KR20210059145A - 신재생에너지 이용 수전해 시스템 및 신재생에너지를 수전해 시스템에 공급하는 방법 - Google Patents

신재생에너지 이용 수전해 시스템 및 신재생에너지를 수전해 시스템에 공급하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템에 관한 것으로, 일 실시예에 따르면, 신재생 에너지원에서 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하고 저장하는 압축공기 에너지 저장장치; 및 상기 압축공기 에너지 저장장치로부터 전력을 공급받아 수전해 반응에 의해 수소를 생산하는 수전해 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템을 제공한다.

Description

신재생에너지 이용 수전해 시스템 및 신재생에너지를 수전해 시스템에 공급하는 방법 {Electrolysis system using renewable energy and method for providing electrolysis system with the renewable energy}
본 발명은 수전해 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 신재생 에너지원에서 공급되는 에너지를 수전해 장치로 안정적으로 공급할 수 있는 수전해 시스템에 관한 것이다.
화석연료 사용으로 인한 지구 온난화 등의 환경문제와 화석자원 고갈 문제를 해결하기 위해 다양한 대체 에너지원과 이를 활용하는 기술이 개발되고 있으며 특히 태양광, 풍력 등 신재생 에너지(Renewable Energy)에 대한 기술 개발 및 상용화가 빠르게 진행되어 왔다.
이러한 신재생 에너지원의 가장 큰 문제점은 에너지가 불규칙적으로 생성되어 안정적인 전력 공급원으로 사용하기 어렵다는 것이다. 이를 극복하기 위해 최근에는 신재생 에너지를 에너지 저장장치에 저장한 후 여기에 저장된 에너지를 부하에 안정적으로 공급하도록 구성하여 신재생 에너지원의 효용성을 높이는 기술이 개발되고 있다.
에너지 저장 방법의 하나로 수전해조(water electrolyzer)와 연계하여, 신재생 에너지원에서 획득된 에너지를 이용하여 수소를 생산하고 생산된 수소를 저장 및 판매하거나 연료전지 등과 함께 발전으로 사용하는 방법이 제시되고 있다. 특히 수소는 연료전지에 공급될 수 있는 연료 중 하나로서 석유, 석탄 등 화석연료를 대체할 차세대 에너지 운반체로 주목받고 있으며 연소시 온실가스를 발생하지 않으며 오직 물만 배출한다는 점에서 청정 에너지원으로 평가 받고 있다.
그러나 신재생 에너지원은 기후 및 시간에 따라 에너지량의 변동이 매우 커서 발전 출력이 일정하지 않으므로, 수소 생산 시스템(수전해 시스템)이 이렇게 변동량이 큰 에너지원을 이용하려면 불규칙한 전력의 피크치에 대응하여 수전해 시스템의 전력 수용 용량이 비효율적으로 커져야 하는 문제가 있다. 또한 불규칙 전력으로 수전해 시스템을 운용할 경우 수전해 시스템의 내구성이나 성능이 나빠지고 제어가 어려운 문제도 있다.
특허문헌1: 한국 등록특허 제10-1816839호 (2018년 1월 9일 공고) 특허문헌2; 한국 등록특허 제10-1926010호 (2018년 12월 6일 공고)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 신재생 에너지원과 수전해 장치 사이에 공급 전력을 안정화시켜 수전해 장치로 안정적이고 일정한 전력을 공급할 수 있는 수전해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템으로서, 신재생 에너지원에서 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하고 저장하는 압축공기 에너지 저장장치; 및 상기 압축공기 에너지 저장장치로부터 전력을 공급받아 수전해 반응에 의해 수소를 생산하는 수전해 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기를 압축하여 저장하는 압축공기 에너지 저장장치 및 수소를 생산하는 수전해 장치를 구비한 수전해 시스템으로 신재생 에너지를 공급하는 방법으로서, 상기 압축공기 에너지 저장장치는 공기를 압축하는 터빈, 압축된 공기를 저장하는 압축공기 탱크, 및 압축공기를 이용하여 전력을 생산하는 제1 발전기를 구비하고, 상기 방법이, 신재생 에너지원에서 생산된 전력으로 상기 터빈을 구동하여 공기를 압축하는 단계; 압축된 공기를 상기 압축공기 탱크에 저장하는 단계; 저장된 압축공기를 상기 제1 발전기로 공급하여 제1 발전기에서 전력을 생산하는 제1 발전 단계; 및 상기 제1 발전기에서 생산된 전력을 상기 수전해 장치로 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 수전해 시스템으로 공급하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 신재생 에너지원과 수전해 장치 사이에 압축공기 에너지 저장장치를 개재하여 설치함으로써 신재생 에너지원의 발전 출력이 변동하더라도 수전해 장치에 항시 일정하고 안정적인 전력을 공급하는 기술적 효과를 얻는다.
