KR20170124278A - 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 구비한 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 초임계 이산화탄소를 냉각하기 위한 냉각매체로 활용하는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 초임계 이산화탄소를 운동 유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소는 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스에 의해 냉각되는 시스템을 제공한다.

Description

초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 구비한 선박{Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System and Ship having the same}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 초임계 이산화탄소를 냉각하기 위한 냉각매체로 활용하는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
선박이나 해상에 마련되는 해양 플랜트에는 추진이나 각종 장치들의 구동 등을 위해 동력이 필요하다. 따라서 이러한 동력을 공급하기 위한 동력 생산 시스템이 구비될 필요가 있다.
예컨대, 증기 터빈을 포함하는 발전 설비는 연료를 연소시킬 때 발생하는 연소열로 증기를 발생시켜 이를 이용해 발전한다. 발전 설비의 증기 사이클에서 발전기 구동 후 배출된 증기를 복수시키는 것은 증기 사이클 효율과 관련된 중요한 과정이다. 에너지 활용 측면에서 보면 화력 발전기의 경우 투입 연료의 40% 정도만 전기로 변환되고, 13% 정도는 연소과정과 발전기에서 손실되고, 47% 정도는 냉각수에 의해 손실되고 있다. 또한 증기의 복수 과정에서 사용된 냉각수는 온도가 상승하므로 그대로 배출하게 되면 환경에 중대한 영향을 끼치며, 화석 연료의 연소에 따른 배기가스 발생도 문제된다.
따라서, 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있으며, 최근 들어 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 31℃, 74 기압으로, 임계점이 373.95℃, 217.7 기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 550℃에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다. 또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed cycle)로 운영되는 경우가 대부분이기 때문에 공해물질 배출 감소에 큰 도움이 될 수 있다.
따라서, 증기 터빈 대신에 이러한 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 고려한 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0024495호(2016.03.07.)
본 발명은 상기와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 초임계 이산화탄소를 냉각하기 위한 냉각매체로 활용하는 초임계 이산화탄소 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 초임계 이산화탄소를 운동 유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소는 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스에 의해 냉각되는, 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전부는, 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기; 상기 냉각기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 열교환되는 히터; 및 상기 히터에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되는 상기 터빈;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 냉각기에서 열 교환된 증발가스는 상기 히터에 공급되어 연소되는 것이 바람직하다.
상기 냉각기에서 초임계 이산화탄소는 냉매와 열교환되고, 상기 냉각기에서 열교환된 냉매는 제 2 냉각기에서 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스와 열교환되는 것이 바람직하다.
상기 LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스는, 상기 냉각기에서 초임계 이산화탄소와 열교환된 후, 상기 히터에 공급되고, 제 3 냉각기에서 냉매와 열교환된 후, 상기 히터에 공급되며, 상기 제 3 냉각기에서 열교환된 냉매는 기계나 전기장비가 냉각되는데 활용되는 것이 바람직하다.
상기 냉매는 해수나 프로필렌인 것이 바람직하다.
상기 압축기는 가변주파수구동(VFD) 모터를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 초임계 이산화탄소 발전시스템을 이용하는 선박을 제공한다.
본 발명에 따르면, LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 연료로 소비하기 전에 냉각 매체로 활용함으로써, 추가 냉각 장치가 필요 없으므로, CAPEX(Capital expenditures, 자본지출) 측면에서 유리하며, 냉각 팬을 구동하기 위한 모터가 불필요하므로 에너지 소모를 줄여 OPEX(Operation Expenditure, 운영비용)에 긍적적인 효과가 있다.
또한, 가스 터빈의 폐열을 활용하므로 선박의 전체적인 연료 소비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 적용할 경우 증기 터빈에 대비하여 약 20% 이상의 높은 발전 효율을 가지며, 설치 면적이 크게 감소하여 선박에 설치될 경우 화물 적재량을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 가스 터빈과 초임계 이산화탄소 터빈으로 복합 발전하여 생산된 잉여 전력을 배터리 충전 장치에 저장하여 사용함으로써 전력을 효율적으로 활용하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)은 초임계 이산화탄소를 운동 유체로 사용하여 터빈(111)을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부(110)를 포함하며, 초임계 이산화탄소는 LNG 저장탱크(120)에서 발생하는 증발가스에 의해 냉각될 수 있다.
