KR102586790B1 - 냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템 및 운영 방법 - Google Patents

냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템 및 운영 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액화가스의 버려지는 냉열을 회수하고 전력 생산이 필요한 시점에 회수한 냉열을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템, 그리고 상기 공기 배터리 시스템의 운영 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 공기 배터리 시스템은, 액화가스를 재기화시키는 액화가스 재기화 시스템과 연결 및 해제가 가능하며, 액화가스의 냉열을 회수하여 액화가스를 가열 또는 재기화시키고, 상기 회수한 냉열을 저장하는 냉열 회수 모듈; 및 상기 냉열 회수 모듈이 액화가스 재기화 시스템과 연결이 해제된 상태일 때, 상기 냉열 회수 모듈에 저장된 냉열을 이용하여 액화공기를 생성하고, 전력 수요가 발생하면 상기 액화공기를 재기화시켜 전력을 생성하는 공기 배터리 모듈;을 포함한다.

Description

냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템 및 운영 방법 {Air Battery System Utilizing a Cold Thermal Energy Recycle Module and Method of Operating the Air Battery System}
본 발명은 액화가스의 버려지는 냉열을 회수하고 전력 생산이 필요한 시점에 회수한 냉열을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템, 그리고 상기 공기 배터리 시스템의 운영 방법에 관한 것이다.
2018년 이후 국내 액화천연가스 수입량은 4,000만 톤 이상을 유지하고 있다. 액화천연가스를 해수 또는 공기와의 열교환을 이용하여 재기화시키고, 천연가스의 상태로 각종 수요처에 공급하여 사용하고 있다. 액화천연가스의 재기화 과정에서 버려지는 냉열은 약 200 kcal/kg에 달한다.
약 4,000만 톤의 액화천연가스를 재기화시키면서 버려지는 냉열 에너지는 곧 약 9,297 GWh의 에너지 손실에 해당한다. 이는 1,000 ㎿ 규모의 복합화력 발전소를 1년 동안 연속 가동시켜 생산할 수 있는 전력량이며, 국내 연간 총 발전량의 1.6% 수준이다.
국내 14차 장기 천연가스 수급 계획(2021년 ~ 2034년)에서는, 2034년까지 액화천연가스 저장 설비를 2020년 대비 30% 이상 증설할 계획을 수립하고 있다. 이에 따라 국내에서 액화천연가스를 재기화시키는 과정에서 버려지는 에너지 손실 규모는 더욱 증가할 것으로 예상되며, 냉열 에너지의 구체적인 활용 방안이 필요한 시점이다.
종래에는 액화천연가스를 재기화시키면서 발생하는 냉열을 회수하지 않고 버리거나, 냉매를 이용하여 회수하여 냉동 창고나 냉열 발전에 사용하는 방식이 제안된 바 있다.
액화천연가스의 재기화 공정을 냉동 창고나 냉열 발전 시스템과 연계하는 방식은, 천연가스를 공급하는 시점 또는 액화천연가스를 재기화하는 시점에 맞춰 냉열 발전 시스템을 가동하거나 냉동 창고에 냉열을 공급하는 공정을 운영해야 하므로, 수요/공급 시점을 조율하기가 어렵고 독립적인 운영이 불가능하였다.
또한, 냉열 회수를 위해 대량의 냉매를 사용함에 따라, 환경오염을 일으키고, 냉매가 누출되는 안전상의 문제가 발생하며, 오랜 시간 운영할수록 냉매 성능이 저하되는 문제가 지속적으로 발생하였다.
냉열 발전 시스템과 연계하는 방식의 경우에는, 냉매를 지속적으로 보충해주어야 하므로 보급이 확대되기 어려워 국내에 적용된 사례도 없었다. 냉동 창고와 연계하는 방식의 경우에는, 액화천연가스가 저장된 터미널 주변에 설치한다는 입지적인 제한이 있었다.
