KR20230136856A - 액화수소 운반선 - Google Patents

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KR20230136856A
KR20230136856A KR1020220069031A KR20220069031A KR20230136856A KR 20230136856 A KR20230136856 A KR 20230136856A KR 1020220069031 A KR1020220069031 A KR 1020220069031A KR 20220069031 A KR20220069031 A KR 20220069031A KR 20230136856 A KR20230136856 A KR 20230136856A
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KR
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ammonia
gas
boil
fuel
propulsion engine
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KR1020220069031A
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김필근
황순규
변영진
서다혜
김유진
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한화오션 주식회사
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Abstract

액화수소 운반선이 개시된다. 본 발명의 액화수소 운반선은, 선박의 화물로 운송될 액화수소를 저장하는 수소저장탱크; 상기 선박의 추진용 프로펠러를 구동시키기 위한 추진력을 발생시키는 추진용 엔진; 상기 추진용 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아 연료탱크;및 상기 추진용 엔진에서 발생하는 배기가스를 공급받아 탈질하는 SCR부:를 포함하며, 상기 암모니아 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스는 상기 SCR부에 배기가스 탈질을 위한 환원제로 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

액화수소 운반선{LH2 Carrier}
본 발명은 액화수소 운반선에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화수소를 저장하여 운반하면서 친환경 연료를 사용하여 추진하는 액화수소 운반선에 관한 것이다.
기존 경제체제는 탄소를 기반으로 하며, 에너지원으로서 화석연료에 대한 의존도가 높지만, 화석연료는 매장량이 한정되어 있어 가까운 미래에 고갈이 예상되고, 연소 시 발생하는 이산화탄소(CO2)는 대표적인 온실가스로 지구 온난화 및 기후 변화의 주범으로 지목되며 국제적인 배출 규제 대상이 되고 있다.
특히 최근에는 지구 온난화 및 기후변화 문제 심각성에 대한 국제적인 공감대가 형성되어 전세계적으로 온실가스 배출을 감축하려는 노력이 이루어지고 있다. 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 화석연료를 대체할 수 있는 무공해에너지로서 풍력, 태양광, 태양열, 바이오에너지, 조력, 지열 등과 같은 재생가능에너지(또는 재생에너지)와 수소 등 신에너지에 대한 관심이 높아지고 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.
그 중 수소 에너지는 환경 친화적이며 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용 가능하며, 수소를 연료로 사용하는 연료전지의 가격도 매년 낮아지고 있어, 미래의 이상적인 에너지원으로 주목받으면서 수소 에너지 시대가 앞당겨지고 있고 수소 수요도 매년 증가하고 있다.
한편, 온실가스 및 대기오염 물질 배출에 대한 각국의 관심 증가와 그에 따른 국제적인 환경규제 기준의 급격한 강화에 따라 선박에서도 친환경 선박 연료 기술 개발과 친환경 에너지의 운송 기술 등에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
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 연료, 나아가 완전한 탈탄소화를 위한 선박 연료에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있고, 특히 암모니아, 수소 등을 연료로 사용할 수 있는 선박에 관한 기술이 활발히 연구·개발되고 있다.
수소는 무독, 무색, 무취의 가스로 우주에서 가장 많은 원소이지만, 지구에서는 수소 단독으로 존재하는 경우가 거의 없고, 물, 천연가스 등의 화합물 형태로 존재하기 때문에 이러한 물질로부터 분리해내야 한다. 수소 에너지를 널리 효율적으로 이용하기 위해서는 먼저 경제적이고 간편한 수소 생산기술과 이를 운반하기 위한 운송기술이 필요하다.
본 발명은 미래의 에너지원으로 주목받고 있는 수소를 액화하여 선박을 통해 효율적으로 운반할 수 있는 액화수소 운반선 관련 기술을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 화물로 운송될 액화수소를 저장하는 수소저장탱크;
상기 선박의 추진용 프로펠러를 구동시키기 위한 추진력을 발생시키는 추진용 엔진;
상기 추진용 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아 연료탱크;및
상기 추진용 엔진에서 발생하는 배기가스를 공급받아 탈질하는 SCR부:를 포함하며,
상기 암모니아 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스는 상기 SCR부에 배기가스 탈질을 위한 환원제로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 액화수소 운반선이 제공된다.
