KR20160060207A - 액화 이산화탄소를 이용한 에너지 저장 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액체공기를 이용하여 에너지를 저장하는 방식이 아닌 이산화탄소를 액화시켜 에너지를 저장하는 방식으로서, 피크 오프 전력을 이용하여 액화시킨 액체 이산화탄소는 첨두부하 발생시 기화과정을 통해 고압의 기체로 변화되고, 이 고압의 이산화탄소 기체를 이용하여 발전기를 구동하여 필요 전력을 발생시킬 수 있도록 한 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템 및 방법으로서,
오프피크 전력 상황에서 이산화탄소를 가압하고 액화시킨 후 저장하는 액화 및 저장부와, 첨두부하 발생시 액체 이산화탄소를 기화시켜 전기를 얻는 발전부와, 상기 발전부에서 기화된 이산화탄소를 흡수하여 저장하다가 오프피크 전력 발생시 저장된 상기 이산화탄소를 액화 프로세스로 공급하는 공급부를 포함하며, 대규모의 저장 공간이 필요치 않고, 압력과 온도 제어가 훨씬 용이하며, 필요한 열원이 주변의 폐열원으로부터 얻어지므로 입력일이 줄어들게 되어 폐열원이 에너지 생산에 재활용 되고, 높은 증발잠열로 인하여 소규모 대용량의 에너지 저장시스템 구현이 가능하며, 반응성이 액체 산소보다 현저히 낮아서 안전한 운전이 가능한 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
오프피크 전력 상황에서 이산화탄소를 가압하고 액화시킨 후 저장하는 액화 및 저장부와, 첨두부하 발생시 액체 이산화탄소를 기화시켜 전기를 얻는 발전부와, 상기 발전부에서 기화된 이산화탄소를 흡수하여 저장하다가 오프피크 전력 발생시 저장된 상기 이산화탄소를 액화 프로세스로 공급하는 공급부를 포함하며, 대규모의 저장 공간이 필요치 않고, 압력과 온도 제어가 훨씬 용이하며, 필요한 열원이 주변의 폐열원으로부터 얻어지므로 입력일이 줄어들게 되어 폐열원이 에너지 생산에 재활용 되고, 높은 증발잠열로 인하여 소규모 대용량의 에너지 저장시스템 구현이 가능하며, 반응성이 액체 산소보다 현저히 낮아서 안전한 운전이 가능한 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
Description
본 발명은 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 피크 오프 전력을 이용하여 액화시킨 액체 이산화탄소는 첨두부하 발생시 기화과정을 통해 고압의 기체로 변화되고, 이 고압의 이산화탄소 기체를 이용하여 발전기를 구동시켜 필요 전력이 발생되도록 한 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍력은 재생가능하고 화석 연료 동력원보다 통상적으로 청정하므로 바람직한 에너지원이다.
풍력 터빈은 이동하는 공기의 에너지를 포착하여 전기적 동력으로 변화시킨다.
그러나 풍력은 매우 예측이 어렵고, 전력값의 최고 수요 시기(peak demand period)보다 저전력 수요 시기 동안에 특히 예측이 어렵다.
최고 수요 시기("상시" 출력(firm power)으로 알려져 있음) 동안에 전송의 확실성을 확보할 방법 없이는, 그리고 최고 값 피크 전력 시기 동안에 방출되는 최저 값 오프-피크(low-value off-peak) 전력을 저장하는 방법 없이는, 풍력 및 다른 간헐적(intermittent) 재생가능한 전력원의 성장은 제한될 수 있고, 이는 그 전체의 잠재적 에너지가 세계적으로 전체적인 동력 발생 포트폴리오로 이르는 것을 지체시킨다.
풍력과 같은 간헐적 동력원들의 다른 단점은 이 동력원이 전송 그리드(transmission grid)상에 들어오는 경우 시스템에 "밸런스" 문제들을 야기할 수 있고, 이는 새로운(특히 재생가능한) 전력 발생원의 전망에 주요한 장애요인이다.
천연가스(NG) 연료 터빈에 인접되거나 천연가스 연료 터빈과 연동되어 풍력 터빈들 또는 다른 간헐적 재생가능한 동력 자원들이 작동되면, 위 NG 터빈이 상기 풍력을 지원하므로 100%의 전력 확실성을 얻을 수 있다.
