JP2016507358A - 吸熱プロセスを実行する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱消費プロセスを実行する方法であって、前記熱消費プロセスに１年間にわたって平均化された要求される総エネルギーが、少なくとも２種の異なるエネルギー源に由来し、前記エネルギー源の１種は、その電力が、要求される総電力の０〜１００％の範囲で変化する電気エネルギー源であり、且つ３種の異なるエネルギーモードが、前記熱消費プロセスに要求される総電力を個別に供給し得：（ｉ）もっぱら電気エネルギー、（ｉｉ）電気エネルギー及び少なくとも１種のさらなる非電気エネルギー源の混合、又は（ｉｉｉ）もっぱら非電気エネルギーで、１種のエネルギーモードから別のエネルギーモードへの変更が完了する切替時間が３０分以下である方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、時間依存性出力（time-dependent output）を有する電気エネルギーが効率的に利用される熱消費プロセス（heat-consuming process）を実行する方法に関連する。

ドイツで、２０１１年に既に２０％であった全体の発電量における再生可能エネルギーの割合は、化石エネルギー担体のコストの増大、及び市場規制方策が、再生可能エネルギーに基づく発電のための技術を経済的に魅力のあるものにするため、今後数年で大幅に増加し、この状況は続くだろう。さらなる技術開発に関連する特定資本コストにおける削減もまた、これに寄与するだろう。問題は、太陽、風の利用可能性が経時的に一定ではなく、さらにそれらの利用可能性が予測困難であることである。

再生可能エネルギーを貯蔵し、そして利用する問題は、１９８０年代から議論されている課題である。化学工業等のエネルギー利用者に、再生可能エネルギーの利用にもかかわらず、一定の電圧で電力を提供できることが、以下の、とりわけエネルギー供給者によって考慮された。

ＵＳ４，７７６，１７１は、工業界の要求を満たすため、複数のエネルギー源及び複数のエネルギー貯蔵源、並びに複数の制御及び分配ステーションからなるエネルギー生成及び管理システムを記載する。ＵＳ４，７７６，１７１においては、従来型のエネルギー源は、全く使用されず、その結果、電気エネルギー源と非電気エネルギー源との組合せは、全く記載されていない。

ＵＳ２０１１／００８１５８６は同様に、再生可能エネルギー源と、電気化学又は電解セルとの組合せであって、電気化学又は電解セルは、再生エネルギー源の変動を補償することができ、したがって後者を連続的に利用できるようにするものを記載する。そのため、電気エネルギー源と非電気エネルギー源との組合せは記載されていない。

ＵＳ２００８／０３０３３４８は、もっぱら再生可能エネルギーに基づき、にもかかわらず需要に依存する制御を可能とする発電所（power station）を開示する。ＵＳ２００８／０３０３３４８は、風力エネルギー、太陽エネルギー、及びバイオマスの燃焼に由来するエネルギーの組合せを記載する。どんな時にも、各要求を安価に応じるため、発電所は３種のエネルギー源間を、平坦に、且つ自発的に変え得ることが記載される。しかしながら、もっぱら再生可能エネルギーで、例えば、１年間にわたる化学高温プロセス等の需要を満たし得るかどうかは、疑問の余地がある。

考察はまた、化学プロセスにおいて、発電所で事前に太陽エネルギーの変動を平坦化することなしに、太陽エネルギーを直接的に利用することが挙げられている。ＵＳ４，６６８，４９４は、炭化水素の水蒸気改質又は炭素含有燃料のガス化によるアンモニアを前処理すること、及びアンモニア合成ガスを有する生成物の反応、さらにアンモニア合成ガスのアンモニアへの変換のために太陽エネルギーを利用するプロセスを記載する。炭化水素の水蒸気改質、又は炭素含有燃料のガス化のために要求される熱は、熱伝導流体によって供給され、熱伝導流体は、第一に太陽エネルギーが利用できる場合、太陽エネルギーによって、第二に太陽エネルギーの電力に応じて、要求される熱の総量を供給するためにアンモニアの一部の燃焼により加熱される。昼日中、太陽エネルギーの入力が最大の場合、アンモニア燃焼器（ammonia burner）は、可能な限り低い燃焼速度で運転されることが記載される。また、太陽エネルギーは、理論的にはアンモニア合成の全体のエネルギー需要を満たし得るが、アンモニア燃焼器を停止すること及び再起動することは、完全には実行が困難であることが記載される。

先行技術と比較して、ＵＳ４，６６８，４９４に記載されたプロセスの利点は、太陽エネルギーにおける変動を均質化するための発電所の節減である。また、熱源からの反応チャンバの分離が有利である。さらに、種々の熱源の柔軟な利用及び全体のプロセスの単純な調節可能性が有利である。不利な点は、上述の、許容可能な時間でのアンモニア燃焼器の停止、及び再起動の不可能性は別として、熱伝導流体の使用、それに伴う費用の掛かる処理、及び特に高温範囲において、発生する熱伝導抵抗によって引き起こされる損失である。また、ＵＳ４，６６８，４９４に記載されたプロセスは、太陽放射なしの場合、目的の生成物アンモニアが全体のプロセスを運転し続けるために燃焼されなければならないという、不利な点を有する。例えば、ドイツで８番目に晴れの多い市であるマンハイムにおいて、ＵＳ４，６６８，４９４に従うプロセスにおける改質器（reformer）は、約１８％の範囲で、太陽エネルギーによって加熱され、これは生成されたアンモニアの約３５％を燃焼するための要求に相当する。

近い将来、太陽、風力、及び水力からの再生可能エネルギーの増加する割合の送電網（power grid）への導入に起因して、電力ピークが、さらにいっそう頻繁に発生し、電力消費者によって不完全にのみ受け入れられ得、したがって、電力市場上で、余剰電力として、発電コストをはるかに下回って、又はエネルギー含量に基づいて、同一のジュール値を有する化石燃料よりも低い価格、又は価格無しで（すなわち、無償で）、又はマイナス価格でさえある価格で、提供され得る。

