KR20240027021A - 에너지 생산 시스템 - Google Patents
에너지 생산 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240027021A KR20240027021A KR1020247002532A KR20247002532A KR20240027021A KR 20240027021 A KR20240027021 A KR 20240027021A KR 1020247002532 A KR1020247002532 A KR 1020247002532A KR 20247002532 A KR20247002532 A KR 20247002532A KR 20240027021 A KR20240027021 A KR 20240027021A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- ammonia
- energy production
- power
- production system
- reactor
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 238
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 545
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims abstract description 276
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 90
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 89
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 75
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 74
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 73
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 56
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 56
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 41
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 40
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 36
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 27
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 26
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 23
- 229910001507 metal halide Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 150000005309 metal halides Chemical class 0.000 claims description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims description 8
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims description 8
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 7
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 5
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 claims 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 28
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 15
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000009620 Haber process Methods 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 4
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 3
- 150000004678 hydrides Chemical group 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 229910021525 ceramic electrolyte Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 2
- -1 0.05% to 1% ammonia Chemical compound 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 108700028516 Lan-7 Proteins 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000102 alkali metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000008046 alkali metal hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000009849 deactivation Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000001995 intermetallic alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- INFDPOAKFNIJBF-UHFFFAOYSA-N paraquat Chemical compound C1=C[N+](C)=CC=C1C1=CC=[N+](C)C=C1 INFDPOAKFNIJBF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000012536 storage buffer Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910000568 zirconium hydride Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
- H01M8/222—Fuel cells in which the fuel is based on compounds containing nitrogen, e.g. hydrazine, ammonia
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
- C25B15/083—Separating products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
- H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
- H01M8/186—Regeneration by electrochemical means by electrolytic decomposition of the electrolytic solution or the formed water product
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
- H01M2250/405—Cogeneration of heat or hot water
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
본 발명은 전력의 저장을 위한 암모니아 및 단일 가정 또는 작은 상업용 건물에서 사용하기에 적합한 전력 및 열의 생산을 위해 암모니아 또는 H2를 이용하는 분산형의 소형 에너지 생산 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 단일 가정 또는 작은 상업용 건물에서 사용하도록 구성된 분산형의 소형 에너지 생산 시스템을 제공하며, 이는 전력의 저장을 위해 암모니아를 이용하고, 전력 및 열의 생산을 위해 암모니아 또는 H2를 이용한다.
그리드는 온실 가스 배출을 감소시키기 위해 화석 연료로부터 생성된 전기 및 열을 단계적으로 배출(phase out)해야 한다. 이는 풍력 및 태양광 PV(광발전) 모듈로부터의 간헐적 전력에서의 단계적 도입(phasing in)에 의해 달성될 수 있다. 간헐적 전력의 사용은 실시간으로 전기 공급과 전기 수요를 균형화하기 위해 증가된 시스템 예비 용량을 필요로 할 것이다. 배터리는 시간에 따른 간헐성 문제를 처리할 수 있다. 그러나, 현재 배터리의 에너지 저장 밀도가 낮고, 저장 용량 kWh당 제조 비용이 높으며, 기술적 혁신에도 불구하고, 대량의 전기를 저장할 수 있는 소형 배터리가 향후 수십 년 내에 출현할 가능성은 낮다.
난방을 위해 전기를 사용하는 온대 기후에서 옥상 태양광 PV 모듈로부터의 전기에 대한 공급과 수요 사이에는 상당한 계절적 불일치가 있다. 전력의 생성은 주로 늦은 봄, 여름 및 초가을 동안 이루어지는 반면, 주로 가을, 겨울 및 봄에 난방을 비롯한 전기 수요가 있다.
배터리가 없는 대형 태양광 PV 모듈 시스템의 경우, 연간 20,000 kWh를 생성시키며, 이는 위도에 따라 가정에서의 연간 전기 수요를 완전히 충족시킬 수 있고, 생산된 전기의 30% 만큼의 적은 양이 가정에서 소비되고 나머지는 전기 그리드로 수출된다. 가정의 공급과 수요를 균형화하기 위해 그리드로부터 상응하는 양의 전기가 수입되어야 한다. 14kW 배터리를 사용하여, 시스템은 24시간 기간 동안의 수요 및 공급을 전환시킬 수 있어, 생성된 전기의 대략 50%의 이용을 가능하게 한다. 그러나, 연간 20,000 kWh의 열 및 전기를 소비하는 주택이 그것이 생산하는 전기를 완전히 활용할 수 있기 위해서는, 최대 10,000 kWh의 계절적 저장이 요구된다.
대량의 PV 전기는 수소(H2) 또는 수소 함유 화학물질로서 저장될 수 있다. 그러나, 수소는 -253 ℃에서 액체가 되기 때문에 대량으로 저장하기가 어렵다. 수소는 또한 폭발성이 매우 높으며, 따라서, 가정용 또는 소규모 상업용 건물에서 저장 매체로서 사용하기에 적합하지 않다.
암모니아는 효과적인 수소 담지체이고, -33 ℃또는 10 bar 압력에서 액체가 되기 때문에 대량으로 저장하기가 더 용이하다.
현재, 전형적인 대형 중앙집중식 암모늄 합성 플랜트는 약 400-500 ℃및 100 bar-150 bar에서 동작한다. 그러나, 분산형 소규모 에너지 생산 시스템에서 사용하기에 적합한 암모니아 합성 반응기의 경우, 암모니아의 생산은 생산에서의 에너지 및 공간 요건 및 소음을 감소시키고, 안전성 문제를 완화시키기 위해 1-30 bar 압력에서 이루어져야 한다.
암모니아를 이용하는 전력의 생산 및 저장을 위한 대규모 중앙집중식 에너지 생산 시스템은, 다양한 공정 단계 동안 시스템 내에서 생성되는 잉여 열이, 긴 거리에 걸쳐 파이프 내에서 운송될 때 손실되고 효율적으로 포획되는 잉여 열이라 할지라도 이용하는 것이 어렵기 때문에, 비교적 에너지 비효율적이다. 따라서, 암모니아를 이용하는 전력의 생산 및 저장을 위한 대규모 중앙집중식 에너지 생산 시스템을 만드는 것은 암모니아 및 전기의 생산 공정으로부터의 열이 수계 가열 시스템(water based heating system)을 통해 효율적으로 포획되고 이용될 수 있는 분산형 시스템보다 잠재적으로 덜 에너지 효율적이다.
문헌 [Mukelabai, M.D. et al., A novel integration of a green power-to-ammonia to power system: Reversible solid oxide fuel cell for hydrogen and power production coupled with an ammonia synthesis unit, March 2021, Journal of hydrogen energy, vol. 46, pp. 18546-18556]은 간헐성을 해결하기 위한 전력-대-암모니아 대 전력 시스템(power-to-ammonia to power system)의 중요성을 논의하고, 연료 전지 모드 동안 암모니아 합성을 위해 질소-풍부 연료 전극 배기 가스를 사용하는 것을 제안한다. 그러나, Mukelabai, M.D. 등에 개시된 시스템은 약 3 MW를 전달하도록 설계된다. 이러한 시스템을 전달하기 위해, 시스템은 H2 5-단 압축기 및 H2 압축 저장 버퍼 탱크를 포함하고, 암모니아 합성을 위해 하버 보쉬(Haber Bosch) 공정을 이용한다.
본 발명은 단일 가정 또는 작은 상업용 건물에서 사용하도록 구성된 소형 분산형 에너지 생산 시스템으로서, 전력의 저장을 위해 암모니아를 이용하고 및 전력의 생산을 위해 암모니아 및/또는 수소를 이용하는 소형 분산형 에너지 생산 시스템을 설계하는 것을 그 목적으로 한다. 시스템은 전력 생산 모드에서 10 kW 내지 40 kW 범위, 바람직하게는 시간당 약 30 kW의 전기를 생산한다. 본 발명의 시스템은 또한 가정에서의 난방 요건을 충족시키기 위해 생산 공정에서 잉여 열을 포획하며, 이는 효율적인 분산형 재생가능 에너지 시스템을 가능하게 한다. 본 발명의 시스템은 암모니아 합성 모드, 즉 전력 저장 모드와 전력 생산 모드 사이에서 신속하게 전환할 수 있다는 이점을 갖는다.
