KR101717866B1 - 태양 복사를 활용하는 신가스 생산 셀을 통해 탄화수소 연료로 이산화탄소 전환 - Google Patents

태양 복사를 활용하는 신가스 생산 셀을 통해 탄화수소 연료로 이산화탄소 전환 Download PDF

Info

Publication number
KR101717866B1
KR101717866B1 KR1020157021048A KR20157021048A KR101717866B1 KR 101717866 B1 KR101717866 B1 KR 101717866B1 KR 1020157021048 A KR1020157021048 A KR 1020157021048A KR 20157021048 A KR20157021048 A KR 20157021048A KR 101717866 B1 KR101717866 B1 KR 101717866B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
carbon dioxide
stream
solid oxide
fresh gas
Prior art date
Application number
KR1020157021048A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150103268A (ko
Inventor
아흐마드 디. 하마드
자키 유서프
스타마티오스 소우엔티
나이프 에이. 알-라쉬디
밴다 에이. 파델
아테프 사이드 알-자라니
Original Assignee
사우디 아라비안 오일 컴퍼니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 filed Critical 사우디 아라비안 오일 컴퍼니
Publication of KR20150103268A publication Critical patent/KR20150103268A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101717866B1 publication Critical patent/KR101717866B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C1/00—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon
    • C07C1/02—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon
    • C07C1/04—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon from carbon monoxide with hydrogen
    • C07C1/0455—Reaction conditions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon
    • C10G2/30—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen
    • C10G2/32—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen with the use of catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon
    • C10G2/30—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen
    • C10G2/32—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen with the use of catalysts
    • C10G2/34—Apparatus, reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/04—Liquid carbonaceous fuels essentially based on blends of hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/061—Metal or alloy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
    • F03G6/067—Binary cycle plants where the fluid from the solar collector heats the working fluid via a heat exchanger
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0238—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a carbon dioxide reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/061—Methanol production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/062—Hydrocarbon production, e.g. Fischer-Tropsch process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C01B2203/067—Integration with other chemical processes with fuel cells the reforming process taking place in the fuel cell
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/38—Applying an electric field or inclusion of electrodes in the apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/42—Fischer-Tropsch steps
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/20—Solar thermal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry

Abstract

열에너지 및 전력을 생성하기 위해 태양열 발전시스템을 활용한 태양 에너지를 사용하고, 상기 열에너지를 사용하여 연료 피드 스트림를 가열하며, 상기 가열된 연료 피드 스트림은 이산화탄소 및 물을 포함하고, 상기 이산화탄소는 연도 가스 스트림으로부터 포획되며, 일산화탄소 및 수소를 생성하기 위해, 고체 산화물 전해질을 포함하는 신가스 생산 셀에서 상기 이산화탄소 및 물을 전환시키고, 및 촉매 반응기에서 상기 일산화탄소 및 수소를 탄화수소 연료로 전환시키는, 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환시키는 공정. 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 연료 전지이다. 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 전해조 셀이다.

