KR20230040140A - 액화수소 저장용기를 포함하는 해상 운송 수단 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소를 연료로 사용하여 구동이 가능한 엔진; 내측에 액화수소가 저장되는 1차 방벽과, 1차 방벽을 둘러싸며 내부에 단열재가 채워지는 단열공간, 그리고 단열공간의 외측에 형성되며 내부 공간에 열차단용 액화가스로서 액화질소 또는 LNG가 수용되는 극저온열차단층을 포함하는 액화가스 저장용기; 및 1차 방벽 내부에 저장되는 액화수소로부터 발생하는 액화수소 증발가스를 엔진의 연료로서 공급하는 연료공급시스템을 포함하는 해상 운송 수단을 제공한다.
본 발명에 의하면, 액화수소 저장용기 내부에 저장되는 액화수소의 증발률이 현저하게 저감되고, 액화수소 저장용기 내부에서 발생하는 증발가스를 직접 엔진의 연료로서 사용하여 별도의 에너지원으로 활용하는 것이 가능하므로 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 액화수소 저장용기 내부에 저장되는 액화수소의 증발률이 현저하게 저감되고, 액화수소 저장용기 내부에서 발생하는 증발가스를 직접 엔진의 연료로서 사용하여 별도의 에너지원으로 활용하는 것이 가능하므로 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다는 효과가 있다.
Description
본 발명은 액화수소 저장용기를 포함하는 해상 운송 수단에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 끓는점이 매우 낮은 수소의 저장 및 운송에 최적화된 액화수소 저장용기를 포함하는 해상 운송 수단에 관한 것이다.
일반적으로 수소의 운송은 크게 내륙에서의 운송과 해상에서의 운송으로 구분할 수 있다. 내륙에서 수소의 운송은 파이프 라인을 이용하거나 전용 수송 차량 또는 철도 등을 이용하여 이루어질 수 있고, 해상에서 수소의 운송은 특수한 저장설비를 갖춘 선박을 통해 이루어질 수 있다.
내륙 및 해상을 통한 수소 운송의 공통적인 특징은 수소를 저장할 수 있는 특수한 저장설비가 갖추어진 운송 수단을 통해 이루어진다는 점이다. 특히 수소를 저장하여 운송할 수 있는 저장설비를 갖춘 운송 수단의 경우, 효율적인 수소의 운송을 위하여 기체 상태의 수소를 냉각 그리고/혹은 가압하여 액화시켜 액체 상태로 저장 및 운송하는 것이 바람직하다는 것이 일반적인 견해이다.
액화시킨 상태의 수소, 즉 액화수소를 저장하는 기술로는 다양한 기술이 적용될 수 있는데, 해상과 육상에서 모두 적용되고 있는 멤브레인형 탱크(membrane type tank) 기술과 주로 해상에서 적용되고 있는 독립형 탱크(independent type tank) 기술이 고려될 수 있다. 독립형 탱크의 경우에는 압력용기(pressure vessel)로 지칭되는 Type C 탱크와 상압탱크(atmospherical tank)인 Type A 탱크 및 Type B 탱크로 구분될 수 있다.
상기와 같은 저장기술들은 현재 상용화되어 있는 것들로서 기술적으로 구현하는데 큰 어려움이 없지만, 상기한 기존의 저장기술들은 주로 LNG(액화천연가스)나 LPG(액화석유가스)의 저장에 적합하게 설계된 것으로서, 수소의 경우에는 LNG나 LPG 등과 대비하여 액화온도(끓는점)가 현저히 낮기 때문에 기존 저장기술들의 단열방식으로는 액화수소를 상당한 기간 동안 손실 없이 저장하여 운송하기에는 무리가 있다.
기존의 저장기술들을 액화수소의 저장에 이용하기 위해서는 저장용기(혹은 저장탱크)에 갖추어지는 단열시스템의 단열 두께를 수배에서 수십배까지 증가시키거나 진공단열재 등의 고성능 단열재를 추가적으로 적용하는 것이 필수적으로 고려되어야 하므로, 결국 기존의 저장기술들은 끓는점이 매우 낮은 액화수소의 저장에 적합한 기술로는 볼 수 없다.
기체 상태의 수소는 상압(atmospherical pressure)에서는 영하 253도의 끓는점을 가지기 때문에 해당 온도까지 냉각이 되어야 기체 상태에서 액체 상태로 전환된다. 또한 가압된 환경에서도 수소가 액화되는 온도는 상당히 낮으며, 약 10 barg로 가압하였을 때 수소는 영하 242도 수준에서 액체 상태로 전환될 수 있다.
