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KR102410317B1 - 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템 (lohc-hess) 및 이의 운전방법 - Google Patents

액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템 (lohc-hess) 및 이의 운전방법 Download PDF

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KR102410317B1
KR102410317B1 KR1020200096306A KR20200096306A KR102410317B1 KR 102410317 B1 KR102410317 B1 KR 102410317B1 KR 1020200096306 A KR1020200096306 A KR 1020200096306A KR 20200096306 A KR20200096306 A KR 20200096306A KR 102410317 B1 KR102410317 B1 KR 102410317B1
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liquid compound
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energy storage
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유영성
배중면
이태희
김태홍
이상훈
전상윤
최백범
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템 및 이의 운전방법에 있어서, 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 공급받아 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수소 생산부, 상기 수소생산부로부터 생산된 수소를 제1액상화합물과 반응하여, 상기 제1액상화합물을 수소가 저장된 제2액상화합물이 되도록 형성하는 수소 저장부, 상기 제2액상화합물에 저장된 수소를 탈착하여 수소 및 상기 제1액상화합물로 분리하는 수소 탈착부, 상기 수소탈착부로부터 탈착된 수소를 임시 저장하는 완충 수소 탱크부, 상기 완충수소탱크부로부터 수소를 안정적으로 공급받아 전력을 생산하는 연료 전지부 및 상기 수소 에너지 시스템을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템 (LOHC-HESS) 및 이의 운전방법{Liquid organic hydrogen carrier based hydrogen energy storage system and method for operating the same}
본 발명은 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 상세하게는 상용 가능한 액상화합물 기반 수소저장기술을 이용하여 수전해장치 및 연료전지와 연계될 수 있도록 형성된 시스템 및 운전 방법에 관한 것이다.
최근 신재생에너지로부터 생산된 수소를 액상화합물 기반 수소저장기술을 이용하여 에너지 저장장치로 활용하고자 하는 연구가 수행되고 있다. 하지만, 신재생 에너지의 비율이 증가함에 따라 전력수요 및 공급의 불일치가 증가하게 되었다. 이를 해결하기 위하여 전력공급이 수요보다 큰 경우 잉여전력을 활용하여 수전해를 통해 수소를 생산하여 이를 저장하고, 전력수요가 공급보다 큰 경우에 저장되었던 수소를 활용하여 연료전지로 전력을 생산하여 전력망에 공급하는 수소 저장 에너지 시스템(HESS, hydrogen energy storage system) 기술이 주목을 받고 있다.
수소 저장 에너지 시스템(HESS)은 액상화합물 기반 수소저장(Liquid organic hydrogen carrier, LOHC) 기술을 기반으로 하는 것으로, 상기 액상화합물 기반 수소저장 기술은 벤젠고리 기반의 유기화합물을 수소와 반응시켜 수소를 저장하고 저장된 수소를 방출하는 기술이다.
이때, 유기화합물에 수소를 저장하기 위해서는 10 내지 50 bar 수준의 압력을 인가하여 벤젠고리의 이중결합을 깨뜨리며 수소원자를 저장시킬 수 있으며, 저장된 수소는 상압조건에서 반응하여 방출하게 된다.
이러한 액상화합물 기반 수소저장기술은 종래의 리튬이온 배터리와 비교하여 4배 이상의 저장 용량(storage capacity)을 가지며, 압축 수소 방식에 비하여 2배 이상의 저장 용량을 가지는 것으로 알려져 있다.
따라서, 신재생 에너지를 활용하는 수소 생산 수전해 장치(수전해조) 및 수소를 사용하여 전기를 생산하는 연료전지와 연계된 상용화 가능한 액상화합물 기반 수소저장 시스템의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
하지만, 기존의 수소 저장 에너지 시스템(HESS)의 압축수소 방식은 수소를 700bar 수준의 기체로 저장하여 안정성 문제가 제기되어 왔다. 또한, 수소를 고압으로 저장하더라도 수소저장 밀도가 낮은 한계가 있으며, 수소저장밀도를 높이기 위해 압력을 700bar 이상으로 증가시키는 경우 수소가 이상기체의 특성을 따르지 않게 되어 저장밀도의 증가폭이 작아지는 문제가 있다.
이러한 압축수소의 안전문제로 인하여 수소 저장 에너지 시스템(HESS)의 설치시 규제가 많으며, 수소저장밀도가 낮아 설치시 필요로하는 대지의 용적이 증가되 저장장치 설치 시 비용증가가 야기된다.