Description

태양 복사를 활용하는 신가스 생산 셀을 통해 탄화수소 연료로 이산화탄소 전환 {Carbon Dioxide Conversion to Hydrocarbon Fuel via Syngas Production Cell Harnessed from Solar Radiation}
본 발명은 폐가스 (waste gas)의 포획 및 상기 폐가스를 탄화수소 연료로 전환을 위한 공정 및 시스템에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 이산화탄소 (CO2) 및 수증기 (H2O)를 포획하는 단계 및 뒤이어 태양 에너지를 활용하여 CO2 및 H2O을 탄화수소 연료로 전환시키는 단계를 위한 공정 및 시스템에 관한 것이다.
발전을 위한 화석 연료의 사용은 문제가 증가하고 있다. 먼저, 석유 소비는 전 세계의 석유 보유량이 감소됨에도 증가하고 있다. 예를 들어, 발전에 기인한 사우디아라비아의 가정용 석유 소비는, 수출가능한 양의 감소를 의미하는, 2028년까지 8 백만 배럴/day로 예상된다. 둘째, 대기 청정도 (air quality)에 대한 걱정은 탄소 배출의 감소를 목표로 한 탄소 세금 (carbon tax)과 같은 엄격한 규제를 결과할 수 있다.
사우디 아라비아의 풍부한 양의 태양 복사 에너지 (solar radiation energy)를 고려해보면, 태양열 저장 (solar storage)과 연결된 태양력 포획 (solar power capture)은 두 쟁점을 해결하기 위한 기회를 제시한다. 종래의 태양열 저장 및 포획 시스템은 광전지 (photovoltaics) 및 태양열 시스템을 포함한다.
광전지는, 실리콘 또는 유기 태양 재료 (solar materials)와 같은, 어떤 물질의 광전지 효과에 기인하여 태양 에너지를 전류로 전환시킨다. 광전지는 자본 집약적이지만, 소규모 전력 발생, 예를 들어, 가정, 야외 전등, 고속도로 표시판 용으로 우수하다. 대형 시스템에 대하여, 전기 시설망 (electricity grid), 태양열 시스템, 또는 집중 태양력 (CSP) 시스템에 기여하는 것과 같은 것들은 바람직하다. 현존하는 CSP 시스템은, 예를 들어, 선형 프레넬 반사경 시스템 (linear Fresnel reflector system), 트로프 시스템 (trough system), 디쉬 시스템 (dish system), 및 타워 시스템을 포함한다.
CSP 시스템은 헬리오스탯 (heliostats)을 사용하여 태양 복사 에너지를 열에너지로 전환시킨다. 헬리오스탯는, 통상적으로 평평한, 거울이고, 이들은 일광 시간 동안 태양의 이동 트랙에 따라 축으로 이동하도록 설치된다. 헬리오스탯은, 태양 복사로부터의 열에너지를 사용하여 작동 유체 (working fluid)를 가열하는, 리시버 (receiver) 상에 태양 복사 (태양광)를 집중시킨다. 물 (H2O) 또는 용융염과 같은, 상기 작동 유체인, 열매체유 (heat transfer fluid)는 상기 헬리오스탯/리시버 시스템을 떠나고, 여기서 이것은 H2O와 열을 교환하여 스팀을 발생시킨다. H2O가 작동 유체인 경우, 상기 스팀은 가열된 작동 유체로부터 직접 발생된다. 상기 스팀은, 전력을 생산하기 위한 발전기를 구동시키는, 증기 터빈을 실행시킨다.
모든 CSPs는 동일한 기본 원리 하에서 작동하고, 차이점은 헬리오스탯의 형상 및 레이아웃 (layout) 및 리시버에 대한 헬리오스탯의 공간 관계에 놓인다. 예를 들어, 선형 프레넬 반사경 시스템에서, 상기 헬리오스탯은 거울의 긴 평평한 트랙이다. 상기 리시버는 거울 상에 공간에 고정된 튜브 (tube)이다. 트로프 시스템은 포물선 거울들 및 다수의 반사경을 요구하는, 반사경의 촛점선 (focal line)에 따라 위치된 튜브를 사용한다. 디쉬 시스템 CSP는 또한 포물선 형상 반사경을 사용하고; 거울에서 피복된 대형 포물선 디쉬는 거울의 촛점선을 따라 디쉬에 설치된 리시버에 태양광을 향하게 한다. 디쉬 시스템 CSP는 다른 CSP 시스템과 비교하여 상대적으로 적은 전력을 생산한다. 타워 시스템 CSP는 통상적으로 직선으로 배열된 다수의 헬리오스탯을 사용한다. 상기 리시버는 톨 타워 (tall tower)의 상부에 자리하고, 상기 헬리오스탯은 상기 리시버 상으로 태양 에너지를 집중시킨다. 타워 CSP는 200메가와트의 전력까지 생산할 수 있다.
많은 량의 전력을 발생시키기 위한 능력에 부가하여, 광전지를 넘는 태양열 시스템의 또 다른 장점은 작동 유체 내의 열에너지를 저장하는 능력이다. 상기 작동 유체는 열에너지가 발전을 위해 요구될 때까지 탱크에 저장될 수 있다. 따라서, 밤 또는 폭풍 기후에서와 같은, 직사 태양광이 없는 경우에도 발전을 허용한다. 여전히, 작동 유체의 저장은 저장을 위해 요구된 탱크의 크기 및 궁극적인 열 손실에 기인하여, 장기간 해결책은 아니다. 따라서, 연료로 태양 열에너지의 전환은 매력적인 대안이다.
대기로 CO2의 방출은 점점 공격을 받고 있다. 탄소 포획 기술은 폐가스로부터 CO2를 제거 및 저장하기 위한 방식으로 분석된다. 탄소 포획 기술은 포획 기술이 후-연소 (post-combustion), 전-연소, 또는 산소연료 (oxyfuel) 연소인지에 따라 광범위하게 분류된다. 후-연소 기술은 통상적으로, 폐가스 스트림으로부터 CO2를 흡수하는 용매를 사용하고, 그 다음 상기 용매 스트림으로부터 흡수된 CO2를 제거하기 위해 열을 사용하는, 용매 포획 시스템을 포함한다. 최종 스트림은 CO2의 거의 순수 스트림이다. 후-연소 기술은 일반적으로 화석 연료 화력 발전으로 사용된다. 다른 후-연소 기술은, 예를 들어, 칼슘 루핑 사이클 (calcium looping cycle) 또는 화학적 루핑 연소 (chemical looping combustion)를 포함한다.
현재 저장 (또는 격리 (sequestration)) 계획은 가장 일반적으로 지질학적 격리를 포함하고, 여기서 상기 탄소는 지하 형성물 (underground formations)에 저장된다. 고갈된 유전, 채굴할 수 없는 석탄 퇴적, 및 염분 형성 (saline formations)은 CO2의 저장을 위해 적절한 형성을 자연스럽게 발생시키는 것을 제공한다. 그러나, 이들 형성은, 예를 들어, 이들의 위치, 땅으로 CO2를 주입하기 위한 비용, 및 언젠가 나중 시점에서 형성의 누수에 대한 근심을 포함하는 방해로부터 고통받는다.
CO2의 격리에 대한 대안은 다른 유용한 성분으로 CO2를 전환하는 것이다. 전환을 달성하기 위한 하나의 방법은 전력을 발생하는 추가 이득으로 CO2를 전환시키기 위해 연료 전지 (fuel cell)를 사용하는 것이다. 연료 전지는 세가지 섹션: 애노드 (anode), 캐소드 (cathode), 및 전해질을 함유한다. 레독스 반응 (Redox reactions)은 애노드 및 캐소드에서 발생한다. 다수의 경우에 있어서, 전체적인 효과는 H2O를 수소 (H2) 및 산소 (O2)로 전환하는 것이다.
연료 전지는 이들의 전해질에 의해 분류된다. 연료 전지의 하나의 분류는 고체 산화물 전해질 (solid oxide electrolyte)을 사용한다. 고체 산화물 연료 전지 (Solid oxide fuel cells)는 캐소드 측에서 산소를 환원시키고, 전류는 음으로 전하되고 전도성이 있도록 캐소드에 적용된다. 상기 산소 이온은 산화반응이 애노드 측에서 발생하도록 상기 캐소드, 상기 고체 산화물 전해질, 및 상기 애노드를 통해 확산한다. 상기 산화 반응은 전력 공급 (supply)을 발생시키기 위해 애노드를 통해 운반될 수 있는 전자를 발생시킨다. 고체 산화물 연료 전지의 애노드, 캐소드, 및 고체 산화물 전해질은 세라믹 물질로 구성되고, 상기 세라믹 물질의 적절한 기능을 보장하기 위해 500℃ 이상의 온도에서 작동된다. 상기 세라믹 물질은 다공성일 수 있다. 다공성 (Porosity)은 전극에서 전해질로 산소 이온의 통로를 위해 요구되지 않는다. 상기 애노드의 다공성은 전해질/전극/가스 계면 영역 (3 상 (phase)의 경계)에 영향을 미치고, 따라서 산소 이온 형성 속도에 영향을 미친다. 상기 다공성은 또한 가스상으로부터 3 상 경계로 분자 산소의 확산을 향상시킨다. 고체 산화물 연료 전지는 고효율을 갖는 것으로 나타났다.
"재생" 모드에서 실행된 고체 산화물 연료 전지는 종종 고체 산화물 전기분해 전지 (solid oxide electrolysis cells)로 불린다. 고체 산화물 전기분해 전지는 캐소드 측에 환원 공정에 의해 성분을 전기분해시키고, 따라서, 상기 전지의 애노드 측에 산소 분자를 형성하기 위해 캐소드, 고체 산화물 전해질, 및 애노드를 통해 확산하는, 산소 이온을 포획한다. H2O의 전기분해는 흡열성이고, 따라서 고체 산화물 전기분해 전지의 높은 작동 온도는 전기분해 반응을 열역학적으로 유리하게 한다. 부가적으로, 고온은 반응의 동역학을 증가시킨다. 고온 전기분해는 높은 전환 효율의 장점을 갖고, CO2의 90% 이상 전환은 약간의 추정에 따라 예상된다.
본 발명은 폐가스의 포획 및 상기 폐가스를 탄화수소 연료로의 전환을 위한 공정 및 시스템에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 이산화탄소 (CO2) 및 수증기 (H2O)을 포획하는 단계 및 뒤이어 태양 에너지를 활용하여 상기 CO2 및 H2O를 탄화수소 연료로 전환시키는 단계를 위한 공정 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 관점에 있어서, 태양 에너지를 사용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하기 위한 공정은 제공된다. 상기 공정은 다수의 헬리오스탯으로 직사 태양광을 수신하는 단계 및 상기 헬리오스탯으로부터의 직사 태양광을 반사 태양광으로써 타워형 리시버 (tower receiver)상으로 반사시키는 단계로, 여기서 상기 반사 태양광은 상기 타워형 리시버 내의 열매체유를 가열하는, 반사 단계; 증기 발생기에서 물 스트림을 발생된 증기 스트림으로 전환시키는 단계로, 여기서 상기 열매체유는 상기 증기 발생기에 열을 제공하는, 전환 단계를 포함한다. 상기 발생된 증기 스트림은 증기 터빈에 주입되고, 상기 증기 터빈은 발생된 증기 스트림에서의 열에너지를 발전기를 구동시키기 위한 기계 에너지로 전환시켜 전력을 발생시킨다. 상기 공정은 상기 열매체유로부터의 열에너지를 전달하여 연료 피드 스트림 (fuel feed stream)을 가열하여 가열된 연료 피드 스트림을 생성시키는 가열 단계로, 여기서 상기 가열된 연료 피드 스트림은 650℃ 및 800℃ 사이의 온도에 도달하는, 가열 단계; 상기 가열된 연료 피드 스트림을 신가스 생산 셀 (syngas production cell)로 주입하는 단계로, 여기서 상기 가열된 연료 피드 스트림은 이산화탄소 및 물을 포함하며, 여기서 상기 이산화탄소는 연도 가스 스트림 (flue gas stream)으로부터 포획되는, 주입 단계; 상기 가열된 연료 피드 스트림에서 이산화탄소 및 물을 상기 신가스 생산 셀에서 일산화탄소 및 수소로 전환시켜 신가스 스트림을 생산하는 전환 단계로, 여기서 상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 전해질을 포함하는, 전환 단계; 상기 신가스 스트림을 촉매 반응기로 주입하는 단계로, 여기서 상기 촉매 반응기는 촉매 존재하에서 작동하는, 주입 단계; 및 상기 촉매 반응기에서 신가스 스트림을 탄화수소 연료로 전환하는 단계를 더욱 포함한다.
본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 전해조 셀 (electrolyzer cell)을 포함하고, 여기서 상기 고체 산화물 전해조 셀은 다공성 캐소드, 고체 산화물 전해질, 및 다공성 애노드를 포함한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 가열된 연료 피드 스트림에서 이산화탄소 및 물을 상기 신가스 생산 셀에서 일산화탄소 및 수소로 전환시키는 단계는 고체 산화물 전해조 셀의 다공성 캐소드에 전력을 공급시키는 단계, 상기 다공성 캐소드와 연료 피드 스트림을 접촉시키는 단계, 상기 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소 및 산소 이온을 생성하고, 여기서 상기 산소 이온은 다공성 캐소드를 통해 고체 산화물 전해질로 통과하는, 환원 단계, 물을 환원시켜 수소 및 산소을 생성시키고, 여기서 상기 산소 이온은 다공성 캐소드를 통해 고체 산화물 전해질로 통과하는, 환원 단계, 상기 산소 이온을 고체 산화물 전해질을 통해 다공성 애노드로 확산시키는 단계, 및 산소 분자가 형성되어 산소 스트림을 생성하도록, 다공성 애노드에서 산소 이온으로부터 전자를 방출시키는 단계를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 여기서 상기 고체 산화물 연료 전지는 다공성 애노드, 고체 산화물 전해질, 및 다공성 캐소드를 포함한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 가열된 연료 피드 스트림에서 이산화탄소 및 물이 합성 가스 생산 셀에서 일산화탄소 및 수소로 전환시키는 단계는, 상기 가열된 연료 피드 스트림에 기체 탄화수소를 첨가하는 단계; 상기 가열된 연료 피드 스트림을 상기 고체 산화물 연료 전지의 다공성 애노드로 주입하는 단계; 상기 가열된 연료 피드 스트림에서 물 및 기체 탄화수소를 개질시켜 일산화탄소 및 수소를 생성하는 개질 단계; 상기 가열된 연료 피드 스트림에서 이산화탄소 및 기체 탄화수소를 개질시켜 일산화탄소 및 수소를 생성하는 개질 단계; 상기 고체 산화물 연료 전지의 다공성 캐소드 상에 산소 공급 (supply)으로부터 산소를 환원시켜 산소 이온을 발생시키는 환원 단계; 상기 산소 이온을 상기 고체 산화물 전해질을 통해 상기 다공성 애노드로 확산시키는 단계; 상기 다공성 애노드에서 수소를 상기 산소 이온으로 산화시켜 물 및 전자를 생성하는 산화 단계; 상기 다공성 애노드에서 메탄을 상기 산소 이온으로 산화시켜 일산화탄소, 수소, 및 전자를 생성하는 산화 단계; 및 상기 전자를 변전소 (electrical substation)로 공급하는 단계로, 여기서 상기 변전소는 상기 신가스 생산 셀로부터의 전자와 상기 발전기에서 발생된 전력을 결합시키도록 구성되는, 공급 단계를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 기체 탄화수소는 메탄을 포함한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 공정은 탄화수소 연료를 소비용 발전 장치 (power plant)로 주입하는 단계를 더욱 포함한다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 태양 에너지를 사용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하기 위한 시스템은 제공된다. 상기 시스템은 태양 에너지를 열에너지 및 전력으로 전환하도록 구성되고, 신가스 생산 셀과 열적으로 연통된 태양열 발전시스템 (solar thermal power system)으로, 여기서 상기 신가스 생산 셀은 상기 태양열 발전시스템으로부터 열에너지를 수신하도록 구성되는, 태양열 발전시스템; 상기 신가스 생산 셀은 연료 피드 스트림을 수신하도록 구성된 연료 주입구 및 신가스 스트림을 수신하도록 구성된 연료 배출구를 포함하는 연료부 (fuel side), 및 산소 스트림을 수신하도록 구성된 산소 배출구를 포함하는 산소부 (oxygen side)를 포함하며, 여기서 상기 연료 피드 스트림은 이산화탄소 및 물을 포함하고, 여기서 상기 신가스 생산 셀은 상기 이산화탄소 및 물을 일산화탄소 및 수소로 전환하도록 구성되며, 상기 일산화탄소 및 수소는 신가스 스트림을 형성하기 위해 작동하고; 및 상기 신가스 생산 셀의 연료부에 유동적으로 연결되고, 상기 신가스 생산 셀의 연료부으로부터의 신가스 스트림을 탄화수소 연료 스트림으로 전환하도록 구성되며, 촉매 및 분배기 (distributor)를 포함하는 반응기 베드 (reactor bed)를 포함하는 촉매 반응기를 포함하며, 여기서 상기 촉매 반응기는 250℃ 내지 650℃에서 작동하도록 구성된다.