이와 같은 수소의 상변화 특성 때문에 상온(atmospherical temperature) 상태에 가까운 저장용기의 외부 조건과 영하 253도의 액화수소가 저장되는 저장용기의 내부와는 대략 300도에 가까운 큰 온도차가 발생하게 된다. 이러한 저장용기의 내/외부 온도 차이는 열전달의 요인이 되고, 열전달로 인해 발생하는 열류(heat flux)에 의한 열침임으로 인하여 저장용기 내부에 저장되어 있는 액화수소의 증발(boil-off)을 야기시킨다.
저장용기 내부에서 발생하는 액화수소의 증발은 결국 수소의 저장 및 운송 과정 동안 수소의 손실로 다가온다. 가압형 저장용기의 경우에는 견딜 수 있도록 설계된 최대허용압력(maximum design vapour pressure) 내에서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)를 저장용기 내부에 저장할 수 있겠으나, 수소의 임계점(critical point)에 이르지 않게 관리해야 할 것이 요구되고, 지속적인 액화수소의 증발로 인하여 허용 내압을 넘어서는 것이 예상되는 경우에는 증발가스를 저장용기 외부로 방출할 수 밖에 없다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 특히 끓는점이 매우 낮은 수소를 상당한 기간 동안 열손실 없이 저장하여 운송할 수 있도록 하는 것으로서, 해상 운송시 액화 상태로 저장되는 수소의 열침입에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 고성능의 단열시스템을 갖춘 액화수소 저장용기를 포함하는 해상 운송 수단을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 수소를 연료로 사용하여 구동이 가능한 엔진; 내측에 액화수소가 저장되는 1차 방벽과, 상기 1차 방벽을 둘러싸며 내부에 단열재가 채워지는 단열공간, 그리고 상기 단열공간의 외측에 형성되며 내부 공간에 열차단용 액화가스로서 액화질소 또는 LNG가 수용되는 극저온열차단층을 포함하는 액화가스 저장용기; 및 상기 1차 방벽 내부에 저장되는 액화수소로부터 발생하는 액화수소 증발가스를 상기 엔진의 연료로서 공급하는 연료공급시스템을 포함하는, 해상 운송 수단이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 해상 운송 수단은, 상기 극저온열차단층 내부에 수용되는 열차단용 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 선외로 배출하기 위한 배기시스템을 더 포함할 수 있다.
상기 액화수소 저장용기는, 상기 극저온열차단층의 외측에 형성되는 최종단열층을 더 포함할 수 있다.
상기 액화수소 저장용기는, 상기 단열공간을 형성하기 위하여 상기 1차 방벽의 외측으로 일정 거리 이격된 위치에 구비되되, 상기 단열공간의 개수에 대응하여 적어도 하나 이상이 상기 1차 방벽의 외측으로 순차적으로 설치되는 제1 구획구조물; 및 상기 1차 방벽과 상기 제1 구획구조물 사이 그리고 상기 단열공간이 복수층으로 형성되는 경우에는 추가적으로 서로 인접하는 상기 제1 구획구조물 사이를 지지하고 공간을 확보하는 제1 지지구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 액화수소 저장용기는, 상기 극저온열차단층을 형성하기 위하여 상기 제1 구획구조물의 외측으로 일정 거리 이격된 위치에 구비되는 제2 구획구조물; 및 상기 제1 구획구조물과 상기 제2 구획구조물 사이를 지지하고 공간을 확보하는 제2 지지구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 열차단용 액화가스는 최외곽에 배치되는 상기 제1 구획구조물의 최상부층보다 수위가 높게 유지될 수 있다.
상기 액화수소 저장용기는 상기 1차 방벽이 소정의 압력을 견딜수 있는 가압탱크일 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 액화수소의 저장 중에 발생하는 요인 중 온도차에 의한 열침입을 기존에 상용화된 저장기술과 대비하여 1/4 내지 1/5 수준으로 감소시키는 것이 가능하여, 운송 기간 동안 액화수소의 증발률(Boil-Off Rate, BOR)을 현저하게 저감시키는 효과가 있다.
