KR20230039760A - 고체 열화학 연료 장치 - Google Patents
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Abstract
재사용 가능한 연료 작업물 또는 입자들에서 에너지를 충전 및/또는 방출하는 방법은 향류-유동(counter-flowing) 작업물 및 가스를 갖는 태양로(solar furnace)를 포함하고, 상기 향류-유동 작업물 및 가스는 그들 사이에서 열을 교환하며, 상기 배출 가스 및 상기 작업물은 대략 주위 온도이다. 추가의 측면은 고체-상태 열화학 연료를 충전 및/또는 방출하기 위해 재생 가능한 발전기들에 의해 생성된 과잉 전기 에너지를 사용하도록 구성된 환원 반응기를 포함하는 생산 플랜트를 이용한다. 또 다른 측면은 공기 펄스를 사용하는 연료 유동 조절 밸브(fuel flow control valve)를 포함한다. 또한, 산소-결핍 및 재사용 가능한 연료, 예를 들어 마그네슘 망간 산화물, 또는 마그네슘 철 산화물이 제공된다. 또 다른 측면에서, 고체-상태 연료를 제조하기 위한 장치는 집광된 태양 에너지(concentrated solar energy)를 수용하도록 구성된 반응기 챔버, 및 회수 구역(recuperation zone), 환원 구역(reduction zone), 및 켄칭 구역(quenching zone)을 갖는 반응기 튜브를 포함하는 환원 반응기를 포함하되, 상기 환원 구역은 상기 반응기 챔버를 통과한다. 방전된 고체-상태 연료는 상기 반응기 튜브 아래로 급송되도록 구성되고 저-산소 가스는 상기 반응기 튜브 위로 유동하도록 구성된다.
Description
<관련 출원의 상호 참조>
본 출원은 2021.02.01.자로 출원된 미국 가출원 제63/144,120호 및 2020.08.11.자로 출원된 미국 가출원 제63/064,256호의 우선권을 주장하며, 이들 출원은 둘 다 본원에 참조로 인용된다.
본 개시는 일반적으로 고체-상태 열화학 연료(solid-state thermochemical fuel) 및 이의 제조 장치에 관한 것이다.
모든 고온 시스템에 대해 필연적인 열 손실로 인하여 장기간의 열 저장이 중요한 과제이다. 장기간 저장을 위한 실행가능한 경로는 열화학 반응을 이용하여 집광된 태양 에너지를 실온에서 저장할 수 있는 연료로 전환시키는 것이다. 종래 기술의 실질적인 노력에서는 태양 열화학(solar thermochemistry)이 물과 CO2를 분리하여 합성 가스를 생성하는 것으로 고려되었다. 상당한 진보가 이루어져 왔지만, 불리한 면은 물과 CO2의 분리에 대한 태양 에너지-대-연료 전환 효율이 낮게(10%) 유지된다는 것이다. 추가로, 종래의 고온 에너지 기술은 궁극적으로 높은 조작 온도에서 재료 안정성 및 상용성 문제로 인해 성능 목표에 미치지 못하였다.
문헌 [Wokon 등, "Investigations on Thermochemical Energy Storage Based on Technical Grade Manganese-Iron Oxide in a Lab-Scale Packed Bed Reactor," Solar Energy 153 (2017) 200]은 집광된 태양 전기로(solar power furnace)에서 충전층 또는 고정층의 과립형 망간-철 산화물을 사용하는 실험을 논의한다. 재료에 열 에너지를 저장하는데 가역적 환원-산화("redox") 반응이 이용되지만, 워콘 장치(Wokon device)는 다른 이유들 중에서도 개시된 반응기 튜브 재료로 인해 그의 피크 노 온도에서 제한된다. 그 안에 사용되는 망간-철 산화물은 또한 최적의 충전 및 에너지 저장 용량에 대해 매우 적합하지 못하다. 이러한 시스템은 여분의 수 냉각기가 필요한 배출 가스의 고온으로 인하여 에너지를 낭비하고 복잡성을 증가시킨다. 추가로, 워콘 시스템은 정상 상태 조건보다는 에너지 비효율적이고 상업적으로 실용적인 처리량을 취급할 수 없는 배치 모드(batch mode)로 조작한다. 또한, 워콘의 재료는 그의 고정된 및 정지된 층의 위치설정으로 인해 바람직하지 않은 산화환원 층상배열(stratification)를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 고체-상태 열화학 연료가 제공된다. 또 다른 측면에서, 생산 플랜트는 집광된 태양 복사선을 포획하여 고체-상태 열화학 연료를 충전하도록 구성된 환원 반응기를 포함할 수 있다. 추가의 측면은 재생가능한 발전기, 예를 들어 풍력 터빈, 수력 터빈, 태양광 발전 패널, 지열 등에 의해서 생성된 과잉 전기 에너지를 사용하여 고체-상태 열화학 연료를 충전 및/또는 방출하도록 구성된 환원 반응기를 포함하는 생산 플랜트를 사용한다. 기술된 고체-상태 열화학 연료, 생산 플랜트, 및 공정은 종래의 다른 연료, 시스템, 및 공정에 비해 유리하다. 비효율적이고 상용화까지는 수년이 걸릴 수 있는 물과 CO2를 분리하기 위해 반응성 금속 산화물을 사용하는 대신에, 반응성 금속 산화물 자체가 고체-상태 연료로서 사용되고, 열역학적 모델링은 태양 에너지-대-연료 전환 효율이 <$5kWh-1 thermal의 에너지 저장 비용으로 54%만큼 높을 수 있다는 것을 나타낸다. 본 발명의 고체-상태 연료는 전력 블록으로부터 태양 필드(solar field)와 광학계를 분리시킨다. 기존의 집광된 저장 전력(concentrated storage power; "CSP") 열 에너지 저장에 대한 이러한 새로운 대안은 CSP 플랜트의 제한된 설치공간을 넘어 CSP의 범위 및 관련성을 확장하고, CSP 및 재생 에너지 저장 산업에 상당한 활력을 제공할 수 있다. 본 발명의 고체-상태 연료, 생산 플랜트, 및 공정의 추가적인 이점은: (1) 단기간 또는 장기간 저장을 위한 저비용 제로-방출 연료; (2) 사용될 때까지 주위 온도에서 염가의 빈(bin)에 저장할 수 있는 고체-상태 연료; (3) 합리적인 비용의 장기간 태양 에너지 저장; 및 (4) 태양 필드로부터 전력 블록을 분리하는 것;을 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 재사용 가능한 연료 작업물(workpieces) 또는 입자에서 에너지를 충전 및/또는 방전하는 방법은 배출 가스 및 작업물이 대략 주위 온도인 상태에서 작업물과 가스를 향류 유동시켜서(counterflowing) 그들 사이에서 열 교환시키는 태양로(solar furnace)를 포함한다. 본 발명의 장치의 또 다른 측면은 공기 펄스를 사용하는 연료 유동 조절 밸브(fuel flow control valve)를 포함한다. 본 발명의 방법 및 장치의 추가적인 측면은 산소-고갈된 고체 연료로부터 열 에너지를 얻는 산화 반응기에서 증기(steam)로부터 수소를 분리하는 것을 포함한다. 또한 본 발명의 장치의 추가적인 측면에서, 산소-고갈되고 재사용 가능한 연료, 예를 들어 마그네슘 망간 산화물, 또는 마그네슘 철 산화물이 제공된다.
본 발명의 방법, 장치 및 연료는 종래의 시스템에 비해 유리하다. 예를 들어, 본 발명의 연료는 그의 에너지 저장 잠재력의 상당한 손실 없이, 여러 달 동안, 및 선택적으로 개방 공기 중에서, 대략 실온에서 유리하게 저장될 수 있다. 이것은 공기-접근 가능한 덤프 트럭, 철도 차량, 선박 등에서와 같이 저비용 선적 컨테이너 및 차량에서 장거리 수송 동안 매우 적합하게 한다. 본 발명의 연료는 또한 생성되고, 에너지는 일반적으로 제로-탄소 및 매우 효율적인 방식으로 추출된다.
더욱이, 본 발명의 장치의 배출 작업물 및 가스의 실온에서의 특성은 더 효율적인 에너지 사용, 배출 재료의 더 용이한 취급 및 감소된 비용의 처리 장비를 가능하게 한다. 또 다른 이점은 예열(pre-heating) 또는 회수(recuperating) 구역, 환원 또는 에너지 추출 중간 구역, 및 켄칭(quenching) 또는 냉각 구역을 포함하는 동일하거나 유사한 장치에서 열 교환 가스로 향류 유동하는 연료를 충전 및 방전하는 능력이다. 본 발명의 맥동식 공기 밸브(pulsating air valve)는 공기 밸브가 보다 내구성이고, 자동화된 폐쇄 루프 방식으로 보다 쉽고 빠르게 조절 및 조정되고, 밸브-대-작업물 마찰이 발생하지 않기 때문에 작업물 마모 또는 원치 않는 작업물 특성 변화를 방지할 수 있으므로 기계적 밸브에 비해 유리하다. 본 발명의 시스템, 방법, 및 장치의 추가적인 이점 및 특징은 첨부된 도면뿐만 아니라 하기의 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 고체-상태 연료를 충전하기 위해 사용되는 플랜트의 단면도이다.
도 2는 대략 구형 펠릿 형태의 본 발명의 고체-상태 연료를 예시한 것이다.
도 3은 태양광 대 연료 전환 효율의 그래프이다.
도 4는 0.01 atm의 PO2(환원) 및 0.91 atm의 PO2(산화) 하에서 1000 내지 1500℃의 열중량 분석("TGA")에서 사이클링된 본 발명의 고체-상태 연료의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 고체-상태 연료의 추정된 에너지 전용 저장 비용 및 레벨화된 저장 비용의 그래프이다.
도 6은 태양광 반사기 및 태양광 타워를 포함하는 태양광 집광 설비에서의 플랜트를 보여주는 도식도이며, 그 내부에는 환원 반응기 및 선택적으로 분리 반응기(splitting reactor)가 있다.
도 7은 본 발명의 환원 반응기들 중 임의의 환원 반응기에서 사용하기 위한 본 발명의 고체-상태 연료에 대한 제조 단계들을 보여주는 일련의 마이크로사진들이다.
도 8은 환원 반응기 및 산화 반응기를 포함하는 제2 구현예 플랜트를 보여주는 도식도이다.
도 9는 제2 구현예의 플랜트에 대한 공정 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 환원 반응기들 중 임의의 환원 반응기에 대한 선택적인 고체-상태 연료 유동 조절 시스템을 보여주는 도식도이다.
도 11은 도 10의 조절 시스템을 보여주는 확대된 부분 도식도이다.
도 12는 도 10 및 도 11의 조절 시스템과 함께 사용하기 위한 소프트웨어 로직 다이어그램이다.
도 13은 제3 구현예의 환원 반응기를 보여주는 도식도이다.
도 14 및 도 15는 제2 구현예의 플랜트에 대한 O2의 방출량을 보여주는 그래프이다.
도 16 및 도 17은 제2 구현예의 플랜트에 대한 H2의 방출량을 보여주는 그래프이다.
도 18은 제2 구현예의 플랜트에 대한 20회 사이클에 걸친 TGA 전환율 및 온도 대 시간을 보여주는 그래프이다.
