KR102573889B1 - Liquid air energy storage system having carbon capture and storage function - Google Patents

Liquid air energy storage system having carbon capture and storage function Download PDF

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박정환
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백정열
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Abstract

본 발명은 액화 공기 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 외부로부터 유입되는 공기를 압축시키는 다단 구조의 공기 압축기; 상기 다단 구조의 공기 압축기에서 발생하는 압축 열을 흡수하는 복수의 압축기용 열 교환기들; 상기 복수의 압축기용 열 교환기들 중 제1 압축기용 열 교환기와 상기 다단 구조의 공기 압축기 중 제1 공기 압축기 사이에 배치되어, 상기 제1 압축기용 열 교환기로부터 유입되는 공기로부터 액화 이산화탄소를 분리하는 액화 이산화탄소 분리기; 및 상기 액화 이산화탄소 분리기를 통해 분리된 액화 이산화탄소를 저장하는 액화 이산화탄소 탱크를 포함한다.The present invention relates to a liquefied air energy storage system, comprising: an air compressor having a multi-stage structure for compressing air introduced from the outside; a plurality of compressor heat exchangers absorbing compression heat generated from the multi-stage air compressor; Liquefied carbon dioxide is disposed between a first compressor heat exchanger of the plurality of compressor heat exchangers and a first air compressor of the multi-stage air compressor to separate liquefied carbon dioxide from air introduced from the first compressor heat exchanger. carbon dioxide separator; and a liquefied carbon dioxide tank storing the liquefied carbon dioxide separated through the liquefied carbon dioxide separator.

Figure R1020210019967
Figure R1020210019967

Description

이산화탄소 포집 및 저장이 가능한 액화 공기 에너지 저장 시스템{LIQUID AIR ENERGY STORAGE SYSTEM HAVING CARBON CAPTURE AND STORAGE FUNCTION}Liquefied air energy storage system capable of capturing and storing carbon dioxide {LIQUID AIR ENERGY STORAGE SYSTEM HAVING CARBON CAPTURE AND STORAGE FUNCTION}

본 발명은 액화 공기 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 대기 중의 이산화탄소를 포집 및 저장할 수 있는 액화 공기 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a liquefied air energy storage system, and more particularly to a liquefied air energy storage system capable of capturing and storing carbon dioxide in the atmosphere.

액화 공기 에너지 저장 시스템(Liquid Air Energy Storage System, LAES)은 주변 공기를 흡입하여 압축 및 냉각 공정을 통해 압축 에너지를 액화 공기의 상태 에너지로 변환하여 저장하는 기술이다.A liquid air energy storage system (LAES) is a technology that takes in ambient air and converts the compressed energy into state energy of liquefied air through a compression and cooling process and stores it.

액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)은 에너지가 액화 상태로 저장되기 때문에 에너지 밀도가 타 저장 시스템들에 비해 월등히 높고 작동 유체가 공기이기 때문에 친환경적인 에너지 저장 시스템으로 대두되고 있다. 또한, 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)은 에너지 밀도가 높고 지리적 제약이 없으며 대형화가 가능하기 때문에 산업 폐열 발전, 원자력 발전 등과 같은 발전 시스템에 적용 가능하다.A liquefied air energy storage system (LAES) is emerging as an environmentally friendly energy storage system because energy is stored in a liquefied state, so its energy density is much higher than other storage systems and its working fluid is air. In addition, since the liquefied air energy storage system (LAES) has high energy density, no geographic restrictions, and can be enlarged, it can be applied to power generation systems such as industrial waste heat power generation and nuclear power generation.

도 1은 일반적인 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 동작을 설명하는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 일반적인 동작은 대기 중의 공기를 압축/냉각/팽창하여 액화 공기로 변환하는 충전(charging) 과정과, 액화 공기를 탱크에 저장하는 저장(storage) 과정과, 탱크에 저장된 액화 공기를 압축/증발/팽창하여 전력을 생산하는 방전(discharging) 과정으로 이루어진다. 1 is a diagram illustrating the operation of a general liquefied air energy storage system (LAES). As shown in FIG. 1, the general operation of the liquefied air energy storage system (LAES) is a charging process of converting air in the atmosphere into liquefied air by compressing/cooling/expanding it, and storing the liquefied air in a tank. It consists of a storage process and a discharging process of generating electric power by compressing/evaporating/expanding the liquefied air stored in the tank.

이러한 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 작동 유체로 사용되는 공기는 질소(N2, 78%), 산소(O2, 21%), 아르곤(Ar, 0.93%), 이산화탄소(CO2, 0.04%) 및 기타 다양한 분자들로 구성되는데, 해당 분자들의 녹는점이 서로 다르기 때문에 공기의 압축 및 냉각 과정 전에 수증기(H2O) 및 이산화탄소(CO2)와 같이 녹는점이 높은 분자들은 반드시 분리시켜야 한다. 이에 따라, 기존의 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)에서는 공기를 압축하기 전에 분리 여과막을 이용하여 이산화탄소와 일부 수증기를 분리하게 되는데, 해당 분리 여과막의 특성 상 이산화탄소를 완벽하게 분리시킬 수 없을 뿐만 아니라, 제품 수명이 짧아 자주 교체해야 되는 문제가 있다. 따라서, 대기 중의 이산화탄소를 효과적으로 포집하는 기술이 필요하다.The air used as the working fluid of this liquefied air energy storage system (LAES) is nitrogen (N 2 , 78%), oxygen (O 2 , 21%), argon (Ar, 0.93%), carbon dioxide (CO 2 , 0.04%). ) and various other molecules. Since the melting points of the molecules are different, molecules with high melting points such as water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) must be separated before the air compression and cooling process. Accordingly, in the existing liquefied air energy storage system (LAES), carbon dioxide and some water vapor are separated using a separation filtration membrane before air is compressed. There is a problem that the product life is short and it needs to be replaced frequently. Therefore, a technique for effectively capturing carbon dioxide in the atmosphere is required.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 다단 구조의 공기 압축기와 열유 저장 시스템을 활용하여 대기 중의 이산화탄소를 포집 및 저장할 수 있는 액화 공기 에너지 저장 시스템을 제공함에 있다.The present invention aims to solve the foregoing and other problems. Another object is to provide a liquefied air energy storage system capable of capturing and storing carbon dioxide in the atmosphere by utilizing a multi-stage air compressor and a thermal oil storage system.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 외부로부터 유입되는 공기를 압축시키는 다단 구조의 공기 압축기; 상기 다단 구조의 공기 압축기에서 발생하는 압축 열을 흡수하는 복수의 압축기용 열 교환기들; 상기 복수의 압축기용 열 교환기들 중 제1 압축기용 열 교환기와 상기 다단 구조의 공기 압축기 중 제1 공기 압축기 사이에 배치되어, 상기 제1 압축기용 열 교환기로부터 유입되는 공기로부터 액화 이산화탄소를 분리하는 액화 이산화탄소 분리기; 및 상기 액화 이산화탄소 분리기를 통해 분리된 액화 이산화탄소를 저장하는 액화 이산화탄소 탱크를 포함하는 액화 공기 에너지 저장 시스템을 제공한다.According to one aspect of the present invention to achieve the above or other object, an air compressor of a multi-stage structure for compressing air introduced from the outside; a plurality of compressor heat exchangers absorbing compression heat generated from the multi-stage air compressor; Liquefied carbon dioxide is disposed between a first compressor heat exchanger of the plurality of compressor heat exchangers and a first air compressor of the multi-stage air compressor to separate liquefied carbon dioxide from air introduced from the first compressor heat exchanger. carbon dioxide separator; and a liquefied carbon dioxide tank storing the liquefied carbon dioxide separated through the liquefied carbon dioxide separator.

