KR20230106305A - 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템 - Google Patents

바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템 Download PDF

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KR20230106305A
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양우경
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Abstract

본 발명에 따른 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템은 바이오가스를 생성하는 공급부; 상기 공급부 하류에 배치되어 상기 바이오 가스를 연소하여 열을 공급하는 열생성부; 및 상기 공급부 하류에 배치되고, 상기 열생성부로부터 전달된 열로 공급부로부터 유입된 바이오가스를 개질하여 수소를 생산하는 개질부;를 포함한다.

Description

바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템{HEATING AND HYDROGEN GENERATION HYBRID SYSTEM USING BIOGAS}
본 발명은 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 축산 분뇨로부터 생성되는 바이오가스를 이용하여 난방이 가능하고 동시에 전력 생산용 수소 생산이 가능한 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
대한민국에서 2018년 기준 전국적으로 하루에 약 18만톤의 가축분뇨가 발생하고 있으며, 이중 70% 이상의 퇴비화를 통하여 재활용되고, 나머지는 정화 처리되어 폐기되고 있다. 하지만 정화 후에도 토지 부영양화 가능성이 있으며, 점차 농기 감소에 따른 퇴비 살포지 감소로 활용처가 감소되고 있고, 해양투기 금지 등으로 인해 처리상의 많은 어려움을 겪고 있다.
이에 따라 축산분뇨를 에너지로 활용하기 위한 다양한 방법을 개발 중인데 주로 혐기성 소화조를 이용한 바이오가스를 생성한다. 이렇게 생성된 바이오가스는 대부분 메탄(CH4, 약 66%) 그 외 이산화탄소(CO2) 등으로 구성되어 있고, 이는 연소 열원으로 활용되거나 분리막을 통해 정제 후 고순도화 하여 이용하나, 바이오가스 정제를 위한 추가적인 열원이 필요하고, 에너지 자원이 소비되는 만큼의 에너지 효율을 수득하기 어려워서 에너지 효율 측면에서 손실이 크다. 또한, 종래 혐기성 소화조에서 배출되는 바이오가스는 발생처에서 사용되지 못하고 정제 후 난방 등 에너지 사용이 필요한 수요자에게 다시 공급하기 위한 운송비용이 추가로 발생하여 더욱 효과적이지 못하다.
한편 수소는 최근 수소 경제 활성화에 따라 사용이 증가되고 있으나, 주로 화석연료를 기반으로 천연가스를 개질하여 생산되고 있으므로, 완전한 친환경 에너지원은 아니며 보다 환경 친화적인 방법으로 수소를 생산할 수 있는 방법의 개발이 시급하다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-2026419호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 축산분뇨의 활용성을 증가시키기 위한 것으로 축산분뇨가 발생되는 곳에서 그대로 난방에 활용할 수 있는 에너지원으로 활용될 수 있는 온 사이트 난방 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 축산분뇨에서 생성되는 바이오가스인 메탄 및 이산화탄소를 이용한 이산화탄소 개질 반응을 이용하여 수소를 전력생산용 수소 로 활용할 수 있는 수소 생산 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
1. 본 발명의 하나의 관점은 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
상기 하이브리드 시스템은 바이오가스를 생성하는 공급부;
상기 공급부 하류에 배치되어 상기 바이오 가스를 연소하여 열을 공급하는 열생성부; 및
상기 공급부 하류에 배치되고, 상기 열생성부로부터 전달된 열로 공급부로부터 유입된 바이오가스를 개질하여 수소를 생산하는 개질부;를 포함한다.
