KR20190051178A - 신재생 에너지 서비스 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20190051178A
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신지영
김건태
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숙명여자대학교산학협력단
울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 신재생 에너지를 효율적으로 저장하고 활용하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산 단계; 상기 전기에너지 생산 단계를 통해 생산된 전기에너지를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생산 단계; 상기 수소 생산 단계를 통해 생산된 수소로부터 암모니아를 생산하는 암모니아 생산 단계; 상기 암모니아 생산 단계를 통해 생산된 암모니아를 저장하는 저장 단계; 및 상기 저장 단계에서 저장된 암모니아를 에너지 수요처로 운반하여 공급하는 운반 단계를 포함하는 신재생 에너지 서비스 방법이 제공된다.

Description

신재생 에너지 서비스 방법 및 시스템 {SERVICE METHOD AND SYSTEM OF RENEWABLE ENERGY}
본 발명은 신재생 에너지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신재생 에너지를 효율적으로 저장하고 활용하는 서비스 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 태양광, 풍력 및 지열과 같은 신재생 에너지는 간헐성 문제를 가지고 있는데, 이를 해결하기 위해 신재생 에너지는 다른 형태의 에너지로 변환되어 저장된다.
신재생 에너지를 저장하는 방법에는 크게 신재생 에너지를 전기에너지로 변환하여 저장하는 방법과, 수소와 같은 화학 에너지로 변환하여 저장하는 방법이 있다. 최근에는 신재생 에너지를 수소로 변환하여 저장하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 액화 수소를 만드는 데 고도의 기술과 큰 비용이 들고 고압을 견딜 수 있는 저장 시설을 필요로 하기 때문에, 저장 및 운반에 있어서 실용성이 낮다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1417951 "연료전지와 가스엔진의 복합 하이브리드 다중 생산 시스템" (2014.07.10.)
본 발명의 목적은 신재생 에너지의 저장 및 운반이 용이하여 활용성이 향상된 신재생 에너지 서비스 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 신재생 에너지를 경제적이고 안전하게 저장하고 운반할 수 있는 신재생 에너지 서비스 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산 단계; 상기 전기에너지 생산 단계를 통해 생산된 전기에너지를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생산 단계; 상기 수소 생산 단계를 통해 생산된 수소로부터 암모니아를 생산하는 암모니아 생산 단계; 상기 암모니아 생산 단계를 통해 생산된 암모니아를 저장하는 저장 단계; 및 상기 저장 단계에서 저장된 암모니아를 에너지 수요처로 운반하여 공급하는 운반 단계를 포함하는 신재생 에너지 서비스 방법이 제공된다.
상기 신재생 에너지 서비스 방법은 상기 에너지 수요처로 공급된 암모니아를 수소로 재변환하는 수소 재변환 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 수소 재변환 단계는 암모니아를 전기분해하여 암모니아를 수소로 변환할 수 있다.
상기 신재생 에너지 서비스 방법은 상기 에너지 수요처로 공급된 암모니아를 연료전지의 연료로 공급하는 연료전지 적용 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수소 생산 단계는 상기 전기에너지 생산 단계에서 생산된 전기에너지를 이용하여 물을 전기분해함으로써 수소를 생산할 수 있다.
