전기 에너지 생성 방법 및 작업 물질의 사용

전기 에너지 생성 방법 및 작업 물질의 사용{METHOD FOR GENERATING ELECTRICAL ENERGY, AND USE OF A WORKING SUBSTANCE}

본 발명은 하나 이상의 저온 열원에 의한 전기 에너지 생성 방법에 관한 것이며, 이 경우 VPT 순환 공정이 실행된다.

전 세계적으로 에너지 비용이 꾸준히 증가함에 따라, 예를 들어 지열 에너지 또는 산업 공정의 폐열과 같은 형태의 400℃ 이하의 저온 범위에서도 폐열을 활용하기 위한 시스템의 중요성이 점점 더 커지고 있다.

VPT 순환 공정에 의해서, 통상적으로 환경에 해를 끼치는 유기성 작업 물질을 사용하는 종래의 ORC 순환 공정[ORC : Organic Rankine Cycle(유기 랭킨 사이클)] 또는 기술적으로 복잡하면서 작업 물질로서 암모니아-물 혼합물을 사용하는 소위 칼리나 순환 공정(Kalina Cycle Process)에서보다 저온 열원의 열이 더 집중적으로 활용된다.

VPT 순환 공정은 기체상 또는 액체상에 의해 또는 기체상 및 액체상으로 구성된 혼합물에 의해서도 구동될 수 있는 터빈[VPT: Variable Phase Turbine(가변 위상 터빈)]에 기초한다. 상기 유형의 터빈은 US 7,093,503 B1호에 공지되어 있다.

US 7,093,503 B1호에서 도 7에는 하나 이상의 저온 열원에 의한 전기 에너지 생성 방법이 공지되어 있으며, 이 경우 VPT 순환 공정이 실행된다. 이 경우, 지열 에너지에 의해 가열된 유체가 저온 열원으로서 사용되며, 이러한 유체는 열을 작업 물질에 전달한다. 작업 물질은 터빈에 공급되어 노즐에 의해 팽창된다. 작업 물질의 발생 분출물은 운동 에너지를 포함하며, 이러한 운동 에너지는 전기 에너지의 생성하에 제네레이터의 회전자를 구동시킨다. 작업 물질(기체 상태 또는 기체/액체 상태)은 냉각되고, 응축되어, 펌프를 통해 안내되고, 이러한 펌프를 통해 작업 물질 내 압력은 상승한다. 이어서, US 7,093,503 B1호에 따라 제네레이터를 냉각하고 터빈 내의 밀봉부를 윤활시키기 위해 작업 물질은 전체적으로 새로이 터빈에 공급된다. 터빈으로부터 배출된 이후에는 지열 에너지에 의해 가열된 유체를 통해 열이 작업 물질에 새로이 전달되고, 따라서 순환 회로가 연결된다.

US 7,093,503 B1호에 제시되지 않은 작동 방식에서는 제네레이터를 냉각하고 터빈 내의 밀봉부를 윤활시키기 위해 작업 물질의 일부만이 새로이 터빈에 공급됨으로써, 제네레이터의 냉각과 터빈 내 밀봉부의 윤활이 실행될 수도 있다. 터빈 쪽으로 분기된 부분은 터빈으로부터 배출된 이후에 작업 물질의 나머지 부분과 재통합된다. 이어서, 지열 에너지에 의해 가열된 유체를 통해 열이 작업 물질에 새로이 전달됨으로써, 이러한 순환 회로가 연결된다. 따라서, 여기서는 마찬가지로, 작업 물질이 펌프 이후에 부분적으로만 다시 한번 터빈에 공급되는 순환 공정이 VPT 순환 공정으로 불린다.

US 7,093,503 B1호에 제시되지 않은 추가의 작동 방식에서는 분리된 윤활제 회로 및/또는 냉각 회로를 통해서도 제네레이터의 냉각과 터빈 내 밀봉부의 윤활이 실행될 수 있다. 따라서, 여기서는 마찬가지로, 작업 물질이 다시 한번 터빈에 공급되는 일 없이, 작업 물질이 펌프 이후에 지열 에너지에 의해 가열된 유체를 통한 가열부에 바로 공급되고, 따라서 순환 회로가 연결되는 순환 공정이 VPT 순환 공정으로 불린다.

