KR20240072778A - 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 매탄 개질 시 발생되는 이산화탄소 포집, 저장 및 자원화를 통해 블루 및 그린수소를 생산하는 클린수소 생산거점; 및 상기 클린수소 생산 거점으로부터 생산된 블루 및 그린수소를 공급받는 적어도 하나 이상의 클린수소 노드;를 포함하고, 상기 클린수소 노드는 전국 각지의 지역별 면적, 인구수, 클린수소 생산거점과의 거리를 포함한 요소를 고려하여 전국 각지에 다수로 분산 형성 및 클린수소 생산거점과 클린수소 노드를 연결하고, 상기 분산 형성된 각각의 클린수소 노드 주변으로 물류, 휴게시설, 사무실, 식당을 포함한 인프라를 확장하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셰일가스를 포함한 천연가스를 개질하여 블루수소(Blue hydrogen) 및 그린수소(Green hydrogen)를 복합적으로 생산하고 이를 수소 트럭을 이용해 전국 각지의 클린수소 노드로 이송하며, 각각의 수소충전소에서 이를 기반으로 물류, 상점, 휴게시설 등을 운용하는 클린에너지 융복합 센터에 관한 것이다.
최근, 기후변화가 세계적인 이슈로 부상함에 따라 각 국가의 대응도 활발해지고 있으며, 주요 국가들은 온실가스의 감축을 위한 다양한 정책을 도입하고 있다. 교토 의정서가 정식으로 발효되면서, 우리나라도 온실가스의 감축 의무를 피해갈 수 없는 상황에 놓여 있지만, 온실가스의 배출량이 증가하는 추세를 끌어내리기에는 역부족인 상황이다.
이러한 상황에서 지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 유일한 대안으로 수소에너지가 주목받고 있다.
수소는 에너지, 정유, 정밀화학 및 석유화학 공정에 사용되는 중요한 화학물질이다. 전형적으로, 이는 많은 리파이너리(Refinery) 공정에 사용된다. 최근들어 화석연료기반의 경제는 수소경제 사회로 전환이 시작되면서, 소형 연료전지용 개질기, 연료전지 자동차용 수소스테이션 그리고 대용량 수소 제조용 화학 플랜트의 공정개발이 주목을 받고 있다.
상기 수소를 생산하는 방법으로는 대표적으로 전기에너지를 이용하여 순수한 물로부터 수소를 생산하는 기술인 수전해 기술의 중요성이 대두되고 있다.
종래 수전해 기술은 기본적으로 외부 전원, 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 포함하고, 외부 전원으로부터 전기가 인가되면 애노드에서 산화를 통해 산소(O2)를 발생하고, 캐소드에서 환원을 통해 수소(H2)를 발생시키는 구조를 가진다. 즉, 종래 수전해 기술은 물을 전기분해하여 수소와 산소로 분해하는 과정으로 볼 수 있다.
이때, 상기 종래 수전해 기술의 캐소드에서는 환원 과정 중에 반응물로서 OH-라디칼이 생성되는데, 상기 OH-라디칼은 애노드에서 산화를 통해 발생되는 산소(O2)와, 캐소드에서 환원을 통해 발생되는 수소(H2)와 재결합하기 쉬워 물(H2O)이 생성되기 때문에 결과적으로 수소(H2)의 발생 효율이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 수소 생산의 경제성 측면에서 메탄 등 탄화수소를 포함하는 천연가스에 고온고압의 수증기를 가하여 개질함에 의해 수성가스를 생성하고, 상기 생성된 수성가스는 PSA(Pressure Swing Adsorption, PSA) 공정을 거쳐 수소를 분리 및 생산하는 수증기 개질법이 개발 및 보급되고 있다.
그러나, 상기 PSA 공정 중에 수소와 함께 생성된 이산화탄소는 대기 중으로 배출(이를 통상 ‘그레이수소(Grey hydrogen)’라고 칭함)되므로 온실가스 저감에 한계가 있는 실정이다.
따라서, 최근에는 온실가스 저감을 위해 수소 생산 시 생성된 이산화탄소를 대기 중으로 배출되지 않도록 포집 및 제거하는 ‘블루수소(Blue hydrogen)’ 또는 나아가 이산화탄소를 전혀 발생시키지 않는 ‘그린수소(Green hydrogen)’ 기술이 현실적인 대안으로 부상하고 있는 상황이다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명은 셰일가스를 포함한 천연가스를 개질하여 블루수소(Blue hydrogen) 및 그린수소(Green hydrogen)를 복합적으로 생산하고 이를 수소 트럭을 이용해 전국 각지의 클린수소 노드로 이송하며, 각각의 수소충전소에서 이를 기반으로 물류, 상점, 휴게시설 등을 운용하는 클린에너지 융복합 센터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 수성가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 활용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 다시 연료전지에 공급하여 전기에너지를 생산함으로써, 종래 기술 대비 이산화탄소를 최대로 활용 가능함과 동시에 블루 및 그린수소의 생산효율도 향상시킬 수 있는 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 전해액을 활용하여 종래 수전해 기술 대비 더 많은 그린수소를 생성할 수 있는 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 온사이트 및 클린수소 노드를 전국 각지에 설치함에 따라 전국의 생산거점 및 인구 밀집지역에서 벗어난 소외 지역에도 공단 등의 산업 인프라를 건설할 수 있고, 각각의 온사이트 및 클린수소 노드를 산업 또는 주거를 위한 친환경차 충전 또는 지역의 소규모 전력 발전원으로서 활용함으로써 이산화탄소 발생을 획기적으로 저감함과 함께, 환경오염을 유발하는 기존 경유 또는 휘발유 등의 운송체계에서 새로운 친환경 수소 운송체계를 확립할 수 있는 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터는, 매탄 개질 시 발생되는 이산화탄소 포집, 저장 및 자원화를 통해 블루 및 그린수소를 생산하는 클린수소 생산거점; 및 상기 클린수소 생산 거점으로부터 생산된 블루 및 그린수소를 공급받는 적어도 하나 이상의 클린수소 노드;를 포함하고, 상기 클린수소 노드는 전국 각지의 지역별 면적, 인구수, 클린수소 생산거점과의 거리를 포함한 요소를 고려하여 전국 각지에 다수로 분산 형성 및 클린수소 생산거점과 클린수소 노드를 연결하고, 상기 분산 형성된 각각의 클린수소 노드 주변으로 물류, 휴게시설, 사무실, 식당을 포함한 인프라를 확장하는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 클린수소 생산거점은, 셰일가스를 포함하는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)를 저장하는 천연가스 저장소; 상기 천연가스 저장소로부터 공급된 천연가스 또는 셰일가스와 외부로부터 투입된 물을 반응시켜 제1 수소(블루수소) 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하는 탄화수소 개질기; 상기 탄화수소 개질기로부터 생성된 제1 수소를 전달받아 저장하는 온사이트(on-site) 수소충전소; 상기 탄화수소 개질기로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기; 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 저장하는 탄소자원 저장소; 및 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 직접 전달받거나 탄소자원 저장소를 경유하여 전달된 이산화탄소 반응물을 이용하여 제2 수소(그린수소)를 생성하고, 생성된 제2 수소는 수소충전소로 전달하는 수소생성기;를 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 클린수소 노드는, 상기 온사이트(on-site) 수소충전소로부터 제1 및 제2 수소를 전달받아 저장하는 오프사이트(off-site) 수소충전소를 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 천연가스 저장소에 저장된 원료가스와 외부로부터 투입된 물을 반응시켜 제1 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하고, 상기 기체 혼합물 중 제1 수소를 분리하여 제1 수송관을 통해 온사이트 수소충전소로 전달한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 탄소자원 저장소는 상기 반응기에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 전달받아 저장하거나 상기 반응물을 수소 생성기로 공급하여 제2 수소를 생성한 후 상기 제2 수소를 제2 수송관을 통해 온사이트 수소충전소에 전달한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 온사이트 수소충전소에 전달된 제1 및 제2 수소는 일정 용량의 수소저장탱크를 탑재한 수소운송트럭을 이용하여 클린수소 노드로 육로를 통해 운송하거나 수송관을 통해 수송한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 클린수소 생산거점 또는 클린수소 노드에는 생성된 블루 및 그린수소를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 및 상기 연료전지에서 생성된 전기를 저장하는 ESS(Energy Storage System)가 더 부가된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 수소운송트럭은 온사이트 수소충전소로부터 충전된 제1 또는 제2 수소를 이용하여 차량 내부의 연료전지를 발전시켜 육로를 주행하는 수소전기차인 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 탄화수소 개질기는, 상기 기체 혼합물로부터 수소 및 이산화탄소를 추출 또는 분리하기 위한 추출 수단; 및 상기 추출 수단으로부터 추출된 수소를 수소충전소에 공급하고 상기 생성된 기체 혼합물에서 수소와 분리된 이산화탄소를 상기 반응기에 공급하기 위한 전달 수단;을 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 반응기는, 상기 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 믹서; 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 상기 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑; 상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 분리기; 및 상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소;를 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 혼합시켜 상기 염기성 알칼리 혼합액을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 흡수탑은 상부에 설치된 다수의 노즐을 통해 상기 믹서로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 흡수탑은 상기 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 하부에 설치된 버블러를 통과하도록 하여 미세 방울이 형성된 이산화탄소와, 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액을 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 반응기는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 더 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 탄소자원 저장소는, 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 수용하기 위해 내부벽 및 외부벽에 의해 이중벽 구조를 갖는 저장탱크; 상기 저장탱크와 연결되어 이산화탄소 반응물을 상기 저장탱크로 로딩(loading)하는 인입 유닛; 상기 저장탱크와 연결되어 상기 저장탱크 내의 상기 이산화탄소 반응물을 언로딩(unloading)하는 배출 유닛; 및 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩 시에 상기 인입 유닛 또는 상기 배출 유닛을 제어하는 제어 유닛;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 오프사이트 수소충전소 주변에 물류 시설이 추가 설치할 수 있으며, 이러한 물류 시설들은 수소트럭을 활용하여 운송이 가능하므로 이산화탄소 배출 등을 획기적으로 절감할 수 있다.