좀 더 바람직하게는, 상기 액화 이산화탄소 분리기는 공기를 구성하는 분자들의 녹는점 차이를 이용하여 기체 상태의 공기로부터 액체 상태의 이산화탄소를 분리하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the liquefied carbon dioxide separator is characterized in that it separates carbon dioxide in a liquid state from air in a gaseous state by using a difference in melting points of molecules constituting the air.

좀 더 바람직하게는, 상기 액화 공기 에너지 저장 시스템은 외부로부터 유입된 공기를 압축하기 전에 해당 공기에 포함된 수증기를 제거하는 수증기 제거기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the liquefied air energy storage system further includes a water vapor eliminator for removing water vapor contained in the air introduced from the outside before compressing the air.

좀 더 바람직하게는, 상기 액화 공기 에너지 저장 시스템은 미리 결정된 열 전달 매체를 이용하여 액화 이산화탄소가 제거된 공기를 냉각시키는 3-way 열 교환기; 상기 3-way 열 교환기로부터 유입되는 공기를 팽창시키는 저온 터빈; 및 상기 저온 터빈으로부터 유입되는 공기에서 액화 공기를 분리하는 액화 공기 분리기; 및 상기 액화 공기 분리기를 통해 분리된 액화 공기를 저장하는 액화 공기 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the liquefied air energy storage system includes a 3-way heat exchanger for cooling air from which liquefied carbon dioxide has been removed using a predetermined heat transfer medium; a low-temperature turbine that expands the air introduced from the 3-way heat exchanger; and a liquefied air separator separating liquefied air from air introduced from the low-temperature turbine. and a liquefied air tank storing the liquefied air separated through the liquefied air separator.

좀 더 바람직하게는, 상기 액화 공기 에너지 저장 시스템은 액화 공기 탱크로부터 유입되는 작동 유체를 압축시키는 저온 펌프; 상기 저온 펌프로부터 유입되는 작동 유체를 가열하는 2-way 열 교환기; 및 상기 2-way 열 교환기로부터 유입되는 작동 유체를 기반으로 에너지를 생산하는 다단 구조의 공기 터빈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the liquefied air energy storage system includes a low-temperature pump for compressing the working fluid introduced from the liquefied air tank; a 2-way heat exchanger for heating the working fluid introduced from the cryopump; and a multi-stage air turbine generating energy based on the working fluid introduced from the 2-way heat exchanger.

좀 더 바람직하게는, 상기 액화 공기 에너지 저장 시스템은 복수의 압축기용 열 교환기들을 거치면서 압축 열을 흡수한 고온 상태의 열유를 저장하는 고온 열유 탱크; 상기 고온 열유 탱크에 저장된 열을 다단 구조의 공기 터빈으로 입력되는 작동 유체에 전달하는 복수의 터빈용 열 교환기들; 및 상기 복수의 터빈용 열 교환기들을 거치면서 열을 빼앗긴 저온 상태의 열유를 저장하는 저온 열유 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the liquefied air energy storage system includes a high-temperature thermal oil tank for storing thermal oil in a high-temperature state in which compression heat is absorbed while passing through a plurality of compressor heat exchangers; a plurality of turbine heat exchangers for transferring the heat stored in the high-temperature thermal oil tank to the working fluid input to the air turbine having a multi-stage structure; and a low-temperature thermal oil tank storing low-temperature thermal oil deprived of heat while passing through the plurality of turbine heat exchangers.

본 발명의 실시 예들에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Effects of the liquefied air energy storage system according to embodiments of the present invention will be described.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 다단 구조의 공기 압축기 및 열유 저장 시스템을 이용하여 대기 중의 이산화탄소를 간편하게 포집함으로써, 기존의 분리 여과막을 사용할 필요 없이 대기 중의 이산화탄소를 완벽하게 분리시킬 수 있고, 그로 인해 대기 오염에 따른 지구 온난화를 효과적으로 예방할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, carbon dioxide in the atmosphere can be completely separated without using an existing separation filtration membrane by simply collecting carbon dioxide in the air using a multi-stage air compressor and a thermal oil storage system, As a result, there is an advantage in that global warming caused by air pollution can be effectively prevented.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 외부 공기를 압축/냉각/팽창하여 생성된 액화 공기를 액화 공기 탱크에 저장하고, 해당 액화 공기 탱크에 저장된 액화 공기를 압축/가열/팽창하여 추가 발전에 사용함으로써, 친환경적이고, 지리적 제한이 없으며, 에너지를 효율적으로 저장할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, liquefied air generated by compressing/cooling/expanding external air is stored in a liquefied air tank, and the liquefied air stored in the liquefied air tank is compressed/heated/expanded to add By using it for power generation, there are advantages in that it is environmentally friendly, has no geographical limitations, and can efficiently store energy.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, effects that can be achieved by the liquefied air energy storage system according to embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are common in the art to which the present invention belongs from the description below. will be clearly understood by those who have knowledge of

도 1은 일반적인 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 동작을 설명하는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 전체 구성도;
도 3은 도 2의 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)에서 대기 중의 이산화탄소를 분리하는 공정을 확대하여 표시한 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 충전 과정을 나타내는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 방전 과정을 나타내는 도면.1 is a diagram explaining the operation of a typical liquefied air energy storage system (LAES);
2 is an overall configuration diagram of a liquefied air energy storage system (LAES) according to an embodiment of the present invention;
FIG. 3 is an enlarged view of a process for separating carbon dioxide from the atmosphere in the liquefied air energy storage system (LAES) of FIG. 2;
4 is a diagram showing a charging process of a liquefied air energy storage system (LAES) according to an embodiment of the present invention;
5 is a view showing a discharge process of a liquefied air energy storage system (LAES) according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed descriptions thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention , it should be understood to include equivalents or substitutes.

한편, 이하 본 명세서에서 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.On the other hand, when a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component in the following specification, it may be directly connected or connected to the other component, but another component in the middle It should be understood that may exist. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly in contact” with another element, it should be understood that no other element exists in the middle. Other expressions used to describe the relationship between elements, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted similarly.

또한, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In addition, terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "having" are intended to indicate that there is an embodied feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but one or more other features or numbers, It should be understood that the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

본 발명은 다단 구조의 공기 압축기와 열유 저장 시스템을 활용하여 대기 중의 이산화탄소를 포집 및 저장할 수 있는 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)을 제안한다.The present invention proposes a liquefied air energy storage system (LAES) capable of capturing and storing carbon dioxide in the air by utilizing a multi-stage air compressor and a thermal oil storage system.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 전체 구성도이다.2 is an overall configuration diagram of a liquefied air energy storage system (LAES) according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES, 100)은 수증기 제거기(101), 다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104), 열유 저장 시스템(105~115), 액화 이산화탄소 분리기(116), 액화 이산화탄소 탱크(117), 열 교환 시스템(118~121), 저온 터빈(122), 액화 공기 분리기(123), 액화 공기 탱크(124), 저온 펌프(125), 다단 구조의 공기 터빈(126, 127) 및 발전기(128)를 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES, 100)은 해당 시스템(100)을 구성하는 장치들(101~128)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어장치를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a liquefied air energy storage system (LAES, 100) according to an embodiment of the present invention includes a water vapor eliminator 101, multi-stage air compressors 102, 103, and 104, and a thermal oil storage system 105- 115), liquefied carbon dioxide separator 116, liquefied carbon dioxide tank 117, heat exchange system 118 to 121, low temperature turbine 122, liquefied air separator 123, liquefied air tank 124, cryopump 125 ), a multi-stage structure of air turbines 126 and 127 and a generator 128 may be included. On the other hand, although not shown in the drawing, the liquefied air energy storage system (LAES, 100) further includes a control device capable of controlling the overall operation of the devices 101 to 128 constituting the system 100 can do.

