KR20240103023A - 원료 비용을 감소시키기 위한 파워-투-엑스 제어를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

저탄소 액상 연료와 화학물질들의 생산을 제어하기 위한 시스템과 방법이 여기서 제공된다. 일 면에서, e-연료를 생산하는 공정을 제어하는 방법이 여기서 제공된다. 다른 면에서, e-연료를 생산하기 위한 시스템이 여기서 제공된다.

Description

원료 비용을 감소시키기 위한 파워-투-엑스 제어를 위한 시스템 및 방법
본 발명의 분야는 재생 가능한 또는 저탄소 전기로부터 e-연료 또는 화학물질들을 생산하기 위한 시스템 및 방법 및, 이와 같은 공정을 제어 및 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 많은 산업적인 및 생물학적인 과정에서 생산된다. 이산화탄소는 일반적으로 대기중으로 배출된다. 하지만, 이산화탄소가 중요한 온실가스로 확인되기 때문에, 이산화탄소 배출은 이와 같은 과정들로부터 감소될 필요가 있다. 한가지 이와 같은 산업적인 공정은 전력의 생산이다. 전력은 점점 CO2를 방출하지 않고, 때로는 화석연료로부터 생산되는 전력보다 비용 효율적으로 전력을 생산할 수 있는 태양열 또는 풍력과 같은 재생 가능한 소스들로부터 생산되고 있다.
하지만, 전력이 지속가능한 방식으로 생산될 수 있으나, 낮은 또는 0의, 또는 마이너스로 CO2를 배출하면서 생성되는 연료 및 화학물질들에 대한 필요성이 남아있다. 일부의 경우에, 이와 같은 요구사항은 액상 또는 가스상의 분자의 화학 결합 내에 재생 가능한 소스들로부터의 전기 에너지를 저장함에 의하여 만들어지는 e-연료(합성 연료)를 사용하여 충족될 수 있다. E-연료는 항공(예를 들어 제트) 연료, 디젤 연료, 가솔린, 부탄올, 나프타, 합성 천연가스 또는 다른 방식으로 화석 연료로부터 생산되는 연료 생성물에 대한 호환성 있는 대체제일 수 있다. 나아가, 재생 가능한 전력을 사용하여 생산될 수 있는 잠재적인 화학물질들은 암모니아, 메탄올과, 포름알데하이드, 아세트산, 아세트 알데하이드, 저분자량 올레핀 및 방향족 화합물(예를 들어, 정밀화학적 생산을 위한 출발 재료로서)와 같은 고부가가치 화학물질들을 포함한다. e-연료 생산 공정의 이 범주는 "파워-투-엑스(Power to X)"로 할 수 있고, 재생 가능한 전력이 X를 생산하는데 있어서 주요 투입물임을 의미하며, 여기서 X는 연료, 화학물질들, 천연 가스 및 이와 유사한 것을 의미한다.
e-연료와 화학물질들의 생산은 전력에 더하여 원료가 요구될 수 있다. 일부의 경우에, 이 원료는 탄소, 예를 들어, 산업적인 소스들로부터 포집된 CO2로부터 유도되는 탄소를 포함할 수 있으며, 그렇지 않은 경우 해당 CO2는 대기중으로 방출될 것이다. 일부의 경우에, 이 원료는 공기 분리 유닛들을 포함하는 수개의 소스들로부터 유도되는 질소를 포함할 수 있다. 일부 e-연료 또는 화학물질들은 "탄소-네거티브"일 수 있고, 즉 이들이 생산 공정에서 배출하는 것보다 더 많은 CO2를 소비할 수 있다. 물은 e-연료 또는 화학적 공정에서 또 다른 원료이고, 재생 가능한 전력을 사용하여 전기분해되어 산소(O2)와 수소(H2)를 생산할 수 있다.
파워 투 엑스를 사용하는 e-연료의 생산은 주된 주입물로 재생 가능한 전력을 사용하고, 따라서, 이 주입물은 e-연료 또는 다른 파워 투 엑스 플랜트의 작동 비용의 가장 큰 부분을 차지한다. 두번째로 큰 비용은 CO2, 질소 또는 다른 주입물과 같은 추가적인 원료일 수 있다.
다양한 파워-투-엑스(PtX) 개념들은 물의 전기분해를 통하여 수소를 생산하기 위한 재생 가능한 또는 저탄소 전기의 활용에 의존한다. 이와 같은 수소는 직접적으로 최종 에너지 수송체로 사용될 수 있고, 또는 이는 예를 들어, 메탄, 합성가스, 액상 연료들, 전기 또는 화학물질들로 전환될 수 있다. 기술적인 시연과 시스템들의 통합이 PtX를 에너지 시스템으로 통합하기 위하여 가장 중요하다. 200개가 넘는 PtX 연구 및 실증 프로젝트가 발표되었거나 또는 진행중이다.
이들 프로젝트들 중 일부는 공정 최적화를 위한 일부 제한된 기술들을 포함하고 있다. Schmidt et al (2017)는 물의 전기분해를 위한 간헐적이고 불안정한 전기의 공급의 균형을 맞추기 위하여 에너지 저장 공정을 통합하였다.
Eichman et al (2020)은 통합된 재생 가능한 전해조 시스템의 최적화를 기술하고 있다. 이 최적화 모델은 도매 및 소매 에너지 시장과 수요를 결합하는 것의 순이익을 결정하고 있다. 하지만, 이 모델은 원료 비용의 변동성, 대안적 수소 공급원, 생성물의 도매 및 소매의 가치 변동 및 2차 생성물의 재활용(예를 들어 촉매 부생 가스)을 포함하고 있지 않다.
따라서, 경제성과 같은 외부 자극에 대한 이와 같은 복잡한 시스템의 전반적인 제어 및 최적화는 이루어지지 않았다.
Eichman, J, Koleva, M., Guerra, O.J., McLaughlin, B: Optimizing an integrated renewable-electrolysis system, National Renewable Energy Laboratory Report # NREL/TP-5400-75635, 55 pages (2020). Ince, C., Hagen, S.: Modeling and simulation of Power-to-X systems: a review, Fuel, 304 (2021). Wulf, C., Zapp, P., Schrebier, A.: Review of Power-to-X demonstration projects in Europe, Frontiers in Energy Research (2020).
본 발명은 항공 연료, 디젤, 메탄올 및 암모니아와 같은 e-연료 또는 화학물질들을 생산하는 방법, 및 산소화 및 비산소화된 화학적 원료들의 합성을 기술한다. 여기서 인식되는 사항은 전력의 가격 또는 가용성, CO2, 질소 또는 다른 원료들의 가격 또는 가용성과 같은 요구사항에 반응하여 이와 같은 시스템을 제어해야 하는 필요성이다. 다양한 면에서, 이와 같은 필요성은 여기서 제공되는 시스템 및 방법들에 의하여 충족된다.
일 면에서, 여기서 제공되는 것은 e-연료를 생산하는 공정을 제어하기 위한 방법이다. 방법은 제1의 전력량을 전기분해 모듈로 공급하여 H2를 생산하는 단계, H2를 CO2와 혼합하여 CO2에 대한 H2의 제1의 비율을 갖는 가스 혼합물을 제공하는 단계, 가스 혼합물에 대하여 역 수성 가스 전환 반응을 수행하여, 합성가스를 생산하는 단계, 및 합성 가스를 촉매적으로 전환하여 액상 탄화수소를 생산하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 방법은 요구사항(stimulus)에 대응하여, 제2의 전력량을 전기분해 모듈로 공급하여 H2를 생산하는 단계, H2를 CO2와 혼합하여 CO2에 대한 H2의 제2의 비율을 갖는 가스 혼합물을 생산하는 단계, 가스 혼합물에 대하여 역 수성 가스 전환 반응을 수행하여 합성가스를 생산하는 단계, 및 합성 가스를 반응시켜 액상 탄환수소를 생산하는 단계를 포함할 수 있다. 제2의 전력량은 0 내지 제1의 전력량의 범위의 값이다. CO2에 대한 H2의 제2의 비율은 CO2에 대한 H2의 제1의 비율과 실질적으로 유사하다.
일부 구체예에서, 요구사항은 전력의 가용성과 연관된다.
일부 구체예에서, 요구사항은 전력의 가격과 연관된다.
일부 구체예에서, 요구사항은 CO2의 가용성과 연관된다.
일부 구체예에서, 요구사항은 CO2의 가격과 연관된다.
일부 구체예에서, 요구사항은 한시적이다.
일부 구체예에서, 요구사항은 0 내지 12 시간 동안 지속된다.
일부 구체예에서, 요구사항에 따라 제1의 전력량이 전기분해 모듈로 공급된다.
일부 구체예에서, H2는 요구사항에 반응하여 파이프라인으로부터 배출된다.
일부 구체예에서, H2는 전기분해 모듈에 의하여 생산되고 저장된다.
일부 구체예에서, H2는 요구사항에 반응하여 저장부로부터 배출된다.
일부 구체예에서, H2는 합성가스의 액상 탄화수소로의 반응에서 생성물 스트림으로부터 회수된다.
일부 구체예에서, H2는 압력 변동 흡착을 사용하여 회수된다.
일부 구체예에서, 제2의 전력량은 제1의 전력량의 0 % 내지 70 %의 양이다.
일부 구체예에서, 수성 가스 전환 반응을 수행하는 반응기로 전달되는 전력량은 0 내지 제1의 전력량에 대한 제2의 전력량의 비율 사이의 양만큼 감소된다.
일부 구체예에서, 가스 혼합물의 유동률은 20 % 내지 100 % 사이의 양만큼 감소된다.
일부 구체예에서, 제1 및/또는 제2의 전력량은 재생 가능한 자원들로부터 유도된다.
일부 구체예에서, 액상 탄화수소는 연료이다.
일부 구체예에서, 제1의 비율과 제2의 비율은 2.0 내지 4.0 사이이다.
다른 면에서, 여기서 제공되는 것은 e-연료를 생산하기 위한 시스템이다. 시스템은 전력을 사용하여 물을 H2를 포함하는 전기분해 생성물 스트림으로 전환할 수 있는 전기분해 모듈을 포함할 수 있다. 시스템은 CO2를 전기분해 생성물 스트림과 반응시켜 CO와 H2를 포함하는 합성 가스 혼합물을 생산할 수 있는 역 수성 가스 전환 모듈을 포함할 수 있다. 시스템은 나아가 요구사항을 감지할 수 있는 센서, 요구사항에 반응하여 수소 회수 모듈을 제어할 수 있는 제어기를 더 포함할 수 있다. 수소 회수 모듈은 합성 가스 혼합물로부터 H2를 회수하여 (i) 역 구성 가스 전환 모듈로 향하게 되는 H2 스트림과, (ii) H2가 고갈된 합성 가스 혼합물을 생산할 수 있다. 시스템은 나아가 H2가 고갈된 합성 가스 혼합물을 액상 탄화수소로 전환할 수 있는 탄화수소 합성 모듈 및 전기분해 모듈로부터의 O2를 (i) 탄화수소 합성 모듈로부터의 미반응 반응물 및 (ii) 탄화수소 합성 모듈로부터의 5개 미만의 탄소 원자를 갖는 탄화수소와 반응시켜 탄화수소 합성 모듈로 도입될 수 있는 ATR 생성물 스트림을 생산할 수 있는 자열 개질(ATR) 모듈을 더 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 센서는 역 수성 가스 전환 모듈을 주입물에서 CO2에 대한 H2의 비율을 감지한다.