작업 물질은 닫힌계(closed system) 내에서 순환한다. 이 경우, 이러한 시스템은 저온 열원의 열이 작업 물질에 전달되는 열교환 영역과, 터빈과, 응축 영역과, 펌프와, 선택적으로는 새로이 완전히 또는 부분적으로 터빈을 통과하며, 이는 결국 다시 열교환 영역에 공급되고 순환 시스템을 새로이 통과하기 위한 것이다.

US 7,093,503 B1호에 따라, VPT 순환 공정을 위한 작업 물질로서는 R134a(1,1,1,2-테트라플루오르에탄) 및 R245fa(1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판)이 설명되어 있다.

또한, "에너젠트(Energent)" 사의 인터넷 사이트(http://www.energent.net/Projects%20VPT.htm)에서는 VPT 순환 공정에 사용하기 위한 작업 물질로서 R245ca(1,1,2,2,3-펜타플루오로프로판)도 언급된다.

그러나 공지된 작업 물질에 의해서는 VPT 순환 공정에서 약 115℃의 작업 물질 온도에 대해 11.5% 미만의 효율만이 달성 가능하고, 즉 제공된 열에너지 중에서 11.5% 미만의 열에너지가 전기 에너지로 변환된다.

따라서, 본 발명의 목적은 하나 이상의 저온 열원에 의한 전기 에너지 생성 방법의 효율을 상승시키는 것이며, 이 경우 VPT 순환 공정이 실행된다.

상기 목적은 하나 이상의 저온 열원에 의한 전기 에너지 생성을 위한 제1 방법에 의해 달성되며, 이 경우 VPT 순환 공정을 위한 작업 물질로서

a) 2개 내지 6개의 탄소 원자들을 갖고, 시클로알칸, 알켄, 디엔, 또는 알킨을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 물질 또는

b) 1-클로로-1,2,2,2-테트라플루오로에탄, 1-클로로-1,1-디플루오로에탄, 메틸클로라이드, 브로모디플루오로메탄, 요오도트리플루오로메탄, 2-메틸프로판을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 알칸이 사용되거나,

c) 2개의 탄소 원자들을 갖는 하나 이상의 에테르가 사용됨으로써, VPT 순환 공정이 실행된다.

또한, 상기 목적은 하나 이상의 저온 열원에 의한 전기 에너지 생성을 위한 제2 방법에 의해 달성되며, 이 경우 VPT 순환 공정이 실행되고, 이 경우 VPT 순환 공정을 위한 작업 물질로서, 온도가 115℃일 때 액체상에서 17바아를 초과하는 휘산도(fugacity)를 갖는 하나 이상의 물질이 사용된다.

이 경우, VPT 순환 공정은 기체상 뿐 아니라 액체상에 의해서도 구동될 수 있고 기체상 및 액체상으로 구성된 혼합물에 의해서도 구동될 수 있는 VPT 터빈을 포함한 각각의 순환 공정으로 이해된다.

작업 물질이 액체상으로 존재하도록, 경우에 따라 작업 물질의 압력은 예를 들어 펌프에 의해 상응하게 상승해야 한다. 이 경우, 특히 원심 펌프가 바람직하다.

이러한 방법들은 12% 이상의 효율 증가를 유도한다.

제1 방법에 있어서 바람직한 시클로알칸은 시클로프로판이다. 특히 바람직한 알켄은 트랜스-2-부텐 또는 1-클로로-2,2-디플루오로에틸렌이다. 디엔으로서는 특히 1,2-부타디엔, 1,3-부타디엔, 또는 프로파디엔이 적합하다. 바람직한 알킨은 프로핀이다. 특히 바람직한 에테르는 디메틸에테르이다.

