KR20240043373A - 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템은 해상풍력발전 단지,상기 해상풍력발전 단지에 위치하여 수산생물의 양식이 이루어지는 수산업 양식 설비, 상기 해상풍력발전 단지와 연결되는 해상 변전설비, 해양 바이오매스로부터 바이오에너지를 생성하는 바이오에너지 플랜트, 해수를 전기분해하여 수소가스를 생산하는 수소 플랜트, 및 상기 바이오에너지 플랜트와 상기 수소 플랜트에서 생성된 수소를 저장하는 수소저장탱크를 포함하며, 상기 해상 변전설비에 상기 수소 플랜트, 상기 바이오에너지 플랜트 및 상기 수소저장탱크가 일체형으로 통합되어 구성하는 해상풍력-수산업 공존과 수소에너지 변환, 해양 바이오에너지를 융합한 통합 발전시스템에 관한 것이다.

Description

해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템{INTEGRATED POWER SYSTEM WITH OFFSHORE WIND FARM AND MARINE BIO-H2}
본 발명은 해상풍력발전 단지, 수산업 양식 설비, 수소 플랜트, 바이오에너지 플랜트를 서로 연계한 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 기후변화에 대응하기 위하여, 기존 화석연료의 에너지에서 그린에너지로의 대전환이 이루어지고 있다. 해상풍력은 대표적인 그린에너지 중 하나로, 정부의 3020 신재생 에너지 확대정책 및 탄소중립 정책에 따라 보급량이 증가하고 있다.
그러나 지역 어민의 반대 등 주민 수용성의 문제로 기존 산업과의 융합, 부지의 공동사용 등과 같이 단지를 효율적으로 구축할 수 있는 방법에 대한 고민이 증가되고 있다. 이러한 방법 중 하나로 공통의 해역에서 풍력발전과 수산업 생산을 동시에 수행할 수 있는 해상풍력-수산업 공존 개발의 필요성이 확대되고 있다.
해상풍력-수산업 공존 기술은 해상풍력단지 내 유휴 수면에 공존 수산업 설비를 위치시켜 전력과 수산업을 동시에 생산하는 기술로, 해상풍력단지 건설에 따른 양식 면적 축소를 최소화하는데 목적이 있다.
해상풍력은 대표적인 간헐적 에너지원으로써 날마다 발전 출력 변동성이 크다. 그렇기 때문에 대용량 에너지저장장치(ESS)와 같은 시스템을 구축하여 발전 시 전력을 저장했다가 필요시에 사용하거나 출력제어를 통해 발전을 멈추기도 한다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위해 최근 활발히 연구 중인 주제가 수소에너지 전환이다. 전기를 유틸리티성이 우수한 수소로 전환하여 다양한 분야에 사용할 수 있다는 내용이며, 풍력이나 태양광 같은 간헐적 에너지를 변환 및 이용하는데 적합하다.
해양 바이오에너지는 해양 조류(Algae)를 에너지원으로 가공하는 것으로, 거대조류(미역, 다시마 등)나 미세조류(식물성 플랑크톤)를 에탄올, 메탄, 수소 등으로 변환하는 것이 가능하다. 육상 바이오에너지에 비해 성장속도가 빠르고 단위면적당 생산량이 많기 때문에 차세대 바이오에너지로 각광받고 있다.
그러나 육상에 건설하는 수소 플랜트와 바이오에너지 플랜트는 소음, 악취, 폭발위험 등의 문제로 시설 주변의 주민의 반대를 극복해야 하는 문제가 있으며, 또한 건설 부지 문제, 경제성 등의 문제로 많은 제약이 따른다.
대한민국 등록특허 제10-2027652
상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 수소 플랜트와 바이오에너지 플랜트의 건설 입지 제약을 극복하고, 수소에너지 및 바이오에너지를 생산할 수 있도록 기존의 해상풍력-수산업 공존 시스템에, 수소 플랜트 및 바이오에너지 플랜트를 포함하여, 해상풍력발전 단지, 수산업 양식 설비, 수소 플랜트 및 바이오에너지 플랜트를 서로 연계하여 복합 이용할 수 있는 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템은 해상에서 복수개의 해상풍력발전기가 설치된 해상풍력발전 단지; 상기 해상풍력발전 단지에 위치하여 수산생물의 양식이 이루어지는 수산업 양식 설비; 상기 해상풍력발전 단지와 연결되는 해상 변전설비; 해양 바이오매스로부터 바이오에너지를 생성하는 바이오에너지 플랜트; 해수 수전해로 해수를 전기분해하여 수소가스를 생산하는 수소 플랜트; 및 상기 바이오에너지 플랜트와 상기 수소 플랜트에서 생성된 수소를 저장하는 수소저장탱크;를 포함할 수 있다.
본 발명의 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템에서, 상기 해상 변전설비에 상기 바이오에너지 플랜트, 상기 수소 플랜트 및 상기 수소저장탱크가 일체형으로 통합되어 구성될 수 있다.
상기 해상풍력발전 단지에서 발전한 전기를 해저케이블을 이용하여 상기 해상 변전설비로 전달할 수 있다.