일부 구체예에서, 요구사항은 역 수성 가스 전환 모듈로의 주입물에서 CO2에 대한 H2의 비율이고, 이는 0 내지 2.5의 값이다.
일부 구체예에서, 수소 회수 모듈은 압력 변동 흡착(PSA)을 포함한다.
일부 구체예에서, 수소 회수 모듈은 요구사항이 없는 상태에서 작동하지 않는다.
일부 구체예에서, 수소 회수 모듈이 작동하지 않는 경우와 비교하여, 수소 회수 모듈이 작동하면 탄화수소 합성 모듈로 주입되는 H2에 대한 CO의 비율이 증가한다.
일부 구체예에서, 수소 회수 모듈이 작동하지 않는 경우와 비교하여, 수소 회수 모듈을 작동하는 경우, 탄화수소 합성 모듈에 의하여 생산되는 액상 탄화수소의 평균 분자량이 증가한다.
전술한 개념들과, 이하에서 보다 구체적으로 설명되는 추가적인 개념들의 모든 조합들(그와 같은 개념들이 상호 모순되지 않는 한)은 본문에서 개시되는 발명의 대상의 일부인 것을 간주된다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 본문 내의 대상의 모든 조합들은 여기서 개시되는 발명의 대상의 일부로서 간주된다.
또 다른 면에서, 예시들, 및 이러한 예시적인 면들 및 실시예들의 장점들은 이하에서 더 구체적으로 설명된다. 나아가, 전술한 정보들과 다음의 구체적인 기술들 모두가 단순히 다양한 면들의 예시적인 기술 및 실시예이며, 및 청구된 면 및 예시들의 원리 및 특징을 설명하기 위한 개요 또는 프레임워크로 의도되는 것이다. 여기서 개시되는 임의의 예들은 본 명세서에서 개시되고 있는 목적, 목표 및 요구사항 중 적어도 하나와 부합하는 방식으로 임의의 다른 예시와 조합될 수 있고, "실시예", "일부 실시예들", "대안적 실시예", "다양한 실시예들", "하나의 실시예", "적어도 하나의 실시예", "이것, 및 이와 다른 실시예들" 등의 참조는 반드시 상호 배타적인 것이 아니고, 및 실시예와 연결되어 기술되는 특정 특징, 구조, 또는 특징이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 나타내는 것을 의도한다. 여기서 이와 같은 표현의 있다는 것이 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
도 1은 감축될 수 있는, 재생 가능한 전력 및 CO2로부터 e-연료를 생산하기 위한 공정의 예를 보여준다.
도 2는 배출물로부터의 수소를 한시적으로 역 수성 가스 전환 모듈의 주입물로 다시 재순환하는 공정의 예를 보여준다.
도 3은 감축될 수 있는, e-연료 공정에서 수소를 회수하고 재순환하는 공정의 예를 보여준다.
재생 가능한 전력의 경재성이 높아지고, 널리 보급됨에 따라, 여기서 기술되고 있는 바와 같은 화학적 결합(예를 들어, e-연료 및 전기 화학 물질들) 내에 태양광 에너지를 저장하는 화학적인 공정들이 보다 더 매력적이 되고 있다. 재생 가능한 전력(예를 들어 풍력 및 태양열)의 한가지 장점은 이들이 제한된 원료를 소비하지 않고, 및 화석 연료로부터 유래하는 전력과 비교하여 단위 생산비용이 낮다는 것이다. 하지만, 한가진 단점은 일조량과 바람이 연중, 또는 심지어는 하루중에도 일정하지 않다(즉, 가변적이다)라는 것이다. 따라서, 전력의 저장, 비-재생 가능한 전력 또는 다른 여기서 기술되고 있는 바와 같은 설계산의 고려사항들 없이는, e-연료 또는 전기 화학적 공정들은 때때로 감축될 필요가 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, "감축하다" 또는 "감축되다"라는 표현은 일반적으로 생산 공정에서의 출력량의 자발적 감소를 의미한다.
하지만, 연속적인 산업적인 공정들(예를 들어, 연료와 화학물질들을 생산하는 공정들)에서 감축은 어렵고, 시간이 많이 소비된다. 전력 소비를 간헐적으로, 종종 단기간 동안에 더 잘 감소시킬 수 있는 공정들은 이를 할 수 없는 공정들 대비 현저한 경제적 이점을 누릴 수 있다(예를 들어 전력 투입의 평균 비율을 감소시킴에 의하여).
연료 및 화학물질들을 생산하기 위한 하나의 이와 같은 유리한 공정이 여기서 기술되고, 도 1에 개략적으로 도시된다. 전반적으로, 이와 같은 공정은 전력, CO2 및 물을 연료와 화학물질들로 전환한다. 여기서, 전해조 100는 전력 102을 사용하여 물 104을 수소 106와 산소 108로 전환할 수 있다. 수소는 역 수성 가스 전환 모듈 110로 주입되고, 및 CO2 112와 조합되어 일산화탄소(CO)와 수소를 포함하는 합성가스(syngas) 114를 생산할 수 있다. 합성가스는 액상 연료 생산 모듈 116 내에서 반응하여 액상 탄화수소 118를 생산할 수 있고, 이는 분별 모듈 122에서 연료와 화학적 생성물 120로 분리될 수 있다. 공정의 생산성은 액상 연료 생산 모듈로부터의 테일 가스 124를 자열 개질 모듈126로 보내 산소 108와 반응시킴으로써 액상 연료 생산 모듈을 위한 추가적인 원료 128를 생산함으로써 개선될 수 있다.
도 1에 도시된 시스템은, 공정의 전반적인 전력 102 소비량의 많은 부분이 전해조 100로 가기 때문에 액상 연료와 화학물질들을 생산하기 위한 경쟁 공정들보다 더 용이하게 감축될 수 있다. 추가적인 전력 130은 전해조가 아닌 다른 구성 132 또는 모듈들(예를 들어, 역 수성 가스 전환, 액상 연료 생산, 분류, 자열 개질기)로 공급될 수 있다. 하지만, 이들은 주로 전기분해에 할당되는 전력의 양보다 훨씬 적은 양이다. 일부의 경우, 공정에서 사용되는 전체 전력의 75 % 내지 100 % 사이의 양이 전해조에서 소비된다.
일부의 경우에, 공정의 출력량은 공정의 입력의 양(예를 들어 전력)이 감소하면(즉, 감축되면) 가능한 높게 유지된다. 공정은 중단을 최소화하면서 공정을 신속하게 재가동할 수 있는 능력을 유지하는 방식으로 감축될 수 있다. 예를 들어, 반응기는 생산 온도 및 압력에서 또는 이와 가까운 수치에서 유지될 수 있다. 도 1을 참조하면, 전력은 전해조 102를 제외한 대부분 또는 모든 공정에 대하여 130 유지될 수 있다. 전반적으로 전력의 소비 관점에서, 공정은 10 % 내지 100 %까지 감축될 수 있다.
공정은 전력의 소비 관점에서 주어진 수준의 감축에서 가능한 높은 생산성을 유지하도록 개선되거나 또는 개량될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 역 수성 가스 전환 모듈 110로부터의 합성가스 생성물 114를 취하고, 수소를 분리하는 수소 회수 모듈 200을 보여준다. 수소 202는 전해조 106로부터 직접 제공되는 수소를 보충하기 위하여 역 수성 가스 전환 모듈로 돌아갈 수 있다.
수소 회수 모듈 200은 감축의 경우에 과량의 수소의 화학양론적 과잉 상태에서 작동하는 역 수성 가스 전환 모듈로 주입도는 수소의 적절한 양을 유지하도록 작동될 수 있다. 공정은 요구사항에 반응하여 감축될 수 있다. 시스템은 요구사항에 반응하여 수소 회수 모듈을 제어할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다. 수소 회수 모듈은 합성 가스 혼합물로부터 H2를 회수하여, (i) 역 수성 가스 전환 모듈 110로 향하는 H2 스트림 202과 (ii) 액상 연료 생산 116으로 보내질 수 있는 H2 가 고갈된 합성 가스 혼합물 204을 생성할 수 있다.
수소 회수 모듈 200의 작동은 공정에 의하여 생산되는 생성물 120을 변화시킬 수 있다. 일부의 경우에, 생성물 분자들의 분자량 분포가 증가된다. 이는 액상 연료 생산 모듈 116로 주입되는 적은 양의 수소와 상대적으로 더 많은 양의 CO가 탄소 사슬의 종결보다는 이의 연장을 촉진할 수 있기 때문에 가능하다. 생성물에서의 이와 같은 변화는 요구사항에 반응한 감축동안 더 높은 전반적인 생선성을 위하여 수용 가능한 절충안이 될 수 있으나, 장기간의 관점에서는 바람직하지 않을 수 있다(즉, 요구사항이 존재하지 않을 때).
요구사항은 임의의 적절한 신호일 수 있다. 일부의 경우에, 요구사항은 전력의 가용성 및/또는 전력의 가격 및/또는 전력의 전달 및 분배(T&D) 가격과 관련된다. 재생 가능한 전력의 가격과 가용성은 때때로는 실질적으로 연중 또는 심지어는 하루 사이에도 달라질 수 있다. 전력의 T&D의 가격 및 가용성은 때때로 실질적으로 연중 또는 심지어는 하루 중에도 달라질 수 있다. 예를 들어, 연중의 다양한 시점(예를 들어, 여름 대 겨울), 또는 하루 중 다양한 시점(예를 들어 낮 대 밤)은 각각 더 많은 또는 더 적은 평균 태양광 전력을 생산할 수 있다. 날씨에 따른 변동(예를 들어, 흐림 또는 바람이 많음)은 또다른 변이의 원인이다. 전력에 대한 소비량 또한 가변적이고, 및 항상 미리 예측할 수 있는 것은 아니다. 이와 같은 소비량의 변동성은 예를 들어 주중에 더 많은 사람들이 활동적일 때, 또는 날씨가 더워서 추가적인 에어컨이 작동할 때 추가적인 전력의 필요성에 의하여 유도될 수 있다. 이와 같은 요인들 또는 다른 요인들이 전력의 가용성 또는 가격의 변동성에 영향을 줄 수 있다.
추가로, 전력 회사들은 전력 망 관리를 위하여, 더 많은 망이 다양한 재생 가능한 자원들에 의하여 구동됨에 따라 피크 수요 시점 동안 및/또는 낮은 생산 시점 동안 적은 양의 전력을 사용하는 전력 소비자에게 인센티브를 제공하도록 노력한다. 이와 같은 관리는 가장 큰(산업적인) 전력 소비자들이 피크 시간동안 그들의 전력 사용을 회피하거나 또는 감소시킬 때 인센티브를 제공함에 의하여 가장 잘 달성될 수 있다. 예를 들어, 큰 산업적인 소비자가 피크 시간동안 전력 소비를 회피하거나 또는 감소시키면, 해당 소비자에게 피크 시간이 아닌 경우에도 전력 사용 비용을 덜 부과하는 프로그램이 운영될 수 있다.
