KR20190073050A - 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화가스, 배기가스 및 해수를 이용하여 선내 전력을 생산함으로써, 화석연료의 사용량을 줄이고, 배기가스 배출 규제를 만족시킬 수 있는, 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템은, 액화가스를 연료로 사용하여 선박의 추진력을 제공하는 추진 엔진; 상기 액화가스를 개질하여 생성된 수소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지부; 및 상기 추진 엔진으로부터 추진 장치로 전달되는 에너지를 전력으로 변환하거나 선내 계통 전력을 상기 추진 장치로 전달하는 샤프트 제너레이터;를 포함할 수 있다.

Description

선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법 {Hybrid Generation System and Method for a Ship}
본 발명은 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화가스, 배기가스 및 해수를 이용하여 선내 전력을 생산함으로써, 화석연료의 사용량을 줄이고, 배기가스 배출 규제를 만족시킬 수 있는, 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
선박이나 해상에 마련되는 해양 플랜트에는 압축기 등 각종 장치들의 구동을 위해 전력이 필요하고, 따라서 이러한 전력을 생산하고 공급하는 발전 시스템이 구비될 필요가 있다.
일반적으로, 선박에 구비되는 발전 시스템으로는, 발전용 엔진, 가스 터빈 또는 증기 터빈 등에 의해 발전기(generator)를 구동시키고, 발전기에 의해 생산된 전력을 선박 내 각종 전력 수요처로 공급한다.
발전용 엔진, 예를 들어 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진을 포함하는 발전 시스템은, 디젤유와 같은 연료유 또는 LNG와 같은 가스 연료를 연료로 사용하여 생성되는 구동력을 전기 에너지로 전환시킴으로써 전력을 생산한다.
이와 같은 연료의 연소에 의한 발전 시스템은, 연소열에 의해 발전 장치나 작동 유체의 온도가 상승하게 되고, 이를 냉각시키기 위한 냉각수로서 사용되는 해수가, 발전 장치나 작동 유체를 냉각시키면서 온도가 상승한 상태로 해상으로 배출되게 되면, 수질오염, 생태계 파괴 등 환경 문제가 발생한다.
또한, 화석 연료를 사용함에 따라 대기오염의 문제 역시 발생하게 되며, 화석 연료를 사용하지 않는 등 점차 전세계적으로 강화되고 있는 배기가스 배출 규제를 만족시키기 위한 노력이 필요하다.
최근 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization) 산하 해양환경보호위원회(MEPC; Marine Environment Protection Committee)의 대기오염 규제 협약에 의하면, 배기가스 중의 질소산화물(NOx) 배출량이 약 14.4g/kWh를 만족시키도록 규제하는 Tier Ⅱ가 지난 2011년부터 발효되었고, 이보다 더 엄격하게 강화된 Tier Ⅲ가 2016년 1월 1일부터 제한적으로 적용되었다.
즉, 2016년 이후에 건조되어 북미 및 캐리비안 해역을 포함하는 미국의 ECA(Emission Control Area) 지역을 운항하는 선박은 Tier Ⅲ 규제를 만족해야 하며, NOx 배출량을 기존 14.4g/kWh에서 3.4g/kWh로 줄여야 한다. 또한, 향후 ECA 지역의 지정은 지속적으로 확대될 예정이며, 그 규제치 역시 강화될 것으로 전망된다.
그런데, 기존의 LNG를 연료로 사용하는 선박의 배기가스는 대개 Tier Ⅲ 배출규제를 충족시키지 못하고 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 화석연료를 사용하는 선내 발전 시스템에 의한 대기, 해양 등 환경 오염 문제를 해결하고, 선박의 배기가스 배출 규제를 만족시키며, 보다 친환경적으로 선내 전력을 생산하여 활용할 수 있는 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스를 연료로 사용하여 선박의 추진력을 제공하는 추진 엔진; 상기 액화가스를 개질하여 생성된 수소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지부; 및 상기 추진 엔진으로부터 추진 장치로 전달되는 에너지를 전력으로 변환하거나 선내 계통 전력을 상기 추진 장치로 전달하는 샤프트 제너레이터;를 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 선박의 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산하는 해수전지부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료전지부로부터 배출되는 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 폐열회수부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 추진 엔진으로 액화가스 연료를 공급하는 연료 공급부;를 더 포함하고, 상기 연료 공급부는, 상기 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 압축하여 상기 추진 엔진의 연료로 공급하는 하이콤; 상기 액화가스를 강제기화시켜 상기 추진 엔진의 연료로 공급하는 하이바; 및 상기 추진 엔진으로 공급하고 남은 증발가스를 재액화시켜 회수하는 재액화 장치;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하이콤과 상기 연료전지부를 연결하는 제1 라인; 및 상기 하이바와 상기 연료전지부를 연결하는 제2 라인;을 더 포함하여, 상기 연료전지부는 상기 하이콤을 통해 압축된 증발가스 또는 상기 하이바를 통해 강제기화된 기화가스를 연료로 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료전지부는, 상기 증발가스 또는 기화가스를 개질하여 수소를 생산하는 개질기; 및 상기 개질기에서 생산된 수소의 이온반응을 통해 전력을 생산하는 연료전지 스택;을 포함하며, 상기 연료전지 스택에서 생산된 전력은 상기 선내 계통 전력으로 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 해수전지부는, 밸러스트 수에 포함된 나트륨의 이온반응을 통해 전력을 생산하는 해수 전지; 상기 해수 전지로 밸러스트 수를 공급하는 밸러스트 수 처리 장치; 및 선체의 균형을 유지하기 위해, 상기 밸러스트 수 처리 장치에서 처리된 밸러스트 수를 수용하는 밸러스트 탱크;를 포함하고, 상기 해수 전지에 충전된 전력은 상기 선내 계통 전력으로 사용될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스를 연료로 사용하여 선박의 추진 장치에 동력을 제공하는 추진 엔진; 상기 추진 엔진으로부터 추진 장치로 전달되는 동력, 상기 액화가스를 개질하여 생성된 수소, 선박의 밸러스트 수 및 폐열 중 어느 하나 이상을 이용하여 선내 전력을 공급하는 발전 장치; 및 상기 발전 장치에서 생성된 전력 중 상기 선내 전력 수요처의 수요량만큼은 상기 전력 수요처로 공급하고, 상기 전력 수요처로 공급하고 남은 잉여 전력은 배터리에 저장하는 제어부;를 포함하되, 상기 전력 수요처는 상기 추진 장치를 포함하고, 상기 액화가스 연료 및 선내 계통 전력을 이용하여 추진하는 것을 특징으로 하는, 선박이 제공된다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 의하면, 액화가스를 연료로 하여 추진 엔진으로부터 추진 장치로 전달되는 동력, 액화가스를 개질하여 생성된 수소, 선박의 밸러스트 수 및 폐열 중 어느 하나 이상을 이용하여 전력을 생산하는 단계; 및 상기 생산된 전력은 선내 전력 수요처로 공급하고, 상기 전력 수요처로 공급하고 남은 잉여 전력은 배터리에 저장하는 단계;를 포함하고, 선박의 추진 장치를 작동 시킬 때에는, 상기 액화가스를 연료로 사용하여 추진 엔진으로부터 생성된 동력 또는 상기 생산된 전력 중 어느 하나를 이용하여 추진 장치를 작동시키는, 선박의 하이브리드 발전 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 전력을 생산하는 단계는, 상기 추진 엔진으로 액화가스 연료를 공급하는 연료 공급부를 작동시켜 연료전지부로 증발가스 또는 강제기화가스를 공급하는 단계; 상기 증발가스 또는 강제기화가스를 개질하여 수소를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 수소의 이온반응을 이용하여 전력을 