KR-20260061606-A - Hydrogen production intergarated system including Desalination system and method of producing hydrogen using the same

Abstract

해수담수화 시스템을 포함하는 수소 생산 통합 시스템 및 상기 시스템을 이용한 수소 생산 방법을 제공한다. 상기 시스템은 해수로부터 담수를 생산하는 해수담수화 시스템, 상기 담수를 수전해하여 그린 수소 및 그린 산소를 생산하는 그린 수소 생산 시스템 및 상기 그린 산소를 천연가스의 자열개질을 위한 원료로 이용하여 블루 수소를 생산하는 블루 수소 생산 시스템이 통합된 시스템으로, 상기 블루 수소 생산 시스템에서 배출되는 폐열이 상기 해수담수화 시스템의 열원으로 사용되어 공정 효율성 및 에너지 효율이 향상된 수소 생산 통합 시스템이다. 상기 수소 생산 통합 시스템을 활용한 수소 생산 방법은 고순도의 수소를 제공할 수 있다.

Inventors

• 박진우
• 오세빈
• 김도희
• 김태현

Assignees

• 동국대학교 산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (17)

1. 해수로부터 담수를 생산하는 해수담수화 시스템; 상기 담수를 수전해하여 그린 수소 및 그린 산소를 생산하는 그린 수소 생산 시스템; 및 상기 담수 및 상기 그린 산소의 연소에 의한 열 에너지로 천연가스를 자열개질하여 블루 수소를 생산하고 폐열을 배출하는 블루 수소 생산 시스템;를 포함하는, 수소 생산 통합 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 해수담수화 시스템은 상기 해수를 상기 폐열로 가열하여 고온해수를 제조하는 가열부; 및 상기 고온해수를 공급하여 담수로 변환하는 증발식 시스템;을 포함하는 수소 생산 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 증발식 시스템은 상기 고온해수가 분출되어 증기 형태의 담수로 변환되는 저압 증발실; 상기 증기 형태의 담수를 응축하여 염이 분리된 담수로 변환 및 수집되는 응축기; 및 상기 증기 형태의 담수가 분출된 후 남은 상기 고온해수가 수집되는 기수분리기;를 포함하는 스테이지가 다단으로 구성된 다단계 플래시 증발식 시스템인, 수소 생산 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 다단계 플래시 증류 시스템은 상기 스테이지가 2 단 내지 25 단으로 구성된 시스템인, 수소 생산 통합 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 그린 수소 생산 시스템은 상기 담수를 재생에너지 발전부의 전력으로 수전해하여 그린 수소 및 그린 산소를 생산하는 수전해부; 및 상기 그린 수소를 압축하여 저장하는 수소 저장부;를 포함하는, 수소 생산 통합 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 블루 수소 생산 시스템은 상기 담수를 가열하여 증기 형태의 담수를 생산하는 열발전부; 상기 천연가스 및 상기 증기 형태의 담수를 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소로 개질하는 전처리부; 상기 그린 산소의 부분 산화에 의한 열 에너지로 상기 메탄 및 상기 증기 형태의 담수를 상기 블루 수소 및 일산화탄소로 개질하고, 폐열을 배출하는 자열개질부; 상기 일산화탄소 및 상기 증기 형태의 담수를 상기 블루 수소 및 상기 이산화탄소로 개질하는 수성 가스 전환반응부; 상기 블루 수소로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 탄소포집부; 및 상기 블루 수소를 정제 및 압축하여 저장하는 수소 정제 및 저장부;를 포함하는, 수소 생산 통합 시스템.
