JP6092426B2 - 太陽放射から利用される合成ガス生成セルによる、二酸化炭素の炭化水素燃料への変換 - Google Patents

Description

本発明は、廃ガスの捕捉および廃ガスの炭化水素燃料への変換のためのプロセスおよびシステムに関する。より具体的には、本発明は、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を捕捉し、続いて、太陽エネルギーを利用して、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏを炭化水素燃料に変換するためのプロセスおよびシステムに関する。

発電のための化石燃料の使用は、ますます問題になっている。第一に、世界中の石油埋蔵量が減少しているにもかかわらず、石油消費量は増加している。例えば、サウジアラビアの石油の発電による国内消費量は、２０２８年までに８百万バレル／日になると予想され、それは、輸出に使用可能な量の減少を意味する。第二に、大気質に関する懸念は、炭素排出量の減少を目的とする炭素税などの厳重な規制をもたらし得る。

サウジアラビアの十分な量の太陽放射エネルギーを考えると、太陽熱貯蔵と一体となったソーラーパワー捕捉は、両方の問題に対処する機会を示す。従来の太陽熱貯蔵および捕捉システムは、太陽光発電および太陽熱システムを含む。

太陽光発電は、シリコンまたは有機ソーラー材料などのある特定の物質の光起電力効果によって、太陽エネルギーを電流に変換する。太陽光発電は、資本集約的であるが、例えば、住宅、外灯、幹線道路の標識などの小規模の電気生成に優れている。電力供給網に寄与するようなより大型のシステムに対して、太陽熱システムまたは集中型ソーラーパワー（ＣＳＰ）システムが好ましい。既存のＣＳＰシステムとしては、例えば、線形フレネル反射器システム、トラフ型システム、ディッシュ型システム、およびタワー型システムが挙げられる。

ＣＳＰシステムは、ヘリオスタットを使用して、太陽放射エネルギーを熱エネルギーに変換する。ヘリオスタットは、それらが日中、日光の動きを追跡するように軸を中心に移動するように載置される、典型的には平面の鏡である。ヘリオスタットは、太陽放射（日光）を受光器に集中させ、受光器は、作動流体を加熱するために、太陽放射からの熱エネルギーを使用する。水（Ｈ_２Ｏ）または溶融塩などの熱伝導流体である作動流体は、ヘリオスタット／受光器システムを出て、そこで、ヘリオスタット／受光器システムは、蒸気を生成するためにＨ_２Ｏと熱を交換する。Ｈ_２Ｏが作動流体である場合、蒸気は、加熱された作動流体から直接生成される。蒸気は、蒸気タービンを作動させ、それは、電気を生成するために発電機を駆動する。

全てのＣＳＰが同じ基本的原理で動作し、違いは、ヘリオスタットの形状および配置、ならびに受光器に対するヘリオスタットの空間関係にある。例えば、線形フレネル反射器システムにおいて、ヘリオスタットは、鏡の長く平面の軌道である。受光器は、鏡より上の空間で固定されたチューブである。トラフ型システムは、放物面鏡、および反射器の焦線に沿って位置付けられたチューブを使用し、多数の反射器を必要とする。ディッシュ型システムＣＳＰもまた、放物形反射器を使用し、鏡で覆われた大型パラボラディッシュは、日光を、鏡の焦線に沿って位置付けられたディッシュ上に載置された受光器に方向付ける。ディッシュ型システムＣＳＰは、他のＣＳＰシステムと比較して、比較的わずかな電気を生成する。タワー型システムＣＳＰは、典型的には列になって配置される多数のヘリオスタットを採用する。受光器は、高いタワーの頂部にあり、ヘリオスタットは、太陽エネルギーを受光器に集中させる。タワー型ＣＳＰは、最大で２００メガワットの電気を生成することが可能である。

大量の電気を生成する能力に加えて、太陽光発電に優る太陽熱システムの別の利点は、作動流体中に熱エネルギーを貯蔵する能力である。作動流体は、熱エネルギーが電気生成に必要になるまで、タンク中に貯蔵されてもよい。したがって、夜間や暴風雨の時など、直射日光がない場合でさえ、生成が可能になる。それでもなお、貯蔵に必要なタンクのサイズおよび最終的な熱損失によって、作動流体の貯蔵は長期的な解決策ではない。したがって、熱エネルギーの燃料への変換は、魅力的な代替方法である。

ＣＯ_２の大気中への排出は、ますます非難を浴びている。炭素捕捉技術は、廃ガスからＣＯ_２を除去し貯蔵する一方法として研究されている。炭素捕捉技術は、捕捉技術が燃焼後、燃焼前、またはオキシ燃料燃焼であるかどうかに関して大きく分類される。燃焼後技術は典型的には、廃ガス流からＣＯ_２を吸収するために溶媒を使用し、次いで、溶媒流から吸収されたＣＯ_２を除去するために熱を使用する、溶媒捕捉システムを含む。得られた流れは、ほぼ純粋なＣＯ_２流である。燃焼後技術は、化石燃料燃焼発電所で一般的に使用される。他の燃焼後技術としては、例えば、カルシウムルーピングサイクルまたは化学ループ燃焼が挙げられる。

