KR20210124204A - 버너를 갖는 적어도 하나의 연소 장치를 포함한 시설의 에너지 및 환경 최적화 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 버너(3)를 갖는 적어도 하나의 연소 장치(1)를 포함하는 시설의 에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 버너(3)의 적어도 하나의 연료(3a) 및/또는 산화제(3b) 입구에 연결된 전해조(2) 및 분사 시스템(4)을 포함한다. 분사 시스템은 그러한 입구에서, 전해조(2)로부터의 가스 및/또는 이들 가스와 가연성 유체 및/또는 산화 유체의 혼합물을 분사할 수 있다. 전해조(2) 및/또는 분사 시스템(4)은 시설의 연소 장치(1) 및/또는 센서(6x)로부터 유래된 적어도 하나의 정보 조각에 기초하여 제어된다. 전해조는 장치를 냉각시키고/시키거나 연소 장치(1)에 의해 다음에 가열되도록 의도되는 물(EP)을 예열하기 위한 열 교환기(2a)를 포함할 수 있다.

Description

버너를 갖는 적어도 하나의 연소 장치를 포함한 시설의 에너지 및 환경 최적화
본 발명은 버너(burner)를 갖는 적어도 하나의 연소 장치(combustion apparatus)를 포함한 시설의 에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템에 관한 것이다.
버너를 갖는 장비(보일러(boiler), 노(furnace) 등), 특히 개인 또는 공동 주택 또는 회사 장비의 에너지 효율 및 수명을 개선할 수 있는 것이 바람직하다고 일반적으로 공지되어 있다.
특히, 연소 장치는 단지 작은 부분의 분자 산소 및 나머지가 주로 질소인 공기를 산화제로 대부분 사용하기 때문에 제한된 효율을 가진다.
또한, 예를 들어 공기를 산화제로 소비하는 기존 장비에서 생성되는 이산화탄소, 일산화탄소 또는 질소 산화물(NOx), 오염물 및 독소와 같은 온실 가스 또는 기타 오염물의 배출을 크게 감소시키고자 하는 욕구가 있다.
이러한 장비를 작동하는데 사용되는 화석 연료에 대한 의존도와 소비를 감소시키고자 하는 욕구도 있다.
건물에서 소비되는 에너지는 실제로 CO2 배출의 주요 원천이며 연소 장치의 효율성 개선은 온실 가스 배출에 상당한 영향을 미칠 가능성이 있는 것으로 확인된 수단이다.
오염 배출에 맞서 싸우는 다른 중요한 방법은 특히, 태양 또는 풍력 에너지와 같은 전기 형태의 재생 에너지를 사용하는 것이다.
특히 가정에서의 그들의 적용은 그들이 허용하는 전기 에너지 생산이 종종 소비 수요와 일치하지 않는다는 점에서 현재 제한적이다.
현재 구현되기 시작하고 있는 하나의 해결책은 "전력-대-가스(Power-to-Gas)"이다. 이들 재생 에너지로부터 주로 파생된 전기는 물의 전기분해에 의해 수소로 변환된다. 이렇게 변환된 이들 에너지는 도시가스 네트워크와 같은 현재 네트워크에 의해 저장 및 수송될 수 있다.
그러나 "전력-대-가스" 해결책은 오늘날 아직 널리 전개되지 않았다. 특히, 도시 가스와 같은 현재 도시의 지하 네트워크는 압축된 형태로 도시가스와 조합되었는 지의 여부에 관계없이 특히 수소를 수송하는데 항상 적합한 것은 아니다.
더욱이, 도시가스 네트워크에 연결되지 않은 연소 장치는 이들 "전력-대-가스" 해결책의 혜택을 받을 수 없다. 대신, 이들 연소 장치는 전기 네트워크에 연결되고 때때로 로컬(local) 전기 생산 시설에도 연결된다.
또한, 전기분해에 의한 수소 생산은 회수되지 않는 산소 생산을 동반한다. 이는 전기분해 작업 중에 생성된 가스 상당 부분의 손실을 나타낸다.
마지막으로, 전기분해에 사용되는 전기 에너지의 상당 부분이 폐열(waste heat) 생성(주울 효과(Joule effect))의 형태로 손실되고 회수되지 않으며, 이는 이러한 작동의 전체 효율성을 제한한다.
따라서, 도시가스 네트워크에서 수송하지 않고 전기분해 중에 생성된 산소 및 열을 회수하여 수소 및/또는 산소의 생성 및 저장의 로컬 사용을 허용하는 해결책이 일반적으로 필요하다. 이러한 해결책은 버너를 갖는 연소 장치를 포함한 시설의 에너지 및 환경 최적화를 허용한다.
본 발명의 일반적인 목적은 종래 기술의 단점을 극복하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 도시가스 네트워크에 연결되어 있는 지의 여부에 관계없이, 특히 개인 또는 공동 주택 또는 회사의 연소 장치를 포함한, 적어도 하나의 버너를 포함하는 모든 유형의 연소 장치를 이들 연소 장치 가깝게 위치된 지역 전해조와 혼성화하는 것을 제안한다. 본 발명은 유리하게, 탄소-기반 화석 연료를 초기에 사용하는 연소 장치에서 탈탄화 열(decarbonized heat)을 생성하기 위해서 재생 가능하거나 재생 불가능한 전기 공급원의 사용을 허용한다.