이와 같은 피크는 임의의 관련된 시간 기간일 수 있다. 추가로, 전력회사는 미리 전력 소비자에게 이와 같은 피크 시간을 임의의 관련된 기간에 알릴 수 있다.
일부의 경우에, 요구사항은 CO2 또는 e-연료 플랜트에 대한 질소와 같은 다른 원료의 가용성과 연관될 수 있다. 예를 들어, 여기서 기술되는 공정은 그렇지 않은 경우 CO2를 배출하게 되고, 간헐적으로 작동하거나 또는 그 자체로 상황에 반응하여 감축될 필요가 있는 공정과 연결될 수 있다. 이와 같은 경우에, 추가적인 CO2가 파이프라인과 같은 다른 소스로부터 보충될 수 있고, 또는 공정은 여기서 기술되는 바와 같은 감축될 수 있다. 요구사항은 또한 CO2의 가격과 연관될 수 있다.
일부의 경우에, 요구사항은 역 수성 가스 전환 모듈로의 주입물 내의 CO2에 대한 H2의 비율이다. 일반적인 작동에서는 이 비율은 2.0 내지 4.0이다.
공정은 요구사항에 따라 재개될 수 있다. 일부의 경우, 요구사항에 따라, 제1의 전력량이 다시 전기분해 모듈에 공급된다.
수소는 임의의 적절한 방식으로 회수되어 역 수성 가스 전환 모듈로 재순환된다. 일부의 경우, 수소는 선택적 분리막의 도움으로 회수된다. 수소 회수 모듈은 압력 변동 흡착(PSA)를 포함할 수 있다.
일부의 경우, 수소 회수 모듈은 요구사항의 없는 상태에서 작동하지 않는다. 일부의 경우, 작동하지 않는 수소 회수 모듈과 비교하여, 수소 회수 모듈의 작동은 탄화수소 합성 모듈로 주입되는 H2에 대한 CO의 비율을 증가시킨다. 작동하지 않는 수소 회수 모듈과 비교하여, 수소 회수 모듈의 작동은 탄화수소 합성 모듈에 의하여 생산되는 액상 탄화수소의 평균 분자량을 증가시킬 수 있다.
요구사항은 한시적일 수 있다. 요구사항은 임의의 관련된 시간의 기간동안 지속될 수 있다. 전력 소비의 관점에서의 감축 기간은 또한 다른 소스로부터의 수소를 보충함에 의하여 관리될 수 있다(즉, 전해조에 의하여 생산되는 수소의 감소를 보충하기 위하여). 예를 들어, 수소는 파이프라인과 같은 다른 외부의 소스로부터 임시로 구입될 수 있다. 또한 요구사항에 반응하여 감축 시나리오의 기간동안의 추후 사용을 위하여 과량의 전력 기간 동안에 과량의 수소가 전해조에 의하여 생산되고 저장될 수 있다.
도 3은 수소를 관리하기 위한 또 다른 시스템을 보여준다(예를 들어, 공정 감축 기간 동안). 일 면에서, 시스템은 e-연료를 생산하기 위하여 제공된다. 시스템은 전력을 사용하여 H2를 포함하는 전기분해 생성물 스트림으로 물을 전환할 수 있는 전기분해 모듈을 포함할 수 있다. 시스템은 나아가 CO2가 전기분해 생성물 스트림과 반응하여 CO와 H2를 포함하는 합성 가스 혼합물을 생성할 수 있는 역 수성 가스 전환 모듈을 포함할 수 있다. 시스템은 나아가 합성 가스 혼합물을 액상 탄화수소로 전환할 수 있는 탄화수소 합성 모듈을 더 포함할 수 있다. 시스템은 나아가 탄화수소 합성 모듈로부터의 H2를 회수하고 상기 H2를 역 수성 가스 전환 모듈로 주입할 수 있는 수소 회수 모듈을 더 포함할 수 있다. 시스템은 나아가 전기분해 모듈로부터의 O2를 (i) 탄화수소 합성 모듈 및/또는 수소 회수 모듈로부터의 미반응 반응물과, 및 (ii) 탄화수소 합성 모듈 및/또는 수소 회수 모듈로부터의 탄소 원자 5개 미만을 갖는 탄화수소와 반응시켜 탄화수소 합성 모듈로 주입될 수 있는 ATR 생성물 스트림을 생성할 수 있는 자열 개질(ATR) 모듈을 더 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 테일 가스 124 내의 수소는 수소 회수 모듈 300에서 회수될 수 있고, 및 (i) 역 수성 가스 전환 모듈 110로 향하는 H2 스트림 302와 (ii) 자열 개질기 126로 보내어질 수 있는 H2가 고갈된 테일 가스 혼합물 304을 생산할 수 있다. 수소는 임의의 적절한 방법으로 회수되어 역 수성 가스 전환 모듈로 재순환될 수 있다. 일부의 경우, 수소는 선택적 분리막의 도움으로 회수된다. 수소 회수 모듈은 압력 변동 흡착(PSA)를 포함할 수 있다.
다른 면에서, 여기서 제공되는 것은 e-연료를 생산하는 공정을 제어하기 위한 방법이다. 방법은 제1의 전력량을 전기분해 모듈로 공급하여 H2를 생산하는 단계, H2를 CO2와 혼합하여 CO2에 대한 H2의 제1의 비율을 갖는 가스 혼합물을 생성하는 단계, 가스 혼합물에 대하여 역 수성 가스 전환 반응을 수행하여 합성가스를 생성하는 단계, 및 합성 가스를 반응시켜 액상 탄화수소를 생산하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 나아가 요구사항에 반응하여 제2의 전력량을 전기분해 모듈에 공급하여 H2를 생산하는 단계, CO2와 H2를 혼합하여 CO2에 대한 H2의 제2의 비율을 갖는 가스 혼합물을 제공하는 단계, 가스 혼합물에 대하여 역 수성 가스 전환 반응을 수행하여 합성가스를 생산하는 단계, 및 합성 가스를 반응시켜 액상 탄화수소를 생산하는 단계를 더 포함할 수 있다. CO2에 대한 H2의 제2의 비율은 CO2에 대한 H2의 제1의 비율과 실질적으로 유사하다.
전력의 제2의 양은 전력의 제1의 양의 임의의 적절한 비율일 수 있다(즉 전력 소모의 관점에서 감축의 양). 제2의 전력량은 제1의 전력량의 0 % 내지 70 % 사이의 양일 수 있다. 요구사항에 따라, 제1의 전력령이 전기분해 모듈에 공급될 수 있다(즉 공정이 재개될 수 있다.).
일부 구체예에서, 가스 혼합물(즉 CO2를 갖는 H2)의 유동률은 감소된다(즉, 반응물 소비의 관점에서 감축의 양). 가스 혼합물의 유동률은 공정의 최대 용량에서 가스 혼합물의 유동률의 0 % 내지 70 % 사이의 양일 수 있다. 일부의 경우에, 가스 혼합물의 유동률은 공정의 최대 용량에서 가스 혼합물의 유동률의 0 % 내지 70 % 사이일 수 있다.
CO2에 대한 H2의 제1의 비율 및/또는 제2의 비율은 2.0 내지 4.0 사이; 바람직하게는 2.5 내지 3.5의 사이; 및 보다 더 바람직하게는 2.8 내지 3.2 사이일 수 있다.
CO2에 대한 H2의 제2의 비율은 CO2에 대한 H2의 제1의 비율과 실질적으로 유사하다. 일부의 경우, 제1과 제2의 비율은 40 % 이하로 상이하고; 바람직하게는 15 % 이하로 상이하고; 및 보다 더 바람직하게는 3 % 이하로 상이하다.
일부 구체예에서, H2는 요구사항에 반응하여 파이프라인으로부터 배출된다. 일부 구체예에서, H2는 전기분해 모듈에 의하여 생산되어 저장된다. 일부 구체예에서, H2는 요구사항에 따라 저장부로부터 배출된다. 일부 구체예에서, H2는 합성가스의 액상 탄화수소로의 반응의 생성물 스트림으로부터 회수된다. 일부 구체예에서, H2는 압력 변동 흡착을 사용하여 회수된다. 일부 구체예에서, 역 수성 가스 전환 반응을 수행하는 반응기로 전달되는 전력량은 0 내지 제1의 전력량에 대한 제2의 전력량의 비율의 값 사이의 값의 양만큼 감소된다.
이산화탄소는 몇 가지 소스들로부터 얻어질 수 있다. 비료용 암모니아를 생산하는 산업적인 생산 플랜트는 많은 양의 이산화탄소를 생산한다. 옥수수나 밀을 에탄올로 전환시키는 에탄올 공장은 많은 양의 이산화탄소를 생산한다. 다양한 자원들(예를 들어 천연 가스, 석탄, 다른 자원들)로부터 전기를 생산하는 발전소는 많은 양의 이산화탄소를 생산한다. 나일론 생산 공장, 에틸렌 생산 공장과 같은 화학적 공장, 다른 화학적 공장들은 많은 양의 이산화탄소를 생산한다. 일부 천연 가스 처리 공장들은 파이프라인 사양을 충족하기 위하여 천연 가스를 정제하는 공정의 일부로 CO2를 생산한다. 여기서 기술되는 바와 같이 활용을 위하여 CO2를 포집하는 것은 종종 이산화탄소가 주 성분이 아닌 연도 가스 스트림 또는 다른 스트림으로부터 이산화탄소를 분리하는 단계를 포함한다.
일부 CO2 소스들은 이미 상대적으로 순도가 높고, 및 여기서 기술되는 공정의 단지 일부 처리(가스 압축을 포함할 수 있는)만으로도 사용될 수 있다. 일부 공정들은 연도 가스 증기로부터 이산화탄소를 제거하기 위하여 사용될 수 있는 알킬아민 또는 다른 방법이 요구될 수 있다. 공정에서 사용되는 알킬아민은 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로필아민, 아미노에톡시에탄올, 또는 이들의 조합을 포함한다. 금속 유기 골격체(MOF) 재료는 또한 스트림으로부터 이산화탄소를 포집하기 위하여 화학적 흡착 또는 물리적 흡착을 사용하여 희석된 스트림으로부터 이산화탄소를 분리하는 수단으로서 사용되어왔다. 농축 이산화탄소를 얻기 위한 다른 방법은 연소 공정 동안 이산화탄소를 순환하는 금속 산화물 재료가 포집하는 화학적 루프 연소를 포함한다. 또한 이산화탄소는 이산화탄소의 직접 대기중 포집(DAC)으로도 불리는 방식으로 대기중으로부터 포집될 수 있다.
수소(H2)의 재생 가능한 소스들은 전기분해를 통하여 물로부터 생산될 수 있다.
이 반응은 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리한다. 전해조는 전해질로 분리된 애노드와 캐소드로 이루어진다. 서로 다른 전해조들은 주로 관여하는 전해질 재료들이 서로 상이하기 때문에 다소 상이한 방식으로 기능한다.
하지만, 각 전기분해 기술은 물이 시스템에 주변 압력과 온도로 주입되는 경우 39.4 kWh/kgH2 (수소의 HHV)의 최소의 이론적 전기 에너지 입력값을 갖고, 및 모든 에너지 입력은 전기의 형태로 제공된다. 요구되는 전기 에너지 입력값은 적절한 열 에너지가 시스템에 제공되는 경우 39.4 kWh/kgH2 미만으로 감소될 수 있다. 전기분해 외에, 광 에너지 및 광촉매를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 방식에 대하여 최근의 연구가 현저하게 진행중이다.