2. 본 발명의 다른 관점은 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
상기 하이브리드 시스템은 일측으로 축분 슬러지를 도입하여 혐기성으로 소화시켜 바이오가스를 생성하는 소화조;
상기 소화조 하류에 배치되어 상기 바이오가스를 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 이산화탄소분리막;
상기 이산화탄소분리막으로부터 분리된 상기 메탄을 공급받아 연소되어 열을 발생시키는 보일러;
상기 보일러 하류에 구비되며, 상기 보일러에서 전달되는 열과 상기 이산화탄소분리막에서 분리된 메탄과 이산화탄소를 공급받아 합성가스를 생성하는 개질반응기;
상기 개질반응기 하류에 배치되고, 상기 보일러에서 전달되는 열과 상기 개질반응기에서 발생되는 합성가스를 전달받아 수소를 분리시키는 수소분리막;
상기 수소분리막 하류에 배치되고, 상기 수소분리막에서 분리된 일산화탄소를 전달받고, 일측으로 물이 공급되어 상기 일산화탄소를 수성가스로 전환시키는 수성가스생성기; 및
상기 보일러 일측에 배치되어 상기 보일러에서 발생되는 열을 전달받아 내부 공기를 가열하는 난방기;를 포함한다.
3. 상기 2 구체예에서, 상기 소화조 일측에 배치되며, 소화조에서 발생되는 열을 회수하여 소화조에 공급하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
4. 상기 2 또는 3 구체예에서, 상기 이산화탄소분리막 전방에 구비되며, 상기 바이오가스를 10 내지 20bar의 압력으로 가압하여 이산화탄소분리막에 전달하는 펌프를 더 포함할 수 있다.
5. 상기 2 내지 4 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 이산화탄소분리막은 고분자 분리막일 수 있다.
6. 상기 2 내지 5 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 보일러는 상기 이산화탄소분리막에서 분리된 메탄을 연소하여 700℃ 이상의 열을 발생시킬 수 있다.
7. 상기 2 내지 6 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 개질반응기는 건식 개질 반응기일 수 있다.
8. 상기 2 내지 7 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 개질반응기는 상기 보일러에서 발생되는 열을 전달받아 메탄과 이산화탄소를 개질하여 합성가스를 생성할 수 있다.
9. 상기 7 구체예에서, 상기 수소분리막은 생성된 수소를 하이브리드 시스템 외부로 공급할 수 있다.
10. 상기 2 내지 9 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 수성가스생성기는 상기 수성가스를 상기 이산화탄소분리막으로 전달할 수 있다.
11. 상기 2 내지 10 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 보일러에서 발생되는 열을 저장하는 축열조를 더 포함할 수 있다.
12. 상기 2 내지 11 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 난방기는 식생용 온실에 열을 공급할 수 있다.
13. 상기 12 구체예에서, 상기 이산화탄소분리막에서 발생되는 이산화탄소 중 일부가 상기 온실에 공급될 수 있다.
14. 본 발명의 다른 관점은 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템을 이용한 난방 및 수소 생산방법에 관한 것이다.
상기 난방 및 수소 생산방법은 (a) 축분 슬러지를 소화조에 포집하고 혐기성 소화반응으로 바이오가스를 생성하는 단계;
(b) 상기 바이오가스를 이산화탄소분리막으로 전달하여 메탄과 이산화탄소를 분리하는 단계;
(c) 상기 메탄을 보일러에 공급하여 열에너지를 발생시켜 외부로 공급하는 단계;
(d) 상기 이산화탄소를 개질하여 합성가스를 생성하는 단계;
(e) 상기 합성가스를 수소분리막에 도입하여 일산화탄소와 수소를 분리하고 상기 수소를 외부로 공급하는 단계; 및
(f) 상기 일산화탄소에 물을 공급하여 수성가스를 생성하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 축산분뇨를 활용하여 농가 등에서 활용이 가능한 열에너지원을 공급하고 이산화탄소를 순환시켜 수소를 생산하여 공급할 수 있는 환경 친화적인 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템의 공정도이다.
도 3은 본 발명의 다른 관점에 따른 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템을 이용한 난방 및 수소 생산 방법의 공정흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 구체예에 따른 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템을 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템의 공정도이고, 도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템의 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 구체예에 따른 하이브리드 시스템(1)은 공급부(10), 열생성부(20) 및 개질부(30)를 포함한다.
상기 공급부(10)는 바이오가스(11)를 생성할 수 있다.
상기 바이오가스(11)는 메탄(CH4)과 이산화탄소를 주로 포함하며, 황화수소, 실록산, 암모니아 및 미량의 유기화합물을 포함하고, 유기물의 발효과정에서 박테리아에 의한 혐기성 소화의 의해 생성된 것이다.
