 전달되어 제2 터빈 발전기의 로터를 회전시킴으로써, 전력이 생산될 수 있다.
한편, 제1 발전 장치(71)에서 생산된 전력 및 제2 발전 장치(73)에서 생산된 전력은 제1 발전 장치(71) 및 제2 발전 장치(73)와 각각 연결된 전력 전송 라인(미도시)을 통해 육상의 전력 계통(3)로 이송되어 수요처에 보내질 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과하고 이로 인해 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 발전 장치(71)에서 생산된 전력 및 제2 발전 장치(73)에서 생산된 전력은 전력 변환부(10)로 이송되어 전력 변환부(10)에서 변환된 다음, 수전해부(20)로 전달됨으로써, 수전해 반응을 위한 전력으로 사용될 수도 있다.
정제 분리부(80)는 전력 생산부(70)와 연결되고, 전력 생산부(70)로부터 제2 합성가스를 공급받아 정제하며, 정제된 제2 합성가스로부터 질소를 분리할 수 있다. 이를 위해, 정제 분리부(80)는 물 예열기(41)와 연결되고, 물 예열기(41)를 통과한 제2 합성가스를 공급받아 응축시켜서 제2 합성가스에 포함된 수분을 제거하는 응축기(81), 응축기(81)와 연결되고, 응축기(81)에서 수분이 제거된 제2 합성가스로부터 이산화탄소를 제거하는 포집부(82) 및 포집부(82)와 연결되고, 포집부(82)에서 이산화탄소가 제거된 제2 합성가스로부터 질소를 분리하는 분리기(83)를 포함할 수 있다.
이때, 포집부(82)는 제1 예냉기(821), 이산화탄소 흡수탑(822), 제2 예냉기(823), 이산화탄소 재생탑(824), 피드 펌프(825) 및 냉각기(826)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 응축기(81)에 의해 수분이 제거된 제2 합성가스는 제1 예냉기(821)로 공급되어 소정의 온도로 예냉됨으로써, 농도가 높아질 수 있다. 이때, 제1 예냉기(821)로부터 배출되는 고농도의 제2 합성가스는 이산화탄소 흡수탑(822)으로 공급되고, 고농도의 제2 합성가스에 포함된 이산화탄소가 이산화탄소 흡수탑(822)에 흡수될 수 있다. 여기서, 이산화탄소 흡수탑(822)에 흡수되지 못한 고농도의 제2 합성가스는 이산화탄소 흡수탑(822)의 상단으로 배출되어 제1 예냉기(821)로 다시 공급되며, 제1 예냉기(821)에서 다시 한번 예냉된 후 이산화탄소 흡수탑(822)으로 공급될 수 있다.
한편, 이산화탄소 흡수탑(822)에서는 흡수제(solvent)와 고농도의 제2 합성가스가 서로 접촉됨으로써, 고농도의 제2 합성가스에 포함된 이산화탄소가 흡수제에 흡수되는 이산화탄소 흡수 공정이 수행된다. 이러한 이산화탄소 흡수 공정이 완료되면, 이산화탄소 흡수탑(822)으로부터 이산화탄소가 제거된 고농도의 제2 합성가스 및 고농도의 제2 합성가스로부터 분리된 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 제2 예냉기(823)로 배출된다. 제2 예냉기(823)에서 예냉된 이산화탄소가 제거된 고농도의 제2 합성가스 및 고농도의 제2 합성가스로부터 분리된 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 이산화탄소 재생탑(824)으로 공급될 수 있다.
이때, 이산화탄소 재생탑(824)에서는 이산화탄소가 제거된 고농도의 제2 합성가스 및 고농도의 제2 합성가스로부터 분리된 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 소정의 온도로 가열하여 흡수제로부터 이산화탄소를 다시 분리하는 이산화탄소 재생 공정이 수행된다. 이렇게 분리된 이산화탄소는 별도의 이송 배관(미도시)을 통해 외부로 이송되고, 이산화탄소가 제거된 고농도의 제2 합성가스 및 흡수제는 피드 펌프(825)의 펌핑에 의해 다시 제2 예냉기(823)로 공급된다. 이와 같이 제2 예냉기(823)로 공급되는 이산화탄소가 제거된 고농도의 제2 합성가스 및 흡수제는 냉각기(826)에서 냉각된 다음, 이산화탄소 흡수탑(822)으로 다시 공급된다. 이 경우, 흡수제는 이산화탄소 흡수탑(822)에서 이산화탄소 흡수 매체로 사용될 수 있고, 이산화탄소가 제거된 고농도의 제2 합성가스는 제1 예냉기(821)로 공급되어 다시 한번 예냉된 후, 분리기(83)로 공급될 수 있다.