종래기술과 같이 신재생 에너지원에서 수전해 장치로 직접 전력을 공급하는 경우 수전해 장치가 불규칙한 전력의 피크치에 대응하여 전력 수용 용량이 커져야 하지만 본 발명의 수전해 시스템에서는 수전해 장치로 일정한 전력을 공급할 수 있으므로 수전해 장치의 시스템 용량을 대폭 줄일 수 있다. 또한 수전해 장치가 불규칙한 전력에 대응하려면 수전해 장치의 내구성과 성능이 나빠지고 제어가 어려운 문제가 있지만 본 발명의 수전해 시스템에서는 수전해 장치가 일정한 전력을 공급받아 정격 연속 운전을 할 수 있으므로 수전해 장치의 성능과 내구성이 향상되고 안정적 제어가 가능한 이점도 있다.
도1은 본 발명에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템의 블록도,
도2는 제1 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템의 블록도,
도3은 제1 실시예에 따른 수전해 시스템의 에너지 효율을 설명하는 도면,
도4는 제2 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템의 블록도,
도5는 제2 실시예에 따른 수전해 시스템의 에너지 효율을 설명하는 도면,
도6은 제3 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템의 블록도,
도7은 제3 실시예에 따른 수전해 시스템의 에너지 효율을 설명하는 도면,
제8은 제4 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템의 블록도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템의 개념을 나타내는 블록도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 수전해 시스템은 신재생 에너지원(10)에서 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하고 저장하는 압축공기 에너지 저장장치(CAES)(20) 및 압축공기 에너지 저장장치(20)로부터 전력을 공급받아 수전해 반응에 의해 수소를 생산하는 수전해 장치(SOEC)(30)를 포함한다.
신재생 에너지는 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지이다. 도면에서는 신재생 에너지원(10)으로 풍력 발전소를 도시하였지만 이는 예시적인 것이며 본 발명의 수전해 시스템은 신재생 에너지로서 예컨대 태양광, 태양열, 풍력, 수력, 지열 등의 에너지 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
압축공기 에너지 저장장치(CAES)(20)는 신재생 에너지원(10)에서 생산된 전력으로 공기를 압축하여 압축공기를 저장하였다가 필요시 압축공기를 이용하여 전기를 생산하고 이 전기를 수전해 장치(30)에 공급한다. 일반적으로 태양광, 풍력 등 신재생 에너지원은 발전 출력이 일정하지 않으므로 본 발명에서는 수전해 장치(30)에 공급하는 공급전력을 안정화시키는 장치로서 수전해 장치(30)의 앞단에 압축공기 에너지 저장장치(20)를 구비한다.
수전해 장치(30)는 물(스팀)과 전력을 공급받아 수전해 반응에 의해 수소와 산소를 생산하며, 예컨대 고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) 등 고온에서(예를 들어 섭씨 600도 이상에서) 동작하는 임의의 수전해 장치로 구현될 수 있다.
수전해 장치(30)는 애노드와 캐소드를 포함하는 수전해전지 스택, 수전해전지 스택에 물(스팀)을 공급하는 유로, 수전해전지 스택에서 배출되는 배출가스를 이송하는 유로, 각 유로에 설치되는 열교환기, 히터, 펌프 및/또는 블로워 등의 구성요소로 구성될 수 있으며 수전해 장치의 일반적인 구조는 당업계에 공지되었으므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 수전해 시스템 구성에서, 신재생 에너지원(10)의 발전 출력이 높을 때 압축공기 에너지 저장장치(20)는 신재생 에너지원(10)의 생산 전력을 이용하여 공기를 압축하여 저장한다. 이 때 신재생 에너지원(10)의 생산 전력 중 일부를 수전해 장치(30)로 직접 공급할 수도 있다. 신재생 에너지원(10)의 발전 출력이 낮아지면 신재생 에너지원(10)에서 수전해 장치(30)로 직접 공급하는 전력을 줄이거나 끊고 압축공기 에너지 저장장치(20)에서 전력을 생산하여 수전해 장치(30)로 공급한다. 즉 저장된 압축공기를 이용하여 발전기의 터빈을 돌려서 전기를 생산하고 이 생산된 전기를 수전해 장치(30)로 공급할 수 있다. 이와 같이 압축공기 에너지 저장장치(20)를 수전해 장치(30)의 앞단에 구비함으로써, 에너지원(10)의 발전 출력이 변동하더라도 수전해 장치(30)에 항시 일정하고 안정적인 전력을 공급할 수 있게 된다.
이제 도2 내지 도8을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 수전해 시스템을 설명하기로 한다.
도2는 제1 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 제1 실시예의 수전해 시스템은 제1 압축공기 에너지 저장장치(21)와 수전해 장치(30)를 포함한다.
