KR102575379B1 - Hydrogen Supply System and Method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소를 수요처의 요구 조건에 맞게 공급하면서도 자체 전력을 생산할 수 있는 수소 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 수소 공급 시스템은, 액화수소를 기화시키고 압축하여 저장한 후 수소 수요처로 공급하는 수소 공급부; 상기 수소 공급부로부터 액화수소의 재기화 냉열을 회수하여 공기를 액화시키는 공기 액화부; 및 상기 수소 공급부의 압축열과 상기 공기 액화부의 압축열을 회수하여 액화공기를 재기화시킨 후 전력을 생산하는 공기 발전부;를 포함한다.The present invention relates to a hydrogen supply system and method capable of generating its own electricity while supplying hydrogen according to the requirements of a consumer.
The hydrogen supply system of the present invention includes a hydrogen supply unit for vaporizing, compressing and storing liquefied hydrogen and then supplying it to a hydrogen demand place; an air liquefaction unit that liquefies air by recovering the cold heat of regasification of liquefied hydrogen from the hydrogen supply unit; and an air power generation unit configured to recover the compression heat of the hydrogen supply unit and the compression heat of the air liquefaction unit to regasify the liquefied air and then generate electric power.
Description
본 발명은 수소를 수요처의 요구 조건에 맞게 공급하면서도 자체 전력을 생산할 수 있는 수소 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen supply system and method capable of generating its own electricity while supplying hydrogen according to the requirements of a consumer.
수소 에너지는 환경 친화적인 에너지원으로서, 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용이 가능하며, 연료전지 가격 또한 매년 감소하고 있어 수소에너지 시대가 앞당겨지고 있다. Hydrogen energy is an environmentally friendly energy source, and can be used as a fuel for automobile power sources and fuel cells for portable electronic devices.
수소 사회로의 진입에 있어서 가장 큰 문제점은, 수소를 저장 및 운반하기 위한 형태로 만들어주는 공정부터, 수소를 연료로 사용하는 차량(수소 연료 차량)으로 수소를 충전해주기까지의 전 주기에 있어서 에너지 소비 총량이 많아 경제성 확보가 어렵다는 점이다.The biggest problem in entering the hydrogen society is that the entire cycle from the process of making hydrogen into a form for storing and transporting to charging hydrogen into a vehicle that uses hydrogen as fuel (hydrogen fuel vehicle) is energy It is difficult to secure economic feasibility due to the large amount of total consumption.
현재 산업에서 주로 채택되고 있는 가장 합리적인 수소의 저장 및 운송 기술은, 수소를 액화시켜 부피당 에너지 밀도가 가장 좋은 액화수소의 형태로 저장 및 운송하는 방법이다. Currently, the most reasonable hydrogen storage and transport technology mainly adopted in the industry is a method of storing and transporting hydrogen in the form of liquefied hydrogen having the highest energy density per volume by liquefying the hydrogen.
지구상에서 가장 가벼운 원소인 수소는, 응축 온도가 대기압 조건에서 약 20K(약 -253℃) 정도로 매우 낮기 때문에, 수소를 액화시켜 저장하기 위해서는 초저온 냉동기가 필요하며 액화 에너지가 많이 소모된다. 상용급 플랜트의 경우 수소 기체 1kg 당 10 kWh 이상의 에너지가 소모되는 것으로 알려져있다. Since hydrogen, the lightest element on earth, has a very low condensation temperature of about 20K (about -253 ° C) under atmospheric pressure conditions, an ultra-low temperature refrigerator is required to liquefy and store hydrogen, and a lot of liquefaction energy is consumed. In the case of a commercial-grade plant, it is known that more than 10 kWh of energy is consumed per 1 kg of hydrogen gas.
또한, 수소를 수소를 연료로 사용하는 차량에 충전해주기 위해서는 가스 상태의 수소를 700 bar 이상의 초고압으로 압축시켜야 하는데, 이 과정에서도 상당한 전력이 소모된다. In addition, in order to charge hydrogen into a vehicle that uses hydrogen as fuel, gaseous hydrogen must be compressed to an ultra-high pressure of 700 bar or more, and considerable power is consumed in this process as well.
예를 들어, 수소 충전소에서 하루 5 ton의 수소를 수소 연료 차량에 충전해준다고 할 때, 수소 기체를 100 bar에서 700 bar로 압축하는데 요구되는 전력만 273.7 kW에 달한다. For example, assuming that a hydrogen fueling vehicle is charged with 5 tons of hydrogen per day at a hydrogen filling station, only the power required to compress hydrogen gas from 100 bar to 700 bar reaches 273.7 kW.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 수소 사회로의 진입에 있어 경제성 문제를 해결하기 위해, 수소 체인에서 소비되는 에너지의 총량을 혁신적으로 감소시킬 수 있는 수소 공급 시스템 및 방법을 제공하고자 한다. Therefore, the present invention is to solve the above problems, to solve the economic problem in entering the hydrogen society, to provide a hydrogen supply system and method that can innovatively reduce the total amount of energy consumed in the hydrogen chain. want to do
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화수소를 기화시키고 압축하여 저장한 후 수소 수요처로 공급하는 수소 공급부; 상기 수소 공급부로부터 액화수소의 재기화 냉열을 회수하여 공기를 액화시키는 공기 액화부; 및 상기 수소 공급부의 압축열과 상기 공기 액화부의 압축열을 회수하여 액화공기를 재기화시킨 후 전력을 생산하는 공기 발전부;를 포함하는, 수소 공급 시스템이 제공된다. According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a hydrogen supply unit for supplying liquefied hydrogen to a hydrogen demand place after vaporizing and compressing and storing it; an air liquefaction unit that liquefies air by recovering the cold heat of regasification of liquefied hydrogen from the hydrogen supply unit; and an air power generation unit that recovers the compression heat of the hydrogen supply unit and the compression heat of the air liquefaction unit to regasify the liquefied air and then generates electric power.
바람직하게는, 상기 공기 발전부는, 액화공기를 기화시키는 공기 기화기; 상기 공기 기화기에 의해 기화된 재기화 공기를 상기 수소 공급부의 압축열과 상기 공기 액화부의 압축열을 이용하여 적어도 1단계 이상으로 단계적으로 가열하는 가열수단; 상기 가열수단에 의해 가열된 재기화 공기를 작동유체로 사용하는 공기 터빈; 및 상기 공기 터빈의 팽창일을 이용하여 전력을 생산하는 발전기;를 포함할 수 있다.Preferably, the air generator unit, an air vaporizer for vaporizing liquefied air; a heating means for heating the re-vaporized air vaporized by the air vaporizer in at least one step or more step by step using compression heat of the hydrogen supply unit and compression heat of the air liquefaction unit; an air turbine using the regasified air heated by the heating means as a working fluid; and a generator for generating electric power using the expansion work of the air turbine.
바람직하게는, 상기 가열수단은, 상기 공기 기화기에 의해 기화된 재기화 공기를 신재생에너지를 이용하여 1차 가열하는 공기 히터;를 포함할 수 있다.Preferably, the heating unit may include an air heater that primarily heats the re-vaporized air vaporized by the air vaporizer using renewable energy.
바람직하게는, 상기 가열수단은, 상기 공기 히터에 의해 1차 가열된 재기화 공기를, 상기 수소 공급부의 압축열 및 상기 공기 액화부의 압축열 중 어느 하나 이상을 이용하여 추가 가열하는 열 저장설비;를 더 포함할 수 있다.Preferably, the heating means includes a heat storage facility for additionally heating the re-vaporized air primarily heated by the air heater by using at least one of compression heat from the hydrogen supply unit and compression heat from the air liquefaction unit; may further include.
바람직하게는, 상기 공기 액화부는, 공기를 압축하는 공기 압축기; 및 상기 공기 압축기에 의해 압축된 압축공기와 상기 공기 발전부에서 예냉하는 공기 냉각기;를 포함하고, 상기 열 저장설비는, 상기 공기 냉각기에서 제1 열매체유가 회수한 압축열을 저장하여 상기 공기 히터에 의해 가열된 재기화 공기를 가열하며, 상기 재기화 공기를 가열하면서 얻은 냉열을 저장하여 상기 제1 열매체유에 전달하는 제1 열 저장설비;를 포함할 수 있다.Preferably, the air liquefaction unit, an air compressor for compressing air; and an air cooler for pre-cooling the compressed air compressed by the air compressor and the air generator, wherein the heat storage facility stores the compression heat recovered from the first thermal oil in the air cooler to supply the air to the air heater. A first heat storage facility that heats the regasified air heated by the heat exchanger, stores cold heat obtained while heating the regasified air, and transfers it to the first heat transfer oil.