본 발명은 특히 끓는점이 매우 낮은 액화수소의 저장에 최적화된 것으로서 고성능의 단열시스템을 갖추어 액화 상태의 수소를 상당한 기간 동안 열손실 없이 저장 및 운송하는 것이 가능한 액화수소 저장용기를 제공하며, 이러한 액화수소 저장용기가 구비된 해상 운송 수단을 통한 수소의 운송시 에너지 손실을 최소화할 수 있다는 경제적인 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 의하면, 액화수소 저장용기 내부에서 발생하는 액화수소 증발가스를 직접 엔진의 연료로서 사용하여 별도의 에너지원으로 활용하는 것이 가능하므로 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 액화수소 저장용기의 단열구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 단열공간이 단수층으로 형성되는 실시예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 액화수소 저장용기의 단열구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 단열공간이 복수층으로 형성되는 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 액화수소 저장용기가 구비된 해상 운송 수단의 배치구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 액화수소 저장용기의 단열구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 단열공간이 복수층으로 형성되는 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 액화수소 저장용기가 구비된 해상 운송 수단의 배치구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적 및 효과를 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조해야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와는 다소 상이할 수 있으며, 도면에 도시된 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장되거나 축소될 수 있고 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 구성요소를 '포함'한다고 하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'된다고 하는 것은 직접적인 연결은 물론 간접적인 연결을 포함하는 것이며, 두 구성요소 사이에 다른 구성요소가 존재할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 액화수소 저장용기에 대해 '1차' 및 '2차'라는 용어를 사용하는 것은, 저장용기 내부에 저장된 액화수소를 기준으로 액화수소를 1차적으로 밀봉 또는 단열하는 것인지 2차적으로 밀봉 또는 단열하는 것인지에 대한 기준으로 구사된 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서 이에 의하여 본 발명이 한정되지는 않는다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 액화수소 저장용기의 단열구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 각각 단열공간이 단수층 및 복수층으로 형성되는 실시예를 나타낸 것이다. 그리고 도 3은 본 발명에 따른 액화수소 저장용기가 구비된 해상 운송 수단의 배치구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 액화수소 저장용기(100)는, 내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 1차적인 기밀을 수행하는 1차 방벽(primary barrier, 110); 1차 방벽(110)의 외측에 형성되는 단열공간(120); 단열공간(120)을 구획하기 위한 제1 구획구조물(130); 제1 구획구조물(130)의 외측에 형성되는 극저온열차단층(140); 극저온열차단층(140)을 구획하기 위한 제2 구획구조물(150); 및 제2 구획구조물(150)의 외측에 형성되는 최종단열층(160)을 포함하여 단열시스템이 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 액화수소 저장용기(100)는 가압탱크로서 액화수소와 직접 접하도록 구획되는 1차 방벽(110)을 포함할 수 있다. 참고로 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에서 규정하고 있는 기준을 근거로 하는 경우, 설계 가스 압력(design vapour pressure)가 0.7 barg 이하로 설계되는 탱크가 상압탱크로 구분될 수 있으며, 전술한 멤브레인형 탱크와 Type A 및 B의 독립형 탱크가 상압탱크에 해당될 수 있다. 반대로 설계 가스 압력이 2.0 barg를 초과하도록 설계되는 탱크가 가압탱크로 구분될 수 있으며, 전술한 Type C의 독립형 탱크가 가압탱크에 해당될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 액화수소 저장용기(100)는 1차 방벽(110)이 2.0 barg를 초과하는 압력을 견디도록 설계되는 Type C의 독립형 탱크일 수 있다.
1차 방벽(110)은 극저온의 액화수소를 안전하게 저장할 수 있도록 저온취성이 강한 금속 소재로 구성될 수 있으며, 예컨대 스테인리스강(stainless steel)을 포함하여 액화수소의 저장이 가능한 것으로 검증된 강재가 적용될 수 있다.
1차 방벽(110)의 내부, 즉 액화수소가 저장되는 공간 내부에는 액화수소의 적하역을 위한 배관과 펌프 등의 장비 및 펌프를 고정하기 위한 구조물 등의 의장품이 구비될 수 있다. 또한, 1차 방벽(110)의 내부에는 액화수소의 증발가스 배출을 위한 배관 및 감압밸브(Pressure Relief Valve, PRV) 등이 구비될 수 있다.
1차 방벽(110) 내부의 액화수소를 적하역하기 위한 배관 및 1차 방벽(110) 내부의 증발가스를 배출하기 위한 배관은 후술하는 단열공간(120), 극저온열차단층(140) 및 최종단열층(160)을 관통하여 외부로 연결되는 형태로 구성될 수 있다.
1차 방벽(110)의 외측에는 단열공간(120)이 형성되며, 이러한 단열공간(120)은 1차 방벽(110)으로부터 일정 거리 이격된 위치에 구비되는 제1 구획구조물(130)에 의해 구획될 수 있다.