추가로, 오프사이트 수소충전소는 수소를 이용하여 전기를 생산함으로써, 기존에 인프라가 열악한 지역에도 전기 공급이 가능하다. 이를 통해 식당, 휴게시설, 사무실 등 건물에 전기를 공급하여 활용할 수 있으며, 종래 발전소에서 생산하는 전기와 비교하면 유해한 부산물이 배출되지 않아 친환경적인 클린 에너지 생산이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 셰일가스를 포함한 천연가스의 개질이 진행된 이후에 발생되는 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 원료가스의 개질에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 고순도의 블루수소를 생산하고, 제거된 이산화탄소를 이용하여 다른 유용한 물질인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 활용하여 다시 블루수소를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 전해액으로 활용함으로써 종래 일반적인 형태의 수전해 기술 대비 더 많은 수소를 생산할 수 있고, 아울러 유용한 자원인 산소도 함께 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온사이트 및 클린수소 노드를 전국 각지에 설치함에 따라 전국의 생산거점 및 인구 밀집지역에서 벗어난 소외 지역에도 공단 등의 산업 인프라를 건설할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 온사이트 및 클린수소 노드를 산업 또는 주거를 위한 친환경차 충전 또는 지역의 소규모 전력 발전원으로서 활용함으로써 이산화탄소 발생을 획기적으로 저감함과 함께, 환경오염을 유발하는 기존 경유 또는 휘발유 등의 운송체계에서 새로운 친환경 수소 운송체계를 확립할 수 있는 유익한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 클린수소 노드(20)를 나타낸 (a) 개념도 및 (b) 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(300)를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생성기(400)의 개념도이다.
도 5는 도 4에 도시된 B 부분의 확대도이다.
도 6은 도 4에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소자원 저장소를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이산화탄소 포집 반응물 저장 시스템을 도시한 도면이다.
도 9는 일반적인 지면으로부터의 깊이에 따른 지중온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터의 운용 방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 클린수소 노드(20)를 나타낸 (a) 개념도 및 (b) 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(300)를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생성기(400)의 개념도이다.
도 5는 도 4에 도시된 B 부분의 확대도이다.
도 6은 도 4에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소자원 저장소를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이산화탄소 포집 반응물 저장 시스템을 도시한 도면이다.
도 9는 일반적인 지면으로부터의 깊이에 따른 지중온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터의 운용 방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 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.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터를 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 클린수소 노드(20)를 나타낸 (a) 개념도 및 (b) 모식도이다.
본 발명은 셰일가스를 포함한 천연가스를 개질하여 블루수소(Blue hydrogen) 및 그린수소(Green hydrogen)를 복합적으로 생산하고 이를 수소 트럭 또는 수송관 등을 이용해 전국 각지의 클린수소 노드로 이송하며, 각각의 클린수소 노드에서 이를 기반으로 물류, 상점, 휴게시설 등을 운용하는 클린에너지 융복합 센터를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 본 발명 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터는, 매탄 개질 시 발생되는 이산화탄소 포집, 저장 및 자원화를 통해 블루 및 그린수소를 생산하는 클린수소 생산거점(10); 및 상기 클린수소 생산 거점(10)으로부터 생산된 블루 및 그린수소를 공급받는 적어도 하나 이상의 클린수소 노드(20);를 포함한다.
여기서, 상기 클린수소는 블루 및 그린수소를 포함하는 청정수소(clean hydrogen)를 의미한다.
또한, 상기 클린수소 노드(20)는 전국 각지의 지역별 면적, 인구수, 클린수소 생산거점(10)과의 거리를 포함한 요소를 고려하여 전국 각지에 다수로 분산 형성 및 클린수소 생산거점(10)과 클린수소 노드(20)를 연결한다.
또한, 상기 분산 형성된 각각의 클린수소 노드(20) 주변으로 물류, 휴게시설, 사무실, 식당을 포함한 인프라를 확장하는 것을 특징으로 한다.
상기 클린수소 노드(20)를 중심으로 오프사이트 수소충전소(800) 및 물류, 휴게시설, 사무실, 식당을 포함한 인프라를 확장함으로써 전국 각지의 인프라 취약지역에 위치한 산단 등의 단위 지역별 산업거점에 교통, 물류 등의 인프라를 효과적으로 확충할 수 있다.
먼저, 본 발명의 구현을 위한 일 실시예에 따른 클린수소 생산거점(10)은, 셰일가스를 포함하는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)를 저장하는 천연가스 저장소(100)가 구비된다.
또한, 상기 천연가스 저장소(100)로부터 공급된 천연가스 또는 셰일가스와 외부로부터 투입된 물을 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하는 탄화수소 개질기(200)가 구비된다.
또한, 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 제1 수소(블루수소)를 전달받아 저장하는 온사이트(on-site) 수소충전소(600)가 구비된다.
즉, 상기 탄화수소 개질기(200)는 상기 천연가스 저장소(100)에 저장된 원료가스와 외부로부터 투입된 물을 반응시켜 제1 수소(블루수소) 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하고, 상기 기체 혼합물 중 제1 수소를 분리하여 제1 수송관(P1)을 통해 온사이트 수소충전소(600)로 파이프라인 이송을 통해 전달한다. 여기서, 상기 온사이트(on-site) 수소충전소는 블루수소 및 그린수소를 복합 생산, 저장 및 충전하기 위한 생산거점으로서 지역별로 설치된 수소충전 스테이션을 의미한다.
또한, 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기(300)가 구비된다.
상기 반응기(300)는 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집한다.
또한, 상기 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 저장하는 탄소자원 저장소(500)가 구비된다.
상기 탄소자원 저장소(500)는 반응기(300)에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 전달받아 저장하거나 상기 반응물을 후술하는 수소 생성기(400)로 공급하여 제2 수소(그린수소)를 생성한 후 상기 제2 수소를 제2 수송관(P2)을 통해 온사이트(off-site) 수소충전소(600)에 전달한다.
한편, 상기 클린수소 노드(20)는, 상기 클린수소 생산거점(10)에서 생산된 후 상기 온사이트(on-site) 수소충전소(600)에 저장된 제1 및 제2 수소(블루 및 그린수소)를 전달받아 전국 각지의 단위 거점별로 저장하는 오프사이트(off-site) 수소충전소(800)를 포함한다.
상기 오프사이트(off-site) 수소충전소(800)는 수소 제조설비가 없고 상기 온사이트 수소충전소(600)로부터 육로 또는 기타 루트를 통해 운송된 제1 및 제2 수소(블루 및 그린수소)를 저장 및 충전하기 위한 인프라(infra)/노드(node)로서의 수소충전 스테이션을 의미한다. 예컨대, 하나의 광역 온사이트 수소충전소(600)를 중심으로 전국 각지의 단위 지역 거점별로 일정 거리마다 설치될 수 있다.
또한, 상기 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 직접 전달받거나 탄소자원 저장소(500)를 경유하여 전달된 이산화탄소 반응물을 이용하여 제2 수소(그린수소)를 생성하고, 생성된 제2 수소는 온사이트 수소충전소(600)로 전달하는 수소 생성기(400)가 구비된다.
