KR20140118918A - 발전 장치 및 전력을 발생시키는 방법 - Google Patents

발전 장치 및 전력을 발생시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개질기(reformer unit), 버너 장치(burner unit), 터빈 장치(turbine unit) 및 발전기(generator unit)를 가지며, 개질기에서 열을 공급하여 에너지 캐리어가 연소유체로 전달되고, 개빌기는 열을 공급하기 위하여 개질 연소 장치(reformer burning device)를 가지며, 개질 연소 장치로 에너지 캐리어가 연소될 수 있으며, 버너 장치에서 열 에너지가 연소 유체를 연소하여 생성될 수 있고, 터빈 장치에서 열 에너지로 회전 운동이 생성될 수 있으며, 발전기는 전력을 발생시키기 위해 회전 운동하여 구동될 수 있다. 발전 장치는 본 발명에 따라 특징화되며, 열을 공급하기 위하여, 개질 연소 장치 외에, 전기 가열 장치(electric heating unit)가 제공되며, 전기 가열 장치를 통하여 전기 에너지가 열 에너지로 전환될 수 있다.

Description

발전 장치 및 전력을 발생시키는 방법{POWER PLANT AND METHOD FOR GENERATING ELETRICAL POWER}
본 발명은 제 1 측면에서 청구항 제 1항에 따른 전력을 발생시키는 발전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 추가 측면에서 청구항 제 13항에 따른 전력을 발생시키는 방법에 관한 것이다.
전력을 발생시키는 전체 발전 장치는 개질기(reformer unit), 버너 장치(burner unit), 터빈 장치(turbine unit) 및 발전기(generator unit)를 포함하며, 개질기에서 에너지 캐리어(energy carrier)는 연소 유체(combustion fluid)로 열을 공급하여 전환될 수 있고, 개질기는 열을 공급하기 위하여 개질 연소 장치(reformer burning device)를 가지며, 개질 연소 장치로 에너지 캐리어가 연소될 수 있다. 발전 장치는 버너 장치(burner unit)를 더 포함하며, 열 에너지는 연소 유체를 연소하여 발생될 수 있고, 터빈 장치(turbine unit)에서 회전 운동하여(rotational movement) 열 에너지로 생성될 수 있으며, 발전기(generator unit)는 전력을 발생시키기 위하여 회전 운동하여 구동될 수 있다.
전력을 발생시키는 전체 방법에 따라, 에너지 캐리어는 연소 유체로 열을 공급하여 개질기에서 전환된다. 에너지 캐리어는 열을 공급하도록 개질 연소 장치로 연소된다. 연소 유체는 버너 장치(burner unit)에서 연소되어서, 열 에너지를 발생시킨다. 열 에너지는 터빈 장치에서 회전 운동하여 전환된다. 발전기는 회전 운동 하여 구동되며, 이로 이하여 전력이 발생한다. 이러한 방법은 예를 들어 전체 발전 장치로 수행될 수 있다.
많은 영역에서, 상당한 부분의 전체 전기 에너지 공급은 전술한 타입의 발전 장치로 얻어진다. 이용된 에너지 캐리어는 발전 장치에 의존하여 다를 수 있고, 예를 들어 석탄(coal), 가스(gas) 또는 오일(oil)을 포함할 수 있다. 에너지 캐리어는 예를 들어 합성 가스일 수 있는 연소 유체로 개질기에 의해 전환된다.
개질기는 특히 석탄 기화 장치(coal gasification unit)일 수 있다. 열을 공급하여, 분말형의 석탄은 석탄 기화 장치에서 합성 가스로 전환된다. 합성 가스로 전환된 분말형의 석탄은 합성 가스(syngas)로 기술되며 수소를 포함하는 가스 혼합물이다. 반응식은 다음으로 기술될 수 있다:
C + H2O → CO + H2 + 175.4 kJ.
그 후, 합성 가스(CO + H2)는 버너 장치에서 연소될 수 있으며, 이로 인하여 열 에너지가 방출된다:
CO + H2 + O2 → CO2 + H2O - 568.8kJ.
유사한 방식으로, 개질기는 또한 열을 공급하여 천연 가스, 즉 메탄을 합성 가스로 전환시키는 가스 개질기(gas reformer)일 수 있다:
CH4 + H2O → CO + 3H2 + 250.1 kJ.
그 후, 합성 가스는 마찬가지로 열 에너지를 방출하기 위하여 연소될 수 있다:
CO + 3H2 + 2.5O2 → CO2 + 3H2O - 1140.1 kJ.
물 대신에, 이산화 탄소는 개질기에서 석탄 또는 가스를 전환하기 위해 이용될 수 있다.
C + CO2 → 2CO + 172.5 kJ 또는
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 + 247.3 kJ.
처음에 합성 가스를 얻기 위하여 에너지를 소모하여 및 그 후 합성 가스의 연소에 의해 에너지를 방출하여, 대체로 유사한 양의 에너지가 일반적으로 이용될 수 있고, 비전체 발전 장치(non-generic power plants)는 열 에너지를 얻기 위하여 석탄 또는 천연 가스를 직접 연소한다:
C + O2 → CO2 - 393.5 kJ 또는
CH4 + 3O2 → CO2 + 2H2O - 890 kJ.