이에, 안전하며 고에너지 밀도로 수소저장이 가능한 수소저장기술이 적용된 수소 저장 에너지 시스템(HESS)의 기술개발이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 재생에너지 비율의 증가에 따라 발생하는 전력망의 안정성을 향상시킨 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 안정성이 향상되고 고에너지 밀도로 수소저장이 가능한 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(LOHC-HESS)에 있어서, 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 공급받아 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수소 생산부, 상기 수소생산부로부터 생산된 수소를 제1액상화합물과 반응하여, 상기 제1액상화합물을 수소가 저장된 제2액상화합물이 되도록 형성하는 수소 저장부, 상기 제2액상화합물에 저장된 수소를 탈착하여 수소 및 상기 제1액상화합물로 분리하는 수소 탈착부, 상기 수소탈착부로부터 탈착된 수소를 임시 저장하는 완충 수소 탱크부, 상기 완충수소탱크부로부터 수소를 안정적으로 공급받아 전력을 생산하는 연료 전지부 및 상기 수소 에너지 시스템을 제어하는 제어부를 포함하는 것인 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신재생 에너지는 발생 된 미사용 전력은 전력변환장치(PCS) 및 소형 배터리에 공급하여 불안정성을 억제하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 생산부는 상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소의 생산량을 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소의 생산량은 상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소저장 단계의 반응속도와 일치하도록 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 생산부는 수전해 장치(수전해조)를 포함하는 것으로, 상기 수전해 장치는 고분자 전해질 분리막 수전해(PEM water electrolysis)장치 및 알칼리 수전해(Alkaline water electrolysis) 장치 및 고온 수전해 장치 중 선택되는 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 저장부는 상기 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 수용하도록 형성되는 액상화합물 탱크 및 상기 수소 생산부로부터 생산된 수소를 상기 제1액상화합물과 반응시켜, 상기 수소가 상기 제1액상화합물에 저장되도록 결합반응이 이루어지는 수소화 반응기를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상화합물 탱크는, 상기 수소와 반응하지 않은 제1액상화합물을 수용하는 제1액상화합물 탱크 및 상기 수소와 반응하여 수소가 저장된 제2액상화합물을 수용하는 제2액상화합물 탱크를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소화 반응기는, 상기 수소화 반응기 내의 온도 및 압력을 측정하기 위한 온도센서 및 압력센서 및 상기 수소화 반응기로부터 수소가 저장된 제2액상화합물을 상기 제2액상화합물 탱크로 이송하기 위한 펌프를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소화 반응기는 수소화 반응에 의하여 발열반응이 발생하는 것으로, 상기 발열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위한 냉각장치를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 탈착부는 상기 제2액상화합물로부터 수소를 탈착하여 수소 및 제1액상화합물로 분리하는 탈수소화 반응기 및 상기 탈착된 수소로부터 저탄화수소 및 불순물을 분리하여 고순도의 수소를 형성하는 흡착탑을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 탈착부는 상기 탈수소화 반응기 내의 온도 및 압력을 측정하기 위한 온도센서 및 압력센서 및 상기 탈수소화 반응기로부터 수소가 탈착된 제1액상화합물을 상기 제1액상화합물 탱크로 이송하기 위한 펌프를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 틸수소화 반응기는 탈수소화 반응에 의하여 흡열반응이 발생하는 것으로, 상기 흡열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위한 가열장치를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료 전지부는 고분자 전해질 분리막 연료전지, 알칼라인 연료전지 및 고온 연료전지 중 선택되는 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상화합물은 적어도 하나의 공액 결합을 갖는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 액상 유기물 수소 저장체((LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 수소저장부 및 상기 수소탈착부의 온도 및 압력을 제어하는 온도 제어부 및 압력 제어부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 수소저장부 및 상기 수소탈착부로 공급되는 수소 및 액상화합물의 공급유량을 제어하는 유량 제어부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(LOHC-HESS)의 운전 방법에 있어서, 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 수소 생산부로 공급받아 수소를 생산하는 단계, 상기 수소생산부로부터 생산된 수소를 수소 저장부로 공급받아 제1액상화합물과 반응하여, 상기 제1액상화합물을 수소가 저장된 제2액상화합물이 되도록 형성하는 수소 저장 단계, 상기 수소 저장부로부터 제2액상화합물을 수소 탈착부로 공급받아 제2액상화합물에 저장된 수소를 탈착하여 수소 및 상기 제1액상화합물로 분리하는 수소 탈착 단계, 상기 수소탈착부로부터 탈착된 수소를 완충 수소 탱크에 임시 저장하는 단계 및 상기 완충수소탱크부로부터 연료전지로 수소를 공급받아 전력을 생산하는 단계를 포함하고 제어부를 통하여 수소 에너지 시스템을 제어하는 것인 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신재생 에너지에서 발생된 미사용 전력은 전력변환장치(PCS) 및 소형 배터리에 공급하여 불안정성을 억제하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소를 생산하는 단계는 상기 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 공급받아 상기 수소 생산부에서 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것으로 상기 수소 생산부는 수전해 장치를 포함하고 상기 수전해장치는 고분자 전해질 분리막 수전해(PEM water electrolysis)장치 및 알칼리 수전해(Alkaline water electrolysis) 장치 및 고온 수전해 장치 중 선택되는 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소를 생산하는 단계는 상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소의 생산량을 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소의 생산량은 상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소저장 단계의 반응속도와 일치하도록 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 저장 단계는 제1 액상화합물 탱크에서 상기 제1액상화합물을 수소화 반응기로 공급하는 단계, 상기 수소 생산부로부터 생산된 수소를 상기 수소화 반응기에 버블링하여 공급하는 단계, 상기 제1액상화합물 및 상기 수소가 수소화 반응촉매의 존재 하에 반응하고 결합하여 제2액상화합물을 형성하는 수소화 반응단계 및 상기 수소와 반응하여 결합한 제2액상화합물을 제2액상화합물 탱크에 공급하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소화 반응단계는 상기 수소화 반응기로 공급되는 제1액상화합물 및 상기 수소의 공급유량을 제어하고, 상기 제1액상화합물 및 상기 수소가 반응하고 결합하여 제2액상화합물을 형성하는 동안 반응온도, 반응압력 및 교반속도를 제어하여 상기 수소화 반응속도를 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소화 반응단계는 발열반응이 발생하는 것으로, 상기 발열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위하여 냉각장치를 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2액상화합물을 제2액상화합물 탱크에 공급하는 단계는, 고온 고압조건에서 필터링하여 상기 수소화 반응촉매를 회수하고, 상기 수소화 반응촉매가 분리된 제2액상화합물을 펌프를 이용하여 상기 제2액상화합물 탱크로 이송하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 탈착 단계는 상기 제2 액상화합물탱크에서 상기 수소가 저장된 제2액상화합물을 상기 탈수소화 반응기로 버블링하여 공급하는 단계, 탈수소화 반응촉매의 존재 하에 상기 제2액상화합물로부터 상기 수소 및 상기 제1액상화합물로 탈착하는 탈수소화 반응단계, 상기 제1액상화합물은 상기 제1액상화합물 탱크로 이송하고, 상기 탈착된 수소를 완충탱크로 공급하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탈수소화 반응단계는 상기 탈수소화 반응기로 공급되는 제2액상화합물의 공급유량을 제어하고, 상기 제2액상화합물이 탈착하여 제1액상화합물 및 수소로 분리되는 동안 반응온도, 반응압력 및 교반속도를 제어하여 상기 탈수소화 반응속도를 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탈수소화 반응단계는 흡열반응이 발생하는 것으로 상기 흡열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위하여 가열장치를 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탈수소화 반응단계는 상기 탈착된 수소를 완충 수소 탱크부로 공급하는 단계 이전에 상기 탈착된 수소를 흡착탑으로 공급하는 단계를 더 포함하는 것으로, 상기 수소는 상기 흡착탑에서 잔류 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 흡착하여 고순도 수소를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탈착된 수소를 흡착탑으로 공급하는 단계는 고온 고압조건에서 필터링하여 상기 탈수소화 반응촉매를 회수하고, 상기 탈수소화 반응촉매가 분리된 제1액상화합물은 펌프를 이용하여 상기 제1액상화합물 탱크로 이송하고, 상기 수소는 흡착탑으로 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡착탑으로 공급하는 단계는 상기 탈착된 수소로부터 휘발된 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 응축하여 1차회수하고 상기 회수된 제1액상화합물 및 상기 제2액상화합물을 상기 제1액상화합물 탱크 및 상기 제2액상화합물 탱크로 재순환하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전력을 생산하는 단계는 상기 완충 수소 탱크로부터 상기 연료전지로 공급되는 수소를 일정유량으로 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지로 공급되는 수소의 유량 변동성이 큰 경우 상기 완충 수소 탱크의 수소를 고압으로 저장하는 것일 수 있다.