서로 다른 전기분해 기술을 사용하는 서로 다른 전해조 설계들은 알칼라인 전기분해, 막 전기분해, 고분자 전해질 막(PEM), 고체 산화물 전기분해(SOE), 및 고온 전기분해를 포함하여 사용될 수 있다. 알칼라인 전기분해는 1 MW를 초과하는 수준의 작동을 상업적으로 수행할 수 있다. 서로 다른 전해질은 활성 성분을 사용하거나 또는 사용하지 않으면서 약상 KOH 및 NaOH를 포함하여 사용될 수 있다. 활성 성분은 전해질에 추가되어 전해질의 안정성을 개선할 수 있다. 수소 발생 반응을 위한 대부분의 이온성 활성화제는 에틸렌디아민 (엔)-기반 금속 클로라이드 복합체([M(en)3]Clx,M1/4Co, Ni 등)와 Na2MoO4 또는 Na2WO4로 구성된다. 서로 상이한 전기 촉매가 전극들에 사용될 수 있고, 금속 및 랜니-니켈-알루미늄과 같은 산화물의 많은 서로 다른 조합들을 포함하고, 이들은 코발트 또는 몰리브데늄을 합금에 추가함에 의하여 개선될 수 있다. Pt2Mo, Hf2Fe, 및 TiPt와 같은 전이 금속의 수 가지 조합들은 캐소드 재료로 사용되고 있고, 및 최첨단의 전극들보다 현저히 높은 전기 촉매 활성을 보여주고 있다.
캐소드에서 물은 외부 회로로부터의 전자와 조합되고 수소가스와 음전하를 띄는 산소 이온을 형성한다. 산소 이온은 고상의 세라믹 막을 통과하여 애노드에서 반응하여 산소 가스를 형성하고, 외부 회로를 위하여 전자를 생성한다. 이와 같은 방식으로, 수소 가스와 산소 가스는 전해조에서 생산된다. 일 구체예에서, 복수의 전해조는 병렬로 작동된다. 어떠한 전해조도 100 %의 에너지 효율로 작동하지 않고, 및 에너지의 사용은 시설의 경제적인 작동을 위하여 필수적이다. 전해조에서의 에너지 사용은 생산되는H2 메트릭톤(MTR) 당 0 내지 200 메가 와트아워(MWh) 사이어야하고; 바람직하게는 생산되는 H2 MT 당 0 내지 120 MWh이어야 하고; 보다 더 바람직하게는 생산되는 H2 MT 당 0 내지 60 MWh이어야 한다. 알칼라인 전해조 구체예에서, 전기의 사용은 생산되는 H2 MT 당 39.4 MWh를 초과할 것이다. 하지만, 고온 전해조 구체예의 경우, 전기의 사용은 폐열이 주변 온도를 초과하는 온도로 전해조를 가열하는데 사용되는 경우 잠재적으로 생산되는 H2 MT 당 0 내지 39.4 MWh 사이일 수 있다.
여기서 기술된 바와 같이, 역 수성 가스 전환(RWGS) 반응은 다음의 화학식에 따라 합성가스를 생산하기 위하여 사용될 수 있다:
이 반응은 이산화탄소와 수소를 일산화탄소와 물로 전환한다. 이 반응은 상온에서 흡열 반응이고, 진행을 위하여 열이 필요하며, 현저한 이산화탄소의 전환을 위하여 상승된 온도와 우수한 촉매가 요구된다.
수소와 이산화탄소가 혼합된다. H2/CO2 비율은 2.0 mol/mol 내지 4.0 mol/mol 사이일 수 있고, 일부의 경우에, 3.0 내지 4.0 mol/mol일 수 있다. 혼합된 RWGS 원료는 간접 열교환에 의하여 900 °F 초과의 온도까지 가열될 수 있다. 이 초기 온도 상승은 열을 제공하기 위하여 탄소 포함 가스의 직접 연소를 사용하지 않고 수행될 수 있다. 이는 이산화탄소가 생산되고 있다는 의미이고, 이산화탄소가 유용한 연료들 및 화학물질들로 전환하는 효과를 무효화할 수 있다는 것을 의미한다.
수소와 이산화탄소의 혼합물을 포함하는 RWGS 도입부 가스는 도입부 온도로 가열될 수 있다. 도입부 온도는 RWGS 반응을 수행하기 위하여 임의의 적절한 온도일 수 있다. 일부의 경우, RWGS 도입물의 도입부 온도는 900°F 내지 1800°F 사이이다.
RWGS 도입 가스는 적어도 부분적으로는 주 반응기 용기 외부의 예열기에서 가열되어 가열된 도입부 가스를 생산할 수 있다. 예열기는 전기적으로 가열될 수 있고, 및 간접적 열교환을 통하여 도입부 가스의 온도를 상승시킬 수 있다.
도입부 가스의 전기 가열을 실행할 수 있는 다양한 방식들이 있을 수 있다. 하나의 방식은 전기 가열 복사로에서 전기 가열을 통하는 것이다. 일부 구체예에서, 도입부 가스의 적어도 일부는 로 내의 가열 코일을 통하여 지나간다. 로 내에서, 가열 코일은 복사 전기 가열 구성에 의하여 둘러쌓이거나, 또는 가스는 가스가 일부 대류 열전달에 의하여 가열되는 가열 구성 위로 직접 지나간다. 전기적인 가열 구성은 다양한 재료들로부터 만들어질 수 있다. 가열 구성은 니켈 크롬 합금일 수 있다. 이와 같은 요소들은 압연 스트립 또는 와이어 또는 지그재그 패턴으로 주조될 수 있다. 이와 같은 요소들은 특히 절연 스틸 쉘에 의하여 지지되고, 및 세라믹 섬유가 일반적으로 절연을 위하여 사용된다.
복사 요소들은 가열의 제어된 패턴을 제공하는 영역으로 구분될 수 있다. 복수의 코일들과 복수의 영역들이 도입부 가스에 열을 제공하고, 가열된 도입부 가스를 생산하기 위하여 필요하게 될 수 있다. 복사로는 우수한 시야율 요인 및 우수한 열전달을 보장하는 가열 구성과 유체 코일의 적절한 설계를 요구한다. 복사 로에 의한 전기 사용은 가능한 적어야 한다. 복사 로에 의한 전기 사용은 도입부 가스 내의 CO2 메트릭 톤(MT) 당 0 내지 0.5 MWh(메가와트-아워)의 전기이고; 바람직하게는 CO2 MT 당 0 내지 0.40 MWh이고; 및 보다 더 바람직하게는 CO2 MT 당 0 내지 0,20 MWh이다.
가열된 RWGS 도입부 가스 스트림은 이후 주 RWGS 반응기 용기로 도입될 수 있다. 주 RWGS 반응기 용기에 대한 적어도 2개의 가능한 구체예들이 있다. 일부 구체예들에서, 주 RWGS 반응기 용기는 단열성 또는 거의 단열성이고, 및 열 손실을 최소화하도록 설계되지만, 어떠한 추가적인 열도 주 반응기 용기로 도입되지 않고, 주 반응기 용기 내의 온도는 반응기의 도입부로부터 배출부까지 감소할 것이다. 일부의 구체예에서, 주 RWGS 반응기 용기는 유사하게 설계되지만, 추가적인 열이 용기로 추가되어 용기 내에서 등온 또는 거의 등온의 온도 프로파일이 유지된다. 주 RWGS 반응기 용기는 직경보다 긴 길이를 갖는 반응기일 수 있다. 주 반응기 용기로의 도입부는 용기의 전체 직경보다 작을 수 있다. 주 반응기 용기는 스틸 용기일 수 있다. 스틸 용기는 열 손실을 제한하기 위하여 내부적으로 절연될 수 있다. 타설된 또는 주조 가능한 내화 라이닝 또는 절연 벽돌을 포함하는 다양한 절연체가 환경으로의 열 손실을 제한하기 위하여 사용될 수 있다.
촉매의 베드는 주 RWGS 반응기 용기 내부일 수 있다. 촉매는 입자, 팰릿, 구, 삼엽형, 사엽형, 모노리스 또는 반응기에서의 압력 강하를 최소화하기 위하여 임의의 다른 공학적으로 설계된 형태일 수 있다. 일부의 경우에, 촉매의 입자의 형태 및 입자 크기는 반응기를 가로지르는 압력강하가 0 내지 100 파운드 퍼 스퀘어인치(psi)(345 kPa), 및 바람직하게는 0 내지 20 psi가 되도록 관리된다. 촉매 폼의 크기는 1 mm 내지 10 mm 사이의 특징적인 규격을 갖는다. 촉매 입자는 내부 표면적이 40 m2/g 초과, 일부의 경우에는 80 m2/g 초과의 내부 표면적을 갖고, 일부의 경우에는 100 m2/g의 표면적을 갖는 다공성 재료인 구조적인 재료일 수 있다.
RWGS 촉매는 효율적으로 RWGS 반응을 수행하는 다목적의 고성능 고용체 촉매일 수 있다. 안정적인, 고용체 전이 금속 촉매는 1,100 ℃까지 높은 열 안정성을 가질 수 있고, 탄소를 형성(탄소 침착)하지 않고, 및 포집된 CO2 스트림 내에 존재할 수 있는 오염에 대한 우수한 저항성을 갖는다. 이 촉매는 적어도 30 wt% 전이 금속을 요구하는 다른 촉매들과 비교하여 낮은 전이 금속 농도(5-20 wt.%)에서 높은 활성을 보여줄 수 있다. 나아가, 촉매 성능 개선을 위하여 고가의 귀금속의 사용이 불필요하다. RWGS 촉매를 위한 생산 공정은 금속 상의 분리가 거의 없거나, 전혀 없도록 하는 고용체 상, 이종-금속성 결정상을 형성하는 촉매를 생산할 수 있다.
이 화학적 구조는 통상적인 금속 지지 촉매와 비교하여 탄소 침착에 대하여 개선된 저항성을 도출할 수 있다. 이는 또한 황, 암모니아와 같은 독성 성분에 대한 개선된 저항성을 얻을 수 있다. 추가로, 이 촉매는 예를 들어, 알루미나 상의 Ni와 같은 단일 금속성 분리 촉매 상과 비교하여 낮은 표면적에서도 개선된 촉매 활성을 가질 수 있다. 일부의 경우, 이 촉매는 탄소 증착을 억제하기 위하여 필요한 알칼리 촉진이 필요하지 않다.
일부의 경우에, RWGS 단계의 압력, 탄화수소 합성 또는 액상 연료 생산(LFP) 단계의 압력은 각각 200 psi 범위 내이고, 일부의 경우에는 각각 100 psi의 범위 내이고, 및 일부의 경우에는 각각 50 psi 범위 내이다. 서로 가까운 압력에서 두개의 공정을 작동시키는 것은 합성가스 스트림에 대하여 요구되는 압축을 제한한다.