본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 전해조 셀을 포함한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 고체 산화물 전해조 셀은, 상기 신가스 생산 셀의 연료부과 유체 연통하는 다공성 캐소드와, 상기 다공성 캐소드는, 일산화탄소, 수소, 및 산소 이온이 생산되도록, 전자를 연료 피드 스트림으로 전달하도록 구성된 다공성 캐소드의 연료부, 및 상기 산소 이온을 고체 산화물 전해질로 방출하도록 구성된 전해질부 (electrolyte side)를 가지며, 여기서 상기 다공성 캐소드는 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되고; 상기 신가스 생산 셀의 산소부과 유체 연통하는 다공성 애노드와, 상기 다공성 애노드는 상기 고체 산화물 전해질로부터의 산소 이온을 수신하도록 구성된 전해질부, 및 산소 스트림을 형성하기 위해 산소 이온을 산소 분자로 전환하도록 구성된 배출구부 (outlet side)를 포함하며, 여기서 상기 다공성 애노드는 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되고; 상기 다공성 캐소드 및 상기 다공성 애노드 사이에 놓인 상기 고체 산화물 전해질과, 상기 고체 산화물 전해질은 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되며; 및 전자 공급 (electron supply)을 포함하며, 여기서 상기 태양열 발전시스템으로부터의 전력은 상기 전자 공급을 상기 다공성 캐소드로 제공하고, 상기 다공성 애노드로부터의 전자를 받아드린다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 다공성 애노드 및 다공성 캐소드는 니켈/이트리아-안정화 지르코니아 (Ni-YSZ), 란탄 스트론튬 망간 옥사이드-YSZ (LSM-YSZ), 및 페로브스카이트의 세라믹 산화물 (ceramic oxide of perovskite)로 이루어진 군으로부터 선택된다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 고체 산화물 전해질은 이트리아-안정화 지르코티아를 함유한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 상기 연료 피드 스트림은 기체 탄화수소를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 기체 탄화수소는 메탄을 포함한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료 전지는, 상기 신가스 생산 셀의 연료부과 유체 연통하는 다공성 애노드와, 상기 다공성 애노드는, 메탄이 일산화탄소, 수소, 및 전자를 형성하기 위해 산화 반응을 수행하는, 전자를 받아드리도록 구성된 상기 다공성 애노드의 연료부, 및 고체 산화물 전해질로부터 산소 이온을 받아드리도록 구성된 전해질부를 포함하고, 여기서 상기 다공성 애노드는 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되며, 여기서 상기 메탄 및 물은 일산화탄소 및 수소를 발생시키기 위해 상기 다공성 애노드의 연료부의 존재하에서 반응하고, 및 여기서 상기 메탄 및 이산화탄소는 일산화탄소 및 수소를 발생시키기 위해 상기 다공성 애노드의 연료부의 존재하에서 반응하며, 상기 신가스 생산 셀의 산소부과 유체 연통하는 다공성 캐소드와, 상기 다공성 캐소드는 산소를 산소 이온으로 전환하도록 구성된 배출구부 및 산소 이온을 고체 산화물 전해질로 방출하도록 구성된 전해질부를 포함하고, 여기서 상기 다공성 캐소드는 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되며; 및 상기 다공성 캐소드 및 상기 다공성 애노드 사이에 놓인 상기 고체 산화물 전해질을 포함하며, 여기서 상기 고체 산화물 전해질은 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성된다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 신가스 생산 셀의 연료부에서 수소는 물 및 전자를 형성하기 위한 산화 반응을 수행한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 다공성 캐소드 및 다공성 애노드는 니켈/이트리아-안정화 지르코니아 (Ni-YSZ), 란탄 스트론튬 망간 옥사이드-YSZ (LSM-YSZ), 및 페로브스카이트의 세라믹 산화물을 함유하는 군으로부터 선택된다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 고체 산화물 전해질은 이트리아-안정화 지르코니아를 함유한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 태양열 발전시스템은, 태양 발전시스템을 집중하는 타워를 포함하고, 상기 태양 발전시스템을 집중하는 타워는 열매체유를 가열하도록 구성된 타워형 리시버, 상기 타워형 리시버에 근접한 다수의 헬리오스탯, 여기서 상기 헬리오스탯은 직사 태양광을 수신하고, 상기 헬리오스탯으로부터의 직사 태양광을 반사 태양광으로 상기 타워형 리시버로 반사하도록 구성되며, 상기 타워형 리시버에 유동적으로 연결되고, 상기 열매체유를 저장하도록 구성된 고온 저장 탱크, 상기 고온 저장 탱크에 유동적으로 연결되고, 상기 열매체유로부터의 열을 물 스트림으로 전달하도록 구성되어 발생된 증기 스트림을 생성하는 증기 발생기, 상기 증기 발생기에 유동적으로 연결된 증기 터빈, 여기서 상기 발생된 증기 스트림은 상기 증기 터빈을 구동하도록 구성되며, 및 상기 증기 터빈에 기계적으로 연결된 발전기를 포함하고, 여기서 상기 증기 발생기는 전력을 생성하기 위해 상기 발전기를 구동시키도록 구성된다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 신가스 생산 셀은 650℃ 내지 800℃에서 작동한다. 본 발명의 어떤 구현 예에 있어서, 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템은 이산화탄소 스트림을 생성하기 위해 연도 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하도록 구성되고, 발전 장치와 유체 연통하는 탄소 포획 시스템을 더욱 포함하며, 여기서 상기 발전 장치는 연도 가스 스트림을 생산하도록 구성된다.
본 발명의 이들 및 다른 특색들, 관점들, 및 장점들은 하기 상세한 설명, 청구항 및 첨부된 도면을 참조하여 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면은 본 발명의 몇 가지 구현 예를 단지 예시하는 것이고, 따라서 이것이 다른 동등한 효과의 구현 예들을 인정할 수 있음에 따라 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않는 것에 주의할 것이다.
도 1은 본 발명의 구현 예의 공정 흐름도이다.
도 2는 태양열 발전 시스템의 구현 예의 개략도이다.
도 3은 신가스 생산 셀의 구현 예의 평면도이다.
도 4는 신가스 생산 셀의 구현 예의 평면도이다.
도 5는 탄소 포획 시스템의 구현 예의 개략도이다.
본 발명이 몇 가지 구현 예들로 기재되지만, 여기에 기재된 장치 및 방법들에 대한 많은 실시 예들, 변형들 및 변경들이 본 발명의 범주 및 사상 내에 있는 것을 관련 분야의 당업자들이 인식할 것으로 이해된다. 따라서, 여기에 기재된 발명의 대표적인 구현 예들은, 청구된 발명에 대한, 보편성의 어떤 상실 없이, 및 제한을 부과하지 않고 서술된다.
도 1은 본 발명의 구현 예의 공정 흐름도를 제공한다. 태양열 발전시스템 (100)은 직사 태양광 (2)을 열에너지 (10)로 전환시킨다. 직사 태양광 (2)은 모든 파장 전체에 걸쳐 태양 에너지로 이루어진다. 태양열 발전시스템 (100)은 태양 에너지를 열에너지 및 전력으로 전환시킬 수 있는 태양열 발전 시스템 중 어떤 타입일 수 있다.
탄소 포획 시스템 (400)은 작동 유닛 (operating unit) (500)의 연도 가스 (50)로부터 CO2를 분리시키고, 폐가스 (waste gas) (40)을 발생시킨다. 폐가스 스트림 (40)은 스트림의 조성물에 의해 요구된 바에 따라 처리된다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 폐가스 스트림 (40)은 대기로 통기된다.
상기 탄소 포획 시스템 (400)로부터 CO2는 연료 피드 스트림 (4)을 생성시키기 위해 다른 스트림 (도시되지 않음)과 혼합된다. 연료 피드 스트림 (4)은 CO2를 함유한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림 (4)은 CO2에 부가하여, H2O를 함유한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림은 CO2, H2O, 및 기체 탄화수소를 함유한다. 대표적인 기체 탄화수소는 메탄 (CH4), 에탄 (C2H6), 부탄 (C3H8), 및 이의 조합을 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림 (4)은 CO2, H2O, 및 CH4를 함유한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림 (4)은 CO2, H2O, CH4, 및 불활성 가스를 함유한다. 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림 (4)은 질소 함유 화합물 및 황 함유 화합물의 부재하에 있다. 연료 피드 스트림 (4)의 정확한 온도, 압력 및 조성은 연료 피드 스트림 (4)을 생성하기 위해 함께 혼합된 스트림에 의존할 것이다.
작동 유닛 (500)은 배출 가스, 연도 가스, 또는 CO2를 함유하는 폐가스를 생산하는 작동 유닛 중 어떤 타입일 수 있다. 작동 유닛 (500)은, 예를 들어, 화석 연료 또는 다른 탄화수소를 연소하고 및 전력을 생산하는 발전 장치, 공정의 폐가스로서 CO2을 생산하는 제강 공장 (steel mill), 또는 어떤 다른 타입의 생산 유닛을 포함한다. 연도 가스 (50)는, 예를 들어, 소정의 CO2를 함유하는 연도 가스 중 어떤 타입을 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 연도 가스 (50)는 소정의 CO2 및 소정의 H2O를 포함한다. 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 작동 유닛 (500)은 발전 장치이다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연도 가스 (50)는 가스-연료 (gas-fired) 발전 장치로부터 오고, 약 7.4% 및 약 7.7% 사이의 CO2, 약 14.6% H2O, 약 4.45% O2, 및 약 73% 및 약 74% 사이의 N2의 조성과 함께, 질소 함유 화합물, 황 함유 화합물, 및 다양한 다른 가스를 포함하는 나머지를 갖는다. 선택적으로, 예를 들어, 석탄-연료 발전 장치로부터 온 연도 가스 (50)는 약 12.5% 및 약 12.8% 사이의 CO2, 약 6.2% H2O, 약 4.4% O2, 및 약 76% 및 약 77% 사이의 N2의 조성과 함께, 질소 함유 화합물, 황 함유 화합물, 및 다양한 다른 가스를 함유하는 나머지를 가질 수 있다.
하나의 구현 예에 따르면, 연도 가스 (50)는 탄소 포획 시스템 (400)에 주입하기 전에 스크러빙 기술 (scrubbing technologies) (도시되지 않음)에 적용된다. 연도 가스 (50)로부터 황 및 질소 함유 화합물을 제거할 수 있는 어떤 알려진 스크러빙 기술은 사용될 수 있다. 스크러빙 기술은 선택적으로 미립자 물질 (particulate matters)을 제거할 수 있다. 종래의 스크러빙 기술은 습식 스크러버 및 정전 선별기 (electrostatic separator)을 포함한다.
열에너지 (10)는 신가스 생산 셀 (200)에 열을 제공하여, 약 500℃ 및 약 1000℃ 사이, 선택적으로 약 600℃ 및 약 900℃ 사이, 선택적으로 약 650℃ 및 약 800℃ 사이, 및 선택적으로 약 700℃ 및 약 800℃ 사이의 온도로 신가스 생산 셀 (200)을 가열시킨다. 열에너지 (10)로부터의 열은 주입 스트림 (feed streams)을 가열하는 열교환기 (도시되지 않음)에 의해 신가스 생산 셀 (200)로 전달될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 열에너지 (10)는 연료 피드 스트림 (4)에 열을 제공하여 신가스 생산 셀 (200)에서 가열된 연료 피드 스트림 (도시되지 않음)을 생성한다.
