KR20210000642A - 연료처리장치 및 그 연료처리장치를 이용하는 가상발전시스템 - Google Patents

연료처리장치 및 그 연료처리장치를 이용하는 가상발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 가상발전시스템에는, 적어도 두 개의 분산전원; 상기 적어도 두 개의 분산전원의 잉여전력을 이용하여 수소를 생산하고 저장하는 수소 생산/저장시스템; 상기 적어도 두 개의 분산전원 중의 적어도 하나에 전력이 부족할 때, 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하여 전력이 부족한 분산전원에 전기를 공급하는 수요공급조절장치가 포함되고, 상기 수요공급조절장치는 상기 적어도 두 개의 분산전원보다 그 수가 작고, 상기 수용공급조절장치에는 연료전지와 상기 연료전지에 수소를 공급하는 개질기가 포함된다.

Description

연료처리장치 및 그 연료처리장치를 이용하는 가상발전시스템{Fuel processing apparatus and VPP using the same}
본 발명은 탄화수소를 처리하여 수소를 제공하는 연료처리장치 및 그 연료처리장치를 이용하는 가상발전시스템에 관한 것이다.
연료처리장치는 탄화수소, 예를 들어 메탄 또는 부탄에서 수소를 추출하는 장치이다. 이 장치의 종래기술로서, 특허등록번호 10-1771303, 연료처리장치가 알려져 있다.
상기 종래기술은, 다음과 같은 문제점이 있다.
고온전환반응기를 별도로 설치하여야 하기 때문에, 구성이 복잡해지고 비용이 상승하는 문제가 있다.
스팀리액터와 전환반응기가 일관되는 관로로 제공되어, 촉매의 환원이 오래 걸리고, 촉매가 손상되는 문제가 있다.
연료처리장치의 각 구성이 일체로 모듈화 되어 있기 때문에, 촉매를 개별적으로 분리 및 교체할 수 없는 문제점이 있다.
공기, 개질연료, 연소연료, 및 물의 주입이 각각 단일의 주입구로 제공되기 때문에, 시동, 및 정지시의 운전에 대응하기가 어려운 문제점이 있다. 특히 급정지 및 급시동 시에는 기기가 파손되거나, 촉매가 손상되는 문제가 있다. 또한, 단일의 주입구로 인하여 각 부분별로 시스템 제어가 불가능하기 때문에, 연료처리효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 각 유체의 제어가 연료처리장치의 정상상태에 맞추어져 있기 때문에, 연료처리장치의 발생 수소량이 일정하게 정해져서 그 출력을 조절할 수 없는 문제점이 있다.
스팀 리액터의 촉매반응이 버너의 상부에만 집중되기 때문에, 수용되는 촉매를 전체로서 사용할 수 없기 때문에, 연료처리효율이 낮아지는 문제점이 있다.
특허등록번호 10-1771303, 연료처리장치
본 발명은 상기되는 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 전환반응기를 단일화하여, 간단한 구성으로 저렴하게 제작할 수 있는 연료처리장치를 제안한다.
본 발명은, 스팀리액터와 전환반응기가 개별적으로 제어되어, 촉매의 손상을 방지하는 연료처리장치를 제안한다.
본 발명은, 촉매의 교환이 가능하게 함으로서, 촉매를 교환하는 것으로 장시간 사용할 수 있는 연료처리장치를 제안한다.
본 발명은, 모듈화되는 연료처리장치를 제공함으로써, 연료처리장치를 이루는 각 부분품의 공급유체가 개별적으로 제어되도록 하여, 출력조절, 및 열량조절이 제어가능한 연료처리장치를 제안한다.
본 발명은, 스팀 리액터의 촉매반응이 효율적으로 수행되는 연료처리장치를 제안한다.
본 발명에 따른 가상발전시스템에는, 적어도 두 개의 분산전원; 상기 적어도 두 개의 분산전원의 잉여전력을 이용하여 수소를 생산하고 저장하는 수소 생산/저장시스템; 상기 적어도 두 개의 분산전원 중의 적어도 하나에 전력이 부족할 때, 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하여 전력이 부족한 분산전원에 전기를 공급하는 수요공급조절장치가 포함되고, 상기 수요공급조절장치는 상기 적어도 두 개의 분산전원보다 그 수가 작고, 상기 수용공급조절장치에는 연료전지와 상기 연료전지에 수소를 공급하는 개질기가 포함된다.
