(57)【要約】本発明は、電気エネルギーを化学エネルギーに変換する方法およびシステムに関するものであり、任意選択的にそのエネルギーを回収して必要に応じて電気を発生させる方法およびシステムに関する。好ましい実施形態において、電気エネルギー源の少なくとも一部は再生可能なエネルギー源から得られるものである。本発明によれば、ＣＯ２を大気中に放出することなく、利便性の高いエネルギー変換および生成が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギー源から炭化水素または炭化水素誘導体を生成する方法であって、
ａ．電気エネルギー源を設けるステップ、
ｂ．前記電気エネルギー源からの電気エネルギーを用いて、水を電気分解し水素と酸素を生成するステップ、および
ｃ．生成した水素を用いて二酸化炭素を水素化してメタンを生成するステップを含む、方法。
【請求項２】
前記電気エネルギー源は、非化石燃料エネルギー源と、非化石燃料発電機を動作させて水を電気分解するための電気を提供することにより得られた電気エネルギーと、を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電気エネルギー源は電気グリッドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記メタンの少なくとも一部を処理してメタン以外の炭化水素または炭化水素誘導体類を生成するステップを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記電気エネルギー源は、風力エネルギー、潮力エネルギー、波力エネルギー、水力エネルギー、地熱エネルギー、太陽エネルギーのうちの１つまたはそれ以上の再生可能エネルギー源を備え、再生可能エネルギーの発電機は、前記電気エネルギー源から電気を発生させるようにしたことを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記電気エネルギー源から直流電流が得られることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記電気分解は電気分解装置において行うことを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記電気分解は高温にて行うことを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記電気分解は、１００℃〜１０００℃、より好ましくは２５０℃〜９５０℃、特に好ましくは８００℃〜９２５℃の温度にて行うことを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
固体酸化電解質システムを利用することを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
固体酸化物電解質システムはイットリア安定化ジルコニア（『ＹＳＺ』、Ｙ２Ｏ３添加ＺｒＯ２）を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
二酸化炭素の水素化によるメタンの生成はサバティエ・プロセスにより行うことを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
水素化反応を冷却するステップを含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記水素化反応の際の温度を２００℃〜４００℃、好ましくは２５０℃〜３５０℃、特に好ましくは２７５℃〜３２５℃に維持するステップを含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記水素化反応は、アルミナ担持ルテニウム（Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３）触媒を用いることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
二酸化炭素の水素化により発生した熱を用いて前記電気分解反応を加熱することを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
電気分解により発生した水素および／または酸素の流れを用いて電気分解用の注入水を加熱することを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
電気分解において発生した水素および／または酸素の流れにおける熱を用いて蒸気を生成することを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
生成した前記蒸気を用いて発電することを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
水素および／または酸素の前記流れにおける熱を用い、ランキンサイクルボイラを介して蒸気を生成し、ランキンサイクルボイラは続いてストリームタービンを駆動して発電することを特徴とする、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記蒸気の少なくとも一部を用いて電気分解用の注入水を得ることを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
蒸気の流れを電気分解用の注入水の流れに転用するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
二酸化炭素の前記水素化により発生した水をメタンから分離することを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記水素化反応用に用いる二酸化炭素は、燃料の酸化反応物であることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記二酸化炭素は、先行する請求項のいずれかに記載の方法を用いて生成した燃料の酸化反応物であることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
炭化水素燃料を生成する方法であって、炭化水素燃料は、該炭化水素燃料から電気エネルギーを抽出するのに適した発電機において好適に用いられるものであることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記炭化水素燃料はメタンを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記二酸化炭素の前記水素化により発生した前記メタンを、その他の炭化水素または炭化水素系生成物類の生成において用いることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
燃焼室または燃料電池等において前記燃料を酸化する際に使用する水を電気分解して酸素を得るステップを含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
先行する請求項のいずれかに記載の方法は、発電することをさらに含み、
ｄ）任意選択で、前記メタンの少なくとも一部を変換して二次燃料を生成するステップ、
ｅ）ステップｃ）またはステップｄ）の燃料生成物を、該燃料生成物から電気エネルギーを抽出できる二次発電機に供給するステップ、および
ｆ）電気エネルギーを生成するステップ、を含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記二次発電機に酸素を供給して前記燃料を酸化するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記酸素の少なくとも一部は、水の加水分解により発生することを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記酸素は、ステップｂにおいて、前記水素と同時に発生することを特徴とする、請求項３１または３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記燃料の酸化は、実質的純酸素の存在下で行うことを特徴とする、請求項３１〜３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記発電の結果発生した二酸化炭素を回収するステップを含む、請求項３０〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記回収した二酸化炭素を、ステップｃ）の水素化反応の供給原料として用いることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記二次発電機は、コンバインドサイクルガスタービン、燃料電池、またはその両方の混合型を備えることを特徴とする、請求項３０〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記二次発電機は熱電併給システムを備えることを特徴とする、請求項３０〜３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
炭化水素燃料を、その生成地点から前記二次発電機に移送するステップを含む、請求項３０〜３８のいずれか一項に記載の方法。 
【請求項４０】
前記酸素を、その生成地点から二次発電機に移送するステップを含む、請求項３０〜３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
電気エネルギー源から炭化水素および炭化水素誘導体を生成するシステムであって、
ａ）電気エネルギー源、
ｂ）前記電気エネルギー源に電気的に連結されて、水を電気分解して水素および酸素を生成するように動作可能な電気分解装置、
ｃ）前記電気分解装置において生成した酸素および水素を収集するガス処理手段、
ｄ）二酸化炭素源、および
ｅ）電気分解により発生した前記水素を用いて、二酸化炭素を水素化してメタンを生成するようにした水素化装置、
を備えた、システム。
【請求項４２】
前記電気エネルギー源は、非化石燃料エネルギー源であり、該システムは、前記非化石燃料エネルギー源から電気エネルギーを生成するように動作可能な非化石燃料発電機を備えた、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
交流電流を直流電流に変換する変換手段を備えた、請求項４１または４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記電気分解装置は、その内部で電気分解を生じうる反応空間を備えたことを特徴とする、請求項４１〜４３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４５】
前記電気分解装置は、前記反応空間を周囲温度よりも高い温度に加熱するようにした加熱手段等の温度制御手段を備えたことを特徴とする、請求項４１〜４４のいずれか一項に記載のシステム。 
【請求項４６】
前記水素化装置は、その内部で水素化を生じうる反応空間を備えたことを特徴とする、請求項４１〜４５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４７】
前記水素化装置は、前記反応空間を冷却するようにした冷却手段等の温度制御手段を備えたことを特徴とする、請求項４１〜４６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４８】
前記電気分解装置および前記水素化装置は加熱手段および冷却手段をそれぞれ備え、前記電気分解装置の前記加熱手段および前記水素化装置の前記冷却手段を熱的に連結して、水素化により発生した熱エネルギーを前記電気分解装置に伝達するようにしたことを特徴とする、請求項４１〜４７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４９】
前記電気分解装置および前記水素化装置の各々における熱交換器は流体連通しており、前記水素化装置において加熱された前記流体の少なくとも一部を用いて電気分解反応を加熱できるようにしたことを特徴とする、請求項４８に記載のシステム。
【請求項５０】
前記水素化装置は１つまたはそれ以上の導管を備え、該導管の周囲に電気分解用の水を流動可能として、前記水素化反応の熱を前記注入水に伝達するようにしたことを特徴とする、請求項４１〜４８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５１】
前記電気分解装置からの水素および／または酸素の前記流れにより電気分解用の注入水の流れを加熱するようにした請求項４１〜５０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５２】
前記電気分解装置からの水素および／または酸素の前記流れを用いて、ボイラ内に蒸気を生成するようにした請求項４１〜５１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５３】
前記蒸気から電気を発生させるようにした蒸気生成器を備えた、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記電気分解用の注入水の流れに前記蒸気をフィードバックするようにした、請求項５２または５３に記載のシステム。
【請求項５５】
蒸気タービンを介して、または直接、前記蒸気タービンの高圧側から電気分解用の注入水の流れの方へ蒸気を選択的に誘導するように動作可能な少なくとも１つの蒸気ブリッジを備えた、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
温度制御手段を設けて、前記電気分解装置および／または前記水素化装置の温度を所望の温度に維持できるようにしたことを特徴とする、請求項４１〜５５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５７】
前記電気分解装置は、イットリア安定化ジルコニア等の固体酸化物電解質を備えたことを特徴とする、請求項４１〜５６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５８】
前記水素化装置は、金属触媒、好ましくはアルミナ（Ｒｕ）担持ルテニウム（Ａｌ２Ｏ３）を備えたことを特徴とする、請求項４１〜５７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５９】
発電するようにした、請求項４１〜５８のいずれか一項に記載のシステムであって、前記メタンまたはその誘導体から電気エネルギーを抽出可能な二次発電機を備えた、システム。
【請求項６０】
メタンまたはその誘導体の貯蔵手段および／またはメタンまたはその誘導体をその生成地点から二次発電機に移送する移送手段を備えた、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６１】
酸素の貯蔵手段および／または酸素をその生成地点から前記二次発電機に移送する移送手段を備えた、請求項５９または６０に記載のシステム。
【請求項６２】
前記移送手段は、船舶としてのタンカー、鉄道貨物または貨物自動車、またはパイプラインを含むことを特徴とする、請求項６０または６１に記載のシステム。
【請求項６３】
前記二次発電機は、コンバインドサイクルガスタービン、燃料電池、またはその両方の混合型を備えることを特徴とする、請求項５９〜６２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６４】
請求項５９〜６３のいずれか一項に記載のシステムであって、該システムは、前記メタンまたはその誘導体の酸化を実質的純酸素下で行うようにしたことを特徴とする、システム。
【請求項６５】
２種の流体を移送するパイプラインであって、
第１のパイプおよび第２の空間を画定する該第１のパイプを囲む第２のパイプを備え、前記第１のパイプは管腔により画定される第１の空間内に第１の流体を搬送するように構成され、前記第１のパイプの外面および前記第２のパイプの内面により画定される前記第２の空間内に第２の流体を搬送することを特徴とする、パイプライン。
【請求項６６】
前記第１のパイプおよび前記第２のパイプは、それぞれ、略円形の断面形状を有することを特徴とする、請求項６５に記載のパイプライン。
【請求項６７】
前記第１のパイプおよび前記第２のパイプは軸平行であることを特徴とする、請求項６５または６６に記載のパイプライン。
【請求項６８】
前記第１のパイプおよび前記第２のパイプは同軸であり、任意選択で同心であることを特徴とする、請求項６５〜６７のいずれか一項に記載のパイプライン。
【請求項６９】
前記第１のパイプの前記管腔内に反応性流体を搬送し、第２の空間内に不活性流体を搬送するようにした、請求項６５〜６８のいずれか一項に記載のパイプライン。
【請求項７０】
前記パイプラインの総断面積を分割して、前記第１のパイプの前記管腔の断面積が前記総面積の３分の２となり、前記第２の空間の断面積が前記総断面積の３分の１となるようにしたことを特徴とする、請求項６５〜６９のいずれか一項に記載のパイプライン。
【請求項７１】
内腔を画定する第１のパイプと、第２の空間を画定する第２のパイプと、第３の空間を画定する第３のパイプと、第４の空間を画定する第４のパイプと、を備え、それにより４つに分割した流体空間を画定した、請求項６５〜７０のいずれか一項に記載のパイプライン。