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 개선하고자 하는 것을 목적으로 하며, 액화천연가스를 재기화시키면서 버려지는 냉열을 회수한 뒤, 전력 생산이 필요한 시점에 공급하여 전력을 생산할 수 있는 냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템 및 상기 공기 배터리 시스템의 운영 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스를 재기화시키는 액화가스 재기화 시스템과 연결 및 해제가 가능하며, 액화가스의 냉열을 회수하여 액화가스를 가열 또는 재기화시키고, 상기 회수한 냉열을 저장하는 냉열 회수 모듈; 및 상기 냉열 회수 모듈이 액화가스 재기화 시스템과 연결이 해제된 상태일 때, 상기 냉열 회수 모듈에 저장된 냉열을 이용하여 액화공기를 생성하고, 전력 수요가 발생하면 상기 액화공기를 재기화시켜 전력을 생성하는 공기 배터리 모듈;을 포함하는, 공기 배터리 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 공기 배터리 모듈은, 잉여전력을 이용하여 공기를 압축하여 압축 공기를 생성하고, 압축 공기를 상기 냉열 회수 모듈로 공급하는 공기 압축기; 상기 냉열 회수 모듈에 저장된 냉열에 의해 압축 공기가 액화되어 생성된 액화공기를 저장하는 액화공기 저장탱크; 전력 수요가 발생하였을 때, 상기 액화공기 저장탱크로부터 배출된 액화공기를 재기화시켜 재기화 공기를 생성하는 온열 회수 모듈; 및 상기 재기화 공기를 팽창시켜 전력을 생산하는 공기 터빈;을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 온열 회수 모듈은, 상기 공기 압축기에서 생성된 압축 공기를 상기 냉열 회수 모듈로 공급하기 전에 상기 압축 공기의 온열을 회수하여 저장하고, 저장된 온열로 상기 액화공기를 기화시켜 재기화 공기를 생성하는 하나 이상의 온열 저장 용기;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 배터리 모듈은, 상기 냉열 회수 모듈로부터 액화공기 저장탱크로 공급되는 액화공기를 단열팽창시켜 과냉각시키는 제1 줄-톰슨 밸브;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 배터리 모듈은, 상기 액화공기 저장탱크로부터 배출된 액화공기가, 상기 온열 회수 모듈로 공급되기 전에 상기 냉열 회수 모듈로 공급되도록, 상기 액화공기를 단열팽창시켜 과냉각시키는 제2 줄-톰슨 밸브;를 더 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스 재기화 수요가 발생하면, 액화가스를 하나 이상의 냉열 회수 모듈에 공급하여 냉열을 회수하면서 재기화시키고, 상기 액화가스를 재기화시키는 것이 중단되면, 상기 액화가스를 재기화시키면서 회수한 냉열이 저장된 냉열 회수 모듈을 공기 배터리 모듈과 연결하고, 공기를 압축한 후 냉열 회수 모듈에 공급하여 저장된 냉열로 액화공기를 생성하여 장하고, 전력 수요가 발생하면, 상기 저장된 액화공기를 재기화시켜 터빈을 구동시킴으로써 전력을 생성하는, 공기 배터리 시스템의 운영 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 압축한 공기를 냉열 회수 모듈에 공급하기 전에 온열 회수 모듈에 공급하여 온열을 회수하여 저장하고, 상기 전력 수요가 발생하였을 때, 상기 저장된 액화공기를 상기 온열 회수 모듈에 저장된 온열로 재기화시켜 터빈에 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 저장된 액화공기를 상기 온열 회수 모듈에 공급하기 전에 단열팽창시켜 과냉각시키고, 상기 과냉각된 액화공기를 냉열 회수 모듈에 공급하여 과냉각된 액화공기의 냉열을 회수하고, 상기 냉열이 회수된 액화공기를 상기 온열 회수 모듈로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉열 회수 모듈에서 생성된 액화공기는 단열팽창시켜 과냉각시킨 후, 액화공기 저장탱크에 저장할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉열 회수 모듈은, 상기 냉열이 저장되기 전부터 냉열이 저장되기까지는 상기 액화가스를 재기화시키는 액화가스 재기화 시스템과 연결되고, 상기 냉열이 저장된 후에는 상기 액화가스 재기화 시스템과의 연결이 해제된 후 상기 공기 배터리 모듈과 연결될 수 있다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 의하면, 액화가스의 냉열을 회수하여 액화가스를 가열 또는 재기화시키는 하나 이상의 냉열 저장 용기; 상기 냉열 저장 용기에 구비되며, 상기 회수한 냉열을 저장하는 냉열 유지부; 상기 액화가스를 재기화시켜 가스 수요처에서 요구하는 압력 및 온도 조건을 충족하는 재기화 가스를 생성하는 액화가스 재기화 시스템과 연결 및 해제가 가능하며, 저온의 액화가스를 상기 액화가스 재기화 시스템으로부터 냉열 저장 용기로 도입시키는 액화가스 도입부; 및 상기 액화가스 재기화 시스템과 연결 및 해제가 가능하며, 상기 냉열 저장 용기에서 냉열이 회수된 고온의 액화가스 또는 재기화 가스를 상기 냉열 저장 용기로부터 상기 액화가스 재기화 시스템으로 배출시키는 액화가스 배출부;를 포함하고, 상기 냉열을 저장한 상태로, 상기 액화가스 재기화 시스템이 배치된 지점으로부터 상기 냉열을 필요로하는 냉열 수요처가 배치된 지점으로 이동이 가능한, 냉열 회수 모듈이 제공된다.
바람직하게는, 유체를 압축 및 액화시켜 저장하였다가, 저장한 유체를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 공기 배터리 시스템과 연결 및 해제가 가능하며, 상기 하나 이상의 냉열 저장 용기에 저장에 저장된 냉열을 이용하여 냉각 또는 액화시킬 유체를 상기 공기 배터리 시스템으로부터 상기 냉열 저장 용기로 공급하는 유체 도입부; 및 상기 하나 이상의 냉열 저장 용기에 저장된 냉열에 의해 냉각 또는 액화된 유체를 상기 냉열 저장 용기로부터 상기 공기 배터리 시스템으로 배출시키는 유체 배출부;를 더 포함하고, 상기 공기 배터리 시스템으로부터 상기 액화가스 재기화 시스템이 배치된 지점으로 이동이 가능할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉열 유지부는, 제1 충전재; 및 상기 제1 충전재보다 열용량은 작고 열전도도는 높은 제2 충전재;를 포함하고, 상기 제1 충전재과 제2 충전재는 층별로 번갈아가며 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템 및 공기 배터리 시스템의 운영 방법은, 액화가스를 재기화시키는 과정에서 버려지는 냉열, 즉, 미활용 에너지를 회수하여 무탄소 전력을 생산할 수 있다.