단열공간(120)은 1차 방벽(110)을 둘러싸도록 형성되어 1차 방벽(110) 내부에 저장되는 액화수소를 1차적으로 단열시키는 기능을 한다.
단열공간(120)은 적어도 1개 이상의 층이 1차 방벽(110)의 외측에 단열 두께 방향으로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에서 단열공간(120)은 단수층 이상으로 형성될 수 있다. 도 1은 단열공간(120)이 단일층으로 형성되는 실시예를 나타낸 것이고, 도 2는 단열공간(120)이 2개의 복수층으로 형성되는 실시예를 나타낸 것이다.
단열공간(120)이 복수층으로 형성되는 경우에는 그에 대응하여 제1 구획구조물(130)도 각 단열공간(120)의 외측마다 구비될 수 있다.
후술하겠지만 본 발명에서 단열공간(120)은 진공 환경으로 조성될 수 있으며, 제1 구획구조물(130)은 단열공간(120)에 형성되는 진공 환경 등의 설계조건에 부합하도록 구조가 형성될 수 있다. 즉, 제1 구획구조물(130)은 단열공간(130)에 형성되는 진공압을 견딜 수 있도록 구조적 강도가 형성되어야 한다.
또한, 후술하는 바와 같이 제1 구획구조물(130)의 외측에 형성되는 극저온열차단층(140)은 액화질소 등의 극저온 액화가스가 수용되는 공간이다. 따라서 최외곽에 배치되는 제1 구획구조물(130)은 외측에 수용되는 액화가스의 극저온에 견딜 수 있어야 하며, 구조물 간의 하중을 견딜 수 있도록 설계되어야 하는 바, 제1 구획구조물(130)은 통상의 1차 방벽의 설계에 준하도록 설계될 수 있다.
이는 제1 구획구조물(130)도 1차 방벽(110)과 유사하게 극저온용 강재로 구성될 수 있음을 의미한다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 구획구조물(130)로서 예컨대 강화 플라스틱(FRP: Fiberglass Reinforced Plastics)과 같이 극저온에서 사용 가능하고 기계적 강도가 충분한 것이라면 다양한 소재가 적용될 수 있음은 물론이다.
전술한 바와 같이 액화수소 저장용기(100) 내부에서 발생하는 증발가스의 배출을 위한 배관 상에 설치되는 감압밸브는 제1 구획구조물(130)의 경계부에 설치될 수 있으며, 단열공간(120)이 복수층으로 구성되는 경우에는 최내곽에 형성되는 단열공간(120)을 구획하기 위한 제1 구획구조물(130)의 경계부에 설치될 수 있다.
단열공간(120) 내에는 1차 방벽(110)과 제1 구획구조물(130) 사이 혹은 서로 인접하는 제1 구획구조물(130) 사이(단열공간이 복수층으로 형성되는 경우)를 지지하고 두 구조물 사이의 공간을 확보하기 위한 지지구조체(미도시)가 설치될 수 있다.
지지구조체(미도시)는 1차 방벽(110)과 제1 구획구조물(130) 사이 혹은 서로 인접하는 제1 구획구조물(130) 사이를 지지하는 서포트(support) 형태로 설치될 수 있으며, 지지되는 두 구조물 사이의 열전달에 의한 손실을 최소화할 수 있는 소재, 예컨대 PCTFE(PolyChloroTriFluoroEthylene), PTFE(PolyTetraFluoroEthylene) 및 UHMWPE(Ultra-High-Molecular-Weight PolyEthylene) 등과 같이 극저온에서 사용가능한 플라스틱 소재로 구성될 수 있다.
단열공간(120) 내에서 지지구조체(미도시)를 제외한 나머지 공간은 열전달을 차단할 수 있도록 진공 환경으로 구비된 공간 내에 다층박막단열재(Multi-Layer Insulation, MLI) 또는 중공유리미세구(hollow glass microspheres)나 글라스버블(glass bubble)과 같이 진공 환경 하에서 사용 가능한 분말형/비드형 단열재를 포함하도록 하여 단열층으로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 1차 방벽(110)의 외측이나 제1 구획구조물(130)의 내측에 다층박막단열재를 10겹에서 40겹 내에서 감거나 또는 단열공간(120) 내에 중공유리미세구나 글라스버블과 같이 진공 환경 하에서 사용 가능한 분말형/비드형 단열재를 채우는 방식으로 단열공간(120) 내에 단열층이 형성될 수 있다. 단열공간(120) 내에 단열층이 형성된 이후에는 단열공간(120)의 내부 공간에 대한 진공 형성 작업이 수행될 수 있다.