7. 해수 및 천연가스를 이용한 수소 생산 방법에 있어서, 상기 해수를 담수화하여 담수를 생산하는 단계; 상기 담수를 재생에너지 발전의 전력으로 수전해하여 그린 수소 및 그린 산소를 생산하는 단계; 상기 그린 산소를 연소하여 열 에너지를 생산하는 단계; 상기 담수 및 상기 천연가스를 상기 열 에너지로 자열개질하여 블루 수소를 생산하고 폐열을 배출하는 단계; 및 상기 생산된 블루 수소를 정제 및 압축하는 단계;를 포함하는, 수소 생산 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 담수를 생산하는 단계는 상기 해수를 상기 폐열로 가열하여 고온해수를 제조하는 단계; 상기 고온해수를 저압 증발실에 분출하여 증기 형태의 담수를 제조하는 단계; 및 상기 증기 형태의 담수를 응축하여 염이 분리된 담수를 생산하는 단계;를 포함하는, 수소 생산 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 증기 형태의 담수는 80 ℃ 내지 130 ℃의 고온해수가 저압 증발실에 분출되어 제조되는, 수소 생산 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 염이 분리된 담수는 상기 증기 형태의 담수가 냉각 및 응축되어 생산되는, 수소 생산 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 그린 수소 및 상기 그린 산소는 상기 담수를 70 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 수전해하여 생산되는, 수소 생산 방법.
12. 제7항에 있어서, 상기 그린 수소는 30 bar 내지 50 bar로 압축되어 수증기가 제거되고 저장되는, 수소 생산 방법.
13. 제7항에 있어서, 상기 블루 수소를 생산하고 폐열을 배출하는 단계는 상기 담수를 가열하여 증기 형태의 담수를 생산하는 단계; 상기 천연가스 및 상기 증기 형태의 담수를 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소로 개질하는 단계; 상기 열 에너지를 이용하여 상기 메탄 및 상기 증기 형태의 담수를 상기 블루 수소 및 일산화탄소로 자열개질하는 단계; 상기 일산화탄소 및 상기 증기 형태의 담수를 수성 가스 전환 반응으로 상기 블루 수소 및 이산화탄소로 개질하고 폐열을 배출하는 단계;를 포함하는, 수소 생산 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 메탄은 900 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 상기 블루 수소 및 상기 일산화탄소로 자열개질되는, 수소 생산 방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 수성 가스 전환 반응은 상기 일산화탄소 및 상기 증기 형태의 담수가 20 bar 내지 30 bar의 압력 및 200 ℃ 내지 450 ℃의 온도의 고온증기-가스환원 반응에 의해 상기 블루 수소 및 상기 이산화탄소로 전환되는 단계; 및 상기 일산화탄소 및 상기 증기 형태의 담수가 20 bar 내지 30 bar의 압력 및 150 ℃ 내지 300 ℃의 온도의 저온증기-가스환원 반응에 의해 상기 블루 수소 및 상기 이산화탄소로 전환되는 단계;를 포함하는, 수소 생산 방법.
16. 제13항에 있어서, 상기 이산화탄소는 감압 및 냉각되어 습식 아민 흡수를 통해 분리 및 포집되는, 수소 생산 방법.
17. 제13항에 있어서, 상기 블루 수소는 정제 및 압축되어 저장되는, 수소 생산 방법.

