KR102582693B1 - 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템 및 방법 - Google Patents
연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템은 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 이용하여 전기, 온수 및 스팀을 생성하는 연료전지 발전시설; 연료전지 발전시설의 SPC(Special Purpose Company) 지분을 투자금액에 따라 획득하는 SPC 참여자 단말; 및 연료전지 시스템에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 판매하여 창출된 전체수익을 지분에 따라 SPC 참여자에게 분배하는 수익분배 서버; 를 포함한다.
Description
본 개시는 연료전지 열병합 발전을 통한 수익창출 시스템 및 방법에 관한 것으로 구체적으로, 연료전지 발전시설에서 전기 및 온수를 공급하여 에너지 판매 수익 및 임대수익을 창출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
열병합발전(CHP, Combined Heat and Power)은 에너지 자원 환경 분야에 속하는 기술로, 산업 공정 또는 주거 난방에서 발생하는 열을 난방, 온수, 산업 공정 등에 이용하거나 전기를 생산하는 기술이다. 열과 전기를 생산하는 기존 방식은 45%의 종합 효율(combined efficiency)을 가지지만, 열병합발전 시스템은 최대 80%의 높은 수준의 종합 효율을 나타낸다. 열병합발전은 가스 터빈, 증기 터빈, 왕복 기관, 연료전지, 마이크로 터빈 등 다양한 원동력으로 열병합발전 시스템 구현이 가능하지만, 이중 연료전지를 이용한 열병합 발전은 탄소중립 시대의 주에너지원으로 주목받고 있다.
도 1은 연료전지를 나타낸 도면으로, 연료전지는 수소가 공급되는 연료극(양극, Anode), 산소가 공급되는 공기극(음극, Cathode) 및 전해질부로 나뉘어 전기분해의 역반응(발열반응)을 통해 전기와 열, 부산물로 물을 발생한다. 연료전지는 폭발의 위험성이 없으며, 부산물로 물을 배출하는 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 또한 연료전지는 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화 된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉬운 장점을 제공한다. 연료전지는 기존의 화력 발전을 대체할 수 있으며, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 더 나아가서는 무공해 자동차의 전원 등에 적용될 수 있다.
실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템 및 방법은 연료전지에 직접 수소를 공급하고, 연료전지에서 발생하는 폐열을 수집하여 전기와 열, 스팀 생산 및 공급한다. 실시예에서는 발전과정에서 발생되는 폐열을 활용하여, 전기와 함께 열, 스팀, 온수를 공급한다.
실시예서는 연료전지 발전사업 SPC(Special Purpose Company)를 통해 SPC 참여자에게 발전수익과 임대수익 제공한다. 실시예에서는 발전시설의 토지 임대료를 SPC 지분에 반영하여 발전수익만을 제공하거나, 매전사업 및 온수사업을 통한 수익을 참여자에게 제공한다.
또한, 실시예에서는 고객이 원하는 등급의 스팀과 에너지를 합리적으로 제공하고, 고객에게 제공하는 스팀 및 에너지를 커스터마이징 할 수 있다.
실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템은 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 이용하여 전기, 온수 및 스팀을 생성하는 연료전지 발전시설; 연료전지 발전시설의 SPC(Special Purpose Company) 지분을 투자금액에 따라 획득하는 SPC 참여자 단말; 및 연료전지 시스템에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 판매하여 창출된 전체수익을 지분에 따라 SPC 참여자에게 분배하는 수익분배 서버; 를 포함한다.
이상에서와 같은 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템 및 방법은 고효율의 발전 기술로 고객에게 전기와 함께 열, 스팀, 온수를 합리적인 가격으로 공급한다.
또한, 실시예서는 연료전지 발전사업 SPC(Special Purpose Company) 참여자에게 발전수익과 임대수익을 창출할 수 있도록 한다.
또한, 실시예에서는 고객에게 판매하는 전력량 및 스팀 등급을 커스터마이징하여 합리적인 가격으로 제공함으로써, 발전시스템의 안정적인 운용을 가능하게 한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 연료전지를 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템 구성을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 수익분배 서버(200)의 데이터 처리 구성을 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 연료전지 발전시설을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 개질기의 구성을 나타낸 도면
도 6은 실시예에 따른 개질기의 전환부 구성을 나타낸 도면
도 7은 실시예에 따른 열교환기의 구성을 나타낸 도면
도 8및 도 9는 실시예에 따른 연료전지 발전설비를 통해, 열과 스팀을 공급하는 시스템 예를 나타낸 도면
도 10은 실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템의 신호 흐름도
도 11은 실시예에 따른 수익분배 서버의 데이터 처리 과정을 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템 구성을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 수익분배 서버(200)의 데이터 처리 구성을 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 연료전지 발전시설을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 개질기의 구성을 나타낸 도면
도 6은 실시예에 따른 개질기의 전환부 구성을 나타낸 도면
도 7은 실시예에 따른 열교환기의 구성을 나타낸 도면
도 8및 도 9는 실시예에 따른 연료전지 발전설비를 통해, 열과 스팀을 공급하는 시스템 예를 나타낸 도면
도 10은 실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템의 신호 흐름도
도 11은 실시예에 따른 수익분배 서버의 데이터 처리 과정을 나타낸 도면
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템 구성을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전 시스템은 연료전지 발전시설(100), 수익분배서버(200), SPC 참여자 단말(300), 고객 단말(410, 430) 및 수소 공급자 단말(500)을 포함하여 구성될 수 있다.