수증기 제거기(101)는 외부로부터 유입된 공기를 압축하기 전에 해당 공기에 포함된 수증기를 제거하는 기능을 수행할 수 있다. 일 예로, 수증기 제거기(101)는 액화 공기 분리기(123)에서 분기되는 재순환 공기(recycle air)를 이용하여 공기 중의 수증기를 증발시킬 수 있다. 이때, 상기 재순환 공기는 3-way 열 교환기(118)를 통해 고온 기체 상태로 변환된 후 수증기 제거기(101)를 통과하게 된다. 고온 기체 상태로 변환된 재순환 공기는 외부로부터 유입된 공기 중의 수증기를 증발시키게 된다.The water vapor eliminator 101 may perform a function of removing water vapor contained in the air introduced from the outside before compressing the air. For example, the water vapor remover 101 may evaporate water vapor in the air by using recycle air diverged from the liquefied air separator 123 . At this time, the recirculated air is converted into a high-temperature gas through the 3-way heat exchanger 118 and then passes through the steam eliminator 101. The recirculation air converted into a high-temperature gaseous state evaporates water vapor in the air introduced from the outside.

이러한 수증기 제거기(101)를 통과한 탈수 공기는 다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104)로 이동하게 되고, 해당 수증기 제거기(101)를 통과한 재순환 공기는 외부로 배출된다.The dehydrated air that has passed through the steam eliminator 101 is moved to the air compressors 102, 103, and 104 having a multi-stage structure, and the recirculated air that has passed through the steam eliminator 101 is discharged to the outside.

다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104)는 수증기 제거기(101)로부터 유입되는 공기(air)를 미리 결정된 압력까지 순차적으로 압축시키는 기능을 수행할 수 있다. 상기 다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104)를 통과한 공기는 복수의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107) 및 액화 이산화탄소 분리기(116)를 거쳐 열 교환 시스템, 즉 3-way 열 교환기(118)로 이동하게 된다. 즉, 수증기 제거기(101)로부터 유입된 공기는 대기압 상태에서 고압 상태로 변환되어 3-way 열 교환기(118)로 이동하게 된다.The air compressors 102 , 103 , and 104 having a multi-stage structure may perform a function of sequentially compressing air introduced from the steam eliminator 101 to a predetermined pressure. The air passing through the multi-stage air compressors 102, 103, 104 passes through a plurality of compressor heat exchangers 105, 106, 107 and a liquefied carbon dioxide separator 116 to obtain a heat exchange system, that is, a 3-way heat exchanger. (118). That is, the air introduced from the steam eliminator 101 is converted from an atmospheric pressure state to a high pressure state and moves to the 3-way heat exchanger 118 .

이러한 다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104)에서, 제1 및 제2 공기 압축기(102, 103)는 수증기 제거기(101)와 액화 이산화탄소 분리기(116) 사이에 배치될 수 있고, 제3 공기 압축기(104)는 액화 이산화탄소 분리기(116)와 3-way 열 교환기(118) 사이에 배치될 수 있다.In the air compressors 102, 103, and 104 having a multi-stage structure, the first and second air compressors 102 and 103 may be disposed between the water vapor eliminator 101 and the liquefied carbon dioxide separator 116, and the third air compressor The compressor 104 may be disposed between the liquefied carbon dioxide separator 116 and the 3-way heat exchanger 118.

각각의 공기 압축기(102, 103, 104)로는 축류식 압축기와 원심식 압축기 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 또한, 각각의 공기 압축기(102, 103, 104)는 회전하여 유체에 에너지를 제공하는 하나 이상의 동익과 이 유체를 감속시켜 압력을 상승시키는 하나 이상의 정익으로 구성될 수 있다.As each of the air compressors 102, 103, and 104, either an axial compressor or a centrifugal compressor may be used. In addition, each air compressor 102, 103, 104 may be composed of one or more rotor blades that rotate to provide energy to the fluid and one or more stator blades that decelerate the fluid to increase the pressure.

한편, 본 실시 예에서는, 다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104)가 3개의 공기 압축기로 구성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 3개보다 더 많거나 혹은 더 적은 개수의 공기 압축기로 구성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.Meanwhile, in this embodiment, the air compressors 102, 103, and 104 of a multi-stage structure are illustrated as being composed of three air compressors, but are not necessarily limited thereto, and more or less than three air compressors. It will be apparent to those skilled in the art that it can be configured as a compressor.

열유 저장 시스템(105~115)은 다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104)를 통해 공기를 압축하는 과정에서 발생하는 열을 흡수하여 열유 탱크에 저장하고, 해당 열유 탱크에 저장된 열을 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)을 구동하기 위한 작동 유체(즉, 공기)로 전달하는 기능을 수행할 수 있다. The thermal oil storage system (105 to 115) absorbs heat generated in the process of compressing air through the air compressors (102, 103, and 104) of a multi-stage structure, stores it in a thermal oil tank, and transfers the heat stored in the thermal oil tank to a multi-stage structure. of the air turbine (126, 127) for driving the working fluid (ie, air) may perform a function of delivery.

열유 저장 시스템(105~115)은 복수의 압축기용 열 교환기(105~107), 복수의 터빈용 열 교환기(108, 109), 저온 열유 탱크(110), 고온 열유 탱크(111), 제1 및 제2 분기 밸브(112, 113), 제1 및 제2 병합 밸브(114, 115)를 포함할 수 있다. The thermal oil storage system 105 to 115 includes a plurality of compressor heat exchangers 105 to 107, a plurality of turbine heat exchangers 108 and 109, a low-temperature thermal oil tank 110, a high-temperature thermal oil tank 111, first and second thermal oil storage systems. Second branch valves 112 and 113 and first and second merge valves 114 and 115 may be included.

복수의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107)는 저온 열유 탱크(110)에서 배출되는 열유(thermal oil)와 다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104)에서 배출되는 고온 압축 공기 간에 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 복수의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107)는 다단 구조의 공기 압축기(102, 103, 104)에서 배출되는 고온 압축 공기의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 저온 열유 탱크(110)에서 배출되는 열유로 전달할 수 있다. A plurality of compressor heat exchangers (105, 106, 107) heat exchange between the thermal oil discharged from the low-temperature thermal oil tank 110 and the high-temperature compressed air discharged from the multi-stage air compressors (102, 103, 104) processing can be performed. That is, the plurality of compressor heat exchangers 105, 106, and 107 absorb the heat of the high-temperature compressed air discharged from the air compressors 102, 103, and 104 having a multi-stage structure, and transfer the absorbed heat to the low-temperature thermal oil tank 110. ) can be transferred to the thermal oil discharged from

복수의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107)는 다단 구조로 연결된 공기 압축기들(102, 103, 104)의 출력 단에 각각 배치될 수 있다. 이때, 상기 열유 저장 시스템에 설치된 압축기용 열 교환기들(105, 106, 107)의 개수는 다단 구조로 연결된 공기 압축기들(102, 103, 104)의 개수에 대응한다. A plurality of compressor heat exchangers 105, 106, and 107 may be respectively disposed at output terminals of the air compressors 102, 103, and 104 connected in a multi-stage structure. At this time, the number of compressor heat exchangers 105, 106, and 107 installed in the thermal oil storage system corresponds to the number of air compressors 102, 103, and 104 connected in a multi-stage structure.

