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CN102712019B - 通过可再生能、材料资源和养分的一体化生产实现可持续经济发展 - Google Patents

通过可再生能、材料资源和养分的一体化生产实现可持续经济发展 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种可持续经济发展的系统和方法，例如通过可再生能、材料资源和养分的一体化生产实现发展。在一些实施例中，所述系统利用从可再生能源提取的资源来辅助能量从其他可再生能源的捕集。在一些实施例中，所述系统利用来自可再生能源的能量来从其他可再生能源提取资源。

Description

通过可再生能、材料资源和养分的一体化生产实现可持续经济发展
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年5月14日提交的标题为“SYSTEM AND METHODFOR RENEWABLE RESOURCE PRODUCTION”的美国临时专利申请号61/345,053、2010年2月13日提交的标题为“FULL SPECTRUM ENERGYAND RESOURCE INDEPENDENCE”的美国临时申请号61/304,403、2010年2月17日提交的标题为“ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OFUSE THEREOF”的美国专利申请号12/707,651、2010年2月17日提交的标题为“ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE THEREOF”的PCT申请号PCT/US10/24497、2010年2月17日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATIONDURING ELECTROLYSIS”的美国专利申请号12/707,653、2010年2月17日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLINGNUCLEATION DURING ELECTROLYSIS”的PCT申请号PCT/US10/24498、2010年2月17日提交的标题为“APPARATUS ANDMETHOD FOR GAS CAPTURE DURING ELECTROLYSIS”的美国专利申请号12/707,656、2010年2月17日提交的标题为“APPARATUS ANDMETHOD FOR CONTROLLING NUCLEATION DURINGELECTROLYSIS”的PCT申请号PCT/US10/24499和2009年8月27日提交的标题为“ELECTROLYZER AND ENERGY INDEPENDENCETECHNOLOGIES”的美国临时专利申请号61/237,476的优先权和权益。这些申请各自通过引用全文并入本文中。
背景技术
可再生能源如太阳、风、波浪、落水和生物质废弃物具有作为主要能源的巨大潜力，但目前遭遇着阻止其广泛采用的各种问题。例如，在电的生产中利用可再生能源依赖于所述源的可得性，其可能是断断续续的。太阳能受太阳可得性(即仅白天)的限制，风能受风的变化性的限制，落水能受干旱的限制，生物质受季节性变化的限制，等等。由于这些及其他因素，许多来自可再生源的能量(捕集或未捕集)倾向于被浪费掉。
对于世界上的许多地区，捕集和节省能量中的这些低效率限制了可再生能源成长为可行的能量提供者，因为低效率常常使得用可再生能源生产能量的成本高昂。因此，世界继续依赖于石油和其他化石燃料作为主要能源，因为政府对基础设施和技术开发超过一个世纪的资助使得当代人消耗化石资源产生可用能量似乎方便并看似廉价。有限的化石和可裂变燃料贮量的开采提供了错误的价值感，因为所耗资源的重置成本和环境退化成本以及所招致的健康影响未包括在这类能量的购买价格中。
过剩的电，特别是来自大型燃煤和核燃料中心发电厂的功率，构成隐形成本，包括重金属残余物有毒排放物的快速产生的相关环境污染问题和来自化石燃料燃烧的温室气体以及昂贵的长期存放放射性废弃物的需要。当前的公共设施配电系统涉及高的资本设备、维护和燃料成本以提供足够的容量来满足客户需要。
可再生资源的可持续生产和利用存在这些及其他问题。
附图说明
图1A为框图，示出了根据本公开的方面的一体化能量、农商和工业可持续经济发展的系统。
图1B为框图，示出了根据本公开的方面的可持续经济发展的一体化生产的系统。
图1C为示意图，示出了根据本公开的方面的可持续经济发展的一体化生产的基于陆地的系统。
图1D为示意图，示出了根据本公开的方面的可持续经济发展的一体化生产的基于海洋的系统。
图1E为框图，示出了根据本公开的方面的可持续经济发展的系统。
图2A为框图，示出了根据本公开的方面的用来自原料采集资源的系统的一些部件。
图2B为框图，示出了根据本公开的方面的用来从自所供给的原料采集资源的过程中的产物或副产物生成资源的系统的一些部件。
图3A-3F为框图，示出了根据本公开的方面的系统内资源生成部件的运行。
图4为框图，示出了根据本公开的方面的能量利用系统或利用来自可再生资源的能量。
图5为流程图，示出了根据本公开的方面使用所生成的资源利用能量的程序。
图6为流程图，示出了根据本公开的方面使用来自可再生能源的能量提取或生成资源的程序。
具体实施方式
相关申请的交叉引用