【請求項７２】
前記第１のパイプ内には反応性流体を、前記第２の空間内には不活性流体を、前記第３の空間内には反応性流体を、前記第４の空間内には不活性流体を搬送するようにした、請求項７１に記載のパイプライン。
【請求項７３】
前記パイプライン内の流体の流れおよび／または圧力を制御する制御手段を備える、請求項６５〜７２のいずれか一項に記載のパイプライン。
【請求項７４】
メタン生成用および水の電気分解用に用いる複合電解／水素化装置であって、
−電気エネルギー源に電気的に結合するようにした高温電解装置であって、前記高温電解装置は、前記電気エネルギー源からの電気エネルギーを用いて、電解室内で水を高温で電気分解して水素および酸素を生成するように動作可能であり、該高温電解装置は、電気分解を行う拠点まで水を搬送するようにした注入水供給導管を備える、高温電解装置と、
−前記高温電気分解装置内で生成した酸素および水素を収集するガス処理手段であって、該酸素および水素を搬送するようにしたガス搬送導管を備えることを特徴とする、ガス処理手段と、
−高温電解装置において生成した前記水素を用いて二酸化炭素を水素化しメタンを生成する水素化装置であって、二酸化炭素の水素化をその内部にて行う水素化室を備える、水素化装置と、を備えた複合電解／水素化装置において、
前記水素化装置の少なくとも一部は供給導管と熱的に連通し、前記水素化反応において発生した熱により電気分解する水を加熱することができることを特徴とする、複合電気分解／水素化装置。
【請求項７５】
前記水素化室は前記供給導管と熱的に連通していることを特徴とする、請求項７４に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項７６】
前記水素化室は、前記供給導管の前記管腔を貫通する１つまたはそれ以上のチューブを備え、該チューブの少なくとも一部が内部の水と接触することを特徴とする、請求項７４または７５に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項７７】
前記酸素および／または水素ガス搬送導管の少なくとも一部が前記供給導管と熱的に連通するようにしたことを特徴とする、請求項７４〜７６のいずれか一項に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項７８】
前記酸素および水素ガス搬送導管は、前記供給導管の管腔を貫通する１つまたはそれ以上のチューブを備え、該チューブは導管内の水と接触することを特徴とする、請求項７４〜７７のいずれか一項に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項７９】
前記供給導管における水に対する前記水素化反応からの熱伝達が、前記ガス搬送導管からの熱伝達よりも上流で起こるように構成した、請求項７４〜７８のいずれか一項に記載の複合電気分解／水素化装置。 
【請求項８０】
ガス搬送導管は、蒸気を発生するようにした熱交換装置を貫通することを特徴とする、請求項７４〜７９のいずれか一項に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項８１】
前記蒸気を用いて蒸気タービンを駆動して発電することができる、請求項８０に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項８２】
前記電気分解装置から出る水を水素／酸素から分離し、前記供給導管に戻すセパレータを備えた、請求項７４〜８１のいずれか一項に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項８３】
１つまたはそれ以上の予備ヒータを備えた、請求項７４〜８２のいずれか一項に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項８４】
蒸気タービンを介して、または直接、前記蒸気タービンの高圧側から電気分解用の注入水の前記供給導管へ蒸気を選択的に誘導するように動作可能な、少なくとも１つの蒸気ブリッジを備えた、請求項７４〜８３のいずれか一項に記載の複合電気分解／水素化装置。
【請求項８５】
水の電気分解およびメタン生成方法であって、
−二酸化炭素を水素化してメタンを生成するステップ、
−前記水素化反応において発生した熱を用いて、電気分解の前に水を加熱するステップ、および
−前記水に対して高温電解を行って水素および酸素を生成するステップ、を含む方法。
【請求項８６】
前記電解プロセスにおいて発生した高温水素および／または酸素を用いて、電気分解の前に前記水を加熱するステップを含む、請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記高温酸素および／または水素を用いて発電駆動するステップを含む、請求項８５または８６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを化学エネルギーに変換するための改良した方法およびシステムに関し、任意選択で、化学エネルギーを電気エネルギーに逆変換することにより電気エネルギーを必要な時に提供する方法およびシステムに関する。本発明は、電気エネルギーから可燃燃料または石油化学系供給原料を作成する高効率な方法およびシステムを提供するものであり、該方法およびシステムにおける特定の実施例においては、非化石燃料エネルギーおよびその関連技術により電気エネルギーを提供する。その他の実施形態においては、本発明を用いて、電気エネルギーを化学エネルギーに変換（例えば、電気エネルギーが比較的低需要または低価格の場合）して、後に化学エネルギーを電気エネルギーに変換する（例えば、電気エネルギーが高需要又は高価格の場合）ことができる。本発明は、排出ガスのない電気供給、および、任意選択で地域熱供給および飲用その他用途の水源として用いるエネルギー移動の周期的なプロセスに関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
絶えず拡大する必要エネルギー量へ継続的に対応していくことは人類が直面している２１世紀中最大の課題の一つとなってきた。エネルギー供給の基本的な手段は、大規模発電の当初から特に大きく変わっていない。現在も、電力の圧倒的大部分が、石炭、石油、天然ガス等の化石燃料の燃焼により提供されている。しかしながら、１９６０年代から、この燃焼の主要生成物の一つである二酸化炭素（ＣＯ２）が我々の世界の気候にどのような影響を及ぼしているのかについて関心が高まってきた。我々の化石燃料燃焼への継続的な依存が大気中のＣＯ２レベルを上昇させており、その上昇速度を抑制しなければ地球において相当な温暖化を引き起こすであろうという点で、気象科学者の見解は、現在、ほぼ例外なく一致している。
【０００３】
発電、輸送、および家庭用暖房または冷房の大部分を化石燃料に依存しているため、温室効果をもたらす二酸化炭素（ＣＯ２）のレベルがかつてないほど上昇している。地球温暖化は大気中のＣＯ２レベルの上昇によるものだとする気候科学者の指摘は正しいであろう。大気中のＣＯ２レベルは、２０世紀の間に３００ｐｐｍから３７０ｐｐｍに上昇した。化石燃料の燃焼を続ければ、地球温度が上昇して暴走効果（ランナウェイ効果）につながるリスクが大いに懸念されている。
【０００４】
ＣＯ２削減の国際同意は、提唱された削減率達成のための手段を設立する決断力の欠如にあたって行き詰まっている。さらに、ＣＯ２量削減合意は、たとえ実行に移したとしても大気中のＣＯ２レベル上昇に歯止めをかけられるものではないであろうが、適切な解決策ではなく、問題の大きさを示すだけである。対照的に、本発明を普遍的に採用することにより、電気供給から排出ガスが生じるのを完全に防止することができるであろうし、国際エネルギー機関によれば一次燃料燃焼からの全ての排出ガスの総量が地球規模で２０１０年にはＣＯ２換算で年間３０．６Ｇトンとされているが、それと比較して、大気圏に突入するＣＯ２を年間約１４Ｇトン削減できる可能性もある。
【０００５】
ＣＯ２の抽出および隔離については、英国ファイフのロンガネット発電所等において、ある程度の実験的な調査がなされているとはいえ、現在、化石燃料発電ステーションは、燃焼中に発生したＣＯ２を大気中に放出している。化石燃料燃焼を原因とする大気汚染が引き起こす人の健康および生態系への被害は広く認識されている。今日の技術は、硫黄性、窒素性、および微粒子による大気汚染に起因する被害を防止するには不十分である。
【０００６】
地球の温度が我々の環境に深刻な変化を引き起こすレベルにまで上昇する前にこの大気中ＣＯ２の上昇を阻止するため、早急かつ決定的な行動が国際規模で今や必要とされている。したがって、低汚染の（『よりグリーンな（'greener'）』）発電方法の模索が極めて急ピッチで進められている。研究は２つの主要分野に集中している。すなわち、
−化石燃料燃焼において発生したＣＯ２の、一般に、隔離のための回収、
−いわゆる再生可能エネルギーと呼ばれる、広く埋蔵されている明らかに自然由来のエネルギーを利用する効果的な手段、である。
ＣＯ２回収（『二酸化炭素の回収（'carbon capture'）』）方法にはますます大規模な投資がされており、各国政府は、石油およびガスの多国籍企業各社に財政的な優遇措置を講じてその開発を奨励している。例えば、「クリーンコール技術」は、燃焼排ガスからＣＯ２を抽出し、その後ＣＯ２をガス井または石油井である地質構造に挿入して隔離することに基づくものである。しかしながら、従来の炭化水素火力発電所において燃焼排ガスからＣＯ２を分離することは実用的である一方で、主な欠点が２つある。第１に、その回収プロセスにより、発電所の効率（および、それに伴う利益率）が大幅に低下する。第２に、さらに重要なことには、隔離したＣＯ２が、時間と共にその地理的な拘置所から漏れ出て大気中に放出されないという保証はない。炭化水素燃料を空気中ではなくＯ２中で燃焼すること−後に詳述する「酸素燃焼」−の可能性についての調査研究をはじめとして、ＣＯ２回収を簡易に行うための改良が行われている。［１］
【０００７】
特に、風力、潮力、太陽エネルギー等の再生可能エネルギー源から直接発電する方法は、ＣＯ２の排出が無いため、最も環境に配慮した方法（the greenest method）であることは明らかである。しかしながら、政治家およびエネルギー業界は、再生可能エネルギー源への大規模転換に望みをかけることには当然消極的であり、一方で、これらを効率的に確実に利用する技術は相変わらず初期段階にある。再生可能エネルギー源として最有望視されているものの多くが不確定要素を抱えている。例えば、風力タービンによる発電は、その出力が常に変動する、すなわち、任意の時点の風力の強度および方向に依拠するため、非常に間欠的で不確実である。原子力は、現在使用されている化石燃料燃焼の唯一の大規模代替手段であるが、一方で、非常に柔軟性が無く、一定の出力レベルで発電するため、通常急上昇または急降下する電力需要への対応が不十分である。電力は生成と同時に使用しなくてはならないため、効率的な発電システムにおいては、柔軟性および信頼性の両方が必要とされている。
【０００８】
したがって、電気を他のエネルギー形態に変換して貯蔵および使用することによりその後の需要を満たす可能性について研究が行われている。よく知られている研究分野の一つとして、可燃性ガスを代替エネルギー源から製造することがある。例えば、米国［２］および日本［３］の両国において、太陽エネルギーからメタンを製造する可能性について調査研究が行われてきており、後者の場合にはパイロットプラントを設立してその実現可能性について実証している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、電気エネルギーを回収および貯蔵する改良された方法およびシステムを提供するものであり、電気エネルギーは任意選択で再生可能資源から得たものであっても、従来技術により得たものでもよい。本発明は、また、大気中にＣＯ２を放出することなしにエネルギーを貯蔵および生成することへの完全に統合されたアプローチを提供する。本発明は、必要なときに需要地の近くにおいて確実に電気を生成する手段について説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、その第１の態様において、電気エネルギー源から炭化水素または炭化水素誘導体を生成する方法であって、
ａ）前記電気エネルギー源からの電気エネルギーを用いて、水を電気分解し水素と酸素を生成すること、および
ｂ）生成した水素を用いて二酸化炭素を水素化してメタンを生成することを含む、方法を提供する。
【００１１】
好ましい実施形態において、電気エネルギーは、非化石燃料発電機を動作させて水を電気分解するための電気を提供することにより得られる。このようにして得たエネルギーを用いて水を分解する。ここで、水は、液体とすることも、または気体すなわち蒸気とすることもできることに留意されたい。
【００１２】
別の実施形態において、電気エネルギーは既存の電気グリッドから取得することができ、好適には、電力の低需要期・低コスト期、例えば夜間に、取得することができる。これにより、本発明は、電気エネルギーを炭化水素または炭化水素誘導体に変換しつつ、電力の低需要時の緩衝材として機能可能となる。
【００１３】
本発明の顕著な利点の一つは、発電機により発電した、需要に応じて発電を変化させることのできない電気を貯蔵することができる点である。これは、制御および／または予測不可能なほとんどの再生可能資源または非化石燃料エネルギー源、および比較的柔軟性のない原子力発電所の場合も同様である。確かに、現在の多数の化石燃料発電施設からの生産を変動させるのは、不便および／または不十分である場合が多い。
【００１４】
電力を使って、好ましくは高温および／または高圧で、水を電気分解することが主に予測される。しかしながら、水を加熱して加熱分解するのに電気を用いうることがありうる。加熱分解は、例えば２，０００℃以上の高温で起こり、よって、適した装置を建設するための適切な材料の選択が課題として残っている。しかしながら、この分野における研究は継続して行われており、状況によっては、加熱分解は好適なアプローチとなりうる。以下の記載において、電気分解といった場合は、電気を利用可能なその他の水分解法も意図したものであることに留意されたい。
【００１５】
本方法は、前記メタンをさらに処理して、メタン以外の炭化水素または炭化水素誘導体類を生成することを含みうる。「炭化水素誘導体類」という用語は、主として炭素および水素からなる化合物類であって、メタンから抽出可能であるが、添加元素（例えば、水素、窒素、またはハロゲン）を含有するものを指し、例えば、炭水化物類、アルコール類、カルボン酸類、アミン類、アミド類等が挙げられる。さらなる詳細については、以下に記載する。
【００１６】
好ましくは、非化石燃料エネルギー源は、風力エネルギー、潮力エネルギー、波力エネルギー、水力エネルギー、地熱エネルギー、太陽エネルギー、および原子力エネルギーのうちの一つまたはそれ以上である。最も好ましくは、エネルギー源は、再生可能エネルギー源であり、例えば、上に挙げたものの中から原子力エネルギーを除いたものである。再生可能という用語は、厳密には全てのエネルギー源は有限ではあるものの、当該技術分野で一般的なように、「環境に配慮した（green）」非化石燃料系エネルギーの包括的用語として用いる。そのような再生可能エネルギー源から電気エネルギーを抽出するのに好適な非化石発電手段は本技術分野において周知であり、さらに、この領域での各技術は急速に発展しており、化石燃料系発電に代えてそのようなエネルギー源からより多くの発電を進めようとする政治的かつ環境的な推進力は非常に大きい。例えば、水力発電は、長きにわたり地域的かつ大規模に行われてきており、陸上環境および海上環境の両方における風力タービンによる風力発電は比較的定着した技術であり、また、潮力発電は急速に実現している。したがって、関連の発電手段についての詳細な説明は省略する。
【００１７】
水の電気分解を行うためには、直流電流が一般に好ましい。直流発電機または整流器を用いて、例えば再生エネルギー発電機またはグリッド等により生成した交流電流から直流電流を取得可能である。
【００１８】
電気分解は、電気分解装置において行うことが好ましい。高効率な電気分解のためのシステム開発に関してかなりの量の研究努力が行われており、そのようなシステムはそのまま本発明に適用されるであろう。例えば、特定のいくつかの実施形態において、電気分解は、常温に対して、高温で行われる。温度を上昇させることで、効率が向上することがわかっている（そのようなシステムは、多くの場合、高温電気分解または水蒸気電気分解と称される）。したがって、本方法は、電気分解反応を所望の温度にまで加熱することを含むことが好ましい。特に、電気分解は、１００℃〜１０００℃、さらに好ましくは２５０℃〜９５０℃、特に好ましくは８００℃〜９２５℃で行うことが好ましい。
【００１９】
追加として、または、代案として、固体酸化物電解質システムを用いることが好ましい。そのようなシステムによれば効率性が向上することがわかっているからである。特に、イットリア安定化ジルコニア（『ＹＳＺ』、Ｙ２Ｏ３添加ＺｒＯ２）、すなわち、高温でＯ２−イオンを良好に伝導する気密性電解質を使用することで、水素および酸素生成物の分離が著しく促進される。
【００２０】
電極としては、ニッケルサーメット蒸気／水素電極が好ましい。
【００２１】