電圧及び周波数（frequency）変動、あるいは送電網の停止を未然に防ぐため、さもなければ送電網に接続される電気負荷が損傷を受け得るので、送電網へ供給される電力量が常に現行の消費量に相当する必要がある。現在のところ、短期電力変動は、送電網オペレーターのシステムサービスの一部として、ピーク負荷発電所（peak load power station）によって補償される。適切なピーク負荷発電所は、例えば、揚水式、又は圧縮空気貯蔵発電所である。これらは迅速に調節され得、余剰に利用できる電気エネルギーを他のエネルギー形態へ変換するため、発電及び電力消費間を数分内で変更し得る。揚水式発電所の場合は、この目的のため、水が低水準から高水準へポンプ輸送され、一方圧縮空気貯蔵の場合は、空気貯蔵圧が、コンプレッサーによって増加される。その変換損失を引いた、このエネルギーは、電力需要が、ベース又は中間負荷から、現行の電力生産を超えたときに、再度、電力生産のために利用できる。圧縮空気貯蔵は、長期間にわたって電力を受け入れ得、且つ非常に短期間内に、多様なその受け入れた電力を、再度、送電網へ放出し得るという有利な点を有する。例えば、電力は週末の夜間に受け入れられ得、このエネルギーが、平日夜のピーク時の１〜２時間内に多様な受け入れた電力で放出され得る。しかしながら、この種類の発電所は、必要な地理学上及び地質学上の必須条件、並びに当局の承認が少しの区域でのみ整っているので、限定された数で、限定された能力でのみ利用できる。また、圧縮空気貯蔵発電所は、約４０〜５０％の比較的低い効率を有する。

ドイツにおいては、再生可能エネルギー法が、再生エネルギー生産者に、優先的な送電網への入力の優先度を保証する。したがって、例えば、全ての迅速に利用できる電力貯蔵の可能性が既に完全に負荷されており、かつ、中間負荷発電所の負荷の減少が不活発過ぎる場合、短時間の高い風力の発生が、電力の過供給を引き起こし得る。この場合、余剰な電力は電力市場で、非常に低い、時にはマイナス価格でさえ、提供される。これは、販売者が、電力を受け取る購入者に支払う場合があることを意味する。２０１２年における欧州エネルギー取引所（ＥＥＸ）の１日の内に起こる市場の最低価格は、約２００ユーロ／ＭＷｈであった。その一方で、例えば、大きな発電所が故障した場合等は、非常に高い価格もまた生じ得る。したがって、ＥＥＸスポット市場での２０１２年の最高価格は、約５５０ユーロ／ＭＷｈであった。

全ての送電網の最適化及び送電網の拡大方策にもかかわらず、再生可能エネルギー発電機を下方調節することは、余剰生産能力又は輸送能力の不足のため避けられない状況があり、これは、その下方調節の原因がある送電網のオペレーターによって支払われなければならない。２０１０年に、１２７ＧＷｈが、これらの入力管理方策によって影響を受け、約１，０００万ユーロが、補償金として支払われなければならなかった（連邦送電網庁の２０１１年の監視報告）。

異なる速度を有する調整回路が、配電網（electric grid）における周波数調整（frequency regulation）：３０秒未満の応答時間を有する第一調整、７．５分未満の応答時間を有する第二調整、及び最後により長い応答時間を可能にする第三調整、に使用される。第一及び第二調整は、自動的に始動され、稼働中の発電所の操作状態に応じて直接作動する。第三調整（又はミニッツ予備力（minutes reserve））は、一般に組織的な措置によって作動される。ミニッツ応答（minutes response）は、正（positive）（増加した電力需要の場合）、又は負（negative）（減少した電力需要の場合）であり得る。正のミニッツ予備力は、通常、予備発電所のスイッチを入れることによって作動される。負のミニッツ予備力はエネルギー消費者を必要とする。今日の先端技術によれば、揚水発電所、及び大型発電所及び熱電併給プラント（coupled power-heat plant）における容量変化も、及び電気アーク炉、又は冷蔵等の最終消費者もこの目的のために利用される。しかしながら、それらの能力は非均一に、異なる地域にわたって分配される（ＩＤＯＳ報告参照）。さらに、再生可能エネルギー源の拡大の結果として、負のミニッツ予備力の需要が増加することが考えられる。２０１０年において、４社のドイツの送電網オペレーターに要求された負のミニッツ予備力は、総量で約８５０ＧＷｈに達した（ＩＤＯＳ報告、図１参照）。これは大体、２００，０００の住人を有する市の平均年間電力消費量に相当する。

上記の問題は、迅速に充電及び放電可能なエネルギー貯蔵の十分な利用によって解決され得る。しかしながら、今日検討された貯蔵技術、例えばバッテリー、フライホイール、キャパシタ、高温貯蔵等は、第一に、特定の資本コストが高過ぎ、第二に、自発放電、又は不十分に低い能力等の問題が解決されていないため、今まで、市場に確立されていない。

現時点で、余剰電力を利用する及び／又は貯蔵するために、大いに議論されているさらなる技術は、その後貯蔵され得、異なるときに電力へ変換され得るか、又は化学経路によってさらに処理され得る、水素を生成する水の電解に基づいている。例えば、電解によって得られた水素を二酸化炭素と反応し、合成天然ガスを得ることは、現在集中的に研究されている。しかしながら、上記の余剰電力の利用可能性における変動が、電解の運転の一時的なモードを強要し、したがって、それに応じて、強く変動する生成流をもたらす。

