KR20210005914A - 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 방법 및 설비 - Google Patents

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로랑 알리디에레스
파비엥 듀란드
피에르 바르조욱스
진-마크 베른하르드트
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은 시설(1)을 이용하여 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 시설(1)은 미리 결정된 저장 압력에서의 액화 수소의 저장부(4), 수소 가스의 공급원(2), 상기 공급원(2)에 연결된 유입구 및 상기 액체 수소 저장부(4)에 연결된 배출구를 포함하는 액화기(3)를 포함하고, 상기 저장부(4)는, 상기 액체 수소 저장부(4)에 연결된 일 단부 및 적어도 하나의 이동 가능 탱크(8)에 연결되도록 의도된 일 단부를 포함하는, 액체를 인출하기 위한 파이프(10)를 포함하고, 상기 방법은 상기 공급원(2)에 의해서 공급된 수소 가스를 액화하는 단계 및 액화 수소를 상기 저장부(4)에 전달하는 단계를 포함하고, 상기 액화기(3)에 의해서 액화되고 상기 저장부(4) 내로 전달되는 수소가 저장 압력에서 수소의 끓는 온도보다 낮은 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 방법 및 설비
본 발명은 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 방법 및 시설에 관한 것이다.
본 발명은, 보다 구체적으로는, 시설을 이용하여 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 방법에 관한 것으로서, 그러한 시설은 미리 결정된 저장 압력의 액화 수소를 위한 저장 설비, 기체 수소의 공급원, 상기 공급원에 연결된 유입구 및 액체 수소 저장 설비에 연결된 배출구를 포함하는 액화기를 포함하고, 저장 설비는 액체 수소 저장 설비에 연결된 단부 및 적어도 하나의 이동 가능 탱크에 연결되도록 의도된 단부를 포함하는 액체 인출용 파이프를 포함하고, 상기 방법은 공급원에 의해서 공급된 기체 수소의 액화 스테이지 및 액화 수소를 저장 설비에 전달하는 스테이지를 포함한다.
특히 액체 수소의 밀도로 인해서, 대량의 제품을 장거리에 걸쳐 운송하여야 할 때, 액체 수소는 기체 수소에 비해서 선호된다.
액체 수소의 다른 장점은 연료 전지 차량을 위한 수소 충전소에서의 그 밀도 및 큰 저장 용량과 관련된다. 20 K의 온도는 (이러한 온도에서 고체인) 모든 불순물을 가스로부터 실질적으로 제거하고, 이는 연료 전지의 동작을 최적화한다.
다른 한편으로, 물에 비해서 낮은 액체 수소의 밀도(70 g/리터)로 인해서, 정수두(hydrostatic head)에 의해서 이용될 수 있는 압력 및 낮은 온도가 액체 전달 중에 상당히 큰 증발 손실을 생성할 수 있다.
구체적으로, 수소 액화 플랜트 내의, 트럭에 적재하고 탱크를 충진하기 위한 시스템은 생산량의 15%까지의 범위(예를 들어, 탱크로부터 0.2% 손실, 탱크에 충진하기 위한 밸브 내의 플래시 증발(flash vaporization)에 의한 5%의 손실, 및 트럭 충진 방법에서의 10%의 손실)일 수 있는 손실을 초래할 수 있다.
이러한 증발 손실은, 물론, 저장 후에 회수되고, 재가열되고, 재압축될 수 있고 액화기 내로 재주입될 수 있다. 이러한 것이, 생성된 액체를 위한 저장 설비(4)를 포함하는 시설을 도시하는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 수소는 기체 수소의 공급원(2)으로부터 생산되고, 이는 저장 설비(4)에 전달되기 전에 액화기(3) 내에서 액화된다. 비등 가스(boil-off gas)가 유닛으로부터 인출되고, 그러한 유닛은, 예를 들어, 직렬로, 가열기(5), 버퍼 탱크(6)(예를 들어, 등압적), 및 압축 구성요소(7)를 포함한다. 회수되고 압축된 가스가 액화기(3)의 유입구에서 유입될 수 있고, 그에 따라 그러한 가스가 재액화될 수 있고 저장 설비(4) 내로 재도입될 수 있다.
저장 설비(4)는, 예를 들어 중력에 의한 또는 압력차에 의한, 탱크(8)로의, 특히 액체 운반 트럭으로의 공급을 위해서 제공될 수 있다.
트럭의 탱크(8)를 충진하기 위한 이러한 동작 중에 증발되는 수소의 전부 또는 일부가 분출될 수 있거나 선택적으로 라인(9)을 통해서 회수될 수 있고, 그러한 라인(9)은 이러한 가스를 회수 및 재액화 회로 내로 재주입한다.