그러나 그러한 접근 방법은 NG 터빈의 작동 시간을 기초로 할 때 환경 등급을 감소시킬 수 있고, 2개의 동력 생산 시스템이 완전히 여분으로 될 필요가 있으므로 경제적으로 실행될 수 없고, 따라서 용량 이용 및 경제적 자원 재생이 감소된다.
더 중요한 점은 표준적인 풍력발전지역과 보조 NG 터빈(들)의 어느 것도 오프 피크 기간(off-peak period) 동안에 광범위하게 이용할 수 있는 풍력을 "저장" 할 수 없다는 점이다.
다른 타입의 실용 규모(utility scale) 동력원의 단점은 이들이 오프 피크 기간 동안 또는 간헐적으로 대량의 불필요한 양의 동력을 생산한다는 점이다.
현존하는 동력 시스템(상시 또는 간헐적 동력 시스템 모두)의 다른 주요 단점은 전송 라인이 자주 "폐색(clog ged)"되거나 과부하가 걸리고, 전송 시스템이 균형이 잡히지 않게 되는 점이다.
과부하가 걸리는 전송 라인에 대한 하나의 현재의 해결책은 "휠링(wheeling)"에 의해 동력을 전달하는 것인데, 이는 각 최종 수요자에게 특정 양의 동력을 전달하여, 어떠한 "동력 제품"이 동력 전달 시스템으로 들어가 그 시스템으로부터 제거된 다른 제품에 대하여 균형을 맞추도록 하는 것이다.
휠링용 전류저장 시스템을 사용하는 것의 단점은 동력 발생 시기의 대부분은 피크 수요 시간이 아니라는 점과, 피크 수요 시간과 실질적으로 겹치지 않는다는 점이다.
또 다른 단점은 모든 시간에 발생되는 동력 전송이 또한 피크 수요 시간과 실질적으로 겹치지 않는다는 점이다.
현존하는 (또는 이전에 제안되었던) 몇 안되는 실용 규모 동력원 시스템은 비효율적인 가열 및 냉각 회수 메카니즘을 가지며, 특히 가열 및 냉각 저장 매체용 다중 시스템이 요구되는 단점을 가지고 있다.
또 다른 단점은 많은 팽창기들 및 압축기들의 몇몇 전방-단부 요소들(front-end elements)이 동일 축 상에서 후방 단부 요소들(back-end elements)로부터 연결이 해제되도록 허용하는 "클러치들"과 통상적으로 동일 축 상에 있는 부가적인 복잡성이다.
몇몇의 현존하는 동력 설비들은 리큐퍼레이터(recuperator)와 함께 단순 사이클 가스 터빈을 사용하는데, 여기에서 전방-단부 압축기는 유입 공기를 압축하는 고열-가스 팽창기와 동일 축 상에 있다.
그러나 그러한 구성에서 동력 출력의 약 63%가 유입 공기를 압축하는데 바쳐진다.
따라서 어떠한 동력원, 특히 풍력과 같은 간헐적 동력원으로부터 확실성 있고 안정되고 일관성 있는 에너지 출력이 제공될 수 있는 시스템이 요구된다.
또한 베이스 부하와 같은 상시 동력원 및 간헐적 동력원 모두를 포함하여 오프 피크 기간 동안 대량의 동력을 발생시키는 동력 발생원들과 연동되어 사용될 수 있는 편리한 동력 저장 시스템이 제공될 필요성이 있다.
게다가 효율적인 가열 및 냉각 회수 메커니즘을 가진 동력 저장 및 방출 조립체 및 더욱 간단하고 더욱 효율적인 압축 및 팽창 시스템이 요구된다.
이에, 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 공개특허공보 10-2011-0120974호(공개일: 2011.11.04)에 개시된 액체 공기 생산, 동력 저장 및 동력 방출 시스템 및 장치가 제안되었다.
상기한 바와 같은 공개특허에서는 액체공기를 이용한 에너지 저장 시스템은 영하 190℃ 내외로 공기를 액화시키면서 오프피크 전력을 저장한 후에, 첨두부하 발생시 액체공기를 기체화하여 연소공정을 거치면서 전력을 생산하는 방법에 대해 소개되어 있다.
압축공기를 이용하여 에너지를 저장하던 일반적 CAES 발전 방법에서 압축공기 저장을 위해 대규모의 저장 공간이 필요하다는 입지적 제약조건을 극복하고자, 부피가 매우 작으면서도 에너지 저장량이 큰 액화 공기를 새로운 에너지 저장매체로 활용하였다.