본 발명은 재생에너지 비율의 증가에 따라 발생하는 전력망의 안정성을 향상시킨 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 안정성이 향상되고 고에너지 밀도로 수소저장이 가능한 효과가 있다.
또한, 전력손실을 최소화하여 전력망 효율화 및 전력생산 비용 절감의 효과가 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템을 포함하는 에너지 저장 기술별 저장 특성을 도시한 개념도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템을 이용한 에너지 생산방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템에 포함된 수소 생산부를 통한 수소생산을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템에 포함된 액상화합물의 수소화 반응의 예시를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템에 포함된 연료전지부를 통하여 전력생산을 나타낸 개념도이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 “부”한, 특정 기능을 수행하는 한 개의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 액상화합물 기반 수소저장기술(LOHC)을 포함하는 에너지 저장 기술별 저장 특성을 도시한 개념도이다.
도 1을 참고하면, 수소를 저장하는 방법에는 고압가스 압축을 통한 수소저장 고체저장합금(MHC, Solid Metal Hydride, Chemical)을 통한 수소저장, 액상화합물 기반 수소저장기술(LOHC, Liquid Organic Hydrogen, Carrier) 방식을 통한 수소저장 등이 있다.
상세하게는, 상기 액상화합물 기반 수소저장기술(LOHC)은 높은 에너지 저장 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 것으로, 예를 들어, 리튬이온 배터리와 비교하여 4배 이상의 에너지 저장 특성을 가지며, 압축 수소 방식과 대비하여 2배 이상의 에너지 저장 특성을 갖는다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(Liquid organic hydrogen carrier based hydrogen energy storage system, LOHC-HESS)(1)은 수소 생산부(100), 수소 저장부(200), 수소 탈착부(300), 완충 수소탱크부(400), 연료 전지부(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
또한, 각 장치부 및 제어부는 가스 및 LOHC 라인, 냉각장치,가열장치 및 제어라인을 더 포함하는 것으로, 각 라인을 통하여 수소의 생산, 저장 및 탈착, 탈착된 수소를 이용한 에너지 생산을 수행하도록 형성된다. 또한, 상기 가스 및 LOHC 라인, 냉각라인, 제어장치 및 제어라인에 연결되어 작동하는 다수의 펌프, 레귤레이터, 니들밸브, 체크밸브, 볼밸브 및 다"??* 밸브 등이 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 가스라인을 통하여 질소가 공급되는 것으로 본 발명의 에너지생산 복합시스템(1)을 운전하는 동안 질소가 공급되는 것을 특징으로 한다. 이때, 질소는 수소가스의 균일한 공급을 위한 캐리어 가스의 일종일 수 있다.
또한, 상기 상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(1)을 구성하는 수소 생산부(100), 수소 저장부(200), 수소 탈착부(300), 완충 수소탱크부(400) 및 연료전지부(500)는 순차적으로 연장 연결될 수 있다.
하기에는, 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(1)을 구성하는 각 부분에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
상기 수소 생산부(100)는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것으로, 상세하게는 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 공급받아 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 수소 생산부(100)는 수전해 장치를 포함하는 것으로, 상기 수전해 장치는 고분자 전해질 막을 사용하는 고분자 전해질 수전해(PEM water electrolysis)장치, KOH 또는 NaOH 전해질을 사용하는 알칼라인 수전해 장치 및 고온 수전해 장치 중 선택되는 1종을 포함할 수 있다. 이때, 상기 수전해 장치에 제한은 없으며, 본 발명에서는 고분자 전해질 수전해(PEM water electrolysis)장치를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수소 생산부(100)에 공급되는 전력을 안정적으로 공급하기 위하여 상기 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력은 전력변환장치(PCS) 및 소형 배터리에 공급하고 상기 전력변환장치 및 소형 배터리에 공급 저장된 전력을 수소 생산부(100)로 공급함으로써 불안정성을 억제할 수 있다.
상기 수소 저장부(200)는 상기 수소 생산부(100)로부터 연장 연결되는 것으로, 상기 수소 생산부(100)로부터 생산된 수소를 제1액상화합물과 반응하여 상기 제1액상화합물을 수소가 저장된 제2액상화합물이 되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 수소 저장부(200)는 상기 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 수용하도록 형성되는 액상화합물 탱크(210, 230) 및 상기 수소 생산부로부터 생산된 수소를 상기 제1액상화합물과 반응시켜, 상기 수소가 상기 제1액상화합물에 저장되도록 결합반응이 이루어지는 수소화 반응기(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 상세하게는, 상기 액상화합물 탱크(210, 230)는 상기 수소와 반응하지 않은 제1 액상화합물을 수용하는 제1액상화합물 탱크(210) 및 상기 수소와 반응하여 수소가 저장 재2액상화합물을 수용하는 제2액상화합물 탱크(230)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1액상화합물 탱크(210)는 상기 수소 생산부(100)로부터 연장연결 되는 것이 바람직하다.
