KR20230161506A

KR20230161506A - 해상 재생 에너지 발전소

Info

Publication number: KR20230161506A
Application number: KR1020237036938A
Authority: KR
Inventors: 안드로마히 칼로기로우; 핀 다우가르드 매드센; 헨릭 바흐 모르텐센; 미켈 세루프
Original assignee: 지멘스 가메사 리뉴어블 에너지 아/에스
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-11-27
Also published as: WO2022207227A1; EP4294962A1; EP4067534A1; CN117136255A; US20240167457A1; AU2022250534A1

Abstract

해상 발전소(100)는 풍력 터빈(1), 물 담수화 유닛(20) 및 수소(12) 생산용 전해 장치(10)를 포함한다. 물 담수화 유닛(20)은 염수의 유입구(40)에 연결되고, 전해 장치(10)는 담수화된 물의 공급(21)을 수용하기 위해 물 담수화 유닛(20)에 연결된다. 전해 장치(10) 및 물 담수화 유닛(20)은, 전해 장치(10)로부터의 열 파워 입력(11)이 물 담수화 유닛(20)에 제공되어 담수화된 물의 공급(21)을 생성하고, 물 담수화 유닛(20)으로부터의 냉각 파워 입력(23)이 전해 장치(10)에 제공되도록 서로 열적으로 연결된다.

Description

해상 재생 에너지 발전소

본 발명은 풍력 터빈 및 수소 생산용 전해 장치를 포함하는 해상 재생 에너지 발전소에 관한 것이다.

해상 풍력 터빈들이 미래 에너지 믹스의 주요 부분을 차지하려면, 다른 에너지 부문들에 풍력을 공급하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 시나리오에서, 전해 시스템은 전해조의 유입수 기준들에 기초하여 해수를 담수화하고 그리고 정화하는 수처리 유닛과 함께 해상 풍력 터빈 발전소에 국부적으로 배치될 수 있다. 이러한 복수의 발전소는 예를 들어 WO 2021/038056 A1 및 CN 110 923 738 A1에 개시된 바와 같이 해상 풍력 발전 단지 내에 배열될 수 있다.

해상 발전소에서의 수소 생산은 해상 풍력 발전 단지 외부의 임의의 외부 물 공급부로부터 분리될 필요가 있다. 원활한 시스템 통합을 위해서는 에너지, 물 및 수소 생산의 작업 순환이 원활하게 동기화되어야 한다. 시스템들의 동기화는 시동/정지 국면들뿐만 아니라 가동 중단(downtime) 또는 유휴(idling) 포지션들에서도 문제가 될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 실제 풍력 조건들, 부하 패턴들 및 전해 장치의 물 수요 부하 범위에 걸쳐 담수화 시스템 작동을 최적화하는, 풍력 터빈 및 수소 생산용 전해 장치를 포함하는 폐쇄형 통합 해상 전력 시스템을 제공하는 것이다.

위에서 규정된 범위는 독립 청구항에 따른 주제(subject matter)에 의해 충족된다. 본 발명의 유리한 실시예들은 종속 청구항들에 의해 설명된다.

본 발명에 따르면, 풍력 터빈, 물 담수화 유닛 및 수소 생산용 전해 장치를 포함하는 해상 발전소가 제공된다. 물 담수화 유닛은 염수의 유입구에 연결되고, 전해 장치는 담수화된 물의 공급을 수용하기 위해 물 담수화 유닛에 연결된다. 전해 장치 및 물 담수화 유닛은, 전해 장치로부터의 열 파워 입력이 담수화된 물의 공급의 생성을 위해 물 담수화 유닛에 제공되며 그리고 물 담수화 유닛으로부터의 냉각 파워 입력이 전해 장치에 제공되는 방식으로 서로 열적으로 연결된다.

물 담수화 유닛은 진공 증기 압축 증류기일 수 있다.