気体である酸素および水素は、電気分解の生成物として得られ、将来的な使用に備えて、別々に調達し、任意で、貯蔵するのが一般的である。水素および酸素は、いずれも、その高い反応性のため、危険性が高い化学物質であるが、それらを安全に貯蔵し取扱うための技術は当該技術分野において周知である。
【００２２】
二酸化炭素を水素化してメタンとすることは、好適には、いわゆるサバティエ・プロセスにおいて行われ、当該反応の概要は以下のとおりである。
【化１】
2015513531.tif 000003
【００２３】
この過程は比較的よく知られており、当業者は、前記反応を行う適切な方法および装置を簡単に調達できる。 
【００２４】
サバティエ・プロセスは、発熱反応であり、よって、一般に、反応系を冷却する必要がある。反応温度が、３００℃を大幅に超えると、逆反応が優先されて効率が低下するため、温度を３００℃前後に維持することが好ましい。温度域は、好ましくは２００℃〜４００℃、さらに好ましくは２５０℃〜３５０℃、特に２７５℃〜３２５℃である。温度の調整は、例えば、反応系に熱的に連結した熱交換器内に循環する水または蒸気等、液体または気体ベースの冷却システムを用いることによる冷却により行うことができる。したがって、本方法は、水素化反応を冷却することを含むことが通常好ましい。本発明の好ましい一実施形態において、水素化反応器の少なくとも一部を包囲することにより反応器を冷却する水を、電気分解反応の供給原料として用いる。
【００２５】
サバティエ・プロセス用の金属触媒はアルミナ（Ｒｕ）担持ルテニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むことが好ましい。この触媒によれば、良好な選択性が得られ、かつ小さい反応空間内における反応のための表面積が広くなり、本発明において好適である。別の触媒（例えばニッケル）は当業者にとって明らかとなるであろうし、この反応は、これから数年のうちに技術開発の対象となることが見込まれる。このような開発は、本発明にそのまま用いうる。 
【００２６】
本発明の好ましい一実施形態において、二酸化炭素を水素化した際に発生した余剰熱（それは冷却システムにより水素化システムから回収することができる）を用いて、電気分解反応を加熱する。そうすれば、水素化反応からの熱を再利用して、電気分解反応の効率を向上することが可能となる。余剰熱、電気分解の前または電気分解中に、電解プロセス用の注入水を加熱するのに好適に用いることができる。
【００２７】
本発明の好ましい一実施形態において、電気分解の出力の少なくとも一部（すなわち、高温水素および／または酸素）を用いて電気分解反応、例えば、注入水を加熱する。そうすれば、出力に含まれる熱エネルギーを用いて電解プロセスの効率を向上することができる。
【００２８】
本発明の特定の好ましい各実施形態において、電気分解により発生した酸素および／または水素の残留熱を用いて、発電を促進する。そのような電気は、電気分解の促進に好適に用いることができる。酸素および／または水素は、電気分解用注入水の加熱に使用したあとも通常は高温である。このエネルギーを無駄にせず、適切な発電機を介して発電を促進するのに用いることができる。好適には、酸素および／または水素を用いてボイラ、例えばランキンサイクルボイラを駆動し、蒸気タービンを駆動する。効率を最大化しようとするこのアプローチは、注入水の加熱に水素および／酸素を用いたか否かにかかわらず、行うことができる。
【００２９】
好ましい各実施形態において、本方法は、前記ボイラから発生した蒸気を電気分解用の注入水として誘導することを含む。これは、システム内で最大量の熱を維持することが望まれる場合、例えば起動時に特に有用である。そうすれば、例えば、蒸気タービン後のコンデンサにおいて、このエネルギーを維持することが望まれる場合に本方法によって過剰エネルギー損失を回避することができる。これは、１つまたはそれ以上の蒸気ブリッジを用いることにより好適に実現でき、各蒸気ブリッジは、蒸気タービンの高圧側から、電気分解用の注入水につながる導管に蒸気を分岐するように動作可能な弁を備える。本方法は、したがって、高温の電気分解用注入水を提供して、タービンおよびコンデンサに熱を通過させずに、熱をシステムに返還する。いったん、システムが所望のレベルにおいて稼働すると、蒸気は蒸気タービンを通って、例えば、蒸気ブリッジを動作することにより導かれ、それにより電気を発生させる。
【００３０】
二酸化炭素を水素化した結果生じる水は、便宜上、例えば凝縮によりメタンから分離することができる。この水は、その後の電気分解またはその他の用途に好適に用いることができる。
【００３１】
本発明において用いる二酸化炭素は、好適には、発電において燃焼した燃料等、燃料の燃焼において発生した廃棄物でよい。二酸化炭素隔離は、急速に進化している分野であり、現在回収している対処すべき二酸化酸素の量は急速に増加する傾向にある。本発明は、そのような二酸化炭素に本当に必要な用途であって、現在の貯蔵選択肢よりもはるかに魅力的な用途を提供する。二酸化炭素生成物を使用して、メタンまたはその誘導体類等の有用な生成物に変換する能力により、本発明は経済面および環境面で大いに魅力的なものとなる。以下にさらに考察する好ましい一実施形態において、下流における炭化水素の酸化による生成物、または本方法により生成した炭化水素誘導体とすることが好ましい。その場合、本方法は「カーボンニュートラル」となることは明らかであろう。
【００３２】
本発明の種々の反応条件を最適化することは、当業者にとって定石事項である。
【００３３】
特定の各実施形態において、本方法は、前記二酸化炭素燃料から電気エネルギーを抽出するのに適した発電機における使用に適した炭化水素燃料を生成するものである。そのような発電機は、一般に、燃焼系発電機または燃料電池または燃料電池タービン複合機であろう。種々の炭化水素系燃料とともに使用するための燃焼系発電機は周知であり、燃料電池は確立した技術となりつつある。種々のハイブリッド燃料電池／タービンシステムも利用可能となりつつある。
【００３４】
好ましくは、炭化水素燃料は気体である。さらに好ましくは、炭化水素燃料はメタンであり、好ましくは、少なくとも８０体積％のメタン、さらに好ましくは９０体積％以上、９５体積％以上、または９９体積％以上のメタンを含む。
【００３５】
好適には、メタンをメタンハイドレート、すなわち、メタンを低体積の形で利便性を有して貯蔵可能とする固体に変換することもできる。
【００３６】
メタンを含む燃料は、天然ガスと共に使用するのに適した発電機に用いるのに特に適している。天然ガスに基づいた発電技術には様々なものがある。特に好ましい発電機はコンバインドサイクルガスタービン（ＣＣＧＴ（combined cycle gas turbine））である。
【００３７】
本発明のその他の各実施形態において、二酸化炭素の水素化により生成したメタンを用いて、アルカン類、アルケン類、アルデヒド類、ケトン類、アルコール類（モノオル類またはポリオル類）、および種々の高分子前駆体類（モノマー類）等その他の炭化水素類または炭化水素系生成物類を生成することができる。このような下流生成物は、燃料として好適に用いることができ、または、重合等の化学プロセスのための石油化学原料として用いることができる。例えば、本方法は、アルカノール（例えば、メタノール）、アルカン類（すなわち、航空燃料または石油等、一般式ＣｎＨ２ｎ＋２の炭化水素類、ただし、ｎ＝２〜２０、好ましくはｎ＝５〜１０）、エチレングリコール、ポリエチレン、スチレン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）をその後生成することを含んでもよい。メタンから、特に、そのような精製品を抽出する技術は本技術分野において周知であり、ここでは詳述しない。
【００３８】
本方法は、任意選択で、水の電気分解からの酸素を、後で使用するために貯蔵および／または移送することを含んでもよい。これについて以下にさらに詳述する。
【００３９】
本発明は、その第２の態様において、電気エネルギー源から炭化水素または炭化水素誘導体を生成するシステムであって、
ａ）電気エネルギー源、
ｂ）前記電気エネルギー源に電気的に連結されて、その電気エネルギーを用いて水を電気分解し水素および酸素を生成するように動作可能な電気分解装置、
ｃ）前記電気分解装置において生成した酸素および水素を収集するガス処理手段、および
ｄ）電気分解により生成した前記水素を用いて、二酸化炭素を水素化してメタンを生成するようにした水素化装置、
を備えたシステムを提供する。
【００４０】
特定の各実施形態において、本システムは、例えば、再生可能エネルギー源等の非化石燃料エネルギー源から電気エネルギーを生成するように動作可能な非化石燃料発電機を含むことが好ましく、再生可能エネルギー源には電気分解装置が電気的に接続される。代替的な各実施形態において、電気エネルギー源は電気グリッドへの接続点とすることが可能であり、遠隔地で発生させた電力を供給する。
【００４１】
非化石燃料発電機の好適なタイプについては先に述べたとおりである。
【００４２】
本システムは、交流電流を直流電流に変換する手段をさらに含んでもよい。そのような手段は、再生可能エネルギー源により発生させた電気が交流の場合に必要となる。交流電流を得るための公的な手段は、直流発電機または整流器を含む。
【００４３】
電気分解装置は、好適には、その内部で電気分解を生じうる反応空間（a reaction volume）を備える。好ましくは、電気分解装置は、反応空間を周囲温度よりも高い温度に加熱するようにした加熱手段等の温度制御手段を備える。好ましい実施形態において、加熱手段は、反応空間または注入水流を通って流体を搬送するようにした熱交換器を含み、流体からの熱エネルギーを注入水または反応空間に伝達可能とし、それにより反応空間内の温度を上昇させる。代案として、または、追加的に、水素化反応の冷却に使用した水を、すでに高温である電気分解反応用の供給原料として用いる。好ましい実施形態において、水素反応空間を画定するチューブまたはその他の好適な導管は電気分解反応用の注入水を通過する。代替または追加の加熱手段は当業者にとって明らかであり、例えば電気加熱手段等である。
【００４４】
好ましい実施形態において、電気分解反応の出力の少なくとも一部を搬送する導管（例えば、チューブ）は、電気分解装置の注入水と熱的に連通するように構成する。例えば、水素および酸素の少なくとも一方、他方、または両方を、前記の流れにおける任意の非電解水とともに、搬送するチューブは、注入水を保持する容器を通過し、それにより、電気分解反応の酸素／水素／水出力からの熱が注入水に伝達される。これは、電気分解の効率を向上させるという利点がある。
【００４５】
水素化装置は、その内部で水素化が可能な反応空間を備えていることが好ましい。好ましくは、反応空間は、複数の導管（例えば、チューブ）により画定する。好ましくは、水素化装置は、反応空間を冷却するようにした冷却手段を備える。一実施形態において、冷却手段は、反応空間を通って、または、反応空間に沿って、流体を搬送するようにした熱交換器を備え、反応空間から流体に熱エネルギーを伝達可能とし、それによって、反応空間内の温度を低下させる。代替の、または、追加の冷却手段は当業者にとって明らかであり、例えば電気冷却手段等である。
【００４６】
好ましくは、電気分解装置の熱交換器および水素化装置は流体連通しており、水素化装置からの熱の少なくとも一部を用いて電気分解反応を加熱することができるようにする。このような構成によれば、熱エネルギーの利用が可能となり、効率が向上する。しかしながら、特定の状況によっては、水素化装置において発生する熱量が、電気分解反応の加熱に相当する所望の熱量には多すぎたり少なすぎたりする場合もあり、よって、追加の加熱または冷却手段を設けてそのような不均衡を補償してもよい。
【００４７】
好ましい一実施形態において、電気分解装置用の注入水を用いて、水素化装置の反応空間を直接冷却することもできる。例えば、注入水は、内部で水素反応が起こっている導管、例えば、水素化反応空間を画定しているチューブの周囲を流動することができる。好ましくは、以下に述べる複合サバティエ／電気分解装置を用いて行ってもよい。
【００４８】
好ましくは、温度制御手段を設けて、電気分解装置および／または水素化装置の温度を所望の温度に維持可能とする。好ましい温度は先に述べたとおりである。そのような手段として、１つまたはそれ以上の弁を設けて、電気分解装置内および／または水素化装置内にある熱交換器内部の流体の流量を制御してもよい。装置には、１つ以上の加熱および／または冷却システムがあってもよい。装置内で発生した熱を用いて、当該装置の別の部分を加熱することが好ましく、例えば、ＣＯ２の水素化による発熱を用いて電気分解用の供給原料を加熱することができる。しかしながら、好ましくは、追加の加熱または冷却手段を設けて、任意の熱の不均衡に対処してもよく、および／または装置の起動を支援してもよい。
【００４９】
いくつかの好ましい実施形態において、システムは、（任意選択で、注入水の加熱に使用した後の）酸素および／または水素における残余熱を利用して発電するように構成した発電手段を備える。そのような電気は、電気分解の促進に有利に利用することができる。好適には、発電手段は、前記酸素および／または水素における熱を利用して蒸気を生成するようにした１つまたはそれ以上のボイラを備え、その蒸気を利用して、１つまたはそれ以上の蒸気タービンを駆動することにより発電を行う。こうして得られたメカニズムにより、本来大気中に失われていた熱エネルギーを用いて電気分解を促進することができる。
【００５０】
好ましい実施形態において、蒸気ブリッジを設けて、ボイラから発生した蒸気がＬＰタービンおよびコンデンサを迂回して、電気分解用の注入水として返還されるようにする。これは、システム内で最大量の熱を維持したい場合、例えば、起動時に、特に有用である。これにより、システム内に熱を維持することが望ましい場合に、蒸気タービンの後のコンデンサ等、システム内のエネルギー損失を回避できる。蒸気ブリッジは、好適には、ＬＰタービンの高圧側から、電気分解用の注入導管につながるパイプに蒸気を分岐するように動作可能な弁を備え、これによって、水をＬＰタービンおよびコンデンサを通過させずに、電気分解用に高温注入水を提供する。
【００５１】
好適には、電気分解装置は、固体酸化物電解質を備える。先に述べたように、イットリア安定化ジルコニアを用いることが好ましい。
【００５２】
水素化装置は、金属触媒、好ましくは、アルミナ担持ルテニウム（Ru-on-Al2O3）を備えるが、その他の触媒も好適に用いることができる。触媒は、一般に、好適な基板上に実装する。好ましくは、反応空間から回収可能な、例えば、交換可能なようにした再利用可能な基板上に実装する。
【００５３】
本発明は、そのさらなる態様において、電気エネルギー源から発電する方法であって、
ａ）電気エネルギー源を設けるステップ、
ｂ）前記電気エネルギー源からの電気エネルギーを用いて、水を電気分解し水素と酸素を生成するステップ、
ｃ）発生した水素を用いて二酸化炭素を水素化し、炭化水素燃料をメタンとして生成するステップ、
ｄ）任意選択で、前記メタンの少なくとも一部を変換して二次燃料を生成するステップ、
ｅ）ステップｃ）またはステップｄ）の燃料生成物を、該燃料生成物から電気エネルギーを抽出できる二次発電機に供給するステップ、および
ｆ）電気エネルギーを生成するステップ、を含む方法を提供する。
【００５４】
好ましい一実施形態において、電気エネルギーは、発電する非化石燃料発電機、より好ましくは、再生可能発電機の稼働により提供される。代替的な一実施形態において、電気エネルギー源は、例えば、生産過剰時、低需要時、および／または低コスト時の際は、電気グリッドである。
【００５５】
好ましくは、本方法は、前記二次発電機に酸素を提供して燃料を酸化することを含む。より好ましくは、前記酸素の少なくとも一部を、水の電気分解により発生したものとする（通常は、ステップｂにおいて水素と共に発生した酸素である）。
【００５６】
好ましくは、燃料の酸化（例えば、燃焼）は、実質的純酸素、すなわち、９０体積％以上、９５体積％以上の酸素、より好ましくは、９９体積％以上の酸素の存在下で行う。これは、当技術分野において、「酸素燃焼」として知られている。炭化水素の酸化の際に実質的純酸素を使用すると有利である。なぜなら、燃料が完全に酸化したと仮定した場合に、適切な条件下であれば、反応生成物として水と二酸化炭素のみが得られるからである。空気を用いた場合と対照的に、亜鉛化窒素類等の有害物質が発生しない。したがって、酸素燃焼を用いることの有意な利点は、水蒸気を凝縮した後に結果として生じる燃焼排ガスが非常に純粋な（９５％超の）二酸化炭素ガスとなり、不純な石炭または天然ガスを空気中で燃焼した際に生じる亜鉛化窒素類および二酸化硫黄を含まないことである。これにより、二酸化炭素の回収が非常に容易になる。窒素およびその他のガス状の組成物等の残りの空気ガス類から二酸化炭素を分離する必要がないからである。空気から二酸化炭素を分離することは困難であり、従来の炭素回収技術において多大な損失となっている。
【００５７】
したがって、本発明によれば、酸素燃焼用の燃料および酸素の両方を提供できるという大きな利点を提供する。このことは、一方で、発生する二酸化炭素を後に貯蔵することを非常に容易にする。
【００５８】
本発明の別の利点は、実質的に硫黄を含まない燃料を生成し、続いて酸化することができる点である。これによれば、汚染を防ぎ、触媒、電解質等の「被毒」および／または硫黄除去の費用を回避するという利点を有する。