이러한 해결책은 제품의 손실(공기 중으로의 방출)을 생성하거나, 트럭의 충진 중에 생성되는 비등 가스를 흡수할 수 있게 하기 위한 액화기(3) 및 가스 회수 유닛의 비례 조정(proportioning)을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점의 일부 또는 전부를 극복하는 것이다.
이를 위해서, 본 발명에 따른 방법은, 또한 전술한 서문에서 본 발명을 위해서 제공된 일반적인 정의에 따라, 본질적으로, 액화기에 의해서 액화되고 저장 압력에서의 수소의 끓는점 미만의 온도에서 저장 설비로 전달되는 수소를 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시형태가 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 방법은 이동 가능 탱크에서 유래된 수소를 회수하는 스테이지를 포함하고, 회수된 수소는 저장 압력에서 수소의 기포보다, 특히 증발된 기체 수소보다 높은 온도를 가지고, 회수 스테이지는 회수된 수소를 저장 설비로 전달하는 것을 포함하고,
- 회수 스테이지 중에, 회수된 수소는 저장 설비의 액체 부분으로 전달되고,
- 저장 압력은 1.05 바아 내지 5 바아, 특히 2.5 바아이고,
- 액화기에 의해서 생산된 액체 수소는 액체의 압력에서의 포화 온도와 1.1 절대값 바아의 압력에서의 포화 온도, 특히 2.5 바아의 저장 압력에 대한 20.4 내지 23.7 K의 온도 사이의 온도에서 저장 설비로 전달되고,
- 액화기에 의해서 생산된 액체 수소는 액체의 압력에서의 포화 온도와 수소의 응고 온도보다 약간 높은 온도, 특히 2.5 바아의 저장 압력에 대한 15 K 내지 23.7 K의 온도 사이의 온도에서 저장 설비로 전달되며,
- 액화기에 의해서 생산된 액체 수소는 탱크로 직접적으로 그리고 선택적으로 또한 저장 설비로 전달되고, 액체의 압력에서의 포화 온도와 수소의 응고 온도를 약간 초과하는 온도, 특히 2.5 바아의 저장 압력에 대한 15 K 내지 23.7 K의 온도 사이의 온도를 가지며,
- 액화된 수소를 저장 설비(4)에 전달하는 스테이지는, 저장 설비 내의 액체의 레벨이 미리 결정된 문턱값 미만이 되자마자 실행되고,
- 회수 스테이지 중에, 회수된 수소는 저장 설비(4)에 직접적으로, 즉 예비 냉각 없이 전달되고, 회수된 수소는 저장 설비 내에서 냉각되고, 적절한 경우에, 액체 수소에 의해서 액화된다,
본 발명은 또한 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 시설에 관한 것으로서, 그러한 시설은 미리 결정된 저장 압력의 액체 수소를 위한 저장 설비, 적어도 하나의 이동 가능 탱크, 기체 수소의 공급원, 상기 공급원에 연결된 유입구 및 액체 수소 저장 설비에 연결된 배출구를 포함하는 액화기를 포함하고, 저장 설비는, 액체 수소 저장 설비에 연결된 단부 및 이동 가능 탱크(들)에 연결되도록 의도된 단부를 포함하는 액체 인출용 파이프를 포함하고, 액화기는 저장 압력에서의 수소의 끓는점 미만의 온도에서 수소를 생산하고 저장 설비에 공급하도록 구성되고, 시설은 탱크(들)에 연결되도록 의도된 단부 및 저장 설비에 연결되도록 의도된 단부를 포함하는 증발 가스 회수 파이프를 포함하는 것으로, 그에 따라 이러한 증발된 가스를 그 액화 목적을 위해서 저장 설비에 전달한다.