本申请通过引用全文并入2004年11月9日提交的标题为“MULTIFUELSTORAGE，METERING AND IGNITION SYSTEM”的美国临时专利申请号60/626,021(代理人案号69545-8013US)和2009年2月17日提交的标题为“FULL SPECTRUM ENERGY”的美国临时专利申请号61/153,253(代理人案号69545-8001US)的主题。本申请还通过引用全文并入如下与此同时于2010年8月16日提交的标题为“METHODS AND APPARATUSES FORDETECTION OF PROPERTIES OF FLUID CONVEYANCE SYSTEMS”(代理人案号69545-8003US)、“COMPREHENSIVE COST MODELING OFAUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FOR THE PRODUCTION OFENERGY，MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGIMES”(代理人案号69545-8025US)、“ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USETHEREOF”(代理人案号69545-8026US)、“SYSTEMS AND METHODS FORSUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATEDFULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY”(代理人案号69545-8041US)、“SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGHINTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLEMATERIAL RESOURCES”(代理人案号69545-8042US)、“METHOD ANDSYSTEM FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF SUPPLEMENTEDOCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION(SOTEC)”(代理人案号69545-8044US)、“GAS HYDRATE CONVERSION SYSTEM FORHARVESTING HYDROCARBON HYDRATE DEPOSITS”(代理人案号69545-8045US)、“APPARATUSES AND METHODS FOR STORING AND/ORFILTERING A SUBSTANCE”(代理人案号69545-8046US)、“ENERGYSYSTEM FOR DWELLING SUPPORT”(代理人案号69545-8047US)、“ENERGY CONVERSION ASSEMBLIES AND ASSOCIATED METHODS OFUSE AND MANUFACTURE”(代理人案号69545-8048US)和“INTERNALLYREINFORCED STRUCTURAL COMPOSITES AND ASSOCIATEDMETHODS OF MANUFACTURING”(69545-8049US)的每个美国专利申请的主题。
概述
本发明描述了一种用于向原料和其他输入施加可再生能以获得精制的可再生能和因此就从原料生产资源而论获得经济可持续性的系统。过剩的电，特别是来自大型燃煤和核燃料中心发电厂的功率，在很大程度上被浪费而构成另一经济问题，但本发明允许利用这样的过剩容量来产生可再生能、材料和养分。该解决方案将提高当前投资的回报率并刺激向可持续经济发展实践的过渡。示例性地，来自化石燃料或核燃料发电厂的过剩的电可以与可再生电互换地用以产生碳增强材料，以用于太阳能碟式发电机以及风轮机和水轮机，在其中，这样的增强碳从包括可再生源和化石源在内的源自烃例如甲烷提取。正在进行的利用风和流水自这类太阳能碟式发电机和涡轮机生产可再生电的产量通常比这类烃的一次燃烧所提供的高许多倍且高效满足客户需要的能力大大提高。
在资源(例如氢、氧、碳)的生产过程中，系统采用可再生过程，其自使用可再生能的资源提取捕集一些或全部资源和/或副产物并再投入系统中。在一些实施例中，系统使得实现氢、碳和其他资源的可持续生产。在一些实施例中，系统利用资源的可持续生产过程中并作为资源的可持续生产的结果的能量。在一些实施例中，系统允许通过精制投入系统中的可再生能输入并因此在系统内获得对原料、资源和其他物质的经济倍增效应而实现可持续经济发展。
附图中所示的许多细节、尺寸、角度、形状和其他特征仅为示例本公开的特定实施例。因此，其他实施例可以具有其他细节、尺寸、角度和特征而不偏离本公开的精神或范围。此外，本领域普通技术人员应理解，可以无若干下述细节地实施本公开的其他实施例。
整个说明书中提及的“一个实施例”指结合该实施例描述的特定特征、结构或特点包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的各处出现的表述“在一个实施例中”不一定都指同一实施例。此外，所述特定特征、结构或特点可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。此外，本文中给出的标题仅为方便之故而不应理解为要求保护的公开的范围或含义。
整个系统
图1A示出了全面一体化生产系统100，其由三个互相关联的系统组成，包括用于可再生能生产和材料资源提取的全面能量园200、用于可再生养分(人、动物和植物营养)和能量原料生产(生物质、生物废弃物和生物燃料)的全面农商网络300及用于可持续材料资源生产和零排放制造的全面工业园400。
图1A示出了系统100，其为系统200、300和400的综合体，以实现能量、材料和信息在这些系统之间的交换。系统100综合体、特别是系统200内的方法利用多个以热学方式连接的互相关联的热力发动机的热力学性质，这些热力发动机以热学方式连接形成热力学整体系统以有效地用作非常大的热力发动机，所述非常大的热力发动机能取得有利的提高的生产能力和效率。在系统100内，系统200专用于在太阳热、地热、海洋热和发动机热源之间取得协同联接以提高特定位置处总的可用的可再生能量输出以及向系统300和400提供能量和所提取的材料资源。