생산하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소를 생성하는 단계에서 생성된 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전력을 생산하는 단계는, 해상으로부터 취수한 해수를 밸러스트 수 배출 규제를 충족하도록 처리하는 단계; 상기 처리된 밸러스트 수를 해수 전지로 공급하여 밸러스트 수에 포함된 나트륨의 이온반응을 이용하여 전력을 생산하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 선박이 출항 또는 입항할 때에는, 상기 추진 엔진은 작동시키지 않고, 상기 생산된 전력 또는 저장된 전력을 이용하여 상기 추진 장치를 작동시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 선박이 운항할 때에는, 상기 추진 엔진을 작동시켜 상기 액화가스를 연료로 사용하여 추진 장치를 작동시키고, 상기 수소, 폐열 및 밸러스트 수 중 어느 하나 이상을 이용하여 전력을 생산하여 선내 전력 수요처로 공급하며, 잉여 전력은 배터리에 저장하는 단계; 및 상기 배터리가 완충되면, 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 추진 장치로 공급하고, 상기 추진 엔진으로 공급하는 액화가스 연료량을 감소시키는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전력 생산량이 상기 전력 수요처의 수요량보다 적으면, 상기 추진 엔진으로부터 상기 추진 장치로 공급되는 동력 중 일부를 전력으로 전환시켜 전력 수요처로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 선박의 화물 하역 시에는, 상기 수소, 폐열 및 밸러스트 수 중 어느 하나 이상을 이용하여 전력을 생산하고, 상기 액화가스 연료를 이용하여 추진 엔진을 작동시키되, 상기 추진 엔진의 동력은 전부 전력으로 전환하여 전력 수요처로 공급하고, 상기 전력 수요처로 공급하고 남은 잉여 전력은 배터리에 저장할 수 있다.
본 발명에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법은, 전력을 생산하기 위해 연료유 또는 가스 연료를 필요로 하지 않거나, 최소한의 가스 연료만을 필요로 하므로, 선박의 전체적인 연료 소비를 줄일 수 있으며, 그에 따라 연료비를 절감할 수 있고, 친환경적으로 전력을 생산할 수 있다.
따라서, 선박의 배기가스 배출 규제를 충족할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법은, 전력 수요량에 따라 전력을 생산하기보다, 생산할 수 있는 만큼의 전력을 생산하고 잉여 전력은 배터리에 저장하여 사용함으로써 전력을 효율적으로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법은, 선내에서 밸러스트 수, 폐열 및 액화가스를 개질한 수소를 활용하여 전력을 생산하므로, 연료 수급에 어려움이 없으며, 적은 운영 비용 및 적은 수의 장비를 이용하여 전력 생산 및 선박의 균형 유지, 연료 공급, 탱크 내압 제어 등을 함께 실시할 수 있다.
또한, 전력 생산의 다분화로, 선내 전력 생산의 리던던시를 만족하며, 에너지 효율을 극대화시켜, 연료 소비 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 증발가스의 활용도를 높여 연료 소비 효율을 높일 수 있어 OPEX(Operation Expenditure)를 절감할 수 있다.
또한, 선박에서 필수적으로 사용되는 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산할 수 있으므로, 종래의 발전 시스템과 비교하여 발전 시스템의 설치 면적이 감소하고, 선박의 무게가 줄어들어 선박 설계에 유리하며, 화물 운반선의 경우 화물 적재량 증가시킬 수 있어 경제적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 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.
후술하는 본 발명의 일 실시예에서 선박은, 액화가스를 추진용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치된 모든 종류의 선박일 수 있다. 본 실시예에 따른 선박은, 발전용 엔진은 포함하지 않는다.
또한, 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구비된 선박이라면 그 형태를 불문하고 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 적용될 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선(LNG Carrier), LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖는 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 LNG 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스 또는 액화질소, 액화이산화탄소, 액화수소 등일 수도 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
즉, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스 연료는, LNG이고, 엔진은 LNG를 연료로 사용할 수 있는 엔진이며, 본 실시예에 따른 선박은 LNG 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템을 개략적으로 도시하였다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템은, LNG를 연료로 사용하는 선박에 마련되는 발전 시스템으로서, LNG를 연료로 사용하는 선박의 추진엔진(E); 선박의 추진엔진(E)의 모터와 연결되며 모터의 구동력을 전력으로 전환하는 샤프트 제너레이터(shaft generator)(100); LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 개질하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지부(300); 및 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산하는 해수전지부(500);를 포함한다.
본 실시예의 추진엔진(E)은, 연료를 연소시켜 동력을 얻을 수 있는 내연기관으로서, 선박의 추진력을 제공하기 위한 것을 기본적인 목적으로 설치되고, 또한, 전력을 생산하기 위하여 사용될 수 있다. 본 실시예의 추진엔진(E)은, 2행정 디젤 사이클 엔진으로서, 예를 들어 ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
ME-GI 엔진(E)은, 선박에 사용될 수 있는 엔진으로서, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 배출량을 저감하기 위하여 개발된 선박용 고압 천연가스 분사 엔진이다. ME-GI 엔진은 LNG를 극저온에 견디는 구조로 제작된 LNG 저장탱크(T)에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 해상 구조물에 설치될 수 있다. 또한, 천연가스를 연료로 사용하고, 동급출력의 디젤엔진에 비해 오염물질 배출량을 이산화탄소는 23%, 질소화합물은 80%, 황화합물은 95%이상 줄일 수 있다.
또한, ME-GI 엔진(E)은 그 부하에 따라 대략 150 - 400 bara(절대압력), 또는 약 300 bara 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구된다.
본 실시예에 따르면, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(T); 및 ME-GI 엔진(E)으로 LNG 연료를 공급하는 연료 공급부(200);를 더 포함한다.
본 실시예의 LNG 저장탱크(T)는, 선박에 하나 이상 구비될 수 있으며, 극저온의 LNG가 선박이 운항하는 동안 액체 상태를 유지할 수 있도록 단열처리되어 있을 수 있다. 또한, 본 실시예에서 LNG 저장탱크(T)는, 화물용 저장탱크일 수도 있고, 연료용 저장탱크일 수도 있다.
또한, 본 실시예의 연료 공급부(200)는, LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스를 ME-GI 엔진(E)의 연료로 공급하는 하이콤(HiCOM)(210); 및 LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG를 강제기화시켜 ME-GI 엔진(E)의 연료로 공급하는 하이바(HiVAR)(220);를 포함한다.