제1 양태에서, 전력의 저장 및 생산을 위해 암모니아를 이용하는 에너지 생산 시스템은
- 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드에서 작동할 때 전기분해 모드에서 전력으로부터 수소를 생산하고, 생산 시스템이 전력 생산 모드에서 작동할 때 연료 전지 모드에서 암모니아로부터 전력을 생산하도록 구성된 가역적 전기화학 전지 시스템;
- 적어도 96% 순도 질소를 달성하도록 구성된 공기 분리기로서, 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드로 작동될 때 암모니아 합성 반응기에 질소를 제공하도록 배열된, 공기 분리기;
- 촉매를 포함하는 암모니아 합성 반응기로서, 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드에서 작동될 때 가역적 전기화학 전지 시스템으로부터 수소 및 공기 분리기로부터 질소를 수용하도록 배열된, 합성 반응기;
- N2 및 H2로부터 암모니아를 분리하는 고체 흡수성 물질을 포함하는 암모니아 분리 반응기로서, 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드로 작동할 때, 암모니아 합성 반응기로부터 암모니아 및 미반응 N2 및 H2를 수용하고, 암모니아 저장 유닛에 암모니아를 제공하도록 구성된, 암모니아 분리 반응기; 및
- 암모니아를 저장하도록 구성된 금속 할라이드를 포함하는 암모니아 저장 유닛으로서, 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드로 작동될 때, 암모니아 합성 반응기 및/또는 암모니아 분리 반응기로부터 암모니아를 수용하도록 배열되고, 에너지 생산 시스템이 전력 생산 모드로 작동될 때 가역적 전기화학 전지 시스템에 암모니아를 제공하도록 배열되는, 암모니아 저장 유닛;
- 에너지 생산 시스템에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는 열 전달 시스템을 포함한다. 제2 양태에서, 전력의 저장을 위해 암모니아 및 생산을 위해 수소를 이용하는 에너지 생산 시스템은
- 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드에서 작동할 때 전기분해 모드에서 전력으로부터 수소를 생산하고, 생산 시스템이 전력 생산 모드에서 작동할 때 연료 전지 모드에서 수소로부터 전력을 생산하도록 구성된 가역적 전기화학 전지 시스템;
- 적어도 96% 순도 N2를 달성하도록 구성된 공기 분리기로서, 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드로 작동될 때 암모니아 합성 반응기에 N2를 제공하도록 배열된, 공기 분리기;
- 촉매를 포함하는 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기로서, 합성 반응기는 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드에서 작동될 때 가역적 전기화학 전지 시스템으로부터 H2 및 공기 분리기로부터 N2를 수용하도록 배열되는, 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기;
- N2 및 H2로부터 암모니아를 분리하는 고체 흡수성 물질을 포함하는 암모니아 분리 반응기로서, 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드에서 작동할 때, 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기로부터 암모니아 및 미반응 N2 및 H2를 수용하고 암모니아 저장 유닛에 암모니아를 제공하도록 구성된, 암모니아 분리 반응기;
- 암모니아를 저장하도록 구성된 금속 할라이드를 포함하는 암모니아 저장 유닛으로서, 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드로 작동될 때 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기 및/또는 암모니아 분리 반응기로부터 암모니아를 수용하도록 배열되고, 에너지 생산 시스템이 전력 생산 모드로 작동될 때 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기에 암모니아를 제공하도록 배열되는, 암모니아 저장 유닛;
- 에너지 생산 시스템에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는 열 전달 시스템을 포함한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서 가역적 전기화학 전지 시스템은 400 ℃ 내지 800 ℃의 온도 범위에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 550 ℃ 내지 750 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 550 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 하나의 추가 실시예에서 전기화학 전지 시스템은 600 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 하나의 추가 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 700 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 동작한다.
하나의 추가 실시예에서 전기화학 전지 시스템은 700 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 동작한다.
바람직하게는 전기화학 전지 시스템은 550 ℃ 내지 750 ℃의 온도에서 동작한다.
가역적 전기화학 전지 시스템은 에너지 생산 필요에 따라 에너지 시스템을 신속하게 램프 업/다운할 수 있도록 저온, 즉 850 ℃ 미만의 온도, 바람직하게는 550 ℃ 내지 750 ℃ 범위의 온도에서 작동하도록 구성된다.
제2 양태에 따른 한 실시예에서, 에너지 생산 시스템의 가역적 전기화학 전지 시스템은 시스템이 전력 생산 모드로 작동될 때 암모니아 크래커로부터 제공된 H2 기체 스트림 중 불순물을 용인하도록 구성된다.
제2 양태에 따른 한 실시예에서, 에너지 생산 시스템의 가역적 전기화학 전지 시스템은 H2 기체 스트림 중 적어도 0.15% 암모니아, 예컨대 0.05% 내지 1% 암모니아를 용인하도록 구성된다.
가역적 전기화학 전지 시스템은 암모니아 크래커로부터 제공된 H2 기체를 세정하기 위한 추가의 정제 유닛의 필요성을 방지하기 위해 NH3 불순물을 용인하도록 구성된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 1 bar 내지 30 bar의 압력에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 1 bar 내지 20 bar의 압력에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 1 bar 내지 10 bar의 압력에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 1 bar 내지 5 bar의 압력에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 3 bar 내지 5 bar 내지 15 bar의 압력에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 전기화학 전지 시스템은 15 bar 내지 30 bar의 압력에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서 가역적 전기화학 전지 시스템은 가역적 고체 산화물 전지이다.
바람직하게는 가역적 전기화학 전지 시스템은 가역적 고체 산화물 전지이다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 가역적 고체 산화물 전지의 전지 재료는 금속 또는 세라믹 지지형 전지이다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 수소 분리 및 압축을 위한 반응기에 연결되거나 또는 그를 포함하고, 암모니아 합성 반응기에 수소를 제공하도록 배열되며, 여기서 에너지 생산 시스템은 전력 저장 모드에서 암모니아의 생산을 위해 구성된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 수소 분리 및 압축을 위한 반응기는 고온 전기화학 수소 펌프이다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 수소 분리 및 압축을 위한 반응기는 약 400 ℃ 내지 약 800 ℃의 온도에서 작동하도록 구성된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 수소 분리 및 압축을 위한 반응기는 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 수소 분리 및 압축을 위한 반응기는 550 ℃ 내지 750 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 수소 분리 및 압축을 위한 반응기는 550 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 하나의 추가 실시예에서, 수소 분리 및 압축을 위한 반응기는 600 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 하나의 추가 실시예에서, 수소 분리 및 압축을 위한 반응기는 700 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 하나의 추가 실시예에서, 수소 분리 및 압축을 위한 반응기는 700 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 동작한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 분리 및 압축 반응기는 양성자 멤브레인 반응기를 기반으로 하는 고온 전기화학 수소 펌프일 수 있다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 분리 및 압축 반응기는 수소의 분리 및 압축 동안 열을 생성할 수 있다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 분리 및 압축 반응기는 낮은 소음에서 수소를 전기화학적으로 분리 및 압축할 수 있는 반응기일 수 있다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 공기 분리기는 적어도 96%, 예컨대 적어도 97% 또는 98% 순도 N2를 달성하도록 구성된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 공기 분리기는 적어도 99%, 99.5%, 99.6%, 99.7%, 99.8% 또는 적어도 99.9% 순도 N2를 달성하도록 구성된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 공기 분리기는 1 bar 내지 20 bar의 압력에서 동작된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 공기 분리기는 3 bar 내지 18 bar의 압력에서 동작된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 공기 분리기는 3 bar 내지 15 bar의 압력에서 동작된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 공기 분리기는 3 bar 내지 10 bar의 압력에서 동작된다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 공기 분리기는 극저온 증류 유닛, 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛 또는 멤브레인 유닛이다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 공기 분리기는 압력 스윙 흡착 유닛이다.
제1 또는 제2 양태에 따른 한 바람직한 실시예에서, 공기 분리기는 PSA 유닛 또는 멤브레인 유닛 그리고 더 바람직하게 PSA 유닛이다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 합성 반응기는 약 250 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위의 온도인 저온에서 동작하도록 구성된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서 암모니아 합성 반응기는 약 350 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위의 온도인 저온에서 동작하도록 구성된다.
바람직한 실시예에서, 암모니아 합성 반응기는 약 350 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위의 온도에서 동작하도록 구성된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서 암모니아 합성 반응기는 약 3 MPa 이하의 압력에서 동작하도록 구성된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서 암모니아 합성 반응기는 MPa 3 내지 1 MPa의 압력에서 동작하도록 구성된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 합성은 2MPa 내지 1MPa의 압력에서 동작하도록 구성된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 합성 반응기는 1.5MPa 내지 0.5MPa의 압력에서 동작하도록 구성된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 합성은 약 1 MPa의 압력에서 동작하도록 구성된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 바람직한 실시예에서, 암모니아 합성 반응기는 약 1.5 MPa 이하의 압력에서 동작하도록 구성된다.
암모니아 합성 반응기의 저압, 즉 약 3 MPa 이하의 압력은 시스템의 소음을 70db 내지 10db, 예컨대 40db 내지 30db로 감소시키기 위한 시스템의 이점이며, 이는 냉장고로부터의 소음에 필적한다. 한 실시예에서 제1 및 제2 양태의 암모니아 합성 반응기의 촉매 및 제2 양태의 크래커의 가역적 공정의 촉매는 Fe 기반 촉매, Ru 기반 촉매, 세라믹 혼합 산화물 기반 촉매, 또는 환원가능한 또는 부분 환원가능한 혼합 산화물 지지체 물질 상의 촉진된 금속 촉매(promoted metal catalyst)로부터 선택된다.
한 실시예에서, 제1 양태 또는 제2 양태에 따른 암모니아 합성 반응기 및 암모니아 크래커의 촉매는 하이드리드, 니트라이드 및 3금속 화합물로부터 선택된다.
한 바람직한 실시예에서 제1 양태 또는 제2 양태에 따른 암모니아 합성 반응기 및 암모니아 크래커의 촉매는 환원가능한 또는 부분 환원가능한 혼합 산화물 지지체 물질 상의 촉진된 금속 촉매이다.