바람직하게는, 상기 수소 공급부는, 액화수소를 압축하는 액화수소 펌프; 상기 액화수소 펌프에 의해 압축된 액화수소를 공기 냉각기에서 예냉된 공기와 열교환시켜 공기를 액화시키고 액화수소는 기화시키는 열교환기; 상기 열교환기에 의해 기화된 수소를 더 압축하는 수소 압축기; 및 상기 수소 압축기에 의해 압축된 수소를 냉각시키는 수소 냉각기;를 포함할 수 있다.Preferably, the hydrogen supply unit, a liquefied hydrogen pump for compressing liquefied hydrogen; a heat exchanger that liquefies the air and vaporizes the liquefied hydrogen by exchanging heat with the air pre-cooled in the air cooler to liquefy the liquefied hydrogen compressed by the liquefied hydrogen pump; a hydrogen compressor for further compressing the hydrogen vaporized by the heat exchanger; and a hydrogen cooler for cooling the hydrogen compressed by the hydrogen compressor.
바람직하게는, 상기 열 저장설비는, 상기 수소 냉각기에서 제2 열매체유가 회수한 압축열을 저장하여 상기 공기 히터에 의해 가열된 재기화 공기를 가열하며, 상기 재기화 공기를 가열하면서 얻은 냉열을 저장하여 상기 제2 열매체유에 전달하는 제2 열 저장설비;를 포함할 수 있다.Preferably, the heat storage facility stores compression heat recovered from the second thermal medium oil in the hydrogen cooler to heat the re-vaporized air heated by the air heater, and stores cold heat obtained while heating the re-vaporized air. and a second heat storage facility that transfers the heat to the second thermal oil.
바람직하게는, 상기 열교환기는, 쉘 앤 플레이트 타입 또는 PCHE일 수 있다.Preferably, the heat exchanger may be of a shell and plate type or PCHE.
바람직하게는, 상기 열 저장설비의 내부에는, 자갈, 세라믹, 콘크리트, 벽돌 및 메탈 중 어느 하나 이상을 포함하는 충전층이 구비될 수 있다.Preferably, a filling layer containing at least one of gravel, ceramic, concrete, brick, and metal may be provided inside the heat storage facility.
바람직하게는, 상기 열 저장설비의 내부는, 고체-액체 또는 액체-기체 사이의 상변화에 동반되는 잠열을 활용할 수 있도록 충전되는 상변화물질; 및 내부에 다공성 물질이 충전되어 있으며 재기화 공기가 유동하는 관 또는 튜브;가 구비되어 있고, 상기 관 또는 튜브를 매개로 하여, 상기 상변화물질과 열매체유가 간접 열교환할 수 있다.Preferably, the interior of the heat storage facility, a phase change material filled to utilize the latent heat accompanying the phase change between the solid-liquid or liquid-gas; and a tube or tube filled with a porous material and through which regasification air flows, and the phase change material and the thermal oil may perform indirect heat exchange through the tube or tube.
바람직하게는, 상기 공기 발전부에서 생산된 전력은 전력 수요처로 공급되고, 상기 전력 수요처는, 수소 충전소, 지역사회, 및 배터리를 포함할 수 있다.Preferably, the power generated by the air power generation unit is supplied to a power consumer, and the power consumer may include a hydrogen charging station, a local community, and a battery.
바람직하게는, 상기 공기 터빈으로부터 배출되는 팽창 공기는 청정공기 수요처로 공급되고, 상기 청정공기 수요처는, 난방 수요처, 냉방 수요처 및 환기용 공기 수요처를 포함할 수 있다. Preferably, the expanded air discharged from the air turbine is supplied to a clean air demand place, and the clean air demand place may include a heating demand place, a cooling demand place, and a ventilation air demand place.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화수소를 기화시키고 압축하여 저장한 후 수소 수요처로 공급하고, 상기 액화수소의 재기화 냉열을 회수하여 공기를 액화시키며, 상기 액화공기를 기화시키는 단계; 상기 기화된 재기화 공기를 상기 수소의 압축열과 상기 공기의 압축열을 이용하여 적어도 1단계 이상으로 단계적으로 가열하는 단계; 및 상기 가열된 재기화 공기를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키고, 터빈의 팽창일을 이용하여 전력을 생산하는 단계;를 포함하는, 수소 공급 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention for achieving the above object, after vaporizing and compressing liquefied hydrogen and storing it, supplying it to a hydrogen demand place, recovering the cold heat of regasification of the liquefied hydrogen to liquefy the air, and vaporizing; stepwise heating the vaporized regasified air in at least one step or more using the compression heat of the hydrogen and the compression heat of the air; and driving a turbine using the heated regasified air as a working fluid and generating electric power using an expansion work of the turbine.
바람직하게는, 상기 단계적으로 가열하는 단계는, 상기 재기화 공기를 신재생에너지를 이용하여 1차 가열하는 1차 가열 단계; 상기 압축공기의 열에너지를 회수하면서 가열된 제1 열매체유의 온도와, 상기 압축수소의 열에너지를 회수하면서 가열된 제2 열매체유의 온도를 비교하는 단계; 상기 가열된 제1 열매체유 및 제2 열매체유 중에서 더 낮은 온도의 열매체유와 1차 가열된 재기화 공기를 열교환시켜 1차 가열된 재기화 공기를 2차 가열하는 2차 가열 단계; 및 상기 가열된 제1 열매체유 및 제2 열매체유 중에서 더 높은 온도의 열매체유와 상기 2차 가열된 재기화 공기를 열교환시켜 2차 가열된 재기화 공기를 3차 가열하는 3차 가열 단계;를 포함할 수 있다. Preferably, the step-by-step heating may include: a first heating step of firstly heating the re-vaporized air using renewable energy; Comparing the temperature of the first thermal oil heated while recovering the thermal energy of the compressed air with the temperature of the second thermal oil heated while recovering the thermal energy of the compressed hydrogen; a second heating step of secondarily heating the firstly heated regasified air by exchanging heat between the first and second heated regasified air and the lower temperature thermal medium oil among the heated first and second heat transfer oils; and a third heating step of thirdly heating the secondarily heated regasified air by exchanging heat between the second heated regasified air and the second heated regasified air having a higher temperature among the heated first and second heat transfer oils. can include
바람직하게는, 상기 2차 가열 단계에서 재기화 공기를 가열하면서 냉각된 열매체유와 상기 압축공기를 열교환시켜 압축공기를 예냉하는 단계; 및 상기 예냉된 압축공기와 상기 액화수소를 열교환시켜 상기 압축공기는 액화시키고 상기 액화수소는 기화시키는 단계;를 포함할 수 있다.Preferably, pre-cooling the compressed air by exchanging heat between the cooled thermal medium oil and the compressed air while heating the regasified air in the second heating step; and exchanging heat between the pre-cooled compressed air and the liquefied hydrogen to liquefy the compressed air and vaporize the liquefied hydrogen.
바람직하게는, 상기 액화수소를 기화시키는 단계; 상기 기화된 수소를 압축하는 단계; 및 상기 압축된 수소를 냉각시키는 단계;를 더 포함하고, 상기 압축된 수소를 냉각시키는 단계는, 상기 3차 가열 단계에서 재기화 공기를 가열하면서 냉각된 열매체유와 상기 압축수소를 열교환시킬 수 있다.Preferably, vaporizing the liquefied hydrogen; compressing the vaporized hydrogen; and cooling the compressed hydrogen. In the cooling of the compressed hydrogen, the cooled thermal oil and the compressed hydrogen may be heat-exchanged while heating the re-vaporized air in the tertiary heating step. .
본 발명에 따른 수소 공급 시스템 및 방법은, 수소 충전소에서 액화수소를 재기화시킴으로써 얻어지는 냉열을 액화공기의 형태로 저장하고, 수소를 압축시키면서 얻어지는 온열 및 공기를 압축시키면서 얻어지는 온열을 이용하여, 액화공기를 기화시키고, 재기화 공기로 터빈을 구동시켜 전력을 생산하여 사용함으로써, 기존 방식에 비해 전체 공정에 소모되는 에너지를 획기적으로 절감하고, 에너지 효율을 증대시킬 수 잇다. The hydrogen supply system and method according to the present invention stores cold heat obtained by regasifying liquefied hydrogen at a hydrogen filling station in the form of liquefied air, and uses the heat obtained by compressing hydrogen and the heat obtained by compressing air to generate liquefied air. By vaporizing and driving a turbine with regasified air to produce and use electric power, it is possible to drastically reduce the energy consumed in the entire process and increase energy efficiency compared to the existing method.
따라서, 수소 상용화의 걸림돌이 되었던 수소 충전소의 경제성 문제를 해결할 수 있다. Therefore, it is possible to solve the economic feasibility problem of the hydrogen filling station, which has been an obstacle to the commercialization of hydrogen.
또한, 발전에 사용된 청정 공기를 이용하여 인근 지역이나 건물의 냉방, 난방 및 환기 등 공조 시스템에 활용할 수 있으므로, 지역 사회의 친환경 공조를 도모할 수 있다. In addition, since the clean air used for power generation can be used for air conditioning systems such as cooling, heating and ventilation of nearby areas or buildings, it is possible to promote eco-friendly cooperation in the local community.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 열 저장설비와 제2 열 저장설비를 간략하게 도시한 도면이며, (a)는 실린더 형태의 열 저장설비를, (b)는 3차원 형태의 열 저장설비를 도시한 것이다. 1 is a block diagram schematically illustrating a hydrogen supply system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a first heat storage facility and a second heat storage facility according to an embodiment of the present invention, (a) is a cylinder-shaped heat storage facility, (b) is a three-dimensional form It shows the heat storage facility.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. Hereinafter, the configuration and operation of preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are marked with the same numerals as much as possible, even if they are displayed on different drawings.
