KR20190131199A - 복합 발전 시스템 - Google Patents

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KR20190131199A
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 복합 발전 시스템에 관한 것으로, 물을 전기분해시켜 산소와 수소를 생산하는 전기분해기, 전기분해기에서 생산된 산소와, 산소를 생산하는 산소생산부에서 생산된 산소 중의 적어도 어느 하나를 제공받으며, 화석연료를 연소시켜 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 가스화기, 전기분해기에서 생산된 수소와, 가스화기에서 생산된 합성가스에서 유래된 수소 중의 적어도 어느 하나를 제공받아, 전기에너지를 생산하는 발전유닛을 포함할 수 있다.

Description

복합 발전 시스템{Combined power generation system}
본 발명은 복합 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가스화기는 고체 연료를 고온 고압에서 가스화시켜 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 합성가스(Synthesis gas)를 생산해 내는 장비이다.
그러나, 이와 같은 가스화기는 발전산업에 사용되면서, 실시간 가동에 의하여 석탄이나 바이오매스 등의 고체연료를 연소시킴으로써, 이산화탄소 배출이 증가되는 문제점이 있다.
따라서, 이산화탄소 배출을 저감시키며, 가스화기를 선택적으로 가동시켜, 전기를 생산할 수 있는 복합 발전 시스템 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 발전유닛이 가스화기를 통해 생산된 합성가스 중의 수소 및 전기분해기에서 생산된 수소 중의 적어도 어느 하나를 제공받음으로써, 가스화 공정의 부하를 줄일 수 있는 복합 발전 시스템을 제공한다.
본 발명은 복합 발전 시스템에 관한 것으로, 물을 전기분해시켜 산소와 수소를 생산하는 전기분해기, 전기분해기에서 생산된 산소와, 산소를 생산하는 산소생산부에서 생산된 산소 중의 적어도 어느 하나를 제공받으며, 화석연료를 연소시켜 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 가스화기, 전기분해기에서 생산된 수소와, 가스화기에서 생산된 합성가스에서 유래된 수소 중의 적어도 어느 하나를 제공받아, 전기에너지를 생산하는 발전유닛을 포함한다.
이에 따라, 가스화기를 통해 생산된 합성가스에서 유래된 수소 및 전기분해기에서 생산된 수소가 발전유닛에 투입됨으로써, 가스화 공정의 부하 및 가동을 줄일 수 있게 되어 이산화탄소를 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다.
도 2는 도 1의 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
일반적으로, 복합 발전 시스템 공정의 경우, 고순도의 수소를 제조하기 위하여 전환공정, 정제공정 및 산소생산부, 가스화기 가동에 따라 이산화탄소의 배출량이 많은 문제점이 있다.
본 실시예에 따른 복합 발전 시스템은 전기분해기와 가스화기가 연계됨으로써, 가스화기, 산소생산부의 가동을 줄일 수 있어, 전력소모 및 유해배출량을 줄일 수 있는 것에 기본적인 특징이 있다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이며, 도 2는 도 1의 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다. 도 1 내지 2를 참고하여 설명한다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 복합 발전 시스템은 전기분해기(100), 가스화기(200), 발전유닛(300)을 포함한다.
전기분해기(100)는 물을 전기분해시켜 산소와 수소를 생산한다.
전기분해기(100)는 태양광, 풍력 등의 신재생에너지의 잉여전력을 제공받을 수 있다. 잉여전력을 폐기시키지 않고 물을 전기 분해하는데 사용됨으로써, 저비용으로 산소 및 수소를 생산할 수 있게되어, 에너지 효율을 높일 수 있다.
전기분해기(100)는 물을 전기분해시켜 생산된 산소를 저장하는 산소저장부(10), 생산된 수소를 저장하는 수소저장부(11)를 구비할 수 있다.
가스화기(200)는 산소를 생산하는 산소생산부(21)를 구비할 수 있다. 가스화기(200)는 전기분해기(100)에서 생산된 산소와, 산소생산부(21)에서 생산된 산소 중의 적어도 어느 하나를 제공받도록 구성된다.
가스화기(200)는 화석연료를 연소시켜 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 생산한다.