Description

해수담수화 시스템을 포함하는 수소 생산 통합 시스템 및 이를 이용한 수소 생산 방법{Hydrogen production intergarated system including Desalination system and method of producing hydrogen using the same} 본 발명은 해수담수화 시스템을 포함하는 수소 생산 통합 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수담수화 시스템, 그린 수소 생산 시스템 및 블루 수소 생산 시스템을 포함하여 친환경 수소를 생산할 수 있는 공정 효율성 및 에너지 효율성이 우수한 수소 생산 통합 시스템 및 상기 시스템을 활용한 수소 생산 방법에 관한 것이다. 전세계적으로 화석연료의 무분별한 사용으로 인해 이산화탄소의 농도가 급증하여 이상 기후의 발생을 야기하는 지구온난화의 심각성이 커지고 있다. 이로인해 2018년 유엔 산하 '기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)'는 2050년까지 탄소중립의 달성을 권고하였고, 이러한 '2050 탄소중립 목표 기후 동맹' 가입국이 증가하는 등 선진국들은 청정한 대체 에너지원에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다. 수소 에너지는 온실가스의 배출 없이 전기와 열을 생산할 수 있는 환경 친화적인 에너지로, 기후 조건에 따라 생산이 불균형해질 수 있는 수력, 풍력 및 태양열을 이용한 재생 에너지와 달리 안정적인 생산이 가능하다. 또한, 수소는 특정 지역에서만 획득할 수 있는 석탄이나 석유와는 달리, 물이나 천연가스 등과 같이 지구 대부분 물질에 화합물 형태로 대량 존재하기 때문에 미래 에너지 자원으로 주목받고 있다. 에너지원으로 사용되기 위한 수소는 별도의 에너지에 의해 다른 원소와 분리되어 생산된 순수한 수소(H2)로, 생산 방식에 따라 부여된 다양한 색으로 구분된다. 그 중 그린 수소는 재생 에너지를 통해 생산된 전력으로 물을 전기분해하여 생산된 수소로, 생산 과정에서 탄소 배출이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 하지만 그린 수소는 전력 소비량이 많아 생산 단가가 높고, 전력을 생산하는 재생 에너지의 간헐성 및 변동성에 의해 지속적인 생산이 어려우며, 고순도의 물이 다량 필요하다는 단점이 있다. 한편, 해수담수화는 염분을 포함하고 있는 해수에서 염분을 제거하여 담수를 제조하는 수처리 과정으로, 이러한 담수는 생활용수 및 공업용수로 활용될 수 있다. 현재 상용화된 해수담수화의 방식은 크게 염분을 걸러내는 반투막을 사이로 해수를 삼투압보다 높은 역삼투압으로 통과시켜 담수를 추출하는 역삼투법(Reverse Osmosis, RO), 또는 증기(Vapor)를 방출하는 플래싱(Flashing) 현상으로 해수를 증기로 만든 후 응축하여 담수를 생산하는 다단 증류법(Multi-Stage Flash distillation, MSF) 및 다중 효용 증발 방식(Multiple Effect Distillation, MED)으로, 단일 공정이 활용되고 있으나 최근에는 공정의 효율성을 높이기 위하여 다단 증류법 또는 다중 효용 증발 방식을 역삼투법과 혼용하여 담수를 생산하는 하이브리드 방식이 연구되고 있다. 하지만 역삼투법은 유지관리가 어렵다는 단점이 있고, 다단 증류법 또는 다중 효용 증발 방식은 해수를 끓이는 에너지의 소모량이 크다는 단점이 있어 이를 개선할 방법이 요구되고 있다. 따라서, 그린 수소를 생산할 수 있는 고순도의 물을 다량 제공할 수 있는 해수담수화 시스템을 포함하고, 에너지 효율성이 우수한 친환경 수소 생산 시스템이 요구되고 있다. 도 1은 본 발명의 수소 생산 통합 시스템을 간략히 나타낸 개략도이다. 도 2는 본 발명의 수소 생산 통합 시스템에 포함된 해수담수화 시스템을 나타낸 모식도이다. 도 3은 본 발명의 수소 생산 통합 시스템에 포함된 그린 수소 생산 시스템을 나타낸 모식도이다. 도 4는 본 발명의 수소 생산 통합 시스템에 포함된 블루 수소 생산 시스템을 나타낸 모식도이다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태 및 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수 있다. 본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명의 명세서 전체에서, "~(하는)단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다. 본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 용어 "자열 개질(autothermal reforming)"은 수증기 메탄 개질 및 부분 산화가 조합된 반응으로, 반응과정에서 발열 반응인 부분 산화를 통해 발생한 열을, 흡열 반응인 수증기 개질에서 이용하여 열역학적으로 이점이 있는 반응이다. 