신가스 생산 셀 (200)은 열에너지 (10)를 사용하여 연료 피드 스트림 (4)을 신가스 스트림 (22)으로 전환시킨다. 신가스 스트림 (22)은 합성 가스 (synthesis gas), 또는 신가스를 함유한다. 신가스는 CO 및 H2의 조합을 함유하는 가스 스트림이다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 신가스 스트림 (22)는 또한 CO2 및 H2O를 함유한다. 신가스 스트림 (22)의 정확한 조성물은 신가스 생산 셀 (200)의 온도, 압력, 및 구성을 고려한 후에 결정된다.
신가스 스트림 (22)은 촉매 반응기 (300)로 주입된다. 촉매 반응기 (300)는 탄화수소 연료 스트림 (30)을 생성하기 위해 신가스 스트림 (22)에서 신가스를 탄화수소로 전환시킨다. 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 탄화수소 연료 스트림 (30)은 알칸, 알코올, 산, 에테르, 및 이의 조합을 포함한다. 탄화수소 연료 스트림 (30)의 조성물은 촉매 반응기 (300)에 사용된 촉매 및 신가스 스트림 (22)의 조성물에 의존한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, CO 및 H2를 탄화수소로 전환시키는 어떤 촉매는 촉매 반응기 (300)에 사용된다. 대표적인 촉매는 피셔-트롭쉬 (Fischer-Tropsch) 촉매, 메탄생성 촉매 (methanation catalyst), 또는 이의 조합을 포함한다. 상기 촉매는 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 백금, 또는 이의 조합과 같은 전이 금속을 포함할 수 있다. 촉매 반응기 (300)는 약 200℃ 및 약 700℃ 사이, 선택적으로 약 250℃ 및 약 650℃ 사이, 및 선택적으로 약 300℃ 및 약 600℃ 사이의 온도에서 작동된다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 300℃의 작동온도 및 고압에서, 상기 촉매는 구리 및 아연 산화물의 혼합물이다. 본 발명의 다른 구현 예에 있어서, 600℃ 및 저압의 작동 조건에서, 상기 촉매는 철을 포함한다. 촉매는, 제올라이트와 같은, 촉매 지지체를 포함할 수 있다. 상기 분배기 (도시되지 않음)는 촉매 반응기 (300)에서 촉매를 지지하고, 상기 분배기의 크기 및 형상은 촉매 반응기 (300)의 타입 및 촉매의 타입에 의존한다. 촉매는 촉매 반응기 (300)에서 작동 조건 및 원하는 반응 생산 조성물을 고려하여 선택된다. 다양한 구현 예에 따르면, 촉매 반응기 (300)는 고정층 반응기 (packed bed reactor) 또는 유동층 반응기 (fluidized bed reactor)를 포함한다.
본 발명의 하나의 구현 예에 따르면, 상기 촉매는 탄화수소 연료 스트림 (30)으로 신가스 스트림 (22)의 촉매 전환이 하기 반응식 1에 따라 일어나도록 선택된다:
[반응식 1]
(2n+1)H2 + nCO --> CnH(2n+2) + nH2O
본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 신가스 스트림 (22)의 전환은 CH4 및 H2O (n=1)을 생성한다.
본 발명의 선택적인 구현 예에 있어서, 상기 촉매는 탄화수소 연료 스트림 (30)으로 신가스 스트림 (22)의 촉매 전환이 하기 반응을 포함하도록 선택된다:
2H2 + CO → CH3OH
2CH3OH → CH3OCH3 + H2O
CO + CH3OH → CHO2CH3
CHO2CH3 + H2O→ CHO2H + CH3OH
상기 반응의 반응 생산물은 메탄올 (CH3OH), 디메틸 에테르 (DME) (CH3OCH3), 및 포름산 (CHO2H)을 포함한다.
탄화수소 연료 스트림 (30)은 작동 유닛 (500)으로 주입된다. 어떤 구현 예에 있어서, 탄화수소 연료 스트림 (30)은 저장되거나 (도시되지 않음) 또는 떨어진 곳으로 수송될 수 있다 (도시되지 않음). 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 탄화수소 연료 스트림 (30)은 탄화수소 연료 스트림 (30)의 성분을 분리시키기 위한 부가적인 공정 단계를 수행한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 부가적인 공정 단계는 탄화수소 연료 스트림 (30)으로부터 H2O를 분리시킨다.
특히, 도 1에 나타내고 기재된 본 발명의 구현 예는 상기 시스템 중 어떤 단계에서 화석 연료의 사용 없이, 발전을 위해 유용한 탄화수소 연료를 생성시킨다.
도 2는 태양열 발전시스템 (100)의 구현 예의 개략도를 제공한다. 이러한 구현 예에 따르면, 직사 태양광 (2)은 헬리오스탯 (102)에 부딪치고, 반사 태양광 (12)은 타워형 리시버 (104)상으로 집중된다. 헬리오스탯 (102)은 직사 태양광 (2)이 열에너지, 전력, 또는 기계 에너지로 전환될 수 있도록, 직사 태양광 (2)의 특정 파장을 반사하도록 설계된다. 반사 태양광 (12)은 헬리오스탯 (102)에 의해 반사된 특정 파장 전체에 걸친 태양 에너지이다. 타워형 리시버 (104)는, 도 1에 기재된 바와 같이, 태양광으로부터 신가스 생산 셀 (200)로 열에너지 (10)를 제공한다.
다양한 구현 예에 따르면, 타워형 리시버 (104)는 열매체유 (14)의 온도를 상승시키기 위해 반사 태양광 (12)이 집중된다. 열매체유 (14)는, 예를 들어, 물, 염수, 또는 나트륨 질산염, 칼륨 질산염, 칼슘 질산염, 리튬 질산염, 또는 이의 조합과 같은 용융염 (molten salt)을 포함하는, 어떤 열매체유를 포함한다. 다른 용융염은, 예를 들어, 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프란슘 (francium), 베릴륨 (beryllium), 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 라듐, 불소, 염소, 브롬, 및 요오드를 포함한다. 용융염은 이들이 더 긴 시간 동안 열을 보유하기 때문에 물 이상의 장점을 갖는다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 열매체유 (14)는 염화 나트륨 및 염화 칼륨의 혼합물을 포함한다. 열매체유 (14)는 500℃ 및 약 1000℃ 사이, 선택적으로 약 600℃ 및 약 900℃ 사이, 선택적으로 약 650℃ 및 약 800℃ 사이, 및 선택적으로 약 700℃ 및 약 800℃ 사이의 온도에 도달한다.
다양한 구현 예에 따르면, 열매체유 (14)는 저장 전달 유체 (15)로서 나중 사용 (즉, 직사 태양광 (2)가 더 이상 없을 경우)을 위해 고온 저장 탱크 (106)에 저장될 수 있다. 필요한 경우, 저장 전달 유체 (15)는 고온 저장 탱크 (106)에서 증기 발생기 (108)로 주입된다. 증기 발생기 (108)는 저장 전달 유체 (15)로부터 물 스트림 (8)으로 열을 전달하여, 발생된 증기 스트림 (16) 및 스팀 공급 (6)을 생성시킨다. 증기 발생기 (108)는 터빈을 작동시키기 위해 스팀을 생산할 수 있는 어떤 장치일 수 있다. 증기 발생기 (108)는, 예를 들어, 보일러 또는 초임계 증기 발생기 (벤슨 보일러 (Benson boiler))를 포함한다. 물 스트림 (8)은 스팀을 생산할 수 있는 어떤 물의 공급원으로부터 기원한다. 다양한 구현 예에 따르면, 스팀 공급 (6)은 신가스 생산 셀 (200)로 주입된다. 스팀 공급 (6)은 신가스 생산 셀 (200)에 (증기로서) H2O 및 열 모두를 제공한다.
증기 발생기 (108)는 저장 전달 유체 (15)로부터 열을 추출하고, 사용된 전달 유체 (11)을 생성시킨다. 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 사용된 전달 유체 (11)는 식은 전달 유체 (13)로서 식은 저장 탱크 (114)에 저장된다. 필요한 경우, 식은 전달 유체 (13)는 식은 저장 탱크 (114)로부터 타워형 리시버 (104)로 주입되고, 여기서 이것은 가열되고 열매체유 (14)가 된다.
여기서 사용된 바와 같은, 열매체유 (14), 저장 전달 유체 (15), 사용된 전달 유체 (11), 및 식은 전달 유체 (13)는 상기 태양열 공정에서의 다른 단계들에서 동일한 유체이다.
다양한 구현 예에 따르면, 발생된 증기 스트림 (16)은 증기 터빈 (110)에 주입되고, 증기 터빈 (110)은 발생된 증기 스트림 (16)에서의 열에너지를 기계 에너지 (즉, 회전 샤프트 (rotating shaft))로 전환시키고, 상기 기계 에너지는 발전기 (112)를 구동시킨다. 증기 터빈 (110)은, 예를 들어, 응축, 비-응축, 재가열, 추출, 및 유도 (induction)를 포함하는 증기 터빈 중 어떤 타입을 포함한다. 상기 터빈의 등급/크기는 발전기 (112)에 의해 생산된 전력의 양에 의존할 것이다. 발전기 (112)는 전력 (18)을 발생시킨다. 본 발명에 유용한 발전기의 예로는 시백 (Seebeck) 발전기 및 열전 발전기 (thermoelectric generators)를 포함한다. 전력 (18)은 신가스 생산 셀 (200)에 전력을 제공한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 전력 (18)은 다른 공정 유닛 (도시되지 않음)에, 변전소 (도시되지 않음)에, 또는 지역 전기 격자 (electric grid) (도시되지 않음)에 전력을 제공한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 태양열 발전시스템 (100)은 약 200 MW의 전력까지 발생시킬 수 있다.
도 3은 신가스 생산 셀 (200)의 구현 예의 평면도를 제공하고, 여기서 신가스 생산 셀 (200)은 고체 산화물 전해조 셀 (SOEC) (220)을 포함한다. SOEC (220)는 다공성 캐소드 (202), 고체 산화물 전해질 (204), 및 다공성 애노드 (206)를 포함한다. 전력 (18)은 다공성 캐소드 (202)에 전자를 제공하고, 따라서 다공성 캐소드 (202)는 음으로 전하된다. 다공성 캐소드 (202)는 물질을 통해 전자 및/또는 음전하 이온의 전달을 허용하는 어떤 물질일 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 다공성 캐소드 (202)는 전자를 연료부 (210)에서의 성분과 반응하는 것을 통해 통과시키는 어떤 물질이다. 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 다공성 캐소드 (202)의 물질은 다공성 캐소드 (206)으로부터 전자를 연료부 (210)에서의 CO2 및 H2O로 전달하고, 산소 이온을 연료부 (210)를 통하여 전해질부 (도시되지 않음)로 확산시킨다. 다공성 캐소드 (202)는 서멧 (cermet), 세라믹의 복합 물질 및 금속일 수 있다. 서멧은, 예를 들어, 니켈/이트리아-안정화 지르코니아 (Ni-YSZ) 또는 란탄 스트론튬 망간 옥사이드-YSZ (LSM-YSZ)를 포함한다. 본 발명의 하나의 구현 예에 따르면, 다공성 캐소드 (202)는 페로브스카이트의 세라믹 산화물이다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 다공성 캐소드 (202)는 액체 또는 수용액 (aqueous solution)을 포함하지 않는다.
도 3에서 나타낸 바와 같이, 이산화탄소 스트림 (45)은 스팀 공급 (6)과 혼합되어, 연료 피드 스트림 (4)을 생성한다. 이산화탄소 스트림 (45)은 CO2를 함유한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 이산화탄소 스트림 (45)은 또한 H2O을 함유한다. 연료 피드 스트림 (4)은 연료 주입구 (214)에서 연료부 (210)상에 신가스 생산 셀 (200)로 진입한다. 본 발명의 선택적인 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림 (4) 및 스팀 공급 (6)은 개별 주입구를 통해 신가스 생산 셀 (200)로 진입한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연료 주입구 (214)에 진입하기 전에, 연료 피드 스트림 (4)은 500℃ 및 약 1000℃ 사이, 선택적으로 약 600℃ 및 약 900℃ 사이, 선택적으로 약 650℃ 및 약 800℃ 사이, 및 선택적으로 약 700℃ 및 약 800℃ 사이의 온도에서 가열된 연료 피드 스트림 (도시되지 않음)을 생성하기 위해 열에너지 (10) (도시되지 않음)로부터의 열의 전달에 의해 가열된다. 열에너지 (10)는 전기화학 반응을 구동시키는 것을 돕는다.
본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 신가스 생산 셀 (200)의 연료부 (210)상에 스트림은 가스 상에 있어, 액체 또는 수성 상의 부재를 발생시킨다.
연료 피드 스트림 (4)은 SOEC (220)의 다공성 캐소드 (202)의 연료부와 접촉한다. 접촉시, 다공성 캐소드 (202)는 전자를 연료 피드 스트림 (4)에서의 CO2 및 H2O에 제공하여, CO2 및 H2O의 공-전기분해 (co-electrolysis) (환원 반응)를 결과한다.
CO2 및 H2O의 환원 반응은 다음의 화학반응에 따라 진행한다:
2H2O + 4e- --> 2 H2 + 2O2 - (반응 1)
2CO2 + 4e- --> 2CO + 2O2 - (반응 2)
반응 1에 있어서, 수소 분자 및 산소 이온은 다공성 캐소드 (202)에서 생산된다. 반응 2에 있어서, 일산화탄소 분자 및 산소 이온은 다공성 캐소드 (202)에서 생산된다. 연료 피드 스트림 (4)의 공-전기분해는, 도 1에서 기재된 바와 같이, 신가스 스트림 (22)를 생성한다.
적어도 하나의 구현 예에 따르면, CO2 및 H2O의 환원 반응에서 생성된 산소 이온은 다공성 캐소드 (202)를 통해 고체 산화물 전해질 (204)로 이동한다. 상기 산소 이온은 그 다음 고체 산화물 전해질 (204)을 통해 다공성 애노드 (206)로 통과한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 고체 산화물 전해질 (204)는 이트리아-안정화 지르코니아를 포함한다. 본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 고체 산화물 전해질 (204)는 지르코니아와 혼합된 산화 세슘 (IV) (CeO2)을 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 고체 산화물 전해질 (204)은 액체 또는 수성 상의 부재하에 있다.