【００５９】
本発明の方法は、発電の結果発生する二酸化炭素を貯蔵することを含んでもよい。この二酸化炭素は、その後、ステップｃ）の水素化反応のための供給原料として用いることができ好都合である。そのような実施形態において、発電機が「カーボンニュートラル」になるという顕著な利点がある。
【００６０】
好ましくは、二次発電機はコンバインドサイクルガスタービン（ＣＣＧＴ）を備える。さらに好ましくは、ＣＣＧＴは酸素燃焼に適合しており、それにより上記の利点を提供する。代案として、二次発電機は燃料電池またはハイブリッド燃料電池を備えてもよい。
【００６１】
特定の各実施形態において、二次発電機は、地域熱供給システムとしても知られる熱電併給（ＣＨＰ）システムであることが好ましい。そのようなシステムは、さらなる効率面での利点を提供する。本発明は、潜在的に非常にクリーンな、したがって、暖房を必要とする地域の近くでの発電によく適合した燃料源を提供する。
【００６２】
いくつかの実施形態において、本方法は、少なくとも１つの燃料を、その生成地点（通常、再生可能エネルギー源において、またはその近く）から二次発電機まで移送することを含むであろう。この移送は、船舶、列車または大型トラック等の輸送車両によって実現してもよいし、あるいはパイプの使用により実現してもよい。好ましくは、酸素もその生成地点から二次発電機に移送する。 
【００６３】
本発明の特定の各実施形態の顕著な利点は、一般に、人口集中地区から遠隔にある再生可能エネルギー施設を利用して、燃料を生成することができる点であり、燃料は、発電と共に用いる従来の手段により、そのような人口集中地区において、またはその近くで利用するためにすることができる。このようにして、そのような距離にわたり電気を直接移送することに伴う巨大な損失を回避でき、同様に、送電線および鉄塔の敷設に関連するコスト、環境問題および景観問題を回避することができる。
【００６４】
本発明の特定の各実施形態の別の顕著な利点としては、グリッドからの「余剰」電力を化学燃料に変換可能なことであり、化学燃料は、その後、所望の時点、例えば、高需要時に電気に再変換することができる。これは、非柔軟な発電システムへの需要を平滑化できるという点で利点となり、また、非化石燃料からの電気の予測可能性／制御可能性における問題点に対応することができる。例えば、需要時以外で供給された風力、波力、または潮力による発電容量は、本来無駄になっていたかもしれないが、化学エネルギーとしてピーク需要時における将来の使用のために貯蔵することができる。よって、多くの意味で、本発明は、既知の揚水発電技術の新規かつ拡張可能な等価物を提供する。これにより、環境配慮型エネルギー源からの発電が可変かつ制御不能であるという問題に対して長きにわたり求められてきた解決策を提供する。
【００６５】
本発明のさらなる利点は、発電の現場で水源を供給可能なことであり、その水は、飲料水として、またはその他の用途として、例えば、ランキンサイクル発電システムにおける水損失を補う等、蒸気生成システム用の水源を供給等に利用することができる。
【００６６】
本発明は、そのさらなる態様において、発電のためのシステムであって、
ａ）電気エネルギー源、
ｂ）前記電気エネルギー源に電気的に連結されて、水を電気分解して水素および酸素を生成するように動作可能な電気分解装置、
ｃ）前記電気分解装置において生成した酸素および水素を収集するガス処理手段、
ｄ）二酸化炭素源、
ｅ）電気分解により生成した前記水素を用いて、二酸化炭素を水素化してメタンを生成するようにした水素化装置、および
ｆ）前記メタンまたはその誘導体から電気エネルギーを抽出可能な二次発電機、
を備えたシステムを提供する。
【００６７】
上記のように、電気エネルギー源は、非化石燃料エネルギー源（例えば、再生可能発電機）から電気エネルギーを得ることができる非化石燃料発電機とすることができ、または、電気グリッドへの接続点とすることができる。
【００６８】
本システムは、さらに、メタン（または、メタン水和物等、その誘導体）および、好ましくは、二次的発電機へのガス発生箇所からの酸素をも移送する移送手段を備えてもよい。これは、二次的発電機および水素化装置が空間的に離間している場合に特に好ましい。移送手段は、船舶としてのタンカー、鉄道貨物または貨物自動車、またはパイプラインを含んでもよい。メタン（天然ガス）移送用のパイプラインおよび船舶は周知であり、従来の化石燃料抽出技術において、天然ガスの移送に広く使われている。これは、本発明にもそのまま適用することができる。
【００６９】
好ましい二次的発電機および本システムのその他の構成要素の詳細については先に記載いたとおりであるので、本発明の本態様を参照して重複の説明を避ける。
【００７０】
本発明は、そのさらなる態様において、２種の流体を移送するためのパイプラインであって、第１のパイプおよび該第１のパイプを囲み第２の空間を画定する第２のパイプを備え、第１のパイプはその管腔により画定される第１の空間内に第１の流体を搬送するように構成され、第１のパイプの外面および第２のパイプの内面により画定される第２の空間内に第２の流体を搬送することを特徴とする、パイプラインを提供する。
【００７１】
したがって、第１のパイプの管腔は、第１の流体用の第１の流路を提供する。第２のパイプの内側および第１のパイプの外側により画定される第１の空間は、第２の流体用の第２の流路を形成する。
【００７２】
好ましくは、第１および第２のパイプは、それぞれ、略円形の断面形状を有する。
【００７３】
好ましくは、第１および第２のパイプは軸平行である。さらに好ましくは、第１および第２のパイプは同軸であり、任意選択で同心である。
【００７４】
好ましくは、パイプラインは、第１のパイプの管腔内に（酸素、水素またはメタン等の）反応性流体を、第１のパイプの外面および第２のパイプの内面により画定される第２の空間内に（二酸化炭素または窒素等の）不活性流体を搬送するようにする。
【００７５】
非常に好ましい実施形態において、パイプラインの総断面積を分割して、第１のパイプの管腔の断面積が総面積の３分の２となり、第２の空間の断面積が総面積の３分の１となるようにする。そのような一実施形態において、各空間は、本発明によるその他の態様において用いるような二酸化炭素および酸素の化学量論的な割合に相当する量の流体を搬送するようにする。
【００７６】
パイプラインは、一般に、適切な弁装置および取付具を備えて、パイプライン内の流体の流れを制御および管理する。
【００７７】
この流体は、気体であっても液体であってもよい。
【００７８】
さらなる実施形態において、パイプラインは、２種またはそれ以上の流体、例えば、３種またはそれ以上の気体を搬送するようにしてもよい。３種の流体を搬送するためには、パイプラインに、第２のパイプを囲む第３のパイプを備えてもよく、それによって流体を移送するための追加の空間が得られるが、この空間は、第３のパイプの内と第２のパイプの外面とによって画定される。さらなるパイプを必要に応じて追加して、パイプの付加的「層」として、追加の空間を提供可能であることが理解されよう。
【００７９】
特に好ましい一実施形態においては４種の流体を搬送するようにする。それは、内腔を画定する第１のパイプと、第２の空間を画定する第２のパイプと、第３の空間を画定する第３のパイプと、第４の空間を画定する第４のパイプと、を備え、各パイプは同軸および同心に配置して、それにより流体用の４つの流路を画定する。好ましい一実施形態において、パイプラインは、第１のパイプ内には反応性流体を、第２の空間内には不活性流体を、第３の空間内には反応性流体を、第４の空間内には不活性流体を、それぞれ搬送するようにした。好ましい一実施形態において、パイプラインは、メタンまたはその他の炭化水素または炭化水素誘導体を第１の空間内に、二酸化炭素を第２の空間に、酸素を第３の空間に、そして二酸化炭素を第４の空間において搬送するようにした。そのような実施形態において、各反応性流体は、それぞれ、不活性流体によって、互いにある程度分離される。
【００８０】
そのような一般的な配置、すなわち、各反応性流体をそれぞれ不活性流体で覆う構成は、追加のパイプを介してさらなる「層」を設けることにより、さらに拡張しうる。
【００８１】
本発明は、そのさらなる態様において、本発明は、メタンを生成し、電気分解を行う複合方法であって、
−高温電解プロセスを行って、（例えば、蒸気状の）注入水から酸素と水素を形成すること、
−そのようにして生成した水素を用いて二酸化炭素の水素化を行うこと、および
−水素化反応において発生した熱を用いて、電解プロセス用の注入水を加熱すること、を含む方法を提供する。
【００８２】
好ましくは、本発明による方法は、電解プロセス用の注入水を水素化反応と熱的に連通させることを含み、注入水を加熱し水素化反応を冷却する。
【００８３】
好ましくは、電解プロセスにおいて生成した酸素および／または水素の少なくとも一部を用いて、電解プロセス用の注入水を冷却することを含む。これにより、電気分解の生成物に含まれる熱エネルギーの少なくとも一部を注入水の加熱に利用することができ、該プロセスの全体的な効率を向上する。
【００８４】
好ましい実施形態において、電解プロセスにおいて生成した酸素および／または水素の少なくとも一部を用いて発電手段を駆動する。酸素および水素は高温であり、したがって、ボイラ（例えば、ランキンサイクルボイラ）内で蒸気を生成するのに好適に用いることができ、それによって発電機（例えば、蒸気タービン）を駆動する。これは、オプションとして、先に述べた水素および／または酸素を用いて注入水を加熱するプロセスと組み合わせて用いることも可能である。これにより、本来であればシステムから失われていたかもしれない熱エネルギーを発電に利用することが可能となる。好ましくは、この電気を用いて水を電気分解する。
【００８５】
本発明は、そのさらなる態様において、メタン生成用および水の電気分解用に用いる複合電解／水素化装置であって、
−電気エネルギー源に電気的に結合するようにした高温電解装置であって、前記高温電解装置は、電気エネルギーを用いて、電解室内で水を高温で電気分解して水素および酸素を生成するように動作可能であり、該高温電解装置は、電気分解を行う拠点まで水を（一般には蒸気の形で）搬送するようにした水供給導管を備えることを特徴とする、高温電解装置と、
−前記電気分解装置内で生成した酸素および水素を収集するガス処理手段であって、該酸素および水素を搬送するようにしたガス搬送導管を備えることを特徴とする、ガス処理手段と、
−高温電解装置において生成した前記水素を用いて二酸化炭素を水素化しメタンを生成する水素化装置であって、二酸化炭素の水素化をその内部にて行う水素化室を備えることを特徴とする、水素化装置と、を備えた複合電解／水素化装置において、
水素化装置の少なくとも一部は供給導管と熱的に連通し、水素化反応において発生した熱により電気分解する水を加熱することができることを特徴とする、複合電気分解／水素化装置を提供する。
【００８６】
上述したように、好ましい各実施形態において、非化石燃料発電機を用いて、電気分解を促進する電気エネルギーを生成する。代案として、既存の電気グリッドからの電気を使用することも可能である。
【００８７】
一実施形態において、水素化室は供給導管と熱的に連通している。好ましくは、水素化室は、複数の導管（例えば、チューブ）を備え、各導管は注入導管の管腔を通過させて、その少なくとも一部、好ましくは概ね全てがその管腔内の水と接触するようにする。よって、導管／チューブは、電気分解用の水を加熱し水素化反応を冷却する熱交換器として機能する。導管（チューブ）は、最大限の熱伝達を行うようにすることができ、例えば、フィンまたはコイル等、導管の表面積を増加させる手段を備えてもよく、チューブは表面積を増加するような形状としてもよい。最大限の熱伝達を行うその他の好適な手段は、当業者にとって明らかになるであろう。
【００８８】
好ましくは、水素および／または酸素ガス搬送導管の少なくとも一部は、供給導管と熱的に連通するようにする。例えば、ガス搬送導管は、供給導管と熱的に連通した熱交換器を備えることができる。好ましくは、酸素および／または水素ガス搬送導管はいずれも供給導管と熱的に連通した部分を備える。好ましい実施形態において、酸素および水素ガス搬送導管は複数のチューブを備え、各チューブは注入導管の管腔を通過して、その管腔内の水と接触する。各チューブは、先に述べたように、最大限の熱伝達を行えるようにする。よって、電気分解中に発生した高温ガスを用いて注入詞を加熱することができ、それによって、水の加熱およびエネルギー損失の回避に利便性のある方法を提供する。
【００８９】
複合電解／水素化装置は、供給導管内の水に対する水素化反応からの熱伝達がガス搬送導管からの熱伝達よりも上流で起こるようにするのが好ましい。なぜなら、ガス搬送導管は、一般に、水素化室よりも高温であり、よって、このような構成とすることで供給導管内の水をより効率的に加熱できるようになる。
【００９０】
好ましい実施形態において、ガス搬送導管は、熱交換装置、例えばランキンサイクルボイラ等のボイラを通過するが、この熱交換装置は、蒸気を生成し、その蒸気を用いて蒸気タービンを駆動して発電できるようにしたものである。好ましくは、ガス搬送導管は、供給導管と熱的に連通してから、すなわち、供給導管に熱を伝達した後に、下流の熱交換装置を通過する。この構成により、水素／酸素内のさらに多くの熱を再利用して、この場合は、発電することが可能になる。好適には、発電した電気を電気分解に利用する。代案として、水素および酸素搬送導管は別々の異なる熱交換装置を通過することもでき、または同じ熱交換装置を通過することもできるが、水素と酸素の各蒸気の分離を保つことが条件となることは言うまでもない。別々の熱交換装置を設けた場合、熱交換装置からの蒸気は、１つの蒸気タービンに供給することも、１つ以上の蒸気タービンに供給することもできる。
【００９１】
本発明の好ましい一実施形態において、電気分解装置から出る水を水素／酸素から分離し、供給導管に戻すセパレータを備える。これにより、あらかじめ高温である水を供給導管に供給できる源を提供でき、注入水をさらに加熱することができる。
【００９２】
好適には、複合電解／水素化装置は、１つまたはそれ以上の予備ヒータを備え、起動段階中、およびオプションとして、必要であれば、さらなる動作中に装置を加熱する。好適には、ヒータにより供給導管内の水を加熱するようにする。代案として、または追加として、装置は、電解室を直接加熱するヒータを備える。好適には、この１つまたはそれ以上のヒータは電気ヒータである。好適なヒータは当該技術分野において周知である。
【００９３】
本発明は、そのさらなる態様において、電気分解およびメタン生成の方法であって、
−二酸化炭素を水素化してメタンを生成するステップ、
−水素化反応において発生した熱を利用して、電気分解の前に注入水を加熱するステップ、および
−前記注入水に対して高温電気分解を行って水素および酸素を生成するステップ、とを含む方法を提供する。
【００９４】
したがって、発熱水素化反応により発生した熱を利用して電気分解反応用の注入水を加熱する。これにより、注入水をさらに加熱して、その温度を高温電気分解用の所望の温度にまで上昇させる必要性が減少する。また、熱エネルギーを無駄にすることなく、水素化反応（例えばサバティエ反応）の冷却も可能になる。しかしながら、必要に応じて、さらなる加熱および／または冷却を行うこともできる。
【００９５】
好ましくは、本方法は、電気分解プロセスにおいて発生した高温水素および／または酸素を利用して、電気分解の前に注入水を加熱することを含む。本実施形態において、電気分解反応による高温生成物を用いて供給水をさらに加熱することもできる。これにより、生成物内の熱を利用して供給水の温度を高温に引き上げ、さらなる加熱の必要性を減少または回避できる。
【００９６】
本方法は、さらに、高温酸素および／または水素を用いて、例えば、発電器に接続したランキンサイクルボイラを介して、発電を促進することを含んでもよい。これにより、酸素および／または水素内の熱をさらに再利用可能となる。好適には、このように発電した電気を利用して水の電気分解を行う。
【００９７】
以上、本方法を行う好適な各装置について例を挙げたが、本発明の方法は、前記装置の特徴点を最大限に利用可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】図１ａは、本発明によるエネルギー移送の模式的に示す図であり、図１ｂは、本発明により時間段階的エネルギー移送を行う場合の特定の実施形態を示す図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態のフロー図である。
【図３】図３ａは、電解室の概略図であり、図３ｂは、二酸化炭素の水素化を行う装置の概略図である。
【図４】図４ａは、本発明に関連する供給、取り出し、貯蔵機能を示す概略図であり、図４ｂは、本発明によるパイプシステムであって、本発明の生成物を移送するパイプシステムを示す図である。
【図５】図５は、ＣＯ２回収型コンバインドサイクル酸素燃焼ガスタービン発電機を示す模式図である。
【図６】図６は、コンバインド２段階燃料酸素生成過程を示す図である。
【図７】図７は、本発明による、生成物移送用のパイプの別の例を示す図である。
【図８】図８は、メタンを、別の有用な生成物、例えば石油化学供給原料等に転換する手法を示す図である。
【図９】図９は、夜間（またはその他の低需要時）における電気グリッドからの電力供給および地域熱供給への時間段階的エネルギー伝達の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００９９】
