KR20210117295A - 화학 물질의 생성에서 간헐적 에너지의 사용 - Google Patents

화학 물질의 생성에서 간헐적 에너지의 사용 Download PDF

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KR20210117295A
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스콧 스티븐슨
앤드류 마크 워드
케니스 프랜시스 러슨
조셉 윌리엄 슈로얼
마이클 에드워드 후크맨
준 자오
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사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

하나 이상의 반응물들로부터 적어도 하나의 화학 생성물을 포함하는 공정 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 반응기들(reactors); 상기 반응기 내로 도입을 위해, 상기 하나 이상의 반응물들 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림들을 준비하도록 구성되는 공급물 준비 시스템(feed preparation system); 및/또는 상기 공정 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 적어도 하나의 화학 생성물을 분리하도록 구성되는 생성물 정제 시스템(product purification system);을 포함하되, 상기 화학 합성 플랜트는, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템 또는 이들의 조합을 통해 이용되는 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 초과)은 간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source, IES)으로부터 제공되도록 구성된다.

Description

화학 물질의 생성에서 간헐적 에너지의 사용
본 발명은 화학 물질의 생성(또는 '생산')에서 (비-탄소-기반 및/또는 재생 에너지 공급원일 수 있는) 간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source, IES)의 사용에 관한 것이고; 보다 구체적으로, 본 발명은 IES로부터의 전기를 이용하는 화학 합성 플랜트(chemical synthesis plant)의 전기화(electrification)에 관한 것이고; 보다 더 구체적으로, 본 발명은 IES로 화학 합성 플랜트를 작동하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화학 합성 플랜트(chemical synthesis plant)는 다양한 화학 물질들을 제공하는 데 이용된다. 종종, 전용 연료는 화학 합성을 위한 반응 열, 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위한 에너지, 액체들을 기화시키는 에너지(예컨대, 희석제로 사용되는 물 끓이기), 작업을 수행하기 위한 에너지(예컨대, 압축기 또는 펌프 구동), 또는 상기 화학 합성 플랜트(또는 '공장') 전체에 걸쳐 다른 공정 작업들을 위한 에너지를 제공하기 위해, 태워지거나(burned) '연소(combusted)'된다. 이러한 연료들의 태움 또는 연소는 환경에 해로울 수 있는 연도 가스들(flue gases)의 생성을 초래하고, 상기 공정의 에너지 효율의 손실로 귀결된다. 마찬가지로, 증기(steam)는 종종 화학 합성 플랜트들 내에서 플랜트-전반의 열 및/또는 에너지 전달 유체(heat and/or energy transfer fluid)로 통상적으로 이용된다. 상기 열 및/또는 에너지 전달에 이용되는 상기 증기는 종종 연료의 연소를 통해 생성되며, 그 결과 화학 합성 중에 추가적인 연도 가스의 생성 및 추가로 에너지 효율 손실을 초래한다. 추가적으로, 연료로서 연소를 위한 반응물로 달리 이용될 수 있는 재료의 사용은 또한 주어진 양의 재료로부터 상기 화학 합성 플랜트에서 생성되는 원하는 화학 생성물의 양을 감소시킨다. 따라서, 에너지를 제공하기 위해 연소되는 연료(특히, 화석 연료)의 양이 감소되거나 제거되는 화학 합성의 개선된 시스템들 및 방법들에 대한 필요성이 존재한다. 바람직하게는, 이러한 시스템들 및 방법들은 또한 에너지 효율의 증가 및/또는 상기 화학 합성 플랜트에 의한 온실 가스(GHG)의 배출들과 같은, 배출의 감소를 제공한다.
본 명세서에는 다음을 포함하는 화학 합성 플랜트가 개시된다: 하나 이상의 반응물들로부터 적어도 하나의 화학 생성물을 포함하는 공정 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 반응기들(reactors); 상기 반응기 내로 도입을 위해, 상기 하나 이상의 반응물들 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림들을 준비하도록 구성되는 공급물 준비 시스템(feed preparation system); 및/또는 상기 공정 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 적어도 하나의 화학 생성물을 분리하도록 구성되는 생성물 정제 시스템(product purification system);을 포함하되, 상기 화학 합성 플랜트는, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템 또는 이들의 조합을 통해 이용되는 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 초과)은 간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source, IES)으로부터 제공되도록 구성된다.
또한 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 초과)을 제공하기 위해 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)으로부터의 전기를 이용하여 작동하도록 구성되는 화학 합성 플랜트가 본 명세서에 개시되어 있다.
본 발명 및 그의 이점의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면 및 상세한 설명과 관련하여 취해진 다음의 간단한 설명을 참조하며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 전형적인 선행 기술 화학 공정의 개념도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 구현예들에 따른 재생 간헐적 에너지에 의해 전력을 공급받을 수 있는 화학 공정의 개념도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 구현예들에 따른 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)에 의해 전력을 공급받을 수 있는 일반적인 화학 합성 플랜트(I)의 블록 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 구현예들에 따른 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)에 의해 전력을 공급받을 수 있는 화학 합성 플랜트(II)의 개략도를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 구현예들에 따른, 압축을 통해 에너지를 저장하기 위한 시스템(IIIA)의 개략도이다.
도 5b는 본 발명의 구현예들에 따른, 냉각을 통해 에너지를 저장하기 위한 시스템(IIIB)의 개략도이다.
도 5c는 본 발명의 구현예들에 따른, 수소를 통해 에너지를 저장하기 위한 시스템(IIIC)의 개략도이다.
도 5d는 본 발명의 구현예들에 따른, 가열을 통해 에너지를 저장하기 위한 시스템(IIID)의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 구현예에 따라 전기화되고, 실시예 1 및 2에 제시된 올레핀 합성 공정(VII)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다.
도 7은 본 발명의 구현예에 따라 전기화되고, 실시예 3 및 4에 제시된 암모니아 합성 공정(XII)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다.
도 8은 본 발명의 구현예에 따라 전기화되고, 실시예 5 및 6에 제시된 메탄올 합성 공정(X/XI)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다.
하나 이상의 구현예들의 예시적인 구현이 아래에 제공되지만, 개시된 조성물들, 방법들 및/또는 생성물들은 현재 알려져 있든 아직 존재하지 않든, 임의의 수의 기술을 사용하여 구현될 수 있음을 처음부터 이해해야 한다. 본 발명은 본 명세서에 예시되고 설명된 모범적인 설계 및 구현을 포함하여, 이하에 설명된 예시적인 구현들, 도면들 및 기술들에 결코 제한되어서는 안 되며, 등가물의 전체 범위와 함께 첨부된 청구범위의 범위 내에서 수정될 수 있다.
다음 용어들은 당업자에 의해 잘 이해되는 것으로 믿어지지만, 다음 정의들은 현재 개시된 주제의 설명을 용이하게 하기 위해 제시된다. 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어들은 현재 개시된 주제가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서에서 이용되는 '간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source)' 또는 'IES'는 사용된 에너지를 저장할 수 없거나 경제적으로 바람직하지 않기 때문에, 전기로의 변환 및 외부 직접 제어에 지속적으로 사용할 수 없는 모든 에너지 공급원이다. 상기 간헐적 에너지 공급원의 가용성은 예측 가능하거나 예측 불가능할 수 있다. 재생 간헐적 에너지 공급원은 이하에서 정의되는 재생 에너지 공급원이기도 한 간헐적 에너지 공급원이다. '간헐적 전기(intermittent electricity)'는 IES에서 생산되는 전기를 말한다.
본 명세서에서 이용되는 '재생 에너지(renewable energy)' 및 '비-화석 기반 에너지(non-fossil based energy)(ENF)'는 자연적이고 지속적인 공정으로 빠르게 대체되는 지속 가능한 에너지 공급원에서 파생된 에너지 및 원자력을 포함한다. 따라서 '재생 에너지(renewable energy)'와 '비-화석 기반 에너지(non-fossil based energy, ENF)'는 비-화석 연료 기반 에너지 공급원(가령, 석탄이나 천연 가스와 같은 화석 연료의 연소를 통해 생산되지 않는 에너지)에서 파생되는 에너지를 말하며, 반면 '재생 불가능한' 또는 '화석 기반 에너지(EF)'는 화석 연료-기반 에너지 공급원(가령, 화석 연료의 연소를 통해 생성된 에너지)에서 파생된 에너지이다. 화석 연료들은 지질학적 과거에 살아 있던 유기체의 잔해에서 형성된 석탄이나 가스와 같은 천연 연료이다. 따라서, 본 명세서에서 이용되는 '재생(renewable)' 및 '비-화석 기반 에너지(non-fossil based energy, ENF)'는, 풍력, 태양열 발전, 물의 흐름/이동 또는 사용 시 고갈되지 않는 바이오매스가 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 따라서 재생 에너지는 화석 연료 기반 에너지(EF)를 제외하고 바이오 연료들을 포함한다.
본 명세서에서 이용되는 '비-탄소 기반 에너지(non-carbon based energy, ENC)'는 비-탄소 기반 에너지 공급원(가령, 탄화수소와 같은 탄소-기반 연료의 연소를 통해 생성되지 않는 에너지)으로부터의 에너지인 반면, 탄소-기반 에너지(EC)는 탄소-기반 에너지 공급원(가령, 탄화수소와 같은 탄소-기반 연료의 연소를 통해 생성된 에너지)의 에너지이다. 원자력은 본 명세서에서 재생 비-화석(ENF) 기반 에너지와 비-탄소 기반 에너지(ENC)로 간주된다. 따라서 탄소-기반 에너지(EC)는 재생(가령, 비-화석 연료 기반) 또는 재생 불가능(가령, 화석 연료 기반)일 수 있다. 예를 들어, 다양한 탄소-기반 바이오 연료들은 본 명세서에서 재생 탄소 기반 에너지 공급원으로 간주된다.
본 명세서에서 이용되는 '재생 전기(renewable electricity)'는 재생 에너지 공급원에서 생산된 전기를 의미하고, '재생 불가능한 전기'는 재생 불가능한 에너지 공급원에서 생산되는 전기를 의미한다. 본 명세서에서 이용되는 '비-탄소 기반 전기(non-carbon based electricity)'는 비-탄소 기반 에너지 공급원에서 생산된 전기를 의미하고, '탄소-기반 전기'는 탄소 기반 에너지 공급원에서 생산되는 전기를 의미한다.
예를 들어, 구현예들에서, 본 명세서에 개시된 올레핀 합성 플랜트 전체에 걸친 재생 전기 및/또는 열은 재생(예를 들어, 생물학적) 공급원들로부터 오는 재생 탄화수소들의 연소에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 재생 전기는 구현예들에서 농업 폐기물들이 공급되는 소화기에서 생성된 메탄을 포함하는 ENF/EC 에너지 공급원의 연소를 통해 생성될 수 있다. 마찬가지로, 구현예들에서, 단주기 탄소 폐기물을 사용하여 생성된 합성 가스를 포함하는 ENF/EC 에너지 공급원은 연료로서 이용될 수 있다(예를 들어, 재생 전기 및/또는 열을 생성하기 위해 연소됨). 바람직하게는, 그러한 연소에 의해 생성된 이산화탄소는 (예를 들어, 새로운 작물의 성장에 의해) 회수된다.
본 명세서에서 이용되는, 연료를 '외부적으로(externally)' 연소시키는 것은 반응기의 외부, 예를 들어 로에서 연료를 연소시키는 것을 지칭한다. 일차 반응의 일부인 연소(예컨대, 자열 개질(autothermal reforming, ATR)에서 개질과 함께 발생하는 연소)는 '외부' 연소로 간주되지 않는다. 본 명세서에서 이용되는 '전용(dedicated)' 연료는 연료 값(가령, 연소 열)를 제공하기 위해서만 도입되고 생성물로 전환되지 않는 연료 또는 공급물 스트림의 일부이다.
본 명세서에서 이용되는 '열 전달 증기(heat transfer steam, SHT)'는 단독으로 또는 주로 에너지 또는 열 전달 매체로서 생성된 증기(예를 들어, 증기는 희석제 및/또는 반응물로 사용되지 않음)를 나타낸다.
본 명세서에서 이용되는 '순(net)' 열 입력 또는 제거는 열 입력 또는 제거를 말하며, 예를 들어 다른 공정 스트림과의 열 교환을 통해 제공되지 않는 다른 섹션 또는 스트림에서 제공되지 않는 열 입력 또는 제거와 같은 일차 에너지 소비를 초래한다. 마찬가지로, '순' 에너지는 일차 에너지 소비, 예를 들어 다른 공정 스트림과의 열 교환을 통해 제공되지 않는 열 에너지와 같은 플랜트의 다른 섹션이나 스트림에서 제공되지 않는 에너지를 초래하는 에너지를 말한다.
본 명세서에서 이용되는 '전원 공급(powering)'은 기계적 및/또는 전기적 에너지를 공급하는 것을 나타낸다.
본 명세서에서 이용되는 '가열(heating)'은 열 에너지를 공급하는 것을 나타낸다. 본 명세서에서 이용되는 '냉각(cooling)'은 그로부터 열 에너지의 제거를 나타낸다. 본 명세서에서 이용되는, '직접(direct)' 가열 또는 냉각은 열 전달 매체/유체를 사용하지 않고 가열 또는 냉각하는 것을 의미하며; '간접(indirect)' 가열 또는 냉각은 열 전달 매체/유체를 통한 가열 또는 냉각을 의미한다.
본 명세서에서 이용되는 '대다수(most)' 또는 '대부분(a majority)'은 50% 이상 또는 절반 이상을 나타낸다.
본 명세서에서 이용되는, '원하는(desired)' 파라미터(예를 들어, 원하는 온도)는 파라미터에 대한 의도된 또는 목표 값, 예를 들어 공정 제어에 사용되는 설정 값과 같은 미리 결정된 값을 나타낼 수 있다.
소비된 전력량(amount of electricity consumed): 전기 소비량은 특정 위치에서 측정된 전기 사용량(가령, MW)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 각각의 전기로의 경계 또는 전체 올레핀 합성 플랜트 경계에서 비율을 계산할 수 있다. 이러한 계산은 해당 위치 내에서 사용된 모든 전기를 고려할 수 있다.
연도 가스(flue gas): 가스 혼합물이 덕트를 통해 추출될 수 있는 발전소 및/또는 산업 플랜트에서 연료 또는 기타 재료의 연소에 의해 생성될 수 있는 가스 혼합물.
연도 가스 열 회수(flue gas heat recovery): 연도 가스 열 회수는 예를 들어, 고온의 연도 가스를 하나 이상의 열 환기들에 통과시켜 냉각 처리된 유체의 온도를 상승시키고 및/또는 상기 유체의 상을 변화시킴으로써(예를 들어, 증기를 상승시키기 위해 물을 끓임) 고온의 연도 가스로부터 유용한 열 에너지를 추출하는 것을 의미한다. 연도 가스 열 회수 후 상기 연도 가스에 남아 있는 모든 에너지를 연도 가스(에너지) 손실이라고 할 수 있다. 연도 가스 열 회수 섹션은 연도 가스 열을 회수하는 데 사용되는 장비 및 해당 장비의 위치일 수 있다. 연도 가스 열 회수 섹션이 없다는 것은 고온의 연도 가스에서 열을 회수할 장비나 구역이 없음을 의미할 수 있다.
대류 섹션(convection section): 대류 섹션은 대류 열 전달에 의해 고온의 연도 가스에서 열이 회수되는 로(예컨대, 증기 분해로 또는 개질로)의 일부일 수 있다. 대류 섹션이 없다는 것은 고온의 연도 가스로부터의 대류 열 전달에 의해 열을 회수하는 장비나 영역이 없음을 의미할 수 있다.
"무-증기" 또는 "실질적으로 무-증기": "무-증기"는 한 공정 작업에서 다른 공정 작업으로 에너지를 전달하거나 외부에서 공정으로 에너지를 가져오는 데 증기가 사용되지 않는 공정을 의미할 수 있다. "실질적으로 무-증기"는, 한 공정 작업에서 다른 공정 작업으로 에너지를 전달하거나 외부에서 공정으로 에너지를 가져오기 위해 증기를 사용하는 것은 증기를 사용하는 모든 에너지 전달의 합이 제공된 순 에너지의 약 10%, 약 20% 또는 약 30% 미만이 되도록 최소화되었다는 것을 의미할 수 있다. 반응물, 희석제로 사용되거나, 생성물로 얻거나 또는 공정 스트림과 직접 혼합되는 증기는 "공정 증기"라고 부를 수 있으며, 본 정의에 포함되지 않는다.
일차 에너지 전달 매체(primary energy transfer medium): 일차 에너지 전달 매체는 열 에너지 형태의 에너지를 한 공정 작업에서 다른 공정으로 이동하거나 에너지를 공정으로 가져오는 데 사용되는 물질일 수 있다. 물질은 하나의 공정 작업에서 다른 공정 작업으로 열을 전달하는 매체로도 작용하면서 반응물 또는 반응 희석제로 작용하는 것과 같은 공정에서 하나 이상의 목적을 수행할 수 있다. 이러한 경우, 반응물 또는 희석제로 증기를 사용하는 것이 1차적인 것으로 간주될 수 있고, 열 전달 효과도 2차적으로 고려될 수 있다.
저항 가열(resistive heating): 저항 가열은 저항 유닛들을 통해 전류를 통과시켜 가열할 수 있다.
유도 가열(inductive heating): 유도 가열은 전자기 유도에 의해 전기 전도성 물체(일반적으로 금속)를 가열하는 과정일 수 있다.
복사 가열(radiant heating): 복사 가열은 하나 이상의 보다 고온의 물체의 복사를 통해 물체를 가열하는 과정일 수 있다.
외부 연소(externally combusting): 외부 연소는 연료를 연소하여 열을 생성하고 이 열을 표면(가령, 튜브 벽)을 가로질러 공정 유체로 전달하여 연소 생성물이 공정 유체와 혼합되지 않도록 하는 것을 의미할 수 있다.
열전 장치(thermoelectric device): 열전 장치는 열전대에서 온도 차이를 전압으로(또는 그 반대로) 직접 변환하는 장치일 수 있다.
등온 동작(isothermal operation): 등온 동작은 일정한 온도에서 작동할 수 있다. 등온 동작은 미리 결정된 동작 온도의 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%에서 최대 10%까지 온도를 유지할 수 있다.
대류 열 전달(convective heat transfer): 대류 열 전달은 유체 또는 유체의 이동에 의해 한 위치에서 다른 위치로 열이 이동하는 것일 수 있다.
상기 정의의 대부분은 실질적으로 당업자에 의해 이해되는 바와 같지만, 하나 이상의 상기 정의는 현재 개시된 주제에 대한 본 명세서의 특정 설명으로 인해 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 의미와 상이한 방식으로 상기에서 정의될 수 있다.
본 명세서에서 활용되는 바와 같이, IES가 '사용 가능한(available)' 경우에 대한 언급에는 IES를 얻을 수 있는 경우 및/또는 IES를 경제적인 가격으로 얻을 수 있는 경우가 포함된다. 즉, 간결함을 위해 'IES가 사용 가능한 경우'는 'IES가 사용 가능하고 및/또는 경제적으로 바람직할 때'를 포함하도록 의도되었다.
도 1은 전형적인 전통적인 화학 공정의 개념도를 보여준다. 이러한 공정의 목표는 종종 일부 부산물(스트림(C)로 표시됨)도 생성되지만 공급물(A)을 생성물(B)로 전환하는 것이다.
이러한 변환을 수행하는 데 사용되는 유닛 동작에는 상당한 양의 에너지가 필요한다. 일반적으로 이러한 에너지는 주로 천연 가스인 연료를 연소하여 열을 발생시켜 공급되며, 도 1에 ΔHc(예컨대, 연소 열)로 표시된다. 이로 인해 바람직하지 않은 이산화탄소(CO2) 생산 및 배출이 발생한다. 상기 반응이 발열성(exothermic)인 경우 반응 열(ΔHr)에 의해 추가 에너지가 공급될 수 있다; 상기 반응이 흡열성(endothermic)인 경우 ΔHr과 동일한 추가 에너지가 추가되어야 한다. ΔHbp로 표시되는 일부 부산물들이 연소되어 에너지를 생산하는 경우, 총 에너지 균형도 영향을 받을 수 있다. 그러나 발열 반응들을 포함하는 많은 화학 공정들은 순 에너지 소비자들이므로 순 공정 에너지를 제공하기 위해 외부 에너지 공급원(일반적으로 탄화수소 연료(들)에 의해 제공됨)가 필요한다.
전기는 일반적으로 대다수의 화학 생산 공정에 대한 작은 외부 입력에 불과한다. 조명 또는 제어와 같은 내부 전기 요구 사항은 일반적으로 무시할 수 있을 정도로 작고, 많은 양의 전기를 필요로 하는 소수의 공정들(예컨대, 전기화학 반응기들(즉, 염소(Cl2)와 수산화나트륨(NaOH)을 만드는 염소-알칼리 공정))에서 이러한 전기는 일반적으로 탄화수소들의 연소에 의해 플랜트 경계 내에서 생성되고, 플랜트 경계 내에서 생성되지 않는 경우에도 재생 가능하게 하기 보다는 탄화수소 연소로 전기를 얻는 경우 이러한 전기 사용은 에너지 효율성 및 CO2 배출량 측면에서 탄화수소 연소를 통한 전기의 현장 생산과 동일한다.
대다수의 화학 생산 공정 내에서 에너지 소비는 세 가지 주요 범주로 편리하게 나눌 수 있다. 이러한 첫 번째 광범위한 범주(본 명세서에서 제1범주(C1)라 함)에서 열은 로에서 연료(예컨대, 천연 가스/화석 연료)의 연소에 의해 열 에너지로 직접 공급된다. (본 명세서에서 이용되는 '직접'은 증기와 같은 중간 열 전달 매체가 없음을 나타낸다.) 이러한 로들은 종종 고온에서 작동되며 큰 열 유속이 필요하다. 이러한 로들의 에너지 효율은 상기 로 연도 가스의 열 손실에 의해 제한된다. 이러한 열 손실들이 예를 들어 증기를 생성하거나 공정 가열을 제공하기 위해 에너지를 회수하기 위해 연도 가스를 냉각함으로써 최소화되는 경우에도, 연료에 포함된 화학 에너지를 사용 가능한 열 에너지로 변환하는 것은 상당한 투자와 설계 및 운영 유연성의 손실에도 불구하고 일반적으로 85~90%를 초과하지 않는다.