주 RWGS 반응기 내에서의 이산화탄소의 일산화탄소로의 패스당 전환율은 60 내지 90 mole% 사이일 수 있고, 일부의 경우에는 70 내지 85 mole% 일 수 있다. 만약 단열 반응기가 사용되면, 주 RWGS 반응기 용기 내의 온도는 도입부로부터 배출부까지 감소될 수 있다. 주 RWGS 반응기 용기 배출부 온도는 주 반응기 용기 도입부 온도보다 100 °F 내지 200 °F 낮을 수 있고, 일부의 경우에는 주 반응기 도입부 온도보다 105 내지 160 °F 낮을 수 있다. 주 RWGS 반응기 베드 내에서 촉매의 질량으로 나누어진 시간당 RWGS 반응물(H2 + CO2)의 질량 유동 속도인 RWGS 무게 시간당 공간속도(WHSV)는 1,000 내지 50,000 hr-1이고, 일부의 경우에는 5,000 내지 30,000 hr-1일 수 있다.
주 RWGS 반응기 용기를 떠나는 가스는 RWGS 생성물 가스 스트림이다. RWGS 생성물 가스는 일산화탄소(CO), 수소(H2), 미반응 이산화탄소(CO2), 및 물(H2O)를 포함한다. 추가로, RWGS 생성물 가스는 또한 부반응에 의하여 주 반응기 용기에서 생산되는 미량의 메탄(CH4)을 포함할 수 있다.
RWGS 생성물 가스는 공정 중 이 지점에서 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 생성물 가스는 냉각되고, 압축되어, 연료들과 화학물질들을 생산하기 위한 다운스트림 공정에서 사용될 수 있다. RWGS 생성물 가스는 또한 냉각되고, 압축되고, 및 예열기로 다시 보내져서, 및 주 반응기 용기로 주입될 수 있다. RWGS 생성물 가스는 또한 제2 전기 예열기에서 재가열될 수 있고, CO2의 CO로의 추가적인 전환이 발생할 수 있는 제2 반응기 용기로 보내질 수 있다.
RWGS 반응으로부터의 CO(일산화탄소) 및 물의 전기분해로부터의 수소와 함께, 일산화탄소의 탄화수소로의 촉매 수소화를 통한 유용한 생성물들에 대한 잠재성이 존재한다. H2와 CO의 혼합물을 합성 가스 또는 신가스(syngas)라고 한다. 신가스는 액상 연료들, 알코올, 아세트산, 다이메틸 이써, 메탄올, 암모니아, 및 많은 다른 화학적 생성물들의 다양한 범위를 생산하기 위한 원료로 사용될 수 있다.
산화된 탄화수소에 더하여 메탄으로부터 중 탄화수소(C100 이상)까지의 범위를 갖는 라이트 가스, 액체 및 왁스를 생산하기 위한 일산화탄소의 촉매적 수소화는 주로 퓌셔-트롭쉬(또는 F-T) 합성법을 참조한다. 전통적인 저온 (< 250 oC) F-T 공정은 주로 촉매적 전환 공정으로부터 고중량(또는 wt.%) F-T 왁스(C25 이상)를 생산한다. 이와 같은 F-T 왁스는 그 후 수소 첨가분해되고, 및/또는 추가적으로 처리되어, 디젤, 나프타, 및 다른 성분들을 생산한다. 이와 같은 수소 첨가분해 공정 중, 경 탄화수소가 또한 생산되고, 이는 실용적인 생성물을 생산하기 위하여 추가적인 업그레이드가 필요할 수 있다. F-T를 위하여 일반적으로 사용되는 촉매는 코발트(Co) 기반, 또는 철(Fe) 기반 촉매이고, 또한 주입된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하게 되는 수성 가스 전환(WGS) 반응을 위해서도 활성이다.
F-T에 더하여, 여기서 설명된 액상 연료 생산(LFP) 모듈이 사용될 수 있다. LFP 반응기는 CO와 H2를 액상 연료와 화학물질로 사용될 수 있는 장쇄 탄화수소로 전환시킨다. 이 반응기는 합성가스로부터 액상 연료 범위 탄화수소의 생산을 위하여 촉매를 사용할 수 있다. 합성가스 냉각 및 응축으로부터의 합성가스는 테일가스와 혼합되어 LFP 반응기 주입물을 생성한다. LFP 반응기 주입물은 수소와 일산화탄소를 포함한다. 이상적으로는 스트림 내 일산화탄소에 대한 수소의 비율은 1.9 내지 2.2 mol/mol 사이이다. LFP 반응기는 다중 튜브형 고정형 베드 반응기 시스템일 수 있다. 각 LFP 반응기 튜브는 직경이 13 mm 내지 26 mm이다. 반응기 튜브의 길이는 일반적으로 6 미터 초과의 길이이고, 및 일부의 경우에는 10 미터 초과의 길이이다. LFP 반응기는 일반적으로 LFP 반응기의 상부에서 도입되는 LFP 반응기 주입에 대하여 수직으로 배향된다. 하지만, 수평 반응기 배향이 일부 환경에서는 가능하고, 일정 각도로 반응기를 세팅하는 것이 높이 제한이 있는 일부 환경에서는 유리할 수 있다.
LFP 반응기 튜브의 길이 대부분은 LFP 촉매로 채워질 수 있다. LFP 촉매는 또한 LFP 반응기 주입물을 LFP 반응기 튜브로 및 이를 통하여 분산시키는 것을 돕기 위하여 실리카 또는 알루미나와 같은 희석제와 혼합될 수 있다. LFP 반응기에서 이루어지는 화학적 반응은 물 뿐만 아니라 대부분 5 내지 24 탄소 길이(C5-C24 탄화수소)를 갖는 탄화수소 생성물을 포함하는 LFP 생성물 가스를 생산하고, 다만, 일부의 탄화수소는 이 범위를 벗어날 수 있다. LFP 반응기는 주로 임의의 현저한 양의 이산화탄소를 생산하지 않는다. LFP 반응기 주입물 내의 0% 내지 2%의 일산화탄소는 주로 LFP 반응기 내의 이산화탄소로 전환된다.
LFP 반응기 주입물 내의 단지 제한된 양의 일산화탄소만이 주로 24를 초과하는 탄소 수를 갖는 탄화수소로 전환된다. LFP 생성물의 0% 내지 25% 사이 양의 탄화수소 부분이 24를 초과하는 탄소 수를 갖는다. 일부의 경우, LFP 생성물의 0 내지 10 wgt% 사이의 탄화수소 부분이 24 초과의 탄소 수를 갖고; 및 바람직하게는 LFP 생성물의 0 내지 4 wgt% 사이의 탄화수소 부분이 24 초과의 탄소 수를 갖고; 및 더 바람직하게는 LFP 생성물의 0 내지 1wgt% 사이의 탄화수소 부분이 24 초과의 탄소 수를 갖는다.
상기한 바와 같이, 퓌셔-트롭쉬(F-T)는 일반적으로 길이가 1 내지 125 탄소 원자인 탄화수소 생성물을 만든다. 여기서 언급되는 LFP 촉매는 F-T 공정에서 사용되는 다른 촉매들처럼 동일 수율에서 중 탄화수소를 생산하지 않는다. 일부의 구체예에서, LFP 촉매는 수성 가스 전환 반응을 통하여 일산화탄소의 이산화탄소로의 전환의 전환을 위하여 현저하지 않은 활성을 갖는다. 일부의 구체예에서, 일산화탄소의 이산화탄소로의 수성 가스 전환은 주입물 내 일산화탄소의 0% 내지 5% 사이이다. 일부 구체예에서, LFP 촉매는 활성 금속으로 코발트를 포함한다. 일부 구체예에서, LFP 촉매는 활성 금속으로 철을 포함한다. 일부 구체예에서, LFP 촉매는 활성 금속으로 철과 코발트의 혼합물을 포함한다. LFP 촉매는 충분한 크기, 형태, 공극 직경, 표면적, 충격 강도, 유효 펠릿 반경, 또는 이들의 조합을 갖는 알루미나, 실리카, 티타니아, 활성 탄소, 탄소 나노튜브, 제올라이트 또는 다른 지지 재료들의 군으로부터 선택되는 금속 산화물 지지체에 지지될 수 있다.
촉매는 3, 4, 또는 5개의 돌출부를 갖는 다양한 돌출된 지지체의 다양한 형태를 가질 수 있고, 이때 2개 이상의 돌출부는 다른 2개의 짧은 돌출부보다 길 수 있고, 이때 더 긴 양쪽 돌출부는 대칭일 수 있다. 지지체의 중심부 또는 각 돌출부의 중심부로부터의 거리는 유효 펠릿 반경이라고 하고, 이는 C5 내지 C24 탄화수소의 원하는 선택도를 달성하는데 기여할 수 있다. LFP 촉매 프로모터는 다음 중 하나를 포함할 수 있다: 니켈, 세륨, 란타늄, 백금, 루테늄, 레늄, 금, 또는 로듐. LFP 촉매 프로모터는 총 촉매의 0 내지 1 wt.%, 및 바람직하게는 0 내지 0.5 wt.%, 및 보다 더 바람직하게는 0 내지 0.1 wt.% 사이이다.
LFP 촉매 지지체는 8 나노미터(nm) 초과의 공극 직경을 가질 수 있고, 0 내지 600 마이크론 사이의 평균 유효 펠릿 직경을 가질 수 있고, 3 lbs/mm 초과의 충격 강도를 가질 수 있고, 및 100 m2/g 초과의 BET 표면적을 가질 수 있다. 금속 함침 후 촉매는 4 %의 금속 분산도를 가질 수 있다. 몇 가지 종류의 지지체가 C5-C24 탄화수소 수율을 최대화할 수 있다. 이는 알루미나/실리카 조합, 활성 탄소, 알루미나, 탄소 나노튜브, 및/또는 제올라이트 기반 지지체를 포함할 수 있다.
LFP 고정형 베드 반응기는 C5-C24 탄화수소 수율을 최대한화는 방식으로 작동될 수 있다. LFP 반응기는 150 내지 450 psi 사이의 압력에서 작동될 수 있다. 반응기는 350 내지 460 oF의 온도범위, 및 보다 주로는 약 410 oF 주변의 온도범위에서 작동할 수 있다. 반응은 발열반응이다. 반응기의 온도는 끓는 증기가 LFP 반응기 튜브 외부에 존재하는 열교환기에 배치되는 반응기 튜브 번들에 의하여 LFP 반응기 튜브 내부에서 유지될 수 있다. 증기 온도는 LFP 반응 온도보다 낮은 온도이기 때문에, 열은 LFP 반응기 튜브로부터 더 낮은 온도의 증기로 흐르게 된다. 증기 온도는 증기의 압력을 유지함에 의하여 유지될 수 있다. 증기는 일반적으로 포화 증기이다. 일부의 구체예에서, 촉매 반응기는 슬러리 반응기, 마이크로채널 반응기, 유동 베드 반응기, 또는 공지의 다른 반응기 형태일 수 있다.