最も一般的な現在の貯蔵（または隔離）計画としては、炭素が地下層中に貯蔵される、地質学的隔離が挙げられる。枯渇した油田、採掘不可能な石炭鉱床、および含塩層は、ＣＯ_２の貯蔵に適切な自然発生層を提供する。しかしながら、これらの層は、例えば、それらの位置、ＣＯ_２を地中に注入するための費用、および後のある時点における層からの漏れに関する懸念を含む、妨げに苦しむ。

ＣＯ_２の隔離の一代替方法は、ＣＯ_２を他の有用な成分に変換することである。変換を実現するための一方法は、ＣＯ_２を変換するために燃料電池を使用することであり、電気を生成するというさらなる利点がある。燃料電池は、３つの部分：アノード、カソード、および電解質を含有する。酸化還元反応がアノードおよびカソードにおいて生じる。多くの場合、全体的な効果は、Ｈ_２Ｏを水素（Ｈ_２）および酸素（Ｏ_２）に変換することである。

燃料電池は、それらの電解質によって分類される。燃料電池の１つのカテゴリーは、固体酸化物電解質を使用する。固体酸化物燃料電池は、カソード側の酸素を還元し、カソードが負に帯電し、導電性になるように、電流がカソードに印加される。酸化反応がアノード側で生じるように、酸素イオンがカソード、固体酸化物電解質、およびアノードを通して拡散する。酸化反応は、電気供給を生成するために、アノードを通して運ばれ得る電子を生成する。固体酸化物燃料電池のアノード、カソード、および固体酸化物電解質は、セラミック材料からなり、セラミック材料の適切な機能を確実にするために、５００℃を超える温度で動作する。セラミック材料は、多孔質であってもよい。多孔性は、電極から電解質への酸素イオンの通過には必要ない。アノードの多孔性は、電解質／電極／ガス界面面積（三相境界）に影響を及ぼし、したがって、酸素イオン形成速度に影響を及ぼす。多孔性はまた、気相から三相境界への分子酸素の拡散率を高める。固体酸化物燃料電池は、高い効率性を有することが示されている。

「再生」モードで動作する固体酸化物燃料電池は、多くの場合、固体酸化物電解セルと呼ばれる。固体酸化物電解セルは、カソード側の還元プロセスによって成分を電解し、したがって酸素イオンを捕捉し、それは、セルのアノード側で酸素分子を形成するために、カソード、固体酸化物電解質、およびアノードを通って拡散する。Ｈ_２Ｏの電解は、吸熱性であり、したがって固体酸化物電解セルの高い動作温度は、電解反応を熱力学的に有利にする。加えて、高温は、反応速度を高める。高温電解は、高い変換効率の利点を有し、いくつかの推定によると、９０％を超えるＣＯ_２の変換が期待される。

本発明は、廃ガスの捕捉および廃ガスの炭化水素燃料への変換のためのプロセスおよびシステムに関する。より具体的には、本発明は、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を捕捉し、続いて、太陽エネルギーを利用して、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏを炭化水素燃料に変換するためのプロセスおよびシステムに関する。

本発明の一態様では、太陽エネルギーを使用して、二酸化炭素を炭化水素燃料に変換するためのプロセスが提供される。プロセスは、複数のヘリオスタットで直射日光を受け、反射日光として、ヘリオスタットからの直射日光をタワー受光器に反射させるステップであって、反射日光は、タワー受光器中の熱伝導流体を加熱する、ステップと、蒸気発生器中で水流を発生蒸気流に変換するステップであって、熱伝導流体は、蒸気発生器に熱を提供する、ステップとを含む。発生蒸気流は、蒸気タービンに供給され、蒸気タービンは、電気を生成するために発電機を駆動するために、発生蒸気流中の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する。プロセスはさらに、加熱された燃料供給流が６５０℃〜８００℃の温度に達するように、加熱された燃料供給流を生成するために、熱伝導流体からの熱エネルギーを伝達することによって、燃料供給流を加熱するステップと、加熱された燃料供給流を合成ガス生成セルに供給するステップであって、加熱された燃料供給流は、二酸化炭素および水を含み、二酸化炭素は、燃焼排ガス流から捕捉される、ステップと、合成ガス流を生成するために、合成ガス生成セル中で、加熱された燃料供給流中の二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換するステップであって、合成ガス生成セルは、固体酸化物電解質を含む、ステップと、合成ガス流を触媒反応器に供給するステップであって、触媒反応器は、触媒の存在下で動作する、ステップと、触媒反応器中で、合成ガス流を炭化水素燃料流に変換するステップとを含む。