또한, 냉열 회수 모듈에서 액화가스가 보유한 냉열을 회수하여 저장하고, 냉열 회수 모듈과 공기배터리 모듈을 결합하여 전력 생산이 필요한 시점에 회수한 냉열로 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 액화가스 재기화 공정과 전력 생산 공정을 연계하더라도, 액화가스 재기화 공정이 수행되는 시점과 무관하게 독립적으로 전력을 생산할 수 있다.
또한, 액화가스의 냉열을 회수하는 장치를 모듈형으로 제공함으로써, 입지적 제한이 거의 없으며, 저장 용량을 조절할 수 있다.
또한, 액화가스의 미활용 냉열을 회수하여 전력을 생산함으로써, 액화가스의 냉열을 활용하기 전과 비교하여 1/3 수준으로 전력 생산에 소모되는 에너지를 줄일 수 있어 충전 및 방전 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉열 저장 용기를 간략하게 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템을 간략하게 도시한 개략도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시예에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
후술하는 본 발명의 일 실시예들에 있어서 액화가스는, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 탄화수소 계열의 액화가스일 수 있고, 또는 액화암모니아, 액화수소 및 액화이산화탄소 등과 같은 비탄화수소 계열의 액화가스일 수도 있다.
후술하는 본 발명의 일 실시예들에 있어서 액화가스는 LNG인 것을 예로 들어 설명한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉열 회수 모듈을 이용한 공기 배터리 시스템 및 공기 배터리 시스템의 운영 방법을 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 배터리 시스템은, LNG를 재기화시키는 공정 중에 LNG의 냉열(cold thermal energy)을 회수하여 저장하는 냉열 회수 모듈(300)과, 냉열 회수 모듈(300)에 저장된 LNG의 냉열을 이용하여 전력을 생산하는 공기 배터리 모듈(600)을 포함한다.
본 실시예에 따른 냉열 회수 모듈(300)은 LNG 터미널 등 LNG를 재기화시켜 천연가스를 생산하고 천연가스 수요처에 공급할 수 있는 LNG 재기화 시스템이 설치되는 지점에, LNG 재기화 시스템과 연계하여 설치될 수 있다.
도면에 도시하지는 않았으나, LNG 재기화 시스템은, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크와, LNG 저장탱크로부터 배출된 LNG를 기화시켜 천연가스를 생성하는 기화기와, LNG 저장탱크로부터 기화기로 공급되는 LNG 또는 기화기로부터 천연가스 수요처로 공급되는 천연가스의 압력과 온도를 천연가스 수요처에서 요구하는 수준으로 조절해주기 위한 조절부를 포함할 수 있다.
여기서, 냉열 회수 모듈(300)과 LNG 재기화 시스템이 연결된 상태일 때, 본 실시예의 냉열 회수 모듈(300)은 LNG 재기화 시스템의 기화기로 사용될 수 있다. 또는, 냉열 회수 모듈(300)이 LNG 재기화 시스템의 기화기 상류에 배치되어, 기화기로 공급되는 LNG를 예열하는 예열기로 사용됨으로써, LNG의 냉열을 회수할 수도 있다.
열매체 순환부를 포함하는 경우에는, 열매체 순환부에 의해 고온 열매체가 기화기로 공급되고, 고온 열매체가 기화기에서 LNG와 열교환하여 냉열을 회수하여 LNG를 기화시키면서 저온 열매체가 되고, 저온 열매체는 냉열 회수 모듈(300)로 회수된다. 또한 저온 열매체는 냉열 회수 모듈(300)을 통과하면서 냉열 회수 모듈(300)에 의해 냉열이 회수되어 고온 열매체가 되며, 고온 열매체는 다시 기화기로 공급되는 사이클을 반복할 수 있다.
본 실시예에서는 냉열 회수 모듈(300)이 LNG 재기화 시스템의 기화기 또는 예열기로서의 기능을 수행하는 것을 예로 들어 설명한다. 즉, 본 실시예에서는, 냉열 회수 모듈(300)로 공급된 LNG가 냉열 회수 모듈(300)을 통과하면서 냉열이 회수되면서 가열 또는 기화되어 고온의 LNG 또는 재기화 가스(NG; Natural Gas) 상태로 배출될 수 있다.
냉열 회수 모듈(300)은, 냉열을 저장한 상태로, LNG 재기화 시스템이 배치된 지점과 냉열을 필요로하는 냉열 수요처, 즉 본 실시예에서 공기 배터리 모듈이 배치된 지점으로 양방향 이동이 가능하다.
본 실시예의 냉열 회수 모듈(300)은, LNG가 통과할 때 회수한 냉열을 저장하는 하나 이상의 냉열 저장 용기(301, 302, 303)를 포함할 수 있다.
