KR20230039820A - 선박용 재생에너지 및 sofc의 상보 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재생에너지를 이용하여 열 및 전기를 생산하고, 이를 활용하여 친환경적으로 선박을 운용하되, 일기변화로 인하여 재생에너지의 이용이 어려울 경우에는 SOFC에서 생산되는 폐열 및 전기를 이용하여 효율적으로 선박을 운용할 수 있는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재생에너지를 이용하여 열 및 전기를 생산하고, 이를 활용하여 친환경적으로 선박을 운용하되, 일기변화로 인하여 재생에너지의 이용이 어려울 경우에는 SOFC에서 생산되는 폐열 및 전기를 이용하여 효율적으로 선박을 운용할 수 있는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템에 관한 것이다.
산업통상자원부에 따르면 조선업은 2017년 기준 연간 약 208만톤의 온실가스를 배출하여, 온실가스 다(多)배출업종에 해당하고, 온실가스 배출량의 60%는 공정 중 사용되는 전력에 의한다.
국제해사기구(IMO)는 국제해상운송 부문에서 단위물동량당 이산화탄소 배출을 2030년까지 2008년 배출량 대비 최소 40% 줄이고 2050년까지는 50% 감축한다는 목표를 세워놓고 있으며, 신조선은 물론이고 현존선에 대하여도 선박에너지효율설계지수 등의 기준을 충족해야 함을 발표하였다.
이에, 이산화탄소와 같은 온실가스와 각종 유해물질의 배출이 적은 LNG, LPG와 같은 액화가스 연료의 사용이 늘어났으나, 국제해사기구(IMO) 2030 온실가스 감축목표 40% 달성은 석유, LNG 등 화석연료로는 불가능하기 때문에 이를 달성하기 위해서는 2030년 이전에 연료전지나 수소 등 대체연료 활용 기술을 개발해 상용화할 수밖에 없다고 판단되고 있다.
기존의 화석연료를 대체하기 위하여 풍력, 태양열, 태양광 등 재생에너지를 이용하는 기술들이 소개되었다. 자연에서 얻어지는 이들 재생에너지는 자원이 무한하고, 어디에서나 구할 수 있으며, 이산화탄소와 같은 온실가스 및 각종 유해물질을 배출하지 않는다는 장점이 있다.
연료전지는 연소과정이 없으며 최종생성물이 이산화탄소가 아닌 물이기 때문에 오염물질, 공해물질 배출이 거의 없는 청정 발전원이고, 종류에 따라 대용량발전이 가능하기 때문에, 선박의 차세대 주동력원으로서 주목받으며 연료전지를 적용한 선박의 개발이 활발히 진행되고 있다.
연료전지는 작동온도, 전해질, 촉매에 따라 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC) 등 여러 종류가 있으며, 특히 고체산화물 연료전지(SOFC)는 PAFC(1세대) 및 MCFC(2세대)를 잇는 3세대 연료전지로서, 대용량 발전이 가능하고 발전효율이 60%이상(PAFC는 40% 초반, MCFC는 40% 후반)이어서 대형선박에서 주동력원으로 사용할 수 있을 정도로 우수한 성능을 가지며, 부식문제나 전해질 제어 및 개질기 도입문제도 없다. 또한, 수소외에도 LNG 연료를 내부 개질을 통하여 사용할 수 있기 때문에 향후 온실가스 배출 제로(Zero emission)인 수소 연료전지 선박 건조를 위한 기반 기술로서 의미가 있다.
재생에너지는 자원이 풍부하더라도 운항 중 일기 변화에 취약하고, 선박에는 태양광 발전 시설이나 풍력발전시설 등을 설치할 설치 면적이 제한적이어서 운항 내내 지속적으로 많은 에너지를 생산하기 어려우므로, 선박의 주동력원이 될 수 없다는 한계가 있다.