연료전지 발전시설(100)은 연료전지 시스템을 통해 전기, 온수 및 스팀을 생성한다. 실시예에서 연료전지 발전시설(100)는 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 이용하여 전기, 온수 및 스팀을 생성한다.
SPC 참여자 단말(300)은 연료전지 발전시설의 특수 목적 법인인 SPC(Special Purpose Company) 지분을 투자 금액에 따라 획득한다. 실시예에서 SPC 참여자 단말(300)은 임대 수익 창출 참여자 단말 및 에너지 판매 수익 창출 참여자를 포함할 수 있다. 임대 수익 창출 참여자 단말은 연료전지 발전시설이 설치된 토지를 임대하여 임대수익을 제공받는다. 에너지 판매 수익 창출 참여자 단말은 전기, 온수, 스팀을 포함하는 에너지 판매 수익을 제공받는다. 실시예에서 에너지 판매 수익 창출 참여자 단말은 연료전지 발전시설의 토지 임대료를 SPC 지분에 반영하여 발전수익만을 제공받거나 매전 및 온수판매를 통한 수익을 제공받을 수 있다. 실시예에서 임대 수익 창출 참여자 단말은 SPC 지분 참여 없이, 일정기간동안 토지사용을 승낙하여 임대수익을 제공받을 수 있다.
수익분배 서버(200)는 연료전지 시스템에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 고객 단말(410,430)에게 판매하여 창출된 전체수익을 산출하고, 산출된 전체 수익을 지분에 따라 SPC 참여자 단말에게 분배한다. 실시예에서 고객 단말은 전기를 구매하는 고객 단말(410) 및 온수 또는 스팀 중 적어도 하나를 구매하는 고객 단말(430)을 포함할 수 있다.
수소 공급자 단말(500)은 연료전지 시스템으로 공급되는 수소를 제조하여 연료전지 발전시설(100)로 공급한다.
도 3은 실시예에 따른 수익분배 서버(200)의 데이터 처리 구성을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면 실시예에 따른 수익분배 서버(200)는 데이터 수집부(210), 참여자 정보 수집부(220), 고객정보 수집부(230), 산출부(240), 수익분배부(250) 및 시설 관리부(260)를 포함하여 구성될 수 있다.
데이터 수집부(210)는 연료전지 발전시설에 포함된 장치 및 시스템으로부터 발전시설 모니터링 데이터를 수집한다. 실시예에서 발전시설 모니터링 데이터는 연료전지 발전시설에 포함된 개질기, 열교환기, PSA 및 연료전지 등 발전시설에 포함된 각 장치와 시스템의 상세 구동정보이다. 실시예에서 발전시설 모니터링 데이터는 연료전지 발전시설에 포함된 장치, 시스템의 입력데이터, 출력데이터, 가동시간, 가동률 및 발전시설의 종류, 용량정보, 효율 등을 포함할 수 있다.
참여자 정보 수집부(220)는 SPC 참여자 단말로부터 SPC 참여자 정보를 수집한다. 실시예에서 SPC 참여자 정보는 연료전지 발전시설 SPC에 참여하는 참여자의 상세 정보이다. 실시예에서 SPC 참여자 정보는 참여자 각각의 투자 금액, 기간별 수익률 및 개인정보를 포함할 수 있다.
고객정보 수집부(230)는 고객 단말로부터 고객정보를 수집한다. 실시예에서 고객정보는 연료전지 발전시설에서 생산되는 전기, 열, 스팀 중 적어도 하나를 구매하는 구매자의 상세 정보이다. 실시예에서 고객정보는 연료전지 발전시설에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 구매하려는 고객의 위치, 구매량, 구매금액을 포함할 수 있다.
산출부(240)는 발전시설 모니터링 데이터를 기반으로 연료전지 발전시설에서 생성 가능한 에너지량을 산출한다. 실시예에서 에너지량은 연료전지 발전시설에서 생성가능한 기간별 전기, 온수, 스팀량을 포함할 수 있다. 실시예에서 산출부(240)는 연료전지 발전시설의 종류, 효율, 용량을 통해, 생성가능한 생성 가능한 기간별 전기, 온수, 스팀량을 포함하는 에너지량을 1차 산출한다. 이후, 산출부(240)는 1차 에너지 산출량에서 에너지 생산을 위하여 소비된 에너지량을 차감하여 2차 에너지 산출량을 계산한다. 실시예에서 산출부(240)는 생산 및 소비되는 에너지원에 따라 미리 설정된 환산계수를 1차 에너지 산출량에 곱하여 2차 에너지 산출량을 계산할 수 있다. 실시예에서 2차 에너지 산출량은 아래 수학식 1에 따라 산출될 수 있다.
