KR20230102427A - 선박의 배열회수시스템 - Google Patents

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Abstract

선박의 배열회수시스템이 개시된다. 본 발명의 선박의 배열회수시스템은, 선박에 마련되며 암모니아를 연료로 공급받는 암모니아수요처; 선내에 공급될 퍼징(purging)용 질소를 생성하는 질소발생기; 상기 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소탱크; 상기 질소발생기에서 생성된 질소와 상기 수소탱크로부터 수소를 공급받아 암모니아를 합성하는 암모니아생성부; 및 상기 암모니아생성부에서 합성된 암모니아를 상기 암모니아수요처로 공급하는 제1 암모니아공급라인:를 포함하고, 상기 암모니아생성부에서 암모니아 합성 시 발생하는 반응열에 의해 상기 암모니아수요처를 작동온도로 예열하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 배열회수시스템{Waste Heat Recovery System For Ship}
본 발명은 선박의 배열회수시스템에 관한 것으로, 선내에서 수소와 질소로부터 암모니아를 합성하여 암모니아수요처의 연료로 공급하면서, 암모니아 합성 시 발생하는 반응열을 효과적으로 활용할 수 있도록 하는 선박의 배열회수시스템에 관한 것이다.
지구온난화 현상의 심화에 따라 전세계적으로 온실가스 배출을 감축하려는 노력이 이루어지고 있고, 선진국들의 온실가스 감축 의무를 담았던 1997년 교토의정서가 2020년 만료됨에 따라, 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 제21차 유엔기후변화협약에서 채택되고 2016년 11월 발효된 파리기후변화협약(Paris Climate Change Accord)에 의해 협정에 참여한 195개 당사국들은 온실가스 감축을 목표로 다양한 노력을 기울이고 있다.
이러한 세계적인 추세와 함께 화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 무공해에너지로서 풍력, 태양광, 태양열, 바이오에너지, 조력, 지열 등과 같은 재생가능에너지(또는 재생에너지)에 대한 관심이 높아지고 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.
액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소 시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다. 그에 따라 근래 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
액화천연가스(LNG)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.
액화석유가스(LPG)는 조성에 따라 액화 온도의 차이는 있으나 프로판을 주성분으로 하는 석유가스의 경우 상압 약 -42℃의 저온에서 액화되고, 18 bar에서는 약 45℃의 온도까지, 7 bar에서는 20℃까지 액체 상태로 저장가능하다.
한편, 종래의 LPG 운반선 등에는 선박의 추진 연료로서 상대적으로 가격이 저렴한 벙커C유 등의 중유를 사용하는 연료 공급 시스템을 채용하고 있는데, 이러한 중유 연료 공급 시스템은 중유 연료 사용에 대한 국제적인 배기가스 배출규제 강화로 황 성분이 적은 중유 연료 탱크(LSHFO tank)를 별도로 설치해야 했고, 국제적인 환경규제 기준에 적합한 친환경적인 연료 공급 시스템의 요구가 커졌다.
최근에는 LPG 또는 LNG 운반선에서 LPG 또는 LNG 및 그로부터 발생하는 증발가스를 추진 연료로 사용하는 연료공급시스템의 적용이 늘어나고 있고, 국제적인 배기가스 배출규제 강화에 따라 LPG 또는 LNG 운반선 외에 일반 선박에서도 LNG 등을 추진 연료로 사용하는 선박이 증가하고 있다.
그러나 LNG나 LPG는 기존에 선박 연료로 사용되던 다른 화석 연료에 비해 친환경 연료로 평가받지만 연소 시 여전히 이산화탄소가 발생하며, 이를 연료로 사용하는 선박에서는 여전히 운항 중 이산화탄소를 배출하게 된다.
선박의 항로, 교통규칙, 항만시설 등을 국제적으로 통일하기 위해 설치된 유엔 전문기구인 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구) 역시 온실가스에 대해 08년과 대비하여 2050년 50% 저감, 2100년 100% 저감(GHG Zero Emission)을 목표로 제시하고, 그에 따라 각 국가 및 지역의 규제가 강화될 것으로 예상된다.