본 발명에 따르면, 구성이 모듈화 단순화됨으로써, 연료처리장치를 저렴하고 간단하게 제작할 수 있다. 예를 들어, 용접작업이 쉬워지는 이점이 있다.
본 발명은, 스팀리액터와 전환반응기가 서로 분리되는 구조물에 제공됨으로써, 각 모듈의 개별제어가 가능하여 부품의 손상, 특히, 촉매의 손상이 방지되는 장점이 있다.
본 발명은, 촉매의 교환이 가능하게 됨으로써, 연료처리장치의 사용시간이 길어지는 이점이 있다.
본 발명은, 각 모듈에 대한 개별 동작 제어가 가능함으로써, 연료처리장치의 출력조절, 및 열량조절이 제어가능한 장점이 있다.
본 발명은, 스팀 리액터의 촉매영역이 전체적으로 반응할 수 있기 때문에, 연료처리효율이 상승하는 이점이 있다.
본 발명은, 요동하는 신재생에너지를 이용하는 분산전원에서, 가상발전시스템을 더 효율적으로 운용할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 연료처리장치를 기구적인 구성을 중심으로 보이는 도면
도 2는 실시예에 따른 연료처리장치를 열교환 작용을 중심으로 보이는 도면.
도 3은 실시예에 따른 연료처리장치를 유동 및 제어를 중심으로 보이는 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하의 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1 및 도 3은 실시예에 따른 연료처리장치의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 1은 기구적인 구성을 중심으로 보이는 도면이고, 도 2는 열교환 작용을 중심으로 보이는 도면이고, 도 3은 유체흐름 및 제어를 중심으로 보이는 도면이다. 각 도면에는 어느 일 도면에는 도시되지 않은 구성이 있을 수 있으나, 전체적인 상호 작용은 서로 동일하다. 경우에 따라서는 동작이 가능한 범위 내에서 체크벨브 등의 간단한 구성은 도시되지 않을 수도 있다.
이하에서는 각 도면을 순차적으로 참조하여 연료처리장치의 동작을 설명한다. 이하의 설명에서 도면번호가 지시되는 것은, 해당하는 관로 또는 밸브 또는 관로의 유체를 함께 지시하여 이해를 편리하게 도모할 수 있다. 예를 들어, 제 1 재질수 주입구는 11로 지시되고, 제 1 개질수가 유동하는 제 1 개질수 관로, 제 1 개질수 주입구를 통과하는 제 1 개질수, 및 제 1 재질수 주입구를 제어하는 밸브도 11로 지칭할 수 있다. 다른 부재에 대해서도 마찬가지이다. 상기 밸브는 유량을 제어할 수도 있고, 유동을 온오프로 제어할 수도 있을 것이다.
도 1은 실시예에 따른 연료처리장치의 기구적 구성을 보이는 세로 단면도이다. 본 도면은 단면도로서 중심을 기준으로 어느 일측에 표시되는 부재가 다른 일측에는 표시되지 않을 수 있다.
실시예에 따른 연료처리장치는, 스팀반응모듈(1) 및 전환반응모듈(2)이 서로 별도의 케이싱으로 분리되고 다수의 관로에 의해서 서로 연결될 수 있다. 상기 스팀반응모듈(1)에는 적어도 스팀 리액터(4)가 포함되어 탄화수소를 수소로 개질하는 작용이 수행될 수 있다. 상기 전환반응모듈(2)은 적어도 전환반응기(5)가 포함되어 유해가스를 무해하게 전환하는 반응이 수행될 수 있다.
상기 스팀반응모듈(1)은 도면과 같이 상하로 적층되는 구성으로 제공할 수도 있으나, 관로의 구성이 연장되거나 굴곡되는 것에 의해서 두 모듈이 서로 좌우로 이격되는 등의 다른 배치방법으로 구성될 수도 있다. 각 부품을 열결하는 관로는 편의상 연료처리장치의 하부에 집중되는 것으로 도시하고 있지만, 이에 제한되지 않고, 연료처리장치의 동작에 방해가 되지 않는 한, 측부 등 다른 장소에 배치될 수도 있을 것이다.