본 발명은 발생된 전력의 전체 양의 성장률이 재생 가능한 에너지원에 의해 보호되는 것을 고려한다. 특히, 태양 에너지 및 풍력 에너지는 전력 발생을 위해 점점 이용된다. 그러나, 이로 인하여 발생된 에너지량은 시간이 흐르면서 심하게 변동한다. 그로 인하여 생성된 과잉 전기 에너지의 대규모 저장을 위한 설비가 거의 없다. 과잉 전기 에너지를 이용하는 방법은 어려운 문제점을 야기한다. 전력 발생이 증가될 때 전기 에너지의 감소를 야기하지 않는다.
원칙적으로, 태양 에너지 또는 풍력 에너지를 통하여 전력 발생이 증가되는 동안 전술된 발전 장치의 전력을 감소시킬 수 있다. 그러나 발전 장치의 전력 감소 및 재시작은 일반적으로 높은 물질 중량에 연관된다. 또한, 알려진 발전 장치의 경우, 발전 장치의 전력 감소 및 재시작은 천천히 수행될 수 있다. 도달될 수 있는 속도는 변동하는 양의 풍력 또는 태양 복사열(solar radiation)과 효율적으로 반응하는데 충분하지 않다.
발전 장치에 의해 생성된 전력량의 더 빠른 적용을 위한 발전 장치의 효율 레벨을 변화시키는 것이 알려져있다. 이를 위하여, 표준 작동 동안 예를 들어 차가운 증기는 뜨거운 증기에 첨가되며, 이로써 터빈 장치가 구동된다. 발전 장치의 효율 레벨은 예를 들어 42%에서 39%로 떨어진다. 재생가능한 에너지원을 통하여 얻어진 전기 에너지가 빠르게 감소하는 경우, 차가운 증기의 첨가가 중단될 수 있다. 이로 인하여, 효율 레벨은 짧은 시간 내에 42%로 증가될 수 있다. 그러나 이 경우의 단점은, 표준 작동 동안, 발전 장치가 상대적으로 낮은 효율 레벨로 동작되는 것이다. 그 결과, 원칙적으로 이용될 수 있는 많은 에너지가 손실된다. 또한, 이러한 방식에서 이용가능한 전기 에너지량의 상대적으로 낮은 변동으로만 보상될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이용가능한 전력량으로 변동에 효율적으로 적응할 수 있도록 하는 전력을 발생시키는 방법 및 발전 장치를 나타낸는 것이다.
본 목적은 청구항 제 1항의 특징을 가지는 전력 장치 및 청구항 제 13항의 특징을 가지는 방법을 통하여 이루어진다.
본 발명에 따른 발전 장치 및 본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형은 종속항의 주제이며, 다음의 기술에 설명된다.
열을 공급하여 본 발명에 다라 전술된 타입의 발전 장치가 제공되며, 또한 전기 가열 장치(electric heating unit)는 개질 연소 장치로 제공되며, 전기 가열 장치를 통하여, 전기 에너지는 열 에너지로 전환될 수 있다.
전술된 타입의 방법에서, 열이 공급될 뿐 아니라 전기 가열 장치에 의해 개질 연소 장치에 의해 열이 공급되고, 전기 가열 장치를 통하여 전기 에너지가 열 에너지로 전환되는 것이 본 발명에 따라 제공된다.
본 발명의 기본적인 의도로서, 연소 유체가 개질 연소 장치로부터 에너지 공급을 통하여 및 전기 가열 장치로부터 열 공급을 통하여 생성될 수 있는 것으로 간주될 수 있다.
따라서, 전기 에너지는 연소 유체를 생성하도록 전기 가열 장치에 의해 처음에 이용된다. 그 후, 열 에너지는 연소 유체로 제공되며, 운동 에너지(movement energy)로 전환되며, 마지막으로 발전기에 의해 전기 에너지로 다시 전환된다.
전기 에너지의 과잉 시, 본 발명에 따른 발전 장치는 상대적으로 큰 비율의 과잉 전기 에너지를 이용할 수 있다. 이러한 경우에서, 개질 연소 장치를 통한 열의 공급이 감소될 수 있다. 이로 인하여, 개질 연소 장치는 적은 양의 에너지 캐리어를 연소시킨다. 따라서, 전기 에너지를 이용하여, 에너지 캐리어가 저장될 수 있다.
바람직하게, 개질 장치에 의해 생성된 연소 유체량의 변화 없이 개질 연소 장치에 의해 연소되는 에너지 캐리어량이 변할 수 있다.
따라서, 특히 외부 전력 네트워크에서 이용가능한 전력량으로 빠른 변형에 의해 빠르게 반응할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 전기 가열 장치에 공급된 전기 에너지가 변경되며, 개질 연소 장치의 화력(heating power)이 동시에 적용된다.
열 에너지로 전기 에너지를 전환하여, 및 복수의 중간 단계를 통해 다시 전기 에너지로 전환하여, 단지 원래의 전기 에너지의 약 40%를 이용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 과잉 전기 에너지의 감소를 위해 지출되는 비용의 경우와 비교하여 전기 에너지의 매우 의미있는 이용을 야기한다.