단열공간(120) 및 제1 구획구조물(130)이 복수개로 구비되는 경우에는, 각 단열공간(120)마다 공간의 구획 및 지지를 위한 지지구조체(미도시)가 설치될 수 있으며, 복수의 단열공간(120)이 각각 진공 환경으로 조성되어 각 공간 내부에 다층박막단열재나 분말형/비드형 단열재가 채워질 수 있다.
적어도 하나 이상으로 형성되는 각 단열공간(120) 내에는 해당 공간의 온도 및 압력을 계측하기 위한 센서가 구비될 수 있다. 또한, 각 단열공간(120)의 진공을 구현하기 위한 배관은 유사시 누출된 액화수소를 배출하는 통로로 활용될 수 있다.
제1 구획구조물(130)의 외측에는 저장용기 내부에 저장되는 액화수소로의 열침입을 최소화하기 위하여 극저온열차단층(140)이 형성될 수 있다. 전술한 단열공간(120)이 액화수소의 1차적인 단열을 수행하는 것이라면, 극저온열차단층(140)은 액화수소의 2차적인 단열을 수행하는 것으로 볼 수 있다.
극저온열차단층(140)의 구획을 위하여 제1 구획구조물(130)으로부터 일정 거리 이격된 위치에 제2 구획구조물(150)이 구비될 수 있고, 극저온열차단층(140) 내에는 제1 구획구조물(130)과 제2 구획구조물(150) 사이를 지지하고 둘 사이의 공간을 확보하기 위한 지지구조체(미도시)가 설치될 수 있다.
극저온열차단층(140)에 설치되는 지지구조체(미도시)도 단열공간(120) 내에 설치되는 것과 마찬가지로 PCTFE, PTFE, 또는 UHMWPE 등과 같이 극저온에서 사용가능한 플라스틱 소재로 구성될 수 있다.
극저온열차단층(140) 공간에는 극저온에서 액화된 상태로 저장될 수 있는 질소나 산소 또는 천연가스 등이 액화된 상태로 수용될 수 있다. 즉, 극저온열차단층(140)의 내부 공간에는 액화질소(LN2), 액화산소(LO2), LNG 등의 액화가스가 수용될 수 있다.
배경기술에서도 설명하였듯이, 액화수소의 경우에는 상압 조건에서 영하 253도에서 액체 상태가 유지되며, 외부 온도를 최대 45도까지 고려하면 액화수소가 저장되는 공간과 외부와의 온도차가 거의 300도에 가깝게 발생하게 된다. 그러나 본 발명에서와 같이 액화수소가 저장되는 공간의 외측에 극저온열차단층(140)을 형성하고 그 공간 내부에 액화가스를 채우게 되면, 액화수소가 경험하는 외부와의 온도 차이가 현격하게 줄어들게 된다.
예컨대, 극저온열차단층(140) 내부에 액화질소가 수용되는 경우를 가정하여 보면, 액화질소는 영하 196도의 끓는점을 가지므로 액화수소의 입장에서는 기존의 300도 대신 60도 이하의 온도차만 경험하게 된다. 즉, 액화수소가 겪는 온도차가 1/5 이하로 줄어들게 되므로 그 만큼 단열을 적게 하여도 되거나 혹은 동일한 단열층으로도 열침입을 크게 줄여 액화수소의 증발률을 현저하게 감소시킬 수 있는 것이다.
본 발명에서는 상기에서 예시된 액화가스 중에서 위험도 측면에서 가장 안전하고 끓는점이 가장 낮아 액화수소와 온도 차이가 적은 액화질소가 극저온열차단층(140)에 수용되는 액화가스로서 가장 바람직하게 고려될 수 있다.
다만, 극저온열차단층(140)에 액화질소를 제외한 다른 액화가스의 수용을 지양(止揚) 혹은 배제하는 것은 아니며, 액화질소 뿐만 아니라 액화산소나 LNG 등과 같이 액화수소와 끓는점의 차이가 크지 않은, 보다 바람직하게는 액화수소의 끓는점과 액화수소 저장용기(100) 외부 온도와의 평균 온도보다 낮은 끓는점을 가지는 다양한 액화가스가 극저온열차단층(140)에 수용되는 액화가스로서 이용될 수 있다.