전자 리턴 (Electron return) (20)은 전자를 다공성 애노드 (206)으로부터 흐르게 허용하고, 따라서 다공성 애노드 (206)은 양으로 전하된다. 상기 산소 이온은 고체 산화물 전해질 (204)를 통해 통과하고, 그 다음 다공성 애노드 (206)을 통해 통과한다. 상기 산소 이온은 다공성 애노드 (206)의 산소부 (도시되지 않음) 상에 전자를 신가스 생산 셀 (200)의 산소부 (208)상으로 방출한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 신가스 생산 셀 (200)의 산소부 (208)는 H2 또는 H2 에볼루션 (H2 evolution)의 부재하에 있다. 다공성 애노드 (206)의 산소부 상에 산소이온은 하기 반응에 따라, 산소 분자를 형성하기 위해 산화 반응을 수행한다:
2O2 - --> O2 + 4e-
다공성 애노드 (206)는, 예를 들어, 전해질부 (도시되지 않음)를 통해 통과되도록 산소 이온을 허용하고, 산소부 (도시되지 않음) 상에 산소 분자를 형성하기 위해 산소 이온으로부터 전자를 수용하는 어떤 물질을 포함한다. 다공성 애노드 (206)는, 예를 들어, 서멧, 세라믹의 복합 물질 및 금속을 포함한다. 서멧은, 예를 들어, 니켈/이트리아-안정화 지르코니아 (Ni-YSZ) 또는 란탄 스트론튬 망간 옥사이드-YSZ (LSM-YSZ)를 포함한다. 본 발명의 하나의 구현 예에 따르면, 다공성 애노드 (206)는 페로브스카이트의 세라믹 산화물을 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 다공성 애노드 (206)는 액체 또는 수성 상의 부재하에 있다.
산소 스트림 (28)로서, 산소 분자는 산소 배출구 (228)을 통해 신가스 생산 셀 (200)의 산소부 (208)를 빠져나온다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 산소부 (208)은 액체 또는 수성 상의 부재하에 있다. 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 산소 스트림 (28)은 저장되거나, 또 다른 공정 유닛에 주입되거나, 또는 또 다른 위치로 전달된다.
본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, SOEC (220)을 갖는, 신가스 생산 셀 (200)은, 전력의 순소비자 (net consumer)이다.
도 4는 신가스 생산 셀 (200)의 구현 예의 평면도를 제공하고, 여기서 신가스 생산 셀 (200)은 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) (230)를 포함한다. SOFC (230)는, 도 3에 기재된 바와 같이, 다공성 애노드 (206), 고체 산화물 전해질 (204), 및 다공성 캐소드 (202)를 포함한다.
도 4에서 나타낸 바와 같은 신가스 생산 셀 (200)의 하나의 구현 예에 따르면, 연료 피드 스트림 (4)은 이산화탄소 스트림 (45) 및 메탄 스트림 (60)의 혼합이다. 메탄 스트림 (60)은 기체 탄화수소의 어떤 공급원일 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 메탄 스트림 (60)은 기체 탄화수소를 함유한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 메탄 스트림 (60)은 신가스 생산 셀 (200)의 작동 온도에서 가스인 어떤 탄화수소를 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 메탄 스트림 (60)은 표준 온도 및 압력에서 가스인 탄화수소를 함유한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 메탄 스트림 (60)은 CH4, C2H6, C3H8, 및 이의 조합을 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 메탄 스트림 (60)은 CH4를 포함한다.
본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림 (4)은 CO2, H2O, 및 CH4를 포함한다. 연료 피드 스트림 (4)은 연료 주입구 (214)에서 연료부 (210) 상에 신가스 생산 셀 (200)에 진입한다. 본 발명의 선택적인 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림 (4) 및 메탄 스트림 (60)은 개별 주입구를 통해 신가스 생산 셀 (200)에 진입한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 스팀은 또한 애노드 (206)에서 신가스 생산 셀 (200)의 연료부 (210)에 주입된다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 연료 피드 스트림 (4)은 가스 상에 있어서, 액체 또는 수성 상의 부재에서 발생한다.
애노드 (206)에서, 연료 피드 스트림 (4)의 성분, CO2, CH4, 및 H2O는 신가스 스트림 (22)에서 신가스를 생산하기 위해 개질 반응 (증기 개질 및 건조 개질) 및 산화 반응을 수행한다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 애노드 (206)는 개질 반응을 위한 촉매로서 작용한다. 상기 개질 반응은 하기 화학반응에 따라 진행한다:
H2O + CH4 → CO + 3H2
CO2 + CH4 → 2CO + 2H2
산화 반응은 하기 화학반응에 따라 진행한다:
H2 + O2 - → H2O + 2e-
CH4 + O2 - → CO + 2H2+ 2e-
상기 산화 반응의 산소 이온은 산소부 (208)상에 다공성 캐소드 (202)에서 생산된다. 산소 공급 (24)은 산소 주입구 (218)를 통해 산소부 (208)에 주입된다. 산소 공급 (24)은 산소의 어떤 공급원일 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 산소 공급 (24)은 산소 (O2)의 순 공급원이다. 본 발명의 선택적인 구현 예에 있어서, 산소 공급 (24)은 공기이다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 산소 공급 (24)은 산소-풍부 공기이다.
전력 (18)은 다공성 캐소드 (202)에 전자를 공급하고, 그래서 다공성 캐소드 (202)는 음으로 전하된다. 산소 공급 (24)에서 O2는 다공성 캐소드 (202)와 접촉하고, 산소 이온 (O2 -)은 발생된다. 과잉의 산소 공급 (24)은 산소 스트림 (28)을 통해 신가스 생산 셀 (200)을 빠져나온다.
상기 산소 이온은 다공성 캐소드 (202)를 통해 고체 산화물 전해질 (204)로 확산한다. 상기 산소 이온은 고체 산화물 전해질 (204)를 통해 다공성 애노드 (206)로 확산한다. 상기 산소 이온은 다공성 애노드 (206)를 통해 연료부 (210)로 확산하고, 여기서 이들은 상기 산화 반응에 따라 반응한다.
상기 산화 반응에서 방출된 전자는 다공성 애노드 (206)을 통해 통과하고, 변전소 (116)로 전자 리턴 (20)에 의해 운반된다. 변전소 (116)는 합성가스 생산 셀 (200)로부터 발생된 전자 리턴 (20)에서 전력과 태양열 발전시스템 (100) (도시되지 않음)에 의해 생산된 전력을 조합한다. 변전소 (116)는 국소 전기 격자 (도시되지 않음)에 공급하는데 사용될 수 있거나, 또는 다른 가공 유닛 (도시되지 않음)에 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 있어서, SOFC (230)를 갖는 합성가스 생산 셀 (200)은 전력의 순 생산자 (net producer)이다.
도 5는 탄소 포획 시스템 (400)의 구현 예의 개략도이다. 탄소 포획 시스템 (400)은 연도 가스 스트림 (50)으로부터 CO2 및/또는 H2O를 분리할 수 있는 어떤 탄소 포획 시스템일 수 있다. 탄소 포획 시스템 (400)은, 예를 들어, 후-연소, 전-연소, 또는 산소연료 시스템 중 어떤 타입을 포함한다. 하나의 종래의 탄소 포획 시스템은 예로서 기재된다. 기술분야의 당업자는 어떤 탄소 포획 시스템이 연도 가스의 조성물 및 연료 피드 스트림의 원하는 조성물을 차지하도록 조정되어야 하는 것을 인식할 것이다.
하나의 구현 예에 따르면, 연도 가스 (50)는, 도 1에 기재된 바와 같이, 작동 유닛 (500) (도시되지 않음)으로부터 주입된다. 연도 가스 (50)는 흡수체 (absorber) (402)의 버텀에 주입되고, 흡수체 (402)의 상부까지 흐른다. 흡수체 (402)는 흡수체 (402)의 상부에 주입된 용매 스트림 (43) (즉, 하기에 논의된 바와 같은, 희박 용매 스트림 (lean solvent stream))으로부터의 용매를 함유한다. 흡수체 (402)에서 용매는, 예를 들어, 탄산칼륨과 같은, 아민 용매, 또는 유기 아민을 포함한다. 흡수체 (402)는, 예를 들어, 막 흡수체 (membrane absorber), 고정층 흡수체, 또는 트레이된 컬럼 흡수체 (trayed column absorber)를 포함하는 흡수 유닛 중 어떤 타입을 포함한다. 용매 스트림 (43)이 상기 흡수체를 통해 아래로 흐름에 따라, 용매 스트림 (43)에서 용매는 흡수체 (402)를 통해 상향으로 흐르는 연도 가스 (50)와 접촉한다. 연도 가스 (50)에서 상기 CO2 및 적어도 약간의 H2O는 흡수체 (402)의 하부에서 빠져나가는 이산화탄소 풍부 용매 (41)을 생성하는 용매로 흡수된다. 본 발명의 하나의 구현 예에 따르면, 이산화탄소 풍부 용매 (41)는 H2O 증기의 부재하에 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 이산화탄소 풍부 용매 (41)는 연도 가스 (50)에서 H2O 증기의 모두 또는 실질적으로 모두를 포함한다. 필수적으로 CO2를 함유하지 않는, 폐가스 (40)는 흡수체 (402)의 상부를 빠져나가고, 예를 들어, 스크러빙 기술 및 플러어 기술 (flare technologies)을 포함하는, 지역 환경 규제를 위해 필요한 것과 같은 또다른 공정 및 폐기 단계들 (disposal step)를 더욱 수행할 수 있다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 이산화탄소 풍부 용매 (41)는 열교환기 (412)에 주입된다. 열교환기 (412)는, 예를 들어, 교차 교환기 (cross exchanger)이고, 여기서 이산화탄소 희박 용매 (47)로부터의 열은 이산화탄소 풍부 용매 (41)를 가열하는데 사용된다.
데워진 이산화탄소 풍부 용매 (42)는 재생기 (regenerator) (404)의 상부로 주입된다. 재생기 (404)는 용매로부터 CO2의 탈착을 취급할 수 있는 유닛 중 어떤 타입 (예를 들어, 스트리핑 유닛)일 수 있다. 재생기 (404)는, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 120℃ 사이의 온도로 버텀 이산화탄소 용매 (44)를 가열시키는, 리보일러 (reboiler) (414)를 포함한다. 정확한 작동 조건은 용매의 타입 및 원하는 CO2의 조성물에 의존한다. 고온의 이산화탄소 용매 (46)는 재생기(404)로 진입하고, 여기서 상기 CO2는 용매로부터 분리되고, 이산화탄소 스트림 (45)으로 빠져나간다.
이산화탄소 희박 용매 (47)는 열교환기 (412)로 주입되고, 여기서 이산화탄소 희박 용매 (47)로부터의 약간의 열은 제거된다. 희박 용매 (48)는 그 다음 칠러 (chiller) (413)로 주입되고, 여기서 상기 스트림은 약 40℃ 아래로 냉각된다. 용매 스트림 (43)은 그 다음 흡수체 (402)로 다시 주입된다.
이산화탄소 스트림 (45)은 도 1, 3, 및 4에서 기재된 바와 같이 연료 피드 스트림 (4)를 생성하기 위해 다른 스트림과 혼합될 수 있거나 또는 합성 가스 생산 셀 (200)에 직접 주입될 수 있다.
비록 본 발명이 상세하게 기재되었을지라도, 다양한 변화, 치환, 변경은 본 발명의 원리 및 범주를 벗어나지 않고 이의 결과로부터 만들어질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 하기 청구항 및 이들의 적절한 법률적 균등물에 의해 결정되어야 한다.
단수 형태는 별도의 언급이 없는 한 복수 지시대상을 포함한다.
선택적 또는 선택적으로는 나중에 기재된 사건 또는 상황이 일어날 수 있거나 또는 없는 것을 의미한다. 이 표현은 사건 또는 상황이 일어난 경우 및 일어나지 않은 경우를 포함한다.
범위는 약 하나의 특정 값으로부터 및/또는 약 또 다른 특정 값까지로 여기에서 표시될 수 있다. 이러한 범위가 표시된 경우, 또 다른 구현 예는, 상기 범위 내에 모든 조합과 함께, 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지인 것으로 이해될 것이다.
본 출원서 전반적으로, 특허들 또는 공보들이 언급된 경우, 이들 문헌의 전체적인 개시는, 이들 문헌이 여기서 만들어진 진술과 충돌하는 경우를 제외하고는, 본 발명이 속하는 최신 기술을 좀더 충분히 설명하기 위하여, 참조로서 본 출원으로 혼입되는 것으로 의도된다.
여기 및 첨부된 청구항에 사용된 바와 같은, 단어 "포함하는", "갖는", "포함" 및 이의 모든 문법적 변형은 부가적인 요소 또는 단계들을 배제하지 않는 개방형, 비-제한 의미를 갖는 것으로 각각 의도된다.
여기에 사용된 바와 같은, "제1" 및 "제2"와 같은 용어는 임의로 할당된 것이고, 장치의 둘 이상의 부품들 사이를 구별하기 위한 것으로 단순히 의도된다. 단어 "제1" 및 "제2"는 다른 목적 없이 제공되며, 상기 부품의 명칭 또는 설명의 일부가 아니고, 이들이 상기 부품의 상대적인 위치 또는 소재 (position)를 필연적으로 한정하지 않는 것으로 이해될 것이다. 더군다나, 상기 용어 "제1" 및 "제2"의 단순 사용은, 비록 그 가능성이 본 발명의 범주하에서 고려될지라도, 어떤 "제3" 부품이 있는 것을 요구하지 않는다.

