KR20240043479A - 선박의 액화수소 발전시스템 - Google Patents
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Abstract
선박의 액화수소 발전시스템이 개시된다. 본 발명의 선박의 액화수소 발전시스템은, 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소저장탱크; 상기 수소저장탱크로부터 수소를 공급받아 전기를 생산하는 수소 발전부; 및상기 선박의 전력시스템에 마련되며 초전도 상태 유지를 위한 냉각유로가 마련되는 초전도 장치:를 포함하고, 상기 초전도 장치는 상기 수소저장탱크로부터 공급된 액화수소가 상기 냉각유로를 통과하며 냉열을 공급받고, 상기 초전도 장치를 거쳐 가열된 수소는 상기 수소 발전부로 공급되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 선박의 액화수소 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소저장탱크의 액화수소를 선내 전력시스템에 마련된 초전도 장치의 냉열원으로 공급하고, 초전도 장치를 거쳐 가열된 수소는 수소 발전부로 공급하여 전기를 생산하는 선박의 액화수소 발전시스템에 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 '08년과 대비하여 온실가스에 대해서는 2050년 50% 저감, 2100년 100% 저감(GHG Zero Emission)을 목표로 제시하고, 탄소 배출량은 2050년까지 70% 저감하도록 하여, 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 효과적으로 운반하기 위한 운송기술이 필요하다.
본 발명은 미래의 에너지원으로 주목받고 있는 수소를 선박을 통해 효율적으로 운반하면서 탄소 배출을 저감할 수 있는 액화수소 운반선박 관련 기술을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소저장탱크;
상기 수소저장탱크로부터 수소를 공급받아 전기를 생산하는 수소 발전부; 및
상기 선박의 전력시스템에 마련되며 초전도 상태 유지를 위한 냉각유로가 마련되는 초전도 장치:를 포함하고,
상기 초전도 장치는 상기 수소저장탱크로부터 공급된 액화수소가 상기 냉각유로를 통과하며 냉열을 공급받고, 상기 초전도 장치를 거쳐 가열된 수소는 상기 수소 발전부로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 액화수소 발전시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 수소저장탱크에서 발생하는 수소 증발가스를 상기 수소 발전부로 공급하는 가스공급라인; 상기 가스공급라인에 마련되며 수소 가스를 공급받아 압축하는 압축기; 및 상기 가스공급라인에서 상기 압축기의 전단에 마련되며 상기 압축기로 공급될 수소 가스를 상기 압축기의 인입온도에 따라 가열하는 히터:를 더 포함하며, 상기 초전도 장치를 거쳐 가열된 수소는 상기 히터의 상류에서 상기 가스공급라인으로 합류될 수 있다.
바람직하게는 상기 수소 발전부는 상기 선박의 추진 및 발전에 필요한 전력을 생산하는 연료전지 플랜트(Fuel Cell plant)를 포함하며, 상기 선박은 전기 추진(Electric Propulsion) 선박으로, 상기 초전도 장치는 초전도 추진 전동기를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 수소 발전부는, 상기 선박의 추진 및 발전에 필요한 전력을 생산하는 가스터빈부를 포함하며, 상기 선박은 전기 추진(Electric Propulsion) 선박으로, 상기 초전도 장치는 초전도 추진 전동기를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 가스터빈부는, 연료를 공급받아 연소시켜 고온·고압가스를 생성하는 수소가스터빈; 및 상기 수소가스터빈에서 생성된 고온·고압가스를 팽창시켜 전기를 생산하는 제너레이터:를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소가스터빈은 수소 연료를 공급받는 전소 방식 및 수소 연료와 LNG를 포함한 탄소계 연료를 공급받는 혼소 방식으로 구동되고, 상기 수소가스터빈에서 발생하는 배기가스로부터 포집된 이산화탄소는 상기 수소저장탱크로부터 공급된 액화수소 냉열로 액화될 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소 발전부에서 생산된 전력 및 신재생 에너지로 생산된 전력을 저장하는 에너지저장시스템(Energy Storage System)을 더 포함하고, 상기 에너지저장시스템에 저장된 전기는 상기 초전도 장치가 마련된 전력시스템을 통해 선내 추진 및 발전용으로 공급될 수 있다.
본 발명에 따르면, 친환경 무공해 연료인 수소를 선박 연료로 사용하면서 초전도 장치가 마련된 전력시스템을 구비함으로써, 선박 운항 시 온실가스 배출량을 감축하고 고효율의 친환경 선박을 구현할 수 있다.