상기되는 바와 같이, 두 모듈이 서로 별도의 케이싱을 이용하여 분리되어 이격됨으로써, 스팀리액터(4)와 전환반응기(5)는 잠금피팅구조를 적용함으로써 잠금장치가 풀이도록 하는 경우에는, 각각 외부로 드러날 수 있다. 따라서, 촉매의 수명이 다하는 등의 경우에는 스팀리액터(4)와 전환반응기(5) 내부의 촉매를 교환할 수도 있다.
상기 두 모듈이 서로 분리됨으로써, 각 모듈의 환원이 서로 개별적으로 수행될 수 있다. 이 경우에는, 각 모듈의 환원공정이 다른 모듈에 영향을 주지 않기 때문에, 모듈의 환원공정이 알맞게 수행될 수 있고, 환원공정시간이 단축됨으로써, 기동/정지, 및 급정지/급시동이 더 빠르게 수행될 수 있다. 결과적으로 촉매의 손상이 줄어들어 촉매의 수명을 연장시킬 수 있는 것도 물론이다.
상기 스팀반응모듈(1)의 구성 및 작용을 설명한다.
상기 스팀반응모듈(1)에는, 하부에 놓이고 개질연료 및 개질수를 저장하는 제 2 열교환기(7), 상기 제 2 열교환기(7)의 가운데에 놓이고 상방으로 화염을 분사하는 버너(3), 상기 버너(3)의 화염의 바깥쪽에 놓이는 스팀 리액터(4), 상기 스탬 리액터(4)의 외부에서 상하로 연장되는 놓이는 제 1 열교환기(6)가 포함된다.
개질의 원료가 되는 개질연료 및 개질수의 이동을 중심으로 설명한다.
상기 스팀 리액터(4)에서 촉매반응되는 개질의 원료로서 개질연료 및 개질수는 상기 제 2 열교환기(7)로부터 공급된다. 여기서 상기 개질수는, 제 1 개질수 및 제 2 개질수가 포함될 수 있다. 제 2 개질수는 외부에서 상기 제 2 열교환기(7)로 직접 공급되는 개질수 일 수 있다. 상기 제 1 개질수는, 상기 전환반응모듈(9)에 제공되는 제 3 열교환기(8) 및 제 4 열교환기(9)에서 열을 받아 더워진 개질수 일 수 있다. 여기서, 상기 개질연료는 외부에서 공급되는 연료일 수 있다. 상기 개질연료는 탄화수소를 예시할 수 있고, 천연가스를 사용할 수 있다. 상기 개질연료는 상기 제 2 개질수와 함께 공급될 수 있다.
상기 스팀 리액터(4)의 촉매로는 니켈을 사용할 수 있다.
상기 개질연료 및 개질수는 상기 스팀 리액터(4)의 외부에 놓이는 제 1 열교환기(6)를 거쳐서 가열된 후에, 스팀 리액터(4)와 이격되는 스팀반응모듈(1)의 중앙부 빈 공간으로 이송된다. 상기 개질연료 및 개질수는 제 3 개질수주입구(13)를 통하여 주입되는 제3 개질수에 의해서 보충될 수 있다.
각 개질수 주입구(11)(12)(13)를 통하여 유입되는 개질수는 개질수로 약칭한다. 예를 들어 제 3 개질수 주입구(13)를 통하여 주입되는 개질수는 제 3 개질수라고 이름한다.
상기 개질연료 및 개질수는 하방으로 이동하여 버너(3)로부터의 열에 의해서 가열된 후에, 상기 스팀 리액터(4)로 공급될 수 있다. 이와 같이 상기 개질연료 및 상기 개질수가 상기 버너(3)의 화염에 의해서 직접 가열되기 때문에, 개질연료 및 개질수가 충분히 가열될 수 있다. 상기 버너(3)의 화염이 닫고, 개질연료 및 개질수가 저장되는 단지가 추가로 마련될 수 있다.
상기 개질연료 및 개질수는는 스팀 리액터(4)에서 개질된 다음에, 제 2 열교환기(7)로 이동한다. 개질된 개질가스는 제 2 열교환기(7)에서 열교환된 다음에, 상기 전환반응모듈(2)로 이동한다.