상기 액상화합물은 적어도 하나의 공액결합을 갖는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 액상유기물 저장체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)인 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 상기 액상유기물 저장체는 방향족 유기화합물 및 그 유도체를 포함하는 것으로, 벤젠, 톨루엔, 다이벤질톨루엔, 나프탈렌, 피리딘 등을 포함하며, 이에 제한은 없다.
덧붙여 본 발명의 설명에서 상기 액상화합물은 수소를 저장할 수 있는 상태의 액상화합물은 제1액상화합물로 명명될 수 있다. 한편, 수소가 저장된 상태의 액상화합물은 제2액상화합물로 명명될 수 있다. 이때, 상기의 제1액상화합물 및 제2액상화합물은 동일한 물질에서 수소의 저장 상태에 따라 가역적으로 변화하는 화합물의 형태로 본 발명의 액상화합물을 임의로 구분하여 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 서수에 의하여 액상화합물의 종류를 구분하거나 한정되지는 않는다.
즉, 상기 제1액상화합물 탱크(210)는 수소와 반응하기 전 제1액상화합물을 수용하고, 상기 제2액상화합물 탱크(230)는 상기 수소가 저장된 제2액상화합물을 수용하는 것이 바람직하다.
상기 수소화 반응기(220)는 상기 제1액상화합물 탱크(210)에 연장 연결되는 것으로, 상기 제1액상화합물 및 수소를 수소화 반응하여 수소가 저장된 제2액상화합물로 전환시킨다. 이때, 상기 수소화 반응기(230)는 고압용기로 형성되는 것으로, 상기 수전해 장치부(100)로부터 생산된 수소가 버블링되어 공급되도록 형성되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 상기 수소화 반응기(230)에서는 상기 수전해 장치부(100)로부터 생산된 수소와 상기 제1액상화합물이 반응하여 상기 수소가 저장된 제2액상화합물이 형성되도록 하는 수소화 반응이 이루어지는 반응기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수소화 반응기(220)는 상기 수소화 반응기(220) 내의 온도 및 압력을 측정하기 위하여 온도센서 및 압력센서, 상기 수소화 반응기(220)로부터 수소가 저장된 제2액상화합물을 상기 제2액상화합물 탱크(230)로 이송하기 위한 펌프를 더 포함한다.
또한, 상기 수소화 반응은 도 6에 개시한 바와 같이 촉매의 존재하여 반응이 이루어지는 것으로, 벤젠고리 기반의 유기화합물을 수소와 반응시켜 수소를 저장하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 수소 저장을 위하여 벤젠고리의 이중결합이 깨어지며 수소원자가 저장되는 것으로 발열반응이 발생하게 된다.
이에, 상기 발열반응에 따른 상기 수소화 반응기(220)의 발열 반응에 의한 온도상승을 제어하기 위해 냉각장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 수소화 반응기(220)는 복수개의 배치타입으로 구비될 수 있다. 이때, 상기 수소화 반응기(220)가 복수개로 배치될 경우 각각의 수소화 반응기(220)에 상기 수소 및 상기 제1액상화합물을 공급하여 수소화 반응이 이루어질 수 있으며, 상기 각 각의 수소화 반응기(220)에 냉각장치를 포함할 수 있다.
상기 수소 탈착부(300)는 상기 제2액상화합물 탱크(220)에 연장 연결될 수 있는 것으로 탈수소화 반응기(310) 및 흡착탑(330)을 포함한다.
상세하게는, 상기 수소 탈착부(300)는 제2액상화합물로부터 수소를 탈착하여 수소 및 제1액상화합물로 분리하는 탈수소화 반응기(310)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 탈수소화 반응기(310)는 상압용기로 형성되며, 상기 수소가 저장된 액상화합물인 제2액상 화합물이 버블링되어 공급되도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탈수소화 반응기(310)는 상기 탈수소화 반응기(310) 내의 온도 및 압력을 측정하기 위한 온도센서 및 압력센서, 상기 탈수소화 반응기(310)로부터 수소가 탈착된 제1액상화합물을 상기 제1액상화합물 탱크(210)로 이송하기 위한 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탈수소화 반응은 도 6에 개시한 바와 같이 촉매의 존재하여 반응이 이루어지는 것으로, 상기 수소가 저장되어있는 유기화합물로부터 수소를 탈착하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 수소가 저장된 유기화합물로부터 수소원자가 탈착되어 분리되고 상기 유기화합물은 이중결합을 포함하는 벤젠고리로 전환되는 것으로, 흡열반응이 발생하게 된다. 이에, 상기 흡열반응에 따른 상기 탈수소화 반응기(310)의 온도를 제어하기 위해 실시간으로 온도를 제어하는 가열장치를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 탈수소화 반응기(310)는 복수개의 배치타입으로 구비될 수 있다. 이때, 상기 수소화 반응기(220)가 복수개로 배치될 경우 상기 탈수소화 반응기(310)가 동일 시간동안 탈수소화 반응에 의해 탈착되는 수소의 양을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 탈수소화 반응기(310)로부터 방출된 수소는 완충 소소 탱크부(400)를 거쳐 연료전지부(500)에 안정적으로 공급될 수 있다. 이때, 상기 탈수소화 반응이 수행되는 환경에서 제1액상화합물 또는 제2액상화합물이 휘발될 수 있으며, 열에 의하여 생성된 메탄, 벤젠과 같은 저탄화수소 불순물 또한 함께 휘발되어 수소화 함께 이동될 수 있다. 상기와 같이 휘발된 제1액상화합물 또는 제2액상화합물, 저탄화수소 불순물이 수소와 혼합되어 연전료지부(500)로 공급될 경우 전극 표면에 탄소침적을 일으켜 연료전지의 성능을 저하시키는 문제를 유발 할 수 있다. 이에, 상기 탈수소화 반응기(310) 및 완충 수소 탱크부(400) 사이에 수소를 탈착 후 배출 시 잔류하는 액상화합물 잔류가스를 흡착하여 수소의 순도를 향상시킬 수 있는 응축기(320) 및 흡착탑(330)을 구비할 수 있다.