이를 통해, 상기 공개특허는 시설 투자비용을 절약하면서 에너지 저장량을 극대화하는 방법으로 액체공기 생산과 저장 및 동력 방출 시스템을 제시하였다.
상술한 바와 같이 상기 공개특허는 공기를 액화하여 에너지를 저장하는 방법으로 새로운 에너지 저장 기술을 제안하였다.
다만 상기 공개특허에서의 문제점은 공기의 액화온도(-190℃)가 너무 낮아서 액화공기의 생산과 안정적인 저장상태의 유지가 힘들다는 점이다.
특히, 액화공기를 생산하고 저장하는 기기들은 극저온 상태에서 작동되어야 하므로, 특수재질로 제작되어야 하며 액체공기에 의한 산화나 부식 등으로 인해 운전 수명도 짧아질 수밖에 없다.
또한 액체공기의 저장에서 -190℃의 온도를 유지하기 위해, 고비용의 단열기술 및 온도 유지 기법이 필요하다.
따라서 액화공기의 생산이 보다 용이하면서 보다 저렴한 비용으로 안정적인 저장이 가능하게 되어 첨두부하 발생시 적절하게 저장된 에너지를 공급할 수 있는 에너지 저장 및 발전 시스템이 요구되는 상황이다.
공개특허공보 10-2011-0120974 (공개일: 2011.11.04)
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 액체공기를 이용하여 에너지를 저장하는 방식이 아닌 이산화탄소를 액화시켜 에너지를 저장하는 방식으로, 피크 오프 전력을 이용하여 액화시킨 액체 이산화탄소는 첨두부하 발생시 기화과정을 통해 고압의 기체로 변화되고, 이 고압의 이산화탄소 기체를 이용하여 발전기를 구동하여 필요 전력을 발생시킬 수 있도록 한 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템은, 오프피크 전력 발생시 이산화탄소를 가압하고 액화시킨 후 저장하는 액화 및 저장부와, 첨두부하 발생시 액체 이산화탄소를 기화시켜 전기를 얻는 발전부와, 상기 발전부에서 기화된 이산화탄소를 흡수하여 저장하다가 오프피크 전력 발생시 저장된 상기 이산화탄소를 액화 프로세스로 공급하는 공급부를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 액화 및 저장부는 압축기와, 냉동기와, 팽창밸브와, 기수분리기 및 액체이산화탄소 저장기가 차례로 연결되어 이루어지고, 기수분리기에서 압축기 입구로 다시 복귀시키는 복귀관이 별도로 구비되어 기수분리기 내의 액체는 액체이산화탄소 저장기로 이송되고 기체는 복귀관을 통하여 다시 압축기로 이송되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 발전부는 액체 이산화탄소 저장기로부터 배출되는 액체 이산화탄소를 가압시키는 액체펌프와, 액체펌프로부터 배출되는 가압된 액체 이산화탄소를 외부열원으로 증발시키는 증발기와, 증발기에서 기화되는 이산화탄소로 회전되는 터빈으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 공급부는 상기 터빈을 통과한 기체 이산화탄소를 흡착시키는 흡착제 또는 흡착액이 내장되는 이산화탄소 포집기와, 오프피크 전력 발생시 상기 흡착제 또는 흡착액으로부터 이산화탄소를 분리시키기 위한 외부 열원으로 이루어진다.
이때 바람직하게는 상기 액화 및 저장부의 외부열원과, 상기 발전부의 외부열원은 모두 재활용되는 폐열인 것을 특징으로 하게 된다.
따라서 상기 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템을 이용하는 에너지 저장 방법은, 오프피크 전력 발생시 이산화탄소를 가압하고 액화시킨 후 저장하는 액화 및 저장 프로세스와, 첨두부하 발생시 액체 이산화탄소를 기화시켜 전기를 얻는 발전 프로세스와, 상기 발전 프로세스를 거친 이산화탄소를 흡수하여 저장한 뒤에 오프피크 전력 발생시 저장된 상기 이산화탄소를 액화 프로세스로 공급하는 공급 프로세스로 이루어지며, 상기 세 개의 프로세스는 하나의 순환 사이클로 형성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명을 이용하여 에너지 저장 및 발전 시스템을 구현할 경우 액체 이산화탄소를 저장하기 때문에, 기존 압축공기 저장을 이용한 에너지 저장방식(CAES)과 달리 대규모의 저장공간이 필요치 않는 이점이 있다.