本発明のある特定の実施形態では、合成ガス生成セルは、固体酸化物電解槽セルを含み、固体酸化物電解槽セルは、多孔質カソード、固体酸化物電解質、および多孔質アノードを含む。本発明のある特定の実施形態では、合成ガス生成セル中で、加熱された燃料供給流中の二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換するステップはさらに、電気を、固体酸化物電解槽セルの多孔質カソードに供給するステップと、多孔質カソードを燃料供給流と接触させるステップと、一酸化炭素および酸素イオンを生成するために、二酸化炭素を還元するステップであって、酸素イオンは、多孔質カソードを通って固体酸化物電解質に移動する、ステップと、水素および酸素イオンを生成するために、水を還元するステップであって、酸素イオンは、多孔質カソードを通って固体酸化物電解質に移動する、ステップと、固体酸化物電解質を通して多孔質アノードに酸素イオンを拡散するステップと、酸素分子が酸素流を生成するために形成されるように、多孔質アノードにおいて、酸素イオンから電子を放出するステップとを含む。本発明のある特定の実施形態では、合成ガス生成セルは、固体酸化物燃料電池を含み、固体酸化物燃料電池は、多孔質アノード、固体酸化物電解質、および多孔質カソードを含む。本発明のある特定の実施形態では、合成ガス生成セル中で、加熱された燃料供給流中の二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換するステップはさらに、ガス状炭化水素を加熱された燃料供給流に添加するステップと、加熱された燃料供給流を固体酸化物燃料電池の多孔質アノードに供給するステップと、一酸化炭素および水素を生成するために、加熱された燃料供給流中の水およびガス状炭化水素を改質するステップと、一酸化炭素および水素を生成するために、加熱された燃料供給流中の二酸化炭素およびガス状炭化水素を改質するステップと、酸素イオンを生成するために、固体酸化物燃料電池の多孔質カソード上の酸素供給からの酸素を還元するステップと、酸素イオンを、固体酸化物電解質を通して多孔質アノードに拡散するステップと、水および電子を生成するために、酸素イオンで多孔質アノードにおける水素を酸化させるステップと、一酸化炭素、水素、および電子を生成するために、酸素イオンで多孔質アノードにおけるメタンを酸化させるステップと、電子を変電所に供給するステップであって、変電所は、合成ガス生成セルからの電子を、発電機によって生成される電気と組み合わせるように構成される、ステップとを含む。本発明のある特定の実施形態では、ガス状炭化水素は、メタンを含む。本発明のある特定の実施形態では、プロセスはさらに、消費のために、炭化水素燃料を発電所に供給するステップを含む。

本発明の第２の態様では、太陽エネルギーを使用して、二酸化炭素を炭化水素燃料に変換するためのシステムが提供される。システムは、太陽エネルギーを熱エネルギーおよび電気に変換するように構成される、太陽熱発電システムであって、太陽熱発電システムは、合成ガス生成セルと熱連通しており、合成ガス生成セルは、太陽熱発電システムからの熱エネルギーを受容するように構成され、合成ガス生成セルは、燃料供給流を受容するように構成される燃料入口、および合成ガス流を受容するように構成される燃料出口を含む、燃料側と、酸素流を受容するように構成される酸素出口を含む、酸素側とを含み、燃料供給流は、二酸化炭素および水を含み、合成ガス生成セルは、二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換するように構成され、一酸化炭素および水素は、合成ガス流を形成するように動作可能である、太陽熱発電システムと、合成ガス生成セルの燃料側に流体接続される、触媒反応器であって、触媒反応器は、合成ガス生成セルの燃料側からの合成ガス流を炭化水素燃料流に変換するように構成され、触媒反応器は、反応器床を含み、反応器床は、触媒および分配器を含み、触媒反応器は、２５０℃〜６５０℃で動作するように構成される、触媒反応器とを含む。