LFP 반응기 내 CO의 전환은 패스 당 30 내지 80 mole% 사이의 CO 전환율로 유지될 수 있다. CCO는 추가의 전환을 위하여 재사용될 수 있고, 또는 하류의 추가적인 LFP 반응기로 보내질 수 있다. CO2에 대한 탄소 선택도는 전환된CO의 0 % 내지 4 % 사이의 양, 및 보다 바람직하게는 0 % 내지 1 %의 양으로 최소화될 수 있다. C5-C24 탄화수소에 대한 탄소 선택도는 60 내지 90 % 사이일 수 있다. LFP 반응기 생성물 가스는 원하는 C5-C24 탄화수소를 포함하고, 이는 액상 연료와 물로, 미반응 일산화탄소, 수소, 미량의 C1-C4 탄화수소, 및 미량의 C24+ 탄화수소로 응축된다. 바람직한 생성물은 생성물의 냉각, 응축 및/또는 증류, 또는 임의의 다른 적절한 수단을 통하여 스트림으로부터 분리될 수 있다. 미반응 일산화탄소, 수소, 및 C1-C4 탄화수소는 자열 개질기(ATR)로의 주입물의 일부일 수 있다.
자열 개질기(ATR)에서, ATR 탄화수소 주입물은 일산화탄소, 수소, 및 C1-C4 탄화수소를 포함한다. 주로 메탄(C1)인 천연 가스를 일산화탄소와 수소로 자열 개질한다.
일부 구체예에서, ATR 탄화수소 주입물은 미반응 일산화탄소, 수소, 및 C1-C4 탄화수소를 포함한다. 일부 경우에, 주입물은 또한 천연 가스를 포함한다. 천연 가스는 메탄을 포함하고, 및 이산화탄소뿐만 아니라 경 탄화수소를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 생산된 연료 및 화학물질들은 제로 탄소 연료가 아닐 수 있으나, 전통적인 연료 및 화학물질들과 비교하여 여전히 개선된 탄소 강도를 가질 것이다. ATR 주입물은 합성가스(많은 비율로 수소를 포함함)로 전환될 수 있다. 이는 수소를 생산하기 위하여 전기분해될 필요가 있는 물의 양을 감소시킬 수 있고, 및 전해조의 크기를 감소시킨다. 이는 저 탄소연료 및 화학물질들을 생산할 때, 보다 경제적일 수 있다. ATR 탄화수소 주입물 내에서, LFP 미반응 일산화탄소, 수소, 및 C1-C4 탄화수소에 대한 천연가스의 비율은 0 kg/kg 내지 2.0 kg/kg 사이의 양일 수 있고, 보다 바람직하게는 0 kg/kg 내지 1.25 kg/kg 사이의 양일 수 있다.
ATR은 일산화탄소 함량이 높은 생성물을 생산할 수 있다. 생성물 가스 내 이산화탄소는 0 mol% 내지 10 mol% 사이의 양일 수 있다. ATR 산화제 주입물은 증기와 산소를 포함할 수 있고, 산소는 물의 전기분해에 의하여 생산된다. ATR 산화제 주입물과 ATR 탄화수소 주입물은 예열될 수 있고, 및 그 후 산화제와 탄화수소가 2000 oC 초과의 온도로 버너에서 부분적으로 산화되는 ATR 버너에서 반응된다. ATR 반응기는 복수의 영역들로 구분될 수 있다. 연소 용역(또는 버너)은 ATR 탄화수소 원료의 적어도 일부가 물과 이산화탄소로 완전히 연소되는 곳이다. 열 영역은 열 반응이 발생하는 영역이다. 열 영역에서, 균일한 가스상 반응에 의하여 추가적인 전환이 이루어진다. 이와 같은 반응들은 고 탄화수소가 연관되는 CO 산화 및 열분해 반응과 같은 연소 반응보다 더 느린 반응일 수 있다. 열 영역에서의 주된 전체 반응들은 균일한 가스상 증기 탄화수소 개질 및 전환(shift) 반응을 포함할 수 있다. 촉매 영역에서, 탄화수소의 최종 전환은 증기 메탄 개질 및 수성 가스 전환 반응을 포함하는 균일한 촉매 반응을 통하여 이루어진다.
결과적인 ATR 생성물 가스는 예측되는 열역학적 평형 조성에 가까운 조성을 가질 수 있다. 실질적인 ATR 생성물 가스 조성은 0 ℃ 내지 70 ℃ 사이 양 차이 내에서 열역학적 평형 조성과 동일할 수 있다. 이를 소위 평형 접근 온도라고 안다. ATR에서 생산되는 CO2의 양을 최소한으로 유지하기 위하여, ATR 산화제 주입물 내의 증기 양안 가능한 낮은 수준으로 유지될 수 있다. 이는 또한 평형 예측 조성에 가까운 낮은 그을음 ATR 생성물 가스를 도출하게 될 수 있다. 전형적으로, 조합된 ATR 주입물(산화제 + 탄화수소) 내의 탄소에 대한 총 증기 비율(mol/mol)은 0.4 내지 1.0이고, 최적으로는 약 0.6이다. ATR 주입물 내 탄소에 대한 증기의 비율이 증가함에 따라, 합성가스 내 H2/CO 비율이 증가한다. 이산화탄소의 양 또한 증가한다. 일부 구체예에서, 탄소에 대한 증기 비율을 변화 또는 조정하는 것이 시설에서 전체적인 수소 생산의 양을 제어하기 위하여 유리할 수 있다.
ATR 생성물은 800 oC 초과의 온도에서 ATR 촉매 영역으로부터 나갈 수 있다. ATR 생성물은 열이 증기를 생성시키기 위하여 전달되는 폐열 보일러를 통하여 낮은 온도로 냉각될 수 있다. 이 LFP 반응기에 의하여 생산되는 낮은 압력 증기뿐만 아니라 이 증기도 전기를 생산하기 위하여 사용될 수 있다.
촉매 영역 반응을 위한 적절한 ATR 촉매는 주로 니켈 기반이다. 여기서 기술된 신규한 고용체 촉매는 ATR 촉매로 사용될 수 있다. 다른 적절한 ATR 촉매는 귀금속 프로모터를 포함하거나 또는 포함하지 않는 알파 상 알루미나 또는 마그네슘 알루미나 스피넬(MgAl2O4) 상의 니켈이다. 귀금속 프로모터는 금, 백금, 레늄, 또는 루테늄을 포함할 수 있다. 스피넬은 알루미나 기반 촉매들과 비교하여 더 폰은 녹는점 및 더 높은 열적 강도 및 열 안정성을 가질 수 있다.
ATR 생성물은 RWGS 생성물과 혼합될 수 있고, 및 LFP 반응기 주입물로 사용될 수 있다. 이는 원래의 이산화탄소를 C5 내지 C24의 탄화수소 생성물로의 높은 활용성을 가질 수 있도록 한다.
일부의 구체예에서, LFP 생성물 가스는 ATR에 대한 직접 주입물로서 적절하지 않고, 및 사전 개질이 필요하다. 이와 같은 경우, 미반응 일산화탄소, 수소, C1-C4 탄화수소 및 CO2를 포함하는 LFP생성물 가스는 사전 개질기 탄화수소 주입 가스를 포함한다. 스트림 내에서 더 높은 탄화수소 및 탄소 산화물을 사용할수록 ATR 탄화수소 주입물로서 직접 사용되는 대신에 사전 개질기의 사용이 요구될 수 있다. 사전-개질기는 일반적으로 단열 반응기이다. 단열 사전-개질기는 사전-개질기 주입물 내의 더 높은 탄화수소를 메탄, 증기, 탄소 산화물, 및 수소의 혼합물로 전환하고, 이는 그 후의 ATR 탄화수소 주입물로 적절하게 된다. 사전-개질기를 사용하는 하나의 장점은 이것이 더 높은 ATRR 탄화수소 주입물을 사전 가열하여 ATR에서 사용되는 산소를 환원시킬 수 있다는 것이다. 상기한 바와 같은 결과적인 통합된 공정은 이산화탄소의 연료 또는 화학물질들로 적절한 C5-C24 탄화수소 생성물로의 높은 전환율을 도출하게 한다.
일부 구체예에서, 자열 개질(ATR)은 연료/화학적 생산 스테이지로부터의 테일 가스(및 잠재적으로 다른 탄화수소 원료들) 및 전기 분해 공정으로부터의 산소를 추가적인 합성가스로 전환한다. 일부 구체예에서, (C02) RWGS(수소화) 촉매의 작동을 위한 ATR 공정으로부터의 열 에너지의 사용. 일부의 구체예에서, ATR 공정으로부터의 CO2의 분리 및 CO2 수소화 촉매를 사용하는 추가적인 합성가스로의 전환. 일부 구체예에서, RWGS 촉매, 반응기, 및 공정은 CO2와 수소를 합성가스로 전환하고, 및 연료/화학적 생산 공정의 압력과 가까운 압력에서 이 RWGS 공정을 작동시키고, 이는 합성가스를 연료 또는 화학물질들로 전환한다. 일부 경우, 이와 같은 연료 또는 화학물질들은 대부분 C5-C24 범위인 파라핀 또는 올레핀 탄화수소 액체들이다.
여기서 기술된 시스템 및 방법들은 센서를 사용할 수 있다. 센서는 유동률 센서일 수 있고, 고정 스트림의 화학적 조성을 감지하는 센서, 온도 센서, 압력 센서, 또는 CO2 또는 전력과 같이 공정 입력값의 가격 또는 가용성과 연관된 센서일 수 있다.
일 면에서, 여기서 기술된 시스템과 방법들은 이산화탄소를 효과적으로 포집하고 및 활용하고, 및 이를 연료(예를 들어, 디젤 연료, 가솔린, 가솔린 블랜드 스톡, 제트 연료, 케로신, 다른 것들) 및 화학물질들(예를 들어, 용매, 올레핀, 알코올, 방향성 물질, 윤활제, 왁스, 암모니아, 메탄올, 다른 것들)과 같은 유용한 생성물로 전환할 수 있고, 이들은 휘발유 및 천연 가스와 같은 화석 소스들로부터 생산되는 연료 및 화학물질들을 대체할 수 있다. 이는 대기로의 총 순 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있다. 제로 탄소, 저 탄소, 또는 초저 탄소 연료 및 화학물질들은 공정 중에 연소되는 최소한의 화석 연료들이다. 일부의 경우에, 통합된 공정으로의 주입물의 임의의 가열이 간접적인 수단(예를 들어 교차 교환기) 또는 풍력, 태양광, 지열 또는 핵발전과 같은 제로 탄소 또는 재생 가능한 소스로부터 오는 전기를 사용한 전기 가열을 통하여 수행된다.
특정 구체예들
다음은 이산화탄소, 물, 및 재생 가능한 전기를 저 탄소 또는 제로 탄소 고품질 연료 및 화학물질들로 전환하는 공정들의 특정 구체예들이다:
1. 물이 수소와 산소를 생산하기 위하여 재생 가능한 전기를 사용하여 구동되는 전기분해 시스템으로 도입된다. 이산화탄소는 소스로부터 포집된다. 이산화탄소는 전기분해 시스템으로부터의 수소와 혼합되어 스트림(역 수성 가스 )을 형성하고, 이는 가열되어, RWGS 촉매를 포함하는 RWGS 반응기 용기로 주입된다. RWGS 반응기는 원료를 일산화탄소, 수소, 미반응 이산화탄소 및 물을 포함하는 RWGS 생성물 가스로 전환한다. 재생 가능한 전기의 비용 증가의 요구사항에 반응하여, 전기분해 시스템에 공급되는 전력의 양이 감소한다. 수소의 감소된 생산을 보상하기 위하여, 제어기는 수소 회수 모듈을 활성화시키고, 이는 RWGS 생성물 가스로부터 수소를 회수하고, 이를 RWGS 반응기로 재순환시킨다. 이와 같은 보상은 수소와 이산화탄소의 비율을 2.0 내지 4.0 사이의 비율로 유지한다. RWGS 생성물 가스는 냉각되고, 압축되고, 및 액상 연료 생산("LFP") 시스템으로 주입된다. LFP 시스템은 RWGS 생성물 가스를 탄화수소 생성물로 전환하고, 여기서 생성물의 50 퍼센트 초과는 C5 내지 C24 탄화수소이다.