수학식 1
2차 에너지 산출량 =
연료전지 발전시설 설치규모×단위 에너지생산량×원별 보정계수
수학식 1에서 연료전지 발전시설 설치규모는 연료전지 발전시설의 규모이고, 단위 에너지생산량은 발전시설의 단위 설치규모에서 연간 생산되는 에너지의 양이다. 원별 보정계수는 발전시설의 연간 에너지생산량을 보정하기 위한 계수로, 발전 시설의 종류에 따라 미리 설정된 값이다. 실시예에서 단위 에너지생산량 또한 에너지 발전시설 종류에 따라 미리 설정된 값이다.
또한, 실시예에서 산출부(240)는 연료전지 발전설비에서 생성되는 스팀의 등급에 따라 스팀의 판매 가격을 산출한다. 실시예에서 산출부(240)는 스팀에 포함된 불순물 농도, 온도에 따라 스팀 등급을 결정하고, 스팀 등급 별 기준량의 가격을 산출할 수 있다.
수익 분배부(250)는 고객에게 판매된 전기, 온수, 스팀량을 파악하여 전체 수익을 산출하고, 지분에 따라 전체 수익을 SPC 참여자 단말에게 분배한다.
실시예에서 수익분배부(250)는 연료전지 발전시설의 토지 임대료를 SPC 지분에 반영하여 SPC 참여자 단말로 발전수익만을 제공하거나 매전 및 온수판매를 통한 수익을 SPC 참여자 단말로 제공할 수 있다.
시설관리부(260)는 딥러닝 뉴럴 네트워크를 발전시설 모니터링 데이터를 포함하는 트레이닝 데이터 셋으로 학습시켜 건전성 예지 모델을 구현한다. 실시예에서 딥러닝 뉴럴 네트워크는 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network) RNN(Recurrent Neural Network) 및 BRDNN(Bidirectional Recurrent Deep Neural Network) 중 적어도 하나를 포함하고, 이에 한정되지 않는다.
시설관리부(260)는 연료전지 모니터링 데이터를 건전성 예지 모델에 입력하여 연료전지 발전시설의 건전성을 예측한다. 건전성 예측은 운용 중인구조물 또는 구성품(structure or component)의 구조적 상태(structural status, health)와 성능을 연속적으로 감시하기 위해, 위해 구조물 내에서 손상(damage)을 감지(detection)하는 것이다. 이때, 건전성(health)이란 구조물이나 설비의 전수명기간을 통해 구조물의 원래상태, 기능, 성능을 유지하는 것이라 정의할 수 있다. 실시예에서 시설 관리부(260)는 발전 설비에 포함된 각 구성의 건전성을 진단(diagnosis) 및 예측(prognosis)하고 재료 내지 구조의 파손(failure) 또는 기능적 고장(functional failure)을 포함하는 손상(damage) 여부를 파악한다.
또한, 시설관리부(260)는 연료전지 발전시설에 포함된 시스템 또는 장치의 고장률 및 고장 시기를 예측한다. 실시예에서 시설 관리부(260)는 연료전지 발전시설에 포함된 개질기, 연료전지, 열교환기 및 PSA를 모니터링하여 고장 예측 진단을 수행할 수 있다. 시설 관리부(260)는 고장 예측 진단을 위해 머신 러닝(Machine Learning), 딥 러닝(Deep Learning)으로 데이터를 분석하고 기기 상태나 고장을 진단하는 인공신경망 모델을 통해 고장률을 추정하여 고장의 시기를 예측한다. 인공신경망 모델에는 지도 학습인 SVM(Support Vector Machine) 기반 진단 모델과 자율 학습인 원 클래스 SVM(One class Support Vector Machine) 기반 진단 모델을 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않는다.
실시예에서 시설 관리부(260)는 연료전지 발전시설의 건전성 예측을 수행한다. 시설 관리부(260)는 건전성 예지 모델을 이용하여 연료전지 발전 시설의 건전성 예측을 수행할 수 있다. 건전성 예지 모델은 TTE(Time To Event), 데이터를 비모수적 방법으로 분석하는 MCMC(Markov Chain Monte Carlo) 기반 예지 모델과 모수적 방법으로 데이터를 분석하는 LSTM(Long Short-Term Memory)을 포함하고, 이에 한정되지 않는다. 실시예에서 시설 관리부(260)는 건전성 예지 모델을 통해, 연료 발전 시설에 포함된 각 장치 및 시스템 구성의 고장률을 추정하고 고장이 발생하기 전의 유효 시간(RUL, Remaining Useful Life)을 측정하여 고장의 시기를 예측할 수 있다. 또한, 실시예에서 시설 관리부(260)는 모니터링 데이터에 따라 진단 모델과 건전성 예지 모델 중 하나를 선택하여 적용할 수 있도록 한다. 또한, 진단 모델과 건전성 예지 모델은 기기 및 시스템의 상태를 진단하거나 고장률을 추정하여 예측 정비의 시기를 결정할 수 있다. 또한, 실시예에서는 딥러닝 뉴럴 네트워크를 고장 진단을 위한 트레이닝 데이터 셋으로 학습시켜 고장 예측 모델을 구현한다. 딥러닝 뉴럴 네트워크는 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network) RNN(Recurrent Neural Network) 및 BRDNN(Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), 베이시안네트워크(Bayesian network) 중 적어도 하나를 포함하고, 이에 한정되지 않는다.