全面能量园200以热学方式连接以有效地用作单个大的热力发动机，使用以两阶段或更多阶段加热的工作流体，所述单个大的热力发动机的系统和子系统互相关联以建立能量级联。通过使工作流体在太阳热源、地热源、发动机热源和其他热源之间系统地移动以取得级联效应从而优化工作流体的热力学性质(例如温度、压力、纯度、相移和能量转化效率)，系统200总的可用的可再生能量输出得到增加。一个阶段的能量输出被再投入到另一个阶段的关键过程中，以便以再生或自生的方式运行，使得运行效率和经济性提高。
全面能量园200的作用包括：可再生能源如太阳、风、流水、地热、生物质和内燃机之间动能、热能和辐射能形式的采集、转化和储存，以在系统之间建立自生或再生能量级联，从而产生累积和协同的好处，这样的好处不能通过单单采集、转化和储存任何一种可再生能源获得。自生或再生能量的方法在系统200、300和400中实施。另外，系统200还用于用于系统300和400中的众多化学品的材料资源提取。例如，热化学再生被用作提取碳作为系统400处耐用品的后续制造生产的原材料(提取可在系统200、300和400中进行)的措施。再例如，热化学再生也可被用作提取氮和痕量矿物以供用于系统300中的植物肥料的后续制造生产的措施。另外，系统200还用于生物废弃物、生物质和生物燃料转化，通常以在系统200、300和400处获得生物甲烷气和/或氢气储存、输送和按需作为内燃机和/或燃料电池的燃料使用以进行发电和/或输电。
对太阳热、地热、海洋热和发动机热源的操纵为系统10在各种位置气候区域处的设施以及基于陆地和基于海洋的设施提供高度适应的一体化平台。提高位置适应性的工程因此将显著提高可再生能采集的总利用率，并因此为地方、区域、国家和全球经济提供经济上可行的解决方案。
系统300处的食物生产既可安置在陆地场所又可安置在海洋场所。作物农场、牲畜农场、大牧场、猪肉和鸡肉的工业生产设施、淡水渔业、海洋渔业、奶牛场等可被联接到系统200作为系统200中产生的能量的消费者，但继而产生废副产品，这些废副产品被引向系统200以转化为可再生能和可再生的材料资源。另外，系统300旨在提高这类生物燃料作物如藻类、柳枝稷等作物的能量原料生产，以提高基于光合作用的能量采集的可行性。用于水制取、净化和保持的方法和装置被用在生产系统200、300和400中的每一个中。但这些是系统300的重要组成部分，以满足食物生产中对大量水的需要以及克服文献记载的因常规食物生产操作所致的水浪费和水污染而无可持续性的问题。
系统一体化将提高“可持续性”能力——定义为使用可再生方法的能量、材料资源和养分的产量的增加，以避免天然资源的耗尽及减少或消除破坏性的环境影响，如作为生产的副产物的污染和毒物排放。可持续性需要对于后代人的长期福利(而不仅仅是当前的消费者的即刻的短期好处)而言可行的能量、材料和食物生产方法。
系统一体化可实现生产能力的提高，从而实现“经济可扩容性”——定义为能量、材料和食物产量的显著提高，这种提高由复制众多综合安装场所以及通过大大提高的对各种气候区域的适应性(即通过适应温带、热带和北极气候的不同资源特性而适应性地采集可再生能)而增大可用场所的数量的能力达到。需要这样的经济可扩容性来增加地球的承载能力，从而支持不断的快速人口增长和发展中国家快速增长的能量需求。为成功使用，这样的生产方法和场所必须是立即可用的，且同使用常规化石燃料和/或核能源比较起来，必须是能量、材料和食物的现有生产措施的经济上可行的替代物。
系统一体化还可实现能量生产200、材料生产400和食物生产300的零排放和零浪费方法，其中：系统300中产生的有机废弃物将被系统性地导入系统200中存在的生物质、生物废弃物和生物燃料转化系统中，而不是被燃烧、掩埋或倾倒在填埋场、蓄水层、溪流、海洋中或是作为污染物排放到大气中；系统200中的能量和材料资源提取被转到系统400以产生耐用品；系统200中的能量和材料资源提取还被转到系统300以为陆地和海洋上的人类、动物和植物生命产生养分。
系统一体化将创建单个经济生产单元，这样的经济生产单元有意识地将能量生产与食物生产和材料资源生产以这些功能作为相互依赖的整体运行的方式联接起来。
所述全面一体化生产系统因此适于安装在其中目前不存在相应的可再生能基础设施或者其中制造能力缺乏、失业是常态或者其中食物生产不足、贫穷和营养不良是常态的场所或居群中。引入这种一体化的经济生产方法的目标是实现提高国内生产总值(GDP)并随同GDP提高生活质量、及系统性地创造工作机会并随同有意义的就业而改善生活质量。
此外，系统一体化将创建单个经济生产单元，这样的经济生产单元有意识地将废弃物管理与能量转化操作联接起来，以便其作为相互依赖的整体运行，从而中断将导致污染和环境质量下降的燃烧、掩埋和倾倒掉的常规的废弃物操作。
所述全面一体化生产系统引入可持续的废弃物-能量转化的使用作为贯穿整个系统的一体化操作。该一体化系统的目标是保护自然环境、保存有限的自然资源、减少传染性疾病及减少土地、水和空气污染(包括减少推动气候变化的温室气体如甲烷和C02)。
所述全面一体化生产系统100提供了达到“生态工业”的措施，在“生态工业”中，人-系统生产环境模仿自然生态系统：其中在系统和废弃物之间的能量和材料流以闭环方式成为新过程的输入，而整个系统对太阳(太阳热)、地球(地热)、海洋(海洋热)和生物质转化(发动机热)系统所提供的可再生可持续能量开放。
图1B为框图，示出了可持续经济发展的全面一体化生产系统100，其包括能量(例如电和燃料)的生产，同时包括养分(例如用于人、动物或植物营养的产品)的生产和材料资源(例如氢和碳)的生产。系统100由一体化并相互依赖的子系统组成，所述系统100具有自生级联能量转化的适应性控制，其捕集和再投入各个子系统的一些或全部能量、物质和/或副产物。因此，系统100的不断运行得以持续，而仅需引入极少的外部能量或材料资源或者无需引入外部能量或材料资源。系统100为生态工业的一个实例，其将促进可持续经济发展，例如利用可再生能、生产食物及生产材料资源，这样的能量、食物和材料资源产量高于使用常规技术可获得的，此外还有其他好处。