다른 가능한 구분되는 특징에 따라:
- 액화기는, 저장 압력에서의 수소의 끓는점에 대해서 0.1 내지 12 K만큼 낮은 온도에서 생산 및 저장 설비에 공급하도록 구성되고,
- 액화기는, 1.05 내지 12 바아의 저장 압력에 대해서 20.4 K 내지 33 K의 온도에서 생산 및 저장 설비에 공급하도록, 및/또는 1.05 내지 5 바아의 저장 압력에 대해서 15 K 내지 27.1 K의 온도에서 수소를 생산하고 저장 설비에 공급하도록, 구성되며,
- 증발 가스 회수 파이프는, 탱크를 저장 설비로부터 격리할 수 있게 하는 밸브를 포함하고,
- 액화기는, 직접적인 재액화를 통해서 탱크 내의 수소의 압력 및 질량을 유지하면서, 15 K 내지 27.1 K의 온도에서 생산 및 탱크에 공급하도록 구성되고,
- 저장 설비는 수소 가스 상 및 수소 액체 상을 포함하고,
- 저장 설비의 수소 가스 및 액체 상은 상이한 각각의 온도를 가지고, 다시 말해서 가스 상 및 액체 상은 저장 설비 내에서 열역학적 평형에서 유지되지 않으며,
- 액화기의 배출구는, 저장 설비의 액체 상 내에서 나오는 파이프를 통해서 액체 수소 저장 설비에 연결되고,
- 시설은, 액화기의 배출구에 연결된 단부 및 탱크(들)에 직접적으로 연결되도록 의도된 단부를 갖는 파이프를 포함하고,
- 저장 설비는 가스 상이 머무르는 부분 내에, 특히 저장 설비의 상부 부분 내에 열적 입력을 집중시키도록 구성되며,
- 저장 설비(4)는, 주로 저장 설비의 상부 부분에 연결되는 구조적 유지 요소(15)에 의해서 고정되어 매달리거나 지지되고,
- 저장 설비는 진공-절연 자켓형 탱크이고,
- 시설은, 액화기의 배출구에 연결된 단부 및 저장 설비의 가스 상 내에서 나오는 단부를 갖는 파이프를 포함하고,
- 시설은, 액화기에 의해서 생산된 수소를 저장 설비에 자동적으로 공급하는 것에 의해서, 저장 설비 내의 액체의 레벨을 미리 결정된 문턱값을 초과하여 유지하도록 구성된다.
본 발명은 또한 청구항의 범위 내의 전술한 또는 후술되는 특징의 임의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.
다른 특정 특징 및 장점은 도면을 참조하여 제공된 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 시설의 구조 및 동작을 나타내는 도식적이고 부분적인 도면을 도시한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 시설의 2개의 예의 구조 및 동작을 각각 나타내는 도식적이고 부분적인 도면들을 도시한다.
도 4 및 도 5는 저장 설비 구조의 2개의 예를 각각 나타내는 2개의 개략도를 도시한다.
본 발명의 구현예에 따른 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 시설(1)이 도 2에 도시되어 있다. 도 1의 요소와 동일한 요소는 동일한 참조 번호로 표시되었다.
시설(1)은 미리 결정된 저장 압력(4)에서의 액체 수소를 위한 저장 설비(4)를 포함한다. 예를 들어, 이러한 저장 설비는, 예를 들어, 몇천 리터의, 큰 용량의 진공-절연된 저장 설비이다. 이러한 저장 설비(4)는 통상적으로 증기 상과 함께 액체 상을 포함한다.
통상적으로, 저장 압력은 바람직하게, 예를 들어, 고정된 값(예를 들어, 1.05 내지 11 바아, 예를 들어 1.1 내지 5 바아, 특히 2.5 절대값 바아)으로 조절된다.
"저장 압력"은, 예를 들어, 저장 설비 내의 또는 저장 설비의 하단 부분 내의 또는 상부 부분 내의(가스 상부 공간 내의) 평균 압력을 의미하는 것으로 이해된다. 이는, 수소의 낮은 밀도의 결과로서, 저장 설비의 하부 부분 내의 압력이 상부 부분 내의 압력과 실질적으로 동일하기 때문이다.
시설은 또한 기체 수소의 공급원(2) 및 액화기(3)를 포함하고, 액화기(3)는 공급원(2)에 연결된 유입구 및 액체 수소 저장 설비(4)에 연결된 배출구를 포함한다.
공급원(2)은 수소의 생산을 위한 수소 네트워크 및/또는 유닛(예를 들어 수증기 변성(steam reforming) 및/또는 전기 분해에 의한 및/또는 다른 적절한 공급원)일 수 있다.
공급원(2)에 의해서 공급되고 액화기(3)에 의해서 액화된 수소는, 간헐적으로 및/또는 연속적으로 및/또는 탱크 내의 액체 레벨이 미리 결정된 문턱값 미만으로 떨어지는 경우에, 저장 설비(4)에 전달될 수 있다. 바람직하게, 저장 설비(4) 내의 액체 레벨은 액화기(3) 측에서의 공급(액화기(3) 및/또는 저장 설비(4)에 공급되는 액체의 유량을 조절하는 밸브로부터의 유량)을 통해서 자동적으로 제어된다.
시설은 부가적으로 액체 인출용 파이프(10)를 포함하고, 그러한 파이프(10)는 액체 수소 저장 설비(4)에 연결된 단부 및 충진되는 하나 이상의 탱크(들)(8), 특히 운반 트럭에 장착된 탱크와 같은 이동 가능 탱크(들)에 연결되도록 의도된 단부를 포함한다.
이러한 트럭은 특히 공급 고정형 탱크, 특히 수소를 차량에 공급하기 위한 충전소일 수 있다.