일 예로, 제1 압축기용 열 교환기(105)는 제1 공기 압축기(102)의 출력 단에 연결되며, 해당 열 교환기(105)를 통과한 공기는 제2 공기 압축기(103)로 이동하게 된다. 제2 압축기용 열 교환기(106)는 제2 공기 압축기(103)의 출력 단에 연결되며, 해당 열 교환기(106)를 통과한 공기는 액화 이산화탄소 분리기(116)로 이동하게 된다. 제3 압축기용 열 교환기(107)는 제3 공기 압축기(104)의 출력 단에 연결되며, 해당 열 교환기(107)를 통과한 공기는 3-way 열 교환기(118)로 이동하게 된다. 이때, 각각의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107)를 통과한 공기는 고온/고압 상태에서 상온/고압 상태로 변환하게 된다.For example, the first compressor heat exchanger 105 is connected to the output terminal of the first air compressor 102, and the air passing through the corresponding heat exchanger 105 moves to the second air compressor 103. The second compressor heat exchanger 106 is connected to the output terminal of the second air compressor 103, and the air passing through the corresponding heat exchanger 106 moves to the liquefied carbon dioxide separator 116. The third compressor heat exchanger 107 is connected to the output terminal of the third air compressor 104, and the air passing through the corresponding heat exchanger 107 moves to the 3-way heat exchanger 118. At this time, the air passing through the respective compressor heat exchangers 105, 106 and 107 is converted from a high temperature/high pressure state to a room temperature/high pressure state.

복수의 터빈용 열 교환기(108, 109)는 고온 열유 탱크(111)에서 배출되는 열유와 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)으로 입력되는 공기 간에 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 복수의 터빈용 열 교환기(108)는 고온 열유 탱크(111)에서 배출되는 열유의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 다단 구조의 공기 터빈(126, 127) 입구로 유입되는 공기로 전달할 수 있다.The plurality of turbine heat exchangers 108 and 109 may perform a heat exchange process between the thermal oil discharged from the high-temperature thermal oil tank 111 and the air input to the air turbines 126 and 127 having a multi-stage structure. That is, the plurality of turbine heat exchangers 108 absorb the heat of the thermal oil discharged from the high-temperature thermal oil tank 111 and transfer the absorbed heat to the air introduced into the inlet of the air turbines 126 and 127 having a multi-stage structure. can

복수의 터빈용 열 교환기(108, 109)는 다단 구조로 연결된 공기 터빈들(126, 127)의 입력 단에 각각 배치될 수 있다. 이때, 상기 열유 저장 시스템에 설치된 터빈용 열 교환기들(108, 109)의 개수는 다단 구조로 연결된 공기 터빈들(126, 127)의 개수에 대응한다.The plurality of turbine heat exchangers 108 and 109 may be respectively disposed at input ends of the air turbines 126 and 127 connected in a multi-stage structure. At this time, the number of turbine heat exchangers 108 and 109 installed in the thermal oil storage system corresponds to the number of air turbines 126 and 127 connected in a multi-stage structure.

일 예로, 제1 터빈용 열 교환기(108)는 2-way 열 교환기(119)의 출력 단에 연결되며, 해당 열 교환기(108)를 통과한 공기는 제1 공기 터빈(126)으로 이동하게 된다. 제2 터빈용 열 교환기(109)는 제1 공기 터빈(126)의 출력 단에 연결되며, 해당 열 교환기(109)를 통과한 공기는 제2 공기 터빈(127)으로 이동하게 된다. 이때, 각각의 터빈용 열 교환기(126, 127)를 통과한 공기는 저온 상태에서 고온 상태로 변환하게 된다.For example, the first turbine heat exchanger 108 is connected to the output end of the 2-way heat exchanger 119, and the air passing through the heat exchanger 108 moves to the first air turbine 126 . The second turbine heat exchanger 109 is connected to the output terminal of the first air turbine 126, and the air passing through the corresponding heat exchanger 109 moves to the second air turbine 127. At this time, the air passing through each of the turbine heat exchangers 126 and 127 is converted from a low temperature state to a high temperature state.

저온 열유 탱크(110)는 복수의 터빈용 열 교환기(108, 109)를 거치면서 열을 빼앗긴 저온 상태의 열유를 저장할 수 있다. 고온 열유 탱크(111)는 복수의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107)를 거치면서 열을 흡수한 고온 상태의 열유를 저장할 수 있다.The low-temperature thermal oil tank 110 may store thermal oil in a low-temperature state from which heat is lost while passing through a plurality of turbine heat exchangers 108 and 109 . The high-temperature thermal oil tank 111 may store thermal oil in a high-temperature state that absorbs heat while passing through a plurality of compressor heat exchangers 105 , 106 , and 107 .

제1 분기 밸브(112)는 저온 열유 탱크(110)로부터 유입되는 열유를 복수의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107) 방향으로 분기하는 기능을 수행할 수 있다. 제2 분기 밸브(113)는 고온 열유 탱크(111)로부터 유입되는 열유를 복수의 터빈용 열 교환기(108, 109) 방향으로 분기하는 기능을 수행할 수 있다.The first branch valve 112 may branch the thermal oil introduced from the low-temperature thermal oil tank 110 toward the plurality of compressor heat exchangers 105 , 106 , and 107 . The second branch valve 113 may perform a function of branching the thermal oil introduced from the high-temperature thermal oil tank 111 toward the plurality of turbine heat exchangers 108 and 109 .

제1 병합 밸브(114)는 복수의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107)로부터 유입되는 열유를 병합하여 고온 열유 탱크(111)로 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 제2 병합 밸브(115)는 복수의 터빈용 열 교환기(108, 109)로부터 유입되는 열유를 병합하여 저온 열유 탱크(110)로 제공하는 기능을 수행할 수 있다. The first merging valve 114 may perform a function of merging thermal oil introduced from the plurality of compressor heat exchangers 105 , 106 , and 107 and providing the hot oil to the high-temperature thermal oil tank 111 . The second merging valve 115 may perform a function of merging the thermal oil introduced from the plurality of turbine heat exchangers 108 and 109 and supplying the merged thermal oil to the low-temperature thermal oil tank 110 .

이와 같은 열유 저장 시스템의 작동 유체로 사용되는 열유는 저온 열유 탱크(110), 복수의 압축기용 열 교환기(105, 106, 107), 고온 열유 탱크(111) 및 복수의 터빈용 열 교환기(108, 109)를 순환하면서 열 교환 처리를 수행하게 된다. The thermal oil used as the working fluid of such a thermal oil storage system includes a low-temperature thermal oil tank 110, a plurality of compressor heat exchangers 105, 106, and 107, a high-temperature thermal oil tank 111, and a plurality of turbine heat exchangers 108, 109) to perform heat exchange treatment.

액화 이산화탄소 분리기(116)는, 제2 압축기용 열 교환기(106)와 제3 공기 압축기(104) 사이에 배치되어, 상기 제2 압축기용 열 교환기(106)로부터 유입되는 공기로부터 액화 이산화탄소를 분리하는 기능을 수행할 수 있다.The liquefied carbon dioxide separator 116 is disposed between the second compressor heat exchanger 106 and the third air compressor 104 to separate liquefied carbon dioxide from the air introduced from the second compressor heat exchanger 106. function can be performed.