일 실시예에서 제1 압축공기 에너지 저장장치(21)는 터빈(210), 축열부(220), 압축공기 탱크(230), 발전기(240), 및 이들 구성요소 사이의 압축공기 이동 유로와 각 유로에 설치되는 하나 이상의 밸브(V1,V2) 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서 터빈(210)은 제1 유로(P1)를 통해 외부에서 공급되는 공기를 모터(211)를 이용하여 압축한다. 이 때 신재생 에너지원(10)에서 생산된 전력을 이용하여 모터(211)를 구동할 수 있다. 압축 공기를 생성할 때 압축동력 줄이기 위해 압축 및 냉각 과정을 다단으로 반복하여 공기를 압축할 수 있다. 다만 이 경우 압축시 발생하는 열의 대부분이 버려지므로 에너지 손실이 발생한다. 따라서 바람직한 일 실시예에서는 중간 냉각을 하지 않고 한번에 공기 압축을 수행한다. 즉 외부로부터 열을 공급받거나 외부로 열을 버리지 않는 단열(adiabatic) 압축으로 압축공기를 생성한다.
일 실시예에서, 중간 냉각 없이 단열 압축으로 공기를 압축할 경우 압축공기를 대략 섭씨 600도까지 가열한다. 가열된 압축공기는 제2 유로(P2)를 통해 축열부(220)를 통과하며 축열부(220)에 열에너지를 전달하고 그 후 압축공기 탱크(230)로 이송되어 저장된다.
축열부(220)는 압축공기 탱크(230)로 공급되는 압축공기로부터 열에너지를 흡수하여 저장하고 이 저장된 열에너지로 압축공기 탱크(230)에서 배출되는 압축공기를 가열하는 역할을 한다.
축열부(220)는 예컨대 세라믹 담채와 같이 열저장 특성을 갖는 축열재를 구비한 용기 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어 자갈이나 볼 형상 또는 허니컴 구조의 다수의 축열재를 용기 내에 충진시켜 축열부(220)를 구성할 수 있다. 이에 따라, 고온의 압축공기가 축열부(220)를 통과하면서 압축공기의 열에너지를 축열재에 전달함으로써 축열부(220)가 열에너지를 저장할 수 있다. 또한 저온의 압축공기가 축열부(220)를 통과할 때 저온의 압축공기와 축열재 사이의 열교환에 의해 압축공기를 가열할 수 있다.
축열부(220)를 통과하며 냉각된 저온의 압축공기는 압축공기 탱크(230)에 저장되고, 그 후 필요에 따라 제3 유로(P3)를 향해 소정량씩 배출된다. 제2 유로(P2)를 통해 압축공기 탱크(230)로 공기를 공급하는 동작과 제3 유로(P3)를 통해 압축공기를 배출하는 동작은 각 유로(P2,P3)에 설치된 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)의 동작에 의해 제어될 수 있다. 예컨대 제1 밸브(V1)를 개방하고 제2 밸브(V2)를 폐쇄함으로써 압축공기를 제2 유로(P2)를 통해 압축공기 탱크(230)로 이송할 수 있고, 제1 밸브(V1)를 폐쇄하고 제2 밸브(V2)를 개방함으로써 압축공기 탱크(230)의 압축공기를 제3 유로(P3)로 배출할 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2 밸브(V1,V2)를 사용하는 것은 압축공기 이송을 위한 예시적인 구성이며, 대안적 실시예에서 예컨대 제1 및 제2 밸브(V1,V2) 대신 삼방밸브를 사용하여 이러한 공기 흐름을 제어할 수도 있다. 또한 도면에 도시하지 않았지만, 예컨대 제3 유로(P3)에 레귤레이터가 설치될 수 있고 레귤레이터에 의해 압축공기의 압력을 일정하게 유지시키며 제3 유로(P3)로 배출할 수 있다.
압축공기 탱크(230)에서 배출되는 저온의 압축공기는 축열부(220)에서 열에너지를 공급받아 가열된다. 축열부(220)가 세라믹 담채와 같은 축열재로 구성되는 경우 일반적으로 세라믹 담채(95)의 열교환 효율이 90% 이상이기 때문에 압축공기가 축열부(220)에서 냉각과 가열을 거치더라도 열에너지를 크게 잃지 않고 충분히 고온의 압축공기로 가열될 수 있다.
축열부(220)에서 가열된 압축공기는 제3 유로(P3)를 통해 이송되어 발전기(240)로 공급된다. 발전기(240)는 고온의 압축공기를 이용하여 전력을 생산하는 장치이며 예컨대 터빈(241)과 제너레이터(242)로 구성될 수 있다. 터빈(241)은 고온의 압축공기에 의해 터빈의 샤프트를 구동하는 역학적 일을 하며 제너레이터(242)는 터빈의 역학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산한다.
발전기(240)에서 생산된 전기는 수전해 장치(30)로 공급된다. 도1을 참조하여 설명한 바와 같이 수전해 장치(30)는 물(스팀)과 전력을 공급받아 수전해 반응에 의해 수소와 산소를 생산하며, 예컨대 고체산화물 수전해전지(SOEC) 등과 같이 고온에서 동작하는 임의의 수전해 장치로 구현될 수 있다.