상기 바이오에너지 플랜트에서 사용되는 상기 해양 바이오매스는 상기 수산업 양식 설비에서 생산한 해조류를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바이오에너지 플랜트와 상기 수소 플랜트에 필요한 전기는 상기 해상 변전설비에서 수급할 수 있다.
상기 수소저장탱크의 일측에는 저장된 수소를 육지로 전달하는 수소이동 파이프 라인을 포함할 수 있다.
상기 바이오에너지 플랜트의 일측에는 바이오 수소 생성 공정에 필요한 합성가스를 공급하는 합성가스 공급 파이프 라인을 포함할 수 있다.
상기 수산업 양식 시설은 연승수하식 양식 시설을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템은 해상풍력발전 단지 내 유휴슈면을 활용하여 수산업 시설이 공존하고, 해상 변전설비에 바이오에너지 플랜트, 수소 플랜트 및 수소저장탱크를 일체형으로 구성하는 해양 면적을 집약적으로 활용하여 해상풍력-수산업-수소 플랜트-바이오에너지 플랜트를 동일한 장소에서 합동 연계함으로써, 각각 독립적으로 건설할 경우 발생할 수 있는 생산 효율성 및 경제성 감소 문제를 극복할 수 있다.
또한, 수소 플랜트와 바이오에너지 플랜트를 해상에 위치시켜 주민 반대와 소음, 악취, 폭발위험 등의 문제를 해결할 수 있다.
해상풍력은 대표적인 재생에너지로 무탄소 발전이며, 해조류 양식은 광합성 과정에서 탄소를 흡수하기 때문에 마이너스 탄소 체계이다. 또한 바이오에너지 생성 과정에서 메탄가스로 변환하게 되면 탄소를 포집하기 때문에 이 역시 마이너스 탄소 체계이므로 본 발명의 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템은 효과적으로 탄소를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템의 구성 모식도이다.
이하 본 발명의 본 발명의 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템에 대해 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템이다.
도 2에 도시된 바와 같이 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템은 해상풍력발전 단지(100), 상기 해상풍력발전 단지(100)에 위치한 수산업 양식 설비(10), 해상에 위치하여 수소 에너지와 바이오에너지를 생성하는 그린 수소 플랫폼(200)이 서로 연계하여 이루어져 있다.
상기 그린 수소 플랫폼(200)에는 상기 해상풍력발전 단지(100)와 연결되는 해상 변전설비(210), 해양 바이오매스로부터 바이오에너지를 생성하는 바이오에너지 플랜트(220), 해수 수전해로 해수를 전기분해하여 수소가스를 생산하는 수소 플랜트(230), 수소를 저장하는 수소저장탱크(240)를 포함하며, 상기 해상 변전설비(210)에 상기 바이오에너지 플랜트(220), 상기 수소 플랜트(230) 및 상기 수소저장탱크(240)가 일체형으로 통합되어 구성될 수 있다.
상기 해상풍력발전 단지(100)는 풍력터빈이 형성된 복수개의 해상풍력발전기(20)가 설치한다. 해상풍력발전기의 발전량 증가를 위해 서로 인접하는 해상풍력발전기 간의 일정거리 간격을 충분히 두고 설치한다. 이때 해상풍력발전기 간의 간격은 5D(여기서, D는 로터 직경을 나타냄)인 것이 바람직하다.
상기 해상풍력발전 단지(100)에서 해상풍력발전기(20)의 이격 사이에는 해상 풍력발전 단지(100) 내에 빈 공간인 유휴공간을 활용하여 수산생물의 양식을 위한 수산업 양식 설비(10)를 형성하여 해상풍력발전과 수산생물 생산을 동시에 수행한다.
상기 수산업 양식 설비(10)에서 양식되는 수산생물로는 해조류가 바람직하나, 이에 반드시 한정된 것은 아니다.
상기 수산업 양식 설비(10)는 해조류를 양식하기 적합한 뜸통이나 부의를 이용해 밧줄을 해수면에 수평으로 띄운 후 그 줄에 일정 간격으로 수직 방향의 부착줄을 달아 양식하는 방법인 연승수하식 양식이 바람직하다.
상기 수산업 양식 설비(10)에서 생산되는 해조류의 품질에 따라 식용과 변환용으로 구분한다. 식용은 운송 선박으로 항구로 옮기고, 변환용은 그린 수소 플랫폼(200)으로 전달한 후 바이오에너지 플랜트(220)를 통해 바이오 수소를 포함한 바이오 에너지로 변환한다.
상기 해상풍력발전 단지(100)에서 각각의 해상풍력발전기(20)에서 생산하는 전기를 한곳에 모아 변전하여 육지로 전송하는 해상 변전설비(210)가 존재한다.
상기 해상풍력발전 단지(100)에서 발전한 전기를 해저케이블(50)을 이용하여 해상 변전설비(210)로 전달할 수 있다.
상기 해상 변전설비(210)는 바이오에너지 플랜트(220)와 수소 플랜트(230)에 필요한 전기를 공급한다.
