KR20230137508A - 선박용 암모니아 연료 발전 시스템 및 이를 이용한 선박의 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선박용 암모니아 연료 발전 시스템 및 이를 이용한 선박의 구동 방법에 관한 것으로서, 상기 발전 시스템은 암모니아를 개질함에 있어서 암모니아 연소열을 이용함으로써 탄소 배출 없이 전력을 생산할 수 있고, 발전 시스템 내의 여러 단계에서 발생하는 오프-가스(off-gas)를 회수하여 연소함으로써 추가로 열에너지 또는 전력을 생산할 수 있으며, 연료전지와 병렬로 배치되는 가스터빈을 더 포함함으로써 연료전지 시스템의 기동성을 보완하고 발전 시스템 내의 미활용 수소를 효율적으로 활용할 수 있고, 상술한 효과들에 의해 최적화된 본 발명의 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 적용하여 선박을 구동함에 있어서 용적 대비 효율을 향상시킬 수 있고, 따라서 고출력을 요구하는 대형 선박에 용이하게 적용할 수 있는 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 제공하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 선박용 암모니아 연료 발전 시스템 및 이를 이용한 선박의 구동 방법으로서, 더욱 상세하게는 암모니아를 연료로 함으로써 탄소 발생 없이 선박의 구동이 가능한 선박용 암모니아 연료 발전 시스템에 관한 것이다.
선박에서 나오는 온실가스는 지구 전체 배출량의 2.5%로, 연간 약 10억 톤에 달한다. 이에 국제해사기구(IMO), 해양환경보호위원회(MEPC)가 2021년 6월에 76차 회의를 개최하여 현존선박에너지효율지수(EEXI) 및 탄소집약도(CII) 등급제를 2023년부터 도입하기로 하였으며, 상기 등급 기준을 충복하지 못하는 선박은 운항속도를 줄이거나 저감 설비를 장착하도록 규정하였다.
상기와 같은 이유로 탄소 배출이 없는 선박을 건조할 필요가 있으며, 그 결과 종래 화석연료를 기반으로 하는 선박용 발전 시스템으로부터 탈피하기 위해 수소 기반의 연료전지를 채용할 수 있다. 수소는 수소 원자 두 개가 공유 결합된 수소 분자(H2)로써 온실가스와 미세먼지를 배출하는 화석연료와 달리 사용중 이산화탄소의 배출이 없고, 물이 부산물로써 배출되는 이상적인 에너지원이다.
상기와 같이 수소를 이용하는 장치에 있어서 수소를 저장 및 공급하는 방법 중에는 압축수소저장, 액화수소저장방법 등이 있으나, 이중 수소를 효율적으로 저장하고 운송하는 방법으로 암모니아를 수소 공급원으로 사용하는 방법이 제시된다. 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 공정은 흡열 과정이므로 수소를 얻기 위해 별도의 열에너지를 공급해야 한다. 아래 식 1에 나타낸 바와 같이 암모니아를 이용한 촉매 분해 흡열 반응은 반응물인 암모니아에 열에너지를 공급하여 분해 반응을 진행하면 반응 생성물로서 수소 및 질소가 발생한다.
[식 1]
2NH3(g) → N2(g) + 3H2(g), △H=46.22 kJ/mol of NH3
상기 암모니아는 1 m3 당 120 kg의 수소를 저장할 수 있고, 자연발화 온도가 651℃로 높아 화재 위험성이 아주 낮다는 점에서 효율적인 수소 운반체가 될 수 있다. 게다가, 산업적인 용도로 암모니아가 사용되어 왔기 때문에 기존 암모니아 인프라를 활용할 수 있다는 경제적 이점도 있어 암모니아 분해를 통한 수소 생산 방식이 현실적인 방안으로 주목받고 있다.
연료전지는 상기와 같이 탄소를 배출하지 않는 연료인 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환함으로써, 일반적으로 선박의 수요전력에 따라 일정하게 전력을 생산하지만, 고출력이 요구되는 경우 연료전지가 차지하는 부피가 커져 발전 시스템의 소형화 및 경량화가 어렵고, 선박의 수요전력이 연료전지의 발전 전력량보다 빠르게 변화하는 경우 느린 응답 특성으로 수요전력의 급변에 대응하기는 어렵다. 즉, 연료전지는 선박을 운전함에 있어 용적 대비 효율이 좋지 않으며, 특히 고출력을 요구하는 대형 선박에 있어 적용이 어렵고, 부하의 추종이 느려 부하가 급변하는 경우 급변하는 만큼의 부하를 따라가지 못해 장비의 고장 및 손상을 발생시킬 우려가 있다.