상세하게는, 상기 응축기(320)는 상기 탈수소화 반응기(310)에 연장 연결되고, 상기 흡착탑(330)은 상기 응축기(320)에 연장 연결될 수 있으며, 상기 흡착탑(330)은 상기 완충 수소 탱크부(400)에 연장 연결 될 수 있다.
먼저, 상기 응축기(320)는 탈수소화 반응기(310)에서 방출되는 수소, 휘발된 제1액상화합물 및 제2액상화합물의 응축온도 이하로 낮추어 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 1차적으로 회수하도록 형성될 수 있다. 이에, 상기 응축기(320)는 온도를 낮춰주는 냉각부 및 회수부를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 회수부는 펌프의 작동을 동력으로 하여 회수된 상기1액상화합물 및 상기 제2액상화합물을 상기 제1액상화합물 탱크(210)로 재순환시키도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡착탑(330)은 상기 응축기(320)의 후단에 배치되는 것으로, 탄화수소 흡착제를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 탄화수소 흡착제는 활성탄일 수 있으며, 상기 활성탄은 상기 액상화합물의 열분해 등으로 발생한 불순물인 메탄, 벤젠과 같은 저탄화수소를 흡착하여 제거할 수 있다.
나아가, 상기 흡착탑(330)은 방진필터를 더 포함하는 것으로, 상기 탄화수소 흡착제가 상기 연료전지부(500)로 공급되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 상기 탈수소화 반응기(310)에서 방출된 수소는 응축기(320) 및 흡착기(330)를 거쳐 고순도의 수소로 정제되어 완충 수소탱크(400)에 저장될 수 있다.이에, 액상화합물 기반 수소저장 시스템(1)의 연료전지(500)는 탄소침적에 대한 성능의 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기 완충 수소 탱크부(400)는 연료전지부(500)에 수소를 공급하도록 형성되는 레귤레이터(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 레귤레이터는 제어부(600)의 제어에 의하여 연료전지(500)에 공급되는 수소의 양이 조절될 수 있다. 다시 말해, 방출된 수소를 완충 수소탱크(400)에 임시로 저장하도록 형성되어 연료전지(500)의 출력에 따라 필요로 하는 수소 가스의 양을 실시간으로 제어할 수 있다는 장점이 있다.
상기 연료전지부(500)는 상기 수소 탈착부(300)로부터 탈착된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 연료전지부(500)에 포함되는 연료전지는 선택에 제한은 없으며, 예를 들어,고 분자 전해질 분리막 연료전지, 인산형 연료전지, 고체산화물 연료전지, 알칼라인 연료전지 및 고온 연료전지 중 선택되는 1종을 포함할 수 있다.
상기 제어부(600)는 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템을 제어하는 것으로, 상기 수소 저장부(200) 및 상기 수소 탈착부(300)의 온도 및 압력을 제어하는 온도 제어부 및 압력 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부(600)는 상기 수소 저장부(200) 및 상기 수소 탈착부(300)로 공급되는 수소 및 액상화합물의 공급유량을 제어하는 유량 제어부를 더 포함하도록 구성 될 수 있다.
예를 들어, 상기 수소 생산부(100)는 상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 상기 제어부(600)를 통해 제어하여 수소의 생산량을 제어할 수 있다, 구체적으로, 상기 수소의 생산량은 상기 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소저장 단계의 반응속도와 일치하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
즉, 수소생산량 및 수소의 저장량을 일치시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 연료전지부(500)는 상기 탈착된 수소 공급량에 따라 생산되는 전력량이 결정되는 것으로, 상기 수소 저장부(200) 및 상기 수소 탈착부(300)의 온도 및 압력을 제어함에 따라 수소 저장량 및 수소 공급량을 제어할 수 있으며, 상기 제어된 수소 공급량에 따라 생산되는 전력량을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(LOHC-HESS)의 운전방법(S100)을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참고하면, 상기 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(1)의 운전방법(S100)은 수소생산 단계(S110), 수소저장 단계(S120), 수소탈착 단계(S130) 및 전력생산 단계(S140)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수소생산 단계(S110)는 상기 수소 생산부부(100)를 통해 수소를 생산하는 것으로, 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 수소 생산부(100)의 수전해 장치에 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 수소 생산부로 공급받아 물을 전기분해 함으로써 수소를 생산하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 신재생 에너지에서 발생된 미사용 전력은 전력변환장치 및 소형 배터리에 공급하여 불안정성을 억제하는 것이 바람직하다.
예를 들어,상기 수소 생산부(100)는 수전해 장치를 포함하는 것으로, 상기 수전해 장치는 고분자 전해질 막을 사용하는 고분자 전해질 수전해(PEM water electrolysis)장치, KOH 또는 NaOH 전해질을 사용하는 알칼라인 수전해 장치 및 고온 수전해 장치 중 선택되는 1종을 포함할 수 있다. 이때, 상기 수전해 장치에 제한은 없으며, 본 발명에서는 고분자 전해질 수전해(PEM water electrolysis)장치를 사용하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템에 포함된 수소 생산부를 통한 수소생산을 나타낸 개념도이다.
도 5를 참고하면, 상기 고분자 전해질 수전해(PEM water electrolysis)장치는 수소 발생 반응 촉매를 포함하는 음극(cathode), 양극(anode) 및 고분자 전해질(PEM)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 음극에서는 하기 제1반응식이 수행되고, 양극에서는 제2반응식이 수행되는 것으로, 하기 반응을 통해 수소를 생산할 수 있다.