도 19는 재생 가능한 발전기에 의해 생성된 과잉 전기 에너지를 사용하도록 구성된 환원 반응기 및/또는 산화 반응기를 포함하는 제4 구현예의 플랜트를 보여주는 도식도이다.
도 2는 대략 구형 펠릿 형태의 본 발명의 고체-상태 연료를 예시한 것이다.
도 3은 태양광 대 연료 전환 효율의 그래프이다.
도 4는 0.01 atm의 PO2(환원) 및 0.91 atm의 PO2(산화) 하에서 1000 내지 1500℃의 열중량 분석("TGA")에서 사이클링된 본 발명의 고체-상태 연료의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 고체-상태 연료의 추정된 에너지 전용 저장 비용 및 레벨화된 저장 비용의 그래프이다.
도 6은 태양광 반사기 및 태양광 타워를 포함하는 태양광 집광 설비에서의 플랜트를 보여주는 도식도이며, 그 내부에는 환원 반응기 및 선택적으로 분리 반응기(splitting reactor)가 있다.
도 7은 본 발명의 환원 반응기들 중 임의의 환원 반응기에서 사용하기 위한 본 발명의 고체-상태 연료에 대한 제조 단계들을 보여주는 일련의 마이크로사진들이다.
도 8은 환원 반응기 및 산화 반응기를 포함하는 제2 구현예 플랜트를 보여주는 도식도이다.
도 9는 제2 구현예의 플랜트에 대한 공정 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 환원 반응기들 중 임의의 환원 반응기에 대한 선택적인 고체-상태 연료 유동 조절 시스템을 보여주는 도식도이다.
도 11은 도 10의 조절 시스템을 보여주는 확대된 부분 도식도이다.
도 12는 도 10 및 도 11의 조절 시스템과 함께 사용하기 위한 소프트웨어 로직 다이어그램이다.
도 13은 제3 구현예의 환원 반응기를 보여주는 도식도이다.
도 14 및 도 15는 제2 구현예의 플랜트에 대한 O2의 방출량을 보여주는 그래프이다.
도 16 및 도 17은 제2 구현예의 플랜트에 대한 H2의 방출량을 보여주는 그래프이다.
도 18은 제2 구현예의 플랜트에 대한 20회 사이클에 걸친 TGA 전환율 및 온도 대 시간을 보여주는 그래프이다.
도 19는 재생 가능한 발전기에 의해 생성된 과잉 전기 에너지를 사용하도록 구성된 환원 반응기 및/또는 산화 반응기를 포함하는 제4 구현예의 플랜트를 보여주는 도식도이다.
생산 플랜트(100) 및 플랜트(100)에 의해 생산된 제로-방출 고체-상태 연료(102)의 형태의 고 에너지 밀도, 농축된 태양열화학 저장 용액의 일 구현예가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 고체-상태 연료(태양 연료 또는 SoFuel)(102)는 장시간 동안 저장될 수 있고 전력 블록(예를 들어 발전소)으로부터 거리를 두고 생산될 수 있는 무-탄소 연료를 제공한다. 고체-상태 연료(102)의 성질은 정상 사용 형태에서 고체라는 것이다. 고체-상태 연료(102)는, 예를 들어 전기 생산을 위한 전력 블록으로 1000℃의 열을 공급할 수 있다. 고체-상태 연료(102)는 바람직하게는 1:1의 마그네슘 대 망간의 몰비를 갖는 고 반응성 마그네슘 망간 산화물(Mg-Mn-O)이다. 일부 구현예에서, 고체-상태 연료(102)는, 2020.07.16.자로 '보드 오브 트러스티즈 오브 미시건 스테이트 유니버시티(Board of Trustees of Michigan State University)' 명의로 공개된 "열화학 재생가능한 에너지 저장을 위한 시스템 및 조작(System and Operation for Thermochemical Renewable Energy Storage)"라는 명칭의 국제공개공보 제WO 2020/146361호에 기술된 반응성 물질일 수 있다. 고체-상태 연료(102)는 1 내지 100 MW 생산을 수용하기 위한 그의 고유한 확장성 때문에 잠재적인 전환 가치를 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고체-상태 연료(102)는 입자 또는 펠릿화된 형태로 생산될 수 있다. 일부 구현예에서, 고체-상태 연료 펠릿(102)은 약 600 ㎛ 내지 약 5000 ㎛의 크기 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 고체-상태 연료 펠릿(102)은 3000 ㎛(3 mm) 직경을 갖는 형상으로 대략 구형이다. 일부 구현예에서, 고체-상태 연료 펠릿(102)은 약 2.5 mm 내지 약 3.5 mm의 범위의 직경 및 약 1.5 mm 내지 약 2.1 mm의 범위의 길이를 갖는 실린더일 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 고체-상태 연료(102)의 생산은 태양 필드로부터 집광된 태양 복사선을 포획하는 원통형 공동 화학 반응기(cylindrical cavity chemical reactor) 내에서 발생한다. 고 반응성 마그네슘 망간 산화물(Mg-Mn-O) 고체-상태 연료(102)는 원통형 공동 화학 반응기를 통해 유동하고 온도가 1350℃를 초과함에 따라 열적 환원을 수행한다. 고체-상태 연료(102)를 포함하는 열적으로 환원된 Mg-Mn-O 다공성 펠릿 또는 입자는 냉각되고 전력 블록에 의해 사용될 때까지 염가의 빈(bin) 내에 저장될 수 있다. 고체-상태 연료(102)는 전력 블록에서 산화될 수 있으며, 여기서 고체-상태 연료(102)는 1000℃의 열을 전력 블록 조작 유체에 공급한다. 그 다음, 고체-상태 연료(102)는 집광된 태양 필드로 복귀되고, 여기서 재사용을 위해 플랜트(100)에서 재생된다. 고체-상태 연료(102)의 냉각으로부터 손실된 현열(sensible heat)은 플랜트(100)의 낙하-입자 반응기 구성(falling-particle reactor configuration)에서 향류 가스를 사용하여 회수된다.
고체-상태 연료 생산 플랜트(100)는 환원 반응기(104) 및 반응기 튜브(106)를 포함한다. 환원 반응기(104)는 반응기 챔버(108) 및 그것을 통해 농축된 태양 에너지가 반응기 챔버(108) 내로 통과하도록 구성된 개구(aperture)(110)를 포함한다. 환원 반응기(104)는 개구(110)를 통해 태양 필드로부터 집광된 태양 방사선을 포획한다. 포획된 태양 방사선은 반응기 챔버(108) 내에서 흡수되어 반응기 챔버(108)가 가열되게 한다. 환원 반응기(104)는 태양로(solar furnace)로서 작용한다. 개구(110)는 반응기 챔버(108) 내로의 충분한 태양 전력 플럭스를 허용하도록 크기 설정되지만, 개구(110)의 크기에 대한 반응기 챔버(108)의 크기는 개구(110)를 통해 반응기 챔버(108) 밖으로의 상당한 재방사(re-radiation)를 방지하기에 충분히 클 수 있다. 일부 구현예에서, 개구(110)는 반응기 챔버(108)의 효율을 증가시키기 위해 2차 집광기(secondary concentrator)가 구비될 수 있다. 일부 구현예에서, 환원 반응기(104)의 벽은 다공성 고온 세라믹 절연체, 예를 들어 산화알루미늄(알루미나), 산화지르코늄(지르코니아), 멀라이트(mullite) 또는 알루미노실리케이트(aluminosilicate) 절연체를 포함하거나 그로 형성될 수 있다.
반응기 튜브(106)는 유입구(112) 및 배출구(114)를 포함한다. 반응기 튜브(106)는 배출구(114) 위에 위치된 유입구(112)와 함께 수직으로 배향된다. 일부 구현예에서, 반응기 튜브(106)는 소정 각도로 배향될 수 있다. 반응기 튜브(106)의 일부는 반응기 챔버(108)를 통해 연장되고 반응기 챔버(108) 내에 위치된다. 반응기 튜브(106)의 내부는 반응기 챔버(108)로 개방되지 않는다. 반응기 튜브(106)는 3개의 구역, 즉 회수 구역(recuperation zone)(116), 환원 구역(118), 및 켄칭 구역(quenching zone)(120)을 포함한다. 회수 구역(116)은 반응기 챔버(108) 위에 위치되고, 환원 구역(118)은 반응기 챔버(108) 내에 위치되고, 켄칭 구역(120)은 반응기 챔버(108) 아래에 위치된다. 고체-상태 연료 펠릿(102)은 유입구(112)로부터 배출구(114)로 반응기 튜브(106)를 통해 하향 유동하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 반응기 튜브(106)는 산화알루미늄(알루미나)의 내부 슬리브를 갖는 탄화규소의 외부 슬리브로 형성될 수 있다. 다른 구현예에서, 반응기 튜브(106)는 산화알루미늄의 내부 코팅을 갖는 탄화규소로 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 반응기 튜브(106)는 외부 표면 상에 흑색 코팅을 갖는 알루미나 산화물로 형성될 수 있다. 단일 반응기 튜브(106)가 도 1에 도시되어 있지만, 플랜트(100)는 반응기 챔버(108) 내의 다수의 반응기 튜브(106)를 사용함으로써 스케일링될(scaled) 수 있다.
연료 저장 장치, 예를 들어 호퍼(hopper)(122)가 반응기 튜브(106)의 유입구(112)에 결합될 수 있다. 재생(열적 환원)을 필요로 하는 소모된 고체-상태 연료 펠릿(102)(배출된 또는 산화된 고체-상태 연료 펠릿(102)으로도 알려짐)의 양이 처리를 위해 호퍼(122) 내에 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일부 구체예에서, 호퍼(122)를 폐쇄하기 위해 뚜껑(lid)(124)이 제공된다. 수집 장치, 예를 들어 수집 탱크(126)가 반응기 튜브(106)의 배출구(114)에 결합될 수 있다. 수집 탱크(126)는 처리 후에 충전된 고체-상태 연료 펠릿(102)(환원된 고체-상태 연료 펠릿(102)으로도 알려짐)을 저장하도록 구성된다.
절연체(128)는 반응기 튜브(106), 환원 반응기(104), 및/또는 호퍼(122)를 둘러쌀 수 있다. 일부 구현예에서, 절연체(128)는 또한 수집 탱크(126)를 둘러쌀 수 있다. 단열재(128)는 스톤 울 단열재(stone wool insulation), 실리카 단열재, 및/또는 알루미나 단열재를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 단열재일 수 있다.
고체-상태 연료 생산 플랜트(100)는 가스 유입구(130) 및 가스 배출구(132)를 추가로 포함한다. 가스 유입구(130)는 반응기 튜브(106)의 배출구(114)에 근접한 반응기 튜브(106)와 유체 결합된다(fluidly coupled). 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 유입구(130)는 수집 탱크(126) 내에 위치될 수 있다. 가스 배출구(132)는 반응기 튜브(106)의 유입구(112)에 근접한 반응기 튜브(106)와 유체 결합된다. 가스 배출구(132)는 호퍼(122) 내에 위치될 수 있다. 가스 유입구(130)는 저-산소 가스를 반응기 튜브(106)에 전달하도록 구성된다. 저-산소 가스는 약 0.01 atm 내지 약 0.05 atm 범위의 산소의 분압(PO2)을 갖는다. 일부 구현예에서, 저-산소 가스는 산소-고갈 공기 또는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스일 수 있다. 불활성 가스를 사용하는 것이 유리할 수 있지만, 특정 양의 산소가 허용될 수 있다. 가스 배출구(132)는 반응기 튜브(106)로부터 산소-농축된 가스를 배출하도록 구성된다. 가스는 바람직하게는 저온(예를 들어, 주위 온도 또는 그 부근)에서 플랜트(100)에 들어가고 나간다.