대체로, 본 발명에 따른 발전 장치에서 전기 에너지를 이용하여, 다른 방법으로 연소될 에너지 캐리어량이 저장된다. 따라서 발전 장치는 이용가능한 에너지 캐리어량을 증가시키기 위해 과잉 전기 에너지를 이용하는 저장 장치와 같이 작동한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 개질기로 생성될 수 있는 연소 유체는 위에 기술된대로 합성 가스이다. 가능한 큰 전기 에너지량이 전기 가열 장치에 의해 이용될 수 있도록, 특히 높은 열 공급을 필요로하는 에너지 캐리어는 바람직하게 개질 장치에서 연소 유체로 전환된다. 이로 인하여, 연소 유체가 버너 장치로 연소되는 경우, 공급된 에너지는 큰 부분에 대하여 회수된다.
바람직한 변형에 따라, 개질기는 석탄 기화 장치 또는 액화 장치이다. 여기에서, 석탄은 연소 유체로 전환되며 열을 공급하도록 개질 연소 장치에 의해 이용되는 에너지 캐리어이다.
대안적으로 또는 추가적으로, 개질 장치는 가스가 에너지 캐리어로서 연소 유체로 전환될 수 있는 가스 개질기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스는 천연 가스일 수 있다.
원칙적으로, 개질기는 어떠한 장치로 이해될 수 있으며, 애너지 캐리어로 에러지 공급을 통하여 연소 유체를 생성한다. 석탄 및 천연 가스를 제외하고, 원칙적으로 유기 물질이 에너지 캐리어로서 이용될 수 있다. 연소 유체를 연소하여, 더 큰 에너지가 에너지 캐리어를 연소하는 것 보다 유용하게 방출되어야 한다.
전기 가열 장치에서 개질기로의 열 공급은 원칙적으로 어떠한 방식으로 알려질 수 있다.
바람직한 구체예에 따라, 개질기는 열 교환기를 가진다. 열 에너지는 열 교환기로 에너지 캐리어에 의해 열 교환기로전달될 수 있다. 이로 인하여, 열 교환기는 열 에너지를 배출하기 위해 개질 연소 장치 및 전자 가열 장치 둘 다에 의해 이용될 수 있다. 이로 인하여, 바람직하게 일반적인 개질기에 존재하는 열 교환기가 이용될 수 있다. 단지 열 교환기로 전기 가열 장치에 대한 연결부를 추가로 필요로한다. 연결부를 이용하여, 전기 가열 장치에 의해 가열되는 매체, 예를 들어 가스는 열 교환기로 전달될 수 있다.
대안적으로, 열 교환기는 또한 개질 연소 장치에 의해서만 이용될 수 있다.그 후, 전기 가열 장치는 다른 방식으로 에너지 캐리어로 열을 전달할 것이다.
전기 가열 장치는 원칙적으로 어떤 방식으로 차례로 전기 에너지를 열 에너지로 전환할 수 있다.
예를 들어, 전기 가열 장치는 전기 에너지를 열 에너지로 전환하도록 전기 저항 소자(electrical resistor elements)를 가질 수 있다. 저항 소자가 개질기의 열 교환기에 공급된 매체를 가열하기 위해 이용되는 경우, 표준 발전 장치의 적은 적용을 알 수 있다. 대안적으로, 저항 소자는 그러나 열 교환기에 인접하게 배치될 수 있다. 이로 인하여, 저항 소자는 에너지 캐리어로 열을 배출할 수 있으며, 열 교환기에 관계없이 이용될 수 있다. 이로 인하여, 전체 발전 장치의 전원 차단 위험 없이 감소하는 중복성이 이루어진다.
대안적으로 또는 추가적으로, 전기 가열 장치는 매체를 가열하기 위해 플라즈마 토치(plasma torch)를 포함할 수 있으며, 플라즈마 토치(plasma torch)에서, 연소 유체로 매체를 전환하기 위하여 열이 에너지 캐리어로 전달될 수 있다. 플라즈마 토치의 경우, 가스는 플라즈마로 전환된다. 플라즈마는 전기장(electric field)을 이용하여 가속화되며, 이로 인하여 플라즈마의 열 에너지가 증가한다. 바람직하게 빠르게 높은 온도에 도달될 수 있다. 또한, 플라즈마 토치는 콤팩트 구조(compact structure)를 가지며, 이로 인하여 표준 발전 장치의 이후의 적용에 적합하다. 대안적으로 또는 추가적으로 전기 가열 장치는 매체를 가열하는 유도 수단(induction means)을 가질 수 있다. 유도 수단의 화력은 유도 수단으로 자기 저항을 변경하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 유도 수단은 하나 이상의 코일(coils)을 포함할 수 있다. 코일은 가열되는 매체로 전도성 물질을 통해 공급되는 전기상을 생성한다. 에어 갭(air gap)은 전도성 물질로 변화될 수 있으며, 이로 인하여 자기 저항이 조정된다. 이로 인하여, 가열되는 매체에 공급된 전력은 넓은 영역을 통해 쉽게 제어될 수 있다.