상기 버너(3)에 제공되는 연소연료 및 공기는, 외부에서 상기 제 2 열교환기(7)의 중앙부에 마련되는 버너(3)로 직접 공급될 수 있다. 상기 연소연료는 연소연료주입구(31), 상기 공기는 공기주입구(32)를 통하여 버너로 공급될 수 있다.
상기 버너(3)가 상방으로 화염을 분사함으로서, 화염이 역류하여 버너를 가열하는 문제를 개선할 수 있다. 또한, 화염이 스팀 리액터(4)의 상부에 직접 가 닫도록 함으로써, 흡열반응이 주로 일어나는 스팀 리액터(4)의 상부에 부족한 열을 보충하고, 스팀 리액터(4)의 전체 영역에 골고루 촉매반응이 일어나도록 할 수 있다. 스팀 리액터(4)의 상하에서 온도차이가 줄어드는 것도 물론이다.
상기되는 바와 같이 개질기 주입구가 세 개로 마련됨으로써, 물의 투입량과 투입위치를 제어하여, 각 유체간의 열교환량을 연료처리장치의 위치별로 최적으로 제어할 수 있을 것이다.
뿐만 아니라, 스팀반응모듈(1) 및 전환반응모듈(2)의 온도가 서로 분리되어 제어될 수 있기 때문에, 각 모듈의 부하를 조절할 때 두 모듈의 각 공정의 서로 다른 열평형에 적절히 대응할 수 있다.
실시예의 연료처리장치에는, 환원가스흡배출구(41)가 마련되어 스팀리액터(4)의 배출가스(연소가스 및 개질가스)가 전환반응기(5)로 유입되지 않도록 외부로 배출할 수 있는 유로를 형성한다. 이를 통하여 스팀리액터의 촉매와 전환반응기의 촉매에 대응하여, 환원공정에서 서로 다른 환원가스의 흐름을 분리하여 제어할 수 있다. 예를 들어, 스팀리액터의 환원가스는 H2와 H2O 혼합가스이고, 전환반응기의 환원가스는 H2 또는 CH4를 사용할 수 있다. 상기 환원공정은 추후에 더 상세하게 설명한다.
상기 전환반응모듈(2)이 구성 및 작용을 설명한다.
상기 전환반응모듈(2)에는, 제 1 개질수 주입구(11)를 통하여 공급되는 제 1 개질수를 가열하는, 제 4 열교환기(9) 및 제 3 열교환기(8)가 포함된다. 상기 제 4 열교환기(9)는 주로 상기 제 1 개질수와 상기 개질가스 간에 열교환이 수행된다. 상기 제 3 열교환기(8)는 상기 연소가스와 상기 개질가스와 상기 제 1 개질수 간에 열교환이 수행된다. 따라서, 제 3 열교환기(8)는, 상기 제 4 열교환기(9)에 의해서 가열된 제 1 개질수가 추가로 가열될 수 있다.
상기 연소가스는, 상기 제 3 열교환기(8)를 거치는 제 2 연소가스(34)와 거치지 않는 제 1 연소가스(33)로 분기됨으로써, 열교환의 양이 조절될 수도 있다. 도시되지는 않았으나 밸브 등의 부재를 사용하여 분기유로의 각 유량을 제어할 수도 있을 것이다. 상기 열교환기(8)(9)에 의해서 가열된 제 1 개질수는, 상기 제 2 열교환기(7)로 공급될 수 있다.
상기 열교환기(8)(9)의 열교환을 위하여, 상기 스팀반응모듈(1)로부터 공급된 고온의 개질가스는, 제 3, 4 열교환기(8)(9)의 상하로 유동하면서 점진적으로 바깥쪽에서 안쪽으로 이동한 다음에 개질가스출구(21)를 통하여 배출된다. 상기 개질가스의 이동경로에는, 전환반응기(5)가 놓여, 유해가스를 제거할 수 있다. 상기 전환반응기(5)는 적어도 두 개가 서로 이격하여 상하로 길게 배치될 수 있다.
상기 개질가스출구(21)는 조금 더 복잡하게 구성되어 있고, 도 3에서 더 상세하게 설명한다.