상기 수소 생성기(400)는 반응기(300)에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 이용하여 제2 수소(그린수소)를 생성한 후 상기 제2 수소를 제2 수송관(P2)을 통해 온사이트 수소충전소(600)에 전달한다.
상기 온사이트 수소충전소(600)에 전달된 제1 수소(블루수소) 및 제2 수소(그린수소)는 일정 용량의 수소저장탱크(미도시)를 탑재한 수소운송트럭(HET; Hydrogen Electric Truck)을 이용하여 전국 각 지역의 거점별로 분산되어 있는 오프사이트(off-site) 수소충전소(800)로 육로를 통해 운송한다.
이때, 상기 온사이트 또는 오프사이트 수소충전소(600)(800)에는 생성된 제1 수소(블루수소) 및 제2 수소(그린수소)를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지(900) 및 상기 연료전지(900)에서 생성된 전기를 저장하는 ESS(Energy Storage System, 1000)가 더 부가될 수 있다.
이에 따라, 상기 연료전지(900)를 통해 생산된 전기에너지를 이용하여 직접적으로 전기차(EV)를 충전하거나 ESS(1000)에 저장된 전기에너지를 이용하여 간접적으로 전기차(EV)를 충전할 수 있다. 한편, 온사이트 또는 오프사이트 수소충전소(600)(800)를 통해 수소차(HV) 또는 수소전기차(HEV)에 수소를 충전할 수 있다.
여기서, 상기 온사이트 수소충전소(600)로부터 오프사이트 수소충전소(800)로의 제1 수소(블루수소) 및 제2 수소(그린수소) 운송은 수소운송트럭(HET)을 이용한 육상 운송에 한정된 것은 아니며, 예를 들어 선박을 통한 해상 운송이나 수소 수송관을 이용한 장거리 파이프라인 수송도 가능함을 명시한다.
상기 수소운송트럭(HET)은 온사이트 또는 오프사이트 수소충전소(600)(800)로부터 충전된 제1 수소(블루수소) 또는 제2 수소(그린수소)를 이용하여 차량 내부의 연료전지(Fuel cell)를 발전시켜 육로를 주행하는 수소전기차(HEV; Hydrogen Electric Vehicle)일 수 있다.
한편, 도 2b를 참조하면 본 발명에 따른 클린수소 노드(20)별 오프사이트 수소충전소(800)는 전국 각지에 수소충전 인프라/노드(node)로서 일정 거리마다 도시 또는 도로변에 거점별로 설치될 수 있다.
즉, 상기 오프사이트 수소충전소(800)는 전국 각지에 위치되어 있는 주유소나 LPG 가스충전소처럼 지역별로 설치될 수 있으며, 이를 통해 상기 지역 거점별로 일정 거리마다 설치된 오프사이트 수소충전소(800)를 통해서 모든 형태의 친환경차, 예컨대 전기차(EV), 수소차(HV) 또는 수소전기차(HEV) 등에 전기에너지 또는 수소를 충전할 수 있다.
또한, 상기 오프사이트 수소충전소(800)에 수소를 공급하는 생산거점으로서 온사이트 수소충전소(600)는 블루수소 및 그린수소의 복합 생산이나 이산화탄소 포집, 탄소자원화 및 반응물 저장, 상기 오프사이트 수소충전소(800)로 블루수소 또는 그린수소 가스의 육로 운송이 용이한 지점에 일정 개소가 설치될 수 있다.
아울러, 오프사이트 수소충전소(800) 주변에는 물류 시설이 추가로 확장 설치될 수 있으며, 이러한 물류 시설들은 수소트럭을 활용하여 운송이 가능하므로 이산화탄소 배출 등을 획기적으로 절감할 수 있다.
추가로, 오프사이트 수소충전소(800)는 수소를 이용하여 전기를 생산함으로써, 기존에 인프라가 열악한 지역에도 전기 공급이 가능하다. 이를 통해 식당, 휴게시설, 사무실 등 건물에 전기를 공급하여 활용할 수 있으며, 종래 발전소에서 생산하는 전기와 비교하면 유해한 부산물이 배출되지 않아 친환경적인 클린 에너지 생산이 가능한 이점이 있다.
도 2를 참조하면, 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터를 구현하기 위한 시스템은, 전국 각지에 설치된 적어도 하나 이상의 클린수소 생산거점(10) 및 클린수소 노드(20)로 구성된다.
보다 구체적으로, 상기 클린수소 생산거점(10) 및 클린수소 노드(20)는 천연가스 저장소(100), 탄화수소 개질기(200), 반응기(300), 수소 생성기(400), 탄소자원 저장소(500), 온사이트 수소충전소(600), 수소운송트럭(HET), 오프사이트 수소충전소(800), 연료전지(900) 및 ESS(Energy Storage System, 1000)를 포함할 수 있다.(도 1 참조)
먼저, 상기 천연가스 저장소(100)는 셰일가스를 포함하는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)를 저장한다. 특히, 상기 셰일가스는 육상이나 해상의 지하 셰일(Shale) 층에 저장되어 있는 대규모 천연가스로서, 통상 시추공에 연결된 파이프라인(Pipeline)을 통해 소비처나 저장장소로 운송되는데, 이와 같은 셰일가스는 풍부한 매장량으로 인해 경제성이 떨어지는 타 천연가스 대비 향후 차세대 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 셰일가스를 적극 활용하여 이산화탄소를 배출하지 않는 블루수소를 대량으로 생산하는 방안을 제시한다.
상기 탄화수소 개질기(200)는 상기 천연가스 저장소(100)로부터 공급된 탄화수소, 즉 상기 탄화수소를 함유한 액체 연료를 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성한다.
구체적으로, 상기 탄화수소 개질기(200)는 탄화수소와 수증기를 반응시켜 하기 <반응식 1>에서와 같이, 수소(제1 수소; 블루수소) 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성할 수 있다.
<반응식 1>
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
상술한 화학적 반응은 물질량으로 따지면 수소와 이산화탄소 비율은 4:1이지만, 천연가스 개질 과정에서 수소 1톤 생산당 5 내지 10톤의 이산화탄소를 배출한다. 즉, 상기 화학적 반응에 따라 생산되는 수소의 양보다 이산화탄소의 양이 많기 때문에 상기 이산화탄소를 저감시키기 위한 방안이 필요하다.
이를 위해서, 탄화수소 개질기(200)는 상기 기체 혼합물로부터 (제1 수소; 블루수소) 및 이산화탄소를 추출 또는 분리하기 위한 추출 수단과, 상기 추출 수단으로부터 추출된 수소를 수소충전소(600)에 공급하고 상기 생성된 기체 혼합물에서 수소와 분리된 이산화탄소를 상기 반응기(300)에 공급하기 위한 전달 수단;을 포함할 수 있다.
상기 반응기(300)는 상기 탄화수소 개질기(200)와 연결되어 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리함으로써, 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(300)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 공급된 이산화탄소를 염기성 알칼리 용액을 이용하여 포집하는 시스템으로서, 흡수탑(310), 이산화탄소 포집부(311), 믹서(330), 분리기(340) 및 배출부(350)를 포함할 수 있다.
상기 흡수탑(310)은 이산화탄소를 포집하는 시설, 건물, 설비 등을 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 흡수탑(310)의 하단에 위치하는 이산화탄소 포집부(311)는 흡수탑(310)의 일부분이며, 배가스를 버블링하여 이산화탄소를 포집하는 부분을 의미하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(310)은 이산화탄소가 포집되는 이산화탄소 포집부(311)를 하단에 포함하여, 염기성 알칼리 혼합액과 이산화탄소(이산화탄소 마이크로버블)를 반응시켜 이산화탄소를 포집한다.
상기 흡수탑(310)은 상부에 노즐이 설치되어 믹서(330)로부터 상기 노즐을 통해 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(310) 내에 분사되고, 하단의 이산화탄소 포집부(311)에 모인다.
상기 염기성 알칼리 혼합액이 분사되는 동시에 탄화수소 개질기(200)로부터 공급된 이산화탄소가 흡수탑(310) 하부의 이산화탄소 포집부(311) 내의 버블러(313)를 통과하여 마이크로버블(microbubble)이 생성된 이산화탄소가 공급되며, 상기 이산화탄소 포집부(311) 내에서 염기성 알칼리 혼합액과 이산화탄소 마이크로버블이 반응하여 이산화탄소를 포집한다. 상기 마이크로버블은 염기성 알칼리 혼합액에 이산화탄소를 반응시킬 때 탄화수소 개질기(200)의 출구에 미세한 구멍이 형성된 버블러(313)를 통과하면서 버블이 형성된다.