하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following examples may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예들에 따른 수소 공급 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to FIG. 1, a hydrogen supply system and method according to an embodiment of the present invention will be described.
수소는 액화시킬 때 가장 큰 에너지가 소모되는 원소 중에 하나이지만, 반대로 액체 상태의 수소를 재기화시킬 때에는 많은 냉열이 방출되게 된다. 액화수소 1 kg이 기체 상태로 재기화될 때 방출되는 냉열은, 대기 중의 공기 약 10 kg을 액화시킬 수 있는 수준에 달한다. Hydrogen is one of the elements that consumes the most energy when liquefied, but on the contrary, when liquid hydrogen is regasified, a lot of cold heat is released. The cool heat released when 1 kg of liquefied hydrogen is regasified reaches a level that can liquefy about 10 kg of air in the atmosphere.
한편, 공기를 터빈의 작동유체로 사용하여 전력을 생산하는 공기 발전 시스템에 있어서, 터빈으로 공급되는 공기는 온도가 높을 수록 큰 에너지를 낼 수 있다. 즉, 터빈의 입구 온도가 높을 수록 발전량이 많아진다. Meanwhile, in an air power generation system that generates power by using air as a working fluid of a turbine, the air supplied to the turbine may generate greater energy as the temperature of the air increases. That is, the higher the inlet temperature of the turbine, the higher the amount of power generation.
따라서, 본 발명의 발명자들은, 이러한 특성을 감안하여, 수소 충전소에서 액화수소를 재기화시킬 때 방출되는 냉열로 대기 중 공기를 액화시켜 액화공기 상태로 에너지를 저장한 후, 수소 기체를 압축할 때 발생하는 열과 공기를 압축할 때 발생하는 열을, 열매체유를 매개체로 하여 회수하여 공기를 가열하고, 온도가 높아진 공기를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시킴으로써, 큰 에너지(전력)를 발생시킬 수 있도록 한 수소 공급 시스템 및 방법을 제공하고자 한다. Therefore, in view of these characteristics, the inventors of the present invention liquefy air in the atmosphere with the cool heat released when regasifying liquefied hydrogen at a hydrogen filling station, store energy in the state of liquefied air, and then compress hydrogen gas. The heat generated and the heat generated when compressing the air are recovered using thermal oil as a medium to heat the air, and by using the high-temperature air as a working fluid to drive a turbine, a large amount of energy (electric power) can be generated. It is intended to provide a hydrogen supply system and method.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급 시스템은, 수소 공급부와, 공기 액화부와, 공기 발전부를 포함할 수 있다. A hydrogen supply system according to an embodiment of the present invention may include a hydrogen supply unit, an air liquefaction unit, and an air power generation unit.
본 실시예에서 수소 공급부는, 액화수소를 저장하는 액화수소 탱크(101)와, 액화수소 탱크(101)로부터 배출된 액화수소를 기화시켜 수소 기체를 생성하는 열교환기(104)와, 열교환기(104)에서 기화된 수소 기체를 저장하는 고압수소 탱크(105)와, 고압수소 탱크(105)로부터 배출된 고압의 수소 기체를 더 압축하는 수소 압축기(107)와, 수소 압축기(107)에 의해 압축된 초고압 수소를 냉각시키는 수소 냉각기(108)와, 수소 냉각기(108)에 의해 냉각된 초고압 수소를 저장하는 초고압수소 탱크(110)를 포함한다. In this embodiment, the hydrogen supply unit includes a
본 실시예의 액화수소 탱크(101)는 고정식으로서 액화수소 공급처로부터 액화수소를 공급받아 저장할 수도 있고, 이동식으로서 액화수소 탱크(101) 자체가 액화수소 공급처로부터 이송되는 컨테이너 형태의 탱크일 수도 있다. The
또한, 액화수소 공급처는, 외부에 배치될 수 있고, 본 실시예에 따른 수소 공급 시스템이 구비되는 부지 내에 배치된 것일 수도 있다. In addition, the liquefied hydrogen supplier may be disposed outside, or may be disposed within a site where the hydrogen supply system according to the present embodiment is provided.
본 실시예의 액화수소 펌프(103)는, 액화수소 탱크(101)로부터 이송된 액화수소, 즉, S101 및 S102 스트림을 고압으로 압축할 수 있다. The liquefied
액화수소 탱크(101)와 액화수소 펌프(103) 사이에는, 액화수소 탱크(101)로부터 액화수소 펌프(103)로 이송되는 액화수소의 유량을 제어하기 위한 수소 유량 제어밸브(102)가 구비된다. Between the liquefied
액화수소 펌프(103)에 의해 압축되는 액화수소의 압력은, 수소 수요처에서 요구하는 압력보다 낮을 수 있다.The pressure of the liquefied hydrogen compressed by the liquefied
즉, 본 실시예에서 수소 수요처는 수소를 연료로 사용하는 수소 연료 차량의 연료탱크일 수 있으며, 이때, 수소 수요처의 요구 압력은 약 700 bar이고, 액화수소 펌프(103)는 액화수소를 700 bar보다 낮은 압력, 본 실시예에서 약 100 bar로 압축할 수 있다.That is, in this embodiment, the hydrogen consumer may be a fuel tank of a hydrogen fuel vehicle that uses hydrogen as fuel. At this time, the demand pressure of the hydrogen consumer is about 700 bar, and the
액화수소 펌프(103)에 의해 압축된 고압수소 스트림(S103)은 열교환기(104)에서 재기화된다. 열교환기(104)에서 회수된 고압수소의 냉열은 후술하는 공기 액화부에서 활용된다. The high pressure hydrogen stream (S103) compressed by the liquefied hydrogen pump (103) is regasified in the heat exchanger (104). The cold heat of the high-pressure hydrogen recovered from the
본 실시예의 열교환기(104)에서 기화된 약 100 bar의 고압수소 스트림(S104)은 고압수소 탱크(105)에 저장된다. The high-pressure hydrogen stream (S104) of about 100 bar vaporized in the
고압수소 탱크(105)로부터 배출된 고압수소 기체(S105, S106)는, 수소 압축기(107)로 공급되어 수소 압축기(107)에 의해 수소 수요처에서 요구하는 압력으로 압축된다. The high-pressure hydrogen gas (S105, S106) discharged from the high-
고압수소 탱크(105)와 수소 압축기(107) 사이에는, 수소 압축기(107)로부터 고압수소 탱크(105)로 수소 기체가 역류하지 않도록 제1 수소 체크밸브(106)가 구비될 수 있다. A first
수소 압축기(107)에 의해 약 700 bar로 압축된 초고압수소 기체(S107)는 수소 냉각기(108)로 공급되며, 수소 냉각기(108)에서 냉각된 초고압수소 기체(S108)는 초고압수소 탱크(110)로 이송되어 초고압수소 탱크(110)에 저장된다. The ultra-high pressure hydrogen gas (S107) compressed to about 700 bar by the
수소 냉각기(108)와 초고압수소 탱크(110) 사이에는 초고압수소 탱크(110)로부터 수소 냉각기(108)로 초고압수소 기체가 역류하지 않도록 제2 수소 체크밸브(109)가 구비될 수 있다. A second
초고압수소 탱크(110)로부터 배출된 초고압수소 기체(S110, S111)는 수소 수요처, 즉 본 실시예에서 수소 연료 차량으로 공급될 수 있다. The ultra-high pressure hydrogen gas (S110, S111) discharged from the ultra-high
초고압수소 탱크(110)와 수소 수요처를 연결하는 라인에는, 초고압수소 탱크(110)로부터 수소 수요처로 공급되는 초고압수소 기체의 압력을, 수소 수요처에서 요구하는 조건에 맞게 조절하기 위한 수소 압력 제어밸브(111)가 구비될 수 있다. In the line connecting the ultra-high
본 실시예에 따르면, 액화수소 탱크(101)에 저장된 액화수소를 열교환기(104)에서 기화시킨 후, 먼저 고압으로 고압수소 탱크(105)에 저장하고, 고압수소 탱크(105)에 1차적으로 저장된 고압수소 기체를 수소 압축기(107)로 더 압축시키고, 수소 냉각기(108)에서 냉각시켜 초고압 상태로 2차적으로 초고압수소 탱크(110)에 저장한 후, 수소 수요처, 예를 들어 수소 연료 차량으로 수소 기체를 공급해주는 디스펜서에서 수요가 발생하면, 초고압수소 탱크(110)로부터 초고압수소를 배출시켜 수소 기체를 수소 수요처에 공급할 수 있다. According to this embodiment, after vaporizing the liquefied hydrogen stored in the liquefied