본 실시예의 하이콤(210)은, 증발가스를 ME-GI 엔진(E)에서 요구하는 압력, 즉 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 300 bar로 압축하는 다단압축기(미도시);를 포함한다.
다단압축기는, 다수개의 압축기를 포함하여, 다단계에 걸쳐 증발가스를 ME-GI 엔진(E)에서 요구하는 고압으로 압축시킨다. 본 실시예의 다단압축기는, 5단압축기일 수 있다. 즉, 5개의 압축기를 포함하여 5단계에 걸쳐 증발가스를 ME-GI 엔진(E)에서 요구하는 연료 공급 조건에 맞도록 압축시킨다. 5개의 압축기 각각의 후단에는, 압축에 의해 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키는 인터쿨러(intercooler)(미도시);가 설치될 수 있다.
본 실시예의 하이바(220)는, LNG 저장탱크(T)로부터 배출된 LNG를, ME-GI 엔진(E)에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압펌프(미도시); 및 고압펌프에서 압축된 고압 LNG를 기화시키는 고압기화기(미도시);를 포함할 수 있다.
또한 하이바(220)는, LNG 저장탱크(T)로부터 고압펌프로 LNG를 이송하는 연료펌프(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 연료펌프는, 도 1에 도시된 바와 같이, LNG 저장탱크(T) 내부에 설치되는 반잠수식 펌프일 수 있으며, LNG 저장탱크(T) 내부에 설치되는 스트리핑 펌프일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, LNG 저장탱크(T)에서 생성된 증발가스 중 하이콤(210)을 이용하여 ME-GI 엔진(E)의 연료로 공급하고 남은 증발가스를 재액화시켜, LNG 저장탱크(T)로 회수하는 재액화 장치(230);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 재액화 장치(230)는, 하이콤(210)의 다단압축기에서 고압으로 압축된 증발가스와, LNG 저장탱크(T)로부터 다단압축기로 공급되는 증발가스를 열교환시켜, 압축 증발가스를 냉각시키는 열교환기(미도시); 열교환기에서 냉각된 증발가스를 감압시켜, 감압에 의해 응축시키는 팽창수단(미도시); 및 팽창수단을 통과하면서 생성된 증발가스의 기액 혼합물을 기액분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스를 LNG 저장탱크(T)로 공급하는 기액분리기(미도시);를 포함한다.
본 실시예의 팽창수단은, 줄-톰슨 밸브 또는 팽창기일 수 있다.
또한, 본 실시예의 기액분리기에서 기체 상태로 분리된 재액화되지 않은 증발가스는 열교환기로 재공급될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, LNG 저장탱크(T)에서 생성된 증발가스 중 하이콤(210)을 이용하여 ME-GI 엔진(E)의 연료로 공급하고, 재액화 장치(230)를 이용하여 재액화시켜 회수하고도 남은 증발가스를 연소시켜 처리하는 가스 연소 장치(240);를 더 포함할 수도 있다.
LNG 저장탱크(T)는 단열처리되어 있더라도 외부로부터의 열 침입을 완벽하게 차단할 수는 없으므로, 증발가스가 지속적으로 생성된다. 이를 고려하여, LNG 저장탱크(T)는 증발가스 생성에 따른 압력 상승을 일정 수준에 한해 견딜 수 있는 구조로 설계되지만, 설정값을 초과하면, 안전밸브가 자동 개방되어 증발가스를 배출시키도록 구성되어 있다. LNG 저장탱크(T)의 압력이 너무 높아지면 폭발 등 위험한 상황을 초래하기 때문이다.
LNG 저장탱크(T)에서 생성된 증발가스는, 상술한 바와 같이, 하이콤(210)을 이용하여 ME-GI 엔진(E)의 연료로 사용하거나, 재액화시켜 LNG 저장탱크(T)로 회수할 수 있지만, 하이콤(210)이 작동하지 않을 때에는, 가스 연소 장치(240)를 이용하여 증발가스를 연소시켜 처리하거나, 벤트 마스트(도면부호 미부여)를 통해 대기 중으로 벤팅시켜 처리할 수도 있다. 그러나, 증발가스는 연료로 공급하거나 재액화시켜 회수하거나, 또는, 후술할 연료전지부(300)에서 전력을 생산하는 연료로 사용하는 것이 가장 바람직하며, 가스 연소 장치(240)나 벤트 마스트는 안전을 위한 안전장치로서 구비되는 것일 수 있다.
본 실시예의 가스 연소 장치(240)는, 통합형 IGG(Inert Gas Generator)&GCU(Gas Combustion Unit)일 수 있다. 통합형 IGG&GCU는 증발가스를 연소시켜 연소가스를 생성하고, 연소가스를 처리하여 불활성 가스, 예를 들어 질소, 이산화탄소 등을 생성하는 장치이다. 본 실시예의 가스 연소 장치(240)에서 생성된 증발가스는 선내 불활성 가스 수요처에서 활용될 수 있다.
또한, 가스 연소 장치(240)는, 하이콤(210)이나 ME-GI 엔진(E)의 트립 등, 압축된 증발가스를 처리할 수 없을 때, 압축 증발가스를 처리하는 수단으로서 활용될 수 있다. 마찬가지로, 이 경우에도 가스 연소 장치(240)가 우선 작동되도록 하는 것은 아니고, 압축 증발가스가 연료전지부(300)로 우선 공급되도록 하는 것이 바람직하다.
본 실시예의 ME-GI 엔진(E)과 추진 장치는 축(shaft)에 의해 연결된다. ME-GI 엔진(E)을 구동시켜, 가스 연료의 연소에 의해 모터가 회전하면, 그 회전력을 이용하여 선박의 추진 장치, 예를 들어 프로펠러(propeller)를 동작시킨다.
본 실시예에 따르면, ME-GI 엔진(E)과 추진 장치를 연결하는 축에는 샤프트 제너레이터(100)가 설치된다. ME-GI 엔진(E)에 샤프트 제너레이터(100)를 설치함으로써, 프로펠러로 전달되는 동력의 활동성을 높일 수 있다. 샤프트 제너레이터(100)는, 모터의 회전력을 전기 에너지로 전환하며, 샤프트 제너레이터(100)에 의해 생산된 전력은 선내 계통 전력으로 활용되며, 전력 수요처(미도시)로 공급되거나 배터리(미도시)에 저장될 수 있다.
본 실시예의 샤프트 제너레이터(100)는 ME-GI 엔진(E)의 동작에 의해 전력을 생산할 수도 있고, 선박의 추진을 위해 ME-GI 엔진(E)을 동작시키지 않아도 연료전지부(300), 해수전지부(500) 등 선내 다른 발전 장치에서 생성한 전력을 이용하여 프로펠러가 동작하도록 할 수도 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 샤프트 제네레이터(100)와 전기적으로 연결되어 ME-GI 엔진(E)의 축의 회전수를 자동적으로 제어하여 샤프트 제네레이터(100)로부터 생성된 전력을 사용처로 공급하거나 샤프트 제네레이터(100)에 가동 전력을 공급하는 가변주파수 드라이브(VFD; Variable Frequency Drive)(미도시);를 더 구비할 수도 있다.