本発明のある特定の実施形態では、合成ガス生成セルは、固体酸化物電解槽セルを含む。本発明のある特定の実施形態では、固体酸化物電解槽セルは、合成ガス生成セルの燃料側と流体連通している、多孔質カソードであって、多孔質カソードは、一酸化炭素、水素、および酸素イオンが生成されるように、電子を燃料供給流に移動させるように構成される、多孔質カソードの燃料側と、酸素イオンを固体酸化物電解質中に放出するように構成される、電解質側とを有し、多孔質カソードは、酸素イオンの通過を可能にするように構成される、多孔質カソードと、合成ガス生成セルの酸素側と流体連通している、多孔質アノードであって、多孔質アノードは、固体酸化物電解質からの酸素イオンを受容するように構成される、電解質側と、酸素流を形成するために、酸素イオンを酸素分子に変換するように構成される、出口側とを含み、多孔質アノードは、酸素イオンの通過を可能にするように構成される、多孔質アノードと、固体酸化物電解質であって、固体酸化物電解質は、多孔質カソードと多孔質アノードとの間にあり、酸素イオンの通過を可能にするように構成される、固体酸化物電解質と、電子供給であって、太陽熱発電システムからの電気は、電子供給を多孔質カソードに提供し、多孔質アノードから電子を受容する、電子供給とを含む。本発明のある特定の実施形態では、多孔質アノードおよび多孔質カソードは、ニッケル／イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物−ＹＳＺ（ＬＳＭ−ＹＳＺ）、およびペロブスカイトのセラミック酸化物からなる群より選択される。本発明のある特定の実施形態では、固体酸化物電解質は、イットリア安定化ジルコニアを含有する。本発明のある特定の実施形態では、合成ガス生成セルは、固体酸化物燃料電池を含み、燃料供給流はさらに、ガス状炭化水素を含む。本発明のある特定の実施形態では、ガス状炭化水素は、メタンを含む。本発明のある特定の実施形態では、固体酸化物燃料電池は、合成ガス生成セルの燃料側と流体連通している、多孔質アノードであって、多孔質アノードは、メタンが一酸化炭素、水素、および電子を形成するために酸化反応を受けるように、電子を受容するように構成される、多孔質アノードの燃料側と、固体酸化物電解質から酸素イオンを受容するように構成される、電解質側とを備え、多孔質アノードは、酸素イオンの通過を可能にするように構成され、メタンおよび水は、一酸化炭素および水素を生成するために、多孔質アノードの燃料側の存在下で反応し、メタンおよび二酸化炭素は、一酸化炭素および水素を生成するために、多孔質アノードの燃料側の存在下で反応する、多孔質アノードと、合成ガス生成セルの酸素側と流体連通している、多孔質カソードであって、多孔質カソードは、酸素を酸素イオンに変換するように構成される、出口側と、酸素イオンを固体酸化物電解質中に放出するように構成される、電解質側とを備え、多孔質カソードは、酸素イオンの通過を可能にするように構成される、多孔質カソードと、固体酸化物電解質であって、固体酸化物電解質は、多孔質カソードと多孔質アノードとの間にあり、固体酸化物電解質は、酸素イオンの通過を可能にするように構成される、固体酸化物電解質とを含む。本発明のある特定の実施形態では、合成ガス生成セルの燃料側の水素は、水および電子を形成するために酸化反応を受ける。本発明のある特定の実施形態では、多孔質カソードおよび多孔質アノードは、ニッケル／イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物−ＹＳＺ（ＬＳＭ−ＹＳＺ）、およびペロブスカイトのセラミック酸化物からなる群より選択される。本発明のある特定の実施形態では、固体酸化物電解質は、イットリア安定化ジルコニアを含有する。本発明のある特定の実施形態では、太陽熱発電システムは、タワー集中型ソーラーパワーシステムを含み、タワー集中型ソーラーパワーシステムは、熱伝導流体を加熱するように構成される、タワー受光器と、タワー受光器に近接した、複数のヘリオスタットであって、直射日光を受け、反射日光として、ヘリオスタットからの直射日光をタワー受光器に反射させるように構成される、ヘリオスタットと、タワー受光器に流体接続される、高温貯蔵タンクであって、熱伝導流体を貯蔵するように構成される、高温貯蔵タンクと、高温貯蔵タンクに流体接続される、蒸気発生器であって、発生蒸気流を生成するために、熱伝導流体から水流に熱を伝達するように構成される、蒸気発生器と、蒸気発生器に流体接続される、蒸気タービンであって、発生蒸気流は、蒸気タービンを駆動するように構成される、蒸気タービンと、蒸気タービンに機械的に接続される、発電機であって、蒸気発生器は、電気を生成するために、発電機を駆動するように構成される、発電機とを含む。本発明のある特定の実施形態では、合成ガス生成セルは、６５０℃〜８００℃で動作する。本発明のある特定の実施形態では、二酸化炭素を炭化水素燃料に変換するためのシステムはさらに、二酸化炭素流を生成するために、燃焼排ガス流から二酸化炭素を除去するように構成される、炭素捕捉システムを含み、炭素捕捉システムは、発電所と流体連通しており、発電所は、燃焼排ガス流を生成するように構成される。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の発明を実施するための形態、特許請求の範囲、および添付の図面に関して、よりよく理解されるであろう。しかしながら、図面は、本発明のいくつかの実施形態を例示するだけであり、したがって、他の同様に有効な実施形態を認めることができるため、本発明の範囲を制限するものとみなされるものではないことに留意されたい。