고체-상태 연료 생산 플랜트(100)는 반응기 튜브(106)를 통한 고체-상태 연료(102)의 유동을 조절하도록 구성된 유동 조절 메커니즘(134)을 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 유동 조절 메커니즘(134)은 버터플라이 밸브(butterfly valve), 나이프 밸브, 또는 다공성 나이프 밸브(porous knife valve)를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 구현예에서, 유동 조절 메커니즘(134)은 반응기 튜브(106)를 통한 고체-상태 연료(102)의 유동을 조절하는 펄스형 공기 제트(pulsed air jet)일 수 있다. 다른 구현예에서, 유동 조절 메커니즘(134)은 입자 스크류 피더(particle screw feeder)일 수 있다.
조작 시에, 소비된(산화된) 고체-상태 연료(102)는 (화살표 A로 도시된) 하향으로(downward) 플랜트(100)의 상부에서 호퍼(hopper)(122)로부터 공급되는 한편, 냉각 저-산소 가스(cool low-oxygen gas)는 (화살표 B로 도시된) 가스 유입구(130)를 통해 플랜트(100) 내로 향류로 공급되며, 여기서 냉각 저-산소 가스는 (화살표 C로 도시된) 상향으로 플랜트(100)의 바닥으로부터 유동한다. 고체-상태 연료 펠릿(102)은 호퍼(122)를 나와서 유입구(112)를 통해 반응기 튜브(106)에 들어간다. 반응기 튜브(106)의 회수 구역(116)에서, 고체-상태 연료 펠릿(102)은 환원 구역(118)으로부터 상향 유동하는 고온 산소-농축된 가스(hot oxygen-enriched ga)에 의해 예열된다. 저-산소 가스로부터의 열은 하강하는 고체-상태 연료 펠릿(102)으로 전달되고 직접 접촉을 통해 고체-상태 연료 펠릿(102)을 추가로 가열한다. 고체-상태 연료 펠릿(102)의 하향 유동 속도는 환원 구역(118)을 통한 긴 체류 시간(약 15 내지 20분)을 유지할 정도로 느리다(약 0.05 cm/s). 고체-상태 연료 펠릿(102)이 환원 구역(118)으로 들어갈 때, 고체-상태 연료 펠릿(102)은 개구(110)(화살표 D로 도시됨)를 통해 반응기 챔버(108)로 들어가는 집광된 태양 에너지에 의해 빠른 동력학을 위해 1350℃ 초과, 바람직하게는 1500℃의 온도로 가열된다. 고체-상태 연료 펠릿(102)이 환원 구역(118)을 통해 계속 하향 유동함에 따라, 이들은 상향 유동하는 저-산소 가스와의 고도의 흡열성 환원 반응을 수행한다. 환원 구역(118) 내의 낮은 O2 분압은 상향 유동하는 저-산소 가스에 의해 유지된다. 낮은 O2 분압은 그의 열역학적 한계 쪽으로의 추가 반응 정도를 가능하게 함으로써 향상된 에너지 저장 용량을 가능하게 한다. 환원 구역(118) 내의 고도의 흡열성 환원 반응 동안, 소비된(산화된) 고체-상태 연료(102)에서 산소가 고체로부터 해리되고 저-산소 가스 내로 혼입되어 산소-농축된 가스 및 충전된(환원된) 고체-상태 연료(102)를 형성한다. 열화학 반응은 
이다. 향류 낙하-입자 반응기 내에서 저-산소 가스를 사용하는 경우 고체-상태 연료(102)의 에너지 저장 용량을 1360 MJm-3(용융 염의 에너지 저장 용량의 2배)로 향상시킨다.
환원 구역(118)을 통과한 후, 고체-상태 연료 펠릿(102)은 켄칭 구역(120) 내로 그리고 켄칭 구역(120)을 통해 하향 유동한다. 켄칭 구역(120) 내에서, 고온 고체-상태 연료 펠릿(102)은 상향 유동하는 저-산소 가스에 의해 켄칭(냉각)되는 한편, 저-산소 가스는 가열된다. 이어서, 고체-상태 연료 펠릿(102)은 주위 온도 또는 그 부근에서 수집 탱크(126) 내로 반응기 튜브(106)의 배출구(114)를 통해 배출된다. 켄칭 구역(120)을 빠져나가는 저-산소 가스는 환원 구역(118)을 통과하여, 열적 환원으로부터 산소를 혼입한다. 이제 산소-농축된 가스는 1350℃ 초과의 온도에서 환원 구역(118)을 빠져나간다. 고온 가스는 회수 구역(116)을 통해 유동시켜서 열적 환원 전에 고체-상태 연료 펠릿(102)을 예열하고, 가스를 냉각시킨다. 이어서, 냉각된 산소-농축된 가스는 가스 출구(132)(화살표 E로 도시됨)를 통해 플랜트로부터 배기된다.
플랜트(100)로 유동하는 저-산소 가스는 적어도 3가지 기능을 수행한다. 첫째, 이는 켄칭 구역(120)을 통해 유동하는 환원된 고체-상태 연료(102)를 켄칭하고, 고체-상태 연료(102)의 재산화를 방지한다. 둘째, 이는 환원 구역(118)을 통과하는 고체-상태 연료(102)로부터 산소를 제거한다. 셋째, 고온 가스가 회수 구역(116)을 통과함에 따라, 가스는 가열되고 상향 이동하여 하강하는 고체-상태 연료(102)를 예열한다.
고체-상태 연료(102)의 관점에서 다른 방식으로 언급된 바와 같이, 고체-상태 연료(102)는 주위 온도 또는 그 부근에서 반응기 튜브(106)로 들어가고, 환원 구역(118)으로부터 반응기 튜브(106)를 통해 상향 유동하는 고온 산소-농축된 가스에 의해 회수 구역(116)에서 예열된다. 고체-상태 연료(102)는 반응기 챔버(108)에 들어가는 집광된 태양 에너지에 의해 환원 구역(118)에서 추가로 가열되고, 여기서 상향 유동하는 저-산소 가스와의 화학 반응을 통해, 고체-상태 연료(102)는 저-산소 가스로 산소를 잃게 되고 충전된(감소된) 고체-상태 연료(102)가 된다. 이어서 충전된 고체-상태 연료는 저-산소 가스로 열을 전달함으로써 켄칭 구역(120)에서 냉각되고, 최종적으로 주위 온도 또는 그 부근에서 수집 탱크(126) 내로 침착된다.
추가적으로, 가스의 관점에서, 공정 동안, 가스는 주위 온도 또는 그 부근에서 저-산소 농도로 가스 유입구(130)를 통해 수집 탱크(126)에 들어간다. 가스는 반응기 튜브(106) 내에서 하향 유동하는 가열된 고체-상태 연료 펠릿(102)에 의해 켄칭 구역(120)에서 예열된다. 가스는 반응기 챔버(108)에 들어가는 농축된 태양 에너지에 의해 환원 구역(118)에서 추가로 가열되고, 여기서 열화학적 환원 반응을 통해, 고체-상태 연료(102)는 산소를 방출하고, 여기서 산소-농축된 가스가 되도록 가스 내에 혼입된다. 이어서 산소-농축된 가스는 고체-상태 연료 펠릿(102)으로 열을 전달함으로써 회수 구역(116)에서 냉각되고, 이어서 주위 온도 또는 그 부근에서 가스 배출구(132) 밖으로 배출된다. 일부 구현예에서, 산소-농축된 가스가 가스 배출구(132)를 빠져나간 후, 산소 제거 공정을 거칠 수 있고, 이어서 저-산소 가스로서 가스 유입구(130)를 통해 플랜트(100) 내로 다시 공급될 수 있다.
도 3은 비효율적이고 상용화까지는 수년이 걸릴 수 있는 물과 CO2를 분리하기 위해 반응성 금속 산화물을 사용하는 대신에, 반응성 금속 산화물 자체가 고체-상태 연료인 것을 예시하는 고체-상태 연료(102) 산화 온도에 대한 태양 에너지-대-연료 효율의 그래프이다. 도 3에 도시된 모델링은 고체-상태 연료(102)에 의한 태양 에너지-대-연료 전환 효율이 $5 kWh-1 thermal보다 적은 에너지 저장 비용으로 54%만큼 높을 수 있다는 것을 나타낸다. 1000℃에서, 고체-상태 연료(102)의 총 에너지 효율은 약 0.54이고, 에너지 효율은 약 0.50이다. 고체-상태 연료(102)는 전력 블록으로부터 태양 필드 및 광학기의 분리를 허용한다. 기술 개발의 상태는 고체-상태 연료(102)를 3 내지 5년 내에 상업적으로 실행가능하게 만들 수 있다. 종래 CSP 열 에너지 저장에 대한 이러한 새로운 "비욘드 베터리즈(Beyond Batteries)" 대안은 CSP 플랜트의 제한된 설치공간을 넘어 CSP의 범위 및 관련성을 확장하고, CSP 산업에 상당한 활력을 제공할 수 있다. 고체-상태 연료(102)는 태양 필드로부터 고체-상태 연료(102)의 에너지 손실이 거의 없거나 전혀 없는 원격 전력 블록(remote power block)으로 장거리 수송될 수 있다.
고체-상태 연료(102)는 조작 온도 범위에서 다수의 사이클에 걸쳐 안정하게 유지되고, 열화 없이 연료 공급원으로서 다수회 재사용될 수 있다. 고체-상태 연료(102)는 그의 유용한 수명의 종료 전에 수천회 사이클링될 수 있는 것으로 기대된다. 마그네슘 망간 산화물 고체-상태 연료(102)는 1360 MJm-3만큼 높은 (반응 엔탈피에 기초한) 측정된 에너지 밀도를 갖는다. 열화학적 반응 
은 고온(>1000℃)의 공기 중에서 가역적으로 일어난다. 상이한 Mn/Mg 몰비를 갖는 마그네슘 망간 산화물의 반응 안정성 연구는 대기압 및 감압 조건 하의 공기 중에서 1500 내지 1000℃에서 사이클링할 때 높은 열화학적 안정성을 나타낸다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이, TGA에서 1500 내지 1000℃에서 사이클링될 때 Mn/Mg=1을 사용하여 제조된 샘플의 안정한 산소 흡수 및 방출 속도로부터 추론될 수 있다. 플랜트(100)의 향류 낙하 입자 반응기 내에서, 예를 들어 산소-고갈-공기(0.01 atm<PO2<0.05 atm)와 같은 저-산소 가스의 사용은 고체-상태 연료(102)의 에너지 저장 용량을 향상시키고 열 회수 및 주위 온도 저장을 가능하게 한다.