제2 방법에 있어서, VPT 순환 공정을 위한 작업 물질로서는 바람직하게 1-클로로-1,2,2,2-테트라플루오로에탄, 1-클로로-1,1-디플루오로에탄, 2-메틸프로판, 이소부텐, 시클로프로판, 프로파디엔, 프로핀, 디메틸에테르를 포함하는 그룹 중에서 선택되는 물질이 사용된다. 이와 같이, 온도가 115℃일 때 액체상에서 1-클로로-1,2,2,2-테트라플루오로에탄은 21.6바아의 휘산도를, 1-클로로-1,1-디플루오로에탄은 19.9바아의 휘산도를, 2-메틸프로판은 19.2바아의 휘산도를, 이소부텐은 17.9바아의 휘산도를, 시클로프로판은 32.6바아의 휘산도를, 프로파디엔은 31.3바아의 휘산도를, 프로핀은 30.1바아의 휘산도를, 디메틸에테르는 29.9바아의 휘산도를 갖는다.

제2 방법에 있어서, VPT 순환 공정을 위한 작업 물질로서, 온도가 115℃일 때 액체상에서 20바아를 초과하는 휘산도, 특히 바람직하게는 25바아를 초과하는 휘산도를 갖는 하나 이상의 물질이 사용되는 경우가 특히 바람직하다.

환경적 요인과 관련하여, 2개 방법들을 위해 언급한 물질들 중에서 특히 무할로겐(halogen-free) 물질이 바람직하다.

또한, 작업 물질로서 순물질을 사용하는 것이 작업 물질 혼합물을 사용하는 것보다 바람직한데, VPT 순환 공정을 실행하기 위한 설비의 장치 비용이 이를 통해 절감되기 때문이다.

VPT 순환 공정을 위한 작업 물질로서, 시클로프로판, 트랜스-2-부텐, 1-클로로-2,2-디플루오로에틸렌, 1-클로로-1,2,2,2-테트라플루오로에탄, 브로모디플루오로메탄, 1-클로로-1,1-디플루오로에탄, 프로파디엔, 프로핀, 메틸클로라이드, 요오도트리플루오로메탄, 디메틸에테르를 포함하는 그룹 중에서 선택되는 물질이 사용되는 경우가 바람직하다. 이를 통해, 12.5% 이상의 효율 증가가 얻어진다.

특히, VPT 순환 공정을 위한 작업 물질로서는 시클로프로판, 프로파디엔, 프로핀, 요오도트리플루오로메탄, 디메틸에테르를 포함하는 그룹 중에서 선택되는 물질이 사용된다. 이를 통해, 13% 이상의 효율 증가가 달성된다.

디메틸에테르, 프로핀, 프로파디엔, 또는 요오도트리플루오로메탄을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 이는 효율이 13.5% 이상 증가될 수 있도록 한다.

14% 이상의 효율은 작업 물질로서 프로파디엔이 사용되는 경우 바람직한 방식으로 달성된다.

하나 이상의 저온 열원에 의한 전기 에너지 생성을 위한 VPT 순환 공정을 위해서는

a) 2개 내지 6개의 탄소 원자들을 갖고, 시클로알칸, 알켄, 디엔, 또는 알킨을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 물질의 형태 또는

b) 1-클로로-1,2,2,2-테트라플루오로에탄, 1-클로로-1,1-디플루오로에탄, 메틸클로라이드, 브로모디플루오로메탄, 요오도트리플루오로메탄, 2-메틸프로판을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 알칸의 형태 또는

c) 2개의 탄소 원자들을 갖는 하나 이상의 에테르의 형태를 갖는 작업 물질의 사용이 이상적이다.

또한, 하나 이상의 저온 열원에 의한 전기 에너지 생성을 위한 VPT 순환 공정을 위해서는 온도가 115℃일 때 액체상에서 17바아를 초과하는 휘산도를 갖는 하나 이상의 물질의 형태를 갖는 작업 물질의 사용도 이상적이다.

저온 열원이 90℃ 내지 400℃ 범위의 온도, 특히 100℃ 내지 250℃ 범위의 온도를 제공하는 경우가 바람직한 것으로 입증되었다. 또한, 100℃ 내지 150℃ 범위의 온도를 갖는 저온 열원이 특히 바람직하다.