천연가스의 액화온도는 상압에서 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 쉽게 증발된다. 예컨대, LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의한 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.
증발가스는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이며, LNG 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하는 것은 매우 중요한 문제이다.
본 발명에서는 LNG 저장 탱크에서 기화된 증발가스가 -120 ~ -130℃의 매우 낮은 온도 상태이므로 초임계 이산화탄소의 냉각 매체로 활용한다.
초임계 이산화탄소 발전부(110)는 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기(114), 냉각기(114)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기(115), 압축기(115)에서 압축된 초임계 이산화탄소가 열교환되는 히터(118), 및 히터(118)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되는 터빈(111)을 포함할 수 있으며, 터빈(111)에서 배출되는 고온의 초임계 이산화탄소는 다시 냉각기(114)로 공급되어 재순환될 수 있다.
터빈(111)에서 배기된 초임계 이산화탄소는 실시례에 따라 차이가 있으나 400 ~ 500℃의 매우 고온이므로, 이를 냉각하기 위해 냉각기(114)에 공급되며, LNG 저장 탱크(120)는 기화된 증발가스로 인해 높은 압력 상태에 있으므로, 이 압력으로 증발가스를 별도의 장치 없이 기체 상태로 냉각기(114)로 이송할 수 있다.
따라서, 냉각기(114)에서 LNG 저장 탱크(120)에서 이송된 저온의 증발가스와 터빈에서 배기된 고온의 초임계 이산화탄소가 직접 열교환되어 초임계 이산화탄소는 냉각되고, 증발가스는 가열된다.
가열된 증발가스는 히터(118)에 연로로 공급되어 연소될 수 있으며, 연소된 고온의 연소가스는 초임계 이산화탄소에 열을 공급하고 외부로 배기될 수 있다.
압축기(115)는 가변 주파수 구동(VFD)형태의 모터(116)가 연결되고, 인버터를 장착하여 압축기(115)의 압축비를 조절할 수 있다.
터빈(111)에 의해 전력을 생산하는 발전기(112)는 생산된 전력을 선박의 추진용 모터에 인가하여 회전력을 생성하도록 하며, 추진용 모터의 회전력에 의해 선박의 프로펠러에 추진력을 생성하도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(200)은 초임계 이산화탄소 발전부(110)의 냉각기(114)에서 초임계 이산화탄소와 증발가스가 간접적으로 열교환하기 위한 구성으로서, 냉각기(114)에서 초임계 이산화탄소는 냉매와 열교환되고, 냉각기(114)에서 열교환된 냉매는 제 2 냉각기(224)에서 LNG 저장탱크(120)에서 발생하는 증발가스와 열교환되도록 할 수 있으며, 제 2 냉각기(224)에서 열교환된 증발가스는 히터(118)에 공급된다.
즉, 냉매는 증발가스와 열교환되어 냉각된 후, 초임계 이산화탄소와 열교환으로 초임계 이산화탄소가 냉각되도록 하여, 증발가스와 초임계 이산화탄소 사이에서 간접 냉각이 이루어지도록 할 수 있다.
제 2 냉각기(224)에서 증발가스와 열교환으로 냉각된 냉매는 펌프(225)에 의해 냉각기(114)로 공급될 수 있으며, 냉매로는 해수나 프로필렌 등이 사용될 수 있다.
제 2 냉각기(224)에서 해수를 냉매로 사용하여 증발가스로 냉각할 때 해수 온도가 어는점 아래로 내려가 어는 상황이 발생할 수 있을 경우는 해수의 양을 늘려 온도 변화를 줄일 수 있으며, 프로필렌과 같이 어는점이 -185℃ 로 낮은 냉매를 사용할 수도 있다.
다른 구성이나 작용은 앞서 설명한 제 1 실시례와 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(300)은 LNG 저장 탱크(120)에서 기화된 증발가스를 초임계 이산화타소를 냉각하는데 활용될 뿐만 아니라, 선박 내 사용되는 기계나 전기장비(326)를 냉각시키기 위한 냉매를 냉각하는 데도 활용될 수 있다.