또한, 시설 관리부(260)는 연료전지 발전시설(100)의 개질기, 연료전지, PSA 및 열교환기의 모니터링 데이터를 분석하여 이상 상태를 감지한다. 실시예에서 시설 관리부(260)는 센서 기반의 기법을 이용하여 조기에 이상 징후를 감지하기 위해, 연료전지 발전시설에 포함된 센서의 측정값이 경계치보다 크거나, 변화 패턴이 정상과 다를 때 이상 상태로 판단한다.
또한, 실시예에서 시설 관리부(260)는 정상적인 상태의 데이터로 계산한 파라미터와 실제 데이터로 계산한 파라미터가 차이가 크면 공정 이상으로 판단하는 파라미터 분석(Parameter Analysis) 방법을 통해, 이상 징후를 파악할 수 있다. 또한, 정상적인 상태의 데이터로 만든 패턴 인식 모델로 예측한 값과 실제 센서로 측정한 값의 차이가 크면 공정이상 판단하는 잔차 분석(Residual Analysis)방법을 통해 이상징후를 파악할 수 있다. 실시예에서 시설 관리부(260)는 이상징후를 감지해야 하는 기기의 종류와 분석해야 하는 데이터 종류에 따라 이상 징후 판단을 위한 방법을 선택할 수 있다. 또한 시설 관리부(260)는 DCS(Distributed Control System)에서 운전 변수가 제1임계치(high value) 및 제2임계치(low value) 경계를 벗어날 때 경보를 발행하는 패턴 인식 기법을 통해 이상 징후를 파악할 수 있다.
실시예에서 시설 관리부(260)는 이상징후가 파악된 경우, 이를 관리자 단말로 전송하여 이상징후에 신속하게 대응할 수 있도록 한다. 또한, 시설 관리부(260)는 건전성 예지 모델을 통해 추정된 연료 발전 시스템 각 구성의 고장률과 고장이 발생하기 전의 유효 시간(RUL, Remaining Useful Life) 정보를 관리자 단말로 전송한다. 여기서, 적어도 하나의 관리자 단말은, 네트워크를 통하여 원격지의 서버나 단말에 접속할 수 있는 컴퓨터로 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 예를 들어, 네비게이션, 웹 브라우저(WEB Browser)가 탑재된 노트북, 데스크톱(Desktop), 랩톱(Laptop) 등을 포함할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 관리자 단말은, 네트워크를 통해 원격지의 서버나 단말에 접속할 수 있는 단말로 구현될 수 있다. 적어도 하나의 관리자 단말은, 예를 들어, 휴대성과 이동성이 보장되는 무선 통신 장치로서, 네비게이션, PCS(Personal Communication System), GSM(Global System for Mobile communications), PDC(Personal Digital Cellular), PHS(Personal Handyphone System), PDA(Personal Digital Assistant), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) 단말, 스마트폰(smartphone), 스마트 패드(smartpad), 태블릿 PC(Tablet PC) 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치를 포함할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 연료전지 발전시설을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 연료전지 발전시설은 열병합 발전 시스템은 개질기(100), 열교환기(200), PSA(300), 연료전지(400)를 포함하여 구성될 수 있고, 개질기(100)는 연소실(150)을 포함하여 구성될 수 있다. 연료전지의 연료는 크게 천연가스, 메탄올, 휘발유, 경유 등 석유류뿐만 아니라 석탄, 바이오 에탄올 등 모든 탄화수소를 사용할 수 있고, 일반적으로 천연가스를 연료로 하여 수소를 제조한다. 천연가스로부터 수소연료를 얻기 위해서는 천연가스를 분해(개질, Reforming)하는 공정이 필요하다. 실시예에서 개질기(100)는 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 발생시킨다.
또한, 개질기(100)는 제1흡열반응, 제1발열반응 및 제2발열반응을 통해 수소를 생성한다. 제1흡열반응은 메탄을 물과 반응시켜 수소를 생성하는 반응이고, 제1 발열반응은 메탄을 산소와 반응시켜 수소를 생성하는 반응이다. 제2발열반응은 메탄을 물, 산소와 반응시켜 수소를 생성하는 반응이다.