VFD는 통상 특정 애플리케이션에 필요한 전력을 공급하고 공급 전류를 절감하기 위하여 모터나 회전축의 속도를 점진적으로 증가시키는 방식을 통하여 최대 전력 사용량을 절감하기 위한 장치이다. 이러한 VFD는 ME-GI 엔진(E)의 모터의 주파수(속도, 회전수)를 자동으로 제어하여 필요한 경우에 한해서만 최대 마력으로 구동할 수 있도록 설계될 수 있다. VFD를 사용하면, 모터의 속도를 상당 부분 향상시킬 수 있고, 동시에 전류 흐름의 조절이 필요할 때 에너지 손실을 절감할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예의 연료전지부(300)는, 개질반응에 의해 천연가스를 개질하여 수소를 생산하는 개질기(310); 및 수소의 이온 반응을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 스택(320);을 포함한다.
본 실시예에서, 개질기(310)는, 수소를 생산하기 위하여, 천연가스를 원료로 사용하는데, 본 실시예에서 개질기(310)의 원료로 사용되는 천연가스는, 하이콤(210)에서 다단압축기의 일부 또는 전부를 통과하면서 압축된 압축 증발가스 또는 하이바(220)를 통해 기화된 기화가스를 포함할 수 있다.
즉, 개질기(310)는, 하이콤(210) 및 하이바(220)와 연결되며, 천연가스를 이송받는 라인을 포함할 수 있다.
개질기(310)와 하이콤(210)을 연결하는 제1 라인(L1)은, 다단압축기의 중간단, 예를 들어, 제3 압축기 후단으로부터 연결될 수 있다. 즉, 제1 라인(L1)을 따라 다단압축기로부터 개질기(310)로 공급되는 천연가스는, 다단압축기에서 3단압축된 증발가스일 수 있다.
개질기(310)와 하이바(220)를 연결하는 제2 라인(L2)에는, 하이바(220)의 고압 기화기에서 기화된 기화가스를 개질기(310)에서 일어나는 반응에 적합하도록 온도를 조절하는 히터(미도시);가 구비될 수 있다.
개질기(310)에서는, 수증기개질공정(SMR; Steam Reforming)에 의해 천연가스에 수증기를 가하여 분해반응을 일으킴으로써 물과 탄화수소분자에 포함된 수소를 추출하거나, 부분산화공정(POX; Partial Oxidation)에 의해 천연가스로부터 합성가스를 생산할 수 있다. 또는, 자연개질반응(ART; Autothermal Reforming)에 의해 고온에서 천연가스를 직접분해함으로써 수소를 생산할 수도 있다.
본 실시예의 연료전지 스택(320)은, 산소와, 개질기(310)에서 생산된 수소를 이용하여 전력을 생산한다. 연료전지 스택(320)의 양극(cathod)으로는 수소가 공급되고, 음극(anode)으로는 산소가 공급된다. 즉, 연료전지 스택(320)의 양극부는 개질기와 연결되고, 음극부는 공기공급부와 연결된다.
양극으로 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리되고, 수소이온은 전해질층을 통해 음극으로 이동하며 전자는 회로를 통해 음극으로 이동하며, 음극에서는 산소이온과 수소이온이 물을 생성한다.
연료전지 스택(320)에서 이와 같은 이온 반응에 의해 생산된 전력은 선내 계통 전력으로 활용되며, 전력 수요처(미도시)로 공급되거나 배터리(미도시)에 저장될 수 있다.
본 실시예의 연료전지부(300)는, 연료전지 스택(320)에서 생성된 전력의 주파수를, 선내 계통 전력 또는 배터리(미도시)에서 요구하는 주파수로 변환하는 주파수 변환용 또는 직교류를 변환하는 정류용 변환기(inverter)(330);를 더 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(320)에서 생성된 고온의 폐열은 후술하는 폐열회수부(400)로 공급한다.
본 실시예에 따르면, 연료전지부(300)에서 생성된 고온의 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 폐열회수부(400);를 더 포함할 수 있다.
폐열회수부(400)는, 고온의 폐열을 작동 유체로 하여 구동되는 터빈(turbine)(미도시); 및 터빈의 구동축과 연결되는 발전기(미도시);를 포함할 수 있다. 작동 유체가 터빈을 구동시키면 발전기는 그 회전력을 전기 에너지로 전환한다.
폐열회수부(400)에서 생산된 전력은 선내 계통 전력으로 활용되며, 전력 수요처(미도시)로 공급되거나 배터리(미도시)에 저장될 수 있다.
본 실시예의 해수전지부(500)는, 밸러스트 수 처리 장치(510); 밸러스트 수 처리 장치에서 처리된 밸러스트 수를 저장하는 밸러스트 탱크(520); 및 밸러스트 수 처리 장치에서 처리된 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산하는 해수 전지(530);를 포함한다.
도면에 도시하지는 않았지만, 본 실시예의 밸러스트 수 처리 장치(510)는, 선박의 좌현 측 및 우현 측에 설치되는 씨체스트(seachest)(미도시); 씨체스트로부터 유입된 해수를 가압하는 밸러스트 펌프(미도시); 및 밸러스트 펌프에 의해 이송된 해수를 여과시키거나 멸균시키는 등 미생물과 같은 이물질을 처리하는 여과 멸균기(미도시);를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 밸러스트 수 처리 장치(510)가 이와 같이 구성되는 것을 예로 들어 설명하지만 이에 한정하는 것은 아니다. 밸러스트 수 처리 장치(510)는 해수를 흡입하여, 흡입한 해수가 선박의 밸러스팅에 적합하고 밸러스트 수 배출 규제를 충분히 만족시킬 수 있도록, 해수를 처리할 수 있는 구성을 가질 수 있다.
밸러스트 수 처리 장치(510)에서 처리된 밸러스트 수는 밸러스트 탱크(520)로 이송된다. 또는, 밸러스트 탱크(520)로부터 해수 전지(530)로 이송될 수도 있고, 밸러스트 탱크(520)를 거치지 않고 해수 전지(530)로 직접 이송될 수도 있다.
본 실시예에서 씨체스트를 통해 흡입된 해수는, 밸러스트 펌프와 밸러스트 수 처리 장치(510)를 연결하는 해수 라인(SL)을 통해 밸러스트 수 처리 장치(510)로 이송된다. 또한, 밸러스트 수 처리 장치(510)에서 처리된 밸러스트 수는, 밸러스트 수 처리 장치(510)와 밸러스트 탱크(520)를 연결하는 밸러스트 수 공급 라인(FL)을 통해 밸러스트 탱크(520)로 이송된다.
본 실시예의 밸러스트 탱크(520)는, 선박의 균형을 유지하기 위해 밸러스트 수로서 해수를 저장하고, 선박의 균형을 유지하기 위해 밸러스트 탱크(520) 내에 저장된 밸러스트 수를 선외 배출시킨다.