ここで、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明するが、各実施形態は単なる例示にすぎない。
【０１００】
以下に詳述する種々の態様を組み合わせることにより、好ましくはＣＯ２を大気中に放出することなく、エネルギー貯蔵および生成への完全に統合されたアプローチを提供する。これは、酸素燃焼の最新技術と、ＣＯ２の接触転換によるメタンへの転化と、水を水素と酸素とに分ける電気分解のさらなる効率化とを組み合わせることにより、エネルギー貯蔵媒体（以下、『熱気体（サーモガス）』と称する場合もある）として炭化水素ガスを生成し、続いて燃焼することにより実現される。ここで概説したアプローチは、代替エネルギー生成の利便性を大幅に向上する方法を意味すると考えられ、大規模に実施されれば、我々の化石燃料への依存性を大幅に減少する可能性のあるものである。また、オフピーク時に生成したエネルギーを、高需要時に使用するために貯蔵する方法であるともいえる。
【０１０１】
種々の代替エネルギー源からの燃料作成については、「水素経済」、「メタン経済」および「メタノール経済」等の観点から長年にわたる要求があり、詳細な研究がなされてきた。本発明は、エネルギー経済は、選ばれた可燃性ガスまたは代替エネルギーに由来する炭化水素燃料に基づきうるという概念に基づくものである。さらに、本発明は、この概念を拡張して、エネルギー移動過程と統合するものである。発電からＣＯ２を回収する手段について説明するが、この手段を用いれば、エネルギー移動を周期的に維持することができるであろう。
【０１０２】
電気をそのまま貯蔵することはできないが、可燃性ガスおよび酸素は、液体または固体に関わらず、そのまま貯蔵できる。本発明は、戦略的な位置において燃料および酸素を貯蔵するための非常に大きな貯蔵能を展開しうる。昨今の技術では、タンク１基または船舶タンカー１隻当たり２００，０００ｍ３以上の貯蔵能を得ることができる。これらの各貯蔵能は、１,０００ＭＷ（Ｅ）の酸素燃焼ＣＣＧＴＥＧが全荷重で１日当たり１２時間、３か月にわたり稼働するのに必要な物資に対して比較することができる：約４００，０００ｍ３の液体酸素および２７５，０００ｍ３の燃料（液体メタンの場合）が必要とされる一方、固体として貯蔵した場合に約２００，０００ｍ３となるＣＯ２が発生しうる。
【０１０３】
このように貯蔵されたエネルギーは、時間や場所を選ばずに、電力需要に直ちに応じることができ、現行の発電方式と比較していくつかの利点を有する。例えば、風力エネルギーを用いてグリッドへの発電をした場合、特定の時間の需要に応じることが当てにならない。対照的に、本発明は、風力、波力、潮力、または太陽エネルギー等の再生可能資源を用いて燃料および酸素を生成し、これらを、例えば、移動および使用する時点までローカルに貯蔵して、その後必要に応じて電力需要を満たす。
【０１０４】
現行方式は、電気グリッドシステムを拡張して電気発生エネルギー源と電力需要地域を相互接続するものであるが、それは時として不可能である場合や法外な費用がかかる場合がある。例えば、アイスランドの地熱エネルギーは、アメリカの電力需要に応じる際の役には立たない。源と需要との間に電気グリッド接続がないからである。本発明によれば、エネルギーを確保し、貯蔵し、遠方の代替エネルギー源から電力需要のある地域まで移送し送達する方法を提供する。しかしながら、本発明は、また、再生可能エネルギー移動のための電気グリッドを用いて、需要地の近くに配置することもできる。例としては、前の晩に生成したエネルギーを貯蔵しておき、その後日中と夕方に電力を供給することが挙げられよう。
【０１０５】
今日、本来であれば廃棄されていたはずの各発電所からの熱を利用する地域熱供給（または熱源供給システム）が可能な限り行われている。なぜなら、燃料利用の熱効率向上の手段となることができるからである。しかしながら、現在の火力発電プラントは環境汚染を伴うため、都市部ではその利用はほとんど制限されているといってよい。本発明による排気はほぼゼロに等しく、都市環境においても許容しうるものであり、したがって地域熱供給をより広範囲にわたって実施することができるため、ＣＯ２排出をさらに規制することができる。
【０１０６】
水は、世界のある特定の地域においては貴重な物資である。水を生成し供給する淡水化方法が広く用いられており、淡水化は、多くの場合、ＣＯ２排出を伴う化石燃料燃焼により行われる。本発明は、発電過程においてどのように水が発生し、生成した水を、調製後、有用な生成物として様々な形で利用することができることについて説明する。このようにして得た水は、炭酸なし、または炭酸のある飲料水として利用することができ、鉱質を除去して工業用その他の用途に用いることができる。１,０００ＭＷの酸素燃焼ＣＣＧＴＥＧが全荷重で２４時間稼働すると、３００万リットル前後程度の水が生成される。
【０１０７】
液化天然ガスおよびその他の低温貯蔵物資を船舶タンカーで輸送することが広く行われている。本発明は、関連する物資の輸送手段としてそのような方法を用いうる。その他の移送手段としては、ユーラシア大陸パイプライン網等の既存のパイプライン技術を用いることができる。パイプラインを介したガス移送は圧力上昇プラントにより行われ、通常、圧力２バールでガスを取り込み、１０バールまで加圧して、次の圧力上昇ポイントまたはターミナルまで射出する。本発明は、通常用いられうる３つの物資、すなわち、燃料、酸素、ＣＯ２を除き、これと同様の方法を用いうる。
【０１０８】
さらに、本発明は、その一態様において、既存のパイプラインをどのように利用すれば、先に述べた３つの物資を移送できるかについて示す。
【０１０９】
図１ａに、再生可能資源１１からのエネルギーをどのように電気に転換して地域熱供給１２に移送し、消費者に供給するかを示す。
【０１１０】
再生可能エネルギーから派生した直流電流１１により、水（Ｈ２Ｏ）１６および二酸化炭素（ＣＯ２）１５を酸素（Ｏ２）１４および可燃燃料、好ましくはメタン（ＣＨ４）１３とする方法について説明する。酸素（Ｏ２）１４およびメタン（ＣＨ４）１３を熱機関発電機１９に移送して、電気をグリッドまたは地域利用１２に供給する。ＣＯ２およびＨ２Ｏを含む熱機関からの排気を冷却して、ＣＯ２を分離圧縮して、燃料／酸素生成拠点１８まで逆移送して、本工程を継続する。したがって、大気中に排気することなく、再生可能エネルギーからグリッド供給用の電気へのエネルギー伝達が可能となる。地域熱供給１２は任意選択であるが、好ましい。
【０１１１】
エネルギーのほかに、生成拠点１８からは事実上水が供給拠点１９へと移送される。生成拠点１８では水利用１６が必要であるが、水１７は供給拠点１９の燃焼による生成物として得られる。
【０１１２】
図１ｂに、本発明の一実施形態である時間段階的エネルギー移動を示すが、最も有利には、単一拠点に配置することができる。本明細書において、「時間段階的」とは、ある特定の時間に生成した電気エネルギーを（化学エネルギーとして）貯蔵し、別の時間に電気エネルギーとして放出可能とする方法またはシステムを指す。この効果は、基本的に、揚水システム等の既存の手法により実現されるものであるが、既存の技術においては、貯蔵設備およびインフラ費用において限界がある。この問題に対し、本発明によれば、はるかに適応性のある、拡張可能な、利便性の高い解決策を提供する。
【０１１３】
低需要期または過剰生成期（例えば、夜間または強風等により再生可能資源の生成が高レベルのとき）には、整流器１３０を介してグリッド１１０から電気を取得し、直流電流をメタン／酸素生成プラント１２８に供給するが、メタン／酸素生成プラント１２８については以下にさらに詳述する。プラント１２８においては、貯蔵タンク１２４および１２７から取り出した二酸化炭素（ＣＯ２）１１５および水を用いてメタン１１７および酸素１１９を生成し、メタンおよび酸素は貯蔵タンク１２５および１２６において収集する。水１２１には、必要に応じて補給水１２３を利用可能とすることができる。高需要期（例えば、日中または再生可能資源の生成が少ない時）には、メタン１１８および酸素１２０を前記貯蔵タンク１２５および１２６から取り出し、熱機関発電機１２９（例えば、ＣＣＧＴプラントまたは燃料電池）に伝達して、電気１１２をグリッド１１０および熱を地域熱供給１１４に供給する。熱機関からの排気を冷却すると、ＣＯ２１１６を貯蔵タンク１２４内への分離および圧縮することが可能となる。二酸化炭素ＣＯ２を脱気後の水１２２は、貯蔵タンク１２７で収集する。よって、夜間にグリッドから取得したエネルギーを用いて、日中は、無公害電力をグリッドに供給する。このようなシステムの利点は明らかである。すなわち、比較的散発的に発生する再生可能資源からの生成エネルギーを効率的に回収して高需要期に利用することが可能となり、通常の発電を円滑化することが可能となる。
【０１１４】
地域熱供給エネルギーは、夜間１１３または日中１１４に供給することもできる。図９に、時間段階的エネルギー移動のためのシステムをより詳細に示す。
【０１１５】
先に述べたエネルギー伝達を実現する手段を図２を参照して説明する。図２に図示したケースでは、好ましい燃料としてメタンを用いる。その他の燃料を使用する場合、フロー図において、さらなるステップが必要となるであろう。既存の技術では、メタン供給原料を用いて、エネルギー移動プロセス用のより熱含量の高い燃料を生成することもできるが、メタンは既存の天然ガスパイプラインおよびその付帯設備と併用性があるため、最初は好ましい。
【０１１６】
１．ＣＯ２を放出しない代替的な方法またはグリッドから取り出すことにより直流電流を発生させ、（ローカルソースからの）Ｈ２Ｏの電気分解への通常大規模な電力供給に利用するステップ（２１）；
２．ＣＯ２およびＨ２を金属触媒上で反応させて、好ましくは可燃燃料ＣＨ４およびＨ２Ｏを生成するステップ（２２）；
３．生成したＨ２Ｏを、好ましくは電気分解に再利用し（ステップ１）、一方でＣＨ４およびＯ２を回収するステップ（２３）；
４．ＣＨ４およびＯ２を、熱機関発電プラント、好ましくは、標準化設計の酸素燃焼コンバインドサイクルガスタービン発電機（ＣＣＧＴＥＧ：combined cycle gas turbine electricity generator）に移送するステップ（２４）；
５．発電して、Ｏ２中におけるＣＨ４燃焼（酸素燃料燃焼プロセス）による需要を満たすステップ（２５）；
６．燃焼により発生した水の一部は、ランキンスチーム循環への補給水として用い、残りの水は、炭酸水または炭酸なしの飲料水、あるいは鉱質除去水等、生成物として用いるステップ（２６）；
７．燃焼により発生したＣＯ２を回収して水素化プロセス用に逆移送し（ステップ２）、周期的なエネルギー伝達を可能とするステップ（２７）。
これらの各ステップは、３つのセクションのうちの１つに属しているとみなすことができる。すなわち、「上流」プロセス（ステージ１、２、および３）、「下流」プロセス（ステージ５および６）、および資源移送（ステージ４および７）である。本発明は、システム全体だけでなく、システムにおける特定の独立した一部も包含するものである。
【０１１７】
本発明の種々の態様における必須の態様を、図３〜図９を参照して以下に詳述する。
【０１１８】
水の電気分解
サバティエ・プロセスによりメタンを生成するのに必要なＨ２を得るため、水の電気分解を大規模に実施するであろうことが想定できる。基本的反応を式で示す。
【化２】
2015513531.tif 000004
【０１１９】
この反応の効率性を高める手段について、水素および酸素等の貴重な物資を得る単純な潜在的手法が期待され、多くの研究が集中して行われてきた。固体酸化物電解質システムの開発における最近の発展［７］は、高効率化への強い可能性をもたらした。特に、イットリウム安定化ジルコニア（『ＹＳＺ』、Ｙ２Ｏ３添加ＺｒＯ２）、および高温においてＯ２−イオンを良好に導伝するガスライト電解質を用いることにより、水素および酸素生成物の分離は大幅に単純化される。さらに、高い稼働温度が維持できれば電解質反応の効率が大きく向上することが実証されてきた［８］。したがって、熱を発生するサバティエ反応を用いて相当量の熱を電解セルに供給できることは有利である。例えば、サバティエ反応器からの熱伝達媒体として加圧蒸気を用いることにより、加熱された蒸気は電解セルに供給され（それと同時にサバティエ反応により直接生成され）、Ｈ２をＯ２に変換する。このようにして、Ｈ２の生成効率はさらに向上する。生成された水素は、サバティエ反応器に逆供給されて、ＣＯ２およびＨ２Ｏを用いてＣＨ４およびＯ２を生成する連続的２段階プロセスが達成されるが、このプロセスは次式に要約される。
【化３】
2015513531.tif 000005
【０１２０】
ＣＨ４およびＯ２は、続いて、以下に述べるように、「下流」プラント（例えば、燃焼ＣＣＧＴ（combustion-fired CCGT））において使用されることになる。
【０１２１】
図３ａに、基本的な電解セルの概略図を示す。直流電位３４を陰極（カソード）３１と陽極（アノード）３３との間に印加し、正味の負電荷および正電荷をそれぞれ付与する。電子は、電解溶液３２を介して伝導される。電子を多量に含む陰極において、Ｈ＋イオンが結合してＨ２を形成する一方、電子の少ない陽極においては、Ｏ２−イオンが電子を手放してＯ２を形成する。これらのガスは、電解溶液３２とは異なる状態であり、生成物として簡単に抽出することができる。
【０１２２】
メタンの生成
図３ｂに、大規模な電気分解と併せてメタン化プラントの利用可能なレイアウトを示す。電解プラントからのＨ２はパイプ３１を経由して侵入し、パイプ３２からのＣＯ２蒸気と合流する。パイプ３２経由で侵入するＣＯ２は、先に述べたように、酸素燃焼ＣＣＧＴＥＧプラントから得ることが想定される。複合蒸気は、続いて、パイプ３３を通過して、メタン化反応チューブ３４に入り込み、そこで金属触媒３５と反応してＣＨ４およびＨ２Ｏを形成する。
【０１２３】
メタン化は、現在、サバティエ・プロセスにより行うことが想定される。金属触媒の存在下において二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）とを反応させてメタン（ＣＨ４）および水（Ｈ２Ｏ）を形成することは、２０世紀初頭、ポール・サバティエにより実証された［４］。このプロセスの効率および商業化の可能性を向上しようとする近年の取り組みは、ＮＡＳＡの宇宙プログラムへの潜在的な適用可能性により後押しされてきた部分が多い［５，６］が、本発明者にとっても、基本的な熱気体（サーモガス）（ＣＨ４）を生成し、また、大気中への放出を避けたいガスであるＣＯ２を使用する過程において理想的な手段である。
【化４】
2015513531.tif 000006
ここで、金属触媒３５として、最先端技術を用いた場合に現在最も有用なものはルテニウムを分散させたアルミナ（Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３）である。
【０１２４】
この反応は発熱性であることが分かっており、約３００℃付近で最適な製品収量が得られる。（この温度よりも温度が上昇すると、逆反応が重要になり、収量が減少する。）金属触媒および反応条件の両方を最適化するために多くの研究が引き続きつづけられている。近年、マクロ孔質のアルミナ担持ルテニウム（Ｒｕ−ｏｎ−Ａｌ２Ｏ３）触媒により良好な選択性が得られ、小さな反応器空間内においても反応のための表面積が大きくなることがわかってきた［５］が、このことは我々の方法におけるサバティエ・プロセスの利用を簡便にしうる有望な開発である。小さな反応容器内で多くの分子が反応すると、反応器からの熱伝達が大きな課題となる。なぜなら、温度が３００℃以上に上昇し始めると、上述したように効率が低下するためである。したがって、長尺の細い円筒状の反応器「チューブ」が提案されている［６］。我々の提案は、サバティエ・プロセスにより発生する大量の熱を利用して、以下に記載するように、同方法における別のステップに利益をもたらすことができるようになることである。
【０１２５】
先に触れたように、サバティエ反応は発熱性の高いプロセスであり、温度が３００℃を大幅に上回ると望ましくない効率低下が起こる。したがって、反応容器の形状を、長く細い反応チューブ３４とする。さらに、３００℃前後の最適な反応温度に維持するため、反応チューブを圧力容器３６内に収容する。サバティエ反応のための最適な温度は、システム全体の効率を考慮して、試行運用により決定することができる。
【０１２６】
メタン化反応チューブ３４からのＣＨ４およびＨ２Ｏの製品流は、ＣＨ４とＨ２Ｏを分離するため、パイプ３７を通過して凝縮装置３８に流入する。外部冷却水の流れは、凝縮装置を通過させて循環３９し、混合製品から熱を奪い、結果として蒸気を凝縮する。ＣＨ４は気相のままパイプ３１１を経由して凝縮装置から送出される。結果として生じる液状の水を凝縮装置の底部からパイプ３１０を経由して取り出す。一構成例において、この水を、できれば追加補給する水と共に、容器３６を通過させる熱伝達流体として用いうる。
【０１２７】
各物資の移送
大量のＣＨ４およびＯ２を下流のプラントまで連続的に移動させる必要があり、また、平行してＣＯ２を上流に戻すため、大規模物資移送インフラが必要となる場合がある。現在、大量の潜在的に有害な燃料を移動するための主要な手段は２つある。すなわち、液化した物資を含有するガスパイプラインおよび船舶タンカーであり、いずれも現在化石燃料業界で世界的に用いられている。我々の調査したところによると、両方の移送方法を組み合わせたハイブリッドアプローチがこの問題を解決する最も効果的な道筋となりうる。