이들 로컬 전해조는 이들 연소 장치의 연료 및/또는 산화제 입구에 연결된다.
이들은 NOx, CO2 또는 CO와 같은 오염 및 독성 가스 생성의 전부 또는 일부를 중화하기 위해서 - 개별 또는 혼합 형태로 - 로컬로 생성된 수소 및/또는 산소의 분사(injection)를 허용한다.
수소 및/또는 산소의 이러한 분사 덕분에, 수행되는 연소 및 연소 장치의 효율은 특히 전해조에 의해 공급되는 이들 가스의 열량 및 에너지 기여로 인해 분명히 개선된다. 또한, 연소는 오염(입자 생성 등)이 적어 보다 깨끗하며, 이는 또한 연소 장치의 내구성을 높이고 그들의 유지보수(maintenance)를 제한한다.
또한, 이들 전해조는 에너지 자원에 대한 세계 시장의 긴장상태로 인해 계속 증가하고 있는 초기 화석 연료의 비용을 감소시킨다.
연소 장치 내로 수소 및/또는 산소 분사의 분포는 시설에 위치된 전자 모듈에 의해 제어되며, 이는 연소 장치, 수소 및/또는 산소 생성 장치뿐만 아니라 센서에 연결될 수 있다.
후자는 정기적으로 또는 요구에 따라서 시설의 다양한 작동 매개변수를 전달하기 위해 원격 서버와 교환하는 통신 유닛을 더 포함할 수 있다.
이러한 서버는 따라서, 연소 장치를 포함한 여러 시설의 작동 거동을 활용한다.
이러한 원격 서버는 가스 분사 분배 프로그래밍을 수정하는 정보를 이들에게 송신하기 위해서 로컬 제어 모듈과 추가로 교환할 수 있다.
또한 그리고 유리하게, 시설의 효율을 개선하기 위해서 수소 및/또는 산소 생성 중에 전해조에 의해 방출되는 열 에너지 자체는 열 교환기를 통해서 연소 장치에서 순환하는 물을 예열(열병합 발전을 통한 열 손실의 회수)하는데 사용된다.
이러한 열 에너지는 또한, 2차 회로(예를 들어, 가정 온수용 온수기)를 공급하는데 사용될 수 있다.
과잉 분자 수소 자체는 비-동기화된(desynchronized) 방식으로 후에 사용하거나, 시설의 연소 장치에 공급하거나 연료 전지를 통해 현장에서 전기 에너지로 변환하기 위해서 로컬로 저장될 수 있다.
전해조는 또한, 태양광(태양광 패널), 풍력, 수력 또는 임의의 "녹색" 발전기와 같은 재생 에너지원에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
특히, 이러한 재생 에너지원은 연소 장치가 작동하지 않을 때 수소 및/또는 산소를 생성하는데 사용될 수 있다. 이렇게 생성된 수소 및/또는 산소는 저장된다.
일반적으로 그러한 로컬(local) 시스템은 수소 생산, 산소 생산 및 회수로 인해, 그리고 전기분해 반응 중에 생성된 열 에너지 회수로 인해 매우 높은 전체 효율을 허용한다.
또한, 주울 효과로 인한 가스 수송 및 에너지 손실이 방지된다.
따라서, 일 양태에 따르면, 본 발명은 버너를 포함하는 적어도 하나의 연소 장치를 포함한 시설의 에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템을 제안하며, 이는:
- 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생산하기 위한 적어도 하나의 장치,
- 연소 장치의 적어도 하나의 연료 및/또는 산화제 입구에 연결되는 적어도 하나의 분사 장치로서, 상기 장치는 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위해 상기 장치로부터 나오는 그러한 입구 가스, 및/또는 이들 가스뿐만 아니라 연료 유체 및/또는 산화제 유체의 혼합물을 분사할 수 있는, 적어도 하나의 분사 시스템(injection system),
- 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생산하기 위한 장치, 연소 장치 및/또는 시설을 갖춘 센서에 연결된 로컬 전자 모듈로서, 상기 모듈은 연소 장치 및/또는 시설의 센서로부터 나오는 적어도 하나의 정보 조각의 기능으로서 생성 장치 및/또는 분사 시스템을 제어하는, 로컬 전자 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 양태에 따르면, 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 장치가 상기 장치를 냉각하고/하거나 연소 장치에 의해 후속적으로 가열되도록 의도되는 물을 예열하기 위한 열 교환기를 포함하는 시스템이 제안된다.
유리하게, 분사 시스템은 상이한 모드에 따라서, 연소 장치의 버너의 연료 입구 및/또는 연소 장치의 버너의 산화제 입구에서 수소 및/또는 산소 가스의 분사를 제어하기 위한 유체 구성요소를 포함한다.
특히, 전자 모듈은 연소 장치의 버너의 연료 입구에서 수소 및/또는 산소 가스의 전부 또는 일부 및/또는 연소 장치의 버너의 산화제 입구에서 수소 및/또는 산소 가스의 전부 또는 일부의 분사를 허용하기 위해서 상이한 분사 모드를 제어하도록 구성된다.
대안적인 실시예에 따르면, 또한, 분사 시스템은 연소 장치의 적어도 하나의 연료 및/또는 산화제 입구에서 분사하기 전에, 수소 및/또는 산소 가스와 연료 유체 또는 산화제 유체의 혼합이 상기 시스템의 내측에서 수행되도록 구성된다.