상기 공급부(10)는 농업부산물을 포함한, 식물, 오물, 음식물 폐기물 발생 장소 인근에 배치되어 바이오가스(11)를 생성하는 것이 바람직하다.
상기 열생성부(20)는 상기 공급부(10) 하류에 배치되어 상기 바이오가스(11) 중 메탄(CH4)을 에너지원으로 열을 발생시키고 열을 필요로 하는 곳으로 공급(21)할 수 있다.
상기 개질부(30)는 상기 공급부(10) 하류에 배치되어 상기 메탄을 개질하여 수소(31)를 생성하고 외부로 공급할 수 있다.
구체적으로 상기 개질부(30)는 메탄과 이산화탄소를 포함하는 혼합기체를 공급받아 촉매 개질 반응시켜 수소를 생성함과 동시에 수소분리막을 이용하여 기체 상태의 수소를 분리시켜 하이브리드 시스템(1) 외부로 공급(31)할 수 있다.
상기 하이브리드 시스템(1)은 바이오가스를 시작물질로 하여 열생성열부(20)와 개질부(30)를 통하여 열을 공급함과 동시에 수소를 외부로 공급할 수 있기 때문에 바이오가스의 활용범위를 매우 확장시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 구체예에 따른 따른 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템(1000)은 소화조(100), 이산화탄소분리막(200), 보일러(300), 개질반응기(400), 수소분리막(500), 수성가스생성기(600), 및 난방기(700)를 포함한다.
상기 소화조(100)는 일측으로 축분 슬러지를 도입하여 혐기성으로 소화시켜 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성한다.
상기 축분 슬러지는 미리 포집되어 수집조(40)에서 상기 소화조(100)로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 축분 슬러지는 함수율이 30% 내지 50%로 조절된 것일 수 있으며, 상기 함수율을 내에서 축분 슬러지의 유동이 용이하고, 소화조(100)에서 혐기성 소화에 의한 바이오가스 생성량을 증가시킬 수 있다.
상기 소화조(100)는 축분 슬러지의 혐기성 소화를 위해 밀폐될 수 있으며, 내부에는 소화를 가속하기 위하여 교반기가 구비될 수 있다.
상기 소화조(100)는 단열되고, 외부에 열교환 히터가 구비되어, 소화과정 동안 일정 온도 이상으로 유지될 수 있으며, 예를 들면 30 내지 40℃유지할 수 있으며, 활성을 증가시켜 바이오가스의 생산량을 증가시키기 위해 50 내지 60℃온도로 유지될 수 있다.
구체적으로 상기 소화조(100)는 상기 수성가스생성기(600)에서 발생되는 열(620)을 전달받아 소화조(100) 내의 온도를 상기 범위 내로 증가시킬 수 있다.
상기 소화조(100) 일측에는 열교환기(110)가 더 배치될 수 있다.
상기 열교환기(110)는 상기 소화조(100)에서 혐기성 소화에 따라 생성되는 소화액(S)을 전달받아 이를 열교환으로 열을 회수하여 상기 소화조(100)에 공급하여 상기 소화조(100)의 온도를 유지하는 데 사용될 수 있다.
상기 소화액(S)은 건조되어 축분을 형성할 수 있으며, 상기 축분은 퇴비로 사용하는 것도 가능하다.
상기 이산화탄소분리막(200)은 상기 소화조(100) 하류에 배치되어 상기 메탄과 이산화탄소를 분리시킬 수 있다.
상기 이산화탄소분리막(200)은 압력에 따라 이산화탄소 선택도가 증가될 수 있다.
상기 이산화탄소분리막(200)은 고분자, 그래핀, 이온성 액체 및 혼합 기질막 등으로 구비될 수 있으나, 고분자 분리막으로 구비되는 경우 가공성이 좋으며, 대량 생산이 용이하여 하이브리드 시스템 제조비용을 감소시킬 수 있어서 바람직하다.