극저온열차단층(140) 공간에 수용되는 액화가스로서 LNG를 사용하는 경우에는, LNG로부터 발생하는 증발가스나 LNG 자체를 본 발명에 따른 액화수소 저장용기(100)가 구비되는 해상 운송 수단(1)의 동력계 연료로 이용할 수 있다는 점에서 이점을 취할 수 있을 것이다.
이하에서는 1차 방벽(110) 내부에 수용되는 액화수소와의 보다 확실한 구분을 위하여, 극저온열차단층(140)에 수용되는 액화가스를 '열차단용 액화가스'라 정의하여 설명을 이어 나간다.
극저온열차단층(140)에 수용된 열차단용 액화가스는, 본 발명에 따른 액화수소 저장용기(100)가 구비되는 해상 운송 수단(1)의 운송 기간 동안 최외곽에 배치되는 단열공간(120)을 구획하는 제1 구획구조물(130)의 최상층부보다 수위가 높게 유지될 수 있다. 즉, 해상 운송 수단(1)의 운송 기간 동안 최외곽에 배치되는 제1 구획구조물(130)의 상면이 노출되어서는 안되며 모든 면이 열차단용 액화가스에 의해 차단되어야 한다.
극저온열차단층(140)의 내부에는 해당 공간에 수용되는 열차단용 액화가스의 적하역을 위한 배관과 펌프 등의 장비 및 펌프를 고정하기 위한 구조물 등의 의장품이 구비될 수 있다. 또한, 극저온열차단층(140) 내부에는 열차단용 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 배출하기 위한 배관 및 감압밸브 등이 구비될 수 있다.
극저온열차단층(140) 내부의 열차단용 액화가스를 적하역하기 위한 배관 및 극저온열차단층(140) 내부의 증발가스를 배출하는 배관은 후술하는 최종단열층(160)을 관통하여 외부로 연결되는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 극저온열차단층(140) 공간 내에 수용되는 열차단용 액화가스의 증발가스 또는 열차단용 액화가스 자체를 해상 운송 수단(1)의 연료로 활용하는 경우(예컨대, 열차단용 액화가스가 LNG인 경우), 극저온열차단층(140)은 연료탱크에 부합하는 설계기준에 맞추어 설계될 수 있다.
제2 구획구조물(150)의 외측에는 극저온열차단층(140) 내부에 수용되는 열차단용 액화가스의 증발을 최소화하기 위한 최종단열층(160)이 형성될 수 있다.
본 발명에서 최종단열층(160)은 액화수소의 3차적인 단열을 수행하는 동시에 극저온열차단층(140)으로의 열침입을 차단하여 해당 공간 내에 수용되는 열차단용 액화가스를 단열시키는 기능을 함께 수행한다.
전술한 바와 같이 제2 구획구조물(150)의 내측에는 제1 구획구조물(130)과의 사이 공간 확보와 지지를 위한 목적으로 지지구조체(미도시)가 설치될 수 있으며, 제2 구획구조물(150)의 외측에는 최종단열층(160)의 설치를 위한 고정구조체(미도시)가 설치될 수 있다.
최종단열층(160)은 일반 상압 조건에서의 단열을 위하여 진공단열패널(Vacuum Insulation Panel, VIP)이나 폴리우레탄폼(polyurethane foam)과 같은 폼 형태의 유기 단열재 혹은 글라스울(glass wool)과 같은 무기 단열재 등을 포함하는 다양한 단열재 중 어느 하나를 제2 구획구조물(150)의 외측면에 시공하여 형성될 수 있다.
또는, 최종단열층(160)을 진공 단열층으로 구성할 수도 있는데, 이 경우에는 별도의 외부층(미도시)을 더 포함하여 제2 구획구조물(150)과 외부층(미도시) 사이에 다층박막단열재나 분말형/비드형 단열재를 채워 진공 환경을 조성하는 방식으로 단열층을 형성할 수 있다. 후자의 경우에는 최종단열층(160)의 내부가 전술한 단열공간(120)의 내부와 유사한 구조로 형성되는 것으로 이해할 수 있다.
극저온열차단층(140)의 외측에 최종단열층(160)을 형성함에 있어서, 극저온열차단층(140)에 수용되는 열차단용 액화가스의 종류에 따라 극저온열차단층(140)의 외측 구조가 특정 설계기준(IGC/IGF Code)을 만족할 것이 요구되는 경우에는 이에 준하는 설계가 반영될 수 있다.
