저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템

저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템{HYBRID GEOTHERMAL HEAT CO-GENERATION SYSTEM}

본 발명은, 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 저온 지열수와 폐열을 함께 이용하는 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템에 관한 것이다.

지열발전 기술은 24시간 365일 전력 생산이 가능한 기저부하 신재생 에너지로서 90% 이상의 가동율을 보인다는 장점으로 인해 많은 국가에서 심부 지열에너지 개발을 통한 지열 발전소 건설에 나서고 있다.

그러나 지열 발전 기술로 전력을 생산하기 위해서는 저온 바이너리 지열발전시스템이라 하더라도 최소 100℃ 이상의 상대적으로 고온인 지열수의 개발이 선행되어야 한다.

이에 따라 지열 발전에 적합한 고온의 지열 자원을 탐사하여 개발 및 이용하는 것은 상당히 사업적인 위험이 상존하고 있는 기술이다.

특히 우리 나라와 같이 고온성 지열 자원의 존재가 확인되지 않은 비화산 지대 국가들은 최근 인공 지열 발전 기술인 EGS(Enhanced Geothermal System) 기술의 개발로 지열 발전이 가능하게 되었다.

하지만 지열 발전소 건설을 위한 지열 자원 탐사과정에서 발전에 적합하지 않은 100℃ 미만의 지열수만 발견이 될 경우에는 바로 프로젝트 실패가 될 수 밖에 없는 사업 위험을 내재적으로 갖고 있다고 볼 수 있다.

전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 지열수의 온도가 너무 낮아 바이너리 발전시스템으로도 전력 생산이 불가능한 저온 지열수 이거나 비교적 저온인 기존의 온천수를 이용하여 발전할 수 있는 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 지하의 지열원으로부터 지열 열원을 공급하는 지열 열원부; 상기 지열 열원과 열교환 되는 폐열 열원을 공급하는 폐열 열원부; 상기 지열 및 폐열 열원을 재활용하는 지열 및 폐열 재활용부; 상기 지열 열원과 상기 폐열 열원을 서로 열교환시키는 열교환부를 포함하고, 상기 열교환부는 복수로 마련되고, 복수로 마련되는 상기 열교환부 중 어느 하나의 열교환기에서 열교환 된 열원은 발전부로 공급되고, 다른 하나의 열교환기에서 열교환 된 열원은 상기 지열 및 폐열 재활용부로 공급되는 것을 특징으로 하는 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템이 제공될 수 있다.

상기 열교환부는, 상기 지열 열원과 상기 폐열 열원을 서로 열교환시키는 제1 열교환기; 상기 발전부와 상기 제1 열교환기에서 열교환 되어 공급되는 열원을 열교환시키는 제2 열교환기; 및 상기 지열 및 폐열 재활용부와 상기 제2 열교환기에서 열교환 된 열원을 열교환시키는 제3 열교환기를 포함할 수 있다.

상기 지열 열원부는, 생산공과 재주입공으로 이루어진 지열 열원; 및 상기 생산공, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기 및 상기 재주입공을 순차적으로 연결하는 지열 라인을 포함할 수 있다.

상기 생산공과 상기 제1 열교환기 사이에서 분기되어 상기 제3 열교환기로 연결되는 바이 패스 라인을 더 포함할 수 있다.

상기 폐열 열원부는 보일러의 폐열을 이용할 수 있다.

상기 폐열 열원부는, 탄화 수소 물질을 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기; 및 상기 수소와 상기 이산화탄소를 애노드로 공급받아 캐소드로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으켜 전기 화학 반응에 의한 기전력을 발생시키는 연료 전지를 포함할 수 있다.

상기 폐열 열원부는, 상기 연료 전지에서 방출되는 폐열 열원을 상기 제1 열교환기로 공급시키는 연료전지라인을 더 포함할 수 있다.

상기 폐열 열원부는, 상기 연료전지라인에서 분기되어 상기 폐열 열원을 상기 제2 열교환기로 공급시키는 연료전지 분기라인을 더 포함할 수 있다.

상기 연료전지라인에서 방출되는 상기 폐열 열원은 발전 용도로 사용될 수 있다.

상기 제1 열교환부에서 열교환 된 후 배출되는 열원은 상기 발전부로 공급되고, 상기 발전부는, 상기 제2 열교환기에서 열교환 된 열원을 기초로 스팀화된 작동 유체의 운동 에너지를 이용하여 작동되는 작동 유체 터빈; 상기 작동 유체 터빈(420)으로부터 토출되는 상기 작동 유체와 열교환 되어 상기 작동 유체를 냉각시켜 응축시키는 열교환기(440); 및 상기 작동 유체 터빈에 연결되어 발전되는 발전기를 포함할 수 있다.