화학 공정에서 에너지 소비의 두 번째 광범위한 범주(본 명세서에서 제2범주(C2)라 함)는 주로 온도를 미리 결정된 원하는 반응 온도로 올리거나 분리, 가장 일반적으로 증류(distillation)를 위한 에너지를 제공하기 위해 다양한 화학 스트림의 가열을 포함한다. 이것은 열의 일부는 다른 화학 스트림들과 교환하여 얻을 수 있지만, 이는 가장 전형적으로는 탄화수소 연료들(가령, 천연 가스/화석 연료)의 연소에 의해 직접 생성된 증기 또는 고온 로들(가령, 범주(C1))의 연도 가스에서 열 전달에 의해 제공된다. 대다수의 현대 화학 공정은 에너지가 초과된 곳에서 필요한 곳으로 에너지를 이동시키기 위해 비교적 복잡한 증기 시스템(또는 본 명세서에서 간략하게 증기 열 전달 시스템이라고 하는 다른 열 전달 유체 시스템)을 포함한다. 이러한 증기 시스템에는 다양한 온도에서 열을 제공하기 위한 증기의 여러 압력 수준과, 증기 및 응축수 회수 시스템이 포함될 수 있으며, 수처리 및 오염된 응축수 처리를 포함한 부식, 파울링 및 기타 작동상의 어려움을 겪는다. 공정 스트림들을 가열하는 데 사용할 수 있는 증기에 포함된 에너지의 비율은 일반적으로 열 전달, 증기 응축 및 보일러 물 재순환에 대한 실질적인 제약으로 인해 90~95%로 제한된다. 상기 증기가 목적 기반 외부 보일러에 의해 생성된 경우, 제1범주(C1)에서와 같이 추가로 10~15% 이상이 연도 가스로 손실되기 때문에, 상기 연료에 포함된 화학 에너지의 최대 80~85%가 화학 공정에 의해 열로 사용될 것이다.
화학 공정에서 에너지 사용의 세 번째 주요 범주(본 명세서에서 제3범주(C3)라 함)는 기계적 작업을 수행하는 데 사용되는 에너지이다. 이러한 작업은 주로 한 곳에서 다른 곳으로 유체를 가압하고 이동시키는 데 사용되며, 펌프들, 압축기들 및 팬들과 같은 회전 장비를 구동하는 데 사용된다. 이러한 제3범주(C3)에는 주로 압축에 의해 구동되기 때문에 냉동 장비도 포함된다. 대다수의 화학 시설에서, 이러한 작업을 위한 에너지는 증기에 의해 제공되는데, 이러한 증기는 고온의 공정 스트림을 통한 열 전달, 범주(C1)의 로(예컨대, 상기 대류 섹션에서)에서 부분적으로 냉각된 연도 가스 스트림들을 통한 열 전달, 또는 목적 기반 외부 보일러에서 탄화수소들(예컨대, 천연 가스/화석 연료)의 연소로부터 얻어진다. 열 에너지를 기계적 작업으로 변환하는 데 제한이 있기 때문에, 연료로 사용되는 상기 탄화수소들의 함유된 화학 에너지에 대한 이러한 용도의 에너지 효율은 일반적으로 25~40%로 낮다.
화학 공정에서 탄화수소 연료로부터 얻은 에너지를 대체하기 위해 전기(예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능한 전기)를 사용하면, 이산화탄소 배출을 감소시키면서 전체 에너지 효율을 증가시켜 공정을 개선할 수 있다는 것이 예기치 않게 발견되었다. 경우에 따라, 화학 공정에서 탄화수소 연료에서 얻은 에너지를 대체하기 위해 전기(예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능한 전기)를 사용하는 것도 신뢰성 및 작동성을 개선하고, 예를 들어 NOx, SOx, CO 및/또는 휘발성 유기 화합물의 배출을 감소시키고 및/또는 생산 비용을 감소(예컨대, 저렴한 전기를 사용할 수 있는 경우)시킬 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 제1범주(C1)에서 로에서 연료(예컨대, 천연 가스/화석 연료)의 연소 및/또는 기타 가열에 의해 열 에너지로 일반적으로 공급되는 열은 전기 가열로 대체된다. 전기 열, 전기 가열, 전기적 열 발생, 전기 히터 장치 등은 전기를 유체에 인가할 수 있는 열 에너지로 변환하는 것을 말한다. 이러한 전기 가열에는 임피던스에 의한 가열(예를 들어, 전기가 상기 유체를 운반하는 도관을 통해 흐르는 경우), 저항 가열, 플라즈마, 전기 아크, 무선 주파수(RF), 적외선(IR), UV 및/또는 마이크로파를 통한 가열, 저항성 가열 요소를 통과하여 가열, 전기 가열 요소로부터 복사에 의한 가열, 유도에 의한 가열(예컨대, 진동 자기장), 전기로 구동되는 기계적 수단(예컨대, 압축)에 의한 가열, 히트 펌프를 통한 가열, 가열될 유체를 포함하는 튜브들 위로 비교적 고온의 불활성 가스 또는 다른 매체를 통과시킨 가열을 포함하되, 여기서, 뜨거운 불활성 가스 또는 다른 매체는 전기적으로 가열되거나 이들의 일부 조합에 의해 가열되나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 제2범주(C2)에서와 같은 증기(또는 다른 열 전달 유체)의 사용이 제거되고 및/또는 중간 열 전달 매체로만 사용되는 모든 증기(또는 기타 유체)가 전기적으로 생성되거나 가열된다(예컨대, 물의 전기 가열을 통해).
본 발명의 구현예들에 따르면, 제3범주(C3)에서 사용되는 종래의 회전 장비(예를 들어, 증기 터빈들)는 전기 구동 장치로 대체된다. 본 발명의 구현예들에 따르면, 제3범주(C3)의 열 제거는 전기-동력 열 제거, 예를 들어 냉각 및/또는 냉각으로 대체된다. 전기 냉각, 전기 냉각기들, 전기적 열 제거, 전기 냉각 또는 냉동 장치 등은 유체에서 열 에너지를 제거하는 것을 말한다. 그러한 전기 냉각은 전기 동력 장치에 의한 냉각을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 전기 냉각은 전기로 냉각 사이클에 전력을 공급함으로써 제공될 수 있으며, 여기서 냉매는 전동식 압축기에 의해 압축되나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예로서, 전기 냉각은 공기를 송풍하는 냉각 팬에 동력을 공급함으로써 제공될 수 있으며, 여기서 공기는 공정 유체 또는 요소를 냉각시킨다. 구현예들에서, 전기 가열 및 냉각은 임의의 전기 소스에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 재생 에너지에 의해 구동되는 화학 공정의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 재생 에너지에 의해 구동되는 공정은 구현예들에서 기존의 화학 공정과 유사하게 보일 수 있다. 그러나 연료에 의해 공급되는 에너지 입력의 부분, 대부분 또는 일부 경우에 실질적으로 전부는 재생 에너지 및/또는 재생 전기로 대체될 수 있다. 비-탄소 기반 에너지, 재생 에너지, 및/또는 재생 전기에 의한 연료 입력의 이러한 대체는 구현예들에서 CO2 배출량의 상당한 감소를 허용할 것이다. 구현예들에서, 재생 에너지의 임의의 이용 가능한 형태가 사용될 수 있다. 그러나 재생 전기를 이용하는 경우 이득이 가장 클 수 있다. 상기 재생 에너지는 예를 들어, 태양광 발전, 풍력 또는 수력 발전으로부터 얻을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 유형의 재생 에너지가 또한 본 발명의 구현예들에 따른 화학 플랜트에 적용될 수 있다. 예를 들어, 구현예들에서, 집중된 태양열 발전, 지열 에너지, 및/또는 직접적인 태양열 가열의 사용은 열 에너지를 제공하고, CO2 방출을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.
(가령, 재생) 전기를 통해 필요한 에너지를 공급하는 주요 이점 중 하나는 상기 공정의 에너지 효율성이 증가할 수 있다는 것이다. 표 1은 위에서 설명한 C1, C2, C3으로 설명된 화학 플랜트의 세 가지 에너지 사용 범주를 예시한 유닛 작업들의 에너지 효율을 보여준다. 표 1에서 세 가지 에너지 소비 범주 각각의 효율은 전력을 사용할 때 더 크다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 구현예들에 따라, 상기 이득은 회전 장비 용 증기 구동들이 증기 구동들의 에너지 효율의 3배만큼 작동할 수 있는 전기 모터(위에서 논의된 제3범주(C3)에서와 같이)로 교체될 때 가장 클 수 있다. 탄소-기반 연료 연소를 통한 전기 생성은 에너지 효율이 30~45%에 불과하기 때문에 이러한 이득은 전기가 비-탄소 기반 재생 가능 공급원에서 파생된 경우에만 실현된다. 가열 어플리케이션들에 재생 전기를 사용할 때의 에너지 효율 이득(위에서 논의된 제1범주(C1) 및 제2범주(C2)에서와 같이)은 작지만 여전히 중요하다. 상기 순(net) 결과는 재생 에너지가 탄소-기반 연료(예컨대, 천연 가스 또는 기타 탄화수소들) 대신 사용되는 경우 총 에너지가 덜 사용될 것이라는 것이다.
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본 발명에 따르면, 비-탄소 기반 에너지, 재생 에너지 및/또는 전기(예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능한 공급원으로부터)는 위에 설명된 범주들(C1, C2 및/또는 C3)의 기존 에너지 공급원보다 이용될 수 있다. 구현예들에서, 전기화(electrification)는 대부분의 또는 실질적으로 모든 유틸리티에 이용된다. 구현예들에서, 전기화는 대부분의 또는 실질적으로 모든 유닛 작업들에 대해 이용된다. 구현예들에서, 전기화는 대부분의 또는 실질적으로 모든 유틸리티 및 유닛 작업들에 사용된다. 구현예들에서, 전기화는 대부분의 또는 실질적으로 모든 공정 어플리케이션들, 엔진들, 냉각 및/또는 가열(예를 들어, 전기 구동 열 펌프들, 냉동, 전기 가열), 복사, 저장 시스템, 또는 이들의 조합에 대해 이용된다.
구현예들에서, 상기 비-탄소 기반 및/또는 재생 에너지 공급원은 풍력, 태양열, 지열, 수력, 원자력, 조력, 파력, 해양 열 구배 동력, 압력-지연 삼투(pressure-retarded osmosis), 또는 이들의 조합을 포함한다. 구현예들에서, 상기 비-탄소 기반 에너지 공급원은 수소를 포함한다. 구현예들에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 전기화를 위한 전기는 이러한 재생 가능 및/또는 비-탄소 기반 에너지 공급원으로부터 생성된다. 구현예들에서, 전기화의 일부 또는 전부는, 탄화수소들(예컨대, 재생 가능 또는 재생 불가능한 탄화수소들), 석탄 또는 탄화수소들(예컨대, 재생 가능 또는 재생 불가능한 탄화수소들)에서 파생된 수소의 연소와 같은 재생 불가능 및/또는 탄소-기반 공급원에서 얻어지나, 이에 제한되지 않는다.
대다수의 화학 플랜트에서 배출되는 대부분의 CO2는 상기 플랜트에 에너지를 제공하기 위한 화석 연료 연소의 결과이다. 본 발명의 구현예들에 따라, 화학 합성에서 재생 에너지를 사용하는 추가 이점은, 배출되는 온실 가스의 양이 탄화수소 및/또는 화석 연료가 연소될 수 있는 동등한 재래식 화학 합성 플랜트 또는 방법에 비해 상당히 감소될 것이다(예를 들어, 적어도 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100% 이상). 탄화수소들(예컨대, 천연 가스, 메탄)을 연소하여 에너지를 생성하면 이산화탄소(CO2)가 생성된다; 이러한 생산은 본 발명의 구현예들에 따른 재생 에너지의 사용에 의해 감소되거나 회피될 수 있다. 본 발명의 구현예들에서, 생산된 생성물 톤당 생산된 CO2의 양이 화학 생성물 톤당 약 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.75, 0.5, 0.3, 0.25, 0.2, 0.1, 0.05, 또는 0톤 CO2이하로 감소된다. 또한, 본 발명의 구현예들에서, 재생 에너지를 사용하면 일반적으로 화학 공급원료(예컨대, 메탄올 제조용)로 사용하기 위해 연료로 연소되는 이러한 탄화수소들(예컨대, 천연 가스, 메탄)가 제거되며, 이는 더 높은 가치의 사용이다.
화학 물질 생산에 재생 전기를 사용하면 운영상의 이점도 얻을 수 있다. 예를 들어, 구현예들에서, 전력은 예를 들어 반응기를 따라 온도 프로파일을 제어하거나 증류 컬럼에서 특정 트레이들의 온도를 변경하기 위해 더 정확하고 조정 가능한 열 입력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 반응 섹션(예를 들어, 열분해 반응 섹션)에서 전기 가열의 사용은 더 잘 제어된 탈코크스화 및/또는 더 빠른 탈코크스화를 유도한다. 다른 실시예들로서, 분리 효율성을 높이기 위한 전력 냉각 유닛들의 사용, 비효율적인 대기 가스 연소 보일러를 신속하게 작동하는 주문형 전기 히터들 및 증기 발생기들로 교체하고, 기타 유틸리티 용도로 사용하는 것이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전기를 사용하면 시작 또는 종료하는 동안 또는 공정 변동에 대응하는 동안 상당한 운영상의 이점을 얻을 수 있다. 일반적으로 에너지 공급원인 전기는 공정 변화에 신속하게 반응하여 특정 위치에 정확하고 조정 가능한 양으로 적용할 수 있으므로 열/연소 에너지 사용에 비해 다양한 이점이 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 재생 전기의 사용은 또한 하나 이상의 화학 플랜트(예컨대, 올레핀 합성 플랜트 및 인근 암모니아 합성 플랜트 또는 올레핀 합성 플랜트 및 인근 메탄올 합성 플랜트)에 에너지를 공급하는 유틸리티의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 여러 다른 생산 시설들에 산소와 질소를 공급하는 공기 분리 유닛의 상기 압축기들이 재생 전기로 구동되는 경우, 천연 가스 연소에서 파생된 증기로 이러한 전력을 공급하는 것과 비교하여 상당한 에너지 이득을 얻을 수 있다.
에너지 회수는 구현예들에서 고온 열 펌프들 또는 증기 재압축을 통해 제공될 수 있다. 상기 플랜트는 예를 들어 간헐적 에너지 공급원(IES)이 사용될 때 사용하기 위한 열 및/또는 에너지 저장을 추가로 포함할 수 있다. 구현예들에서, 폐열은 전기 구동 열 펌프를 통해 사용 가능한 온도 수준으로 업그레이드될 수 있다. 다른 구현예들에서, 제어 밸브 대신에 발전 터빈을 사용함으로써 공정 스트림 압력이 감소될 때 에너지가 전기로서 회수될 수 있다. 다른 구현예들에서, 에너지는 열전 장치들을 사용하여 전기로서 회수될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 에너지 공급원으로서 천연 가스 또는 기타 탄화수소들을 대체하기 위한 재생 전기의 사용은, 기존 화학 공정(예컨대, 기존 메탄올, 암모니아, 올레핀 합성 플랜트)의 개조의 일부로 또는 새로운 화학 플랜트(예컨대, 새로운 메탄올, 암모니아, 올레핀 합성 플랜트) 설계의 필수 구성 요소로 수행할 수 있다. 개량에서, 재생 에너지 사용 기회는 증기 시스템과 같은 기존 설계 요소에 따라 달라질 수 있다; 이러한 고려 사항을 고려하지 않고 개별 장비에 전기를 공급하면 에너지 비효율이 발생할 수 있기 때문에, 개조에서, 전체 에너지 균형과 증기 시스템에 대한 세심한 검토가 필요한다. 구현예들에서, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전 장비(예컨대, 제3범주(C3)에서)용 증기 구동 장치를 전기 모터로 교체하면 가장 높은 효율을 얻을 수 있다. 그러나 다른 목표는 부분 전기화에서 다른 선택으로 이어질 수 있다; 구현예들에서, 경우에 따라 에너지 효율의 더 작은 증가를 희생시키면서 더 큰 CO2 감소가 때때로 탄화수소 가열로(예컨대, 제1범주(C1)에서)를 먼저 교체함으로써 실현될 수 있다. 구현예들에서, 열 에너지 및/또는 증기가 하나 이상의 탄화수소 공급원으로부터 얻어지는 경우, 가장 유리한 작동은 가장 비싸거나 오염된 연료 소스를 먼저 제거함으로써 달성될 수 있다. 얼마나 많은 재생 에너지를 포함할 수 있으며, 기존 연료 소비와 이산화탄소(CO2) 배출량을 어느 정도 줄일 수 있는지는 어플리케이션들에 따라 다를 수 있으며, 본 발명을 읽을 때 당업자의 기술 범위 내에 있을 것이다.
구현예들에서, 기초 화학 시설(예: 기초 메탄올, 암모니아, 올레핀 합성 플랜트(grass-roots olefin synthesis plant)) 설계에 재생 에너지 사용을 계획하면 더 나은 에너지 효율성과 낮은 CO2 배출량을 위한 더 중요한 기회를 얻을 수 있다. 구현예들에서, 에너지 효율의 큰 이득을 실현하기 위해 전기로 모든 회전 장비(예를 들어, 제3범주(C3)에서)에 전력을 공급하는 것이 이용된다. 구현예들에서, 실질적으로 모든 (또는 대부분, 또는 40, 50, 60, 70, 80 또는 90% 초과) 전기 가열(예컨대, 제1범주(C1) 및/또는 제2범주(C2))이 사용되며, 손실로 인한 비효율 연도 가스의 열이 실질적으로 감소되거나 심지어 방지된다. 구현예들에서, 화석 연료(예를 들어, 제2범주(C2)에서)의 연소를 통해 생성된 증기의 사용은 최소화되거나 완전히 회피할 수 있다. 구현예들에서, 촉매의 변화 및/또는 반응기 작동 조건들의 수정은 반응기에서 더 적은 열 발생 및/또는 연소되는 더 적은 부산물의 생성을 허용하기 위해 활용된다. 구현예들에서, 재생 전기의 사용을 기반으로 하는 플랜트(예컨대, 메탄올, 암모니아, 또는 올레핀 합성 플랜트) 설계는 압축 및 냉각의 상대적 비용은 본 발명에 따라 재생 전기의 활용을 통해 변경되기 때문에 분리 작업들의 향상된 최적화를 허용한다. 이러한 강화된 분리들은 또한 구현예들에서 배출 스트림으로부터 소량 부산물들의 추가 포획을 허용하여, 이러한 소량 생성물을 공급원료 또는 생성물로서 추가 사용을 위해 자유롭게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 구현예들에 따르면, 저비용 전기의 사용은 새로운 기술의 도입(가령, 하이브리드 가스 및 전기 히터들, 가변 속도 압축기 구동들, 분산 냉각, 열 펌프들, 개선된 증류 컬럼들, 유체의 수동 태양열 가열, 반응기 온도 프로파일들의 정밀한 제어, 새로운 구성 재료들, 전기 냉각 희석제들을 사용한 급랭 또는 냉각 등이나 이에 제한되지 않음)을 가능하게 할 수 있다. 전기 비용이 충분히 낮으면 본 명세서에서 교시된 전기의 활용이 새로운 전기화학적 공정의 도입에 유리할 수 있다. 새로운 건설의 경우, 예를 들어 (가령, 플랜트-전반) 증기 분배 시스템이 부족하기 때문에 공정을 전기적으로 구동하는 것이 자본 집약적일 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 비-탄소 기반 에너지, 재생 에너지 및/또는 전기(재생 가능한, 재생 불가능한, 탄소-기반 및/또는 비-탄소 기반 전기)는 메탄올, 암모니아, 올레핀들(예컨대, 에틸렌, 프로필렌), 방향족들, 글리콜들 및 중합체를 포함하지만 이에 국한되지 않는 거의 모든 화학 물질의 생산에 사용될 수 있다. 비-탄소 기반 에너지, 재생 에너지 및/또는 전기는, 구현예들에서 메틸 3차-부틸 에테르(methyl tert-butyl ether, MTBE) 합성, 분해, 이성질체화 및 개질과 같은 연료 생산 및 화학 물질을 위한 공급원료의 제조에 사용될 수도 있다. 그러한 구현예들에서, 플랜트/공정 또는 그 섹션 전체에 걸친 가열의 일부(예컨대, 약 10, 20, 30, 40 또는 50% 이상), 대부분(예컨대, 약 50, 60, 70, 80, 90, 또는 95% 이상), 또는 모두(예컨대, 약 100%)는 전기 가열에 의해 제공될 수 있고 및/또는 플랜트/공정 전체에 걸친 냉각의 일부(예컨대, 약 10, 20, 30, 40, 또는 50% 이상), 대부분(예컨대, 약 50, 60, 70, 80, 90, 또는 95% 이상), 또는 전부(예컨대, 약 100%) 또는 이의 섹션은 전술한 바와 같이 전기 냉각에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 IES로 작동되는 일반화된 화학 합성 플랜트가, 본 발명의 구현예들에 따른, 적어도 하나의 화학 생성물(35)을 생산하는 데 이용되는 화학 합성 플랜트(I)의 개략도인 도 3을 참조하여 설명될 것이다. 제한 없이, 특정 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 화학 생성물은, 예를 들어, 2019년 1월 15일에 제출된 "Use of Renewable Energy in the Production of Chemicals(화학 물질 생산에 재생 에너지 사용)"라는 명칭의 미국 임시 특허 출원 제62/792,631호, 제62/792,632호, 제62/792,633호, 제62/792,634호 및 제62/792,635호 또는 "Use of Intermittent Energy in the Production of Chemicals(화학 물질 생산에 간헐 에너지 사용)"라는 명칭의 미국 임시 특허 출원 제62/792,636호 및 제62/792,637호에 기술된 바와 같이 생성된 화학 물질을 포함하고, 각각의 발명 내용은 본 발명에 반하지 않는 목적으로 여기에 포함된다. 제한 없이, 특정 구현예에서, 상기 적어도 하나의 화학 생성물은, 예를 들어, 하나 이상의 분해 반응기들에서 분해에 의해 생성된 에틸렌(가령, 2019년 1월 15일에 제출된 “올레핀 합성에서 재생 에너지의 사용(Use of Renewable Energy in Olefin Synthesis)”이라는 명칭의 미국 임시 특허출원 제62/792,612호 및 제62/792,615호(여기서, 각각의 발명 내용은 본 발명에 반하지 않는 목적으로 여기에 포함됨)에 기재된 올레핀 합성을 통해); 예를 들어, 하나 이상의 암모니아 합성 반응기들에서 생성된 암모니아(가령, 2019년 1월 15일에 출원 중인 "암모니아 합성에서 재생 가능 에너지 사용(Use of Renewable Energy in Ammonia Synthesis)"이라는 명칭의 미국 임시 특허출원 제62/792,617호 및 제62/792,619호(여기서, 각각의 발명 내용은 본 발명에 반하지 않는 목적으로 여기에 포함됨)에 설명된 암모니아 합성을 통해); 예를 들어, 하나 이상의 메탄올 합성 반응기들에서 생성된 메탄올(예컨대, 2019년 1월 15일에 출원되고 “메탄올 합성에서 재생 에너지 사용(Use of Renewable Energy in Methanol Synthesis)”이라는 명칭의 미국 임시 특허출원 제62/792,622호 및 제62/792,627호(여기서, 각각의 발명 내용은 본 발명에 반하지 않는 목적으로 여기에 포함됨)에 기재된 메탄올 합성을 통해); 예를 들어, 분해에 의해 생성된 프로필렌; 예를 들어, 에틸렌의 산화에 의해 생성된 에틸렌 옥사이드; 예를 들어, 에틸렌 옥사이드의 수화에 의해 생성된 모노에틸렌 글리콜; 예를 들어, 에틸렌의 염소화에 의해 생성된 에틸렌 디클로라이드; 예를 들어, 에틸렌 디클로라이드로부터 생성된 비닐 클로라이드; 예를 들어, 올리고머화에 의해 생성된 알파-올레핀들; 예를 들어, 파라핀들의 탈수소화에 의해 생성된 올레핀들; 예를 들어, 노르말 파라핀들의 이성질체화에 의해 생성된 이소파라핀들(가령, n-부탄으로부터 생성된 이소부탄); 예를 들어, 고리화 및/또는 탈수소화에 의해 파라핀들 및/또는 나프텐들로부터 생성된 방향족들(BTX); 예를 들어, 고리화 및/또는 탈수소화에 의해 나프타로부터 생성된 방향족 화합물; 예를 들어, 벤젠을 에틸렌으로 알킬화하여 생성된 에틸벤젠; 예를 들어, 에틸 벤젠의 탈수소화에 의해 생성된 스티렌; 예를 들어, 벤젠을 프로필렌으로 알킬화하여 생성된 쿠멘; 예를 들어, 쿠멘의 산화에 의해 생성된 페놀; 예를 들어, 파라자일렌의 산화에 의해 생성된 테레프탈산; 예를 들어, 공기로부터의 분리에 의해 생성된 산소; 예를 들어, 공기로부터의 분리에 의해 생성된 질소; 예를 들어, 이소부틸렌의 에테르화에 의해 생성된 MTBE; 예를 들어, 중합에 의해 생성된 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리카보네이트 및/또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PE, PP, PVC, PS, PC, PET)를 포함한다. 제한 없이, 다른 특정 구현예들에서, 상기 하나 이상의 화학 생성물은, 예를 들어 메탄올 카르보닐화에 의해 생성된 아세트산; 예를 들어, 아세트산과 에틸렌의 반응에 의해 생성된 비닐 아세테이트; 예를 들어, 메탄올 올리고머화(일반적으로 메탄올에서 올레핀으로의 공정으로 알려짐)에 의해 생성된 프로필렌; 예를 들어, 프로필렌의 산화에 의해 생성된 아크릴산; 예를 들어, 이소부틸렌의 산화에 의해 생성된 메타크롤레인; 예를 들어, 메타크롤레인의 산화에 의해 생성된 메틸 메타크릴레이트; 예를 들어, 프로필렌의 가암모니아 산화에 의해 생성된 아크릴로니트릴; 예를 들어, 황의 산화에 의해 생성된 황산; 예를 들어, 암모니아의 산화에 의해 생성된 질산; 예를 들어, 프로필렌의 수화에 의해 생성된 프로필렌 글리콜; 아디프산, 카프로락탐, 시클로헥사논, 1,6 디아미노헥산, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 나일론 전구체; 또는 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 나일론;을 포함한다.