그리고 고체산화물 연료전지(SOFC)는 600 내지 1000℃의 고온에서 작동하여 시동에 걸리는 시간이 길기 때문에 출항 후에는 작동을 중지하는 것이 어려워 지속적으로 연료를 공급해야 한다. 그렇지만 냉각이나 고압저장탱크 등을 이용하여 저장할 수 있는 수소에 한계가 있어 SOFC에 대한 또 다른 수소원이 요구된다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 재생에너지 모듈과 SOFC 모듈이 상호보완적으로 작동하여 이산화탄소 배출을 현저히 저감하면서 선박에 필요한 전기를 효율적으로 생산할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 재생에너지원을 이용하여 전기를 생산하는 재생에너지 모듈; 상기 재생에너지 모듈의 열을 공급받아 증기를 생산하는 열회수 증기 발생기; 상기 열회수 증기 발생기로부터 증기를 공급받아 전기를 생산하는 증기터빈; 해수를 전기분해하여 수소를 생산하는 P2G 유닛; 및 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 고체산화연료전지(SOFC) 모듈:을 포함하되, 상기 P2G 유닛에는 상기 재생에너지 모듈, 상기 증기터빈 및 상기 SOFC 모듈 중 하나 이상에서 생산된 전기가 공급되고, 상기 P2G 유닛에서 생산된 수소는 상기 SOFC 모듈로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 SOFC 모듈이 전기를 생산하고 발생한 폐열은 상기 열회수 증기 발생기에 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 SOFC 모듈에 연료를 공급하는 연료 탱크를 더 포함하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 연료 탱크는 수소 탱크 및 LNG 탱크를 포함하고, 상기 SOFC 모듈은 상기 P2G 유닛 또는 수소 탱크로부터 수소를 공급받거나 LNG 탱크로부터 액화천연가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 선박의 출항 전에는 상기 수소 탱크로부터 수소를 공급받아 SOFC 모듈의 구동을 시작하고, 선박의 운항중에는 상기 P2G 유닛으로부터 수소를 공급받아 SOFC 모듈을 구동하며, 선박의 운항중 재생에너지의 확보가 어려워질 경우에는 상기 P2G 유닛, 상기 수소 탱크 및 상기 LNG 탱크 중 하나 이상으로부터 수소 또는 액화천연가스를 공급받아 SOFC 모듈을 구동하는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 증기터빈에서 증기가 응축되며 생산된 물을 저장하고, 선박내 용수 수요처에 공급하는 물탱크를 더 포함하되, 상기 P2G 유닛은 상기 물탱크에 저장된 물 및 해수 중 하나 이상을 공급받아 수소를 생산하고, 상기 SOFC 모듈은 상기 물탱크에서 물을 공급받아 연료 개질에 사용하는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 재생에너지 모듈, 상기 증기터빈 및 상기 SOFC 모듈에서 생산된 전기는 선박내 전기수요처에 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 제공한다.
본 발명의 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 통해, 선박의 출항 전, 선박의 운항중, 재생에너지 확보여부 등 시기 및 상황에 따라 시의적절하게 재생에너지 모듈 및 연료 탱크 중 하나 이상으로부터 SOFC 모듈에 수소를 공급하여 선박에서 쓰이는 전기를, 이산화탄소 배출을 현저히 저감하며 효율적으로 생산할 수 있다.
또한, SOFC 모듈에서 전기를 생산하고 배출되는 폐열은 재생에너지 모듈에서 공급되는 열과 함께 추가적으로 전기를 생산하는 데에 사용될 수 있다.
이처럼 재생에너지 모듈과 SOFC 모듈을 상호보완적으로 사용하여, 무한한 재생에너지원을 활용할 수 있고, 수소원으로서 해수와 용수, 수소 및 LNG와 같은 연료를 적절하게 사용해 일기변화에 따른 재생에너지의 변동성에 대응하여 운항내내 안정적으로 SOFC를 작동시킬 수 있으며, 나아가 온실가스의 배출이 현저히 저감되어 친환경적이다. 그리고 상기 SOFC 모듈에서 배출되는 폐열을 이용해 전기를 생산하여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.