全面能量园200使从可再生源210(例如太阳、风、流水、地热、排出热)捕集能量的方法与从可再生原料220(例如生物废弃物320、生物质310)产生能量的方法以及生产材料资源(例如氢230、碳240、其他材料资源如痕量矿物250、纯水260)的方法相协作。能量用自生级联能量转化的适应性控制方法储存、回收和输送，所述方法在能量生产中产生倍增效应。在能量采集和生产过程中，材料资源(例如氢和碳)从可再生能的生产中使用的生物废弃物和生物质原料中提取。全面能量园200储存、回收、输送、监测和控制所述能量以及所述资源以在能量、材料资源和养分的生产中获得提高的效率。
所产生或采集的能量210、220中的一些被提供给全面农商网络300。所产生的能量210、220中的一些被提供给全面工业园400。所产生的能量210、220中的一些被再投入于全面能量园200。所产生的能量201、220中的一些被提供给外部接受者和/或加到国家电网和/或国家天然气管网道。
全面农商网络300接收全面能量园200所产生的可再生能以为农业、畜牧业和渔业子系统的运行提供动力。这包括用于农场设备、车辆、小船和轮船的可再生燃料以及用于光、热和机械设备的电等。
全面农商网络300接收全面能量园200所产生的材料资源和副产品如其他材料资源(例如痕量矿物250)及纯水260，以富集农业、畜牧业和渔业子系统中的养分并提高植物作物340和动物作物350的生产中的效率。
全面农商网络300采集能量原料并将其供应给全面能量园200以用在可再生能的生产中。合适的原料包括生物质310(例如作物废材)、生物废弃物320(例如污水、农业废水、肉类加工废弃物、渔场排出物)、生物燃料原料330(例如藻类、柳枝稷)等。
全面工业园400使用全面能量园200所产生的可再生能，以为可持续材料资源生产和零排放制造的运行提供动力。这包括用于内燃机(例如固定式发动机、车载式)的可再生燃料和用于光、热、机械设备的电等。
全面工业园400投入自全面能量园200接收的材料资源230、240和副产品250，以产生其他材料资源(例如设计碳420和工业金刚石430)。
全面工业园400使用自全面能量园200接收的材料资源和副产品以制造产品如基于碳的绿色能量机器410，包括太阳热装置410、风轮机410、水轮机410、电解器410、内燃机和发电机410、汽车、轮船和卡车部件440、半导体450、纳米技术产品460、农业和渔业设备470等。
全面工业园400向全面能量园200和全面农商网络300提供这些产品和副产品中的一些或全部。
全面能量园200使用全面工业园400所生产和提供的太阳热装置410、风轮机410、水轮机410、电解器410、内燃机和发电机410等，以产生可再生能。
全面农商网络300使用全面工业园400所生产和提供的内燃机和发电机410、农业和渔业设备470及其他装置，以产生养分。
全面一体化生产系统100所产生的能量为所有子系统提供动力，包括再投入能量以推动可再生能的进一步生产。同时，系统100中所产生的产品和副产品中的一些或全部被投入所有子系统的运行中。同时，系统100所产生的废弃物被捕集并用作所有子系统的运行的原料。一体化并相互依赖的子系统采用适应性控制来管理自生级联能量转化和材料资源的自生再生。因此，所述系统不断地向子系统(能量园、农商网络、工业园)的不同的源和过程中再投入可再生能、可持续材料资源和其他副产品。这样，系统100可利用比用常规措施可获得的量要大的自系统内各种资源所供应的能量和资源。这种工业共生在自系统内的可再生原料和副产品源采集的各种资源和能量的量上产生倍增效应，从而增加价值，降低成本并改善环境，此外还有其他好处。
图1C为全面一体化生产系统100的示意图，示出了基于陆地的系统的各种示例性功能区；图1D为全面一体化生产系统100的示意图，示出了基于海洋的系统的各种示例性功能区。所示系统包括具有级联能量转化适应性控制和材料资源自生再生及养分生产的陆上或海洋上一体化生产系统。该系统包括出于自可再生源采集和/或生成能量及自可再生原料采集材料资源的目的的功能区，所述功能区储存、回收、输送、监测和控制能量和材料资源以在能量、材料资源和养分的生产中获得提高的效率。下表1进一步阐述了伴随所示功能区的示例性输出、系统和措施。
表1：全面一体化生产系统功能区
图1E为框图，示出了根据本公开的方面的可持续经济发展例如资源(如氢和碳)生产的另一系统102。系统102捕集使用可再生能源提取资源的过程中的一些或全部物质和/或副产物并再投入所述一些或全部物质和/或副产物。因此，系统有利于可持续经济发展，例如可再生能的利用，该利用大于用常规技术利用可再生能，此外还有其他好处。
原料源104向系统102供给原料。原料可以是任何包含氢或碳的材料或物质。合适的含碳或含氢原料包括生物质、生物废弃物、煤、石油、天然气、轮胎、塑料、尿布、森林废材、医院废弃物、海洋残渣、海水、工业废水、农业废水、污水、填埋场废水等。在一些情况下，系统可以接收含氮原料118，例如空气。
提取部件110自原料源104接收原料118。提取部件被构造为从原料提取资源或其他物质或者将原料分离成不同的物质。在一些情况下，提取部件110将所供给的原料解离成含碳物质、含氢物质、各种养分和/或灰分。提取部件110可以用各种解离、提取或分离技术从所供给的原料提取资源，这些技术包括：
热解离，其可包括向一种或多种物质加热以产生反应；
电解离，其可包括伴随或不伴随物质分离的电解、电渗析、电分离等；
光解离，其可包括使用选定的波长来解离化合物或解聚聚合物；和
磁解离或分离，其可包括铁磁解离、顺磁解离、磁流体动力学加速、物质的磁场偏转等。
关于合适的提取、解离和/或分离过程和技术的其他细节可见于优先权文件：2010年2月17日提交的标题为“ELECTROLYTIC CELLAND METHODOF USE THEREOF”的美国专利申请号12/707,651、2010年2月17日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATIONDURING ELECTROLYSIS”的美国专利申请号12/707,653、2010年2月17日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FOR GAS CAPTUREDURING ELECTROLYSIS”的美国专利申请号12/707,656；其通过引用全文并入本文中。