둘째, 본 발명은 공기의 액화온도인 -190℃ 보다 훨씬 높은 -56.6℃ 이기 때문에 약간의 가압조건(5.1 기압)을 충족시켜주면 이산화탄소 액화/저장 및 보관 프로세스를 수행하기가 매우 수월하며, 시스템 구성에 활용되는 기기들도 극저온 프로세스에서의 구동조건이 아니므로 보다 저렴한 가격의 생산품으로 대체 가능하다.
셋째, 본 발명은 오프피크 전력 발생시 수행되는 이산화탄소의 포집과정과, 첨두부하 발생시 액체 이산화탄소의 기화과정에서 필요한 열원이 주변의 폐열원으로부터 얻어지므로 입력일이 줄어들게 되어 폐열원이 에너지 생산에 재활용 되는 효과가 있다.
넷째, 종래의 액체공기의 증발잠열이 124.87 kJ/kg 인데 반해, 본 발명의 액체 이산화탄소의 증발잠열은 350.24 kJ/kg 이므로 동일한 부피의 액체 이산화탄소를 저장할 경우 종래의 액체공기에 비하여 더욱 많은 에너지가 저장되어 소규모 대용량의 에너지 저장시스템 구현이 가능하다.
다섯째, 본 발명은 반응성이 높은 액체 산소를 포함하는 액체공기 저장 방식과 비교할 때, 액체 이산화탄소의 반응성이 상대적으로 낮기 때문에 설비가 보다 안전하게 운영될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템을 도시한 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템의 오프피크 전력 발생시의 구동 프로세스를 도시한 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템의 첨두부하 발생시의 구동 프로세스를 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템의 오프피크 전력 발생시의 구동 프로세스를 도시한 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템의 첨두부하 발생시의 구동 프로세스를 도시한 예시도이다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 전체 구성을 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에서 액화 및 저장부(10)에서 수행되는 액화 및 저장 프로세스를 나타내는 구성도이며, 도 3은 본 발명의 발전부(20)에서 수행되는 발전 프로세스를 나타내는 구성도이다. 여기서 이산화탄소의 공급부(30)는 액화 및 저장부(10)와 발전부(20) 사이에 위치되어 서로 관련성을 가지므로 도 2와 도 3에서 함께 도시되어 있다.
먼저 본 발명에 의한 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템의 전체 구성요소와 각 세부 구성요소 각각의 연결 및 작용 관계를 살펴본 다음 간략하게 본 발명에 의한 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템을 이용한 에너지 저장 방법을 설명하기로 한다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템을 살펴보면, 액화 및 저장부(10)는 오프피크 전력 발생시 이산화탄소를 가압하고 액화시킨 후 저장하는 작용을 하고, 발전부(20)는 첨두부하 발생시 액체 이산화탄소를 기화시켜 전기를 얻게 되며, 공급부(30)는 발전부에서 기화된 이산화탄소를 흡수하여 저장하다가 오프피크 전력 상황 발생시 저장된 이산화탄소를 액화 프로세스로 공급하는 작용을 하게 된다..
여기서 액화 및 저장부(10)는 압축기(11)와, 냉동기(12)와, 팽창밸브(13)와, 기수분리기(14) 및 액체이산화탄소 저장기(15)가 차례로 연결되어 이루어지고, 기수분리기(14)에서 압축기(11) 입구로 다시 복귀시키는 복귀관(16)이 별도로 구비되어 기수분리기(14) 내의 액체는 액체이산화탄소 저장기로 이송되고 기체는 복귀관(16)을 통하여 다시 압축기(11)로 이송된다.
그리고 발전부(20)는 액체 이산화탄소 저장기(15)로부터 배출되는 액체 이산화탄소를 가압시키는 저온액체펌프(21)와, 저온액체펌프(21)로부터 배출되는 가압된 액체 이산화탄소를 제1외부열원(25)으로 증발시키는 증발기(22)와, 증발기(22)에서 기화되는 이산화탄소에 의하여 회전되는 터빈(23)으로 이루어진다.