제어 장치를 제공하는 것은 특히 바람직하며, 제어 장치로, 전기 가열 장치의 화력은 증가될 수 있으며, 특히 동시에 개질 연소 장치의 화력이 감소될 수 있다.
따라서 전기 가열 장치 및 개질 연소 장치의 화력은 서로 반대 방식으로 변경될 수 있다. 제어 장치는 전기 가열 장치의 화력을 증가시키기 위해 및 개질 연소 장치의 화력을 감소시키기 위해 회부 전력 네트워크에서 이용 가능한 전기 에너지량에 의존하여 적용될 수 있다. 따라서, 제어 장치는 전기 가열 장치의 화력을 설정하도록 설계될 수 있으며, 이용 가능한 전기 에너지량은 점점 높아진다. 예를 들어, 이용 가능한 전기 에너지량은 사용자에 의해 수동으로 유입될 수 있다. 대안적으로 전기 에너지량은 자동적으로 제어 장치에 의해 검출될 수 있다. 특히, 이용 가능한 전기 에너지량은 각각 존재하는 전력 비용을 이용하여 검출될 수 있다. 존재하는 전력 비용이 미리 형성된 임계값 아래로 떨어지는 경우, 전기 가열 장치의 화력은 증가될 수 있다.
따라서, 전기 가열 장치의 화력의 조정부는 존재하는 전력 비용에 의존하여 형성된다. 조정부는 수동으로 유입될 수 있거나 특히 전력 마켓(power market)에서 자동으로 제어 장치로 회수될 수 있다. 전기 가열 장치의 화력이 높게 설정되면 개질 연소 장치의 화력은 낮게 설정될 수 있다.
특히, 연소 유체가 생성되는 비율이 일정하게 유지되는 방식으로 전기 가열 장치 및 개질 연소 장치의 화력은 서로에 의존하여 제어 장치로 제어될 수 있다. 대안적으로, 비율이 미리 형성된 최대 변화율에 의해 최대한 변화하도록 제어부가 형성될 수 있다. 버너 장치, 터빈 장치 및 발전기의 기능 능력은 연소 유체가 전기 가열 장치에서 또는 개질 연소 장치에서 열 에너지로 생성되든 아니든 독립적이다. 따라서, 전기 가열 장치 및 개질 연소 장치의 화력 사이의 비율은 바람직하게 버너 장치, 터빈 장치 또는 발전기에 바람직하지 않은 영향을 미치지 않고 매우 빠르게 변화될 수 있다.
이러한 장치는 단지 발전기에 의해 발생된 전력으로 비교적으로 느린 변화를 허용한다. 그럼에도 불구하고, 느리게 조성된 변화가 이용될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 제어 장치는 항상 일정한 전기 가열 장치 및 개질 연소 장치의 화력의 합계를 유지하지 않는다. 대신에, 전기 가열 장치가 활성화되고 및/또는 전기 가열 장치의 화력이 증가되는 경우 화력의 합계는 감소될 수 있다. 따라서 전체 화력은 미리 형성된 최대 변화율에 의해서만 감소될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 개질기의 온도가 미리 형성된 타겟 범위에 있는 방식으로 전기 가열 장치 및 개질 연소 장치의 화력은 서로에 독립적으로 제어 장치에 의해 제어될 수 있고, 미리 형성된 타겟 범위에서, 에너지 캐리어는 연소 유체로 전환될 수 있다. 따라서, 미리 형성된 온도 범위가 개질기에서 일정하게 유지되도록 개질 연소 장치의 존재하는 화력이 전기 가열 장치의 존재하는 화력에 적용된다.
원칙적으로, 전기 가열 장치에 의해 가열되는 매체를 저장할 수 있는 저장 용기가 제공될 수 있다. 이용 가능한 전기 에너지량이 미리 형성된 임계값을 초과하는 경우, 저장 용기는 가득 채워진다. 이용 가능한 전기 에너지량이 떨어지는 경우, 저장 용기는 비워질 수 있다. 따라서, 열을 얻기 위하여 개질 연소 장치에 의해 연소되어야하는 에너지 캐리어의 양은 더 감소될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 저장 용기가 제공될 수 있고, 저장 용기에서, 생성된 연소 유체가 저장될 수 있다. 이용 가능한 전기 에너지량이 증가하는 경우, 연소 유체가 생성되는 비율이 증가될 수 있다. 이용 가능한 전기 에너지량이 떨어질 때, 저장 용기로부터 연소 유체가 버너 장치로 공급될 수 있다. 이로 인하여, 열을 발생시키기 위하여 개질 연소 장치로 연소되어야 하는 에너지 캐리어의 양은 마찬가지로 감소될 수 있다. 이러한 측면에서, 저장 장치는 버퍼(buffer)로 제공될 수 있고, 버퍼를 통하여 들어오는 연소 유체량이 변동할 지라도 일정한 연소 유체의 양은 버너 장치로 배출된다.