[제1반응식]
4H+ + 4e- → 2H2
[제2반응식]
2H2O → 4H+ + 4e- + O2
이때, 상기 수소생산 단계(S110)는 상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소의 생산량을 제어하는 것으로, 상기 수소의 생산량은 상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소저장 단계(S120)의 반응속도와 일치하도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 수소저장 단계(S120)는 상기 수소생산 단계(S110)로부터 생산된 수소를 액상화합물과 반응하여 상기 수소를 저장하는 것으로, 상기 수전해 장치부(100)로부터 생산된 수소를 수소 저장부(200)로 공급하고, 상기 수소 저장부(200)의 액상화합물과 반응하여 상기 수소를 저장하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 수소저장 단계(S120)는 상기 제1액상화합물 탱크(210)에서 수소와 반응하기 전 제1액상화합물을 상기 수소화 반응기(220)로 공급하는 단계, 상기 수소 생산부(100)로부터 생산된 수소를 상기 수소화 반응기(220)에 버블링하여 공급하는 단계, 상기 제1액상화합물 및 상기 수소가 수소화 반응촉매의 존재하에 반응하고 결합하여 제2액상화합물을 형성하는 수소화 반응단계 및 상기 수소와 반응하여 결합한 제2액상화합물을 상기 제2액상화합물 탱크(230)에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 수소화 반응단계는 상기 수소화 반응기로 공급되는 제1액상화합물 및 상기 수소의 공급유량을 제어하고, 상기 제1액상화합물 및 상기 수소가 반응하고 결합하여 제2액상화합물을 형성하는 반응온도, 반응압력 및 교반속도를 제어하여 상기 수소화 반응속도를 제어하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 수소화 반응단계는 발열반응이 발생하는 것으로, 상기 발열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위하여 냉각장치를 제어하는 것이 바람직한 것으로, 예를 들어, 상기 수소화 반응 단계(S120)는 150도 내지 180도, 30bar 내지 70bar의 압력에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1액상화합물 및 상기 수소가 반응하고 결합하여 형성된 제2액상화합물을 상기 제2액상화합물 탱크(230)에 공급하는 단계는, 고온 고압조건에서 필터링하여 상기 수소화 반응촉매를 회수하고, 상기 수소화 반응촉매가 분리된 제2액상화합물을 펌프를 이용하여 공급하는 것이 바람직하다.
상기 수소탈착 단계(S130)는 상기 제2액상화합물에 저장된 수소를 탈착하여 수소 및 상기 제1액상화합물로 분리하는 것을 특징으로 한다.
상세하게, 상기 수소탈착 단계(S130)는 상기 제2액상화합물 탱크에서 상기 수소가 저장된 제2액상화합물을 상기 탈수소화 반응기(310)로 버블링하여 공급하는 단계, 상기 탈수소화 반응촉매의 존재하에 상기 제2액상화합물로부터 상기 수소를 탈착하여 상기 수소 및 상기 제1액상화합물로 탈착하는 탈수소화 반응단계, 상기 제1액상화합물은 상기 제1액상화합물 탱크(210)로 이송하고, 상기 탈착된 수소를 완충 수소 탱크부(400)로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 탈수소화 반응단계는 상기 탈수소화 반응기(310)로 공급되는 제2액상화합물의 공급유량을 제어하고, 상기 제2액상화합물이 탈착하여 제1액상화합물 및 수소로 분리하는 동안 반응온도, 반응압력 및 교반속도를 제어하여 상기 탈수소화의 반응속도를 제어하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 탈수소화 반응단계는 흡열반응이 발생하는 것으로, 상기 흡열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위하여 가열장치를 제어하는 것이 바람직한 것으로, 예를 들어 상기 수소탈착 단계(S130)는 250도 내지 350도, 1bar 내지 5bar의 압력에서 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 탈수소화 반응단계는 상기 탈착된 수소를 완충 수소 탱크부(400)로 공급하는 단계 이전에 상기 탈착된 수소를 흡착탑(330)으로 공급하는 단계를 더 포함하는 것으로, 상기 수소는 상기 흡착탑(330)에서 잔류 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 흡착하여 고순도 수소를 형성하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 탈착된 수소를 흡착탑(330)으로 공급하는 단계는 고온 고압조건에서 필터링하여 상기 탈수소화 반응촉매를 회수하고, 상기 탈수소화 반응촉매가 분리된 제1액상화합물은 펌프를 이용하여 상기 제1액상화함물 탱크(210)로 이송하고, 상기 수소는 흡착탑(330)으로 공급하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 흡착탑(330)을 통하여 불순물이 분리된 고순도의 수소는 완충 수소 탱크부(400)로 공급하여 임시저장한 후 연료전지부(500)로 공급하여 전력을 생산할 수 있다.
이때, 상기 흡착탑(330)으로 공급하는 단계는 상기 탈착된 수소로부터 휘발된 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 응축하여 1차회수하고, 상기 회수된 제1액상화합물 및 상기 제2액상화합물을 상기 제1액상화합물 탱크(210) 및 상시 제2액상화합물탱크(230)로 재순환 하는 것으로, 상기 제1액상화합물을 재사용 할 수 있다.
상기 전력생산 단계(S140)는 상기 탈착된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 것으로, 상기 연료전지부(400)의 연료전지에 공급하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 도 7은 본 발명의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(1)에 포함된 연료전지부(500)를 통하여 전력생산을 나타낸 개념도로, 도 7을 참고하면, 연료전지는 환원전극(cathode), 산화전극(anode) 및 전해질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 상기 환원전극에서는 하기 제3반응식이 수행되고, 산화전극에서는 제4반응식이 수행되는 것으로, 하기 반응을 통해 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 생산되는 전력량은 상기 연료전지부(500)에 공급되는 수소 공급량에 따라 제어할 수 있는 것으로, 상기 완충 수소 탱크부(400)로부터 상기 연료전지부(500)로 공급되는 수소를 일정유량으로 제어하는 것이 바람직하다. 예를 들어,상기 수소 공급량은 상기 수소 저장부(200) 및 상기 수소 탈착부(300)의 온도 및 압력 제어함에 따라 생산량을 결정할 수 있으며, 상기 연료전지부(500)로 공급되는 수소의 유량 변동성이 큰 경우, 상기 완충 수소 탱크부(400)에 수소를 고압으로 저장하는 것이 바람직하다.