냉열 저장 용기(301, 302, 303)는 가압 상태가 유지되는 압력 탱크일 수 있으며, 냉열 회수 모듈(300)은 단열처리되어 있을 수 있다.
또한, 냉열 저장 용기(301, 302, 303)에는, LNG 재기화 시스템과 연결 및 해제가 가능하며, LNG 저장탱크로부터 배출된 저온의 LNG를 LNG 재기화 시스템으로부터 냉열 저장 용기(301, 302, 303)로 도입시키는 LNG 도입부와, LNG 재기화 시스템과 연결 및 해제가 가능하며, 냉열 저장 용기(301, 302, 303)에서 냉열이 회수되면서 가열된 고온의 LNG 또는 재기화 가스를 냉열 저장 용기(301, 302, 303)로부터 LNG 재기화 시스템으로 배출시키는 LNG 배출부가 구비된다.
또한, 냉열 저장 용기(301, 302, 303)에는, 냉열 수요처, 즉, 후술하는 공기 배터리 모듈(600)과 연결 및 해제가 가능하며, 액화시킬 공기를 공기 배터리 모듈(600)로부터 냉열 저장 용기로 공급하는 유체 도입부와, 냉열 저장 용기(301, 302, 303)에 저장된 냉열에 의해 냉각 또는 액화된 공기를 냉열 저장 용기(301, 302, 303)로부터 공기 배터리 모듈(600)로 배출시키는 유체 배출부가 더 구비될 수 있다.
하나 이상의 냉열 저장 용기(301, 302, 303)는 병렬로 구비되어 LNG가 각 냉열 저장 용기(301, 302, 303)로 공급되어, 각 냉열 저장 용기(301, 302, 303)에 의해 냉열이 회수될 수 있다.
또 다른 예로서, 하나 이상의 냉열 저장 용기(301, 302, 303)가 직렬로 구비되어, LNG가 하나 이상의 냉열 저장 용기(301, 302, 303)를 순차적으로 통과하면서 냉열이 회수될 수도 있다.
본 실시예에서는, 냉열 회수 모듈(300)이 3개의 냉열 저장 용기(301, 302, 303)를 포함하고, LNG가 3개의 냉열 저장 용기(301, 302, 303)를 순차적으로 통과하면서 냉열이 회수되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
본 실시예와 같이 냉열 회수 모듈(300)이 3개의 냉열 저장 용기(301, 302, 303)를 포함하는 경우, LNG는 제3 냉열 저장 용기(303), 제2 냉열 저장 용기(302) 및 제1 냉열 저장 용기(301)를 순차적으로 통과하면서 냉열이 회수되어 냉열 저장 용기(301, 302, 303)가 설정온도로 냉각될 수 있다. LNG의 냉열을 회수한 제3 냉열 저장 용기(303)의 온도가 가장 낮고, 제1 냉열 저장 용기(301)의 온도가 가장 높을 수 있다.
여기서 설정온도는, 후술하는 공기 압축기(100)에 의해 압축된 압축공기의 압력을 기준으로, 압축공기를 액화시킬 수 있는 온도 범위에 있을 수 있다.
예를 들어, 30 bar의 압축공기를 액화시키기 위해서는, 압축공기를 약 -150℃까지 냉각시켜야 하므로, 공기 배터리 모듈(600)의 운전압력이 30 bar라면, 냉열 회수 모듈(300)의 설정온도는 -150℃일 수 있다.
상압(1 bar)에서 LNG의 온도는 약 -162℃이므로, LNG로부터 냉열을 회수한 냉열 저장 용기(301, 302, 303) 내 온도는 약 -150℃의 냉열을 저장하기에 충분하다.
본 실시예에 따른 냉열 회수 모듈(300)은, LNG의 냉열을 보유한 상태에서 그 냉열을 유지하면서 공기 배터리 모듈(600)이 위치하는 지점까지 이송될 수 있는 모듈형 구조이다. 냉열 회수 모듈(300)은 공기 배터리 모듈(600)이 위치하는 지점까지 이송된 후 공기 배터리 모듈(600)과 연결되어 전력 수요가 발생하면 저장된 냉열을 공기 배터리 모듈(600)로 방출하도록 작동할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 냉열 저장 용기(301, 302, 303)가 계속해서 설정온도(-150℃)를 유지할 수 있도록, 냉열 저장 용기(301, 302, 303)의 내부에는 냉열 유지부가 구비된다.
본 실시예의 냉열 유지부는 서로 다른 특성을 가지는 2종 이상의 충전재를 포함할 수 있다. LNG가 냉열 저장 용기(301, 302, 303) 내부를 통과하면서 충전재를 냉각시키고, 충전재를 냉각시키면서 가열된 LNG 또는 재기화 가스가 냉열 저장 용기(301, 302, 303)로부터 배출될 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 냉열 저장 용기(301, 302, 303)에는, 열용량이 큰 물질로 이루어지는 제1 충전재(310)와, 열전도도가 낮은 물질로 이루어지는 제2 충전재(320)가 채워질 수 있다.