가스화기(200)는 화석연료와 산소를 섭씨 1400도 내외에서 가스화시켜 합성가스인 수소, 일산화탄소를 생산하고, 부산물로 이산화탄소, 메탄, 황화수소 등을 생산할 수 있다.
가스화기(200)는 정제부(23)를 구비할 수 있으며, 합성가스는 정제부(23)를 통해, 먼지, 황, 수은, 이산화탄소 등의 오염가스를 제거시킨 이후, 후술할 발전유닛(300), 폐열회수 보일러부(500)으로 공급될 수 있다.
발전유닛(300)은 전기분해기(100)에서 생산된 수소와, 가스화기(200)에서 생산된 합성가스에서 유래된 수소 중의 적어도 어느 하나를 제공받아, 전기에너지를 생산한다.
본 실시예에 따른 복합 발전 시스템은 제어부(400)를 더 포함할 수 있다. 제어부(400)는 산소생산부(21)에서 생산되는 산소의 양을 제어할 수 있다.
제어부(400)는 산소저장부(10)에 제1 기준량 이상으로 산소가 저장되어 있을 시, 산소저장부(10)의 산소를 가스화기(200)로 공급하는 제어를 수행하고, 산소생산부(21)에서 생산되는 산소의 양을 감소시키도록 제어할 수 있다.
일예로, 제1 기준량은 500MW급 IGCC 기준 1일 필요산소양의 10%인150,000 kg 공급가능량 범위일 수 있다.
제어부(400)가 산소생산부(21)에서 생산되는 산소의 양을 감소시킬 경우, 산소생산부(21)의 가동은 줄어들게 될 수 있다. 제어부(400)는 산소생산부(21)로부터 생산되는 산소의 양을 제어하여 가스화기(200)에 공급할 수 있게 되어, 산소생산부(21)의 운영비, 가동에 의한 전력소모, 부하를 줄일 수 있다.
제어부(400)는, 산소저장부(10)에 제1 기준량 미만일 시, 산소저장부(10)의 산소를 가스화기(200)로 공급하지 않도록 제어하고, 산소생산부(21)에서 가스화기(200)로 산소를 공급하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 가스화기(200)에서 생산되는 합성가스의 양을 제어할 수 있다.
제어부(400)는, 수소저장부(11)에 제2 기준량 이상으로 수소가 저장되어 있을 시, 수소저장부(11)의 수소를 발전유닛(300)으로 공급하는 제어를 수행하고, 가스화기(200)에서 생산되는 합성가스의 양을 감소시키는 제어를 수행할 수 있다.
일예로, 제2 기준량은 50MW급 IGFC 기준 1일 필요 수소양인 500,000 Nm3 범위일 수 있다.
수소저장부(11)의 수소가 발전유닛(300)에 사용됨으로써, 가스화기(200)의 부하는 상대적으로 줄어들게 됨으로써, 가스화기(200)에 투입되는 화석연료의 양이 줄어들게 되어, 발생되는 이산화탄소의 양이 줄어들 수 있다.
또한, 수소저장부(11)에 제2 기준량 미만일 시, 수소저장부(11)의 수소를 발전유닛(300)으로 공급하지 않도록 제어할 수 있다.
이는, 가스화기(200)를 통한 고온고압의 합성가스 만이 발전유닛(300)에 투입되는 것이 아닌, 전기분해기(100)에서 생산된 수소가 선택적으로 발전유닛(300)에 투입됨으로써, 가스화 공정의 부하, 산소생산부(21)로부터 필요 산소양을 일정량 이하로 줄일 수 있게됨으로써 이산화탄소 배출을 저감시킬 수 있다.
발전유닛(300)은, 합성천연가스 발전부(301)와, 연료전지 발전부(303)를 포함할 수 있다.
먼저, 합성천연가스 발전부(301)는, 제1 반응기(31), 제2 반응기(33)를 포함할 수 있다.
제1 반응기(31)는, 합성가스를 이용하여 수성 가스 전이 반응을 통해 일산화탄소 및 수소를 합성시키도록 구성될 수 있다.
제1 반응기(31)는, 합성가스를 스팀과 반응시켜, 일산화탄소의 일부를 수소로 전환시키도록 구성될 수 있다.