예비 기술-경제적 분석(preliminary techno-economic analysis)은 장기간 저장을 위한 고체-상태 연료(102)의 경제적 실행 가능성을 조사하였다. 고체-상태 연료(102)의 총 재료 비용은 원료, 합성 비용, 및 합성을 위한 에너지 비용을 포함한다. 총 재료 비용은 Mg/Mn 1:1에 대해 $620/ton이다. 총 저장 비용은 재료, 생산 반응기, 하위시스템, 및 홀딩 빈(holding bin)에 대한 자본 비용, 및 반응기 및 하위시스템에 대한 조작 및 유지 비용을 포함한다. 3.1%의 할인율로 모든 성분들에 대해 30년 수명을 가정한다.
도 5는 고체-상태 연료(102)의 장기간 저장에 대해 추정된 저장 비용(CE, (사용가능한) 에너지-전용 성분에 대한 자본 비용) 및 평준화된 비용(levelized cost; LC)을 도시한다. 도 5에 도시된 결과는 태양 조작 시 매일 8시간의 사용가능한 일광이 존재한다는 것을 가정한다. 플랜트(100)가 매일 조작 중인 경우 100 MW 전력 블록이 조작되지 않는 것으로 추가로 가정된다(즉, 매년 3회의 사이클에서 90일의 저장기간 동안, 플랜트(100)는 365-90×3=95일 동안 조작한다). 이는 직관에 반하는 것으로 보이지만, 도 5는 계절 주기의 수가 증가함에 따라 에너지 저장 비용이 증가한다는 것을 보여준다. 이는 태양 조작 일수가 감소하므로 100 MW 전력 요건을 충족시키기 위해 더 큰 플랜트(100)가 요구되기 때문이다. 모든 경우를 고려할 때, 에너지 저장 비용은 < $5/kWhthermal 미만이다. 이는 최신 용융 염 저장($26/kWhthermal) 비용 및 3세대 CSP 시스템에 대한 에너지 부 목표($15/kWhthermal) 비용 보다 낮다. 또한, 사계절 주기에 대해 평준화된 저장 비용은 $0.05/kWhthermal 미만이라는 것은 주목할 만한 사실이다. 이러한 예비 비용 계산은 고체-상태 연료(102)가 저비용, 장기간/계절 에너지 저장에 대해 실행가능한 경로인 것으로 기대된다는 것을 보여준다. 고체-상태 연료(102)를 사용하는 전력 블록은 특정 시장에서 추가적인 청정 에너지 크레딧 및 에너지 저장 크레딧을 받을 것이다. 전력 블록은 고체-상태 연료(102) 생산으로부터 분리될 수 있으므로, 전력 블록 및 플랜트(100)를 동시에 조작시키는 것이 가능하다.
본원에서 기술된 시스템, 장치 및 방법은 상당한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 플랜트(100)는 고체-상태 연료(102)를 생산하는 연속-유동 태양 반응기이다. 고체-상태 연료(102)의 생산은 태양열 에너지를 위한 긴 지속 기간 저장 옵션을 제공한다.
추가적으로, 용이하게 수송될 수 있는 고체-상태 연료(102)가 생산되고, 태양 필드 및 플랜트(100)는 전력 블록으로부터 물리적으로 분리될 수 있으며, 이는 많은 조작 및 비용 이점을 가지며; 예를 들어 많은 소규모 플랜트는 대용량 기가와트 규모의 플랜트와는 대조적으로, 필요에 따라 개발 및 분배될 수 있다. 고체-상태 연료(102)는 석탄 플랜트에서 석탄에 대한 드롭-인(drop-in) 대체물로서 사용될 수 있다. 따라서, 석탄-연소된 발전소를 셧다운하는 대신에, 고체-상태 연료(102)가 석탄 대신에 사용될 수 있다. 고체-상태 연료(102)의 산화는 어떠한 탄소 방출도 일어나지 않는다.
또한, 향류 모드에서 플랜트(100)를 통해 유동하는 불활성 가스는 적어도 3가지 목적을 제공한다: (1) 저-산소 환경을 제공하고 열 환원 동안 방출된 임의의 산소를 스위핑하는 것; (2) 고체-상태 연료(102)의 재산화를 방지하는 것; 및 (3) 반응기를 떠나는 낙하 고체-상태 연료 펠릿(102)으로부터의 열이 회수되고 열은 환원 반응기(104)에 들어가는 저온 고체-상태 연료 펠릿(102)으로 전달되도록 열 회수를 제공하는 것. 이것은 환원 반응기(104)로의 입구 및 출구가 태양로에서 1500℃에 노출된 환원 반응기(104)의 중간 구역과 비교하여 저온에 있다는 점에서 커다란 공학적 이점을 갖는다. 향류 배열은 고체-상태 연료(102)로 전달된 열의 효율적인 회수를 허용한다. 즉, 고체-상태 연료(102)뿐만 아니라 불활성 가스는 주위 온도에 가깝게 반응기 튜브(106)로 진출입한다.
플랜트(100)의 고유한 우려는 반응기 튜브(106)의 유입구(112) 및 배출구(114) 둘 다 주위 온도에 가깝고, 따라서 고온 고체 및 가스뿐만 아니라 태양 반응기에서 통상적으로 직면하는 고온 밀봉 문제의 취급을 회피한다는 사실에 있다. 향류 구성으로 인해, 고체-상태 연료(102)와 플랜트(100) 내로 도입된 가스 사이에 직접적인 접촉 열 교환이 발생하며; 유일한 고온 구역이 반응기 챔버(108) 내에 있다. 이러한 설계는 반응기 조작을 크게 단순화시키고, 고온을 견딜 수 있는 재료(예를 들어 세라믹)가 환원 구역(118) 내에만 요구되기 때문에 자본 비용을 감소시킨다. 또한, 고체-상태 연료(102) 및 플랜트(100)는 그 규모성(scalability), 저비용의 Mg-Mn-O, 및 무독성(취급 안전성), 저온에서 비-반응성, 탄소-중성, 및 저장 및 수송 비용이 저렴한 고체-상태 연료의 형태로 에너지를 저장하는 능력으로 인해 장기간 태양 에너지 저장을 위해 변형될 수 있다.
도 6을 참조하면, 태양 에너지 수집 타워(solar collector tower)(150)은 본원에 개시된 플랜트 또는 노 구현예들 중 임의의 것을 채용한다. 상기 타워(150)는 태양을 추적하는 이동식 헬리오스타트 거울(154)의 어레이가 설치되어 있는 지면(ground)(52) 위로 수직으로 연장된다. 상기 거울(154)은 플랜트(100) 내의 노(104)의 개구(110) 상에 집중적으로 태양 방출 광선(D)을 반사 및 집속한다. 엘리베이터 또는 일련의 컨베이어 버킷(156)은 펠릿을 타워까지 호퍼(122)로 수송하도록 사용되지만, 연속 급송 오거(continuously feeding auger) 등이 대안으로 사용될 수 있다.
도 7은 펠릿이 초기에 102a에서 디스크 펠릿화되고, 102b에서 구형화가 발생한 다음, 102c에서 열처리된 후 펠릿이 반응기의 호퍼 내에 배치되는 펠릿의 제조 공정을 도시한다. 이러한 고체-상태 연료의 합성은 바람직하게는 날카로운 에지(sharp edges) 없이 대략적으로 구형인 둥근 펠릿을 생성하고, 각각은 약 3 mm의 평균 직경을 갖는다. 이러한 연료 펠릿 또는 입자의 크기 및 형상은 유리하게는 클로깅(clogging) 없이 반응기 및 후속 플랜트를 통한 연속 중력 급송(continuous gravity feeding)에 최적이면서 그를 통한 향류 가스를 위한 펠릿들 사이의 공간을 허용한다. 에리히(Eirich) 사의 디스크 펠릿타이저 모델 EL1이 적합한 것으로 밝혀졌다.
제2 구현예 CSP가 도 8 및 도 9에 도시되어 있으며, 작업물 또는 입자로도 알려진 고체-상태 연료 펠릿(202)을 처리하기 위한 반응기 플랜트(200) 및 연료 사용 플랜트(fuel usage plant)(201)를 포함한다. 이러한 제 2 구현예 장치는 바람직하게는 마그네시오페라이트(magnesioferrites)로도 알려진, 도핑 또는 비도핑된, 다공성 마그네슘 철 산화물(Mg-Fe-O)인, 펠릿의 열화학적 환원, 및 증기(steam)를 사용한 환원된 연료 재료의 산화를 통한 수소의 후속 생성을 초래한다. 환원 반응기 플랜트(200)는 유입구 호퍼(inlet hopper)(222), 배출구 수집 탱크 또는 영역(226), 및 집광된 태양 에너지(D)를 수용하도록 구성된 개구(210)를 갖는 반응기 챔버 또는 태양로(204)를 포함한다. 또한, 대략적으로 수직으로 연신된(elongated) 반응기 튜브(generally vertically elongated reactor tube)(206)는 호퍼(222)와 수집 탱크(226) 사이에서 연장되고 이들을 연결한다. 반응기 튜브(206)는 회수 또는 예열 구역(216), 환원 또는 충전 구역(218), 및 켄칭 또는 냉각 구역(220)을 포함하고, 여기서 반응기 튜브의 환원 구역 영역(reduction zone area)은 반응기 챔버를 통과한다.
첫째, 신선한 또는 재사용된, 소모되고 산화된 고체-상태 펠릿(202)은 화살표 A로 표시된 바와 같이 유입구 호퍼(222)로부터 반응기 튜브(206) 아래로 연속적으로 중력 공급되는 한편, 저-산소 가스는 화살표 C로 표시된 바와 같이 반응기 튜브 위로 유동한다. 예시적인 저-산소 가스는 약 96 내지 99.99% 순도의 질소이다. 둘째, 고온의 산소-농축된 가스는 열적 환원 전에 유입되는 산화된 펠릿을 예열하기 위해 회수 구역(216)에서 펠릿(202)을 통해 유동하고; 이는 초기 가스-대-작업물 열 교환기로서 기능한다. 보조 가스 또는 공기 가열기는 열 교환이 자가-유지되기 전에 초기 시동 동안 회수 구역에서 가스 및/또는 펠릿을 가열하도록 선택적으로 사용될 수 있다.
셋째, 펠릿(202)은 (1350℃ 초과(>)의 온도로 유지되는) 환원 구역(218)에서 고도의 흡열성 환원 반응을 수행하고, 여기서 펠릿 및 가스는 태양로(204) 내부의 반응 튜브(206) 내에서 반대 방향으로 유동한다. 이러한 영역에서, 산화된 펠릿 내의 산소가 분리되어(도 9의 박스(217) 참조), C에서 그 이전에(therepast) 유동하는 저-산소 가스 내로 혼입되어, 산소-농축된 가스 및 열화학적으로 환원된 또는 충전된 펠릿(202)을 형성한다. 이후 이들 환원된 및 충전된 펠릿은 그 안에 저장된 연료 에너지 저장 포텐셜을 갖는 산소-고갈된 또는 고갈된 입자 또는 작업물로서 기능한다. 완전히 충전된 펠릿 내에 얼마나 많은 에너지가 저장되는지를 보여주기 위해 사용될 수 있는 예시적이고 비제한적인 수치 값은 865 kJ/kg +/- 7.6%이다. 환원 구역의 태양로 내의 펠릿의 예시적이고 비제한적인 체류 시간은 1500℃에서 적어도 5분 및 1400℃에서 적어도 20분이다.