본 발명은 화학 생성물 생산하기 위한 화학 합성 플랜트를 설명하고, 상기 화학 합성 플랜트는 상기 화학 합성 플랜트의 하나 이상의 섹션들, 유닛들 또는 이와 유사한 유닛들의 그룹들 또는 유닛 작업들에 필요한 순 에너지의 대부분이 간헐적 에너지 공급원(예를 들어, 비-탄소 기반 에너지 공급원(예를 들어, 탄화수소와 같은 탄소-기반 연료의 연소를 통해 생성되지 않음), 재생 에너지(예를 들어, 비-화석연료 유래 에너지(ENF)), 또는 전기 및/또는 재생 전기로부터의 비-탄소 기반 에너지(ENC)를 포함하는 간헐적 에너지))에 의해 제공되도록 구성/작동 가능하다. 상기 ENC 또는 ENF 공급원은 구현예들에서, 전기를 포함하거나, 주로 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 또는 구성될 수 있다. 상기 ENC 또는 ENF 공급원은 구현예들에서, 재생 전기를 포함하거나, 주로 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성될 수 있다. 구현예들에서, 전체 올레핀 합성 플랜트, 상기 플랜트의 섹션(예컨대, 공급물 전-처리 섹션, 반응 섹션, 및/또는 생성물 정제 섹션), 이와 유사한 유닛들의 그룹(예컨대, 압축기들, 전원 공급 유닛들, 가열 유닛들, 리보일러들, 냉각 유닛들, 냉동 유닛들, 분리기들, 증류/분별 컬럼들) 또는 상기 플랜트의 유닛 동작들(예컨대, 압축, 전원 공급, 가열 작업들, 냉각 작업들, 반응들, 분리들)에 의해 필요한 순 에너지의 일부(예컨대, 약 5, 10, 20, 30, 40, 50 이상), 대부분(예컨대, 약 50, 60, 70, 80, 90, 또는 95% 이상) 또는 전부(예컨대, 약 100%)가 전기, 재생 에너지(예컨대, 비-화석 연료 유도 에너지(ENF)) 및/또는 비-탄소 기반 에너지(ENC)에 의해 제공된다. 구현예들에서, 풍력(가령, 풍력 터빈들을 통해) 또는 태양열(가령, 태양광(PV) 패널을 통한 태양광)과 같은 재생 간헐적 에너지 공급원으로부터 전기가 제공된다. 일부 구현예들에서, 전체 화학 합성 플랜트, 상기 플랜트의 섹션(예컨대, 공급물 전-처리 섹션, 반응 섹션, 및/또는 생성물 정제 섹션), 유닛 또는 이와 유사한 유닛들의 그룹들(예컨대, 압축기들, 전원 공급 유닛들, 가열 유닛들, 리보일러들, 냉각 유닛들, 냉동 유닛들, 반응기들, 분리기들, 증류/분별 컬럼들) 또는 상기 화학 합성 플랜트의 유닛 작업들(예컨대, 압축, 전원 공급, 분리들, 가열, 냉각, 반응) 또는 이들의 조합에 필요하고, 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료 및/또는 중간 열(및/또는 에너지) 전달 유체로서의 증기(예컨대, 그러한 연료의 연소를 통해 자체적으로 생성됨)의 사용을 통해 유사한 화학 합성 플랜트에서 통상적으로 제공되는 상기 전기, 재생 에너지(예컨대, 비-화석 연료 유도 에너지(ENF)) 또는 비-탄소 기반 에너지(ENC)의 일부(예컨대, 약 5, 10, 20, 30, 40, 50 이상), 대부분(예컨대, 약 50, 60, 70, 80, 90, 또는 95% 이상) 또는 전부(예컨대, 약 100%)는, 연료, 탄소 기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소하지 않고 및/또는 중간 열(및/또는 에너지) 전달 유체와 같은 연료의 연소에 의해 생성된 증기를 사용하지 않는다. 구현예들에서, 전체 플랜트 또는 상기 플랜트의 하나 이상의 섹션들, 유닛들 또는 이와 유사한 유닛들의 그룹의 순 에너지는 재생 간헐적 에너지 공급원의 전기에 의해 제공된다. 구현예들에서, 상기 에너지는 상기 재생 IES가 이용 가능하거나(예를 들어, 온라인으로 또는 저장되어 있을 때) 또는 임계 가격 미만일 때 간헐적 재생 에너지 공급원으로부터 전기에 의해 제공된다. 예를 들어, 구현예들에서, 가열은 저항 가열을 통해 전기적으로 제공되며, 상기 전기는 이용 가능할 때 또는 임계 가격 미만일 때 주로 IES로부터 얻어진다. 사용 가능한 간헐적 에너지에는 상기 IES를 통해 직접 제공되는 '온라인' 에너지(예컨대, 태양 전지들을 통해)와 온라인 상태에서 상기 IES에서 얻은 저장된 에너지가 포함될 수 있으며 나중에 상기 플랜트 내에서 이용된다.
구현예들에서, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 상기 공급물 준비 시스템, 하나 이상의 반응기들, 생성물 정제 시스템 또는 이들의 조합을 통해 이용되는 전력 공급, 가열, 냉각, 압축, 분리 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예를 들어, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 초과)이 전기에 의해 제공되도록 구성된다. 구현예들에서, IES가 이용 가능하거나 임계 가격 미만일 때 상기 IES로부터 전기가 제공된다.
구현예들에서, 본 발명 구현예들에 따른 화학 합성 플랜트는, 연간 약 10,000톤, 연간 100,000톤, 연간 250,000톤, 연간 500,000톤 또는 연간 10,000,000톤 이상의 원하는 화학 생성물을 생산할 수 있는 대형 플랜트이다. 본 발명에서 예상되는 크기에서, 상기 IES에 의해 제공되는 에너지의 양은 이와 상응하게 클 것이다. 구현예들에서, 본 발명의 방법에 따른 부분적으로 또는 완전히 전기화된 플랜트는 상기 IES로부터 적어도(즉, 그 이상) 약 10, 15, 20, 25, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 750, or 1000 MW의 전기를 소비할 것이다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 화학 합성 플랜트의 특정 실시예가 IES를 사용한 화학 합성 플랜트의 상기 전기화를 설명하기 위해 이용될 것이지만, 본 명세서의 설명을 읽을 때 당업자에게 명백한 바와 같이, 유닛들의 수많은 배열 및 다양한 화학적 합성 기술들이 본 발명 따라 전기화될 수 있음을 이해해야 한다.
일반화된 화학 합성 플랜트(I)의 개요인 도 3을 참조하면, 화학 합성 플랜트는 하나 이상의 반응물들을 포함하는 공급물 스트림(5)을 화학 생성물 스트림(35) (및 선택적으로 하나 이상의 부산물 스트림들(31))으로 전환하기 위한 다음 공정 섹션들 중 하나 이상을 포함하는 것으로 간주될 수 있다: 공급물 전-처리 섹션(10), 반응(또는 일차 반응) 섹션(20), 생성물 정제 섹션(30), 또는 이들의 조합. 재순환 섹션, 에너지(가령, 전기) 생산 및/또는 에너지 저장(가령, 수소 저장) 섹션과 같은 다른 섹션들도 본 발명의 범위 내에 있다. 이러한 섹션들은 다음 몇 단락에서 간략하게 설명하고, 아래에서 더 자세히 설명한다.
도 3의 상기 화학 합성도에 나타난 바와 같이, 화학 합성 플랜트의 공급물 전-처리 섹션(10)은 반응을 위한 반응물 공급물(5)을 준비하도록 (예컨대, 바람직하지 않은 성분들(가령, 황) 제거, 공급물의 온도 및/또는 압력 조정) 작동하여, 전-처리된 공급물(15)을 제공한다. 적용에 있어서, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 공급물 전-처리 섹션을 포함하지 않는다. 반응 또는 "화학적 합성(chemical synthesis)" 섹션(20)은 상기 전-처리된 공급물(15)로부터 원하는 화학 생성물을 생산하고 따라서 정제되지 않은 화학 생성물 스트림(25)을 제공하도록 작동 가능하다. 생성물 정제 섹션(30)은 정제되지 않은 화학 생성물 스트림(25)으로부터 정제된 화학 생성물(35)을 분리하도록 작동될 수 있다. 적용에 있어서, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 생성물 정제 섹션을 포함하지 않는다.
도 3에 도시되고 위에서 언급한 바와 같이, 상기 화학 합성 플랜트 또는 하나 이상의 섹션들, 유닛들과 같은 유닛들의 그룹 또는 그 유닛 작업들로 또는 내부의 에너지(E) 입력은(일반적으로 탄소 기반 에너지 공급원(EC)(2A)의 탄소 기반 에너지, 화석 연료-기반 에너지 공급원의 화석 연료 파생된 에너지(EF)(3A), 또는 증기(예컨대, 탄소 또는 화석 연료 기반 에너지 공급원에서 파생된 에너지를 사용하여 이러한 목적으로 생성된 증기)를 단독으로 또는 주로 열 또는 에너지 전달 매체(SHT)(1)로 사용하여 제공될 수 있음), 비-탄소 기반 에너지 공급원의 비-탄소 기반 에너지(ENC)(2B), 재생 간헐적 에너지 공급원의 재생 가능/비-화석 연료 기반 에너지(ENF)(3B) 및/또는 전기(예컨대, 간헐적 전기 및/또는 재생 간헐적 전기)로 부분적으로 또는 완전히 대체될 수 있다. 상기 탄소 기반 에너지(EC)(2A), 상기 화석 연료 파생된 에너지(EF)(3A), 또는 둘 다 전기로 부분적으로 또는 완전히 대체될 수 있다. 구현예들에서, 상기 전기는 비-탄소 기반 연료, 재생 연료, 재생 에너지 공급원, 또는 이들의 조합으로부터 파생될 수 있다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법을 통해 파생되는 이점은 화학 합성 플랜트 또는 공정으로부터의 상기 온실 가스(greenhouse gas, GHG) 배출(4)의 감소일 수 있다. 전술한 증기 시스템의 제거 또는 감소는 또한 실시예에서 더 낮은 자본 및 운영 비용을 가져올 수 있다.
위에서 언급하고 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 화학 합성 플랜트 또는 하나 이상의 섹션들, 유닛들과 같은 유닛들의 그룹 또는 그 유닛 작업들로 또는 내부의 에너지(E) 입력은(일반적으로 탄소 기반 에너지(EC) 공급원, 재생 불가능한 에너지 공급원, 비-전기적 에너지 공급원을 통해 제공되거나 증기를 단독으로 또는 주로 열 또는 에너지 전달 매체(SHT)로 사용하거나, 및/또는 재생 불가능한 연료의 연소에 의해 생성될 수 있음), 비-탄소 기반 에너지(ENC) 소스, 간헐적 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원의 에너지, 전기(모든 소스로부터), 또는 증기를 단독으로 또는 주로 열 또는 에너지 전달 매체(SHT)로 사용하지 않고 및/또는 연료 연소에 의해 생성되지 않는 에너지로 부분적으로 또는 완전히 대체될 수 있다. 본 명세서에서 개시된 시스템 및 방법을 통해 유도된 이점은 상기 화학 합성 플랜트 또는 공정에서 온실 가스 (greenhouse gas, GHG) 배출들(4)의 감소일 수 있다.
본 명세서에서 제공된 상기 실시예들에 의해 제한되는 것은 아니지만, 본 발명의 구현예들에 따라 화학 합성 플랜트가 IES로 전기화될 수 있는 방법의 일부에 대한 설명이 이제 도 3의 예시적인 화학 합성 플랜트(I)를 참조하여 제공될 것이다. 설명된 상기 단계들, 섹션들, 유닛들의 그룹들 또는 유닛 동작들은 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있으며, 하나 이상의 상기 단계들, 섹션들, 유닛들 또는 유닛 동작들은 상이한 단계, 섹션, 유닛 또는 유닛 동작에 의해 부재, 복제, 대체될 수 있으며, 다양한 구현예들에서 본 명세서에 설명되지 않은 추가 단계들, 섹션들, 유닛들 또는 유닛 동작들이 채용될 수 있다. 또한 단계가 특정 섹션에 있는 것으로 표시되지만, 상기 단계는 다른 섹션의 일부로 간주될 수도 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 구현예들에서, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 공급물 전-처리 섹션(feed pretreating section)(10)을 포함한다. 이러한 공급물 전-처리 섹션(10)은 공급물(또는 다중 공급물들)로부터 촉매 독들(catalyst poisons)과 같은 하나 이상의 성분들을 제거하고, 상기 공급물 또는 공급물들의 압력을 하류 (예컨대, 반응) 섹션(20) 내에서 원하는 작동 압력으로 조정하고, 상기 공급물 또는 공급물들의 온도를 원하는 작동 온도로 조정하고, 및/또는 그렇지 않으면 하류 (예컨대, 반응) 섹션(20) 이전에 공급물 또는 공급물들을 변경할 수 있도록 작동될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 구현예들에서, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 화학 합성 섹션(chemical synthesis section)(20)을 포함한다. 이러한 화학적 합성 섹션(20)은 상기 공급물(5) 또는 상기 전-처리된 공급물(들)(15)로부터 원하는 화학물질(또는 하나 이상의 원하는 화학물질)을 생산하도록 작동될 수 있다. 상기 원하는 화학물질을 생산하는 단계는 원하는 온도(들)/온도 프로파일(들) 및/또는 압력(들)에서 하나 이상의 반응기들을 유지하는 단계, 원하는 조성, 온도 및/또는 압력에서 추가 성분들(예컨대, 희석제들, 촉매)을 상기 하나 이상의 반응기들에 제공하는 단계, 상기 하나 이상의 반응기들 등으로부터 화학 생성물을 추출하여, 정제되지 않은 화학 생성물(25)을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 반응기들은 직렬 또는 병렬로 작동하도록 구성될 수 있으며, 하나 이상의 화학 반응은 직렬 또는 병렬로 발생할 수 있다. 발생하는 상기 반응들은 본질적으로 흡열성(endothermic), 발열성(exothermic) 또는 열중성(thermoneutral)일 수 있으며, 발생하는 모든 반응들의 순(net)은 본질적으로 흡열성, 발열성 또는 열중성일 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 구현예들에서, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 선택적으로 생성물 정제 섹션(30)을 포함한다. 이러한 생성물 정제 섹션(30)은 임의의 수의 방식들로 상기 정제되지 않은 화학 생성물로부터 화학 생성물 또는 다중 생성물들 및 부산물들을 분리하도록 작동될 수 있다. 예를 들어, 분리들은 하나 이상의 증류 컬럼들 및 관련 리보일러들, 플래시 분리기들, 용매 추출기들, 추출 증류 유닛들, 결정화기들, 증발기들, 상 분리기들(예컨대, 경사기들, 사이클론들 등), 흡수기들, 흡착기들, 멤브레인들 등을 통해 수행되어, 상기 화학 생성물 스트림(35)을 제공할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 구현예들에서, 상기 화학 합성 플랜트 또는 그 하나 이상의 섹션들 내에서 필요한 순 에너지의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90% 초과, 또는 실질적으로 전부는(예컨대, 상기 공급물 전-처리 섹션(10) 내에서 필요한 상기 에너지(E1), 상기 반응 섹션(20) 내에서 필요한 상기 에너지(E2) 및/또는 상기 생성물 정제 섹션(30) 내에서 필요한 상기 에너지(E3)) [또는 아래에서 논의되는 하나 이상의 유닛들 또는 유닛들의 그룹(예컨대, 압축기들, 분리기들, 증류 컬럼들) 또는 유닛 작업들(예컨대, 압축, 동력 공급, 분리, 가열, 냉각)], 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원 또는 전기로부터 (재생 가능 및/또는 재생 불가능한 모든 공급원으로부터) 제공된다. 구현예들에서, 상기 화학 합성 플랜트 또는 그 하나 이상의 섹션들 내에서 필요한 순 에너지(예컨대, E = E1 + E2 + E3)의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90% 초과, 또는 실질적으로 전부는(예컨대, 상기 공급물 전-처리 섹션(10) 내에서 필요한 에너지(E1), 상기 반응 섹션(20) 내에서 필요한 에너지(E2) 및/또는 상기 생성물 정제 섹션(30) 내에서 필요한 에너지(E3)) [또는 아래에서 논의되는 하나 이상의 유닛들 또는 유닛들의 그룹들(예컨대, 압축기들, 분리기들, 증류 컬럼들) 또는 유닛 작업들(예컨대, 압축, 동력 공급, 분리, 가열, 냉각)], 연료를 연소하지 않고 및/또는 증기를 단독으로 또는 열(및/또는 에너지) 전달 매체로 전혀 생성하지 않고 제공된다.
하나 이상의 유닛들 또는 유닛들의 그룹들 또는 유닛 작업들에 필요한 순 에너지의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90% 초과, 또는 실질적으로 전부는, 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원 및/또는 전기로부터 (재생 가능 및/또는 재생 불가능한 모든 공급원으로부터) 제공된다. 예를 들어, 제한 없이, 구현예들에서, 이러한 유닛들은 압축기들(예컨대, 공급물 압축기들 및/또는 냉동 압축기들), 펌프들, 분리기들(예컨대, 증류 컬럼들, 흡수 유닛들 및/또는 스트리퍼들), 추출기들(예컨대, 액체-액체 추출 및/또는 추출 증류), 특정 반응을 위한 반응기들(예컨대, 직렬 및/또는 병렬의 개별 반응기들 또는 다중 반응기들), 히터들(예컨대, 열 교환기들 및/또는 리보일러들), 냉각기들(예컨대, 냉각 유닛들 및/또는 극저온 유닛들, 송풍기들, 냉각수 시스템들), 재생용 장비(예컨대, 촉매들, 흡착제들 또는 스트리핑 용액들의 재순환을 위하여) 또는 이들의 조합을 포함한다.
구현예들에서, 일련의 작업들에 필요한 순 에너지의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90% 초과 또는 실질적으로 모두(예컨대, 압축, 펌핑, 전원 공급, 혼합, 분리, 가열, 냉각, 반응, 재순환, 에너지 저장 및/또는 에너지 생성)는, 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원, 전기로부터 (재생 가능 및/또는 재생 불가능한 모든 공급원으로부터) 제공된다.