저온 열원은 바람직하게 지열 에너지를 통해 제공되며, 90℃ 내지 250℃의 온도 범위에 있는 폐열을 사용 가능하게 만들기 위해, 지면에 얕은 깊이의 천공을 만드는 것으로도 충분하다.

그러나 대안적으로, 저온 열원은 산업 공정의 폐열을 통해서도 제공될 수 있다. 사용 가능한 폐열을 생성하는 산업 공정은 화학 또는 제약 공업, 철강 공업, 제지 공업 등에서 통상적으로 쓰여질 때와 같이, 예를 들어 화학 반응, 열처리 등에 기초한다.

저온 열원으로부터 제공된 매체와 작업 물질 사이의 5℃ 이상, 특히 10℃ 이상의 온도 차이가 열교환 영역에서 바람직하다.

표 1 내지 표 3에는 몇몇 작업 물질들이 자신들의 총효율(η)에 있어 서로 비교되어 있으며, 이러한 작업 물질들은 VPT 순환 공정에서 저온 열원에 의해 115℃의 온도로 가열되었다. 이 경우, 작업 물질의 온도는 저온 열원에서 작업 물질로의 열전달 직후에 결정되었다.

이 경우, 후속하는 표들은 VPT 순환 공정에서의 사용을 위해 이미 공지된 작업 물질들(굵은 활자체)과, 추가 작업 물질들에 대한 예시적인 선택을 포함하며, 이러한 작업 물질들 중에서 선택된 작업 물질은 더 높은 효율을 유도한다.

이 경우, 표에서 "T _kr "은 임계 온도를 의미한다.

총효율은 하기 공식을 따라 연산된다.

[수학식 1]

η = (W _터빈 / Q _지열 ) * 100%

이 경우,

W _터빈 = 터빈의 일(Work, J 단위), 이러한 일은 절대값으로 간주됨.

Q _지열 = 저온 열원과 작업 물질 사이의 경계에서의 열(J 단위).

도 1 내지 도 4에는 예시적인 VPT 순환 공정들이 도시되어 있다.
도 1은 제1 VPT 순환 공정의 도면이다.
도 2은 제2 VPT 순환 공정의 도면이다.
도 3은 제3 VPT 순환 공정의 도면이다.
도 4은 제4 VPT 순환 공정의 도면이다.

도 1에는 제1 VPT 순환 공정(1)이 도시되어 있다. 지열 에너지 또는 산업 공정의 폐열에 의해 가열된 유체(20a)를 제공하는 저온 열원(2)이 제시된다. 지열 에너지에 의해 제공된 유체는 특히 온천수이다. 가열된 유체(20a)는 열교환 영역(3)을 통과하고 이러한 열교환 영역에서, 가열된 유체(20a)는 저장된 열에너지의 일부를 작업 물질(7e)에 전달하고 이러한 작업 물질은 마찬가지로 열교환 영역(3)을 통과한다. 작업 물질(7e)로서는 예를 들어 프로파디엔, 디메틸에스테르, 시클로프로판, 프로핀, 또는 요오도트리플루오로메탄이 사용된다. 열교환 영역(3)은 예를 들어 열교환기, 특히 교류형 열교환기 또는 역류형 열교환기이다. 가열된 유체(20a)에 의해 가열된 작업 물질(7a)은 열교환 영역(3)으로부터 "가변 위상" 터빈(VPT)(4)에 도달하고, 이러한 터빈에서 노즐에 의해 팽창된다.