상기한 문제를 해결하기 위해 종래 선박용 전원 공급 시스템은 배터리 또는 부하기로 이루어지는 전력 추종 장치를 구성하여 전력 변환 장치의 전위를 맞추기 위해 다수의 배터리를 직렬로 연결하는 방법을 사용하고 있으나, 그 과정에서 설비의 과다 용적, 장기간 사용시 발생하는 셀 간의 전압 불균형 등 신뢰성 및 비용 측면에서 문제가 발생한다.
본 발명으로 이루고자 하는 하나의 기술적 과제는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 하나의 기술적 과제는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 이용한 선박의 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,
암모니아의 연소열을 열원으로 하여, 공급된 암모니아를 개질하여 반응 생성물을 배출하는 연료 개질부; 상기 연료 개질부로부터 공급받은 반응 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정을 교차 수행하여 적어도 2 이상의 정제된 연료 스트림을 배출하는 연료 정제부; 상기 연료 정제부로부터 제1 연료 스트림을 공급받아 전력을 생산하는 연료전지; 및 상기 연료 개질부로 적어도 2 이상의 기상 암모니아 스트림을 공급하는 암모니아 공급부;를 포함하고, 상기 연료 개질부는 연료 정제부로부터 제2 연료 스트림을 공급받는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 제공한다.
상기 선박용 암모니아 연료 발전 시스템은, 상기 연료전지와 병렬로 배치된 가스터빈을 더 포함하고, 상기 가스터빈은 상기 연료 정제부로부터 제2 연료 스트림의 적어도 일부 또는 상기 연료 정제부로부터 상기 연료전지로 공급되는 제1 연료 스트림의 적어도 일부를 공급받고, 상기 제2 연료 스트림 또는 제1 연료 스트림을 연소시켜 전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연료 개질부는 암모니아 연소기 및 암모니아 분해 반응기를 포함하고, 상기 암모니아 공급부는 상기 암모니아 연소기 및 암모니아 분해 반응기 각각에 암모니아를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 암모니아 연소기는 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 제1 기상 암모니아 스트림을 연소시켜 발생한 열을 열교환을 통해 암모니아 분해 반응기에 제공하는 것이고, 상기 암모니아 분해 반응기는 암모니아 분해 촉매층이 일 방향으로 연장된 적어도 하나의 반응관을 포함하여 상기 암모니아 연소기로부터 제공받은 열을 통해 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 제2 기상 암모니아 스트림을 상기 반응관 내에서 촉매 분해 반응시킨 후 수소를 포함하는 반응 생성물을 배출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 암모니아 연소기는 연료 정제부로부터 공급받은 제2 연료 스트림을 연소시켜 발생한 열을 열교환을 통해 암모니아 분해 반응기에 추가로 더 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 암모니아 분해 반응기의 촉매 분해 반응 온도는 400 내지 700℃인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 암모니아 분해 반응기의 촉매 분해 반응 시 압력은 608 내지 1013 kPa 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연료 정제부는 상기 암모니아 분해 반응기로부터 공급받은 반응 생성물에 대하여 압력변동흡착공정(pressure swing adsorption process) 또는 압력온도변동흡착공정(pressure-temperature swing adsorption process)을 통해 흡착 및 탈착 공정을 교차 수행함으로써, 상기 반응 생성물 내 미반응 암모니아의 적어도 일부를 흡착한 후 제1 연료 스트림을 연료전지에 공급하고, 상기 흡착한 암모니아를 탈착하여 제2 연료 스트림을 연료 개질부에 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 연료 스트림은 암모니아를 10 ppm 이하로 포함하고, 상기 제2 연료 스트림은 암모니아를 10.0 부피% 이상 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압력변동흡착공정은 흡착 시 608 내지 1,013 kPa 및 탈착 시 13 kPa 이상에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압력온도변동흡착공정은 흡착 시 608 내지 1013 kPa 및 상온 내지 40℃, 탈착 시 13 kPa 내지 상압 및 100 내지 400℃에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압력온도변동흡착공정의 열원으로써 선박의 엔진 구동시 발생하는 폐열을 활용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은,
상기 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 이용한 선박의 구동 방법에 있어서, 상기 선박은, 전력을 생산하여 출력하는 발전부; 상기 발전부로부터 필요 전력을 추진 전동기로 공급하는 인버터; 및 상기 추진 전동기 필요 전력을 기초로 발전부의 출력을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 발전부는 수소를 연료로 하여 전력을 생산하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 구동 방법을 제공한다.
