JP7292474B2 - Ｃｏ２捕捉を伴うハイブリッド発電プラント - Google Patents

Description

優先権出願
本出願は、２０２１年６月１１日に出願した、米国仮特許出願第６３／２０９，４５７号に対する優先権の利益を主張するものであり、その内容は、参照によりその全体において本明細書に組み込まれる。

この文書は、概して、限定としてではなく、ガスタービン複合サイクル（ＧＴＣＣ：ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｙｃｌｅ）発電プラントにおいて使用される電力サイクルに関する。より具体的には、限定としてではなく、本出願は、ＧＴＣＣ発電プラントにおける排出量を削減するためのシステムに関する。

ガスタービン複合サイクル（ＧＴＣＣ）発電プラントにおいて、ガスタービンエンジンのための燃焼器は、様々な燃料を用いて作動することができる。ガスタービン燃焼器は、典型的には、現在の大規模ＧＴＣＣ発電プラントのための天然ガス（または液体）燃料を燃焼させるために設計される。水素燃料（Ｈ２）の燃焼は、二酸化炭素（ＣＯ２）排出を生じさせない。ＧＴＣＣ発電プラントにおいてＨ２を燃焼させるために、燃焼システムは、典型的には、天然ガス（または液体燃料）とＨ２との間の特性の違いに対応するように再設計される。典型的なガスタービン（ＧＴ：ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ）は、天然ガスと組み合わせて約３０％から約５０％（ｖｏｌ％）のＨ２を扱うことができる。Ｈ２および天然ガスの３０／７０または５０／５０分割を使用する場合、現在の燃焼器設計に関するタービン入口温度（Ｔ１ｔ）は、天然ガスを燃焼させることから結果として生じる同様の窒素酸化物（ＮＯｘ）排出レベルを達成するために、低減（ディレート（ｄｅｒａｔｅ））され得る。たとえば、Ｈ２は、より高い温度において燃焼し、それによって、排出物内により多くの窒素を形成する。したがって、天然ガスと同じ窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量を維持するために、ＧＴＣＣの性能は、ディレートされたタービン入口温度により、電力出力ならびに熱効率の点で影響を受けることになる。環境への配慮のためＣＯ２排出量の削減を進めるために、１００％Ｈ２燃料を燃焼させることが望ましい。

米国特許第４，０８７，９７６号 米国特許第５，３７６，４７０号 米国特許第４，８５７，２８３号 米国特許第４，４７７，４１９号

本発明者らは、とりわけ、電力サイクルにおいて解決されるべき問題が、天然ガス燃料およびＨ２燃料のうちの一方または組合せを用いて動作するＧＴＣＣでＣＯ２捕捉システムを使用するときに生じる動作ペナルティを含む可能性があることを認識した。Ｈ２を天然ガスと混合することは、天然ガス燃料のみを燃焼させるよりも少ないＣＯ２排出量をもたらすが、ＣＯ２排出量およびＮＯｘなどの他の排出量を最小限に抑えるかまたは排除することが依然として望ましい。したがって、多くのＧＴＣＣシステムは、ガスタービンエンジンの排煙が環境に放出される前に最終的に通過するＣＯ２捕捉システムを採用する。典型的に用いられるＣＯ２捕捉技術は、関連する所望の化学プロセスを達成するために、入力として熱を利用する。ＧＴＣＣ発電プラントにおいてこの熱を考慮すると、システムの全体的な効率の低下が確認される。

本主題は、従来の方法におけるＣＯ２捕捉システムを用いて動作する従来のＧＴＣＣ発電プラントと比較して、より高い全体的な効率でＧＴＣＣ発電プラントの排出量を低減するために、ＣＯ２捕捉ユニットと組み合わせて燃料電池および電解槽を使用することなどによって、この問題および他の問題に対する解決策を提供するのを助けることができる。電解槽は、Ｈ２出力とＯ２出力とを生成するように動作され得、同時に、水出力と熱出力とを生成するために電解槽のＨ２出力およびＯ２出力を用いて燃料電池を動作させる。水は、電解槽に供給するために使用され得、熱は、ＣＯ２捕捉ユニットのための入力として使用され得る。燃料電池の追加の電力出力は、特に、動作電力を電解槽に提供するために再生可能エネルギーを使用する場合、従来の方法における（ＧＴＣＣ発電プラントからの熱入力を用いる）ＣＯ２捕捉ユニットを使用するよりも高い全体的なシステム効率を結果として生じることができる。

一例において、発電設備は、電気を生成するための回転シャフト動力を生成するために使用され得る排気ガスを生成するために燃料を燃焼させるように構成されたガスタービンエンジンと、追加の電気を生成するための蒸気タービンを回転させるために排気ガスを用いて蒸気を生成するように構成された蒸気システムとを備える複合サイクル発電プラントと、汚染物質を除去するために排気ガスを受け取るように構成された排出物捕捉ユニットと、構成要素の反応プロセスを介して電気を生成し、排出物捕捉ユニットを動作させるために副生成物の熱を提供するように構成された燃料電池と、反応プロセスから結果として生じる燃料電池から受け取られた水副生成物から燃料電池のための構成要素を生成するように構成された電解槽とを備えることができる。

別の例において、複合サイクル発電プラントからの排出物を除去する方法は、ハイブリッド発電プラントを提供するステップであって、ハイブリッド発電プラントが、電気入力を使用して水入力から電解槽を用いて水素ガスと酸素ガスとを生成し、電解槽の少なくとも水素ガスから燃料電池を用いて電気と熱とを生成し、燃料電池からの熱の少なくとも一部を、複合サイクル発電プラントのガスタービンエンジンからの排気ガスを受け取るように構成された排出物捕捉ユニットに伝達するように構成された、ステップを含むことができる。