한 바람직한 실시예에서, 제1 양태 또는 제2 양태에 따른 암모니아 합성 반응기 및 암모니아 크래커의 촉매는 환원가능한 또는 부분 환원가능한 혼합 산화물 지지체 물질 상의 촉진된 금속 촉매이며, 여기서 지지체 물질은 Mg, Ce 및 La 또는 그의 조합으로부터 선택된다.
본 발명의 에너지 생산 시스템의 추가의 이점은 제1 양태 또는 제2 양태에 따른 암모니아 합성 반응기의 촉매가 에너지 생산 시스템의 가역적 전기화학 전지 시스템으로부터의 H2 기체 스트림 중 불순물을 용인하도록 구성되며, 따라서, H2 기체 스트림의 정제를 위한 별도의 고가의 대형 정제 유닛에 대한 필요성을 극복하고, 따라서 소형 시스템을 제공할 수 있다는 것이다.
한 실시예에서, 제1 양태 또는 제2 양태에 따른 암모니아 합성 반응기는 3 MPa*리터 이하, 바람직하게는 약 2.5 MPa*리터 이하의 압력-곱하기(*)-부피에서 동작하도록 구성된다.
제2 양태에 따른 한 실시예에서, NH3 합성의 가역적 공정인 암모니아 크래커는 1 MPa 이하, 예컨대 0.5 MPa 이하의 압력 하에 동작한다.
제2 양태에 따른 한 실시예에서 암모니아 크래커는 약 700 ℃ 내지 약 400 ℃, 예컨대 약 650 ℃ 내지 약 450 ℃, 바람직하게는 약 600 ℃ 내지 약 450 ℃의 온도 범위에서 동작한다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 저장 유닛은 암모니아 분리 물질을 포함하는 적어도 하나의 암모니아 분리 반응기에 연결되거나 또는 그를 포함한다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 시스템은 미반응 H2 및 N2 및 흡수되지 않은 NH3을 암모니아 분리기로부터 암모니아 합성 반응기로 다시 펌핑하도록 구성된 재순환 펌프를 포함한다.
상기 실시예에 따른 펌프는 시스템이 분리되고 금속 할라이드에 저장되기에 충분한 양의 H2 및 N2를 액체 NH3으로 전환시키기 위해 H2 및 N2 및 흡수되지 않은 NH3을 다시 암모니아 분리기로부터 암모니아 합성 반응기로 재순환시키도록 구성된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 저장 유닛의 금속 할라이드는 화학식 MaXz를 갖고, 여기서, M은 Mn 및 Mg로부터 선택된 양이온이고, X는 클로라이드 및 브로마이드로부터 선택된 음이온이고, a는 염 분자당 양이온의 수이고, z는 염 분자당 음이온의 수이다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 저장 유닛은 암모니아 분리 반응기를 포함한다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서 암모니아 분리 물질은 금속 할라이드이다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 분리 반응기의 금속 할라이드는 화학식 MaXz를 갖고, 여기서, M은 Mn 및 Mg로부터 선택된 양이온이고, X는 클로라이드 및 브로마이드로부터 선택된 음이온이고, a는 염 분자당 양이온의 수이고, z는 염 분자당 음이온의 수이다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 암모니아 분리 반응기의 상기 금속 할라이드는 알루미나, 실리카 또는 제올라이트로부터 선택된 기재에 의해 지지된다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 한 실시예에서, 시스템은 중앙 시스템 제어기 및 센서를 포함하고, 중앙 시스템 제어기는 현재 전력 생산이 전력 생산 임계치를 초과하거나 또는 그 미만인 것을 수신하고; 중앙 시스템 제어기로부터 신호를 송신하여 에너지 생산 시스템으로 하여금 전력 생산 속도가 전력 생산 임계치를 초과하는 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 전기분해 모드에서 동작하는 에너지 저장 모드로 전환하게 하거나; 또는 에너지 생산 시스템으로 하여금 전력 생산이 전력 생산 임계치 미만인 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 연료 전지 모드에서 동작하는 에너지 생산 모드로 전환하게 하도록 구성된다.
한 실시예에서, 열 전달 시스템은 열을 포획하여 가정 또는 작은 상업용 건물 내의 수계 가열 시스템에 제공하기 위해 에너지 생산 시스템의 유닛 중 하나 이상에 의해 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다.
한 실시예에서, 열 전달 시스템은 에너지 생산 시스템의 적어도 2개의 개별 유닛 사이에서 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다.
한 실시예에서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 열을 포획하여 가정 또는 작은 상업용 건물에서 수계 가열 시스템에 제공하기 위해 열 교환기에 연결된다.
한 실시예에서, 열 전달 시스템은 열을 포획하여 가정 또는 작은 상업용 건물의 수계 가열 시스템에 제공하기 위해 에너지 생산 시스템에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다.
한 실시예에서, 열 교환기는 에너지 생산 시스템(1)의 적어도 2개의 개별 유닛 사이에서 열을 전달하도록 구성된다.
본 발명의 한 실시예에서, 암모니아 합성 반응기 및/또는 암모니아 분리 반응기 중 적어도 하나에서 생성된 열은 에너지 생산 시스템이 전력의 저장을 위해 구성될 때 열 교환기에 의해 스팀 발생기로 전달될 수 있다.
한 실시예에서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 열을 암모니아 저장 유닛으로 전달하기 위해 열 교환기에 연결되고, 에너지 생산 시스템은 전력의 생산을 위해 구성된다.
한 실시예에서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 열을 포획하여 가정 또는 작은 상업용 건물에서 수계 가열 시스템에 제공하기 위해 열 교환기에 연결된다.
한 실시예에서, 열 전달 시스템은 열을 포획하여 가정 또는 작은 상업용 건물의 수계 가열 시스템에 제공하기 위해 에너지 생산 시스템에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다.
한 실시예에서, 에너지 생산 시스템은 간헐적 에너지 자원을 포함하거나 그에 연결된다.
한 실시예에서, 간헐적 에너지 자원은 태양광 패널, 풍력 터빈, 수력 터빈 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
한 실시예에서, 에너지 생산 시스템의 전력은 태양광 패널, 풍력 터빈, 수력 터빈 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나로부터 생성된다.
한 실시예에서, 에너지 생산 시스템의 전력은 리튬 배터리와 같은 배터리로부터 생성된다.
한 실시예에서, 간헐적 에너지 자원에 의해 생성된 초과 전력은 금속 할라이드 중 NH3으로서 에너지 생산 및 저장 시스템에 저장된다.
한 실시예에서, 간헐적 에너지 자원으로부터의 에너지 생산이 없을 때, 에너지 생산 시스템은 금속 할라이드 저장 유닛에 저장된 NH3으로부터의 NH3의 방출에 의해 전력을 전달한다.
한 실시예에서, 시스템은 10 입방 미터 이하의 치수를 갖는 소형 시스템이다.
한 실시예에서, 에너지 생산 시스템의 총 치수는 약 10 m3 이하이다.
한 실시예에서, 에너지 생산 시스템의 총 치수는 10 m3 내지 4 m3이다.
한 실시예에서, 에너지 생산 시스템의 총 치수는 8 m3 내지 4.5 m3이다.
한 실시예에서, 에너지 생산 시스템의 총 치수는 약 5 m3이고, 여기서, 암모니아 저장 유닛(8)은 약 3 m3이다.
한 실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 생산 시스템의 소음은 70db 내지 10db, 예컨대 40db 내지 30db이고, 이는 냉장고로부터의 소음에 필적한다.
한 실시예에서, 시스템은 가정 또는 작은 상업용 건물에서 전기 에너지의 저장 또는 생산을 위한 것이다.
한 실시예에서, 시스템은 전기 그리드에 결합된다.
한 실시예에서, 시스템은 전기 그리드에 결합되지 않는다.
제3 양태에서, 본 발명은 가정 또는 작은 상업용 건물에서의 전기 에너지의 저장 또는 생산을 위한, 제1 또는 제2 양태 또는 그 안의 임의의 실시예에 따른 에너지 생산 시스템의 사용을 제공한다.
제4 양태에서, 본 발명은 가정 또는 작은 상업용 건물의 수계 가열 시스템에서, 제1 또는 제2 양태 또는 그 안의 임의의 실시예에 따른 에너지 생산 시스템에 의해 생성된 열의 사용을 제공하고, 여기서 수계 가열 시스템은 라디에이터, 바닥 가열 시스템, 온수 탱크 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함한다.
제5 양태에서, 본 발명은 중앙 시스템 제어기를 포함하는, 제1 또는 제2 양태 및 그 내부의 임의의 실시예에 따른 에너지 생산 시스템을 동작시키는 방법을 제공하고, 방법은
a. 현재 전력 생산이 전력 생산 임계치를 초과하거나 또는 그 미만이라는 것을 중앙 시스템 제어기에서 수신하는 단계; 및
b. 중앙 시스템 제어기로부터 신호를 송신하여 에너지 생산 시스템으로 하여금 전력 생산 속도가 전력 생산 임계치를 초과하는 경우에 가역적 전기화학 전지가 전기분해 모드에서 동작하는 에너지 저장 모드로 전환하게 하거나; 또는 에너지 생산 시스템으로 하여금 전력 생산이 전력 생산 임계치 미만인 경우에 가역적 전기화학 전지가 연료 전지 모드에서 동작하는 에너지 생산 모드로 전환하게 하는 단계를 포함한다.