상기 이산화탄소분리막(200)이 고분자 분리막으로 구비되어 압력에 따라 이산화탄소 선택도가 증가되는 경우 압력의 조절만으로 바이오가스에서 메탄을 분리하여 공급할 수 있다.
상기 이산화탄소분리막(200) 전방에는 바이오가스를 가압하는 펌프(120)가 구비될 수 있다.
상기 펌프(120)가 이산화탄소분리막(200) 전방에 구비되며, 상기 바이오가스를 10 내지 20bar의 압력으로 가압하는 경우 이산화탄소분리막(200)에서 이산화탄소의 선택도가 증가하여 메탄과 이산화탄소를 효과적으로 분리할 수 있다.
상기 이산화탄소분리막(200)에서 선택적으로 회수된 이산화탄소는 일부(220)가 상기 개질반응기(400)에 전달될 수 있고, 일부(221)는 분기되어 이산화탄소 시비로 사용될 수 있다.
상기 보일러(300)는 상기 이산화탄소분리막(200) 일측에 구비되며 상기 메탄을 공급받아 연소되어 열을 발생시킬 수 있다.
상기 보일러(300)는 상기 바이오가스로부터 분리된 메탄을 열에너지원으로 사용하여 열을 발생시켜 상기 난방기(700)에 전달할 수 있다.
상기 보일러(300)는 상기 이산화탄소분리막(200)에서 분리된 메탄을 연소하여 700℃ 이상의 열을 발생시킬 수 있다.
상기 보일러(300)는 상기 온도범위까지 가열되는 것이 바람직하며, 700℃ 이상의 열을 발생시켜 상기 개질반응기(400)에 전달할 수 있다.
상기 개질반응기(400)는 상기 보일러(300) 하류에 구비되며, 상기 보일러(300)에서 전달되는 열(320)과 상기 이산화탄소분리막(200)에서 분리된 메탄과 이산화탄소를 공급받아 합성가스(Synthesis gas; 410)를 생성할 수 있다.
구체적으로 상기 개질반응기(400)는 하기 화학식 1에 따라 합성가스를 생성할 수 있다.
[화학식 1]
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2
상기 화학식 1에 따른 개질반응은 흡열반응으로 700℃ 이상의 온도가 필요하기 때문에 상기 보일러(300)의 발열량을 증가시켜 700℃ 이상의 열을 전달하여 상기 개질반응을 유도할 수 있다.
상기 개질반응기(400)는 상기 보일러(300) 주위에 배치되는 것이 바람직하며, 상기 보일러(300) 일면에 부착되도록 형성하는 것도 가능하다.
한 구체예에서 상기 개질반응기(400)는 건식 개질(Dry reforming) 반응기일 수 있다.
상기 개질반응기(400)가 건식 개질 반응기인 경우 니켈 또는 이들의 합금을 포함하는 금속촉매를 사용하여 효과적으로 합성가스를 생성할 수 있으며, 개질 반응 효율을 50% 내지 70% 범위로 유지하기가 용이하다.
상기 개질반응기(400)는 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 생성할 수 있다.
상기 개질반응기(400) 일측으로 합성가스 흐름(410)을 형성한다.
상기 수소분리막(500)은 상기 개질반응기(400) 하류에 배치되고, 상기 보일러(300)에서 전달되는 열과 상기 개질반응기(400)에서 발생되는 합성가스를 전달받아 수소(510)를 분리시킬 수 있다.
상기 수소분리막(500)은 수소 선택투과성인 것이면 제한되지 않으나 페로브스카이트 구조를 가지는 세라믹계 분리막인 것이 바람직하다.
상기 수소분리막(500)이 세라믹계 분리막인 경우에는 700℃ 이상에서 합성가스 중에서 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 분리할 수 있기 때문에 상기 개질반응기(400) 후단과 연결되도록 배치하여 상기 보일러(300)에서 발생되는 열을 함께 이용하는 것이 매우 바람직하다.
상기 수소분리막(500)이 수소를 분리하여 상기 수소는 하이브리드 시스템 외부로 공급(511)될 수 있으며, 구체적으로 수소 생산 그리드에 연결되어 전력 생산용 수소로 사용될 수 있다.