この概要は、本特許出願の主題の概要を提供することを意図している。これは、本発明の排他的または網羅的な説明を提供することを意図していない。詳細な説明は、本特許出願に関するさらなる情報を提供するために含まれる。

排出物捕捉ユニットと、燃料電池と、電解槽とを有するハイブリッド複合サイクル発電プラントの概略図である。 排出物捕捉ユニットと、燃料電池と、電解槽とを使用して複合サイクル発電プラントからの排出物を捕捉するための方法を示す概略線図である。

必ずしも一定の縮尺で描かれていない図面において、同様の数字は、異なる図において同様の構成要素について説明している場合がある。異なる接尾辞を有する同様の数字は、同様の構成要素の異なるインスタンスを表している場合がある。図面は、概して、例として、限定としてではなく、本文書において論じられる様々な実施形態を示す。

図１は、複合サイクル発電プラント１８と連動して動作する、排出物捕捉ユニット１２と、燃料電池１４と、電解槽１６とを有するハイブリッド複合サイクル発電プラント１０の概略図である。複合サイクル発電プラント１８は、ガスタービンエンジン２０と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２２と、蒸気システム２４とを備えることができる。

ガスタービンエンジン２０は、発電機３２を駆動するために空気Ａおよび燃料Ｆの入力を用いて動作することができる、圧縮機２６と、燃焼器２８と、タービン３０とを備えることができる。ガスタービンエンジン２０は、空気Ａおよび燃料Ｆを燃焼させた結果として排気ガスＥを生成することができる。当該技術分野において知られているように、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２２は、蒸気タービン３４を回転させるために蒸気を加熱すること、および発電機３６を用いて電気を生成することのために排気ガスＥを利用するボトミングサイクルを動作させることができる。蒸気タービン３４を出る蒸気は、水をＨＲＳＧ２２に戻すために、復水器などの他の機器によって凝縮され得る。

排気ガスＥは、ＨＲＳＧ２２を通過して排出物捕捉ユニット１２に入ることができ、排出物捕捉ユニット１２は、排気ガスＥ’が大気に放出される前に、貯蔵ユニット３８における隔離または封じ込めのために、排気ガスからＣＯ２を捕捉することができる。排出物捕捉ユニット１２は、燃料電池１４によって供給される熱Ｑを入力として用いて（低圧のＬＰ蒸気を介して）動作することができ、凝縮物Ｃを出力することができる。本開示のハイブリッド発電プラントにおいて使用される排出物捕捉ユニット１２は、ＣＯ２捕捉ユニットを含むことができる。しかしながら、ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０は、ＳＣＲとＣＯ触媒とを使用して除去され得るＮＯｘ、ＣＯ、およびＶＯＣのための他のタイプの排出物捕捉ユニットを追加で利用することができる。

燃料電池１４は、電解槽１６からの水素ガス（Ｈ２）を反応させる結果として、熱Ｑと電力Ｐとを生成することができる。水素ガスＨ２は、圧縮機４０の助けを借りて電解槽１６によって燃料電池１４に供給され得る。例において、図１に示すように、電解槽１６によって生成されたＯ２は、圧縮機４２を介して燃料電池１４に供給され得るが、本開示の範囲は、それほど限定されず、たとえば、大気などの他のソースを介して燃料電池１４にＯ２を供給することを含むものとする。燃料電池１４は、燃料電池１４において使用されるＨ２とＯ２とを生成するために電解槽１６に供給され得る水Ｈ２Ｏ副生成物を生成することができる。同様に、図１に示す実施形態は、燃料電池のＨ２Ｏ副生成物を介して電解槽に供給される水を示しているが、本開示の範囲は、それほど限定されず、たとえば、都市または地下の水源などの他の水源から電解槽に水を供給することを含むものとする。

電解槽１６は、水Ｈ２Ｏを水素ガスＨ２および酸素ガスＯ２に変換するために、電源４４からの電気入力を利用することができる。電解槽１６の水素ガスＨ２および酸素ガスＯ２の出力は、それぞれ、コンテナ４６および４８内に貯蔵され得、これらのコンテナは、圧力容器などの製造されたコンテナ、ならびに、たとえば、洞窟などの天然のコンテナを含み得る。燃料電池１４から電解槽１６に流れる水Ｈ２Ｏは、冷却器５０を使用して冷却され得る。

本明細書において説明するように、ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０は、排出物捕捉ユニット１２を動作させるために電解槽１６および燃料電池１４の協調的機能を相乗的に利用し、それによって、たとえば、排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンからの熱を用いて排出物捕捉ユニットを動作させ、それによってボトミング蒸気サイクルからの出力を減少させる他のＧＴＣＣ発電プラントと比較して、複合サイクル発電プラント１０の全体的な効率を改善することができる。

燃料電池１４は、電気を生成するために水素と酸素とを結合させる電気化学デバイスを備えることができる。燃料電池１４は、ゼロまたは低排出量と、高効率と、本質的に水および熱の副生成物と、静かな動作とを有するために有益である。燃料電池１４は、本明細書において記載されているものならびに他のものなどの様々な技術を利用することができる。例において、燃料電池１４は、１］アルカリ燃料電池（ＡＦＣ：ａｌｋａｌｉ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、２］リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ：ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ ａｃｉｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、３］プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、４］溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、および５］固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）の５つの異なるタイプの燃料電池のうちの１つまたは複数を備えることができる。燃料電池はまた、低温（ＡＦＣ、ＰＡＦＣ、およびＰＥＭＦＣ）および高温（ＭＣＦＣおよびＳＯＦＣ）の、動作温度による２つのカテゴリに分類され得る。