넷째, 환원된 및 충전된 연료 펠릿(202)이 켄칭 구역(220) 내에서 하향 이동함에 따라, 산소-고갈된 펠릿은 저-산소 가스에 의해 켄칭되거나 냉각되는 한편, 펠릿은 차례로 그곳에서 유동하는 가스를 가열하기 위해 열을 교환한다. 이어서, 환원된 및 충전된 펠릿(202)은 수집 탱크(226) 내에 일시적으로 저장되거나 또는 원격인 경우 배치 로딩된 운송 차량(batch loaded transportation vehicles)을 통해 후속적인 발전기 플랜트(201)로의 유동 경로(227)를 따라, 또는 가까이 있는 경우 자동으로 공급된 도관 또는 컨베이어를 따라 연속적으로 수송된다.
유리하게는, 반응기 튜브 유입구 및 배출구, 및 유입(incoming) 및 배출(outgoing) 연료 펠릿 및 가스 둘 다는 주위 온도 또는 실온에 가깝고(예를 들어 24.50℃의 실온 목표의 +/-100℃ 이내임), 따라서 종래 고온 고체 및 가스에서의 취급 곤란성 뿐만 아니라 종래 고온 하드웨어 밀봉 문제를 회피한다. 펠릿 및 가스의 향류 구성으로 인해, 직접적인 접촉 열 교환은 반응기 또는 노 공동(reactor or furnace cavity) 내에 있는 유일한 고온 구역에 있는 고체와 가스 사이에서 발생한다. 플랜트가 정상-상태 조건에 도달한 후에 어떠한 열-교환 하드웨어도 요구되지 않는다. 본 설계는 반응기 조작을 크게 단순화시키고, 세라믹 배관이 환원 구역 내에서만 요구되기 때문에 자본 비용을 감소시킨다. 따라서, 덜 비싸고 더 쉽게 밀봉된 금속 합금 튜브, 예를 들어 예시적인 하스텔로이 X 니켈계 합금 재료(Hastelloy X nickel based alloy material), Haynes® 214® 니켈-크롬-알루미늄-철 합금 재료, MA 957 페라이트계 합금 재료, 및 Inconel® 오스테나이트계 니켈-크롬계 합금 재료가 회수 구역(216) 및 켄칭 구역(220)에 사용될 수 있다. 즉, 상기 세라믹 재료는 열 팽창 차이가 금속-대-세라믹 조인트를 밀봉할 우려를 초래하는 경우 모든 구역을 통해 조작하는 단일 피스의 전체 반응기 튜브(206)에 사용될 수 있다.
배출되는 연료 펠릿의 주위 온도는 공기에 개방될 수 있거나 선택적으로 백 안에 밀봉될 수 있는 저비용 탱크, 컨테이너 및 차량 화물 용기에서의 취급, 저장 및 수송을 단순화한다. 이러한 저온 및 산소-고갈 연료는 적어도 2개월, 보다 바람직하게는 적어도 5개월 동안 저장될 때 연료 펠릿 내의 에너지 포텐셜의 상당한 열화(예를 들어 10% 미만의 손실) 없이 장기간 동안 유익하게 저장된다. 이는 예를 들어 기차, 선박 또는 트럭에 의한 충전된 연료의 장거리 및 느린 수송을 가능하게 한다. 유사하게, 배출되는 가스의 주위 온도는 시스템 에너지 손실을 방지하고, 열-전달 효율을 증가시키며, 가스가 환경으로 방출되는 경우 바람직하지 않은 열 오염을 감소시킨다.
연료 사용 플랜트(201)는 CSP 반응기 플랜트(200)에서 충전되는 연료 펠릿에 후속하여 그로부터 하류(downstream)로 충전 및 산소-고갈 연료 펠릿(202)으로부터 저장된 에너지 또는 열을 추출 및 방출하도록 작용한다. 연료 사용 플랜트(201)는 증기 발생기(262), 응축기(264), 외부 열-교환기 하드웨어(266) 및 수 공급원(268)이 결합되는 산화 반응기(260)를 포함한다. 증기 유동 경로(E)는 증기 성분을 연결하는 파이프를 따른다. 물은 보유 탱크 또는 다른 공급원(268)으로부터 외부 열-교환기 하드웨어(266)로 유동한 다음 증기 발생기(262)로 유동하고, 이후 증기는 산화 반응기(260)의 증기 유입구(272)에 들어가고, 산화 튜브(274) 내로 상향 유동한다.
본 발명의 산화 반응기(260)는 본질적으로 위에서 기재된 열화학적 환원 공정의 역조작(reverse operation)이다. 본 발명의 산화 반응기(260)에서, 환원된 입자 또는 펠릿(202)은 일반적으로 수직 하향 방향으로 연속적으로 이동하는 한편, 증기는 반대로 상향 방향으로 이동한다. 증기는 200℃ 이하의 온도에서 튜브(274)의 바닥에서 들어가고, 열-교환 켄칭 구역(280)에서 산화된 펠릿으로부터의 열을 회수한다. 증기가 후속하여 중간 산화 또는 반응 구역(282)에 도달할 때, 증기는 그로부터 유동하는 환원된 펠릿과 반응하여 수소를 생성한다. 발열성인 산화 반응은 연료 펠릿(202)으로부터 요구되는 에너지를 공급하여 증기를 800℃ 초과의 원하는 산화 온도로 가열한다. 수소 및 미반응 증기 혼합물이 산화 구역(282)으로부터 상향으로 방출될 때, 이는 열-교환 회수 구역(284)에서 하강하는 환원된 펠릿을 가열한다.
단지 산화 구역만이 고온이고 배출되는 펠릿 및 수소는 대체로 주위 온도이기 때문에, 태양 환원 반응기(solar reduction reactor)(200)와 매우 유사하게, 산화 반응기(260)에서 고온 가스 또는 고체를 취급할 필요가 없다. 온도는 산화 반응기(260)의 임의의 구역에서 1000℃를 초과할 것으로 예상되지 않기 때문에, 금속 초합금(metallic super alloy)이 모든 구역에 사용될 수 있고 세라믹이 필요하지 않다. 또한, 절연체(286)는 튜브(274)를 둘러싸고 수집 탱크(288)는 환원 반응기(200)에서의 추후 수송 및 재사용을 위해 산화 반응기(280)의 켄칭 구역(280)으로부터 배출된 소모된 및 산화된 펠릿(202)을 수용하고 일시적으로 저장한다. 또한, 증기는 펠릿의 크기로 인해 작업물 펠릿을 통해 자유롭게 유동할 수 있고, 튜브 내의 펠릿의 공극률(porosity)이 펠릿 사이의 약 3-4 mm의 공극 또는 간격을 갖는 총량의 적어도 36%이며; 따라서 상향 이동하는 증기 압력 강하는 2 인치 직경 튜브에 대해 2.5 psi 미만이어야 하고, 펠릿 유량은 1 g/sec이고 증기(또는 가스) 향류 속도는 50 리터/분이다.
튜브(274)의 상부를 빠져나가는 분리된 수소 및 증기는 외부 열 교환기 하드웨어(266)로 그리고 이어서 응축기(264)로 전달된다. 유체 냉각제 및 팬이 응축기에 사용된다. 이는 분리된 수소를 기계적으로(화학적이 아님) 혼합된 증기로부터 분리하는 역할을 하고, 후속하여 수소를 하류 처리 플랜트 또는 저장소로 전달하고, 이제 물을 다시 공급원(268)으로 전달한다. 증기-물 전환으로부터 제거된 나머지 열은 증기 발생기로 다시 공급된다.
산화 반응기에서의 역반응(reverse reaction)은 환원 반응기에서와 유사한 방식으로 수행되지만, 증기 및 이전에 환원된 연료 물질을 사용하여 더 낮은 온도에서 수행된다. 증기는 회수 가스 및 산화제로서 작용한다. 증기로 환원된 재료의 산화는 수소의 형성을 초래한다. 따라서, 수소는 상기 언급한 바와 같이 응축을 통해 과량의 증기로부터 분리된다. 펠릿화된 반응성 물질을 냉각시키는 것으로부터 손실된 열은 향류 낙하 층상 반응기 구성(counter-flow falling bed reactor configuration)을 사용하여 회수된다.
그러나, 종래 순수한 산화철은 소결 문제로 인해 고온 반응(>1000℃)에 적합하지 않은 것에 주목한다. 대조적으로, 본 발명의 방법 및 장치는 산화철을 산화마그네슘과 혼합함으로써 소결의 위험을 완화시켰다. 이것은 열화학적 사이클링을 위한 재료를 안정화시킬 뿐만 아니라, 산화철의 열적 환원에 필요한 온도를 낮춘다. 1:2의 Mg/Fe 몰비를 갖는 산화물은 MgFe2O4 스피넬을 형성하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명의 접근법은 안정화 효과를 제공하고 소결을 회피하기 위해 과량의 MgO(Fe/Mg < 2)를 찾아내는 것이 바람직하다. MgFe2O4 중의 과량의 MgO를 사용하는 태양 열화학 수(solar thermochemical water) 또는 이산화탄소 분리를 위한 단순화된 화학 반응은 하기와 같이 제공된다:
● 열 환원 :
● 산화 :
도 14 및 도 15는 1 내지 10-5 atm의 O2 분압에서 MgO(x = 2.5, 5, 10 및 20임) 중의 x 몰%의 Fe3O4로부터 제조된 재료로부터 방출된 O2의 양을 계산하기 위한 CALPHAD 기반 열역학 모델로부터의 예상된 결과를 나타낸다. 이 그래프는 상이한 제형에 대해 10-4 및 10-5 atm의 O2 분압(PO2) 하에서 환원될 때 방출된 O2의 양을 나타낸다. 도 16 및 도 17은 재료가 10-4 atm의 O2 분압 하에서 1350 및 1450℃에서 환원되고 재료의 질량의 4배의 증기로 산화된 후 열역학 평형에서 생성될 수 있는 예상된 H2의 양을 계산하기 위해 사용된 동일한 CALPHAD 모델을 예시한다.
상이한 Fe/Mg 몰비를 갖는 마그네슘 철 산화물의 반응 안정성 연구는 1500 내지 1000℃의 사이클링 시 높은 열화학적 안정성을 나타낸다. 이는 도 18에 나타낸 바와 같이, TGA에서 1350 내지 1200℃로 사이클링될 때 Fe/Mg=3/4를 사용하여 제조된 샘플의 안정된 산소 흡수 및 방출 속도로부터 추론될 수 있다.
Mg-Fe-산화물(Fe/Mg=3/4)의 생산성은 세리아(ceria)와 같은 다른 최신 기술의 수 분리 재료(water splitting materials)에 비해 예외적으로 높고 안정하다. 마지막 10회의 사이클에서 평균 CO 생성(CO2를 사용하여 수행된 산화)은 O2 분압이 1.56×10-5 내지 4×10-4 atm으로 변하는 8.9 cm3g-1이다. 또한, 산화마그네슘 중의 20 몰% 자철석을 사용하여 제조된 반응성 재료는 1350 내지 1450℃만큼 낮은 환원 온도에서 물 분리에 적합한 것으로 밝혀졌다. 상기 재료는 ~10-4 내지 10-5 atm의 O2 분압 하에서 1450℃에서 용이하게 환원되고, 1200℃에서 증기로 산화될 때 사이클 당 6.12 ±0.02 cm3g-1의 H2를 생성한다. 이산화세륨은 1500℃/1450℃에서 환원되고 1200℃에서 산화될 때 사이클 당 2.91/4.34 cm3g-1의 H2를 생성한다.