상기 전환반응기(5)에서 상기 개질가스가 흡입되는 입구, 즉, 전환반응기(5)의 하부에는 히터(51)가 마련된다. 상기 히터는 시즈히터를 사용할 수 있다. 상기 히터(51)는 상기 개질가스를 직접 가열할 수 있다. 상기 개질가스 및 상기 히터가 전환반응기(5)의 촉매를 가열할 수 있는 것도 물론이다. 이때문에, 종래 전환반응기(5)의 외부표면을 가열하는 방식에 비하여 촉매를 더 신속하게 가열할 수 있고, 촉매으 온도편차를 줄일 수 있다. 이에 따라서, 결국, 전환반응기(5)의 급시동이 가능해 질 수 있다.
상기 전환반응기(5)의 촉매로는 구리를 사용할 수 있다.
또한, 상하로 길게 제공되는 상기 전환반응기(5)의 입구를 하부에 배치함으로서, 발열반응인 전환반응기(5)의 열이 상부로 자연스릅게 이동함으로써, 전환반응기(5) 촉매의 상하에서 온도차이를 줄일 수 있다. 이때문에, 전환반응기의 전체 영역이 촉매로서 작용할 수 있다.
상기 제 1 개질수는 상기 전환반응모듈(2)의 내부용적을 채우며 상승할 수 있다. 상기 제 1 개질수의 수면은, 상기 제 2 열교환기(7)에까지 이를 수 있다. 이 상태는 연료처리장치의 정상운전상태일 수 있다.
실시예의 연료처리장치에 따르면, 상기 스팀반응모듈과 전환반응모듈이 서로 분리됨으로써, 가열 및 냉각이 서로 독립하여 이루어질 수 있다. 이와 같이 구성에 따르면, 각 모듈의 열부하가 달라짐으로 인한 효율저하는 방지할 수 있다.
예를 들어, 종래기술에 따르면, 스팀리액터와 전환반응기의 온도조절이 서로 연동된다. 즉 스팀반응공정의 남는 열이 전환반응기를 가열하기 때문에 응답성능이 떨이지고. 전환반응기를 냉각시키려면 물을 과량으로 주입하므로 효율이 떨어진다. 따라서 전환반응기의 과열 냉각은 사실상 공정을 모두 중단하고 정지 운전으로 들어가야 한다. 하지만 이때도 스팀반응공정의 잠열이 남아있어 전환반응기온도가 일부 상승하는 문제가 있다. 이와 같이 스팀리액터와 전환반응기가 서로 연동되어 움직이는 문제를 실시예의 연료처리장치는 해소할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 연료처리장치를 열교환작용을 중심으로 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하여, 상기 스팀반응모듈(1)의 열교환작용을 설명한다.
먼저, 제 1, 2 열교환기(6)(7)로 개질연료 및 개질수를 가열하고, 버너(3)에 의해서 추가로 가열될 수 있다. 한편, 상기 제 3 개질수는 가열이 없이 바로 버너에 인접하는 단지로 공급되어 개질연료 및 개질수를 냉각할 수도 있다. 상기 제 3 공정에 따르면, 급정지 및 급시동을 신속하게 수행할 수 있다.
상기 스팀리액터(4)는 버너(3)의 연소열 및 측면에서 전도되는 열을 흡수하여 흡열반응을 통하여 촉매에 의한 개질작용을 수행할 수 있다.
상기 제 1 열교환기(7)는 연소가스 및 개질원료(개질연료와 개질수)와 열교환작용을 수행할 수 있다.
상기 제 2 열교환기(7)는 삼중 열교환기로 마련될 수 있다. 다시 말하면, 연소가스 및 개질가스의 열이, 개질연료 및 개질수로 전달될 수 있다. 이로써, 개질원료를 가열할 수 있다.
상기 전환반응모듈(2)의 열교환작용을 설명한다.
상기 전환반응모듈(2)로 입력되는 연소가스를 바이패스하여 유량을 조절할 수 있다. 이를 통하여 전환반응모듈(2), 특히, 전환반응기(5)의 공정온도를 제어할 수 있다.
상기 제 3 열교환기(8)는, 연소가스, 개질가스, 및 제 1 개질수의 삼중열교환작용을 수행한다. 이로써, 개질가스를 충분히 냉각하고, 연소가스의 배열을 회수할 수 있다.
개질연료 및 제 2 개질수의 유동관로가 전환반응기에 인접하도록 배치되는 경우에는, 가스상태인 개질연료 및 제 2 개질수를 가열하여 공정속도를 조절할 수 있다.