즉, 상대적으로 제1 충전재(310)는 제2 충전재(320)보다 열용량이 크거나 같고 열전도도는 낮은 물질일 수 있고, 제2 충전재(320)는 제1 충전재(310)보다 열용량은 작거나 같고 열전도도는 큰 물질일 수 있다.
냉열 저장 용기(301, 302, 303)에 채워지는 제1 충전재(310)와 제2 충전재(320)의 비율을 한정하지는 않으나, 본 실시예에서는 제1 충전재(310)와 제2 충전재(320)의 부피비는 12:5인 것을 예로 들어 설명한다.
또한, 제1 충전재(310)와 제2 충전재(320)는, 층별로 번갈아가면서 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 충전재(310)가 2열로 배치되고, 그 아래층에는 제2 충전재(320)가 1열로 배치되며, 그 아래층에는 다시 제1 충전재(310)가 1열로 배치되는 순서로 채워질 수 있다.
한편, 본 실시예의 공기 배터리 모듈(600)은 전력 수요처가 있는 위치 주변에, 전력 수요처와 연계하여 설치되며, 공기를 매개체로 하여 가용 전력이 많은 시간대에는 잉여 전력을 이용하여 공기를 액화시켜 저장하고, 가용 전력이 부족한 피크 시간대에는 액화공기를 기화시키면서 전력을 생산하여 전력 수요처에 공급할 수 있다.
LNG의 냉열이 저장된 후의 냉열 회수 모듈(300)은 냉열이 저장된 상태로 트레일러, 선박 등 운송 수단에 의해 공기 배터리 모듈(600)이 설치된 지점으로 이송될 수 있다. 냉열 회수 모듈(300)이 공기 배터리 모듈(600)이 설치된 지점으로 이송된 후에는, 냉열 회수 모듈(300)과 공기 배터리 모듈(600)을 연결하여, 전력이 필요한 시점에 냉열 회수 모듈(300)로부터 공기 배터리 모듈(300)로 냉열을 공급하고 전력을 생산하여 수요처에 공급할 수 있다.
물론, 전력 수요처가 LNG 재기화 시스템이 설치되는 위치와 인접한 곳에 위치하는 경우, 냉열 회수 모듈(300)이 운송 수단에 의해 이송되는 작업은 필요하지 않을 수 있다.
도 1에는 3개의 냉열 저장 용기(301, 302, 303)를 포함하는 하나의 냉열 회수 모듈(300)만이 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 냉열 회수 모듈(300)은 모듈형 구조이므로, 냉열 사용량에 따라서 냉열 저장 용기(301, 302, 303)의 수 또는 냉열 회수 모듈(300)의 수를 가변함으로써 냉열 저장 용량을 조절할 수 있다.
또는, 여러개의 냉열 회수 모듈(300)을 연결함으로써 냉열 저장 용량을 조절할 수도 있다.
본 실시예에 따른 공기 배터리 모듈(600)은, 공기를 압축하는 공기 압축기(100)와, 공기 압축기(100)에서 압축된 압축 공기의 온열(hot thermal energy)을 회수하는 온열 회수 모듈(200)과, 온열 회수 모듈(200)에서 온열이 회수된 후 냉열 회수 모듈(300)에서 액화된 액화 공기를 저장하는 액화공기 저장탱크(400)와, 액화공기 저장탱크(400)로부터 배출되어 냉열 회수 모듈(300)에서 기화되고 온열 회수 모듈(200)에서 가열된 재기화 공기를 팽창시켜 전력을 생산하는 공기 터빈(500)을 포함한다.
또한, 공기 배터리 모듈(600)은, 온열 회수 모듈(200)에서 온열이 회수된 후 냉열 회수 모듈(300)에서 액화된 액화 공기를 단열팽창시킴으로써 액화 공기의 과냉각 상태를 유지시키기 위한 제1 줄-톰슨 밸브(601)와, 액화공기 저장탱크(400)로부터 냉열 회수 모듈(300)로 공급되는 액화 공기를 단열팽창시켜 냉열 회수 모듈(300)의 과냉각 상태를 유지시키기 위한 제2 줄-톰슨 밸브(602)를 더 포함할 수 있다.
공기 압축기(100)는 가용 전력 많은 시간대의 잉여 전력, 예를 들어 심야전력을 이용하거나 또는 재생에너지를 이용하여 가동하며, 잉여 전력이나 재생에너지를 이용하여 공기를 압축하여 액화시킴으로써 에너지를 저장할 수 있다.
또한, 공기 터빈(500)은 공기 배터리 모듈(600)과 연계된 전력 수요처에서 전력 수요가 발생하거나, 또는 가용 전력이 부족한 전력 피크 시간대에 가동하여 공기를 재기화시킴으로써 저장된 에너지로 전력을 생성하여 전력 수요처에 공급할 수 있다.
본 실시예의 공기 압축기(100)는, 공기를 약 30 bar로 압축할 수 있다. 상압(1 bar)에서 공기의 끓는점은 약 -196℃인 반면, 30 bar에서 공기의 끓는점은 약 -150℃이므로, 냉열 회수 모듈(300)에 저장된 냉열을 이용하면 공기를 액화시킬 수 있다.