상기 발전부는, 상기 열교환기에서 배출되는 작동 유체를 압축시키는 압축기를 더 포함할 수도 있다.

상기 발전부는, 적어도 상기 열교환기와, 상기 작동 유체 터빈을 서로 연결시켜 유체를 순환시키는 순환 라인을 더 포함할 수도 있다.

상기 제2 열교환기에서 열교환 된 열원은 주택, 사무실 및 공장 중 적어도 하나를 포함하는 상기 지열 및 폐열 재활용부로 공급될 수 있다.

상기 지열 및 폐열 재활용부에서 사용되고 배출되는 열원은 저류지에 저장될 수 있다.

상기 저류지에 저장된 열원은 양어장이나 온실로 공급될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 지열 열원과 폐열 열원을 열교환부에서 서로 열교환시켜 지열 열원의 온도를 상승시킬 수 있으므로 100℃ 미만의 지열수나 50℃ 미만의 온천수를 발전용으로 사용할 수 있다.

또한 본 실시 예는 열교환부를 다단으로 마련되고, 다단으로 마련되는 열교환부 중 어느 하나의 열교환기에서 열교환 된 열원은 발전 용도로 사용되고, 다른 하나의 열교환기에서 열교환 된 열원은 지열 및 폐열 재활용부에서 사용할 수 있어 열교환 된 열원을 다용도로 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템의 사용 상태도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템(1)은, 지열원(110)으로부터 지열 열원을 공급하는 지열 열원부(100)와, 지열 열원과 열교환 되는 폐열 열원을 공급하는 폐열 열원부(200)와, 지열 열원과 폐열 열원을 서로 열교환시키는 열교환부(300)와, 열교환부(300)에서 열교환 된 열원을 기초로 발전하는 발전부(400)와, 지열 및 폐열 열원을 재활용하는 지열 및 폐열 재활용부를 구비한다.

지열 열원부(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 지중에 있는 고온의 지열 열원을 열교환부(300)로 공급하고, 본 실시 예에서 지열 열원의 온도가 100℃ 미만 이거나, 50℃ 미만의 온천수인 경우에도 열교환부(300)에서 폐열 열원부(200)로부터 공급되는 폐열과 열교환 되어 온도가 상승 되므로 발전용 등으로 사용될 수 있다.

본 실시 예에서 지열 열원부(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 지중에 마련되고 지열 열원의 저장 장소로 제공되는 지열원(110)과, 지열원(110)과 열교환부(300)를 연결하는 지열 라인(120)과, 지열 라인(120)에서 분기되어 지열 열원을 제1 열교환기(310)와 제2 열교환기(320)를 바이 패스 하여 제2 열교환기(330)로 공급시키는 바이 패스 라인(130)을 포함한다.

지열 열원부(100)의 지열원(110)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 지열 열원이 생산되는 생산공(110a)과, 열교환부(300)를 통해 열교환 된 지열 열원을 다시 지하로 주입시키는 재주입공(110b)을 포함한다.

본 실시 예에서 생산공(110a)에서 공급되는 지열 열원은 제1 열교환기(310)에서 폐열 열원부(200)에서 공급되는 폐열 열원과 열교환 된 후 발전부(400)에서 발전 용도로 사용될 수 있다.

또한 발전부(400)에 사용된 지열 열원은 제3 열교환기(330)에서 지열 및 폐열 재활용부와 열교환 되어 주택, 사무실, 공장을 포함하는 시설물(500)이나 양어장(600), 온실(700)에서 발전용과 다른 용도인 난방용으로 사용될 수 있다.

그리고 본 실시 예에서 폐열을 이용한 발전이 필요 없는 경우 제어부(미도시)를 통하여 밸브를 제어하여 지열 열원을 바로 제3 열교환기(330)로 공급하여 지열 및 폐열 재활용부에서 난방용으로 사용할 수 있다.

폐열 열원부(200)는, 지열원(110)에서 공급되는 지열수인 지열 열원이 지열 발전에 요구되는 온도인 100℃ 미만 이더라도 제1 열교환기(310)에서 지열 열원과 열교환되어 지열 열원의 온도를 상승시킴으로써 지열 열원을 발전용 등으로 사용하도록 하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 폐열 열원부(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 폐열 보일러(210)와, 폐열 보일러(210)와 제1 열교환기(310)를 연결하는 폐열 열원 라인(220)을 포함한다.