現在、電力は、大きい熱流量が、非常に高い温度レベルで導入されなければならない無触媒ガス／固体反応、及び固体状態反応のための主に最適なエネルギー源である。典型的な応用は、冶金炉［Ｕｌｌｍａｎｎ：Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｆｕｒｎａｃｅ］である。唯一の関連するガス相プロセスはとして、メタンからアセチレンを生成するためのプラズマプロセス［Ｂａｕｍａｎｎ、 Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ、ｅｄｉｔｉｏｎ Ｂ、２０巻 (１９４８)、２５７−２５９頁、１９４８]、及び鉄鋼業において、還元ガスを精製するプロセスが工業的に確立されている。文献は、ガス相プロセスにおける電気エネルギー源の利用のさらなる適応を含むけれども、工業的規模で経済的に使用され得る応用は、今までは、これらから一切開発され得ていない。

電気加熱を使用するプロセスは、アルカンからの、特にメタン及びアンモニアからのシアン化水素酸（ＨＣＮ）の調製について記載されている。特許明細書ＵＳ２，９５８，５８４は、炭素粒子からなる電気的に加熱された流動床においてプロパン及びアンモニアからのＨＣＮの調製を開示し、一方、ＵＳ６，０９６，１７３は、コロナ放電を使用したメタン及びアンモニアのガス相反応としてシアン化水素酸の調製を記載する。

特許出願ＤＥ１ ２６６２７３は、炭化水素の水素及びコークスへの分解であり、コークスが高い純度及び強度を有する分解を開示する。反応ゾーンの加熱は、抵抗として、移動床又は流動床として記載される炭素床を使用する電気抵抗加熱によって行なわれる。さらに、向流中で、固体流及びガス流を搬送することによる熱統合が記載される。

また、合成ガスの調製のためのプラズマ発生装置の利用が研究されており（３７ Ｌ. Ｋｅｒｋｅｒ，Ｒ．Ｍuｌｌｅｒ：「Ｄａｓ Ｐｌａｓｍａｒｅｆｏｒｍｉｎｇ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ ｚｕｒ Ｅｒｚｅｕｇｕｎｇ ｖｏｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓｇａｓｅｎ」Ｓｔａｈｌ Ｅｉｓｅｎ １０４，(１９８４)、 ｎｏ. ２２，１１３７)、炭化水素の分解のための電気又は電磁プロセスの利用が記載されている（Ｈaｕｓｓｉｎｇｅｒ, Ｐ．， Ｌｏｈｍuｌｌｅｒ，Ｒ. ａｎｄ Ｗａｔｓｏｎ，Ａ．Ｍ．２０００．Ｈｙｄｒｏｇｅｎ，２．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｕｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ)。したがって、熱は、誘電的に（ＤＥ２４２０５７９）、又は電力によって抵抗的に発生され得、且つ炭化水素へ移動され得る（ＤＥ１２６６２７３）。特許出願ＷＯ９３／１２０３０に開示されたような、ガスがその原子又は分子のイオン化によって電気アーク中でプラズマに変換されるプラズマプロセスは、特に効果的である。電子及びイオンの再結合によって発生した熱は、炭化水素の分解に必要なエネルギーを提供する。

いくつかの重要な熱消費プロセスは、高温プロセス、すなわち５００〜２５００℃の範囲の温度で実行されるプロセスである。これらの非常にエネルギー集約的なプロセスの代表として、水蒸気改質及びドライ改質、例えば第一級アルコールのアルデヒドへの、第二級アルコールのケトンへの、アルカンのアルケンへの、及びシクロアルカンのシクロアルケンへの脱水素化、メタン及びアンモニアからのシアン化水素酸の調製、一酸化窒素の調製、炭化水素のクラッキング又は熱分解、並びに水の加熱分解に言及され得る。水蒸気改質及びドライ改質は、合成ガス、すなわち天然ガス、軽石油スピリット、メタノール、バイオガス又はバイオマス等の炭素含有エネルギー担体、並びに水または二酸化炭素からの、一酸化炭素及び水素の混合物を調製するためのプロセスである。

工業的規模において、これらのプロセスは継続的に進んでおり、したがって、熱持続的な供給を要求する。これらのプロセスの処理熱要求は、５００〜６００ＴＷｈであると推定される。現在、上記高温プロセスは、もっぱら酸化プロセス（自己熱及び／又は外熱（allothermal））によって供給されるエネルギー源を使用して実行されている。これらの酸化プロセスの不利な点、すなわち第一に原材料の依存性、及び原材料の制限された利用可能性、並びに第二に酸化プロセスに関連するＣＯ_２排出（２０１０年のドイツにおけるＣＯ_２排出は、ＣＯ_２換算で約９億６千万メートルトンであり、化学工業は、約５％寄与している）が十分に知られている。

ＵＳ４，７７６，１７１ ＵＳ２０１１／００８１５８６ ＵＳ２００８／０３０３３４８ ＵＳ４，６６８，４９４ ＵＳ２，９５８，５８４ ＵＳ６，０９６，１７３ ＤＥ２４２０５７９ ＤＥ１２６６２７３ ＷＯ９３／１２０３０

Ｂａｕｍａｎｎ、 Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ、ｅｄｉｔｉｏｎ Ｂ、２０巻 (１９４８)、２５７−２５９頁、１９４８ ３７ Ｌ. Ｋｅｒｋｅｒ，Ｒ．Ｍuｌｌｅｒ：「Ｄａｓ Ｐｌａｓｍａｒｅｆｏｒｍｉｎｇ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ ｚｕｒ Ｅｒｚｅｕｇｕｎｇ ｖｏｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓｇａｓｅｎ」Ｓｔａｈｌ Ｅｉｓｅｎ １０４，(１９８４)、 ｎｏ. ２２，１１３７ Ｈaｕｓｓｉｎｇｅｒ, Ｐ．， Ｌｏｈｍuｌｌｅｒ，Ｒ. ａｎｄ Ｗａｔｓｏｎ，Ａ．Ｍ．２０００．Ｈｙｄｒｏｇｅｎ，２．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｕｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ

高温プロセスにおいて、高温を達成することの費用が、プロセスの経済において決定的因子であるが、先行技術は、安価な余剰電力の使用、特に電気エネルギー源及び非電気エネルギー源からの組合せの使用について言及がない。さらに高温プロセスにおける処理の間に、電気エネルギー源及び非電気エネルギー源の間で変更され得ることは一切示されていない。