PSA(Pressure Swing Adsorption)(300)는 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제한다. PSA(300)는 압력 스윙 흡착 방식으로 분자 특성 및 흡착제 물질에 대한 친화성에 따라 압력 하에서 가스 혼합물로부터 일부 가스를 분리한다.
연료전지(400)는 PSA(300)으로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성한다.
열교환기(200)는 개질기(100)와 연료전지(400)에서 발생하는 화학 반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 열로 공급하여 스팀을 생성한다.
도 5는 실시예에 따른 개질기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 개질기(110)는 탈황기(10), 생성부(30) 및 전환부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
탈황기(10)는 천연가스의 황 성분을 제거한다. 탈황기에서 제거되는 황성분은 THT(테트라하이드로티오펜, tetrahydrothiophene)와 TBM(t-메틸메르캅탄, t-Methylmercaptan)을 포함할 수 있다. 탈황기(10)는 섭씨 290내지370도에서 도에서 Co-Mo 촉매를 사용하여 타이올(thiol)을 황화수소(H2S)로 변환시킨 후 섭씨 340도 내지 390도에서 산화 아연(ZnO)흡착제를 사용하여 황화수소(H2S)를 제거한다. 생성부(30)는 제1 수소획득 반응 및 제 2수소획득 반응을 통해 수소를 생성한다. 제1 수소 획득반응은 황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 생성하는 반응이고, 제2수소 획득반응은 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 생성하는 반응이다. 전환부(50)는 생성된 수소를 정제하고 물을 생성한다.
실시예에서 탈황기(10)는 유입구와 유출구 측 각각에 적어도 하나의 유황감지센서를 구비하여, 두 센서 간 신호의 차이로 유황 포화상태 여부를 판독한다. 실시예에서는 종래 단일 센서로 유황 포화상태 여부를 판독하는 것과 달리, 유입구와 유출구 측의 유황감지 결과를 비교하여 유황 포화상태 여부를 판독함으로써, 유황 포화상태 판독의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 복수개의 감지센서로부터 측정된 유황 감지결과를 통해, 단일 센서로 측정하는 경우보다 유황 포화 상태 측정 에러 발생 확률을 낮추어 안정적이고 원활하게 연료 개질 작업을 보장할 수 있도록 한다.
도 6은 실시예에 따른 개질기의 전환부 구성을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 전환부(50)는 수소 반응 컨버터(51) 및 일산화탄소 컨버터(53)를 포함하여 구성될 수 있다. 수소 반응 컨버터(51)는 수소를 흡인 승압하여 방출하고 배열회수를 강화하여 수소 순도를 향상시킨다. 배열회수는 연소한 열에너지를 배기할때, 외기를 바꿔 넣는 시점에서 배기하는 열에너지를 일정 수준 이상의 열교환율로 그대로 전달하여 재이용하는 것이다. 실시예에서 수소 반응 컨버터(51)는 연소기에서 가열된 고온, 고압의 가스를 팽창시켜서 회 전 기계 에너지를 추출하고 추출된 에너지로 배열회수를 강화하여 수소 순도를 향상시킬 수 있도록 한다.
또한, 실시예에서 수소 반응 컨버터(51)는 수소의 흡인 승압을 축적압력(accumulated pressure) 수치까지 조절한다. 축적압력(accumulated pressure)은 내부유체가 배출될 때 안전밸브에 의해 축적되는 압력으로서 설비 안에서 허용될 수 있는 최대압력이다. 실시예에서는 또한, 실시예에서는 설정압력이 기준범위를 초과하는 수준으로 수소의 흡인 승압을 조절하여 수소 순도를 향상시킬 수 있다. 설정압력(set pressure)은 수소 반응 컨버터(51) 설계상 정한 분출압력 또는 분출개시압력이다.
일산화탄소 반응 컨버터(53)는 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift)를 통해 일산화탄소(CO) 농도를 낮춘다. 실시예에 따른 일산화탄소 반응 컨버터(53)는 수성 가스 전환반응을 온도에 따라 고온 전환반응, 저온 전환반응, 중온 전환반응으로 수행한다. 고온 전환반응은 Cr2O3를 조촉매로 첨가한 Fe2O3 촉매를 사용하여 섭씨350도 내지 550도에서 진행된다. 고온전환 반응은 발열반응이므로 실시예에서는 반응기 중간에 냉각 부분을 구비하여 촉매의 전환율을 높이며 촉매 반응온도를 예측하여서 다단 촉매층을 만들어 단 사이를 냉각시켜, 일산화탄소 제거의 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 7은 실시예에 따른 열교환기(120)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 열교환기(120)는 폐열 수집부(121) 및 공급부(123)를 포함하여 구성될 수 있다.