예를 들어, 수소 수요처에서 수요가 발생하거나, 초고압수소 탱크(110)의 압력이 설정범위 미만이 되면, 고압수소 탱크(105)로부터 고압수소 기체를 배출시켜, 수소 압축기(107)와 수소 냉각기(108)를 거쳐 초고압수소 탱크(110)에 채울 수 있다. For example, when demand arises from a hydrogen consumer or when the pressure of the ultra-high
또한, 고압수소 탱크(105)의 압력이 설정범위를 초과하게 되면, 고압수소 탱크(105)로부터 고압수소 기체를 배출시켜 초고압수소 탱크(110)로 공급할 수도 있다. In addition, when the pressure of the high-
마찬가지로, 고압수소 탱크(105)의 압력이 설정범위 미만이 되면, 액화수소 탱크(101)로부터 액화수소를 배출시켜 액화수소 펌프(103)와 열교환기(104)를 거쳐 고압수소 탱크(105)에 채울 수 있다. Similarly, when the pressure of the high-
또한, 액화수소 탱크(101)의 내압이 설정범위를 초과하게 되는 경우에도, 액화수소 탱크(101)로부터 수소를 배출시켜 고압수소 탱크(105)에 채울 수 있다. In addition, even when the internal pressure of the liquefied
본 실시예의 공기 액화부는, 액화시킬 공기(S201)를 흡입하는 공기 흡입 팬(201)과, 공기 흡입 팬(201)에 의해 흡입된 공기(S202)에 포함된 이물질을 제거하기 위한 공기 필터(202)와, 공기 필터(202)에 의해 이물질이 걸러진 공기(S203)를 압축하는 공기 압축기(203)와, 공기 압축기(203)에 의해 압축된 압축공기(S204)를 예냉하는 공기 냉각기(204)와, 공기 냉각기(204)에 의해 냉각된 압축공기(S205)를 액화시키는 열교환기(104)와, 열교환기(104)에 의해 액화된 액화공기(S206, S207)를 저장하는 액화공기 탱크(206)를 포함한다. The air liquefaction unit of this embodiment includes an
열교환기(104)에서는, 액화수소 펌프(103)에 의해 압축된 액화수소(S103)와, 공기 냉각기(204)에서 예냉된 압축공기(S205)가 열교환하여, 액화수소는 압축공기의 열에너지에 의해 재기화되고, 압축공기는 액화수소의 냉열에 의해 액화된다. In the
열교환기(104)에서 액화수소의 재기화열에 의해 생성된 액화공기는 액화공기 탱크(206)로 공급되어 저장된다. 즉, 본 실시예에서 액화수소의 재기화열은, 액화공기의 형태로 저장된다. The liquefied air generated by regasification heat of liquefied hydrogen in the
본 실시예와 같이, 수소 충전소에서 액체수소를 기체수소로 재기화할 때, 재기화 냉열을 공기를 이용하여 회수함으로써, 공기 액화에 필요한 막대한 에너지를 절감할 수 있고, 에너지 저장 수단으로서 액체공기를 활용할 수 있다.As in the present embodiment, when liquid hydrogen is regasified into gaseous hydrogen at a hydrogen filling station, by recovering the regasified cold heat using air, it is possible to save enormous energy required for liquefying air and utilize liquid air as an energy storage means. can
열교환기(104)와 액화공기 탱크(206) 사이에는, 액화공기 탱크(206)로부터 열교환기(104)로 액화공기가 역류하지 않도록 공기 체크밸브(205)가 구비될 수 있다. An
본 실시예의 열교환기(104)는, 극저온용 열교환기(MCHE; Main Cryogenic Heat Exchanger)로서, 열전달 유용도(effectiveness)가 높아야하고, 고압, 저온 및 급속한 열교환에 의한 열충격(thermal shock)으로부터 보호될 수 있어야한다. The
일례로, 본 실시예의 열교환기(104)는 쉘 앤 플레이트(shell & plate) 타입의 열교환기, 또는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)일 수 있다. For example, the
본 실시예의 공기 발전부는, 액화공기 탱크(206)에 저장된 액화공기를 이용하여 전력을 생산한다. The air power generation unit of this embodiment generates power using liquefied air stored in the liquefied
공기 발전부는, 액화공기 탱크(206)로부터 배출된 액화공기(S208, S209)를 압축하는 액화공기 펌프(208)와, 액화공기 펌프(208)에 의해 압축된 액화공기(S210)를 기화시키는 공기 기화기(209)와, 공기 기화기(209)에 의해 기화된 재기화 공기(S211)를 가열하는 가열수단(210, 211, 212)과, 가열수단(210, 211, 212)에 의해 가열된 고온의 재기화 공기(S214)를 팽창시키는 공기 터빈(213)과, 공기 터빈(213)과 기계적으로 연결되어 작동유체인 고온의 재기화 공기의 팽창일을 전력으로 변환시키는 발전기(701)를 포함한다. The air generator includes a liquefied
액화공기 탱크(206)와 액화공기 펌프(208) 사이에는, 액화공기 탱크(206)로부터 액화공기 펌프(208)로 공급되는 액화공기의 유량을 제어하기 위한 공기 유량 제어밸브(207)가 구비될 수 있다. Between the liquefied
본 실시예의 공기 기화기(209)에서는, 액화공기 펌프(208)에 의해 압축된 액상의 압축공기(S210)와, 대기 중의 공기(S501)를 열교환시켜 액상의 압축공기를 기화시킬 수 있다. In the
즉, 액화공기는 공기 기화기(209)에서 대기 중의 공기와의 열교환에 의해 상온(약 288K)까지 가열될 수 있다. 즉, 액화공기는 공기 기화기(209)에 의해 기화되며, 기체 상태의 재기화 공기(S211)가 가열수단으로 공급될 수 있다. That is, the liquefied air can be heated to room temperature (about 288K) by heat exchange with air in the air in the
본 실시예에 따르면, 가열수단은, 적어도 1단계 이상으로 여러 단계에 걸쳐 공기 터빈(213)으로 공급할 재기화 공기를 가열한다. According to the present embodiment, the heating unit heats the regasified air to be supplied to the
공기 터빈(213)으로 공급되는 작동유체의 온도가 높을 수록, 공기 터빈(213)에 의해 얻어질 수 있는 에너지의 양은 많아진다. 즉, 더 많은 양의 전력을 얻을 수 있다. The higher the temperature of the working fluid supplied to the
본 실시예의 가열수단은, 공기 히터(210)와, 제1 열 저장설비(211)와, 제2 열 저장설비(212)를 포함하여, 3단계에 걸쳐 재기화 공기를 가열할 수 있다. The heating unit of this embodiment may heat the re-vaporized air in three steps, including the
공기 히터(210)는 재기화 공기를 제1 온도(중온)까지 가열하고, 제1 열 저장설비(211)는 공기 히터(210)에 의해 가열된 제1 온도의 재기화 공기를 제2 온도(중고온)까지 가열하며, 제2 열 저장설비(212)는 제1 열 저장설비(211)에 의해 가열된 제2 온도의 재기화 공기를 제3 온도(고온)까지 가열할 수 있다. The
본 실시예에서, 제1 온도는 상온보다 높고, 제2 온도는 제1 온도보다 높으며, 제3 온도는 제2 온도보다 높다. In this embodiment, the first temperature is higher than room temperature, the second temperature is higher than the first temperature, and the third temperature is higher than the second temperature.
또한, 제1 온도는 100 ℃(약 374 K) 이하일 수 있고, 제2 온도는 150 ℃(약 424 K) 이하일 수 있으며, 제3 온도는 약 180 내지 300 ℃(약 454 내지 574 K)일 수 있다. Also, the first temperature may be 100 °C (about 374 K) or less, the second temperature may be 150 °C (about 424 K) or less, and the third temperature may be about 180 to 300 °C (about 454 to 574 K). there is.
본 실시예의 공기 히터(210)는 신재생에너지를 이용하여 재기화 공기를 제1 온도까지 가열할 수 있다. The
본 실시예에서는, 태양의 열에너지를 이용한 발전방식으로 전기를 생산하는 태양열 패널(601)을 포함하고, 공기 히터(210)는 태양열 패널(601)로부터 얻은 전기 또는 열에너지를 이용하여 재기화 공기를 가열한다. In this embodiment, a
본 실시예의 제1 열 저장설비(TES; Thermal Energy Storage)(211)는 공기 액화부에서 공기가 압축되면서 발생하는 열을 이용하여 재기화 공기를 제2 온도 또는 제3 온도까지 가열할 수 있다. The first thermal energy storage (TES) 211 of the present embodiment may heat the re-vaporized air to a second temperature or a third temperature by using heat generated when the air is compressed in the air liquefaction unit.
또한, 본 실시예의 제2 열 저장설비(TES; Thermal Energy Storage)(212)는 수소 공급부에서 수소가 압축되면서 발생하는 열을 이용하여 재기화 공기를 제2 온도 또는 제3 온도까지 가열할 수 있다. In addition, the second thermal energy storage (TES) 212 of the present embodiment may heat the regasified air to a second temperature or a third temperature by using heat generated when hydrogen is compressed in the hydrogen supply unit. .