본 실시예에 따른 선박, 즉, LNG 운반선에서는, 하역 작업시 LNG 화물을 하역하는 하역 작업이 완료된 후 출항할 때에 밸러스트 탱크(520)에 밸러스트 수를 채우고 다른 항구로 이동하며, LNG 화물의 적재시에는 밸러스트 탱크(520)로부터 밸러스트 수를 해상으로 배출시킨다. 이는, 선박의 안전운항을 위하여, 프로펠러 잠김과 부력에 의한 선박의 부유를 방지하는 등 선체의 균형을 유지하도록 하는 것이다.
도 1에서는 하나의 밸러스트 탱크(520)만을 도시하였지만, 본 실시예에 따른 밸러스트 탱크(520)는 선박에 하나 이상 구비될 수 있다. 예를 들어, 밸러스트 탱크(520)는 선박의 좌현 측, 우현 측, 선수부 및 선미부에 각각 하나 이상씩 구비될 수 있다. 하나 이상의 밸러스트 탱크(520)에는 선박의 균형 유지를 위하여 밸러스트 수가 공급되거나 또는 밸러스트 탱크(520)로부터 밸러스트 수가 배출될 수 있다.
밸러스트 탱크(520)로 공급되는 밸러스트 수는, 밸러스트 수 처리 장치(510)에서 미생물 등 이물질이 제거된 후, 밸러스트 탱크(520)와 해수 전지(530) 또는 밸러스트 수 처리 장치(510)와 해수 전지(530)를 연결하는 밸러스트 수 배출라인(EL)을 통해 해수 전지(530)로 공급된다.
도 1에서는, 밸러스트 탱크(520)로부터 배출되는 밸러스트 수가 해수 전지(530)로 이송되도록 연결되는 밸러스트 수 배출라인(EL)만이 도시되어 있다. 그러나, 도면에 도시되어 있지 않더라도, 밸러스트 탱크(520)로부터 선체의 밸러스팅을 위해 배출되는 밸러스트 수는, 밸러스트 탱크(520)로부터 해상으로 직접 배출될 수도 있고, 후술하는 해수 전지(530)로 공급된 후 해수 전지(530)로부터 해상으로 배출될 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 해수 전지(530)가 밸러스트 수 배출라인(EL)에 의해 밸러스트 탱크(520)와 직접 연결되는 라인만을 도시하였다. 그러나, 도면에 도시되어 있지 않더라도, 해수 전지(530)와 밸러스트 수 처리 장치(510)를 직접 연결하는 라인을 더 구비하여, 밸러스트 수 처리 장치(510)에서 처리된 밸러스트 수가 밸러스트 탱크(520)를 거치지 않고 해수 전지(530)로 직접 공급될 수 있도록 구성할 수도 있을 것이다.
본 실시예의 해수 전지(530)는, 밸러스트 수 처리 장치(510)에서 처리된 해수, 즉, 밸러스트 수의 이온 농도 변화에 따른 전위차를 이용하여 구동된다.
본 실시예의 해수 전지(530)는, 밸러스트 수 처리 장치(510)로부터 해수 전지(530)로 밸러스트 수가 유입되는 밸러스트 수 유입부(미도시); 및 해수 전지(530)로부터 밸러스트 수가 배출되는 밸러스트 수 배출부(미도시);를 포함한다.
또한, 해수 전지(530)는, 밸러스트 수 유입부를 통해 유입된 밸러스트 수를 수용하며, 수용된 밸러스트 수에 함침되고 양극 집전체를 포함하는 양극부(미도시); 액상의 전해질을 수용하며, 수용된 전해질에 함침되고 음극 집전체를 포함하는 음극부(미도시); 및 양극부와 음극부 사이에 위치하며 이온이 이동하는 고체 전해질(미도시);을 포함한다.
예를 들어, 해수 전지(530)의 충전 시에는, 나트륨 이온(Na+)과 전자(e-)가 양극부에서 음극부로 이동한다. 양극부에서는, 밸러스트 수에 포함되어 있는 염화나트륨(NaCl) 또는 수산화나트륨(NaOH)으로부터 이온, 예를 들어 나트륨 이온이 해리되며 염소 기체(Cl2) 또는 산소 기체(O2)가 생성된다.
해수 전지(530)의 방전 시에는, 나트륨 이온과 전자가 음극부에서 양극부로 이동한다. 양극부에서는, 나트륨 이온이 전자를 얻어 수산화나트륨을 생성한다.
상술한 반응에 의해 생산된 전력은 선내 계통 전력으로 활용되며, 전력 수요처(미도시)로 공급되거나 배터리(미도시)에 저장될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 화석 연료를 사용하여 전력을 생산하는 발전 엔진이나 발전기를 구비한 증기 터빈 또는 가스 터빈을 필요로 하지 않고, 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산하여 활용할 수 있다.
예를 들어, 선체의 균형 유지를 위해, 밸러스트 탱크(520)로부터 밸러스트 수를 배출시킬 때에는, 밸러스트 탱크(520)로부터 배출되는 밸러스트 수를 해수 전지(530)로 공급하여 전력을 생산할 수 있다.
해수 전지(530)에서 생산된 전력은 전량을 배터리(미도시)에 충전시킨 후 필요시 방전시켜 수요처로 전력을 공급할 수 있다. 또는, 해수 전지(530)에서 생산된 전력을 전력 수요처에서 필요로 하는 만큼 공급하고 남은 나머지 전력량은 배터리에 충전시킬 수 있다.
즉, 해수 전지(530)에서 생산된 전력은 선내 전력 수요처로 바로 공급될 수도 있고, 전력 수요량과 해수 전지(530)에서 생산된 전력량, 즉 전력 공급량이 맞지 않을 때에는, 잉여의 전력을 배터리에 저장할 수 있다.
배터리에 저장된 전력은 선내 전력 수요처에서 수요가 발생하면 방전시켜 전력을 공급해줄 수 있다.
밸러스트 수의 임의 배출은 해양 생태계를 교란시킨다는 문제점이 있으므로, 국제해사기구(IMO)의 '선박 밸러스트 수 관리 협약'에 의해 국제 항해를 하는 선박 내에는 밸러스트 수 처리 장치(510)를 의무로 설치하여야 한다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 선내 전력 수요처에서 필요로 하는 전력을 생산하는 데 있어서, 설치 면적 및 장비에 의한 무게를 감소시킬 수 있어 경제적이다.
본 실시예에서, 해수 전지(530)로부터 사용 후 배출되는 밸러스트 수는, 선외로 직접 배출될 수도 있고, 밸러스트 탱크(520)로 재공급될 수도 있다.
도 1에서는, 해수 전지(530)가 병렬로 2세트 구비되는 것을 예로 들어 도시하였다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니고, 해수 전지(300)는 선내 전력 수요량에 따라 1세트 이상 구비될 수 있다.