상기 수성가스생성기(600)는 상기 수소분리막(500) 하류에 배치되고, 상기 수소분리막(500)에서 분리된 일산화탄소(512)를 전달받고, 일측으로 워터펌프(900)을 통하여 물이 공급(920)되어 상기 일산화탄소를 수성가스(water gas)로 전환시킬 수 있다.
상기 수성가스생성기(600)는 하기 화학식 2에 따라 수성가스로 전환될 수 있다.
[화학식 2]
CO + H2O ↔ CO2 +H2
상기 수성가스는 이산화탄소와 수소를 포함하고 있다.
한 구체예에서, 상기 수성가스생성기(600)는 상기 수성가스(610)를 상기 이산화탄소분리막(200)으로 전달할 수 있다.
상기 수성가스(610)가 상기 이산화탄소분리막(200)으로 전달되는 경우 상기 바이오가스 중의 이산화탄소 분압을 증가시켜, 이산화탄소 분리 효율을 증가시킬 수 있으며, 수소 생산량 또한 증가시킬 수 있다.
상기 수성가스(610)가 상기 이산화탄소분리막(200)으로 전달되는 과정으로 이산화탄소가 순환되어 하이브리드 시스템(1000) 외부로 배출되지 않아서 탄소 배출량을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 매우 환경 친화적이다.
상기 수성가스생성기(600)는 화학식 2에 따라 수성가스를 생성할 수 있으며, 상기 화학식 2에 따른 수성가스 생성 반응은 발열반응으로 상기 열을 회수하 여 상기 소화조(100)에 공급하는 것도 가능하다.
상기 난방기(700)는 상기 보일러(300) 일측에 배치되어 상기 보일러(300)에서 발생되는 열을 전달받아 내부 공기를 가열할 수 있다.
상기 난방기(700)가 구비되어 발열이 가능하므로 상기 난방기(700)는 다양한 설비의 난방용으로 활용이 가능하다.
한 구체예에서, 상기 난방기(700)는 식생용 온실(800)에 열을 공급할 수 있다.
상기 난방기(700)가 식생용 온실(800)에 배치되어 열을 공급하는 경우 식물 생장에 필요한 온도를 유지할 수 있다.
구체적으로 상기 난방기(700)는 라디에이터(radiator)일 수 있으며, 상기 라디에이터는 상기 보일러(300)에서 전달되는 열을 효과적으로 확산시킬 수 있다.
한편 상기 난방기(700) 일측에는 열교환기(미도시)가 추가되어 상기 난방기(700)에 공급되는 열을 80℃로 조절할 수 있으며, 상기 난방기(700)를 순환하여 회수되는 열을 다시 소화조(100)로 전달하는 것도 가능하다.
한 구체예에서, 상기 이산화탄소분리막(200)에서 발생되는 이산화탄소 중 일부가 상기 온실(800)에 공급될 수 있다.
상기 이산화탄소분리막(200)에서 발생되는 이산화탄소 중 일부는 상기 식생용 온실(800)에 공급되어 이산화탄소 시비로 사용될 수 있으며, 이 경우 작물의 생장을 매우 촉진시킬 수 있어 바람직하다.
한 구체예에서, 상기 보일러(300)에서 발생되는 열을 저장하는 축열조(710)를 더 포함할 수 있다.
상기 축열조(710)가 구비되어 상기 난방기(700)에서 사용되지 않은 열에너지를 축적하여 사용하는 것도 가능하다.
예를 들면, 상기 온실(800)에서 낮시간에는 상기 축열조(710)로 상기 보일러(300)에서 전달되는 열매체를 저장한 이후에 밤시간동안 상기 축열조(710)에서 상기 난방기(700)로 열매체를 전달하여 온실(800)의 온도를 주야간 동안 일정하게 유지하여 난방 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템을 이용한 난방 및 수소 생산 방법에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 관점에 따른 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템을 이용한 난방 및 수소 생산 방법의 공정흐름도이다.