또한 공급부(30)는 터빈(23)을 통과한 기체 이산화탄소를 흡착시키는 흡착제 또는 흡착액이 내장되는 이산화탄소 포집기(31)와, 오프피크 전력 상황 발생시 상기 흡착제 또는 흡착액으로부터 이산화탄소를 분리시키기 위한 제2외부열원(35)으로 이루어진다.
이때 바람직하게는 발전부(20)의 제1외부열원(25)과, 공급부(30)의 제2외부열원(35)은 모두 재활용되는 폐열인 것을 특징으로 하게 된다.
따라서 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템을 이용하는 에너지 저장 방법은, 오프피크 전력 상황 발생시에 이산화탄소를 가압하고 액화시킨 후 저장하는 액화 및 저장 프로세스와, 첨두부하 상황 발생시에 액체 이산화탄소를 기화시켜 전기를 얻는 발전 프로세스와, 발전 프로세스를 거친 이산화탄소를 흡수하여 저장한 뒤에 오프피크 전력 상황 발생시 저장된 이산화탄소를 액화 프로세스로 공급하는 공급 프로세스로 이루어지며, 상기 세 개의 프로세스는 하나의 순환 사이클로 형성된다.
위에서 본 발명의 개략적인 구성을 살펴보았으므로 이하에서는 세부 구성과 작용을 좀 더 상세하게 살펴보기로 한다.
먼저 도 2를 참고하여 본 발명에서의 액화 및 저장부(10)의 구성과 작용을 살펴본다. 본 발명의 액화 및 저장부(10)에서는 기체 상태의 이산화탄소를 압축 및 냉각시켜 액체 상태로 만드는 과정이다.
액화 및 저장부(10)에서는 이산화탄소의 액화 및 저장을 위하여 압축기(11) 및 냉동기(12)의 구동이 필요하므로 전력이 소모된다. 따라서 오프피크 전력 발생시, 즉 최고 부하가 걸리는 피크 시간이 지나가고 전력 공급의 여유가 발생되는 상황일 때에만 이산화탄소의 액화 프로세스가 진행되게 함으로써 향후의 전력 소모 피크 시간을 대비하여 미리 에너지를 축적시킨다.
액화 및 저장부(10)로 유입되는 이산화탄소는 순서대로 압축, 냉동, 팽창, 기수분리의 과정을 거친 후 액체 이산화탄소 저장기(15)에서 액체 상태로 저장된다.
이때 도 4를 함께 참조하면 액화 및 저장부(10)의 원리가 한층 쉽게 이해될 수 있다. 도 4는 이산화탄소의 온도와 압력에 따른 상태도 곡선이다.
이산화탄소의 액화에서는 상대적으로 낮은 압력에서도 이산화탄소의 액체 상태가 유지되기 위하여 바람직하게는 이산화탄소의 삼중점(Triple point)에 근접한 상태로 만들어 줄 필요가 있다.
도 4에서 알 수 있듯이 이산화탄소가 압축되어 고압 상태로 될수록 기체영역(v)에서 액체영역(l)으로 근접하게 된다. 또한 온도가 낮아질수록 마찬가지로 액체영역(l)으로 근접한다.
따라서 압축기(11)로 이산화탄소를 가압시킨 다음 냉동기(12)에서 이산화탄소를 냉동시킨다. 이때 냉동과정을 거친 이산화탄소를 팽창밸브(13)에 의하여 급격하게 팽창시키면 온도는 급격하게 저하되어 더욱 액체 상태에 가까워지게 된다. 다만 팽창과정에서 일부 기화되거나 액체로의 상변화가 미처 이루어지지 못하여 기체상태로 잔존되는 이산화탄소는 기수분리기(14)에서 복귀 관(16)을 따라 다시 압축기(11)로 보내진다.
압축기(11)로 다시 보내진 기체 상태의 이산화탄소는 이미 온도가 충분히 낮은 상태이므로 압축기(11)와 냉동기(12)의 효율을 상승시키는 추가적인 효과가 발현 될 수 있다.
기수분리기(14) 내부의 액체 이산화탄소는 액체 이산화탄소 저장기(15)로 보내진다.
액체 이산화탄소 저장기(15)로 보내진 액체 이산화탄소는 첨두부하 발생시, 즉 전력 소모가 최대로 되는 시점에서 발전부(20)로 보내진다. 도 3에는 이산화탄소가 발전부(20)로 통과되면서 기화와 함께 발전이 일어나는 과정이 개략적인 구성도로 도시되어 있다.