바이오에너지 플랜트(220)는 해양 바이오매스인 우뭇가사리, 구멍파갈래 등 해조류를 포함한 해양생명을 정제 및발효하여 생산하는 해조류 유래바이오매스에너지, 미세조류를 이용한 바이오디젤, 바이오에탄올, 해양성조류 생채에 의한 바이오가스, 바이오수소 등을 포함하는 바이오에너지를 생산하는 플랜트이다.
상기 바이오에너지 플랜트(220)에서 사용되는 상기 해양 바이오매스는 상기 수산업 양식 설비에서 생산한 해조류를 사용하는 것이 바람직하며, 운송 선박을 통해 해조류를 바이오에너지 플랜트(220)에 공급할 수 있다.
상기 바이오에너지 플랜트(220)에서 생성되는 해조류 이용 바이오 수소는 육상식물 대비 단위 무게당 더 많은 수소 가스를 생산할 수 있고, 비료나 농약과 같은 양분 추가 없이 바다의 영양분과 태양에너지만으로 생산이 가능하다. 또한 이산화탄소를 흡수하여 석회로 배출시킬 수 있어 탄소중립에도 기여가 가능하다.
상기 바이오에너지 플랜트(220)에서 해조류 이용 바이오 수소 생성 공정을 알칼리 열화학 촉매공정이라고 부르는데, 많은 양의 전기에너지와 화학 반응을 위한 합성가스가 필요하다.
그러므로 바이오에너지 플랜트(220)에서 전기에너지는 해상 변전설비(210)로 부터 공급받고, 상기 바이오에너지 플랜트(220)의 일측에 형성된 합성가스 공급 파이프 라인(320)을 통해 바이오 수소 생성 공정에 필요한 NaOH와 같은 합성가스를 공급받는다.
수소 플랜트(230)는 해수를 전기분해하여 수소가스를 생산하는 플랜트이다. 해수는 담수와 달리 다양한 미생물과 미네랄이 함유되어 있어 수전해를 시행하기 위해 해수를 정화하는 전처리 작업이 요구된다. 이 작업에 추가적인 설비와 전력이 요구되고, 해상풍력을 통해 발전한 전기 해상 변전설비(210)로 부터 공급받아 수소 플랜트(230)를 운영한다.
수소저장탱크(240)는 상기 바이오에너지 플랜트(220)와 상기 수소 플랜트(230)에서 생성된 수소를 저장한다.
상기 수소저장탱크(240)의 일측에는 저장된 수소를 육지로 전달하는 해저 가스 파이프 라인인 수소이동 파이프 라인(310)을 포함할 수 있다.
상기 수소저장탱크(240)에 저장된 수소는 상기 수소이동 파이프 라인(310)을 통해 육지의 수소 저장고로 운송하거나 가스 운송 선박을 통해 항구로 운송하여 육지로 전달될 수 있다.
본 발명의 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전시스템는 해상풍력발전 외에도 해상태양광, 조력, 파력 발전 등과 연계 가능하며, 해상풍력-태양광 바이오 수소, 해상풍력-파력 바이오 수소 등과 같은 복합 발전 시스템과도 연계할 수 있다.
100 : 해상풍력발전 단지
10 : 수산업 양식 시설
20 : 해상풍력발전기
50 : 해저케이블
200 : 그린 수소 플랫폼
210 : 해상 변전설비
220 : 바이오에너지 플랜트
230 : 수소 플랜트
240 : 수소저장탱크
310 : 수소이동 파이프 라인
320 : 합성가스 공급 파이프 라인

Claims (7)

  1. 해상에서 복수개의 해상풍력발전기가 설치된 해상풍력발전 단지;
    상기 해상풍력발전 단지에 위치하여 수산생물의 양식이 이루어지는 수산업 양식 설비;
    상기 해상풍력발전 단지와 연결되는 해상 변전설비;
    해양 바이오매스로부터 바이오에너지를 생성하는 바이오에너지 플랜트;
    해수 수전해로 해수를 전기분해하여 수소가스를 생산하는 수소 플랜트; 및
    상기 바이오에너지 플랜트와 상기 수소 플랜트에서 생성된 수소를 저장하는 수소저장탱크;를 포함하며,
    상기 해상 변전설비에 상기 바이오에너지 플랜트, 상기 수소 플랜트 및 상기 수소저장탱크가 일체형으로 통합되어 구성된 것을 특징으로 하는 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 해상풍력발전 단지에서 발전한 전기를 해저케이블을 이용하여 상기 해상 변전설비로 전달하는 것을 특징으로 하는 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 해양 바이오매스는 상기 수산업 양식 설비에서 생산한 해조류인 것을 특징으로 하는 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이오에너지 플랜트와 상기 수소 플랜트에 필요한 전기는 상기 해상 변전설비에서 수급하는 것을 특징으로 하는 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장탱크의 일측에는 저장된 수소를 육지로 전달하는 수소이동 파이프 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이오에너지 플랜트의 일측에는 바이오 수소 생성 공정에 필요한 합성가스를 공급하는 합성가스 공급 파이프 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수산업 양식 시설은 연승수하식 양식 시설인 것을 특징으로 하는 해상풍력 바이오 수소 융복합 발전 시스템.
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