좀 더 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 공기 압축기(102, 103)를 통과한 공기는 압축되어 고온/고압 상태로 변환되고, 하나 이상의 압축기용 열 교환기(105, 106)를 통과한 공기는 열이 흡수되어 고온/고압 상태에서 상온/고압 상태로 변환하게 된다. 이러한 압축 과정 및 열 교환 과정을 통해, 공기 중의 질소(N2) 및 산소(O2) 등과 같은 녹는점이 낮은 분자는 기체 상태로 남아있게 되고, 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 같은 녹는점이 높은 분자는 기체 상태에서 액체 상태로 상 변이가 일어나게 된다. 이에 따라, 액화 이산화탄소 분리기(116)는 공기를 구성하는 분자들의 녹는점 차이를 이용하여 기체 상태의 공기로부터 액체 상태의 이산화탄소를 분리시킬 수 있다. 이후, 상기 액화 이산화탄소 분리기(116)는 분리된 액화 이산화탄소를 액화 이산화탄소 탱크(117)로 제공할 수 있다.More specifically, as shown in FIG. 3, air passing through one or more air compressors 102 and 103 is compressed and converted into a high temperature/high pressure state, and passes through one or more compressor heat exchangers 105 and 106. The air is absorbed and converted from a high temperature/high pressure state to a normal temperature/high pressure state. Through this compression process and heat exchange process, molecules with low melting points, such as nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) in the air, remain in the gaseous state, and molecules with high melting points, such as carbon dioxide (CO 2 ) in the air. A phase transition occurs from the gaseous state to the liquid state. Accordingly, the liquefied carbon dioxide separator 116 may separate liquid carbon dioxide from gaseous air by using a difference in melting points of molecules constituting the air. Thereafter, the liquefied carbon dioxide separator 116 may provide the separated liquefied carbon dioxide to the liquefied carbon dioxide tank 117 .

액화 이산화탄소 탱크(117)는 액화 이산화탄소 분리기(116)로부터 유입되는 액화 이산화탄소를 저장하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 액화 이산화탄소 탱크(117)에 저장된 액화 이산화탄소는 다양한 용도로 사용될 수 있다. The liquefied carbon dioxide tank 117 may perform a function of storing liquefied carbon dioxide introduced from the liquefied carbon dioxide separator 116 . The liquefied carbon dioxide stored in the liquefied carbon dioxide tank 117 can be used for various purposes.

열 교환 시스템(118~121)은 열 전달 매체(즉, 냉매)를 이용하여 제3 압축기용 열 교환기(107)로부터 유입되는 공기를 냉각시키고, 저온 펌프(125)로부터 유입되는 액화 공기를 가열시키는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 열 교환 시스템(118~121)은 3-way 열 교환기(118), 2-way 열 교환기(119), 고온 탱크(120) 및 저온 탱크(121)를 포함할 수 있다. The heat exchange system 118 to 121 cools the air introduced from the heat exchanger 107 for the third compressor using a heat transfer medium (ie, refrigerant) and heats the liquefied air introduced from the low temperature pump 125. function can be performed. To this end, the heat exchange systems 118 to 121 may include a 3-way heat exchanger 118, a 2-way heat exchanger 119, a high-temperature tank 120, and a low-temperature tank 121.

3-way 열 교환기(118)는 저온 탱크(121)에서 배출되는 열 전달 매체와 제3 압축기용 열 교환기(107)로부터 유입되는 압축 공기 간에 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 3-way 열 교환기(118)는 제3 압축기용 열 교환기(107)로부터 유입되는 압축 공기의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 저온 탱크(121)에서 배출되는 열 전달 매체로 전달할 수 있다.The 3-way heat exchanger 118 may perform a heat exchange process between the heat transfer medium discharged from the low temperature tank 121 and the compressed air introduced from the third compressor heat exchanger 107 . That is, the 3-way heat exchanger 118 can absorb the heat of the compressed air introduced from the third compressor heat exchanger 107 and transfer the absorbed heat to the heat transfer medium discharged from the low temperature tank 121. there is.

또한, 3-way 열 교환기(118)는 제3 압축기용 열 교환기(107)로부터 유입되는 압축 공기와 액화 공기 분리기(123)로부터 유입되는 공기 간에 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 3-way 열 교환기(118)는 제3 압축기용 열 교환기(107)로부터 유입되는 압축 공기의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 액화 공기 분리기(123)로부터 유입되는 공기로 전달할 수 있다.In addition, the 3-way heat exchanger 118 may perform a heat exchange process between compressed air introduced from the third compressor heat exchanger 107 and air introduced from the liquefied air separator 123 . That is, the 3-way heat exchanger 118 can absorb the heat of the compressed air introduced from the third compressor heat exchanger 107 and transfer the absorbed heat to the air introduced from the liquefied air separator 123. .

제3 압축기용 열 교환기(107)로부터 유입된 압축 공기는 3-way 열 교환기(118)를 거치면서 극저온 상태로 냉각되어 저온 터빈(122)으로 이동하게 된다. 저온 탱크(121)로부터 유입된 열 전달 매체는 3-way 열 교환기(118)를 거치면서 열을 획득한 후 고온 탱크(120)로 이동하게 된다. 액화 공기 분리기(123)로부터 유입된 공기는 3-way 열 교환기(118)를 거치면서 열을 획득한 후 수증기 제거기(101)로 이동하게 된다.Compressed air introduced from the third compressor heat exchanger 107 is cooled to a cryogenic state while passing through the 3-way heat exchanger 118 and moved to the low temperature turbine 122 . The heat transfer medium introduced from the low temperature tank 121 passes through the 3-way heat exchanger 118 to acquire heat and then moves to the high temperature tank 120. The air introduced from the liquefied air separator 123 passes through the 3-way heat exchanger 118 to acquire heat and then moves to the steam remover 101.

2-way 열 교환기(119)는 고온 탱크(120)에서 배출되는 열 전달 매체와 저온 펌프(125)로부터 유입되는 작동 유체(즉, 공기) 간에 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 2-way 열 교환기(119)는 고온 탱크(120)로부터 유입되는 열 전달 매체의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 저온 펌프(125)로부터 유입되는 작동 유체로 전달할 수 있다.The 2-way heat exchanger 119 may perform heat exchange between the heat transfer medium discharged from the high-temperature tank 120 and the working fluid (ie, air) introduced from the low-temperature pump 125 . That is, the 2-way heat exchanger 119 may absorb heat of the heat transfer medium introduced from the high-temperature tank 120 and transfer the absorbed heat to the working fluid introduced from the low-temperature pump 125 .

저온 펌프(125)로부터 유입된 작동 유체는 2-way 열 교환기(119)를 거치면서 가열되어 제1 터빈용 열 교환기(108)으로 이동하게 되고, 고온 탱크(120)로부터 유입된 열 전달 매체는 2-way 열 교환기(119)를 거치면서 냉각되어 저온 탱크(121)로 이동하게 된다.The working fluid introduced from the low-temperature pump 125 is heated while passing through the 2-way heat exchanger 119 and moved to the heat exchanger 108 for the first turbine, and the heat transfer medium introduced from the high-temperature tank 120 It is cooled while passing through the 2-way heat exchanger 119 and moved to the low temperature tank 121.

저온 탱크(121)는 2-way 열 교환기(119)를 거치면서 열을 빼앗긴 저온 상태의 열 전달 매체를 저장할 수 있다. 고온 탱크(120)는 3-way 열 교환기(118)를 거치면서 열을 흡수한 고온 상태의 열 전달 매체를 저장할 수 있다.The low-temperature tank 121 may store a heat transfer medium in a low-temperature state from which heat is lost while passing through the 2-way heat exchanger 119 . The high-temperature tank 120 may store a high-temperature heat transfer medium that absorbs heat while passing through the 3-way heat exchanger 118 .

이와 같은 열 교환 시스템의 작동 유체로 사용되는 열 전달 매체는 저온 탱크(121), 3-way 열 교환기(118), 고온 탱크(120) 및 2-way 열 교환기(119)를 순환하면서 열 교환 처리를 수행하게 된다. 상기 열 전달 매체로는 메탄계 냉매, 에탄계 냉매, 프로판계 냉매 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. The heat transfer medium used as the working fluid of such a heat exchange system undergoes heat exchange while circulating through the low temperature tank 121, the 3-way heat exchanger 118, the high temperature tank 120 and the 2-way heat exchanger 119. will perform As the heat transfer medium, methane-based refrigerants, ethane-based refrigerants, propane-based refrigerants, and the like may be used, but are not necessarily limited thereto.