상기 버블러(313)는 탄화수소 개질기(200)로부터 공급된 이산화탄소를 통과시킴으로써 이산화탄소에 마이크로버블을 형성할 수 있고, 상기 마이크로버블은 버블의 크기가 작을수록 이산화탄소와 알칼리 용액의 반응면적이 넓어져 이산화탄소의 포집 능력이 증가하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로버블은 약 50 ㎛ 이하의 크기를 가지는 수용액 상에 존재하는 기포를 의미하는 것일 수 있다.
또한, 상기 흡수탑(310)은 내부에 레벨 인디케이터(level indicator)(312)를 포함하여 흡수탑(310) 내의 용액의 수위를 감지할 수 있다.
상기 노즐은 다수의 노즐을 포함할 수 있고, 1단 이상의 단으로 형성될 수 있다. 상기 노즐은 믹서(330)와 연결되어 믹서(330)로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급할 수 있다.
상기 흡수탑(310)은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬 복합 배열로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 흡수탑(310)은 배기가스의 유속이 빠른 경우 직렬로 배열하는 것일 수 있다. 유속이 빨라 반응이 안된 이산화탄소가 흡수탑에서 배출되는 경우 흡수탑을 직렬로 설치하여 미반응 이산화탄소를 포집할 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 흡수탑(310)은 배기가스의 유량이 많은 경우 병렬로 배열하는 것일 수 있다. 배기가스의 유량이 흡수탑이 포집할 수 있는 양을 초과하는 경우 흡수탑을 병렬로 하여 포집 가능한 이산화탄소의 양을 늘릴 수 있다.
상기 믹서(330)는 염기성 알칼리 용액 저장조(331)에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원(332)에서 공급된 물을 혼합하여, 상기 흡수탑(310)의 노즐로 공급한다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물이 혼합된 염기성 알칼리 혼합액은 공급량 또는 필요량이 많아질 경우 별도로 연결된 바이패스(by-pass)(336) 라인을 이용하여 공급할 수 있다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:4, 1:1 내지 1:3, 1:1 내지 1:2, 1:2 내지 1:5, 1:2 내지 1:3 또는 1:3 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것일 수 있다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물은 염기성 알칼리 용액의 혼합비가 증가할수록 이산화탄소 포집률이 증가할 수 있으나, 비용적인 측면을 고려하여 물의 혼합비를 조절할 수 있다.
상기 염기성 알칼리 혼합액은, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물; Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 알루미나계 원료, 실리카계 원료 및 수산화나트륨으로 제조된 결정화된 합성 제올라이트; 및, 사붕산나트륨(Na2B4O7.10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 급수원(332)은 시스템 설치 장소에서 용이하게 구할 수 있는 모든 용수를 포함할 수 있고, 예를 들어, 해수일 수 있다.
상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 이상인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 pH는 pH12 내지 pH13.5, pH13, pH12, pH12.1, pH12.2 또는 pH12.3일 수 있다. 상기 염기성 알칼리 혼합액의 pH는 상기 흡수탑(310) 내의 pH meter로 측정될 수 있으며, 상기 흡수탑(310) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 10.5 미만이 되면 더 이상 이산화탄소 포집을 하지 못하기 때문에, 상기 염기성 알칼리 혼합액의 pH를 맞추기 위해, 상기 염기성 알칼리 용액과 물의 양은 각각의 밸브(333, 334)에서 0 내지 100%까지 조절하여 믹서(330)로 공급될 수 있다.
상기 흡수탑(310) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만(level indicator로 측정)으로 낮아지면 상기 믹서(330)에서 밸브(335)를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 용액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단될 수 있다. 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(310)으로 공급되는 염기성 알칼리 혼합액의 양과 상기 분리기(340)에서 나가는 용액의 양이 동일해서 지속적으로 이산화탄소 포집 시스템을 유지할 수 있기 때문에, 상기 흡수탑(310)에서 분리기(340)로 가는 라인에 설치된 flow meter 값과 동일한 양의 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(310)에 공급되도록 밸브(335)(필요시 by-pass 밸브 포함)를 조절하여 net flow를 0으로 만드는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(310)의 이산화탄소 포집부(311)에서 염기성 알칼리 혼합액과 이산화탄소가 반응하여 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액은 밸브(314)를 통해 분리기(340)로 이동하여, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리한다. 예를 들어, 상기 분리기(340)는 원심분리법을 이용하여 분리하는 것일 수 있다.
상기 분리된 이산화탄소 반응물은 유용한 탄소 자원인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것으로, 탄소자원 저장소(500)로 이동되며 이동된 이산화탄소 반응물은 후술할 수소 생성기(400)에 공급될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 반응물은 비누, 세제, 피혁 및 식품 첨가제 등의 다양한 산업분야에서 활용이 가능한 물질로써 부가가치가 높을 뿐만 아니라 상업적 잠재력이 큰 화합물이다.
상기 반응기(300)는 육상에서 사용하는 시스템으로, 이산화탄소 반응물을 저장할 장소를 확보하기 용이하기 때문에 이산화탄소 반응물을 다른 유용한 물질로 자원화하기 위해 분리하여 탄소자원 저장소(500)에 저장하는 것일 수 있다.
상기 이산화탄소 반응물은 하기 <반응식 2>에서와 같이, 염기성 알칼리 혼합물과 이산화탄소가 반응하여 생성될 수 있다.
<반응식 2>
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
Na2CO3 + H2O + CO2 → 2NaHCO3
상기 반응물에서 이산화탄소 반응물을 제외한 폐용액은 폐수 처리조(342)로 이동되어 폐기된다. 예를 들어, 상기 폐용액은 촉매 역할을 끝낸 염기성 알칼리 혼합액에 함유되어 있던 일라이트 광물 및 물 등을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 포집부(311)에서 이산화탄소 포집 후 이산화탄소가 제거된 잔여 이산화탄소는 배출부(350)를 통해 배출된다. 예를 들어, 상기 배출부(350)를 통해 배출되는 잔여 이산화탄소는 일부 소량의 포집되지 못한 이산화탄소가 포함될 수 있다.
이때, 상기 잔여 이산화탄소는 배출 시 이산화탄소의 농도가 규제 기준치를 초과할 수 없으므로, 상기 잔여 이산화탄소가 배출될 대기 속 이산화탄소의 농도를 기준으로 하여(관리자가 미리 대기의 이산화탄소 농도의 측정 후 설정한 기준) 기준을 초과하지 않는 잔여 이산화탄소를 배출할 수 있다.
상기 반응기(300)는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부(360); 및 상기 모니터링부(360)에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부(361);를 추가 포함할 수 있다.
상기 반응기(300)의 모든 과정에서 측정되는 gas meter, pH meter, flow meter의 값을 모니터링부(360)에서 관리하며, 모니터링부(360)에서 나타내는 값을 기반으로 제어부(361)를 조절한다. 상기 제어부(361)에서 입력되는 값에 대하여 밸브들(314, 333, 334, 335)이 퍼센테이지로 조절될 수 있다.
상술한 바에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(300)는 탄화수소 개질기(200)에서 생성되는 이산화탄소를 포집함으로써 지구온난화에 지대한 영향을 미칠 수 있는 이산화탄소를 저감시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨으로 변환시킴으로써 다른 유용한 물질로의 자원화가 가능하다.
한편, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 수소 생성기(400)는 상기 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물 공급받아 이산화탄소 반응물을 이용하여 수소(제2 수소; 그린수소)를 생성하며, 생성된 수소를 온사이트 수소충전소(600)에 공급할 수 있다. 이를 통해, 종래 기술 대비 탄화수소 개질효율을 한층 향상시킬 수 있음은 물론, 이산화탄소를 최대한 활용하여 온실가스 저감에 기여할 수 있다.
상기 수소 생성기(400)에 대하여 구체적으로 설명하기 위해, 이하 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생성기(400)의 개념도이고, 도 5는 도 4에 도시된 B 부분의 확대도이며, 도 6은 도 4에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 수소 생성기(400)는 반응기(도 1의 300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 공급하기 위한 이산화탄소 반응물 공급탱크(431)와, 이산화탄소 반응물 공급탱크(431)로부터 공급된 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전기 분해의 전해액으로 사용하여 전기 분해를 통해 수소 가스(제2 수소; 그린수소)와 산소 가스를 형성하는 수전해셀(440)과, 수전해셀(440)에 전류를 인가하기 위한 전원 인가부(410) 및 인버터(420)를 구비할 수 있다.