도3은 제1 실시예에 따른 수전해 시스템을 실험하였을 때의 예시적인 에너지 효율을 나타내는 도면으로, 도3(a)는 엔트로피 선도이고 도3(b)는 도3(a)의 각 지점(P1~P4)에서의 압축공기의 온도와 압력 등의 물리적 특성과 그에 따라 산출된 수전해 시스템의 에너지 효율을 나타낸다. 이 때 에너지 효율은 터빈(210)의 압축기 효율과 터빈(241)의 팽창기 효율을 각각 85%로 가정하여 계산하였다.
도3(a)와 도3(b)에서 각 지점(P1~P4)은 도2의 각 유로(P1~P4)에 대응하며 각 유로(P1~P4)의 공기의 상태를 나타낸다. 즉 도2와 도3을 참조할 때 제1 유로(P1)의 공기는 압력이 1bar이고 온도가 섭씨 30도임을 알 수 있다.
도면을 참조하면, 도3(a)에서 제1 지점(P1)에서 제2 지점(P2)으로 향하는 화살표는 도2의 제1 유로(P1)의 섭씨 30도 1bar의 공기가 터빈(210)을 통과하며 압축되어 섭씨 800도 70bar의 압축공기가 되는 것에 대응한다. 이 때 모든 변환 과정에서 엔트로피가 증가하므로, 제1 지점(P1)에서 제2 지점(P2)을 향하는 화살표가 수직이 아니라 오른쪽으로 약간 기울어짐을 이해할 것이다.
이 압축공기가 축열부(220)에서 냉각되어 압축공기 탱크(230)에 저장되고, 그 후 압축공기 탱크(230)에서 배출시 레귤레이터(도시 생략)를 거치면서 대략 50bar의 일정한 압력이 되고 축열부(220)를 통과하며 섭씨 780도로 가열된다. 도3(a)에서 제3 지점(P3)에서 제4 지점(P4)으로 향하는 화살표는 도2의 제3 유로(P3)의 공기가 발전기(240)를 거쳐서 제4 유로(P4)로 배출되는 것에 대응한다. 즉 섭씨 780도 50bar인 고온의 압축공기가 발전기(240)에서 팽창하며 기계적 일을 수행한 후 대략 섭씨 203도 1bar로 온도와 압력이 떨어져서 제4 유로(P4)로 배출된다. 이 과정에서도 역시 엔트로피가 증가하므로 제3 지점(P3)에서 제4 지점(P4)을 향하는 화살표가 오른쪽으로 기울어져 있다.
도3(a)에서 제1 지점(P1)과 제4 지점(P4)을 비교하면, 엔트로피 증가로 인한 압축/팽창의 비가역성으로 인해 제1 지점(P1)과 제4 지점(P4) 지점이 동일한 위치가 아니며 손실되는 에너지가 발생한다. 즉 제4 지점(P4)에서 제1 지점(P1)의 경로 만큼의 에너지가 손실되었다.
도3(b)를 참조하면, 이 수전해 시스템의 실험시 터빈(210)의 압축 동작에 소비된 전력(Wc)이 839.55킬로와트이고 발전기(240)의 터빈(241)의 팽창 동작에 의해 생산된 전력(We)이 631.99킬로와트이며 이에 따라 에너지 효율(We/Wc)이 75.3%으로 산출되었다. 나머지(24.7%)는 엔트로피 증가에 따른 압축/팽창의 비가역성으로 인한 에너지 손실이다.
이상과 같이 도2 및 도3의 제1 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템은 제1 압축공기 에너지 저장장치(21)를 수전해 장치(30)의 앞단에 구비함으로써 신재생 에너지원(10)의 발전 출력이 변동하더라도 수전해 장치(30)에 항시 일정하고 안정적인 전력을 공급하는 기술적 효과를 얻는다. 즉 압축공기 탱크(230)에서 일정량의 압축공기를 일정한 압력으로 배출하여 전기를 생산하고 이를 수전해 장치(30)로 공급하므로 수전해 장치(30)에서 24시간 일정량의 수소를 생산할 수 있다.
또한 종래와 같이 수전해 장치(30)가 신재생 에너지원(10)으로부터 전력을 직접 공급받는 경우 수전해 장치(30)가 불규칙한 전력의 피크치에 대응하여 전력 수용 용량이 커야 하지만 본 발명의 실시예에서는 일정한 전력을 공급받을 수 있으므로 수전해 장치(30)의 시스템 용량을 대폭 줄일 수 있다. 더욱이 불규칙 전력으로 수전해 장치(30)를 운용할 경우 수전해 장치의 내구성과 성능이 나빠지고 제어가 어려운 문제가 있지만 본 발명에서와 같이 일정한 전력을 공급받아 정격 연속 운전을 하게 되면 성능과 내구성이 향상되며 안정적 제어가 가능한 이점도 있다.
도4는 제2 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 제2 실시예의 수전해 시스템은 제2 압축공기 에너지 저장장치(22)와 수전해 장치(30)를 포함한다.