[제3반응식]
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
[제4반응식]
H2 → 2H+ + 2e-
또한, 상기 전력생산 단계(S140)를 통하여 생산된 전력을 그리드를 통해 산업용 또는 가정용으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 에너지생산 복합시스템을 통한 에너지생산 실시예에 대하여 설명한다.
실시예. 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법(1)을 이용하여 에너지를 생산
본 발명에 따른 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(1)을 이용하여 에너지를 생산한 것이다.
1 단계: PEM 수전해 장치에 재생에너지로부터 생산된 전력을 공급하여 수소를 하였다. 이때, 5시간 동안 반응하여 100Nm3의 수소를 생산하였다.
2 단계: 상기 생산된 수소를 액상화합물에 저장하기 위하여 수소화 반응기(수전해조)에 액상화합물인 BDT 및 수소화 반응 촉매의 존재하에 수소를 버블링하여 공급하고, 150도, 40bar 압력으로 8 시간 동안 수소화 반응을 진행하여 상기 액상화합물에 수소를 저장하였다. 이때, 상기 수소화 반응을 통하여 40Nm3의 수소를 저장하였다.
3 단계: 상기 액상화합물에 저장된 수소로부터 수소를 탈착하기 위하여 탈수소화 반응기에 탈수소화 촉매의 존재하에 상기 수소가 저장된 액상화합물을 버블링 하여 공급하고, 300도, 1bar 압력으로 2 시간 동안 탈수소화 반응을 진행하여 수소를 탈착하였다. 이때, 상기 탈수소화 반응을 통하여 저장하였던 40Nm3의 수소를 탈착였다.
4 단계: 상기 탈착된 수소를 이용하여 전력을 생산하기 위하여 연료전지로 수소를 공급하였다. 이때, 2시간 동안 연료전지에 수소를 공급함으로써 40kW의 전력을 생산 할 수 있었다.
본 발명의 액상화합물을 기반으로 한 에너지생산 복합시스템을 적용함에 따라 재생에너지의 간헐적인 전력 생산 및 이에 따른 전력 수요 및 공급의 불균형을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 도 2에 개시한 바와 같이 기존의 수소저장 탱크 등에 비해 수소의 저장 및 운송이 용이하며, 화석연료의 인프라를 활용할 수 있는 장점이 있다. 이를 통해, 잉여 전력을 액상화합물의 형태로 저장하여 전력이 부족한 곳이나 수소스테이션, 수소전기자동차 등에 공급할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다. 다시 말해, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 에너지생산 복합시스템
100: 수소 생산부(수전해조),
200: 수소 저장부, 210: 제1액상화합물 탱크, 220: 수소화 반응기 230: 제2액상화합물 탱크, 230: 수소화 반응기
300: 수소 탈착부, 310: 탈수소화 반응기, 320: 응축기, 330: 흡착탑
400: 완충 수소탱크부
500: 연료 전지부

Claims (33)

  1. 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(LOHC-HESS)에 있어서,
    신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 공급받아 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수소 생산부;
    상기 수소생산부로부터 생산된 수소를 제1액상화합물과 반응하여, 상기 제1액상화합물을 수소가 저장된 제2액상화합물이 되도록 형성하는 수소 저장부;
    상기 제2액상화합물에 저장된 수소를 탈착하여 수소 및 상기 제1액상화합물로 분리하는 수소 탈착부;
    상기 수소탈착부로부터 탈착된 수소를 임시 저장하는 완충 수소 탱크부;
    상기 완충수소탱크부로부터 수소를 안정적으로 공급받아 전력을 생산하는 연료 전지부; 및
    상기 수소 에너지 시스템을 제어하는 제어부;를 포함하는 것으로,
    상기 수소 탈착부는,
    상기 제2액상화합물로부터 수소를 탈착하여 수소 및 제1액상화합물로 분리하는 탈수소화 반응기;
    상기 탈수소화 반응기에서 방출된 수소, 휘발된 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 응축하여 상기 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 회수하는 응축기; 및
    상기 탈착된 수소로부터 저탄화수소 및 불순물을 분리하여 고순도의 수소를 형성하는 흡착탑;을 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력은,
    전력변환장치(PCS) 및 소형 배터리에 공급하여 불안정성을 억제하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소 생산부는
    상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소의 생산량을 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수소의 생산량은,
    상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소저장 단계의 반응속도와 일치하도록 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소 생산부는 수전해 장치를 포함하는 것으로,
    상기 수전해 장치는 고분자 전해질 분리막 수전해(PEM water electrolysis)장치 및 알칼리 수전해(Alkaline water electrolysis) 장치 및 고온 수전해 장치 중 선택되는 1종을 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수소 저장부는
    상기 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 수용하도록 형성되는 액상화합물 탱크; 및
    상기 수소 생산부로부터 생산된 수소를 상기 제1액상화합물과 반응시켜, 상기 수소가 상기 제1액상화합물에 저장되도록 결합반응이 이루어지는 수소화 반응기; 를 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액상화합물 탱크는,
    상기 수소와 반응하지 않은 제1액상화합물을 수용하는 제1액상화합물 탱크; 및
    상기 수소와 반응하여 수소가 저장된 제2액상화합물을 수용하는 제2액상화합물 탱크;를 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수소화 반응기는,
    상기 수소화 반응기 내의 온도 및 압력을 측정하기 위한 온도센서 및 압력센서; 및
    상기 수소화 반응기로부터 수소가 저장된 제2액상화합물을 상기 제2액상화합물 탱크로 이송하기 위한 펌프;를 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수소화 반응기는 수소화 반응에 의하여 발열반응이 발생하는 것으로,
    상기 발열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위한 냉각장치를 더 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탈수소화 반응기,
    상기 탈수소화 반응기 내의 온도 및 압력을 측정하기 위한 온도센서 및 압력센서; 및
    상기 탈수소화 반응기로부터 수소가 탈착된 제1액상화합물을 재순환 하기 위한 펌프를 더 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탈수소화 반응기는 흡열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위한 가열장치를 더 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지부는,
    고분자 전해질 분리막 연료전지, 인산형 연료전지, 고체산화물 연료전지, 알칼라인 연료전지 및 고온 연료전지 중 선택되는 1종을 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 액상화합물은,
    적어도 하나의 공액 결합을 갖는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 액상 유기물 수소 저장체((LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)인 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수소 저장부 및 상기 수소 탈착부의 온도 및 압력을 제어하는 온도 제어부 및 압력 제어부를 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수소 저장부 및 상기 수소 탈착부로 공급되는 수소 및 액상화합물의 공급유량을 제어하는 유량 제어부를 더 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템.