本発明の一実施形態のプロセスフロー図である。

太陽熱発電システムの一実施形態の概略図である。

合成ガス生成セルの一実施形態の平面図である。

合成ガス生成セルの一実施形態の平面図である。

炭素捕捉システムの一実施形態の概略図である。

本発明がいくつかの実施形態で説明されるが、当業者が、本明細書に記載される装置および方法の多くの実施例、変更、および代替が本発明の範囲および精神の範囲内であることを理解するであろうことが理解される。したがって、本明細書に記載される本発明の例示的な実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明に対する一般性を失うことなく、かつそれに対して制限を課すことなく記載される。

図１は、本発明の一実施形態のプロセスフロー図を提供する。太陽熱発電システム１００は、直射日光２を熱エネルギー１０に変換する。直射日光２は、全ての波長にわたる太陽エネルギーからなる。太陽熱発電システム１００は、太陽エネルギーを熱エネルギーおよび電気に変換することができる、任意の種類の太陽熱発電システムであってもよい。

炭素捕捉システム４００は、動作ユニット５００の燃焼排ガス５０からＣＯ_２を分離し、廃ガス４０を生成する。廃ガス流４０は、流れの組成によって必要とされる通り処分される。本発明の少なくとも１つの実施形態では、廃ガス流４０は、大気に放出される。

炭素捕捉システム４００からのＣＯ_２は、燃料供給流４を生成するために、他の流れ（図示せず）と混合される。燃料供給流４は、ＣＯ_２を含有する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、燃料供給流４は、ＣＯ_２に加えてＨ_２Ｏを含有する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、燃料供給流は、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、およびガス状炭化水素を含有する。例示的なガス状炭化水素は、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、ブタン（Ｃ_３Ｈ_８）、およびこれらの組み合わせを含む。本発明の少なくとも１つの実施形態では、燃料供給流４は、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、およびＣＨ_４を含有する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、燃料供給流４は、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_４、および不活性ガスを含有する。少なくとも１つの実施形態では、燃料供給流４は、窒素含有化合物および硫黄含有化合物がない。燃料供給流４の正確な温度、圧力、および組成は、燃料供給流４を生成するために一緒に混合される流れによって決まる。

動作ユニット５００は、ＣＯ_２を含有する排出ガス、燃焼排ガス、または廃ガスを生成する、任意の種類の動作ユニットであってもよい。動作ユニット５００は、例えば、化石燃料または他の炭化水素を燃焼し、電気を生成する発電所、プロセスの廃ガスとしてＣＯ_２を生成する製鋼所、または任意の他の種類の生成ユニットを含む。燃焼排ガス５０は、例えば、ある量のＣＯ_２を含有する任意の種類の燃焼排ガスを含む。本発明の少なくとも１つの実施形態によると、燃焼排ガス５０は、ある量のＣＯ_２およびある量のＨ_２Ｏを含む。少なくとも１つの実施形態によると、動作ユニット５００は、発電所である。本発明の少なくとも１つの実施形態では、燃焼排ガス５０は、ガス燃焼発電所からであり、約７．４％〜約７．７％の間のＣＯ_２、約１４，６％のＨ_２Ｏ、約４．４５％のＯ_２、および約７３％〜約７４％の間のＮ_２の組成物を有し、残りは、窒素含有化合物、硫黄含有化合物、および種々の他のガスを含む。あるいは、例えば、石炭燃料発電所からの燃焼排ガス５０は、約１２，５％〜約１２．８％の間のＣＯ_２、約６．２％のＨ_２Ｏ、約４．４％のＯ_２、および約７６％〜約７７％の間のＮ_２の組成物を有することができ、残りは、窒素含有化合物、硫黄含有化合物、および種々の他のガスを含む。

一実施形態によると、燃焼排ガス５０は、炭素捕捉システム４００への供給前に、洗浄技術（図示せず）に供される。燃焼排ガス５０から硫黄および窒素含有化合物を除去することが可能な、任意の既知の洗浄技術が使用され得る。洗浄技術は任意に、粒子状物質を除去することができる。従来の洗浄技術は、ウェットスクラバーおよび静電分離器を含む。

熱エネルギー１０は、合成ガス生成セル２００に熱を提供し、合成ガス生成セル２００を約５００℃〜約１０００℃の間、あるいは約６００℃〜約９００℃の間、あるいは約６５０℃〜約８００℃の間、あるいは約７００℃〜約８００℃の間の温度まで加熱する。熱エネルギー１０からの熱は、合成ガス生成セル２００への供給流を加熱するために、熱交換器（図示せず）によって伝達され得る。本発明の少なくとも１つの実施形態では、熱エネルギー１０は、合成ガス生成セル２００への加熱された燃料供給流（図示せず）を生成するために、燃料供給流４に熱を提供する。

合成ガス生成セル２００は、燃料供給流４を合成ガス流２２に変換するために、熱エネルギー１０を使用する。合成ガス流２２は、合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ）または合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）を含有する。合成ガスは、ＣＯおよびＨ_２の組み合わせを含有するガス流である。本発明の少なくとも１つの実施形態では、合成ガス流２２はまた、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏも含有する。合成ガス流２２の正確な組成物は、合成ガス生成セル２００の温度、圧力、および構成を考慮した後に決定される。