저장 용기를 이용하여, 전기 가열 장치의 화력이 감소되는 경우, 개질 연소 장치는 에너지 캐리어의 많은 양을 연소시키지 않는다. 대신에, 저장 용기에서 충진 레벨(fill level)이 미리 형성 가능한 임계값 아래로 떨어지거나 0으로 떨어질 때만 에너지 캐리어의 양이 증가된다.
바람직하게 저장 용기로부터 가열된 매체을 전달하도록 미리 형성 가능한 임계값 이하 또는 0으로 전기 가열 장치의 화력이 감소하는 경우, 제어 장치가 적용된다. 또한, 저장 용기의 미리 형성된 최대 충진 정도에 도달될 때, 전달이 야기된다. 이 경우, 개질 연소 장치에 공급된 에너지 캐리어의 양은 동시에 감소된다. 이로 인하여, 터빈 장치는 대체로 일정한 전체 전력으로 계속 작동될 수 있다. 전기 가열 장치의 화력의 변화는 이 경우에 필요하지 않다.
대안적으로 또는 추가적으로, 저장 용기로부터 연소 유체가 전달되지 않거나 버너 유닛에 완전히 전달되지 않는 것이 제공될 수 있다. 연소 유체가 합성 가스인 경우, 연소 유체는 예를 들어 석탄 액화법 또는 석탄 기화법, 특히 피셔-트롭쉬 공정(Fischer-Tropsch process)에서 이용될 수 있다.
원칙적으로, 창의적인 생각은 발전 장치의 일부분이 아닌 다른 개질기로 이용될 수 있다. 개질 연소 장치 및 전기 가열 장치를 통하여 열 공급이 가능한 이러한 개질 장치의 경우에 제공될 수 있다. 또한, 발전 장치에 대해 기술된 변형은 개질기로 이용될 수 있다. 발전 장치와 대조적으로, 버너 장치, 터빈 장치 또는 발전기가 존재하지 않는 경우이다. 대신에, 예를 들어 개질기는 가스 및/또는 액체 생성을 위한 설치부의 일부 일 수 있다. 특히, 개질기는 수소 분자 H2를 얻기 위한 설치부일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 설치부는 석탄 기화법 또는 석탄 액화법을 수행하도록 설계될 수 있다. 또한, 설치부는 피셔-트롭쉬 공정을 포함하며, 피셔-트롭쉬 공정으로, 메탄, 메탄올 및 알칸이 생성될 수 있다.
일반적으로 본 발명의 본질적인 생각은 에너지 캐리어를 연소하여 버너 장치로 열 에너지를 제공하는 발전 장치에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 발전 장치는 시멘트 공사될 수 있으며, 시멘트 공사에서 열 에너지는 시멘트 생성을 위해 필요하며, 상기 열 에너지는 에너지 캐리어를 연소하여 제공된다. 창의적인 생각에 따라, 전기 가열 장치는 또한 여기에서 이용된다. 제어 장치는 열 에너지가 전기 가열 장치 및 버너 장치에 의해 제공되는 부분을 설정할 수 있다. 버너 장치는 개질 연소 장치와 같이 설계될 수 있다. 제어 장치 및 전기 가열 장치는 발전 장치에 대하여 기술된대로 설계될 수 있다. 특히, 제어부는 일정한 전체 에너지 또는 양이 항상 전기 가열 장치의 열 에너지 및 버너 장치의 열 에너지 사이의 다른 비율로 방출되는 것에 있다. 전기 가열 장치의 화력은 높게 선택될 수 있고, 존재하는 전력 비용은 낮게 선택될 수 있다.
본 발명의 추가 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술된다:
도 1은 본 발명에 따른 발전 장치의 실시예를 나타내며, 천연 가스가 에너지 캐리어로서 이용된다;
도 2는 본 발명에 따른 발전 장치의 실시예를 나타내며, 석탄이 에너지 캐리어로서 이용된다;
도 3은 본 발명에 따른 발전 장치의 개질기 및 전기 가열 장치의 실시예를 나타낸다;
도 4는 본 발명에 따른 발전 장치의 개질기 및 전기 가열 장치의 추가 실시예를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 발전 장치의 개질기 및 전기 가열 장치의 제 3 실시예를 나타내며; 및
도 6은 본 발명에 따른 발전 장치의 전기 가열 장치의 실시예를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 발전 장치(power plant, 100)의 실시예를 도식적으로 나타낸다. 발전 장치(100)는 다음의 필수 요소를 가진다: 개질기(reformer unit, 1), 버너 장치(burner unit, 30), 터빈 장치(turbine unit, 50) 및 발전기(generator unit, 60). 또한, 도 1에 도시되지 않고 아래에 더 자세히 기술되는 개질 연소 장치(10) 및 전기 가열 장치(20)가 이용된다.
개질기(1)는 에너지 캐리어의 유입구(inlet, 2,3)를 가진다. 예를 들어, 천연 가스와 같은 가스 및 물은 유입구(2, 3)를 통하여 개질기(1)에 도입될 수 있다. 개질기(1)에서, 에너지 캐리어는 연소 유체로 전환된다. 천연 가스 및 물은 예를 들어 일산화탄소 및 수소 분자로 전환된다. 이러한 가스 혼합물은 합성 가스로 기술된다.