상기 암모니아 생산 단계는 상기 수소 생산 단계에서 생산된 수소를 하버-보슈법에 기반하여 암모니아로 변환할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산부; 전기에너지 생산부에서 생산된 전기에너지를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생산부; 상기 수소 생산부에서 생산된 수소로부터 암모니아를 생산하는 암모니아 생산부; 상기 암모니아 생산부에서 생산된 암모니아를 저장하는 암모니아 저장부; 및 상기 암모니아 저장부에 저장된 암모니아를 에너지 수용처로 운반하는 운반 수단을 포함하는 신재생 에너지 서비스 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 신재생 에너지에 의해 생산된 전기에너지를 이용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 저장 및 운반이 용이한 암모니아로 변환하여 저장하고 에너지 수요처로 운반하여 수소로 재변환하거나 연료전지의 연료로 공급되므로, 신재생 에너지의 활용성이 현저하게 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 서비스 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 신재생 에너지 서비스 방법을 수행하는 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 서비스 방법이 순서도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 서비스 방법은 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산 단계(S10)와, 전기에너지 생산 단계(S10)를 통해 생산된 전기에너지를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생산 단계(S20)와, 수소 생산 단계(S20)를 통해 생산된 수소로부터 암모니아를 생산하는 암모니아 생산 단계(S30)와, 암모니아 생산 단계(S30)를 통해 생산된 암모니아를 저장하는 저장 단계(S40)와, 저장 단계(S40)를 통해 저장된 암모니아를 에너지 수요처로 이동시키는 운반 단계(S50)와, 운반 단계(S50)를 통해 에너지 수요처로 이동된 암모니아를 수소로 재변환하는 수소 재변환 단계(S60)와, 운반 단계(S50)를 통해 에너지 수요처로 이동된 암모니아를 연료전지의 연료로 공급하는 연료전지 적용 단계(S70)를 포함한다.
전기에너지 생산 단계(S10)에서는 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지가 생산된다. 전기에너지 생산 단계(S10)에서 전기에너지 생산에 이용되는 신재생 에너지는 태양광, 풍력, 지열, 조력 및 파력 등 전기에너지 생산에 사용될 수 있는 종래의 모든 신재생 에너지를 포함한다. 전기에너지 생산 단계(S10)에서는 통상적인 태양광 발전, 풍력 발전, 지열 발전, 조력 발전 및 파력 발전 등에 의해 전기에너지가 생산될 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 전기에너지 생산 단계(S10)를 통해 생산된 전기에너지는 수소 생산 단계(S20)의 수행에 활용된다.
수소 생산 단계(S20)에서는 전기에너지 생산 단계(S10)를 통해 생산된 전기에너지를 이용하여 수소가 생산된다. 구체적으로 수소 생산 단계(S20)에서 수소는 물의 전기분해를 통해 생산되며, 물의 전기분해 반응에 필요한 전기에너지로서, 전기에너지 생산 단계(S10)를 통해 생산된 전기에너지가 사용되는 것이다. 물의 전기분해 반응식은 아래 화학식 1 및 화학식 2와 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
화학식 1은 산화전극(anode)에서 일어나는 산화반응이며, 화학식 2는 환원전극(cathode)에서 일어나는 환원반응이다. 본 실시예에서는 수소 생산 단계(S20)에서 사용되는 수소의 생산 방식이 물의 전기분해인 것으로 설명하지만, 이와는 다른 방식으로서 전기에너지 생산(S20)를 통해 생산된 전기에너지를 이용하는 모든 수소 생산 방식이 본 발명에 포함된다.
수소 생산 단계(S20)를 통해 생산된 수소는 암모니아 생산 단계(S30)에서 암모니아 생산을 위해 사용된다. 종래의 기술에서는 생산된 수소가 저장시설로 보내져서 저장되는데, 수소의 녹는점은 -259.14℃이고 끓는점은 -252.87℃이기 때문에 저장을 위해 액화수소를 만드는 과정에 상당한 기술과 비용을 필요로 한다. 하지만, 본 발명에서 수소 생산 단계(S20)를 통해 생산된 수소는 암모니아 생산 단계(S30)에 바로 사용되기 때문에, 액화수소를 만들고 저장하기 위한 시설이 필요없게 된다. 즉, 수소 생산 단계(S20)를 통해 생산된 수소 가스는 액화 과정이나 저장 과정없이 바로 암모니아 생산 단계(S30)에 사용된다.