또한, 본 실시예의 해수전지부(500)는, 해수 전지(530)에서 생성된 전력의 주파수를, 선내 전기 수요처(600)에서 요구하는 주파수로 변환하는 주파수 변환용 또는 직교류를 변환하는 정류용 변환기(inverter)(530);를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템은, 발전 장치를 포함하고, 본 실시예의 발전 장치는, 천연가스를 연료로 하여 프로펠러로 전달되는 동력으로 전력을 생산하는 샤프트 제너레이터(100)와, 천연가스를 개질하여 수소를 생산하고 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지부(300)와, 연료전지부(300)에서 발생한 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 폐열회수부(400)와, 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산하는 해수전지부(500)를 포함한다.
샤프트 제너레이터(100), 연료전지부(300), 폐열회수부(400) 및 해수전지부(500)는 선내 전력 계통을 형성하고, 샤프트 제너레이터(100), 연료전지부(300), 폐열회수부(400) 및 해수전지부(500)에서 생산된 전력은 선내 계통 전력으로 활용되며, 전력 수요처(미도시)로 공급되거나 배터리(미도시)에 저장될 수 있다.
전력 관리부(600)는, 상술한 발전 장치에서 생산된 전력을 공급받아, 선내 전력 수요처로, 그 부하에 따라 분배하여 각각 전력을 공급하며, 배터리를 관리하는 제어부(미도시)와, 잉여 전력을 저장하는 배터리(미도시);를 포함하여 전력 계통을 형성한다.
이하, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 하이브리드 발전 시스템을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 하이브리드 발전 방법을 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 선박은, 추진 시스템으로서, 천연가스를 연료로 사용하여 프로펠러를 구동시키는 추진용 엔진(E); 및 발전 시스템으로서, 선내 전력 계통을형성하고, 선내 전력 수요처에서 사용될 전력을 생산하는 발전 장치(100, 200, 300, 400, 500);를 포함한다. 본 실시예에 따른 선박의 하이브리드 발전 방법은, LNG 등 화석 연료를 사용하지 않거나 최소한의 LNG만을 이용하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 발전 방법은, 샤프트 제너레이터(100)를 이용하여 추진용 엔진(E)에서 프로펠러로 전달되는 동력 중 일부 또는 전부를 전력으로 전환할 수 있다. 또한, 연료전지부(300)에서 천연가스를 수소로 개질하고, 수소를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 또한, 폐열회수부(400)에서 연료전지부(300)로부터 발생한 폐열을 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 또한, 해수전지부(500)에서 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산하여 활용할 수 있다.
연료전지부(300)는, LNG 저장탱크(T)에서 생성된 증발가스나, LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG를 강제기화시킨 기화가스를 공급받아 개질기(310)에서 개질하고, 개질 반응에 의해 생성된 수소를 이용하여 전력을 생산한다.
제어부는, 연료전지부(300)에서 선내 전력 수요처로 공급하거나, 전력 수요처에서 요구하는 전력보다 본 실시예의 발전 장치에서 생산한 전력량이 더 많은 경우 잉여 전력이 배터리에 저장되도록 제어한다.
연료전지부(300)에서는, ME-GI 엔진(E)이 작동할 때, ME-GI 엔진(E)으로 공급하고 남은 압축 증발가스나, 기화가스 또는, 재액화 장치(230)로 공급하고 남은 압축 증발가스를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
연료전지부(300)에서는 또한, ME-GI 엔진(E)이 작동하지 않을 때에도, 연료공급부(200)를 가동시켜 전력을 생산할 수도 있을 것이다. 그러나, 본 실시예에서는 연료전지부(300)는 연료공급부(200)가 가동할 때, 즉 ME-GI 엔진(E)이 작동중일 때 가동시켜 전력을 생산하도록 하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 폐열회수부(400)는, 연료전지부(300)에서 전력을 생산하면서 발생한 폐열, 예를 들어, 연료전지 스택(220)에서 생성된 고온의 물, 스팀 등을 이용하여 터빈을 구동시키고, 터빈에 연결된 발전기를 이용하여 전력을 생산한다.
폐열회수부(400)는 연료전지부(300)의 폐열을 이용하여 전력을 생산하므로, 연료전지부(300)를 가동할 때 함께 가동할 수 있다.
폐열회수부(400)에서 생산한 전력은, 전력 관리부(600)로 공급하며, 전력 관리부(600)에서는, 선내 전력 수요처로 폐열회수부(400)에서 생산한 전력을 공급하거나, 전력 수요처에서 요구하는 전력보다 본 실시예의 발전 장치에서 생산한 전력량이 더 많은 경우 잉여 전력을 배터리에 저장한다.
또한, 해수전지부(500)는, 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산하며, 해수전지부(500)는, 선박의 밸러스팅이 이루어질 때, 선내 전력 수요가 발생할 때, 또는 배터리에 저장된 전력량이 전력 수요량보다 적을 때, 또는 배터리에 전력 충전이 요구될 때, 지속적으로 가동시킬 수 있다.
해수전지부(500)에서 생산된 전력은 선내 계통 전력으로 활용되며, 전력 수요처(미도시)로 공급되거나 배터리(미도시)에 저장한다. 즉, 제어부는, 선내 전력 수요처로 해수전지부(500)에서 생산한 전력을 공급하거나, 전력 수요처에서 요구하는 전력보다 본 실시예의 발전 장치에서 생산한 전력량이 더 많은 경우 잉여 전력을 배터리에 저장한다.
본 실시예의 샤프트 제너레이터(100)는, ME-GI 엔진(E)의 작동, 즉, 선박의 운항 모드에 따라 운용방법이 결정된다. 즉, 본 실시예에 따르면, 선박의 운항 모드에 따라 선박의 추진력을 제공하는 방법과 선내 전력을 생산하는 방법이 결정될 수 있다.
먼저, 선박이 입항(port in) 또는 출항(port out)할 때에는, ME-GI 엔진(E)은 가동시키지 않고, 연료전지부(300), 폐열회수부(400) 및 해수전지부(500) 등 발전 장치를 이용하여 전력을 생산하거나, 발전 장치를 이용하여 생산된 전력이 저장되어 있는 배터리를 방전시켜 전력 수요처로 공급한다.
또한, 샤프트 제너레이터(100)의 PTI(Power Take In) 모드를 사용하여, 발전 장치에서 생산된 전력을 추진 장치로 공급하도록 함으로써 선박의 추진력을 제공한다. 즉, 선내 계통 전력을 이용하여 추진장치(프로펠러)를 제어한다.
즉, 연료전지부(300), 폐열회수부(400) 및 해수전지부(500) 중 어느 하나 이상을 가동시켜 전력을 생산하거나, 또는 배터리에 저장된 전력을 샤프트 제너레이터(100)로 공급하고, 샤프트 제너레이터(100)는 공급받은 전력을 이용하여 선박의 프로펠러를 작동시킨다.
이 때에는, 천연가스나 오일연료를 전혀 사용하지 않으므로, 환경오염 물질의 배출이 거의 없다.