하나의 구분된 특징에 따라, 액화기(3)는, 저장 압력에서의 수소의 끓는점 미만의 온도에서 생산 및 저장 설비(4)에 공급하도록 구성된다.
저장 압력은, 예를 들어, 1.05 바아 내지 5 바아, 특히 2.5 바아이다.
예를 들어, 액화기(3)에 의해서 생산되고 저장 설비(4)에 전달되는 액체 수소는 저장 압력에서의 수소의 끓는점보다 0.1 내지 12 K만큼 낮은 온도, 특히 1.05 내지 11 바아의 저장 압력에 대해서 16 K 내지 23 K의 온도에서, 특히 2.5 바아의 저장 압력에 대해서 20.4 내지 21 K의 온도를 갖는다.
다시 말해서, 액화기(3)는 종래 기술의 구성이 비해서 과냉된, 즉 저장 설비(4)의 압력에서 수소의 끓는점 미만의 온도의 액체를 생산한다.
끓는점은, 비등(증발)으로부터 제1 기포가 나타나는 (주어진 압력에서의) 온도를 나타낸다.
바람직하게, 액화기(3)는 과냉된 열역학적 조건 하에서 액체 수소를 직접적으로 공급한다. 예를 들어, 액화기(3)의 배출구에서, 수소는, 선택적으로 저장 설비로부터 가능한 한 멀리 이어지는 회로 내의 가열을 고려한 과냉 조건을 갖는다.
바람직하게, 수소 액체 상 및 가스 상은 저장 설비(4)에서 열역학적 평형에서 유지되지 않는다. 즉, 저장 설비(4)의 수소 가스 상 및 액체 상은 상이한 각각의 온도를 갖는다. 특히, 수소는 안정적인 압력(저장 압력)에서 유지될 수 있으나, 수소의 특히 기체 수소의 온도는 하부 부분 내의 저온 액체 상과 상부 부분 내의 더 따뜻한 가스 부분 사이에서 계층화될 수 있다.
이러한 구성(가스 부분과 액체 부분 사이의 상이한 온도들)에서, 가스 부분의 거의 대부분이 40 K의 온도일 수 있다.
사실상 수소의 임계점은 33 K에서 12.8 바아이다. 따라서, 40 K에서 가스 압력을 등온적으로 높이는 것에 의해서 가스를 응축시킬 수 없다.
이어서, 제1 접근 방식에서, 저장 설비(4)의 하단부를 통해서 저온 액체를 부가하는 것에 의한 저장 설비(4)의 가압화가, 가스 상부 공간의 응축 없이, 이루어질 수 있다는 것을 용이하게 결론지을 수 있다.
따라서, (예를 들어, 40 K 이상의 온도의) 비교적 "따뜻한" 가스 상부 공간 및 끓는점 이하에 상응하는 온도를 갖는 액체 부분을 포함하는 준안정적인 (또는 불안정한) 열역학적 시스템을 획득할 수 있다. 이는, 온도-계층화된 가스 상부 공간과 연관된 과냉된 액체의 특별한 경우이다.
저장 설비(4)는 바람직하게 나선형일 수 있다.
또한, 바람직하게, 이러한 저장 설비(4)는, 열 입력의 대부분이 그 상부 부분에 의해서 이루어지도록, 구성된다. 도 4 및 도 5에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 저장 설비(4)는 저장 설비(4)의 상부 부분에 주로 연결되는 구조적 유지 요소(15)(타이 로드, 아암, 및 기타)에 의해서 고정되어 매달리거나 지지될 수 있다. 따라서, 이러한 구조적 요소를 주로 통과하는 열적 입력은 그에 따라 저장 설비(4)의 상부 부분을 주로 가열할 것이다. 타이 로드 또는 지지 요소는 진공 중간벽 공간 내에 배치될 수 있고, 유체를 포함하는 내부 쉘(shell)의 상부 부분에 연결될 수 있다.
이러한 구성은 가스 상의 더 큰 (온도-)계층화를 가능하게 한다.따라서, 저장 설비(4)는, 액체 부분 내에서, 특히 저장 설비(4)의 하단부 내에서 나오는 충진 파이프(12)를 통해서 충진될 수 있다. 예를 들어, 이러한 파이프(12)는 저장 설비(4) 중간벽 사이의 진공 절연 공간을 통과할 수 있다(도 2 참조).
전달/충진은 밸브(16)(예를 들어, 파일롯형 밸브(piloted valve))를 통해서 제어될 수 있다.
저장 설비(4) 내의 압력은, 예를 들어, 가스 상부 공간의 압력을 제어하는 것에 의해서 제어될 수 있다. 예를 들어, 압력이 증가될 수 있다(간결함을 위해서 도면에 도시하지 않은, 가스 상부 공간 내로 더 따뜻한 수소를 주입하기 위한 통상적인 장치). 즉, 압력을 높이기 위한 장치는 저장 설비로부터 액체를 인출할 수 있고, 이를 재가열할 수 있고 저장 설비(4)의 상부 부분 내로 재주입할 수 있다.