2. 물은 수소와 산소를 생산하기 위하여 재생 가능한 전기를 사용하여 구동되는 전기분해 시스템으로 주입된다. 이산화탄소는 발효 배기가스로부터 포집된다. 이산화탄소는 전기분해 시스템으로부터의 수소와 혼합되어 스트림(역 수성 가스 전환 원료 또는 "RWGS"원료)을 형성하고, 이는 가열되고, RWGS 촉매가 포함된 RWGS 반응기 용기로 주입된다. RWGS 반응기는 원료를 일산화탄소, 수소, 미반응 이산화탄소 및 물을 포함하는 RWGS 생성물 가스로 전환한다. 재생 가능한 전기 비용 증가의 요구사항에 반응하여, 전기분해 시스템에 공급되는 전력의 양이 감소된다. 감소된 수소 생산을 보상하기 위하여, 추가적인 수소가 파이프라인 또는 수소 저장 용기로부터 도입된다. 이와 같은 보상은 수소와 이산화탄소의 비율을 2.0 내지 4.0 사이로 유지한다. RWGS 생성물 가스는 냉각되고, 압축되고, 및 액상 연료 생산("LFP") 시스템으로 주입된다. LFP 시스템은 RWGS 생성물 가스를 탄화수소 생성물로 전환하고, 생성물의 50 퍼센트 초과는 C5 내지 C24의 탄화수소이다.
3. 물은 수소와 산소를 생산하기 위하여 재생 가능한 전기로 구동되는 전기분해 시스템으로 주입된다 이산화탄소는 소스로부터 포집된다. 이산화탄소는 전기분해 시스템으로부터 수소와 혼합되어 스트림(역 수성 가스 전환 원료 또는 "RWGS"원료)을 형성하고, 가열되고, RWGS 촉매를 포함하는 RWGS 반응기 용기로 주입된다. RWGS 반응기는 원료를 일산화탄소, 수소, 미반응 이산화탄소와 물을 포함하는 RWGS 생성물 가스로 전환한다. 재생 가능한 전기의 비용 증가의 요구사항에 반응하여, 전기분해 시스템으로 공급되는 전력의 양이 감소된다. 감소된 수소 생산을 보상하기 위하여, 제어기는 수소 회수 모듈을 활성화시키고, 여기서 RWGS 생성물 가스로부터 수소를 회수하고, 이를 RWGS 반응기로 재순환시킨다. 이와 같은 보상은 수소와 이산화탄소의 비율을 2.0 내지 4.0 사이로 유지시킨다. RWGS 생성물 가스는 냉각되고, 압축되고, 및 액상 연료 생산("LFP") 시스템으로 주입된다.
LFP 시스템은 RWGS 생성물 가스를 탄화수소 생성물로 전환하고, 생성물의 50 퍼센트 초과는 C5 내지 C24 탄화수소이다. 추가로, 하나 이상의 C1-C4 탄화수소, 일산화탄소 및 수소가 ATR 생성물 스트림을 제공하기 위한 촉매를 포함하는 자열 개질기("ATR")로 주입된다. RWGS 생성물 가스는 ATR 생성물 스트림과 혼합되고, 및 액상 연료 생산("LFP") 시스템으로 주입되어 시스템의 생산성을 증가시킨다.
4. 물은 수소와 산소를 생산하기 위하여 재생 가능한 전기로 구동되는 전기분해 시스템으로 주입된다. 이산화탄소는 소스로부터 포집된다. 이산화탄소는 전기분해 시스템으로부터의 수소와 혼합되어 스트림(역 수성 가스 전환 원료 또는 "RWGS"원료)을 형성하고, 이는 가열되고, RWGS 촉매를 포함하는 RWGS 반응기로 주입된다. RWGS 반응기는 원료를 일산화탄소, 수소, 미반응 이산화탄소 및 물을 포함하는 RWGS 생성물 가스로 전환한다. 센서는 이산화탄소에 대한 수소의 비율이 2.5 미만임을 감지하고, 이 신호를 제어기로 보내고, 제어기는 수소 회수 모듈을 활성화시켜 RWGS 생성물 가스로부터 수소를 회수하고, 이를 RWGS 반응기로 재순환시킨다. 이와 같은 보상은 수소와 이산화탄소의 비율을 2.0 내지 4.0 사이로 유지한다. RWGS 생성물 가스는 냉각되고, 압축되고, 및 액상 연료 생산("LFP") 시스템으로 주입된다. LFP 시스템은 RWGS 생성물 가스를 탄화수소 생성물로 전환하고, 생성물의 50 퍼센트 초과는 C5 내지 C24 탄화수소이다.
5. 물은 수소와 산소를 생산하기 위하여 재생가능한 전기를 사용하여 구동되는 전기분해 시스템으로 주입된다. 이산화탄소는 소스로부터 포집된다. 이산화탄소는 전기분해 시스템으로부터의 수소와 혼합되어, 스트림(역 수성 가스 전환 원료 또는 "RWGS"원료)을 형성하고, 이는 가열되고, RWGS 촉매를 포함하고 있는 RWGS 반응기 용기로 주입된다. RWGS 반응기는 원료를 일산화탄소, 수소, 미반응 이산화탄소와 물을 포함하는 RWGS 생성물 가스로 전환한다. 재생 가능한 전기 비용의 증가의 요구사항에 반응하여, RWGS 반응기의 작동 온도가 감소되고, 이에 의하여 전력을 덜 사용하게 된다. 이와 같은 변경은 RWGS 반응기로부터의 생성물의 조성을 변화시킨다. RWGS 생성물 가스는 냉각되고, 압축되고, 및 액상 연료 생산("LFP") 시스템으로 주입된다. LFP 시스템은 RWGS 생성물 가스를 탄화수소 생성물로 전환하고, 생성물의 50 퍼센트 초과는 C5 내지 C24 탄화수소이다.
6. 물은 수소와 산소를 생산하기 위하여 재생가능한 전기를 사용하여 구동되는 전기분해 시스템으로 주입된다. 이산화탄소는 소스로부터 포집된다. 이산화탄소는 전기분해 시스템으로부터의 수소와 혼합되어 스트림(역 수성 가스 전환 원료 또는 "RWGS"원료)을 형성하고, 이는 가열되고, RWGS 촉매를 포함하고 있는 RWGS 반응기 용기로 도입된다. RWGS 반응기는 원료를 일산화탄소, 수소, 미반응 이산화탄소 및 물을 포함하는 RWGS 생성물 가스로 전환한다. 재생 가능한 전기의 감소된 공급의 요구사항에 반응하여, 전기분해 시스템으로 공급되는 전력의 양이 감소되지만, 시스템의 다른 모듈들에 공급되는 전력은 실질적으로 유지된다. RWGS 생성물 가스는 냉각되고, 압축되고, 및 액상 연료 생산("LFP") 시스템으로 주입된다. LFP 시스템은 RWGS 생성물 가스를 탄화수소 생성물로 전환하고, 생성물의 50 퍼센트 초과는 C5 내지 C24 탄화수소이다.
상기한 구체예들은 임의의 수많은 방식들로 수행될 수 있다. 예를 들어, 구체예들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 수행될 수 있다. 소프트웨어에서 수행될 때 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에서 제공되거나 또는 복수의 컴퓨터들에 분산되거나, 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서들의 조합에서 실행될 수 있다. 상기한 기능들을 수행하는 임의의 요소 또는 요소들의 조합은 일반적으로 상기한 기능을 제어하는 하나 이상의 제어기로 고려될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 하나 이상의 제어기는 예를 들어 전용 하드웨어를 사용하여, 또는 상기한 기능을 수행하기 위한 마이크로코드 또는 소프트웨어를 사용하여 프로그램된 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
이와 같은 관점에서, 본 발명의 구체예들의 하나의 구현은 컴퓨터 프로그램(즉, 복수의 명령들)로 인코딩된 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독가능한 저장 매체(예를 들어, 컴퓨터 메모리, 포터블 메모리, 컴팩트 디스크, 등)를 포함하고, 프로세서 상에서 처리될 때, 본 발명의 구체예들의 상기 언급된 기능들을 수행하게 된다는 점을 이해해야 한다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 전송이 가능하여, 이에 저장된 프로그램은 상기 언급된 본 발명의 사항들을 수행하기 위하여 임의의 컴퓨터 자원으로 로딩될 수 있다. 추가로, 실행 시에, 상기 기능을 수행하는 컴퓨터 프로그램에 대한 참조는 호스트 컴퓨터 상에서 실행되는 어플리케이션 프로그램에 제한되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 오히려, 여기서 사용되는 컴퓨터 프로그램이라는 용어는 일반적인 관점에서, 본 발명의 상기 언급된 면들을 수행하기 위하여 프로세서를 프로그램하게 할 수 있는 임의의 형태의 컴퓨터 코드(예를 들어, 소프트웨어 또는 마이크로코드)를 참조하는 것으로 사용된다.
본 발명의 다양한 양샹들은 전술한 구체예들에서 구체적으로 논의되지 않은 단독, 조합 또는 다양한 배열로 사용될 수 있고, 따라서, 전술한 상세한 설명에 기재되거나 또는 도면에 도시된 구성 요소의 세부 사항 및 배열로 그 적용이 제한되지 않는다. 예를 들어, 일 구체예에서 기술된 양상들은 다른 구체예들에서 기술된 다른 양상들과 임으의 방식으로 조합될 수 있다.
또한, 본 발명의 구체예들은 하나 이상의 방법들로 구현될 수 있고, 그 중 일 예가 제공되고 있다. 방법들의 일부로 수행되는 행위들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 구체예들은 도시된 것과는 상이한 순서로 행위들이 수행되도록 구성될 수 있고, 이는 예시적인 구체예들에서는 순서에 따른 행위로 보여지는 경우에도 동시에 수행되는 것을 포함할 수 있다.
청구항에서 청구항 요소들을 수정하기 위하여 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 순서적인 용어를 사용하는 것은 그 자체로 다른 청구항의 요소보다 한 청구항의 요소의 우선순위, 선행, 또는 순서, 또는 방법의 행위가 수행되는 시간적인 순서를 의미하지는 않는다. 이와 같은 용어들은 단순히 동일한 이름을 갖는(하지만, 순서의 용어 사용을 위하여) 다른 요소들과 하나의 청구항 해당 이름을 갖는 요소를 구분하기 위한 레이블로 사용된다.
여기에 사용된 문구와 용어는 설명을 위한 것이며, 이를 제한적으로 고려해서는 안된다. "포함하는", "포함되는", "갖는", "이루어지는", "구성하는" 및 그 변형의 사용은 이후에 열거된 항목 및 추가 항목을 포함하기 위한 것이다.