공기 압축기(100)에 의해 공기가 약 30 bar로 압축되면서 압축열에 의해 온도가 높아진 압축공기는 약 25 내지 30℃까지 냉각되도록 온열 회수 모듈(200)에서 열에너지가 회수될 수 있다.
온열 회수 모듈(200)은, 압축공기가 통과하면서 얻어진 온열을 저장하는 하나 이상의 온열 저장 용기(201, 202, 203, 204)를 포함할 수 있다.
도 1에는 4개의 온열 저장 용기(201, 202, 203, 204)가 도시되어 있다. 온열 회수 모듈(200)이 4개의 온열 저장 용기(201, 202, 203, 204)를 포함하는 경우, 압축공기는 제1 온열 저장 용기(201), 제2 온열 저장 용기(202), 제3 온열 저장 용기(203) 및 제3 온열 저장 용기(204)를 순차적으로 통과하면서 온열이 회수될 수 있다. 즉, 제1 온열 저장 용기(201)의 온도가 가장 높고, 제4 온열 저장 용기(204)의 온도가 가장 낮을 수 있다.
압축공기가 온열 저장 용기(201, 202, 203, 204)를 순차적으로 통과하면서 온열 저장 용기(201, 202, 203, 204) 내 온도는 약 200℃까지 가열될 수 있다. 즉, 온열 저장 용기(201, 202, 203, 204)에는 약 200℃ 내외의 온열이 저장될 수 있다.
도 1에는 4개의 온열 저장 용기(201, 202, 203, 204)를 포함하는 하나의 온열 회수 모듈(200)만이 도시되어 있으나, 온열 저장 용기(201, 202, 203, 204)의 수 또는 온열 회수 모듈(200)의 수를 조절함으로써 전력 생산 용량을 조절할 수도 있다.
온열 저장 용기(201, 202, 203, 204)의 내부 공간에는, 공기 압축기(100)로부터 냉열 회수 모듈(300)로 향하는 압축공기가 통과하는 유로와, 냉열 회수 모듈(300)로부터 공기 터빈(500)으로 향하는 재기화 공기가 통과하는 유로와, 열 저장 물질이 구비될 수 있다.
공기 압축기(100)로부터 공급되어 압축공기용 유로를 유동하는 압축공기는 열 저장 물질을 가열하고, 재기화 공기용 유로를 유동하며 공기 터빈(500)으로 향하는 재기화 공기는 열 저장 물질을 냉각시키는 사이클이 반복된다.
온열 회수 모듈(200)에서 온열이 회수된 압축공기는 냉열 회수 모듈(300)로 공급되며, 냉열 저장 용기(301, 302, 303)를 통과하면서 냉열 저장 용기(301, 302, 303)에 저장된 LNG의 냉열에 의해 액화된다.
압축공기는 3개의 냉열 저장 용기(301, 302, 303) 중에서 온도가 가장 높은 제1 냉열 저장 용기(301)부터 온도가 가장 낮은 제3 냉열 저장 용기(303)를 순차적으로 통과하면서 액화될 수 있다.
냉열 회수 모듈(300)을 통과하면서 액화된 액화공기는 다시 공기 배터리 모듈(600)로 이송되어, 제1 줄-톰슨 밸브(601)에 의해 단열팽창된 후 액화공기 저장탱크(400)에 저장된다. 냉열 회수 모듈(300)을 통과하면서 액화된 액화공기의 온도가 미리 설정된 설정온도 범위를 충족하는 경우, 냉열 회수 모듈(300)로부터 배출되는 액화공기는 제1 줄-톰슨 밸브(601)를 거치지 않고 액화공기 저장탱크(400)에 저장될 수도 있을 것이다.
공기 배터리 모듈(600)의 운전 압력은 약 30 내지 40 bar 수준이므로, 냉열 회수 모듈(300)에 저장되어 있는 냉열의 온도가, 공기의 끓는점(-146℃ @30 bar)보다 낮은 설정온도, 즉 본 실시예의 설정온도인 -150℃ 보다 낮으면, 압축공기가 냉열 회수 모듈(300)을 통과하면서 끓는점보다 과냉각될 수 있으므로, 공기 배터리 모듈(600)을 30 bar로 운전하는 것이 가능하다.
다만, 냉열 회수 모듈(300)에 저장된 냉열의 온도가, 설정온도(-150℃) 보다 높아 공기의 끓는점(-146℃)에 가까워지면, 공기를 액화시킬 수 없다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 제1 줄-톰슨 밸브(601)를 이용하여 압력 강하를 통해 공기의 온도를 더 낮춤으로써, 설정온도보다 더 낮은 온도의 액화 공기를 생성할 수 있다.
한편, 낮 시간 등 부하가 증가하는 시점에는, 액화공기 저장탱크(400)에 저장된 고압(30 내지 40 bar)의 액화공기를 배출시켜 공기 터빈(500)의 작동유체로 사용함으로써 전력을 생성하고 전력 수요처에 공급할 수 있다.
액화공기를 재기화시키면서 발생하는 냉열은 냉열 회수 모듈(300) 및 온열 회수 모듈(200)에 다시 저장될 수 있다.