저장 설비(4) 내의 압력을 감소시키기 위해서, 하나의 해결책은 가스 부분 내로 분무하는 것에 의해서 액화기(3)에서 유래된 액체 수소를 주입하는 것으로 이루어질 수 있다. 이는, 예를 들어, 밸브(17)를 구비하는 적합한 파이프(14)를 통해서 실시될 수 있다. 저장 설비(4) 내의 압력을 감소시키기 위해서, 가스 상부 공간 내에 수용된 기체 수소의 일부를 공기 중으로 또한 방출할 수 있다(예를 들어, 도시되지 않은, 밸브를 구비한 파이프(18)).
따라서, 저장 설비(4) 내의 이러한 액체는, 증발 시작 전에, "에너지 보유량" 또는 "프리고리 보유량(frigorie reserve)"을 갖는다.
액화기(3)는, 예를 들어, 작업 유체가 헬륨을 포함하거나 헬륨으로 이루어진 액화기일 수 있다. 예를 들어, 액화기(3)는, 특히 15 K로부터 200 K까지 냉각 및 액화를 제공할 수 있는, 출원인이 판매하는 "Turbo-Brayton" 극저온 시스템을 포함할 수 있다.
물론, 임의의 다른 액화 해결책이 생각될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 진공 팽창 밸브를 포함하는 수소 작업 유체 사이클을 갖는, 또는 액체 터빈 또는 부가적인 헬륨 사이클 유형의 수소의 액화후 과냉을 위한 시스템을 갖는 다른 구성이 가능하다.
이러한 구성은, 도 1과 관련하여 설명된 시스템을 필요로 하지 않고도, 충진된 탱크(8)에서 유래된 더 따뜻한 수소를 회수하고 응축할 수 있게 한다.
이러한 구성은 또한, 이러한 탱크(8) 내에 초기에 존재하는 수소의 질량을 유지하면서, 탱크(8) 내의 더 따뜻한 수소를 응축할 수 있게 한다.
이를 위해서, 시설은, 증발된 가스를 그의 액화를 위해서 저장 설비(4)에 전달하기 위해서, 증발된 가스를 회수하기 위한 (바람직하게 밸브(21)가 피팅되는(도 3 참조)) 파이프(11)를 포함할 수 있고, 그러한 파이프(11)는 탱크(들)(8)에 연결되도록 의도된 단부 및 저장 설비(4)에 연결되도록 의도된 단부를 포함한다.
이어서, 탱크(8)가 4가지 상이한 방식으로 충진될 수 있다.
제1 가능성에 따라, 충진은 열 사이펀(thermosiphon) 효과에 의해서 실행된다. 고온점(hot point)(탱크(8))은 저온점(저장 설비(4))보다 낮고; 이어서, 액체 수소의 자연적인 대류가 자연적으로 구성될 것이고, 탱크(8)를 충진할 것이며, 이는 인출 파이프(10)를 통해서 저장 설비(8)에 유압적으로 연결된다.
이러한 구성에서, 회수 파이프(11)를 통해서 저장 설비(8)로 복귀되는 따뜻한 2-상 혼합물은 저장 설비(8)의 액체 부분(과냉된 수소) 내에서 재응축된다. 시스템의 프라이밍(priming)을 위해서, 낮은 압력의 작은 중간 저장 설비가 선택적으로 이용될 수 있다.
제2의 가능한 구성에 따라, 탱크(8)의 충진이 펌프(19) 또는 임의의 다른 균당한 부재를 통해서 강제될 수 있다. 펌프(19)는, 예를 들어, 인출 파이프(10) 내에 위치된다. 이러한 경우에, 액체 수소는 탱크(8) 내로 주입되고 증발된 액체는 회수 파이프(11)를 통해서 저장 설비(4)로 복귀된다. 전술한 바와 같이, 회수된 따뜻한 유체는 저장 설비(4) 내에 포함된 과냉된 수소와 접촉되어 응축된다.
이러한 따뜻한 유체는 응축기(선택적)를 통해서 또는 직접적으로 액체 내로 버블링(bubbling)하는 것에 의해서 액체 상으로 냉각될 수 있다.
이러한 강제-순환 구성은 탱크(8)의 충진 시간을 줄일 수 있게 한다.