본 실시예에 따르면, 제1 열매체유를 제1 열 저장설비(211)와 공기 냉각기(204) 사이에서 순환시키는 제1 사이클과, 제2 열매체유를 제2 열 저장설비(232)와 수소 냉각기(108) 사이에서 순환시키는 제2 사이클을 포함한다. According to this embodiment, a first cycle in which the first thermal oil is circulated between the first
본 실시예에 따르면, 제1 사이클은, 공기 냉각기(204)에서 회수한 온열을 저장하고 저장된 온열을 공기 발전부에 제공하는 제1 열 저장설비(211)와, 제1 열 저장설비(211)에서 냉각된 제1 열매체유를 기액분리하는 제1 기액분리기(301)와, 제1 기액분리기(301)에 의해 분리된 액상을 가압하여 공기 냉각기(204)로 공급하는 제1 펌프(303)를 포함한다. According to the present embodiment, the first cycle includes a first
제1 열 저장설비(211)는 제1 열매체유를 열전달 매체로 하여, 공기 냉각기(204)에서 회수한 압축공기의 온열을 회수하여 저장한 후, 저장된 온열을 활용하여 재기화 공기를 가열시킨다. The first
제1 열 저장설비(211)에서 재기화 공기를 가열시키면서 얻은 냉열은 제1 열매체유를 열전달 매체로 하여 공기 냉각기(204)에서 압축공기를 냉각시키는 에너지원으로 활용된다. The cold heat obtained while heating the regasified air in the first
본 실시예의 제1 열 저장설비(211)는 물질의 온도차에 따른 비열에 의해 열을 저장하는 현열 축열(sensible heat storage)식일 수 있고, 이 경우 제1 열 저장설비(211)의 내부에는 자갈, 세라믹, 콘크리트, 벽돌 또는 메탈을 이용한 충전층(packed bed)이 구비될 수 있다. The first
제1 열 저장설비(211) 내부의 충전재로서, 자갈, 세라믹, 콘크리트, 벽돌 등 비금속류를 사용하는 경우, 저렴한 비용으로 축열 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있으나, 에너지 저장 밀도가 낮고, 낮은 열 전도도로 인해 열 저장 및 회수 속도가 느리다는 단점이 있다. As a filler inside the first
또한, 제1 열 저장설비(211) 내부의 충전재로서 금속류를 사용하는 경우, 에너지 저장 밀도와 열 전도도가 높다는 장점이 있으나, 가격이 비싸고 부식이 우려된다는 단점이 있다.In addition, in the case of using metal as a filler inside the first
한편, 본 실시예의 제1 열 저장설비(211)는 잠열 축열(latent heat storage)식일 수 있으며, 이 때 제1 열 저장설비(211)의 내부에는 상변화물질(phase change material)이 충전되어 있을 수 있다.Meanwhile, the first
제1 열 저장설비(211)가 잠열 축열식인 경우, 본 실시예의 제1 열 저장설비(211)는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 실린더 형태의 것일 수도 있고, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 3차원 형태의 것일 수도 있다. In the case where the first
도 2를 참조하면, 제1 열 저장설비(211)에서는, 제1 열매체유(F)와 상변화 물질(P)이, 고체 상태의 관 또는 튜브(S)를 매개로하여, 간접적으로 열교환할 수 있다. Referring to FIG. 2, in the first
본 실시예의 제1 열 저장설비(211)에서 재기화 공기가 유동하는 고체 상태의 관 또는 튜브(S)의 내부는 다공성 물질이 채워져있을 수 있다. In the first
또한, 고체 상태의 관 또는 튜브(S)의 소재는, 메탈이나 복합재일 수 있다. In addition, the material of the solid state pipe or tube S may be a metal or a composite material.
본 실시예에서 제1 열 저장설비(211) 내부에 채워지는 상변화물질(P)은, 그래핀 복합재(graphite compisite), 금속 염(metalic salt)와 같이 2종류 이상의 물질로 이루어진 복합재로 이루어진 것일 수 있으나, 1종류의 물질로 이루어질 것일 수도 있다. In this embodiment, the phase change material (P) filled in the first
또한, 본 실시예에 따르면, 열 에너지를 저장 및 방출하는데 있어서, 상변화물질(P)의 고체 및 액체 사이의 상변화를 이용할 수 있으나, 필요에 따라서는 액체 및 기체 사이의 상변화를 이용할 수도 있다. In addition, according to the present embodiment, in storing and releasing thermal energy, a phase change between a solid and a liquid of the phase change material P may be used, but a phase change between a liquid and a gas may be used if necessary. there is.
제1 열 저장설비(211)는 제1 열매체유가 공기 냉각기(204)에서 회수한 열을, 제1 열 저장설비(211)에 충전되어 있는 물질이 회수하여 저장한 후, 재기화 공기를 가열할 필요가 있을 때, 즉, 재기화 공기를 이용한 발전 수요가 발생할 때 재기화 공기가 제1 열 저장설비(211)로 공급되면, 제1 열 저장설비(211)에 충전되어 있는 물질이 저장하고 있던 열에너지를 재기화 공기가 회수하도록 구성된다. The first
또한, 재기화 공기가 열에너지를 얻어가면 제1 열 저장설비(211)에 충전되어 있는 물질은 반대로 냉열에너지를 보유하게 되고, 제1 열 저장설비(211)에 충전되어 있는 물질이 보유하고 있던 냉열에너지는 제1 열매체유가 회수하여 공기 냉각기(204)에서 압축공기에 전달해주게 된다. In addition, when the regasified air obtains heat energy, the material charged in the first
또한, 제1 열매체유는, 고온에서 액체 상태로 존재하여, 제1 사이클을 순환시키기 위한 에너지 소비량이 적고, 제1 열 저장설비(211)에 열에너지 전달 효율이 높은 물질일 수 있다. In addition, the first thermal medium oil may be a material that exists in a liquid state at a high temperature, has low energy consumption for circulating the first cycle, and has high thermal energy transfer efficiency to the first
본 실시예의 제1 열매체유는, 고온용 열매체유일 수 있다. The first thermal medium oil in this embodiment may be a high-temperature thermal oil.
예를 들어, 본 실시예의 제1 열매체유는, 인화점이 270℃ 이상인 것으로서, 합성 파라핀, 디아릴알칸(Diarly Alkane), 폴리페닐 유도체(Polyphenyl derivative), 아릴에테르(Arylether), 디메틸실록산 폴리머(Dimethyl Siloxane polymer) 등 합성유 계열의 것일 수 있다. For example, the first thermal medium oil of this embodiment has a flash point of 270 ° C. or higher, synthetic paraffin, diaryl alkane, polyphenyl derivative, arylether, dimethylsiloxane polymer (Dimethyl It may be a synthetic oil type such as Siloxane polymer).