이산화탄소 반응물 공급탱크(431)는 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 이산화탄소 반응물 유입 유로(422)를 통해 공급받아 전해액으로서 저장하며, 이산화탄소 반응물 공급탱크(431)에 저장된 이산화탄소 반응물을 수전해셀(440)로 공급하는 전해액 공급 유로(432)와 연결된 이산화탄소 반응물 유입구(424)를 구비할 수 있다. 이산화탄소 반응물 공급탱크(431)에는 수소 생성기(400)의 전기 분해의 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)의 펌핑을 위한 펌프 등이 마련될 수 있다.
수전해셀(440)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 음극(-) 전극판 및 양극(+) 전극판과, 이들 전극판 사이에 배치되는 전해질막인 격막(442)과, 상기 이산화탄소 반응물 공급탱크(431)로부터 공급받은 이산화탄소 반응물을 수용하고 수소 저장탱크(485) 및 산소 저장탱크(490)과 연결되는 한쌍의 분리된 전해조(430)와, 전해조(430)의 이산화탄소 반응물을 전기분해하여 생성된 제2 수소 가스(그린수소) 및 산소 가스를 배출하는 기체 배출부와, 전기분해에 의해 반응이 일어나지 않은 이온 물질을 배출하기 위한 드레인(450)을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 이산화탄소 반응물 공급탱크(431)에 저장된 이산화탄소 반응물이 전극판과 접촉되는 것을 방지하기 위해 비전도체로 형성된 패킹(445)과, 전원 인가부(410)의 전력에 의하여 선택적으로 이산화탄소 반응물 유입 유로(422)의 개폐 여부를 제어할 수 있는 제어부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
이러한 수전해셀(440)은 하기 <반응식 3>에서와 같이, 양쪽의 전극판이 본 발명의 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 공급받은 상태에서 전원 인가부(410) 및 인버터(420)에 의해 전력 인가에 의해 DC 모선(421)을 통해서 통전됨에 따라 수소(H2) 가스(제2 수소; 그린수소)와 산소(O2) 가스를 발생시키게 된다.
<반응식 3>
환원전극(음극) 반응 :
Na2CO3 + CO2 + 2H2O + 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2OH- + H2
2NaHCO3 + 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2OH- + H2
산화전극(양극) 반응 :
Na2CO3 + CO2 + H2O - 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2H+ + O2
2NaHCO3 - 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2H+ + O2
즉, 이때 수전해셀(440)에 공급된 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 음극 전극판 표면에서 해리되면서 수소 가스(제2 수소; 그린수소)를 배출하고, 산소 이온이 전해질막인 격막을 통해 이동하여 전자를 방출하면서 양극 전극판 상에서는 산소 가스가 배출되는 것이다. 여기서, 상기 <반응식 3>에서 반응이 일어나지 않은 이온 물질은 드레인(450)을 통해 수소 생성기(400)의 슬러지 회수부(700)로 이송될 수 있다.
상술한 과정을 통해서 수전해셀(440)로부터 배출되는 수소 가스(제2 수소; 그린수소)는 수소 배출 유로(470)를 통해서 배출되어 필터 및 압축기를 거치면서 고순도의 수소 가스가 수소 저장탱크(485)로 저장되고, 저장된 수소 가스는 다시 수소전기차 충전 등에 활용되기 위해 온사이트 수소충전소(도 1의 600)로 전송될 수 있다.
마찬가지로 수전해셀(440)로부터 배출되는 산소 가스는 산소 배출 유로(475)를 통해서 배출되어 필터 및 압축기를 거치면서 고순도의 산소 가스가 산소 저장탱크(490)에 저장될 수 있다.
한편, 물을 수전해액으로 사용하는 종래 수전해 기술의 캐소드에서는 환원 과정 중에 반응물로서 OH-라디칼이 생성되며, 상기 OH-라디칼은 애노드에서 산화를 통해 발생되는 산소(O2) 그리고 캐소드에서 환원을 통해 발생되는 수소(H2)와 재결합하기 쉬워 물(H2O)이 생성되기 때문에 결과적으로 수소(H2)의 발생 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명은 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전기 분해의 수전해액으로 사용함으로써, 종래 수전해 기술의 반응에서 분해된 OH-라디칼과 수소(H2) 및 산소(O2)의 재결합을 상기 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)이 방지하여 결과적으로 수소(H2)의 발생 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 수전해 반응을 통해서 Na+ 이온이 해리되어 있으므로 전기전도도 증가로 인한 수소(H2) 가스의 생성량도 증가될 수 있어 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있는 효과를 가진다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소자원 저장소를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소자원 저장소(500)는, 지상, 지중, 및 해상의 환경 조건에 상관없이 어떠한 환경에서도 이산화탄소 포집 반응물을 저장할 수 있는 시스템이다.
바람직하게는 상기 탄소자원 저장소(500)는 지상의 환경에 맞는 이산화탄소 포집 반응물 저장 시스템으로서, 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고 탄소자원으로 변환시키는 반응기(300)와, 상기 반응기(300)로부터 상기 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 전달받아 저장하는 저장탱크(510)와, 상기 저장탱크(510)와 연결되는 인입 유닛(514, 515, 516)과 배출 유닛(519, 520, 521, 522)와, 상기 인입 유닛 또는 상기 배출 유닛을 제어하는 제어 유닛(530)을 포함할 수 있다.
상기 반응기(300)는 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리할 수 있다.
상기 저장탱크(510)는 내부벽(512) 및 외부벽(513)에 의해 이중벽 구조로 이루어지는 탱크 몸체(511)를 가지며, 상기 내부벽(512) 및 외부벽(513) 사이에 단열재가 형성될 수 있다. 이를 통해, 저장탱크(10)의 내부나 외부로 전달되는 열전달율을 최소화시키기 때문에 그만큼 보온 및 단열 기능이 향상되며, 반응기(300)로부터 상기 액체 또는 겔 상태의 이산화탄소 반응물을 전달받아 온도 변화에 민감하게 반응하지 않고 오랫동안 저장할 수 있다. 상기 이산화탄소 반응물은 액체 또는 겔 상태의 중탄산염으로서, 단열 상태가 유지된 상온에서 상태변화 없이 오랫동안 유지될 수 있다.
상기 저장탱크(510)는 상기 액체 또는 겔 상태의 중탄산염을 저장할 수 있도록 밀봉 및 단열벽을 갖는 탱크로, 구 또는 각형의 형상을 가질 수 있다. 종래의 저장탱크는 액상의 이산화탄소를 저장함으로 인하여 탱크 내의 압력이 매우 높아(적어도 5기압 이상의 압력), 압력으로 인한 저장탱크의 강성을 담보하기 위하여 구의 형상을 가지는 것이 일반적이었으나, 본 발명의 제1 실시예에 따른 저장탱크(510)는 상온에서 액체 또는 겔 상태인 중탄산염을 저장하는 것이므로 구 또는 각형의 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 저장탱크(510)의 내부벽(512)에는 상기 저장탱크(510)에 로딩(loading)된 상기 이산화탄소 반응물의 수위를 측정하여 센싱값을 제어 유닛(530)으로 입력하는 수위센서(517)와, 상기 저장탱크(510) 내부의 압력을 측정하여 센싱값을 상기 제어 유닛(530)으로 입력하는 압력센서(518)를 포함할 수 있다.
상기 인입 유닛은 상기 저장탱크(510)와 연결되어 이산화탄소 반응물을 상기 저장탱크(510) 내부로 로딩시키기 위한 구성으로, 인입밸브(514), 인입유량센서(515), 및 인입라인(516)을 포함할 수 있다.
상기 인입밸브(514)는 저장탱크(510) 내부로 로딩되는 액체 또는 겔 상태의 중탄산염의 유량을 조절하는 역할을 한다. 또한, 상기 인입밸브(514)는 상기 수위센서(517)에 의해 측정된 상기 이산화탄소 반응물의 수위에 대한 센싱값에 기초하여, 상기 제어 유닛(530)에 의해 개폐 여부가 결정되어 상기 저장탱크(510) 내부로 로딩되는 중탄산염의 유량을 조절할 수 있다.
상기 인입유량센서(515)는 상기 인입밸브(514)를 통하여 저장탱크(510) 내부로 로딩되는 액체 또는 겔 상태의 중탄산염의 유량을 측정하여 인입유량값을 생성하고, 생성된 인입유량값을 상기 제어 유닛(530)에 전송할 수 있다.
상기 인입라인(516)은 액체 또는 겔 상태의 중탄산염을 이송할 수 있는 파이프 등의 배관을 포함할 수 있으며, 저장탱크(510)의 내부와 연결되어 있을 수 있다. 상기 인입라인(516)의 일끝단은 저장탱크(510)의 내부로 연장될 수 있다.