또한, 전자 모듈은 연소 장치 및/또는 수소 및/또는 산소 생성 장치 및/또는 시설의 센서의 데이터가 원격 서버로 전송되도록 하는 적어도 하나의 통신 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 시스템은 예를 들어, 유지보수 정보를 생성하기 위해서 하나 이상의 전자 모듈(들)로부터 수신된 작동 데이터를 저장하고 처리하는 원격 서버를 포함할 수 있다.
가능한 대안적인 실시예에서, 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 장치는 재생 에너지 전원에 커플링(coupling)된다.
대안적으로 또는 부가적으로, 상기 시스템은 또한, 물 전기분해 생성 장치에 의해 생성된 과잉 수소 및/또는 산소의 전부 또는 일부를 저장할 수 있는 로컬 저장 시스템을 포함하며, 전자 모듈은 수소 및/또는 산소의 생성과 비-동기화된 방식으로, 이렇게 저장된 수소 및/또는 산소를 연소 장치에 후속적으로 공급을 위하여 분사 시스템을 제어할 수 있다.
상기 시스템은 상기 저장 시스템에 저장된 수소를 입력으로서 수용하고 수소를 전기 에너지로 변환하는 연료 전지를 더 포함할 수 있다.
다음 설명은 단지 예시적이며 제한적인 것이 아니다. 이는 첨부 도면과 함께 읽어야 한다.
- 도 1은 본 발명의 가능한 실시예에 따른 전해조를 포함한 보일러 회로, 및 더 일반적으로 버너(들)을 갖는 적어도 하나의 연소 장치 및 적어도 하나의 에너지 및 환경 최적화 시스템를 포함하는 조립체(도면 부호 10으로 표시됨)를 예시한다.
- 도 2는 그러한 보일러의 버너 및 그의 상이한 흡입 모드를 개략적으로 예시한다.
- 도 3은 전해조 및/또는 분사 시스템이 연소 장치에 통합되는 적어도 하나의 에너지 및 환경 최적화 시스템을 포함하는 시설을 예시한다.
도 1에 도시된 시설은 연소 장치(1) 및 전해조(2)를 포함한다.
장치(1)는 버너(3)를 가지며 임의의 유형: 보일러, 오븐 등일 수 있다. 장치가 그의 일부를 형성하는 시설은 단독 주택과 같은 건물(BAT)을 갖출 수 있다. 대안적으로, 공동 주택이나 회사 건물을 위한 시설이 제공될 수 있다.
도 1의 예에서, 연소 장치(1)는 액체 또는 기체 화석 연료(C): 가정용 연료 오일, 프로판, 부탄, 도시 가스 등을 사용하고 산화제(OX)가 공기인 개별 보일러이다. 이는 주택(BAT)의 중앙난방, 주 온수 회로 또는 2차 회로의 난방을 보장한다.
그의 버너(3)는 열 전달 유체 또는 온수 회로(EC-EF-EP)를 가열한다.
전해조(2)는 알칼리성 또는 양성자 교환 막(PEM)과 같은 여러 유형의 전기분해 기술을 사용할 수 있다.
이는 상기 장치(1)와 상기 전해조(2) 사이의 전자적 및/또는 기계적 인터페이싱(interfacing)을 단순화하기 위해서 유리하게, 연소 장치(1)에 통합될 수 있다. 대안적으로, 이는 연소 장치(1) 외부에 있을 수 있지만, 연소 장치(1)와의 혼성화를 목적으로 가능한 한 상기 장치(1)에 가깝게 후자와 동일한 위치에 있을 수 있다.
그의 전력은 효율과 연소를 최적화해야 하는 연소 장치(1)와 관련하여 치수가 결정된다. 예를 들어, 개별적인 가정용의 경우에, 전해조의 전력은 200 내지 3000 W에 놓일 수 있다.
수소(H2) 및 산소(O2)를 생성하기 위해서, 네트워크로부터의 물, 빗물 또는 여과수 및/또는 정제수(탈염수, 삼투압수, 증류수 등)를 연속적으로, 또는 비연속적으로 공급한다.
시설, 특히 전해조(2)의 에너지 효율을 최적화하기 위해서, 가열 회로의 복귀로 인한 냉수(EF)가 교환기(2a)에 유입되어 한편으로, 전해 작동 중에 생성되는 열을 회수하고 다른 한편으로, 전해조(2)를 최적화하기 위해 냉각할 수 있다.
이러한 물은 전해조(2)의 내부 또는 출구에 위치될 수 있는 열 교환기(2a)의 내부에서 생성되는 열 반응에 의해 예열될 수 있다. 이는 전기 분해 전지(2c)와 통합되거나 통합되지 않을 수 있다.
이러한 교환기(2a)는 예를 들어, 액체/액체 또는 공기/액체 열 교환기이다.
전해조(2)의 교환기(2a)로부터 나오는 예열된 물(EP)은 가열될 보일러(1)(온수 회로(EC))로 보내진다. 이는 또한, 보조 회로(예를 들어, 가정 온수용 온수기)를 공급하는데 사용할 수 있다.
보일러 내부에 전해조(2)를 직접 통합하는 것이 유리한데, 이는 유체 전달이 더 간단한 기계적으로 간단한 시스템을 허용하기 때문이다. 이는 설계/제작 단계에서 바로 통합된 전해조를 갖는 보일러를 설계하는 것이 가능하므로 유체, 기계, 열, 전자 및 컴퓨터 관점에서 구성요소/기능을 가능한 한 가깝게 가져올 수 있다. 이는 또한 소형화, 중량, 안전 및 제작 비용 측면에서 이득을 가능하게 한다.