도 1은 태양 전지판, 배터리, 가역적 전기화학 전지 및 암모니아 합성 및 저장의 조합을 이용하는 제1 또는 제2 양태에 따른 에너지 생산 시스템의 예시적인 실시예의 간단한 개략도이며, 여기서 시스템은 전력의 저장을 위해 암모니아를 사용하고 전력의 생산을 위해 암모니아 또는 H2를 이용한다. 시스템은 특히 단일 가정 또는 작은 상업용 건물에서 사용하도록 구성된다.
도 2는 에너지 생산 시스템의 한 실시예의 상세한 예시이다. 이 도면은 에너지 저장 모드에 대한 흐름 방향과 함께 시스템 설계를 예시한다.
도 3은 제1 양태에 따른 에너지 생산 시스템의 한 실시예의 상세한 예시이다. 이 도면은 에너지 생산 모드를 위한 흐름 방향과 함께 시스템 설계를 예시한다.
도 2는 에너지 생산 시스템의 한 실시예의 상세한 예시이다. 이 도면은 에너지 저장 모드에 대한 흐름 방향과 함께 시스템 설계를 예시한다.
도 3은 제1 양태에 따른 에너지 생산 시스템의 한 실시예의 상세한 예시이다. 이 도면은 에너지 생산 모드를 위한 흐름 방향과 함께 시스템 설계를 예시한다.
하기 설명에서, 본 발명의 다양한 예 및 실시예는 통상의 기술자에게 본 발명의 보다 철저한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 다양한 실시예의 맥락에서 그리고 첨부 도면을 참조하여 설명된 특정 세부사항은 제한으로서 해석되기를 의도하지 않는다.
수치 한계 또는 범위가 언급되는 경우, 종점이 포함된다. 또한, 수치 한계 또는 범위 내의 모든 값 및 하위 범위는 명시적으로 기재된 것처럼 구체적으로 포함된다.
도 1은 단일 가정 또는 작은 상업용 건물에서의 본 발명에 따른 에너지 생산 시스템의 사용을 예시한다. 에너지 생산 시스템은 전력의 저장 및 생산을 위해 암모니아를 이용한다.
도 1을 참조하면, 에너지 생산 시스템은 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드에서 작동할 때 전기분해 모드에서 전력으로부터 수소를 생산하고 생산 시스템이 전력 생산 모드에서 작동할 때 연료 전지 모드에서 암모니아로부터 전력을 생산하도록 구성된 가역적 전기화학 전지 시스템(2)을 포함한다.
전력은 배터리(12) 및/또는 태양광 PV 모듈(11)에 의해 에너지 생산 시스템의 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에 제공된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전력은 풍력 터빈 또는 수력 터빈에 의해 에너지 생산 시스템(1)에 제공된다. 태양광 PV 모듈은 배터리(12)에 연결된다.
에너지 생산 시스템은 추가로 에너지 생산 시스템이 전력 저장 모드에서 작동할 때 암모니아를 저장하도록 구성되고 에너지 생산 시스템(1)이 전력 생산 모드에서 작동할 때 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에 암모니아를 제공하도록 배열된 암모니아 저장 유닛(8)을 포함한다.
본 에너지 생산 시스템의 이점 중 하나는, 시스템이 열을 포획하여 가정 또는 작은 상업용 건물 내의 수계 가열 시스템에 제공하기 위해 에너지 생산 시스템에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다는 것이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에서 생성된 잉여 열은 온수 탱크(13)에 열을 제공하도록 구성되며, 여기서 온수 탱크(13)는 수계 가열 시스템(18)에 온수를 제공하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 생산 시스템은, 단일 건물 내에 위치되고 그가 위치되는 건물 내에 또는 그에 근접하여 위치되는 건물에 대한 전력의 생산 및 저장을 제공하는 목적으로 기능하는 소형, 분산형 시스템이다. 건물은 단독 주택, 휴일 주택, 소형 주택(cottage) 또는 작은 상업용 건물이다.
본 발명에 따른 에너지 생산 시스템(1)은 전기 그리드에 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 생산 시스템(1)은 오프-그리드 시스템일 수 있고, 즉 전기 그리드의 일부가 아닐 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 생산 시스템은 소형 시스템이고, 즉 에너지 생산 시스템(1)은 단일 가정 또는 작은 상업용 건물에서 사용하기에 적합하도록 소형이어야 한다.
소형 에너지 생산 시스템의 총 치수는 10 입방 미터 이하일 수 있다.
제1 또는 제2 양태에 따른 소형 에너지 생산 시스템은 다음과 같은 시스템이다:
본 발명에 따른 에너지 생산 시스템에서 소음 및 에너지 요건을 감소시키기 위해, 전기 저장 모드 동안 암모니아 합성 반응기(6)에서의 암모니아의 생산 공정은 전형적으로 10 내지 15 MPa에서 작동되는 대부분의 암모니아 생산 공정과 달리 3 MPa, 바람직하게는 1.5 MPa 이하의 압력에서 동작할 수 있다. 압력의 감소는 소음을 감소시키기 위해 필요하다.
본 발명에 따른 시스템은 피크 시간 동안 효율적인 에너지 수확 및 신뢰성 있는 전력 공급을 여전히 보장하면서, 비용과 유연성을 균형화하도록 구성된다.
본 발명에 따른 에너지 생산 시스템은 전력 저장 모드와 전력 생산 모드 사이에서 용이하게 전환할 수 있는 동적 시스템이고, 특정 실시예에서, 중앙 시스템 제어기 및 센서를 포함하고, 중앙 시스템 제어기는 현재 전력 생산이 전력 생산 임계치를 초과하거나 또는 그 미만이라는 것을 센서로부터 수신하도록 구성되고; 중앙 시스템 제어기로부터 신호를 송신하여 에너지 생산 시스템으로 하여금 전력 생산 속도가 전력 생산 임계치를 초과하는 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 전기분해 모드에서 동작하는 에너지 저장 모드로 전환하게 하거나; 또는 에너지 생산 시스템으로 하여금 전력 생산이 전력 생산 임계치 미만인 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 연료 전지 모드에서 동작하는 에너지 생산 모드로 전환하게 하도록 구성된다.
본 발명에 따른 에너지 생산 시스템의 실시예의 상세한 설명이 도 2에 도시되어 있다.
도 2의 시스템은 전력 저장 모드에서 작동된다. 화살표는 전력이 전달되는 방향뿐만 아니라 물질 및 열 흐름을 나타낸다.
에너지 생산 시스템(1)은
- 전기분해 모드에서 전력으로부터 수소를 생산하도록 구성된 가역적 전기화학 전지 시스템(2);
- 암모니아 합성 반응기(6)로의 청정 N2를 달성하도록 구성된 공기 분리기(3);
- 촉매를 포함하는 암모니아 합성 반응기(6)로서, 합성 반응기는 가역적 전기화학 전지 시스템(2)으로부터의 H2 및 공기 분리기(3)로부터의 N2를 수용하도록 배열된, 암모니아 합성 반응기;
- N2 및 H2로부터 암모니아를 분리하는 암모니아 분리 물질을 포함하는 암모니아 분리 반응기(7)로서, 암모니아 합성 반응기(6)로부터 암모니아 및 미반응 N2 및 H2를 수용하고 암모니아를 암모니아 저장 유닛(8)에 제공하도록 구성된, 암모니아 분리 반응기;
- 암모니아를 저장하도록 구성된 금속 할라이드를 포함하는 암모니아 저장 유닛(8)으로서, 암모니아 합성 반응기(6) 및/또는 암모니아 분리 반응기(7)로부터 암모니아를 수용하도록 배열되는, 암모니아 저장 유닛; 및
- 에너지 생산 시스템(1)에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기(16, a, b, c, d, e, f, g)를 포함하는 열 전달 시스템을 포함한다.
대안적으로, 에너지 생산 시스템은
- 전기분해 모드에서 전력으로부터 수소를 생산하도록 구성된 가역적 전기화학 전지 시스템(2);
- 암모니아 합성 반응기(6)로의 청정 N2를 달성하도록 구성된 공기 분리기(3);
- 촉매를 포함하는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기로서, 합성 반응기는 가역적 전기화학 전지 시스템(2)으로부터의 H2 및 공기 분리기(3)로부터의 N2를 수용하도록 배열되는, 암모니아 합성- 및 크래커 반응기;
- N2 및 H2로부터 암모니아를 분리하는 암모니아 분리 물질을 포함하는 암모니아 분리 반응기(7)로서, 암모니아 합성- 및 크래커 반응기로부터 암모니아 및 미반응 N2 및 H2를 수용하고 암모니아를 암모니아 저장 유닛(8)에 제공하도록 구성된, 암모니아 분리 반응기;
- 암모니아를 저장하도록 구성된 금속 할라이드를 포함하는 암모니아 저장 유닛(8)으로서, 암모니아 합성- 및 크래커 반응기 및/또는 암모니아 분리 반응기(7)로부터 암모니아를 수용하도록 배열되는, 암모니아 저장 유닛; 및
- 에너지 생산 시스템(1)에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기(16, a, b, c, d, e, f, g)를 포함하는 열 전달 시스템을 포함한다.