배출구(outlet, 9)에 의하여, 연소 유체, 즉 합성 가스가 개질기(1)에서 버너 장치(30)로 전달된다.
추가 공급선(supply line, 48)이 제공될 수 있고, 공급선(48)으로 천연 가스가 합성 가스 뿐 아니라 버너 장치(30)에 공급된다.
버너 장치(30)에서, 연소 유체 및 존재하는 천연 가스가 연소되고, 이로 인하여 열 에너지가 생성된다. 이로 인하여, 터빈 장치(50)가 구동된다. 공기는 유입구(32)를 통해 공급될 수 있다.
터빈 장치(50)의 회전 운동을 통하여, 마지막으로 발전기(60)가 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
개질기(1)에서 에너지 캐리어가 연소 유체로 전환될 수 있도록 천연 가스는 합성 가스로 전환될 수 있고, 에너지 또는 열 공급이 필요하다. 따라서, 개질기(1)에 에너지 또는 열을 공급하는 수단(5)이 제공된다.
표준 발전 장치의 경우, 수단(5)은 열 에너지를 제공하기 위하여 예를 들어 천연 가스를 연소시키는 개질 연소 장치에 의해 형성된다.
본 발명에 따라, 반면에 수단(5)은 개질 연소 장치 및 전기 가열 장치를 포함한다.
바람직한 열 에너지가 개질 연소 장치 및 전기 가열 장치에 의해 제공되는 부분을 다양하게 설정 할 수 있다.
바람직하게, 전기 에너지가 비용 효율적으로 제공될 수 있을 때 정확히 열을 발생시키기 위해 전기 에너지가 이용될 수 있다. 즉, 예를 들어, 풍력 발전 장치 또는 태양열 발전 장치가 일시적으로 전력을 더 생성하는 경우이다. 반면에 과잉 전력이 이용 불가능한 경우, 필요한 열 에너지는 에너지 캐리어를 연소시켜 대게 종래의 방식으로 생성될 수있다.
따라서, 바람직하게 많은 과잉 전력량이 이용될 수 있으며, 그렇지 않으면 과잉 전력량은 의미 있게 이용될 수 없다. 본 발명에 따라, 비율은 감소될 수 있고, 이 비율로 에너지 캐리어가 연소된다. 이로 인하여, 바람직하게 에너지 캐리어의 일부는 저장될 수 있다.
시간 단위 당 연소되는 에너지 캐리어의 양은 변경되는 발전기에 의해 발생된 전력 없이 변할 수 있다. 이로 인하여, 터빈 장치 및 발전기는 에너지의 연소율이 변할지라도 대략 일정하게 작동될 수 있다. 종래의 발전 장치와 대조적으로, 에너지 캐리어의 연소에서 최대 변화율은 터빈 장치 및 발전기에 의해 더이상 제한되지 않는다. 따라서 매우 높은 변화율이 가능하며, 높은 변화율로 외부 네트워크에서 이용 가능한 전력량으로 변하도록 효율적으로 반응할 수 있다.
본 발명에 따라 발전 장치(100)의 추가 실시예는 도 2에 도식적으로 나타낸다. 개질기(1)이 합성 가스를 생성하기 위해 천연 가스 대신 석탄을 이용하도록 발전 장치(100)가 설계된다. 석탄은 배출측(9)에서 배출되고, 그 후 버너 장치(30)에서 연소된다. 이로 인하여, 생성된 유체는 폐가스를 배출하도록 터빈 장치(50)에 공급되며, 타워부(towers, 55)에 추가로 공급되고 및/또는 버너 장치(30)에 다시 공급된다.
다른 양상에서, 발전 장치(100)는 도 1과 동일 할 수 있다.
본 발명에 따른 발전 장치의 개질기(1)의 실시예는 도식적으로 도 3에 나타낸다. 개질기(1)는 특히 천연 가스 및 물로부터 합성 가스를 생성하기 위해 적합하다. 천연 가스 및 물은 유입구(2, 3)을 통하여 개질기(1)의 챔버(14)에 도입된다. 여기에서 촉매가 수용되며, 촉매로 천연 가스 및 물은 배출구(9)를 통하여 챔버(14)를 떠나는 합성 가스로 전환된다.
열 공급은 합성 가스로 전환하는데 필요하다. 이러한 목적을 위해, 한편으로 열 교환기(19)가 존재한다. 고온의 유체는 유입구(4)에서 배출구(6)까지 열 교환기(19)를 통하여 흐르며, 챔버(14)에서 매체로 열을 배출한다. 고온의 유체는 개질 연소 장치(10)에 의해 가열되었다. 개질 연소 장치는 예를 들어 천연 가스 일 수 있는 에너지 캐리어를 연소시킨다.
원칙적으로, 개질 연소 장치(10)는 합성 가스 또는 다른 연소 유체로 전환하는데 이용되는 동일한 에너지 캐리어를 이용할 수 있다. 나타낸 실시예에서, 천연 가스는 개질 연소 장치(1)으로 열을 발생시키는데 이용되며 합성 가스로 전환하는데 이용된다. 그러나, 대안적으로, 다른 에너지 캐리어는 개질 연소 장치(10)에 의해 이용될 수 있고, 합성 가스로 전환하는데 이용될 수 있다.