열 교환기(2a)는 유리하게, 전해조(2)에 통합될 수 있거나, 심지어 전기분해 전지(2c)에 직접 통합될 수 있다. 가능한 한 가장 최적의 열 전달을 허용하기 위해서, 방출된 열을 가능한 한 기계적으로, 유동적으로 및 열적으로 전지(2c)에 가깝게 포착하는 것이 유리하다. 이는 전해조(2) 외부로 배출되고 열 전달 유체를 통해 열량이 전달되어야 하는 교환기에 의해 유도되는 열 손실 및/또는 유체 제약을 방지한다. 추가 에너지 소비를 유도하는 펌프가 또한 순환을 위해 필요하다. 열 교환기(2a)를 전해조(2)에 통합하거나 전기분해 전지(2c)에 직접 통합함으로써, 전체 효율(열, 에너지, 기계적, 유체 등)이 개선된다. 이러한 기술적 구성은 전해조(2)를 보일러 내부에 통합하고자 하는 경우에 확실한 추가의 장점이 된다.
수소(H2) 및/또는 산소(O2) 가스는 후자의 연소를 개선하기 위해서 다채널 분사 시스템(4)을 통해 보일러(1)의 버너 입구(3)로 보내진다.
혼성화 체계, 즉 수소(H2) 및/또는 산소(O2) 가스와 초기 화석 연료(C 및/또는 산화제(OX)) 사이의 흡입 비율은 유리하게, 0% 내지 100% 범위일 수 있다.
전형적으로, 도시가스에서, 연소 장치(1)의 혼합물은 수소(H2)(약 6 내지 20 질량% 정도)로 농축될 수 있다.
혼성화는 이렇게 달성된 화석 연소에 탈탄화된 에너지 기여를 제공한다. 특히, 탄소와 환경 균형을 개선하고(연소 장치(1)의 버너(3)의 화염(F)은 NOx, CO2, CO 등을 적게 생성함) 에너지 효율을 개선한다.
특히, 산소(O2)는 NOx 형성을 방지하는 반면에, 수소(H2)는 화석 연료(C)의 연소를 최적화한다.
제안된 시스템은 전해조(2)에 의해 생성된 산소(O2)가 도시가스 네트워크에서 수소와 동시에 저장 및/또는 수송될 수 없기 때문에 대기 중으로 방출되는 대신 재활용되게 한다는 점에 또한 유의해야 한다.
이것은 전체 수율을 증가시킨다.
교환기(2a)에 의해 수행된 열병합 발전과 함께, 산소(O2)의 회수는 전기분해 및 연소 공정의 전체 효율을 증가시키며, 전해조(2)의 전체 열 효율은 최대 98%에도달할 수 있다.
가스 생산은 또한, 현장에서 수행되므로, 가스 네트워크의 수송 및 적응 문제를 피할 수 있다.
상기 시스템은 전해조(2), 연소 장치(1) 및/또는 시설의 센서(6x)에 연결된 전자 모듈(5)을 또한 포함하며, 이는 그 수와 유형이 혼성화될 연소 장치(1)에 의존하기 때문에, 도 1에 모두 도시되지 않는다.
센서(6x)는 전형적으로 열 탐침(thermal probe), 가스 유량계, 압력 센서 또는 가스/액체 유량계이다. 이들은 예를 들어, 물 또는 열 전달 유체가 EC-EF-EP를 순환하는 회로에 위치된다. 또는, 이들은 연료(C 및/또는 산화제(OX))가 순환하는 회로에 위치될 수 있다. 이들 센서(6x)는 또한, 연소 장치(1) 및/또는 전해조(2) 내부에 있을 수 있다.
모듈(5)은 전해조(2) 및/또는 연소 장치(1) 내로 수소(H2) 및/또는 산소(O2) 가스의 흡입을 제어한다. 이러한 전자 모듈(5)은 그의 제어 전자기기(2b)와 연관되게 또는 연관되지 않게 전해조(2)에 통합될 수 있거나 통합되지 않을 수 있다.
모듈이 수행하는 제어는 연소 장치(1)의 전자기기(1a) 및/또는 시설의 센서(6x)에 의해 전송되는 정보의 기능이다.
예를 들어, 모듈(5)은 연소 장치(1)의 시작이 검출될 때 전해조(2)를 시작한다.
이는 또한, 회로(EC-EF-EP)에서 순환하는 물이 주어진 온도 설정 지점에 도달하지 않는 한 연소 장치(1)의 흡입구(3a 및 3b)에서 수소(H2) 및/또는 산소(O2) 가스의 흡입을 제어한다.
전해조(2)의 시작 검출은 예를 들어, 시스템에서 연료(C) 호출의 검출, 전형적으로
- 가스 유량계(6x)에 의한 화석 연료(C)의 소비에 의한 검출;
- 압력 센서(6x)에 의한 화석 연료(C)의 소비에 의한 검출(전형적으로, 예를 들어, 기준 압력보다 더 낮은 강하 또는 압력이 검출될 때 소비가 검출됨);
- 화석 연료(C)용 흡입 밸브의 전기 스위칭의 검출;
- 전해조(2)와 연소 장치(1) 사이에서 대화하는 전자 모듈(5)에 의해 설정된 전자 명령에 의한 검출에 의해 수행된다.