IMO가 신조 선박에 적용하는 강제성 있는 이산화탄소 저감 규정인 EEDI(Energy Efficiency Design Index, 에너지효율설계지수)에 따르면, 초기 EEDI 발표에서는 2013 내지 2015년의 이산화탄소 배출량을 기준으로 2015년 이산화탄소 배출량을 10% 저감하는 EEDI Phase 1이 적용되고, 5년 마다 1 단계씩 강화·적용하여 2025년 Phase 3를 적용하도록 예정되어 있었으나, LPG 운반선에 대해서는 EEDI Phase 2 적용 후 2년만인 2022년부터 EEDI Phase 3를 조기 적용하도록 하고 있다. 이와 같이 선박의 이산화탄소 배출에 대한 규제가 급격히 강화되고 있는 추세이므로, 향후에는 LNG나 LPG만을 연료로 사용하는 것으로는 이산화탄소 배출 규정 달성이 어려울 수 있다.
그에 따라 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 선박 연료에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있고, 최근에는 LNG나 LPG 등의 연료와 함께 암모니아를 연료로 사용할 수 있는 선박 엔진에 관한 기술이 연구·개발되고 있다.
암모니아(NH3)는 1개의 질소에 3개의 수소가 결합된 물질로, 분자 사이에 강한 수소 결합을 형성할 수 있어 액화가 용이하며, 상압에서 끓는점 -33.34℃, 녹는점 -77.73℃이다. 암모니아는 하버-보슈법을 통한 대량 생산이 용이하며, 타 탄소 중립 연료 대비 우수한 경제성을 가지고 있는 것으로 평가된다. 하버-보슈법(Haber-Bosch Process)을 이용하여 암모니아(NH3) 합성 시 약 400 ~ 500℃에 달하는 배열이 발생한다.
한편, 이러한 암모니아는 LNG보다 저장이 용이하면서, 기존 HFO와 비교해 SPECIFIC ENERGY와 ENERGY DENSITY에서는 조금 떨어지지만 이산화탄소가 전혀 배출되지 않아 국제적인 온실가스 배출기준의 강화 추세에 대응할 수 있는 친환경 선박 연료로 주목받고 있다.
또한 암모니아는 분자당 3개의 수소 원자를 포함하고 있으며 수소에 비해 액화 및 저장이 용이하므로, 대표적인 친환경 연료인 수소를 연료로 사용하기 위한 수소 운반 수단으로의 가치도 인정되어 다양한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 선박에서 암모니아를 합성하여 연료로 공급하면서 암모니아 합성 반응 시의 반응열을 효과적으로 활용할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되며 암모니아를 연료로 공급받는 암모니아수요처;
선내에 공급될 퍼징(purging)용 질소를 생성하는 질소발생기;
상기 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소탱크;
상기 질소발생기에서 생성된 질소와 상기 수소탱크로부터 수소를 공급받아 암모니아를 합성하는 암모니아생성부; 및
상기 암모니아생성부에서 합성된 암모니아를 상기 암모니아수요처로 공급하는 제1 암모니아공급라인:를 포함하고,
상기 암모니아생성부에서 암모니아 합성 시 발생하는 반응열에 의해 상기 암모니아수요처를 작동온도로 예열하는 것을 특징으로 하는 선박의 배열회수시스템이 개시된다.
바람직하게는, 상기 선박에 마련되며 암모니아를 저장하는 암모니아탱크; 상기 암모니아생성부에서 생성된 암모니아를 상기 암모니아탱크로 이송하는 제2 암모니아공급라인; 및 상기 제2 암모니아공급라인에 마련되며 상기 반응열을 선내 배열회수장치로 전달하는 제1 열교환기:를 더 포함하고, 상기 암모니아수요처의 작동온도가 충족된 후에는 상기 암모니아생성부에서 생성된 암모니아는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 암모니아탱크로 이송될 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소탱크에 저장된 액화수소를 기화시켜 상기 암모니아생성부로 공급하는 증발기:를 더 포함하고, 상기 암모니아생성부에는 상기 수소탱크에서 발생하는 수소 증발가스 또는 액화수소로부터 기화된 수소 가스가 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 암모니아공급라인에 마련되어 상기 제1 열교환기를 거친 암모니아를 기액분리하는 제1 기액분리기; 상기 수소탱크에 저장된 액화수소를 공급받아 기화시키는 제2 열교환기; 및 상기 제1 기액분리기에서 분리된 기체를 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 암모니아탱크로 공급하는 가스냉각라인:을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 열교환기에서 기화된 액화수소를 공급받아 기액분리하는 제2 기액분리기:를 더 포함하고, 상기 제2 기액분리기에서 분리된 기체는 상기 암모니아생성부 또는 선내 수소수요처로 공급되고, 액체는 상기 수소탱크로 이송될 수 있다.