한편, 상기 배출 유닛은 상기 저장탱크(510)와 연결되어 상기 저장탱크(510) 내에 기저장된 액체 또는 겔 상태의 중탄산염을 언로딩(unloading)하기 위한 구성으로, 배출라인(519), 배출펌프(520), 배출밸브(521), 및 진공펌프(522)를 포함할 수 있다.
상기 배출라인(519)은 상기 저장탱크(510) 내부에 기저장된 액체 또는 겔 상태의 중탄산염을 외부로 로딩할 수 있는 파이프 등의 배관을 포함할 수 있으며, 저장탱크(510)의 내부와 연결되어 있을 수 있다. 상기 배출라인(519)의 일끝단은 저장탱크(510)의 내부로 연장될 수 있다.
상기 배출펌프(520)는 상기 배출라인(519) 상에 구비되어 상기 저장탱크(510) 내에 수용된 중탄산염을 외부로 강제 언로딩시키는 동력을 제공한다.
상기 배출밸브(521)는 상기 제어 유닛(530)의 제어 동작에 따라, 상기 저장탱크(510)에 저장된 상기 이산화탄소 반응물에 대한 상기 배출펌프(520) 측으로의 유로를 개폐할 수 있다. 즉, 배출밸브(521)는 상기 이산화탄소 반응물이 외부로 로딩되는 것을 개폐할 수 있다.
상기 진공펌프(522)는 상기 저장탱크(510)와 상기 배출밸브(521) 사이의 상기 배출라인(519)과 연결되며, 상기 제어 유닛(530)의 제어 동작에 따라 상기 저장탱크(510) 내의 공기를 외부로 배출시켜 상기 저장탱크(510)의 내부를 진공 상태로 유지할 수 있다.
상기 제어 유닛(530)은 수위센서(517), 압력센서(518), 인입 유닛(514, 515, 516), 및 배출 유닛(519, 520, 521, 522)과 연결되어 각 구성부의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어 유닛(530)은 액체 또는 겔 상태의 중탄산염인 이산화탄소 포집 반응물을 저장탱크(510)로 로딩 시에는 상기 인입 유닛(514, 515, 516)을 제어하고, 또는 상기 이산화탄소 포집 반응물을 상기 저장탱크(510)로부터 외부로 언로딩 시에는 상기 배출 유닛(519, 520, 521, 522)을 제어할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 상기 저장탱크(510) 내부벽(512)에 설치된 수위센서(517)의 센싱값이 기설정된 값 이하로 떨어지면, 상기 제어 유닛(530)은 저장탱크(510) 내부에 저장된 이산화탄소 반응물이 기설정된 목표수위값 보다 적다고 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 인입밸브(514)를 개방하여 상기 인입라인(516)을 통해서 상기 이산화탄소 반응물을 저장탱크(510) 내부에 계속적으로 로딩하도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 수위센서(517)의 센싱값이 기설정된 목표수위값에 도달하거나 상기 인입유량센서(515)에서 측정된 유량값이 기설정된 목표유량에 도달하면, 상기 제어 유닛(530)은 저장탱크(510) 내부에 저장된 이산화탄소 반응물이 목표한 양을 채웠다고 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 인입밸브(514)를 폐쇄하여 상기 저장탱크(510)로 유입되는 유로를 차단하여 더 이상 저장탱크(510)에 이산화탄소 반응물인 중탄산염을 로딩하는 것을 멈추도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛(530)은 상기 이산화탄소 포집 반응물 저장 시스템을 관리하는 관리자 단말(미도시)로부터 상기 저장탱크(510)의 내부에 저장된 상기 이산화탄소 반응물의 배출신호를 수신하면, 상기 배출밸브(521) 및 상기 배출펌프(520)를 제어하여 상기 배출밸브(521)룰 개방하고 상기 배출펌프(520)를 작동시킴으로써 상기 저장탱크(510)의 내부에 저장된 상기 이산화탄소 반응물을 외부로 로딩시킬 수 있다.
또한, 상기 인입밸브(514)의 유로 개폐 동작에 따라 상기 저장탱크(510)의 내부로 로딩되는 이산화탄소 반응물의 유로가 개폐되면, 상기 저장탱크(510)의 내부는 진공이 해제된 상태이므로, 상기 제어 유닛(530)은 상기 저장탱크(510) 내부의 압력을 측정하여 센싱값을 상기 제어 유닛(530)으로 입력하는 압력센서(518)의 센싱값이 목표진공압이 되도록 상기 진공펌프(522)를 구동시킬 수 있다.
마찬가지로, 상기 배출밸브(521)의 유로 개폐 동작에 따라 상기 저장탱크(510)의 외부로 언로딩되는 이산화탄소 반응물의 유로가 개폐되면, 상기 저장탱크(510)의 내부는 진공이 해제된 상태이므로, 상기 제어 유닛(530)은 상기 저장탱크(510) 내부의 압력을 측정하여 센싱값을 상기 제어 유닛(530)으로 입력하는 압력센서(518)의 센싱값이 목표진공압이 되도록 상기 진공펌프(522)를 구동시킬 수 있다.
즉, 저장탱크(510)의 내부는 진공펌프(522)에 의하여 진공으로 유지될 수 있다. 따라서, 상기 인입밸브(514) 및 상기 배출밸브(521)가 개폐되더라도, 저장탱크(510) 내부의 진공도는 유지되므로 저장탱크(510) 내부에 저장된 이산화탄소 반응물인 중탄산염은 진공 상태에서 상태 변화없이 오랫동안 저장될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소자원 저장소를 도시한 도면이고, 도 9는 일반적인 지면으로부터의 깊이에 따른 지중온도 분포를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소자원 저장소(500)는, 지중의 환경에 맞는 이산화탄소 포집 반응물 저장 시스템으로서, 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고 탄소자원으로 변환시키는 반응기(300)와, 상기 반응기(300)로부터 상기 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 전달받아 저장하는 지중 저장지(D)와, 상기 지중 저장지(D)와 일단이 연결되는 인입 유닛(514, 516)과 배출 유닛(519, 520, 521, 522)와, 상기 인입 유닛 또는 상기 배출 유닛을 제어하는 제어 유닛(530)과, 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 필터(540)를 포함할 수 있다.
상기 반응기(300)는 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리할 수 있다.
상기 지중 저장지(D)는 상기 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 수용하는 곳으로서 자연 지형에서 발굴될 수 있는 곳이다. 여기서, 상기 이산화탄소 반응물은 액체 또는 겔 상태의 중탄산염을 포함한다.
상기 지중 저장지(D)는 도 8에 도시된 바처럼 일례로 육상으로부터 지하 5~20m 깊이에 형성되어 외부 온도의 영향을 받지 않을 수 있다. 또한, 상기 육상으로부터 지하 5~20m 깊이에서 형성된 지중 저장지(D)는 12~16°C의 안정된 온도가 형성되며, 외부 차폐 없이 자연 환경에서 형성될 수 있다.
또한, 상기 지중 저장지(D)는 Am의 깊이에 형성되나 Bm 보다는 지면으로부터 낮은 깊이에 형성될 수 있으며, 지역에 따라 12~16°C의 안정된 상온 온도가 형성되는 상이한 깊이에서도 형성될 수도 있다. 이는 중탄산염인 이산화탄소 반응물이 섭씨 50도(℃)가 초과된 곳에서 상태 변화가 일어나는 것을 방지하고, 넓은 지역에서 상기 이산화탄소 반응물을 액체 또는 겔 상태의 중탄산염 형태로 오랫동안 저장시키기 위해서이다.
상기 인입 유닛은 상기 지중 저장지(D)와 연결되어 상기 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지(D)로 로딩(loading)하는 역할을 하며, 그 구성으로는 상기 지중 저장지(D)의 내부로 로딩되는 이산화탄소 반응물에 대한 유로를 개폐하여 상기 로딩되는 이산화탄소 반응물의 유량을 조절하는 인입밸브(514); 및 상기 이산화탄소 반응물을 로딩하도록 상기 지중 저장지(D)와 연결되는 인입라인(516);을 포함할 수 있다. 이러한 인입 유닛의 구성을 통해서 상기 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 액체 또는 겔 상태의 중탄산염을 상기 지중 저장지(D)에 저장시킬 수 있다.