상기 발전부는 상기 연료전지와 병렬로 배치된 가스터빈을 더 포함하고, 상기 제어부는 추진 전동기 요구 부하량을 기초로 복수의 제어 모드 중 어느 하나를 선택하여 상기 발전부의 출력을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 복수의 제어 모드는, 단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력이 기설정된 범위를 초과하지 않으면 연료전지의 출력을 상기 필요 전력에 맞추고 가스터빈의 출력을 보조전력으로 사용하도록 제어하는 일반 운전 모드; 및 단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력이 기설정된 범위를 초과하면 연료전지의 출력에 비해 초과된 필요 전력만큼 가스터빈의 출력을 사용하도록 제어하는 전력보상 운전 모드인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 선박용 암모니아 연료 발전 시스템은 암모니아를 개질함에 있어서 암모니아 연소열을 이용함으로써 탄소 배출 없이 전력을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 선박용 암모니아 연료 발전 시스템은 발전 시스템 내의 여러 단계에서 발생하는 오프-가스(off-gas)를 회수하여 연소함으로써 추가로 열에너지 또는 전력을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 선박용 암모니아 연료 발전 시스템은 연료전지와 병렬로 배치되는 가스터빈을 더 포함함으로써 연료전지 시스템의 기동성을 보완하고 발전 시스템 내의 미활용 수소를 효율적으로 활용할 수 있다.
또한, 상술한 효과들에 의해 최적화된 본 발명의 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 적용하여 선박을 구동함에 있어서 용적 대비 효율을 향상시킬 수 있고, 따라서 고출력을 요구하는 대형 선박에 용이하게 적용할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것을 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 구동 방법에 있어서 복수의 제어 모드를 나타내는 개략도이다.
도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 구동 방법에 있어서 복수의 제어 모드를 나타내는 개략도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 일 측면은,
선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 제공한다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본원의 일 실시예에 따른 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 선박용 암모니아 연료 발전 시스템은, 암모니아의 연소열을 열원으로 하여, 공급된 암모니아를 개질하여 반응 생성물을 배출하는 연료 개질부(110); 상기 연료 개질부로부터 공급받은 반응 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정을 교차 수행하여 적어도 2 이상의 정제된 연료 스트림을 배출하는 연료 정제부(120); 상기 연료 정제부로부터 제1 연료 스트림(도 1의 (1))을 공급받아 전력을 생산하는 연료전지(131); 및 상기 연료 개질부로 적어도 2 이상의 기상 암모니아 스트림을 공급하는 암모니아 공급부(140);를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 연료 개질부는 연료 정제부로부터 제2 연료 스트림(도 1의 (2))을 공급받는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 개질부(110)는 암모니아 연소기 및 암모니아 분해 반응기를 포함하고, 상기 암모니아 공급부는 상기 암모니아 연소기 및 암모니아 분해 반응기 각각에 기상 암모니아 스트림을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 연소기는 암모니아 촉매 분해 반응에 필요한 온도까지 가열하기 위해 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 제1 기상 암모니아 스트림을 연소시켜 발생한 열을 열교환을 통해 암모니아 분해 반응기에 제공하는 것이며, 보다 구체적으로, 상기 연소기는 제1 기상 암모니아 스트림 및 O2를 포함하는 공기를 공급받아 이를 연소함으로써 열을 발생시키는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 연소기는 연료 정제부로부터 공급받은 제2 연료 스트림을 연소시켜 발생한 열을 열교환을 통해 암모니아 분해 반응기에 추가로 더 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다. 암모니아 연소기가 상기 제2 연료 스트림을 공급받아 연소함으로써, 종래 암모니아 정제 후 반응 생성물에서 오프-가스(off-gas)로 낭비되던 미반응 암모니아를 재사용할 수 있고, 따라서 에너지 효율을 증가시킬 수 있으며, 보다 경량화 및 소형화된 선박용 암모니아 발전 시스템을 적용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 분해 반응기는 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 제2 기상 암모니아 스트림이 유입되는 적어도 하나의 반응관 및 상기 반응관에 열을 제공하기 위한 가열부를 포함하고, 이때 가열부는 상기 암모니아 연소기로부터 발생한 열을 상기 반응관에 전달하는 열 교환기일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 암모니아 분해 반응기는 암모니아 분해 촉매층이 일 방향으로 연장된 적어도 하나의 반응관을 포함하여 상기 암모니아 연소기로부터 제공받은 열을 통해 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 제2 기상 암모니아 스트림을 상기 적어도 하나의 반응관 내에서 촉매 분해 반응시킨 후 수소를 포함하는 반응 생성물을 배출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반응관 내에서는 반응물의 개질이 수행되며, 이때 반응물은 암모니아를 포함할 수 있고, 개질 반응은 암모니아로부터 수소를 포함하는 반응 생성물이 생산되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 반응관 내에는 암모니아를 포함하는 반응물이 유입된 후 반응관을 통과하는 동안 암모니아로부터 수소를 포함하는 반응 생성물이 생산되는 흡열 반응이 수행될 수 있으며, 생산된 반응 생성물은 반응관을 따라 암모니아 분해 반응기의 외부로 배출되는 것일 수 있다. 반응관을 복수 개 포함함으로써 단위 시간당 암모니아 개질량이 증가하고, 이에 따라 수소 생산량이 향상될 수 있다.