에너지 생산 시스템(1)은 간헐적 에너지 자원을 포함하거나 간헐적 에너지 자원에 연결될 수 있다.
간헐적 에너지 자원은 태양광 PV 모듈, 풍력 터빈 및/또는 수력 터빈으로부터 선택된다.
에너지 생산 시스템(1)은 배터리에 연결될 수 있다.
전력 저장 모드에서, 옥상 태양광 PV 모듈(11) 또는 대안적으로 풍력 터빈 또는 수력 터빈에 의해 생성된 전력은 배터리(12)에 저장되거나 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에 직접 제공된다.
가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 수소의 비자발적 생산을 구동하기 위해 전력을 필요로 한다.
가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 400 ℃ 내지 800 ℃, 예컨대 400 ℃ 내지 700 ℃, 바람직하게는 550 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 동작하고, 전기분해 모드에서 전력으로부터 수소(H2) 및 열을 생성하도록 구성된다.
가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 전기분해 모드에서 화학 반응을 야기하고 가역 공정에서 연료 전지 모드에서 화학 반응으로부터 전력을 생성하기 위해 전력을 사용할 수 있는 전기화학 전지 시스템이다.
전기분해 모드에서, 가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 전력을 사용하여 물로부터 수소 및 산소를 생성하고, 물은 스팀 발생기(9)에 의해 생성된 스팀의 형태이고, 스팀은 물 탱크(10) 및 스팀 발생기(9)에 의해 전기화학 전지 시스템(2)에 제공되고, 전기화학 전지 시스템에 추가로 연결된 스팀 발생기에 물 탱크가 연결된다.
물의 전기분해 동안, 공기(19a)는 송풍기(14)에 의해 전기화학 전지 시스템(2) 내로 제공된다. 공기는 산소를 신속하게 제거하는 것을 돕기 위해 산소가 생성되는 곳에 매우 근접한 전지 내로 공급된다. 출구(20c)는 "O2 농후" 공기를 배출한다. 따라서, 공기의 목적은 생성된 농후화된 산소에 대한 "캐리어 가스"로서이다.
가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 온수 탱크(13)에 연결될 수 있고, 이에 의해 전기화학 전지 시스템(2)은 전기분해 모드 동안 생성된 열을 열 교환기(16d)에 의해 물 탱크(13)로 전달하도록 구성된다.
전기분해 모드 동안, 전기화학 전지 시스템(2)은 열 교환기(16a)에 의한 열의 전달에 의해 수소 분리 및 압축 반응기(4)로부터 열을 수용하도록 구성될 수 있다.
전기분해 모드 동안, 스팀 발생기(9)는 열 교환기(16b, c)에 의한 열의 전달에 의해 암모니아 합성 반응기(6)에서 암모니아의 발열 합성 반응으로부터 열을 수용하도록 구성될 수 있다.
전기분해 모드 동안, 스팀 발생기(9)는 열 교환기(16b, c)에 의한 열의 전달에 의해 암모니아 분리 반응기(7)로부터 열을 수용하도록 구성될 수 있다.
가역적 전기화학 전지 시스템은 혼합기(5) 내로 청정 수소를 제공하기 위해 수소 분리 및 압축 반응기(4)에 연결될 수 있다.
대안적으로, 가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 H2의 분리 및 압축을 위한 반응기(4)를 포함할 수 있다.
가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 H2의 분리 및 압축을 위한 반응기(4)를 포함하는 가역적 고체 산화물 전기화학 전지(SOEC)일 수 있다.
대안적으로, 가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 가역 고체 산화물 연료 전지(SOFC)일 수 있다.
전기분해 모드 및 전력의 저장 동안, 공기 분리기(3)는 공기 분리 유닛 내로 공기(19b)를 수용하도록 구성되고, 또한 공기(19b)로부터 질소를 분리하도록 구성된다. 공기 분리기(3)는 혼합기(5)에 연결되고 혼합기(5)에 N2를 전달하도록 구성된다. 산소(20a)는 공기 분리기로부터 배출된다.
전기분해 모드 동안, 공기 분리기(3)는 배터리(12)로부터 전기를 수용하도록 구성될 수 있다.
전기분해 모드 동안, 공기 분리기(3)는 태양광 PV 모듈(11)로부터 전기를 수용하도록 구성될 수 있다.
혼합기(5)는 암모니아 합성 반응기(6)에 연결되고 H2 및 N2를 암모니아 합성 반응기(6)로 전달하도록 구성된다.
암모니아 합성 반응기(6) 또는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기는 암모니아 및 미반응 수소 및 질소를 암모니아를 분리하도록 구성된 분리 반응기(7)로 전달하는 압축기 또는 펌프(15)에 연결된다. 분리 반응기(7)로부터의 암모니아는 암모니아 저장 유닛(8)으로 전달된다. 분리 반응기(7)로부터의 미반응 질소 및 수소는 다시 암모니아 합성 반응기(6)로 순환된다.
전기분해 모드 동안 암모니아 합성 반응기(6) 또는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기는 배터리(12)로부터 전기를 수용하도록 구성될 수 있다.
전기분해 모드 동안 암모니아 합성 반응기(6)는 태양광 PV 모듈(11)로부터 전기를 수용하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 생산 시스템의 실시예의 상세한 설명이 도 3에 도시되어 있다.
도 3의 시스템은 전력 생산 모드에서 작동된다. 화살표는 전력이 전달되는 방향뿐만 아니라 물질 및 열 흐름을 나타낸다.
전력 생산 모드 동안, 가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 연료 전지 모드에서 작동된다.
본 발명의 제1 양태에 따른 연료 전지 모드에서, 암모니아 저장 유닛(8)은 암모니아를 질소 및 수소로 분해하는 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에 암모니아를 전달하도록 구성된다.
연료 전지 모드 동안, 공기는 반응물로서 산소를 공급하기 위해 공기 유입구(19c)를 통해 연료 전지에 진입한다. 산소는 연료 전지를 통해 운송되어 수소와 반응하고, 따라서, 열 및 전기를 생성한다. "N2-농후" 공기는 출구(19d)를 통해 연료 전지를 벗어난다.
연료 전지 모드에서, 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에 의해 생성된 잉여 열은 열 교환기(16e 및/또는 16f)에 의해 온수 탱크로 전달될 수 있다.
연료 전지 모드에서, 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에 의해 생성된 잉여 열은 열 교환기(16g)에 의해 암모니아 저장 유닛으로 전달될 수 있다.
연료 전지 모드에서, 암모니아의 분해는 전기를 필요로 하는 가정용 전기 시스템(17)으로 전달되는 전력을 생성한다.
연료 전지 모드에서, 암모니아의 분해는 암모니아 저장 유닛(8)으로 전달될 수 있는 전력을 생성한다.
암모니아 저장 유닛(8)으로부터 암모니아를 방출하기 위해, 암모니아 저장 유닛은 가열을 필요로 한다.
대안적으로, 시스템이 암모니아 합성- 및 크래커 반응기를 포함하는 제2 양태에 따르면, 연료 전지 모드에서 암모니아 저장 유닛(8)은 암모니아를 질소 및 수소로 분해하는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기로 암모니아를 전달하도록 구성되고, 여기서 수소는 전력을 생산하기 위해 연료 전지 모드로 작동하는 가역적 전기화학 전지 시스템(2)으로 전달된다.
전기화학 전지 시스템(2)
가역적 전기화학 전지 시스템은 전기분해 모드에서 화학 반응을 야기하고 가역적 공정에서 연료 전지 모드에서 화학 반응으로부터 전력을 생성하기 위해 전력을 사용할 수 있는 전기화학 전지 시스템이다.
연료 전지 모드에서, 본 발명의 제1 양태에 따른 전기화학 전지 시스템(2)은 암모니아(NH3) 기반 동작을 위해 구성된 연료 전지이다.
암모니아의 분해는 흡열 반응이다.
연료 전지 모드에서, 본 발명의 제2 양태에 따른 전기화학 전지 시스템(2)은 H2 기반 동작을 위해 구성된 연료 전지이다.
제1 또는 제2 양태에 따른 가역적 전기화학 전지 시스템은 전기분해 모드 동안 물을 수소 및 산소로 분할하는 전기화학 전지이며, 이는 전체 반응 전위가 음이기 때문에 반응이 자발적이지 않기 때문에 전력을 필요로 한다.
전형적으로, 물 전기분해 유닛을 위해 구성된 전기화학 전지는 전해질로 분리된 애노드 및 캐소드로 이루어진다.
전해질은 이온을 함유하는 수용액, 양성자 교환 멤브레인(PEM) 또는 산소 이온 교환 세라믹 멤브레인으로 제조될 수 있다.
제1 또는 제2 양태에 따른 가역적 전기화학 전지 시스템은 전기화학 전지의 스택을 형성하는 하나보다 많은 가역적 전기화학 전지를 포함한다.
제1 또는 제2 양태에 따른 가역적 전기화학 전지 시스템은 400 ℃ 내지 850 ℃, 바람직하게는 약 550 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 동작하는 전기화학 전지이다. 400 ℃ 초과의 온도와 같은 고온은 연료 전지 동작 동안 암모니아의 분해에 유리하다.