물 담수화 유닛은 유입구를 통해 염수, 예를 들어 해수를 수용하고 이를 전해 장치의 여열을 사용하여 담수화한다. 전해 장치로부터의 여열을 사용하면 담수화 공정에 필요한 전력 소비를 줄여 충분히 효율적인 전해조 생산을 가능하게 한다. 물 담수화 유닛을 작동시키는 데 필요한 전력 소비는 풍력 터빈에 의해 제공되거나, 예를 들어 바람이 적거나 없는 시간들에 사용되는 보조 전원 디바이스에 의해 제공될 수 있다. 전해 장치는 또한 풍력 터빈으로부터 또는 예를 들어, 바람이 적거나 없는 시간들에 사용되는 보조 전원 디바이스에 의해 전기 전력 입력을 수용할 수 있다. 물 담수화 유닛과 전해 장치 사이의 열적 연결은 수소 생산을 위한 냉각 전력을 제공한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 열 교환은, 열 파워 입력 및 냉각 파워 입력이 서로 열적으로 연결되는 열 교환기에서 수행될 수 있다. 열 파워 입력은 전해 장치로부터 열 교환기로의 제1 유체의 흐름을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 냉각 파워 입력은 물 담수화 유닛으로부터 열 교환기로의 제2 유체의 흐름을 포함할 수 있으며, 제2 유체는 제1 유체보다 더 낮은 온도에 있다. 제1 유체 및/또는 제2 유체는 물, 예를 들어 전해 장치로부터의 온수의 흐름일 수 있으며, 열 접촉에서 물 담수화 유닛으로부터의 냉수의 흐름과 열 접촉하게 된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 열 교환기는 물 담수화 유닛 및 전해 장치의 외부에 있거나 물 담수화 유닛 또는 전해 장치에 포함될 수 있다.

본 발명은 풍력 터빈을 통한 재생 가능한 소스로부터의 전기 에너지 생성, 전해 장치를 통한 수소 생산 및 물 담수화 유닛을 통한 담수 생성을 포함하는 독립형 통합 해상 발전소를 제공한다. 모든 유닛들이 갑작스러운 셧다운들 없이 지속적으로 원활하게 작동하도록 운영 균형을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 전해 장치는 담수화된 물의 제2 공급을 수용하기 위해 완충 탱크에 연결되어야 한다. 담수화된 물 완충 탱크는 시스템에 포함될 수 있으며, 안전 공급으로서 또는 작동 시동을 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 전해 장치는 물 담수화 유닛으로부터의 냉각 파워가 충분하지 않은 모든 경우들에 전해 장치를 냉각하기 위한 2차 열 교환기를 포함한다.

위에서 규정된 양태들 및 본 발명의 추가 양태들은 이하에서 설명될 실시예의 예들로부터 명백하며, 실시예의 예들을 참조하여 설명된다. 이하, 본 발명은 실시예의 예들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이나, 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 해상 발전기의 개략도를 도시한다.

도면들의 예시들은 개략적인 것이다. 서로 다른 도면들에서 유사하거나 동일한 요소들에 동일한 참조 부호들이 제공됨을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 해상 발전소(100)를 도시한다. 발전소(100)는 타워(2)를 포함하는 풍력 터빈(1)을 포함하며, 타워(2)는 해저(110)에 박히는 적어도 하나의 파일을 포함하는 기초 구조물(5)에 장착된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 풍력 터빈(1)은 부유식 풍력 터빈일 수 있다. 타워(2) 및 파일(5)은 해상 풍력 터빈(1)의 종축(Z)을 따라 축방향으로 연장된다. 나셀(4)은 타워(2)의 상부 단부에 부착된다. 풍력 터빈(1)은, 나셀(4)에 부착되고 3 개의 블레이드들(6)을 갖는 풍력 터빈 로터를 더 포함한다. 해상 풍력 터빈(1)은 타워(2)를 기초 파일(5)에 연결하기 위한 전이 부재(7)를 포함한다. 전이 부재(7)는 타워(2)의 상부 단부에 대해 종방향으로 반대편에 있는 타워(2)의 저부 단부에 부착된다. 풍력 터빈(1)은 발전기(도 1에 도시되지 않음)를 포함하며, 발전기는 전력망(첨부된 도면들에는 도시되지 않음)에 제공될 전기 에너지를 생산하기 위해 풍력 로터와 회전 결합된다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 풍력 터빈들(1)은 복수의 풍력 터빈(1)을 포함하는 풍력 터빈 해상 플랜트의 일부일 수 있다.