본원의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 분해 반응기는 상기 반응관의 외주면에 단열재를 더 포함하여 상기 가열부에서 전달되는 열이 분해 반응기 밖으로 빠져나가는 것을 막을 수 있으며, 암모니아로부터 수소가 추출되는 반응이 흡열 반응이기 때문에 상기 단열재를 이용해 열 손실을 막음으로써 보다 효율적으로 수소를 생산할 수 있다.
본원의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 반응관 내에는 예열부가 더 포함될 수 있다. 예열부는 열전도성이 높은 물질을 포함하여 반응관 외부에서 공급되는 열이 반응관 내부에 빠르게 전달될 수 있도록 할 수 있으며, 예를 들면, 탄화 규소(SiC) 또는 금속 충진물을 포함함으로써 예열부의 열 전도성이 향상될 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 분해 촉매층은 반응관의 외주면 또는 내주면을 따라 일방향으로 연장된 것일 수 있으며, 상기 촉매층은 가열부로부터 전달되는 열을 받아 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응을 촉진한다. 상기 촉매층은, 일 예시에서, 세라믹 촉매층, 금속 구조체 촉매층 또는 그들의 조합을 포함할 수 있으며, 촉매층의 적어도 일부는 반응관 내에 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 세라믹 촉매층은 세라믹 지지체 및 이에 담지된 암모니아 분해 촉매 입자를 포함할 수 있으며, 상기 금속 구조체 촉매층은 금속 구조체 및 이에 담지된 암모니아 분해 촉매 입자를 포함하는 것일 수 있다. 상기 세라믹 지지체 및 금속 구조체는 열전달 특성 및 기계적 물성을 만족하는 것이라면 조성 및 형태를 제한하지 않고 이용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 분해 반응기의 촉매 분해 반응 온도는 사용하는 암모니아 분해 촉매층의 종류에 따라 상이할 수 있으며, 바람직하게는 400 내지 700℃일 수 있다. 촉매 분해 반응 온도가 상기 범위 내에 있을 때, 충분한 암모니아 분해 효과를 얻을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 분해 반응기의 촉매 분해 반응 시 압력은 608 내지 1013 kPa인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 암모니아 분해 반응기의 촉매 분해 반응 시 압력이 상기 범위 내에 있을 때, 보다 경제적으로 암모니아 분해 반응을 수행할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 정제부는 상기 암모니아 분해 반응기로부터 공급받은 반응 생성물에 대하여 압력변동흡착공정(pressure swing adsorption process) 또는 압력온도변동흡착공정(pressure-temperature swing adsorption process)을 통해 흡착 및 탈착 공정을 교차 수행함으로써, 상기 반응 생성물 내 미반응 암모니아의 적어도 일부를 흡착한 후 제1 연료 스트림을 연료전지에 공급하고, 상기 흡착한 암모니아를 탈착하여 제2 연료 스트림을 연료 개질부에 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기와 같이 흡착한 암모니아를 탈착하여 제2 연료 스트림으로서 연료 개질부에 공급함에 따라, 암모니아 연료 발전 시스템의 소형화 및 경량화가 용이하여 선박에 적용함에 보다 유리하며, 종래 선박용 발전 시스템에 비해 구조적으로 간단하여 유지보수(maintenance)가 용이할 것으로 예상할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 연료 스트림은 암모니아를 10 ppm 이하로 포함하고, 상기 제2 연료 스트림은 암모니아를 10.0 부피% 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 제1연료 스트림은, 다른 예시에서, 암모니아를 9 ppm 이하, 7 ppm 이하, 5 ppm 이하, 3 ppm 이하, 2 ppm 이하, 1 ppm 이하, 0.5 ppm 이하 혹은 0.1 ppm 이하로 포함하는 것일 수 있다. 본원의 제한되지 않는 일 구현예에 따르면, 상기 제1 연료 스트림은 수소를 70.0 부피% 이상 포함할 수 있으며, 잔부에는 질소를 포함하는 불순물을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 연료 스트림의 암모니아 함량 및 수소 함량이 상기 범위와 같을 때, 제1 연료 스트림을 공급받는 연료전지의 전력 생산 효율이 충분히 높다. 본원의 제한되지 않는 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제2 연료 스트림은 잔부에 수소 또는 질소를 포함하는 불순물을 더 포함할 수 있으며, 제2 연료 스트림의 암모니아 함량이 상기 범위와 같을 때, 연료 정제부에서 흡착 및 탈착 공정이 충분히 수행된 것으로 볼 수 있으며, 따라서 미반응 암모니아의 회수 및 재사용이 효율적으로 수행된 것으로 볼 수 있다. 상기 ppm은 기체의 부피를 기준으로 하는 것일 수 있으며, 이때 1 ppm은 0.0001 부피%를 의미하는 것일 수 있다.