상기 전환반응기(5)는 발열공정이기 때문에, 제 1 개질수를 이용하여 개질연료, 연소가스, 전환반응기(5)의 열 모두를 냉각시킬 수 있다. 상기 제 3, 4 열교환기(8)(9)가 이 작용을 수행할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 연료처리장치를 제어작용을 중심으로 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하여, 실시예에 따른 연료처리장치에서 개질작용이 수행되는 과정을 설명한다. 먼저, 개질연료와 개질수를 공급를 각 주입구(11)(12)(13)를 통하여 공급한다. 이 경우에 제 1 연소가스(33), 제 1 개질가스(411) 제 2 개질가스(412), 환원가스(41)는 모두 그 유동이 차단된다. 이를 통하여 개질을 위한 원료가 유입될 수 있다.
상기 개질가스는, 상기 개질가스출구(21)를 통하여 배출되거나, 제 2 개질가스 밸브(412)를 제어하여, 개질연료와 함께 버너(3)로 공급되어 연소될 수 있다.
가열이 필요한 때의 동작을 설명한다. 상기 스팀 리액터(4)는, 연소가스, 공기, 개질가스, 버너에 의해서 가열될 수 있다. 상기 전환반응기(5)는 히터(51) 및 배기가스에 의해서 가열될 수 있다.
냉각이 필요한 때의 동작을 설명한다. 상기 스팀 리액터(4)는, 제 3 개질수(13), 공기에 의해서 냉각될 수 있다. 상기 전환반응기(5)는 제 1, 2 개질수의 유량 및 비율을 조절하는 것에 의해서 수행될 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 스팀 리액터(4)의 촉매를 환원하는 것에 대하여 설명한다.
먼저 환원연료 흡입은, H2와 H2O 혼합가스가 스팀 리액터(4)에 흡입되도록 개질연료 개질수 주입구 밸브(12)를 개방한다. 물론, 개질연료 및 개질수는 서로 분리되는 관로를 통하여 공급되도록 할 수도 있을 것이다.
환원가스의 배출은, H2O가 포함된 개질가스가 전환반응기(5)로 들어가지 않도록 하기 위하여, 환원가스 밸브(41)를 열어 개질가스를 배출한다. 그리고 메인 개질가스 밸브와 제 2 개질가스 밸브(412)는 차단한다. 배출되는 개질가스를 연소 연료로 재 사용하려면 환원가스 밸브(41)를 닫고 제 1 개질가스 밸브(411)를 열어 개질가스를 연소시킬 수도 있다.
스팀 리액터 가열은. 공기와 연소원료를 공급하고 버너에서의 연소열에 의해서 수행될 수 있다.
스팀 리액터의 냉각은, 제 2 개질수와 제 3 개질수의 유량과 비율을 조절하여 공급함으로써, 수행될 수 있다. 또한 공기의 유량을 조절하여 냉각시킬 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 전환 반응기(5)의 촉매를 환원하는 것에 대하여 설명한다.
먼저, 환원가스 흡입은, 스팀 리액터의 공정을 정지시키고 환원가스 밸브(41)로 H2 또는 CH2만을 투입한다. 이때 제 1 개질가스 밸브(411), 연소연료밸브(31), 제 1 1, 2, 및 개질수 주입구(11)(12)(13)는 닫혀서, 환원가스는, 전환반응기(5)로 흘러갈 수 있다. 상기 환원가스에는 H2O가 있으면 안된다.
환원가스 배출은, 개질가스 밸(21) 열어서 수행될 수 있다.
전환반응기의 가열은, 연소연료의 연소열과, 환원연료 흡입부의 히터(51)로 환원연료를 가열하는 것에 의해서 수행될 수 있다.
전환반응기의 냉각은, 연소라인으로 공기를 순환시켜 냉각시킬 수 있다. 필요하면 제 1 개질수(11)를 냉각수로 주입하고, 수증기의 형태로 제 2 개질수 주입구(12)를 통하여 배출할 수 있다.
한편, 여러개의 분산전원을 연결한 가상발전소(VPP: Virtual Power Plant)의 구성 시에, 분산전원들은 중앙발전소와 혹은 일정한 전력을 안정되게 생산할 수 있는 전력 생산 시스템과 연결되어 운용된다.