해상 발전소(100)는 물 담수화 유닛(20) 및 파이프라인(12)을 통해 전달될 수소를 생산하기 위한 전해 장치(10)를 더 포함한다. 파이프라인(12)은 육상으로 수소를 전달할 수 있다. 물 담수화 유닛(20) 및 전해 장치(10)는 전이 부재(7) 또는 타워(2)에 제공된 플랫폼(17)에 부착될 수 있다. 물 담수화 유닛(20)은 담수화될 염수(해수)의 유입구(40)에 연결된다. 유입구(40)로부터 염수는 배관(41)을 통해 물 담수화 유닛(20)으로 전달된다. 물 담수화 유닛(20)은 진공 증기 압축 증류기일 수 있으며, 이는 염수를 생산하기 위해 열 파워 입력을 필요로 한다. 대안적으로, 물 담수화 유닛(20)은 염수를 생산하기 위해 열 파워 입력을 필요로 하는 다른 유형의 담수화 유닛일 수 있다. 물 담수화 유닛(20)은 풍력 터빈(1)으로부터의 제1 전기 전력 입력(8)에 의해 전력공급된다. 대안적으로, 물 담수화 유닛(20)은 다른 전력원에 의해 전기적으로 전력공급될 수 있다. 물 담수화 유닛(20)은 환경에 대한 냉수(22)의 유출구를 포함할 수 있다.

전해 장치(10)는 담수화된 물의 공급(21)을 수용하기 위해 물 담수화 유닛(20)에 연결된다. 담수화된 물로부터 수소가 생성되어 파이프라인(12)을 통해 전달된다. 전해 장치(10)는 풍력 터빈(1)으로부터의 제2 전기 전력 입력(9)에 의해 전력공급된다. 대안적으로, 전해 장치(10)는 다른 전력원에 의해 전기적으로 전력공급될 수 있다. 해상 발전소(100)는 담수화된 물의 완충 탱크(50)를 더 포함한다. 전해 장치(10)는 물 담수화 유닛(20)으로부터의 주 공급이 충분하지 않은 모든 경우들에 있어서, 담수화된 물의 제2 공급(51)을 수용하기 위해 완충 탱크(50)에 연결된다. 완충 탱크(50)는 플랫폼(17)에 부착될 수 있다. 전해 장치(10)에서 수소를 생산하면 과도한 열이 발생할 수 있다.

전해 장치(10) 및 물 담수화 유닛(20)은, 전해 장치(10)로부터의 열 파워 입력(11)이 물 담수화 유닛(20)에 제공되어 담수화된 물의 공급(21)을 생산하고, 물 담수화 유닛(20)으로부터의 냉각 전력 입력(23)이 전해 장치(10)에 제공되도록 서로 열적으로 연결된다.

해상 발전소(100)는 열 파워 입력(11) 및 냉각 파워 입력(23)이 서로 열적으로 연결되는 열 교환기(30)를 더 포함한다. 첨부된 도면의 실시예에서, 열 교환기(30)는 물 담수화 유닛(20) 및 전해 장치(10) 모두의 외부에 있는 유닛으로서 도시되어 있다. 대안적으로, 열 교환기(30)는 물 담수화 유닛(20) 또는 전해 장치(10)에 통합될 수 있다. 열 교환기(30)는 플랫폼(17)에 부착될 수 있다. 열 교환기는 유입구(40)로부터 차가운 염수의 흐름을 수용할 수 있다. 열 교환기(30)는 환경으로 향하는 냉수(22)의 유출구를 포함할 수 있다.