더 일반적으로, 모듈(5)은 연료(C)/산화제(OX)의 소비와 일치되게 연소 상태를 제어하기 위해서 분사 시스템(4)을 통해 보일러(1) 내로 C, OX, H2 및/또는 O2 유체의 흡입을 제어한다.
가능한 한 적은 화석 연료(C)를 소비할 목적으로 최대 에너지 효율을 얻기 위해 사용되는 연소 장치(1) 및 연료(C)의 유형에 따라 프로그램된다.
시스템은 전해조(2)로부터 나오는 H2 및/또는 O2 가스를 위한 분사 시스템(4)을 더 포함한다. 이러한 분사 시스템(4)(전형적으로 혼합기, 플랩(flap), 제어 밸브 - 수동 및/또는 전자 제어되는 - 솔레노이드 밸브, 순환 및/또는 루팅(routing) 튜브, 제한 장치 등과 같은 기계 부품 및 유체 구성요소(4x)로 구성됨)은 연소 장치(1)의 적어도 하나의 연료 입구(3a) 및/또는 적어도 하나의 산화제 입구(3b)에 연결된다.
따라서, 연소 장치(1)는 특히, 연료(C) 또는 산화제(OX)에서 수소(H2) 가스 및/또는 산소(O2) 가스를 혼합하기 위해서 여러 유체 분사 경로를 한정하는 분사 시스템(4)을 통합할 수 있다. 분사 시스템(4)은 분사 연결부(8a 및 8b)에 의해 버너(3)에 연결된다.
예를 들어, 이들 가스는 공기 흡입구(산화제(OX))를 통해 개별적으로 또는 동시에 연소 장치(1)의 버너(3)로 분사될 수 있다.
이들은 또한, 도시 가스 입구(연료(C))를 통해 개별적으로 또는 동시에 연소 장치(1)의 버너(3)로 분사될 수 있다.
다른 대안에서, 수소 가스, 산소 가스 및 연료(또는 산화제) 유체 사이의 혼합은 이러한 목적으로 구성되는 분사 시스템(4) 내부에서 수행될 수 있다. 입구/출구(3a 및 3b)에서의 분사는 혼합 후에 발생한다. 도 2의 예에서, 두 개의 입구(3a 및 3b):
- 버너(3)의 챔버로 메탄(C)을 분사하는 입구(3a)(분사 파이프(8a));
- 버너(3)의 화염(F)에서 직접적으로 공기(OX)를 분사하는 입구(3b)(분사 파이프(8b))는 각각, 수소(H2) 및/또는 산소(O2) 가스의 분사를 허용한다.
혼합기(4a 및 4b)는 각각에 보내지는 수소(H2) 및 산소(O2)의 비율을 제어하기 위해서 이들 2 개의 입구(3a 및 3b)의 상류에 제공된다.
연소 장치(1)의 다양한 입구에서의 분사 가능성은 연소를 최적화하기 위해서 유체(C, OX, H2, O2)의 모든 가능한 흡입 모드를 포함한다.
주어진 낮은 열량(LCV)에 대해서, 상이한 양의 연료가 필요하다. 수소를 메탄 또는 (예를 들어, 프로판 또는 부탄과 같은)LPG와 비교하면, 약 3 배의 차이가 있다. 즉, 동일한 LCV를 얻기 위해서는 부피 기준으로 약 3 배 초과의 수소가 필요하다. 이는 수소(및/또는 산소)가 초기 연료에 분사될 때, 초기 부피의 일부가 교체되어 초기 LCV의 일부가 제거됨을 의미한다. 이러한 효과를 보상하여 시설의 에너지 효율, 성능/수율 또는 에너지 최적화를 개선하기 위해서, 버너의 산화제 입구에서도 수소 및/또는 산소를 분사하는 것이 유리하다. 연료량/LCV의 제한을 피하는 것 이외에도, 이러한 흡입 가능성(3b)은 이중 조절(연료 측 및/또는 산화제 측에서의 에너지 입력) 및 입력, 즉 수소, 산소, 산화제(일반적으로 주변 공기) 및 초기 연료 100%의 최종 연소에 관한 정밀 제어 덕분에, 더 넓은 범위의 가능한 매개변수화를 포함한다.
이를 위해서, 제어된 흡입 모드는 온/오프 또는 비례(0 내지 100% 수소(H2) 및/또는 산소(O2), 연료(C) 측 및/또는 산화제(OX) 측)될 수 있으며, 이는 연소 장치(1)의 버너(3)의 입구(3a 및/또는 3b) 중 적어도 하나를 통해서 유체를 개별적으로 또는 집합적으로 분사되거나, 완전히 또는 부분적으로 혼합되거나 그렇지 않게 한다. 이는 완전 제어를 허용한다.
전자 모듈(5)은 연소 장치(1)의 상이한 작동 단계에 따라서 분사 시스템(4)을 조절할 수 있고 "최상의 연료/산화제 비율"을 연소 장치(1)의 버너(3)에서 허용하기 위해서 상이한 입구(3a 및/또는 3b)에서 분사될 가스/액체 흐름을 한정한다.
특히, 전자 모듈은:
- 보일러(1)의 피드백 제어를 보장하는 전자기기(1a)에 의한 요청 설정;
- 초기 수소(H2) 및/또는 산소(O2) 유량을 제공하기 위한 전해조(2)의 제어;
- 흡입 유체 성분(4x)에 대한 개방/유량 조정 기능을 수행한다.