화학 플랜트들에서 사용되는 상기 에너지(E)의 상당 부분은 가열 및 냉각(Q)에 사용된다; 그 중요성 때문에 가열 및 냉각으로 전달되는 모든 순 에너지의 비율은 별도로 고려될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 구현예들에서, 가열 및/또는 냉각에 필요한 순 에너지의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 초과, 또는 실질적으로 전부는, 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원 및/또는 전기로부터 (재생 가능 및/또는 재생 불가능한 모든 공급원으로부터) 제공된다. 예를 들어, 구현예들에서, 상기 화학 합성 플랜트 또는 그 하나 이상의 섹션들 내에서 필요하고, 하나 이상의 유닛들 또는 유닛들의 그룹들(예컨대, 냉동 유닛들, 열 교환기들)에 의해 제공되는 순 열 입력 또는 제거의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90% 초과, 또는 실질적으로 전부는(예컨대, 상기 공급물 전-처리 섹션(10) 내에서 필요한 상기 열 입력 또는 제거(Q1), 상기 반응 섹션(20) 내에서 필요한 열 입력 또는 제거(Q2), 및/또는 상기 생성물 정제 섹션(30) 내에서 필요한 열 입력 또는 제거(Q3)), 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원 및/또는 전기로부터 (재생 가능 및/또는 재생 불가능한 모든 공급원으로부터) 제공된다. 본 발명에 따르면, 공정 스트림들을 냉각할 때, 다른 공정 스트림들을 가열하기 위해 가능한 한 많은 열이 사용되어야 한다. 그러나 특정 온도 이하에서는 더 이상의 열 전달이 더 이상 효과적이거나 유용하지 않으며, 송풍기들, 냉각수들 및/또는 냉각(열 제거를 위한 에너지 투입이 필요함)이 활용된다. 구현예들에서, 예를 들어, 공정 스트림들의 온도를 변경하기 위한 열 교환기들, 냉각 유닛들, 또는 이들의 조합은 전기적으로 전력을 공급받을 수 있다. 구현예들에서, 냉동 유닛들은 하나 이상의 전기-구동식 압축기들을 포함한다. 구현예들에서, 증기는 중간 열 및/또는 에너지 전달 스트림으로 단독으로 활용되지 않으며, 상기 플랜트 또는 그 섹션(들)은 에너지 전달을 위해 통상적으로 사용되는 정교한 스팀 시스템을 포함하지 않는다. 구현예들에서, 증기는 열 전달 유체로 사용되며, 예를 들어 펌프 또는 압축기를 구동하기 위한 기계적 작업을 수행하는 데 사용되지 않는다. 구현예들에서, 가열은 저항 가열을 통해 제공된다. 구현예들에서, 가열은 유도 가열을 통해 제공된다. 구현예들에서, 가열은 복사에 의해 상기 공정에 열을 전달하는 복사 패널들에 전기적으로 제공된다.
구현예들에서, 통상적으로 연료의 연소를 통해 가열될 수 있는 상기 반응 섹션(20) 또는 다른 곳의 반응기들은, 본 발명의 구현예들에 따르면, 연료를 연소시키지 않고(따라서, 상응하는 연도 가스의 부수적인 생성 없이) 가열될 수 있다. 예를 들어, 반응기(들)는 구현예들에서, 전기적으로 가열될 수 있다. 이러한 방식으로, 공장에서 배출되는 온실 가스를 줄일 수 있고, 경우에 따라서는 상기 반응 섹션(20)(또는 다른 곳) 내에서 연료로 통상적으로 연소되는 탄화수소들은 해당 플랜트 또는 다른 화학 생산 플랜트에서 추가 화학 생성물의 생산에 사용할 수 있다. 구현예들에서, 대기로의 상기 연도 가스에 포함된 열의 손실이 제거되기 때문에, 상기 연도 가스의 제거에 의해 에너지 효율이 증가된다. 반응기들의 전기 가열의 이용은 구현예들에서 반응 구역 또는 반응기를 따라 향상된 온도 프로파일을 제공할 수 있다. 예를 들어, 반응기의 길이를 따라 원하는 열 유속이 제공되어, 반응, 평형 이동 및/또는 코킹 및/또는 촉매 비활성화 최소화를 위한 향상된 온도 제어를 제공할 수 있다.
구현예들에서, 하나 이상의 반응기들은, 공급물 준비 시스템, 생성물 정제 시스템, 또는 이들의 조합이 경질 스트림(예컨대, 연도 가스, 퍼지 가스 또는 테일가스들)을 생성하고, 상기 경질 스트림, 상기 하나 이상의 반응기들에서 사용되는 상기 반응물들, 또는 이들의 조합은 수소, 일산화탄소, 하나 이상의 경질 탄화수소(예를 들어, C1 탄화수소, C2 탄화수소, C3 탄화수소 및/또는 C4 탄화수소), 또는 이들의 조합으로부터 선택된 성분을 포함하고, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 연료로서 경질 스트림, 구성요소, 또는 둘 모두의 연소를 위해 구성되지 않는다. 구현예들에서, 그러한 연소의 에너지는 전기로 대체된다.
구현예들에서, 전기는 기존보다 더 차가운 냉각수(예를 들어, 2, 5, 10 또는 15°C 더 낮은 온도)를 생성하여 하류 작업들을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 전력은 예를 들어 오염 물질들을 제거함으로써 냉각수에 사용되는 물의 품질을 개선하기 위한 작업들에 사용될 수 있다. 구현예들에서, 전기는 촉매, 흡착제 또는 흡수 용액을 재생하는 데 사용되는 가스 또는 액체 스트림들 예를 들어, 흡착제를 재생하기 위해 흡착제를 증기 스트리핑하여 재생시키는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 아민 흡수 용액을 재생하기 위해 전기가 사용된다. 구현예들에서, 전기는 반응들에 사용되는 가스를 예열하는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 전기가 공급물들 및/또는 희석제들, 예를 들어 제한 없이 증기 또는 나프타를 기화시키는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 전기는 트레이스 라인들이나 용기들을 가열하고 가스들 및/또는 액체들을 저장 및/또는 이동하는 동안 원하는 온도로 유지하는 데 사용할 수 있다. 구현예들에서, 전기는 열전 장치 및/또는 히트 펌프에 전력을 공급하여 동시적인 가열 및 냉각을 가능하게 하는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 전기는 "트림 가열"을 제공하는 데 사용될 수 있는데, (공급물/생성물 교환기를 통해) 뜨거운 반응 생성물 스트림으로부터의 열 전달에 의해 미리 가열된 가스 또는 액체 스트림은 상기 스트림을 반응기 또는 다른 하류 장치에 공급하기 전에 추가로 가열된다. 구현예들에서, 전기는 공정에 "시동(start-up)" 가열을 제공하는 데 사용될 수 있는데, 전기 구동식 히터는 플랜트가 가동될 때 반응물 또는 다른 공정 스트림을 예열하는 데 사용될 수 있지만, 제한 없이 고온 반응기 생성물 스트림들과 같은 다른 열 공급원들을 사용할 수 있게 됨에 따라 플랜트가 가동 중일 때 더 이상 사용되지 않는다.
위에서 언급한 바와 같이, 구현예들에서, 상기 화학 합성 플랜트 또는 그 하나 이상의 섹션들 내 압축에 필요한 순 에너지의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 초과, 또는 실질적으로 전부는(예컨대, 상기 공급물 전-처리 섹션(10), 상기 반응 섹션(20) 및/또는 상기 생성물 정제 섹션(30)), 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원 및/또는 전기로부터 (재생 가능 및/또는 재생 불가능한 모든 공급원으로부터) 제공된다. 이러한 압축은 예를 들어, 전-처리 섹션(10)에서 상기 공급물(5)의 압력을 상승시키고, 상기 반응 섹션(20) 내의 스트림의 압력을 상승시키고, 상기 생성물 정제 섹션(30) 내의 스트림의 압력을 상승시키고, 및/또는 재순환 스트림의 압력을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 구현예들에 따르면, 압축은 가스/연료 연소로 구동되는 터빈이나 탄화수소 연소에서 생성된 증기로 구동되는 터빈을 통하지 않고 전기 모터-구동식 압축기들을 통해 수행될 수 있다. 구현예들에서, 압축기들은 전기 가열로 생성된 증기에 의해 구동되는 터빈들로 작동된다. 예를 들어, 전기적으로 생성된 증기에 의해 구동되는 전기 모터 및/또는 터빈은, 상기 화학 합성 플랜트 또는 그 하나 이상의 섹션들 전체 또는 하나 이상의 작업들(예컨대, 냉각)을 위해 압축을 제공하는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 상기 화학 플랜트의 하나 이상의 섹션들 또는 유사한 유닛들의 그룹들(예컨대, 냉각 유닛들) 또는 작업들(예컨대, 스트림 가압, 냉각, 냉동) 내의 상기 압축기들의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 초과 또는 실질적으로 전부는, 전기 모터로 구동되는 압축기 및/또는 전기적으로 생성된 증기로 구동되는 터빈을 이용한다.
구현예들에서, 상기 플랜트 내의 고압 스트림들은 상기 화학 합성 플랜트의 하나 이상의 섹션들 내에서 사용하기 위한 전기를 생산하는 데 활용된다. 예를 들어, 상기 화학 합성 플랜트 또는 그 하나 이상의 섹션들 내의 압력 감소 단계들은 구현예들에서 제어 밸브들보다는 터빈(들)을 통해 수행될 수 있다.
구현예들에서, 연료들의 연소에 의해 생성되거나 열 및/또는 에너지 전달만을 위해 생성된 증기는 본 발명의 화학 합성 플랜트 및 방법(예를 들어, 상기 전-처리 섹션(10), 상기 반응 섹션(20) 및/또는 상기 생성물 정제 섹션(30)에서)에 사용되지 않는다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 화학 합성 플랜트는, 구현예들에서, 정교한 증기 열 및/또는 에너지 전달 시스템(동일한 화학물질을 생산하기 위해 화학 플랜트에서 통상적으로 이용될 수 있음) 없이 작동될 수 있다. 일부 적용에 있어서, 예를 들어 증기가 반응기 내에서 공급물 성분 및/또는 희석제로 활용되는 경우, 이러한 증기는 상기 화학 합성 플랜트 내에서 공정 스트림을 통한 열 전달을 통해 생산될 수 있고 및/또는 전기적으로 생산될 수 있다. 구현예들에서, 공정 스트림과의 열 전달을 통해 생성된 증기는 전기를 사용하여 과열될 수 있다. 구현예들에서, 저온 증기의 상기 전기 과열은 개선된 열 및 에너지 회수를 허용한다. 구현예들에서, 증기는 상기 화학 합성 플랜트 전체에서 상품 또는 유틸리티로 활용되지 않는다. 구현예들에서, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 본질적으로 증기가 없거나 동일한 화학 물질을 생산하기 위해 기존 플랜트보다 실질적으로 더 적은 증기를 사용한다(예컨대, 최소한 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100부피%(vol%) 더 적은 증기를 사용한다). 예를 들어, 동일한 화학 물질을 생산하기 위한 기존 플랜트는 상기 공급물 전-처리 섹션(10) 및/또는 상기 생성물 정제 섹션(30)의 증류 컬럼들의 리보일러들을 위한 증기 생산을 이용할 수 있으며, 증기 생산을 이용하여 증기 터빈들을 압축 공정 및/또는 재순환 스트림들을 구동하거나, 증기 생산을 이용하여 증기 터빈들을 냉각용으로 구동할 수 있다. 구현예들에서, 본 발명에 따른 화학 플랜트에서 이들 작업들을 위해 증기가 생성되지 않거나 실질적으로 더 적은 증기(예를 들어, 적어도 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100 부피 퍼센트(vol%) 더 적은 증기)가 생성된다. 구현예들에서, 증기는 열 전달 유체로 사용되지만 기계적 작업(예컨대, 압축기 또는 펌프 구동)에는 사용되지 않는다. 구현예들에서, 이들 작업들을 위해 생성된 상기 증기는 주로(예컨대, 사용된 총 증기 중 가장 큰 비율이 전기적으로 생성됨), 주로(예컨대, 상기 증기의 50% 초과가 전기적으로 생성됨) 또는 실질적으로 모두 전기적으로 생성된다. 구현예들에서, 반응물 또는 희석제로 사용된 증기는 주로(예컨대, 이용된 총 증기 중 가장 큰 비율이 전기적으로 생성됨), 주로(예컨대, 상기 증기의 50% 초과가 전기적으로 생성됨) 또는 실질적으로 모두 전기적으로 생성된다. 구현예들에서, 반응물 및/또는 희석제로 사용되는 상기 증기는 저항 가열을 사용하여 생성된다. 구현예들에서, 반응물 및/또는 희석제로 이용되는 상기 증기는 전극 보일러 또는 전기 수중 히터를 사용하여 생성된다. 구현예들에서, 증기는 전기를 사용하여 과열된다.
구현예들에서, 본 발명의 화학 합성 플랜트 또는 공정에서, 더 많은 에너지가 '있는 그대로' 직접 이용되며, 예를 들어, 증기의 생성 및 증기 터빈을 통한 열 에너지의 기계적 에너지로의 전환을 통해 변환되기 보다는 공급물 스트림을 가열하기 위해 고온 생성물 배출 스트림의 열을 이용한다. 본 발명의 구현예들에 따르면, 에너지를 직접 사용하면 예를 들어, 열이 기계적 에너지로 변환될 때 발생하는 에너지 효율 손실을 줄임으로써 화학 합성 플랜트의 에너지 효율을 높일 수 있다.
구현예들에서, 유체들에 대한 원동력을 제공하기 위해 전기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기는 펌프들에 전력을 공급하여 액체들을 이동 및/또는 가압하고 및/또는 송풍기들 및/또는 팬들에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 상기 화학 합성 공장에서 이용되는 펌프들 수의 일부, 대부분 또는 전부(예컨대, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100%)가 전기화된다.
위에서 언급한 바와 같이, 구현예들에서, 분리/분리들에 필요한 순 에너지의 대부분, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90% 초과, 또는 실질적으로 전부는, 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원, 전기로부터 (재생 가능 및/또는 재생 불가능한 모든 공급원으로부터) 제공된다. 본 발명의 구현예들에 따라 다양한 분리들이 전기적으로 수행될 수 있다. 온도 및/또는 압력 변화에 기초한 분리들은 위에서 설명한 바와 같이 가열/냉각 및/또는 전기적으로 압축하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 증류들, 가스/고체 분리들, 흡수, 스트리핑, 용매 추출, 추출 증류, 압력 변동 흡착, 온도 변동 흡착, 플래시 분리, 결정화 또는 이들의 조합은 본 발명의 구현예들에서 전기화될 수 있다. 비제한적인 예로서, 구현예들에서 상기 플랜트의 하나 이상의 섹션들의 증류 컬럼들은 전기적으로 가열될 수 있다. 구현예들에서, 증류 컬럼과 관련된 리보일러들은 전기적으로 가열되고 및/또는 전기적으로 생성된 증기(또는 다른 유체)를 통해 가열된다. 구현예들에서, 증류 컬럼과 관련된 리보일러들은 전기 수중 히터로 가열된다. 구현예들에서, 전기는 열전 장치 또는 열 펌프에 전력을 공급하여 증류 컬럼에서 가열(상기 리보일러에) 및 냉각(상기 응축기에) 모두를 제공하는 데 사용된다. 구현예들에서, 스트리핑에 사용하기 위한 증기가 전기적으로 생성된다.
위에서 언급한 바와 같이, 간헐적 공급이 잠재적으로 또는 알려진 재생 공급원(예컨대, 간헐적 에너지 공급원 또는 IES)의 전기를 사용할 때, 본 발명의 구현예들에 따라, 상기 화학 합성 플랜트의 작동을 유지하기 위해 다양한 단계가 취해질 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 화학 합성 플랜트(II)의 개략도인 도 4를 참조하면, 본 발명의 화학 합성 플랜트(II) 전체에 필요한 순 에너지(ENET)(예를 들어, 전력 공급(101), 펌핑(102), 가열(103), 냉각(104), 압축(105), 및/또는 분리(106) 등)는 간헐적 에너지 공급원(예컨대, 태양)을 사용할 수 있는 경우 상기 간헐적 에너지(EI)(예컨대, 재생 IES의 전기)를 통해 제공할 수 있고, 간헐적 에너지 공급원을 사용할 수 없을 때 저장된 간헐적 에너지(ESI) 및/또는 비-간헐적 에너지 공급원(ENI) (예컨대, 온라인에 있거나 저장되어 있을 수 있는 비-간헐적 공급원의 전기)에서 제공될 수 있다.
도 4의 구현예들에 도시된 바와 같이, 다양한 에너지 저장 장치(50)는 이용 가능한 간헐적 에너지(EI)가 이용 가능하지 않을 때 이용을 위해, 예를 들어 상기 EI의 일부와 같은 에너지를 저장하기 위해 이용될 수 있다. 본 발명의 상기 화학 합성 플랜트 및 방법을 이용함으로써, 상기 화학 합성의 실질적으로 연속적인 작동이 제공될 수 있으며, 재생 IES일 수 있는 IES로부터 에너지를 주로 사용한다.
본 발명에 따라 IES로 작동되는 화학 합성 플랜트(II)에서 이용하기 위한 다양한 에너지 저장 시스템들 및 방법들이 이제 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명될 것이다.
구현예들에서, 전기 공급의 간헐성을 위한 에너지를 저장하는 데 압축이 이용될 수 있다. 도 5a는 본 발명의 실시예에 따른, 압축을 통해 에너지를 저장하기 위한 시스템(IIIA)의 개략도이다. 구현예들에서, 가스 공급물(들)을 포함하는 저장용 스트림(for-storage stream)(40A)은 압축기(C1)에서 압축되고, 그 결과 압축된 스트림(41A)은 에너지(예를 들어, 전기 에너지) 공급의 간헐성을 위해 저장 용기(storage vessel)(50A)에 저장된다. 상기 저장용 스트림(40A)은 하나 이상의 공급물 스트림들, 하나 이상의 화학 생성물들, 또는 상기 화학 합성 플랜트에 의해 생성된 하나 이상의 중간체들을 포함할 수 있다. 상기 저장된, 압축된 물질의 적어도 일부(42A)는 후속 저장 공정 스트림으로서 상기 화학 합성 공정으로 복귀될 수 있다(예컨대, 상기 압축된 재료를 제공하는 데 사용되는 압축기를 작동시키기 위한 간헐적인 전기를 사용할 수 없는 경우). 구현예들에서, 상기 가스 공급물들은 압축기(들)(C1)에서 압축되고, 공정 작동 압력보다 큰 압력에서 저장 용기(50A)에 저장된다. 예를 들어, 상기 가스 공급물(들)은 구현예들에서 약 1 MPa, 10 MPa 또는 100 MPa 이상의 '고(high)' 압력으로 압축 및/또는 저장될 수 있다. 구현예들에서, 상기 저장된, 압축된 스트림의 압력이 감소될 때, 전기가 생성될 수 있고 및/또는 기계적 작업이 수행될 수 있다.
구현예들에서, 간헐적 전기가 쉽게 이용 가능하고 경제적일 때 가스 공급물들을 압축 및 액화하고, 및/또는 간헐적 전기가 쉽게 이용 가능하지 않거나 경제적이지 않을 때 전기를 생성하고 및/또는 화학 합성 공장(I) 내의 어딘 가에 공급물을 제공하기 위해 기화되고 확장된다. 예를 들어, 도 5a의 구현예에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 시스템(IIIA)은 일(W)을 제공하기 위해 상기 압축된, 저장된 스트림의 적어도 일부(43A)를 팽창시키도록 작동 가능한 팽창기(45)를 포함할 수 있다. 팽창기(45)는 구현예들에서 터보 팽창기일 수 있다. 상기 일은 구현예들에서 본 시스템 전체의 다른 곳에서 사용하기 위한 에너지를 생산하는 데 활용될 수 있다. 예를 들어, 팽창기(45)는 압축기 또는 발전기(46)를 구동하기 위해 사용될 수 있고, 따라서 각각 압축 또는 전기를 제공할 수 있다. 팽창기(45)에서의 팽창 후, 상기 감압된 스트림(43A')은 화학 합성 공정으로 복귀될 수 있고(예를 들어, 스트림(42')을 통해), 예를 들어, 공급 스트림으로서 및/또는 저장 또는 판매를 위해 보내지거나, IES가 다시 이용 가능할 때 압축기(C1)에서 재 압축되고 저장 용기(50A)에 저장될 수 있다.