한편, 본 실시예의 제1 열 저장설비(211)의 운전 온도 범위는 330℃이하일 수 있다. Meanwhile, the operating temperature range of the first
제1 사이클을 순환하는 제1 열매체유는, 공기 냉각기(204)에서 공기를 냉각시키면서 가열되고, 공기 냉각기(204)에서 제1 열매체유(S304)는 제1 열 저장설비(211)로 공급되며, 제1 열 저장설비(211)에 온열을 전달해주면서 냉각된 제1 열매체유(S305, S306)는 제1 기액분리기(301)에서 기체 상태의 제1 열매체유와 액체 상태의 제1 열매체유로 분리된다. 제1 기액분리기(301)에서 분리된 액체 상태의 제1 열매체유(S301, S302)는 제1 펌프(303)에 의해 가압되며, 제1 펌프(303)에 의해 가압된 제1 열매체유(S303)는 다시 공기 냉각기(204)로 공급된다. The first thermal oil circulating in the first cycle is heated while cooling the air in the
본 실시예에서, 제1 열 저장설비(211)와 제1 기액분리기(301) 사이에는, 제1 기액분리기(310)로부터 제1 열 저장설비(211)로 제2 열매체유가 역류하지 않도록 제1 체크밸브(304)가 구비될 수 있다. In this embodiment, between the first
또한, 제1 기액분리기(301)와 제1 펌프(303) 사이에는, 제1 기액분리기(301)로부터 제1 펌프(303)로 공급되는 액체 상태의 제1 열매체유의 유량을 조절하기 위한 제1 유량 조절밸브(302)가 구비될 수 있다. In addition, between the first gas-
본 실시예에 따르면, 제2 사이클은, 수소 냉각기(108)에서 회수한 온열을 저장하고 저장된 온열을 공기 발전부에 제공하는 제2 열 저장설비(212)와, 제2 열 저장설비(212)에서 냉각된 제2 열매체유를 기액분리하는 제2 기액분리기(401)와, 제2 기액분리기(401)에 의해 분리된 액상을 가압하여 수소 냉각기(108)로 공급하는 제2 펌프(403)를 포함한다. According to the present embodiment, the second cycle includes the second
제2 열 저장설비(212)는 제2 열매체유를 열전달 매체로 하여, 수소 냉각기(108)에서 초고압 수소의 온열을 회수하여 저장한 후, 저장된 온열을 활용하여 재기화 공기를 가열시킨다. 제2 열 저장설비(212)에서 재기화 공기를 가열시키면서 얻은 냉열은 제2 열매체유를 열전달 매체로 하여 수소 냉각기(108)에서 초고압 수소를 냉각시키는 에너지원으로 활용된다. The second
본 실시예의 제2 열 저장설비(212)는 물질의 온도차에 따른 비열에 의해 열을 저장하는 현열 축열(sensible heat storage)식일 수 있고, 이 경우 제1 열 저장설비(211)의 내부에는 자갈, 세라믹, 콘크리트, 벽돌 또는 메탈을 이용한 충전층(packed bed)이 구비될 수 있다. The second
제2 열 저장설비(212) 내부의 충전재로서, 자갈, 세라믹, 콘크리트, 벽돌 등 비금속류를 사용하는 경우, 저렴한 비용으로 축열 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있으나, 에너지 저장 밀도가 낮고, 낮은 열 전도도로 인해 열 저장 및 회수 속도가 느리다는 단점이 있다. As a filler inside the second
또한, 제2 열 저장설비(212) 내부의 충전재로서 금속류를 사용하는 경우, 에너지 저장 밀도와 열 전도도가 높다는 장점이 있으나, 가격이 비싸고 부식이 우려된다는 단점이 있다.In addition, when metals are used as fillers inside the second
한편, 본 실시예의 제2 열 저장설비(212)는 잠열 축열(latent heat storage)식일 수 있으며, 이 때 제2 열 저장설비(212)의 내부에는 상변화물질(phase change material)이 충전되어 있을 수 있다.Meanwhile, the second
제2 열 저장설비(212)가 잠열 축열식인 경우, 본 실시예의 제2 열 저장설비(212)는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 실린더 형태의 것일 수도 있고, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 3차원 형태의 것일 수도 있다. In the case where the second
제2 열 저장설비(212)는, 제2 열매체유가 수소 냉각기(108)에서 회수한 열을, 제2 열 저장설비(212)에 충전되어 있는 물질이 회수하여 저장한 후, 재기화 공기를 가열할 필요가 있을 때, 즉, 재기화 공기를 이용한 발전 수요가 발생할 때 재기화 공기가 제2 열 저장설비(212)로 공급되면, 제2 열 저장설비(212)에 충전되어 있는 물질이 저장하고 있던 열에너지를 재기화 공기가 회수하도록 구성된다. The second
또한, 재기화 공기가 열에너지를 얻어가면 제2 열 저장설비(212)에 충전되어 있는 물질은 반대로 냉열에너지를 보유하게 되고, 제2 열 저장설비(212)에 충전되어 있는 물질이 보유하고 있던 냉열에너지는 제2 열매체유가 회수하여 수소 냉각기(108)에서 초고압 수소 기체에 전달해주게 된다. In addition, when the regasified air obtains heat energy, the material charged in the second
또한, 제2 열매체유는, 고온에서 액체 상태로 존재하여, 제2 사이클을 순환시키기 위한 에너지 소비량이 적고, 제2 열 저장설비(212)에 열에너지 전달 효율이 높은 물질일 수 있다. In addition, the second thermal oil may be a material that exists in a liquid state at a high temperature, has low energy consumption for circulating the second cycle, and has high thermal energy transfer efficiency to the second
본 실시예의 제2 열매체유는, 고온용 열매체유일 수 있다.The second thermal oil in this embodiment may be a high-temperature thermal oil.
예를 들어, 본 실시예의 제2 열매체유는, 인화점이 270℃ 이상인 것으로서, 합성 파라핀, 디아릴알칸(Diarly Alkane), 폴리페닐 유도체(Polyphenyl derivative), 아릴에테르(Arylether), 디메틸실록산 폴리머(Dimethyl Siloxane polymer) 등 합성유 계열의 것일 수 있다.For example, the second thermal oil of this embodiment has a flash point of 270 ° C. or higher, synthetic paraffin, diaryl alkane, polyphenyl derivative, arylether, dimethylsiloxane polymer (Dimethyl It may be a synthetic oil type such as Siloxane polymer).
한편, 본 실시예의 제2 열 저장설비(212)의 운전 온도 범위는 330℃이하일 수 있다. Meanwhile, the operating temperature range of the second
제2 사이클을 순환하는 제2 열매체유는, 수소 냉각기(108)에서 수소를 냉각시키면서 가열되고, 수소 냉각기(108)에서 제2 열매체유(S404)는 제2 열 저장설비(212)로 공급되며, 제2 열 저장설비(212)에 온열을 전달해주면서 냉각된 제2 열매체유(S405, S406)는 제2 기액분리기(401)에서 기체 상태의 제2 열매체유와 액체 상태의 제2 열매체유로 분리된다. 제2 기액분리기(401)에서 분리된 액체 상태의 제2 열매체유(S401, S402)는 제2 펌프(403)에 의해 가압되며, 제2 펌프(403)에 의해 가압된 제2 열매체유(S403)는 다시 수소 냉각기(108)로 공급된다. The second thermal oil circulating in the second cycle is heated while cooling hydrogen in the
본 실시예에서, 제2 열 저장설비(212)와 제2 기액분리기(401) 사이에는, 제2 기액분리기(401)로부터 제2 열 저장설비(212)로 제2 열매체유가 역류하지 않도록 제2 체크밸브(404)가 구비될 수 있다. In this embodiment, between the second
또한, 제2 기액분리기(401)와 제2 펌프(403) 사이에는, 제2 기액분리기(401)로부터 제2 펌프(403)로 공급되는 액체 상태의 제2 열매체유의 유량을 조절하기 위한 제2 유량 조절밸브(402)가 구비될 수 있다. In addition, between the second gas-
상술한 바와 같이, 공기 기화기(209)에서 기화된 재기화 공기는, 공기 히터(510)에서 1차 가열되고, 제1 열 저장설비(211)에서 2차 가열되며, 제2 열 저장설비(212)에서 3차 가열된 후, 공기 터빈(213)으로 도입된다. As described above, the re-vaporized air vaporized in the
본 실시예에서는 재기화 공기를, 공기 냉각기(204)에서 회수한 온열을 이용하여 제1 열 저장설비(211)에서 2차 가열한 후, 수소 냉각기(108)에서 회수한 온열을 이용하여 제2 열 저장설비(212)에서 3차 가열하여 공기 터빈(213)으로 공급하는 것을 예로 들어 설명하였다. In this embodiment, the re-vaporized air is heated secondarily in the first
그러나, 제1 열 저장설비(211)와 제2 열 저장설비(212)를 활용하는 순서는, 공정 특성과 플랜트 운전 특성에 따라, 둘 중 더 온도가 높은 온열을 나중에 사용할 수 있다. However, the order of utilizing the first
즉, 공기 냉각기(204)에서 회수한 온열이 수소 냉각기(108)에서 회수한 온열보다 높으면, 공기 히터(210)에서 1차 가열된 재기화 공기를, 수소 냉각기(108)에서 회수한 온열을 이용하여 제2 열 저장설비(212)에서 2차 가열한 후, 공기 냉각기(204)에서 회수한 온열을 이용하여 제2 열 저장설비(211)에서 3차 가열하여 공기 터빈(213)으로 공급할 수도 있을 것이다. That is, when the heat recovered from the
이와 같이, 제1 열매체유를 이용하여 공기 압축기(230)에 의한 압축 공정에서의 온열을 회수하고, 제2 열매체유를 이용하여 수소 압축기(207)에 의한 압축 공정에서의 온열을 회수하는 열에너지 회수 기술과, 제1 열 저장설비(211) 및 제2 열 저장설비(212)를 이용하여, 공기 터빈(213)의 입구 온도를 높여줌으로써, 발전기(701)의 발전 효율을 높일 수 있다. In this way, heat energy recovery in which heat in the compression process by the air compressor 230 is recovered using the first thermal oil and heat in the compression process by the
발전기(701)에 의해 생성된 전력은, 전력 수요처로 직접 공급되거나, 배터리(703)에 저장된 후 필요에 따라 전력 수요처에서 사용될 수도 있다. The power generated by the
또한, 발전기(701)에 의해 생성된 전력은 주파수 조정기(702)를 통해 전력 수요처에서 요구하는 주파수로 조정된 후에 전력 수요처 또는 배터리(703)에 공급될 수도 있다. In addition, the power generated by the
본 실시예에서 전력 수요처는, 수소 충전소 또는 본 실시예에 따른 수소 공급 시스템이 구비된 인근 지역사회를 포함할 수 있다. In this embodiment, the power demander may include a hydrogen charging station or a nearby community equipped with a hydrogen supply system according to the present embodiment.