열 교환기(19)에 의하여 열을 배출하는 결과로, 온도 구배(temperature gradient)가 챔버(14)에서 발생하며, 온도는 화살표(11) 방향으로 증가한다. 합성 가스는 증가된 온도를 통하여 생성될 수 있다.
또한, 전기 가열 장치(20)가 존재한다. 전기 가열 장치(20)는 챔버(14)를 통하여 연장된 전기 저항 소자(29)를 포함한다. 이로 인하여, 열은 합성 가스를 생성하기 위하여 챔버(14)에서 매체로 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 발전 장치의 개질기(1)의 추가 실시예는 도 4에 도식적으로 나타낸다. 이전의 예로서, 열 교환기(19)는 여기에서 이용되며, 열 교환기(19)를 통하여 개질 연소 장치(1)에 의해 가열된 고온의 유체가 전달된다. 이전의 실시예와 대조적으로, 전기 가열 장치(20)은 여기에서 초기에 전기 가열 장치로 유입구(26)을 통해 도입되는 유체, 예를 들어 공기를 가열시킨다. 마찬가지로 가열된 유체는 열 교환기(19)를 통하여 전달된다. 바람직하게, 챔버(14)에서 추가 개입은 필요하지 않다. 또한, 종래의 개질기(1)는 특히 단순하게 적용될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 단지 추가 연결부는 개질 연소 장치(10)으로부터 열을 전달하기 위해 존재하는 열 교환기(19)에 필요하다. 전기 가열 장치(20)는 추가 연결부에 연결된다. 또한, 전기 가열 장치(20)는 이러한 경우 원칙적으로 다른 설계를 가질 수 있다. 예를 들어 전기 가열 장치(20)는 저항성 저항 소자(resistive resistor elements) 또는 유도 코일을 가질 수 있다. 또한, 전기 가열 장치(20)는 플라즈마 토치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 발전 장치의 개질기(1)의 추가 실시예는 도 5에 나타낸다. 개질기(1)는 에너지 캐리어로서 석탄을 이용할 수 있는 석탄 기화 장치로서 설계되며, 석탄을 합성가스로 전환시킨다.
이러한 목적을 위하여, 석탄은 유입구(2)를 통해 도입되며, 산소는 유입구(3)을 통하여 챔버(14)에 도입된다. 추가 유입구(27)에 의하여, 물은 액체 또는 가스상으로 챔버(14)에 공급된다.
열 에너지는 챔버(14)에서 석탄(2)의 일부를 산소로 연소시켜 생성된다. 이를 통하여, 석탄의 추가 부분은 물을 합성 가스로 전환시킨다. 그 후, 합성 가스는 배출구(9)를 통하여 제거된다. 잔여량은 퀀처(quencher)로서 기술된 챔버(14)의 하부에 고체상으로 전달되며, 배출구(17)을 통하여 제거된다. 따라서 개질 연소 장치는 석탄이 산소를 공급하여 연소되는 챔버(14)에 의해 형성된다.
개질기(1)는 추가 전기 가열 장치(20)을 통하여 종래의 석탄 기화 장치와 다르다. 물이 챔버(14)에 도입되기 전, 물은 전기 가열 장치로 가열될 수 있다. 특히, 물은 초임계적으로(super-critically) 가열될 수 있다.
전기 가열 장치(20)가 이러한 방식으로 열 에너지를 제공하는 한에 있어서, 적은 양의 석탄은 전체적으로 충분한 열 에너지를 생성하기 위하여 산소로 연소될 필요가 있다. 따라서, 제어 장치는 전기 가열 장치(20)의 화력에 의존하여 도입된 석탄 및 산소량을 조정하기 위해 적용될 수 있다. 화력이 높으면 도입되는 석탄 및 산소량이 적다.
그러나, 원칙적으로, 다른 점에서 열 에너지를 공급하는 전기 가열 장치가 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 예를 즐어 가열 소자(heating elements)는 챔버(14) 내에 배치될 수 있다.
또한, 전기 가열 장치는 열을 유도하도록 설계될 수 있다. 이러한 예는 도 3에 나타낸다. 처음 나타낸 전기 가열 장치(20)은 하나 이상의 코일(22)를 가지며, 하나 이상의 코일(22)에 의해 대체 전압이 공급된다. 이로 인하여, 다중 전기장이 전도성 물질(23), 예를 들어 페라이트 코어(ferrite core, 23)을 통하여 공급된다. 가열되는 매체는 열 전도성 물질(24)을 통하여 유도되는 채널부(channel, 21)을 통하여 전달된다. 전기장을 통하여, 전류는 물질에 유도되어서, 채널부(21)에서 매체로 전달되는 열이 생성된다. 전기 에너지를 전환하는 비용이 효과적인 가능성 및 빠르게 조정 가능한 가능성이 제공된다. 빠른 조정은 스위치(25)를 통해 형성된다. 스위치(25)는 전도성 물질(23)에서 에어 갭(air gap)을 폐쇄할 수 있으며, 이로 인하여, 전도성 물질(23)이 폐쇄링(closed ring)을 형성한다. 이로 인하여, 전도성 물질(23)에서 자기장의 가이딩(guiding)이 증가된다.