상기 배출 유닛은, 상기 지중 저장지(D) 내의 상기 이산화탄소 반응물을 언로딩(unloading)하는 역할을 하며, 그 구성으로는 상기 지중 저장지(D)와 연결되어 상기 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지(D)의 외부로 언로딩하는 배출라인(519); 상기 배출라인(519) 상에 구비되어 상기 지중 저장지(D)에 저장된 이산화탄소 반응물을 외부로 강제 언로딩하는 배출펌프(520); 상기 지중 저장지(D)에 저장된 상기 이산화탄소 반응물에 대한 상기 배출펌프(520)측으로의 유로를 개폐하는 배출밸브(521); 및 상기 지중 저장지(D)와 배출밸브(521) 사이의 배출라인(519)과 연결되어 상기 지중 저장지(D) 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공으로 형성하는 진공펌프(522);를 포함할 수 있다. 이러한 배출 유닛의 구성을 통해서 지중 저장지에 안정적으로 이산화탄소 반응물을 저장시키고 기저장된 이산화탄소 반응물을 추후 필요시 획득하여 사용할 수 있다.
상기 제어 유닛(530)은 상기 지중 저장지(D)에 수용된 이산화탄소 반응물을 지중 저장지(D)에 로딩하거나 또는 상기 이산화탄소 반응물을 지중 저장지(D)로부터 외부로 언로딩시에 상기 인입 유닛(514, 516) 및 상기 배출 유닛(519, 520, 521, 522)을 제어함으로써, 필요시에 적당한 유량의 이산화탄소 반응물을 지중 저장지(D)에 저장하거나 또는 지중 저장지(D)에 기저장된 이산화탄소 반응물을 외부로 배출되도록 제어할 수 있다.
상기 필터(540)는 상기 인입라인(516) 또는 상기 배출라인(519)의 경로 내에 각각 배치될 수 있으며, 상기 이산화탄소 반응물의 투과를 허용하는 크기로 형성된 직경 10~20㎛의 기공을 포함하여 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과할 수 있다.
이에 따라, 상기 필터(540)는 상기 반응기(300)로부터 유입된 이산화탄소 반응물을 지중 저장지(D)에 로딩하거나 또는 상기 이산화탄소 반응물을 지중 저장지(D)로부터 외부로 언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 기능을 수행함으로써, 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물이 섞이지 않은 채로 지중 저장지(D)에 저장되도록 할 수 있거나, 또는 상기 지중 저장지(D)에 기저장된 이산화탄소 반응물을 외부로 언로딩 하는 경우에도 불순물이 없이 이산화탄소 반응물만 획득하도록 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터의 운용 방법을 보여주는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터은, 천연가스 저장소(100)는 셰일가스를 포함하는 원료가스를 액화하여 저장하는 A단계(S610); 탄화수소 개질기(200)는 상기 A단계에서 상기 천연가스 저장소(100)에 저장된 원료가스와 외부로부터 투입된 물을 반응시켜 제1 수소(블루수소) 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하고, 상기 기체 혼합물 중 제1 수소를 분리하여 제1 수송관(P1)을 통해 온사이트(on-site) 수소충전소(600)로 전달하는 B단계(S620); 반응기(300)는 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 상기 B단계에서 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하는 C단계(S630); 수소 생성기(400)는 상기 반응기(300)에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 이용하여 제2 수소(그린수소)를 생성한 후 상기 제2 수소를 제2 수송관(P2)을 통해 온사이트 수소충전소(600)에 전달하는 D단계(S640); 탄소자원 저장소(500)는 상기 반응기(300)에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 전달받아 저장하거나 상기 반응물을 수소 생성기(400)로 공급하여 제2 수소(그린수소)를 생성한 후 상기 제2 수소를 제2 수송관(P2)을 통해 온사이트 수소충전소(600)에 전달하는 E단계(S650); 및 상기 D 또는 E단계(S640)(S650)에서 온사이트 수소충전소(600)에 전달된 제1 수소(블루수소) 및 제2 수소(그린수소)는 일정 용량의 수소저장탱크(미도시)를 탑재한 수소운송트럭(HET)을 이용하여 전국 각 지역의 거점별로 분산되어 있는 오프사이트(off-site) 수소충전소(800)로 육로를 통해 운송하는 F단계(S660);를 포함한다.
이때, 상기 온사이트 또는 오프사이트 수소충전소(600)(800)에는 앞서 도 1, 2에서 살펴본 바와 같이 생성된 제1 수소(블루수소) 및 제2 수소(그린수소)를 이용하여 전기에너지를 생성하는 연료전지(900) 및 상기 연료전지(900)에서 생성된 전기에너지를 저장하는 ESS(Energy Storage System, 1000)가 더 부가될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 온사이트 및 오프사이트 수소충전소(600)(800)에서는 연료전지(900)를 통해 생산된 전기에너지를 이용하여 직접적으로 전기차(EV)를 충전하거나 ESS(1000)에 저장된 전기에너지를 이용하여 전기차(EV)를 충전할 수 있다. 또한, 상기 온사이트 및 오프사이트 수소충전소(600)(800)에 저장된 제1 또는 제2 수소(블루수소 또는 그린수소)를 통해 수소차(HV) 또는 수소전기차(HEV)에 수소를 충전할 수 있다.
그러므로, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 온사이트 및 오프사이트 수소충전소(600)(800)는 전국 각지의 지역 거점별로 설치될 수 있으며, 모든 종류의 친환경차(EV, HV, HEV)를 충전 및 대응할 수 있는 이점을 갖는다.
구체적으로, 상기 A단계(S610)에서 천연가스 저장소는 셰일가스를 포함하는 원료가스를 액화하여 저장한다. 본 발명의 제1 수소, 즉 블루수소(Blue hydrogen) 가스 생산에 소요되는 원료가스(천연가스)는 대표적으로 셰일가스를 이용할 수 있다.
상기 B단계(S620)는 구체적으로 탄화수소 개질기(200)가 상기 A단계(S610)에서 상기 천연가스 저장소(100)에 저장된 원료가스와 외부로부터 투입된 물을 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하고, 상기 기체 혼합물로부터 수소 가스를 추출하여 수소충전소(600)로 전달하고, 상기 생성된 기체 혼합물 중에서 상기 수소 가스와 분리된 이산화탄소 가스는 반응기(300)에 공급할 수 있다.
이때, 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생산된 제1 수소는 이산화탄소가 포집 및 제거되어진 블루수소(Blue hydrogen)일 수 있으며, 상기 제1 수소(블루수소)는 제1 수송관(P1)을 통해 온사이트 수소충전소(600)로 파이프라인 이송 및 저장될 수 있다.
상기 C단계(S630)는 반응기(300)가 상기 B단계(S620)에서 생성된 이산화탄소 가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소 가스를 포집하고 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리할 수 있다. 여기서, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 C단계(S630)는 반응기(300) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 반응기(300)에 포함된 믹서(도 3의 330)에서 밸브(도 3의 335)를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 D단계(S640)는 수소 생성기(400)가 상기 C단계(S630)에서 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전해액으로 사용하여 전기 분해를 통해서 수소 가스 및 산소 가스를 생성할 수 있다. 여기서, 생성된 수소 가스는 이산화탄소가 생성되지 않는 그린수소(Green hydrogen)일 수 있으며, 상기 제2 수소(그린수소)는 제2 수송관(P2)을 통해 다시 온사이트 수소충전소(600)로 파이프라인 이송 및 저장될 수 있다. 한편, 상기 수소 생성기(400)의 구성 및 기능에 대해서는 앞서 도 4 내지 도 6에서 상술했으므로 본 실시예에 따른 설명은 생략하기로 한다.
상기 E단계(S650)에서, 탄소자원 저장소(500)는 상기 반응기(300)에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 전달받아 저장하거나 상기 반응물을 수소 생성기(400)로 공급하여 제2 수소(그린수소)를 생성한 후 상기 제2 수소를 제2 수송관(P2)을 통해 온사이트 수소충전소(600)에 전달한다.