【０１２８】
現在運航されている大規模な液化天然ガス（ＬＮＧ）タンカーの容量は約２５０，０００ｍ３であり、一度の荷積で１２０，０００トン以上の液化ＣＨ４を移送可能である［１８］。この量は、（稼働率６０％の）１ＧＷのＣＣＧＴを１日当たり１２時間、３か月にわたり稼働するのに十分な量となりうる。代案として、この容量の２隻の全荷積タンカーを、２週間に一度、上流プラントから下流プラントへ往復させて搬送可能な液状メタンの量は、ＣＣＧＴプラントにおいて燃焼させた場合、スコットランド全土に電力を供給するのに十分な量となるであろう。したがって、船舶タンカー利用によるアプローチは、選択したサーモガス（例えばメタン）の移送手段として非常に有望であるが、これは、以下に述べるように、ガスパイプラインによっても実現することができる。
【０１２９】
Ｏ２およびＣＯ２の移送についても対処する必要がある。論理上は、いずれも船舶タンカーによる移送が可能である。すなわち、ＣＯ２は凍結してドライアイス（ＣＯ２（ｓ））として低温で搬送し、酸素は液化してメタンと同様の方法で移送する。しかしながら、パイプライン網を用いれば、より簡潔な解決策となる可能性がある。この場合に、図４ｂに示すような４層パイプラインを用いるということである。
【０１３０】
図４ｂに、複合パイプラインシステムからなる移送手段の一構成例を示す。酸素およびメタンをＣＣＧＴＥＧプラントに移送し、ＣＯ２を燃料生成拠点に戻すものである。めたんは、最も内部のパイプ４１を介して移送する。ＣＯ２は２つの部分に分割し、燃料と酸素を保護および分離する。一部はパイプ４２を経由して、パイプ４３内で酸素からメタンを分離し、もう一方の部分は最も外側のパイプ４４を経由して移送して、外界環境から酸素を保護する。エンドコネクタ４５および４６により、メタンと酸素をそれぞれ簡単に取り出すことができる。ＣＯ２は、連結部４７からパイプライン内に送られ、上述したように、パイプ４２に流れ込み、パイプ４４に分岐する。
【０１３１】
Ｏ２とＣＯ２間（４８）、およびＣＨ４およびＣＯ２間（４９）の静差圧センサにより、各ガスの絶対的圧力および相対的圧力を常に監視し、パイプラインを安全かつ効率的に稼働させるため監視制御を行う。
【０１３２】
図７に、代案として、酸素および二酸化炭素を搬送するように構成した２層パイプラインの断面図を示す。図示したように、上流プラントにてパイプラインにＯ２を注入し、内側のパイプを通して下流方向に励起する。同様に、ＣＯ２を、外側のパイプを通してＣＣＧＴプラントから上流に逆励起する。燃焼反応の化学量論により、Ｏ２は、ＣＯ２と比較して、パイプにおいて２倍の総断面積を必要とする。さらに長いパイプラインの場合、経路に沿ってコンプレッサステーションを設けうるが、各ガス同士が混合しないよう完全に別個の循環路とする。この配置によれば、Ｏ２をＣＯ２で被覆して効果的に収容するため、火災危険度の高いガス（Ｏ２）を含むパイプにとって有利であり、さらに外部環境から遮断するので、非常に有用な危険防止緩衝となる。各パイプラインは、慎重に選択した材料で構築し、厳重監視して安全を確保する。
【０１３３】
パイプライン内における酸素の移動可能速度を規制するが、その最高速度を、使用した特定のパイプライン材料についての「衝突速度曲線」（ＩＶＣ）により規制する［１９］。これによれば、圧力と最高速度との間に逆関係が認められる。例えば、鋼パイプの場合、０．６ＭＰａのＯ２の最高許容速度は７．５ｍｓ−１である。よって、ＩＶＣは、最高移動速度がパイプラインの直径（および、したがって断面積）に定数（Ｐ．Ｖ，対象となる曲線領域に反比例するため）を掛けたものによって決まるものであることを示唆している。稼働率を６０％とした１ＧＷのＣＣＧＴに燃料供給するためには、ＩＶＣの限界条件で配管した場合、Ｏ２については断面積を２．０９ｍ２とする必要がある。これは、Ｏ２パイプの内径を１．６４ｍとすることに相当する。Ｏ２パイプを、外側のＣＯ２パイプラインで囲むと、（内側のＯ２パイプを除いた）利用可能な総断面積として１．０５ｍ２が必要となり、パイプラインの全径としては２．０４ｍとなる。
【０１３４】
サーモガスからの発電
生成された大量のサーモガスおよび酸素は、移送および／または貯蔵して、下流の発電プラントにおける電気需要に応じるために使用する。
【０１３５】
化石燃料発電ステーションは、種々の入手可能な燃料に対応するため、その設計はさまざまである。本発明によれば、単一の基本的設計の発電ステーション（発電ステーションは、大きさについてのみ変化させればよい）とする手段が提供され、電力需要を満たす。
【０１３６】
発電は、世界中に及ぶ天然ガス火力発電所において広く用いられているコンバインドサイクルガスタービン（ＣＣＧＴ）において行うことが想定されるが、［１３，１４］重要な点は、以下に述べるように、酸素燃焼に適合していることである。
【０１３７】
ＣＣＧＴによる発電の原理は良く知られており、ＣＣＧＴは世界中で一般に用いられている。その設計は、高温で稼働する一次ループガスタービン循環と、ガスタービンのまだ高温である排出口から熱を引き寄せる二次ループ蒸気タービンサイクルとを組み合わせたものである。ガスタービン循環において、作動液体を圧縮して、（本実施形態の場合、Ｏ２中でＣＨ４を燃焼している）燃焼室へと送り、そこで非常に高温に加熱する。この加熱加圧ガスを、続いて膨張してタービンへ向かって加速し、タービンによりそのエネルギーを抽出する。燃焼排ガスのこのタービンからの出力温度はまだ高く、蒸気タービン循環に熱を供給するに十分である。これらの２つの循環を組み合わせることにより、燃料燃焼により発生する熱の割合を増加して、発電に使用する。現在、ＣＣＧＴの稼働率は６０％とすることが一般的である。新規の材料および設計により将来世代のＣＣＧＴの最高稼働温度が上昇すれば、さらなる効率向上も見込まれる。
【０１３８】
コンバインドサイクルガスタービン発電機（ＣＣＧＴＥＧ）は、地域熱供給の有無にかかわらず、天然ガス等の化石燃料燃焼に現在多く用いられている。気体は、一般に、空気と共に燃焼され、燃焼排ガスは、稼働し、発電機内で電気を発生させているガスタービンを通過する。ガスタービンからの排出ガスは、続いて、ランキン蒸気サイクルボイラ内に送られ、その後、スタック経由で大気中に放出される。ボイラ内では、ガスタービン排出ガスからの熱により蒸気が形成され、この蒸気を利用して、蒸気タービンまたはさらなる電気を発生させるタービンを駆動する。蒸気を凝縮して水にしてから、ボイラに戻して、サイクルを継続する。これは、通常、凝縮装置内または地域熱供給における使用により発生する。本発明によれば、ＣＣＧＴＥＧを最大限に活用できる。
【０１３９】
発電プラントの効率向上のための別の好ましい方法として、プラントをコンバインドヒートパワー（ＣＨＰ）システムとして稼働することが挙げられる。この形式においては、各タービンの排出口からの温水（蒸気）を用いて、下流プラント周辺の地域の人々に地域熱供給を提供するために用いる。このようにして、標準的な発電所の「廃熱」の多くの部分を回収して、使用することができる。この方法によれば、効率を８０％超とすることも理論上可能である。［１５］
【０１４０】
既存のランキンサイクル発電プラントは、外部から水を供給して、蒸気サイクルからの損失を補填している。本発明は、ＣＣＧＴＥＧの蒸気サイクルへの補給水を供給することができるであろう。ランキンサイクルが、地域熱供給を用いてその蒸気を凝縮し水の回収を行う場合、システムは、プラントが起動した後、水を自給することができる。
【０１４１】
従来、酸素燃焼の利用は、酸素（Ｏ２）の利用可能性と費用による制約があった。例えば、空気からの酸素抽出は、燃料の熱量の１５％を費やす。上流の燃料／酸素生成プラントから直接酸素を入手するという特定のこの方法によれば、酸素燃焼発電プラントの将来性が向上する。
【０１４２】
ＣＣＧＴＥＧは、一般に、空気燃焼を伴う天然ガス燃焼によるものであり、ガスタービン排出ガスはランキン蒸気サイクルボイラ内に送られ、その後、大気中へと送出され、燃焼の際に発生したＣＯ２を放出している。本発明は、酸素燃焼ＣＣＧＴＥＧおよびそれに関連するプラントをどのように設計して、燃焼により生じるＣＯ２を保持して再利用するかについて明らかにする。
【０１４３】
発電のための燃焼を支援するために空気を利用することはほぼ普遍的に行われているが、ＣＯ２を抽出しようとした場合には問題となる。なぜなら、燃焼排ガス中の燃焼空気の窒素からＣＯ２を分離するには化学的抽出方法が必要となるからである。本発明によれば、化学反応方法を利用せずにＣＯ２を抽出できる。炭化水素燃料の支燃ガスとして、空気ではなく酸素を用いる場合、ＣＯ２およびＨ２Ｏは、冷却により簡単に分離可能である。
【０１４４】
本発明の、別の実施形態として、地域熱供給のオプションとともに、酸素−メタン電解質燃料電池を用いうる。想定した基本的な燃料電池は、陰極上に酸素を連続通過させ、陽極上に水素を通過させたときに、周知の電気化学反応により発電するものであるが、ここで、水素は、約７６０℃の温度でメタンから水素を得る水蒸気改質により抽出するものである。
水蒸気改質：    ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ≧ＣＯ２＋４Ｈ２
陽極反応：      ２Ｈ２≧４Ｈ＋＋４ｅ−
陰極反応：      Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−≧２Ｈ２Ｏ
総括セル反応：  ２Ｈ２＋Ｏ２≧２Ｈ２Ｏ
総括反応：    ＣＨ４＋２Ｏ２＝ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
【０１４５】
燃料電池および蒸気タービン設計のハイブリッドも可能であり、この場合も燃料電池からの９００℃における排気はＣＯ２および蒸気であり、このＣＯ２および蒸気を用いて、さらなる電気を発生させるタービン駆動を行う。タービン発電機からの排気は地域熱供給にまわして、高効率なエネルギー伝達を実現する。燃料電池の場合、化石燃料の場合には不可欠な現在の標準的な脱硫方法が不要である。なぜなら、上流プラントからの硫黄化合物が全く存在しないからである。さらに、そのような化合物が存在しないことで、燃料電池の寿命向上も期待できるであろう。
【０１４６】
ＣＨ４の酸素燃焼
いくつかの実験的な事業が既に完成しており、酸素燃焼の実現可能性［１６］および酸素燃焼で動作する既存のガスタービン技術の応用［１７］について実証されている。最大の欠点として認識されているのは、空気から必要な酸素を分離する際の電気的な費用であるが、それは施設の全発電能力の１５％と推定されている。以上のように、我々の方法によれば、上流のサーモガス生成施設における電気分解からＯ２を得ることによりこの問題を回避する。このように、我々は、既存の酸素燃焼事業以上に、下流プラントにおける効率を高めている。
【０１４７】
Ｏ２中におけるＣＨ４の燃焼生成物は、ＣＯ２およびＨ２Ｏのみであり、次式に要約される。
【化５】
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【０１４８】
従来の炭化水素燃焼発電施設と全く同様に、温室効果ガスである二酸化炭素が発生することが分かる。しかしながら、酸素燃焼を用いる主要な利点は、水蒸気を凝縮した後に、結果として得られる排出ガスにおけるＣＯ２は非常に高純度（９５％超）であり、不純石炭または天然ガスを空気中で燃焼した結果生じる亜酸化窒素および二酸化硫黄がなくなることである。このＣＯ２を冷却した後、上流プラントに逆移送（以下参照）して、図１に示すように、サバティエ・プロセスによってメタンに変換する。
【０１４９】
重要なことは、下流プロセス中にＣＯ２が発生するが、その後の上流プロセスにおいてＣＯ２を費やすことを理解されたい。最初は、サーモガス生成プロセスを開始するにあたり外部源からのＣＯ２が必要であるが、その後は、当該プロセスにより新たなＣＯ２は発生しない。
【０１５０】
燃焼反応のその他の生成物はＨ２Ｏであるが、Ｈ２Ｏはいくつかの方法で利用できる。反応により発生したＨ２Ｏの一部を再利用して、本来であれば非常に高額かつ特殊な材料を使用した稼働を必要とするレベルにまで上昇しうるガスタービン吸気口における温度の管理を行うことができるであろう。再利用しなかった残りのＨ２Ｏは、商業的利用のための魅力的な可能性が残る。化石燃料の空気中における標準燃焼から発生する汚染不純物がないため、Ｈ２Ｏを鉱物で処理して飲料水として分配したり、脱ミネラル純水を必要とする近隣産業等に一括して売却したりすることができる。
【０１５１】
図５に、酸素燃焼ＣＣＧＴＥＧ施設として実現可能な配置を示す。燃料注入流５１は、まず、燃料生成施設への移送のためパイプ５２６を介して返還されつつあるＣＯ２の熱を取り出すプリヒータ５３を通過する。加熱された燃料はＯ２注入流５２と合流し、これらは、燃焼室５４において共に燃焼され、高温蒸気／ＣＯ２混合物５５となり、これは高圧ガスタービン（ＨＰＴ：high-pressure gas turbine）５６を介して膨張して、発電機５２６内で電気を発生させる。このタービンは、現在の業界最先端標準に基づいて建設され、最新の材料を用いて酸素燃焼の高温に適合させている。ＨＰＴ５６からの排出流５７は、続いて、再熱燃焼器５８内に送られ、そこで、燃焼により、中圧ガスタービン（ＩＰＴ：intermediate-pressure gas turbine）５１０の注入温度まで再加熱されるが、この燃焼はパイプ５３０および５３１を介して再熱燃焼器５８に流用した燃料酸素流の一部を利用したものである。この再加熱流５９は、続いて、ＩＰＴ５１０を介して膨張してさらなる電気を発生させ、排気流５１１は熱交換器５１２内に送られる。ここで、その熱の一部を再利用水５２３に与えて、その水を燃焼室５４用の過熱低減器として用いる。純Ｏ２中でのＣＨ４燃焼は非常に高い火炎温度を発生し、その温度はＨＰＴ５６の注入口における最適な温度よりもかなり高いため、このような過熱低減器が必要となる。
【０１５２】
蒸気／ＣＯ２混合物は、次に、熱回収蒸気発生器５１３内に送られ、その熱をランキンサイクルボイラに与え、このランキンサイクルボイラの生成する蒸気はボイラチューブ群を経由して熱回収蒸気発生器５１３を通過する。そして、この蒸気を用いて蒸気タービン５１５に動力を供給し、さらに発電する。このタービン様タービン（This turbine like turbine）５６は、明確に定義され、業界で認められた規格を使用した可能な限りの高品質構成とする。蒸気タービンの出口蒸気５１６は、地域熱供給５１７用に取り出すか、または、コンデンサ５１８を通過させ、熱回収蒸気発生器５１３への給水として還元するように調達することが考えられる。地域熱供給の場合、地域熱供給システムからパイプ５２９を経由して冷却水を返還し、ランキンサイクル給水が確実に維持されるようにする。
【０１５３】
熱回収蒸気発生器５１３の場合、蒸気／ＣＯ２混合物を冷却により分離する。ＣＯ２はガス相のまま、ＣＯ２コンプレッサ５２５までパイプで送られ、そこで凝縮されて、プリヒータ５３を通過した後、そこから出て燃料／酸素生成施設に戻る。熱回収蒸気発生器５１３からの復水は２つの部分に分割する：一方の部分５１９は、ＣＯ２を含んだまま水処理施設に進むことが可能であり、もう一方の部分５２０は脱気装置（デガッサー）５２１に供給される。ここから、取り出したＣＯ２５２２を熱回収蒸気発生器５１３に逆供給する。脱ガスＨ２Ｏの一部は、ランキンサイクル蒸気発生器５１３への給水の補給用として用いる。残りは２つの部分に分割する：パイプ５２３内のＨ２Ｏは、熱交換器５１２を介して逆供給され、続いて、燃焼室５４へ熱低減器として逆供給されるが、一方パイプ５２４内のＨ２Ｏは輸出向けの水処理工場用に取り出す。
【０１５４】
図６に、上流の燃料／酸素生成施設として実現可能な配置を示す。下流のＣＣＧＴＥＧプラントから移送されたＣＯ２は、パイプ６１を通って燃料／酸素生成施設に入り、加熱ヒータ６４８またはプリヒータ６３９により２０５℃まで加熱された後、電解分解で発生した水素６４５の蒸気と、パイプ６４３および逆止弁６４４から合流する。この２０５℃に規制した合流６５は、次に、サバティエ反応チューブ６６（複数設けられ、マニホールドにより供給される）に入り、そこでＣＯ２およびＨ２は金属触媒６７上で反応してＣＨ４およびＨ２Ｏを形成する。金属触媒は、この反応用についての最先端工業規格によるもの、現在では、ルテニウムドープアルミナ（Ru-doped Al2O3）とする。ＣＨ４およびＨ２Ｏの生成流はパイプ６８を通過して、第２の熱交換器６９へと向かい、そこで、ＣＨ４およびＨ２Ｏの生成物流は、その熱の一部をパイプ６１９内の水に与える。そして、ＣＨ４およびＨ２Ｏ流はパイプ６１０を通過してコンデンサ６１２に向かう。パイプ６１１を介してコンデンサ６１２に冷水を供給し、Ｈ２Ｏが凝縮して液体水になる時点までＣＨ４およびＨ２Ｏの混合物を冷却する。ＣＨ４はパイプ６１３を介してコンデンサ６１２から取り出され、パイプ６１３経由でＣＯ２スクラバー６１４まで送られ、ＣＯ２スクラバー６１４を用いて、あらゆる未反応ＣＯ２をサバティエ反応チューブ６６から除去する。純化したＣＨ４を、次に、パイプ６１５経由で取り出し、下流のＣＣＧＴＥＧプラントに移送する。
【０１５５】