바람직하게는 상기 암모니아생성부는, 상기 질소 및 수소를 공급받아 압축하는 압축기; 및 상기 압축기에서 압축된 질소 및 수소를 공급받아 암모니아를 합성하는 반응기:를 포함하며, 하버-보슈법(Haber-Borsh Process)에 의해 고온 고압에서 암모니아가 생성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 암모니아탱크에 저장된 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아수요처로 공급하는 암모니아기화기:를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 암모니아수요처는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 또는 MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)을 포함하는 고온형 연료전지일 수 있다.
본 발명에서는 선박에 암모니아를 연료로 사용하는 고온형 연료전지와 같은 암모니아수요처를 마련하고, 선내에서 수소와 질소를 합성하여 암모니아를 생산하여 연료로 공급하면서, 암모니아 합성 시의 반응열을 이용해 암모니아수요처를 작동온도로 예열한다. 또한 작동온도로 예열한 후에는 암모니아 생산으로 발생하는 반응열을 배열회수장치를 통해 회수하여 전력을 생산할 수 있도록 한다.
이와 같이 선내에서 암모니아를 생산하여 연료를 공급하면서 반응열을 회수하여 전력을 생산함으로써 에너지 효율을 향상시키고 잉여 전력 생산을 통해 전력 생산에 소요되는 연료 소비를 줄일 수 있다.
또한 암모니아 생산 시 선내에 퍼징용 질소 생성을 위해 기설치된 장치를 활용함으로써 장치 활용도를 높이고, 추가 장비 설치를 위한 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배열회수시스템을 개략적으로 도시한다.
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.
이하 본 발명에서의 선박은, 후술하는 암모니아를 연료로 사용할 수 있는 연료전지 등 수요처가 선내에 마련되는 모든 종류의 선박을 가리키며, 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함하며, 연료전지 등의 수요처는 선박의 추진 또는 발전을 위해 구비된 것일 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배열회수시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예의 배열회수시스템은, 암모니아를 연료로 공급받는 암모니아수요처(AC)가 마련된 선박에서 질소와 수소로부터 선내에서 암모니아를 합성하여 공급하면서, 암모니아 합성 시 발생하는 고온의 반응열, 즉 열에너지를 회수하는 시스템이다.
본 시스템은 선내에 공급될 퍼징(purging)용 질소를 생성하는 질소발생기(NG), 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소탱크, 질소발생기에서 생성된 질소와 수소탱크로부터 수소를 공급받아 암모니아를 합성하는 암모니아생성부(100)를 포함하며, 암모니아생성부에서 합성된 암모니아를 제1 암모니아공급라인(AL1)을 통해 암모니아수요처(AC)로 공급하여, 암모니아생성부에서 암모니아 합성 시 발생하는 반응열에 의해 암모니아수요처(AC)를 작동온도로 예열하는 것을 특징으로 한다.
암모니아생성부(100)는, 질소 및 수소를 공급받아 압축하는 압축기(110)와, 압축기에서 압축된 질소 및 수소를 공급받아 암모니아를 합성하는 반응기(120)를 포함하여, 하버-보슈법(Haber-Borsh Process)에 의해 고온 고압에서 암모니아를 생성하는 장치일 수 있다.