또한 전력시스템의 초전도 장치 냉각에 액화수소 냉열을 이용하고, 초전도 장치 냉각으로 가열된 수소는 전기 생산을 위한 연료로 공급함으로써 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 기본 실시예에 따른 선박의 액화수소 발전시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2 및 3은 도 1의 기본 실시예를 보다 구체화한 본 발명의 제1 및 제2 실시예의 액화수소 발전시스템을 도시한 것이다.
도 2 및 3은 도 1의 기본 실시예를 보다 구체화한 본 발명의 제1 및 제2 실시예의 액화수소 발전시스템을 도시한 것이다.
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 기본 실시예에 따른 선박의 액화수소 발전시스템을 개략적으로 도시하였고, 도 2 및 3에는 도 1의 기본 실시예를 보다 구체화한 제1 및 제2 실시예의 액화수소 발전시스템을 도시하였다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 본 실시예의 발전시스템은, 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소저장탱크(HT), 수소저장탱크로부터 수소를 공급받아 전기를 생산하는 수소 발전부(HC), 선박의 전력시스템에 마련되며 초전도(superconduction) 상태 유지를 위한 냉각유로가 마련되는 초전도 장치(100)를 포함한다.
상기 초전도 장치(100)는 수소저장탱크로부터 공급된 액화수소가 냉각유로를 통과하며 극저온의 액화수소로부터 냉열을 공급받고, 초전도 장치를 거쳐 가열된 수소는 수소 발전부 연료로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예들의 선박은 선박의 화물로 친환경 연료인 액화수소를 수송하는 액화수소 운반선일 수 있고, 선박에는 액화수소를 저장하는 수소저장탱크(HT)가 마련된다.
수소는 끓는점이 약 -253℃의 극저온이므로 통상 기체 상태로 존재하나, 액화 시 부피가 1/800로 감소되므로 보관 및 운송 효율을 위해서 본 실시예 운반선에서는 액화수소 형태로 수소저장탱크에 저장하여 운송한다. 선박에는 복수의 수소저장탱크가 마련될 수 있고, 각 수소저장탱크는 극저온의 액화수소를 보관할 수 있는 구조 및 재질로 마련된다.
수소는 끓는점이 매우 낮으므로 수소저장탱크에 저장된 액화수소로부터 계속해서 수소 증발가스가 발생한다. 본 실시예 선박은 전기 추진 시스템(Electric Propulsion System)을 채택하고, 선내 추진 및 발전에 필요한 전력을 생산하는 수소 발전부(HC) 연료로 수소저장탱크(HT)에서 발생하는 수소 증발가스를 공급한다. 이와 같이 탄소 배출이 없는 수소를 연료로 공급받는 수소 발전부를 채택하여 발전하고 전기 추진함으로써 탄소 배출을 저감한 친환경 선박을 구현하면서, 수송 중 발생하는 수소 증발가스를 효과적으로 처리하여 수소저장탱크의 압력 상승을 방지하고 선박 안전을 확보할 수 있다.
이를 위해 수소저장탱크에서 발생하는 수소 증발가스를 상기 수소 발전부로 공급하는 가스공급라인(GL)이 연결되고, 가스공급라인에는 수소 가스를 공급받아 압축하는 압축기(250)가 마련된다. 가스공급라인에서 압축기의 전단에는 압축기로 공급될 수소 가스를 압축기의 인입온도에 따라 가열하는 히터(200)가 마련된다.
또한 본 실시예들에서는 초전도 장치(100)가 구비된 전력시스템을 구축하여, 전력시스템에서의 전기 손실을 줄임으로써 모터, 전동기 등 전력시스템 내 장치 사이즈를 줄이고, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다. 초전도 장치에서는 초전도 상태 유지를 위해 장치 소재 물질의 임계온도까지 냉각이 필요한데, 본 실시예들에서는 수소저장탱크의 액화수소를 초전도 장치 냉각에 이용하고, 초전도 장치를 냉각시키면서 가열되어 기체로 상변화된 수소는 수소 발전부의 연료로 공급한다. 전력시스템은 개략적으로 도 2 및 도 3에 도시된 제 및 제2 실시예에서와 같이 구성될 수 있으며, 액화수소 냉열로 냉각되는 전력시스템 내 초전도 장치에는 초전도 추진 전동기(100A), 고온 초전도 모터(100B) 등이 포함될 수 있다.