Claims (19)

  1. 다수의 헬리오스탯으로 직사 태양광을 수신하는 단계 및 상기 헬리오스탯으로부터의 직사 태양광을 반사 태양광으로써 타워형 리시버 상으로 반사시키는 단계로, 여기서 상기 반사 태양광은 상기 타워형 리시버 내의 열매체유를 가열하는, 반사 단계;
    증기 발생기에서 물 스트림을 발생된 증기 스트림으로 전환시키는 단계로, 여기서 상기 열매체유는 상기 증기 발생기에 열을 제공하는, 전환 단계;
    상기 발생된 증기 스트림을 증기 터빈으로 주입시키는 단계로, 여기서 상기 증기 터빈은 발생된 증기 스트림에서의 열에너지를 발전기를 구동시키기 위한 기계 에너지로 전환시켜 전력을 발생시키는, 주입 단계;
    상기 열매체유로부터의 열에너지를 전달하여 연료 피드 스트림을 가열하여 가열된 연료 피드 스트림을 생성시키는 가열 단계로, 여기서 상기 가열된 연료 피드 스트림은 650℃ 및 800℃ 사이의 온도에 도달하는, 가열 단계;
    상기 가열된 연료 피드 스트림을 신가스 생산 셀로 주입하는 단계로, 여기서 상기 가열된 연료 피드 스트림은 이산화탄소 및 물을 포함하며, 여기서 상기 이산화탄소는 연도 가스 스트림으로부터 포획되는, 주입 단계;
    상기 가열된 연료 피드 스트림에서 이산화탄소 및 물을 상기 신가스 생산 셀에서 일산화탄소 및 수소로 전환시켜 신가스 스트림을 생산하는 전환 단계로, 여기서 상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 전해질을 포함하는, 전환 단계;
    상기 신가스 스트림을 촉매 반응기로 주입하는 단계로, 여기서 상기 촉매 반응기는 촉매 존재하에서 작동하는, 주입 단계; 및
    상기 촉매 반응기에서 신가스 스트림을 탄화수소 연료로 전환하는 단계를 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 전해조 셀을 포함하고, 여기서 상기 고체 산화물 전해조 셀은 다공성 캐소드, 고체 산화물 전해질, 및 다공성 애노드를 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가열된 연료 피드 스트림에서 이산화탄소 및 물을 상기 신가스 생산 셀에서 일산화탄소 및 수소로 전환시키는 단계는:
    상기 고체 산화물 전해조 셀의 다공성 캐소드로 전력을 공급하는 단계;
    상기 다공성 캐소드와 상기 가열된 연료 피드 스트림을 접촉시키는 단계;
    상기 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소 및 산소 이온을 생성하는 환원 단계로, 여기서 상기 산소 이온은 상기 다공성 캐소드를 통해 고체 산화물 전해질로 통과하는, 환원 단계;
    상기 물을 환원시켜 수소 및 산소 이온을 생성하는 환원 단계로, 여기서 상기 산소 이온은 상기 다공성 캐소드를 통해 고체 산화물 전해질로 통과하는, 환원 단계;
    상기 산소 이온을 상기 고체 산화물 전해질을 통해 상기 다공성 애노드로 확산시키는 단계; 및
    상기 다공성 애노드에서 산소 이온으로부터의 전자를 방출하는 단계로, 여기서 산소 분자가 형성되어 산소 스트림을 생성하는, 방출 단계를 더욱 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 여기서 상기 고체 산화물 연료 전지는 다공성 애노드, 고체 산화물 전해질, 및 다공성 캐소드를 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가열된 연료 피드 스트림에서 이산화탄소 및 물을 상기 신가스 생산 셀에서 일산화탄소 및 수소로 전환시키는 단계는:
    상기 가열된 연료 피드 스트림에 기체 탄화수소를 첨가하는 단계;
    상기 가열된 연료 피드 스트림을 상기 고체 산화물 연료 전지의 다공성 애노드로 주입하는 단계;
    상기 가열된 연료 피드 스트림에서 물 및 기체 탄화수소를 개질시켜 일산화탄소 및 수소를 생성하는 개질 단계;
    상기 가열된 연료 피드 스트림에서 이산화탄소 및 기체 탄화수소를 개질시켜 일산화탄소 및 수소를 생성하는 개질 단계;
    상기 고체 산화물 연료 전지의 다공성 캐소드 상에 산소 공급으로부터 산소를 환원시켜 산소 이온을 발생시키는 환원 단계;
    상기 산소 이온을 상기 고체 산화물 전해질을 통해 상기 다공성 애노드로 확산시키는 단계;
    상기 다공성 애노드에서 수소를 상기 산소 이온으로 산화시켜 물 및 전자를 생성하는 산화 단계;
    상기 다공성 애노드에서 메탄을 상기 산소 이온으로 산화시켜 일산화탄소, 수소, 및 전자를 생성하는 산화 단계; 및
    상기 전자를 변전소로 공급하는 단계로, 여기서 상기 변전소는 상기 신가스 생산 셀로부터의 전자와 상기 발전기에서 발생된 전력을 결합시키도록 구성되는, 공급 단계를 더욱 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기체 탄화수소는 메탄을 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 탄화수소 연료를 소비용 발전 장치로 주입하는 단계를 더욱 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 방법.
  8. 태양 에너지를 열에너지 및 전력으로 전환하도록 구성되고, 신가스 생산 셀과 열적으로 연통된 태양열 발전시스템으로, 여기서 상기 신가스 생산 셀은 상기 태양열 발전시스템으로부터 열에너지를 수신하도록 구성되는, 태양열 발전시스템;
    상기 신가스 생산 셀은 연료 피드 스트림을 수신하도록 구성된 연료 주입구 및 신가스 스트림을 수신하도록 구성된 연료 배출구를 포함하는 연료부, 및 산소 스트림을 수신하도록 구성된 산소 배출구를 포함하는 산소부를 포함하며,
    여기서 상기 연료 피드 스트림은 이산화탄소 및 물을 포함하고,
    여기서 상기 신가스 생산 셀은 상기 이산화탄소 및 물을 일산화탄소 및 수소로 전환하도록 구성되며, 상기 일산화탄소 및 수소는 신가스 스트림을 형성하기 위해 작동하고; 및
    상기 신가스 생산 셀의 연료부에 유동적으로 연결되고, 상기 신가스 생산 셀의 연료부으로부터의 신가스 스트림을 탄화수소 연료 스트림으로 전환하도록 구성되며, 촉매 및 분배기를 포함하는 반응기 베드를 포함하는 촉매 반응기를 포함하며, 여기서 상기 촉매 반응기는 250℃ 내지 650℃에서 작동하도록 구성된, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 전해조 셀을 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 고체 산화물 전해조 셀은:
    상기 신가스 생산 셀의 연료부과 유체 연통하는 다공성 캐소드와, 상기 다공성 캐소드는, 일산화탄소, 수소, 및 산소 이온이 생산되도록, 전자를 연료 피드 스트림으로 전달하도록 구성된 다공성 캐소드의 연료부, 및 상기 산소 이온을 고체 산화물 전해질로 방출하도록 구성된 전해질부를 가지며,
    여기서 상기 다공성 캐소드는 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되고;
    상기 신가스 생산 셀의 산소부과 유체 연통하는 다공성 애노드와, 상기 다공성 애노드는 상기 고체 산화물 전해질로부터의 산소 이온을 수신하도록 구성된 전해질부, 및 산소 스트림을 형성하기 위해 산소 이온을 산소 분자로 전환하도록 구성된 배출구부를 포함하며,
    여기서 상기 다공성 애노드는 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되고;
    상기 다공성 캐소드 및 상기 다공성 애노드 사이에 놓인 상기 고체 산화물 전해질과, 상기 고체 산화물 전해질은 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되며; 및
    전자 공급을 포함하며, 여기서 상기 태양열 발전시스템으로부터의 전력은 상기 전자 공급을 상기 다공성 캐소드로 제공하고, 상기 다공성 애노드로부터의 전자를 받아드리는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 신가스 생산 셀은 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 여기서 상기 연료 피드 스트림은 기체 탄화수소를 더욱 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 기체 탄화수소는 메탄을 포함하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지는:
    상기 신가스 생산 셀의 연료부과 유체 연통하는 다공성 애노드와, 상기 다공성 애노드는, 메탄이 일산화탄소, 수소, 및 전자를 형성하기 위해 산화 반응을 수행하는, 전자를 받아드리도록 구성된 상기 다공성 애노드의 연료부, 및 고체 산화물 전해질로부터 산소 이온을 받아드리도록 구성된 전해질부를 포함하고,
    여기서 상기 다공성 애노드는 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되며,
    여기서 상기 메탄 및 물은 일산화탄소 및 수소를 발생시키기 위해 상기 다공성 애노드의 연료부의 존재하에서 반응하고, 및
    여기서 상기 메탄 및 이산화탄소는 일산화탄소 및 수소를 발생시키기 위해 상기 다공성 애노드의 연료부의 존재하에서 반응하며,
    상기 신가스 생산 셀의 산소부과 유체 연통하는 다공성 캐소드와, 상기 다공성 캐소드는 산소를 산소 이온으로 전환하도록 구성된 배출구부 및 산소 이온을 고체 산화물 전해질로 방출하도록 구성된 전해질부를 포함하고,
    여기서 상기 다공성 캐소드는 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되며; 및
    상기 다공성 캐소드 및 상기 다공성 애노드 사이에 놓인 상기 고체 산화물 전해질을 포함하며, 여기서 상기 고체 산화물 전해질은 산소 이온의 통과를 허용하도록 구성되는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 신가스 생산 셀의 연료부에서 수소는 물 및 전자를 형성하기 위해 산화 반응을 수행하는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  15. 청구항 10 또는 13에 있어서,
    상기 다공성 캐소드 및 다공성 애노드는 니켈/이트리아-안정화 지르코니아 (Ni-YSZ), 란탄 스트론튬 망간 옥사이드-YSZ (LSM-YSZ), 및 페로브스카이트의 세라믹 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  16. 청구항 10 또는 13에 있어서,
    상기 고체 산화물 전해질은 이트리아-안정화 지르코니아로 이루어진, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  17. 청구항 8에 있어서,
    상기 태양열 발전시스템은 태양 발전시스템을 집중하는 타워를 포함하고, 상기 태양 발전시스템을 집중하는 타워는:
    열매체유를 가열하도록 구성된 타워형 리시버;
    상기 타워형 리시버에 근접한 다수의 헬리오스탯, 여기서 상기 헬리오스탯은 직사 태양광을 수신하고, 상기 헬리오스탯으로부터의 직사 태양광을 반사 태양광으로 상기 타워형 리시버로 반사하도록 구성되며;
    상기 타워형 리시버에 유동적으로 연결되고, 상기 열매체유를 저장하도록 구성된 고온 저장 탱크;
    상기 고온 저장 탱크에 유동적으로 연결되고, 상기 열매체유로부터의 열을 물 스트림으로 전달하도록 구성되어 발생된 증기 스트림을 생성하는 증기 발생기;
    상기 증기 발생기에 유동적으로 연결된 증기 터빈, 여기서 상기 발생된 증기 스트림은 상기 증기 터빈을 구동하도록 구성되며; 및
    상기 증기 터빈에 기계적으로 연결된 발전기를 포함하며, 여기서 상기 증기 발생기는 전력을 생성하기 위해 상기 발전기를 구동시키도록 구성된, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  18. 청구항 8에 있어서,
    상기 신가스 생산 셀은 650℃ 내지 800℃에서 작동하도록 구성되는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
  19. 청구항 8에 있어서,
    상기 시스템은:
    이산화탄소 스트림을 생성하기 위해 연도 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 포획하도록 구성되고, 발전 장치와 유체 연통하는 탄소 포획 시스템을 더욱 포함하며, 여기서 상기 발전 장치는 연도 가스 스트림을 생산하도록 구성되는, 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는 시스템.
KR1020157021048A 2013-01-04 2014-01-03 태양 복사를 활용하는 신가스 생산 셀을 통해 탄화수소 연료로 이산화탄소 전환 KR101717866B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361749063P 2013-01-04 2013-01-04
US61/749,063 2013-01-04
PCT/US2014/010152 WO2014107561A1 (en) 2013-01-04 2014-01-03 Carbon dioxide conversion to hydrocarbon fuel via syngas production cell harnessed from solar radiation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150103268A KR20150103268A (ko) 2015-09-09
KR101717866B1 true KR101717866B1 (ko) 2017-03-17