액화공기 저장탱크(400)로부터 배출된 액화공기는 먼저 냉열 회수 모듈(300)에서 먼저 냉열이 회수된다. 이 때, 제2 줄-톰슨 밸브(602)를 이용하여 액체상태의 액화공기를 단열팽창시킨 후 과냉각시킨 상태에서 냉열 회수 모듈(300)로 공급함으로써, 냉열 회수 모듈(300)에 냉열 충전 및 방전 공정이 반복되더라도, 냉열 회수 모듈(300)을 설정 온도 이하로 유지할 수 있다.
액화공기 저장탱크(400)로부터 냉열 회수 모듈(300)로 공급된 액화공기는 제3 냉열 저장 용기(303), 제2 냉열 저장 용기(302) 및 제1 냉열 저장 용기(301)를 순차적으로 통과하면서 냉열 저장 용기(301, 302, 303)에 냉열을 전달해주면서 예열 또는 기화될 수 있다.
냉열 회수 모듈(300)을 통과하면서 냉열이 회수된 액화공기는 약 30 bar, 약 25℃의 상태로 냉열 회수 모듈(300)로부터 배출된다.
냉열 회수 모듈(300)로부터 배출되는 액화공기는 온열 회수 모듈(200)로 공급되며, 온열 회수 모듈(200)에 저장된 압축공기의 온열에 의해 기화되어 재기화 공기가 생성된다.
온열 회수 모듈(200)에서 액화공기는, 압축공기와는 반대로 제4 온열 저장 용기(204), 제3 온열 저장 용기(203), 제2 온열 저장 용기(202), 제1 온열 저장 용기(201)를 순차적으로 통과하면서 가열될 수 있다.
온열 회수 모듈(200)에는 약 200℃의 온열이 저장되어 있으므로, 냉열 회수 모듈(300)에서 예열된 상태로 온열 회수 모듈(300)로 공급되는 액화공기를 약 200℃로 기화 및 가열할 수 있다.
온열 회수 모듈(200)을 통과하면서 기화된 재기화 공기는 약 30 bar, 약 200℃의 상태로 온열 회수 모듈(200)로부터 배출되어 공기 터빈(500)으로 공급된다.
공기 터빈(500)에서는 재기화 공기를 팽창시키며, 터빈에 연결된 발전기를 이용하여 재기화 공기의 팽창일을 전력으로 전환하여 전력을 생산할 수 있다.
이와 같은 방식으로, 잉여 전력이 있을 때에는 공기를 압축하여 액화시키고, 가용 전력이 부족할 때에는, 액화공기를 기화시켜 전력을 생성하는 공정을 반복한다.
본 실시예에서 LNG 냉열이 충전된 냉열 회수 모듈(300)은, 공기 액화 및 재기화 공정을 30회 이상 반복할 수 있는 구조로 마련된다. 냉열 회수 모듈(300)은 공기 액화 및 재기화 공정을 30회 이상 반복한 후에는, 새로운 냉열 회수 모듈(300)로 교체함으로써 냉열 회수 모듈의 성능 저하를 막을 수 있으며, 연속 운전을 가능하게 한다.
본 실시예에 따르면, LNG 재기화 시점에, 냉열이 저장되어 있지 않은 냉열 회수 모듈(300)에 설정온도, 본 실시예에서 약 -150℃ 내외의 냉열을 회수하여 저장해두었다가, 냉열이 저장된 냉열 회수 모듈(300)을 공기 배터리 모듈(600)이 설치된 장소로 이송하고, 냉열이 저장된 냉열 회수 모듈(300)과 공기 배터리 모듈(600)을 연결하여 잉여 전력 또는 재생 에너지와 냉열 회수 모듈(300)에 저장된 냉열을 이용하여 액화공기를 생성하여 저장하고, 전력 생산이 필요한 시점에는 액화공기를 재기화시켜 전력을 생산할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 배터리 시스템은, LNG 재기화 시 버려지는 냉열을 최소화할 수 있도록 하는 냉열 회수 장치 뿐 아니라, 공기를 액체 상태로 저장하는 방식으로 잉여 전력 또는 재생 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치로서의 기능도 수행할 수 있다.