일 실시예에서 제2 압축공기 에너지 저장장치(22)는 터빈(210), 축열부(220), 압축공기 탱크(230), 발전기(240), 열교환기(250), 및 이들 구성요소 사이의 압축공기 이동 유로와 각 유로에 설치되는 하나 이상의 밸브(V1,V2) 등을 포함할 수 있다.
도2의 제1 압축공기 에너지 저장장치(21)와 비교할 때 도4의 제2 압축공기 에너지 저장장치(22)는 열교환기(250)를 더 포함하는 점에서 차이가 있고 나머지 구성요소들은 도2의 구성요소와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.
열교환기(250)는 축열부(220)와 발전기(240) 사이에 배치되어 축열부(220)에서 배출되는 압축공기가 열교환기(250)를 통과하도록 배치된다. 열교환기(250)는 열매체 유체가 흐르는 폐경로(L1)를 포함하며, 폐경로(L1)는 열교환기(250)와 수전해 장치(30) 사이를 순환하도록 구성된다.
제3 유로(P3)를 통해 열교환기(250)로 공급된 고온의 압축공기가 열교환기(250) 내에서 열매체 유체와 열교환하여 열매체 유체를 가열시킨다. 가열된 열매체 유체는 폐경로(L1)를 따라 수전해 장치(30)로 흘러가서 수전해 장치(30)에 열에너지를 공급한다. 이 때 바람직하게는, 축열부(220)에서 배출되어 열교환기(250)로 공급되는 압축공기의 온도가 섭씨 750도 내지 900도 사이일 수 있고, 열교환기(250)에서 열매체 유체에 열에너지를 전달하고 감온된 압축공기의 온도가 섭씨 550도 내지 700도인 사이일 수 있다.
열교환기(250)에서 가열된 열매체 유체는 수전해 장치(30)의 운전에 필요한 열에너지를 공급한다. 열매체 유체를 통해 수전해 장치(30)로 공급되는 열에너지는 다양한 형태로 사용될 수 있다. 예를 들어 수전해 운전 온도를 유지하기 위해 수전해 장치(30) 내부 분위기의 온도 또는 수전해전지 스택의 온도를 높이거나 고온으로 일정하게 유지시키는데 사용될 수 있고 및/또는 수전해 장치(30)로 공급되는 물을 가열하여 스팀으로 만들거나 스팀을 예열하는데 사용될 수 있다. 고온 수전해 장치는 공급하는 열에너지 만큼 수전해에 요구되는 전력 에너지를 저감할 수 있으므로 폐열을 이용하여 고효율의 수전해가 가능하게 된다.
수전해 장치(30)로 공급되는 열매체 유체의 온도가 수전해 장치(30)의 운전 온도보다 반드시 높을 필요는 없고 그보다 약간 낮아도 된다. 일 실시예에서 수전해 장치(300로 공급되는 열매에 유체의 온도가 수전해 장치(30)의 운전 온도보다 대략 150도 낮은 온도일 수 있다. 예컨대 수전해 장치의 운전온도가 섭씨 700도인 경우 열매체 유체의 온도가 550도 또는 그 이상이면 되고, 다른 예로서 수전해 장치의 운전온도가 섭씨 600도인 경우 열매체 유체의 온도가 450도 또는 그 이상이면 충분하다.
도5는 제2 실시예에 따른 수전해 시스템을 실험하였을 때의 예시적인 에너지 효율을 나타내는 도면으로, 도5(a)는 엔트로피 선도이고 도5(b)는 도5(a)의 각 지점(P1~P5)에서의 압축공기의 온도와 압력 등의 물리적 특성과 그에 따라 산출된 수전해 시스템의 에너지 효율을 나타낸다. 이 때 에너지 효율은 터빈(210)의 압축기 효율과 터빈(241)의 팽창기 효율을 각각 85%로 가정하여 계산하였다. 또한 도5(a)와 도5(b)에서 각 지점(P1~P5)은 도4의 각 유로(P1~P5)에 대응하며 각 유로(P1~P5)의 공기의 상태를 나타낸다.
도면을 참조하면, 도5(a)에서 재1 지점(P1)에서 제2 지점(P2)으로 화살표를 표시한 것처럼 섭씨 30도 1bar의 공기가 터빈(210)을 통과하며 압축되어 섭씨 800도 70bar의 압축공기가 되고, 그 후 축열부(220)를 거쳐 압축공기 탱크(230)에 저장된다.
압축공기 탱크(230)에서 배출되는 압축공기는 축열부(220)를 통과한 후 섭씨 780도 50bar가 되고(제3 지점(P3)), 도5(a)에 제3 지점(P3)에서 제4 지점(P4)으로 화살표로 표시한 것처럼, 열교환기(250)에서 열매체 유체에 열에너지를 전달하고 섭씨 570도 50bar가 된다.
그 후 도5(a)에 제4 지점(P4에서 제5 지점(P5)으로의 화살표로 표시한 것처럼 압축공기가 발전기(240)로 공급되어 팽창하며 발전에 사용되고 대략 섭씨 99도 1bar로 온도와 압력이 떨어져서 제5 유로(P5)를 통해 외부로 배출된다.