저온 터빈(cryogenic turbine, 122)은, 3-way 열 교환기(118)와 액화 공기 분리기(123) 사이에 배치되어, 상기 3-way 열 교환기(118)로부터 유입되는 고압/극저온 상태의 공기를 팽창시키는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 상기 저온 터빈(122)은 3-way 열 교환기(118)로부터 유입되는 공기를 고압/극저온 상태에서 저압/극저온 상태로 변화시킴으로써, 유입 공기 중 약 85% 이상의 공기를 액화시킬 수 있다. 이처럼, 저온 터빈(122)을 통과한 공기는 기체 상태에서 액체 상태로의 상 변이가 일어나게 된다.A cryogenic turbine, 122, is disposed between the 3-way heat exchanger 118 and the liquefied air separator 123, and expands the high-pressure/cryogenic air introduced from the 3-way heat exchanger 118. function can be performed. At this time, the low-temperature turbine 122 may liquefy about 85% or more of the inflow air by changing the air introduced from the 3-way heat exchanger 118 from a high pressure/cryogenic temperature state to a low pressure/cryogenic temperature state. As such, the air passing through the low-temperature turbine 122 undergoes a phase transition from a gaseous state to a liquid state.

액화 공기 분리기(123)는, 저온 터빈(122)과 액화 공기 탱크(124) 사이에 배치되어, 상기 저온 터빈(122)으로부터 유입되는 공기에서 액화 공기를 분리하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 액화 공기 분리기(123)는 분리된 액화 공기를 액화 공기 탱크(124)로 제공하고, 나머지 기체 상태의 공기를 3-way 열 교환기(118)로 제공할 수 있다.The liquefied air separator 123 may be disposed between the low temperature turbine 122 and the liquefied air tank 124 to separate liquefied air from air introduced from the low temperature turbine 122 . The liquefied air separator 123 may provide the separated liquefied air to the liquefied air tank 124 and provide the remaining gaseous air to the 3-way heat exchanger 118 .

액화 공기 탱크(124)는 액화 공기 분리기(123)로부터 유입되는 액화 공기를 저장하는 기능을 수행할 수 있다.The liquefied air tank 124 may perform a function of storing liquefied air introduced from the liquefied air separator 123 .

저온 펌프(cryogenic pump, 125)는, 액화 공기 탱크(124)와 2-way 열 교환기(119) 사이에 배치되어, 상기 액화 공기 탱크(124)로부터 유입되는 작동 유체(즉, 액화 공기)를 압축시키는 기능을 수행할 수 있다. A cryogenic pump 125 is disposed between the liquefied air tank 124 and the 2-way heat exchanger 119 to compress the working fluid (ie, liquefied air) introduced from the liquefied air tank 124. function can be performed.

즉, 저온 펌프(125)는 액화 공기 탱크(124)로부터 유입되는 액화 공기를 미리 결정된 압력(가령, 100기압) 이상으로 가압하여 해당 공기를 액화 상태에서 기화 상태 또는 초 임계 상태로 변화시킬 수 있다. 이때, 상기 저온 펌프(125)는 액화 공기 탱크(124)로부터 유입되는 액화 공기를 저압/극저온 상태에서 고압/극저온 상태로 변화시킬 수 있다. That is, the cryopump 125 pressurizes the liquefied air introduced from the liquefied air tank 124 to a predetermined pressure (eg, 100 atmospheres) or more to change the air from a liquefied state to a vaporized state or a supercritical state. . At this time, the low temperature pump 125 may change the liquefied air introduced from the liquefied air tank 124 from a low pressure/cryogenic state to a high pressure/cryogenic state.

저온 펌프(125)를 통과한 작동 유체는 2-way 열 교환기(119)를 거치면서 상온/고압 상태로 변환된 후 다단 구조의 공기 터빈(126, 127) 방향으로 이동하게 된다. The working fluid that has passed through the cryopump 125 is converted to a room temperature/high pressure state while passing through the 2-way heat exchanger 119, and then moves toward the air turbines 126 and 127 having a multi-stage structure.

다단 구조의 공기 터빈(126, 127)은 다수의 터빈용 열 교환기(108, 109)를 통과한 고온/고압 상태의 공기가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 수 있다. 상기 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)을 통해 획득한 기계적 에너지는 발전기(128)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다. In the air turbines 126 and 127 having a multi-stage structure, the high-temperature/high-pressure air that has passed through the plurality of turbine heat exchangers 108 and 109 expands and gives an impulse or reaction force to the rotary blades of the turbine to convert thermal energy into mechanical energy. can be converted The mechanical energy obtained through the air turbines 126 and 127 of the multi-stage structure is supplied as energy required for generating electricity in the generator 128.

이러한 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)에서, 제1 공기 터빈(126)은 제1 터빈용 열 교환기(108)의 출력 단에 배치될 수 있고, 제2 공기 터빈(127)은 제2 터빈용 열 교환기(109)의 출력 단에 배치될 수 있다. 상기 제2 공기 터빈(127)을 통과한 공기는 외부로 배출된다.In the multi-stage air turbines 126 and 127, the first air turbine 126 may be disposed at the output stage of the heat exchanger 108 for the first turbine, and the second air turbine 127 may be the second turbine. It may be disposed at the output end of the heat exchanger 109. The air passing through the second air turbine 127 is discharged to the outside.

각각의 공기 터빈(126, 127)에는 축류식과 원심식의 2 종류가 있으며 발전 용량에 따라 그 사용이 나누어진다. 일 실시 예로, 각각의 공기 터빈(126, 127)은 다단 축류식이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.There are two types of air turbines 126 and 127, an axial flow type and a centrifugal type, and their use is divided according to power generation capacity. In one embodiment, each of the air turbines 126 and 127 may use a multi-stage axial flow type, but is not necessarily limited thereto.

한편, 본 실시 예에서는, 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)이 2개의 공기 터빈으로 구성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 2개보다 더 많거나 혹은 더 적은 개수의 공기 터빈으로 구성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.On the other hand, in the present embodiment, the air turbines 126 and 127 of the multi-stage structure are illustrated as being composed of two air turbines, but are not necessarily limited thereto, and more or less than two air turbines are used. It will be apparent to those skilled in the art that it can be configured.

발전기(128)는 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)과 회전 부재로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(128)는 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기(128)로는 직류 발전기와 교류 발전기 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 교류 발전기가 사용될 수 있다.The generator 128 is connected to the air turbines 126 and 127 of a multi-stage structure and a rotating member to drive rotation. The generator 128 may generate electricity by converting mechanical energy supplied from the multi-stage air turbines 126 and 127 into electrical energy. As the generator 128, any one of a DC generator and an AC generator may be used, and more preferably, an AC generator may be used.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템은 다단 구조의 공기 압축기와 열유 저장 시스템을 활용하여 대기 중의 이산화탄소를 간편하게 포집함으로써, 종래의 분리 여과막을 사용할 필요 없이 대기 중의 이산화탄소를 완벽하게 분리시킬 수 있고, 그로 인해 대기 오염에 따른 지구 온난화를 효과적으로 예방할 수 있다. 또한, 액화 공기 에너지 저장 시스템은 주변의 대기를 압축/냉각/팽창하여 생성된 액화 공기를 액화 공기 탱크에 저장하고, 해당 액화 공기 탱크에 저장된 액화 공기를 압축/가열/팽창하여 추가 발전에 사용함으로써, 친환경적이고, 지리적 제한이 없으며, 에너지를 효율적으로 저장할 수 있다.As described above, the liquefied air energy storage system according to an embodiment of the present invention utilizes a multi-stage air compressor and a thermal oil storage system to conveniently capture carbon dioxide in the air, thereby removing the need for a conventional separation filtration membrane. Carbon dioxide can be completely separated, thereby effectively preventing global warming due to air pollution. In addition, the liquefied air energy storage system stores liquefied air generated by compressing/cooling/expanding the surrounding atmosphere in a liquefied air tank, and compressing/heating/expanding the liquefied air stored in the liquefied air tank to use it for additional power generation. , it is environmentally friendly, has no geographic restrictions, and can efficiently store energy.