したがって、本発明の目的は、エネルギー源として、効率的に経時的に変動する出力で、すなわち高度の効率性でしか利用できない電力を利用することができる手段による方法を提供することである。本発明のさらなる目的は、配電網において周波数を調整するための負のミニッツ予備力の場合に、エネルギー使用者としての化学プロセスを提供することである。本発明のさらなる目的は、低いＣＯ_２排出量（CO₂ footprint）を有し、これにより、化石燃料又はＣＯ_２認証を確保しておくことができる、化学高温プロセスを提供することである。

これらの記載された目的は、本発明に従って、熱消費プロセスに１年間にわたって平均化された要求される総エネルギーが、少なくとも２種の異なるエネルギー源に由来していることによって熱消費プロセスを連続的に実行する方法であって、前記エネルギー源の１種は、その電力が、要求される総電力の０〜１００％の範囲で変化する電気エネルギー源であり、且つ３種の異なるエネルギーモードが、前記熱消費プロセスに要求される総電力を個別に供給し得：（ｉ）もっぱら電気エネルギー、（ｉｉ）電気エネルギー及び少なくとも１種のさらなる非電気エネルギー源の混合、又は（ｉｉｉ）もっぱら非電気エネルギーで、１種のエネルギーモードから別のエネルギーモードへの変更が完了する切替時間が３０分以下である方法によって達成される。

図１は、メタンが炭素含有粒子材料の床に配置された高温ゾーンにおいて、水素及び炭素に分解される、本発明の方法の変形を示す。

前記熱消費プロセスに利用できる総電力は、熱消費プロセスにより与えられる規定値から、有利には、１０％未満、好ましくは５％未満、特に好ましくは３％未満まで、逸脱できる。利用できる電力は、好ましくは、規定値から０〜５％まで、特に０〜３％まで逸脱する。

前記規定値及び許容できる逸脱の両方とも、例えば、熱消費プロセスが、一部のみの負荷で運転される、又は一時、過負荷である場合は、経時的に変更され得、又は一定に維持され得る。前記熱消費プロセスを実行するために使用される装置が、運転され得る公称電力は、好ましくは規定値として選択され、且つ装置の通常運転の間一定に維持される。

少なくとも１種の非電気エネルギー源は、好ましくは天然ガスの燃焼等の酸化プロセスによって供給される。しかしながら、エネルギー源を供給するため、地熱又は太陽エネルギーの使用もまた考えられる。さらに、高温プロセスは、それらの廃熱が、前記熱消費プロセスへ導入されることで、非電気エネルギー源としての役割を果たし得る。

したがって、本発明は、前記熱消費プロセスを、有利に余剰電力として、瞬時に利用できる電力の、独立して最適な運転条件の下で、常に運転されることを可能とする。特に、余剰電力を、中間貯蔵なしで、すなわちほぼ損失なしで、前記熱消費プロセスのために、有利に９０％より大きい、好ましくは９５％より大きい、特に９８％より大きい、すなわち有利に９５〜１００％の、好ましくは９８〜１００％の範囲の効率で、使用でき、したがって、そのコスト優位性を、大きな制限なしで利用できる。その結果として、再生可能エネルギー源からの変動電力（fluctuating power）を有するエネルギーが、直接、すなわち化学プロセスにおける発電所において事前の平滑化／補償なしで、使用され得る。

余剰電力は、電力市場に、発電コストをはるかに下回って、又はエネルギー含量に基づいて、同一のジュール値を有する化石燃料よりも低い価格、又は価格なしで、又はマイナス価格でさえある価格で提供される電力として定義される。

本発明によれば、熱消費プロセスは、吸熱高温プロセス、好ましくはそのエネルギー消費が、反応ゾーンにおいて０．５ＭＷ／ｍ^３より大きい、特に好ましくは１ＭＷ／ｍ^３より大きい、特に２ＭＷ／ｍ^３より大きい。例えば、エネルギー消費は、反応ゾーンにおいて、０．５〜１０ＭＷ／ｍ^３の範囲である。

本発明の目的のため、用語、反応ゾーンは、吸熱性、すなわち反応の必要熱量が、有利には１０ｋＷ／ｍ^３、好ましくは１００ｋＷ／ｍ^３、特に５００ｋＷ／ｍ^３を超える反応器における領域を意味する。これは、およそ５００℃より大きい温度を有する反応器における領域に相当する。

反応ゾーンにおける最大温度は、有利には５００℃より大きく、好ましくは８００℃より大きい。例えば、反応ゾーンにおける温度は、５００〜２５００℃、好ましくは７００〜１８００℃の範囲、例えば脱水素反応の場合は、５００〜８００℃の範囲、例えば改質反応の場合は、７００〜１０００℃の範囲、例えば水蒸気クラッキング反応の場合は、８００〜１１００℃の範囲、例えば熱分解反応の場合は、８００〜１５００℃の範囲、例えば炭素ガス化反応の場合は、８００〜１２００℃の範囲である。

吸熱高温プロセスのエネルギー消費の例を表１に示す。

本発明の方法を実行する際のエクセルギー損失は、導入される電気エネルギーの、好ましくは６０％未満、さらに好ましくは５０％未満、特に好ましくは４０％未満、特に２５％未満である。エクセルギーは、エントロピーにおける増加なしに、機械的エネルギーに変換され得るシステムの内部エネルギーの割合である。電気エネルギーは、実質的に、全てエクセルギーである。