제1 또는 제2 양태에 따른 가역적 전기화학 전지 시스템은 전기분해 모드에서 스팀의 수소로의 전환에 필요한 전기를 감소시키는 400 ℃ 내지 850 ℃, 바람직하게는 약 550 ℃ 내지 650 ℃의 온도 범위에서 동작하는 전기화학 전지이다.
전기화학 전지 시스템(2)은 전기화학 전지 재료의 열화를 최소화하는 온도에서 동작할 수 있다.
제1 양태에 따른 전기화학 전지(2)의 전지는 전기화학 전지 시스템(2)이 연료 전지 모드에서 작동할 때 400 ℃ 내지 850 ℃의 온도 범위에서 암모니아를 N2 및 H2로 분해하도록 구성되고 전기분해 모드 동안 물을 H2 및 O2로 분해하도록 구성된 금속 또는 세라믹 지지형 전지일 수 있다.
제2 양태에 따른 전기화학 전지(2)의 전지는 전기화학 전지 시스템(2)이 연료 전지 모드에서 작동할 때 400 ℃ 내지 850 ℃의 온도 범위에서 전력을 생성하기 위해 H2를 이용하도록 구성되고 전기분해 모드 동안 물을 H2 및 O2로 분해하도록 구성되는 금속 또는 세라믹 지지형 전지일 수 있다.
제1 또는 제2 양태에 따른 전기화학 전지 시스템은 대기압에서 동작하도록 구성될 수 있다.
제1 또는 제2 양태에 따른 전기화학 전지 시스템은 1 bar 내지 30 bar 범위의 대기압 초과의 압력에서 동작하도록 구성될 수 있다.
제1 또는 제2 양태에 따른 가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 가역적 고체 산화물 연료 전지(SOFC)일 수 있다.
SOFC는 제1 양태에서 NH3과 같은 연료를 산화시키는 것으로부터 직접 전기를 생산하는 전기화학 전지 시스템이다. 연료 전지는 그 전해질 재료를 특징으로 하고; SOFC는 고체 산화물 또는 세라믹 전해질을 갖는다.
SOFC는 제2 양태에 따라 H2로부터 직접 전기를 생산하는 전기화학 전지 시스템이다. 연료 전지는 그 전해질 재료를 특징으로 하고; SOFC는 고체 산화물 또는 세라믹 전해질을 갖는다.
대안적으로, 가역적 전기화학 전지 시스템(2)은 가역적 고체 산화물 수전해 전지(SOEC)이다.
SOEC는 잉여 열을 제공하기 위해 발열 모드에서 동작할 수 있다.
상업용 SOEC 및 SOFC는 시장에서 입수가능하다.
* 물이 스팀으로서 공급되는 경우 효율이 더 높고, 액체로서 공급되는 경우 효율이 더 낮음.
**SoA 전지/스택은 충분히 낮은 열화 속도를 나타낸다.
SOC 스택의 상업적 제공자의 예: Ceres Power, Sunfire, SOLIDpower, Haldor Topsoe 또는 Elcogen.
분리 및 압축 반응기(4)
분리 및 압축 반응기(4)는 고온 멤브레인 반응기일 수 있다.
분리 및 압축 반응기(4)는 고온 전기화학 수소 펌프일 수 있다.
분리 및 압축 반응기(4)는 양성자 멤브레인 반응기를 기반으로 하는 고온 전기화학 수소 펌프일 수 있다.
분리 및 압축 반응기(4)는 낮은 소음에서 수소를 전기화학적으로 분리 및 압축할 수 있는 반응기일 수 있다.
분리 및 압축 반응기(4)는 수소의 분리 및 압축 동안 열을 생성할 수 있다.
분리 및 압축 반응기(4)는 500 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 동작할 수 있다.
공기 분리기(3)
공기 분리기 반응기(3)는 고순도 질소(N2)를 달성할 수 있는 공기 분리 반응기이다.
공기 분리기 반응기(3)는 저압에서 동작할 수 있다.
공기 분리기 반응기(3)는 혼합기(5)에 대해 적어도 96% 순도 N2를 달성하도록 구성될 수 있다.
공기 분리기 반응기(3)는 혼합기(5)에 대해 적어도 97% 또는 98% 순도 N2를 달성하도록 구성될 수 있다.
공기 분리기 반응기(3)는 혼합기(5)에 대해 적어도 99%, 99.5%, 99.6%, 99.7%, 99.8% 또는 적어도 99.9% 순도 N2를 달성하도록 구성될 수 있다.
공기 분리기는 극저온 증류 유닛, 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛 또는 멤브레인 유닛일 수 있다. 바람직하게는, 공기 분리기는 PSA 유닛 또는 멤브레인 유닛이다. 더 바람직하게는 PSA 유닛이다.
관련 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명에 따른 에너지 생산 시스템에 사용하기에 적합한 상업적으로 입수가능한 질소 공기 분리기를 알고 있다.
극저온 증류 분리기의 공급업체의 예는 The Linde Group, Immatec, Compressed Gas Technology Inc., Air Products(PRISM3030)이다.
암모니아 합성 반응기(6) 및 암모니아 합성- 및 크래커 반응기
암모니아는 하버-보쉬 공정에 의해 상업적으로 생산된다.
공정 반응은 가역적이고, 암모니아의 생성은 발열성이다.
통상적인 하버-보쉬 공정은 전형적으로 10 MPa/100 bar를 초과하는 압력 및 400 ℃ 내지 500 ℃에서 수행된다.
소형 에너지 생산 시스템의 경우, 암모니아 합성 반응기 또는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기는 저온, 예컨대 250 ℃ 내지 550 ℃ 범위, 예컨대 250 ℃ 내지 350 ℃ 범위, 바람직하게는 350 ℃ 내지 500 ℃ 범위의 온도에서 동작하도록 구성된다.
또한, 암모니아 합성 반응기 또는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기는 3MPa 이하, 바람직하게는 약 1.5MPa 이하의 압력에서 동작하도록 구성된다.
암모니아 합성 반응기 또는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기는 동적 동작 조건 하에 동작될 수 있다.
암모니아 합성 반응기 또는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기는 암모니아 합성 생산을 램프 업시키는데 필요한 시간을 감소시키기 위해 전력 저장이 요구되지 않는 조건 하에 여전히 전체 용량의 10-20%로 작동될 수 있다.
암모니아 크래커는 가역적 공정 하에서 그리고 전력 생산 모드에서 1 MPa 이하, 예컨대 0.5 MPa 이하의 압력에서 동작될 수 있다.
암모니아 크래커는 가역적 공정 하에 전력 생산 모드에서 약 700 ℃ 내지 약 400 ℃, 예컨대 약 650 ℃ 내지 약 450 ℃, 바람직하게는 약 600 ℃ 내지 약 45 ℃의 온도 범위에서 동작할 수 있다.
암모니아 합성 반응기 또는 암모니아 합성- 및 크래커 반응기의 촉매는 Fe 기반 촉매, Ru 기반 촉매, 세라믹 혼합 산화물 기반 촉매 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
공지된 촉매의 예: Cs-Ru/MgO 및 Ru/AC(금속간 합금) 또는 하이드리드 또는 니트라이드 또는 대안적으로 3금속 화합물을 기반으로 하는 촉매.
하이드리드의 예: 이는 수소 및 금속 또는 준금속, 예컨대 알칼리 금속 하이드리드 및 BaTiOxHy 또는 페로브스카이트 옥시니트라이드-하이드리드 촉매(Ru/BaCeO3-xNyHz) 상에 지지된 금속의 조합이다.
저온 및 저압에서 높은 활성을 갖는 니트라이드의 예는 특히 Ni/LaN7 및 LaN 촉진된 Ru/ZrH2이다.
바람직하게는 촉매는 환원가능한 또는 부분 환원가능한 혼합 산화물 지지체 물질 상의 촉진된 금속 촉매이다.
지지체 물질은 Mg, Ce, La 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택될 수 있다.
환원가능한 혼합 산화물 지지체 물질에 대한 촉진된 금속 촉매의 주요 이점은 그것이 공급원료 기체 중의 O2 또는 H2O와 같은 불순물에 대한 증가된 내성을 갖는다는 것이다. 공급원료 정제에 대한 요건의 감소는 보다 소형 시스템 설계를 가능하게 한다. 촉매는 또한 공정 정지 또는 램프 다운 동안 산화 및 탈활성화에 의해 영향을 덜 받아, 공정 램프 업 동안 성능의 보다 빠른 복원을 가능하게 하며, 이는 간헐적 에너지 공급원과 함께 사용하기에 적합한 작은 소형 시스템 설계에 있어서 매우 중요하다.
암모니아 합성 반응기 및 기술의 공급업체의 예: Siemens Green Ammmonia, Starfire Energy, Solar Hydrogen System, Iowa.