작업 물질(7b)의 발생 분출물은 운동 에너지를 포함하며, 이러한 운동 에너지는 전기 에너지(E)의 생성하에 제네레이터의 회전자를 구동시킨다. 적어도 부분적으로 기체 상태로 존재하는 작업 물질(7b)은 냉각되고 응축 영역(5)에서 응축된다. 작업 물질(7b)의 냉각을 위해 예를 들어 냉각수 또는 냉각 공기 형태의 냉각제(50a)가 응축 영역(5)에 공급되며, 이러한 냉각제는 가열된 냉각제(50b)로서 재차 응축 영역(5)에서 벗어난다. 대안적으로, 응축 영역(5)에서는 직접 냉각 또는 하이브리드 냉각을 통해서도 냉각이 실행될 수 있다. 응축된 작업 물질(7c)은 펌프(6)를 통해 안내되고, 이러한 펌프를 통해 작업 물질(7c) 내 압력은 상승한다. 이어서, 더 높은 압력 상태이거나 압축된 작업 물질(7d)은 제네레이터를 냉각하고 터빈(4) 내의 밀봉부를 윤활시키기 위해 전체적으로 새로이 터빈(4)에 공급된다. 터빈(4)으로부터 작업 물질(7e)이 배출된 이후에는 지열 에너지 또는 산업 공정의 폐열에 의해 가열된 유체(20a)를 통해 열이 작업 물질(7e)에 새로이 전달되고, 따라서 순환 회로가 연결된다.

도 2에는 제2 VPT 순환 공정(10)이 도시되어 있다. 도 1 및 도 2에 사용된 동일한 도면 부호들은 동일한 유닛들에 상응한다. 작업 물질(7e)로서는 예를 들어 프로파디엔, 디메틸에스테르, 시클로프로판, 프로핀, 또는 요오도트리플루오로메탄이 사용된다. 이 경우, 도 2의 진행 과정은 열교환 영역(3)으로부터 펌프(6)에 도달하기까지는 도 1에 이미 설명된 진행 과정에 상응한다. 응축된 작업 물질(7c)은 여기서도 펌프(6)를 통해 안내되고, 이러한 펌프를 통해 작업 물질(7c) 내 압력은 상승한다. 이어서, 더 높은 압력 상태의 작업 물질(7d)은 제1 부분 흐름(7d') 및 제2 부분 흐름(7d'')으로 분기된다. 제1 부분 흐름(7d')은 제네레이터를 냉각하고 터빈(4) 내의 밀봉부를 윤활시키기 위해 새로이 터빈(4)에 공급된다. 터빈(4)으로부터 제1 부분 흐름이 배출된 이후에 이러한 제1 부분 흐름은 제2 부분 흐름(7d'')과 결합된다. 총합으로 형성된 작업 물질(7e)에는 지열 에너지 또는 산업 공정의 폐열에 의해 가열된 유체(20a)를 통해 열이 새로이 전달되고, 따라서 순환 회로가 연결된다.

도 3에는 제3 VPT 순환 공정(100)이 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3에 사용된 동일한 도면 부호들은 동일한 유닛들에 상응한다. 작업 물질(7e)로서는 예를 들어 프로파디엔, 디메틸에스테르, 시클로프로판, 프로핀, 또는 요오도트리플루오로메탄이 사용된다. 이 경우, 도 3의 진행 과정은 열교환 영역(3)으로부터 펌프(6)에 도달하기까지는 도 1에 이미 설명된 진행 과정에 상응한다. 응축된 작업 물질(7c)은 여기서도 펌프(6)를 통해 안내되고, 이러한 펌프를 통해 작업 물질(7c) 내 압력은 상승한다. 이어서, 더 높은 압력 상태의 작업 물질(7e)은 바로 열교환 영역(3)에 재공급된다. 작업 물질(7e)에는 지열 에너지 또는 산업 공정의 폐열에 의해 가열된 유체(20a)를 통해 열이 새로이 전달되고, 따라서 순환 회로가 연결된다. 제네레이터를 냉각하고 터빈(4) 내의 밀봉부를 윤활시키기 위해 고유의 냉각제 및 윤활제 회로(8)가 제공되며, 이러한 냉각제 및 윤활제 회로는 작업 물질 회로로부터 분리되어 터빈(4)에 냉각제 및 윤활제(9a, 9b)를 공급하고 이를 터빈으로부터 재차 배출시킨다.