상기 F단계(S660)는, D 또는 E단계(S640)(S650)에서 온사이트 수소충전소에 전달된 제1 및 제2 수소(블루수소)(그린수소)는 일정 용량의 수소저장탱크를 탑재한 수소운송트럭을 이용하여 전국 각 지역의 거점별로 분산되어 있는 오프사이트(off-site) 수소충전소로 육로를 통해 운송한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 천연가스 저장소 200: 탄화수소 개질기
300: 반응기 310: 흡수탑
311: 이산화탄소 포집부 312: 레벨 인디케이터
313: 버블러 314, 333, 334, 335: 밸브
330: 믹서 331: 염기성 알칼리 용액 저장조
332: 급수원 336: 바이패스(by-pass)
340: 분리기 342: 폐수 처리조
350: 배출부 360: 모니터링부
361: 제어부 400: 수소 생성기
410: 전원 인가부 420: 인버터
421: DC 모선 422: 이산화탄소 반응물 유입 유로
423: 슬러지 배출 유로 424: 이산화탄소 반응물 유입구
430: 전해조 431: 이산화탄소 반응물 공급탱크
432: 전해액 공급 유로 440: 수전해셀
450: 드레인(drain) 470: 수소 배출 유로
475: 산소 배출 유로 480: 필터
485: 수소 저장탱크 490: 산소 저장탱크
500: 탄소자원 저장소 600: 온사이트 수소충전소
700: 슬러지 회수부 800: 클린수소 노드
900: 연료전지 1000: ESS(Energy Storage System)
HET: 수소운송트럭(Hydrogen Electric Truck)
300: 반응기 310: 흡수탑
311: 이산화탄소 포집부 312: 레벨 인디케이터
313: 버블러 314, 333, 334, 335: 밸브
330: 믹서 331: 염기성 알칼리 용액 저장조
332: 급수원 336: 바이패스(by-pass)
340: 분리기 342: 폐수 처리조
350: 배출부 360: 모니터링부
361: 제어부 400: 수소 생성기
410: 전원 인가부 420: 인버터
421: DC 모선 422: 이산화탄소 반응물 유입 유로
423: 슬러지 배출 유로 424: 이산화탄소 반응물 유입구
430: 전해조 431: 이산화탄소 반응물 공급탱크
432: 전해액 공급 유로 440: 수전해셀
450: 드레인(drain) 470: 수소 배출 유로
475: 산소 배출 유로 480: 필터
485: 수소 저장탱크 490: 산소 저장탱크
500: 탄소자원 저장소 600: 온사이트 수소충전소
700: 슬러지 회수부 800: 클린수소 노드
900: 연료전지 1000: ESS(Energy Storage System)
HET: 수소운송트럭(Hydrogen Electric Truck)
Claims (15)
- 매탄 개질 시 발생되는 이산화탄소 포집, 저장 및 자원화를 통해 블루 및 그린수소를 생산하는 클린수소 생산거점; 및
상기 클린수소 생산 거점으로부터 생산된 블루 및 그린수소를 공급받는 적어도 하나 이상의 클린수소 노드;를 포함하고,
상기 클린수소 노드는 전국 각지의 지역별 면적, 인구수, 클린수소 생산거점과의 거리를 포함한 요소를 고려하여 전국 각지에 다수로 분산 형성 및 클린수소 생산거점과 클린수소 노드를 연결하고,
상기 분산 형성된 각각의 클린수소 노드 주변으로 물류, 휴게시설, 사무실, 식당을 포함한 인프라를 확장하는 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 1 항에 있어서,
상기 클린수소 생산거점은,
셰일가스를 포함하는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)를 저장하는 천연가스 저장소;
상기 천연가스 저장소로부터 공급된 천연가스 또는 셰일가스와 외부로부터 투입된 물을 반응시켜 제1 수소(블루수소) 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하는 탄화수소 개질기;
상기 탄화수소 개질기로부터 생성된 제1 수소를 전달받아 저장하는 온사이트(on-site) 수소충전소;
상기 탄화수소 개질기로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기;
상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 저장하는 탄소자원 저장소; 및
상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 직접 전달받거나 탄소자원 저장소를 경유하여 전달된 이산화탄소 반응물을 이용하여 제2 수소(그린수소)를 생성하고, 생성된 제2 수소는 수소충전소로 전달하는 수소생성기;를 포함하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 2 항에 있어서,
상기 클린수소 노드는,
상기 온사이트(on-site) 수소충전소로부터 제1 및 제2 수소를 전달받아 저장하는 오프사이트(off-site) 수소충전소를 포함하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 2 항에 있어서,
상기 천연가스 저장소에 저장된 원료가스와 외부로부터 투입된 물을 반응시켜 제1 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하고, 상기 기체 혼합물 중 제1 수소를 분리하여 제1 수송관을 통해 온사이트 수소충전소로 전달하는 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 2 항에 있어서,
상기 탄소자원 저장소는 상기 반응기에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 전달받아 저장하거나 상기 반응물을 수소 생성기로 공급하여 제2 수소를 생성한 후 상기 제2 수소를 제2 수송관을 통해 온사이트 수소충전소에 전달하는 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 2 항에 있어서,
상기 온사이트 수소충전소에 전달된 제1 및 제2 수소는 일정 용량의 수소저장탱크를 탑재한 수소운송트럭을 이용하여 클린수소 노드로 육로를 통해 운송하거나 수송관을 통해 수송하는 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 1 항에 있어서,
상기 클린수소 생산거점 또는 클린수소 노드에는 생성된 블루 및 그린수소를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 및 상기 연료전지에서 생성된 전기를 저장하는 ESS(Energy Storage System)가 더 부가되는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 6 항에 있어서,
상기 수소운송트럭은 수소충전소로부터 충전된 제1 또는 제2 수소를 이용하여 차량 내부의 연료전지를 발전시켜 육로를 주행하는 수소전기차인 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 2 항에 있어서,
상기 탄화수소 개질기는,
상기 기체 혼합물로부터 수소 및 이산화탄소를 추출 또는 분리하기 위한 추출 수단; 및
상기 추출 수단으로부터 추출된 수소를 수소충전소에 공급하고 상기 생성된 기체 혼합물에서 수소와 분리된 이산화탄소를 상기 반응기에 공급하기 위한 전달 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 2 항에 있어서,
상기 반응기는,
상기 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 믹서;
상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 상기 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑;
상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 분리기; 및
상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소;를 포함하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 10 항에 있어서,
상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 혼합시켜 상기 염기성 알칼리 혼합액을 생성하는 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 10 항에 있어서,
상기 흡수탑은 상부에 설치된 다수의 노즐을 통해 상기 믹서로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 10 항에 있어서,
상기 흡수탑은 상기 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 하부에 설치된 버블러를 통과하도록 하여 미세 방울이 형성된 이산화탄소와, 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액을 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 것을 특징으로 하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 10 항에 있어서,
상기 반응기는,
상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및
상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 더 포함하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터. - 제 2 항에 있어서,
상기 탄소자원 저장소는,
상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 수용하기 위해 내부벽 및 외부벽에 의해 이중벽 구조를 갖는 저장탱크;
상기 저장탱크와 연결되어 이산화탄소 반응물을 상기 저장탱크로 로딩(loading)하는 인입 유닛;
상기 저장탱크와 연결되어 상기 저장탱크 내의 상기 이산화탄소 반응물을 언로딩(unloading)하는 배출 유닛; 및
상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩 시에 상기 인입 유닛 또는 상기 배출 유닛을 제어하는 제어 유닛;을 포함하는,
블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220154759A KR20240072778A (ko) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터 |
| PCT/KR2023/016154 WO2024106766A1 (ko) | 2022-11-17 | 2023-10-18 | 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220154759A KR20240072778A (ko) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240072778A true KR20240072778A (ko) | 2024-05-24 |
Family
ID=91085064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220154759A KR20240072778A (ko) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 블루 및 그린수소를 이용한 클린에너지 융복합 센터 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240072778A (ko) |
| WO (1) | WO2024106766A1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101807112B1 (ko) | 2014-10-22 | 2017-12-11 | 한국에너지기술연구원 | 쉘-앤-튜브형 천연가스 개질용 반응기 및 이를 이용한 합성가스 또는 수소가스의 제조방법 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8012453B2 (en) * | 2007-10-25 | 2011-09-06 | Surendra Saxena | Carbon sequestration and production of hydrogen and hydride |
| KR101508207B1 (ko) * | 2014-02-06 | 2015-04-07 | 한국지질자원연구원 | 선박 배기가스 중 이산화탄소를 저감시키기 위한 이산화탄소 저감 시스템 및 이를 이용한 탄산칼슘 제조방법 |
| KR102094010B1 (ko) * | 2018-11-30 | 2020-03-26 | 대영씨엔이(주) | 수소 충전소 운용방법 |
| WO2020203520A1 (ja) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 旭化成株式会社 | 装置、方法、およびプログラム |
| KR102193347B1 (ko) * | 2019-04-22 | 2020-12-21 | (주)대우건설 | 지능형 복합 수소 스테이션 운영 관리 시스템 및 방법 |
-
2022
- 2022-11-17 KR KR1020220154759A patent/KR20240072778A/ko unknown
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2023
- 2023-10-18 WO PCT/KR2023/016154 patent/WO2024106766A1/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101807112B1 (ko) | 2014-10-22 | 2017-12-11 | 한국에너지기술연구원 | 쉘-앤-튜브형 천연가스 개질용 반응기 및 이를 이용한 합성가스 또는 수소가스의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024106766A1 (ko) | 2024-05-23 |
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