한편, 단열공간(120) 및 극저온열차단층(140)은 각 공간의 내부 압력에 대하여 구조적으로 안전할 수 있도록 설계되어야 하며, 이를 위하여 단열공간(120) 및 극저온열차단층(140) 각 공간에 대한 압력을 모니터링하는 모니터링장치(미도시) 및 압력조정장치(미도시)가 함께 구비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 액화수소 저장용기(100)가 구비된 해상 운송 수단(1)에는, 액화수소 저장용기(100)의 1차 방벽(110) 내부에 저장되는 액화수소에 관련된 처리를 수행하는 액화수소 처리설비와, 극저온열차단층(140) 공간 내에 수용되는 열차단용 액화가스에 관련된 처리를 수행하는 액화가스 처리설비가 구비될 수 있다.
액화수소 처리설비는, 액화수소의 증발가스를 재액화하기 위한 재액화장치, 액화수소의 증발가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지, 액화수소의 증발가스를 이용하여 다른 물질을 합성 및 생성하는 물질합성장치, 및 액화수소의 증발가스 혹은 액화수소 자체를 해상 운송 수단(1)의 동력계 연료로서 공급하기 위한 연료공급시스템 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 액화가스 처리설비는, 열차단용 액화가스의 증발가스를 재액화하기 위한 재액화장치, 열차단용 액화가스가 액화질소인 경우 액화질소의 증발가스를 이용하여 암모니아를 합성하는 암모니아합성장치, 열차단용 액화가스의 증발가스 혹은 열차단용 액화가스 자체를 해상 운송 수단(1)의 동력계 연료로서 공급하기 위한 연료공급시스템, 및 열차단용 액화가스의 증발가스를 선외로 배출하기 위한 배기시스템 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 액화수소 저장용기(100)와 액화수소 저장용기(100) 내부에서 발생하는 액화수소 증발가스의 증발가스를 엔진(E)의 연료로서 공급하는 연료공급시스템(200)이 구비되는 해상 운송 수단(1)이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 액화수소가 저장되는 액화수소 저장용기(100)는 선수로부터 선미 측으로 복수개가 선체의 길이 방향을 따라 배치될 수 있고, 연료공급시스템(200)은 가장 후미에 배치되는 액화수소 저장용기(100) 후방에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 해상 운송 수단(1)의 선미에 구획되는 엔진룸(E/R: Engine Room) 내부에는 수소를 연료소서 사용할 수 있는 엔진(E)이 탑재될 수 있으며, 연료공급시스템(200)은 액화수소 저장용기(100) 내부에서 발생하는 액화수소 증발가스를 적절한 압력으로 압축하여 엔진(E)으로 공급할 수 있다.
또한, 연료공급시스템(200)은 필요에 따라 액화수소 저장용기(100) 내부에 저장된 액화수소를 강제로 기화 및 압축시켜 엔진(E)으로 공급할 수 있도록 시스템이 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 해상 운송 수단(1)에는 액화수소 저장용기(100)의 극저온열차단층(140) 내부에 수용된 열차단용 액화가스의 증발가스를 안전하게 선외로 배출하기 위한 배기시스템(V)이 더 구비될 수 있다. 배기시스템(V)은 액화수소 저장용기(100)의 극저온열차단층(140) 내부에 수용된 열차단용 액화가스의 증발가스를 선외로 배출하기 위한 배관 및 벤트마스트(vent mast) 등을 포함할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 극저온열차단층(140) 내부에 수용되는 열차단용 액화가스가 LNG와 같이 연료로 사용 가능한 것일 경우에는, 엔진(E)을 천연가스를 연료로 사용하여 구동이 가능한 것으로 마련하고 극저온열차단층(140) 내부에서 발생하는 증발가스를 엔진(E)의 연료로서 공급하도록 시스템을 구성할 수도 있을 것이다.
본 발명에 따른 해상 운송 수단(1)은 액화수소를 싣고 해상을 운항하여 목적지로 운송하는 액화수소 운반선일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상은 액화수소 운반선과 같이 자체적으로 추진 능력을 가지는 선박은 물론 액화수소를 해상에서 상당한 기간동안 저장하기 위한 것이라면 자체적으로 추진 능력이 없더라도 해상에 부유하고 있는 다양한 부유식 해상 구조물에 적용될 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같은 본 발명에 의하면, 액화수소의 저장 중에 발생하는 요인 중 온도차에 의한 열침입을 기존에 상용화된 저장기술과 대비하여 1/4 내지 1/5 수준으로 감소시키는 것이 가능하여, 운송 기간 동안 액화수소의 증발률을 현저하게 저감시키는 효과가 있다.