제2 반응기(33)는, 제1 반응기(31)를 거친 일산화탄소 및 수소를 메탄이 주 성분인 가스로 생산하도록 구성될 수 있다.
일예로, 제1 반응기(31)는 수성 가스 전이 반응을 하도록 구성될 수 있으며, 제2 반응기(33)는 메탄화 반응기일 수 있다.
가스화기(200)를 거친 합성가스는 제1 반응기(31)를 통해 합성가스 중의 일산화탄소와 수소를 1:3 이상으로 합성된 후, 제2 반응기(33)로부터 물리, 화학적 분리를 통해 메탄이 주성분인 가스를 생산하도록 구성될 수 있다.
제1 반응기(31)는 합성가스 중의 일산화탄소와 수소를 일정비율로 합성시키는 구조이면 모든 만족한다.
제2 반응기(33)는 제1 반응기(31)로부터 유입되는 일산화탄소와 수소를 이용하여 메탄을 생성하고, 이를 압축하여 합성천연가스 발전부(301)로 공급하도록 구성될 수 있다.
제2 반응기(33)에서 일어나는 메탄화 공정은 합성가스 중의 수소와, 일산화탄소를 반응시켜 메탄으로 변성하는 공정으로 하기의 반응을 거친다.
CO + 3H2 → CH4 + H2O
제2 반응기(33)의 반응 온도는 100 내지 400℃에서 이뤄질 수 있다.
제2 반응기(33)를 거쳐 생산된 천연가스는, 배관망 등을 통해, 합성천연가스 발전부(301)로 공급될 수 있다.
합성천연가스 발전부(Synthetic Natural Gas, SNG)는 전기분해기(100)에서 생산된 수소 및 가스화기(200)에서 생산된 합성가스를 통해 전기를 생산하도록 구성될 수 있다.
제어부(400)는 수소저장부(11)의 수소가 제2 기준량 이상으로 저장되어 있을 시, 제1 반응기(31)에서 요구하는 수소양에 맞게 수소를 공급시키도록 제어할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 반응기(31)는, 전기분해기(100)에서 생산된 수소를 제공받도록 구성될 수 있다.
일예로, 전기분해기(100)에서 생산된 수소는 제2 반응기(33)로 바로 공급되는 구조 또한 가능하다.
일예로, 제1 반응기(31)는 일산화탄소와 수소를 가스를 통해 합성시킬 수 있으며, 제2 반응기(33)는 전기를 통해 반응시킬 수 있다.
합성가스가 가스화기(200)를 거쳐 제1 반응기(31)로 공급될 시, 수소를 위한 전환량이 많을수록, 이산화탄소의 배출량은 증대되는 문제점이 있으나, 수소저장부(11)의 수소가 제1 반응기(31)에 공급될 수 있게됨으로써, 전환량을 줄일 수 있게될 수 있다.
전기분해기(100)와 가스화기(200)가 연계됨으로써, 유해배출물 양을 크게 줄이며, 가스화기(200), 산소생산부(21)의 가동을 줄여줌으로써 전력소모를 크게 줄일 수 있는 특징이 있다.
연료전지 발전부(303)는 수소를 통해 전력을 얻도록 구성될 수 있다.
연료전지 발전부(303)는 전기분해기(100)에서 생산된 수소를 제공받아, 연료로 사용할 수 있다.
연료전지 발전부(303)는 가스화기(200)에서 생산되는 합성가스 중의 수소를 제공받아, 연료로 사용할 수 있다.
연료전지 발전부(303)는 제3 반응기(35), 분리기(37)를 포함할 수 있다.
제3 반응기(35)는 합성가스 중의 수소만을 분리시키도록 구성될 수 있다.
제3 반응기(35)는 합성가스 중의 일산화탄소를 모두 수소로 변환시킬 수 있다.
제3 반응기(35)를 통한 수성 가스 전이 반응을 통해, 합성가스 중의 일산화탄소는 수소로 모두 전환될 수 있다.
제3 반응기(35)를 거친 수소는 분리기(37)로 공급될 수 있다. 일예로, 분리기(37)는 산제거부일 수 있다.