Family

ID=50030479

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157021048A KR101717866B1 (ko) 2013-01-04 2014-01-03 태양 복사를 활용하는 신가스 생산 셀을 통해 탄화수소 연료로 이산화탄소 전환

Country Status (8)

Country Link
US (2) US9238598B2 (ko)
EP (1) EP2941475B1 (ko)
JP (1) JP6092426B2 (ko)
KR (1) KR101717866B1 (ko)
CN (1) CN104919023B (ko)
SA (2) SA517390615B1 (ko)
SG (1) SG11201504619SA (ko)
WO (1) WO2014107561A1 (ko)

Families Citing this family (53)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9947953B2 (en) 2011-03-28 2018-04-17 Colorado School Of Mines High efficiency, reversible flow battery system for energy storage
ITRM20120135A1 (it) * 2012-04-03 2013-10-04 Magaldi Ind Srl Dispositivo, impianto e metodo ad alto livello di efficienza energetica per l'accumulo e l'impiego di energia termica di origine solare.
US9631284B2 (en) * 2013-03-15 2017-04-25 Colorado School Of Mines Electrochemical device for syngas and liquid fuels production
US9574274B2 (en) * 2014-04-21 2017-02-21 University Of South Carolina Partial oxidation of methane (POM) assisted solid oxide co-electrolysis
KR101597287B1 (ko) * 2014-07-31 2016-02-24 한국과학기술연구원 고체산화물셀 시스템 및 그 제어 방법
US9973141B2 (en) 2015-01-15 2018-05-15 Saudi Arabian Oil Company Solar system comprising self sustainable condensation, water collection, and cleaning subassemblies
US9695805B2 (en) 2015-01-30 2017-07-04 Alstom Technology Ltd. Bypass system for a solar thermal power plant
MX2015003450A (es) * 2015-03-18 2016-09-19 Benemérita Univ Autónoma De Puebla * Proceso de produccion de compuestos carbon-hidrogeno-oxigeno mediante fotosintesis artificial.
USD768844S1 (en) * 2015-05-18 2016-10-11 Saudi Arabian Oil Company Catalyst basket
WO2016189031A1 (en) * 2015-05-25 2016-12-01 Gas2Green Scrubber wash water electrolytic treatment
CN107771162A (zh) * 2015-06-16 2018-03-06 沙特阿拉伯石油公司 用于将co2随载转换成燃料的方法及其设备
CN105255530B (zh) * 2015-10-30 2018-03-02 西安交通大学 一种利用太阳能生产气体燃料的膜反应系统及方法
CN105597642B (zh) * 2015-10-30 2018-09-04 西安交通大学 一种将太阳能转化为化学能的膜反应系统及方法
CN106884178A (zh) * 2015-12-16 2017-06-23 南京蕴纳纳米科技有限公司 一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置
CN106884180A (zh) * 2015-12-16 2017-06-23 南京蕴纳纳米科技有限公司 一种基于蝶式太阳能与固体氧化物电解池装置
CN106884179A (zh) * 2015-12-16 2017-06-23 南京蕴纳纳米科技有限公司 一种基于槽式太阳能的电解水蒸汽装置
CN105419892A (zh) * 2016-01-13 2016-03-23 山东联星能源集团有限公司 一种制备清洁燃料的高温共电解方法
JP6931354B2 (ja) 2016-02-26 2021-09-01 ハルドール・トプサー・アクチエゼルスカベット Ｓｏｅｃにより最適化された一酸化炭素製造方法
CN108884580A (zh) * 2016-04-06 2018-11-23 太阳火有限公司 食物制造方法
JP6744242B2 (ja) 2017-03-10 2020-08-19 株式会社東芝 化学反応システム
JP6597687B2 (ja) * 2017-03-21 2019-10-30 株式会社豊田中央研究所 電力貯蔵システム、及び電力貯蔵・供給システム
JP6881008B2 (ja) * 2017-05-10 2021-06-02 株式会社豊田中央研究所 Ｓｏｆｃシステム制御用プログラム、ｓｏｅｃシステム制御用プログラム、及び、リバーシブルｓｏｃシステム制御用プログラム、並びに、ｓｏｆｃシステム、ｓｏｅｃシステム、及びリバーシブルｓｏｃシステム
JP6881007B2 (ja) * 2017-05-10 2021-06-02 株式会社豊田中央研究所 電力貯蔵・供給システム
AU2018264668A1 (en) * 2017-05-11 2019-12-05 Haldor Topsøe A/S A method for generating syngas for use in hydroformylation plants
CN107161948A (zh) * 2017-06-06 2017-09-15 李卫教 一种二氧化碳催化合成新能源碳氢物质的装置及方法
CN107023445A (zh) * 2017-06-22 2017-08-08 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 一种以二氧化碳为集热工质的塔式太阳能光热发电系统
CN107084103A (zh) * 2017-06-22 2017-08-22 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 一种以二氧化碳为储热及做功工质的塔式太阳能光热发电系统
US20190170046A1 (en) * 2017-12-01 2019-06-06 Saudi Arabian Oil Company Conversion of carbon dioxide from vehicle exhaust to liquid fuels and fuel additives
US11145880B2 (en) 2017-12-22 2021-10-12 Colorado School Of Mines High efficiency solid oxide fuel cell—internal combustion engine hybrid power system
KR20200142038A (ko) * 2018-04-13 2020-12-21 할도르 토프쉐 에이/에스 합성 반응에서 사용하기 위한 일산화탄소와 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물의 생성 방법
WO2020203087A1 (ja) * 2019-04-01 2020-10-08 株式会社Ihi 炭化水素燃焼システム
CN109944756A (zh) * 2019-04-12 2019-06-28 西安热工研究院有限公司 一种基于甲烷重整储能的太阳能光热发电系统及方法
US11859477B2 (en) 2019-07-02 2024-01-02 Totalenergies Se Hydrocarbon extraction using solar energy
JP2021009820A (ja) * 2019-07-02 2021-01-28 株式会社デンソー エネルギマネジメントシステム
CN110848098A (zh) * 2019-09-24 2020-02-28 浙江中光新能源科技有限公司 一种沼气-塔式光热互补的发电系统
DE102019127037A1 (de) * 2019-10-08 2021-04-08 Forschungszentrum Jülich GmbH Herstellung von Kohlenmonoxid
US11131482B1 (en) 2020-08-10 2021-09-28 Saudi Arabian Oil Company Managing power usage in an industrial process
TWI798843B (zh) * 2020-10-28 2023-04-11 日商Ｉｈｉ股份有限公司 二氧化碳回收裝置及使用彼之二氧化碳回收系統以及二氧化碳回收方法
CN113074095B (zh) * 2021-03-29 2022-04-22 中国科学院理化技术研究所 太阳能和热声发电联合制氢系统
CN112993347A (zh) * 2021-05-18 2021-06-18 浙江国氢能源科技发展有限公司 一种基于固态氧化物电池的能源装置及发电系统
JP2023011307A (ja) 2021-07-12 2023-01-24 東洋エンジニアリング株式会社 合成燃料の製造方法
CN113583712B (zh) * 2021-07-12 2022-05-24 浙江大学 多能源耦合互补和有序转化系统与方法
JP2023011306A (ja) 2021-07-12 2023-01-24 東洋エンジニアリング株式会社 合成燃料の製造方法
GB2619901A (en) * 2021-08-06 2023-12-27 Ceres Ip Co Ltd Electrolysis system
CN113623157B (zh) * 2021-08-27 2022-08-05 西安交通大学 集太阳能熔盐蓄热与sofc的发电储能一体化系统及工作方法
JP7136523B1 (ja) * 2021-09-09 2022-09-13 株式会社 ユーリカ エンジニアリング カーボンニュートラルメタン使用液体燃料製造システム
WO2023037461A1 (ja) * 2021-09-09 2023-03-16 株式会社 ユーリカ エンジニアリング カーボンニュートラル液体燃料製造システム
US20230212761A1 (en) * 2022-01-03 2023-07-06 Saudi Arabian Oil Company Methods for producing syngas from H2S and CO2 in an electrochemical cell
WO2023147123A1 (en) * 2022-01-31 2023-08-03 Carbonquest, Inc. SYSTEMS AND METHODS FOR GENERATING eFUELS AND PLATFORM CHEMICALS FROM CARBON BASED FUEL COMBUSTION SOURCES
CN114657585A (zh) * 2022-03-04 2022-06-24 郑州大学 一种热-电耦合的太阳能转化系统及方法
US11859135B2 (en) * 2022-03-08 2024-01-02 Infinium Technology, Llc Thermally integrated process for the production of liquid fuels with a solid oxide electrolyzer
CN114988362A (zh) * 2022-05-27 2022-09-02 东北电力大学 化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统及其方法
CN116121786B (zh) * 2023-02-21 2023-11-21 华北电力大学 太阳能驱动的固体氧化物电解池分布式多联产系统及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050279095A1 (en) * 2003-01-21 2005-12-22 Goldman Arnold J Hybrid generation with alternative fuel sources
US20080107932A1 (en) 2006-11-08 2008-05-08 Saudi Arabian Oil Company Process for the conversion of oil-based liquid fuels to a fuel mixture suitable for use in solid oxide fuel cell applications
US20090235587A1 (en) * 2008-03-24 2009-09-24 Battelle Energy Alliance, Llc Methods and systems for producing syngas
US20100000874A1 (en) 2008-06-24 2010-01-07 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatus for solar assisted fuel production