ＡＦＣは、約７０％の効率と、約１５０℃から約２００℃の動作温度とを有する。ＡＦＣの出力は、約３００Ｗから約５ｋＷの範囲内であり得る。ＡＦＣは、典型的には、純粋な水素燃料を必要とする。

ＰＡＦＣは、約４０％から約８０％の範囲内の効率と、約１５０℃から約２００℃の範囲内の動作温度とを有する。ＰＡＦＣの出力は、約２００ｋＷから約１１ＭＷの範囲内であり得る。

ＰＥＭＦＣは、約４０％から約５０％の範囲内の効率と、約８０℃の動作温度とを有する。ＰＥＭＦＣの出力は、約５０ｋＷから約２５０ｋＷの範囲内であり得る。

ＭＣＦＣは、約６０％から約８０％の範囲内の効率と、約６５０℃の動作温度とを有する。ＭＣＦＣの出力は、約２ＭＷから約１００ＭＷの範囲内であり得る。ＭＣＦＣにおいて、電解質からの炭酸イオンが反応において使い果たされ、それを補うためにＣＯ２を注入することを望ましくする。

ＳＯＦＣは、約６０％の効率と、約１０００℃までの動作温度とを有する。ＳＯＦＣの出力は、約１００ｋＷであり得る。

高温燃料電池（ＭＣＦＣおよびＳＯＦＣ）は、低温燃料電池（ＡＦＣ、ＰＡＦＣ、およびＰＥＭＦＣ）と比較して、ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０において使用されるものなどの熱発電サイクルとより効率的に統合され得るので、効率において利点を有する。ＳＯＦＣは、燃料から水素を抽出するために改質器が必要とされないような高温（１０００℃）において動作する。結果として、原燃料（天然ガス、石炭など）が、高温燃料電池に直接供給され得る。したがって、高温燃料電池（ＭＣＦＣおよびＳＯＦＣ）は、様々なシナリオにおいて燃料電池１４として使用され得る。しかしながら、高温腐食、電池構成要素の破損、長い起動時間、および低い電力密度など、適用における制限が存在する。さらに、原燃料を処理する上で追加のコストが存在する可能性ある。

水素が原燃料から抽出され、酸素が空気から取得される場合、燃料電池技術は、高い資本コストと余分のエネルギー消費とをもたらす可能性がある複雑なシステム要件のため、動作させるのによりコストがかかり、これは、より低い効率をもたらす可能性がある。例において、空気から酸素を取得するために使用される極低温技術は、効率における１１％の低下をもたらす可能性がある。空気とは対照的に、燃料電池１４に純酸素を供給することの利点は、より高い電力密度と、より低い触媒要件と、より高い効率と、より劣悪な周囲空気の品質からの汚染物質による電池の被毒の可能性がないこととを含む。

現在の燃料電池技術と最新技術とに基づいて、低温燃料電池タイプ（ＡＦＣ、ＰＡＦＣ、およびＰＥＭＦＣ）は、性能、コスト、および触媒などの主要な基準を考慮すると、燃料電池１４としての使用に適している可能性がある。ＡＦＣは、他のタイプの燃料電池によって典型的に使用される触媒（プラチナなど）と比較して、ＡＦＣ電極のための触媒として使用される比較的安価な材料のため、他の燃料電池タイプよりも製造するのにより安価である。ＡＦＣは、周囲温度から動作温度にすばやく到達できるので、すばやい起動能力も有する。例において燃料電池１４は、アルカリ燃料電池を備えることができる。燃料電池１４としての使用に適した燃料電池の例は、参照により本明細書に組み込まれる、「Electric power plant using electrolytic cell-fuel cell combination」と題する、Morrowらの特許文献１に記載されている。

電解槽１６は、水Ｈ２ＯをＨ２およびＯ２に分割するために電気を使用することができる。電解槽１６としての使用に適した電解槽の例は、参照により本明細書に組み込まれる、「Regenerative Fuel Cell System」と題するSprouseの特許文献２に記載されている。冷却器５０は、電解槽１６に入る前に水Ｈ２Ｏを冷却するために使用され得る。たとえば、燃料電池１４は、電解槽１６が動作する温度よりも高い温度において動作することができる。冷却器５０は、たとえば、冷却塔から水を供給され得る熱交換器を備えることができる。

電解槽１６への電気入力は、電源４４によって供給され得る。例において、電源４４は、風力タービン、ソーラーパネル、または水力発電などの再生可能エネルギー源を備えることができる。再生可能エネルギー源は、グリッドシステムを介してハイブリッド複合サイクル発電プラント１０に接続され得るか、またはハイブリッド複合サイクル発電プラント１０もしくは電解槽１６に直接接続された再生可能エネルギー源であり得る。

さらに、貯蔵コンテナ４６および４８は、それぞれ、過剰量のＨ２およびＯ２を貯蔵するために使用され得る。したがって、ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０は、直接電源４４に利用可能であるか、または供給が需要を上回り、ガスタービンエンジン２０が動作していない場合、ガスタービンエンジン２０が動作しているときに燃料電池１４に電力を供給するために使用されるべきＨ２およびＯ２を生成および貯蔵するために利用可能な再生可能電力を使用することができる。たとえば、ガスタービンエンジン２０が動作されるとき、典型的には、複合サイクル発電プラント１８のすべてが動作し、それによって、燃料電池１４および電解槽１６もハイブリッド複合サイクル発電プラント１０とともに動作する。したがって、ガスタービンエンジン２０、燃料電池１４、および電解槽１６は、リンクされたスーパーシステムとして一緒に動作され得る。しかしながら、電解槽１６は、ガスタービンエンジン２０とは独立して動作され得、したがって、ガスタービンエンジン２０が動作していないときに、貯蔵コンテナ４６および４８を満たすために動作することができる。