분리기(37)를 통해 수소는 이산화탄소를 제거시킨 후 연료전지 발전부(303)의 연료로 공급될 수 있다.
도 2에 수소저장부(11)에 저장된 수소가 제3 반응기(35)로 공급되는 것을 도시하였으나, 이에 한정하지 않고, 수소저장부(11)에 저장된 수소는 연료전지 발전부(303)로 직접 공급될 수 있다.
일예로, 연료전지 발전부(303)는, 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane(PEM))일 수 있다.
제어부(400)는 수소저장부(11)의 수소가 제2 기준량 이상으로 저장되어 있을 시, 연료전지 발전부(303)의 요구되는 수소양에 맞게 수소를 공급시키도록 제어할 수 있다.
또한, 수소저장부(11)에 저장된 수소는 연료전지 발전부(303), 합성천연가스 발전부(301)에 같이 공급될 수 있으며, 가스화기(200)로부터 유래된 합성가스 또한, 연료전지 발전부(303), 합성천연가스 발전부(301)에 동시에 공급될 수 있다.
제어부(400)는 연료전지 발전부(303)의 제3 반응기(35)의 필요 수소양을 전달받아, 필요 수소양에 대응되게 수소를 공급시키도록 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 복합 발전 시스템은 폐열회수 보일러부(500)를 더 포함할 수 있다.
폐열회수 보일러부(500)는, 가스화기(200)로부터 생산된 합성가스의 고온고압의 열을 제공받도록 구성될 수 있다.
폐열회수 보일러부(500)는, 가스터빈(41), 보일러(40), 증기터빈(42)을 포함할 수 있다.
가스터빈(41)은 가스화기(200)로부터생산된 고온고압의 합성가스를 통해 전기를 생산할 수 있다.
보일러(40)는 가스터빈(41)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 열을 회수할 수 있다.
증기터빈(42)은 보일러(40)에서 생성된 증기를 이용하여, 전기를 생산하도록 구성될 수 있다.
일예로, 산소생산부(21)는 공기분리기일 수 있다. 산소생산부(21)는 질소를 생산할 수 있다. 산소생산부(21)의 질소는 가스터빈(41)에 공급될 수 있다.
일예로, 가스터빈(41)에 질소가 유입될 시, 가스터빈(41)의 유량증가로 인해 효율이 증대될 수 있다. 동시에 질소에 의한 열용량 증대로 인해 2000K 이상의 고온부를 감소시킴으로 질소산화물 생성을 억제하는 효과가 있다.
이는, 전기분해기(100)와 가스화기(200)가 연계됨으로써, 가스화기(200), 산소생산부(21)의 가동을 줄일 수 있게되어, 전력소모를 줄일 수 있음과 동시에 유해배출물 양을 크게 줄일 수 있는 특징이 있다.
실시예 2
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다. 이하에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
수소저장부(11)에 저장된 수소는 연료전지 발전부(303), 합성천연가스 발전부(301)의 제2 반응기(33)에 같이 공급될 수 있다.
제어부(400)는 연료전지 발전부(303), 제2 반응기(31)의 필요 수소양을 전달받아, 필요 수소양에 대응되게 수소를 공급시키도록 제어할 수 있다.
또한, 가스화기(200)로부터 생성된 합성가스는 연료전지 발전부(303)로 공급되지 않도록 구성될 수 있다.
가스화기(200)를 거친 합성가스는 제2 반응기(33)로 공급될 수 있다. 제2 반응기(33)는 일산화탄소와 수소를 합성시켜 메탄이 주성분인 가스를 생산하도록 구성될 수 있다.
제2 반응기(31)는 메탄화 반응을 수행할 수 있으며, 메탄화 반응을 통한 방출되는 열은 스팀터빈(42)에 활용될 수 있다.
실시예 3
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다. 이하에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
수소저장부(11)에 저장된 수소는 연료전지 발전부(303)의 제3 반응기(35)에 공급될 수 있다.