바람직하게는, 상기 암모니아 연료탱크의 액체 암모니아를 상기 추진용 엔진으로 공급하는 연료공급부; 및 상기 암모니아 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스를 공급받아 상기 SCR부의 환원제로 공급하거나 액화하여 처리하는 BOG 처리부:를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 연료공급부는, 상기 암모니아 연료탱크로부터 상기 추진용 엔진으로 연결되는 암모니아공급라인; 상기 암모니아 연료탱크의 암모니아를 상기 암모니아공급라인을 따라 상기 추진용 엔진으로 이송하는 연료공급펌프; 상기 암모니아공급라인에 마련되며 상기 연료공급펌프에서 이송된 암모니아를 상기 추진용 엔진의 연료공급온도에 따라 온도를 조절하는 온도조절기; 상기 암모니아공급라인에 마련되며 상기 추진용 엔진의 연료공급압력에 따라 암모니아를 가압하는 압축펌프; 상기 추진용 엔진으로 공급된 암모니아 중 엔진에서 소비되지 않은 연료를 회수하는 암모니아회수라인; 및 상기 암모니아회수라인으로 회수되는 연료를 공급받아 기액 분리하여 액체 상태의 암모니아는 상기 암모니아공급라인으로 공급하는 기액분리기:를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 BOG 처리부는, 상기 암모니아 연료탱크로부터 암모니아 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스압축기; 및 상기 증발가스압축기에서 압축된 암모니아 증발가스를 냉각하는 열교환기:를 포함하며, 상기 암모니아 연료탱크로부터 상기 증발가스압축기로 도입될 미압축 암모니아 증발가스는 상기 열교환기를 거쳐 열교환 후 상기 증발가스압축기로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 암모니아를 상기 증발가스압축기의 전단으로 공급하는 가스라인; 및 상기 증발가스압축기에서 압축된 증발가스를 상기 열교환기를 거쳐 상기 기액분리기로 공급하는 재액화라인:을 더 포함 수 있다.
바람직하게는, 상기 증발가스압축기의 후단에서 상기 SCR부로 연결되는 환원제공급라인:을 더 포함하며, 상기 증발가스압축기에서 압축된 암모니아 증발가스 중 일부는 상기 환원제공급라인을 따라 상기 SCR부로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 선박에서 연료로 공급될 오일을 저장하는 오일탱크:를 더 포함하며, 상기 추진용 엔진은 선박용 오일 및 암모니아를 연료로 공급받는 이중연료 엔진일 수 있다.
미래의 에너지원으로 주목받고 있는 수소를 액화하여 선박을 통해 효율적으로 운반할 수 있는 액화수소 운반선을 제공할 수 있다.
특히 온실가스 배출이 없는 친환경 연료인 암모니아를 추진용 엔진의 연료로 사용함으로써 선박 운항으로 인한 온실가스 배출량을 감축하여 친환경 선박을 구현하면서, 암모니아를 추진용 엔진 연료로 사용 시 배기 중의 질소산화물을 효과적으로 제거하여 국제협약이 정하는 규제기준을 충족할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운반선을 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.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운반선에서의 추진 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 시스템은, 선박의 화물로 운송될 액화수소를 저장하는 수소저장탱크(미도시), 선박의 추진용 프로펠러(PP)를 구동시키기 위한 추진력을 발생시키는 추진용 엔진(E), 추진용 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아 연료탱크(FT), 추진용 엔진에서 발생하는 배기가스를 공급받아 탈질하는 SCR(Selective Catalytic Reduction)부(300)를 포함한다.
암모니아 연료탱크(FT)에 암모니아는 액체 상태로, 예를 들어 약 -34℃ 내외의 액체 암모니아로 저장될 수 있는데, 저장 중인 액체 암모니아로부터는 증발가스가 발생한다. 본 실시예 시스템에서는 이러한 암모니아 증발가스를 SCR부에 배기가스 탈질을 위한 환원제로 공급할 수 있도록 한다.