암모니아 생산 단계(S30)에서는 수소 생산 단계(S20)에서 생산된 수소를 이용하여 암모니아가 생산된다. 즉, 수소 생산 단계(S20)에서 생산된 수소 가스를 이용하여 암모니아를 생산하는 것이다. 암모니아 생산 단계(S30)에서 사용되는 암모니아 합성법은 프리츠 하버와 카를 보슈가 개발한 하버-보슈법이 사용될 수 있다. 다음 화학식 3은 하버-보슈법에 따른 암모니아 합성 반응식이다.
Figure pat00003
하버-보슈법에 기반한 암모니아 합성 반응에서 온도를 높여서 반응 속도를 촉진시킬 경우, 일정 이상의 온도에서 반응 평형을 잃게 되어서 수율이 저하되는 문제가 있으므로, 고압을 이용하여 반응 평형을 정반응 쪽으로 이동시켜서 암모니아를 합성하는 것이 바람직하다. 본 발명은 암모니아 생산 단계(S30)에서 사용되는 암모니아 합성법이 하버-보슈법에 제한되는 것은 아니며, 수소로부터 암모니아를 합성할 수 있는 다른 모든 방식을 포함할 수 있다.
암모니아 생산 단계(S30)를 통해 생산된 암모니아는 저장 단계(S40)를 통해 저장된다. 즉, 신재생 에너지는 암모니아 에너지 형태로 저장되는 것이다.
저장 단계(S40)에서는 암모니아 생산 단계(S30)를 통해 생산된 암모니아 가스가 액화되어서 저장된다. 암모니아의 녹는점과 끓는점은 각각 -77.7℃와 -33.4℃로서, 암모니아 가스는 상온에서도 압축시키면 비교적 간단하게 액화시킬 수 있고, 20 대기압 정도에서 저장하여 보관할 수 있기 때문에, 초고비용의 인프라시설을 필요로 하는 수소에 비하여 저장 및 운반성이 뛰어나다.
저장 단계(S40)를 통해 저장 보관된 암모니아는 운반 단계(S50)를 통해 에너지 수요처로 운반되어 공급된다.
운반 단계(S50)에서는 저장 단계(S40)를 통해 저장된 암모니아가 에너지 수요처로 운반된다. 운반 단계(S50)를 통해 에너지 수요처로 이동한 암모니아는 수소 재변환 단계(S60)를 통해 수소로 재변환되거나, 연료전지 적용 단계(S70)를 통해 연료전지의 연료로 공급된다. 운반 단계(S50)에서는 암모니아를 운반용 용기에 저장하고 운반용 용기를 차량 등의 운송 수단을 이용하여 운반하는 방식이 사용될 수 있는데, 이와는 달리 저장 단계(S40)에서 저장된 암모니아를 이송관을 이용하여 수요처로 운반하는 방식도 가능하다.
수소 재변환 단계(S60)에서는 운반 단계(S50)를 통해 에너지 수요처로 이송된 암모니아가 에너지 수요처에서 수소로 재변환된다. 암모니아는 에너지 수요처에서 전기분해를 통해 수소로 재변환될 수 있다. 수소 재변환을 위한 암모니아의 전기분해에 필요한 에너지는 물의 전기분해에 필요한 에너지보다 훨씬 적다. 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하기 위해서는 1kg당 33와트의 에너지가 필요하지만, 암모니의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 경우에는 1kg당 1.55와트의 에너지만 필요하다. 수소 재변환 단계(S60)에서 수행되는 암모니아의 전기분해 반응식은 다음 화학식 4 및 화학식 5와 같다.
Figure pat00004
Figure pat00005
연료전지 적용 단계(S70)에서는 운반 단계(S50)를 통해 에너지 수요처로 이동된 암모니아가 연료전지의 연료로 공급된다. 이때 암모니아는 가스 형태로 연료전지의 연료극에 공급되어 촉매 반응에 의한 질소 및 수소로 분해된다. 분해된 수소는 양자화 되어서 전해질을 따라 공기극으로 이동한다. 연료극에서 암모니아의 촉매반응 반응식은 다음 화학식 6과 같다.