도 4에는 제4 VPT 순환 공정(1')이 도시되어 있다. 지열 에너지 또는 산업 공정의 폐열에 의해 가열된 유체(20a)를 제공하는 저온 열원(2)이 제시된다. 지열 에너지에 의해 제공된 유체는 특히 온천수이다. 가열된 유체(20a)는 열교환 영역(3)을 통과하고 이러한 열교환 영역에서, 가열된 유체(20a)는 저장된 열에너지의 일부를 작업 물질(7e)에 전달하고 이러한 작업 물질은 마찬가지로 열교환 영역(3)을 통과한다. 작업 물질(7e)로서는 예를 들어 프로파디엔, 디메틸에스테르, 시클로프로판, 프로핀, 또는 요오도트리플루오로메탄이 사용된다. 열교환 영역(3)은 예를 들어 열교환기, 특히 교류형 열교환기 또는 역류형 열교환기이다. 가열된 유체(20a)에 의해 가열된 작업 물질(7a)은 열교환 영역(3)으로부터 "가변 위상" 터빈(VPT)(4)에 도달하고, 이러한 터빈에서 노즐에 의해 팽창된다.

작업 물질(7b)의 발생 분출물은 운동 에너지를 포함하며, 이러한 운동 에너지는 전기 에너지(E)의 생성하에 제네레이터의 회전자를 구동시킨다. 적어도 부분적으로 기체 상태로 존재하는 작업 물질(7b)은 분리기(11)에 공급되고, 이러한 분리기 내에서는 액체상으로 존재하는 작업 물질(7b')이 기체상으로 존재하는 작업 물질(7b'')로부터 분리된다. 기체상으로 존재하는 작업 물질(7b'')은 추가 전기 에너지(E')를 생성시키는 가스 터빈(12)에 공급된다. 가스 터빈(12) 이후에, 적어도 부분적으로 기체 상태로 존재하는 작업 물질(7b''')은 응축 영역(5)에서 응축된다. 작업 물질(7b)의 냉각을 위해 예를 들어 냉각수 또는 냉각 공기 형태의 냉각제(50a)가 응축 영역(5)에 공급되며, 이러한 냉각제는 가열된 냉각제(50b)로서 재차 응축 영역(5)에서 벗어난다. 대안적으로, 응축 영역(5)에서는 직접 냉각 또는 하이브리드 냉각을 통해서도 냉각이 실행될 수 있다. 응축 영역(5)에서 응축된 작업 물질(7c)은 분리기(11)에서 분리된 액체 작업 물질 부분(7b')과 함께 펌프(6)를 통해 안내되고, 이러한 펌프를 통해 작업 물질(7c, 7b') 내 압력은 상승한다. 이어서, 더 높은 압력 상태이거나 압축된 작업 물질(7d)은 제네레이터를 냉각하고 터빈(4) 내의 밀봉부를 윤활시키기 위해 전체적으로 새로이 터빈(4)에 공급된다. 터빈(4)으로부터 작업 물질(7e)이 배출된 이후에는 지열 에너지 또는 산업 공정의 폐열에 의해 가열된 유체(20a)를 통해 열이 작업 물질(7e)에 새로이 전달되고, 따라서 순환 회로가 연결된다.

그러나, 도 1 내지 도 4에 예시된 VPT 순환 공정은 당업자에 의해 용이하게 변화될 수도 있다. 이와 같이, 예를 들어 응축 영역(5)은 마찬가지로 냉각제 회로를 통해 냉각제(50a)가 공급되는 등의 가능성이 있다. 또한, 예를 들어 도 4의 가스 터빈(12)은 생략될 수도 있으므로, 기체상으로 존재하는 작업 물질(7b'')은 분리기(11)로부터 응축 영역(5)에 바로 안내된다. 액체상으로 존재하는 작업 물질을 펌프(6)에 바로 공급하기 위해, 도 4에서 가스 터빈(12)과 응축 영역(5) 사이에는 추가 분리기가 배치될 수 있으므로, 가스 터빈(12) 이후에는 기체상으로 존재하는 작업 물질만이 응축 영역(5)에 공급된다. 또한, VPT 순환 공정에 제어 밸브, 압력 제어 밸브, 압력 측정 장치 등이 존재할 수 있다.