먼저, 추진용 엔진으로의 연료 공급 과정을 살펴보면, 본 시스템에는 암모니아 연료탱크의 액체 암모니아를 추진용 엔진으로 공급하는 연료공급부(100)가 마련된다.
연료공급부(100)는, 암모니아 연료탱크로부터 추진용 엔진으로 연결되는 암모니아공급라인(FSL), 암모니아 연료탱크의 암모니아를 암모니아공급라인을 따라 추진용 엔진으로 이송하는 연료공급펌프(FP), 암모니아공급라인에 마련되며 연료공급펌프에서 이송된 암모니아를 추진용 엔진의 연료공급온도에 따라 온도를 조절하는 온도조절기(110), 암모니아공급라인에 마련되며 추진용 엔진의 연료공급압력에 따라 암모니아를 가압하는 압축펌프(120)를 포함한다.
암모니아 연료탱크(FT)로부터 연료공급펌프(FP)를 거쳐 이송된 액체 암모니아는 온도조절기(110)에서 추진용 엔진의 연료 공급을 위해 필요한 온도로 가열된 후 압축펌프(120)의 흡입구(suction)로 이송된다. 압축펌프에서 엔진에서 필요로 하는 압력까지 가압된 암모니아는 고압 액체 상태로 추진용 엔진(E)에 공급될 수 있다.
한편, 추진용 엔진으로 공급된 연료 중 엔진에서 소비되지 않은 연료를 엔진 상류로 회수하는 암모니아회수라인(FRL)이 마련되며, 암모니아회수라인에는 엔진에서 배출되어 회수되는 연료를 공급받아 기액 분리하는 기액분리기(130)가 마련된다. 기액분리기를 거쳐 액체 상태의 암모니아는 리퀴드라인(LL)을 통해 암모니아공급라인(FSL)으로 합류되어 추진용 엔진의 연료로 재공급될 수 있다. 본 시스템에서 암모니아는 고압 액체 상태로 엔진 연료로 공급되는데, 압력 변화에 따라 부피변화가 큰 압축성 유체, 즉 가스 연료가 공급되는 때와는 달리, 압력을 가하여도 부피의 변화가 없거나 적은 비압축성 유체, 액체 상태의 연료가 엔진에 공급되는 경우 엔진의 부하 변동에도 충분한 연료를 공급하여 즉각적으로 대응하며 캐비테이션을 방지하기 위해서 과잉의 연료를 엔진으로 공급할 수 있다. 이처럼 추진용 엔진에 과잉 공급된 연료 중 엔진에서 소비되고 남은 연료를 암모니아회수라인(FRL)을 통해 엔진에서 배출한 후 기액분리기(130)를 거쳐 재순환시키게 된다.
본 실시예 시스템의 추진용 엔진은 HFO, LSFO, MGO, MDO, ULSFO 등과 같은 선박용 오일 및 암모니아를 연료로 공급받는 이중연료(Dual Fuel) 엔진일 수 있다. 이를 위해 선박에는 연료로 공급될 오일을 저장하는 오일탱크가 마련될 수 있다. 추진용 엔진은 선박의 운항 해역, 운전 상황, 선박에 적용될 이산화탄소 배출 규제 기준 등에 따라 암모니아와 선박용 오일 연료를 선택하여 연료로 공급받을 수 있다.
한편, 암모니아 연료탱크에 저장 중인 액체 암모니아로부터 발생하는 증발가스의 처리를 위해 BOG 처리부(200)가 마련된다. BOG 처리부는, 암모니아 연료탱크로부터 암모니아 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스압축기(210)와, 증발가스압축기에서 압축된 암모니아 증발가스를 냉각하는 열교환기(220)를 포함한다.
암모니아 연료탱크로부터 증발가스압축기로 도입될 미압축 암모니아 증발가스는 열교환기를 거쳐 열교환 후 증발가스압축기로 공급됨으로써, 증발가스압축기를 거쳐 압축된 증발가스는 열교환기에서 미압축 암모니아 증발가스로부터 냉열을 공급받아 냉각된다. 열교환기에는 미압축 암모니아 증발가스 외에 추가로 냉열 공급을 위한 청수, 열매체 등이 공급될 수 있다.