구현예들에서, 공기 분리 플랜트에서 생성된 산소 또는 질소를 포함하는 저장용 스트림(예컨대, 화학 합성에 산소 또는 질소를 제공하도록 작동할 수 있는 전기 구동 ASU)은, 팽창기(45)에서 팽창을 통한 발전과 함께 나중에 사용하기 위해 압력 하에서 (예를 들어, 저장 용기(50A)에) 저장된다. 구현예들에서, 상기 저장용 스트림(40A)은 수소를 포함한다. 구현예들에서, 상기 저장용 스트림(40A)은 메탄을 포함한다. 구현예들에서, 상기 저장용 스트림(40A)은 에탄을 포함한다. 구현예들에서, 상기 저장용 스트림(40A)은 프로판을 포함한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 전기 공급의 간헐성을 위해 하나 이상의 냉각된 유체들 또는 극저온 액체들이 저장될 수 있다. 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 냉각을 통해 에너지를 저장하기 위한 시스템(IIIB)의 개략도이다. 구현예들에서, 상기 화학 합성 플랜트 내에서 사용되거나 생성된 유체를 포함하는 저장용 스트림(40B)(예를 들어, 하나 이상의 공급물 스트림들, 하나 이상의 화학 생성물들, 상기 화학 합성 공정에 의해 생성된 하나 이상의 중간체들, 또는 이미 사용 중인 냉매)은, 냉각 또는 냉동 장치(60)에서 냉각되고 그 결과 냉각된 스트림(41B)은 에너지(예를 들어, 전기 에너지) 공급의 간헐성을 위해 저장 용기(50B)에 저장된다. 구현예들에서, 공급물들, 중간체들, 또는 생성물들/부산물들은 간헐적인 전기 공급을 위한 냉매로 사용하기 위해 냉각되고 저장된다. 구현예들에서, 질소는 전기 공급의 간헐성을 위한 냉매로 사용하기 위해 냉각되고 저장된다. 상기 저장된, 냉각된 재료의 적어도 일부(42B)는 후속 저장 공정 스트림으로서 상기 화학 합성 공정으로 복귀될 수 있다 (예컨대, 상기 냉각된 재료를 제공하는 데 사용되는 냉각 장치를 가동하기 위한 간헐적인 전기를 사용할 수 없는 경우). 구현예들에서, 상기 냉각된, 저장된 스트림의 적어도 일부(43B) 및 상기 화학 합성 플랜트의 공정 스트림(71)은 열 교환기(70) 내로 도입될 수 있고, 이에 의해 상기 공정 스트림(71)과 상기 저장된, 냉각된 재료(43B)의 적어도 일부 사이의 열 교환은 냉각된 공정 스트림(71A) 및 이제 더 따뜻한 재료(예컨대, 가스 또는 액체)를 포함하는 가열된 스트림(43B')을 생성한다. 이러한 저장 시스템 및 방법을 통해, 상기 화학 합성 공정에서 생성된 재료(예컨대, 프로판 또는 암모니아)는 구현예들에서, 간헐적인 전기가 쉽게 이용 가능할 때 냉각될 수 있고(예컨대, 저장용 스트림(40B)을 통해 냉각 장치(60)로의 도입을 통해), 전기를 사용할 수 없을 때 상기 화학 합성 플랜트 전체에 걸쳐 스트림들(예컨대, 공정 스트림(71))을 냉각하기 위해 열 교환기(70)에서 사용되며; 그 결과 따뜻한 액체 또는 가스(예컨대, 가열된 스트림(43B'))는 그 다음 공급물로 활용 및/또는 생성물로 회수될 수 있다. 구현예들에서, 상기 저장된, 냉각된 재료가 따뜻해지면 압력이 증가하고, 가스는 일을 제공하기 위해 팽창기를 통해 팽창된다. 상기 팽창기는 구현예들에서 터보 팽창기일 수 있다. 상기 작업은 구현예들에서 상기 시스템 전체의 다른 곳에서 사용하기 위한 에너지를 생산하는 데 활용될 수 있다. 예를 들어, 상기 팽창기는 압축기 또는 발전기를 구동하여 각각 압축 또는 전기를 제공하는 데 사용될 수 있다. 팽창 후, 상기 감압된 스트림은 예를 들어 그 안에 있는 공급물 스트림으로서 상기 화학 합성 공정으로 되돌아갈 수 있고, 및/또는 저장 또는 판매를 위해 전송되거나 IES가 다시 사용 가능할 때 재 압축 및 저장될 수 있다. 즉, 구현예들에서 압력 에너지와 냉각이 모두 저장된다; 냉매를 데우면 압력이 가해지기 때문에 이러한 압력은 플랜트 전체에 에너지를 제공하는 데에도 활용될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 수소(예를 들어, 압축된 수소)는 전기 공급의 간헐성을 위해 연료 전지를 통해 저장 및/또는 통과된다. 구현예들에서, 수소를 포함하는 저장용 스트림은 저장되고, 나중에 연료 전지를 통과하여 전기 공급의 간헐성을 처리하기 위해 전기를 생성한다. 도 5c는 본 발명의 실시예들에 따른, 수소를 통해 에너지를 저장하기 위한 시스템(IIIC)의 개략도이다. 구현예들에서, 수소를 포함하는 저장용 스트림(40C)은 에너지(예를 들어, 전기 에너지) 공급의 간헐성을 위해 저장 용기(50C)에 저장된다. 구현예들에서, 시스템(IIIC)은 압축기(C1)를 포함하고, 저장용 스트림(40C)의 상기 저장용 수소는 압축기(C1)에서 압축되고, 상기 압축된 수소 스트림(41C)의 상기 압축된 수소는 저장 용기(50C)에 저장된다. 구현예들에서, 수소를 포함하는 상기 저장용 스트림(40C), 상기 압축된 저장용 스트림(41C), 및/또는 수소의 저장된 스트림(43C)(구현예들에서 압축된 또는 비-압축된 수소를 포함할 수 있음)은 시스템(IIIC)의 연료 전지(80) 내로 도입될 수 있다. 연료 전지(80)는 수소로부터 전기를 생산하도록 작동 가능한 임의의 연료 전지(또는 흐름 배터리(flow battery))를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지(80)는 양성자-교환 막(PEM) 연료 전지(proton-exchange membrane fuel cell, PEMFC)(고분자 전해질 막 연료 전지로도 알려짐), 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 등을 포함할 수 있다. 연료 전지(80)는 수소 도입을 통해 84로 표시된 전기(및 83으로 표시된 물)를 생산하도록 작동 가능하다; 그리고 저장용 스트림(40C) 및/또는 저장된 수소 스트림(43C) 및 81을 각각 통해 거기에 공기를 제공한다. 배출물들은 82에서 제거될 수 있다. 85로 표시된 생성된 열은 '폐열(waste)'일 수 있으며 구현예들에서 상기 화학 합성 플랜트의 다른 곳에서 활용될 수 있다(예컨대, 열 병합 발전 또는 공정 가열용).
대안적으로 또는 추가적으로, 수소(예를 들어, 압축된 수소)는 전기 공급의 간헐성을 위해 저장 및/또는 연소된다. 구현예들에서, 수소를 포함하는 저장용 스트림이 저장되고, 나중에 증기 및 열을 생성하기 위해 연소된다. 구현예들에서, 상기 고온 증기는 반응물 또는 공정 희석제로 사용된다. 구현예들에서, 상기 고온 증기의 온도는 상기 공정 스트림의 온도가 증가하도록 첨가되는 상기 공정 스트림의 온도보다 높다. 구현예들에서, 상기 연소는 (예를 들어, 터빈에서) 전기를 생성하는 데 사용된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 전기 공급의 간헐성을 위해 열이 저장될 수 있다. 구현예들에서, 열(예컨대, 가열되거나 과열된 유체)은 전기 가열을 사용할 수 없을 때 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위해 저장된다. 도 5d는 본 발명의 실시예들에 따른, 가열을 통해 에너지를 저장하기 위한 시스템(IIID)의 개략도이다. 구현예들에서, 공정 스트림을 포함하는 저장용 스트림(40D)(예컨대, 하나 이상의 공급물 스트림들, 하나 이상의 화학 생성물들, 또는 상기 화학 합성 공정에 의해 생성된 하나 이상의 중간체들)은, 가열 장치(90)(구현예들에서 전기 가열 장치일 수 있음)에서 가열되고, 에너지(예를 들어, 전기 에너지) 공급의 간헐성을 위해 저장 용기(50D)에 저장된다. 가열 장치(90)는 저장용 스트림(40D)을 통해 그에 도입된 상기 저장용 스트림을 가열하도록 구성된다. 가열 장치(90)는 당업자에게 공지된 임의의 가열 장치일 수 있다. 구현예들에서, 가열 장치(90)는 전기적으로 가열되는 가열 장치를 포함한다. 가열된 스트림(41D)은 저장을 위해 저장 용기(50D) 내로 도입된다. 상기 저장된, 가열된 스트림은 상기 저장된, 가열된 스트림(43D)으로부터 상기 화학 합성 공정의 공정 스트림(71)으로 열을 전달하기 위해 열 교환 장치(91) 내로 도입될 수 있다. 가열된 공정 스트림(71A) 및 상기 저장된, 가열된 스트림 이후 열 교환을 포함하는 냉각된 열 교환기 유체(43D)는, 열 교환 장치(91)로부터 제거될 수 있다. 열 교환 장치는 당업자에게 공지된 임의의 열 교환 장치일 수 있다. 상기 가열된 공정 스트림(71B), 냉각된 열 교환기 유체(43D) 내의 냉각된 상기 열 교환 스트림, 또는 둘 모두는 실시예에서 화학 합성 공정으로 복귀될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 구현예들에서, 열 에너지는 고체 또는 액체 열 저장 재료를 가열함으로써 저장될 수 있다. 이러한 재료는 공정 스트림에 의해 가열되거나 전용 가열 장치에 의해 직접 가열될 수 있다. 구현예들에서, 상기 전용 가열 장치는 전기에 의해 구동된다. 나중에, 가열될 공정 스트림과의 열 교환을 통해 열을 회수할 수 있다. 구현예들에서, 상기 고체 또는 액체 열 저장 재료는 용융 염(molten salt)이다.
대안적으로 또는 추가적으로, 열 에너지는 상기 재료를 용융함으로써 액화 잠열로서 열 에너지가 포획되는(예를 들어, 공정 스트림 또는 IES로부터) 하나 이상의 상 변화 재료들을 사용하여 저장될 수 있다. 상기 에너지는 공정 스트림을 상기 상 변화 재료와 직접 또는 간접적으로 열 접촉하게 하고 상기 재료가 응고되도록 함으로써 회수될 수 있다. 상기 상 변화 재료의 적절한 선택을 통해 원하는 온도에서 열 에너지를 저장할 수 있다. 구현예들에서, 상기 상 변화 재료는 상기 상 변화와 동일한 온도에서 공정 가열을 제공할 수 있다. 예를 들어, 융점이 약 271°C인 아질산나트륨(sodium nitrite)은 이러한 온도 또는 그 근처에서 열 에너지를 저장하고 방출하는 상 변화 재료로 사용할 수 있다. 대안적으로, 융점이 약 450°C인 붕소 산화물(boron oxide)를 상 변화 재료로 사용하여 이 보다 고온에서 또는 그 근처에서 열 에너지를 저장하고 방출할 수 있으며, 이는 예를 들어 N2 및 H2를 포함하는 가스 스트림을 암모니아 합성을 위한 적절한 온도로 예열하는 데 적합하다. 구현예들에서, 상기 상 변화 재료는 전기 히터들을 사용하거나 상기 IES를 사용할 수 있을 때마다 공정 스트림에 존재하는 일부 열을 추출하여 녹일 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 에너지는 구현예들에서 중력 위치 에너지로 저장될 수 있다. 재생 가능 에너지를 사용할 수 있게 되면, 질량(예컨대, 액체 또는 고체)을 높일 수 있다. 나중에, 상기 상승된 질량을 낮추어 에너지를 회수하여 전기를 생성하거나 및/또는 기계적 작업을 수행할 수 있다. 구현예들에서, 상기 질량은 생성물 또는 공급물이다. 구현예들에서, 상기 질량은 물이다.
대안적으로 또는 추가적으로, 도 4의 에너지 저장 장치(50)는 간헐적인 전기 공급을 위해 보관된 저장 배터리들을 포함한다.
간헐성은 1초 미만(예컨대, 매우 짧은 전기 공급 중단들)에서 몇 개월(예컨대, 풍력의 계절적 변동으로 인해)에 이르는 다양한 시간 규모로 발생할 수 있음을 이해해야 한다. 구현예들에서, 본 명세서의 상기 시스템들 및 방법들은 일주기 간헐성(diurnal intermittency), 즉, 예를 들어 태양열 또는 풍력의 변동으로 인한 IES 가용성의 일일 변동에 관한 것이다. 위에서 설명한 시스템들 및 방법들은 임의의 시간 규모에서 간헐성에 적용될 수 있다. 더 짧은 시간 규모들(예컨대, 초, 분 또는 몇 시간)에 대한 간헐성을 위해 아래에 설명된 추가 방법 및 시스템이 활용될 수 있다.
구현예들에서, 하나 이상의 반응기들은 내화 재료들로 라이닝되거나 절연되어 있어 전력의 짧은 손실이 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 또는 절연된 반응기들의 온도를 크게 저하시키지 않는다. 구현예들에서, 상기 온도 손실은 적어도 2분 동안 10℃ 미만, 또는 적어도 2분 동안 5℃ 미만, 또는 적어도 5분 동안 10℃ 미만, 또는 적어도 10분 동안 10℃ 미만, 또는 적어도 30분 동안 20℃ 미만이다.
구현예들에서, 하나 이상의 반응기들은 본체가 정상 작동 중에 가열되도록 큰 열 질량의 상기 본체와 열적으로 연결되어 구축되지만, 짧은 전력 손실 동안 상기 본체는 상기 반응기의 온도가 크게 떨어지지 않도록 상기 반응기에 열을 공급할 수 있다. 구현예들에서, 상기 온도 손실은 적어도 2분 동안 5℃ 미만, 또는 적어도 2분 동안 2℃ 미만, 또는 적어도 5분 동안 5℃ 미만, 또는 적어도 15분 동안 10℃ 미만, 또는 적어도 45분 동안 20℃ 미만이다.
구현예들에서, 하나 이상의 반응기들은 융점이 상기 반응기의 원하는 온도에 가깝도록 선택된 상 변화 재료와 열적으로 연결되어 있다. 상기 IES를 사용할 수 있는 경우, 이러한 상 변화 재료는 상기 액체 상태로 유지된다. 상기 IES를 사용할 수 없는 경우, 상기 상 변화 재료의 냉각 및 응고는 상기 반응기에 열을 공급하여 상기 반응기 온도가 크게 떨어지지 않도록 할 수 있다. 구현예들에서, 상기 온도 손실은 적어도 2분 동안 4℃ 미만, 또는 적어도 5분 동안 5℃ 미만, 또는 적어도 10분 동안 5℃ 미만, 또는 적어도 30분 동안 10℃ 미만, 또는 적어도 90분 동안 20℃ 미만이다.
대안적으로 또는 추가적으로, 에너지 저장 장치(50)는 주요 성분들(예컨대, 가스들의 안전한 흐름을 유지하기 위해 상기 하나 이상의 화학 생성물 또는 압축기들의 생산을 유지하는 데 필요한 반응기들과 같은 성분들)을 위한 백업 전원을 포함한다. 예를 들어, 구현예들에서 이 에너지 저장 장치는 플라이휠을 포함한다. 구현예들에서, 이러한 에너지 저장 장치는 하나 이상의 커패시터들을 포함한다. 구현예들에서, 이러한 에너지 저장 장치는 전기를 저장하기 위한 화학 배터리들을 포함한다. 구현예들에서, 이러한 에너지 저장 장치는 초전도체들 또는 슈퍼커패시터들을 사용하는 시스템을 포함한다. 구현예들에서, 이러한 에너지 저장 장치는 열 배터리들을 포함한다. 구현예들에서, 이러한 에너지 저장 장치는 압축 공기 또는 다른 가스들을 포함한다. 구현예들에서, 이러한 에너지 저장 장치는 적절한 저장된 연료 및 연료 전지를 포함한다. 구현예들에서, 이러한 에너지 저장 장치는 적절한 저장 연료 및 연소기, 예를 들어, 로를 포함한다. 구현예들에서, 상기 저장된 연료는 재생 가능하거나 비-화석 연료 기반 공급물들에서 파생된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 상기 화학 합성 플랜트는, IES를 처리하고 전체 플랜트를 계속 운영하기에 충분한 저장된 에너지를 제공하는 것이 불가능할 때, 일부 에너지 요구를 처리하기에 충분한 에너지가 저장되고, 상기 IES에서 추가 에너지를 사용할 수 있을 때까지 상기 플랜트의 다른 부분들을 유휴 상태로 만들 수 있도록, 설계될 수 있다. 구현예들에서, 상기 IES가 이용 가능하지 않을 때, 중간 생성물은 도 3의 생성물 정제 섹션(30)의 전부 또는 일부에 들어가기 전에 저장된다; 상기 IES를 다시 이용할 수 있게 되면 생성물 정제가 다시 시작된다. 구현예들에서, 예를 들어 건조기들, 흡착기들 및/또는 촉매 베드들의 재생은 상기 IES를 사용할 수 있을 때 연기된다. 구현예들에서, 생성물들을 오프-사이트 보관 또는 판매로 펌핑하는 것은 상기 IES를 사용할 수 있는 경우에만 수행된다. 구현예들에서, 상기 IES를 사용할 수 없을 때 고체 처리 작업, 예를 들어 압출 또는 배깅은 유휴 상태이다. 구현예들에서, 상기 화학 합성 플랜트는 더 많은 에너지를 사용할 수 있을 때까지 더 낮은 처리량(즉, 더 적은 양의 공급물이 처리되고 더 적은 생성물이 생산됨)으로 운영된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 장기간 IES의 부재 또는 상기 IES의 예기치 않은 손실을 처리하기에 충분한 저장된 에너지를 제공하는 것이 불가능할 수 있다. 구현예들에서, 플랜트의 안전한 셧다운을 허용하기에 충분한 에너지 저장이 제공된다(예를 들어, 에너지 저장 장치(50)에). 안전한 셧다운은, 상기 플랜트 작업자들의 안전을 보호하는 것, 모든 플랜트 성분들의 물리적 및 기계적 무결성을 보호하는 것, 잠재적으로 유해하거나 규제되는 물질들의 배출을 방지하는 것, 촉매, 용액 또는 장비의 오염 또는 중독을 방지하는 것, 상기 IES를 사용할 수 있을 때 순서대로 다시 시작할 수 있도록 하는 것, 및/또는 귀중한 공급물들, 생성물들 또는 중간체들의 낭비를 방지하는 것을 포함할 수 있다.
구현예들에서, 다중 에너지 공급원들을 사용할 수 있는 복제 장치 또는 장치가 IES를 처리하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 화학 합성 플랜트는 전기 모터-구동식 압축기들을 위한 백업으로서 증기 또는 가스 터빈들에 의해 구동되는 압축기들을 포함할 수 있다. 구현예들에서, 재생 불가능한 전기는 예를 들어 상기 IES를 사용할 수 없거나 경제적이지 않을 때 전기 모터-구동식 압축기들에 전력을 공급하기 위해 간헐적 재생 전기를 위한 백업으로 이용될 수 있다.
구현예들에서, 상기 플랜트의 상기 제어 시스템의 일부 또는 전체가 상기 IES 및 기타 에너지 공급원들에 대한 실제 및/또는 예측 비용 데이터와 통합된다. 구현예들에서, 상기 플랜트의 작동, 상기 에너지 공급 선택 및/또는 상기 저장된 에너지 양이 최적화되어 작동성, 수익성 및 안전성이 향상된다. 구현예들에서, 이러한 통합 및/또는 최적화는 실시간으로 수행될 수 있다.
본 발명의 상기 화학 합성 플랜트의 전기화는 고 전압 또는 저 전압 일 수 있는 전기 공급을 통해 제공될 수 있다. 상기 전기 장치들은 교류 (단일 또는 다중 위상) 또는 직류에서 작동 가능하거나 작동될 수 있다.
에너지 소비(예컨대, 원하는 온도 및 압력 유지)는 기존 화학 합성 플랜트의 작동 비용에서 많은 부분을 차지하므로, 본 발명에 따른 에너지 효율 증가 (예컨대, 전기화를 통해) 및/또는 열을 제공하기 위해 통상적으로 연소되고 및/또는 압축을 위해 연소되어 (예컨대, 원하는 작동 온도를 유지하기 위해 반응기에서 연소됨, 증기 터빈용 증기를 생성하기 위해 연소됨, 및/또는 가스 터빈용으로 연소됨) 추가적인 화학 생성물을 생성하는 하나 이상의 성분들을 이용하는 것은 통상적인 화학 합성 플랜트에 비해 경제적 이점을 제공할 수 있다. 구현예들에서, 본 발명의 측면들(예를 들어, 값비싼 증기 시스템의 제거)은, 새로운 화학 시설을 건설하는 데 필요한 막대한 투자 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 부수적으로, 본 발명을 통해 가능하게 된 연료로서의 화석 연료들(예컨대, 천연 가스, 메탄) 연소의 감소는 탄화수소들이 연료로서 연소되는 통상적인 화학 합성 플랜트에 비해 감소된 온실 가스(GHG) 배출들을 제공한다. 구현예들에서, GHG 배출들(예컨대, 이산화탄소 배출들)은 탄화수소들이 연료로 연소되는 기존의 화학 합성 플랜트에 비해 5, 10, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 98 또는 100% 이상 감소된다. 구현예들에서, 본 발명의 측면들은 공정의 탄소 효율의 증가, 즉 유용한 생성물로 다시 나타나는 상기 공정에서 소비된 탄소의 일부 및/또는 감소된 특정 에너지 소비(예컨대, 일정량의 화학 생성물을 합성하는 데 이용되는 에너지)로 이어질 수 있다. 구현예들에서, 상기 특정 에너지 소비(상기 공정에 공급된 순 외부 에너지를 생산된 생성물의 양으로 나눈 값; 순 특정 에너지 소비라고도 함)는 달리 유사한 통상적인 공정에 비해 약 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 98 또는 100% 이상 감소된다.
일반적으로 화학 공정들의 유닛 작업에 필요한 에너지는 일반적으로 화석 연료들, 특히 천연 가스의 연소로 제공된다. 본 명세서에는 에너지 효율성이 향상되도록(예컨대, 에너지 손실 감소하도록), 이러한 에너지 입력을 비-탄소 기반 에너지, 재생 전기와 같은 재생 에너지 및/또는 (예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능한) 모든 공급물의 전기에 의해 줄이거나 대체할 수 있는 시스템들 및 방법들이 개시되어 있다. 본 명세서에 기술된 비-탄소 기반 에너지, 재생 가능 에너지 및/또는 화학물질들의 생산에 사용되는 전기의 사용은, 상기 화학 합성 공정에서 에너지 효율을 높이고 이산화탄소 배출들과 화석 에너지 소비를 줄일 수 있고, 연료로서 공급물 성분의 연소를 줄이거나 제거함으로써 추가 공급물을 제공할 수 있다.
IES를 통한 화학 합성을 제공하기 위한 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법을 통해, 화학 합성에 필요한 순 에너지의 적어도 부분, 일부 또는 실질적으로 전체에 대해 IES를 이용하는 동안 상기 화학 합성은 실질적으로 연속적으로 유지될 수 있다. 본 명세서에 제공된 다양한 에너지 저장 시스템들은 본 발명에 따라 IES를 통해 화학물질을 생산하기 위해 통합될 수 있고, 이로써 상기 합성에 필요한 순 에너지의 일부 또는 실질적으로 전부는 상기 IES를 사용할 수 없는 경우에도 상기 IES에 의해 제공될 수 있다.
실시예들
일반적으로 설명된 구현예들에서, 다음의 실시예들은 본 발명의 특정 구현예들로서 그리고 그 실시 및 이점을 입증하기 위해 제공된다. 상기 실시예들은 예시로서 제공되며, 어떠한 방식으로 든 명세서 또는 청구범위를 제한하도록 의도되지 않는 것으로 이해된다.