従来のＧＴＣＣ発電プラントにおいて、排出物捕捉ユニットは、ＣＯ２を捕捉するために、本明細書に記載されているものならびに他のものなどの様々な技術を利用することができる。ＣＯ２捕捉ユニットは、典型的には、複合サイクル発電プラント１８などの化石燃料発電プラントと組み合わせて使用される、１］燃焼前排出物捕捉、２］燃焼関連排出物捕捉、および３］燃焼後排出物捕捉の３つのタイプのＣＯ２捕捉技術のうちの１つまたは複数を備えることができる。

第１の例において、排出物捕捉は、燃焼前に実行され得、ＣＯ２が燃焼前に燃料ガスから捕捉され得るように、燃料（たとえば、石炭、コークス、または重炭化油）が最初にガス化され、ついで、合成ガス（Ｈ２＋ＣＯ）がＣＯをＣＯ２に変換するために水性シフトされる。そのような例において、合成ガスから硫化水素および二酸化炭素などの酸性ガスを分離することができるプロセスにおいて、Ｓｅｌｅｘｏｌが利用され得る。

第２の例において、排出物捕捉は、酸素燃焼を介して実行され得、空気の代わりに純酸素を使用して燃料を燃焼させるプロセスが実行される。このプロセスは、排気ガスＥが主にＣＯ２であり、残りが水分であるように、空気の窒素成分の除去を結果として生じる。したがって、ＣＯ２は、大きな処理を必要とせずに、捕捉される準備ができている。

第３の例において、排出物捕捉は、燃焼後補足を実行され得、ＣＯ２は、燃料の燃焼後に生成された排気ガスＥから捕捉される。例において、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）のような化学プロセスが利用される。

本発明者は、燃焼前捕捉および酸素燃焼は、ＣＯ２を効率的に捕捉する上で利点を有する可能性があるが、燃料ガス化プロセスは、余分の損失（すなわち、より低い効率）につながる可能性があり、酸素燃焼のために空気から酸素を生成することが、かなりの量の補助電力を必要とすることを認識した。したがって、最初の２つの技術（燃料ガス化または酸素燃焼）の使用は、現在の最先端の技術を使用しても、せいぜい無視できる効率の改善しかもたらさない。このように、本発明者は、ＣＯ２の燃焼後捕捉が、ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０で容易に使用され得る実証済みの技術であることを認識した。ＭＥＡユニットにおける溶媒再生などの燃焼後排出物捕捉プロセスを動作させるために利用される熱は、燃料電池１４によって提供され得る。

一例において、排出物捕捉ユニット１２は、ＭＥＡユニットを備えることができる。例示的なＭＥＡユニットは、排気ガス中のＣＯ２が吸収器内のリーン溶媒によって捕捉される前に、最初に（吸収器の圧力損失を克服するために）排気ガスＥを冷却および加圧することができる。吸収器の底からのリッチ溶媒は、ストリッパに入る前に、ポンプで送られ、予熱される。ＣＯ２は、リボイラを介して熱が加えられた状態でストリッパから放出される。例において、熱は、低圧蒸気によって提供され得る。ストリッパの底において収集されたリーン溶媒は、次いで、冷却され、吸収器に送り返される。

例において、ＫＭ－ＣＤＲ Ｐｒｏｃｅｓｓ（商標）が使用され得る。ＣＯ２を含む排気ガスＥは、排気ガス冷却塔において冷却され、次いで、吸収塔内で、排気ガス中のＣＯ２を吸収するアルカリ吸収液に曝露される。高濃度のＣＯ２を含む吸収液は、再生塔に送られ、そこで、ＣＯ２を放出し、吸収液を再生するために、蒸気を用いて加熱される。再生された吸収液は、吸収塔に戻され、そこで再利用される。このプロセスは、排気ガスＥ中に含まれるＣＯ２の９０％よりも多くを回収することができ、場合によっては、ＣＯ２は、９９．９ｖｏｌ％以上の純度を有することができる。

排出物捕捉ユニット１２としての使用に適したＭＥＡの例は、「Use of Sulfur Dioxide for Corrosion Inhibition in Acid Gas Scrubbing Process」と題する、Madden, IIの特許文献３、および「Process for the Recovery of CO2 from Flue Gases」と題する、Pearceらの特許文献４に記載されており、これらの両方は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明者は、Ｈ２燃料は、ガスタービンエンジン２０においてＨ２燃料を燃焼させるのではなく、Ｈ２を燃料電池１４への入力として使用することによって、ガスタービン複合サイクル（ＧＴＣＣ）においてＨ２燃料がより効率的に利用され得ることを認識した。燃焼器２８においてＨ２を燃焼させる代わりに、Ｈ２は、燃料電池１４のための入力として使用され得る。燃料電池１４からの水Ｈ２Ｏおよび電源４４からのエネルギーは、Ｈ２とＯ２とを生成するために電解槽１６への入力として使用され得る。Ｈ２およびＯ２は、発電のための低温燃料電池などの燃料電池１４に供給され得る。廃熱回収からの蒸気などの、燃料電池１４からの熱Ｑは、ＧＴＣＣ２０の燃料ガスＥ中のＣＯ２を捕捉するために、排出物捕捉ユニット１２への入力として使用され得る。

ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０の利点は、ＣＯ２捕捉なしで動作する従来のＧＴＣＣと、ＣＯ２捕捉ありで動作する従来のＧＴＣＣとの比較において見られ得る。３つのケースは、ソフトウェアを使用してモデル化され得る。ケース１は、図１のハイブリッド複合サイクル発電プラント１０の新しい概念を備えることができる。ケース２は、ＣＯ２捕捉なしのＨ２燃料ＧＴＣＣの動作を備えることができる。ケース３は、ＣＯ２捕捉ありのＨ２燃料ＧＴＣＣの動作を備えることができる。

ケース１、２、および３に関するＧＴＣＣ発電プラントを動作させるためのパラメータの例がモデル化され、燃料電池の熱収支が、効率および損失の仮定に基づいて計算された。ケース２およびケース３について、ＧＴへの燃料は、３０％のＨ２ （天然ガスとの組合せにおけるｖｏｌ％）を含むものとしてモデル化された。ケース１について、ＧＴへの燃料は、１００％の天然ガスを含むものとしてモデル化された。

例示的なモデル化されたＧＴＣＣ発電プラントにおいて、蒸気ボトミングサイクルは、ＨＲＳＧ２２が構成され得る方法と同様に、再加熱を伴う３つの圧力レベル（ＨＰ、ＩＰ、およびＬＰ）を特徴とする典型的な配置のものであった。冷却システムは、機械式通風冷却塔を有する湿式表面復水器を有するものとしてモデル化された。ＧＴＣＣおよびハイブリッド発電プラントの主な想定パラメータを表１において示す。

シミュレーションは、１．０１３ｂａｒ、１５℃の乾球温度、および６０％の相対湿度のＩＳＯ周囲条件に基づいていた。ケース１、２、および３に対するシミュレーションを表２において要約する。

パワートレインは、ガスタービン２０と、排熱回収ボイラ２２と、蒸気タービン２４とを含み、ケース１については、燃料電池１４も含む。ＣＯ２捕捉のためのＭＥＡユニット１２の補助負荷が推定される。ケース１について、ＭＥＡユニット１２によるＬＰ蒸気消費量は、燃料電池の排熱負荷（ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｄｕｔｙ）と一致し、これは、燃料電池１４の容量を決定する。

表２に示すように、（斜体のテキストとともに灰色において）強調表示されたセルは、ハイブリッドシステム１０の性能改善を示す。ケース２（現在の最先端）と比較すると、ケース１は、１８７ＭＷ増加した出力、０．８％ポイント高い効率、および１８１ｔ／ｈの捕捉されたＣＯ２の、はるかによりよい性能を有する。

同様のシステムの別の比較のために、ＭＥＡ排出物捕捉ユニットが性能に大きな影響を与える可能性があるので、混合燃料を燃焼する従来のＧＴＣＣは、ＭＥＡ ＣＯ２捕捉ユニットも含むべきである。ケース１とケース３との間の比較は、２２１ＭＷ増加した出力、４．４％ポイント高い効率、および２８ｔ／ｈのより多くの捕捉されたＣＯ２の、本開示のシステムおよび方法の真の可能性を示す。

本明細書において説明する本開示のシステムおよび方法の利点は、以下に起因する可能性がある。１）（ケース２および３についてはディレートされているのに対して）ケース１におけるＧＴのＴ１ｔは、ディレートされない。すなわち、Ｈ２燃焼を回避することによって、現在の排出量を維持するためにタービン入口温度を低下させる必要がない。２）Ｈ２／Ｏ２燃料電池は、ＧＴＣＣよりも高い効率を有する（７０％対６３％）。３）ＣＯ２捕捉のための蒸気タービンＳＴ（ケース３）からの蒸気抽出は、燃料ガスからの廃熱の利用によって回避される。

ケースをよりよく理解／比較するために、総燃料消費量の内訳を表３に示した。したがって、ケース１について、燃料消費量は、燃焼器における天然ガスと燃料電池におけるＨ２とを含み、ケース２および３は、燃焼器における天然ガスおよびＨ２の燃料消費量を有する。

表３に示すように、ケース１は、ケース２および３よりも多くのＨ２を消費する（４６％対３０％、ｖｏｌ％）。これは、（システムレベルにおいて）ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０の新しい方法でより多くのＨ２燃料が適用され得ることを意味する。表３は、Ｈ２燃料のｗｔ％およびｈｅａｔ％がｖｏｌ％における値とはまったく異なることも示す。

ケース１、２、および３のシミュレーションによって実証されているように、ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０を含む本開示のシステムおよび方法は、表２に提示したように、著しい性能改善をもたらすことができる。したがって、開示された特定のパラメータについて、ハイブリッド発電プラント１０は、２２１ＭＷの出力増加、４．４％のより高い効率、および２８ｔ／ｈ（トン毎時）のより多い捕捉されたＣＯ２などの改善を達成することができる。

図２は、図１に示すように、排出物捕捉ユニット１２と、燃料電池１４と、電解槽１６とを組み込んだハイブリッド複合サイクル発電プラント１０を動作させるための方法１００のステップを示す線図である。方法１００は、それに加えて、ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０と同様にまたは異なるように構成された他の複合サイクル発電プラントの動作を代表するものであり得る。方法１００は、起動および停止、保守、または部分的な動作のために必要に応じて、同時に、または様々な順序において順次に動作することができる４つの主要なプロセス１０２、１０４、１０６、および１０８を含むことができる。