발전부(20)에서는 액체 이산화탄소를 먼저 저온액체 펌프(21)에 의하여 증발기(22)로 이송시킨다.
증발기(22)에서 액체 상태의 이산화탄소는 기체 상태로 변화된다. 이러한 기화의 원동력은 제1외부열원(25)이다. 제1외부열원(25)은 바람직하게는 폐열원을 재활용시켜 조성된다. 폐열원의 종류는 아주 많은데, 자연적으로 생성되었다가 버려지는 지열이나 해수 온도차일 수도 있으며, 혹은 오폐수에서 얻어질 수도 있고, 산업현장의 각종 연소와 소각 후 버려지는 열일 수 있다.
이러한 폐열은 재활용하지 않으면 그냥 버려지게 되며, 재활용하지 않고 버려지게 되면 오히려 지구 온난화를 촉진시켜 환경을 파괴시키는 요인이 된다.
따라서 폐열원을 적극 활용할 수 있는 방안이 중요하다.
특히, 이산화탄소의 경우 증발 잠열은 액체공기의 증발 잠열에 비하여 훨씬 높다. 즉 액체공기의 증발 잠열은 124.87kJ/kg 인데 반하여 액체 이산화탄소의 증발 잠열은 350.24kJ/kg이다. 따라서 액체 이산화탄소가 기체로 되는 과정은 같은 질량의 액체공기의 기화 과정보다 더 많은 열량을 필요로 하게 된다.
따라서 액체공기에 비하여 액체 이산화탄소는 기화 과정에서 더 많은 폐열이 회수되어 환경오염이 감소될 뿐만 아니라 높은 증발 잠열로 인하여 발전 과정에서 잠열의 형태로 존재하는 에너지가 운동에너지로 변환되어 더 많은 에너지의 회수가 가능하게 되므로 비약적인 에너지 효율의 상승을 가져온다.
증발기(22)에서 기화된 이산화탄소는 증발기(22)에서 나와 터빈(23)으로 들어가서 터빈(23)을 구동시킨 다음 도 3과 같이 이산화탄소 포집기(31)로 들어가게 된다.
이산화탄소 포집기(31)에 내장되는 이산화탄소 흡착제 또는 흡착액으로는 액체 아민 등의 포집액이 사용될 수 있다. 그런데, 모노에탄올아민(MEA)과 같은 일차 수용액의 사용은 적용이 쉬운 반면, SO2, NOx 등으로 인한 용매의 화학적 분해로 인한 효율저하문제 등 개선할 문제들이 있다.
이때 디에탄올아민과 같은 이차 아민을 사용하면 반응열이 MEA보다 낮아 낮은 온도에서도 재생이 가능해지며, 삼차 아민을 사용하면 분해가 적고 재생에 적은 에너지가 소요된다. 그러나 실제 적용에서는 높은 분리 속도를 위하여 일차 및 이차 아민을 첨가한다.
포집된 이산화탄소는 이산화탄소 포집기 내에서 흡착제 또는 흡착액에 흡착된 상태로 유지된다. 그러다가 전력 상황이 오프피크 상태가 되면 앞서 설명된 액화 및 저장부(10)로 이산화탄소를 공급하기 위하여 흡착된 이산화탄소를 흡착제 또는 흡착액으로부터 분리시켜야 한다.
이때에도 흡착제에 따라 외부 열원이 요구되는데 이 때 사용되는 열원이 제2외부열원(35)이다. 제2외부열원(35)도 제1외부열원(25)과 마찬가지로 폐열이 사용되는 것이 바람직하다.
이렇게 하나의 사이클이 형성되며 전력 소비 상황에 따라 사이클은 계속 반복된다. 그리고 전력 수요량에 맞춰서 순환되는 이산화탄소 양을 조절할 수 있으며, 도시되지는 않았지만 전력 소비 상황에 맞춰서 이산화탄소의 액화와 저장 또는 이산화탄소의 기화에 의한 발전이 자동으로 수행될 수 있는 제어부를 별도로 둘 수 있다.