분리기(83)는 압력 흡착(Pressure Swing Adsorption) 방식을 이용하여 이산화탄소가 제거된 고농도의 제2 합성가스로부터 질소를 분리할 수 있다. 이렇게 분리기(83)로부터 수득된 질소는 연료 저장부(100)에 저장된 연료를 가스화부(30)에 공급하기 위한 가스로 활용될 수 있다. 구체적으로, 분리기(83)로부터 분리된 기체 상태의 질소가 분리기(83)의 후단에 연결된 압축기(831)로 공급되고, 이러한 질소 가스가 압축기(831)에 의해 압축되어 고압의 상태로 연료 저장부(100)에 공급됨으로써, 연료 저장부(100)의 연료가 질소 가스의 압력에 의해 가스화부(30)로 이송될 수 있다.
한편, 이산화탄소가 제거된 고농도의 제2 합성가스로부터 질소가 분리됨에 따라, 제2 합성가스에 포함된 수소는 고농도로 가지게 된다. 이러한 고농도의 수소는 수소 저장부(90)로 이송되어 수소 저장부(90)에 저장될 수 있다.
수소 저장부(90)는 수전해부(20) 및 정제 분리부(80)와 연결되고, 수전해부(20)에서 분해된 수소 및 정제 분리부(80)로부터 분리된 수소 중 적어도 하나를 공급받아 저장할 수 있다.
연료 저장부(100)는 가스화부(30) 및 정제 분리부(80) 사이에 연결되고, 내부에 연료를 저장하도록 구비될 수 있다. 이때, 연료 저장부(100)는 압축기(831)로부터 압축된 질소 가스를 공급받을 수 있다. 연료 저장부(100)로 공급된 질소 가스의 압력에 의해 연료 저장부(100)에 저장된 연료가 가스화부(30)로 이송될 수 있다.
필터부(110)는 열교환기(43) 및 가스 전환부(60) 사이에 연결되고, 열교환기(43)를 통과한 제1 합성가스를 필터링할 수 있다. 필터부(110)가 제1 합성가스를 필터링하는 과정에서 제1 합성가스에 포함된 비산재가 제거될 수 있으며, 필터부(110)에 의해 필터링된 제1 합성가스는 가스 전환부(60)로 전달되어 수성가스 전환 공정에 사용될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 전력 변환부(10), 수전해부(20), 가스화부(30), 열교환부(40), 스팀 공급부(50), 가스 전환부(60), 전력 생산부(70), 정제 분리부(80), 수소 저장부(90), 연료 저장부(100) 및 필터부(110) 중 적어도 하나는 제어부에 의해 제어될 수 있다.
이때, 제어부는 재생 에너지원(2)의 잉여 전력 발생 여부를 판단하여 재생 에너지원(2)으로부터 잉여 전력이 발생한 것으로 판단되는 경우, 재생 에너지원(2)의 잉여 전력이 전력 변환부(10)로 공급되도록 제어한다. 이와는 달리, 제어부가 재생 에너지원(2)으로부터 잉여 전력이 발생하지 않은 것으로 판단하면, 제어부는 육상의 전력 계통(3)의 전력이 전력 변환부(10)로 공급되도록 제어한다.
한편, 제어부는 제1 스팀 제어 밸브(53) 및 제2 스팀 제어 밸브(55)를 제어하여 스팀 공급부(50)로부터 가스 전환부(60) 및 전력 생산부(70)로 공급되는 스팀의 유량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 제1 스팀 제어 밸브(53)를 개방하고 제2 스팀 제어 밸브(55)를 폐쇄하여 스팀 저장 드럼(51)의 스팀이 가스 전환부(60)로 먼저 공급되도록 한다. 가스 전환부(60)에서 요구되는 유량 만큼 가스 전환부(60)에 스팀의 공급이 완료되면, 제어부는 제1 스팀 제어 밸브(53)를 폐쇄하고 제2 스팀 제어 밸브(55)가 개방되도록 제1 스팀 제어 밸브(53) 및 제2 스팀 제어 밸브(55)를 제어하여 스팀 저장 드럼(51)의 잔여 스팀을 전력 생산부(70)로 스팀이 공급되도록 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 수소 생산 시스템(1)에 따르면, 재생 에너지원(2)으로부터 잉여 전력이 발생하는 경우, 재생 에너지원(2)의 잉여 전력이 전력 변환부(10)를 통해 변환된 후, 수전해부(20)로 공급된다. 이때, 수전해부(20)가 수소 생산 운영 주체가 되어 수전해 공정을 수행하여 수전해부(20)로부터 수소가 생산되며, 부산물로 생산되는 산소는 가스화부(30)로 공급되어 가스화 공정에 활용됨에 따라, 수소가 추가적으로 생산된다.