合成ガス流２２は、触媒反応器３００に供給される。触媒反応器３００は、炭化水素燃料流３０を生成するために、合成ガス流２２中の合成ガスを炭化水素に変換する。少なくとも１つの実施形態では、炭化水素燃料流３０は、アルカン、アルコール、酸、エーテル、およびこれらの組み合わせを含む。炭化水素燃料流３０の組成物は、触媒反応器３００で使用される触媒、および合成ガス流２２の組成物によって決まる。本発明の少なくとも１つの実施形態では、ＣＯおよびＨ_２を炭化水素に変換する任意の触媒が、触媒反応器３００中で使用される。例示的な触媒としては、フィッシャー・トロプシュ触媒、メタン化触媒、またはこれらの組み合わせが挙げられる。触媒は、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、プラチナ、またはこれらの組み合わせなどの遷移金属を含むことができる。触媒反応器３００は、約２００℃〜約７００℃の間、あるいは約２５０℃〜約６５０℃の間、あるいは約３００℃〜約６００℃の間の温度で動作する。本発明の少なくとも１つの実施形態によると、３００℃および高圧の動作条件において、触媒は、銅および酸化亜鉛のブレンドである。本発明の他の実施形態では、６００℃および低圧の動作条件において、触媒は、鉄を含む。触媒は、ゼオライトなどの触媒担体を含むことができる。分配器（図示せず）は、触媒反応器３００中の触媒を支持し、分配器のサイズおよび形状は、触媒反応器３００の種類および触媒の種類によって決まる。触媒は、所望の触媒反応器３００中の動作条件および反応生成組成物を考慮して選択される。種々の実施形態によると、触媒反応器３００は、充填床反応器または流動層反応器を含む。

本発明の一実施形態によると、触媒は、合成ガス流２２の炭化水素燃料流３０への触媒変換が以下の反応に従って生じるように選択される。

（２ｎ＋１）Ｈ_２＋ｎＣＯ−−＞ＣｎＨ_{（２ｎ+２）}＋ｎＨ_２Ｏ

本発明の少なくとも１つの実施形態では、合成ガス流２２の変換は、ＣＨ_４およびＨ_２Ｏを生成する（ｎ＝１）。

本発明の代替の実施形態では、触媒は、合成ガス流２２の炭化水素燃料流３０への触媒変換が以下の反応を含むように選択される。

２Ｈ_２＋ＣＯ→ＣＨ_３ＯＨ

２ＣＨ_３ＯＨ→ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋Ｈ_２Ｏ

ＣＯ＋ＣＨ_３ＯＨ→ＣＨＯ_２ＣＨ_３

ＣＨＯ_２ＣＨ_３＋Ｈ_２Ｏ→ＣＨＯ_２Ｈ＋ＣＨ_３ＯＨ

上記の反応の反応生成物は、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）（ＣＨ_３ＯＣＨ_３）、およびギ酸（ＣＨＯ_２Ｈ）を含む。

炭化水素燃料流３０は、動作ユニット５００に供給される。ある特定の実施形態では、炭化水素燃料流３０は、貯蔵（図示せず）または現場外に輸送（図示せず）され得る。少なくとも１つの実施形態では、炭化水素燃料流３０は、炭化水素燃料流３０の成分を分離するために、追加の処理ステップを受ける。本発明の少なくとも１つの実施形態では、追加の処理ステップは、炭化水素燃料流３０からＨ_２Ｏを分離する。

特に、図１に示され記載される本発明の実施形態は、システム中の任意の段階において化石燃料を使用することなく、発電に有用な炭化水素燃料を生成する。

図２は、太陽熱発電システム１００の一実施形態の概略図を提供する。本実施形態によると、直射日光２は、ヘリオスタット１０２に当たり、反射日光１２は、タワー受光器１０４上に集束され、ヘリオスタット１０２は、直射日光２が熱エネルギー、電気、または機械エネルギーに変換され得るように、直射日光２の特定の波長を反射するように設計される。反射日光１２は、ヘリオスタット１０２によって反射される特定の波長にわたる太陽エネルギーである。タワー受光器１０４は、図１を参照して記載されるように、日光からの熱エネルギー１０を合成ガス生成セル２００に提供する。