도 3을 참조하면, 상기 난방 및 수소 생산 방법은 (a) 축분 슬러지를 소화조에 포집하고 혐기성 소화반응으로 바이오가스를 생성하는 단계;
(b) 상기 바이오가스를 이산화탄소분리막으로 전달하여 메탄과 이산화탄소를 분리하는 단계;
(c) 상기 메탄을 보일러에 공급하여 열에너지를 발생시켜 외부로 공급하는 단계;
(d) 상기 이산화탄소를 개질하여 합성가스를 생성하는 단계;
(e) 상기 합성가스를 수소분리막에 도입하여 일산화탄소와 수소를 분리하고 상기 수소를 외부로 공급하는 단계; 및
(f) 상기 수소에 물을 공급하여 수성가스를 생성하는 단계;를 포함한다.
우선 축분 슬러지를 소화조에 포집하고 혐기성 소화반응으로 바이오가스를 생성한다(S100).
상기 바이오가스는 메탄과 이산화탄소를 포함할 수 있으며, 상기 메탄은 난방용 열에너지원 및 이산화탄소의 재순환에 따른 수소 생성용 열에너지원으로 사용될 수 있다.
상기 바이오가스를 이산화탄소분리막으로 전달하여 메탄과 이산화탄소를 분리한다(S200).
상기 바이오가스에서 메탄과 이산화탄소를 분리하여 각각 열에너지원과 수소 생성용 이산화탄소를 생성할 수 있다.
상기 메탄을 보일러에 공급하여 열에너지를 발생시켜 외부로 공급할 수 있다(S300).
상기 보일러는 메탄을 열에너지원으로 사용하여 700℃ 이상의 고열을 발생시킬 수 있으며, 일부 열을 외부로 공급하여 식생용 온실의 난방용으로 사용되거나 다양한 구조물의 난방용 열에너지로 사용할 수 있다.
상기 이산화탄소를 개질하여 합성가스를 생성한다(S400).
상기 이산화탄소를 개질하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 생성한다.
상기 합성가스를 수소분리막에 도입하여 일산화탄소와 수소를 분리하고 상기 수소를 외부로 공급한다(S500).
상기 합성가스에서 수소를 분리하여 외부로 공급할 수 있기 때문에 축분 슬러지를 활용하여 청정 에너지인 수소를 생산할 수 있으며, 상기 수소를 외부 수소 공급 그리드에 연결시켜 수소의 활용 방안을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
상기 일산화탄소에 물을 공급하여 수성가스를 생성한다(S600).
상기 일산화탄소에 물을 공급하여 수성가스를 생성하고 상기 수성가스를 다시 이산화탄소분리막으로 전달하여 S200을 수행할 수 있으며, 이산화탄소를 외부로 배출하지 않고, 시스템 내부에서 연속 순환시킬 수 있다.
상기 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템을 이용한 난방 및 수소 생산 방법은 축분 슬러지를 사용하여 열에너지를 생성하여 난방용으로 사용할 수 있으며, 이산화탄소를 순환시켜 수소를 생성하고 이를 외부로 공급하여 전력 공급등에 사용할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 따른 바이오가스를 이용한 난방 및 수소 생산용 하이브리드 시스템 축산 농가에서 다량으로 발생되는 축산 분뇨를 이용하여 열에너지원으로 사용함과 동시에 전력 생산 활용되는 있는 수소를 동시에 생산할 수 있다. 축산 분뇨를 효과적으로 처리할 수 있으며, 처리 과정에서 시스템에서 발생되는 이산화탄소의 배출을 최대한 억제할 수 있기 때문에 탄소중립이 가능하고 매우 환경친화적이다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1, 1000 : 하이브리드 시스템
10 : 공급부 11, 12 : 바이오가스
20 : 열생성부 21 : 열에너지 흐름
30 : 개질부 31 : 수소 흐름(g)
40 : 수집조 100 : 소화조
110 : 열교환기 120 : 펌프
200 : 이산화탄소분리막 210, 211 : 메탄(g) 흐름
220 : 이산화탄소(g) 흐름 300 : 보일러
310, 320 : 열매체 흐름 400 : 개질반응기
410 : 합성가스 흐름 500 : 수소분리막
510, 511 : 수소 흐름 512 : 일산화탄소 흐름
600 : 수성가스생성기 700 : 난방기
710 : 축열조 800 : 온실
900 : 워터펌프 910, 920 : 물 흐름

Claims (14)

  1. 바이오가스를 생성하는 공급부;
    상기 공급부 하류에 배치되어 상기 바이오 가스를 연소하여 열을 공급하는 열생성부; 및
    상기 공급부 하류에 배치되고, 상기 열생성부로부터 전달된 열로 공급부로부터 유입된 바이오가스를 개질하여 수소를 생산하는 개질부;를 포함하는 하이브리드 시스템.