또한, 종래의 대형 선박에는 선내 발전만을 위한 보조 발전기, 예를 들면 보조 디젤 엔진(Auxiliary Diesel Engine) 등을 설치하였으나, 본 발명의 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템은 선박의 동력원이자 선내 발전기로도 사용할 수 있으므로 보조 발전기와 같은 추가 장치가 필요 없고, 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.
그리고 종래의 디젤 엔진은 설치 및 교체가 용이하지 않았으나, 본 발명의 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템은 모듈로 구성되어 설치 및 교체가 비교적 용이하다.
도 1에 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 개략적으로 도시하였다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 개략적으로 도시하였다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템은, 재생에너지원을 이용하여 전기를 생산하는 재생에너지 모듈, 상기 재생에너지 모듈의 열을 공급받아 증기를 생산하는 열회수 증기 발생기, 상기 열회수 증기 발생기로부터 증기를 공급받아 전기를 생산하는 증기터빈, 해수를 전기분해하여 수소를 생산하는 P2G 유닛 및 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 고체산화연료전지(SOFC) 모듈을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템은 상기 고체산화연료전지(SOFC) 모듈에 연료를 공급하는 연료 탱크를 더 포함할 수 있다.
상기 재생에너지 모듈은 재생에너지원을 이용하여 열 및 전기를 생산할 수 있다. 상기 재생에너지원은 풍력, 태양열, 태양광, 파력 등이 있으며 이에 제한되지 않는다. 구체적으로 상기 재생에너지 모듈은 풍력 발전기를 이용하여 전기를 생산할 수 있고, 태양광 셀을 이용하여 전기를 생산할 수 있으며, 태양열 집열기를 이용하여 태양열을 저장할 수 있다.
재생에너지 모듈에서 생산된 전기는 선박의 전기 수요처에 공급할 수 있고, 예를 들어 P2G 유닛에 공급되어 해수를 전기분해하여 수소를 생산하는 데에 사용될 수 있다. 재생에너지 모듈에서 생산된 열은 상기 열회수 증기 발생기에 공급되어 증기를 생산하고, 생산된 증기를 증기터빈에 공급할 수 있다.
상기 열회수 증기발생기는 재생에너지 모듈에서 생산된 열 외에 상기 SOFC 모듈에서 배출되는 폐열을 공급받아 증기를 생산할 수 있다.
상기 증기터빈은 열회수 증기발생기로부터 증기를 공급받아 전기를 생산하고, 열량을 잃은 증기는 액화되어 물로서 배출될 수 있다.
상기 P2G(Power to gas) 유닛은 전기를 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 장치로서, 생산된 수소를 SOFC 모듈에 공급할 수 있다. P2G 유닛은 상기 증기터빈에서 배출되는 물을 포함하는 선박 내 용수 또는 해수를 전기분해하여 수소를 생산할 수 있다. 상기 P2G 유닛에서 생산된 수소 중 SOFC 모듈에 쓰이고 남은 잉여 수소는 수소 탱크에 저장될 수 있고, 재생에너지 확보가 어려워져 P2G 유닛에서 SOFC 모듈로 공급되는 수소가 부족해질 경우 상기 수소 탱크에서 SOFC 모듈로 수소를 공급할 수 있다.
또한, P2G 유닛은 상기 재생에너지 모듈, 증기터빈 및 SOFC 모듈 중 하나 이상에서 생산된 전기를 공급받을 수 있다. 재생에너지가 풍부하게 공급되는 경우에는 재생에너지 모듈 및 증기터빈에서 생산된 전기를 우선적으로 사용할 수 있으며, 선박의 전기수요가 낮을 때에는 SOFC 모듈에서 생산된 전기를 사용할 수 있다.