열 교환기(30)에서의 열 교환을 제공하기 위해, 열 파워 입력(11)은 전해 장치(10)로부터 열 교환기(30)로의 제1 유체의 흐름을 포함하고, 냉각 파워 입력(23)은 물 담수화 유닛(20)으로부터 열 교환기(30)로의 제2 유체의 흐름을 포함하며, 제2 유체는 제1 유체보다 낮은 온도에 있다. 제1 및/또는 제2 유체는 물일 수 있는데, 예를 들어 전해 장치로부터의 물의 흐름일 수 있으며, 이는 열 접촉 시 물 담수화 유닛으로부터의 제2 물의 흐름과 열 접촉되며, 제1 흐름의 온도는 제2 흐름의 온도보다 높다.

전해 장치(10)는, 물 담수화 유닛으로부터의 냉각 전력이 충분하지 않을 때마다, 전해 장치(10)를 냉각하기 위해, 예를 들어 풍력 터빈(1)으로부터의 전기 입력에 의해 전력공급되는 공기 열 교환기와 같은 2차 열 교환기(15)를 포함할 수 있다.

해상 발전소(100)는 필요한 에너지 공급을 조절하고 효율적인 수소 생산을 제공하기 위해 풍력 터빈(1), 물 담수화 유닛(20) 및 전해 장치(10) 및 열 교환기(30)에 연결된 제어기(도시되지 않음)를 더 포함한다. 설명된 배열은 육상 및 해상 모두에서 다른 형태들의 수소 생산과 관련하여 상당한 에너지 절약을 제공한다.

Claims

풍력 터빈(wind turbine)(1), 물 담수화 유닛(water desalination unit)(20) 및 수소(12) 생산용 전해 장치(10)를 포함하는 해상 발전소(100)로서,
상기 물 담수화 유닛(20)은 염수의 유입구(40)에 연결되고, 상기 전해 장치(10)는 담수화된 물의 공급(21)을 수용하기 위해 상기 물 담수화 유닛(20)에 연결되며, 상기 전해 장치(10) 및 상기 물 담수화 유닛(20)은, 상기 전해 장치(10)로부터의 열 파워 입력(11)이 상기 담수화된 물의 공급(21)의 생성을 위해 상기 물 담수화 유닛(20)에 제공되며 그리고 상기 물 담수화 유닛(20)으로부터의 냉각 파워 입력(23)이 상기 전해 장치(10)로 제공되는 방식으로 서로 열적으로 연결되는,
해상 발전소(100).
제1 항에 있어서,
상기 해상 발전소(100)는 열 교환기(30)를 더 포함하며, 상기 열 파워 입력(11) 및 상기 냉각 파워 입력(23)은 서로 열적으로 연결되는,
해상 발전소(100).
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 열 파워 입력(11)은 상기 전해 장치(10)로부터의 제1 유체의 흐름을 포함하는,
해상 발전소(100).
제3 항에 있어서,
상기 냉각 파워 입력(23)은 상기 물 담수화 유닛(20)으로부터의 제2 유체의 흐름을 포함하며, 상기 제2 유체는 상기 제1 유체보다 더 낮은 온도에 있는,
해상 발전소(100).
제3 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 제1 및/또는 제2 유체는 물인,
해상 발전소(100).
제2 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기(30)는 상기 물 담수화 유닛(20) 또는 상기 전해 장치(10)에 포함되는, 해상 발전소(100).
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 해상 발전소(100)는 완충 탱크(buffer tank)(50)를 더 포함하고, 상기 전해 장치(10)는 담수화된 물의 제2 공급(51)을 수용하기 위해 상기 완충 탱크(50)에 연결되는,
해상 발전소(100).
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해 장치(10)는 상기 전해 장치(10)를 냉각시키기 위한 2차 열 교환기(15)를 포함하는,
해상 발전소(100).
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 담수화 유닛(20)은 진공 증기 압축 증류기인,
해상 발전소(100).
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 담수화 유닛(20) 및 상기 전해 장치(10)는 전기 전력 입력(8, 9)을 수용하기 위해 상기 풍력 터빈(1)에 연결되는,
해상 발전소(100).