在一些情况下，提取部件110用自外部或内部电源106接收的电将原料解离成各种物质。合适的外部电源的实例包括可再生资源(太阳/光伏源、太阳/热源、风源、地热源等)或不可再生源(柴油发电机、天然气发电机、燃煤或核动力发电机)。合适的内部电源的实例包括内燃机、燃料电池、热电装置、压电装置等。一些或全部电源可以被构造为自系统的各种部件接收副产物或其他物质以为提供给提取部件110的电的生成供给燃料或辅助提供给提取部件110的电的生成。
在一些情况下，提取部件110用自可再生能源108接收的能量将原料解离成各种物质。合适的可再生能源的实例包括太阳能集中器(例如本文中描述的那些)和其他太阳能源、流水能源和/或风能源。
在一些情况下，提取部件110利用自电源106和可再生能源108二者接收的能量来辅助原料向各种所需物质的解离。在解离过程中，提取部件还可以改变施加到原料的热和/或压力。
提取部件110将所供给的原料解离成各种产物或副产物112，包括二氧化碳(CO2)151、一氧化碳(CO)152、氢(H2)153、水(H2O)154、甲烷(CH4)155、灰分156和/或其他物质(未示出)。使用各种产物112，系统生成所需的资源116，例如碳171、氨176、肥料177、氢174、甲醇173、氧172等。
系统102向各种资源生成部件160供给各种产物或副产物112，以生成所需的资源116。这些资源生成部件160包括：
被构造为自二氧化碳151生成氧172和碳171(例如设计碳)的资源生成部件161；
被构造为自二氧化碳151或一氧化碳152和氢153生成甲醇173的资源生成部件162；
被构造为自甲烷155生成氢174和碳171的资源生成部件163；
被构造为自氢153和氮175生成氨176的资源生成部件164；
被构造为自氨176和灰分156生成合适的肥料177的资源生成部件165；和/或其他资源生成部件(未示出)。
关于资源生成部件的运行的其他细节将结合图3A-3F讨论。
除使用产物或副产物112生成资源外，系统102还可以储存或以其他方式利用产物112或所生成的或所需的资源116。在一些情况下，系统经由管道181将甲烷155转移到地热储存源180。甲烷的储存和随后的回收可使得系统能够获得能量，例如通过热增益182、化学增益183和/或载体增益184，以产生某些溶剂185如甲醇、氨和/或水。
示例性地，通过将含碳的物质110转化为碳增强材料和用于各种应用的部件提供了可持续经济发展，所述应用包括利用可再生的太阳、风、流水和/或地热资源的设备。碳作为设备部件的这种应用提供的能量生产比这类碳的一次燃烧所提供的能量生产高许多倍。在其他情况下，这类碳被转化为运输设备部件，其比铝轻而比钢强，从而减轻车辆自重并改善燃料经济性和减少不利排放。在其他应用中，碳可被特制成散热器和传热部件，就相等的横截面积而论，其将比铜传导更多的热，从而减轻重量并增大适宜的操作温度的范围。在众多其他应用中，特制的碳沉积物和/或涂层将为视觉上为黑色的或选择性表面提供金刚石样硬度和耐腐蚀性等好处。
事实上在提取碳以结合进耐用品中的所有情况下均共同产生氢。氢通过源化合物如甲烷的解离产生潜在地是非常低成本的。这是因为从大多数烃提取氢所需的能量远低于通过热、电、辐射或磁分离技术解离水产生氢所需的能量。
通过在世界现有的约十亿台发动机中使用氢，可持续经济发展的潜力将得到发挥，因为从汽油或柴油燃料向用氢运行的这种转变的适宜技术将为先前为购买这样的发动机所作的投资提供高得多的回报率。通过美国专利申请号12/653,085、美国专利申请号12/841,170、美国专利申请号12/804,510、美国专利申请号12/841,146、美国专利申请号12/841,149、美国专利申请号12/841,135、美国专利申请号12/841,509和美国专利申请号12/804,508中公开的技术转化为用氢运行的发动机可在需要时产生更多的功率、持续更长的时间且需要的维护更少，并实际上净化进入其燃烧室的空气。
因此，通过降低每马力-小时的燃料成本、提高功率-生产能力、降低维护成本和实际上净化空气而提高现有发动机投资的回报率将可以使资金可用于采购碳增强设备以利用可再生资源。随着可再生的太阳、风、流水和地热资源被利用，这为反通货膨胀经济发展提供了不断增大的商品和劳务生产能力。与之类似，因这种从对化石燃料和废弃物处置实践(如意在数十年地限制必要的痕量矿物、供硫体和固定氮的填埋)的依赖的转换，将提供用于生物质和食物生产的可再生养分。
在一些情况下，系统将氢174转移至储存器191或至一个或多个能源190。例如，氢174可以为内部电源106例如用来辅助原料解离的发动机或燃料电池供给燃料。
因此，系统102使用可再生资源和可再生能来产生比用常规过程将产生的具有更大经济价值的精制的可再生资源和能量，此外还有其他好处。系统以可持续、无污染和非耗尽的方式使用该精制的可再生资源和能量来采集新的可再生资源和能量。也就是说，系统通过不断地向系统中例如向可再生能源和系统内的各种过程中再投入资源而对供给系统的资源获得经济倍增效应。
例如，系统102自供给的生物质解离甲烷和氢，自所述甲烷和氢采集可再生能量和资源如碳，并使用所述碳来采集更多的生物质和甲烷以采集更多的碳和氢，等等。因此，系统从供给的能源取少量的资源如氢并不断地将该资源、其他资源和其他副产物再投入不同的能源和过程中，以从系统内的各种资源捕集更大量的所供资源。这导致自系统内可再生能源采集的各种资源和能量的量的倍增效应，从而导致来自可再生能源的资源和能量的可持续经济发展，此外还有其他好处。
示例性地，可使氢与自源如面包店、啤酒厂、水泥厂或火电厂释放的二氧化碳反应以产生各种物质，包括溶剂如甲醇、乙醇、丁醇或四氢呋喃。这样的物质可以用来提供氢的紧凑储存和运输，包括用作溶解广泛的极性和非极性材料的溶剂的多功能用途。自枯竭的石油和天然气井的储存回收这类溶剂可实现可再生热能以及烃的提取，这些烃否则将无法从这类井采出。因此，通过利用现有的管道和基本上枯竭的烃地层，提供了可再生氢的巨大储存能力。