  17. 제1항의 액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템(LOHC-HESS)의 운전 방법에 있어서,
    신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 수소 생산부로 공급받아 수소를 생산하는 단계;
    상기 수소생산부로부터 생산된 수소를 수소 저장부로 공급받아 제1액상화합물과 반응하여, 상기 제1액상화합물을 수소가 저장된 제2액상화합물이 되도록 형성하는 수소 저장 단계;
    상기 수소 저장부로부터 제2액상화합물을 수소 탈착부로 공급받아 제2액상화합물에 저장된 수소를 탈착하여 수소 및 상기 제1액상화합물로 분리하는 수소 탈착 단계;
    상기 수소탈착부로부터 탈착된 수소를 완충 수소 탱크에 임시 저장하는 단계; 및
    상기 완충수소탱크부로부터 연료전지로 수소를 공급받아 전력을 생산하는 단계;를 포함하고,
    제어부를 통하여 수소 에너지 시스템을 제어하는 것으로,
    상기 수소탈착 단계는,
    상기 수소가 저장된 제2액상화합물을 상기 탈수소화 반응기로 버블링하여 공급하는 단계;
    탈수소화 반응촉매의 존재 하에 상기 제2액상화합물로부터 상기 수소 및 상기 제1액상화합물로 탈착하는 탈수소화 반응단계; 및
    상기 제1액상화합물은 제1액상화합물 탱크로 이송하고, 상기 탈착된 수소를 완충 수소 탱크부로 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 탈수소화 반응단계는 상기 탈착된 수소, 잔류하는 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 응축기로 공급하여 상기 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 응축하는 단계;
    상기 응축된 제1액상화합물 및 제2액상화합물을 상기 제1액상화합물 탱크로 재순환 하는 단계;
    상기 제1액상화합물 및 제2액상화합물이 제거된 수소를 흡착탑으로 공급하는 단계; 및
    상기 흡착탑으로 공급된 수소를 고순도 수소로 정제하는 단계;를 더 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 신재생 에너지에서 발생된 미사용 전력은,
    전력변환장치(PCS) 및 소형 배터리에 공급하여 불안정성을 억제하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 수소를 생산하는 단계는,
    상기 신재생 에너지에서 발생 된 미사용 전력을 공급받아 상기 수소 생산부에서 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것으로,
    상기 수소 생산부는 수전해 장치를 포함하고,
    상기 수전해장치는 고분자 전해질 분리막 수전해(PEM water electrolysis)장치 및 알칼리 수전해(Alkaline water electrolysis) 장치 및 고온 수전해 장치 중 선택되는 1종을 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 수소를 생산하는 단계는,
    상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소의 생산량을 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 수소의 생산량은,
    상기 신재생 에너지로부터 발생된 미사용 전력의 전력량을 제어하여 수소저장 단계의 반응속도와 일치하도록 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 수소 저장 단계는,
    제1 액상화합물 탱크에서 상기 제1액상화합물을 수소화 반응기로 공급하는 단계;
    상기 수소 생산부로부터 생산된 수소를 상기 수소화 반응기에 버블링하여 공급하는 단계;
    상기 제1액상화합물 및 상기 수소가 수소화 반응촉매의 존재 하에 반응하고 결합하여 제2액상화합물을 형성하는 수소화 반응단계; 및
    상기 수소와 반응하여 결합한 제2액상화합물을 제2액상화합물 탱크에 공급하는 단계;를 포함하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 수소화 반응단계는 ,
    상기 수소화 반응기로 공급되는 제1액상화합물 및 상기 수소의 공급유량을 제어하고,
    상기 제1액상화합물 및 상기 수소가 반응하고 결합하여 제2액상화합물을 형성하는 동안 반응온도, 반응압력 및 교반속도를 제어하여 상기 수소화 반응속도를 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 수소화 반응단계는 발열반응이 발생하는 것으로,
    상기 발열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위하여 냉각장치를 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 제2액상화합물을 제2액상화합물 탱크에 공급하는 단계는,
    고온 고압조건에서 필터링하여 상기 수소화 반응촉매를 회수하고,
    상기 수소화 반응촉매가 분리된 제2액상화합물을 펌프를 이용하여 상기 제2액상화합물 탱크로 이송하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  26. 삭제
  27. 제17항에 있어서,
    상기 탈수소화 반응단계는 ,
    상기 탈수소화 반응기로 공급되는 제2액상화합물의 공급유량을 제어하고,
    상기 제2액상화합물이 탈착하여 제1액상화합물 및 수소로 분리되는 동안 반응온도, 반응압력 및 교반속도를 제어하여 상기 탈수소화 반응속도를 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 탈수소화 반응단계는 흡열반응에 의한 반응온도를 실시간으로 제어하기 위하여 가열장치를 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  29. 삭제
  30. 제17항에 있어서,
    상기 탈착된 수소를 흡착탑으로 공급하는 단계는,
    고온 고압조건에서 필터링하여 상기 탈수소화 반응촉매를 회수하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  31. 삭제
  32. 제17항에 있어서,
    상기 전력을 생산하는 단계는,
    상기 완충 수소 탱크로부터 상기 연료전지부로 공급되는 수소를 일정유량으로 제어하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 연료전지부로 공급되는 수소의 유량 변동성이 큰 경우,
    상기 완충 수소 탱크부에 수소를 고압으로 저장하는 것인,
    액상화합물 기반 수소 에너지 저장 시스템의 운전방법.
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