도5(b)를 참조하면, 제2 실시예의 수전해 시스템에서 터빈(210)의 압축 동작에 소비된 전력(Wc)이 839.55킬로와트로서 이 값은 도3의 제1 실시예의 소비 전력(Wc)과 동일하다. 그러나 제2 실시예에서 열교환기(250)를 통해 수전해 장치(30)에 전달한 에너지(Q)가 238.54킬로와트이고 발전기 터빈(241)의 팽창 동작에 의해 생산된 전력(We)이 498.81킬로와트로 각각 산출되었고, 이에 따라 에너지 효율((We+Q)/Wc)이 87.8%로 산출되었다.
도3의 제1 실시예의 실험결과와 비교하면, 발전기(240)에 사용하는 압축공기의 온도가 낮아졌으므로 터빈(210) 압축시 필요한 전력 대비 터빈(241) 팽창시 회수되는 전력의 비율(We/Wc)이 59.4%로서 제1 실시예보다 줄어들었지만 열교환기(250)를 통해 압축공기의 열에너지(Q)를 수전해 장치(30)에 추가로 공급하기 때문에 수전해 장치(30)에 공급하는 전체 에너지의 효율(87.8%)이 제1 실시예의 에너지 효율(75.3%) 보다 증가하였다. 즉 압축공기 에너지 저장장치(22)에서 발생하는 고온의 열에너지를 수전해 장치(30)에 공급하는데 활용함으로써 압축/팽창의 비가역성으로 인해 버려지는 열에너지를 최소화할 수 있어 제1 실시예에 비해 더 높은 에너지 효율로 에너지를 수전해 장치(30)에 공급할 수 있다.
도6은 제3 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 제3 실시예의 수전해 시스템은 제3 압축공기 에너지 저장장치(23)와 수전해 장치(30)를 포함한다.
일 실시예에서 제3 압축공기 에너지 저장장치(23)는 터빈(210), 제1 축열부(220), 압축공기 탱크(230), 발전기(240), 열교환기(250), 제2 축열부(260), 및 이들 구성요소 사이의 압축공기 이동 유로와 각 유로에 설치되는 하나 이상의 밸브(V1,V2) 등을 포함할 수 있다.
도6의 제1 축열부(220)는 도4의 축열부(220)와 동일하며, 따라서 도4의 제2 압축공기 에너지 저장장치(21)와 비교할 때 도6의 제3 압축공기 에너지 저장장치(22)는 제2 축열부(260)를 더 포함하는 점에서 차이가 있고 나머지 구성요소들은 도2의 구성요소와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.
제2 축열부(260)는 제1 유로(P1)와 제5 유로(P5)가 통과하도록 배치되며, 제2 축열부(260)의 구성은 예컨대 제1 축열부(220)와 동일 또는 유사하게 세라믹 담채와 같이 열저장 특성을 갖는 축열재가 용기 내에 충진된 구조로 구현될 수 있다.
이러한 제3 실시예에 따르면, 제2 축열부(260)가 발전기(240)에서 제5 유로(P5)로 배출된 공기로부터 열에너지를 흡수하여 저장하고 이 저장된 열에너지로 터빈(210)에 공급할 공기를 가열할 수 있다. 즉 제5 유로(P5)의 공기가 갖는 폐열을 제1 유로(P1)의 공기를 가열하는데 사용함으로써 압축공기 에너지 저장장치(23)의 폐열을 최대한 활용하도록 한다.
그러므로, 예컨대 고온 열저장을 위해 압축비를 50 이상 하지 않더라도 제3 실시예의 압축공기 에너지 저장장치(23)를 사용함으로써 본 발명의 수전해 시스템을 구현할 수 있다.
도7은 제3 실시예에 따른 수전해 시스템을 실험하였을 때의 예시적인 에너지 효율을 나타내는 도면으로, 도7(a)는 엔트로피 선도이고 도7(b)는 도7(a)의 각 지점(P1~P5)에서의 압축공기의 온도와 압력 등의 물리적 특성과 그에 따라 산출된 수전해 시스템의 에너지 효율을 나타낸다. 이 때 에너지 효율은 터빈(210)의 압축기 효율과 터빈(241)의 팽창기 효율을 각각 85%로 가정하여 계산하였다. 또한 도7(a)와 도7(b)에서 각 지점(P1~P5)은 도6의 각 유로(P1~P5)에 대응하며 각 유로(P1~P5)의 공기의 상태를 나타낸다.
도면을 참조하면, 외부로부터 공급되는 공기가 제2 축열부(260)를 통해 대략 섭씨 120도로 예열되어 제1 지점(P1)에 도달한다. 그 후 재1 지점(P1)에서 제2 지점(P2)까지 화살표로 나타낸 것처럼 터빈(210)에서 섭씨 40bar까지 압축하면 온도가 섭씨 900도까지 상승한다.