본원의 제한되지 않는 일 구현에에 따르면, 상기 연료 정제부는 흡착 반응기 및 상기 흡착 반응기에 충진된 선택적 흡착제를 포함하는 것으로써, 상기 흡착 반응기는 암모니아 선택적 흡착 반응기 및 이에 충진된 암모니아 선택적 흡착제를 포함하는 것일 수 있다. 이때 상기 흡착 반응기는 상기 연료 정제부 내에 적어도 하나 이상 포함될 수 있다.
상기 압력변동흡착공정은 가압 및 감압에 따라 흡착 및 탈착이 수행되는 통상의 압력변동흡착공정이라면 제한하지 않고 사용할 수 있으며, 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 압력변동흡착공정은 가압에 따라 암모니아의 흡착이 수행되는 것일 수 있고, 감압에 따라 암모니아의 탈착이 수행되는 것일 수 있다. 본원의 제한되지 않는 일 구현예에 따르면, 암모니아의 흡착 시 608 내지 1,013 kPa에서 흡착이 수행되는 것일 수 있으며, 암모니아의 탈착 시 13 kPa 이상에서 탈착이 수행되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 보다 바람직하게는, 13 내지 500 kPa의 범위일 수 있고, 흡착 시 압력 대비 낮은 것이 바람직할 수 있다. 압력변동흡착공정의 탈착 시 압력이 상기 범위보다 낮을 경우 공정의 설계비용 및 운용비용 등이 상승하여 경제적이지 않을 수 있다.
상기 압력온도변동흡착공정은 압력 및 온도의 변화에 따라 흡착 및 탈착이 수행되는 통상의 압력온도변동흡착공정이라면 제한하지 않고 사용될 수 있으며, 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 압력온도변동흡착공정은 가압 및 감온에 따라 암모니아의 흡착이 수행되는 것일 수 있고, 감압 및 승온에 따라 암모니아의 탈착이 수행되는 것일 수 있다. 본원의 제한되지 않는 일 구현예에 따르면, 흡착 시 608 내지 1013 kPa 및 상온 내지 40℃, 탈착 시 13 kPa 내지 상압 및 100 내지 400℃에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. 압력온도변동흡착공정의 흡착 시 온도가 상기 범위를 초과하는 경우 흡착 성능이 약해져 반응 생성물이 충분히 정제되지 않을 수 있고, 탈착 시 온도가 상기 범위보다 낮은 경우 탈착 성능이 약해질 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 흡착제의 구조적 안정성이 감소할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 압력온도변동흡착공정의 열원으로써 선박의 엔진 구동시 발생하는 폐열을 활용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 폐열은 열교환기 등을 이용하여 제한하지 않고 활용될 수 있으며, 이에 따라 본원의 연료 발전 시스템에서 발생하는 폐열(비생산적인 열)을 사용함으로써 시스템의 에너지 효율이 증대될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료전지(131)는 수소/공기 연료 전지(hydrogen/air fuel cell; H/AFC)로서, 상기 연료 정제부로부터 수소를 포함하는 가스 및 연료 정제부가 아닌 외부로부터 산소를 포함하는 가스를 공급받아 수소와 산소를 반응시킴으로써 전력을 생산하는 것일 수 있다.