Figure pat00006
본 발명에 의하면, 도 1에 도시된 신재생 에너지의 서비스 방법을 수행하기 위한 신재생 에너지 서비스 시스템이 제공된다. 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 서비스 시스템이 블록도로서 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지의 서비스 시스템(100)은 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산부(110)와, 전기에너지 생산부(110)에서 생산된 전기에너지를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생산부(120)와, 수소 생산부(120)에서 생산된 수로로부터 암모니아를 생산하는 암모니아 생산부(130)와, 암모니아 생산부(130)로부터 생산된 암모니아를 저장하는 암모니아 저장부(140)와, 암모니아 저장부(140)에 저장된 암모니아를 에너지 수요처로 이동시키는 암모니아 운반 수단(150)과, 암모니아 운반 수단(150)을 통해 에너지 수요처로 이송된 암모니아를 수소로 재변환하는 수소 재변환부(160)와, 암모니아 운반 수단(150)을 통해 다른 에너지 수요처로 이송된 암모니아를 연료전지의 연료로 공급하는 연료전지 연료 공급부(170)를 포함한다.
전기에너지 생산부(110)는 태양광, 풍력, 지열, 조력 및 파력과 같은 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산한다. 이를 위하여, 전기에너지 생산부(110)는 태양광 발전기, 풍력 발전기, 지열 발전기, 조력 발전기 및 파력 발전기 등 통상적인 신재생 에너지 발전 수단을 포함한다. 전기에너지 생산부(110)에 의해 도 1의 전기에너지 생산 단계(S10)가 수행되며, 전기에너지 생산부(110)에 의해 생산된 전기에너지는 수소 생산부(120)로 공급되어서 수소 생산에 필요한 전기에너지로 사용된다.
수소 생산부(120)는 전기에너지 생산부(110)에서 생산된 전기에너지를 공급받아서 물을 전기분해하여 수소를 생산한다. 수소 생산부(120)에 의해 도 1에 도시된 수소 생산 단계(S20)가 수행된다. 본 실시예에서는 수소를 생산하기 위해 물의 전기분해를 이용하는 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 물의 전기분해 외에 다른 다양한 방법이 이용될 수 있다. 본 발명의 특징은 수소를 생산하는 데에 필요한 전기에너지가 신재생 에너지를 이용하여 생산된다는 것이다. 수소 생산부(120)에서 생산된 수소는 암모니아 생산부(130)로 공급되어서 암모니아 생산에 사용된다.
암모니아 생산부(130)는 수소 생산부(120)에서 생산된 수소로부터 암모니아를 합성하여 암모니아를 생산한다. 암모니아 생산부(130)에 의해 도 1에 도시된 암모니아 생산 단계(S30)가 수행된다. 본 실시예에서는 암모니아 생산부(130)에서 사용되는 암모니아 생산 방식이 하버-보슈법에 기반한 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 암모니아 생산부(130)에서 생산된 암모니아는 암모니아 저장부(140)에서 저장된다.
암모니아 저장부(140)는 암모니아 생산부(130)에서 생산된 암모니아가 수용액 형태로 저장한다. 암모니아 저장부(140)에 의해 도 1에 도시된 저장 단계(S40)가 수행된다. 암모니아는 상온에서도 압축시키면 비교적 쉽게 액화시킬 수 있기 때문에, 고비용이 소요되는 수소의 액화 및 저장 시설에 비해 암모니아 저장부(140)는 훨씬 경제적으로 신재생 에너지를 저장할 수 있다. 암모니아 저장부(140)에 저장된 암모니아는 운반 수단(150)에 의해 에너지 수요처로 운반된다.
운반 수단(150)은 암모니아 저장부(140)에 저장된 암모니아를 에너지 수요처로 운반한다. 운반 수단(150)에 의해 도 1에 도시된 운반 단계(S50)가 수행된다. 운반 수단(150)은 운반 용기에 저장된 암모니아를 에너지 수요처로 운반하는 차량과 같은 운송 수단이 사용될 수 있는데, 이와는 달리 암모니아 저장부(140)와 에너지 수요처의 사이를 연결하는 이송관일 수도 있다.