サバティエ反応の継続には、温度が少なくとも２００℃であることが必要であり、その製品収量は３００℃付近で最高となるが、それを超えて温度が上昇すると逆反応が優先されて、製品収量が減少し、最終的には５００℃を超えると、正反応の発生が抑制される。したがって、サバティエ反応が高発熱性であることは、温度制御をしないと、反応チューブの温度が急速に上昇して持続可能なプロセスの妨げとなりうる温度になってしまうことを意味する。これを防止するため、コンデンサ６１２からの冷却したＨ２Ｏ６１９を主熱伝達反応器６２５に再循環し、これを熱伝達媒体として用いて、サバティエ反応チューブ６６の温度を最適反応温度である３００℃に維持するが、３００℃から若干変動してもシステムのその他の態様において利点があれば許容される。主熱伝達反応器６２５への注入のための流れの条件を確実に最適化するため、Ｈ２Ｏはまずパイプ６１７を通って熱交換器６９に行き、そこで、先に述べたように、ＣＨ４／Ｈ２Ｏ生成物流から熱を奪い、次に、蒸気ドラム６２０内に送られる。起動には、電気ヒータ６３７を用いる。蒸気ドラム６２０からの蒸気を用いてサバティエ反応チューブ６６を２０５℃の温度まで加熱する。Ｈ２Ｏが主熱伝達反応器６２５を介して各サバティエ反応チューブ６６の全体にわたって上昇するにつれ、Ｈ２Ｏは３００℃に加熱される。蒸気は、熱い電解生成物である水素および酸素をそれぞれ含むチューブ６４１およびチューブ６４２上を続けて通過することにより、熱を獲得しながら上昇を続ける。ヒータ６５３によりさらに加熱して、電解セル６２１に入る蒸気の温度制御をしてもよい。
【０１５６】
加熱した高圧蒸気は、次に、電解セル６２１内に送られるが、その詳細を図６ａに示す。高圧過熱蒸気は、陰極６２１ａにて、セルに入るが、この陰極６２１ａは固体電極であると考えられ、現在の技術により可能な限りの最高効率のものであり、現在では、Ｎｉ−Ｚｒ系セメントとすることが考えられる。地域の（各）再生可能エネルギー源から生成した直流電流供給量６２１ｄにより、Ｈ２ＯをＨ２およびＯ２にする電気分解を駆動する。Ｈ２は、陰極６２１ａにて発生し、パイプコネクション６２１ｅを介してパイプ６２２へと取り出される。Ｏ２−イオンは固体電解質６２１ｂを介して陽極６２１ｃに移動し、電子を手放してＯ２分子を形成する。電解質および陽極はいずれも、陰極と同様、現在の技術を用いて得られる最高効率を反映する。現在、電解質はイットリア安定化ジルコニアとすることが考えられ、一方、陽極は、ストロンチウムドープマンガン酸ランタンであろう。陽極において、発生したＯ２はパイプコネクション６２１ｆを経てパイプ６２６へと取り出される。
【０１５７】
大量の未処理のＨ２Ｏが取出部（take-off connections）６２１ａひいてはパイプ６２２および６２４へと侵入するであろうこともやむを得ない。Ｈ２は、したがって、分離室６２３において水素−多孔膜（hydrogen-porous membrane）を用いてこの蒸気から分離する。Ｈ２は、膜を透過し、続いてパイプ６２に入り、容器６２５内の蒸気加熱チューブ６４１の内部へと入り、チューブ６３を介して排出されてランキンサイクルボイラ６４に入ってから、先に述べたようにＣＯ２の流れと合流する。分離室６２３からの蒸気がチューブ６２４内に収容した逆止弁６４７を介して容器６２５内に送り戻されることにより、電解セル６２１への出口蒸気を９００℃近い高温に維持することができる。
【０１５８】
収集マニホールド６２６から出る電解生成物、すなわち、酸素は、上述した容器６２５内部の各蒸気加熱チューブ６４２内に送られ、その後、収集マニホールド６２７から送出されてランキンサイクルボイラ６２８に入り、そこで、約３０℃まで冷却してパイプ６１６にいて出ていく生成物とする。
【０１５９】
水素流６３により加熱されるランキンサイクルボイラ６４は、そのボイラチューブが復水パイプ６３４から供給される。ボイラ６４において生成された蒸気は、蒸気タービン６２９まで送られ、発電器６３３内で直流電流が発生する。同様にして、酸素流６２７により加熱されるランキンサイクルボイラ６２８には、復水６３４が供給され、タービン６３０用の蒸気を上げて、直流発電機６３３においてさらなる発電が行われる。各タービン６２９および６３０からの排出蒸気は、それぞれ、各コンデンサ６３１および６３２内に送られ、６３４において復水を形成し、それを供給ポンプにより各ボイラ６４および６２８に投入してランキンサイクルを継続する。
【０１６０】
主熱伝達反応器６２５に供給されるパイプライン６５１に連結する蒸気ブリッジ６５０および６４９ブリッジにより、さらなる高効率化が実現できる。これにより、コンデンサ６３１および６３２におけるランキンコンデンサ損失を削減または解消することが可能となる。蒸気タービン６２９および６３０内におのおの配置した蒸気ブリッジ６５０および６４９は、それぞれ、弁を有しており、蒸気をパイプライン６５１に分岐し、タービン６２９および６３０の低圧側への蒸気流を遮断する。タービン６２９および６３０の高圧側からは、各蒸気ブリッジに２５０ｐｓｉで蒸気を供給するが、これは、注入口において必要とされる温度である２０５℃における飽和水蒸気の圧力である。
【０１６１】
燃料／酸素生成プロセスに入るＣＯ２６１を予熱するため、タービン６２９から抽気した蒸気６３８を熱交換器６３９に送る。復水および低エンタルピー蒸気は、熱交換機６３９からパイプ６４０により回収され、コンデンサ６３１内に戻される。
【０１６２】
直流発電機６３３は発電し、さらなる電気分解を可能にして、生成物生成をさらに行うことにより、メタンおよび酸素中での、源としてのエネルギー（例えば、非化石源）に由来するエネルギーの化学エネルギーへの変換効率を、上述した付加的な熱回収技術を用いて向上し、できれば７０％またはそれ以上、例えば８０％またはそれ以上とする。
【０１６３】
したがって、本発明は高効率な電気分解サバティエ反応複合装置およびシステムを提供できることがわかる。サバティエ反応中に発生した余剰熱を用いて水を加熱し、その水を電気分解する。電気分解しようとする水の温度をさらに上昇させるため、電解プロセスからの高温出力を水に通過させることによって、電解生成物の高温エネルギー容量を利用して供給する水の温度をさらに上昇する。これにより、電解プロセスの全体的な効率が向上する。さらに、電気分解へ供給する水を加熱した後にもかかわらず依然として比較的高温の酸素および水素を用い、さらなる発電段階、例えばランキンサイクルを介した発電を駆動することにより、エネルギーが熱の形でさらに損失する可能性が回避される。これらの各特徴点により、電気分解およびメタン生成を組み合わせた高効率システムが提供される。もちろん、多くの高効率化の機能は適宜互いに独立して用いることもできるが、全ての機能を組み合わせると最適な効率が達成される。
【０１６４】
図９に、夜間における電気グリッドからのエネルギーの電気への伝達および日中における地域熱供給からのエネルギー伝達のためのシステムを示すが、これは、図１ｂの実施形態でありうる。本システムは、選択した箇所での空気中への排出が全くないということを特徴とする。さらに、夜間を通してグリッドに供給する資源生成が化石燃料とは関係がない場合（例えば、再生可能エネルギー源の場合）、結果として生じる大気放出も起こらない。しかしながら、一般的な場合、すなわち、夜間を通してグリッドに供給する資源の一部またはすべてが化石燃料を使用する場合においては、それぞれの資源位置においてＣＯ２放出が起こる。
【０１６５】
図９において、貯蔵タンク９６０からのＣＯ２はパイプ９１を通ってスタートアップヒータ９４８およびプリヒータ９３９に入り、２０５℃まで加熱される。加熱したＣＯ２９４３は逆止弁９４６に導かれ、パイプ９２および逆止弁９４４からの、電気分解生成水素と合流する。水素はすでに熱交換器９４１および９４内で冷却してあり、その温度も２０５℃である。合流９５は、マニホールドにより容器９２５内に収容した多数のサバティエチューブ９６に分配され、そこで、ＣＯ２およびＨ２は金属触媒９７上で反応してＣＨ４およびＨ２Ｏを形成する。ＣＨ４およびＨ２Ｏの生成物流は出口マニホールドによりパイプ９８内に収集されて、熱交換器９９内に送り込まれ、サバティエ反応により発生した熱の大部分は、供給パイプ９１９により供給される水チューブ内に送られて、蒸気ドラム９２０に蒸気を形成する。熱交換器９９からの排出口において降温した生成物流は、パイプ９１０に導かれてコンデンサ９１２内でさらに冷却され、そこからパイプ９１３へと出てＣＯ２スクラバー９１４内へ入り、ＣＯ２スクラバー９１４によりサバティエチューブ９６から送出される未反応のＣＯ２がすべて除去される。サバティエ反応において発生した蒸気は、コンデンサ９１２によりＣＨ４から除去され、凝縮物は前記パイプ９１９に送り込まれ、前記熱交換器９９内に逆励起されて、蒸気ドラム９２０に送り込まれる。生成物としてのＣＨ４は、蒸気やＣＯ２を含まず、前記パイプ９１３に導かれて、コンプレッサ９１４により凝縮されて、夜間は貯蔵タンク９６２にて貯蔵される。
【０１６６】
貯蔵タンク９６３からの水または現地供給源９０１からの鉱質除去水は、供給パイプ９０３経由で前記コンデンサ９１２に冷却水として供給する。コンデンサ９１２を通過した後、水は前記パイプ９１９内の復水と合流する。
【０１６７】
蒸気は、蒸気ドラムの制御水位の上に溜まり、前記熱交換器容器９２５に２０５℃で蒸気を供給する。蒸気は、容器９２５を通り抜けて上昇して加熱され、サバティエチューブ９６の発熱反応により加熱状態となり、続いて、チューブ９４１内における電気分解からの高温水素によりさらに加熱されて、加えて、チューブ９４２内における電気分解からの高温酸素によりさらに加熱される。ヒータ９５３はチューブ９４２の上に位置して、電解セル９２１が受け取る蒸気の温度をさらに制御可能とする。
【０１６８】
当該プロセスにおける熱を蓄え、電気エネルギーを化学エネルギーに変換する際の損失を最小限にするため、さらに２つの蒸気供給源を容器９２５に設けてもよい。電気分解中には蒸気の一部が陽極９２１ｅを迂回し方向転換して、ランキンサイクル蒸気タービン９２９および９３０内に位置する蒸気ブリッジ９５８および９５９から容器内９２５に入る。タービン９２９および９３０は、容器９２５から出たＨ２流およびＯ２流がその後供給される各熱交換器９４および９２８から発生した蒸気を利用する。
【０１６９】
加熱された高温蒸気は電解セル９２１に送り込まれるが、電解セル９２１はグリッドおよび前記タービン９２９および９３０により駆動される発電機９３３からの整流直流電流を受け取ることができる。陰極１２１ｅにおいて、ある程度の蒸気と共に発生したＨ２は、収集マニホールド９２２から分子フィルタ容器９２８に送り込まれ、分子フィルタ容器９２８によりＨ２を前記チューブ９２に送り込む一方、蒸気を前記チューブ９２４に迂回させる。陽極１２１ｆにおいて発生したＯ２は蒸気を含まない。なぜなら、固体電解質１２１ｂはガスの透過を抑制するからである。Ｏ２はマニホールド９２６で収集され、別のマニホールドにより前記チューブ群９４２に分配されて前記容器９２５内で冷却され、熱交換器９２８内でさらに冷却されて、パイプ９１６に導かれてコンプレッサ９６４によりＯ２貯蔵タンク９６１へと凝縮される。
【０１７０】
前記熱交換器９２８および前記熱交換器９４は、それぞれ、Ｏ２流９２７およびＨ２流９３により加熱されるが、各交換機は、蒸気ラインランキンサイクルボイラを収容し、ボイラは給水を取り込んで蒸気ライン９３６および９３５に向けて蒸気を生成して、各タービン９３０および９２９に蒸気を供給する。各タービン９３０および９２９は前記直流発電機９３３に連結され、直流発電機は電解セル９２１にさらに電気を供給して、ＣＨ４およびＯ２の生成を増加させる効果を有する。
【０１７１】
蒸気は各タービン９３０および９２９を通り抜けて各コンデンサ９３２および９３１内に入り、復水は復水ライン９３４に励起されて前記ボイラ９２８および９４内でランキン蒸気サイクルを継続する。鉱質除去した補給水９６６が復水ラインに供給される。蒸気タービン９２９は、抽気した蒸気９３８を前記ＣＯ２プリヒータ９３９に供給し、出口蒸気はパイプ９４０によりコンデンサ９３１に返還される。
【０１７２】
タービン９３０および９２９内に配置した、先に述べた蒸気ブリッジ９５９および９５８は２５０ｐｓｉの蒸気を２０５℃でパイプ９５１を介して容器９２５に提供するが、パイプライン９５４を経由して任意選択の地域熱供給９５６に提供することもでき、復水はパイプライン９５５を通って返還される。起動時は、コンデンサ９３２および９３１の運転を開始し、その後、蒸気ブリッジ内の弁が、パイプ９５１への蒸気の分岐およびコンデンサへの蒸気の部分的または完全な遮断を制御する。
【０１７３】
よって、Ｏ２およびＣＨ４は夜間に貯蔵タンク９６１および９６２に溜まり、以下に記載する施設により、グリッドへの電気供給と地域熱供給への熱エネルギー供給を日中に行うことが可能となる。
【０１７４】
貯蔵タンク９６１からのＯ２および貯蔵タンク９６２からのＣＨ４は、パイプ９６８および９６９により燃焼室９７６まで導かれ、また、パイプ９８２および９８３に導かれて燃焼器９７７を再加熱する。ＣＨ４は前記燃焼室９７６内においてＯ２を燃焼し、冷却水９８８により減温されてＣＯ２および蒸気として高圧ガスタービン９７２内に噴出する。この作動流体はタービン９７２に動力を供給して、パイプ９８４を経由して排気され、前記再加熱燃焼器９７７用の減温流体として用いられる。さらに、ＣＨ４は前記再加熱燃焼器９７７内においてＯ２を燃焼し、前記パイプ流９８４によって減温された後、パイプ９８５により中圧ガスタービン９７３内に送り込まれてタービンに動力を供給する。タービン９７３は、パイプ９８９を介して、ＣＯ２および蒸気を熱交換器９５７内に、続いて容器９７８内に排出する。容器９７８はＣＯ２／Ｈ２Ｏ分離器、すなわち、ボイラチューブから供給される冷却水９９５を含む熱交換器として作用する。容器９７８内を通って伝達される高温ＣＯ２およびＨ２Ｏは、ボイラチューブ９４３内に蒸気を生成し、蒸気は当該プロセスにおいて凝縮するまで連続的に冷却される。ＣＯ２はパイプライン９９９によりコンプレッサ９７１まで運ばれ、パイプ９６７により貯蔵タンク９６０内に回収されて、日中蓄積される。水は容器９７８のウェルに落ち、ドレイン９９０へ入って、溶液中にＣＯ２がまだ含まれている場合には、脱気装置（デガッサー）９８１に導入される。脱気装置（デガッサー）９８１内の機械撹拌機により、水からＣＯ２を分離する。分離したＣＯ２はパイプ９９１により容器９７８に送り戻される。
【０１７５】
水は脱気装置（デガッサー）９８１を通過して、ボイラ供給水９９５への補給水となり、前記容器９７８に収容したランキンサイクルの前記ボイラチューブ９４３に投入される。各ボイラチューブ９４３で発生した蒸気は、蒸気パイプライン９７９経由で蒸気タービン９７４内に送られる。蒸気タービン９７４は、前記高圧ガスタービン９７２および前記中圧ガスタービン９７３とともに、前記コンプレッサ９７１および発電機９７５を駆動する。発電機９７５は、日中は、グリッドに電気を供給する。蒸気は、蒸気タービン９７４からコンデンサ９９６へ排出されるか、または、全体または一部が地域熱供給９９４に転用される。コンデンサ９９６からの復水９８０は、地域熱供給９９４から戻ってくる水と合流し、ボイラチューブ９４３への供給パイプ９９５内にボイラ供給水を提供して、ランキンサイクルを継続する。
【０１７６】
脱気装置（デガッサー）９８１からの水は、パイプ９８６内に送られ、一部はパイプ９８７に取り込まれて、前記燃焼室９７６への減温冷却水９８８と同様、前記熱交換器９５７内のチューブを経由して励起される。パイプ９８６からの水の残りの部分は、貯蔵タンク９６３につながるパイプライン９７０に供給される。
【０１７７】
よって、ＣＯ２および水は、日中、貯蔵タンク９６０および９６３内に溜まり、Ｏ２およびＣＨ４を夜間に生成することが可能となり、時間段階的エネルギー伝達を継続する。
【０１７８】
メタン誘導体類の生成
サバティエ反応器により生成されたメタンは基本的なサーモガスに相当するが、必ずしもメタンだけが上流プラントから得られた有用な生成物ガスというわけではない。実際に、メタンを多くの代替的な化学供給原料ガスに変換する方法を商業的に実現可能なものとすることを目指して、重要な研究が現在行われている。最も顕著な２つの例として、エチレン、すなわち、Ｃ２Ｈ４、および長鎖炭化水素が挙げられる。
【０１７９】
メタンの酸化的カップリングからエチレン（およびその他のＣ２＋炭化水素）を製造することは数十年間にわたって知られているが、その反応体はＣＨ４およびＯ２であり、本発明における上流プラントで生成されるガスそのものである。最近まで、このプロセスを商業的に実現可能とするための取り組みは行き詰まっていた。一見、不可避なように思われる触媒効率と生成物選択性とのトレードオフにより、その生成量が制限され、商業的に実用的なレベルをはるかに下回るレベルであったからである［９］。しかしながら、反応器技術および多孔質ナノ分子触媒の新規な発展により、この方法をエチレン製造の商業路線に発展させる可能性を再度高まった。実際に、ＯＣＭＯＬ事業［１０］は、近年、欧州連合から莫大な財政的支援を受け、この目的達成のため大規模な５年にわたる事業を実施することとなった。
【０１８０】
メタン供給原料からの長鎖炭化水素の製造にも、近年、大きな関心が寄せられている。例えば、ＷｉｅｓｎｅｒＴｅｃｈ社は、この製造方法の一つについて特許出願を行った［１１］。多くの点で、同社の提案した設備構成は、我々の提案する上流プラントに類似する。同社の構想では、サバティエ反応器によって生成したＣＨ４を部分酸化反応器に供給し、そして、出力ガスをフィッシャー・トロプシュ反応器に供給して、長鎖炭化水素を周知のプロセスにより作成するものであり［１２］、その後、長鎖炭化水素を分離して市場に出す。