  2. 일측으로 축분 슬러지를 도입하여 혐기성으로 소화시켜 바이오가스를 생성하는 소화조;
    상기 소화조 하류에 배치되어 상기 바이오가스를 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 이산화탄소분리막;
    상기 이산화탄소분리막으로부터 분리된 상기 메탄을 공급받아 연소되어 열을 발생시키는 보일러;
    상기 보일러 하류에 구비되며, 상기 보일러에서 전달되는 열과 상기 이산화탄소분리막에서 분리된 메탄과 이산화탄소를 공급받아 합성가스를 생성하는 개질반응기;
    상기 개질반응기 하류에 배치되고, 상기 보일러에서 전달되는 열과 상기 개질반응기에서 발생되는 합성가스를 전달받아 수소를 분리시키는 수소분리막;
    상기 수소분리막 하류에 배치되고, 상기 수소분리막에서 분리된 일산화탄소를 전달받고, 일측으로 물이 공급되어 상기 일산화탄소를 수성가스로 전환시키는 수성가스생성기; 및
    상기 보일러 일측에 배치되어 상기 보일러에서 발생되는 열을 전달받아 내부 공기를 가열하는 난방기;를 포함하는, 하이브리드 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 소화조 일측에 배치되며, 소화조에서 발생되는 열을 회수하여 소화조에 공급하는 열교환기를 더 포함하는, 하이브리드 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 이산화탄소분리막 전방에 구비되며, 상기 바이오가스를 10 내지 20bar의 압력으로 가압하여 이산화탄소분리막에 전달하는 펌프를 더 포함하는, 하이브리드 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 이산화탄소분리막은 고분자 분리막인, 하이브리드 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 보일러는 상기 이산화탄소분리막에서 분리된 메탄을 연소하여 700℃ 이상의 열을 발생시키는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 개질반응기는 건식 개질 반응기인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 개질반응기는 상기 보일러에서 발생되는 열을 전달받아 메탄과 이산화탄소를 개질하여 합성가스를 생성하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 수소분리막은 생성된 수소를 하이브리드 시스템 외부로 공급하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 시스템.
  10. 제2항에 있어서, 상기 수성가스생성기는 상기 수성가스를 상기 이산화탄소분리막으로 전달하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 시스템.
  11. 제2항에 있어서, 상기 보일러에서 발생되는 열을 저장하는 축열조를 더 포함하는 것인, 하이브리드 시스템.
  12. 제2항에 있어서, 상기 난방기는 식생용 온실에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 이산화탄소분리막에서 발생되는 이산화탄소 중 일부가 상기 온실에 공급되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 시스템.
  14. (a) 축분 슬러지를 소화조에 포집하고 혐기성 소화반응으로 바이오가스를 생성하는 단계;
    (b) 상기 바이오가스를 이산화탄소분리막으로 전달하여 메탄과 이산화탄소를 분리하는 단계;
    (c) 상기 메탄을 보일러에 공급하여 열에너지를 발생시켜 외부로 공급하는 단계;
    (d) 상기 이산화탄소를 개질하여 합성가스를 생성하는 단계;
    (e) 상기 합성가스를 수소분리막에 도입하여 일산화탄소와 수소를 분리하고 상기 수소를 외부로 공급하는 단계; 및
    (f) 상기 일산화탄소에 물을 공급하여 수성가스를 생성하는 단계;를 포함하는 하이브리드 시스템을 이용한 난방 및 수소 생성방법.
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