本発明の方法は、水素の、スチレン、プロペン、ブテン、及び／又はベンゼンの、アセチレンの、一酸化炭素の、シアン化水素酸の、一酸化窒素の合成ガスの調製に、並びに水酸化アルミニウムのか焼に、特に好ましく使用される。以下のプロセス：水蒸気改質及びドライ改質、水の加熱分解、エチルベンゼンのスチレンへの脱水素化、プロパンのプロペンへの脱水素化、ブタンのブテンへの脱水素化、及び／又はシクロヘキサンのベンゼンへの脱水素化、固定床又は流動床プロセスにおける炭化水素の熱分解及びクラッキング、特にメタン、エタン、プロパン及び／又はブタンの熱分解、及びアセチレンの熱分解生成、メタンからのベンゼンの調製、二酸化炭素の一酸化炭素への還元、メタン及びアンモニアからのシアン化水素酸の調製、並びに窒素及び酸素からの一酸化窒素の調製、が好ましい。

本発明に従う高温プロセスは、有利には組合せ位置（combination site）に、エネルギー統合され、エネルギー統合は、使用される熱の効率を、別々に運転された高温プロセスと比較して、２％（絶対値）まで、好ましくは３％（絶対値）まで、さらに特に好ましくは５％（絶対値）まで、特に１０％（絶対値）まで増加させることができる。

本発明の方法は、有利には連続的に又は擬連続的に（pseudocontinuously）実行される。

１年にわたって平均化された使用される電気エネルギーの、少なくとも５０％、特に好ましくは少なくとも７５％、さらにいっそう好ましくは少なくとも９０％、特に少なくとも９５％が、余剰電力及び／又は夜間電力（夜間電力は、夜間に、例えば２２時及び６時の間に、供給され、且つ低料金である電気エネルギーとして定義される）、好ましくは余剰電力によって供給されることが好ましい。

一年にわたって平均化された使用される電気エネルギーの、５０〜１００％、特に好ましくは７５〜１００％、さらにいっそう好ましくは９０〜１００％、特に９５〜１００％が、余剰電力によって供給されることが好ましい。しかしながら、プロセスに電気を介して導入される全てのエネルギーが、余剰電力及び／又は夜間電力、好ましくは余剰電力によって供給されることが特に好ましい。

１年にわたって、平均化された熱消費プロセスに要求される総エネルギーの、好ましくは少なくとも１０％、特に好ましくは少なくとも１５％、さらに特に好ましくは少なくとも２０％、特に少なくとも２５％が、変動電力を有する電気エネルギー源から得られる。

エネルギー源／エネルギーモードの変更は、有利には、熱消費プロセスを実行する間に実施される。本発明の目的のため、エネルギー源／エネルギーモードの変更は、エネルギー源の１種の起動又は停止、すなわち、モード（ｉ）、（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）間のエネルギー源混合における変更である。

エネルギー源の変更は、有利には、熱消費プロセスを実行する上で有害な影響をほとんど有さない。

プロセスへ供給される熱流量は、有利には、切替時間の間に１０％以下で、好ましくは５％以下で、特に１％以下で減少又は変動する。

切替時間は、本発明の目的のため、エネルギー源／エネルギーモードの（他の１種のエネルギーモードから他方への）変更が完了される時間である。切替時間は、例えば全てのエネルギー源の電力の合計によって、又は反応ゾーンにおける温度によって測定され得；切替時間の以外で（任意にプロセスのランニングアップ（running up）、又はランニングダウン（running down）時以外で）、反応ゾーンの温度は、例えば熱消費プロセスの運転の連続モードの場合、好ましくは一定であるか、又は熱消費プロセスの運転の周期モードの場合、周期的な温度レベルを有する。

反応ゾーンにおける温度は、有利には、切替時間の間に、２０Ｋ以下で、好ましくは１０Ｋ以下で、特に好ましくは５Ｋ以下で、特に１Ｋ以下で変化する。典型的な化学高温プロセスは、温度変化において１Ｋ／ｓのダイナミクス（dynamic）を有する。

熱消費プロセスの変換は、有利には、切替時間の間に、２％以下で、好ましくは１％以下で、特に好ましくは０．５％以下で、特に０．２％以下で変化する。

切替時間は、有利には、電力網においてミニッツ予備力の要求される応答時間より短く、好ましくは第二調整（＜７．５分）の要求される応答時間より短く、特に好ましくは第一調整（＜３０秒）の要求される応答時間より短い。切替時間は、有利には、１５分より短く、好ましくは７．５分より短く、特に好ましくは５分より短く、さらに特に好ましくは６０秒より短く、特に３０秒より短い。切替時間は、有利には、０〜１５分、好ましくは０．２秒〜７．５分、特に好ましくは０．５秒〜５分、さらに特に好ましくは１秒〜６０秒、特に１秒〜３０秒の範囲である。

例えば、先行技術で慣例的に使用される燃焼器の電力が、任意に「停止」から例えば２０００℃の温度に数秒内で達するまで、広範囲に変化され得る（例えば。Ｓｅｌａｓ−Ｌｉｎｄｅの生成物範囲を参照）。

エネルギーモードの変更の間、高温プロセスの副生成物の選択性は、有利には、ほとんど変化しない；副生成物選択性は、好ましくは１％以下で、好ましくは０．５％以下で、特に０．２％（絶対値）以下で増加する。

反応器における、特に反応ゾーンにおける温度プロファイルは、有利には、３種の上記エネルギーモードとは関係なく一定である。熱流量は、エネルギーモードの変更の間、好ましくは１０％未満で、好ましくは５％未満で、特に２％未満で変化する。

出発材料組成物は、有利には３種の上記エネルギーモードとは関係なく一定である。出発材料の体積流量は、エネルギーモードの変更の間、好ましくは２０％未満で、好ましくは１０％未満で、特に好ましくは５％未満で、特に２％未満で変化する。

電力を介して熱消費プロセスのために熱エネルギーを供給するため、種々の経路が続けられ得る。ここで言及され得る例としては、誘導的又は抵抗的方法、プラズマプロセス、要素／接触エリアを電気的に伝導加熱することによる、又はマイクロ波による加熱である。