【０１８１】
以上述べたような各種展開は、我々が提案する構想と完全に両立可能であり、事実上相補的なものであると見ることができ、上流プラントに統合しうることは明らかであり、図８にいくつか示したものをはじめ、あらゆる種類の有用な燃料および化学物質を製造できる設備能力が得られる。
【０１８２】
結論
現在、世界の電力需要のうち、排出ガスのない再生可能エネルギーによって満たすことのできるのは２％未満である。これは、そのようなエネルギー源からの発電能力が非常に大きいことに見合わない。本発明によれば、このような、再生可能エネルギーでありかつＣＯ２を排出しない各種エネルギー、例えば、水力、太陽光熱、地熱、風力、潮流、原子力その他のエネルギーを利用した電力供給を、その地域を電気グリッドへ直接接続することなしに、確実に行うことについて、広範囲で大規模な開発を行うことが可能となるであろう。本発明が広く採用されれば、そのエネルギー源は十分に大きく、電力供給用の化石燃料と完全に置き換わるに足るものである。このことは、また、大気中のＣＯ２レベルが発電によって上昇してしまうことなしに、世界経済成長の継続的上昇を可能にする。
【０１８３】
さらに、本発明は、現在の発電システムの能力を向上して、変化する需要水準に対応し、産業工程用の化学供給原料を提供する新たな機会を生み出す。
【０１８４】
本発明は、いくつかの潜在的に大きな利点を有していることがわかる。これらは、以下に示すように、環境上の利点または経済上の利点に分類することができる。
【０１８５】
環境上の利点
本願において提唱したアプローチにおける環境上の主な利点（および、実際に、本発明の開発を促進している主な要素のうちの一つ）は、比較的安価かつ既成のガスタービン発電方法を用いて確実な電力供給を行うにも関わらず、大気中へのＣＯ２排出を完全に排除することができる可能性である。２００８年の欧州環境庁（ＥＥＡ）報告書［２０］の推定によれば、天然ガスの燃焼によって発生したエネルギー１ギガジュール当たり５６．１ｋｇのＣＯ２が大気中に放出されている。これは、１ＧＷのＣＣＧＴそれぞれにおける１時間当たり２００トン超のＣＯ２に匹敵する。さらに、天然ガスは、一般に、燃焼するのに「最もクリーンな」化石燃料であると考えられおり、発電１ギガジュールの発電に対する排出ガスの割合は、石油の場合、特に石炭の場合、ずっと高いであろうことが推定される。したがって、本願において詳述した発案は、大規模に実施されれば、結果的としてＣＯ２放出の大幅な削減が可能となるであろうことは明白であり、地球全域で確実に入手可能な膨大な量の再生可能エネルギーの利用を本質的に容易にする。加えて、または、代案として、本発明は、ＣＯ２を全く放出することなく、余剰電力を回収貯蔵して、後に（化学エネルギーとして）利用する方法を提供する。
【０１８６】
例として、ペンランド海峡を考える。ペンランド海峡は、スコットランドの北、英国本当とオークニー島との間の海峡である。この海峡は、その潮流が速くて強いことでよく知られており、したがって、水中タービンによる発電の可能性があるため、長年にわたり大きな関心の対象となってきた。極めて簡素化したモデル［２１］を用いた以前の予測によれば、水がその最高速度で海峡を通過する際に、５０ＧＷ規模の海底消散（seabed dissipation）が生じることを示唆している。１０ｋｍの海峡幅にわたって完全なタービン群を一群設けた場合の潜在的な発電容量は、最高潮力時にはほぼ１５ＧＷにもなりうる。この容量の半分でもうまく利用可能であれば、スコットランド全土の発電を賄えることは明らかである。
【０１８７】
速度ｖで幅Ｗおよび深さＺにわたり進行する連続水流による総動力は次式により与えられる：
【数１】
2015513531.tif 000008
【０１８８】
したがって、水の速度を増加させる可能性が少しでもあれば、それは、発電能力が大きく増大することを意味する。例えば、ペンランド海峡におけるタービン拠点の深さが８０ｍである場合を考える。速度を２倍にすることで、流量が一定になるようにする。しかしながら、水の単位体積あたりの動力は４倍になる。なぜなら、動力は、Ｖに三次従属するがＺには一次従属するだけであるからである。
【０１８９】
しかしながら、潮流は、予測可能ではあるものの、電気需要のピーク時に都合良く対応するわけではない。潮流のピークは真夜中である場合が多い。本明細書の方法は、「太陽が照っている間に干し草を作る（好機を逃さない）」ための効果的な手段を提供する。すなわち、最高潮力時における膨大な最高発電能力をＣＨ４およびＯ２原料へと変換できれば、その後、それら原料を発電所まで下流に移送して燃焼し、ＣＣＧＴを作動して電力需要を賄う。
【０１９０】
別の有力な例は、風力タービン発電の場合である。風力は、大きな潜在力を有するが、予測不能であり、したがって、信頼できない点では悪評が高く、よって、化石燃料の大規模代替としての有用性には限界があった。風力タービンから得られたエネルギーをサーモガスおよび酸素に変換して貯蔵すること、および、次に下流において発電することにより、この困難な問題を効果的に解決することができるであろう。これにより、化石燃料燃焼の確実な代替としての大規模風力タービン事業の実行可能性は大きく向上するであろうし、電力需要全体のかなりの部分を賄うことができる。
【０１９１】
大規模なＣＯ２排出量にまつわる環境費用およびそれに関連する経済費用の上昇に対処するため、化石燃料業界は、現在、種々の「二酸化炭素回収（'carbon capture'）」方法の開発に多額の費用を投資している。これらは、基本的に、化石燃料火力発電所において燃焼排ガスからＣＯ２を回収し、移送して隔離する。しかしながら、このプロセスは困難かつ高額であり、発電所の事業費を押し上げ、収益性が減少する。これによって、酸素燃焼についての近年の研究が進んだ結果、先に述べたように、かなりクリーンで、非常に容易に分離可能な燃焼排ガス混合物が得られる。
【０１９２】
現在の形での、酸素燃焼法の最大の欠点は、空気から所望の酸素を分離するのが困難なことである。多大なエネルギーを必要とするため、発電所全体の発電能力が麻痺してしまう。さらに、いかなる炭素回収方法を用いたとしても、一旦隔離したＣＯ２が長期間にわたり同じ状態に維持され、大気中に漏れ出ないという保証は全くない。我々の提案する方法は、この２重の問題に対する非常に見事な解決策となる。それに対し、上流プラントにおけるＨ２Ｏの電気分解中に発生したＯ２は移送して酸素燃焼段階において使用するので、空気から分離する必要がない。一方、発生したＣＯ２は、酸素燃焼を用いているため燃焼排ガスから簡単に分離でき、分離したＣＯ２は上流プラントに逆移送してサバティエ反応器において利用して、さらなるＣＨ４を生成する。
【０１９３】
さらなる環境上の利点は、サーモガスが製造商品であり、したがって、地質由来の化石燃料に見られる不純物をほとんど含有しないことによるものである。このことは、ＣＣＧＴ燃焼からの燃焼排ガスは、さらにより「クリーン（'cleaner'）」であり、化石燃料、特に石炭の燃焼により通常発生する不快で有害な酸化窒素（ＮＯＸ）または二酸化硫黄（ＳＯ2）をどちらも含有しない。ＥＥＡの推定によれば、現在、石炭および石油火力発電所で生成したエネルギー１ギガジュール当たり１キログラム超のＳＯ２が放出されており、これは、１ＧＷのＣＣＧＴ一施設当たりに換算すると１時間当たり５トン近くに匹敵する。現在、そのようなプラントは、いかなるものであれ、１時間当たり１トンに達するＮＯＸ、そのうち、人間にとって有害なガスであり主要な大気汚染物質であるＮＯ２がかなりの割合を占める。ＳＯ２も大気汚染物質であり、酸性雨の前駆物質であることが知られている。そのような物質および同様の化合物の大気への放出を相当量除去することは、我々が提案するシステムの大きな環境上の利点である。
【０１９４】
経済上の利点
先に概説した環境上の利点に加え、我々が提案している方法は、実験的な、または現在行われている同様の手法と比較したときに、いくつかの重要な経済上の利点がある。これらの利点の多くは、物質を可能な限り包括的に再利用する本プロセスの本質が循環的なものであるがゆえに自然と生じる結果である。
【０１９５】
最も明らかな利点は、やはり、燃焼により生じるＣＯ２の回収と再利用、および結果として空気中へのＣＯ２放出量が無くなることに基づくものである。環境上の明らかな利点だけでなく、この経済上の利点も、潜在的な経済便益という点で同等と見ることができる。世界中で、各国政府の間に、ＣＯ２排出量に対してトン当たりで相当額の賦課金を課そうとする傾向が強まりつつあり、それによって、従来の化石燃料火力発電所を稼働するコストはかつてなく押し上げられるであろう［２２］。ＣＯ２排出量に対する賦課金に加えて、地下層から化石燃料を採取するための費用も上昇し続けるであろう。化石燃料採取のために立ち入って操作しなければならない環境は厳しさを増しており、地中深くの高圧環境等においては、より高い技術レベルを要し、また、災害発生の可能性もさらに高い。また、政治的要因も関係する。すなわち、周知の石油およびガスの残りの埋蔵量の大部分が、非友好的かつあからさまな敵対関係にある体政の支配下にある国々におそらく存在しており、国家の将来的なエネルギー供給が脅かされている。これらの要因が組み合わされることにより、代替エネルギー源からの発電は、便利に確実に利用できる限りにおいて、ますます魅力的な選択肢となるであろう。
【０１９６】
よって、１つのアプローチは、エネルギー産業が再生可能エネルギーの大規模開発に対して、大いに自信を持って重点的に投資できる力を与えるものでなくてはならない。さらに、必要とされる技術の多くが、既に十分に理解されており、各エネルギー企業はその運用における専門的知識を有している。ＣＣＧT、パイプラインの建設および運用、および船舶タンカーによる移送は、すべて、よく発達した方法であり、数十年間に幅広く利用されている。既存のガスグリッドですら、必要なプロセスガスの一部またはすべてを移送するために改良の可能性があり、その結果、新しいネットワークをゼロから建設する費用を大きく節約しうる。
【０１９７】
別の主要な利点は、下流発電プラントの設計を普遍的で標準的なものとすることができうることであり、可能なタービンの大きさ（電力定格）の範囲で規模のみ変化するが、プラント設計は常に同じ青写真によるものとする。これによれば、燃焼する燃料の種類の範囲によって多岐にわたることが要求される現在のプラント設計の跡を継ぐものとなるだろう。よって、この単一の標準的な設計における効率性の最適化および建設運用費用を最小限に抑えることにおいて、包括的な研究開発努力を集中させることがさらに簡単になるであろう。したがって、新規のＣＣＧＴ発電プラントおよびその他の好適なプラントにかかる費用および建設時間が大幅に減少するであろうことが期待されるであろう。
【０１９８】
同様に、上流プラントプロセスの費用対効果を向上する可能性が大いにある。燃焼用のＯ２およびサバティエ反応用のＨ２が得られるＨ２Ｏの電気分解における向上はどれも、最も有益であろう。Ｈ２およびＯ２は多様な用途を有する物質であるが、Ｈ２Ｏの電気分解反応はこれらの物質を入手する単純なルートとなりうる可能性があるため、実際、この反応向上にむけて多くの研究が集中的に行われており［２５，２６］、最近の顕著な成果として、固体電解質の開発および高温電解質の研究の２つがある。
【０１９９】
その循環性により、本プロセスの下流セクションにおける効率向上は、全体効率の大きな向上に相当する。例えば、酸素燃焼ＣＣＧＴ効率が６０％から６５％に向上すると、これはＣＨ４およびＯ２の必要量のおよそ８％の削減に相当し、電気分解すべき水量がそれに応じて減少すること、および、下流／上流発電効率が１５％以上も上昇することを意味する。酸素燃焼技術はまだ初期の段階にあるので、今後大幅な向上を進めることが可能であるのは明らかである。本明細書において提案した概念が広く支持されれば、主要な研究が注力されるであろうことは必須であり、特にその場合に先の可能性は明らかである。
【０２００】
さらなる主要な利点は、本方法の自由度の高さであり、特に、プラントの上流セクションおよび下流セクションの場所について融通性が高い。各セクションは数１００マイル離れていてもよく、その間をパイプラインまたは船舶タンカー移送ネットワークでつなぐ。この場合、サーモガスおよびＯ２は上流拠点において代替エネルギー源から直接生成し、下流プラントに移送する。ここで、サーモガスおよびＯ２は、高電力需要時における燃焼で必要になるまで大型タンクに貯蔵されうる。このような構成によれば、下流プラントを地域電力需要の高いエリアの近くにはいちすることができ、需要点の近くでの適宜必要に応じて発電することが可能になる。人口集中地区の近くに下流プラントを建設することで、先に述べたＣＨＰ機構がさらに容易になり、出力した蒸気から地域熱供給を直接地域の人々に提供し、それによって、ＣＣＧＴ発電のみのプラントよりも相当高い効率を実現する。
【０２０１】
代案として、特に、再生エネルギー発電所が人口集中地区から特に遠くなく、または、全国電力網に隣接している場合は、プラントの上流セクションおよび下流セクションを一つの場所に統合することもできる。これは、サーモガスおよびＯ２を生成のピーク時の水準のまま電力需要のピーク時まで貯蔵する収容力に加えて、規模を縮小したパイプライン建設のみを必要とするために移送費用のほとんどすべてを回避できるという経済上の大きな利点を有する。
【０２０２】
さらに、本明細書において記載した統合の方法は、石油化学製品に選択肢を提供して従来の化石燃料源の代用品として利用可能にする。これらは、ＣＯ２排出量を規制可能な方法により実現できる。多孔質材料およびその他の同等品を作成する石油化学供給原料は、上述したような統合により、例えば、代替エネルギー源によって実現でき、これは、事実上、それらの原料となったＣＯ２を結果的に固定する（移動しないようにする）ことになる。最終的な廃棄の際は、例えば、埋め立てごみ処理地において、ＣＯ２は実質的に永久に固定される。排出ガスのない電力へ部分的に移行することにより、移送に必要な燃料を削減しうる。そのようなエネルギーを即適応しうるその最も明らかな典型が、鉄道輸送である。船舶輸送のような、大型動力装置を有する移送手段、例えば船舶輸送等を酸素燃焼型として、その排出ＣＯ２を蒸気と同様の方法、すなわち、排出ガスを冷却して水からＣＯ２を分離する方法で回収しうる。そのようなＣＯ２は、さらなるサーモガス生産用に返還することもでき、その代償として報酬が得られる可能性もある。車の動力装置等、小規模動力装置であっても、酸素燃焼型に変換し、その後ＣＯ２を回収しうるが、資本コストの上昇は阻害要因となりうる。航空機ジェットエンジン等を始めとする、燃焼に空気を依然として利用する動力装置の場合、再生可能エネルギーを用いたＣＯ２抽出に資金を供給するため、燃料に補足的な費用が加算されうる。
【０２０３】
よって、要約すれば、人類によって引き起こされている世界規模のＣＯ２排出の増加を防ぐ実用的な方法が可能となる。
【０２０４】
総括および今後の活動
以上、ガスを生産すること、およびそれに続いて、ガスをエネルギー貯蔵媒体として燃焼することを介して、ＣＯ２または硫黄系汚染物質および窒素系汚染物質を大気中に排出することなく、代替エネルギー源からの発電を確実かつ柔軟に行うことのできる方法および装置について述べた。ＣＣＧＴ生成プラントにおいて酸素燃焼を用いたこと、または燃料電池技術を用いたことにより、産業廃棄物のほとんどない、簡潔で効率的な循環プロセスにおいて、本発明の各態様をそれぞれ組み合わせることができる。本明細書において概説したアプローチは、再生可能エネルギー源の大規模開発と並行して実施すれば、我々の発電用化石燃料への依存性を大きく削減できる可能性があると私たちは信じている。本発明をさらに改良し最適化するためには、さらなる開発作業が目下要求されている。
【０２０５】
参考文献
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２１．Salter, S.H.; Taylor, J. R. M著「垂直軸型潮流発電機およびペントランド海峡（Vertical-axis tidal-current generators and the Pentland Firth）」, Proc. IMechE. 221 Part A: J. Power and Energy 295, 2006.
２２．PB Power著「発電のコスト−英国王立工学アカデミーによる研究についての論評（The cost of generating electricity - a commentary on a study carried out for the Royal Academy of Engineering）」, 2004.
【図１】
2015513531.tif 000009
【図２】
2015513531.tif 000010
【図３】
2015513531.tif 000011
【図４】
2015513531.tif 000012
【図５】
2015513531.tif 000013
【図６】
2015513531.tif 000014
【図７】
2015513531.tif 000015
【図８】
2015513531.tif 000016
【図９】
2015513531.tif 000017
【国際調査報告】
2015513531.tif 000018
2015513531.tif 000019
2015513531.tif 000020
2015513531.tif 000021
2015513531.tif 000022