상기 SOFC 모듈은 연료를 공급받아 전기를 생산하는 장치로서, 상기 연료는 바람직하게는 수소 또는 LNG이다. SOFC 모듈은 상기 P2G 유닛 또는 수소 탱크로부터 수소를 공급받아 전기를 생산하거나 또는 LNG 탱크로부터 액화천연가스를 공급받아 내부 개질을 거쳐 전기를 생산할 수 있다. 연료의 효율적인 사용을 위하여 바람직하게는, 선박의 출항 전에는 상기 수소 탱크로부터 수소를 공급받아 SOFC 모듈의 구동을 시작하고, 선박의 운항중에는 상기 P2G 유닛으로부터 수소를 공급받아 SOFC 모듈을 구동하며, 선박의 운항중 재생에너지의 확보가 어려워질 경우에는 상기 P2G 유닛, 수소 탱크 및 LNG 탱크 중 하나 이상으로부터 수소 또는 액화천연가스를 공급받아 SOFC 모듈을 구동할 수 있다.
상기 재생에너지 모듈, 증기터빈 및 SOFC 모듈에서 생산된 전기는 선박내 전기수요처에 공급될 수 있다.
상기 연료 탱크는 상기 SOFC 모듈에 연료를 공급할 수 있고, 상기 연료는 수소, 액화가스 또는 메탄올 등이 될 수 있다. 상기 연료 탱크는 1 이상일 수 있으며, 이산화탄소 배출 저감을 위하여 바람직하게는 수소 탱크 및 LNG 탱크를 이용할 수 있다.
또한 본 실시예는 상기 증기터빈에서 생산된 물을 저장하고, 상기 물을 선박내 용수 수요처에 공급하는 물탱크를 더 포함할 수 있다. 상기 물탱크에 저장된 물은 상기 P2G 유닛에 공급하여 수소 생산에 사용될 수 있고, 상기 SOFC 모듈에 공급되어 액화천연가스의 내부 개질(수증기 개질방법, Steam reforming)에 사용될 수 있다.
이와 같이 본 실시예의 시스템을 통해, 선박의 출항 전, 선박의 운항중, 재생에너지 확보여부 등 시기 및 상황에 따라 시의적절하게 재생에너지 모듈 및 연료 탱크 중 하나 이상으로부터 SOFC 모듈에 수소를 공급하여 선박에서 쓰이는 전기를 이산화탄소 배출을 현저히 저감하며 효율적으로 생산할 수 있다.
또한, SOFC 모듈에서 전기를 생산하고 배출되는 폐열은 재생에너지 모듈에서 공급되는 열과 함께 추가적으로 전기를 생산하는 데에 사용될 수 있다.
이처럼 재생에너지 모듈과 SOFC 모듈을 상호보완적으로 사용하여, 무한한 재생에너지원을 활용할 수 있고, 수소원으로서 해수와 용수, 수소 및 LNG와 같은 연료를 적절하게 사용하여 일기변화에 따른 재생에너지의 변동성에 대응하여 SOFC를 운항내내 안정적으로 작동시킬 수 있고, 상기 SOFC 모듈에서 배출되는 폐열을 이용해 전기를 생산하여 에너지를 효율적으로 사용하며, 온실가스의 배출이 현저히 저감되어 친환경적이다.
또한, 종래의 대형 선박에는 선내 발전만을 위한 보조 발전기, 예를 들면 보조 디젤 엔진(Auxiliary Diesel Engine) 등을 설치하였으나, 본 발명의 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템은 선박의 동력원이자 선내 발전기로도 사용할 수 있으므로 보조 발전기와 같은 추가 장치가 필요 없고, 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.