プロセス流への熱エネルギーの導入は、例えば、熱消費プロセスが実行されているセクションの反応器の外側で、例えば予熱供給等で、及び／又は反応器の内側で、反応ゾーンの外側及び内側の両方で、実行され得る。

例えば、熱は、処理されるプロセス流、すなわち伝熱媒体（伝熱媒体はまた、生成物流の一部であり得る）、又は供給流が直接接触し、それにより加熱される１種以上の電気的に伝導加熱する要素における電流によって発生され得る。伝熱媒体又は供給流が、電気的に加熱される加熱要素と直接接触して加熱される場合、これはその後、直接接触により、及び／又は熱交換器を介して、別のプロセス流へ伝熱し得る。

伝熱媒体は、有利には、生成物及び出発材料から、完全に分離され得る。伝熱媒体は、有利には、それぞれの熱消費プロセスのために、先行技術から公知のプロセス流と比較して、追加の材料ではない。炭化水素、特にメタン、エタン、プロパン、ブタン、シクロヘキサン及び／又はエチルベンゼン、水、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、アンモニア及び／又は酸素及び／又は窒素等の不活性ガスを含むプロセス流が好ましい。メタン、エチレン、及び／又は水素を含むプロセス流が特に好ましい。特に、水素がプロセス流として好ましい。

熱を発生するため、電力は、有利には、熱が抵抗的に発生される加熱導体として構成される加熱要素を通過され得る。電流が交流電流の場合は、交番磁界（alternating magnetic field）が、有利には、電流が誘導コイルを通過されることによって、発生され得る。誘導コイルから電気的に絶縁された導電性の加熱要素は、有利には、渦電流が、交番磁界によってそこに誘導され、抵抗損（ohmic loss）の結果として加熱要素の加熱を引き起こすように配置される。

本発明の別の実施形態において、電力が、ガス状プロセス流の少なくとも一部を部分的なイオン化によりプラズマに変換するために使用される。電子及びイオンの再結合で遊離したエネルギーは、それ自体加熱された供給流、及び／又はその熱がその後、直接接触により、及び／又は熱交換器を介して熱消費プロセスの供給流へ移動する伝熱媒体の役目を果たす加熱されたプロセス流、例えば、分解される炭化水素等が生成するように、ほとんどガス原子又は分子に移動する。ガス状プロセス流の少なくとも一部を、冷ガス流が導入され、加熱されたガス流が取り出されるプラズマ発生器を介して搬送することが有利である。プラズマ発生器を介して通過された副流（substream）の大きさは、移動される熱の量によって決定される。

エネルギーモード（ｉｉ）における本発明の方法を実行する際、経時的に変動する電力を有する電気エネルギー源から取り出される熱エネルギーが、例えば、加熱されたプロセス流、任意に、一定の流量を有し、その温度が、加熱するために瞬間的に利用できる電力の機能として変動する伝熱媒体を生成するために使用される。別の方法として、プロセス流、任意に伝熱媒体の流量が、プロセス流、任意に伝熱媒体の温度が、少なくとも、それを加熱するために利用できる電力と無関係である広い範囲になるように調節され得る。

本発明の方法を実行する場合、電気エネルギー源からの熱エネルギーが、第一の加熱工程においてプロセス流へ供給されることが好ましい。電気エネルギー源の瞬間的な電力が十分でない場合、さらに下流の少なくとも１種の第二の加熱工程において、少なくとも１種の非電気エネルギー源からの熱エネルギーの導入によって、プロセス流の温度が、所望の値に増加される。プロセス流の加熱はまた、逆の順序で行なうこともでき、すなわち、プロセス流がまず、少なくとも１種の非電気エネルギー源からの熱エネルギーによって予熱され、その後、電気的に発生した熱によって所望の温度に到達される。

２種以上のエネルギー源の直列の接続に代わる方法として、これらのエネルギー源はまた、２種以上のプロセス流が、熱エネルギーと並列に供給されることで、並列に接続され得る。

プラズマ発生器が、酸化プロセスと結合して電気エネルギー源として利用される場合、燃焼排ガス（flue gas）によるプラズマバーナーの汚染を避けるべきである。したがって、プロセス流は、有利には、まずプラズマ発生器によって（予）加熱され、その後、酸化プロセスによって所望の温度に到達される。別法として、プラズマ発生器及び酸化プロセスが、並列で運転される。

本発明の方法を実行する際に、熱エネルギーが酸化的に発生する非電気エネルギー源が使用される場合、これは、好ましくは完全に又は部分的に、水素、天然ガス、石炭又はその他の炭化水素含有エネルギー担体等の燃料の燃焼によって実施される。個々で形成される高温燃料ガスの熱は、その後出発材料に、例えば、分解される炭化水素に、及び／又は伝熱媒体に、直接接触により、及び／又は熱交換器を介して移動される。

別法として、水素又は炭化水素、好ましくはメタン等の酸化可能な成分を含み、例えば天然ガスのメタン含量が、天然ガス源に応じて、典型的には７５〜９９モル％である、天然ガスを使用するガスが、プロセス流として、その熱容量が、好ましくは電気予熱後に、酸化可能な成分の酸化によって増加され得るように使用される。この目的のため、プロセス流は、有利にはバーナーに導入され、そこで空気又は酸素富化空気、又は純酸素である酸化剤と混合される。酸化剤は、調節される変数として使用されている、バーナーの下流に設定されるプロセス流の温度で、数量調節の下で導入される。したがって、プロセス流の温度は、規定値に設定され得、特に、それを加熱するために瞬間的に利用できる電力と、ほとんど関係なく一定に保たれ得る。

熱が、経時的に変化する電力を有する電流によって加熱要素において発生する場合は、バーナー中で燃焼排ガスとして生成する高温ガス状プロセス流中にこれらの加熱要素を、位置づけることが有利であり得る。熱消費プロセスが、炭化水素の熱分解である場合、炭化水素は、有利には、熱力学的平衡に達するために、それらの分解温度を超えて加熱され、すなわち、反応ゾーンにおける滞留時間は、それらが水素及び炭素へ分解するように熱力学的平衡が至ることを確保するために十分長い。しかしながら、分解温度を越える時間を、熱力学的平衡が確立しないように短い時間とすることも可能である。これは、メタン及び／又はエタン等の未反応の飽和炭化水素と共に、水素及び炭素だけでなく不飽和炭化水素化合物及び芳香族も含む生成物ガス流を生じる。