또한, 냉열 회수 모듈(300)과 온열 회수 모듈(200)을 모듈화 방식으로 제공함으로써, 모듈의 수를 늘리거나 줄이는 방식을 통해 수백 kWh에서 수십 MWh까지 저장 용량을 가변할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100 : 공기 압축기
200 : 온열 회수 모듈
201, 202, 203, 204 : 온열 저장 용기
300 : 냉열 회수 모듈
301, 302, 303 : 냉열 저장 용기
310 : 제1 충전재
320 : 제2 충전재
400 : 액화공기 저장탱크
500 : 공기 터빈
600 : 공기 배터리 모듈
601 : 제1 줄-톰슨 밸브
602 : 제2 줄-톰슨 밸브

Claims (13)

  1. 액화가스를 재기화시키는 액화가스 재기화 시스템과 연결 및 해제가 가능하며, 액화가스의 냉열을 회수하여 액화가스를 가열 또는 재기화시키고, 상기 회수한 냉열을 저장하는 냉열 회수 모듈; 및
    상기 냉열 회수 모듈이 액화가스 재기화 시스템과 연결이 해제된 상태일 때, 상기 냉열 회수 모듈에 저장된 냉열을 이용하여 액화공기를 생성하고, 전력 수요가 발생하면 상기 액화공기를 재기화시켜 전력을 생성하는 공기 배터리 모듈;을 포함하고,
    상기 냉열 회수 모듈은,
    상기 액화가스의 냉열을 회수하여 액화가스를 가열 또는 재기화시키기 위한 하나 이상의 냉열 저장 용기; 및
    상기 냉열 저장 용기에 구비되며, 상기 회수한 냉열을 저장하기 위한 수단으로서, 제2 충전재보다 열전도도 및 열용량이 큰 제1 충전재와, 제1 충전재보다 열전도도가 낮은 제2 충전재가 번갈아 배치되는 냉열 유지부;를 포함하는, 공기 배터리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 배터리 모듈은,
    잉여전력을 이용하여 공기를 압축하여 압축 공기를 생성하고, 압축 공기를 상기 냉열 회수 모듈로 공급하는 공기 압축기;
    상기 냉열 회수 모듈에 저장된 냉열에 의해 압축 공기가 액화되어 생성된 액화공기를 저장하는 액화공기 저장탱크;
    전력 수요가 발생하였을 때, 상기 액화공기 저장탱크로부터 배출된 액화공기를 재기화시켜 재기화 공기를 생성하는 온열 회수 모듈; 및
    상기 재기화 공기를 팽창시켜 전력을 생산하는 공기 터빈;을 포함하는, 공기 배터리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 온열 회수 모듈은,
    상기 공기 압축기에서 생성된 압축 공기를 상기 냉열 회수 모듈로 공급하기 전에 상기 압축 공기의 온열을 회수하여 저장하고, 저장된 온열로 상기 액화공기를 기화시켜 재기화 공기를 생성하는 하나 이상의 온열 저장 용기;를 포함하는, 공기 배터리 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기 배터리 모듈은,
    상기 냉열 회수 모듈로부터 액화공기 저장탱크로 공급되는 액화공기를 단열팽창시켜 과냉각시키는 제1 줄-톰슨 밸브;를 더 포함하는, 공기 배터리 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기 배터리 모듈은,
    상기 액화공기 저장탱크로부터 배출된 액화공기가, 상기 온열 회수 모듈로 공급되기 전에 상기 냉열 회수 모듈로 공급되도록, 상기 액화공기를 단열팽창시켜 과냉각시키는 제2 줄-톰슨 밸브;를 더 포함하는, 공기 배터리 시스템.
  6. 액화가스 재기화 수요가 발생하면, 액화가스를 하나 이상의 냉열 회수 모듈에 공급하여 냉열을 회수하면서 재기화시키고,
    상기 액화가스를 재기화시키는 것이 중단되면, 상기 액화가스를 재기화시키면서 회수한 냉열이 저장된 냉열 회수 모듈을 공기 배터리 모듈과 연결하고,
    공기를 압축한 후 냉열 회수 모듈에 공급하여 저장된 냉열로 액화공기를 생성하여 저장하고,
    전력 수요가 발생하면, 상기 저장된 액화공기를 재기화시켜 터빈을 구동시킴으로써 전력을 생성하며,
    상기 냉열 회수 모듈에는, 상기 액화가스의 냉열을 저장하기 위한 수단으로서, 제2 충전재보다 열전도도 및 열용량이 큰 제1 충전재와, 제1 충전재보다 열전도도가 낮은 제2 충전재가 번갈아 배치되어 있는, 공기 배터리 시스템의 운영 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 압축한 공기를 냉열 회수 모듈에 공급하기 전에 온열 회수 모듈에 공급하여 온열을 회수하여 저장하고,
    상기 전력 수요가 발생하였을 때, 상기 저장된 액화공기를 상기 온열 회수 모듈에 저장된 온열로 재기화시켜 터빈에 공급하는, 공기 배터리 시스템의 운영 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 저장된 액화공기를 상기 온열 회수 모듈에 공급하기 전에 단열팽창시켜 과냉각시키고,
    상기 과냉각된 액화공기를 냉열 회수 모듈에 공급하여 과냉각된 액화공기의 냉열을 회수하고,
    상기 냉열이 회수된 액화공기를 상기 온열 회수 모듈로 공급하는, 공기 배터리 시스템의 운영 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉열 회수 모듈에서 생성된 액화공기는 단열팽창시켜 과냉각시킨 후, 액화공기 저장탱크에 저장하는, 공기 배터리 시스템의 운영 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉열 회수 모듈은,
    상기 냉열이 저장되기 전부터 냉열이 저장되기까지는 상기 액화가스를 재기화시키는 액화가스 재기화 시스템과 연결되고, 상기 냉열이 저장된 후에는 상기 액화가스 재기화 시스템과의 연결이 해제된 후 상기 공기 배터리 모듈과 연결되는, 공기 배터리 시스템의 운영 방법.
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Citations (4)

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JPH10238366A (ja) * 1996-12-24 1998-09-08 Hitachi Ltd エネルギー貯蔵型ガスタービン発電システム
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