다음으로, 선박의 운항 중에는, 하이콤(210) 및 하이바(220) 중 어느 하나 이상을 이용하여 ME-GI 엔진(E)으로 LNG 연료를 공급하여 선박의 추진력을 제공한다.
LNG 저장탱크(T)에서 생성된 증발가스량이 ME-GI 엔진(E)에서 요구하는 가스 연료량 이상인 경우에는 하이콤(210)을 이용하여 증발가스를 ME-GI 엔진(E)의 연료로 공급한다. 증발가스량이 가스 연료 요구량 미만인 경우에는, 하이바(220)를 이용하여 강제기화가스를 ME-GI 엔진(E)의 연료로 공급한다.
이때, 가스 연료 요구량을 초과하는 증발가스 또는 강제기화가스는, 연료전지부(300)로 공급하여 전력을 생산하도록 한다. 연료전지부(300)에서 전력을 생산하면, 폐열회수부(400)에서도 전력을 생산할 수 있다. 폐열회수부(400)는 연료전지부(300)의 폐열을 이용하기 때문이다. 폐열회수부(400)에서 생산된 전력은 선내 전력 수요처의 상시 공급용으로 활용하고, 연료전지부(300)에서 생산된 전력은 배터리에 저장할 수 있다.
물론, 폐열회수부(400)에서 생산된 전력이 선내 전력 수요량보다 적으면, 연료전지부(300)에서 생산된 전력을 선내 전력 수요처로 공급할 수 있다.
또한, 해수전지부(500)는, 밸러스트 수를 이용하여 지속적으로 전력을 생산한다. 해수전지부(500)에서 생산한 전력은 배터리에 지속적으로 충전한다.
제어부는, 배터리가 완충되면, 배터리를 방전시키고, 샤프트 제너레이터(100)의 PTI(Power Take-In) 모드를 사용하여 배터리에 저장된 전력을 샤프트 제너레이터(100)로 공급한다.
즉, 배터리가 완충되면, 배터리에 저장된 전력을 사용하여 선박의 추진력을제공한다. 샤프트 제너레이터(100)를 통해 공급받은 전력으로 프로펠러의 모터를 부스팅(boosting)하여 선박의 선속을 유지시킨다.
또한, 배터리로부터 프로펠러로 공급되는 전력만큼, 하이콤(210) 또는 하이바(220)를 이용하여 ME-GI 엔진(E)으로 공급하는 증발가스 또는 강제기화가스 연료량은 줄어들도록 제어할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, LNG 연료 사용량을 최소화할 수 있다.
한편, 이때에, 연료전지부(300) 및 폐열회수부(400)를 통해 선내 상시 공급용으로 공급되는 전력량이 부족한 경우에는, 샤프트 제너레이터(100)의 PTO(Power Take-Out) 모드를 사용하여, 모터의 회전력을 전력으로 전환하여, 선내 상시 공급용 전력으로 활용할 수 있다.
다음으로, 선박의 화물 하역(unloading) 시에는, 선박의 추진력은 필요하지 않고, 선내 전력만을 필요로 한다. 즉, 이때에는, ME-GI 엔진(E)을 가동시키되, 프로펠러와의 연결은 클러치를 이용하여 끊어두고, 샤프트-제너레이터(100)의 PTO 모드를 이용하여 전력을 생산한다.
또한, 하이콤(210) 또는 하이바(220)을 통해 ME-GI 엔진(E)으로 공급하는 증발가스 또는 강제기화가스 중 일부는 연료전지부(300)로 공급하여, 연료전지부(300) 및 폐열회수부(400)에서도 전력을 생산한다.
이 과정에서 생성된 잉여 전력, 즉, 선내 전력 수요량을 초과하는 전력 생산량은 배터리에 충전할 수 있다.
본 실시예의 선내 전력 수요처는, 선내 계통 시스템 및 프로펠러, 스러스터(thruster) 등 추진 장치를 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에 따르면, 샤프트 제너레이터(100)의 PTO 모드, 연료전지부(300), 폐열회수부(400) 및 해수전지부(500)를 이용하여 생성된 전력은, 선내에 설치된 컴프레서, 펌프와 같은 장치를 가동시키는데 활용하고, 추진 시스템의 모터를 제어하는 VFD(Variable Frequency Drive)를 구동하는데 필요한 에너지로도 활용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 선박의 추진 엔진으로 공급할 가스 연료, 폐열 및 선박에 필수적으로 구비되는 밸러스트 수 처리 장치에서 처리된 밸러스트 수를 이용하여, 전력을 생산하고, 추진력을 제공하는 것과 동시에, 선체의 균형 및 잠김 정도를 컨트롤하고, 그와 함께 밸러스트 수를 에너지원으로서 활용할 수 있다. 즉, 가스 연료를 개질 반응시켜 생성한 수소, 폐열 및 해수를 에너지원으로 활용함으로써, 원료 수급에 어려움이 없고 대기 오염 물질 배출이 없다.
또한, 본 발명에 따른 선박은, 종래 LNG, 연료유 등을 연료로 사용하며 연료 소모량이 높은 발전 엔진을 구비하지 않아도 되므로 연료비를 절감할 수 있고, 설치 면적과 그 무게만큼 선박의 설계에도 유리하다.
또한, 본 발명에 따르면, 친환경적으로 전력을 생산하는 선박을 제공함으로써, 에너지 기술 발전에 이바지하고, 그에 따른 경쟁력을 확보할 수 있다.
이상과 같이 본 실시예는 연료전지부, 해수전지부, 샤프트 제너레이터를 구성하여 리던던시를 충족할 수 있다. 리던던시(Redundancy)는, 여분의 장비를 구성하여 요구 기능을 수행하기 위한 주 구성 장비의 동작시에는 대기상태에 두고, 주 구성 장비가 고장 등으로 작동되지 않을 때 기능을 인계받아 그 기능을 수행할 수 있도록 중복 설계되는 것을 말하는데, 주로 회전(rotating)이 이루어지는 장비에 대해 이러한 리던던시 충족을 위한 여분의 장비가 중복 설계된다. 장비에 이상으로 선박의 정상 운항이 어려워지는 것을 방지하기 위해, 선박에는 여분의 장비를 구비하여 리던던시를 구성하게 된다.
특히 본 실시예는 선박에 연료전지부, 해수전지부, 폐열회수부를 통해 선내 전력 생산을 다각화하면서 DFGE와 같은 발전용 엔진을 완전히 대체할 수 있다.
또한, 오일 사용 저감으로 환경오염물질 배출을 줄이고, 수소와 해수, 폐열을 이용하여 발전함으로써 친환경 선박을 구현할 수 있다.
한편, 연료 공급 후 남는 증발가스나 강제기화가스는 재액화 장치를 통해 재액화할 수 있고, 연료전지부(300)에서 전력을 생산하는 원료로 사용할 수도 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예의 시스템은 환경오염물질 배출을 최소화하여 선박의 운항시 Tier Ⅲ를 충족할 수 있고, 증발가스의 활용도를 높여 연료 소비 효율을 높일 수 있어 OPEX(Operation Expenditure)를 절감할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 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.