또한, 분사 시스템(4)의 조정은 연소 장치(1)의 각각의 모델, 특히 그들의 작동 속도 및/또는 버너(3) 모델에 관한 정확한 적응을 허용하기 위해서 전자적으로 또는 수동으로 수행될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
또한, 전자 모듈(5)은 원격 서버(7)와의 데이터 교환을 허용하는 적어도 하나의 통신 모듈(5a)을 포함한다. 통신은 임의의 수단: 여러 주거지 사이 등의 중앙화 노드에 대한 GSM 모바일 전화, RFID, SigFox, LoRa 또는 LTE-M, PLC 전류와 같은 저소비 통신일 수 있다.
서버(7)로 전송된 데이터는 예를 들어, 연소 장치(1), 전해조(2)로부터의 작동 데이터뿐만 아니라 시스템의 센서(6x) 또는 분사 시스템(4)의 유체 구성요소(4x)의 설정으로부터의 데이터이다.
따라서 서버(7)는 다음 기능, 다른 것들 중에서도 다른 유형의 연소 장치(1)로부터 데이터의 모니터링, 유지보수, 저장 및 분석을 수행할 수 있다.
화석 연소의 에너지 최적화는 수소 및/또는 산소(연료 또는 산화제 쪽)의 분사에 의해 허용되며; 이들 가스는 물 전기 분해 시스템(가능한 경우 교환기를 통해 또는 시스템 내부에서 열을 회수함)에 의해 생성되며, 상기 가스는 조성물(특히, 수소, 산소, 산화제(일반적으로 주변 공기) 및 초기 연료의 부피 비)을 투여하기 위한 다채널 시스템에 의해 혼합된다. 버너 입구에서 초기 연료와 산화제의 이러한 수정은 초기 화석 연료의 일부를 전기 소비(전자)로 대체하는 효과를 가진다. 이러한 에너지 대체가 환경적으로 관련되기 위해서, 그러한 시설을 낮은 CO2 배출로 생산된 전기 에너지를 제공하는 재생 전기 에너지원에 연결하는 것이 명확해 보인다.
그러나 이는 시스템이 재생 에너지원에 영구적으로 연결되어 있으면 작동 범위가 감소되기 때문에 충분하지 않다. 특히 신 재생 에너지원이 밤에 잘 작동하지 않거나 간헐적이거나 바람이나 태양이 없을 때 특히 그렇다. 또한, 시설이 기존의 전기 네트워크에 영구적으로 연결되는 경우, 대체할 초기 화석 연료보다 환경 영향이 적은 전기 에너지의 소비를 보장하여 작동이 적절한 시기를 알 수 없을 것이다.
따라서 배전(electrical distribution) 네트워크와의 상호 작용은 에너지 최적화 시스템이 고부가가치 환경 기능을 제공하게 하도록 하는데 유리하다. 이러한 상호 작용은 시설과 그 시설이 (전기적으로)연결된 전기 스마트 그리드 사이에 인터페이스된 원격 통신 시스템을 통해 실현될 수 있다. 이러한 원격 통신은 시설을 적응가능하게 하므로 낮은 CO2 배출로 온수 생성을 허용한다. 또한 시설은 운영자 및/또는 에너지 조절기(서버)에 의해 연결, 모니터링 및/또는 제어될 수 있다. 한편으로, 이는 다른 메커니즘(블록체인, 에너지 인증 등)을 통해 사용된 전기 소스를 올바르게 선택/추적하는 것을 가능하게 하고, 다른 한편으로 하나의 전기 에너지원으로부터 전기 네트워크에 의해 결정된 매개변수(제어된 신호, 오프-피크/피크 시간, 청색/녹색 시간 등)에 따르는 다른 전기 에너지원으로 실시간으로 전환하는 것을 가능하게 한다. 이는 또한, 자체-소비를 위한 지역 발전소로 전환하는 것을 가능하게 한다. 자가-발전소가 시설 근처에 존재하는 그러한 실시예에서, 통신 시스템 및 원격 서버는 이러한 지역 전원으로 전환하고 이러한 전환을 제어하는 것이 더 양호하다고 결정할 수 있다. 따라서 시설에 가장 환경적으로 및/또는 경제적으로 경쟁력 있는 전자(이 경우, 로컬 및 오프-그리드에서 생산됨)가 공급되도록 보장하는 것이 가능할 것이다.
또한, 원격 통신 시스템은 유리하게, 실시간으로 달성되고 계산된 보안, 모니터링, 에너지 소비, 전원의 유형별 소비 에너지량, CO2 배출 절감과 관련된 상이한 매개변수를 서버로 송신하는 것을 가능하게 한다. 또한, 예측 및 처리가 가능한 유지보수, 에너지 서비스 청구, 환경 인증 등과 관련된 상이한 매개변수를 송신하는 것이 가능하다.
따라서, 분배 네트워크는 유리하게, 수소 및/또는 산소 생성 장치(2)의 시작 및 중지를 제어할 수 있으며 원격 서버(7)는 연료 입구(3a)에 분사될 수소, 산소 및 연료 유체의 비율 및 산화제 입구(3b)에 분사될 수소, 산소 및 산화제 유체의 비율을 또한 나타내는 매개변수를 전송할 수 있다.