이를 위해 수소저장탱크(HT)로부터 액화가스를 초전도 장치로 이송하는 액화수소공급라인(LL)이 연결되고, 초전도 장치를 거친 액화수소공급라인은 히터(200)의 상류에서 가스공급라인(GL)으로 합류될 수 있다. 수소저장탱크에는 액화수소공급라인으로 액화수소를 이송하기 위한 수소공급펌프(HP)가 마련되며, 수소공급펌프 또한 초전도 펌프로 구비될 수 있다.
수소 발전부(HC)는 수소를 연료로 공급받아 선박의 추진 및 발전에 필요한 전력을 생산하는 것으로, 도 2의 제1 실시예에 도시된 바와 같이 연료전지 플랜트(Fuel Cell plant)(HCa)로 구성될 수도 있고, 도 3의 제2 실시예에 도시된 바와 같이 가스터빈부(HCb)로 구성될 수도 있다.
도 2의 제1 실시예에서는 수소저장탱크에서 발생하는 수소 증발가스와 초전도 추진전동기 등 초전도 장치 냉각 후 발생하는 수소 가스를 합쳐 히터 통과 후 연료전지 플랜트의 연료로 공급하고, 도3의 제2 실시예에서는 수소 BOG와 초전도 장치 냉각 후 발생하는 수소 가스를 히터를 거쳐 수소가스터빈의 발전원으로 공급한다.
제1 실시예 시스템에서의 연료전지 플랜트(HCa)에는 예를 들어 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)가 마련될 수 있다. SOFC는 고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로, 연료 유연성이 뛰어나 수소 뿐만 아니라 천연가스도 직접 소비할 수 있다. 연료전지 플랜트에 마련되는 SOFC의 설치용량 및 댓수는 선내 전력 수요에 따라 결정될 수 있다.
제2 실시예 시스템에서의 가스터빈부(HCb)는, 연료를 공급받아 연소시켜 고온·고압가스를 생성하는 수소가스터빈(미도시)과, 수소가스터빈에서 생성된 고온·고압가스를 팽창시켜 전기를 생산하는 제너레이터(미도시)를 포함할 수 있다.
수소가스터빈은 수소 연료를 공급받는 전소 방식 및 수소 연료와 LNG를 포함한 탄소계 연료를 공급받는 혼소 방식으로 구동될 수 있다.
탄소계 연료가 공급될 때 수소가스터빈에서 발생하는 배기가스에는 이산화탄소가 포함되는데, 이때 배기가스로부터 이산화탄소를 분리, 포집하여 액화시킨 후 선내에 저장함으로써 선박의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다. 배기가스로부터 이산화탄소의 분리에는 흡착식, 막 분리식, 응축온도식 등의 방식이 적용될 수 있고, 배기라인(EL)에 열교환기(300)를 마련하여 포집된 이산화탄소의 액화에 수소저장탱크로부터 공급된 액화수소 냉열을 이용할 수 있다.
수소 증발가스 처리 및 배기가스 중 이산화탄소의 양을 줄이기 위해 예를 들어, 복수의 수소저장탱크에서 발생하는 수소 증발가스를 가스터빈부에 연료로 우선 공급하여 소비하고, 수소저장탱크에서 자연발생하는 수소 증발가스 및 초전도 장치 냉각에 사용된 후 공급되는 수소로 수소가스터빈의 연료 수요를 충족할 수 없을 때 탄소계 연료를 보충적으로 공급하는 방식으로 운영할 수 있다.
연료전지 플랜트(HCa) 또는 가스터빈부(HCb)에서 생산된 전력은 전력시스템을 거쳐 선내 전력수요처로 송전되며, 잉여 전력은 후술하는 에너지저장시스템에 저장될 수 있다.
추진용으로 분배된 전력은 컨버터를 거쳐 추진용 전동기(100A) 또는 모터에 맞추어 변환된 후, 추진용 전동기 또는 모터에서 전력을 공급받아 회전력을 발생시켜 추진용 프로펠러를 구동시킨다. 이러한 추진용 전동기 또는 모터는 초전도 장치로 마련되어 전술한 바와 같이 액화수소 냉열로 임계온도 이하로 냉각되어 초전도 상태를 유지할 수 있다.