이렇게 하여 본 발명인 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템이 구성된다. 그리고 본 발명인 이산화탄소에 의한 에너지 저장 방법은 상기 설명에서 모두 함께 설명되었으므로 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10: 액화 및 저장부 11: 압축기
12: 냉동기 13: 팽창밸브
14: 기수 분리기 15: 액체 이산화탄소 저장기
16: 복귀관 20: 발전부
21: 저온 액체 펌프 22: 증발기
23: 터빈 25: 제1외부열원
30: 공급부 31: 이산화탄소 포집기
35: 제2외부열원
12: 냉동기 13: 팽창밸브
14: 기수 분리기 15: 액체 이산화탄소 저장기
16: 복귀관 20: 발전부
21: 저온 액체 펌프 22: 증발기
23: 터빈 25: 제1외부열원
30: 공급부 31: 이산화탄소 포집기
35: 제2외부열원
Claims (10)
- 오프피크 전력 발생시 이산화탄소를 가압하고 액화시킨 후 저장하는 액화 및 저장 프로세스와;
첨두부하 발생시 액체 이산화탄소를 기화시켜 전기를 얻는 발전 프로세스와;
상기 발전 프로세스를 거친 이산화탄소를 흡수하여 저장한 뒤에 오프피크 전력 발생시 저장된 상기 이산화탄소를 액화 프로세스로 공급하는 공급 프로세스; 를 포함하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 방법. - 제1항에 있어서,
상기 액화 및 저장 프로세스는 오프피크 전력 상황에서 기체 이산화탄소가 압축, 냉각 및 팽창 단계를 거쳐, 액화되는 이산화탄소는 이산화탄소 저장기로 보내고, 나머지 잔존 기체 상태의 이산화탄소는 다시 상기 압축, 냉각 및 팽창 단계를 거치도록 하는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 방법. - 제2항에 있어서,
상기 발전 프로세스는 첨두부하 발생시, 상기 액화 및 저장 프로세스를 거친 액체 이산화탄소를 펌프로 가압 이송하며 증발기로 보내고, 증발기에서 제1외부열원으로 기화시킨 다음, 터빈 내부로 통과시켜 전력이 생산되는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 방법. - 제3항에 있어서,
상기 공급 프로세스는 상기 터빈 내부를 통과한 기체 이산화탄소를 이산화탄소 흡착제 또는 흡착 액이 내장되는 이산화탄소 포집기 내에 보관하다가, 오프피크 전력 상황에서 이산화탄소 포집기를 제2외부열원으로 가열하여 기체 이산화탄소를 상기 흡착제 또는 흡착 액으로부터 분리한 다음, 상기 액화 및 저장 프로세스로 공급하는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 방법. - 제4항에 있어서,
제1 및 제2외부열원은 모두 재활용되는 폐열인 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 방법. - 오프피크 전력 상황에서 이산화탄소를 가압하고 액화시킨 후 저장하는 액화 및 저장부와;
첨두부하 발생시 액체 이산화탄소를 기화시켜 전기를 얻는 발전부와;
상기 발전부에서 기화된 이산화탄소를 흡수하여 저장하다가 오프피크 전력 발생시 저장된 상기 이산화탄소를 액화 프로세스로 공급하는 공급부;를 포함하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 액화 및 저장부는 압축기와, 냉동기와, 팽창밸브와, 기수분리기 및 액체이산화탄소 저장기가 차례로 연결되어 이루어지고, 기수분리기에서 압축기 입구로 다시 복귀시키는 복귀관이 별도로 구비되어 기수분리기 내의 액체는 액체이산화탄소 저장기로 이송되고 기체는 복귀관을 통하여 다시 압축기로 이송되는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 발전부는 액체 이산화탄소 저장기로부터 배출되는 액체 이산화탄소를 가압시키는 저온액체펌프와, 저온액체펌프로부터 배출되는 가압된 액체 이산화탄소를 제1외부열원으로 증발시키는 증발기와, 증발기에서 기화되는 이산화탄소에 의하여 회전되는 터빈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 공급부는 상기 터빈을 통과한 기체 이산화탄소를 흡착시키는 흡착제 또는 흡착액이 내장되는 이산화탄소 포집기와, 오프피크 전력 발생시 상기 흡착제 또는 흡착액으로부터 이산화탄소를 분리시키기 위한 제2외부열원으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 시스템. - 제9항에 있어서,
제1 및 제2외부열원은 모두 재활용되는 폐열인 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소에 의한 에너지 저장 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020140161589A KR20160060207A (ko) | 2014-11-19 | 2014-11-19 | 액화 이산화탄소를 이용한 에너지 저장 시스템 및 방법 |
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ID=57124456
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