증발가스압축기(210)에서 압축된 증발가스는 열교환기(220)를 거쳐 냉각되고 재액화되어, 재액화라인(RL)을 통해 연료공급부(100)의 기액분리기(130)로 공급된다. 기액분리기(130)에서는 암모니아회수라인(FRL)을 통해 엔진에서 회수된 암모니아 및 재액화라인(RL)을 통해 재액화된 암모니아를 공급받아 기액분리한다. 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 암모니아는 가스라인(GL)을 따라 열교환기를 거친 미압축 암모니아 증발가스 흐름에 합류되어 증발가스압축기(210)로 도입되고, 액체 상태의 암모니아는 암모니아공급라인(FSL)으로 합류되어 추진용 엔진(E)의 연료로 공급될 수 있다. 재액화된 암모니아는 암모니아 연료탱크(FT)로 회수될 수도 있다.
한편, 추진용 엔진에서 발생하는 배기가스는 배기배출라인(EL)을 통해 선외 배출될 수 있는데, 배기배출라인에는 배기가스를 탈질하는 SCR부(300)가 마련된다. 암모니아를 엔진 연료로 공급하는 경우, LPG나 오일만을 연료로 사용할 때보다 배기가스 중 질소산화물이 많이 포함될 수 있는데, 질소산화물 역시 IMO에서 배출을 규제하는 물질이다.
본 실시예에서는 이를 제거하기 위해 배기배출라인(EL)에 SCR부(400)를 마련하여, 환원 반응에 의해 배기 중 질소산화물을 감소시킨다. SCR의 환원제로는 유레아(Urea) 수용액((NH2)2CO)을 사용하는 경우가 많은데, 유레아는 질소산화물과 반응하여 암모니아와 이산화탄소로 분해되어, 이산화탄소가 발생하는 단점이 있고, 수용액 상태로 저장 시 시간이 지나면서 사용 수명이 줄어들고 일정한 온도를 유지해야 하므로 이를 위한 설치 공간과 설치 비용의 문제가 있다.
본 실시예에서는 유레아 대신 암모니아 연료탱크(FT)에서 발생하는 암모니아 증발가스를 직접 SCR부의 환원제로 사용하도록 하고, 증발가스압축기의 하류에서 SCR부로 연결되는 환원제공급라인(AL)을 마련하여, 증발가스압축기(210)에서 압축된 암모니아 증발가스 중 일부를 환원제공급라인을 따라 SCR부에 환원제로 공급한다.
암모니아 연료탱크(FT)로부터 발생하는 암모니아 증발가스 및 암모니아회수라인(FRL)을 통해 엔진에서 회수되어 기액분리기를 거쳐 분리된 암모니아 가스는 증발가스압축기(210)를 거쳐 환원제공급라인(AL)을 따라 SCR부(300)의 SCR Reactor 내부에 환원제로 도입될 수 있다. SCR reactor에서 암모니아는 촉매 존재하에 200 내지 450℃의 온도에서 NOx와 반응하여 N2와 H2O로 변해, 배기 내 NOx 함량을 감소시키며, 그 반응식은 다음과 같다.
추진용 엔진에서 배출되는 배기의 온도는 250 내지 400℃일 수 있으나, 필요한 경우 촉매 반응온도를 맞추기 위해 히터(heater) 또는 쿨러(cooler)가 환원제공급라인이나 배기배출라인에 마련될 수 있다.
배기가스 중에 포함된 미반응 암모니아 역시 SCR부(300)에서 환원제로 활용될 수 있다.