암모니아 분리 반응기(7)
고전적인 하버-보쉬 공정에서, NH3은 약 10 m3 미만의 소형 시스템에 적합하지 않은 NH3 축합에 의해 미반응 공급원료 (N2 및 H2)로부터 제거된다. 본 에너지 생산 시스템은 분리기(7) 및 암모니아 저장 유닛(8) 둘 다에서 미반응 공급원료로부터 NH3의 분리를 위해 고체 흡수제를 사용한다. 분리 반응기(7)는 또한 저장 유닛(8)의 통합된 부분일 수 있으며, 이는 소형 시스템 및 생산 비용의 절감에 유리하다.
선택적 고체 흡수제는 거의 합성 온도에서 동작하는 암모니아 분리 물질, 예컨대 금속 할라이드, 예를 들어 염화칼슘을 함유할 수 있다. 이러한 반응 및 흡수 공정으로, 암모니아는 15-30 bar에서 합성될 수 있으며, 100-300 bar에서 작동되는 통상적인 공정에 필적하는 속도를 갖는다. 반응-흡수 공정에서, 암모니아 합성 속도는 화학 반응에 의해서가 아니라 미반응 기체를 재순환시키는데 사용되는 펌프에 의해 추가로 제어된다. 흡수성 물질은, 심지어 소량으로만 존재하는 경우에도, 상기 주위 조건에서 기체 스트림으로부터 NH3을 포획할 수 있다.
암모니아 분리 물질은 금속 할라이드일 수 있다.
암모니아 분리 반응기의 금속 할라이드는 화학식 MaXz를 가질 수 있고, 여기서, M은 Mn 및 Mg로부터 선택된 양이온이고, X는 클로라이드 및 브로마이드로부터 선택된 음이온이고, a는 염 분자당 양이온의 수이고, z는 염 분자당 음이온의 수이다.
암모니아 분리 반응기의 금속 할라이드는 알루미나, 실리카 또는 제올라이트로부터 선택된 기재에 의해 지지될 수 있다.
암모니아 저장 유닛(8)
암모니아는 이론적으로 액체 암모니아와 동일한 부피 밀도로 금속 할라이드에 효율적으로 저장될 수 있다. 금속 할라이드는 또한 수소 및 질소가 조합되어 암모니아를 생성하는 반응기로부터 암모니아를 흡수하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
암모니아 저장 유닛의 금속 할라이드는 화학식 MaXz를 가질 수 있고, 여기서, M은 Mn 및 Mg로부터 선택된 양이온이고, X는 클로라이드 및 브로마이드로부터 선택된 음이온이고, a는 염 분자당 양이온의 수이고, z는 염 분자당 음이온의 수이다.
암모니아 저장 유닛(8)은 암모니아 분리 반응기(7)를 포함할 수 있다.
암모니아는 분리되어 금속 할라이드에 저장될 수 있다. 금속 할라이드 중 암모니아의 분리 및 저장의 예는 문헌 [Kale et al., ACS Appl. Energy Mater., Feb. 7, 2020, vo.3, no.3, pp. 2576-2584]에 개시되어 있다.
암모니아는 가열에 의해 흡수제로부터 방출된다.
제어 시스템
중앙 시스템 제어기를 포함하는 에너지 생산 시스템을 동작시키는 방법은
a. 현재 전력 생산이 전력 생산 임계치를 초과하거나 또는 그 미만이라는 것을 중앙 시스템 제어기에서 수신하는 단계; 및
b. 중앙 시스템 제어기로부터 신호를 송신하여, 에너지 생산 시스템으로 하여금, 전력 생산 속도가 전력 생산 임계치를 초과하는 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 전기분해 모드에서 동작하는 에너지 저장 모드로 전환하게 하거나; 또는 에너지 생산 시스템으로 하여금, 전력 생산이 전력 생산 임계치 미만인 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 연료 전지 모드에서 동작하는 에너지 생산 모드로 전환하게 하는 단계를 포함한다.
번호
참조 부호
1 에너지 생산 시스템
2 가역 전기화학 전지 시스템
3 공기 분리기
4 수소(H2) 분리 및 가압
5 혼합기
6 암모니아(NH3) 합성 반응기
7 NH3 분리기
8 NH3 저장소
9 스팀 발생기
10 물 탱크
11 태양광 PV
12 배터리
13 온수 탱크
14 송풍기
15 압축기/펌프
16 a), b), c), d), e), f), g) 열 교환기
17 가정용 전기 수요
18 수계 가열 시스템
19 a), b) c) 공기 유입구
19d 질소 농후 공기 출구
20 a), b), c) 산소(O2) 출구
1 에너지 생산 시스템
2 가역 전기화학 전지 시스템
3 공기 분리기
4 수소(H2) 분리 및 가압
5 혼합기
6 암모니아(NH3) 합성 반응기
7 NH3 분리기
8 NH3 저장소
9 스팀 발생기
10 물 탱크
11 태양광 PV
12 배터리
13 온수 탱크
14 송풍기
15 압축기/펌프
16 a), b), c), d), e), f), g) 열 교환기
17 가정용 전기 수요
18 수계 가열 시스템
19 a), b) c) 공기 유입구
19d 질소 농후 공기 출구
20 a), b), c) 산소(O2) 출구
Claims (25)
- 전력의 저장 및 생산을 위해 암모니아를 이용하는 에너지 생산 시스템(1)이며, 상기 시스템은
- 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드에서 작동할 때 전기분해 모드에서 전력으로부터 수소를 생산하고, 생산 시스템이 전력 생산 모드에서 작동할 때 연료 전지 모드에서 암모니아로부터 전력을 생산하도록 구성된 가역적 전기화학 전지 시스템(2);
- 적어도 96% 순도 N2를 달성하도록 구성된 공기 분리기(3)로서, 공기 분리기는 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드로 작동될 때 암모니아 합성 반응기(6)에 N2를 제공하도록 배열되는, 공기 분리기;
- 촉매를 포함하는 암모니아 합성 반응기(6)로서, 합성 반응기는 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드로 작동될 때 가역적 전기화학 전지 시스템(2)으로부터 H2를 수용하고 공기 분리기(3)로부터 N2를 수용하도록 배열되는, 암모니아 합성 반응기;
- N2 및 H2로부터 암모니아를 분리하는 고체 흡수성 물질을 포함하는 암모니아 분리 반응기(7)로서, 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드로 작동할 때, 암모니아 합성 반응기(6)로부터 암모니아 및 미반응 N2 및 H2를 수용하고 암모니아 저장 유닛(8)에 암모니아를 제공하도록 구성된, 암모니아 분리 반응기;
- 암모니아를 저장하도록 구성된 금속 할라이드를 포함하는 암모니아 저장 유닛(8)으로서, 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드로 작동될 때 암모니아 합성 반응기(6) 및/또는 암모니아 분리 반응기(7)로부터 암모니아를 수용하도록 배열되고, 에너지 생산 시스템(1)이 전력 생산 모드로 작동될 때 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에 암모니아를 제공하도록 배열되는, 암모니아 저장 유닛; 및
- 에너지 생산 시스템(1)에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기(16a, b, c, d, e, f, g)를 포함하는 열 전달 시스템을 포함하는, 에너지 생산 시스템. - 전력의 저장을 위한 암모니아 및 전력의 생산을 위한 수소를 이용하는 에너지 생산 시스템(1)이며, 상기 시스템은
- 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드에서 작동할 때 전기분해 모드에서 전력으로부터 수소를 생산하고 생산 시스템이 전력 생산 모드에서 작동할 때 연료 전지 모드에서 수소로부터 전력을 생산하도록 구성된 가역적 전기화학 전지 시스템(2);
- 적어도 96% 순도 N2를 달성하도록 구성된 공기 분리기(3)로서, 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드로 작동될 때 암모니아 합성 반응기(6)에 N2를 제공하도록 배열되는, 공기 분리기;
- 촉매를 포함하는 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기로서, 합성 반응기는 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드로 작동될 때 가역적 전기화학 전지 시스템(2)으로부터 H2를 수용하고 공기 분리기(3)로부터 N2를 수용하도록 배열되고, 암모니아 크래커는 전력 생산 모드에서 암모니아를 N2 및 H2로 분해하여 H2 기체 스트림을 가역적 전기화학 전지 시스템(2)에 제공하는, 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기;
- N2 및 H2로부터 암모니아를 분리하는 고체 흡수성 물질을 포함하는 암모니아 분리 반응기(7)로서, 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드에서 작동할 때, 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기로부터 암모니아 및 미반응 N2 및 H2를 수용하고 암모니아를 암모니아 저장 유닛(8)에 제공하도록 구성된, 암모니아 분리 반응기;
- 암모니아를 저장하도록 구성된 금속 할라이드를 포함하는 암모니아 저장 유닛(8)으로서, 에너지 생산 시스템(1)이 전력 저장 모드로 작동될 때 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기 및/또는 암모니아 분리 반응기(7)로부터 암모니아를 수용하도록 배열되고, 에너지 생산 시스템(1)이 전력 생산 모드로 작동될 때 암모니아 합성- 및 암모니아 크래커 반응기에 암모니아를 제공하도록 배열되는, 암모니아 저장 유닛; 및
- 에너지 생산 시스템(1)에서 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기(16a, b, c, d, e, f, g)를 포함하는 열 전달 시스템을 포함하는, 에너지 생산 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 400 ℃ 내지 800 ℃의 온도 범위에서, 바람직하게는 550 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 동작하는, 에너지 생산 시스템.