폐열 수집부(121)는 개질기(110)의 탈황 반응, 제1 수소획득반응 및 제2 수소획득반응을 통해 생성된 반응열인 폐열을 수집한다. 또한, 폐열 수집부(121)는 연료전지에서 발생하는 PEMFC 폐열(PEMFC Waste Heat)을 수집한다. PEMFC 폐열은 PEMFC의 냉각수 냉각 과정 시 냉각기(cooler)에 의한 냉각 전후 온도차에 의해 발생하는 반응열이다. PEMFC 폐열은 연료전지 반응온도(65~75°C)를 유지하기 위해 냉각수를 연료전지의 냉각루프 순환하는 과정 및 냉각루프의 상승된 냉각수를 냉각하는 과정에서 발생한다.
또한, 폐열 수집부(121)는 개질기의 연소실 폐열을 수집한다. 연소실 폐열은 천연가스 개질 온도 유지를 위해 연소실로 공급하는 열에 의해 발생하는 폐열이다. 구체적으로, 폐열 수집부(210)은 약 900°C이상인 천연가스 개질 온도를 유지하기 위한 개질기의 연소실로 공급되는 연소실의 폐열을 수집한다.
또한, 폐열 수집부(121)는 제2흡열 반응 폐열을 수집한다. 제2흡열 반응은 수성 가스 전화반응 후 PSA(400)로 공급하는 가스의 온도 차에서 발생하는 반응이다. 구체적으로, 폐열 수집부(210)는 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift)시 흡열반응 후 PSA(300)로 공급하는 가스의 온도 차를 활용하여 제2흡열 반응 폐열을 수집하고, 제2흡열 반응 폐열을 통해 열을 공급할 수 있도록 한다.
공급부(123)는 수집한 폐열로 물을 가열하여 생성된 스팀을 공급한다. 실시예에서 공급부(230)는 PEMFC 폐열을 통해 열을 공급한다. 실시예에서는 PEMFC 폐열을 통해, 물을 가열하여 40 내지 60°C의 온수를 공급할 수 있다. 또한, 공급부(330)는 스팀 공급 시, 용수 온도 상승용으로 PEMFC 폐열을 사용할 수 있다.
또한, 공급부(123)는 연소실의 폐열과 수성 가스 전환 반응 시 발생한 제2흡열반응 폐열을 통해, 열을 공급한다. 공급부(330)는 연소실의 폐열과 제2흡열반응 폐열을 통해, 물을 가열하여 스팀을 생성한다. 또한, 생성된 스팀을 128 내지 178 °C 도로 가열할 수 있다.
실시예에서 공급부(123)는 열교환기의 쉘 사이드(Shell Side)와 튜브 사이드(Tube Side)가 독립적인 특징을 통해, 공급 스팀 등급을 결정할 수 있다. 실시예에서 공급 스팀 등급은 제공되는 스팀의 온도와 압력, 공기와 비응축성 가스 비율, 불순물 함유량에 의해 결정될 수 있다. 공급부(330)는 쉘 사이드와 튜브 사이드 각각에 들어가는 공급 용수 등급에 따라 공급 스팀 등급을 결정할 수 있다. 구체적으로, 쉘 사이드와 튜브 사이드 각각에 들어가는 공급 용수의 비응축성 가스 비율 및 불순물 함유량에 따라, 쉘 사이드와 튜브 사이드에서 생성되는 공급 스팀 등급을 결정할 수 있다. 또한, 실시예에서 공급부(330)는 고객이 요구하는 스팀 온도와 압력에 따라 쉘 사이드 또는 튜브 사이드에 가해지는 압력을 변동함으로써, 고객이 요구하는 등급의 스팀을 제공할 수 있다.
도 8및 도 9는 실시예에 따른 연료전지 발전설비를 통해, 열과 스팀을 공급하는 시스템 예를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예에서는 개질기에서 발생하는 탈황 반응, 제1 수소획득반응 및 제2 수소획득반응을 통해 생성된 반응열인 폐열, PEMFC 폐열, 연소실의 폐열 및 제2흡열반응 폐열을 수집하고, 열교환기는 수집된 폐열을 통해, 열과 스팀을 생성하고, 생성된 열과 스팀을 소비자에게 직접 공급할 수 있다. 실시예에서는 개질기에서 발생하는 폐열을 통해, 열과 스팀을 소비자에게 직접 공급하여 수익을 창출할 수 있도록 하고, 소비자는 온수, 스팀을 합리적으로 획득할 수 있다.
이하에서는 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 방법에 대해서 차례로 설명한다. 실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 방법의 작용(기능)은 위조품 탐지 시스템의 기능과 본질적으로 같은 것이므로 도 1 내지 도 10과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 10은 실시예에 따른 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템의 신호 흐름도이다.
도 10을 참조하면, S10 단계에서는 발전시설에서 연료전지 발전시설에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 이용하여 전기, 온수 및 스팀을 생성한다. S20 단계에서는 발전시설에서 모니터링 데이터를 수집하여 수익 분배 서버로 전송한다.