본 발명은 특히 끓는점이 매우 낮은 액화수소의 저장에 최적화된 것으로서 고성능의 단열시스템을 갖추어 액화 상태의 수소를 상당 기간 동안 열손실 없이 저장 및 운송하는 것이 가능한 액화수소 저장용기를 제공하며, 이러한 액화수소 저장용기가 구비된 해상 운송 수단을 통한 수소의 운송시 에너지 손실을 최소화할 수 있다는 경제적인 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 의하면, 액화수소 저장용기 내부에서 발생하는 액화수소 증발가스를 직접 엔진의 연료로서 사용함으로써 증발가스를 별도의 에너지원으로 활용하는 것이 가능하므로 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1: 해상 운송 수단
100: 액화수소 저장용기
110: 1차 방벽
120: 단열공간
130: 제1 구획구조물
140: 극저온열차단층
150: 제2 구획구조물
160: 최종단열층
200: 연료공급시스템
E: 엔진
100: 액화수소 저장용기
110: 1차 방벽
120: 단열공간
130: 제1 구획구조물
140: 극저온열차단층
150: 제2 구획구조물
160: 최종단열층
200: 연료공급시스템
E: 엔진
Claims (7)
- 수소를 연료로 사용하여 구동이 가능한 엔진;
내측에 액화수소가 저장되는 1차 방벽과, 상기 1차 방벽을 둘러싸며 내부에 단열재가 채워지는 단열공간, 그리고 상기 단열공간의 외측에 형성되며 내부 공간에 열차단용 액화가스로서 액화질소 또는 LNG가 수용되는 극저온열차단층을 포함하는 액화가스 저장용기; 및
상기 1차 방벽 내부에 저장되는 액화수소로부터 발생하는 액화수소 증발가스를 상기 엔진의 연료로서 공급하는 연료공급시스템을 포함하는,
해상 운송 수단. - 청구항 1에 있어서,
상기 극저온열차단층 내부에 수용되는 열차단용 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 선외로 배출하기 위한 배기시스템을 더 포함하는,
해상 운송 수단. - 청구항 1에 있어서,
상기 액화수소 저장용기는,
상기 극저온열차단층의 외측에 형성되는 최종단열층을 더 포함하는,
해상 운송 수단. - 청구항 3에 있어서,
상기 액화수소 저장용기는,
상기 단열공간을 형성하기 위하여 상기 1차 방벽의 외측으로 일정 거리 이격된 위치에 구비되되, 상기 단열공간의 개수에 대응하여 적어도 하나 이상이 상기 1차 방벽의 외측으로 순차적으로 설치되는 제1 구획구조물; 및
상기 1차 방벽과 상기 제1 구획구조물 사이 그리고 상기 단열공간이 복수층으로 형성되는 경우에는 추가적으로 서로 인접하는 상기 제1 구획구조물 사이를 지지하고 공간을 확보하는 제1 지지구조체를 더 포함하는,
해상 운송 수단. - 청구항 4에 있어서,
상기 액화수소 저장용기는,
상기 극저온열차단층을 형성하기 위하여 상기 제1 구획구조물의 외측으로 일정 거리 이격된 위치에 구비되는 제2 구획구조물; 및
상기 제1 구획구조물과 상기 제2 구획구조물 사이를 지지하고 공간을 확보하는 제2 지지구조체를 더 포함하는,
해상 운송 수단. - 청구항 5에 있어서,
상기 열차단용 액화가스는 최외곽에 배치되는 상기 제1 구획구조물의 최상부층보다 수위가 높게 유지되는 것을 특징으로 하는,
해상 운송 수단. - 청구항 1에 있어서,
상기 액화수소 저장용기는 상기 1차 방벽이 소정의 압력을 견딜수 있는 가압탱크인 것을 특징으로 하는,
해상 운송 수단.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210123384A KR20230040140A (ko) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 액화수소 저장용기를 포함하는 해상 운송 수단 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210123384A KR20230040140A (ko) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 액화수소 저장용기를 포함하는 해상 운송 수단 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230040140A true KR20230040140A (ko) | 2023-03-22 |
Family
ID=86005926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210123384A KR20230040140A (ko) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 액화수소 저장용기를 포함하는 해상 운송 수단 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230040140A (ko) |
-
2021
- 2021-09-15 KR KR1020210123384A patent/KR20230040140A/ko unknown
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