열 용량은 반응기 플랜트와 일치하는 것이 바람직하다. 고체 연료 생산 유닛의 효율은 가스 및 고체 급송물(feed)의 열 용량이 동일할 때 최대이다. 이것은 수학적으로 하기와 같이 주어진다:
상기 식에서,
수소 처리 플랜트는 발전소 내의 연료 전지, 발전소용 수소 동력식 터빈, 또는 암모니아의 제조, 염산, 지방 수소화(fat hydrogenation), 금속 광석의 화학적 환원, 수소화탈알킬화(hydrodealkylation), 수소화탈황화(hydrodesulphurization), 석유화학 수소화분해, 및 반도체 제조를 위한 규소 또는 탄소 결합의 파괴와 같은 화학 처리 플랜트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 연료 사용 플랜트는 유체 히터(fluid heater), 시멘트 또는 아스팔트 킬른, 유리 또는 강철 노(steel furnace) 등에서와 같이 수소 분리와 관련되지 않은 다른 제조 공정을 위해 연료 펠릿을 방출할 수 있는 것으로 구상된다. 다른 구성에서, 상이한 역-유동 가스 또는 다른 유체는 산소-고갈된 연료가 대안적인 공정을 위해 사용되는 경우 증기 대신에 산화 반응기에서 사용될 수 있지만, 바람직한 수소 분리 이점 중 일부는 달성되지 않을 수 있다.
도 10 내지 도 12는 고체-상태 연료 펠릿 또는 입자(202)가 반응기 튜브(206)를 통해 연속적으로 이동하고 이를 빠져나갈 때 고체-상태 연료 펠릿 또는 입자(202)의 하향 유동을 조절하기 위한 비-기계식 유동-조절 밸브 시스템(290)을 도시한다. 밸브 시스템(290)은 일정한 가스 유입구(291), 맥동 가스 유입구(292), 압축 가스 공급 탱크(293) 및 프로그램 가능한 컴퓨터 조절기(294)를 포함한다. 맥동 배관 회로(295)는 유동 조절 밸브(311), 전자기 솔레노이드(297)에 의해 반복적으로 맥동하는 방식으로 자동으로 개방 및 폐쇄되는 사이클링 밸브(296), 및 저-산소 질소 가스를 공급 탱크(293)로부터 맥동 가스 유입구(292)로 조작 가능하게 전달하는 하류 유량계(downstream flow meter)(298)를 포함한다. 유동 조절 밸브(311), 솔레노이드(297) 및 유량계(298)는 프로그램 가능한 조절기(294)에 전기적으로 연결된다. 또한, 바이패스 배관 회로(299)는 유동 조절 밸브(301)를 일정한 가스 유입구(291)에 연결한다.
일정한 가스 유입구(291)는 수집 탱크(226)에 결합되고, 일반적으로 튜브(206)의 주연부를 둘러싸거나 튜브의 하단부가 수집 탱크(226) 내부의 깔때기 형상의 배출구(303)에 결합되는 곳과 그 사이에 인접한 메시 커버된 개구(302)에 들어가는 가스의 일정한 유동을 내부에 제공한다. 이는 연료 펠릿(202)을 통해 상향으로 역-유동하는 질소이다.
맥동 유입구(292)는 반응기 튜브(206)의 배출구(303)에 결합되고, 펠릿(202)을 가로지르는 오프셋 각도(바람직하게는 펠릿의 하향 유동 방향에 대략 수직임)로 질소의 펄스를 주기적으로 유동시킨다. 이러한 맥동 가스 유동은 자동으로 조정 가능한 배압으로 하여금 반응기 튜브 내의 펠릿의 하향 유동 속도를 변화시키게 하는 한편, 또한 이들이 로드 셀(307) 상에 놓인 표면 상으로 도관(305)으로부터 이격되나 도관을 따라 이동할 때 펠릿의 배출 유동 방향 및 양을 선택적으로 변화시키도록 기능한다. 로드 셀(307)은 그 상의 완성된 연료 펠릿(202)의 중량 또는 양을 측정 또는 감지하고, 감지된 신호를 프로그램 가능한 조절기(294)에 전송한다. 압력 게이지(309)는 밀봉되는 수집 탱크(226) 내부의 내부 가스 압력을 측정 또는 감지하고, 또한 감지된 신호를 프로그램 가능한 조절기(294)에 전송한다. 맥동 유입구(292)에 들어가는 가스는 유입구(291 및 292) 둘 다를 통한 가스의 총 유동의 약 5% 미만이다. 도관(305)으로부터 밀려나오는 연료 펠릿의 양은 유동 조절 밸브(296)에 의해 조절되는 가스 유량에 비례한다. 솔레노이드(297)는 일정한 주파수로 맥동하고, 유동 조절 밸브(311)는 순환 밸브(296)로 인한 압력 변동으로 인해 전송된 공기의 양의 일관성을 유지하는 것이 바람직하고, 그렇지 않으면 가압된 펠릿의 불균일한 크기로 인해 생성된 가스 유동이 변한다.
맥동 가스 밸브 시스템은 기계적 밸브의 마모 및 복잡성을 유리하게 회피한다. 따라서, 이것은 모든 구역을 통해 하향 이동하는 연료 펠릿의 속도 및 양에 대한 비접촉 유동 조절을 제공한다. 본 맥동 가스 밸브 시스템(290)은 본 명세서에 개시된 임의의 반응기 구현예와 교대로 사용될 수 있고, 심지어 임의의 공정에서 중력 공급되는 모래, 석탄 먼지, 시멘트 분말, 중합체 펠릿 등과 같은 다른 작업물 입자의 유동을 조절하는 데 사용될 수 있지만; 연료 펠릿과 함께 사용하는 본 발명의 이점은 이러한 교대 사용으로 완전히 실현되지 않을 수 있다.
밸브 시스템(290)을 빠져나가는 연료 입자의 양은 각각의 펄스에서 솔레노이드 밸브(296)를 통과하는 가스의 유량에 비례한다. 이것은 조절 알고리즘 및 프로그래밍 가능한 조절기(294)의 비일시적 RAM 또는 ROM에 저장된 관련 프로그래밍된 소프트웨어 명령어(321)에 따라 유동 조절 밸브(311)를 사용하여 조절된다. 도 11 및 도 12의 값 A, B, C 및 D는 맥동 L-밸브(296), 예컨대 하기 표 1에 따른 2-5mm 직경의 연료 펠릿과 함께 사용하기 위한 맥동 L-밸브를 사용하여 고체-상태 연료 펠릿의 원하는 질량 유동을 유지하기 위한 시스템 의존적 파라미터(수동으로 설정될 수 있고/있거나 실시간 감지 신호에 기초하여 자동으로 변경될 수 있음)이다:
[표 1]
CSP 반응기(400)의 다른 구현예는 도 13에서 관찰될 수 있는 바와 같이 상업적으로 대규모이고 부피가 큰 구성이다. 이러한 예시적인 플랜트는 회수, 환원, 켄칭 및 산화 구역에 걸쳐 있는 다수의 반응기 튜브(406)의 반원형 어레이(semicircular array)를 제공한다. 본원에 나타낸 반응기는 환원 구역에 중간 태양로(404)를 포함한다. 상부 호퍼(422)와 하부 수집 영역(426) 사이에서 연장되는 평행하고 수직으로 연신된 튜브(406)가 바람직하게는 적어도 5개, 보다 바람직하게는 적어도 10개 존재한다. 더욱이, 각각의 튜브에 대한 최소 직경은 바람직하게는 50mm이지만, 높은 부피 배열에서 튜브 직경은 아마도 더 클 것이다. 다수의 튜브의 유사한 어레이가 산화 반응기에 대해 구상되지만, 튜브 직경은 장치가 수소 및 증기 분리를 위한 낮은 표면 대 부피 비를 갖도록 가능한 한 커야 하며; 이것은 주변으로의 열 손실을 최소화하고 필요한 단열의 양을 최소화할 것이다.
도 19를 참조하면, 제 4 구현예 플랜트 장치는 고체-상태 열화학 연료를 충전 및/또는 방전하기 위해, 풍력 터빈, 수력 터빈, 태양광 발전 패널, 지열 등과 같은 재생 가능한 발전기(503)에 의해 생성된 과잉 전기 에너지를 사용하도록 구성된 환원 반응기 및/또는 산화 반응기를 포함한다. 이러한 예시적인 구현예의 반응기는 연신된 중공 세라믹 튜브(106)가 중간 환원 구역(518)에서 상부 호퍼(124)로부터 노 공동 수용기로 실질적으로 수직으로 연장되도록 회수 구역(116) 및 켄칭 구역(120)에서 제 1 구현예와 유사하다. 출구 파이프(132)는 산소-농축된 공기가 그로부터 유동하는 것을 허용한다. 소모된 연료(102)는 호퍼(hopper)(124)로부터 노를 통해 튜브(106) 아래로 그리고 하부 수집 탱크(126)로 유동한다. 연료 유동은 파이프(130)를 통해 안쪽으로 유동하는 산소-고갈된 공기를 갖는 조절기(134)에 의해 조절된다. 충전된 연료(102)는 탱크(126) 내로 쌓이고, 그 후 저장 유닛 또는 산화 반응기에 외부적으로 공급된다.
이 구현예와의 차이점은 가열 요소(508)가 환원 구역(518)의 노 내에 위치된다는 것이다. 하나 또는 다수의 가열 요소(508)는 연신되고, 노 내에서 코일링되거나 루프화될 수 있으며, 이는 그렇지 않으면 (튜브(106) 및 가열 요소(508) 접근을 제외하고) 태양 개구 없이 완전히 둘러싸이고 밀봉된다. 가열 요소(508)는 1500℃를 초과하는 온도를 견뎌야 하고, 바람직하게는 MoSi2, SiC 또는 유사한 재료로 제조된다. 예를 들어 가열 요소는 유도성 와이어, 저항성 코일형 전도체 등일 수 있다. 대안적으로, 가열 요소는 노 내의 적외선 방출기일 수 있다.
과도한 전기는 태양 에너지를 사용하는 대신에 재생 가능한 발전기로부터 가열 요소에 공급된다. 이는 열장(thermal field)이 노 전체에 걸쳐 더 균일하게 되게 하는 데 유익하며, 이는 효율을 개선하고 그 안의 연료의 체류 시간을 감소시킨다. 이 구현예는 또한 주위 열 손실을 감소시킨다. 또한, 재생 가능한 전기 가열은 태양 에너지 변동성을 관리할 필요 없이 노가 정상 상태 모드에서 잠재적으로 조작할 수 있게 한다. 고체-상태 연료로서 풍력 에너지를 저장하는 본 능력은 또한 매우 유리하다.