본 실시예는 우드 펠릿 및 우드칩 등을 보일러, 즉 본 실시예의 폐열 보일러(210)에서 태워 생기는 열을 이용하는 바이오매스 방식을 이용할 수도 있고, 연료 전지의 폐열을 이용할 수도 있으며, 경우에 따라 발전소 온배수를 이용할 수도 있는 등, 본 실시예에서 폐열 보일러라는 명칭을 사용하였으나 이는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 설명으로 '폐열'이라는 문언적 해석에 국한되지 않고 본 출원인의 의도는 지열에 재생, 재활용 내지 부가적 열원을 공급하는 범위의 모든 열원을 포함하는 '부가 열원'의 의미를 나타내며 이에 부합하는 다양한 구성이 가능하다.

본 실시예는 폐열 열원 라인(220)에 마련된 온도 센서로 제어부가 소각 등을 통한 폐열 열원 활용 등을 제어하여 폐열 열원 라인(220)의 유입 온도를 대략 160도, 유출 온도를 130도 정도로 제어할 수 있다. 유입 및 유출 온도 제어는 발전부(400)의 시스템 구성에 적합하게 120도에서 200도까지 신축성있게 조절할 수 있다.

연료 전지를 이용하는 경우 폐열 열원부(200)는, 탄화 수소 물질을 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기(미도시)와, 수소와 이산화탄소를 애노드로 공급받아 캐소드로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으켜 전기 화학 반응에 의한 기전력을 발생시키는 연료 전지(미도시)와, 연료 전지와 제1 열교환기(310)를 연결하는 연료전지라인(미도시)을 포함한다.

개질기는, 메탄(CH ₄ )과 같은 연료가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 역할을 한다. 구체적으로 공급되는 연료가스는 탈황처리기에 의해 탈황 처리된 후 공급되는 물(순수)과 혼합되어 습분 연료로 상변환 된다.

이후 습분 연료는 개질되며 메탄을 제외한 고 탄화수소(hydrocarbon)가 제거된다. 메탄가스로 개질된 연료가스는 공급되는 열에 의해 이산화탄소와 수소로 개질된다.

연료 전지는, 개질된 수소와 이산화탄소를 애노드(anode)측으로 공급받아 캐소드(cathode)측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로써 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 역할을 한다.

즉 연료 전지의 애노드측은 적어도 수소를 함유하는 연료 가스를 공급받고, 연료 전지의 캐소드측은 적어도 산소를 함유하는 산화 가스의 공급을 받는다. 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 산화 가스는 상호 전기 화학 반응에 의해 기전력을 얻게 된다.

그리고 캐소드에서는 화학 반응을 일으키고 남은 고온의 가스가 배기되고, 이 고온의 가스는 연료전지라인을 통해 제1 열교환기(310)로 공급될 수 있다.

본 실시 예에서 연료 전지는 고온형의 연료전지일 수 있다. 고온형의 대표적인 예로는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지가 있다.

고온형 연료전지의 특징을 간략히 살펴보면, MCFC의 경우 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며, 연소과정 없이 650℃ 내외의 고온에서 연료를 바로 전기로 바꾸는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산하는 방식이다.

고체산화물 연료전지의 경우는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 다양한 연료의 사용과 1000℃ 이상의 고온에서 작동하므로, 연료전지의 후단에서 발생하는 고온 고압의 스팀을 이용하여 복합발전이 가능하다.

또한, 연소과정이 없고 연료에서 전기로 직접 발전되는 관계로 소음 및 대기오염 물질 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.

열교환부(300)는, 지열원(110)에서 공급되는 액체인 지열 열원과 폐열 열원부(200)에서 공급되는 고온의 가스를 서로 열교환 시켜 지열 열원이 온도가 낮은 경우라도 발전용이나 지열 및 폐열 재활용부 등에서 사용할 수 있도록 지열 열원의 온도를 상승시키는 역할을 한다.

본 실시 예에서 열교환부(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 지열 열원과 폐열 열원을 서로 열교환시키는 제1 열교환기(310)와, 발전부(400)와 제1 열교환기에서 열교환 되어 공급되는 열원을 열교환시키는 제2 열교환기(320)와, 지열 및 폐열 재활용부와 제2 열교환기(320)에서 열교환 된 열원을 열교환시키는 제2 열교환기(330)를 포함한다.