本発明の別の実施形態において、プロセス流は、有利には、反応ゾーン内で加熱される。例えば、 抵抗ロッド（resistance rod）及び焼成放熱管（fired radiator tube）が、反応ゾーンに配置され得る。放熱管は、好ましくは、復熱（recuperative）又は再生（regenerative）バーナーと組合せされる（Ｊ．Ａ．Ｗuｎｎｉｎｇ，Ｊ．Ｇ．Ｗuｎｎｉｎｇ：Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｂｒｅｎｎｅｒ ｆuｒ Ｓｔｒａｈｌｈｅｉｚｒｏｈｒｅ．Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ Ｆｌａｍｍｅｎｔａｇ,Ｂｅｒｌｉｎ，２００７）。バーナーへの燃料供給は、有利には、反応ゾーンにおける温度の規定値が、電気エネルギー源の変動電力の場合に順守され得るように、異常パラメータ接続（malfunction parameter connection）を介して調節される。この構成においては、プロセス流は、酸化燃焼の燃焼排ガスから分離される。熱は、間接的に放熱管の壁を介して移動される。この方法においては、プロセス流の汚染が、電気加熱及び酸化的加熱の組合せによって効果的に防止される。例えば、電気的に加熱された放熱管、及び酸化的に加熱された放熱管が、反応空間に交互に配置され得る。

ドイツ特許商標庁にて番号ＤＥ１０２０１１１０６６４５．８で登録された特許出願（その内容は、参照することにより完全に本特許出願に取り込まれる）は、炭化水素の分解のための方法であって、分解される炭化水素が、粒状材料の床中に配置された高温ゾーンを通って搬送され、熱的に水素及び炭素に分解される方法を記載する。粒状材料は、有利には、金属、セラミック、炭素及び／又はコークス、好ましくは５０〜１００質量％の範囲の炭素含有量を有する炭素及び／又はコークスを含む粒子からなる。この方法の実施形態は、分解に要求されるエネルギーが、電力及び／又は酸化的手段によって供給されることを提供する。この種類の炭化水素分解は、本発明の方法に従って実行されることに特に適切であるように見えるので、電力が、余剰電力の形態で供給され、経時的に生じるその電力の変動が、酸化的に発生し、炭化水素の分解に利用できる総電力が、常に規定値に相当するか、又は後者に近似するように、炭化水素の分解に利用される、経時的に変化する電力を有する熱エネルギーによって補償されることが提案される。

本発明の方法におけるＣＯ_２排出量は、例えば１００ｋｇの水素が、有利には、６．６ｋｇのＣＯ_２／ｋｇ−Ｈ_２未満、好ましくは６．４ｋｇのＣＯ_２／ｋｇ−Ｈ_２未満、特に６．２ｋｇのＣＯ_２／ｋｇ−Ｈ_２未満である。

本発明の方法におけるＣＯ_２排出量は、酸化エネルギー源を使用する先行技術の類似方法と比較して、１０〜２０％まで削減される。

本発明の方法は、高温プロセスを、配電網における周波数調整において、負のミニッツ予備力として使用させることができる。本発明の方法の結果として、これらの高温プロセスは、迅速に起動され得、さらに５００〜６００ＴＷｈの大量のエネルギーを取り出し得る。連続的に運転されると、これらのプロセスは、余剰電力、例えば、夜間電力の受け入れに継続的に利用できる。

電気エネルギーの熱への変換は、ほんの少量しかエネルギー損失を引き起こさないので、高温プロセスは、特に、電気エネルギーを利用するために適している。熱への変換は、エクセルギーの一部を無効にする。この割合は、この場合、吸熱高温プロセスにおいて、放熱板（heat sink）の温度レベルの増加と共に減少する。これらのプロセスは、エネルギー項（energy term）において、組合せ位置中に大部分は統合されるので、生成物流の内部エネルギーの技術的に可能な最大の割合が、例えば、高圧蒸気の形態で、エクセルギーに再変換され得る。

したがって、本発明は、高温プロセス、例えば、炭化水素の分解を、特定の時間に利用できる電気エネルギーに関係なく、常に最適な運転条件下で、実行させることを可能とする。特に、発電所における中間貯蔵又は事前の平滑化／補償なしで、安価な余剰電力を使用し、したがって、そのコスト優位性を、大きな制限なしで利用することを可能とする。また、本発明は、例えば、２種以上の異なるエネルギー源の間を変化するにもかかわらず、経時的に一定している量及び組成で、（分解）生成物が生成される連続運転を可能とする。

本発明の方法の使用によって得られる経済的な優位性を、２種の例を用いて説明する。

２０１０年において、１２７ＧＷｈの電気エネルギーが、過剰生産能力のために、ドイツにおける再生可能資源から生産できず、また、ドイツ送電網オペレーターによって利用された負のミニッツ予備力は、合計約８５０ＧＷｈに達した。このエネルギーによって、約１００，０００メートルトンの水素が、メタンの熱分解で（約６６％の効率で）生産可能であった。慣例的に加熱されたプロセスにおいて、比エネルギーコストが８ユーロ／ＧＪという仮定の下、約２５百万ユーロのコストが、この量のエネルギーのために生じていただろう。

２０，０００標準ｍ^３／ｈの水素生産速度を有するプラントの場合、使用されるメタンの熱分解の所用電力は、約１５ＭＷである。現在のところ、約１２ＧＷｈのエネルギー総量の合計になる余剰電力が、１年間で約８００時間、本質的に無料で利用可能である。同量のエネルギーがメタンの燃焼によって生産される場合、８ユーロ／ＧＪの仮定の下、約３５０，０００ユーロのコストが生じる。潜在的な節約が、余剰電力の利用可能性の増加の結果として、将来は有意に増大することが期待される。