제3 반응기(35)의 경우, 합성가스를 수성 가스 전이 반응을 통해, 수소로 전환시키는 양이 많을수록, 전력소모가 크며, 이산화탄소의 배출량이 증대되는 문제점이 있으나, 수소저장부(11)에 저장된 수소가 제3 반응기(35)에 투입됨으로써, 제3 반응기(35)의 부하가 상대적으로 줄어들 수 있어, 이산화탄소 배출량 및 전력소모 등을 줄일 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 제3 반응기(35)는 수성 가스 전이 반응을 하기 위한 열을 가스화기(200)로부터 제공받을 수 있다. 가스화기(200)의 열은 제3 반응기(35)에 활용될 수 있음으로써, 에너지 효율이 높일 수 있다.
실시예 4
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 복합 발전 시스템을 나타낸 간략도이다. 이하에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
수소저장부(11)에 저장된 수소는 연료전지 발전부(303)에 직접 공급되고, 가스화기(200)로부터 생성된 합성가스는 연료전지 발전부(303)로 공급되지 않도록 구성될 수 있다. 이는, 연료전지 발전부(303)의 연료인 수소 전량을 전기분해기(100)를 통해 공급받음으로써, 수소로 변환시키기 위한 변환공정, 가스화기(200)의 부하를 줄일 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 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 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.
100: 전기분해기 200: 가스화기
300: 발전유닛 400: 제어부
500: 폐열회수 보일러부

Claims (9)

  1. 물을 전기분해시켜 산소와 수소를 생산하는 전기분해기;
    상기 전기분해기에서 생산된 산소와, 산소를 생산하는 산소생산부에서 생산된 산소 중의 적어도 어느 하나를 제공받으며, 화석연료를 연소시켜 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 가스화기;
    상기 전기분해기에서 생산된 수소와, 상기 가스화기에서 생산된 합성가스에서 유래된 수소 중의 적어도 어느 하나를 제공받아, 전기에너지를 생산하는 발전유닛;
    을 포함하는 복합 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소생산부에서 생산되는 산소의 양을 제어하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 전기분해기에서 생산된 산소를 저장하는 산소저장부에 제1 기준량 이상으로 산소가 저장되어 있을 시, 상기 산소저장부의 산소를 상기 가스화기로 공급하는 제어를 수행하고, 상기 산소생산부에서 생산되는 산소의 양을 감소시키는 제어를 수행하는, 복합 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화기에서 생산되는 합성가스의 양을 제어하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 전기분해기에서 생산된 수소를 저장하는 수소저장부에 제2 기준량 이상으로 수소가 저장되어 있을 시, 상기 수소저장부의 수소를 상기 발전유닛으로 공급하는 제어를 수행하고, 상기 가스화기에서 생산되는 합성가스의 양을 감소시키는 제어를 수행하는, 복합 발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전유닛은, 합성천연가스 발전부와 연료전지 발전부를 포함하는 복합 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 합성천연가스 발전부는,
    상기 합성가스를 이용하여 수성 가스 전이 반응을 통해 상기 일산화탄소 및 상기 수소를 합성하는 제1 반응기;
    상기 제1 반응기를 거친 상기 일산화탄소 및 수소를 메탄이 주 성분인 가스로 생산하는 제2 반응기;
    를 포함하는 복합 발전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 반응기 혹은 제2 반응기는, 상기 전기분해기에서 생산된 수소를 제공받는 복합 발전 시스템.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지 발전부는, 생산된 상기 합성가스 중의 상기 일산화탄소를 수소로 변환시키는 제3 반응기를 더 포함하며,
    상기 제3 반응기를 통해 변환된 상기 수소는 상기 연료전지 발전부의 연료로 사용되는 복합 발전 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지 발전부는, 상기 전기분해기에서 생산된 수소를 제공받아, 연료로 사용하는 복합 발전 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 합성가스의 열을 제공받는 폐열회수 보일러부를 더 포함하며,
    상기 폐열회수 보일러부는,
    상기 가스화기로부터 생산된 고온고압의 합성가스를 통해 전기를 생산하는 가스터빈;
    상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스를 이용하여 열을 회수하는 보일러;
    상기 보일러에서 생성된 증기를 이용하여, 전기를 생산하는 스팀터빈;
    을 포함하는 복합 발전 시스템.
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