種々の実施形態によると、タワー受光器１０４は、熱伝導流体１４の温度を上昇させるために、反射日光１２を集束する。熱伝導流体１４としては、例えば、水、塩水、または硝酸ナトリウム塩、硝酸カリウム塩、硝酸カルシウム塩、硝酸リチウム塩、もしくはこれらの組み合わせなどの溶融塩を含む、任意の熱伝導流体が挙げられる。他の溶融塩としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム、フッ素、塩素、臭素、およびヨウ素が挙げられる。溶融塩は、より長い期間にわたって熱を保持するため、水よりも有利である。本発明の少なくとも１つの実施形態では、熱伝導流体１４は、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムのブレンドを含む。熱伝導流体１４は、約５００℃〜約１０００℃の間、あるいは約６００℃〜約９００℃の間、あるいは約６５０℃〜約８００℃の間、あるいは約７００℃〜約８００℃の間の温度に達する。

種々の実施形態によると、熱伝導流体１４は、貯蔵された伝導流体１５として、後で使用するために（すなわち、もはや直射日光２がないときのために）高温貯蔵タンク１０６中に貯蔵され得る。必要な場合、貯蔵された伝導流体１５は、高温貯蔵タンク１０６から蒸気発生器１０８に供給される。蒸気発生器１０８は、発生蒸気流１６および蒸気供給６を生成するために、貯蔵された伝導流体１５から水流８に熱を伝導する。蒸気発生器１０８は、タービンを作動させるために、蒸気を生成することが可能な任意のデバイスであってもよい。蒸気発生器１０８としては、例えば、ボイラまたは超臨界蒸気発生器（ベンソンボイラ）が挙げられる。水流８は、蒸気を生成することが可能な任意の水源から生じる。種々の実施形態によると、蒸気供給６は、合成ガス生成セル２００に供給される。蒸気供給６は、Ｈ_２Ｏ（蒸気として）および熱の両方を合成ガス生成セル２００に提供する。

蒸気発生器１０８は、貯蔵された伝導流体１５からの熱を湧出し、使用済み伝導流体１１を生成する。少なくとも１つの実施形態によると、使用済み伝導流体１１は、低温伝導流体１３として低温貯蔵タンク１１４中に貯蔵される。必要な場合、低温伝導流体１３は、低温貯蔵タンク１１４からタワー受光器１０４に供給され、そこで加熱され、熱伝導流体１４になる。

本明細書で使用される場合、熱伝導流体１４、貯蔵された伝導流体１５、使用済み伝導流体１１、および低温伝導流体１３は、太陽熱プロセス中の異なる段階における同一の流体である。

種々の実施形態によると、発生蒸気流１６は、蒸気タービン１１０に供給され、蒸気タービン１１０は、発生蒸気流１６中の熱エネルギーを機械エネルギー（すなわち、回転軸）に変換し、機械エネルギーは、発電機１１２を駆動する。蒸気タービン１１０としては、例えば、復水、不凝固、再熱、抽気、および誘導を含む、任意の種類の蒸気タービンが挙げられる。タービンの定格／サイズは、発電機１１２によって生成される電気量によって決まる。発電機１１２は、電気１８を生成する。本発明で有用な発電機の例としては、ゼーベックジェネレータおよび熱電発電装置が挙げられる。電気１８は、電気を合成ガス生成セル２００に提供する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、電気１８は、電気を他のプロセスユニット（図示せず）、変電所（図示せず）、または局所配電網（図示せず）に提供する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、太陽熱発電システム１００は、最大で約２００ＭＷの電気を生成することが可能である。

図３は、合成ガス生成セル２００の一実施形態の平面図を提供し、合成ガス生成セル２００は、固体酸化物電解槽セル（ＳＯＥＣ）２２０を含む。ＳＯＥＣ２２０は、多孔質カソード２０２、固体酸化物電解質２０４、および多孔質アノード２０６を含む。電気１８は、電子を多孔質カソード２０２に提供し、したがって、多孔質カソード２０２は、負に帯電する。多孔質カソード２０２は、材料を通った電子および／または負に帯電したイオンの移動を可能にする、任意の材料であってもよい。本発明の少なくとも１つの実施形態では、多孔質カソード２０２は、電子が燃料側２１０の成分と反応するために通過することを可能にする、任意の材料である。少なくとも１つの実施形態では、多孔質カソード２０２の材料は、多孔質カソード２０６から燃料側２１０のＣＯ_２およびＨ_２Ｏへの電子の移動を可能にし、酸素イオンが燃料側２１０から電解質側（図示せず）に拡散することを可能にする。多孔質カソード２０２は、セラミックおよび金属の複合材料である、サーメットであってもよい。サーメットとしては、例えば、ニッケル／イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）またはランタンストロンチウムマンガン酸化物−ＹＳＺ（ＬＳＭ−ＹＳＺ）が挙げられる。本発明の一実施形態によると、多孔質カソード２０２は、ペロブスカイトのセラミック酸化物である。本発明の少なくとも１つの実施形態では、多孔質カソード２０２は、液体または水溶液を含まない。