T: LNG 저장탱크
E: 엔진
100: 샤프트 제너레이터
200: 연료 공급부
210 : 하이콤
220 : 하이바
230 : 재액화 장치
240 : 가스 연소 장치
300: 연료전지부
310 : 개질기
320 : 연료전지 스택
330 : 변환기
400: 폐열회수부
500: 해수전지부
510 : 밸러스트 수 처리 장치
520 : 밸러스트 탱크
530 : 해수전지
540 : 변환기

Claims (16)

  1. 액화가스를 연료로 사용하여 선박의 추진력을 제공하는 추진 엔진;
    상기 액화가스를 개질하여 생성된 수소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지부; 및
    상기 추진 엔진으로부터 추진 장치로 전달되는 에너지를 전력으로 변환하거나 선내 계통 전력을 상기 추진 장치로 전달하는 샤프트 제너레이터;를 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박의 밸러스트 수를 이용하여 전력을 생산하는 해수전지부;를 더 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지부로부터 배출되는 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 폐열회수부;를 더 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 추진 엔진으로 액화가스 연료를 공급하는 연료 공급부;를 더 포함하고,
    상기 연료 공급부는,
    상기 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 압축하여 상기 추진 엔진의 연료로 공급하는 하이콤;
    상기 액화가스를 강제기화시켜 상기 추진 엔진의 연료로 공급하는 하이바; 및
    상기 추진 엔진으로 공급하고 남은 증발가스를 재액화시켜 회수하는 재액화 장치;를 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 하이콤과 상기 연료전지부를 연결하는 제1 라인; 및
    상기 하이바와 상기 연료전지부를 연결하는 제2 라인;을 더 포함하여,
    상기 연료전지부는 상기 하이콤을 통해 압축된 증발가스 또는 상기 하이바를 통해 강제기화된 기화가스를 연료로 사용하는, 선박의 하이브리드 발전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지부는,
    상기 증발가스 또는 기화가스를 개질하여 수소를 생산하는 개질기; 및
    상기 개질기에서 생산된 수소의 이온반응을 통해 전력을 생산하는 연료전지 스택;을 포함하며,
    상기 연료전지 스택에서 생산된 전력은 상기 선내 계통 전력으로 사용되는, 선박의 하이브리드 발전 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 해수전지부는,
    밸러스트 수에 포함된 나트륨의 이온반응을 통해 전력을 생산하는 해수 전지;
    상기 해수 전지로 밸러스트 수를 공급하는 밸러스트 수 처리 장치; 및
    선체의 균형을 유지하기 위해, 상기 밸러스트 수 처리 장치에서 처리된 밸러스트 수를 수용하는 밸러스트 탱크;를 포함하고,
    상기 해수 전지에 충전된 전력은 상기 선내 계통 전력으로 사용되는, 선박의 하이브리드 발전 시스템.
  8. 액화가스를 연료로 사용하여 선박의 추진 장치에 동력을 제공하는 추진 엔진;
    상기 추진 엔진으로부터 추진 장치로 전달되는 동력, 상기 액화가스를 개질하여 생성된 수소, 선박의 밸러스트 수 및 폐열 중 어느 하나 이상을 이용하여 선내 전력을 공급하는 발전 장치; 및
    상기 발전 장치에서 생성된 전력 중 상기 선내 전력 수요처의 수요량만큼은 상기 전력 수요처로 공급하고, 상기 전력 수요처로 공급하고 남은 잉여 전력은 배터리에 저장하는 제어부;를 포함하되,
    상기 전력 수요처는 상기 추진 장치를 포함하고,
    상기 액화가스 연료 및 선내 계통 전력을 이용하여 추진하는 것을 특징으로 하는, 선박.
  9. 액화가스를 연료로 하여 추진 엔진으로부터 추진 장치로 전달되는 동력, 액화가스를 개질하여 생성된 수소, 선박의 밸러스트 수 및 폐열 중 어느 하나 이상을 이용하여 전력을 생산하는 단계; 및
    상기 생산된 전력은 선내 전력 수요처로 공급하고, 상기 전력 수요처로 공급하고 남은 잉여 전력은 배터리에 저장하는 단계;를 포함하고,
    선박의 추진 장치를 작동 시킬 때에는,
    상기 액화가스를 연료로 사용하여 추진 엔진으로부터 생성된 동력 또는 상기 생산된 전력 중 어느 하나를 이용하여 추진 장치를 작동시키는, 선박의 하이브리드 발전 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전력을 생산하는 단계는,
    상기 추진 엔진으로 액화가스 연료를 공급하는 연료 공급부를 작동시켜 연료전지부로 증발가스 또는 강제기화가스를 공급하는 단계;
    상기 증발가스 또는 강제기화가스를 개질하여 수소를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 수소의 이온반응을 이용하여 전력을 생산하는 단계;를 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 수소를 생성하는 단계에서 생성된 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 단계;를 더 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 전력을 생산하는 단계는,
    해상으로부터 취수한 해수를 밸러스트 수 배출 규제를 충족하도록 처리하는 단계;
    상기 처리된 밸러스트 수를 해수 전지로 공급하여 밸러스트 수에 포함된 나트륨의 이온반응을 이용하여 전력을 생산하는 단계;를 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 선박이 출항 또는 입항할 때에는,
    상기 추진 엔진은 작동시키지 않고, 상기 생산된 전력 또는 저장된 전력을 이용하여 상기 추진 장치를 작동시키는, 선박의 하이브리드 발전 방법.
  14. 청구항 9 또는 11에 있어서,
    상기 선박이 운항할 때에는,
    상기 추진 엔진을 작동시켜 상기 액화가스를 연료로 사용하여 추진 장치를 작동시키고, 상기 수소, 폐열 및 밸러스트 수 중 어느 하나 이상을 이용하여 전력을 생산하여 선내 전력 수요처로 공급하며, 잉여 전력은 배터리에 저장하는 단계; 및
    상기 배터리가 완충되면, 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 추진 장치로 공급하고, 상기 추진 엔진으로 공급하는 액화가스 연료량을 감소시키는 단계;를 포함하는, 선박의 하이브리드 발전 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 전력 생산량이 상기 전력 수요처의 수요량보다 적으면, 상기 추진 엔진으로부터 상기 추진 장치로 공급되는 동력 중 일부를 전력으로 전환시켜 전력 수요처로 공급하는, 선박의 하이브리드 발전 방법.
  16. 청구항 9 또는 11에 있어서,
    상기 선박의 화물 하역 시에는,
    상기 수소, 폐열 및 밸러스트 수 중 어느 하나 이상을 이용하여 전력을 생산하고,
    상기 액화가스 연료를 이용하여 추진 엔진을 작동시키되, 상기 추진 엔진의 동력은 전부 전력으로 전환하여 전력 수요처로 공급하고,
    상기 전력 수요처로 공급하고 남은 잉여 전력은 배터리에 저장하는, 선박의 하이브리드 발전 방법.
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