본원의 제한되지 않는 일 구현예에 따르면, 상기 연료전지는 애노드(anode)을 포함하는 애노드측 및 캐소드(cathode)을 포함하는 캐소드측을 구비하는 것일 수 있으며, 상기 애노드측에 수소를 포함하는 가스를 공급받고 상기 캐소드측에 산소를 포함하는 가스를 공급받아 물 및 전력을 생산하는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는, 상기 애노드측은 연료 정제부로부터 수소를 포함하는 반응 생성물을 공급받을 수 있고, 상기 캐소드측은 외부로부터 산소를 포함하는 가스를 공급받을 수 있다.
도 2를 참조하면, 본원의 제한되지 않는 일 구현예에 따르면, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템은 상기 연료전지(131)와 병렬로 배치된 가스터빈(132)을 더 포함할 수 있으며, 상기 가스터빈은 상기 연료 정제부로부터 제2 연료 스트림(도 2의 (2))의 적어도 일부 또는 상기 연료 정제부로부터 상기 연료전지로 공급되는 제1 연료 스트림(도 2의 (1))의 적어도 일부를 공급받고, 상기 제2 연료 스트림 또는 제1 연료 스트림을 연소시켜 전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 제1 연료 스트림 및 제2 연료 스트림에 관한 내용은 상술한 내용을 참고할 수 있으며, 상기 가스터빈은 상기 암모니아 분해 반응기에서 반응하지 않은 미분해 암모니아를 포집하여 상기 가스터빈에 공급함으로써, 포집된 암모니아를 재사용하여 추가적인 전력을 생산할 수 있고, 암모니아를 10.0 부피 %이상 포함하는 제2연료 스트림 및 수소를 70.0 부피% 이상 포함하는 제1 연료 스트림을 공급받아 연소함에 따라 암모니아 연소 효율을 보다 높일 수 있으며, 또한, 이를 통해 미사용 수소를 활용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 공급부(140)는 액상 암모니아 저장기, 액상 암모니아 증발기 및 기상 암모니아 공급기를 포함하고, 상기 액상 암모니아 증발기는 액상 암모니아 저장기로부터 이송된 액상 암모니아를 기화시켜 기상 암모니아 공급기로 배출하고, 상기 기상 암모니아 공급기는 연료 가스 연소기 및 암모니아 분해 반응기로 기상 암모니아를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 제한되지 않는 일 구현예에 따르면, 상기 암모니아 공급부는, 일 예시에서, 저장 탱크 시설 또는 탱크로리와 같은 운송수단이 사용될 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 액상 암모니아 저장기 내에 액상 암모니아를 저장하는 방식은 특별히 제한되는 것은 아니며, 대기압에서 -33℃(-29℉) 미만에서 저장하는 저온 저장 방식 또는 -33℃ 이상에서 액체 상태로 저장하는 비저온 저장 방식을 사용할 수 있다. 또한, 온도 30 내지 40℃, 압력 16 bara의 조건에서 액상 암모니아를 저장할 수 있고, 약 20bara 정도로 압력을 증가시키면 별도의 저온단열처리를 하지 않아도 상온 액체로 수송 및 저장이 가능하나, 바람직하게는, 온도 -33 내지 30℃, 압력 10 내지 15bara의 조건에서 액상 암모니아를 저장할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 액상 암모니아 증발기는 액상 암모니아를 기화시키기 위한 기화잠열을 제공하는 것이며, 상기 기화잠열은 암모니아 공급부 내부 또는 외부에 구비된 추가적인 열원, 또는 상기 암모니아 분해 반응기 내의 반응관으로부터 배출되는 고온의 반응 생성물에 포함된 열에너지로부터 공급되는 것일 수 있다. 상기 기화된 기상 암모니아는 온도 20 내지 30℃, 압력 7 내지 10 bara일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기상 암모니아 공급기는 상기 액상 암모니아 증발기로부터 배출된 기상 암모니아를 적어도 2 이상의 기상 암모니아 스트림으로 분할하여 상기 암모니아 연소기 및 암모니아 분해 반응기 각각에 암모니아를 공급하는 분리수단을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 비제한적인 예시로서, 상기 분리수단은 유체분배기일 수 있고, 단순한 배관 피팅을 이용하여 분배하는 수단일 수도 있다. 또한 상기 기상 암모니아 스트림을 분할하는 것은 밸브 등의 계기와 연동하여 일정한 비율을 설정하여 자동으로 분할할 수도 있고, 배관 직경을 달리하여 분할되는 비율을 수동으로 조절할 수도 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 실시형태는 본원의 선박용 암모니아 연료 발전 시스템에 대하여 일 구현예를 든 것으로, 본원에 따른 실시형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 일 측면은,