ステップ１０２において、ガスタービンエンジン２０が動作され得る。空気Ａおよび燃料Ｆが、燃焼され、排気ガスＥを生成するために燃焼器２８に供給され得る。単一のガスタービンエンジンが図１において示されているが、２つ以上のガスタービンエンジン２０が使用され得る。

ステップ１０４において、排出物捕捉ユニット１２が動作され得る。論じたように、排出物捕捉ユニット１２は、燃焼後ＭＥＡユニットを備えることができる。単一の排出物捕捉ユニットが図１において示されているが、２つ以上の排出物捕捉ユニット１２が使用され得る。

ステップ１０６において、燃料電池１４が動作され得る。論じたように、燃料電池１４は、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）などの低温燃料電池を備えることができる。単一の燃料電池が図１において示されているが、２つ以上の燃料電池１４が使用され得る。

ステップ１０８において、電解槽１６が動作され得る。論じたように、電解槽１６は、固体酸化物またはセラミック電解質を使用して水素と酸素とを生成するために水の電気分解を実現するためにアルカリ性電解槽を備えることができる。単一の電解槽が図１において示されているが、２つ以上の電解槽１６が使用され得る。

ステップ１１０において、燃料Ｆがガスタービンエンジン２０に提供され得る。例において、燃料は、１００％天然ガスを含むことができる。例において、燃料は、約５０％から約７０％の天然ガスを含み得、残りは、水素（Ｈ２）を含む。

ステップ１１２において、ガスタービンエンジン２０の動作が、電力グリッドに提供するための電気を生成するために発電機を駆動するために使用され得る回転シャフト動力を生成するために使用され得る。たとえば、発電機３２は、グリッドシステムに電力を提供するように動作され得る。

ステップ１１４において、蒸気タービン３４は、ＨＲＳＧ２２において生成された蒸気を介するなどして動作され得る。ガスタービンエンジン２０からの排気ガスＥは、ＨＲＳＧ２２において水を蒸気に変換するために使用され得る。ＨＲＳＧ２２からの蒸気は、蒸気タービン３４を駆動するために使用され得る。

ステップ１１６において、ガスタービンエンジン２０からの排気ガスＥが、ステップ１０４における排出物捕捉ユニット１２に排気され得る。排気ガスＥは、タービン３０から、蒸気タービン３４のための蒸気を生成するためにＨＲＳＧ２２を通過し、次いで、煙突に入ることができる。排出物捕捉ユニット１２は、排気ガスＥ’が大気中に移されるまえに排気ガスＥ’を受け取るためにスタックに接続され得る。

ステップ１１８において、蒸気タービン３４の動作が、電力グリッドに提供するための電気を生成するために発電機を駆動するために使用され得る回転シャフト動力を生成するために使用され得る。蒸気タービン３４は、発電機３６によって電力を提供されるグリッドシステムに電力を提供することができる。

ステップ１２０において、排気ガスＥが排出物捕捉ユニット１２によって処理され得る。たとえば、ＣＯ２が、本明細書で説明するＭＥＡプロセスを介して排気ガスＥから部分的にまたは完全に除去され得る。他の排出物捕捉技術が使用され得、他のタイプの排出物が捕捉され得る。

ステップ１２２において、ステップ１２０において除去されたＣＯ２が、貯蔵コンテナまたは容器内に貯蔵され得る。したがって、貯蔵されたＣＯ２は、大気中に放出されることなく、適切に処分され得る。追加の例において、ＣＯ２は、冷蔵および冷却サイクルなどの他の処理のために使用され得る。

ステップ１２４において、燃料電池１４の動作が、熱Ｑを生成することができる。例において、燃料電池１４は、流体ループへの熱結合を介して捕捉され得る副生成物の熱を生成することができる。燃料電池１４からの熱Ｑは、排出物捕捉ユニット１２に供給され得る低圧蒸気を生成するために使用され得る。冷却された蒸気は、燃料電池１４で使用するために再び加熱するために、凝縮液Ｃとして燃料電池１４に戻され得る。

ステップ１２６において、燃料電池１４からの熱Ｑが、排出物捕捉ユニット１２に提供され得る。ステップ１２４の加熱された流体は、流体ループを介して排出物捕捉ユニット１２に熱伝導され得る。たとえば、熱Ｑは、蒸気および冷却された蒸気または凝縮液Ｃによって提供され得、ループを完成させるために加熱するために燃料電池１４に戻され得る。

ステップ１２８において、燃料電池１４が、電力Ｐを生成するために動作され得る。電力Ｐは、発電機３２および３６によって電力を提供されているようなグリッドシステムに提供され得る。ハイブリッド複合サイクル発電プラント１０の補助負荷は、発電機３２および３６からの総電力のごく一部を使用することなどによって、内部の電気システムを介して供給される電力によってサポートされ得ることに留意されたい。

ステップ１３０において、燃料電池１４は、水Ｈ２Ｏを生成することができる。水Ｈ２Ｏは、燃料電池１４においてＯ２およびＨ２を電気に変換する際の副生成物として生成され得る。水は、例においては約１５０℃から約２００℃に達する可能性がある燃料電池プロセスの温度またはその近傍であり得る。

ステップ１３２において、燃料電池１４からの水が冷却され得る。たとえば、冷却器５０が、水Ｈ２Ｏが燃料電池１４から電解槽１６に移動する際に水Ｈ２Ｏを冷却することができる。冷却器５０は、冷却塔から冷却水を提供される熱交換器を備えることができる。例において、電解槽１６は、約１００℃未満の温度において動作することができる。