다양한 구현예가 본원에 개시되었지만, 다른 변형예가 존재할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이전에 개시된 특징들 중 임의의 것 및 전부는 다른 구현예들 중 임의의 것 또는 전부와 혼합되고 정합될 수 있다. 더욱이, 하기 청구항들 전부는 임의의 조합으로 서로에 대해 배가될 수 있다. 상기 설명은 사실상 단지 예시적인 것이며, 따라서, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 변형예는 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.
Claims (41)
- 에너지 사용 방법으로서,
(a) 고체 작업물(solid workpieces)을 입구(entrance)로부터 회수 구역(recuperation zone)으로 급송하는(feeding) 단계;
(b) 상기 회수 구역으로부터 환원 구역(reduction zone)으로 상기 작업물을 연속적으로 급송하는 단계;
(c) 상기 환원 구역으로부터 켄칭 구역(quenching zone)으로 상기 작업물을 급송하는 단계;
(d) 상기 켄칭 구역으로부터 수집 영역(collection area)으로 상기 작업물을 급송하는 단계;
(e) 상기 켄칭 구역 내로 가스를 유동시키는 단계;
(f) 단계 (c) 동안 상기 켄칭 구역으로부터 상기 환원 구역으로 상기 가스를 연속적으로 유동시키는 단계;
(g) 단계 (b) 동안 상기 환원 구역으로부터 상기 회수 구역으로 상기 가스를 유동시키는 단계;
(h) 상기 작업물 및 상기 가스가 상기 회수 구역에 있을 때, 상기 작업물을 상기 가스로 예열하고, 상기 가스를 상기 작업물로 냉각하는 단계;
(i) 상기 작업물 및 상기 가스가 상기 환원 구역에 있는 동안, 상기 작업물을 상기 에너지로 가열하고, 상기 작업물로부터 상기 가스로 산소를 이동시키는 단계;
(j) 상기 작업물 및 상기 가스가 상기 켄칭 구역에 있는 동안, 상기 작업물을 상기 가스로 냉각하고, 상기 가스를 상기 작업물로 예열하는 단계;
(k) 적어도 단계 (i)에 기인하여 상기 작업물을 산소-고갈된 연료(oxygen-depleted fuel)로 전환시키는 단계;
를 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
(a) 상기 산소-고갈된 연료를 제2 입구(second entrance)로부터 제2 회수 구역으로 급송하는 단계;
(b) 상기 산소-고갈된 연료를 상기 제2 회수 구역으로부터 산화 구역(oxidation zone)으로 연속적으로 급송하는 단계 - 거기에서 상기 산소-고갈된 연료는 산소를 수용하고 상기 환원 구역 이전과 실질적으로 동일한 양의 산소를 포함하는 작업물로 다시 전환됨 -;
(c) 상기 산화 구역으로부터 제2 켄칭 구역으로 상기 작업물을 급송하는 단계;
(d) 상기 제2 켄칭 구역으로부터 제2 수집 구역으로 상기 작업물을 급송하는 단계;
(e) 상기 제2 켄칭 구역 내로 제2 가스 또는 증기를 유동시키는 단계;
(f) 상기 산화 구역으로부터 상기 제2 켄칭 구역으로 상기 작업물을 급송하는 동안, 상기 제2 켄칭 구역으로부터 상기 산화 구역으로 상기 제2 가스 또는 상기 증기를 연속적으로 유동시키는 단계;
(g) 상기 산소-고갈된 연료를 상기 제2 회수 구역으로부터 상기 산화 구역으로 급송하는 동안, 상기 제2 가스 또는 상기 증기를 상기 산화 구역으로부터 상기 제2 회수 구역으로 유동시키는 단계; 및
(h) 상기 산소-고갈된 연료 및 상기 제2 가스 또는 상기 증기가 상기 제2 회수 구역에 있을 때, 상기 산소-고갈된 연료를 상기 제2 가스 또는 상기 증기로 예열하고, 상기 제2 가스 또는 상기 증기를 상기 산소-고갈된 연료로 냉각하는 단계;
를 더 포함하는, 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 산화 구역 및 상기 제2 회수 구역 중의 적어도 하나의 구역 내에서 상기 증기를 분리하여 실질적으로 순수한 수소를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 환원 구역에서 상기 작업물 및 상기 가스가 1,300℃ 이상으로 가열된 후, 실질적으로 실온에서 상기 회수 구역으로부터 산소-농축된 가스(oxygen-enriched gas)를 배기시키는(exhausting) 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 켄칭 구역으로부터의 산소-고갈된 연료를 실질적으로 실온에서 상기 수집 영역에 수용하는 단계를 더 포함하고,
상기 가스가 상기 구역들 사이에서 상향 이동하는 동안, 상기 작업물 및 상기 산소-고갈된 연료는 상기 구역들 사이에서 하향 이동하는, 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 산소-고갈된 연료를 실질적으로 실온에서 그의 에너지 함량의 손실없이 2개월 이상 동안 저장하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
(a) 상기 가스의 실질적으로 일정한 유동(constant flow)을 상기 수집 영역과 상기 켄칭 구역 사이의 일정한 가스 유입구(constant gas inlet)에 공급하는(supplying) 단계;
(b) 상기 가스의 맥동 유동(pulsating flow)을 상기 수집 영역과 상기 일정한 가스 유입구 사이의 통로(entryway)에 공급하는 단계; 및
(c) 비-기계적 밸브(non-mechanical valve)로서 작용하는 상기 가스의 맥동 유동이 상기 구역들 중의 적어도 하나를 통해 하향 이동하는 산소-고갈된 연료의 유동을 조절하는 단계;
를 더 포함하는, 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 일정한 가스 유입구는 상기 산소-고갈된 연료가 통과하여 이동하는 급송 튜브(feeding tube)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 메쉬(mesh)를 포함하는, 방법. - 제 7 항에 있어서,
비-일시적 메모리(non-transient memory)에 저장되는 소프트웨어를 더 포함하고, 상기 소프트웨어는:
(a) 상기 수집 영역에서 상기 산소-고갈된 연료의 중량(weight) 또는 양(quantity)을 감지하는(sensing) 단계;
(b) 상기 구역들 중의 적어도 하나로부터 이동하는 상기 산소-고갈된 연료의 유동 속도를 획득하는 단계; 및
(c) 상기 획득된 산소-고갈된 연료의 유동 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 맥동 가스의 맥동 공기 유동 특징(pulsating air flow characteristic)을 자동으로 조절하는 단계;
를 포함하는 프로그래밍된 명령을 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 작업물은 마그네슘 망간 산화물(magnesium manganese oxide)이고,
상기 가스는 상기 환원 구역으로의 상기 가스의 진입 이전의 저-산소 가스(low-oxygen gas)인, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 작업물은 마그네슘 철 산화물(magnesium iron oxide)이고,
상기 가스는 상기 환원 구역으로의 상기 가스의 진입 이전의 저-산소 가스인, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 에너지는 상기 환원 구역에서 노(furnace)에 들어가는 집광된 태양 에너지(concentrated solar energy)인, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 환원 구역 내의 밀봉된 노(enclosed furnace) 안에서 재생가능한 발전기(renewable power generator)로부터 전기를 가열 요소(heating element)로 보내는 단계를 더 포함하는, 방법. - 에너지 사용 방법으로서,
(a) 호퍼(hopper)로부터 반응기의 상부 열-교환 영역(upper heat-exchange area)으로 입자들(particles)을 하향 급송하는(downwardly feeding) 단계 - 여기서, 재료는: 마그네슘 망간 산화물, 마그네슘 철 산화물, 또는 마그네시오페라이트(magnesioferrites) 중 적어도 하나임 -;
(b) 상기 상부 열-교환 영역으로부터 노(furnace)로 상기 입자들을 하향 급송하는 단계;
(c) 상기 노로부터 저부 열-교환 영역(lower heat-exchange area)으로 상기 입자들을 하향 급송하는 단계;
(d) 가스를 상기 저부 열-교환 영역으로 유동시키는 단계 - 상기 가스는 상기 저부 열-교환 영역에 있을 때 산소-고갈됨 -;
(e) 상기 가스를 상기 저부 열-교환 영역으로부터 상기 노로 상향 유동시키는(upwardly flowing) 단계;
(f) 상기 가스를 상기 노로부터 상기 상부 열-교환 영역으로 상향 유동시키는 단계;
(g) 상기 가스가 상기 상부 열-교환 영역에서 입자들을 통해 유동함에 따라, 상기 입자들을 상기 가스로 예열하는 단계;
(h) 상기 가스가 상기 노에서 입자들을 통해 유동함에 따라, 상기 입자들로부터 상기 가스로 산소를 전달하는(transferring) 단계; 및
(i) 상기 가스가 상기 저부 열-교환 영역에서 입자들을 통해 유동함에 따라, 상기 입자들을 상기 가스로 냉각하는 단계;
를 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 입자들 및 가스가 향류-유동 방향(counter-flowing directions)을 가지고, 태양로(solar furnace) 내부에 위치된 적어도 하나의 실질적으로 수직으로 연신되며 세라믹인 급송 튜브를 통해서 연속적으로 이동함에 따라,
상기 입자들 및 가스가 태양로인 상기 노에서 가열될 때 상기 입자들을 산소-고갈된 연료로 전환시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 15 항에 있어서,
(a) 상기 산소-고갈된 연료를 입구(entrance)로부터 회수 구역으로 이동시키는 단계;
(b) 상기 산소-고갈된 연료를 상기 회수 구역으로부터 산화 영역으로 이동시키는 단계 - 거기에서 상기 산소-고갈된 연료는 산소를 수용하고 예비-감소된 양의 상기 산소를 포함하는 상기 입자들로 다시 전환됨 -;
(c) 상기 입자들을 상기 산화 영역으로부터 켄칭 영역으로 이동시키는 단계;
(d) 상기 입자들을 상기 켄칭 영역으로부터 출구(exit)로 이동시키는 단계;
(e) 제2 가스 또는 증기를 상기 켄칭 영역으로 유동시키는 단계;
(f) 상기 입자들을 상기 산화 영역으로부터 상기 켄칭 영역으로 이동시키는 동안, 상기 제2 가스 또는 상기 증기를 상기 켄칭 영역으로부터 상기 산화 영역으로 유동시키는 단계;
(g) 상기 산소-고갈된 연료를 상기 회수 구역으로부터 상기 산화 영역으로 이동시키는 동안, 상기 산화 영역으로부터 상기 회수 구역으로 상기 제2 가스 또는 상기 증기를 유동시키는 단계; 및
(h) 상기 산소-고갈된 연료 및 상기 제2 가스 또는 증기가 상기 회수 구역에 있을 때, 상기 산소-고갈된 연료를 상기 제2 가스 또는 증기로 예열하는 단계;