한편, 재생 에너지원(2)으로부터 잉여 전력이 발생하지 않는 경우, 육상의 전력 계통(3)의 전력이 전력 변환부(10)를 통해 변환된 후, 수전해부(20)로 공급된다. 이 경우, 수전해부(20)가 산소 공급 운영 주체가 되어 수전해 공정을 수행하여 수전해부(20)로부터 산소가 생산되며, 생산된 산소는 가스화부(30)로 공급되어 가스화 공정에 활용됨에 따라 부산물로 수소가 생산된다.
이와 같이, 수전해부(20)의 수전해 공정과 가스화부(30)의 가스화 공정이 연계되어 수행됨에 따라, 수전해부(20)가 재생 에너지원(2)의 잉여 전력 발생 유무에 관계없이 지속적으로 가동될 수 있다. 이로써, 수전해부(20)의 가동률이 극대화되어 수소의 생산 단가가 절감됨에 따라, 경제성이 확보되고, 에너지 효율이 증대된다는 효과가 있다.
또한, 정제 분리부(80)로부터 분리되는 질소 가스가 고압의 상태로 연료 저장부(100)에 공급되어 질소 가스의 압력에 의해 연료 저장부(100)의 연료가 가스화부(30)로 이송됨에 따라, 가스화부(30)의 가스화 공정의 에너지 효율이 극대화된다는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 제1 스팀 제어 밸브(53) 및 제2 스팀 제어 밸브(55)의 개폐를 조절하여 스팀 공급부(50)로부터 가스 전환부(60)로 공급되는 스팀의 유량이 가스 전환부(60)에서 수성가스 전환 반응을 수행하기 위해 요구되는 스팀의 유량에 부합되도록 가스 전환부(60)에 스팀을 공급할 수 있다. 이렇게 가스 전환부(60)에 스팀 공급이 완료되면, 제1 스팀 제어 밸브(53) 및 제2 스팀 제어 밸브(55)의 개폐를 조절하여서 스팀 공급부(50)에 남아있는 잔여 스팀이 전력 생산부(70)로 공급되도록 하여 전력을 생산함에 따라, 전체적인 시스템 효율이 향상된다는 효과가 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1: 하이브리드 수소 생산 시스템 2: 재생 에너지원
3: 육상의 전력 계통 10: 전력 변환부
20: 수전해부 30: 가스화부
40: 열교환부 41: 물 예열기
411: 물 공급 펌프 42: 물 저장 탱크
43: 열교환기 50: 스팀 공급부
51: 스팀 저장 드럼 52: 제1 스팀 공급 라인
53: 제1 스팀 제어 밸브 54: 제2 스팀 공급 라인
55: 제2 스팀 제어 밸브 60: 가스 전환부
70: 전력 생산부 71: 제1 발전 장치
72: 스팀 재열기 73: 제2 발전 장치
80: 정제 분리부 81: 응축기
82: 포집부 821: 제1 예냉기
822: 이산화탄소 흡수탑 823: 제2 예냉기
824: 이산화탄소 재생탑 825: 피드 펌프
826: 냉각기 83: 분리기
831: 압축기 90: 수소 저장부
100: 연료 저장부 110: 필터부

Claims (8)

  1. 재생 에너지원의 잉여 전력 발생 여부에 따라, 재생 에너지원의 잉여 전력 및 전력 계통의 전력 중 어느 하나를 공급받아 변환하여서 변환 전력을 생성하는 전력 변환부;
    상기 전력 변환부와 연결되고, 상기 전력 변환부에서 변환된 변환 전력을 공급받아 물을 수소와 산소로 분해하는 수전해부;
    상기 수전해부와 연결되고, 상기 수전해부에서 분해된 산소를 공급받아 연료와 반응시켜서 제1 합성가스를 발생시키는 가스화부;
    상기 가스화부와 연결되고, 상기 가스화부에서 발생된 상기 제1 합성가스를 물과 열교환시켜서 스팀을 생성하는 열교환부;
    상기 열교환부와 연결되고, 상기 열교환부로부터 스팀을 공급받아 저장하는 스팀 공급부;
    상기 열교환부 및 상기 스팀 공급부와 연결되고, 상기 열교환부를 통과한 상기 제1 합성가스 및 상기 스팀 공급부에 저장된 스팀의 적어도 일부를 공급받아 반응시켜서 제2 합성가스를 발생시키는 가스 전환부;
    상기 스팀 공급부와 연결되고, 상기 스팀 공급부에 저장된 스팀 중 나머지를 공급받아 전력을 생산하는 전력 생산부;
    상기 전력 생산부와 연결되고, 상기 전력 생산부로부터 상기 제2 합성가스를 공급받아 정제하며, 정제된 상기 제2 합성가스로부터 질소를 분리하는 정제 분리부;
    상기 가스화부 및 상기 정제 분리부 사이에 연결되고, 내부에 연료를 저장하도록 구비되는 연료 저장부; 및
    상기 정제 분리부 및 상기 연료 저장부 사이에 연결되고, 상기 정제 분리부로부터 분리된 질소를 공급받아 압축하는 압축기를 포함하고,