ステップ１３４において、ステップ１３２からの冷却された水が、電解槽１６に提供され得る。電解槽１６は、Ｈ２およびＯ２の燃料電池１４のための構成入力を生成するために、冷却された水を消費することができる。

ステップ１３６において、電源４４などによって、電気が電解槽１６に提供され得る。例において、電源４４は、風力、太陽光、および水力などの１つまたは複数の再生可能エネルギー源を備えることができる。

ステップ１３８において、電解槽１６が、Ｈ２およびＯ２などの燃料電池１４のための構成要素を生成するために動作され得る。

ステップ１４０において、電解槽１６を用いて生成される構成要素が、燃料電池１４に提供され得る。このように、方法１００は、排出物捕捉ユニット１２に熱入力を提供するために、Ｈ２とＯ２とを生成および消費するために連続的に動作され得る。電解槽１６は、ガスタービン２０、燃料電池１４、排出物捕捉ユニット１２、および蒸気タービン２４から独立して動作し、Ｈ２および／またはＯ２をコンテナ４６、４８に提供することができる。これは、再生可能電力の供給が多く、電気需要が少ない時間の間、特に有利である。すなわち、コンテナ４６、４８は、再生可能エネルギーの供給が電気需要を超えたときにＨ２および／またはＯ２を貯蔵し、次いで、電気需要が高いときに燃料電池１４を介して電力を生成する（および排出物捕捉ユニット１２に熱を提供する）ことができる。

本開示のシステムおよび方法は、以下の例において説明するように、燃料電池と、電解槽と、排出物捕捉技術とを組み合わせることによって、多くの利益を達成することができる。燃料電池は、従来のＧＴＣＣ発電プラントと比較して、Ｈ２燃料をより効率的に利用することができる。Ｈ２の燃焼に対応するために燃焼器をディレートすることなどによって既存のガスタービンエンジンを変更する労力およびコストは、回避され得る。燃料電池からの通常は浪費される熱は、回収され、たとえば、ＣＯ２捕捉ユニットへの入力として、ＣＯ２捕捉のために有効に利用され得る。燃料電池において生成された水は、水の使用量を最小限に抑えるために、電解槽にリサイクルされ得る。電解槽は、燃料電池で使用するＯ２を生成することができ、これは、空気からＯ２を取得するために典型的に使用されるものよりも効率的で、コストが低く、耐久性のある機器を利用する。低温燃料電池は、速い起動能力を有し、これは、電解槽に電力を供給するために断続的な再生可能電気を用いる使用に適している。さらに、ＣＯ２排出量の削減は、多くの政府および民間の脱炭素化の取り組みと一致する。燃料電池の規模の経済性は、ハイブリッド発電プラント１０での使用に適した大規模燃料電池を可能にすることなどによって、ハイブリッド発電プラント１０のコストをさらに低減させることができる。

様々な注意事項および例
上記で詳述した説明は、詳細な説明の一部を形成する添付図面への参照を含む。図面は、例示として、本発明が実施され得る特定の実施形態を示す。これらの実施形態は、本明細書では、「例」とも呼ばれる。そのような例は、図示または説明したものに加えて要素を含むことができる。しかしながら、本発明者は、図示または説明したそれらの要素のみが提供される例も企図している。さらに、本発明者は、特定の例（またはその１つもしくは複数の態様）に関して、または本明細書で図示もしくは説明した他の例（またはその１つもしくは複数の態様）に関して、図示または説明したそれらの要素（またはその１つもしくは複数の態様）の任意の組合せまたは順列を使用する例も企図している。

この文書と、参照により組み込まれる文書との間に矛盾している使用法がある場合、この文書における使用法が支配する。

この文書において、「ａ」または「ａｎ」という用語は、特許文書において一般的であるように、「少なくとも１つ」または「１つまたは複数」の任意の他のインスタンスまたは使用とは無関係に、１つまたは２つ以上を含むように使用される。この文書において、「または」という用語は、特に明記していない限り、非排他的を指すように、または「ＡまたはＢ」が「ＡだがＢではない」と、「ＢだがＡではない」と、「ＡおよびＢ」とを含むように使用される。この文書において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「その中で（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」というそれぞれの用語の平易な英語の同義語として使用される。また、以下の特許請求の範囲において、「含む」および「備える」という用語は、制限がなく、すなわち、請求項におけるそのような用語の後にリストされたものに加えて要素を含むシステム、デバイス、物品、組成物、処方（ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ）、またはプロセスが、依然としてその請求項の範囲内に入るとみなされる。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１の」、「第２の」、「第３の」などの用語は、単にラベルとして使用され、それらの対象に対して数値的な要件を課すことを意図するものではない。
上記の説明は、例示であり、限定ではないことを意図している。たとえば、上記で説明した例（またはその１つもしくは複数の態様）は、互いに組み合わせて使用され得る。上記の説明を検討する際の当業者などによって、他の実施形態が使用され得る。要約は、読者が技術的開示の性質を迅速に確認することを可能にするために、３７ Ｃ．Ｆ．Ｒ． §１．７２（ｂ）に準拠するように提供されている。この要約は、特許請求の範囲の範囲または意味を解釈または制限するためには使用されないという理解のもとに提出されている。また、上記の詳細な説明において、本開示を効率化するために、様々な特徴が一緒にグループ化されている場合がある。これは、特許請求されていない開示された特徴が任意の請求項に不可欠であることを意図していると解釈されるべきではない。むしろ、発明の主題は、特定の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ない特徴にある場合がある。したがって、以下の特許請求の範囲は、これによって、例または実施形態として詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、別個の実施形態としてそれ自体で成り立ち、そのような実施形態は、様々な組合せまたは順列において互いに組み合わされ得ることが企図されている。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照し、そのような特許請求の範囲が権利を与えられている均等物の全範囲とともに決定されるべきである。