특히 신재생에너지를 이용한 분산전원의 경우 간헐성으로 인한 에너지의 부족과 과잉으로 인하여, 부족한 에너지를 보충하고 저장하기 위한 에너지 저장 시설과 에너지 생산 시설을 필요로 한다.
이러한 문제들을 효율적으로 해결해 에너지를 조절하기 위해 다음과 같은 구성을 더 포함할 수 있다.
먼저, 에너지 수요에 의한 탄력적 공급을 만들어 낼 수 있는 연료전지 시스템 (fuel processing system)을 포함할 수 있다. 상기 연료전지 시스템은, 부족한 에너지를 생산하는 시스템으로 사용될 수 있다.
또한, 에너지 과잉에 의한 전기에너지를 수소로 탄력적으로 전환하여 저장할수 있는 시스템을 포함할 수 있다. 본 시스템에는 수소 생산/저장시스템을 포함할 수 있다.
이 외에, 생산된 수소를 운송하는 수소 운송 장치, 전기를 공급하는 전기 공급장치, 및 온수를 활용하는 온수활용장치가 포함될 수 있다.
상기 연료전지시스템은, 전체 가상발전소의 구성시에 부족한 에너지를 공급하고 수소생산/저장시스템은 과잉에너지를 저장하는 시스템으로서, 생산 및 저장을 위한 두 개의 시스템이 연동적으로 운전되어, 가상발전소에서 에너지의 효율적 이용을 위한 수요공급조절장치로서 사용될 수 있다.
다시 말하면, 특정분산 전원에서, 에너지의 부족 시 에너지를 전기에너지 형태로 특정 분산전원에 공급하고, 특정 분산전원에서 에너지의 잉여 생산 시 각각의 분산전원에서 여러 형태의 수소생산장치를 통해 생산된 수소가 수요공급조절장치로 보내져 저장되어진다.
이때 상기 수소운송장치, 상기 전기공급장치, 및 상기 온수활용장치는, 부족에너지 생산 시스템과 수소제작 시스템의 수용공급조정장치로서의 역할을 위한 에너지 운송수단으로 사용될 수 있다.
상기 수소생산 장치는 각각의 신재생에너지 분산전원에 위치하여, 과잉 에너지의 저장을 위한 수소를 생산할 수 있다. 생산된 수소는 중앙에 위치한 연료전지 시스템과 연결되어진 수소저장 장치로 운송되어진다.
상기 연료전지 시스템은 적어도 두 개의 분산전원을 위한 단일의 중앙서비스체계로서 마련될 수 있다. 상기 연료전지 시스템은 두개 이상이 병렬로 마련될 수도 있으나, 분산전원의 갯수보다는 작게 마련될 수 있다.
이는 생산 시에 간헐성이 심한 신재생에너지 분산전원 (혹은 다른 형태의 간헐성을 가진 분산전원)의 불예측적인 생산시간과 생산량을, 탄력 있는 수소 생산 장치를 이용하여 수소로 변환하여 수용공급조절장치에 공급함으로써, 전체 가상발전소 그리스의 전기에너지 요동에 의한 다양한 손실과 파손를 감소시킬 수 있다.
운송된 수소는 전체 가상발전소의 특정 분산전원에서 에너지의 부족 시 연료전지 시스템을 이용하여 공급된다.
이때 저장수소의 총량이 필요 에너지보다 작을 때는 연료전지 시스템을 이용하여 부족분의 수소를 생산한다. 연료전지 시스템의 용량과 필요여부는 아래의 에너지 밸런스 식을 이용하여 결정한다.
Figure pat00001
E 1 : 개질공정을 통하여 일정시간동안 생산된 수소에너지
E 2 : 연료전지분산전원을 통하여 공급된 전기에너지
E 3 : 잉여에너지를 이용하여 일정시간동안 생산된 수소에너지
만일, 오른쪽 항이 0혹은 0보다 작은 경우 개질공정은 불필요하다.
오른쪽 항이 0보다 큰 경우는 가상발전소에서 수소의 저장량이 증가한다. 따라서 이 경우 다른 가상발전소로 수소의 공급이 가능하거나 수소자동차 등 수소의 수요를 가져올 수 있는 기계의 사용이 권장된다.
에너지의 흐름과 장점은 다음과 같다.