한편, 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES, 100)의 전체적인 동작은 주변 대기를 압축하여 액화 공기를 생산 및 저장하는 충전(charging) 과정과, 액화 공기 탱크에 저장된 액화 공기를 기반으로 부하 대응 전력을 생산하는 방전(discharging) 과정으로 구성된다.On the other hand, the overall operation of the liquefied air energy storage system (LAES, 100) is a charging process of producing and storing liquefied air by compressing the surrounding atmosphere, and producing load response power based on the liquefied air stored in the liquefied air tank. It consists of a discharging process that

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 충전 과정을 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 외부로부터 유입된 공기는 수증기 제거기(101)를 통해 수증기가 완전히 제거된 다음 하나 이상의 공기 압축기(102, 103)와 하나 이상의 압축기용 열 교환기(105, 106)를 통과하게 된다.4 is a diagram illustrating a charging process of a liquefied air energy storage system (LAES) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the air introduced from the outside is completely removed from the water vapor through the steam eliminator 101 and then passes through one or more air compressors 102 and 103 and one or more compressor heat exchangers 105 and 106. will do

하나 이상의 공기 압축기(102, 103)를 통과한 공기는 압축되어 고온/고압 상태로 변환되고, 하나 이상의 압축기용 열 교환기(105, 106)를 통과한 공기는 열이 흡수되어 고온/고압 상태에서 상온/고압 상태로 변환된다. 이러한 압축 과정 및 열 교환 과정을 통해, 공기 중의 질소(N2) 및 산소(O2) 등과 같은 녹는점이 낮은 분자(물질)들은 기체 상태로 남아있게 되고, 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 같은 녹는점이 높은 분자는 기체 상태에서 액체 상태로 상 변이가 일어나게 된다. 이 중 액화 이산화탄소는 액화 이산화탄소 분리기(116)를 통해 분리되어 액화 이산화탄소 탱크(117)에 저장된다. 한편, 액화 이산화탄소가 제거된 기체 상태의 공기는 하나 이상의 공기 압축기(104), 하나 이상의 압축기용 열 교환기(108), 3-way 열 교환기(118) 및 저온 터빈(122)을 순차적으로 통과하게 된다.The air that has passed through one or more air compressors (102, 103) is compressed and converted to a high temperature/high pressure state, and the air that has passed through one or more compressor heat exchangers (105, 106) absorbs heat to return from a high temperature/high pressure state to normal temperature. / is converted to high pressure state. Through this compression process and heat exchange process, molecules (substances) with low melting points, such as nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) in the air, remain in a gaseous state, and melting elements such as carbon dioxide (CO 2 ) in the air Molecules with high points undergo a phase transition from the gaseous state to the liquid state. Of these, liquefied carbon dioxide is separated through the liquefied carbon dioxide separator 116 and stored in the liquefied carbon dioxide tank 117. Meanwhile, gaseous air from which liquefied carbon dioxide is removed passes through one or more air compressors 104, one or more compressor heat exchangers 108, a 3-way heat exchanger 118, and a low-temperature turbine 122 in sequence. .

하나 이상의 공기 압축기(104)를 통과한 공기는 압축되어 고온/고압 상태로 변환되고, 하나 이상의 압축기용 열 교환기(107)를 통과한 공기는 열이 흡수되어 고온/고압 상태에서 상온/고압 상태로 변환된다. 그리고, 3-way 열 교환기(118)를 통과한 공기는 냉각되어 상온/고압 상태에서 극저온/고압 상태로 변환되고, 저온 터빈(122)을 통과한 공기는 팽창되어 기체 상태에서 액체 상태로의 상 변이가 일어나게 된다. 이 중 액화 공기는 액화 공기 분리기(123)를 통해 분리되어 액화 공기 탱크(124)에 저장되고, 상기 액화 공기를 제외한 나머지 공기는 3-way 열 교환기(118)와 수증기 제거기(101)를 거쳐 외부로 방출된다. 이와 같은 일련의 동작들을 충전 과정이라 지칭한다.The air that has passed through one or more air compressors 104 is compressed and converted to a high temperature/high pressure state, and the air that has passed through one or more compressor heat exchangers 107 absorbs heat to change from a high temperature/high pressure state to a room temperature/high pressure state. is converted In addition, the air that has passed through the 3-way heat exchanger 118 is cooled and converted from a normal temperature/high pressure state to a cryogenic/high pressure state, and the air that has passed through the low temperature turbine 122 is expanded to change from a gaseous state to a liquid state. mutations will occur Among them, liquefied air is separated through the liquefied air separator 123 and stored in the liquefied air tank 124, and the remaining air excluding the liquefied air passes through the 3-way heat exchanger 118 and the steam eliminator 101 to the outside. is emitted with Such a series of operations is referred to as a charging process.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES)의 방전 과정을 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 액화 공기 탱크(124)에서 배출된 액화 공기는 저온 펌프(125)와 2-way 열 교환기(119)를 순차적으로 통과하게 된다. 저온 펌프(125)를 통과한 액화 공기는 압축되어 기화 상태 또는 초 임계 상태로 변환되고, 2-way 열 교환기(119)를 통과한 공기는 가열되어 상온/고압 상태의 기체로 변환된다. 5 is a diagram illustrating a discharging process of a liquefied air energy storage system (LAES) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5 , the liquefied air discharged from the liquefied air tank 124 sequentially passes through the low temperature pump 125 and the 2-way heat exchanger 119 . The liquefied air passing through the low temperature pump 125 is compressed and converted into a vaporized state or a supercritical state, and the air passing through the 2-way heat exchanger 119 is heated and converted into a normal temperature/high pressure gas.

2-way 열 교환기(119)를 통과한 공기는 하나 이상의 터빈용 열 교환기(108, 109)를 거치면서 상온/고압 상태에서 고온/고압 상태로 변환된 후 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)으로 입력된다. 상기 하나 이상의 터빈용 열 교환기(108, 109)로부터 유입된 작동 유체(즉, 공기)는 다단 구조의 공기 터빈(126, 127)을 거치면서 추가 전력을 생산하게 된다. 이와 같은 일련의 동작들을 방전 과정이라 지칭한다.The air passing through the 2-way heat exchanger 119 is converted from a room temperature/high pressure state to a high temperature/high pressure state while passing through one or more turbine heat exchangers 108 and 109, and then the multi-stage air turbines 126 and 127 is entered as The working fluid (ie, air) introduced from the one or more turbine heat exchangers 108 and 109 generates additional power while passing through the air turbines 126 and 127 having a multi-stage structure. Such a series of operations is referred to as a discharge process.

이러한 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES, 100)의 충전(charging) 및 방전(discharging) 과정은 전력 계통 상에서 신 재생 에너지원의 출력 변동성에 따라 번갈아 가며 수행될 수 있다.The charging and discharging processes of the liquefied air energy storage system (LAES, 100) may be alternately performed according to the output variability of the renewable energy source on the power system.