제3 가능성에 따라, 시설은, 액화기(3)의 배출구에 연결된 단부 및 (저장 설비(4)를 통과하지 않고) 탱크(들)(8)에 직접 연결되도록 의도된(도 3 참조) 단부를 갖는 파이프(13)를 포함할 수 있다. 파이프(13)는, 액화기(3)로부터 탱크(8)로 액체 수소를 전달하기 위한 밸브(20)(바람직하게, 파일롯형 밸브)를 구비할 수 있다. 전술한 바와 같이, 회수 파이프(11)에 의해서 회수된 따뜻한 유체는, 냉각/응축을 위해서, 저장 설비(4)로 복귀된다. 이러한 구성은 유리하게, 펌프를 이용하지 않고도, 탱크(4)의 최대 동작 압력보다 높은 압력으로 과냉 수소로 탱크(8)를 충진할 수 있게 한다.
제4 가능성에 따라, 시설은, 액화기(3)의 배출구에 연결된 단부 및 (저장 설비(4)를 통과하지 않고) 충진되는 탱크(들)(8)에 직접 연결되도록 의도된(도 3 참조) 단부를 갖는 파이프(13)를 포함할 수 있다. 파이프(13)는, 액화기(3)로부터 탱크(8)로 액체 수소를 전달하기 위한 밸브(20)(바람직하게, 파일롯형 밸브)를 구비할 수 있다. 탱크(8) 내에 존재하는 따뜻한 유체는, 액화기(3)에서 유래된 과냉된 액체 수소에 의한 따뜻한 증기의 응축의 결과로서 탱크(8) 내의 압력이 (미리 결정된 압력 레벨까지) 충분히 낮아질 때까지, 저장 설비(4)로의 복귀를 위한 파이프(11) 상의 밸브(21)를 폐쇄하는 것에 의해서 탱크(8) 내에서 유지된다. 전술한 바와 같이, 따뜻한 유체는 그 후에 회수 파이프(11)에 의해서 회수될 수 있고 이어서, 냉각/응축을 위해서, 저장 설비(4)로 복귀된다.
따라서, 복귀 파이프(11)의 밸브(21)는 직접적인 재액화에 의해서 저장 설비(8) 내의 수소의 압력 및 질량을 유지할 수 있다.
저장 설비(4 및 8)를 위한 압력 및 충진 조건이 각각의 해결책을 위해서 최적화될 때 그에 따라 전체 시설의 액체 수득(yield)이 증가될 때, 다양한 가능성이 동일 시설에서 이용될 수 있다.
이어서, 탱크(8)의 충진과 관련된 증발에 의한 손실은, 적어도 부분적으로, 저장 설비(4) 내에 포함된 수소의 과냉에 의해서(제1 또는 제2 해결책) 또는 액화기(3)에서 직접적으로 유래된 과냉된 수소에 의해서 보상된다.
이러한 해결책에 따라서, 증발된 가스를 재순환하기 위한 시스템에 투자할 필요가 없고, 이동 가능 탱크(8)는, 사전 감압 또는 사전 냉각 없이, 시설(1)로 유리하게 복귀될 수 있다.
이러한 해결책은 비교적 적은 투자를 요구하고, 시설의 액화 에너지 소비를 약간만 증가시킨다.
에너지 가격 또는 수소의 값에 따라서, 설명된 시스템은 액화 비용과 관련된 전체적인 절감도 가능하게 할 수 있다.
본 발명은, 적절한 경우에, 수소 수요가 공칭 용량보다 작을 때, 액체의 과냉을 증가시킬 수 있다. 이는, 과냉된 수소의 생산 용량이 과냉의 레벨에 따라 감소되기 때문이다. 이는, 유리하게, 저장 설비(4) 내에 포함된 액체의 과냉의 레벨을 조정하게 할 수 있다.
따라서, 단순하고 저렴한 구조임에도, 본 발명은, 극저온 액체를 운반 트럭 또는 다른 이동 가능 탱크(8)에 전달하는 동안, 증발에 의한 가스의 손실을 감소시킬 수 있게 한다.
해결책은, 적절한 경우에, 액체를 냉각하기 위한 그리고 충진되는 탱크(8)를 냉각하기 위한 시스템의 부가에 의해서, 기존 액화기보다, 과냉된 수소 장점이 가장 뛰어나게 할 수 있다. 회수되는 수소 증기의 감소의 결과로서, 기준 유닛의 순(net) 액화 용량이 또한 증가될 수 있다.
본 발명은, 적절한 경우에, 수소 이외의 다른 가스에 적용될 수 있다.
예를 들어, 이하의 섹션은 도 1에 상응하는 종래 기술과 본 발명 사이의 동작 데이터를 비교한다.