압축공기 탱크(230)에서 배출되는 압축공기는 제1 축열부(220)를 통과한 후 섭씨 870도 25bar가 되고(제3 지점(P3)), 제3 지점(P3)에서 제4 지점(P4)까지 화살표로 표시한 것처럼, 열교환기(250)에서 열매체 유체에 열에너지를 전달하고 섭씨 550도 25bar가 된다.
그 후 제4 지점(P4에서 제5 지점(P5)으로 화살표로 표시한 것처럼 압축공기가 발전기(240)로 공급되어 발전에 사용되고 대략 섭씨 140도 1bar로 온도와 압력이 떨어진다. 이 공기는 제5 유로(P5)를 통해 제2 축열부(260)로 공급되고 제2 축열부(260)에서 제1 유로(P1)의 공기를 가열하는데 사용된 후 외부로 배출된다.
도7(b)를 참조하면, 제3 실시예의 수전해 시스템에서 터빈(210)의 압축 동작에 소비된 전력(Wc)은 850.76킬로와트, 열교환기(250)를 통해 수전해 장치(30)에 전달한 에너지(Q)가 364.63킬로와트, 그리고 발전기 터빈(241)에 의해 생산된 전력(We)이 433.04킬로와트로 각각 산출되었고, 이에 따라 에너지 효율((We+Q)/Wc)이 93.8%로 산출되었다. 이 값은 도5의 제2 실시예의 에너지 효율(87.8%)보다 더 높은 값이며, 제5 유로(P5)를 통해 외부로 버려지는 공기의 폐열을 제1 유로(P1)의 공기를 가열하는데 사용함으로써 압축공기 에너지 저장장치(23)의 폐열을 최대한 활용하였기 때문에 더 높은 에너지 효율을 갖게 된 것이다.
제8은 제4 실시예에 따른 신재생에너지 이용 수전해 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 제4 실시예의 수전해 시스템은 제4 압축공기 에너지 저장장치(24)와 수전해 장치(30)를 포함한다.
일 실시예에서 제4 압축공기 에너지 저장장치(24)는 터빈(210), 제1 축열부(220), 압축공기 탱크(230), 제1 발전기(240), 열교환기(250), 제3 축열부(270), 제2 발전기(280), 및 이들 구성요소 사이의 압축공기 이동 유로와 각 유로에 설치되는 하나 이상의 밸브(V1,V2) 등을 포함할 수 있다.
도8의 제1 축열부(220)와 제1 발전기(240)는 각각 도4의 축열부(220) 및 발전기(240)와 동일하며, 따라서 도4의 제2 압축공기 에너지 저장장치(22)와 비교할 때 도8의 제4 압축공기 에너지 저장장치(24)는 제3 축열부(270)와 제2 발전기(280)를 더 포함하는 점에서 차이가 있고 나머지 구성요소들은 도4의 구성요소와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.
제3 축열부(270)와 제2 발전기(280)는 제1 축열부(220)와 열교환기(250)를 연결하는 유로 상에 순차적으로 배치된다. 제3 축열부(270)는 제1 축열부(220)에서 배출되는 압축공기를 추가로 더 가열한다. 제3 축열부(270)는 세라믹 담채와 같이 열저장 특성을 갖는 축열재를 용기 내에 충진한 구조로 구현될 수 있으며, 예를 들어 도시한 것처럼 전기히터(271)를 이용하여 제3 축열부(270)를 소정 온도로 가열하여 일정하게 유지시킬 수 있다. 제2 발전기(280)는 제3 축열부(270)에 의해 가열된 압축공기를 이용하여 전력을 생산하도록 구성되며, 예컨대 도시한 것처럼 터빈(281)과 이에 연결된 제너레이터(282)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 제1 축열부(220)에서 배출되는 압축공기가 제3 축열부(270)에서 예컨대 대략 섭씨 1500도로 가열될 수 있다. 이렇게 가열된 공기는 제2 발전기(280)를 통과하며 대략 섭씨 800도 내지 900도로 감온되면서 전기를 생산하고 이 전기에너지는 수전해 장치(30)로 공급된다. 제2 발전기(280)에서 배출되는 압축공기는 열교환기(250)를 통과하면서 일부 에너지를 열매체 유체로 전달하고 대략 섭씨 600도 내지 700도로 냉각된다. 그 후 이 압축공기는 제1 발전기(240)로 이송되어 전기를 생산하는데 사용된 후 외부로 배출되고, 생산된 전기는 수전해 장치(30)로 공급될 수 있다.