실시예 1: 전기화된 올레핀 합성(예컨대, 분해) 플러스 PSA
도 6은 본 발명의 구현예들에 따라 전기화되고, 실시예 1 및 2에 제시된 올레핀 합성 플랜트(VII)에 대한 작동 파라미터들을 나타낸다. 상기 공정(VII)은 기체 분리 유닛(260)을 포함하고, 상기 기체 분리 유닛(260)은 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛을 포함할 수 있다.
상기 가스 분리 유닛(260)은 수소 -및 메탄-함유 스트림(244)을 정제하도록 구성된다. 스트림(244)은 30.1t/hr의 유속을 가지며, 48 중량%(88 mol%) 수소 및 52 중량%(12 mol%) 메탄을 포함한다. 상기 가스 분리 유닛(260)(예컨대, PSA 가스 분리 유닛(260))은 3MW의 전기를 소비하고, 본질적으로 순수한 메탄으로 구성된 메탄 스트림(247) 및 본질적으로 순수한 수소로 구성된 수소 스트림(248)의 2개의 생성물 스트림들을 생성한다. 이러한 공정(VII)을 통해, PSA(260)에서 생성된 14.3 t/hr의 정제된 수소가 연료 전지(270)에 공급될 수 있고, 상기 수소는 물 스트림(249)에서 물로 변환되고, 전기 효율이 45%인 전기(E)로 변환되어 253MW의 전기를 지속적으로 생산한다. 순 전력(250MW)은 상기 공정(VII)에 필요한 603MW 전력의 41%를 공급하는 데 사용된다.
실시예 2: 전기화된 올레핀 합성(예컨대, 분해) 플러스 PSA 및 H2 압축/저장
구현예들에서, 실시예 4에 기재된 바와 같은 공정(VII)은 적어도 하나의 압축기 및 저장 용기를 포함하고, 재생 전기의 가용성이 낮거나 더 비쌀 때 사용하기 위해 생성된 14.3 t/hr의 정제된 수소(라인(248A)을 통해 거기에 도입될 수 있음)를 압축 및 저장하도록 구성되는 수소 압축 및 저장 장치(hydrogen compression and storage apparatus)(280)를 추가로 포함한다. 필요할 때, 상기 압축 및 저장된 수소는 상기 공정(VII)에 의해 그 시간에 생성되는 상기 수소(예를 들어, 라인(248)의 상기 수소)와 (예를 들어, 라인(248B)를 통해) 결합될 수 있고, 둘 다 상기 연료 전지(270)를 사용하여 전기로 변환될 수 있다. 상기 저장된 수소를 전기 생산에 사용하는 시기는 다양한 요인들에 따라 당업자에 의해 결정될 수 있다. 일례로, 일부 재생 전기를 일일 기준으로 사용할 수 있다면, 12시간 동안 172톤의 수소를 수집하고 저장할 수 있다. 다음 12시간 동안 방출되고, 14.3t/hr 수소와 결합하면, 상기 공정에서 여전히 생산되는 것으로 인해 12시간 동안 지속적으로 사용할 수 있는 약 503MW의 전기가 생성된다. 이것은 상기 공정 운영에 필요한 603MW 전력의 80%를 공급할 수 있다.
실시예 3: 전기화된 암모니아 합성 - 전기화된 1차(SMR) 개질 플러스 PSA
도 7은 본 발명의 구현예들에 따라 전기화되고, 실시예 3 및 4에 제시된 암모니아 합성 공정(XII)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다. 상기 공정(XII)은 전기 압축기들, 전기 개질기 및 전기 리보일러를 포함한다. 도 7에서 점선으로 표시된 것처럼, 압력 스윙 흡착(PSA) 가스 분리 유닛(267)이 상기 퍼지 가스 스트림(205')을 정제하기 위해 추가로 추가된다. 16.7 t/hr의 유속으로, 이러한 퍼지 가스 스트림(205')은 11 중량% 수소를 함유한다. 가스 분리 유닛(267)은 2MW의 전기를 소비하고 본질적으로 순수한 수소의 생성물 스트림(268)을 생성한다. 그 결과 1.84 t/hr의 정제된 수소가 연료 전지(270)에 공급되고, 여기서 상기 수소는 45%의 전기 효율로 물(271)과 전기(272)로 변환되어 33MW의 전기를 지속적으로 생산한다. 순 전력(31MW)은 공정(XII)에 필요한 375MW 전력의 8.3%를 공급하는 데 사용된다.
실시예 4: 전기화된 암모니아 합성 - 전기화된 1차(SMR) 개질 플러스 PSA 및 H2 압축/저장
실시예 3에 기술된 상기 공정(XII)에, 상기 퍼지 가스 스트림(205')을 정제하기 위해 압력 스윙 흡착(PSA) 가스 분리 유닛(267)을 추가로 추가한다. 16.7 t/hr의 유속으로, 이러한 퍼지 가스 스트림(205')은 11 중량% 수소를 함유한다. 상기 가스 분리 유닛(267)은 2MW의 전기를 소비하고 본질적으로 순수한 수소의 생성물 스트림(268)을 생성한다. 그 결과 1.84t/hr의 정제된 수소는 압축기(C4)에 의해 압축되고 재생 전기의 가용성이 낮거나 더 비쌀 때 사용하기 위해 저장 용기(280)에 저장된다. 필요한 경우 저장 용기(280)에 상기 저장된 수소는 상기 공정에 의해 당시 생성되는 상기 수소(268)와 결합되고, 둘 다 연료 전지(270)를 사용하여 전기(272)로 변환된다. 상기 저장된 수소를 전기 생산에 언제 사용할지는 다양한 요인들에 의해 결정된다. 한 가지 가능성으로, 일부 재생 전기가 주간 기준으로 제공된다면, 22.1톤의 수소를 수집하여 12시간 동안 저장할 수 있다. 다음 12시간 동안 방출되고, 라인(268)의 1.84 t/hr 수소와 결합하여 여전히 상기 공정에서 생산되는 경우, 이것은 약 64MW의 전기(272)가 12시간 동안 지속적으로 이용 가능하게 될 것이다. 이것은 공정(XII)의 운영에 필요한 375MW 전력의 17%를 공급할 수 있다.
실시예 5: 전기화된 메탄올 합성 플러스 PSA
도 8은 본 발명의 구현예에 따라 전기화되고, 실시예 5 및 6에 제시된 메탄올 합성 공정(X/XI)에 대한 작동 파라미터들을 나타낸다. 상기 공정(X)은 압력 스윙 흡착(PSA) 가스 분리 유닛(295) 및 연료 전지(296)를 포함한다. PSA(295)는 퍼지 가스 스트림(205')을 정화하도록 작동 가능하고 이용 가능한 수소의 3.37t/h의 80%를 회수한다. 그 결과 2.7 t/h의 정제된 수소(293)는 연료 전지(296)에 공급되고, 여기서 상기 수소는 45%의 전기 효율로 물(291)과 전기(296)로 변환되어 48MW의 전기를 지속적으로 생산한다. 이러한 전기는 상기 공정(X)에 필요한 180MW 전력의 약 27%를 공급하는 데 사용된다.
실시예 6: 전기화된 메탄올 합성과 PSA 및 H2 압축/저장
도 8에서 점선으로 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 공정(XI)은 압축기(C4) 및 저장 용기(297)를 포함한다. 상기 압력 스윙 흡착(PSA) 가스 분리 유닛(295)은 퍼지 가스 스트림(205')을 정화하도록 작동 가능하고 이용 가능한 수소의 3.37t/h의 80%를 회수한다. 그 결과 2.7t/h의 정제된 수소(293)는 C4에서 압축되고 재생 전기의 가용성이 낮거나 더 비쌀 때 사용하기 위해 저장 용기(297)에 저장된다. 필요한 경우, 상기 저장된 수소(293A)는 상기 공정(XI)에 의해 그 당시 생성된 수소(293)와 결합되고, 둘 다 연료 전지(296)를 사용하여 전기로 변환된다. 전기 생산을 위해 상기 저장된 수소를 언제 사용할지는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 다양한 요인에 의해 결정될 것이다. 한 가지 가능성으로, 일부 재생 전기가 주간 기준으로 이용 가능하다면 32.4톤의 수소를 수집하여 C4에서 압축하고 12시간 동안 297에서 저장할 수 있다. 다음 12시간에 걸쳐 방출되고 저장된 수소 스트림(293A)을 통해 상기 공정(IX)에 의해 여전히 생성되는 2.7 t/h 수소(293)와 결합될 때, 약 96MW의 전기를 12시간 동안 계속 사용할 수 있다. 이러한 전기는 상기 공정(XI)의 운영에 필요한 180MW 전기의 약 53%를 공급한다.
다양한 구현예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 교시를 벗어나지 않고 당업자에 의해 그의 변형이 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기술된 구현예들은 예시일 뿐이며 제한하려는 의도가 아니다. 본 명세서에 개시된 주제의 많은 변형 및 수정이 가능하고 본 발명의 범위 내에 있다. 수치 범위 또는 제한이 명시적으로 언급된 경우, 그러한 명시 범위 또는 제한은 반복 범위 또는 명시적으로 언급된 범위 또는 제한 내에 속하는 유사한 크기의 제한을 포함하는 것으로 이해되어야 한다(예를 들어, 약 1 내지 약 10은 2, 3, 4 등을 포함하고, 0.10 초과는 0.11, 0.12, 0.13 등을 포함한다). 예를 들어, 하한값(RL) 및 상한값(RU)을 가지는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위 내에 속하는 임의의 숫자가 구체적으로 개시된다. 특히, 범위 내의 다음 숫자가 구체적으로 개시된다　: R=RL+k*(RU-RL), 여기서 k는 1% 증분으로 1%에서 100% 범위의 변수이고, 즉, k는 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, ... 50%, 51%, 52%, ..., 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 또는 100%이다. 또한, 상기 정의된 바와 같은 2개의 R 번호들에 의해 정의된 임의의 수치 범위도 구체적으로 개시된다. 청구항의 임의의 요소와 관련하여 "선택적으로"라는 용어의 사용은 주제 요소가 필요하거나 대안적으로 필요하지 않음을 의미하기 위한 것이다. 두 대안 모두 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 포함하는, 구비하는, 가지는 등과 같은 더 넓은 용어들의 사용은 구성되는, 본질적으로 구성되는, 실질적으로 구성되는 등과 같은 더 좁은 용어에 대한 지원을 제공하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 보호 범위는 위에 설명된 설명에 의해 제한되지 않고, 다음 청구범위에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구범위 주제의 모든 등가물을 포함한다. 각각의 모든 청구항은 본 발명의 구현예로서 명세서에 통합된다. 따라서, 청구범위는 추가적인 설명이며, 본 발명의 구현예들에 대한 추가이다. 참고 문헌에 대한 논의는 본 발명에 대한 선행 기술, 특히 본 출원의 우선일 이후에 공개 날짜를 가질 수 있는 모든 참고 문헌에 대한 인정이 아니다. 본 명세서에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 간행물의 개시 내용은 본 명세서에 기재된 것을 보완하는 예시적, 절차적 또는 기타 세부 사항을 제공하는 한도에서 참조로 포함된다.
추가 발명 파트 I
위에 개시된 특정 구현예들은 단지 예시일 뿐이며, 본 발명은 본 명세서에서의 교시의 이점을 가지는 당업자에 대해 명백하게 상이한, 동등하지만 상이한 방식으로 수정되고 실행될 수 있다. 또한, 아래의 청구범위에 기술된 것 외에는 본 명세서에 도시된 구성 또는 설계의 세부사항에 제한을 두지 않는다. 따라서, 위에 개시된 특정 예시적인 구현예는 변경 또는 수정될 수 있고 이러한 모든 변형은 본 발명의 범위 및 사상 내에서 고려된다는 것이 명백하다. 구현예(들)의 특징을 결합, 통합 및/또는 생략함으로써 생기는 대안적인 구현예도 본 발명의 범위 내에 있다. 조성물들 및 방법들은 다양한 구성요소들 또는 단계들을 "가지는", "포함하는", "함유하는" 또는 "구비하는"의 더 넓은 용어로 설명되지만, 상기 조성물들 및 방법들은 또한 다양한 구성요소들 및 단계들로 "본질적으로 구성"되거나 "구성"될 수 있다. 청구항의 임의의 요소와 관련하여 "선택적으로"라는 용어의 사용은 요소가 필요하거나 대안적으로 요소가 필요하지 않음을 의미하며, 두 대안은 모두 청구항의 범위 내에 있다.
위에서 개시된 수치와 범위는 다소 다를 수 있다. 하한 및 상한을 가지는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위 내에 속하는 임의의 수 및 임의의 포함된 범위가 구체적으로 개시된다. 특히, 본 명세서에 개시된 값들("약 a에서 약 b로" 또는 동등하게 "대략 a에서 b로" 또는 동등하게 "대략 a-b에서")의 모든 범위는 보다 넓은 범위의 값 내에 포함되는 모든 수 및 범위를 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 또한 특허청구범위의 용어는 특허권자가 달리 명시적으로 명확하게 정의하지 않는 한 명확하고 일반적인 의미를 가진다. 더욱이, 청구범위에 사용된 부정관사 "a" 또는 "an"은 그것이 도입하는 하나 이상의 요소를 의미하는 것으로 본 명세서에서 정의된다. 본 명세서와 하나 이상의 특허 또는 기타 문서에서 단어 또는 용어의 사용에 충돌이 있는 경우, 본 명세서와 일치하는 정의가 채택되어야 한다.
본 명세서에서 개시된 구현예들은: A: 화학 합성 플랜트(chemical synthesis plant)로서, 하나 이상의 반응물들로부터 적어도 하나의 화학 생성물을 포함하는 공정 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 반응기들(reactors); 상기 반응기 내로 도입을 위해, 상기 하나 이상의 반응물들 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림들을 준비하도록 구성되는 공급물 준비 시스템(feed preparation system); 및/또는 상기 공정 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 적어도 하나의 화학 생성물을 분리하도록 구성되는 생성물 정제 시스템(product purification system);을 포함하되, 상기 화학 합성 플랜트는, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템 또는 이들의 조합을 통해 이용되는 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 초과)은 간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source, IES)으로부터 제공되도록 구성된다.
B: 상기 화학 합성 플랜트는 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)의 전기를 이용하여 작동하도록 구성되어, 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 초과)을 제공한다.
구현예들 A 및 B 각각은 다음 추가 요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
요소 1: 상기 하나 이상의 반응물들, 상기 적어도 하나의 화학 생성물들, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체를 포함하는 적어도 하나의 스트림을 압축하도록 구성되는 하나 이상의 압축기들, 및 추후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 압축된 스트림을 저장하도록 구성되는 저장 장치를 추가로 포함한다.
요소 2: 전기를 생성하고 및/또는 기계적 작업을 수행하기 위해 상기 적어도 하나의 저장된, 압축된 스트림을 팽창하기 위한 장치를 추가 포함한다.
요소 3: 상기 하나 이상의 반응물들, 상기 적어도 하나의 화학 생성물, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체로부터 선택된 하나 이상의 스트림을 냉각하도록 구성되는 냉각 장치, 및 추후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림을 저장하도록 구성되는 저장 장치를 추가로 포함한다.
요소 4: 제4구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제5구현예로서, 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림은 극저온 액체를 포함한다.
요소 5: 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템, 또는 이들의 조합은 수소의 생성하도록 구성되고, 상기 화학 합성 플랜트는 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 전기로 변환하기 위한 연료 전지를 추가로 포함한다.
요소 6: 간헐적 전원이 사용 가능하지 않을 때 상기 연료 전지를 사용하여 상기 생성된 수소의 상기 적어도 일부를 전기로 변환하기 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 저장하기 위한 수소 저장 장치를 추가 포함한다.
요소 7: 상기 수소 저장 장치의 상류에 있고 이를 저장하기 전에 상기 수소를 압축하도록 구성되는 압축기를 추가 포함한다.
요소 8: 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 제조 시스템, 상기 생성물 정제 시스템, 또는 이들의 조합은 수소를 생성하도록 구성되고, 상기 화학 합성 플랜트는 수소 저장 장치 및 상기 수소 저장 장치의 상류에 있고 저장 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 압축하도록 구성되는 압축기를 추가 포함하고, 상기 화학 합성 플랜트는 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 증기 및/또는 열을 생성하기 위해 상기 저장된 수소의 일부를 연소시키는 연소 장치를 추가로 포함하고, 선택적으로 상기 증기는 반응물 또는 희석제로 사용될 수 있다.
요소 9: 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 질량을 상승시켜 에너지를 저장하는 장치를 추가 포함한다.
요소 10: 상기 질량은 하나 이상의 공급물들, 하나 이상의 생성물들, 또는 물을 포함한다.
요소 11: 하나 이상의 반응기들은 내화 재료들로 라이닝되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 약 10℃를 초과하지 않는다.
요소 12: 상기 하나 이상의 반응기들은 열 질량에 열적으로 연결되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도의 상당한 강하가 2분 안에 약 5℃를 초과하지 않는다.
요소 13: 상기 하나 이상의 반응기들은 상 변화 재료에 열적으로 연결되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도의 강하가 2분 안에 약 4℃를 초과하지 않는다.
요소 13: 상기 IES가 이용 가능하지 않을 때 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위해 열(예를 들어, 가열되거나 과열된 유체)을 저장하도록 작동 가능한 장치를 추가 포함한다.
요소 15: 에너지를 저장하기 위해 상 변화 재료의 액화를 이용하도록 구성되는 장치를 추가 포함한다.
요소 16: 전기 공급원의 간헐성을 처리하기 위한 현장 배터리들을 추가 포함한다.
요소 17: 상기 화학 합성 플랜트의 적어도 하나의 장치에 백업 전원을 제공하도록 구성되는 백업 전원 장치를 추가 포함한다.
요소 18: 상기 백업 전원 장치는 상기 플랜트의 안전한 셧다운을 보장하기에 충분한 에너지를 제공하도록 선택된다.
요소 19: 상기 백업 전원 장치는 압축된 가스, 커패시터, 초전도체, 열 배터리 및/또는 플라이휠에 의해 구동되는 장치를 포함한다.
요소 20: 상기 플랜트의 적어도 일부는 상기 IES가 사용 가능한 경우에만 작동한다.
요소 21: 상기 IES가 사용 가능하지 않거나 상기 IES의 감소된 양이 사용 가능한 경우 더 낮은 생성 속도로 작동하도록 구성된다.
요소 22: 에너지 가격 및 가용성에 관한 정보를 수신하기 위한 시스템을 추가 포함하고, 이에 의해 상기 정보를 활용하여 에너지 사용, 에너지 저장 및 상기 플랜트 운영을 최적화할 수 있다.
요소 23: 상기 IES가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 저장을 위해 하나 이상의 가스 공급물 스트림을 압축하도록 작동 가능한 하나 이상의 압축기들을 추가 포함하고, 상기 압축된 하나 이상의 공급물 스트림의 적어도 일부가 공급물 스트림으로서 및/또는 상기 IES가 사용 가능하지 않거나 임계 가격 이상일 때 전기 및/또는 기계적 작업을 제공하도록 이용될 수 있다.
요소 24: 상기 하나 이상의 압축기들은 상기 IES로부터의 전기가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 상기 하나 이상의 가스 공급물 스트림들을 압축 및 액화시키고, 상기 시스템은 전기를 생성하고, 기계적 작업을 수행하고, 및/또는 상기 IES가 쉽게 사용 가능하지 않고 및/또는 임계 가격 이상일 때 상기 공급물을 제공하기 위해 상기 액화된 하나 이상의 가스 공급물 스트림들을 기화 및 팽창시키도록 작동 가능한 장치를 추가로 포함한다.
요소 25: 하나 이상의 공급물 스트림들, 생성물 스트림들 및/또는 다른 유체를 냉각시키도록 구성되는 하나 이상의 냉각기들, 및 상기 IES가 사용 가능하지 않고 및/또는 임계 가격 이상일 때 냉매로서 사용하기 위한 상기 냉각된 하나 이상의 공급물 스트림들, 생성물 스트림들 및/또는 다른 유체의 저장을 위해 구성되는 저장 장치를 추가 포함한다.
요소 26: 상기 냉매는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 에틸렌, 프로필렌, 암모니아, 질소, 또는 이들의 조합을 포함한다.
요소 27: 연료 전지 및 수소 저장 장치를 추가 포함하고, 이에 의해 수소는 상기 저장 장치에 저장될 수 있고 상기 저장된 수소는 상기 연료 전지에 도입되어 상기 IES로부터의 전기 공급의 간헐성을 처리하기 위해 전기를 생성할 수 있다.
요소 28: 산소 및 질소를 생성하도록 구성되는 공기 분리 유닛(air separation unit, ASU), 상기 생성된 산소 및/또는 질소의 적어도 일부를 압력 하에서 저장하도록 구성되는 저장 장치(storage apparatus), 및 팽창기(expander)를 추가 포함하여, 상기 가압된, 저장된 산소 및/또는 질소는 반응물로서 및/또는 상기 IES가 사용 가능하지 않거나 임계 가격을 초과할 때 상기 팽창기의 팽창을 통한 상기 전기 생성을 위해 이용될 수 있다.
요소 29: 상기 IES의 가용성을 처리하도록 작동 가능한 하나 이상의 복제 장치를 추가 포함한다.
요소 30: 상기 하나 이상의 복제 장치는 하나 이상의 전기 모터-구동식 압축기에 대한 백업으로 사용되는 증기 또는 가스 터빈에 의해 구동되는 하나 이상의 압축기를 포함한다.
요소 31: 상기 플랜트는 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합을 위해 일일 평균 25MW 이상을 소비한다.
요소 32: 배출된 CO2의 양은 IES의 전기를 이용하지 않고 작동하도록 구성되는 유사한 플랜트보다 10% 이상 적다.
요소 33: 상기 특정 에너지 소비는 IES의 전기를 이용하지 않고 작동하도록 구성되는 유사한 플랜트보다 10% 이상 적다.