도 1의 구성에서, 공급원에서 유래된 기체 수소는 주변 온도일 수 있고, 1.1 내지 30 절대값 바아의 압력 및 1 내지 100 t/일의 유량을 가질 수 있다. 액화기(3)에 의해서 공급되는 액체 수소는 1.05 내지 12.8 바아의 압력 및 20.4 내지 33 K의 온도를 가질 수 있다. 탱크(8)에 전달되는 액체 수소는 1.05 내지 12 바아의 압력 및 20.4 내지 33 K의 온도를 가질 수 있다. 충진되는 따뜻한 탱크(8)로부터의 플래시(증발된) 가스가 1.3 내지 5 절대값 바아 및 30 내지 150 K의 온도를 가질 수 있다. 이러한 플래시 가스는 주변 온도까지 재가열될 수 있고 이어서, 예를 들어, 30 바아의 압력까지 재압축될 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명(도 2 또는 도 3)의 구성에서, 공급원(2)에서 유래된 기체 수소는 주변 온도일 수 있고, 1.1 내지 30 절대값 바아의 압력 및 1 내지 100 t/일의, 그러나 제1 구성의 유량보다 작은 유량을 가질 수 있다. 액화기(3)에 의해서 공급되는 액체 수소는 1.1 내지 12 바아의 압력 및 포화 온도 내지 16 K의 온도를 가질 수 있다. 탱크(8)에 전달되는 액체 수소는 (전달이 열 사이펀에 의해서 또는 펌프에 의해서 실행되는지의 여부에 따라) 1.1 내지 12 바아의 압력 및 20.4 K의 온도를 가질 수 있다. 충진되는 따뜻한 탱크(8)로부터의 플래시(증발된) 가스가 1.2 내지 12 절대값 바아의 압력 및 30 내지 150 K의 온도를 가질 수 있다. 액화된 가스는 2.5 내지 5 절대값 바아의 압력 조건 및 30 내지 50 K의 온도에서 탱크(8)로 복귀될 수 있다. 이러한 도면은, 5일 생산 지속시간(endurance) 및 매일 그 부피의 0.2%의 증발 손실을 가지는 저장 설비에 대해서 예로서 주어진 것이다.
과냉된 액체가, 탱크(8)의 가스 상 내로, 탱크(8)에 전달될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 노즐이 이를 위해서 제공될 수 있다. 이러한 그리고 이들 노즐은 바람직하게 탱크의 상단부(이론적으로 가장 따뜻한 구역)를 향해서 배향된다. 이는, 탱크(8)의 감압 효율을 개선할 수 있게 한다.
액화기(3)는 바람직하게 압력 하에서 액체(예를 들어, 수소)를 공급하도록 구성된다. 따라서, 자연적인 유압 경로를 제공할 수 있고, 이에 따라 액화기와 하류 단부 사이의 회로에 걸친 헤드 손실(head loss)에 대응하기 위한 특정 극저온 장치의 설치를 피할 수 있다. 따라서, 이는, 시설을 복잡하게 할 수 있는(낮은 파워, 그에 따른 적지 않은 열적 입력, 유지보수 필요성, 잠재적인 착빙(icing) 및 기타) 압축기 또는 극저온 펌프가 필요하지 않게 할 수 있다.

Claims (17)

  1. 시설(1)을 이용하여 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 방법으로서, 상기 시설(1)은 미리 결정된 저장 압력의 액화 수소를 위한 저장 설비(4), 기체 수소의 공급원(2), 상기 공급원(2)에 연결된 유입구 및 상기 액체 수소 저장 설비(4)에 연결된 배출구를 포함하는 액화기(3)를 포함하고, 상기 저장 설비(4)는 상기 액체 수소 저장 설비(4)에 연결된 단부 및 적어도 하나의 이동 가능 탱크(8)에 연결되도록 의도된 단부를 포함하는 액체 인출용 파이프(10)를 포함하고, 상기 방법은 상기 공급원(2)에 의해서 공급된 기체 수소의 액화 스테이지 및 상기 액화 수소를 상기 저장 설비(4)에 전달하는 스테이지를 포함하고, 상기 액화기(3)에 의해서 액화되고 상기 저장 설비(4)에 전달되는 수소가 상기 저장 압력에서의 수소의 끓는점 미만인 온도를 가지는 것 및 상기 방법이 상기 액화기(3)에 의해서 생산된 액체 수소를, 액체의 압력에서의 포화 온도와 수소의 응고 온도 초과의 온도, 특히 2.5 바아의 저장 압력에 대한 15 K 내지 23.7 K의 온도 사이의 온도에서, 상기 탱크(8)에 직접적으로 전달하는 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    이동 가능 탱크(8)에서 유래된 수소를 회수하는 스테이지를 포함하고, 상기 회수된 수소는 상기 저장 압력에서 수소의 기포보다, 특히 증발된 기체 수소보다 높은 온도를 가지고, 상기 회수 스테이지는 상기 회수된 수소를 상기 저장 설비(4)로 전달하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회수 스테이지 중에, 상기 회수된 수소는 상기 저장 설비(4)의 액체 부분으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 저장 압력은 1.05 바아 내지 5 바아, 특히 2.5 바아인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화기(3)에 의해서 생산되고 상기 저장 설비(4)로 전달되는 상기 액체 수소는 상기 액체의 압력에서의 포화 온도와 1.1 절대값 바아의 압력에서의 포화 온도, 특히 2.5 바아의 저장 압력에 대한 20.4 내지 23.7 K의 온도 사이의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화기(3)에 