S30 단계에서는 SPC 참여자 단말에서 연료전지 발전시설의 SPC 지분을 투자금액에 따라 획득한다. S40 단계에서는 수익분배 서버에서 수신한 모니터링 데이터를 분석하고, S50 단계에서는 수익분배서버에서 연료전지 시스템에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 판매하여 창출된 전체수익 및 발전시설 생산량을 산출한다. S60 단계에서는 수익 분배 서버에서 지분에 따라 SPC 참여자 단말에게 수익을 분배한다. S60 단계에서는 연료전지 발전시설의 토지 임대료를 SPC 지분에 반영하여 SPC 참여자 단말로 발전수익만을 제공하거나 매전 및 온수판매를 통한 수익을 SPC 참여자 단말로 제공한다. S70 단계에서는 SPC 참여자 단말에서 수익분배 서버로부터 수익 분배 정보와 발전 시설 생산량을 수신하여 발전시설 생산량 및 수익을 출력한다.
도 11은 실시예에 따른 수익분배 서버의 데이터 처리 과정을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, S100 단계에서는 발전시설 데이터 수집부에서 연료전지 발전시설에 포함된 장치 및 시스템으로부터 발전시설 모니터링 데이터를 수집한다. S200 단계에서는 정보 수집부에서 SPC 참여자 각각의 투자 금액, 기간별 수익률 및 개인정보를 수집하고, 고객정보 수집부에서 연료전지 발전시설에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 구매하려는 고객의 위치, 구매량, 구매금액을 포함하는 고객정보를 수집한다. S300 단계에서는 산출부에서 발전시설 모니터링 데이터를 기반으로 연료전지 발전시설에서 생성 가능한 기간별 전기, 온수, 스팀량을 산출한다. S400 단계에서는 수익분배부에서 고객에게 판매된 전기, 온수, 스팀량을 파악하여 전체 수익을 산출하고, 지분에 따라 SPC 참여자 단말에게 분배한다. S500 단계에서는 시설관리부에서 발전시설 모니터링 데이터를 인공신경망 모델인 건전성 예지 모델을 통해 분석하여 연료전지 발전시설의 건전성을 예측하고, 연료전지 발전시설에 포함된 시스템 또는 장치의 고장률 및 고장 시기를 예측한다.
이상에서와 같은 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템 및 방법은 고효율의 발전 기술로 고객에게 전기와 함께 열, 스팀, 온수를 합리적인 가격으로 공급한다.
또한, 실시예서는 연료전지 발전사업 SPC(Special Purpose Company) 참여자에게 발전수익과 임대수익을 창출할 수 있도록 한다.
또한, 실시예에서는 고객에게 판매하는 전력량 및 스팀 등급을 커스터마이징하여 합리적인 가격으로 제공함으로써, 발전시스템의 안정적인 운용을 가능하게 한다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.
Claims (11)
- 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 이용하여 전기, 온수 및 스팀을 생성하는 연료전지 발전시설;
상기 연료전지 발전시설의 특수 목적 법인인 SPC(Special Purpose Company) 지분을 투자금액에 따라 획득하는 SPC 참여자 단말;
상기 연료전지 발전시설에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 판매하여 창출된 전체수익을 지분에 따라 SPC 참여자에게 분배하는 수익분배 서버;
를 포함하고,
상기 SPC 참여자 단말은,
연료전지 발전시설이 설치된 토지를 임대하여 임대수익을 제공받을 수 있는 임대 수익 창출 참여자 단말; 및
전기, 온수, 스팀을 포함하는 에너지 판매 수익을 제공받을 수 있는 에너지 판매 수익 창출 참여자 단말;
을 포함하며,
상기 수익분배 서버는,
연료전지 발전시설에 포함된 개질기, 열교환기, PSA 및 연료전지와 같은 각 장치 및 시스템으로부터 시스템의 입력데이터, 출력데이터, 장치의 가동시간, 가동률 및 발전시설의 종류, 용량정보, 효율에 대한 정보를 포함하는 발전시설 모니터링 데이터를 수집하는 발전 시설 데이터 수집부;
SPC 참여자 각각의 투자 금액, 기간별 수익률 및 개인정보를 포함하는 개인정보를 수집하는 참여자 정보 수집부;
상기 연료전지 발전시설에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 구매하려는 고객의 위치, 구매량, 구매금액을 포함하는 고객정보를 수집하는 고객정보 수집부;
상기 발전시설 모니터링 데이터를 기반으로 연료전지 발전시설에서 생성 가능한 기간별 전기, 온수, 스팀량을 포함하는 에너지량을 산출하는 산출부; 및
고객에게 판매된 전기, 온수, 스팀량을 각각 파악하여 전체 수익을 산출하고, 산출된 전체 수익을 지분에 따라 SPC 참여자에게 분배하는 수익분배부;
를 포함하며,
상기 수익분배부는,
연료전지 발전시설의 토지 임대료를 SPC 지분에 반영하여 상기 에너지 판매 수익 창출 참여자 단말로 발전수익만을 제공하거나, 매전 및 온수판매를 통한 수익을 상기 에너지 판매 수익 창출 참여자 단말로 제공하고,
SPC 지분 참여 없이, 일정기간동안 연료전지 발전시설이 설치된 토지 사용의 승인에 대한 임대수익을 상기 임대 수익 창출 참여자 단말로 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 수익분배서버; 는
발전시설 모니터링 데이터를 학습 데이터로 이용하여 건전성 예지 모델을 구현하고, 상기 건전성 예지 모델을 통해 발전시설의 건전성을 예측하고, 연료전지 발전시설에 포함된 시스템 또는 장치의 고장률 및 고장 시기를 예측하는 시설관리부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템은
연료전지 발전시설로 공급되는 수소를 제조하는 수소 공급자 단말; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템.