추가 발명 파트 II
다음은 본 발명에 따른 비-제한적인 특정 구현예들이다:
화학 합성 플랜트인 제1구현예로서, 하나 이상의 반응물들로부터 적어도 하나의 화학 생성물을 포함하는 공정 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 반응기들(reactors); 상기 반응기 내로 도입을 위해, 상기 하나 이상의 반응물들 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림들을 준비하도록 구성되는 공급물 준비 시스템(feed preparation system); 및/또는 상기 공정 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 적어도 하나의 화학 생성물을 분리하도록 구성되는 생성물 정제 시스템(product purification system);을 포함하되, 상기 화학 합성 플랜트는, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템 또는 이들의 조합을 통해 이용되는 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 초과)은 간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source, IES)으로부터 제공되도록 구성된다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제2구현예로서, 상기 하나 이상의 반응물들, 상기 적어도 하나의 화학 생성물들, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체를 포함하는 적어도 하나의 스트림을 압축하도록 구성되는 하나 이상의 압축기들, 및 추후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 압축된 스트림을 저장하도록 구성되는 저장 장치를 추가로 포함한다.
상기 제2구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제3 구현예로서, 전기를 생성하고 및/또는 기계적 작업을 수행하기 위해 상기 적어도 하나의 저장된, 압축된 스트림을 팽창하기 위한 장치를 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제4구현예로서, 상기 하나 이상의 반응물들, 상기 적어도 하나의 화학 생성물, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체로부터 선택된 하나 이상의 스트림을 냉각하도록 구성되는 냉각 장치, 및 추후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림을 저장하도록 구성되는 저장 장치를 추가로 포함한다.
제4구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제5구현예로서, 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림은 극저온 액체를 포함한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제6구현예로서, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템, 또는 이들의 조합은 수소의 생성하도록 구성되고, 상기 화학 합성 플랜트는 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 전기로 변환하기 위한 연료 전지를 추가로 포함한다.
제6구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제7구현예로서, 간헐적 전원이 사용 가능하지 않을 때 상기 연료 전지를 사용하여 상기 생성된 수소의 상기 적어도 일부를 전기로 변환하기 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 저장하기 위한 수소 저장 장치를 추가 포함한다.
제7구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제8구현예로서, 상기 수소 저장 장치의 상류에 있고 이를 저장하기 전에 상기 수소를 압축하도록 구성되는 압축기를 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제9구현예로서, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 제조 시스템, 상기 생성물 정제 시스템, 또는 이들의 조합은 수소를 생성하도록 구성되고, 상기 화학 합성 플랜트는 수소 저장 장치 및 상기 수소 저장 장치의 상류에 있고 저장 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 압축하도록 구성되는 압축기를 추가 포함하고, 상기 화학 합성 플랜트는 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 증기 및/또는 열을 생성하기 위해 상기 저장된 수소의 일부를 연소시키는 연소 장치를 추가로 포함하고, 선택적으로 상기 증기는 반응물 또는 희석제로 사용될 수 있다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제10구현예로서, 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 질량을 상승시켜 에너지를 저장하는 장치를 추가 포함한다.
제10구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제11구현예로서, 상기 질량은 하나 이상의 공급물들, 하나 이상의 생성물들, 또는 물을 포함한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제12구현예로서, 하나 이상의 반응기들은 내화 재료들로 라이닝되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 약 10℃를 초과하지 않는다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제13구현예로서, 상기 하나 이상의 반응기들은 열 질량에 열적으로 연결되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도의 상당한 강하가 2분 안에 약 5℃를 초과하지 않는다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제14구현예로서, 상기 하나 이상의 반응기들은 상 변화 재료에 열적으로 연결되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도의 강하가 2분 안에 약 4℃를 초과하지 않는다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제15구현예로서, 상기 IES가 이용 가능하지 않을 때 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위해 열(예를 들어, 가열되거나 과열된 유체)을 저장하도록 작동 가능한 장치를 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제16구현예로서, 에너지를 저장하기 위해 상 변화 재료의 액화를 이용하도록 구성되는 장치를 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제17구현예로서, 전기 공급원의 간헐성을 처리하기 위한 현장 배터리들을 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제18구현예로서, 상기 화학 합성 플랜트의 적어도 하나의 장치에 백업 전원을 제공하도록 구성되는 백업 전원 장치를 추가 포함한다.
제18구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제19구현예로서, 상기 백업 전원 장치는 상기 플랜트의 안전한 셧다운을 보장하기에 충분한 에너지를 제공하도록 선택된다.
제18구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제20구현예로서, 상기 백업 전원 장치는 압축된 가스, 커패시터, 초전도체, 열 배터리 및/또는 플라이휠에 의해 구동되는 장치를 포함한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제21구현예로서, 상기 플랜트의 적어도 일부는 상기 IES가 사용 가능한 경우에만 작동한다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제22구현예로서, 상기 IES가 사용 가능하지 않거나 상기 IES의 감소된 양이 사용 가능한 경우 더 낮은 생성 속도로 작동하도록 구성된다.
제1구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제23구현예로서, 에너지 가격 및 가용성에 관한 정보를 수신하기 위한 시스템을 추가 포함하고, 이에 의해 상기 정보를 활용하여 에너지 사용, 에너지 저장 및 상기 플랜트 운영을 최적화할 수 있다.
제24구현예로서, 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 이상)을 제공하기 위해 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)의 전기를 사용하여 작동하도록 구성되는 화학 합성 플랜트이다.
제24구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제25구현예로서, 상기 IES가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 저장을 위해 하나 이상의 가스 공급물 스트림을 압축하도록 작동 가능한 하나 이상의 압축기들을 추가 포함하고, 상기 압축된 하나 이상의 공급물 스트림의 적어도 일부가 공급물 스트림으로서 및/또는 상기 IES가 사용 가능하지 않거나 임계 가격 이상일 때 전기 및/또는 기계적 작업을 제공하도록 이용될 수 있다.
제25구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제26구현예로서, 상기 하나 이상의 압축기들은 상기 IES로부터의 전기가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 상기 하나 이상의 가스 공급물 스트림들을 압축 및 액화시키고, 상기 시스템은 전기를 생성하고, 기계적 작업을 수행하고, 및/또는 상기 IES가 쉽게 사용 가능하지 않고 및/또는 임계 가격 이상일 때 상기 공급물을 제공하기 위해 상기 액화된 하나 이상의 가스 공급물 스트림들을 기화 및 팽창시키도록 작동 가능한 장치를 추가로 포함한다.
제24구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제27구현예로서, 하나 이상의 공급물 스트림들, 생성물 스트림들 및/또는 다른 유체를 냉각시키도록 구성되는 하나 이상의 냉각기들, 및 상기 IES가 사용 가능하지 않고 및/또는 임계 가격 이상일 때 냉매로서 사용하기 위한 상기 냉각된 하나 이상의 공급물 스트림들, 생성물 스트림들 및/또는 다른 유체의 저장을 위해 구성되는 저장 장치를 추가 포함한다.
제27구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제28구현예로서, 상기 냉매는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 에틸렌, 프로필렌, 암모니아, 질소, 또는 이들의 조합을 포함한다.
제24구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제29구현예로서, 연료 전지 및 수소 저장 장치를 추가 포함하고, 이에 의해 수소는 상기 저장 장치에 저장될 수 있고 상기 저장된 수소는 상기 연료 전지에 도입되어 상기 IES로부터의 전기 공급의 간헐성을 처리하기 위해 전기를 생성할 수 있다.
제24구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제30구현예로서, 산소 및 질소를 생성하도록 구성되는 공기 분리 유닛(air separation unit, ASU), 상기 생성된 산소 및/또는 질소의 적어도 일부를 압력 하에서 저장하도록 구성되는 저장 장치(storage apparatus), 및 팽창기(expander)를 추가 포함하여, 상기 가압된, 저장된 산소 및/또는 질소는 반응물로서 및/또는 상기 IES가 사용 가능하지 않거나 임계 가격을 초과할 때 상기 팽창기의 팽창을 통한 상기 전기 생성을 위해 이용될 수 있다.
제24구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제31구현예로서, 상기 IES의 가용성을 처리하도록 작동 가능한 하나 이상의 복제 장치를 추가 포함한다.
제31 구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제32 구현예로서, 상기 하나 이상의 복제 장치는 하나 이상의 전기 모터-구동식 압축기에 대한 백업으로 사용되는 증기 또는 가스 터빈에 의해 구동되는 하나 이상의 압축기를 포함한다.
제24구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제33구현예로서, 상기 플랜트는 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합을 위해 일일 평균 25MW 이상을 소비한다.
제24구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제34구현예로서, 배출된 CO2의 양은 IES의 전기를 이용하지 않고 작동하도록 구성되는 유사한 플랜트보다 10% 이상 적다.
제24구현예의 상기 화학 합성 플랜트인 제35구현예로서, 상기 특정 에너지 소비는 IES의 전기를 이용하지 않고 작동하도록 구성되는 유사한 플랜트보다 10% 이상 적다.
제36구현예로서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 간헐적 에너지 공급(IES)으로 작동 가능한 화학 합성 플랜트이다.
추가 발명 파트 III
다음은 본 발명에 따른 비-제한적인 특정 구현예들이다:
본 명세서에 개시된 구현예들은 다음을 포함한다:
A: 하나 이상의 화학 생성물들을 생성하는 방법으로서, 상기 방법은: 반응기 내로 도입을 위해, 하나 이상의 반응물들을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림들을 준비하는 단계; 상기 반응기에서 상기 하나 이상의 반응물들을 반응시켜 상기 하나 이상의 화학 생성물들을 포함하는 생성물 스트림을 생성하는 단계; 상기 생성물 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 하나 이상의 화학 생성물들을 분리하는 단계; 및/또는 하나 이상의 상기 미반응 반응물들 및/또는 반응 부산물들을 재순환하는 단계; 및 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)이 사용 가능한 경우, 상기 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)으로부터 생산된 전기에 의해 상기 준비, 상기 반응, 상기 분리, 상기 재순환 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 이용되는 전력 공급, 펌핑, 가열, 냉각, 압축, 분리 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 초과)을 제공하는 단계를 포함한다.
B: 화학 합성 플랜트를 작동, 설계 및/또는 개조하는 방법으로서, 상기 방법은: 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)의 전기를 사용하여 상기 재생 IES가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만인 경우 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 초과)을 제공하는 단계를 포함한다.
구현예 A 및 B 각각은 다음 추가 요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
요소 1: 상기 하나 이상의 공급물 스트림들, 상기 하나 이상의 화학 생성물들, 또는 상기 방법에 의해 생성된 하나 이상의 중간체로부터 선택된 적어도 하나의 스트림을 압축하는 단계, 및 차후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 압축된 스트림을 저장하는 단계를 추가 포함한다.
요소 2: 전기를 생성하거나 기계적 작업을 수행하기 위해 상기 적어도 하나의 저장된, 압축된 스트림을 팽창시키는 단계를 추가 포함한다.
요소 3: 상기 하나 이상의 공급물 스트림들, 상기 하나 이상의 화학 생성물물, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체로부터 선택된 적어도 하나의 스트림을 냉각하고, 차후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림을 저장하는 단계를 추가 포함한다.
요소 4: 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림은 극저온 액체를 포함한다.
요소 5: 상기 차후에 사용은 냉매로서 사용을 포함한다.
요소 6: 상기 제조, 상기 반응, 상기 분리 또는 이들의 조합은 수소를 생성하고, 상기 방법은 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 연료 전지를 사용하여 전기로 변환하는 단계를 추가 포함한다.
요소 7: 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 상기 연료 전지를 사용하여 상기 생성된 수소의 상기 적어도 일부를 전기로 변환하는 단계 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 저장하는 단계를 추가 포함한다.
요소 8: 상기 수소를 저장하기 전에 상기 수소를 압축하는 단계를 추가 포함한다.
요소 9: 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 증기와 열을 생성하기 위해 상기 저장된 수소의 적어도 일부를 연소시키는 단계, 및 선택적으로 반응물 또는 희석제로서 상기 증기를 이용하는 단계를 추가 포함한다.
요소 10: 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 질량을 상승시켜 에너지를 저장하는 단계를 추가 포함한다.
요소 11: 상기 질량은 하나 이상의 공급물들, 하나 이상의 생성물들 또는 물을 포함한다.
요소 12: 하나 이상의 반응기들은 내화 재료들로 라이닝되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 10℃를 초과하지 않는다.
요소 13: 수반되는 전기 생성과 함께 상기 하나 이상의 공급물 스트림들 중 적어도 하나의 입구 압력을 조정하는 단계를 추가 포함한다.
요소 14: 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 약 5℃를 초과하지 않도록, 상기 하나 이상의 반응기들이 열 질량에 열적으로 연결된다.
요소 15: 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 약 4℃를 초과하지 않도록, 상기 하나 이상의 반응기들은 상 변화 재료에 열적으로 연결된다.
요소 16: 상기 IES로부터의 전기에 의한 전기 가열이 사용 가능하지 않을 때 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위한 열(예를 들어, 가열되거나 과열된 유체)을 저장하는 단계를 추가 포함한다.
요소 17: 에너지를 저장하기 위해 상 변화 재료의 액화를 이용하는 단계를 추가 포함한다.
요소 18: 상기 IES로부터의 간헐적인 전기 공급을 위해 현장에 배터리들을 저장하는 단계를 추가 포함한다.
요소 19: 적어도 하나의 장치에 백업 전원을 제공하는 단계를 추가 포함한다.
요소 20: 상기 백업 전원 장치는 상기 플랜트의 안전한 셧다운을 보장하기에 충분한 에너지를 제공하도록 선택된다.
요소 21: 압축된 가스, 커패시터, 초전도체, 열 배터리 및/또는 플라이휠에 의해 구동되는 장치를 통해 백업 전원을 제공하는 단계를 포함한다.
요소 22: 상기 IES가 사용 가능한 경우에만 상기 플랜트의 적어도 일부를 작동하는 것을 추가 포함한다.
요소 23: 상기 IES를 사용 가능하지 않거나 상기 IES의 감소된 양을 사용할 수 있는 경우 더 낮은 생성 속도로 작동하는 단계를 추가 포함한다.
요소 24: 에너지 가격 및 가용성에 관한 정보를 수신하는 단계, 및 상기 하나 이상의 화학 생성물들의 에너지 사용, 에너지 저장 및/또는 생성을 최적화하기 위해 정보를 활용하는 단계를 추가 포함한다.
요소 25: 상기 재생 IES가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 저장을 위해 하나 이상의 가스 공정 스트림들을 압축하는 단계, 및 상기 압축된 하나 이상의 공급물 스트림들의 적어도 일부를 공급물 스트림으로 활용하는 단계 및/또는 상기 재생 IES를 사용 가능하지 않고 및/또는 임계 가격을 초과할 때 전기 및/또는 기계적 작업을 제공하는 단계를 추가 포함한다.
요소 26: 상기 하나 이상의 가스 공정 스트림들이 공정 작동 압력보다 큰 압력에서 압축 및 저장되고, 상기 공정 작동 압력보다 큰 압력에서 상기 작동 압력으로의 압력 감소로부터 전기를 생성하는 단계를 추가 포함한다.
요소 27: 상기 재생 IES로부터의 전기가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 상기 하나 이상의 가스 공정 스트림들이 압축 및 액화되고, 상기 재생 IES에서 전기를 쉽게 사용할 수 없거나 임계 가격을 초과할 때 기화 및 팽창되어, 전기를 생성하고, 기계 작업을 수행하며, 공급물을 제공한다.
요소 28: 상기 재생 IES로부터의 전기 공급의 간헐성을 위한 냉매로서 사용하기 위한 상기 생성물 스트림 및/또는 상기 하나 이상의 공정 스트림들을 냉각 및 저장하는 단계를 추가로 포함한다.
요소 29: 상기 생성물 스트림 및/또는 상기 하나 이상의 공정 스트림들은 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 프로필렌, 암모니아, 또는 이들의 조합을 포함한다.
요소 30: 상기 재생 IES로부터의 전기가 쉽게 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 상기 생성물 스트림 및/또는 상기 하나 이상의 공정 스트림들을 냉각 및 저장하고, 상기 재생 IES에서 전기가 사용 가능하지 않거나 임계 가격을 초과할 때 하나 이상의 다른 공정 스트림들을 냉각하는 데 사용되며, 이로써 하나 이상의 따뜻한 액체 및/또는 가스 스트림들을 생성한다.
요소 31: 상기 생성물 스트림 및/또는 상기 하나 이상의 다른 공정 스트림들을 공급물로 냉각 및/또는 생성물로 회수함으로써 얻은 상기 하나 이상의 따뜻한 액체 및/또는 가스 스트림들을 활용하는 단계를 추가로 포함한다.
요소 32: 수소를 저장하는 단계, 및 전기를 생성하기 위해 저장된 수소를 연료 전지를 통과시켜 전기를 생성하여 상기 재생 IES로부터의 전기 공급의 간헐성을 처리하는 단계를 추가 포함한다.
요소 33: 공기 분리 플랜트에서 산소 및 질소를 생성하는 단계, 상기 생성된 산소 및/또는 질소의 적어도 일부를 압력 하에 저장하는 단계, 및 상기 재생 IES를 사용 가능하지 않거나 임계 가격을 초과할 때 상기 가압된, 저장된 산소 및/또는 질소를 반응물로 활용하고 및/또는 팽창을 통한 전기를 생성하는 단계를 추가 포함한다.
요소 34: 상기 재생 IES로부터의 전기 가용성을 처리하기 위해 하나 이상의 복제 장치를 활용하는 단계를 추가 포함한다.
요소 35: 상기 복제 장치는 하나 이상의 전기 모터-구동식 압축기들에 대한 백업으로 활용되는 증기 또는 가스 터빈들에 의해 구동되는 하나 이상의 압축기들을 포함한다.
요소 36: 상기 재생 IES가 사용 가능하지 않거나 및/또는 임계 가격을 초과할 때 상기 재생 IES로부터의 전기에 대한 백업으로서 재생 불가능한 전기를 이용하는 단계를 추가 포함한다.
요소 37: 사용 가능하거나 임계 가격 미만인 경우 상기 재생 IES의 전기로 전기 모터-구동식 압축기들에 전력을 공급하는 단계, 및 상기 재생 IES가 사용 가능하지 않거나 임계 가격 이상일 때 재생 불가능한 전기로 전력을 공급하는 단계를 추가 포함한다.
요소 38: 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합을 위해 일일 평균 25MW 이상을 소비하는 단계를 추가로 포함한다.
추가 발명 파트 IV
다음은 본 발명에 따른 비-제한적인 특정 구현예들이다:
하나 이상의 화학 생성물들을 생성하는 방법인 제1구현예로서, 반응기 내로 도입을 위해, 하나 이상의 반응물들을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림들을 준비하는 단계; 상기 반응기에서 상기 하나 이상의 반응물들을 반응시켜 상기 하나 이상의 화학 생성물들을 포함하는 생성물 스트림을 생성하는 단계; 상기 생성물 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 하나 이상의 화학 생성물들을 분리하는 단계; 및/또는 하나 이상의 상기 미반응 반응물들 및/또는 반응 부산물들을 재순환하는 단계; 및 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)이 사용 가능한 경우, 상기 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)으로부터 생산된 전기에 의해 상기 준비, 상기 반응, 상기 분리, 상기 재순환 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 이용되는 전력 공급, 펌핑, 가열, 냉각, 압축, 분리 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 초과)을 제공하는 단계를 포함한다.
제1구현예의 상기 방법인 제2구현예로서, 상기 하나 이상의 공급물 스트림들, 상기 하나 이상의 화학 생성물들, 또는 상기 방법에 의해 생성된 하나 이상의 중간체로부터 선택된 적어도 하나의 스트림을 압축하는 단계, 및 차후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 압축된 스트림을 저장하는 단계를 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 방법인 제3구현예로서, 전기를 생성하거나 기계적 작업을 수행하기 위해 상기 적어도 하나의 저장된, 압축된 스트림을 팽창시키는 단계를 추가 포함한다
제1구현예의 상기 방법인 제4구현예로서, 상기 하나 이상의 공급물 스트림들, 상기 하나 이상의 화학 생성물물, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체로부터 선택된 적어도 하나의 스트림을 냉각하고, 차후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림을 저장하는 단계를 추가 포함한다.
제4구현예의 상기 방법인 제5구현예로서, 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림은 극저온 액체를 포함한다.
제4구현예의 상기 방법인 제6구현예로서, 상기 차후에 사용은 냉매로서 사용을 포함한다.
제1구현예의 상기 방법인 제7구현예로서, 상기 제조, 상기 반응, 상기 분리 또는 이들의 조합은 수소를 생성하고, 상기 방법은 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 연료 전지를 사용하여 전기로 변환하는 단계를 추가 포함한다.
제7구현예의 상기 방법인 제8구현예로서, 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 상기 연료 전지를 사용하여 상기 생성된 수소의 상기 적어도 일부를 전기로 변환하는 단계 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 저장하는 단계를 추가 포함한다.
제7구현예의 상기 방법인 제9구현예로서, 상기 수소를 저장하기 전에 상기 수소를 압축하는 단계를 추가 포함한다.
제7구현예의 상기 방법인 제10구현예로서, 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 증기와 열을 생성하기 위해 상기 저장된 수소의 적어도 일부를 연소시키는 단계, 및 선택적으로 반응물 또는 희석제로서 상기 증기를 이용하는 단계를 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 방법인 제11구현예로서, 간헐적 전기 공급원이 사용 가능하지 않을 때 질량을 상승시켜 에너지를 저장하는 단계를 추가 포함한다.
제11구현예의 상기 방법인 제12구현예로서, 상기 질량은 하나 이상의 공급물들, 하나 이상의 생성물들 또는 물을 포함한다.
제1구현예의 상기 방법인 제13구현예로서, 하나 이상의 반응기들은 내화 재료들로 라이닝되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 10℃를 초과하지 않는다.
제1 구현예의 상기 방법인 제14구현예로서, 수반되는 전기 생성과 함께 상기 하나 이상의 공급물 스트림들 중 적어도 하나의 입구 압력을 조정하는 단계를 추가 포함한다.
제1 구현예의 상기 방법인 제15구현예로서, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 약 5℃를 초과하지 않도록, 상기 하나 이상의 반응기들이 열 질량에 열적으로 연결된다.
제1 구현예의 상기 방법인 제16구현예로서, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 약 4℃를 초과하지 않도록, 상기 하나 이상의 반응기들은 상 변화 재료에 열적으로 연결된다.