在运行中，能量转化循环可与矿物提取有益效果相结合。液体储氢溶剂被递送到以地热方式升温的地层中。在一个实施例中，液体被返回到地表以提取溶解的价值和转化通过以地热方式加热的蒸气的膨胀所递送的能量。在一些情况下，需要在溶剂的临界温度和压力附近或之上运行所得回路的一部分。在另一实施例中，柱高所提供的压力和/或液体因热增益而气化所产生的压力可以在储存深度处或附近被利用。在提取所需的矿物价值和能量后，冷却蒸气以通过向空气或水或系统内的其他物质排热而提供液体。流体如如此产生的液体冷凝物被用来继续选定的从地热地层提取能量和矿物价值的过程。因此，该过程提供了可再生能生产以及附加的氢、材料和可用作供碳体以制造用来利用可再生能资源的设备的原料的供给的倍增效应。
使用可再生能来产生资源
本发明人已认识到，在资源提取过程中利用可再生能源使得系统可以经济地保持和生成资源、原料及其他进入或离开系统的物质。图2A为框图，示出了用来自原料采集资源的系统102的一些部件201。系统102利用能源108(例如可再生能源)和电源106来辅助从由原料源110供给的原料采集所需的资源。采集部件，例如图1的提取部件110，从由原料源110供给的原料采集各种物质或产物112。
使用本文中描述的各种部件和过程，系统102可以采集物质用于许多不同的用途，包括采集以向电源106或可再生能源108供给燃料的物质202(例如以为燃料电池或太阳能集中器提供燃料)、采集以转移出系统的物质204(例如以在外部使用、以储存等等)和/或采集以向原料源110供给更多原料的物质206。
图2B为框图，示出了用来从自所供给的原料采集资源的过程中的产物或副产物生成资源的系统102的一些部件210。产物112被供给资源生成部件114，资源生成部件114利用自电源106或可再生能源108接收的能量来生成一种或更多种资源116。
使用本文中描述的各种部件和过程，系统102可以生成资源用于许多不同的用途，包括采集以向电源106或可再生能源108供给燃料的资源212(例如以为燃料电池提供燃料或在太阳能集中器系统的夜间运行过程中提供工作流体或燃料)、采集以转移出系统的资源214(例如以在外部使用、以储存等等)和/或采集以向资源生成部件160供给物质以便生成资源的物质216。
如上面所讨论的，系统利用多种资源生成部件160以提供所需资源的可持续生产。图3A-3F为框图，示出了系统110内资源生成部件160的运行。
图3A示出了资源生成部件161，其被构造为自二氧化碳151生成氧172和碳171(例如设计碳)。资源部件161利用来自电源106和/或可再生能源108的能量进行各种过程310，例如如图所示解离供碳体如二氧化碳或一氧化碳以提供碳和氧。在运行中，这类供碳体以流体例如气体或液体供给热输入区，例如在所示具有逆流交换的螺旋输送机中供给集中太阳辐射的能量加入区以提供热和/或辐射诱导的吸热解离，如方程式310或310′中一般性地归纳的：
CO2+能量→C+0.5O2    方程式310
CO+能量→C+0.5O2     方程式310’
图3B示出了资源生成部件162，其被构造为自二氧化碳和/或一氧化碳152和氢153生成甲醇173。资源部件162利用来自电源106和/或可再生能源108的能量进行各种过程320，例如为例如方程式320和320′中所归纳的那些示例性过程进行反应物的加压：
CO+2H2→CH3OH         方程式320
CO2+3H2→CH3OH+H2O    方程式320’
在运行中，这样的加压可以通过各种供氢体例如水或烃或另一选定化合物的解离提供，其中防止所产生的氢的体积膨胀，以便产生所需的压力来促进例如方程式320和320′中所示的反应。
图3C示出了资源生成部件163，其被构造为自甲烷155生成氢174和碳171。资源部件163利用来自电源106和/或可再生能源108的能量进行各种过程330，例如引起例如方程式330和330′中所归纳的解离的热、电和/或磁能转化过程：
CH4+能量→C+2H2          方程式330
CxHy+能量→xC+0.5y H2    方程式330’
图3D示出了资源生成部件164，其被构造为自氢153和氮175生成氨176。资源部件164利用来自电源106和/或可再生能源108的能量进行各种过程340，例如Haber-Bosch过程。一个实施例提供了自物质的混合物选择性地接纳和运输氢，以使这样的氢如上面通过引用并入的同时提交的申请中所公开的那样在递送接口处或附近与氮反应，其通过在发动机中燃烧过剩的氢而提供氮从源例如环境空气的截存。方程式340归纳了大气氧与过剩的氢化合以产生可分离的水和氮气流的过程。
空气+H2→H2O+N2+H2+氩气    方程式340
H2+N2+氩气→NH3+氩气       方程式340’
在运行中，空气进入发动机的燃烧室，所述发动机可以驱动载荷如泵或发电机。过剩的氢被用以通过形成水蒸汽来耗尽燃烧室中的氧，所述水蒸汽随后冷凝或通过压力摆动或温度摆动介质从排出气流中移除。其他组分如氩气浓度低得多的剩余氮气排出气流被加压并提供以与氢反应以产生氨，如方程式340′所归纳的。氨通过冷凝分离或在温度摆动或压力摆动系统中与价值如氩气的收集一道由介质收集。
图3E示出了资源生成部件165，其被构造以自氨176和灰分156生成肥料177。资源部件165利用来自电源106和/或可再生能源108的能量进行各种过程350，例如在一个示例性的实施例中，氨与二氧化硫和水如方程式350中一般性地归纳的那样反应以产生硫酸铵，该方程式未配平：
NH3+SO2+H2O→NH4SO4    方程式350
在运行中，合适的反应器提供硫源如合适的硫的氧化物(包括二氧化硫)在水和氧的存在下的反应。通过利用过剩的氨，将获得有吸引力的转化速率。进行土壤或溶液培养流体试验来确定对添加矿物如磷、钾、铁、锰、镁、钙、硼、硒、钼等的需要并提供具有这类添加物的合适配方。
当然，系统可以利用其他资源生成部件或其他过程来产生系统所用的资源。
使用提取的资源利用来自可再生能源的能量
如本文中所讨论的，系统102利用本文中所述的一些或全部部件以生成所需的资源，例如氢或碳。系统使用这些资源实现各种目的，包括使用所生成的资源来利用来自可再生能源的能量。图4为框图，示出了用于利用来自可再生资源的能量的能量利用系统400。