그리고 종래의 디젤 엔진은 설치 및 교체가 용이하지 않았으나, 본 발명의 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템은 모듈로 구성되어 설치 및 교체가 비교적 용이하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
E: 전기
H: 열
100: 재생에너지 모듈
200: SOFC 모듈
301: 열회수 증기 발생기
302: 증기터빈
303: 물탱크
304: P2G 유닛
400: 연료 탱크
401: 수소 탱크
402: LNG 탱크
H: 열
100: 재생에너지 모듈
200: SOFC 모듈
301: 열회수 증기 발생기
302: 증기터빈
303: 물탱크
304: P2G 유닛
400: 연료 탱크
401: 수소 탱크
402: LNG 탱크
Claims (7)
- 재생에너지원을 이용하여 전기를 생산하는 재생에너지 모듈;
상기 재생에너지 모듈의 열을 공급받아 증기를 생산하는 열회수 증기 발생기;
상기 열회수 증기 발생기로부터 증기를 공급받아 전기를 생산하는 증기터빈;
해수를 전기분해하여 수소를 생산하는 P2G 유닛; 및
수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 고체산화연료전지(SOFC) 모듈:을 포함하되,
상기 P2G 유닛에는 상기 재생에너지 모듈, 상기 증기터빈 및 상기 SOFC 모듈 중 하나 이상에서 생산된 전기가 공급되고,
상기 P2G 유닛에서 생산된 수소는 상기 SOFC 모듈로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 SOFC 모듈이 전기를 생산하고 발생한 폐열은 상기 열회수 증기 발생기에 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 SOFC 모듈에 연료를 공급하는 연료 탱크를 더 포함하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 연료 탱크는 수소 탱크 및 LNG 탱크를 포함하고,
상기 SOFC 모듈은 상기 P2G 유닛 또는 수소 탱크로부터 수소를 공급받거나 LNG 탱크로부터 액화천연가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템.
- 청구항 4에 있어서,
선박의 출항 전에는 상기 수소 탱크로부터 수소를 공급받아 SOFC 모듈의 구동을 시작하고,
선박의 운항중에는 상기 P2G 유닛으로부터 수소를 공급받아 SOFC 모듈을 구동하며,
선박의 운항중 재생에너지의 확보가 어려워질 경우에는 상기 P2G 유닛, 상기 수소 탱크 및 상기 LNG 탱크 중 하나 이상으로부터 수소 또는 액화천연가스를 공급받아 SOFC 모듈을 구동하는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 증기터빈에서 증기가 응축되며 생산된 물을 저장하고, 선박내 용수 수요처에 공급하는 물탱크를 더 포함하되,
상기 P2G 유닛은 상기 물탱크에 저장된 물 및 해수 중 하나 이상을 공급받아 수소를 생산하고,
상기 SOFC 모듈은 상기 물탱크에서 물을 공급받아 연료 개질에 사용하는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 재생에너지 모듈, 상기 증기터빈 및 상기 SOFC 모듈에서 생산된 전기는 선박내 전기수요처에 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 재생에너지 및 SOFC의 상보 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210121857A KR102600608B1 (ko) | 2021-09-13 | 2021-09-13 | 선박용 재생에너지 및 sofc의 상보 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210121857A KR102600608B1 (ko) | 2021-09-13 | 2021-09-13 | 선박용 재생에너지 및 sofc의 상보 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230039820A true KR20230039820A (ko) | 2023-03-22 |
| KR102600608B1 KR102600608B1 (ko) | 2023-11-10 |
Family
ID=86005733
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210121857A KR102600608B1 (ko) | 2021-09-13 | 2021-09-13 | 선박용 재생에너지 및 sofc의 상보 시스템 |
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR102600608B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090019466A (ko) * | 2007-08-21 | 2009-02-25 | 삼성중공업 주식회사 | 선박용 고체산화물 연료전지 발전시스템의 운영 방법 |
| JP2011113831A (ja) * | 2009-11-27 | 2011-06-09 | Kyocera Corp | 燃料電池装置 |
| JP2015176675A (ja) * | 2014-03-13 | 2015-10-05 | 日本電信電話株式会社 | 分散型電源システムおよびその運転方法 |
| JP2015206060A (ja) * | 2014-04-17 | 2015-11-19 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 水素ガス発生システム |
-
2021
- 2021-09-13 KR KR1020210121857A patent/KR102600608B1/ko active IP Right Grant
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