상기 수증기 메탄 개질은 메탄과 수증기를 반응시켜 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 생성하는 흡열 반응이고, 상기 부분 산화는 메탄과 산소를 반응시켜 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 생성하는 발열 반응이며, 상기 자열 개질은 메탄, 수증기 및 산소를 반응시켜 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 생성하는 반응이다. 본 발명은 해수담수화 시스템을 포함하는 수소 생산 통합 시스템을 제공한다. 구체적으로 상기 수소 생산 통합 시스템은 해수로부터 담수를 생산하는 해수담수화 시스템, 물을 전기분해하여 그린 수소 및 그린 산소를 생산하는 그린 수소 생산 시스템 및 천연가스를 자열개질하여 블루 수소를 생산하는 블루 수소 생산 시스템을 포함한다. 상기 해수담수화 시스템은 해수를 증발시켜 담수를 생산하고, 상기 담수를 상기 그린 수소 생산 시스템에 공급할 수 있다. 상기 그린 수소 생산 시스템은 공급된 상기 담수를 수전해하여 그린 수소 및 그린 산소를 생산할 수 있고, 상기 그린 산소를 상기 블루 수소 생산 시스템에 천연가스 개질의 원료로 공급할 수 있다. 상기 블루 수소 생산 시스템은 공급된 상기 그린 산소를 부분 산화하여 생성된 열 에너지로 천연가스를 자열개질하여 블루 수소를 생산할 수 있고, 상기 자열개질 과정에서 배출되는 폐열을 상기 해수담수화 시스템의 열원으로 공급할 수 있다. 도 1은 본 발명의 수소 생산 통합 시스템을 간략히 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 수소 생산 통합 시스템은 해수를 증발시켜 담수를 생산하는 해수담수화 시스템, 재생에너지 발전부로부터의 전력으로 상기 담수를 수전해하여 그린 수소 및 그린 산소를 생산하는 그린 수소 생산 시스템 및 수증기 메탄 개질 반응과 상기 그린 산소의 부분 산화반응을 포함하는 자열개질에 의해 상기 블루 수소를 생산하고 폐열을 배출하는 블루 수소 생산 시스템을 포함할 수 있다. 상기 블루 수소 생산 시스템에서 배출된 폐열은 상기 해수담수화 시스템의 열원으로 공급될 수 있다. 도 2는 본 발명의 수소 생산 통합 시스템에 포함된 해수담수화 시스템을 나타낸 모식도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 해수담수화 시스템은 상기 블루 수소 생산 시스템에서 배출된 폐열로 상기 해수를 가열하여 고온해수를 제조하는 가열부 및 상기 고온해수를 공급하여 상기 담수를 개질하는 증발식 시스템을 포함할 수 있다. 상기 증발식 시스템은 상기 가열부에서 제조된 고온해수가 분출되어 증기 형태의 담수로 변환되는 저압 증발실, 상기 저압 증발실에서 변환된 증기 형태의 담수가 응축되어 염이 분리된 담수로 변환 및 수집되는 응축기 및 상기 증기 형태의 담수가 분출된 후 남은 상기 고온해수가 배출되어 수집되는 분리되는 기수분리기를 포함하는 스테이지가 다단으로 구성된 다단계 플래시 증발식 시스템일 수 있다. 상기 다단계 플래시 증발식 시스템은 서로 상이한 진동도를 갖는 상기 저압 증발실을 포함하는 스테이지가 직렬배치된 형태를 갖는 시스템일 수 있고, 구체적으로 상기 저압 증발실의 진공도가 낮은 스테이지부터 높은 스테이지 순으로 직렬배치된 형태를 갖는 시스템일 수 있다. 또한, 상기 다단계 플래시 증발식 시스템은 상기 스테이지가 2 단 내지 25 단으로 구성된 시스템일 수 있고, 구체적으로 5 단 내지 25 단으로 구성된 시스템일 수 있으며, 바람직하게는 10 단 내지 23 단으로 구성된 시스템일 수 있다. 상기 스테이지가 2 단 미만일 경우 상기 해수에 포함된 염이 분리되지 않아 담수로 변환되지 않을 수 있고, 25 단 초과일 경우 에너지 효율성이 감소할 수 있다. 상기 저압 증발실에 분출된 상기 고온해수는 주변의 낮은 압력으로 인하여 증발되는 플래싱(flashing)이 유도되어 증기 형태의 담수로 변환될 수 있다. 상기 저압 증발실에 분출되는 상기 고온해수는 80 ℃ 내지 130 ℃의 해수일 수 있고, 구체적으로 90 ℃ 내지 130 ℃의 해수일 수 있으며, 바람직하게는 100 ℃ 내지 120 ℃의 해수일 수 있다. 상기 고온해수의 온도가 80 ℃ 미만일 경우 상기 저압 증발실에서 플래싱이 유도되지 않을 수 있고, 130 ℃ 초과일 경우 상기 저압 증발실이 손상될 수 있다. 상기 저압 증발실의 압력은 상기 고온해수의 온도에 따라 결정될 수 있다. 상기 고온해수의 온도에 따라 플래싱이 유도되므로 상기 고온해수의 온도가 100 ℃ 내지 120 ℃일 때, 상기 저압 증발실의 압력은 구체적으로 0.05 bar 내지 1.5 bar일 수 있다. 상기 저압 증발실의 압력이 0.05 bar 미만일 경우 상기 증기 형태의 담수에서 상기 고온해수에 포함된 염이 분리되지 않을 수 있고, 1.5 bar 초과일 경우 상기 고온해수의 플래싱이 유도되지 않을 수 있다. 상기 응축기는 증기 형태의 담수를 응축하여 염이 분리된 담수를 수집할 수 있다. 상기 기수분리기는 남은 상기 고온해수를 하단으로 배출할 수 있다. 도 3은 본 발명의 수소 생산 통합 시스템에 포함된 그린 수소 생산 시스템을 나타낸 모식도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 그린 수소 생산 시스템은 상기 해수담수화 시스템에서 생산된 상기 담수를 재생에너지