의해서 생산되고 상기 저장 설비(4)로 전달되는 상기 액체 수소는 상기 액체의 압력에서의 포화 온도와 상기 수소의 응고 온도를 약간 초과하는 온도, 특히 2.5 바아의 저장 압력에 대한 15 K 내지 23.7 K의 온도 사이의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화된 수소를 상기 저장 설비(4)에 전달하는 스테이지는, 상기 저장 설비 내의 액체의 레벨이 미리 결정된 문턱값 미만이 되자마자 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 시설로서, 미리 결정된 저장 압력의 액체 수소를 위한 저장 설비(4), 적어도 하나의 이동 가능 탱크(8), 기체 수소의 공급원(2), 상기 공급원(2)에 연결된 유입구 및 상기 액체 수소 저장 설비(4)에 연결된 배출구를 포함하는 액화기(3)를 포함하고, 상기 저장 설비는 가스 형태의 수소가 머무르는 상부 부분 및 액체 상의 하부 부분, 상기 저장 설비(4)는 상기 액체 수소 저장 설비(4)에 연결된 단부 및 상기 이동 가능 탱크(들)(8)에 연결되도록 의도된 단부를 포함하는 액체 인출용 파이프(10)를 포함하고, 상기 액화기(3)가 상기 저장 압력에서의 수소의 끓는점 미만의 온도에서 생산 및 저장 설비(4)에 공급하도록 구성되는 것 및 상기 시설이 상기 탱크(들)(8)에 연결되도록 의도된 단부 및 증발된 가스를 그의 액화를 위해 상기 저장 설비(4)에 전달하기 위해서 상기 저장 설비(4)에 연결되도록 의도된 단부를 포함하는 증발 가스 회수 파이프(11), 상기 액화기(3)의 배출구에 연결된 단부 및 상기 탱크(들)(8)에 직접적으로 연결되도록 의도된 단부를 가지는 파이프(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시설.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 액화기(3)는, 상기 저장 압력에서의 수소의 끓는점에 대해서 0.1 내지 12 K만큼 낮은 온도에서 생산 및 상기 저장 설비(4)에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시설.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 액화기(3)는, 1.05 내지 12 바아의 저장 압력에 대해서 20.4 K 내지 33 K의 온도에서 생산 및 상기 저장 설비(4)에 공급하도록, 및/또는 1.05 내지 5 바아의 저장 압력에 대해서 15 K 내지 27.1 K의 온도에서 수소를 생산하고 상기 저장 설비(4)에 공급하도록, 구성되는 것을 특징으로 하는 시설.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 증발 가스 회수 파이프(11)는, 상기 탱크(8)를 상기 저장 설비(4)로부터 격리할 수 있게 하는 밸브(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시설.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 액화기(3)는, 직접적인 재액화를 통해서 상기 탱크(8) 내의 수소의 압력 및 질량을 유지하면서, 15 K 내지 27.1 K의 온도에서 생산 및 상기 탱크(8)에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시설.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 설비(4)는 수소 가스 상 및 수소 액체 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 시설.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 저장 설비(4)의 상기 수소 가스 및 액체 상은 상이한 각각의 온도를 가지고, 다시 말해서 상기 가스 상 및 액체 상은 상기 저장 설비 내에서 열역학적 평형에서 유지되지 않는 것을 특징으로 하는 시설.
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화기(3)의 배출구는, 상기 저장 설비(4)의 액체 상 내에서 나오는 파이프(12)를 통해서 상기 액체 수소 저장 설비(4)에 연결되는 것을 특징으로 하는 시설.
  16. 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 설비(4)는 상기 가스 상이 머무르는 부분 내에, 특히 상기 저장 설비(4)의 상부 부분 내에 열적 입력을 집중시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시설.
  17. 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 설비(4)는, 주로 상기 저장 설비(4)의 상부 부분에 연결되는 구조적 유지 요소(15)에 의해서 고정되어 매달리거나 지지되는 것을 특징으로 하는 시설.
KR1020207033835A 2018-05-07 2019-04-29 액화 수소를 저장 및 분배하기 위한 방법 및 설비 KR20210005914A (ko)

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