また、本発明を、図１に、概略的に示された例を用いて説明する。

図１は、メタンが炭素含有粒子材料の床に配置された高温ゾーンにおいて、水素及び炭素に分解される、本発明の方法の変形を示す。

供給導管１を介して、炭素含有粒子材料、例えば、破砕コークス（broken coke）が周囲温度で、有利には０〜３００℃、好ましくは１０〜１５０℃、特に５０〜１００℃で、上から反応空間Ｒ中へ導入され、その後、それを通って、重力の作用の下、下流の移動床Ｗに搬送される。メタン含有ガス２、例えば天然ガスは、同時に下から反応空間Ｒ中へ導入され、移動床Ｗを通って、向流で上流へ搬送される。周囲温度、有利には０〜１００℃、好ましくは１０〜５０℃である、ガス２は、反応空間Ｒに入るとき、その上昇の過程で移動床Ｗと直接熱交換することによって加熱される。１，０００℃を越える温度が広がる高温ゾーンＨにおいて、メタンが、水素及び炭素へ分解され、炭素は、大部分は移動床Ｗの炭素含有粒子上に沈着される。形成された高温水素は、再び上流へ流れ、周囲温度より著しく高くない温度、有利には５０〜８００℃、好ましくは１００〜５００℃の温度を有する水素含有ガスが、配管３を介して取り出され得るように、移動床Ｗとの直接熱交換によって冷却される。分離装置Ｔにおいて、水素の部分４が水素含有ガス３から分離され、続いて一定流速で、電気エネルギーの導入のための装置、例えばプラズマ発生器Ｐ中へ導入され、そこで、それは伝熱媒体５の形態へ加熱される。プラズマ発生器Ｐは、経時的に変動する電力で供給される余剰電力９を使用して運転される。伝熱媒体５の温度は、余剰電力９の瞬間的な電力に応じて、最小値及び最大値の間で変動する。伝熱媒体の温度を所定の規定値に設定するため、酸素、空気又は酸素富化空気のいずれかの酸化剤１９が、バーナーＢを介して、伝熱媒体５に、数量調節下で供給される。続いて、伝熱媒体１１が、高温ゾーンＨへ導入され、そこで、それはメタンの分解に必要なエネルギーを供給する。反応空間Ｒの下端で、粒状材料６が、実質的に周囲温度で、有利には、１０〜４００℃、好ましくは２０〜２００℃で取り出され；これは、炭素の沈着のため、例えば、高炉用コークス（blast furnace coke）、又はコークス工場の添加剤として使用され得る。それらが、過剰に大きい（＜８０ｍｍ）又は容認し難いほど小さい（＜３５ｍｍ）直径、又は、例えば、低すぎる強度（ＩＳＯ／ＦＤＩＳ １８８９４：２００３に従って、＞４０％の高炉用コークスのためのドラム強度（drum strength）Ｉ４０）を有するために、質的要求を満たさない粒状材料６の成分は、ふるい分け及び／又は分離装置Ｓにおける分類によって分離され、可能性がある粉砕の後、配管７を介して反応空間Ｒに再循環される。残余は、高価値生成物として伝えられる高炉用コークスである。

Claims (13)

1. 熱消費プロセスを実行する方法であって、前記熱消費プロセスに１年間にわたって平均化された要求される総エネルギーが、少なくとも２種の異なるエネルギー源に由来し、前記エネルギー源の１種は、その電力が、要求される総電力の０〜１００％の範囲で変化する電気エネルギー源であり、且つ３種の異なるエネルギーモードが、前記熱消費プロセスに要求される総電力を個別に供給し得：（ｉ）もっぱら電気エネルギー、（ｉｉ）電気エネルギー及び少なくとも１種のさらなる非電気エネルギー源の混合、又は（ｉｉｉ）もっぱら非電気エネルギーで、１種のエネルギーモードから別のエネルギーモードへの変更が完了する切替時間が３０分以下である方法。
2. その電力が、要求される総電力の０〜１００％の範囲で変化する前記電気エネルギー源の効率が、９０％より大きい請求項１に記載の方法。
3. 前記使用される電気エネルギーの少なくとも７５％が、余剰電力及び／又は夜間電力によって供給される請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
4. １年間にわたって平均化された、前記熱消費プロセスに要求される総エネルギーの少なくとも１０％が、変動する出力を有する電気エネルギー源から引き出される請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. その熱が、その後前記熱消費プロセスに利用される、１種以上のプロセス流が、電力によって加熱される請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記熱消費プロセスへ供給される熱流量が、前記切替時間の間に１０％以下で変動する請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記切替時間が、７．５分以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記高温プロセスのエネルギー消費が、反応ゾーンにおいて０．５ＭＷ／ｍ^３より大きい請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記高温プロセスの副生成物選択性が、エネルギー源の変更の間に最大１％増加される請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 熱エネルギーが、少なくとも１種の非電気エネルギー源において酸化的に発生する請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 電気的に加熱された放熱管、及び酸化的に加熱された放熱管が、前記高温プロセスの反応ゾーンにおいて交互に配置される請求項１０に記載の方法。
12. 前記切替時間が、６０秒以下である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記熱消費プロセスが、水蒸気改質及びドライ改質、水の加熱分解、エチルベンゼンのスチレンへの脱水素化、プロパンのプロペンへの脱水素化、ブタンのブテンへの脱水素化、及び／又はシクロヘキサンのベンゼンへの脱水素化、炭化水素の熱分解及びクラッキング、熱分解アセチレン生成、メタンからのベンゼンの調製、二酸化炭素の一酸化炭素への還元、メタン及びアンモニアからのシアン化水素酸の調製、並びに／又は窒素及び酸素からの一酸化窒素の調製である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。

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