상기 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 이용한 선박의 구동 방법에 있어서, 상기 선박은, 전력을 생산하여 출력하는 발전부, 상기 발전부로부터 필요 전력을 추진 전동기로 공급하는 인버터, 및 상기 추진 전동기 필요 전력을 기초로 발전부의 출력을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 발전부는 수소를 연료로 하여 전력을 생산하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 구동 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 발전부는 상기 연료전지와 병렬로 배치된 가스터빈을 더 포함하는 것이며, 상기 연료전지 및 가스터빈에 대하여 중복되는 내용에 대해서는 상술한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 인버터(inverter)는 상기 연료전지 또는 가스터빈에서 발생된 직류(DC)를 교류(AC)로 전환하기 위한 것으로서, 통상적으로 선박에 적합한 출력에 적용되는 것이라면 제한되지 않으며, 상기 인버터는 적어도 하나 이상일 수 있고, 상기 직류-교류 인버터의 기능을 수행하기 위해 적어도 하나 이상의 인버터를 포함하는 전력변환수단을 의미하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제어부는 추진 전동기 요구 부하량을 기초로 복수의 제어 모드 중 어느 하나를 선택하여 상기 발전부의 출력을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 이하에서 도 3 내지 4를 참조하여 상기 복수의 제어 모드에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 제어 모드는, 단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력이 기설정된 범위를 초과하지 않으면 연료전지의 출력을 상기 필요 전력에 맞추고 가스터빈의 출력을 보조전력으로 사용하도록 제어하는 일반 운전 모드 및 단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력이 기설정된 범위를 초과하면 연료전지의 출력에 비해 초과된 필요 전력만큼 가스터빈의 출력을 사용하도록 제어하는 전력보상 운전 모드인 것을 특징으로 할 수 있다.
도 3을 참조하여, 본원의 바람직한 일 실시형태에 따른 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 이용한 선박의 구동 방법에 있어서 상기 일반 운전 모드를 설명하자면, 단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력이 기설정된 범위를 초과하지 않는다는 것은, 보다 구체적으로는, 상기 연료전지 발전전력과 선박의 사용전력을 비교하여, 기설정된 필요 전력 범위가 상기 연료전지의 단위 시간당 발전 가능 전력을 초과하지 않을 경우 도 4와 같이 연료전지의 출력을 기설정된 필요 전력에 맞출 수도 있고, 또는 가스터빈에 암모니아 또는 수소를 일정량 공급하여 작동시킴으로써 추가 전력을 생산해 기설정된 필요 전력에 맞출 수도 있다. 이때 상기 가스터빈은 보조전력(auxiliary power unit)으로서 사용될 수 있으며, 연료전지에서 생산되는 전력을 1차 추진 전력으로 이용하여 선박을 추진할 수 있다.
도 4를 참조하여, 본원의 바람직한 다른 일 실시형태에 따른 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 이용한 선박의 구동 방법에 있어서 상기 전력보상 운전 모드를 설명하자면, 단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력이 기설정된 범위를 초과한다는 것은, 보다 구체적으로는, 상기 연료전지의 응답특성이 매우 느리기 때문에 급격하게 변하는 선박의 부하를 실시간으로 추정할 수 없는 상황을 의미할 수 있으며, 이때는 도 4와 같이 연료전지의 출력에 비해 초과된 필요 전력만큼 가스터빈의 출력을 사용하도록 제어하여 급격하게 증가한 단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력만큼 전력을 보상할 수 있다 이때 상기 가스터빈에서 생산되는 전력을 2차 추진 전력으로 이용하여 선박을 급속으로 추진할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 연료 개질부
120: 연료 정제부
131: 연료전지
132: 가스터빈
140: 암모니아 공급부
120: 연료 정제부
131: 연료전지
132: 가스터빈
140: 암모니아 공급부
Claims (15)
- 암모니아의 연소열을 열원으로 하여, 공급된 암모니아를 개질하여 반응 생성물을 배출하는 연료 개질부;
상기 연료 개질부로부터 공급받은 반응 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정을 교차 수행하여 적어도 2 이상의 정제된 연료 스트림을 배출하는 연료 정제부;
상기 연료 정제부로부터 제1 연료 스트림을 공급받아 전력을 생산하는 연료전지; 및
상기 연료 개질부로 적어도 2 이상의 기상 암모니아 스트림을 공급하는 암모니아 공급부;를 포함하고,
상기 연료 개질부는 연료 정제부로부터 제2 연료 스트림을 공급받는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 선박용 암모니아 연료 발전 시스템은, 상기 연료전지와 병렬로 배치된 가스터빈을 더 포함하고,
상기 가스터빈은 상기 연료 정제부로부터 제2 연료 스트림의 적어도 일부 또는 상기 연료 정제부로부터 상기 연료전지로 공급되는 제1 연료 스트림의 적어도 일부를 공급받고, 상기 제2 연료 스트림 또는 제1 연료 스트림을 연소시켜 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 연료 개질부는 암모니아 연소기 및 암모니아 분해 반응기를 포함하고,