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4776171A (en) 1986-11-14 1988-10-11 Perry Oceanographics, Inc. Self-contained renewable energy system
US5128003A (en) 1991-10-17 1992-07-07 United Technologies Corporation Method for the conversion of carbon dioxide and hydrogen to variable methane and oxygen ratios
US6187465B1 (en) 1997-11-07 2001-02-13 Terry R. Galloway Process and system for converting carbonaceous feedstocks into energy without greenhouse gas emissions
GB2368371B (en) 2000-10-28 2004-05-12 Ribbit Ltd Method of operating an engine
MY128179A (en) * 2001-10-05 2007-01-31 Shell Int Research System for power generation in a process producing hydrocarbons
US7132183B2 (en) 2002-06-27 2006-11-07 Intellergy Corporation Process and system for converting carbonaceous feedstocks into energy without greenhouse gas emissions
WO2006099573A1 (en) 2005-03-16 2006-09-21 Fuelcor Llc Systems, methods, and compositions for production of synthetic hydrocarbon compounds
US8614364B2 (en) * 2005-07-06 2013-12-24 Inentec Inc. Renewable electricity conversion of liquid fuels from hydrocarbon feedstocks
US8075746B2 (en) * 2005-08-25 2011-12-13 Ceramatec, Inc. Electrochemical cell for production of synthesis gas using atmospheric air and water
DE102006035893A1 (de) * 2006-07-31 2008-02-07 Wolf, Bodo M., Dr. Verfahren zur Wiederaufarbeitung von Verbrennungsprodukten fossiler Brennstoffe
US7951283B2 (en) * 2006-07-31 2011-05-31 Battelle Energy Alliance, Llc High temperature electrolysis for syngas production
US20080168009A1 (en) 2007-01-08 2008-07-10 Robert Paul Johnson Business methods of renewable hydrocarbon-based fuel
WO2008121142A1 (en) 2007-04-02 2008-10-09 Kulicke And Soffa Industries, Inc. Method of forming bends in a wire loop
PL2136904T3 (pl) 2007-04-12 2020-11-16 Cefco, Llc Sposób i urządzenie do przechwytywania węgla oraz usuwania wielu zanieczyszczeń w gazie spalinowym ze źródeł paliwa węglowodorowego i odzyskiwania wielu produktów ubocznych
AU2008247280A1 (en) 2007-05-04 2008-11-13 Principle Energy Solutions, Inc. Production of hydrocarbons from carbon and hydrogen sources
DE102007022723A1 (de) * 2007-05-11 2008-11-13 Basf Se Verfahren zur Herstellung von Synthesegas
WO2009000494A2 (en) 2007-06-25 2008-12-31 Saudi Basic Industries Corporation Catalytic hydrogenation of carbon dioxide into syngas mixture
KR20100036317A (ko) 2007-07-13 2010-04-07 유니버시티 오브 써던 캘리포니아 메탄올을 제조하기 위해 수성 매질의 이산화탄소를 일산화탄소와 수소로 전기분해하는 방법
US8138380B2 (en) 2007-07-13 2012-03-20 University Of Southern California Electrolysis of carbon dioxide in aqueous media to carbon monoxide and hydrogen for production of methanol
JP4477057B2 (ja) * 2007-12-21 2010-06-09 三井造船株式会社 ビームダウン方式太陽熱発電装置
HUP0800209A2 (en) 2008-04-02 2009-12-28 Ivan Dr Raisz Syngas made of organic wasts, method for formation of it
US20110250100A1 (en) 2008-07-01 2011-10-13 James Charles Juranitch Recyling and reburning carbon dioxide in an energy efficient way
US20100137457A1 (en) 2008-07-01 2010-06-03 Kaplan Thomas Proger Method for conversion of atmospheric carbon dioxide into useful materials
CA2747083A1 (en) 2008-12-18 2010-06-24 Silicon Fire Ag Method for providing an energy carrier
WO2010069622A1 (de) 2008-12-18 2010-06-24 Silicon Fire Ag Verfahren und anlage zum bereitstellen eines energieträgers unter einsatz von kohlenstoffdioxid als kohlenstofflieferant und von elektrischer energie
US8808529B2 (en) 2009-02-17 2014-08-19 Mcalister Technologies, Llc Systems and methods for sustainable economic development through integrated full spectrum production of renewable material resources using solar thermal
US20100300892A1 (en) 2009-06-02 2010-12-02 Herbert Franz Matare Apparatus and Method for Solar Hydrogen Synfuel Production
US9150803B2 (en) * 2009-06-09 2015-10-06 Sundrop Fuels, Inc. Systems and methods for biomass grinding and feeding
BR112012003866A2 (pt) * 2009-08-20 2017-08-29 Antecy Bv Processo para armazenar energia solar em compostos orgânicos compreendido carbono e hidrogênio
US8084652B2 (en) 2009-09-18 2011-12-27 Eco Power Solutions (Usa) Corp. Converting CO2 to an alcohol
AU2010329860A1 (en) 2009-12-10 2012-07-26 Antecy B.V. Improved catalytic process for reacting carbon dioxide with hydrogen
US20120228150A1 (en) 2011-03-08 2012-09-13 Kang Bruce S Co2 decomposition via oxygen deficient ferrite electrodes using solid oxide electrolyser cell
US20120275987A1 (en) 2011-04-26 2012-11-01 Hiza Michael D Systems and methods for carbon sequestration of synthesis gas

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050279095A1 (en) * 2003-01-21 2005-12-22 Goldman Arnold J Hybrid generation with alternative fuel sources
US20080107932A1 (en) 2006-11-08 2008-05-08 Saudi Arabian Oil Company Process for the conversion of oil-based liquid fuels to a fuel mixture suitable for use in solid oxide fuel cell applications
US20090235587A1 (en) * 2008-03-24 2009-09-24 Battelle Energy Alliance, Llc Methods and systems for producing syngas
US20100000874A1 (en) 2008-06-24 2010-01-07 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatus for solar assisted fuel production

Also Published As

Publication number Publication date
CN104919023A (zh) 2015-09-16
US20140194539A1 (en) 2014-07-10
EP2941475A1 (en) 2015-11-11
US20160097138A1 (en) 2016-04-07
WO2014107561A1 (en) 2014-07-10
SA515360715B1 (ar) 2018-02-12
KR20150103268A (ko) 2015-09-09
JP6092426B2 (ja) 2017-03-08
JP2016511296A (ja) 2016-04-14
US9238598B2 (en) 2016-01-19
EP2941475B1 (en) 2019-06-19
SA517390615B1 (ar) 2021-05-16
SG11201504619SA (en) 2015-07-30
CN104919023B (zh) 2016-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101717866B1 (ko) 태양 복사를 활용하는 신가스 생산 셀을 통해 탄화수소 연료로 이산화탄소 전환
CN106025313B (zh) 可实现燃烧前co2捕集的整体煤气化燃料电池发电系统
DK3019582T3 (en) Flexible power plant and method for operating it
RU2589884C2 (ru) Система рециркуляции для повышения производительности топливного элемента с улавливанием со2
ES2368418T3 (es) Aparato generador de energía.
Saghafifar et al. A critical overview of solar assisted carbon capture systems: Is solar always the solution?
EP1142047A1 (en) Process and system for converting carbonaceous feedstocks into energy without greenhouse gas emissions
CN205863298U (zh) 可实现燃烧前co2捕集的整体煤气化燃料电池发电装置
Quang et al. A review of potential routes to zero and negative emission technologies via the integration of renewable energies with CO2 capture processes
Dinçer et al. Hydrogen and fuel cell systems
CN104377375A (zh) 一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统
KR20160036881A (ko) 이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치
Milewski et al. Concept of a solid oxide electrolysis-molten carbonate fuel cell hybrid system to support a power-to-gas installation
Diaz et al. Performance assessment of concentrated solar power plants based on carbon and hydrogen fuel cells
WO2014127410A1 (en) A method of regenerating an absorbent for capture of carbon dioxide
JP7028600B2 (ja) メタン製造システム及びメタン製造方法
Cannone et al. Thermodynamic analysis of a synergistic integration of solid oxide fuel cell and solar-based chemical looping methane reforming unit for solar energy storage, power production, and carbon capture
Redissi et al. Storage and restoring the electricity of renewable energies by coupling with natural gas grid
CN115074758A (zh) 发电装置
Fino Hydrogen production in conventional, bio-based and nuclear power plants
Giaconia et al. Membrane technologies for solar-hydrogen production
Farzaneh et al. Iranian hydrogen production insight: research trends and outlook
Mohsin Economic and Environmental Assessment of an Integrated Carbon Capture and Utilization Pathway
Boretti Reviewing the progress toward an ammonia energy storage ecosystem
Rechichi Experimental characterization and process simulation of thermochemical redox cycles with LSMA perovskite

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200218

Year of fee payment: 4