발전부(400)는, 제1 열교환기(310)에서 열교환 되어 공급되는 열원을 이용하여 작동 유체를 기상화시켜 스팀화하고, 이 스팀화된 작동 유체의 운동 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 발전부(400)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 열교환기(320)에서 열교환 된 열원을 기초로 스팀화되는 작동 유체의 운동 에너지를 이용하여 작동되는 작동 유체 터빈(420)과, 작동 유체 터빈(420)에 연결되어 작동 유체의 운동 에너지에 의한 작동 유체 터빈(420)의 회전에 의하여 발전되는 발전기(430)와, 작동 유체 터빈(420)으로부터 토출되는 작동 유체와 열교환 되어 작동 유체를 냉각시켜 응축시키는 응축기로서의 열교환기(440)와, 응축기로서의 열교환기(440)와 작동 유체 터빈(420) 등의 구성요소를 서로 연결시켜 유체를 순환시키는 순환 라인(450)과, 열교환기(440)에서 배출되는 액상화 내지 액상 기상 혼합 상태의 작동 유체를 펌핑 내지 압축 시키는 압축기(460)와, 열교환기(440)와 연결되어 순환 라인(450) 상의 작동 유체로부터 전달된 열을 냉각시키는 냉각탑(470)과, 냉각탑(470)과 열교환기(440) 사이에 마련되어 냉각탑을 관류하는 냉매를 순환시키는 펌프(480)를 포함한다.

본 실시 예는 냉각탑(470)에서의 온도 감지를 통하여, 작동유체터빈(420), 압축기(460)의 온도 제어를 위해 냉각탑(470)의 작동 상태를 제어할 수 있다.

지열 및 폐열 재활용부는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제3 열교환기(330)와 연결되어 지열 열원을 이용할 수 있다.

본 실시 예에서 지열 및 폐열 재활용부는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주택이나 사무실이나 공장을 포함하며 제3 열교환기(330)와 연결되는 시설물(500)과, 양어장(600)과, 온실(700)을 포함한다.

또한 지열 및 폐열 재활용부는 시설물(500), 양어장(600), 온실(700)과 각각 연결되는 저류지(800)를 더 포함하고, 시설물(500)과 저류지(800)를 연결하는 라인에는 역류 방지 밸브와 개폐 밸브가 복수로 마련될 수 있다.

본 실시 예는 시설물(500)과 저류지(800)를 통한 양어장(600)/온실(700) 등에서의 열교환을 이룰 수 있는 데, 각 단계는 선택적으로 열교환을 이룰 수 있다. 이를 위해 바이 패스 라인(130) 상에 역류 방지 밸브를 추가하여 제어부(미도시)를 통한 온/오프 제어로 캐스캐이드 제어를 이룰 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 발전부의 사용 상태도이다.

본 실시 예에서 제1 열교환기(310)에서 열교환 된 열원은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 열교환기(320)로 공급된다. 제2 열교환기(320)로 공급되는 열원은 발전부(400)를 순환하는 유체를 스팀화 시키고, 이 스팀은 작동 유체 터빈(420)으로 공급되어 작동 유체 터빈(420)을 구동시킨다.

작동 유체 터빈(420)에서 발생된 동력은 발전기(430)를 구동시켜 전력을 생산하고, 작동 유체 터빈(420)에서 배출되는 스팀은 열교환기(440)를 거친후 압축기(460)로 공급되어 액체로 변환된 후 순환 라인(450)을 통해 전술한 과정을 반복한다.

한편 본 실시 예에서 폐열을 이용한 발전이 필요 없는 경우 제어부(미도시)를 통하여 밸브를 제어하여 지열 열원을 바로 제3 열교환기(330)로 공급하여 지열 및 폐열 재활용부에서 난방용으로 사용할 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 지열 열원과 폐열 열원을 열교환부에서 서로 열교환시켜 지열 열원의 온도를 상승시킬 수 있으므로 100℃ 미만의 지열수나 50℃ 미만의 온천수를 발전용으로 사용할 수 있다.

또한 본 실시 예는 열교환부를 다단으로 마련되고, 다단으로 마련되는 열교환부 중 어느 하나의 열교환기에서 열교환 된 열원은 발전 용도로 사용되고, 다른 하나의 열교환기에서 열교환 된 열원은 지열 및 폐열 재활용부에서 사용할 수 있어 열교환된 열원을 다용도로 사용할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 저온 지열 하이브리드 열병합 발전시스템
100 : 지열 열원부 110 : 지열원
110a : 생산공 110b : 재주입공
120 : 지열 라인 130 : 바이 패스 라인
200 : 폐열 열원부 210 : 폐열 보일러
220 : 폐열 열원 라인 300 : 열교환부
310 : 제1 열교환기 320 : 제2 열교환기
330 : 제3 열교환기 400 : 발전부
420 : 작동 유체 터빈 430 : 발전기
440 : 열교환기 450 : 순환 라인
460 : 압축기 470 : 냉각탑
480 : 펌프 500 : 시설물
600 : 양어장 700 : 온실
800 : 저류지