이 후 종래의 발전 장치의 적용을 위하여, 바람직하게 개질기가 변경되어야 한다. 다음의 장치, 특히 버너 장치, 터빈 장치 및 발전기는 변경되지 않게 유지된다.
바람직하게 예를 들어 석탄 또는 천연 가스와 같은 에너지 캐리어의 연소율을 특히 빠르게 변경하기 위해 본 발명에 따른 발전 장치를 형성한다. 따라서, 과잉 전기 에너지를 의미있게 이용할 수 있다. 그 결과, 연소될 화석 연료가 저장될 수 있다. 따라서, CO2 배출량은 바람직하게 감소된다.

Claims (13)

  1. - 열을 공급하여 에너지 캐리어가 연소 유체로 전환될 수 있는 개질기(reformer unit, 1);
    - 상기 연소 유체를 연소시켜 열 에너지를 생성할 수 있는, 버너 장치(burner unit, 30);
    - 상기 열 에너지로 회전 운동이 일어나는, 터빈 장치(turbine unit, 50); 및
    - 전력을 발생하기 위해 회전 운동으로 구동될 수 있는 발전기(60)를 포함하며,
    열을 공급하기 위해, 상기 개질기(1)는 상기 에너지 캐리어가 연소될 수 있는 개질 연소 장치(reformer burning device, 10)를 가지며,
    열을 공급하기 위하여, 상기 개질 연소 장치(10) 외에 전기 에너지가 열 에너지로 전환될 수 있는 전기 가열 장치(electric heating unit, 20)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 개질기(1)에서 생성될 수 있는 상기 연소 유체는 합성 가스인 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 개질기(1)는 석탄 기화 장치(coal gasification unit) 또는 석탄 액화 장치(coal liquefaction unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질기(1)는 가스가 에너지 캐리어로서 연소 유체로 전환될 수있는 가스 개질기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  5. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질기(1)는 열 에너지가 에너지 캐리어에 전달될 수 있는 열 교환기(19)를 가지며,
    상기 열 교환기(19)는 열 에너지를 배출하는데 상기 개질 연소 장치(10) 및 전기 가열 장치(20) 둘 다에 의해 이용될 수 있는, 발전 장치.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 가열 장치(20)는 전기 에너지를 열 에너지로 전환하도록 전기 저항 소자(29)를 가지는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 가열 장치(20)은 매체를 가열하는 플라즈마 토치(plasma torch)를 가지며,
    상기 플라즈마 토치에서, 상기 에너지 캐리어를 상기 연소 유체로 전환하기 위하여 열이 상기 에너지 캐리어에 전달 될 수 있는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 가열 장치(20)는 상기 매체를 가열하도록 유도 수단(22, 23)을 가지며,
    상기 유도 수단(22, 23)의 화력은 상기 유도 수단의 자기 저항을 변경하여 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 가열 장치(20)의 화력을 증가하고 상기 개질 연소 장치(10)의 화력을 감소할 수 있는, 또한 반대로 할 수 있는, 제어 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 전기 가열 장치(20)의 화력을 증가하고 및 상기 개질 연소 장치(10)의 화력을 감소하기 위해, 외부 전력 네트워크에서 이용 가능한 전기 에너지량에 의존하여 제어 장치가 적용되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  11. 제 9항 또는 10항에 있어서,
    상기 연소 유체가 생성되는 속도가 일정하게 유지되거나 미리 정의된 최대 변화속도에 의해 최대한 변경되도록, 상기 제어 장치에 의해 상기 전기 가열 장치(20) 의 화력 및 상기 개질 연소 장치(0)의 화력이 서로 의존하여 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  12. 제 9항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질기(1)의 온도가 상기 에너지 캐리어가 상기 연소 유체로 전환될 수 있는 미리 정의된 타켓 범위에 있도록, 상기 제어 장치에 의해 상기 전기 가열 장치(20)의 화력 및 상기 개질 연소 장치(10)의 화력이 서로 의존하여 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  13. 특히 제 1항 내지 12항 중 어느 한 항에 따른 발전 장치로 전력을 발생시키는 방법으로서,
    - 개질기(1)에 열을 공급하여 에너지 캐리어가 연소 유체로 전환되며,
    - 열을 공급하기 위하여 상기 에너지 캐리어가 개질 연소 장치(10)로 연소되며,
    - 상기 연소 유체가 버너 장치(30)에서 연소되어서 열 에너지가 생성되고,
    - 상기 열 에너지는 터빈 장치(50)에서 회전 운동하도록 전환되고,
    - 발전기(60)은 회전 운동으로 구동되며, 이로 인하여 전력이 발생하며,
    상기 개질 연소 장치(10)에 의해 공급되는 열 외에, 전기 에너지가 열 에너지로 전환되는 전기 가열 장치(20)로 열이 공급되는 것을 특징으로 하는, 전력을 발생시키는 방법.

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