선내에는 수소 발전부에서 생산된 전력 및 풍력, 태양광, 태양열, 바이오에너지, 조력 등의 신재생 에너지로 생산된 전력을 저장하는 에너지저장시스템(Energy Storage System)(ESS)이 마련된다. 에너지저장시스템에 저장된 전기는 초전도 장치가 마련된 전력시스템을 통해 선내 추진 및 발전용으로 공급될 수 있다. 이와 같이 선내에 에너지저장시스템을 구비하여 신재생 에너지를 이용한 발전이 가능할 때나 수소저장탱크의 액화수소 만재(full loading) 시와 같이 수소 증발가스가 다량 발생하여 수소 발전부를 통해 생산된 잉여 전력이 있을 때, 에너지저장시스템에 저장해두고 필요한 때에 선내 추진 및 발전용으로 공급할 수 있어 선박의 에너지 효율을 높이고, 지속적으로 선내에 친환경 전력을 공급할 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.
HT: 수소저장탱크
HC: 수소 발전부
100: 초전도 장치
200: 히터
250: 압축기
HC: 수소 발전부
100: 초전도 장치
200: 히터
250: 압축기
Claims (7)
- 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소저장탱크;
상기 수소저장탱크로부터 수소를 공급받아 전기를 생산하는 수소 발전부; 및
상기 선박의 전력시스템에 마련되며 초전도 상태 유지를 위한 냉각유로가 마련되는 초전도 장치:를 포함하고,
상기 초전도 장치는 상기 수소저장탱크로부터 공급된 액화수소가 상기 냉각유로를 통과하며 냉열을 공급받고, 상기 초전도 장치를 거쳐 가열된 수소는 상기 수소 발전부로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 액화수소 발전시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 수소저장탱크에서 발생하는 수소 증발가스를 상기 수소 발전부로 공급하는 가스공급라인;
상기 가스공급라인에 마련되며 수소 가스를 공급받아 압축하는 압축기; 및
상기 가스공급라인에서 상기 압축기의 전단에 마련되며 상기 압축기로 공급될 수소 가스를 상기 압축기의 인입온도에 따라 가열하는 히터:를 더 포함하며,
상기 초전도 장치를 거쳐 가열된 수소는 상기 히터의 상류에서 상기 가스공급라인으로 합류되는, 선박의 액화수소 발전시스템. - 제 2항에 있어서,
상기 수소 발전부는 상기 선박의 추진 및 발전에 필요한 전력을 생산하는 연료전지 플랜트(Fuel Cell plant)를 포함하며,
상기 선박은 전기 추진(Electric Propulsion) 선박으로, 상기 초전도 장치는 초전도 추진 전동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 액화수소 발전시스템. - 제 2항에 있어서,
상기 수소 발전부는 상기 선박의 추진 및 발전에 필요한 전력을 생산하는 가스터빈부를 포함하며,
상기 선박은 전기 추진(Electric Propulsion) 선박으로, 상기 초전도 장치는 초전도 추진 전동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 액화수소 발전시스템. - 제 4항에 있어서, 상기 가스터빈부는
연료를 공급받아 연소시켜 고온·고압가스를 생성하는 수소가스터빈; 및
상기 수소가스터빈에서 생성된 고온·고압가스를 팽창시켜 전기를 생산하는 제너레이터:를 포함하는 선박의 액화수소 발전시스템. - 제 5항에 있어서,
상기 수소가스터빈은 수소 연료를 공급받는 전소 방식 및 수소 연료와 LNG를 포함한 탄소계 연료를 공급받는 혼소 방식으로 구동되고,
상기 수소가스터빈에서 발생하는 배기가스로부터 포집된 이산화탄소는 상기 수소저장탱크로부터 공급된 액화수소 냉열로 액화될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 액화수소 발전시스템. - 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소 발전부에서 생산된 전력 및 신재생 에너지로 생산된 전력을 저장하는 에너지저장시스템(Energy Storage System)을 더 포함하고,
상기 에너지저장시스템에 저장된 전기는 상기 초전도 장치가 마련된 전력시스템을 통해 선내 추진 및 발전용으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 액화수소 발전시스템.
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| KR1020220122610A KR20240043479A (ko) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 선박의 액화수소 발전시스템 |
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-
2022
- 2022-09-27 KR KR1020220122610A patent/KR20240043479A/ko unknown
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