제1 구현예의 상기 방법인 제17구현예로서, 상기 IES로부터의 전기에 의한 전기 가열이 사용 가능하지 않을 때 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위한 열(예를 들어, 가열되거나 과열된 유체)을 저장하는 단계를 추가 포함한다.
제1 구현예의 상기 방법인 제18구현예로서, 에너지를 저장하기 위해 상 변화 재료의 액화를 이용하는 단계를 추가 포함한다.
제1 구현예의 상기 방법인 제19구현예로서, 상기 IES로부터의 간헐적인 전기 공급을 위해 현장에 배터리들을 저장하는 단계를 추가 포함한다.
제1 구현예의 상기 방법인 제20구현예로서, 적어도 하나의 장치에 백업 전원을 제공하는 단계를 추가 포함한다.
제20 구현예의 상기 방법인 제21구현예로서, 상기 백업 전원 장치는 상기 플랜트의 안전한 셧다운을 보장하기에 충분한 에너지를 제공하도록 선택된다.
제20구현예의 상기 방법인 제22구현예로서, 압축된 가스, 커패시터, 초전도체, 열 배터리 및/또는 플라이휠에 의해 구동되는 장치를 통해 백업 전원을 제공하는 단계를 포함한다.
제1구현예의 상기 방법인 제23구현예로서, 상기 IES가 사용 가능한 경우에만 상기 플랜트의 적어도 일부를 작동하는 것을 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 방법인 제24구현예로서, 상기 IES를 사용 가능하지 않거나 상기 IES의 감소된 양을 사용할 수 있는 경우 더 낮은 생성 속도로 작동하는 단계를 추가 포함한다.
제1구현예의 상기 방법인 제25구현예로서, 에너지 가격 및 가용성에 관한 정보를 수신하는 단계, 및 상기 하나 이상의 화학 생성물들의 에너지 사용, 에너지 저장 및/또는 생성을 최적화하기 위해 정보를 활용하는 단계를 추가 포함한다.
화학 합성 플랜트를 작동, 설계 및/또는 개조하는 방법인 제26구현예로서, 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)의 전기를 이용하여 상기 재생 IES가 이용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예컨대, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 초과)을 제공하는 단계를 포함한다.
제26구현예의 방법인 제27구현예로서, 상기 재생 IES가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 저장을 위해 하나 이상의 가스 공정 스트림들을 압축하는 단계, 및 상기 압축된 하나 이상의 공급물 스트림들의 적어도 일부를 공급물 스트림으로 활용하는 단계 및/또는 상기 재생 IES를 사용 가능하지 않고 및/또는 임계 가격을 초과할 때 전기 및/또는 기계적 작업을 제공하는 단계를 추가 포함한다.
제26구현예의 방법인 제28구현예로서, 상기 하나 이상의 가스 공정 스트림들이 공정 작동 압력보다 큰 압력에서 압축 및 저장되고, 상기 공정 작동 압력보다 큰 압력에서 상기 작동 압력으로의 압력 감소로부터 전기를 생성하는 단계를 추가 포함한다.
제27구현예의 방법인 제29구현예로서, 상기 재생 IES로부터의 전기가 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 상기 하나 이상의 가스 공정 스트림들이 압축 및 액화되고, 상기 재생 IES에서 전기를 쉽게 사용할 수 없거나 임계 가격을 초과할 때 기화 및 팽창되어, 전기를 생성하고, 기계 작업을 수행하며, 공급물을 제공한다.
제26구현예의 방법인 제30구현예로서, 상기 재생 IES로부터의 전기 공급의 간헐성을 위한 냉매로서 사용하기 위한 상기 생성물 스트림 및/또는 상기 하나 이상의 공정 스트림들을 냉각 및 저장하는 단계를 추가로 포함한다.
제30구현예의 방법인 제31구현예로서, 상기 생성물 스트림 및/또는 상기 하나 이상의 공정 스트림들은 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 프로필렌, 암모니아, 또는 이들의 조합을 포함한다.
제30구현예의 방법인 제32구현예로서, 상기 재생 IES로부터의 전기가 쉽게 사용 가능하고 및/또는 임계 가격 미만일 때 상기 생성물 스트림 및/또는 상기 하나 이상의 공정 스트림들을 냉각 및 저장하고, 상기 재생 IES에서 전기가 사용 가능하지 않거나 임계 가격을 초과할 때 하나 이상의 다른 공정 스트림들을 냉각하는 데 사용되며, 이로써 하나 이상의 따뜻한 액체 및/또는 가스 스트림들을 생성한다.
제32구현예의 방법인 제33구현예로서, 상기 생성물 스트림 및/또는 상기 하나 이상의 다른 공정 스트림들을 공급물로 냉각 및/또는 생성물로 회수함으로써 얻은 상기 하나 이상의 따뜻한 액체 및/또는 가스 스트림들을 활용하는 단계를 추가로 포함한다.
제26구현예의 방법인 제34구현예로서, 수소를 저장하는 단계, 및 전기를 생성하기 위해 저장된 수소를 연료 전지를 통과시켜 전기를 생성하여 상기 재생 IES로부터의 전기 공급의 간헐성을 처리하는 단계를 추가 포함한다.
제26구현예의 방법인 제35구현예로서, 공기 분리 플랜트에서 산소 및 질소를 생성하는 단계, 상기 생성된 산소 및/또는 질소의 적어도 일부를 압력 하에 저장하는 단계, 및 상기 재생 IES를 사용 가능하지 않거나 임계 가격을 초과할 때 상기 가압된, 저장된 산소 및/또는 질소를 반응물로 활용하고 및/또는 팽창을 통한 전기를 생성하는 단계를 추가 포함한다.
제26구현예의 방법인 제36구현예로서, 상기 재생 IES로부터의 전기 가용성을 처리하기 위해 하나 이상의 복제 장치를 활용하는 단계를 추가 포함한다.
제36구현예의 방법인 제37구현예로서, 상기 복제 장치는 하나 이상의 전기 모터-구동식 압축기들에 대한 백업으로 활용되는 증기 또는 가스 터빈들에 의해 구동되는 하나 이상의 압축기들을 포함한다.
제26구현예의 방법인 제38구현예로서, 상기 재생 IES가 사용 가능하지 않거나 및/또는 임계 가격을 초과할 때 상기 재생 IES로부터의 전기에 대한 백업으로서 재생 불가능한 전기를 이용하는 단계를 추가 포함한다.
제38구현예의 방법인 제39구현예로서, 사용 가능하거나 임계 가격 미만인 경우 상기 재생 IES의 전기로 전기 모터-구동식 압축기들에 전력을 공급하는 단계, 및 상기 재생 IES가 사용 가능하지 않거나 임계 가격 이상일 때 재생 불가능한 전기로 전력을 공급하는 단계를 추가 포함한다.
제26구현예의 방법인 제40구현예로서, 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합을 위해 일일 평균 25MW 이상을 소비하는 단계를 추가로 포함한다.
제41구현예로서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 화학 공정을 작동하는 방법이다.
추가 발명 파트 V
다음은 본 발명에 따른 비-제한적인 특정 구현예들이다:
제1구현예로서, 화학 합성 플랜트는: 하나 이상의 반응물들로부터 적어도 하나의 화학 생성물을 포함하는 공정 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 반응기들(reactors); 상기 반응기 내로 도입을 위해, 상기 하나 이상의 반응물들 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림들을 준비하도록 구성되는 공급물 준비 시스템(feed preparation system); 및 상기 공정 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 적어도 하나의 화학 생성물을 분리하도록 구성되는 생성물 정제 시스템(product purification system);을 포함하되, 상기 화학 합성 플랜트는, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템 또는 이들의 조합을 통해 이용되는 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 최소 50%는 간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source, IES)으로부터 제공되도록 구성되고, 상기 플랜트는 상기 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합을 위해, 일일 평균 25MW 이상의 전기를 소비한다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제2구현예로서, 상기 화학 합성 플랜트에는 연도 가스 열 회수 섹션이 포함되어 있지 않는다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제3구현예로서, 상기 적어도 하나의 반응물들, 상기 적어도 하나의 화학 생성물들, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체를 포함하는 적어도 하나의 스트림을 압축하도록 구성되는 하나 이상의 압축기들(compressors); 추후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 압축된 스트림을 저장하도록 구성되는 저장 장치(storage apparatus); 를 추가 포함하되, 전기를 생성하거나 기계적 작업을 수행하기 위해, 상기 적어도 하나의 저장된, 압축된 스트림을 팽창시키는 장치를 추가 포함한다.
제1 구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제4구현예로서, 상기 적어도 하나의 반응물들, 상기 적어도 하나의 화학 생성물, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체로부터 선택된 적어도 하나의 스트림을 냉각하도록 구성되는 냉각 장치(cooling apparatus); 및 추후 사용을 위해, 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림을 저장하도록 구성되는 저장 장치(storage apparatus);를 추가 포함하되, 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림은 극저온 액체를 포함한다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제5 구현예로서, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템, 또는 상기 이들의 조합은 수소를 생성하도록 구성되고, 상기 화학 합성 플랜트는 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 전기로 변환하기 위한 연료 전지(fuel cell)를 추가로 포함하고, 상기 화학 합성 플랜트는 간헐적인 전기 공급원을 사용할 수 없을 때 상기 연료 전지를 사용하여 상기 생성된 수소의 상기 적어도 일부를 전기로 변환하기 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 저장하기 위한 수소 저장 장치(hydrogen storage apparatus)를 추가 포함하고, 상기 수소 저장 장치의 상류에 있고 상기 수소 저장 전에 상기 수소를 압축하도록 구성되는 압축기(compressor)를 추가 포함한다.
제1 구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제6구현예는, 상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템, 또는 상기 이들의 조합은 수소를 생성하도록 구성되고, 상기 화학 합성 플랜트는 수소 저장 장치(hydrogen storage apparatus), 및 상기 수소 저장 장치의 상류에 있고 저장 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 압축하도록 구성되는 압축기(compressor)를 추가로 포함하고, 상기 화학 합성 플랜트는 간헐적 전기 공급원을 이용할 수 없을 때 증기 또는 열을 생성하기 위해 상기 저장된 수소의 일부를 연소시키는 연소 장치(combustion apparatus)를 추가 포함하고, 상기 증기는 반응물 또는 희석제로서 사용된다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제7구현예로서, 간헐적 전기 공급원을 이용할 수 있을 때 질량을 상승시켜 에너지를 저장하는 장치를 추가 포함하고, 상기 질량은 하나 이상의 공급물들, 하나 이상의 생성물들 또는 물을 포함한다.
제1 구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제8구현예로서, 하나 이상의 반응기들은 내화 재료들로 라이닝되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도 강하가 2분 안에 약 10℃를 초과하지 않는다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제9구현예는, 상기 하나 이상의 반응기들은 열 질량에 열적으로 연결되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도의 상당한 강하가 2분 안에 약 5℃를 초과하지 않는다.
제 1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제 10구현예로서, 상기 하나 이상의 반응기들은 상 변화 재료에 열적으로 연결되어, 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기들의 온도의 강하가 2분 안에 약 4℃를 초과하지 않는다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제11구현예로서, 상기 IES가 이용 가능하지 않을 때 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위해 가열된 또는 과열된 유체로서 열을 저장하도록 작동 가능한 장치를 추가 포함한다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제12구현예로서, 에너지 저장을 위해, 상 변화 재료의 액화를 이용하도록 구성되는 장치를 추가 포함한다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제13구현예로서, 상기 화학 합성 플랜트의 적어도 하나의 장치에 백업 전원을 제공하도록 구성되는 백업 전원 장치(backup power apparatus)를 추가 포함하고, 상기 백업 전원 장치는 상기 플랜트의 안전한 셧다운을 보장하기에 충분한 에너지를 제공하도록 선택되고, 상기 백업 전원 장치는 압축 가스, 커패시터, 초전도체, 열 배터리 및/또는 플라이휠에 의해 구동되는 장치를 포함한다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제14구현예로서, 에너지 가격 및 가용성에 관한 정보를 수신하는 시스템을 추가 포함하고, 이에 의해 상기 정보를 활용하여 에너지 사용, 에너지 저장 및 상기 플랜트 작동을 최적화할 수 있다.
제1구현예에 따른 상기 화학 합성 플랜트인 제15구현예로서, 산소 및 질소를 생성하도록 구성되는 공기 분리 유닛(air separation unit, ASU), 상기 생성된 산소 및/또는 질소의 적어도 일부를 압력 하에서 저장하도록 구성되는 저장 장치(storage apparatus), 및 팽창기(expander)를 추가 포함하여, 상기 가압된, 저장된 산소 및/또는 질소는 반응물로서 및/또는 상기 IES가 사용 가능하지 않거나 임계 가격을 초과할 때 상기 팽창기의 팽창을 통한 상기 전기 생성을 위해 이용될 수 있다.
하나 이상의 화학 생성물들을 생산하는 방법인 제 16구현예로서, 반응기 내로 도입을 위해, 하나 이상의 반응물들을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림들을 준비하는 단계; 상기 반응기에서 상기 하나 이상의 반응물들을 반응시켜 상기 하나 이상의 화학 생성물들을 포함하는 생성물 스트림을 생성하는 단계; 상기 생성물 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 하나 이상의 화학 생성물들을 분리하는 단계; 하나 이상의 상기 미반응 반응물들 및/또는 반응 부산물들을 재순환하는 단계; 및 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)이 사용 가능한 경우, 상기 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)으로부터 생산된 전기에 의해 상기 준비, 상기 반응, 상기 분리, 상기 재순환 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 이용되는 전력 공급, 펌핑, 가열, 냉각, 압축, 분리 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 최소 50%를 제공하는 단계; 를 포함하되, 상기 플랜트는 상기 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합을 위해 일일 평균 25MW 이상의 전기를 소비한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 교시를 벗어나지 않고 당업자에 의해 그의 변형이 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기술된 구현예들은 예시일 뿐이며 제한하려는 의도가 아니다. 본 명세서에 개시된 본 발명의 많은 변형 및 수정이 가능하고 본 발명의 범위 내에 있다.
다수의 다른 수정, 등가물 및 대체는 일단 위의 발명이 완전히 이해되면 당업자에게 명백해질 것이다. 다음 청구 범위는 적용 가능한 경우 이러한 모든 수정, 등가물 및 대체를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 보호 범위는 위에 설명된 설명에 의해 제한되지 않고 다음 청구범위에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구범위 주제의 모든 등가물을 포함한다. 각각의 모든 청구항은 본 발명의 실시예로서 명세서에 포함된다. 따라서, 청구범위는 추가 설명이며 본 발명의 상세한 설명에 추가된다. 여기에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 간행물의 발명 내용은 참고로 여기에 포함된다.

Claims (16)

  1. 화학 합성 플랜트(chemical synthesis plant)로서,
    하나 이상의 반응물(reactant)로부터 적어도 하나의 화학 생성물(chemical product)을 포함하는 공정 스트림(process stream)을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 반응기(reactor);
    상기 반응기 내로 도입을 위해, 상기 하나 이상의 반응물 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림(feed stream)을 준비하도록 구성되는 공급물 준비 시스템(feed preparation system); 및
    상기 공정 스트림 내의 반응 부산물들(reaction byproducts), 미반응 반응물들(unreacted reactants), 또는 이들의 조합으로부터 상기 적어도 하나의 화학 생성물을 분리하도록 구성되는 생성물 정제 시스템(product purification system);
    을 포함하되,
    상기 화학 합성 플랜트는, 상기 하나 이상의 반응기, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템 또는 이들의 조합을 통해 이용되는 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 최소 50%는 간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source, IES)으로부터 제공되도록 구성되고,
    상기 플랜트는 상기 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합을 위해, 일일 평균 25MW 이상의 전기를 소비하는,
    화학 합성 플랜트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학 합성 플랜트에는 연도 가스 열 회수 섹션이 포함되어 있지 않는,
    화학 합성 플랜트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반응물, 상기 적어도 하나의 화학 생성물, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체를 포함하는 적어도 하나의 스트림을 압축하도록 구성되는 하나 이상의 압축기(compressor); 및
    추후 사용을 위해 상기 적어도 하나의 압축된 스트림을 저장하도록 구성되는 저장 장치(storage apparatus);
    를 추가 포함하고,
    전기를 생성하거나 기계적 작업을 수행하기 위해, 상기 적어도 하나의 저장된, 압축된 스트림을 팽창시키는 장치를 추가 포함하는,
    화학 합성 플랜트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반응물, 상기 적어도 하나의 화학 생성물, 또는 상기 방법에 의해 생성된 적어도 하나의 중간체로부터 선택된 적어도 하나의 스트림을 냉각하도록 구성되는 냉각 장치(cooling apparatus); 및
    추후 사용을 위해, 상기 적어도 하나의 냉각된 스트림을 저장하도록 구성되는 저장 장치(storage apparatus);
    를 추가 포함하되,
    상기 적어도 하나의 냉각된 스트림은 극저온 액체(cryogenic liquid)를 포함하는,
    화학 합성 플랜트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템, 또는 상기 이들의 조합은 수소를 생성하도록 구성되고,
    상기 화학 합성 플랜트는 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 전기로 변환하기 위한 연료 전지(fuel cell)를 추가로 포함하고,
    상기 화학 합성 플랜트는,
    간헐적인 전기 공급원을 사용할 수 없을 때, 상기 연료 전지를 사용하여 상기 생성된 수소의 상기 적어도 일부를 전기로 변환하기 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 저장하기 위한 수소 저장 장치(hydrogen storage apparatus)를 추가 포함하고,
    상기 수소 저장 장치의 상류에 있고 상기 수소 저장 전에 상기 수소를 압축하도록 구성되는 압축기(compressor)를 추가 포함하는,
    화학 합성 플랜트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템, 또는 상기 이들의 조합은 수소를 생성하도록 구성되고,
    상기 화학 합성 플랜트는 수소 저장 장치(hydrogen storage apparatus), 및 상기 수소 저장 장치의 상류에 있고 저장 전에 상기 생성된 수소의 적어도 일부를 압축하도록 구성되는 압축기(compressor)를 추가로 포함하고,
    상기 화학 합성 플랜트는 간헐적 전기 공급원을 이용할 수 없을 때 증기 또는 열을 생성하기 위해 상기 저장된 수소의 일부를 연소시키는 연소 장치(combustion apparatus)를 추가 포함하고, 상기 증기는 반응물 또는 희석제로서 사용되는,
    화학 합성 플랜트.
  7. 제1항에 있어서,
    간헐적 전기 공급원을 이용할 수 있을 때 질량을 높이에서 상승시켜 에너지를 저장하는 장치를 추가 포함하고,
    상기 질량은 하나 이상의 공급물, 하나 이상의 생성물, 또는 물을 포함하는,
    화학 합성 플랜트.
  8. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 반응기들은 내화 재료들로 라이닝되어(lined with refractory materials), 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기의 온도 강하가 2분 안에 약 10℃를 초과하지 않는,
    화학 합성 플랜트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응기은 열 질량에 열적으로 연결되어(thermally connected to a thermal mass), 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기의 온도의 상당한 강하가 2분 안에 약 5℃를 초과하지 않는,
    화학 합성 플랜트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응기는 상 변화 재료에 열적으로 연결되어(thermally connected to a phase change material), 전력의 짧은 손실로 인해 야기되는 상기 하나 이상의 내화 라이닝된 반응기의 온도의 강하가 2분 안에 약 4℃를 초과하지 않는,
    화학 합성 플랜트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 IES가 사용 가능하지 않을 때 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위해 가열된 또는 과열된 유체로서 열을 저장하도록 작동 가능한 장치를 추가 포함하는,
    화학 합성 플랜트.
  12. 제1항에 있어서,
    에너지 저장을 위해, 상 변화 재료의 액화를 이용하도록 구성되는 장치를 추가 포함하는,
    화학 합성 플랜트.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 화학 합성 플랜트의 적어도 하나의 장치에 백업 전원을 제공하도록 구성되는 백업 전원 장치(backup power apparatus)를 추가 포함하고,
    상기 백업 전원 장치는 상기 플랜트의 안전한 셧다운(safe shutdown)을 보장하기에 충분한 에너지를 제공하도록 선택되고,
    상기 백업 전원 장치는 압축 가스, 커패시터, 초전도체, 열 배터리 및/또는 플라이휠에 의해 구동되는 장치를 포함하는,
    화학 합성 플랜트.
  14. 제1항에 있어서,
    에너지 가격 및 가용성에 관한 정보를 수신하는 시스템을 추가 포함하고, 이에 의해 상기 정보를 활용하여 에너지 사용, 에너지 저장 및 상기 플랜트 작동을 최적화할 수 있는,
    화학 합성 플랜트.
  15. 제1항에 있어서,
    산소 및 질소를 생성하도록 구성되는 공기 분리 유닛(air separation unit, ASU), 상기 생성된 산소 및/또는 질소의 적어도 일부를 압력 하에서 저장하도록 구성되는 저장 장치(storage apparatus), 및 팽창기(expander)를 추가 포함하여,
    상기 가압된, 저장된 산소 및/또는 질소는 반응물로서 및/또는 상기 IES가 사용 가능하지 않거나 임계 가격을 초과할 때 상기 팽창기의 팽창을 통한 상기 전기 생성을 위해 이용될 수 있는,
    화학 합성 플랜트.
  16. 하나 이상의 화학 생성물을 생성하는 방법으로서,
    반응기 내로 도입을 위해, 하나 이상의 반응물을 포함하는 하나 이상의 공급물 스트림(feed streams)을 준비하는 단계;
    상기 반응기에서 상기 하나 이상의 반응물을 반응시켜 상기 하나 이상의 화학 생성물을 포함하는 생성물 스트림(product stream)을 생성하는 단계;
    상기 생성물 스트림 내의 반응 부산물들, 미반응 반응물들, 또는 이들의 조합으로부터 상기 하나 이상의 화학 생성물을 분리하는 단계;
    상기 미반응 반응물들 및/또는 반응 부산물들 중 하나 이상을 재순환하는 단계; 및
    재생 간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source, IES)이 사용 가능한 경우, 상기 재생 간헐적 에너지 공급원(IES)으로부터 생산된 전기에 의해 상기 준비, 상기 반응, 상기 분리, 상기 재순환 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 이용되는 전력 공급, 펌핑, 가열, 냉각, 압축, 분리 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 최소 50%를 제공하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 플랜트는 상기 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합을 위해 일일 평균 25MW 이상의 전기를 소비하는,
    하나 이상의 화학 생성물의 생성 방법.
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