    상기 압축기에서 압축된 질소는 상기 연료 저장부로 공급되어 상기 연료 저장부에 저장된 연료를 상기 가스화부로 공급하기 위한 매체로 이용되는,
    하이브리드 수소 생산 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수전해부 및 상기 정제 분리부와 연결되고, 상기 수전해부에서 분해된 수소 및 상기 정제 분리부로부터 분리된 수소 중 적어도 하나를 공급받아 저장하는 수소 저장부를 더 포함하는,
    하이브리드 수소 생산 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 상기 연료 저장부로 공급된 질소의 압력에 의해 상기 연료 저장부에 저장된 상기 연료가 상기 가스화부로 이송되는,
    하이브리드 수소 생산 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 생산부는,
    상기 스팀 공급부와 연결되고, 상기 스팀 공급부로부터 스팀을 공급받으며, 공급된 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 제1 발전 장치;
    상기 가스 전환부 및 상기 제1 발전 장치와 연결되고, 상기 제1 발전 장치를 통과한 스팀을 공급받아 재열하는 스팀 재열기; 및
    상기 스팀 재열기와 연결되고, 상기 스팀 재열기에서 재열된 스팀을 공급받아 전력을 생산하는 제2 발전 장치를 포함하고,
    상기 스팀 재열기는,
    상기 가스 전환부로부터 상기 제2 합성가스를 공급받고, 상기 가스 전환부에서 상기 제2 합성가스가 생성될 때 발생하는 열을 이용하여 스팀을 재열하는,
    하이브리드 수소 생산 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 스팀 재열기와 연결되고, 외부로부터 물을 공급받으며, 상기 스팀 재열기에서 상기 제2 합성가스가 스팀을 재열시키고 남은 열을 이용하여 물을 예열하는 물 예열기;
    상기 물 예열기와 연결되고, 상기 물 예열기에서 예열된 물을 공급받아 저장하는 물 저장 탱크; 및
    상기 물 저장 탱크와 연결되고, 상기 물 저장 탱크로부터 물을 공급받아 상기 가스화부에서 발생된 상기 제1 합성가스와 열교환시키는 열교환기를 포함하는,
    하이브리드 수소 생산 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 열교환기 및 상기 가스 전환부 사이에 연결되고, 상기 열교환기를 통과한 상기 제1 합성가스를 필터링하는 필터부를 더 포함하고,
    상기 필터부에 의해 필터링된 상기 제1 합성가스는 상기 가스 전환부로 전달되는,
    하이브리드 수소 생산 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 정제 분리부는,
    상기 물 예열기와 연결되고, 상기 물 예열기를 통과한 상기 제2 합성가스를 공급받아 응축시켜서 상기 제2 합성가스에 포함된 수분을 제거하는 응축기;
    상기 응축기와 연결되고, 상기 응축기에서 수분이 제거된 상기 제2 합성가스로부터 이산화탄소를 제거하는 포집부; 및
    상기 포집부와 연결되고, 상기 포집부에서 이산화탄소가 제거된 상기 제2 합성가스로부터 질소를 분리하는 분리기를 포함하는,
    하이브리드 수소 생산 시스템.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 스팀 공급부는,
    상기 열교환기로부터 스팀을 공급받아 저장하는 스팀 저장 드럼;
    상기 스팀 저장 드럼 및 상기 가스 전환부 사이에 연결되는 제1 스팀 공급 라인;
    상기 제1 스팀 공급 라인에 연결되고, 상기 스팀 저장 드럼으로부터 상기 가스 전환부로 공급되는 스팀의 유량을 제어하는 제1 스팀 제어 밸브;
    상기 제1 스팀 공급 라인으로부터 분기되고, 단부가 상기 제1 발전 장치에 연결되는 제2 스팀 공급 라인; 및
    상기 제2 스팀 공급 라인에 연결되고, 상기 스팀 저장 드럼으로부터 상기 제1 발전 장치로 공급되는 스팀의 유량을 제어하는 제2 스팀 제어 밸브를 포함하는,
    하이브리드 수소 생산 시스템.
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