본 실시예에 따른 공기 터빈(213)을 이용한 생산 가능 전력량은, 이론적으로는 현재 수소 충전소에서 사용되는 전력을 30 내지 40% 수준이나, 공기 액화부와 공기 발전부의 설비 운영에도 일부 에너지가 필요하고, 단열이나 압력 손실 등 여러가지 요인들을 감안할 때, 실제 상용화 시 현재 수소 충전소에서 사용되는 전력량의 약 30% 수준이 될 것으로 예상된다. The amount of power that can be produced using the
한편, 공기 터빈(213)의 작동유체로 사용되면서 팽창된 공기는, 청정 공기로서, 지역 냉방이나 난방 및 환기와 같은 수소 공급 시스템 인근의 건물 또는 지역을 위한 친환경적인 공조에 활용될 수 있다. On the other hand, the air expanded while being used as the working fluid of the
즉, 공기 터빈(213)으로부터 배출된 공기는, 그 온도가 높을 경우에는 난방 수요처로 공급되어 난방용으로 사용되고, 그 온도가 낮을 경우에는 냉방 수요처로 공급되어 냉방용으로 사용될 수 있다. That is, the air discharged from the
또한, 공기 터빈(213)으로부터 배출된 공기는, 지하 공간이나 밀폐 공간의 환기용 공기로서 사용될 수도 있다. In addition, the air discharged from the
상술한 본 발명의 일 실시예들에 따른 시스템 효율 개선 효과는 다음과 같다. Effects of improving system efficiency according to the above-described embodiments of the present invention are as follows.
후술하는 시스템 효율 개선 효과는, 수소 충전소에서 하루 5 ton의 수소를 수소 연료 차량에 충전해주고, 수소를 수소 연료 차량으로 충전해주기 위해 수소 압축기(107)는 100 bar, 288 K(15 ℃)의 수소 기체를 700 bar로 압축하는 것을 기준으로 시뮬레이션 하였다. 이 때 액화수소의 재기화 공정에서 얻어지는 냉열로 생산할 수 있는 액화공기의 양은 50 ton이며, 공정 시뮬레이션은 상용 공정해석 코드인 Aspen HYSYS를 이용하여 실시하였다. The effect of improving system efficiency, which will be described later, is to charge hydrogen fuel vehicles with 5 tons of hydrogen per day at the hydrogen charging station, and to charge the hydrogen into hydrogen fuel vehicles, the
상기의 조건에서 시뮬레이션 한 공정 해석 결과를 표 1에 나타내었으며, 도 1에 기재되어 있는 스트림 번호를 참고한다. The process analysis results simulated under the above conditions are shown in Table 1, and refer to the stream numbers shown in FIG. 1.
(K)absolute temperature
(K)
즉, 표 1을 참조하면, 시뮬레이션 결과, 수소 압축기(107)로 공급되는 수소 스트림(S106)의 압력은 101.0 bar, 온도는 288.0 K이며, 수소 압축기(107)로부터 배출되는 수소 스트림(S107)의 압력은 701.0 bar, 온도는 578.9 k이다. That is, referring to Table 1, as a result of the simulation, the pressure of the hydrogen stream S106 supplied to the
또한, 열교환기(104)로부터 배출되어 액화공기 탱크(206)로 공급되는 액화공기 스트림(S207)의 압력은 1.2 bar, 온도는 78.0 K이다. In addition, the pressure of the liquefied air stream S207 discharged from the
수소 압축기(107), 공기 압축기(203), 액화공기 펌프(206), 공기 터빈(213) 등의 기자재의 단열 효율과, 등엔트로피 효율을 각각 75%라고 가정하고, 표 1에 근거하여 상용 공정해석 코드인 Aspen HYSYS를 이용하여 각 기자재별 요구 전력 또는 발전량의 계산값을 표 2에 나타내었다. Assuming that the adiabatic efficiency and isentropic efficiency of equipment such as the
(kW)duty
(kW)
(%)insulation efficiency
(%)
(%)Isentropic efficiency
(%)
표 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예들에서 요구하는 압력에너지는 총 317.8 kW(= 273.7 + 11.9 + 29.4 + 2.8)이고, 본 발명의 일 실시예들에서 출력에너지는 총 144.0 kW이며, 따라서 총 에너지 수지는 173.8 kW(=317.8 - 144.0)이다. Referring to Table 2, the pressure energy required in one embodiment of the present invention is a total of 317.8 kW (= 273.7 + 11.9 + 29.4 + 2.8), and the output energy in one embodiment of the present invention is a total of 144.0 kW, The total energy balance is thus 173.8 kW (=317.8 - 144.0).
이는, 기존에 공기 액화부 및 공기 발전부와 연계하지 않은 단독 수소 충전소에서 요구하는 압력에너지, 즉, 수소 압축기만 포함하였을 때의 압력에너지인 273.7 kW에 비해 99.9 kW(=173.8 - 273.7)가 감소한 것이다.This is a reduction of 99.9 kW (= 173.8 - 273.7) compared to 273.7 kW, which is the pressure energy required for a single hydrogen charging station that is not linked to the existing air liquefaction unit and air power generation unit, that is, the pressure energy when only the hydrogen compressor is included. will be.
따라서, 기존의 단독 수소 충전소에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 이론적으로 36.5 %(= (99.9 ÷ 273.7) × 100)의 효율이 개선됨을 확인할 수 있었다. 실제 적용 시, 부차적인 손실을 감안하더라도 약 30 %의 효율 개선을 기대할 수 있다. Therefore, it was confirmed that the hydrogen charging system according to an embodiment of the present invention theoretically improved the efficiency of 36.5% (= (99.9 ÷ 273.7) × 100) compared to the existing single hydrogen charging station. In actual application, an efficiency improvement of about 30% can be expected even considering secondary losses.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다. It is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified or modified without departing from the technical gist of the present invention. it did
101 : 액화수소 탱크 201 : 공기 흡입 팬
102 : 수소 유량 제어밸브 202 : 공기 필터
103 : 액화수소 펌프 203 : 공기 압축기
104 : 열교환기 204 : 공기 냉각기
105 : 고압수소 탱크 205 : 공기 체크밸브
106 : 제1 수소 체크밸브 206 : 액화공기 탱크
107 : 수소 압축기 207 : 공기 유량 제어밸브
108 : 수소 냉각기 208 : 액화공기 펌프
109 : 제2 수소 체크밸브 209 : 공기 기화기
110 : 초고압 수소 탱크 210 : 공기 히터
111 : 수소 압력 제어밸브 211 : 제1 열 저장설비
212 : 제2 열 저장설비
213 : 공기 터빈
301 : 제1 기액분리기 401 : 제2 기액분리기
302 : 제1 유량 제어밸브 402 : 제2 유량 제어밸브
303 : 제1 펌프 403 : 제2 펌프
304 : 제1 체크밸브 404 : 제2 체크밸브
601 : 태양열 패널
701 : 발전기
702 : 주파수 조정기
703 : 배터리101: liquefied hydrogen tank 201: air intake fan
102: hydrogen flow control valve 202: air filter
103: liquefied hydrogen pump 203: air compressor
104: heat exchanger 204: air cooler
105: high-pressure hydrogen tank 205: air check valve
106: first hydrogen check valve 206: liquefied air tank
107: hydrogen compressor 207: air flow control valve
108: hydrogen cooler 208: liquefied air pump
109: second hydrogen check valve 209: air vaporizer
110: ultra-high pressure hydrogen tank 210: air heater
111: hydrogen pressure control valve 211: first heat storage facility
212: second heat storage facility
213: air turbine
301: first gas-liquid separator 401: second gas-liquid separator
302: first flow control valve 402: second flow control valve
303: first pump 403: second pump
304: first check valve 404: second check valve
601: solar panel
701: generator
702: frequency regulator
703: battery
Claims (16)
상기 수소 공급부로부터 액화수소의 재기화 냉열을 회수하여 공기를 액화시키는 공기 액화부; 및
상기 수소 공급부의 압축열과 상기 공기 액화부의 압축열 중 어느 하나 이상을 회수하여 액화공기를 재기화시킨 후 전력을 생산하는 공기 발전부;를 포함하고,
상기 공기 발전부는,
액화공기를 기화시키는 공기 기화기; 및
상기 공기 기화기에 의해 기화된 재기화 공기를, 상기 수소 공급부의 압축열과 상기 공기 액화부의 압축열 중 어느 하나 이상을 이용하여 가열하는 열 저장설비;를 포함하고,
상기 수소 공급부는,
액화수소를 압축하는 액화수소 펌프;
상기 액화수소 펌프에 의해 압축된 액화수소를 공기 냉각기에서 예냉된 공기와 열교환시켜 공기를 액화시키고 액화수소는 기화시키는 열교환기;
상기 열교환기에 의해 기화된 수소를 더 압축하는 수소 압축기; 및
상기 수소 압축기에 의해 압축된 수소를 냉각시키는 수소 냉각기;를 포함하며,
상기 열 저장설비는,
상기 수소 냉각기에서 제2 열매체유가 회수한 압축열을 저장하여 공기 히터에 의해 가열된 재기화 공기를 가열하며, 상기 재기화 공기를 가열하면서 얻은 냉열을 저장하여 상기 제2 열매체유에 전달하는 제2 열 저장설비;를 포함하는, 수소 공급 시스템. A hydrogen supply unit for vaporizing, compressing and storing liquefied hydrogen and then supplying it to a hydrogen demand place;
an air liquefaction unit that liquefies air by recovering the cold heat of regasification of liquefied hydrogen from the hydrogen supply unit; and
An air power generation unit that recovers at least one of the compression heat of the hydrogen supply unit and the compression heat of the air liquefaction unit to regasify the liquefied air and then generates electricity;
The air generator,
an air vaporizer for vaporizing liquefied air; and
A heat storage facility for heating the re-vaporized air vaporized by the air vaporizer by using at least one of the compression heat of the hydrogen supply unit and the compression heat of the air liquefaction unit;
The hydrogen supply unit,
A liquefied hydrogen pump that compresses liquefied hydrogen;
a heat exchanger that liquefies the air and vaporizes the liquefied hydrogen by exchanging heat with the air pre-cooled in the air cooler to liquefy the hydrogen compressed by the liquefied hydrogen pump;
a hydrogen compressor for further compressing the hydrogen vaporized by the heat exchanger; and
A hydrogen cooler for cooling the hydrogen compressed by the hydrogen compressor;
The heat storage facility,
Second heat that stores the compression heat recovered from the second thermal oil in the hydrogen cooler to heat the regasified air heated by the air heater, stores the cold heat obtained while heating the regasified air, and transfers it to the second thermal oil. A storage facility; containing a hydrogen supply system.