본 발명의 여러 구체예를 상세히 설명하였으므로, 당업자에게는 다양한 수정 및 개선이 용이하게 이루어질 것이다. 이러한 수정 및 개선은 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 설명은 단지 예시를 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명은 다음 청구범위 및 이에 대응하는 균등 청구범위에 의해 정의된 대로만 제한된다.
다음의 실시예는 예시적인 목적일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
실시예 1: 이는 기본적인 사례의 e-연료 생산 시설이다. 이는 도 1과 같이 구성된다. 전기는 전기분해 유닛에서 사용되어 수소를 생산한다. 이산화탄소는 이산화탄소 포집 시설로부터 공급된다. 수소 및 이산화탄소는 2.0의 H2/CO2비율을 갖고 RWGS 반응기로 주입된다. 이 실시예에서, 요구사항이 있는 경우, 이 시설은 본 발명의 이익 없이 이에 반응한다. 요구사항은 풍력 터빈에 대한 풍력의 감소로 인하여 e-연료 생산 시설에 가용한 전기의 양이 감소하는 것이다. 12 시간 동안 기초 전기의 50 % 만이 가용한 상황이다. 시설 전기 분해 유닛은 50 % H 2 생산으로 축소되고; RWGS 반응기로의 H2/CO2비율을 유지하기 위하여, CO2 사용이 50 % 감소되고; RWGS반응기로부터의 합성가스는 50 % 감소되고; 및 따라서, 전체적인 LFP 연료 생산이 50 % 감소된다. 전체적인 발전소 수익은 12 시간동안 50 % 감소된다. 이는 분명 바람직한 상황이 아니다.
실시예 2: 이 실시예에서, 시설의 구조는 실시예 1의 구조와 유사하나, 도 2에 도시된 바와 같은 수소 회수 모듈을 갖는다. 이 실시예에서, 요구사항은 실시예 1과 동일하고, 전기가 12 시간동안 50 % 감소된다. 모니터와 제어기가 작동한다. 이 경우, 수소 회수 모듈은 요구사항에 반응하여 또한 ATR로부터의 합성가스를 포함하고 있는 RWGS 반응기 배출부로부터의 H2를 분리하고, H2를 RWGS 도입부로 재도입하여 주입부에서의 H2/CO 비율을 동일하게 유지한다. CO2의 사용이 동일하여 유지된다. ATR로 도입되는 물이 증가하고, 이에 따라 탄소에 대한 증기의 비율이 높아지고, 이에 따라 ATR을 떠나는 H2/CO가 더 높아진다. LFP에 대한 H2/CO 비율은 2.0에서 1.8로 감소한다(예시). 전체 LFP 반응기 전환은 실시예 1의 사전-요구사항 기본 사례에서 상대적으로 20퍼센트 감소한다. 시설에서 나가는 생성물의 전체 감소는 실시예 1의 50% 감소 대신 20% 감소하여 본 발명의 이점을 보여준다. 따라서 전체 공장 수익은 12시간 동안 20% 감소한다. 이는 기본 사례에 비해 수익이 크게 개선되었음을 나타낸다.
실시예 3: 이 실시예의 구성은 실시예 1과 동일하다. 요구사항은 탄소 포집 유닛에서 이산화탄소 흐름이 2시간 동안 중단되는 것이다. 이 실시예에서는 기본 구성에서 전해조에서 수소 생산이 중단된다. 전체 연료 생산량은 해당 기간 동안 생산량이 0으로 떨어진다. 해당 2시간 동안의 수익은 0으로 떨어진다. 일시적인 요구사항이 중단되고 시설이 재가동되어 최대 생산량에 도달한다. 그런 다음 시설에 또 다른 요구사항이 가해져 2시간 동안 사용 가능한 전기가 0으로 떨어진다. 그러면 시설은 연료 생산을 중단한다. 이 2시간 동안의 수익은 0이다. 이 실시예의 경우 두 번의 개별 요구사항의 4시간 동안의 수익은 0이다.
실시예 4: 이 실시예에서는 수소 회수 모듈이 있는 실시예 2와 구성이 동일하다. 이 새로운 시설에는 실시예 3과 동일한 요구사항이 제공된다. 첫 번째 요구사항 동안에는 2시간 동안 이산화탄소가 없다. 이 경우 실시예 3과 달리 전해조 작동이 계속된다. 수소 회수 모듈은 정전 중에 생산된 수소를 액화 및 저장할 수 있도록 한다. 전해조 작동에 전기를 사용할 수 없는 두 번째 요구사항 동안에는 저장소에서 수소를 가져와 연료 생산을 계속한다. 이 실시예에서 첫 번째 요구사항 이벤트 동안에는 시설 수익이 0이지만 두 번째 요구사항 이벤트 동안에는 수익이 감소하지 않는다. 따라서 이 경우 두 번의 요구사항 이벤트에 걸쳐 수익은 전체 생산 수익의 50%가 된다. 이는 실시예 3의 시설 수익에 비해 수익이 크게 증가한 것을 나타낸다.

Claims (33)

  1. a. 제1의 전력량을 전기분해 모듈에 공급하여 H2를 생산하고, H2를 CO2와 혼합하여 CO2에 대한 H2의 제1의 비율을 갖는 가스 혼합물을 생성하고, 가스 혼합물에 대하여 역 수성 가스 전환 반응을 수행하여 합성가스를 생성하고, 합성 가스를 반응시켜 액상 탄화수소를 생산하는 단계; 및
    b. 요구사항(stimulus)에 반응하여, 제2의 전력량을 전기분해 모듈에 공급하여 H2를 생산하고, H2를 CO2와 혼합하여 CO2에 대한 H2의 제2의 비율을 갖는 가스 혼합물을 생성하고, 가스 혼합물에 대하여 역 수성 가스 전환 반응을 수행하여 합성가스를 생성하고, 합성 가스를 반응시켜 액상 탄화수소를 생산하는 단계
    를 포함하는 e-연료를 생산하는 공정의 제어방법이되,
    제2의 전력량은 0 내지 제1의 전력량이고, 및 CO2에 대한 H2의 제2의 비율은 CO2에 대한 H2의 제1의 비율과 실질적으로 유사한 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 요구사항은 전력의 가용성과 연관되는 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 요구사항은 전력의 비용과 연관되는 제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 요구사항은 CO2의 가용성과 연관되는 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 요구사항은 CO2의 비용과 연관되는 제어방법.
  6. 제1항에 있어서, 요구사항은 한시적인 제어방법.
  7. 제1항에 있어서, 요구사항은 0 시간 내지 12 시간동안 지속되는 제어방법.
  8. 제1항에 있어서, 요구사항에 따라 제1의 전력량이 전기분해 모듈에 제공되는 제어방법.
  9. 제1항에 있어서, H2는 요구사항에 반응하여 파이프라인으로부터 배출되는 제어방법.
  10. 제1항에 있어서, H2는 전기분해 모듈에 의하여 생산되어 저장되는 제어방법.
  11. 제1항에 있어서, H2는 요구사항에 따라 저장부로부터 배출되는 제어방법.
  12. 제1항에 있어서, H2는 합성 가스의 액상 탄화수소로의 반응의 생성물 스트림으로부터 회수되는 제어방법.
  13. 제1항에 있어서, H2는 압력 변동 흡착을 사용하여 회수되는 제어방법.
  14. 제1항에 있어서, 제2의 전력량은 제1의 전력량의 0 % 내지 70 %인 제어방법.
  15. 제1항에 있어서, 수성 가스 전환 반응을 수행하는 반응기에 전달되는 전력량은 0에서 제1의 전력량에 대한 제2의 전력량의 비율 사이의 양만큼 감소하는 제어방법.
  16. 제1항에 있어서, 가스 혼합물의 유동률은 20 % 내지 100 %사이의 양만큼 감소하는 제어방법.
  17. 제1항에 있어서, 제1 및/또는 제2의 전력량은 재생 가능한 자원들로부터 유도되는 제어방법.
  18. 제1항에 있어서, 액상 탄화수소는 연료인 제어방법.
  19. 제1항에 있어서, 제1의 비율과 제2의 비율은 2.0 내지 4.0인 제어방법.
  20. a. 물을 H2를 포함하는 전기분해 생성물 스트림으로 전환하기 위하여 전력을 사용할 수 있는 전기분해 모듈;
    b. CO2를 전기분해 생성물 스트림과 반응시켜 CO와 H2를 포함하는 합성 가스 혼합물을 생산할 수 있는 역 수성 가스 전환 모듈;
    c. 요구사항을 감지할 수 있는 센서;
    d. 요구사항에 반응하여, 합성 가스 혼합물로부터 H2를 회수하여, (i) 역 수성 가스 전환 모듈로 향하게 되는 H2 스트림과, (ii) H2가 고갈된 합성 가스 혼합물을 생산할 수 있는 수소 회수 모듈을 제어할 수 있는 제어기;
    e. H2가 고갈된 합성 가스 혼합물을 액산 탄화수소로 전환할 수 있는 탄화수소 합성 모듈;
    f. 전기분해 모듈로부터의 O2를 (i) 탄화수소 합성 모듈로부터의 미반응 반응물, 및 (ii) 탄화수소 합성 모듈로부터의 5 개 미만의 탄소 원자를 갖는 탄화수소와 반응시켜 탄화수소 합성 모듈로 주입될 수 있는 ATR 생성물 스트림을 생산할 수 있는 자열 개질(ATR) 모듈
    을 포함하는 e-연료 생산을 위한 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 센서는 역 수성 가스 전환 모듈로의 주입물 내에서 CO2에 대한 H2의 비율을 감지하는 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 역 수성 가스 전환 모듈로의 주입물 내에서 CO2에 대한 H2 비율의 요구사항은 2.5 미만인 시스템.
  23. 제20항에 있어서, 요구사항은 전력의 가용성과 연관되는 시스템.
  24. 제20항에 있어서, 요구사항은 전력의 비용과 연관되는 시스템.
  25. 제20항에 있어서, 요구사항은 CO2의 가용성과 연관되는 시스템.
  26. 제20항에 있어서, 요구사항은 CO2의 비용과 연관되는 시스템.
  27. 제20항에 있어서, 요구사항은 한시적인 시스템.
  28. 제20항에 있어서, 요구사항은 0 시간 내지 12 시간의 시간동안 유지되는 시스템.
  29. 제20항에 있어서, 요구사항을 따라, 제1의 전력량은 전기분해 모듈로 제공되는 시스템.
  30. 제20항에 있어서, 수소 회수 모듈은 압력 변동 흡착(PSA)을 포함하는 시스템.
  31. 제20항에 있어서, 수소 회수 모듈은 요구사항이 없는 상태로는 작동하지 않는 시스템.
  32. 제20항에 있어서, 수소 회수 모듈이 작동하지 않는 경우와 비교하여, 수소 회수 모듈의 작동은 탄화수소 합성 모듈로 도입되는 H2에 대한 CO의 비율을 증가시키는 시스템.
  33. 제20항에 있어서, 수소 회수 모듈이 작동하지 않는 경우와 비교하여, 수소 회수 모듈의 작동은 탄화수소 합성 모듈에 의하여 생산되는 액상 탄화수소의 평균 분자량을 증가시키는 시스템.
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