를 더 포함하는, 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 산화 영역 및 상기 회수 구역 중의 적어도 하나의 영역 내에서 상기 증기를 분리하여 실질적으로 순수한 수소를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
실질적으로 실온에서 상기 상부 열-교환 영역으로부터 산소-농축된 가스를 배기시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 18 항에 있어서,
실질적으로 실온에서 상기 저부 열-교환 영역으로부터의 상기 입자들을 수용하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 산소-고갈된 입자들을 에너지 함량의 손실없이 2개월 이상 동안 실질적으로 실온에서 저장하는 단계, 및
상기 산소-고갈된 입자들이 후속 발전기를 통해서 이동함에 따라 상기 에너지가 그로부터 제거된 후 상기 입자들을 여러 번 재사용하는 단계,
를 더 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
(a) 상기 가스의 실질적으로 일정한 유동을 상기 저부 열-교환 영역에 결합된 일정한 가스 유입구에 공급하는 단계;
(b) 상기 가스의 맥동 유동을, 상기 저부 열-교환 영역의 저부(bottom) 및 상기 일정한 가스 유입구 사이의 통로(entryway)에 공급하는 단계; 및
(c) 비-기계적 밸브로서 작용하는 상기 가스의 맥동 유동이 상기 구역들 중의 적어도 하나를 통해 하향 이동하는 상기 입자들의 유동을 조절하는 단계;
를 더 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 에너지는 상기 노에 들어가는 집광된 태양 에너지인, 방법. - 제 14 항에 있어서,
재생가능한 발전기로부터의 전기를 상기 노 안의 가열 요소로 보내는 단계를 더 포함하는, 방법. - 증기로부터 수소를 제조하는 방법으로서,
상기 방법은:
(a) 산소-고갈된 연료 상태에서, 고체 입자들을 입구로부터 제1 열-교환 구역으로 급송하는 단계;
(b) 상기 제1 열-교환 구역으로부터 산화 구역으로 상기 입자들을 연속적으로 급송하는 단계;
(c) 상기 산화 구역으로부터 제2 열-교환 구역으로 상기 입자들을 급송하는 단계;
(d) 상기 제2 열-교환 구역으로부터 수집 영역으로 상기 입자들을 급송하는 단계;
(e) 상기 입자들의 급송 방향에 대해 실질적으로 반대인 방향에서 증기를 상기 제2 열-교환 구역으로 유동시키는 단계;
(f) 상기 산화 구역에서 상기 증기로 상기 산소-고갈된 입자들을 적어도 1350℃로 가열하고, 상기 증기가 상기 산화 구역에서 실질적으로 반대 방향으로 입자들을 통해 유동함에 따라 상기 증기로부터 상기 산소-고갈된 입자들로 산소를 전달하는 단계;
(g) 상기 제1 열-교환 구역으로부터 상기 산화 구역으로 상기 입자들을 급송하는 동안, 상기 산화 구역으로부터 상기 제1 열-교환 구역으로 상기 증기를 유동시켜서 상기 제1 열-교환 구역에서 상기 입자들을 예열하는 단계;
(h) 상기 입자들을 상기 증기로 상기 제2 열-교환 구역에서의 대략 주위 온도까지 냉각하는 단계; 및
(i) 상기 입자들 및 증기의 상호작용으로 인하여 상기 증기로부터 수소를 분리하는 단계;
를 포함하는, 방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 입자들은 마그네슘 망간 산화물, 또는 마그네슘 철 산화물인, 방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 입자들은 산소-충분 상태와 산소-고갈된 상태 사이에서 복수회 재충전 및 방전될 수 있으며, 상기 상태들 사이에서 실질적으로 에너지 포텐셜 손실없이 적어도 2개월 동안 저장될 수 있는, 방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 구역들은, 상기 입자들 및 증기가 연속적으로 유동하는 적어도 하나의 실질적으로 수직으로 연신된 튜브를 따라 수직으로 배치되는, 방법. - 고체 연료 제조 장치로서,
(a) 방전된 고체 연료(discharged solid fuel)를 저장하도록 구성된 호퍼(hopper);
(b) 반응기 챔버(reactor chamber) 및 개구(aperture)를 포함하는 환원 반응기(reduction reactor) - 상기 개구는 에너지를 수용하도록 구성됨 -;
(c) 상기 호퍼에 결합된 유입구(inlet), 회수 구역, 환원 구역, 켄칭 구역, 배출구(outlet)를 갖는 반응기 튜브(reactor tube) - 상기 환원 구역은 상기 반응기 챔버를 통과함 -;
(d) 상기 반응기 튜브의 상기 배출구에 결합된 수집 탱크(collection tank) - 상기 수집 탱크는 충전된 고체 연료를 수집하도록 구성됨 -;
(e) 상기 반응기 튜브의 상기 배출구와 근접하게 상기 반응기 튜브와 유체 결합된(fluidly coupled) 가스 유입구(gas inlet) - 상기 가스 유입구는 저-산소 가스(low-oxygen gas)를 상기 반응기 튜브에 전달하도록 구성됨 -;
(f) 상기 반응기 튜브의 상기 유입구와 근접하게 상기 반응기 튜브와 유체 결합된 가스 배출구(gas outlet) - 상기 가스 배출구는 상기 반응기 튜브로부터 산소-농축된 가스를 배기시키도록 구성됨 -;
을 포함하되,
(i) 상기 방전된 고체 연료는 상기 유입구로부터 상기 배출구로 상기 반응기 튜브 아래로 급송되도록 구성되고;
(ii) 상기 저-산소 가스는 상기 반응기 튜브 위로 유동되도록 구성되며;
(iii) 상기 방전된 고체 연료는 상기 환원 구역에서 높은 흡열성 환원 반응(endothermic reduction reaction)을 수행하도록 구성되어, 상기 방전된 고체 연료에서 산소는 상기 방전된 고체 연료로부터 제거되고 상기 저-산소 가스로 혼입되어(entrained), 상기 산소-농축된 가스 및 상기 충전된 고체 연료를 형성하는 것인,
장치. - 제 28 항에 있어서,
(a) 상기 켄칭 구역과 결합된 일정한 가스 유입구로 들어가는 상기 가스의 실질적으로 일정한 유동;
(b) 상기 수집 탱크와 상기 일정한 가스 유입구 사이의 통로로 들어가는 상기 가스의 맥동 유동(pulsating flow); 및
(c) 상기 구역들 중의 적어도 하나를 통해 하향 이동하는 상기 고체 연료의 유동을 조절하는 비-기계적 밸브로서 작용하는 상기 가스의 상기 맥동 유동;
을 더 포함하는, 장치. - 제 29 항에 있어서,
상기 일정한 가스 유입구는 상기 고체 연료가 통과하여 이동하는 상기 반응기 튜브를 적어도 부분적으로 둘러싸는 메쉬(mesh)를 포함하는, 장치. - 제 28 항에 있어서,
발전기를 더 포함하고, 상기 발전기는:
(a) 발전기 회수 구역(generator recuperation zone) - 상기 충전된 연료는 상기 발전기 회수 구역으로 급송됨 -;
(b) 발전기 산화 구역(generator oxidation zone) - 상기 충전된 연료는 상기 발전기 회수 구역으로부터 상기 발전기 산화 구역으로 연속적으로 급송되되, 거기서 상기 충전된 연료는 발전기 가스 또는 증기가 상기 발전기 산화 구역에서의 상기 연료를 통해 유동함에 따라 산소와 함께 방출됨 -; 및
(c) 발전기 켄칭 구역(generator quenching zone) - 상기 방전된 연료는 상기 발전기 산화 구역으로부터 상기 발전기 켄칭 구역으로 급송됨 -;
을 포함하는, 장치. - 제 31 항에 있어서,
상기 발전기 회수 구역과 결합된 산소 배출구 및 수소 배출구를 더 포함하되,
상기 증기는 상기 발전기 산화 구역 내에서 분리되어 실질적으로 순수한 수소 및 산소를 생성하고,
상기 생성된 수소는 그것이 상기 충전된 연료를 통해 유동하여 상기 수소 배출구를 통해 상기 발전기를 빠져나옴에 따라 상기 발전기 회수 구역에서 냉각되고, 상기 증기로부터 분리된 산소는 그것이 상기 충전된 연료를 통해 유동하여 상기 산소 배출구를 통해 상기 발전기를 빠져나옴에 따라 상기 발전기 회수 구역에서 냉각되는,
장치. - 제 28 항에 있어서,
상기 고체 연료는 마그네슘 망간 산화물, 또는 마그네슘 철 산화물 중의 적어도 하나를 포함하는, 장치. - 제 28 항에 있어서,
상기 에너지는 상기 반응기로 들어가는 집광된 태양 에너지인, 장치. - 제 28 항에 있어서,
상기 반응기 내부의 가열 요소에 전기를 보내는 재생가능한 발전기를 더 포함하는, 장치. - 고체 입자-유동 조절 밸브 장치(solid particles-flow control valve apparatus)로서,
(a) 고체 입자-운반 튜브(solid particle-carrying tube);
(b) 상기 튜브와 결합된 일정한 가스 유입구;
(c) 상기 일정한 가스 유입구의 하류로(downstream) 상기 튜브와 결합된 맥동 가스 유입구(pulsating gas inlet);
(d) 가스를 공급하도록 구성된 압축 가스 공급원(compressed gas supply);
(e) 맥동 조절 밸브;
(f) 상기 맥동 조절 밸브를 상기 가스 공급원 및 상기 맥동 가스 유입구와 결합하는 적어도 제1 도관(first conduit);
(g) 상기 가스 공급원을 상기 일정한 가스 유입구와 결합하는 적어도 제2 도관;
(h) 상기 튜브를 통해 고체 입자들의 이동을 조절하도록 구성된 비-기계적 고체 입자-유동 조절 밸브로서 작용하는 상기 튜브로 들어가는 가스의 동시 맥동 및 일정한 유동;을
포함하는, 장치. - 제 36 항에 있어서,
상기 일정한 가스 유입구는 상기 튜브를 적어도 부분적으로 둘러싸는 메쉬를 포함하는, 장치. - 제 36 항에 있어서,
상기 튜브는, 집광된 태양 에너지 반응기의 일부이고, 태양로를 통해 실질적으로 수직으로 연장되며, 그로부터 산소를 제거하여 상기 고체 입자들을 충전하는, 장치. - 제 36 항에 있어서,
전기를 상기 튜브가 통과하여 연장하는 노 내부의 가열 요소로 보내는 재생가능한 발전기를 더 포함하는, 장치. - 제 36 항에 있어서,
비-일시적 메모리에 저장되는 소프트웨어를 더 포함하고, 상기 소프트웨어는:
(a) 노를 통과한 후 상기 수집 영역에서 상기 산소-고갈된 연료의 중량 또는 양을 감지하도록 구성된 명령(instructions);
(b) 상기 노로부터 상기 수집 영역으로 이동하는 상기 고체 입자의 유동 속도를 획득하도록 구성된 명령; 및
(c) 상기 획득된 고체 입자들의 유동 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 맥동 가스의 맥동 공기 유동 특징을 자동으로 조절하도록 구성된 명령;
을 포함하는 프로그래밍된 명령을 포함하는, 장치. - 고체 펠릿을 포함하는 연료로서,
상기 고체 펠릿은:
(a) 마그네슘 망간 산화물, 또는 마그네슘 철 산화물 중 적어도 하나;
(b) 상기 펠릿은 충전될 때 산소-고갈됨;
(c) 상기 펠릿은 1300℃ 초과로 가열될 때 산소를 첨가하여 방전됨; 및
(d) 상기 펠릿은 공기에 노출되는 동안 상온에서 적어도 2개월 동안 그들의 충전된 에너지 포텐셜을 실질적으로 잃지 않고 적어도 5회 충전 및 방전됨;
을 포함하는, 연료.
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