질소발생기(NG)는 엔진 연소실이나 연료공급용 배관 등의 퍼지(purge)를 위해 질소를 생산하여 공급하기 위해 마련된 장치를 이용할 수 있으며, 질소를 생성하여 질소저장탱크(NT)에서 저장해두고 암모니아 합성 시 질소공급라인(NL)을 따라 압축기(110)로 공급할 수 있다.
수소는 수소탱크(HT)에 저장된 액화수소로부터 발생하는 수소 증발가스 또는 액화수소를 기화시켜 기체 상태로 수소공급라인(HL)을 통해 압축기(110)로 공급할 수 있다.
암모니아생성부(100)에서는 질소와 수소를 기체 상태로 공급받아 압축하고, 반응기를 거쳐 고온의 암모니아 가스를 생성한다. 하버-보슈법에 의해 암모니아 합성 시 약 400 내지 500 ℃의 암모니아 가스가 발생하므로, 본 실시예에서는 이러한 고온 암모니아 가스의 반응열을 회수할 수 있도록 구성하였다.
먼저 암모니아생성부(100)에서 생성된 고온의 암모니아 가스를 암모니아수요처로 공급하여 암모니아수요처를 작동온도까지 예열한다. 이와 같이 암모니아를 연료로 공급받는 암모니아수요처(AC)는 예를 들어, SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 또는 MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)을 포함하는 고온형 연료전지일 수 있다. 암모니아생성부에서 생성된 암모니아 가스를 제1 암모니아공급라인(AL1)을 통해 고온형 연료전지로 보내고, 암모니아 가스에 의해 연료전기가 예열되어 작동온도에 이르면 연료전지가 정상 작동을 시작하여 전력을 생산할 수 있다. 고온형 연료전지로 직접 공급된 암모니아 가스는 고온형 연료전지를 작동온도까지 예열하는 동시에, 연료전지에서의 초기 전력 생산을 위한 연료로 사용된다. 작동 온도에 이른 이후 저온형/고온형 연료전지 특성에 따라 수소 또는 암모니아 가스를 연료로 공급할 수 있다. 즉, 후술하는 수소수요처(HC)가 연료전지일 수도 있다.
선박에는 암모니아를 저장하는 암모니아탱크(AT)가 마련되고, 암모니아탱크에 저장된 암모니아로부터 발생하는 증발가스 및 암모니아를 암모니아기화기(600)에서 기화시켜 암모니아수요처로 공급할 수 있다. 암모니아수요처(AC)는 고온형 연료전지 외에도 터미널에서의 암모니아 이송 시스템도 될 수 있다.
암모니아생성부에서 생성된 암모니아를 암모니아탱크로 이송하는 제2 암모니아공급라인(AL2)이 연결되며, 제2 암모니아공급라인에는 암모니아생성부에서 생성된 암모니아 가스의 반응열을 선내 배열회수장치(300)로 전달하는 제1 열교환기(200)가 마련된다. 암모니아수요처, 고온형 연료전지의 작동온도가 충족된 후에는 암모니아생성부에서 생성된 암모니아를 제2 암모니아공급라인을 통해 제1 열교환기를 거쳐 암모니아탱크(AT)로 이송할 수 있다.
배열회수장치를 순환하는 작동유체가 제1 열교환기(200)에서 암모니아 가스로부터 반응열을 공급받아 가열된 후 배열회수장치(300)로 회수되어, 배열회수장치에서는 증기 발전, 유기랭킨사이클 등을 통해 제1 열교환기로부터 흡수한 열에너지로부터 전력을 생산할 수 있다.
한편, 시스템에는 수소탱크에 저장된 액화수소를 기화시켜 암모니아생성부로 공급하는 증발기(400)가 마련된다. 증발기에서 기화된 수소 가스는 암모니아 합성을 위해 압축기(110)로 공급될 수 있다.
제2 암모니아공급라인(AL2)에는 제1 열교환기(200)를 거친 암모니아를 기액분리하는 제1 기액분리기(250)가 마련된다. 또한, 수소탱크에 저장된 액화수소를 공급받아 기화시키는 제2 열교환기(500)가 마련되고, 제1 기액분리기(250)에서 분리된 암모니아 기체를 제2 열교환기(500)를 거쳐 암모니아탱크로 공급하는 가스냉각라인(GL)이 마련된다. 제1 기액분리기(250)에서 분리된 액체는 바로 암모니아탱크로 공급될 수 있다(LL).