가장 낮은 CO2 배출량을 가진 가장 저렴한 에너지는 가장 짧은 거리를 이동하고 가장 빠르게 소비하는 재생 전기 에너지원에 의해 생산되는 에너지로 공지되어 있다. 시설은 생산에 낮은 CO2 배출을 요구하는 에너지가 화석 연소의 강화 또는 대체에 사용되는 상황에서 가치를 더한다. 이를 위해서, 시설이 선택될 전원에 대한 정보를 얻을 수 있어서 목표 화석 연소를 에너지 및 환경적으로 최적화할 수 있는 것이 유리하다. 따라서 시설은 이러한 전기 에너지의 저장보다 (환경적으로 그리고 경제적으로)더 경쟁력이 있는 직접적인 전기 소비를 통해 초기 연료에 의해 방출되는 CO2의 오염 제거/감소를 허용한다. 또한, CO2 배출이 적은 에너지원은 매년 다른 생산 시스템보다 더 저렴해지므로, CO2 배출이 적은 에너지원으로부터의 전기 에너지와 화석 연료 연소의 혼성화는 향후 더욱 경쟁력이 있을 것이다. 그리고 이는 로컬 오프-그리드에서 자체-생산되는 전기 에너지에도 동일하게 적용된다.
알 수 있는 바와 같이, 제안된 시스템은 버너(3)를 갖는 하나 이상의 연소 장치(1)를 통합하는 기존 시설와 쉽게 호환 가능하다.
이는 새로운 가스 수송 인프라를 수정하거나 개발할 필요없이 수소 벡터의 에너지 효율을 최적화하는 것을 가능하게 한다.
보일러의 컴퓨터는 연소 매개변수에 관한 정보를 가진다. 이러한 연소 매개변수의 변경에 대해 가능한 한 신속하고 정확하게 반응하기 위해서, 시설은 유리하게, 수행될 최적의 혼합물(수소, 산소, 산화제 및 초기 연료)뿐만 아니라 분사 비율 및 분사 경로(산화제 및/또는 연료)를 실시간으로 계산하기 위해 보일러와 통신/대화할 수 있다. 또한, 시설과 보일러 사이의 직접적인 대화는 응답 시간이 가변적인 고가의 특정 센서(예를 들어, 유량계)의 사용을 피할 수 있다. 이러한 직접적인 컴퓨터 상호작용은 또한, 더 큰 안전성을 보장한다.
도 1에 도시된 예에서, 전해조(2)는 재생 에너지 전원(ENR), 이 경우 시설의 건물(BAT)의 전기 그리드에 전력을 공급하는데 또한 사용되는 태양광 패널에 커플링된다.
도 1에서, 시스템은 전해조(2)에 의해 생성된 과잉 수소(H2)의 전부 또는 일부를 저장할 수 있는 로컬 저장 시스템(S.H2)을 또한 포함한다. 시스템은 또한, 전해조(2)에 의해 생성된 과잉 산소(O2)의 전부 또는 일부를 저장할 수 있는 로컬 저장 시스템(S.O2)을 또한 포함할 수 있다. 로컬은 건물 또는 그의 바로 근처에 저장하는 것을 의미한다.
전자 모듈(5)은 필요하다면, 수소(H2) 및/또는 산소의 생성과 동기화되지 않는 방식으로 저장된 수소 및/또는 산소를 버너(3)에 후속적으로 공급하기 위해서 분사 시스템(4)을 제어한다.
이렇게 저장된 과잉 수소(H2) 및/또는 산소(O2)는 또한 전기 에너지를 생성하는데 사용될 수 있다(전형적으로, 도 1에서 연료 전지(PAC)는 상기 시스템(S.H2)에 저장된 수소(H2)를 입력으로서 수용하고 수소를 전기 에너지로 변환하여 건물(BAT)의 네트워크에 공급한다).
위에서 설명된 실시예 및 도면의 요약
아래 표는 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 제시된 적어도 하나의 연소 장치를 포함하는 시설의 에너지 및 환경 최적화 시스템의 실시예에서 구현된 구성요소를 요약한 것이다.