각각의 분산전원에서 과잉에너지 생산은 수소에너지로 전환되어 부족에너지 저장 시스템으로 운송된다. 신재생에너지로부터 발생되는 전기에너지는 요동이 심하므로 이러한 요동에 민감하게 반응할 수 있는 수전해 장치를 사용한다.
수소형태의 저장은 시간에 따른 자연적인 에너지 손실을 가져오는 2차 전지를 이용한 에너지 저장보다 안정된 장기저장이 가능하다.
상기 수소생산/저장시스템 중에서 수소를 저장하는 수소저장장치는, 상기 연료전지 시스템의 인근에 집중하여 제공될 수 있다. 이를 통하여, 안전성을 높이고, 수소의 활용성을 높일 수 있다. 상기 수소저장장치는 상기 수소생산/저장시스템 중에 제공되는 적어도 두 개의 수소생산장치에서 생산된 수소를 모아서 저장할 수 있다.
각각의 분산전원 에너지원으로부터 생산된 수소는 중앙의 수용공급조절장치의 역할을 하는 연료전지 시스템이 있는 연료전지 분산발전원으로 운송되어 중앙관리된다.
특정 분산전원의 전기가 부족 시 수용공급조절장치의 역할을 수행할 연료전지분산발전원은 저장되어 있는 수소, 혹은 부족 시 별도로 연결되어진 연료전지 시스템으로부터 공급되는 수소를 이용하여 전기를 생산하여 공급한다.
중앙에서의 연료전지발전원은 이산화탄소의 발생지점을 중앙화 함으로서 필요시 이산화탄소 처리에 유리하다.
전체 효율을 최적화하기 위해 온수의 사용도 가능하다. 온수는 연료전지 시스템과 연료처리장치로부터 생산되며 필요에 따라 특정 분산 전원 시스템으로 운송된다.
겨울에 온수의 사용이 증가하고 여름에 온수의 사용이 감소함을 고려시 온수는 이를 이용한 냉방시스템의 사용을 통하여 효율을 증가시킬 수 있다.
실시예에 따른 가상발전소는 실시예에 따른 연료처리장치를 사용함으로 신속하게 대응하여 수소를 생산하고 사용할 수 있기 때문에, 가상발전소의 운용효율이 상승하는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 신속한 동작 및 정지가 가능한 연료처리장치를 제공할 수 있고, 가상발전시스템을 더 효율적으로 운용할 수 있다.
1: 스팀반응모듈
2: 전환반응모듈

Claims (5)

  1. 적어도 두 개의 분산전원;
    상기 적어도 두 개의 분산전원의 잉여전력을 이용하여 수소를 생산하고 저장하는 수소 생산/저장시스템;
    상기 적어도 두 개의 분산전원 중의 적어도 하나에 전력이 부족할 때, 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하여 전력이 부족한 분산전원에 전기를 공급하는 수요공급조절장치가 포함되고,
    상기 수요공급조절장치는 상기 적어도 두 개의 분산전원보다 그 수가 작고,
    상기 수용공급조절장치에는 연료전지와 상기 연료전지에 수소를 공급하는 개질기가 포함되고,
    상기 개질기는,
    제 1 케이싱으로 둘러싸이고 내부에 스팀리액터가 놓이는 스팀반응모듈; 및
    제 2 케이싱으로 둘러싸이고 내부에 전환반응기가 놓이는 전환반응모듈이 포함되는 가상발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스팀반응모듈에는,
    하부에 놓이고 개질연료 및 개질수를 저장하는 제 2 열교환기;
    상기 제 2 열교환기의 중앙부에 놓이고 상방으로 화염을 분사하는 버너; 및
    상기 화염의 외부에 놓이는 스팀 리액터가 포함되는 가상발전시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전환반응모듈에는,
    상기 스팀리액터에서 개질되는 개질가스에서 유해가스를 제거하는 전환반응기;
    상기 전환반응기의 적어도 일부를 내부에 수용하고, 외부에서 공급되는 제 1 개질수와 상기 개질가스와 열교환하는 제 4 열교환기가 포함되는 가상발전시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산전원에는, 전력생산이 요동하는 적어도 하나의 신재생에너지원이 포함되는 가상발전시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 생산/저장시스템의 수소저장장치는, 상기 연료전지에 인접하여 마련되고, 적어도 두개의 수소생산장치에서 생산된 수소를 모아서 저장하는 가상발전시스템.

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