１０ ハイブリッド複合サイクル発電プラント、ハイブリッドシステム、ハイブリッド発電プラント
１２ 排出物捕捉ユニット、ＭＥＡユニット
１４ 燃料電池
１６ 電解槽
１８ 複合サイクル発電プラント
２０ ガスタービンエンジン、ガスタービン
２２ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）、ＨＲＳＧ、排熱回収ボイラ
２４ 蒸気システム、蒸気タービン
２６ 圧縮機
２８ 燃焼器
３０ タービン
３２ 発電機
３４ 蒸気タービン
３６ 発電機
３８ 貯蔵ユニット
４０ 圧縮機
４２ 圧縮機
４４ 電源
４６ コンテナ、貯蔵コンテナ
４８ コンテナ、貯蔵コンテナ
５０ 冷却器

Claims (20)

1. 複合サイクル発電プラントであって、
   電気を生成するための回転シャフト動力を生成するために使用され得る排気ガスを生成するために燃料を燃焼させるように構成されたガスタービンエンジンと、
   追加の電気を生成するための蒸気タービンを回転させるために前記排気ガスを用いて蒸気を生成するように構成された蒸気システムと
   を備える複合サイクル発電プラントと、
   汚染物質を除去するために前記排気ガスを受け取るように構成された排出物捕捉ユニットと、
   構成要素の反応プロセスを介して電気を生成し、前記排出物捕捉ユニットを動作させるために副生成物の熱を提供するように構成された燃料電池と、
   前記燃料電池のための前記構成要素のうちの少なくとも１つを生成するように構成された電解槽と
   を備える発電設備。
2. 前記燃料が５０％～７０％の天然ガスである、請求項１に記載の発電設備。
3. 前記燃料が１００％天然ガスである、請求項１に記載の発電設備。
4. 前記排出物捕捉ユニットが、前記排気ガスからＣＯ２を除去するＣＯ２捕捉システムを備える、請求項１に記載の発電設備。
5. 前記ＣＯ２捕捉システムが、モノエタノールアミンガス処理システムを備える、請求項４に記載の発電設備。
6. 前記燃料電池が、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）およびリン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）のうちの少なくとも１つを含むグループから選択された低温燃料電池を備える、請求項１に記載の発電設備。
7. 前記燃料電池が、副生成物として水を生成し、前記電解槽が、前記水から前記構成要素のうちの少なくとも１つとしてＨ２ガスを生成するように構成された、請求項１に記載の発電設備。
8. 前記電解槽によって生成されたＨ２を貯蔵する貯蔵システムをさらに備える、請求項７に記載の発電設備。
9. 前記燃料電池と前記電解槽との間に配置され、前記電解槽に入る前に前記水を冷却する冷却器をさらに備える、請求項７に記載の発電設備。
10. 前記電解槽から前記燃料電池に提供されるべき前記構成要素のうちの少なくとも１つを加圧するための圧縮機をさらに備える、請求項１に記載の発電設備。
11. 前記燃料電池からの前記副生成物の熱を、伝熱媒体を介して前記排出物捕捉ユニットに伝達するように構成された熱交換器をさらに備える、請求項１に記載の発電設備。
12. 複合サイクル発電プラントからの排出物を除去する方法であって、前記方法が、
    ハイブリッド発電プラントを提供するステップであって、前記ハイブリッド発電プラントが、
    電気入力を使用して水入力から電解槽を用いて水素ガスと酸素ガスとを生成し、
    前記電解槽の少なくとも前記水素ガスから燃料電池を用いて電気と熱とを生成し、
    前記燃料電池からの前記熱の少なくとも一部を、前記複合サイクル発電プラントのガスタービンエンジンからの排気ガスを受け取るように構成された排出物捕捉ユニットに伝達する
    ように構成された、ステップ
    を含む、方法。
13. 前記排出物捕捉ユニットによって捕捉されたＣＯ２排出物を貯蔵または処理するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記燃料電池によって生成された前記熱を前記排出物捕捉ユニットに伝達するために、前記排出物捕捉ユニットと前記燃料電池との間で伝熱媒体を循環させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記燃料電池から前記電解槽に前記水入力を提供するステップと、
    前記燃料電池から入力された前記水を、前記電解槽において使用される前に冷却するステップと
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 排気ガス生成発電プラント用の発電廃棄物捕捉システムであって、前記システムが、
    水入力から水素ガスと酸素ガスとを生成するための電解槽と、
    前記電解槽の前記水素ガスから電気と熱とを生成するための燃料電池と、
    排気ガスからの排出物を捕捉するための排出物捕捉ユニットであって、前記排出物捕捉ユニットが前記燃料電池からの前記熱を使用するように構成された、排出物捕捉ユニットと
    を備える、発電廃棄物捕捉システム。
17. 前記燃料電池が、アルカリ燃料電池とリン酸燃料電池とを備える、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記水入力が前記燃料電池によって生成され、前記水入力が前記電解槽に提供される前に前記燃料電池からの前記水入力を冷却するための冷却器をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記燃料電池に熱結合された第１の熱交換器と、
    前記排出物捕捉ユニットに熱結合された第２の熱交換器と、
    前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間を循環するための冷却媒体と
    をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記電解槽によって生成された水素を貯蔵するための水素貯蔵タンクをさらに備える、請求項１６に記載のシステム。

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