그에 따라, 배기가스 중 질소산화물 농도 및 미반응 암모니아 농도에 따라 증발가스압축기(210)에서 압축된 암모니아 중 환원제공급라인(AL)을 통해 SCR부로 공급되는 암모니아 분기량을 조절할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예는 액화수소를 선박으로 수송하면서, 추진용 엔진의 연료로 친환경 연료인 암모니아를 채택함으로써 선박 운항으로 인한 온실가스 배출량을 감축할 수 있고, 암모니아를 연료로 사용 시 배기 중의 질소산화물은 암모니아 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스와 엔진에서 회수되는 암모니아 가스를 환원제로 사용하여 효과적으로 제거할 수 있다. 나아가 암모니아 증발가스 처리를 위해 마련되는 BOG 처리부의 증발가스압축기를 활용하여 환원제로공급될 암모니아 가스를 배기가스에 직접 분사함으로써, 요소수 분사를 위한 관련 장비들을 요하지 않아 선내 공간 효율을 높이고 장비 설치비를 절감할 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.
E: 추진용 엔진
FT: 암모니아 연료탱크
100: 연료공급부
200: BOG 처리부
300: SCR부

Claims (7)

  1. 선박의 화물로 운송될 액화수소를 저장하는 수소저장탱크;
    상기 선박의 추진용 프로펠러를 구동시키기 위한 추진력을 발생시키는 추진용 엔진;
    상기 추진용 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아 연료탱크;및
    상기 추진용 엔진에서 발생하는 배기가스를 공급받아 탈질하는 SCR부:를 포함하며,
    상기 암모니아 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스는 상기 SCR부에 배기가스 탈질을 위한 환원제로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 액화수소 운반선.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 암모니아 연료탱크의 액체 암모니아를 상기 추진용 엔진으로 공급하는 연료공급부; 및
    상기 암모니아 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스를 공급받아 상기 SCR부의 환원제로 공급하거나 액화하여 처리하는 BOG 처리부:를 더 포함하는 액화수소 운반선.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 연료공급부는
    상기 암모니아 연료탱크로부터 상기 추진용 엔진으로 연결되는 암모니아공급라인;
    상기 암모니아 연료탱크의 암모니아를 상기 암모니아공급라인을 따라 상기 추진용 엔진으로 이송하는 연료공급펌프;
    상기 암모니아공급라인에 마련되며 상기 연료공급펌프에서 이송된 암모니아를 상기 추진용 엔진의 연료공급온도에 따라 온도를 조절하는 온도조절기;
    상기 암모니아공급라인에 마련되며 상기 추진용 엔진의 연료공급압력에 따라 암모니아를 가압하는 압축펌프;
    상기 추진용 엔진으로 공급된 암모니아 중 엔진에서 소비되지 않은 연료를 회수하는 암모니아회수라인; 및
    상기 암모니아회수라인으로 회수되는 연료를 공급받아 기액 분리하여 액체 상태의 암모니아는 상기 암모니아공급라인으로 공급하는 기액분리기:를 포함하는 액화수소 운반선.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 BOG 처리부는
    상기 암모니아 연료탱크로부터 암모니아 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스압축기; 및
    상기 증발가스압축기에서 압축된 암모니아 증발가스를 냉각하는 열교환기:를 포함하며,
    상기 암모니아 연료탱크로부터 상기 증발가스압축기로 도입될 미압축 암모니아 증발가스는 상기 열교환기를 거쳐 열교환 후 상기 증발가스압축기로 공급되는 것을 특징으로 하는 액화수소 운반선.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 암모니아를 상기 증발가스압축기의 전단으로 공급하는 가스라인; 및
    상기 증발가스압축기에서 압축된 증발가스를 상기 열교환기를 거쳐 상기 기액분리기로 공급하는 재액화라인:을 더 포함하는 액화수소 운반선.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 증발가스압축기의 후단에서 상기 SCR부로 연결되는 환원제공급라인:을 더 포함하며,
    상기 증발가스압축기에서 압축된 암모니아 증발가스 중 일부는 상기 환원제공급라인을 따라 상기 SCR부로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 액화수소 운반선.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선박에서 연료로 공급될 오일을 저장하는 오일탱크:를 더 포함하며,
    상기 추진용 엔진은 선박용 오일 및 암모니아를 연료로 공급받는 이중연료 엔진인 것을 특징으로 하는 액화수소 운반선.
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