- 제1항에 있어서 상기 연료전지 발전시설; 은
천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 발생시키는 개질기;
상기 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제하는 PSA(Pressure Swing Adsorption);
상기 PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 연료전지;
상기 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성하는 열교환기; 를 포함하는 포함하는 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 폐열은
황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 제1수소 획득반응에서 발생한 반응열 및 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 획득하는 제2수소획득반응에서 발생하는 반응열, 개질기에서 천연가스의 황 성분을 제거하는 과정 중 발행하는 반응열, 천연가스 개질 온도 유지를 위해 연소실로 공급하는 열에 의해 발생하는 연소실 폐열, 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift) 후 PSA(Pressure Swing Adsorption)로 공급하는 가스의 온도 차에서 발생하는 제2흡열반응 폐열 및 연료전지의 냉각수 냉각 과정 시 냉각 전후 온도차에 의해 발생하는 반응열인 PEMFC 폐열을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 시스템.
- (A) 연료전지 발전시설에서 개질기 및 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 이용하여 전기, 온수 및 스팀을 생성하는 단계;
(B) SPC 참여자 단말에서 상기 연료전지 발전시설의 특수 목적 법인인 SPC 지분을 투자금액에 따라 획득하는 단계; 및
(C) 수익분배 서버에서 상기 연료전지 발전시설에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 판매하여 창출된 전체수익을 지분에 따라 SPC 참여자 단말에게 분배하는 단계;
를 포함하며,
상기 SPC 참여자 단말은,
연료전지 발전시설이 설치된 토지를 임대하여 임대수익을 제공받을 수 있는 임대 수익 창출 참여자 단말; 및
전기, 온수, 스팀을 포함하는 에너지 판매 수익을 제공받을 수 있는 에너지 판매 수익 창출 참여자 단말;
을 포함하며,
상기 (C)의 단계는,
(C-1) 발전시설 데이터 수집부에서 연료전지 발전시설에 포함된 장치 및 시스템으로부터 시스템의 입력데이터, 출력데이터, 장치의 가동시간, 가동률 및 발전시설의 종류, 용량정보, 효율에 대한 정보를 포함하는 발전시설 모니터링 데이터를 수집하는 단계;
(C-2) 정보 수집부에서 SPC 참여자 각각의 투자 금액, 기간별 수익률 및 개인정보를 포함하는 참여자 정보를 수집하는 단계;
(C-3) 고객정보 수집부에서 상기 연료전지 발전시설에서 생성된 전기, 온수 및 스팀을 구매하려는 고객의 위치, 구매량, 구매금액을 포함하는 고객정보를 수집하는 단계;
(C-4) 산출부에서 상기 발전시설 모니터링 데이터를 기반으로 연료전지 발전시설에서 생성 가능한 기간별 전기, 온수, 스팀량을 포함하는 에너지량을 산출하는 단계; 및
(C-5) 수익분배부에서 고객에게 판매된 전기, 온수, 스팀량을 파악하여 전체 수익을 산출하고, 산출된 전체 수익을 지분에 따라 SPC 참여자 단말에게 분배하는 단계;
를 포함하며,
상기 (C-5)의 단계는,
연료전지 발전시설의 토지 임대료를 SPC 지분에 반영하여 상기 에너지 판매 수익 창출 참여자 단말로 발전수익만을 제공하거나, 매전 및 온수판매를 통한 수익을 상기 에너지 판매 수익 창출 참여자 단말로 제공하고,
SPC 지분 참여 없이 일정기간동안 연료전지 발전시설이 설치된 토지 사용의 승인에 대한 임대수익을 상기 임대 수익 창출 참여자 단말로 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제8항에 있어서, 상기 (C)의 단계; 는
(C-6) 시설관리부에서 발전시설 모니터링 데이터를 학습 데이터로 이용하여 건전성 예지 모델을 구현하고, 상기 건전성 예지 모델을 통해 발전시설의 건전성을 예측하고, 연료전지 발전시설에 포함된 시스템 또는 장치의 고장률 및 고장 시기를 예측하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합발전을 이용한 수익창출 방법.
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