상기 암모니아 공급부는 상기 암모니아 연소기 및 암모니아 분해 반응기 각각에 기상 암모니아 스트림을 공급하는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 암모니아 연소기는 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 제1 기상 암모니아 스트림을 연소시켜 발생한 열을 열교환을 통해 암모니아 분해 반응기에 제공하는 것이고,
상기 암모니아 분해 반응기는 암모니아 분해 촉매층이 일 방향으로 연장된 적어도 1이상의 반응관을 포함하여 상기 암모니아 연소기로부터 제공받은 열을 통해 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 제2 기상 암모니아 스트림을 상기 반응관 내에서 촉매 분해 반응시킨 후 수소를 포함하는 반응 생성물을 배출하는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 암모니아 연소기는 연료 정제부로부터 공급받은 제2 연료 스트림을 연소시켜 발생한 열을 열교환을 통해 암모니아 분해 반응기에 추가로 더 제공하는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응기의 촉매 분해 반응 온도는 400 내지 700℃인 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응기의 촉매 분해 반응 시 압력은 608 내지 1013 kPa인 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 연료 정제부는 상기 암모니아 분해 반응기로부터 공급받은 반응 생성물에 대하여 압력변동흡착공정(pressure swing adsorption process) 또는 압력온도변동흡착공정(pressure-temperature swing adsorption process)을 통해 흡착 및 탈착 공정을 교차 수행함으로써,
상기 반응 생성물 내 미반응 암모니아의 적어도 일부를 흡착한 후 제1 연료 스트림을 연료전지에 공급하고,
상기 흡착한 암모니아를 탈착하여 제2 연료 스트림을 연료 개질부에 공급하는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 연료 스트림은 암모니아를 10 ppm 이하로 포함하고,
상기 제2 연료 스트림은 암모니아를 10.0 부피% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 압력변동흡착공정은 흡착 시 608 내지 1013 kPa 및 탈착 시 13 kPa이상에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 압력온도변동흡착공정은 흡착 시 608 내지 1013 kPa 및 상온 내지 40℃, 탈착 시 13 kPa 내지 상압 및 100 내지 400℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 압력온도변동흡착공정의 열원으로써 선박의 엔진 구동시 발생하는 폐열을 활용하는 것을 특징으로 하는, 선박용 암모니아 연료 발전 시스템.
- 제1항에 따른 선박용 암모니아 연료 발전 시스템을 이용한 선박의 구동 방법에 있어서,
상기 선박은,
전력을 생산하여 출력하는 발전부;
상기 발전부로부터 필요 전력을 추진 전동기로 공급하는 인버터; 및
상기 추진 전동기 필요 전력을 기초로 발전부의 출력을 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 발전부는 수소를 연료로 하여 전력을 생산하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 구동 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 발전부는 상기 연료전지와 병렬로 배치된 가스터빈을 더 포함하고,
상기 제어부는 추진 전동기 요구 부하량을 기초로 복수의 제어 모드 중 어느 하나를 선택하여 상기 발전부의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는, 선박의 구동 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 복수의 제어 모드는,
단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력이 기설정된 범위를 초과하지 않으면 연료전지의 출력을 상기 필요 전력에 맞추고 가스터빈의 출력을 보조전력으로 사용하도록 제어하는 일반 운전 모드; 및
단위 시간당 추진 전동기의 필요 전력이 기설정된 범위를 초과하면 연료전지의 출력에 비해 초과된 필요 전력만큼 가스터빈의 출력을 사용하도록 제어하는 전력보상 운전 모드인 것을 특징으로 하는, 선박의 구동 방법.
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| KR1020220034458A KR102653717B1 (ko) | 2022-03-21 | 2022-03-21 | 선박용 암모니아 연료 발전 시스템 및 이를 이용한 선박의 구동 방법 |
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| KR101431429B1 (ko) * | 2014-04-10 | 2014-08-18 | 사단법인 한국선급 | 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템 |
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-
2022
- 2022-03-21 KR KR1020220034458A patent/KR102653717B1/ko active IP Right Grant
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