能量利用系统400包含可再生能源410，例如太阳能源、风能源、地热能源、流水能源等。可再生能源410向能量部件420提供能量，能量部件420促进来自可再生能源410的能量的利用。能量部件420自资源部件430接收一种或多种资源。资源部件430可以是系统102的各种部件，包括提取部件110、一种或多种资源生成部件114、管道180、储存/运输部件191和/或其他部件。
在一些情况下，能量部件420向可再生能部件410提供资源部件430所供给的资源，使得可再生能部件可以利用比无供给的资源时所利用的更大量的能量。图5为流程图，示出了使用所生成的资源利用能量的程序500。
在步骤510中，能量利用系统400向资源部件430中接收资源。例如，能量利用系统400可以是系统102的一部分并自提取部件110(即在原料解离后)或自一种或多种资源生成部件114接收资源。
在步骤520中，能量利用系统400可能经由能量部件420向可再生能源410供给所接收的资源。例如，系统400向可再生能源供给一种或多种资源，所述资源可以用作燃料或者增强在可再生能源410处发生的反应。
在步骤530中，可再生能源410使用所供给的资源利用能量。在能量捕集过程中，可再生能源可以采纳或以其他方式利用资源以利用比无供给的资源时所捕集的更大量的能量。
例如，能量利用系统400可以通过向太阳能收集器供给氧、燃烧氧以提升太阳能收集器聚焦于其中接收太阳能的热区的温度、并自热区捕集能量而促进太阳能收集器处太阳能的利用。关于通过向可再生能源供给可再生资源来利用能量的进一步详情可见于上面引用并并入的共同待决申请中。
在一些情况下，可再生能部件410向资源部件430提供能量以促进资源的提取或生成。图6为流程图，示出了使用来自可再生能源的能量提取或生成资源的程序600。
在步骤610中，能量利用系统400自可再生能源接收能量。例如，系统可以自太阳能源、风能源、流水能源等接收能量。所接收的能量可以是自所述源收集的能量，或者可以是自从可再生能源接收能量的其他资源收集的能量。
在步骤620中，能量利用系统400向提取部件或资源生成部件供给能量。例如，系统400可以向提取部件供给能量，所述提取部件例如进行电解以从原料分离氢和氧的提取或解离部件140。
在步骤630中，能量利用系统400用所供给的能量提取或生成资源。提取部件110或资源生成部件114可以采纳或以其他方式利用所供给的能量，来控制或以其他方式影响提取或生成过程，例如物质的电解或燃烧。
例如，能量利用系统400可以通过向电解电池的电极供给自太阳能源收集的电而促进电解电池中氢和氧自水的生产，所述电在电极间施加电压而使水解离成氢和氧。关于使用可再生能源提取或生成资源的进一步详情可见于通过上面的引用并入的共同待决申请中。
如本文中所讨论的，能量利用系统400内利用的能量和/或资源可以被系统102用以进行系统102的一些或全部过程，从而产生所需的资源。例如，系统102可以接收用能量利用系统400提取的氢，使一些氢与空气燃烧以生成水和氮，并使一些氢与所生成的氮反应以产生氨或氨衍生物。又如，系统102可以接收用能量利用系统400提取的氢并使氢与所生成的碳反应以产生甲烷。又如，系统102可以接收用能量利用系统400提取的氢并使氢与碳的氧化物反应以产生碳、氢和氧的资源。
因此，通过向资源提取/生成部件提供能量，其继而向可再生能源供给资源，系统以可持续的方式利用能量。这样的循环行为使得实现更高的资源产量、更大量的能量采集和集中在资源的可再生生产和能量的可再生利用或捕集上的可持续经济发展，此外还有其他好处。
本文中描述的各种方法、部件和系统以互相关联并可持续的方式同时产生系统的可再生物(例如能量、材料资源和养分)。与来自常规系统的产率相比，这样的互相关联的生产有助于提高资源和能量的产率，因为这样的系统更高效地利用了资源。所述高效利用使得更大量的能量从可再生能源(例如太阳、风、水)捕集到并因此带来更大的经济发展。
结语
除非上下文中明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包含”等应理解为包括意义而不是排外或详尽意义；也就是说，意义为“包括但不限于”。使用单数或复数的词语也分别包括复数或单数。当权利要求书在提及两个或更多个项目的列表时使用了词语“或”时，该词语涵盖词语的所有如下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目和列表中的项目的任意组合。
上面描述的各种实施例可组合以提供其他实施例。本说明书中提及和/或申请书资料表中所列所有美国专利案、美国专利申请公开案、美国专利申请案、外国专利案、外国专利申请案和非专利出版物均通过引用全文并入本文中。如果需要，可以修改本公开的方面以采用具有不同构造的燃料喷射器和点火装置以及不同专利案、申请案和公开案的原理来提供本公开的其他实施例。
可依照上面的详细描述对本公开作这些及其他改变。通常，在附随的权利要求书中，所用的术语不应理解为将本公开限制于本说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而应理解为涵盖按权利要求书运行的所有系统和方法。因此，本发明不受所述公开的限制，而是，其范围由附随的权利要求书广义地确定。

Claims (33)

1.一种实现可持续经济发展的系统，所述系统包括：
提取部件，其中所述提取部件被构造为自生物质提取碳；和
第一能量部件，其中所述能量部件被构造为使用所提取的碳利用来自可再生能源的能量；
所述系统包括：
原料部件，其中所述原料部件被构造为向所述系统中提供原料；
用于自所提供的原料提取所需资源的资源提取子系统，其中所述资源提取子系统包括：
分离部件，其中所述分离部件被构造为自所提供的原料分离所需的资源；和
第二能量部件，其中所述第二能量部件被构造为向所述分离部件提供能量以辅助所需的资源自所述原料的分离；
附加资源生成子系统，所述附加资源生成子系统用于在从所述原料分离所需的资源后自所述分离部件内的副产物生成附加资源，其中所述附加资源生成子系统包括：
副产物接收部件，其中所述副产物接收部件被构造为接收自所述原料分离所需资源的一种或多种副产物；