예를 들어, 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES, 100)은, 제1 이벤트 발생 시, 전력 계통 상의 잉여 에너지를 기반으로 액화 공기를 생산 및 저장하는 충전 과정을 수행할 수 있다. 이때, 상기 제1 이벤트는 전력 계통 상에서 신 재생 에너지원의 출력 변동성에 따라 발생하는 전력 공급 과잉 이벤트일 수 있다.For example, when a first event occurs, the liquefied air energy storage system (LAES) 100 may perform a charging process of producing and storing liquefied air based on surplus energy in the power system. In this case, the first event may be a power supply excess event that occurs according to output variability of renewable energy sources on the power system.

한편, 액화 공기 에너지 저장 시스템(LAES, 100)은, 제2 이벤트 발생 시, 액화 공기 탱크에 저장된 액화 공기를 기반으로 부하 대응 전력을 생산하는 방전 과정을 수행할 수 있다. 이때, 상기 제2 이벤트는 전력 계통 상에서 신 재생 에너지원의 출력 변동성에 따라 발생하는 전력 공급 부족 이벤트이거나 혹은 전력 계통 상에서 수용가의 부하 변동성에 따라 발생하는 전력 수요 과잉 이벤트일 수 있다.Meanwhile, when the second event occurs, the liquefied air energy storage system (LAES) 100 may perform a discharging process of generating power corresponding to a load based on the liquefied air stored in the liquefied air tank. In this case, the second event may be a power supply shortage event that occurs according to output variability of renewable energy sources on the power system or a power demand surplus event that occurs according to load variability of consumers on the power system.

한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, although specific embodiments of the present invention have been described above, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.

100: 액화 공기 에너지 저장 시스템 101: 수증기 제거기
102/103/104: 공기 압축기 105/106/107: 압축기용 열 교환기
108/109: 터빈용 열 교환기 110: 저온 열유 탱크
111: 고온 열유 탱크 112/113: 분기 밸브
114/115: 병합 밸브 116: 액화 이산화탄소 분리기
117: 액화 이산화탄소 탱크 118: 3-way 열 교환기
119: 2-way 열 교환기 120: 고온 탱크
121: 저온 탱크 122: 저온 터빈
123: 액화 공기 분리기 124: 액화 공기 탱크
125: 저온 펌프 126/127: 공기 터빈
128: 발전기100: liquefied air energy storage system 101: water vapor eliminator
102/103/104: air compressor 105/106/107: heat exchanger for compressor
108/109: heat exchanger for turbine 110: low-temperature thermal oil tank
111: high-temperature thermal oil tank 112/113: branch valve
114/115: merging valve 116: liquefied carbon dioxide separator
117: liquefied carbon dioxide tank 118: 3-way heat exchanger
119: 2-way heat exchanger 120: high temperature tank
121: low temperature tank 122: low temperature turbine
123 Liquefied air separator 124 Liquefied air tank
125: cryopump 126/127: air turbine
128: generator

Claims (6)

외부로부터 유입되는 공기를 압축시키는 다단 구조의 공기 압축기;
상기 다단 구조의 공기 압축기에서 발생하는 압축 열을 흡수하는 복수의 압축기용 열 교환기들;
상기 복수의 압축기용 열 교환기들 중 제1 압축기용 열 교환기와 상기 다단 구조의 공기 압축기 중 제1 공기 압축기 사이에 배치되어, 상기 제1 압축기용 열 교환기로부터 유입되는 공기로부터 액화 이산화탄소를 분리하는 액화 이산화탄소 분리기; 및
상기 액화 이산화탄소 분리기를 통해 분리된 액화 이산화탄소를 저장하는 액화 이산화탄소 탱크를 포함하고,
상기 액화 이산화탄소 분리기는 상기 공기를 구성하는 분자들의 녹는점 차이를 이용하여 상기 공기로부터 액체 상태의 이산화탄소를 분리하는 것을 특징으로 하는 액화 공기 에너지 저장 시스템.An air compressor having a multi-stage structure that compresses air introduced from the outside;
a plurality of compressor heat exchangers absorbing compression heat generated from the multi-stage air compressor;
Liquefied carbon dioxide is disposed between a first compressor heat exchanger of the plurality of compressor heat exchangers and a first air compressor of the multi-stage air compressor to separate liquefied carbon dioxide from air introduced from the first compressor heat exchanger. carbon dioxide separator; and
A liquefied carbon dioxide tank for storing the liquefied carbon dioxide separated through the liquefied carbon dioxide separator;
The liquefied carbon dioxide separator separates liquid carbon dioxide from the air by using a difference in melting points of the molecules constituting the air. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 외부로부터 유입된 공기를 압축하기 전에 해당 공기에 포함된 수증기를 제거하는 수증기 제거기를 더 포함하는 액화 공기 에너지 저장 시스템.According to claim 1,
The liquefied air energy storage system further comprises a water vapor eliminator for removing water vapor contained in the air before compressing the air introduced from the outside. 제1항에 있어서,
미리 결정된 열 전달 매체를 이용하여 상기 액화 이산화탄소가 제거된 공기를 냉각시키는 3-way 열 교환기;
상기 3-way 열 교환기로부터 유입되는 공기를 팽창시키는 저온 터빈; 및
상기 저온 터빈으로부터 유입되는 공기에서 액화 공기를 분리하는 액화 공기 분리기; 및
상기 액화 공기 분리기를 통해 분리된 액화 공기를 저장하는 액화 공기 탱크를 더 포함하는 액화 공기 에너지 저장 시스템.According to claim 1,
a 3-way heat exchanger cooling the air from which the liquefied carbon dioxide has been removed using a predetermined heat transfer medium;
a low-temperature turbine that expands the air introduced from the 3-way heat exchanger; and
a liquefied air separator separating liquefied air from air introduced from the low-temperature turbine; and
The liquefied air energy storage system further comprises a liquefied air tank storing the liquefied air separated through the liquefied air separator. 제4항에 있어서,
상기 액화 공기 탱크로부터 유입되는 작동 유체를 압축시키는 저온 펌프;
상기 저온 펌프로부터 유입되는 작동 유체를 가열하는 2-way 열 교환기; 및
상기 2-way 열 교환기로부터 유입되는 작동 유체를 기반으로 에너지를 생산하는 다단 구조의 공기 터빈을 더 포함하는 액화 공기 에너지 저장 시스템.According to claim 4,
a low-temperature pump compressing the working fluid introduced from the liquefied air tank;
a 2-way heat exchanger for heating the working fluid introduced from the cryopump; and
The liquefied air energy storage system further comprising a multi-stage air turbine generating energy based on the working fluid introduced from the 2-way heat exchanger. 제5항에 있어서,
상기 복수의 압축기용 열 교환기들을 거치면서 압축 열을 흡수한 고온 상태의 열유를 저장하는 고온 열유 탱크;
상기 고온 열유 탱크에 저장된 열을 상기 다단 구조의 공기 터빈으로 입력되는 작동 유체에 전달하는 복수의 터빈용 열 교환기들; 및
상기 복수의 터빈용 열 교환기들을 거치면서 열을 빼앗긴 저온 상태의 열유를 저장하는 저온 열유 탱크를 더 포함하는 액화 공기 에너지 저장 시스템.According to claim 5,
a high-temperature thermal oil tank storing thermal oil in a high-temperature state that has absorbed compression heat passing through the plurality of compressor heat exchangers;
a plurality of turbine heat exchangers for transferring the heat stored in the high-temperature thermal oil tank to the working fluid input to the air turbine having a multi-stage structure; and
The liquefied air energy storage system further comprises a low-temperature thermal oil tank for storing thermal oil in a low-temperature state deprived of heat while passing through the plurality of turbine heat exchangers.
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