부호 요소/구성요소 도 1 도 2 도 3
1 연소 장치 x x
1a 연소 장치의 전자 제어 x
2 전해조 x x
2a 전해조의 열 교환기 x
2b 전해조의 전자 제어 x
2c 전기분해 전지 x
3 버너 x x x
3a 연료 입구 x x x
3b 산화제 입구 x x x
3c 버너 챔버 x
4 다채널 분사 시스템 x x
4a 연료 입구에 있는 혼합기 x
4b 산화제 입구에 있는 혼합기 x
4x 혼합기, 플랩, 제어 밸브, 솔레노이드 밸브, 순환 및/또는 라우팅 튜브, 제한기 등과 같은 기계 부품 및 유체 구성 요소 x
5 전자 모듈 x
5a 전자 통신 모듈 x
6x 장치 및/또는 시설의 센서: 열 탐침, 가스 유량계, 압력 센서, 가스/액체 유량계 등 x
7 원격 서버 & 데이터베이스 x
8a 연료 입구에 있는 분사 연결부 x
8b 산화제 입구에 있는 분사 연결부 x
BAT 건물 x x
C 연료 입구 x x x
EC 열전달 회로의 온수 x x
EF 열전달 회로의 냉수 x x
EP 열전달 회로의 예열된 물 x x
ENR 재생 에너지 전원 x x
F 화염 x x
PAC 연료 전지 x
OX 산화제/연료 입구 x x x
S.H2 H2 저장 x x
S.O2 O2 저장 x x
추가의 특히 유리한 적용에서, 적어도 하나의 에너지 및 환경 최적화 시스템을 갖는 시설이 도 3에 도시되며, 여기서 전해조(2) 및/또는 분사 시스템(4)은 연소 장치(3)에 직접 통합된다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 버너(3)를 포함하는 적어도 하나의 연소 장치(1)를 포함하는 시설의 에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템에 있어서,
    - 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 적어도 하나의 장치(2),
    - 연소 장치(1)의 버너(3)의 적어도 하나의 연료(3a) 및/또는 산화제(3b) 입구에 연결된 적어도 하나의 분사 시스템(injection system; 4)으로서, 상기 시스템은:
    - 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 상기 장치(2)로부터 나오는 가스 및/또는 이들 가스의 혼합물뿐만 아니라 연료 유체를 연료 입구(3a)에 분사하고/하거나,
    - 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 상기 장치(2)로부터 나오는 가스 및/또는 이들 가스의 혼합물뿐만 아니라 산화제 유체를 산화제 입구(3b)에 분사할 수 있는, 적어도 하나의 분사 시스템(4),
    - 물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 장치(2), 연소 장치(1) 및/또는 시설을 갖춘 센서(6x)에 연결된 적어도 하나의 전자 모듈(5)로서, 상기 모듈(5)은 시설의 연소 장치(1) 및/또는 센서(6x)로부터 나오는 적어도 하나의 정보 조각(piece of information)의 기능으로서 생성 장치(2) 및/또는 분사 시스템(4)을 제어하는, 적어도 하나의 전자 모듈(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 장치(2)는 상기 장치를 냉각하고/하거나 연소 장치(1)에 의해 후속적으로 가열(EC)되도록 의도된 물(EP)을 예열하기 위한 열 교환기(2a)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    분사 시스템(4)은 상이한 모드에 따라서, 연소 장치(1)의 버너(3)의 연료 입구(3a)에 및/또는 연소 장치(1)의 버너(3)의 산화제 입구(3b)에 수소 및/또는 산소 가스의 분사를 제어하기 위한 유체 구성요소(4x)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    전자 모듈(5)은 연소 장치(1)의 버너(3)의 연료 입구(3a)에 수소 및/또는 산소 가스의 전부 또는 일부 및/또는 연소 장치(1)의 버너(3)의 산화제 입구(3b)에 수소 및/또는 산소 가스의 전부 또는 일부를 분사하기 위해서 상이한 분사 모드를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    분사 시스템은 연료 유체 또는 산화제 유체와 수소 및/또는 산소 가스의 혼합이 연소 장치의 적어도 하나의 연료 및/또는 산화제 입구에 분사되기 전에, 상기 시스템 내부에서 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 모듈(5)은 연소 장치(1) 및/또는 수소 및/또는 산소 생성 장치(2), 시설 및/또는 분사 시스템(4)의 센서(6x)의 데이터가 원격 서버(7)로 전송되도록 하는 적어도 하나의 통신 모듈(5a)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    유지보수 정보(maintenance information)를 생성하기 위해서 하나 이상의 전자 모듈(들)(5)로부터 수신된 작동 데이터를 저장하고 처리하는 원격 서버(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    원격 서버(7)는 수소 및/또는 산소 생성 장치(2)의 시작을 제어할 수 있고/있거나, 원격 서버(7)는 연료 입구(3a)에 분사될 수소 및/또는 산소 및/또는 연료 유체의 비율 및/또는 산화제 입구(3b)에 분사될 수소 및/또는 산소 및/또는 산화제 유체의 비율을 나타내는 매개변수를 전송할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 장치(2)는 재생 에너지(ENR) 전원에 커플링(coupling)되는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    물 전기분해 생성 장치(2)에 의해 생성된 과잉 수소 및/또는 산소의 전부 또는 일부를 저장할 수 있는 로컬(local) 저장 시스템(S.H2) 및/또는 로컬 저장 시스템(S.O2)을 포함하며, 전자 모듈(5)은 수소 및/또는 산소의 생성과 비-동기화된(desynchronized) 방식으로, 이렇게 저장된 수소 및/또는 산소를 연소 장치(1)에 후속적으로 공급하기 위하여 분사 시스템(4)을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 저장 시스템(S.H2)에 저장된 수소를 입력으로서 수용하고 수소를 전기 에너지로 변환하는 연료 전지(PAC)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 및 환경 최적화를 위한 시스템.
  12. 버너(들)(3)를 갖는 적어도 하나의 연소 장치(1) 및 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 에너지 및 환경 최적화 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    조립체(10).
  13. 제 12 항에 있어서,
    물 전기 분해에 의해 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 장치(2) 및/또는 분사 시스템(4)은 연소 장치(1)에 통합되는 것을 특징으로 하는,
    조립체(10).
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    연소 장치(1) 및 분사 시스템(4)은 연료 입구(3a)에 분사될 수소 및/또는 산소 및/또는 연료 유체의 비율 및/또는 산화제 입구(3b)에 분사될 수소 및/또는 산소 및/또는 산화제 유체의 비율을 나타내는 매개변수를 교환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    조립체(10).
  15. 연소 장치(1)가 보일러(boiler)인 경우에 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 및 환경 최적화 시스템 또는 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 조립체의 용도.
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