其中，所述能量部件被构造为提供能量以将所述副产物接收部件中的所述一种或多种副产物转化为附加资源；
其中所述原料部件向所述系统中提供含碳物质；和
其中所述分离部件自所提供的含碳物质解离碳。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一能量部件被构造为自所述可再生能源利用量大于自使用燃烧发动机、燃料电池或热电元件氧化所提取的碳而利用的能量的量的能量。
3.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：
副产物部件，其中所述副产物部件被构造为：
使用所述可再生能源和由所述提取部件自所述生物质提取的一种或多种不基于碳的物质生成副产物；和
向所述可再生能源提供所生成的副产物。
4.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：
副产物部件，其中所述副产物部件被构造为使用所述可再生能源和由所述提取部件自所述生物质提取的一种或多种不基于碳的物质生成副产物。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述提取部件包括被构造为以热的方式使所述生物质脱氢的解离部件。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述提取部件包括被构造为以电的方式使所述生物质脱氢的解离部件。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述提取部件包括被构造为以光的方式使所述生物质脱氢的解离部件。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述提取部件被构造为在自所述生物质提取碳的过程中从所述第一能量部件接收能量。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述可再生能源为太阳能集中器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述可再生能源为流水能源。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述可再生能源为风能源。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述分离部件为进行热解离以自所提供的原料分离所需资源的解离部件。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述分离部件为进行电解离以自所提供的原料分离所需资源的解离部件。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述分离部件为进行光解离以自所提供的原料分离所需资源的解离部件。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述分离部件为进行磁解离以自所提供的原料分离所需资源的解离部件。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述资源提取子系统的所述第二能量部件为可再生能量部件。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述资源提取子系统的所述第二能量部件为太阳能集中器。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述资源提取子系统的所述第二能量部件为流水能源。
19.根据权利要求1所述的系统，其中所述资源提取子系统的所述第二能量部件为风能源。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述副产物包括二氧化碳，所述附加资源包括氧和碳。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述副产物包括一氧化碳和氢，所述附加资源包括甲醇。
22.根据权利要求1所述的系统，其中所述副产物包括甲烷，所述附加资源包括氢和碳。
23.根据权利要求1所述的系统，其中所述副产物包括氢，所述附加资源包括氨。
24.根据权利要求1所述的系统，其中所述副产物包括灰分，所述附加资源包括肥料。
25.一种实现可持续经济发展的方法，所述方法包括：
自原料解离两种或更多种物质，其中所述自原料解离两种或更多种物质包括自可再生能源提供能量以辅助进行所述解离；和
使用所述可再生能源自所述两种或更多种解离的物质中的至少一种提取碳；
其中所述解离的物质中的一种不含碳，所述方法还包括：向所述可再生能源提供所述一种不含碳的解离物质以生成甲醇。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述至少一种解离的物质包括二氧化碳。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述至少一种解离的物质包括一氧化碳。
28.根据权利要求25所述的方法，其中所述至少一种解离的物质包括甲烷。
29.根据权利要求25所述的方法，所述方法还包括：
向所述可再生能源提供所述两种或更多种解离的物质中不含碳的一种。
30.根据权利要求25所述的方法，所述方法还包括：
当所述两种或更多种解离的物质中的一种为氢时，向所述可再生能源提供所述氢。
31.根据权利要求25所述的方法，其中所述解离的物质中的一种不含碳，所述方法还包括：
向所述可再生能源提供所述一种不含碳的解离物质以生成甲醇。
32.根据权利要求25所述的方法，其中所述解离的物质中的一种不含碳，所述方法还包括：
向所述可再生能源提供所述一种不含碳的解离物质以生成氨。
33.根据权利要求25所述的方法，其中所述解离的物质中的一种不含碳，所述方法还包括：
向所述可再生能源提供所述一种不含碳的解离物质以生成肥料。
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