운반 수단(150)에 의해 암모니아 저장부(140)에 저장된 암모니아는 에너지 수요처로 운반되는데, 구체적으로는 에너지 수요처에 설치되는 수소 재변환부(160) 또는 연료전지 연료 공급부(170)로 운반된다.
수소 재변환부(160)는 운반 수단(150)에 의해 운반되어 공급된 암모니아를 수소로 재변환한다. 수소 재변환부(160)에 의해 도 1에 도시된 수소 재변환 단계(S60)가 수행된다. 본 살시예에서 수소 재변환부(160)는 암모니아를 전기분해하여 암모니아를 수소로 변환하는 것으로 설명한다.
연료전지 연료 공급부(170)는 운반 수단(150)에 의해 운반되어 공급된 암모니아를 가스 형태로 연료전지에 연료로 공급한다. 연료전지 연료 공급부(170)에 의해 도 1에 도시된 연료전지 적용 단계(S70)가 수행된다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 신재생 에너지 서비스 시스템 110 : 전기에너지 생산부
120 : 수소 생산부 130 : 암모니아 생산부
140 : 암모니아 저장부 150 : 운반 수단
160 : 수소 재변환부 170 : 연료전지 연료 공급부

Claims (12)

  1. 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산 단계;
    상기 전기에너지 생산 단계를 통해 생산된 전기에너지를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생산 단계;
    상기 수소 생산 단계를 통해 생산된 수소로부터 암모니아를 생산하는 암모니아 생산 단계;
    상기 암모니아 생산 단계를 통해 생산된 암모니아를 저장하는 저장 단계; 및
    상기 저장 단계에서 저장된 암모니아를 에너지 수요처로 운반하여 공급하는 운반 단계를 포함하는 신재생 에너지 서비스 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 수요처로 공급된 암모니아를 수소로 재변환하는 수소 재변환 단계를 더 포함하는 신재생 에너지 서비스 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수소 재변환 단계는 암모니아를 전기분해하여 암모니아를 수소로 변환하는 신재생 에너지 서비스 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 수요처로 공급된 암모니아를 연료전지의 연료로 공급하는 연료전지 적용 단계를 더 포함하는 신재생 에너지 서비스 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 생산 단계는 상기 전기에너지 생산 단계에서 생산된 전기에너지를 이용하여 물을 전기분해함으로써 수소를 생산하는 신재생 에너지 서비스 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 암모니아 생산 단계는 상기 수소 생산 단계에서 생산된 수소를 하버-보슈법에 기반하여 암모니아로 변환하는 신재생 에너지 서비스 방법.
  7. 신재생 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산부;
    전기에너지 생산부에서 생산된 전기에너지를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생산부;
    상기 수소 생산부에서 생산된 수소로부터 암모니아를 생산하는 암모니아 생산부;
    상기 암모니아 생산부에서 생산된 암모니아를 저장하는 암모니아 저장부; 및
    상기 암모니아 저장부에 저장된 암모니아를 에너지 수용처로 운반하는 운반 수단을 포함하는 신재생 에너지 서비스 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 에너지 수용처로 공급된 암모니아를 수소로 재변환하는 수소 재변환부를 더 포함하는 신재생 에너지 서비스 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 수소 재변환부는 암모니아를 전기분해하여 암모니아를 수소로 변환하는 신재생 에너지 서비스 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 에너지 수용처로 공급된 암모니아를 연료전지의 연료로 공급하는 연료전지 연료 공급부를 더 포함하는 신재생 에너지 서비스 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 수소 생산부는 상기 전기에너지 생산부에서 생산된 전기에너지를 이용하여 물을 전기분해함으로써 수소를 생산하는 신재생 에너지 서비스 시스템.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 암모니아 생산부는 상기 수소 생산부에서 생산된 수소를 하버-보슈법에 기반하여 암모니아로 변환하는 신재생 에너지 서비스 시스템.
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