이상과 같이 제4 실시예에서 제3 축열부(270)를 더 설치하여 압축공기를 높은 온도로 가열하게 되면 에너지 밀도를 높일 수 있고 신재생 에너지원(10)의 부하 변동이 심할 경우 터빈(210)의 구동을 조절하는 것보다 전기히터(271)를 사용함으로써 응답성을 향상시키는 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 신재생 에너지원
20, 21, 22, 23, 24: 압축공기 에너지 저장장치
30: 수전해 장치
210: 터빈
220, 260, 270: 축열부
230: 압축공기 탱크
240, 280: 발전기
250: 열교환기

Claims (12)

  1. 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템으로서,
    신재생 에너지원에서 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하고 저장하는 압축공기 에너지 저장장치(20); 및
    상기 압축공기 에너지 저장장치로부터 전력을 공급받아 수전해 반응에 의해 수소를 생산하는 수전해 장치(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축공기 에너지 저장장치(20)가,
    상기 신재생 에너지원에서 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하는 터빈(210);
    상기 터빈에서 압축된 압축공기를 저장하는 압축공기 탱크(230);
    상기 압축공기 탱크로 공급되는 압축공기로부터 열에너지를 흡수하여 저장하고 이 저장된 열에너지로 상기 압축공기 탱크에서 배출되는 압축공기를 가열하는 제1 축열부(220); 및
    상기 제1 축열부에서 가열된 압축공기를 이용하여 전력을 생산하는 제1 발전기(240);를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 축열부와 제1 발전기 사이에 배치되는 열교환기(250); 및
    상기 열교환기와 상기 수전해 장치 사이를 순환하는 열매체 유체가 흐르는 폐경로(L1);를 더 포함하고,
    상기 열교환기에서 상기 제1 축열부에서 배출되는 압축공기와 열매체 유체 사이를 열교환하여 열매체 유체를 가열하고 이 가열된 열매체 유체가 상기 수전해 장치에 열에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 축열부에서 배출되어 열교환기로 공급되는 압축공기의 온도가 섭씨 750도 내지 900도이고, 열교환기에서 열매체 유체와 열교환된 압축공기의 온도가 섭씨 550도 내지 700도인 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 발전기에서 배출되는 공기로부터 열에너지를 흡수하여 저장하고 이 저장된 열에너지로 상기 터빈으로 공급하는 공기를 가열하는 제2 축열부(260)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 축열부와 상기 열교환기 사이에 순차적으로 배치되는 제3 축열부(270)와 제2 발전기(280)를 더 포함하고,
    상기 제3 축열부는 상기 제1 축열부에서 배출되는 압축공기를 가열하고, 상기 제2 발전기는 상기 제3 축열부에 의해 가열된 압축공기를 이용하여 전력을 생산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 발전기에서 생산된 전력을 상기 수전해 장치로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 수전해 시스템.
  8. 공기를 압축하여 저장하는 압축공기 에너지 저장장치 및 수소를 생산하는 수전해 장치를 구비한 수전해 시스템으로 신재생 에너지를 공급하는 방법으로서,
    상기 압축공기 에너지 저장장치는 공기를 압축하는 터빈, 압축된 공기를 저장하는 압축공기 탱크, 및 압축공기를 이용하여 전력을 생산하는 제1 발전기를 구비하고,
    상기 방법은,
    신재생 에너지원에서 생산된 전력으로 상기 터빈을 구동하여 공기를 압축하는 단계;
    압축된 공기를 상기 압축공기 탱크에 저장하는 단계;
    저장된 압축공기를 상기 제1 발전기로 공급하여 제1 발전기에서 전력을 생산하는 제1 발전 단계; 및
    상기 제1 발전기에서 생산된 전력을 상기 수전해 장치로 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 수전해 시스템으로 공급하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 압축공기 에너지 저장장치가, 상기 압축공기 탱크로 공급하는 압축공기로부터 열에너지를 흡수하여 저장하고 이 저장된 열에너지로 상기 압축공기 탱크에서 배출되는 압축공기를 가열하는 제1 축열부(220)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 수전해 시스템으로 공급하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축공기 에너지 저장장치가, 상기 제1 축열부와 제1 발전기 사이에 배치되는 열교환기(250); 및 상기 열교환기와 상기 수전해 장치 사이를 순환하는 열매체 유체가 흐르는 폐경로(L1);를 더 포함하고,
    상기 방법이,
    상기 열교환기에서 상기 제1 축열부에서 배출되는 압축공기와 열매체 유체 사이를 열교환하여 열매체 유체를 가열하는 단계; 및
    이 가열된 열매체 유체가 상기 수전해 장치에 열에너지를 공급하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 수전해 시스템으로 공급하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축공기 에너지 저장장치가, 상기 제1 발전기에서 배출되는 공기로부터 열에너지를 흡수하여 저장하고 이 저장된 열에너지로 상기 터빈으로 공급하는 공기를 가열하는 제2 축열부(260)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 수전해 시스템으로 공급하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축공기 에너지 저장장치가, 상기 제1 축열부와 상기 열교환기 사이에 순차적으로 배치되는 제3 축열부(270)와 제2 발전기(280)를 더 포함하고,
    상기 방법이,
    상기 제1 축열부에서 배출되는 압축공기를 상기 제3 축열부에서 가열하는 단계;
    상기 제3 축열부에 의해 가열된 압축공기를 이용하여 상기 제2 발전기에서 전력을 생산하는 단계; 및
    이 생산된 전력을 상기 수전해 장치로 공급하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 수전해 시스템으로 공급하는 방법.
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