- 제2항에 있어서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 시스템은 전력 생산 모드에서 작동할 때 암모니아 크래커로부터 제공된 H2 기체 스트림 내의 불순물을 용인하도록 구성되는, 에너지 생산 시스템.
- 제4항에 있어서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 H2 기체 스트림 중의 적어도 0.15% 암모니아, 예컨대 0.05% 내지 1% 암모니아를 용인하도록 구성되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 H2 분리 및 압축을 위한 반응기(4)에 연결되거나 또는 그를 포함하고, H2를 암모니아 합성 반응기에 제공하도록 배열되며, 에너지 생산 시스템은 전력 저장 모드에서 암모니아의 생산을 위해 구성되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 암모니아 합성 반응기는 250 ℃ 내지 500 ℃ 범위, 바람직하게는 350 ℃ 내지 500 ℃ 범위의 온도인 저온에서 동작하도록 구성되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 암모니아 합성 반응기는 3 MPa 이하, 바람직하게는 1.5 MPa 이하의 압력에서 동작하도록 구성되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매는 환원가능한 또는 부분 환원가능한 혼합 산화물 지지체 물질 상의 Fe 기반 촉매, Ru 기반 촉매, 세라믹 혼합 산화물 기반 촉매 또는 촉진된 금속 촉매를 포함하는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매는 환원가능한 또는 부분 환원가능한 혼합 산화물 지지체 물질 상의 촉진된 금속 촉매로부터 선택되는, 에너지 생산 시스템.
- 제10항에 있어서, 지지체 물질은 Mg, Ce 및 La 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 암모니아 합성 반응기는 약 3 MPa * 리터 이하, 바람직하게는 약 2.5 MPa * 리터 이하의 압력-곱하기(*)-부피에서 동작하도록 구성되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 암모니아 저장 유닛은 암모니아 분리 물질을 포함하는 적어도 하나의 암모니아 분리 반응기에 연결되거나 또는 그를 포함하는, 에너지 생산 시스템.
- 제11항에 있어서, 암모니아 분리 반응기의 암모니아 분리 물질은 금속 할라이드인, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템은 미반응 H2 및 N2 및 흡수되지 않은 NH3를 암모니아 분리기로부터 암모니아 합성 반응기로 다시 펌핑하도록 구성된 재순환 펌프를 포함하는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 시스템은 중앙 시스템 제어기 및 센서를 포함하고, 중앙 시스템 제어기는 현재 전력 생산이 전력 생산 임계치를 초과하거나 또는 그 미만이라는 것을 수신하고; 중앙 시스템 제어기로부터 신호를 송신하여, 에너지 생산 시스템으로 하여금, 전력 생산 속도가 전력 생산 임계치를 초과하는 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 전기분해 모드에서 동작하는 에너지 저장 모드로 전환하게 하거나; 또는 에너지 생산 시스템으로 하여금, 전력 생산이 전력 생산 임계치 미만인 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 연료 전지 모드에서 동작하는 에너지 생산 모드로 전환하게 하도록 구성되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 열 전달 시스템은 열을 포획하여 가정 또는 작은 상업용 건물의 수계 가열 시스템에 제공하기 위해 에너지 생산 시스템의 유닛 중 하나 이상에 의해 생성된 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 열 전달 시스템은 에너지 생산 시스템의 적어도 2개의 개별 유닛 사이에서 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 가역적 전기화학 전지 시스템은 열을 포획하여 가정 또는 작은 상업용 건물에서 수계 가열 시스템에 제공하기 위해 열 교환기에 연결되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템은 간헐적 에너지 자원을 포함하거나 그에 연결되는, 에너지 생산 시스템.
- 제20항에 있어서, 간헐적 에너지 자원은 태양광 PV 모듈, 풍력 터빈, 수력 터빈 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는, 에너지 생산 시스템.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템은 10 입방 미터 미만의 치수를 갖는 소형 시스템인, 에너지 생산 시스템.
- 가정 또는 소규모 상업용 건물에서의 전기 에너지의 저장 또는 생산을 위한, 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 에너지 생산 시스템의 사용.
- 가정 또는 소규모 상업용 건물의 수계 가열 시스템에서의, 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 에너지 생산 시스템에 의해 생성된 열의 사용이며, 여기서 수계 가열 시스템은 라디에이터, 바닥 가열 시스템, 온수 탱크 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는, 사용.
- 중앙 시스템 제어기를 포함하는, 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 에너지 생산 시스템을 동작시키는 방법이며,
a. 현재 전력 생산이 전력 생산 임계치를 초과하거나 또는 그 미만이라는 것을 중앙 시스템 제어기에서 수신하는 단계; 및
b. 중앙 시스템 제어기로부터 신호를 송신하여, 에너지 생산 시스템으로 하여금, 전력 생산 속도가 전력 생산 임계치를 초과하는 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 전기분해 모드에서 동작하는 에너지 저장 모드로 전환하게 하거나; 또는 에너지 생산 시스템으로 하여금, 전력 생산이 전력 생산 임계치 미만인 경우에 가역적 전기화학 전지 시스템이 연료 전지 모드에서 동작하는 에너지 생산 모드로 전환하게 하는 단계를 포함하는, 에너지 생산 시스템을 동작시키는 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP21182145 | 2021-06-28 | ||
| EP21182145.9 | 2021-06-28 | ||
| PCT/EP2022/067762 WO2023275069A1 (en) | 2021-06-28 | 2022-06-28 | Energy production system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240027021A true KR20240027021A (ko) | 2024-02-29 |
Family
ID=76695631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020247002532A KR20240027021A (ko) | 2021-06-28 | 2022-06-28 | 에너지 생산 시스템 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4364223A1 (ko) |
| KR (1) | KR20240027021A (ko) |
| CN (1) | CN117859221A (ko) |
| CA (1) | CA3223814A1 (ko) |
| WO (1) | WO2023275069A1 (ko) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101712816B1 (ko) * | 2016-02-25 | 2017-03-07 | 한국에너지기술연구원 | 암모니아 합성 및 전력 저장 장치 |
| CN111459921A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-07-28 | 杭州电子科技大学 | 一种基于时滞互信息的空分工厂氮气浓度相关性分析方法 |
-
2022
- 2022-06-28 CA CA3223814A patent/CA3223814A1/en active Pending
- 2022-06-28 EP EP22738631.5A patent/EP4364223A1/en active Pending
- 2022-06-28 WO PCT/EP2022/067762 patent/WO2023275069A1/en active Application Filing
- 2022-06-28 KR KR1020247002532A patent/KR20240027021A/ko unknown
- 2022-06-28 CN CN202280046043.6A patent/CN117859221A/zh active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023275069A1 (en) | 2023-01-05 |
| CA3223814A1 (en) | 2023-01-05 |
| CN117859221A (zh) | 2024-04-09 |
| EP4364223A1 (en) | 2024-05-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA3028495C (en) | Process for starting mode or stand-by mode operation of a power-to-gas unit comprising a plurality of high-temperature electrolysis (soec) or co-electrolysis reactors | |
| US20080138675A1 (en) | Hydrogen generation and storage method for personal transportation applications | |
| CN101237061B (zh) | 一种温差电池和燃料电池的级联复合发电装置 | |
| US20080135403A1 (en) | Home hydrogen fueling station | |
| JP6723292B2 (ja) | エンジン付きｒｅｐを用いるエネルギ貯蔵 | |
| EP2356715A1 (en) | Apparatus and method for capturing carbon dioxide from combustion exhaust gas and generating electric energy by means of mcfc systems | |
| CN110273161B (zh) | 一种电解氨制氢系统 | |
| CN114725428A (zh) | 一种以氨气为载体的零碳排放固体氧化物燃料电池与可再生能源联合发电系统 | |
| CN201156571Y (zh) | 温差电池和燃料电池的级联复合发电装置 | |
| CN114520342B (zh) | 一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置 | |
| KR20240027021A (ko) | 에너지 생산 시스템 | |
| CN115354345A (zh) | 光伏光热耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统及其工艺方法 | |
| CN115679346A (zh) | 固体氧化物电解池系统及其温度自适应调节方法 | |
| Pandya et al. | A phosphoric acid fuel cell coupled with biogas | |
| CN218243019U (zh) | 一种基于可再生能源的电力转换利用系统 | |
| CN217334159U (zh) | 用于lng接收站零碳排高温可逆燃料电池供能/储能系统 | |
| JP2002056879A (ja) | 水電解装置−リン酸形燃料電池系発電システム | |
| Ince et al. | Power-to-fuel: A new energy storage technique | |
| Yildiz et al. | Fuel cells | |
| Christenson | Fuel cell system technologies and application issues | |
| Bylykbashi et al. | Reformed Methanol Fuel Cells: Proposed Plant for Vehicular Applications | |
| Tsai et al. | 10 Revolutionizing Energy Sustainability | |
| CN116445954A (zh) | 一种利用物理沉积Co3Mo3N催化剂附着阴极电极的固体氧化物电解池合成氨装置 | |
| CN114976168A (zh) | 一种发电联合氨电化学制储用的电热氧产供系统 | |
| CN118281267A (zh) | 一种制氢和燃料电池发电耦合系统 |