즉, LNG 저장 탱크(120)에서 발생하는 증발가스는 냉각기(114)에 공급됨과 동시에 제 3 냉각기(324)에 공급되도록 하여, 냉각기(114)에서 초임계 이산화탄소와 열교환된 후 히터(118)에 공급되고, 제 3 냉각기(324)에서 냉매와 열교환된 후 히터(118)에 공급될 수 있으며, 제 3 냉각기(324)에서 열교환된 냉매는 기계나 전기장비(326)에 공급되어 가열된 기계나 전기장비를 냉각하는데 활용될 수 있다.
제 3 냉각기(324)에서 증발가스와 열교환으로 냉각된 냉매는 펌프(325)에 의해서 기계나 전기장비(326)를 냉각하기 위해 공급될 수 있으며, 냉매로는 해수나 프로필렌 등이 사용될 수 있다.
다른 구성이나 작용은 앞서 설명한 제 1 실시례와 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템 및 이를 구비한 선박은 LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 연료로 소비하기 전에 냉각 매체로 활용함으로써, 추가 냉각 장치가 필요 없으므로, CAPEX 측면에서 유리하며, 냉각 팬을 구동하기 위한 모터가 불필요하므로 에너지 소모를 줄여 OPEX 에 긍적적인 효과가 있다.
또한, LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 대기로 방출하지 않고, 연료로 소비하여 열원으로 확보할 수 있으며, 가스 터빈의 폐열을 활용하므로 선박의 전체적인 연료 소비를 줄일 수 있는 이점이 있으며, 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 적용할 경우 증기 터빈에 대비하여 약 20% 이상의 높은 발전 효율을 가지며, 설치 면적이 1/20로 크게 감소하여 설치 면적이 한정된 선박에 설치함으로써 화물 적재량을 증가시킬 수 있는 큰 장점이 있다.
또한, 엔진의 경우 다수의 부품으로 이루어져 있고, 내연기관 특성상 고온,고압의 연소 환경으로 인하여 엔진 내 부품, 특히 실린더, 피스톤, 베어링, 흡기&배기 밸브 등에 대한 정기적인 교환 및 수리가 필요하지만, 가스 터빈의 경우 외연기관으로 터빈 블레이드(turbine blade)를 관리해줄 경우 유지관리 비용이 엔진에 비해 휠씬 줄어드는 이점이 있다.
또한, 가스 터빈과 초임계 이산화탄소 터빈으로 복합 발전하여 생산된 잉여 전력을 배터리 충전 장치에 저장하여 사용함으로써 전력을 효율적으로 활용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 상기 실시례에 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.
110 : 초임계 이산화탄소 발전부 111 : 터빈
112 : 발전기 114 : 냉각기
115 : 압축기 116 : 모터
118 : 히터 120 : LNG 저장탱크
224 : 제 2 냉각기 225, 325 : 펌프
324 : 제 3 냉각기 326 : 전기장비

Claims (8)

  1. 초임계 이산화탄소를 운동 유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며,
    상기 초임계 이산화탄소는 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스에 의해 냉각되는, 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부는,
    초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기;
    상기 냉각기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 열교환되는 히터; 및
    상기 히터에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되는 상기 터빈;을 포함하는, 복합 발전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각기에서 열 교환된 증발가스는 상기 히터에 공급되어 연소되는, 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각기에서 초임계 이산화탄소는 냉매와 열교환되고,
    상기 냉각기에서 열교환된 냉매는 제 2 냉각기에서 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스와 열교환되는, 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스는,
    상기 냉각기에서 초임계 이산화탄소와 열교환된 후, 상기 히터에 공급되고,
    제 3 냉각기에서 냉매와 열교환된 후, 상기 히터에 공급되며,
    상기 제 3 냉각기에서 열교환된 냉매는 기계나 전기장비가 냉각되는데 활용되는, 초임계 이산화탄소 발전 시스템
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉매는 해수나 프로필렌인, 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 압축기는 가변주파수구동(VFD) 모터를 구비하는, 복합 발전 시스템.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 초임계 이산화탄소 발전시스템을 이용하는 선박.
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