본 시스템은, 제2 열교환기(500)에서 기화시킨 수소를 공급받아 기액분리하는 제2 기액분리기(550)를 더 포함하고, 제2 기액분리기에서 분리된 기체, 즉 수소 가스는 암모니아생성부(100) 또는 선내 수소수요처(HC)로 공급되고, 액체는 수소탱크(HT)로 이송되어 저장된다. 수소수요처는 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 같은 저온형 연료전지 또는 고온형 연료전지, 또는 터미널의 수소 이송 시스템 등이 포함될 수 있다.
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.
AT: 암모니아탱크
AC: 암모니아수요처
NG: 질소발생기
HT: 수소탱크
100: 암모니아생성부
200: 제1 열교환기
300: 배열회수장치
400: 증발기
500: 제2 열교환기

Claims (8)

  1. 선박에 마련되며 암모니아를 연료로 공급받는 암모니아수요처;
    선내에 공급될 퍼징(purging)용 질소를 생성하는 질소발생기;
    상기 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소탱크;
    상기 질소발생기에서 생성된 질소와 상기 수소탱크로부터 수소를 공급받아 암모니아를 합성하는 암모니아생성부; 및
    상기 암모니아생성부에서 합성된 암모니아를 상기 암모니아수요처로 공급하는 제1 암모니아공급라인:를 포함하고,
    상기 암모니아생성부에서 암모니아 합성 시 발생하는 반응열에 의해 상기 암모니아수요처를 작동온도로 예열하는 것을 특징으로 하는 선박의 배열회수시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 선박에 마련되며 암모니아를 저장하는 암모니아탱크;
    상기 암모니아생성부에서 생성된 암모니아를 상기 암모니아탱크로 이송하는 제2 암모니아공급라인; 및
    상기 제2 암모니아공급라인에 마련되며 상기 반응열을 선내 배열회수장치로 전달하는 제1 열교환기:를 더 포함하고,
    상기 암모니아수요처의 작동온도가 충족된 후에는 상기 암모니아생성부에서 생성된 암모니아는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 암모니아탱크로 이송되는 것을 특징으로 하는 선박의 배열회수시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수소탱크에 저장된 액화수소를 기화시켜 상기 암모니아생성부로 공급하는 증발기:를 더 포함하고,
    상기 암모니아생성부에는 상기 수소탱크에서 발생하는 수소 증발가스 또는 액화수소로부터 기화된 수소 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 배열회수시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 암모니아공급라인에 마련되어 상기 제1 열교환기를 거친 암모니아를 기액분리하는 제1 기액분리기;
    상기 수소탱크에 저장된 액화수소를 공급받아 기화시키는 제2 열교환기; 및
    상기 제1 기액분리기에서 분리된 기체를 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 암모니아탱크로 공급하는 가스냉각라인:을 더 포함하는 선박의 배열회수시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 열교환기에서 기화된 액화수소를 공급받아 기액분리하는 제2 기액분리기:를 더 포함하고,
    상기 제2 기액분리기에서 분리된 기체는 상기 암모니아생성부 또는 선내 수소수요처로 공급되고, 액체는 상기 수소탱크로 이송되는 것을 특징으로 하는 선박의 배열회수시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 암모니아생성부는
    상기 질소 및 수소를 공급받아 압축하는 압축기; 및
    상기 압축기에서 압축된 질소 및 수소를 공급받아 암모니아를 합성하는 반응기:를 포함하며,
    하버-보슈법(Haber-Borsh Process)에 의해 고온 고압에서 암모니아가 생성되는 것을 특징으로 하는 선박의 배열회수시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 암모니아탱크에 저장된 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아수요처로 공급하는 암모니아기화기:를 더 포함하는 선박의 배열회수시스템.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암모니아수요처는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 또는 MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)을 포함하는 고온형 연료전지인 것을 특징으로 하는 선박의 배열회수시스템.
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