상기 공기 발전부는,
상기 열 저장설비에 의해 가열된 재기화 공기를 작동유체로 사용하는 공기 터빈; 및
상기 공기 터빈의 팽창일을 이용하여 전력을 생산하는 발전기;를 포함하는, 수소 공급 시스템. The method of claim 1,
The air generator,
an air turbine using the regasified air heated by the heat storage facility as a working fluid; and
A hydrogen supply system comprising a; generator for generating electric power using the expansion work of the air turbine.
상기 공기 발전부는,
상기 공기 기화기에 의해 기화된 재기화 공기를 신재생에너지를 이용하여 1차 가열하는 공기 히터;를 포함하는, 수소 공급 시스템. The method of claim 2,
The air generator,
and an air heater for primarily heating the re-vaporized air vaporized by the air vaporizer using renewable energy.
상기 공기 액화부는,
공기를 압축하는 공기 압축기; 및
상기 공기 압축기에 의해 압축된 압축공기를 예냉하는 공기 냉각기;를 포함하고,
상기 열 저장설비는,
상기 공기 냉각기에서 제1 열매체유가 회수한 압축열을 저장하여 공기 히터에 의해 가열된 재기화 공기를 가열하며, 상기 재기화 공기를 가열하면서 얻은 냉열을 저장하여 상기 제1 열매체유에 전달하는 제1 열 저장설비;를 포함하는, 수소 공급 시스템.The method of claim 1,
The air liquefaction unit,
an air compressor that compresses air; and
An air cooler for pre-cooling the compressed air compressed by the air compressor;
The heat storage facility,
First heat that stores compression heat recovered from the first thermal oil in the air cooler to heat regasified air heated by the air heater, stores cold heat obtained while heating the regasified air, and transfers it to the first thermal oil. A storage facility; containing a hydrogen supply system.
상기 열교환기는, 쉘 앤 플레이트 타입 또는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)인, 수소 공급 시스템.The method of claim 1,
The heat exchanger is a shell-and-plate type or printed board type heat exchanger (PCHE), hydrogen supply system.
상기 열 저장설비의 내부에는, 자갈, 세라믹, 콘크리트, 벽돌 및 메탈 중 어느 하나 이상을 포함하는 충전층이 구비되는, 수소 공급 시스템.The method of claim 1,
Inside the heat storage facility, a filling layer containing at least one of gravel, ceramic, concrete, brick and metal is provided, the hydrogen supply system.
상기 열 저장설비의 내부는,
고체-액체 또는 액체-기체 사이의 상변화에 동반되는 잠열을 활용할 수 있도록 충전되는 상변화물질; 및
내부에 다공성 물질이 충전되어 있으며 재기화 공기가 유동하는 관 또는 튜브;가 구비되어 있고,
상기 관 또는 튜브를 매개로 하여, 상기 상변화물질과 열매체유가 간접 열교환하는, 수소 공급 시스템.The method of claim 1,
Inside the heat storage facility,
a phase change material charged to utilize latent heat accompanying phase change between solid-liquid or liquid-gas; and
A pipe or tube filled with a porous material and through which re-vaporized air flows;
A hydrogen supply system in which the phase change material and the heat transfer oil perform indirect heat exchange through the pipe or tube.
상기 공기 발전부에서 생산된 전력은 전력 수요처로 공급되고,
상기 전력 수요처는,
수소 충전소, 지역사회, 및 배터리를 포함하는, 수소 공급 시스템.The method of claim 1,
The power generated by the air power generation unit is supplied to a power consumer,
The power demander,
A hydrogen supply system, including a hydrogen filling station, a community, and a battery.
상기 공기 터빈으로부터 배출되는 팽창 공기는 청정공기 수요처로 공급되고,
상기 청정공기 수요처는,
난방 수요처, 냉방 수요처 및 환기용 공기 수요처를 포함하는, 수소 공급 시스템.The method of claim 2,
The expansion air discharged from the air turbine is supplied to a clean air demand place,
The clean air demand place,
A hydrogen supply system including a heating demand source, a cooling demand source, and an air demand source for ventilation.
상기 액화공기를 기화시키는 단계;
상기 기화된 재기화 공기를 상기 수소의 압축열과 상기 공기의 압축열을 이용하여 적어도 1단계 이상으로 단계적으로 가열하는 단계; 및
상기 가열된 재기화 공기를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키고, 터빈의 팽창일을 이용하여 전력을 생산하는 단계;를 포함하는, 수소 공급 방법. Using the hydrogen supply system according to any one of claims 1 to 3, 5 and 8 to 12, liquefied hydrogen is vaporized, compressed, stored, supplied to a hydrogen demand place, and the re-vaporized cold heat of the liquefied hydrogen is recovered to air In the hydrogen supply method for liquefying,
vaporizing the liquefied air;
stepwise heating the vaporized regasified air in at least one step or more using the compression heat of the hydrogen and the compression heat of the air; and
and driving a turbine using the heated regasified air as a working fluid and generating electric power using an expansion work of the turbine.
상기 단계적으로 가열하는 단계는,
상기 재기화 공기를 신재생에너지를 이용하여 1차 가열하는 1차 가열 단계;
상기 압축공기의 열에너지를 회수하면서 가열된 제1 열매체유의 온도와, 상기 압축수소의 열에너지를 회수하면서 가열된 제2 열매체유의 온도를 비교하는 단계;
상기 가열된 제1 열매체유 및 제2 열매체유 중에서 더 낮은 온도의 열매체유와 1차 가열된 재기화 공기를 열교환시켜 1차 가열된 재기화 공기를 2차 가열하는 2차 가열 단계; 및
상기 가열된 제1 열매체유 및 제2 열매체유 중에서 더 높은 온도의 열매체유와 상기 2차 가열된 재기화 공기를 열교환시켜 2차 가열된 재기화 공기를 3차 가열하는 3차 가열 단계;를 포함하는, 수소 공급 방법. The method of claim 13,
The step-by-step heating step,
a first heating step of firstly heating the regasified air using renewable energy;
Comparing the temperature of the first thermal oil heated while recovering the thermal energy of the compressed air with the temperature of the second thermal oil heated while recovering the thermal energy of the compressed hydrogen;
a second heating step of secondarily heating the firstly heated regasified air by exchanging heat between the first and second heated regasified air and the lower temperature thermal medium oil among the heated first and second heat transfer oils; and
A tertiary heating step of tertiarily heating the secondarily heated regasified air by exchanging heat between the heated regasified air and the thermal medium oil having a higher temperature among the heated first and second heat transfer oils; How to supply hydrogen.
상기 2차 가열 단계에서 재기화 공기를 가열하면서 냉각된 열매체유와 상기 압축공기를 열교환시켜 압축공기를 예냉하는 단계; 및
상기 예냉된 압축공기와 상기 액화수소를 열교환시켜 상기 압축공기는 액화시키고 상기 액화수소는 기화시키는 단계;를 포함하는, 수소 공급 방법. The method of claim 14,
pre-cooling the compressed air by exchanging heat between the cooled thermal medium oil and the compressed air while heating the regasified air in the second heating step; and
, Hydrogen supply method comprising: heat-exchanging the pre-cooled compressed air and the liquefied hydrogen to liquefy the compressed air and vaporize the liquefied hydrogen.
상기 액화수소를 기화시키는 단계;
상기 기화된 수소를 압축하는 단계; 및
상기 압축된 수소를 냉각시키는 단계;를 더 포함하고,
상기 압축된 수소를 냉각시키는 단계는, 상기 3차 가열 단계에서 재기화 공기를 가열하면서 냉각된 열매체유와 상기 압축수소를 열교환시키는, 수소 공급 방법.
The method of claim 14,
vaporizing the liquefied hydrogen;
compressing the vaporized hydrogen; and
Cooling the compressed hydrogen; further comprising,
The step of cooling the compressed hydrogen heat-exchanges the compressed hydrogen with the cooled thermal oil while heating the regasified air in the third heating step.
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