図３に示されるように、二酸化炭素流４５は、燃料供給流４を生成するために、蒸気供給６と混合する。二酸化炭素流４５は、ＣＯ_２を含有する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、二酸化炭素流４５はまた、Ｈ_２Ｏも含有する。燃料供給流４は、燃料入口２１４において、燃料側２１０の合成ガス生成セル２００に入る。本発明の代替の実施形態では、燃料供給流４および蒸気供給６は、別々の入口を通って合成ガス生成セル２００に入る。本発明の少なくとも１つの実施形態では、燃料入口２１４に入る前に、燃料供給流４は、５００℃〜約１０００℃の間、あるいは約６００℃〜約９００℃の間、あるいは約６５０℃〜約８００℃の間、あるいは約７００℃〜約８００℃の間の温度の加熱された燃料供給流（図示せず）を生成するために、熱エネルギー１０（図示せず）からの熱の伝導によって加熱される。熱エネルギー１０は、電気化学反応を促進するのを助ける。

本発明の少なくとも１つの実施形態では、合成ガス生成セル２００の燃料側２１０の流れは、ガス相中にあり、液体または水相の非存在下で生じる。

燃料供給流４は、ＳＯＥＣ２２０の多孔質カソード２０２の燃料側と接触する。接触すると、多孔質カソード２０２は、電子を燃料供給流４中のＣＯ_２およびＨ_２Ｏに提供し、それは、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏの共電解（還元反応）をもたらす。

ＣＯ_２およびＨ_２Ｏの還元反応は、以下の化学反応に従って進行する。

２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻−−＞２Ｈ_２＋２Ｏ^２−（反応１）

２ＣＯ_２＋４ｅ⁻−−＞２ＣＯ＋２Ｏ^２−（反応２）

反応１において、水素分子および酸素イオンが多孔質カソード２０２で生成される。反応２において、一酸化炭素分子および酸素イオンが多孔質カソード２０２で生成される。燃料供給流４の共電解は、図１を参照して記載されるように、合成ガス流２２を生成する。

少なくとも１つの実施形態によると、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏの還元反応で生成された酸素イオンは、多孔質カソード２０２を通って固体酸化物電解質２０４に移動する。次いで、酸素イオンは、固体酸化物電解質２０４を通って多孔質アノード２０６に移動する。本発明の少なくとも１つの実施形態によると、固体酸化物電解質２０４は、イットリア安定化ジルコニアを含む。本発明の別の実施形態によると、固体酸化物電解質２０４は、ジルコニアと混合されたセリウム（ＩＶ）酸化物（ＣｅＯ_２）を含む。本発明の少なくとも１つの実施形態では、固体酸化物電解質２０４は、液体または水相がない。

電子の戻り２０は、電子が多孔質アノード２０６から流動し、したがって多孔質アノード２０６が正に帯電することを可能にする。酸素イオンは、固体酸化物電解質２０４を通過し、次いで、多孔質アノード２０６を通過する。酸素イオンは、合成ガス生成セル２００の酸素側２０８の多孔質アノード２０６の酸素側（図示せず）に電子を放出する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、合成ガス生成セル２００の酸素側２０８は、Ｈ_２またはＨ_２発生がない。多孔質アノード２０６の酸素側の酸素イオンは、以下の反応に従って、酸素分子を形成するために酸化反応を受ける。

２Ｏ^２−−−＞Ｏ_２＋４ｅ⁻

多孔質アノード２０６は、例えば、酸素イオンが電解質側（図示せず）から通過することを可能にし、酸素側（図示せず）で酸素分子を形成するために、酸素イオンからの電子を受容する、任意の材料を含む。多孔質アノード２０６は、例えば、セラミックおよび金属の複合材料である、サーメットを含む。サーメットとしては、例えば、ニッケル／イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）またはランタンストロンチウムマンガン酸化物−ＹＳＺ（ＬＳＭ−ＹＳＺ）が挙げられる。本発明の一実施形態によると、多孔質アノード２０６は、ペロブスカイトのセラミック酸化物を含む。本発明の少なくとも１つの実施形態では、多孔質アノード２０６は、液体または水相がない。

酸素分子は、酸素流２８として、酸素出口２２８を通って合成ガス生成セル２００の酸素側２０８を出る。本発明の少なくとも１つの実施形態では、酸素側２０８は、液体または水相がない。少なくとも１つの実施形態によると、酸素流２８は、貯蔵されるか、別の処理ユニットに供給されるか、または別の場所に輸送される。

本発明の少なくとも１つの実施形態では、ＳＯＥＣ２２０を備える合成ガス生成セル２００は、電気を最終的に消費するものである。

図４は、合成ガス生成セル２００の一実施形態の平面図を提供し、合成ガス生成セル２００は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）２３０を含み、ＳＯＦＣ２３０は、図３を参照して記載されるように、多孔質アノード２０６、固体酸化物電解質２０４、および多孔質カソード２０２を含む。

図４に示される合成ガス生成セル２００の一実施形態によると、燃料供給流４は、二酸化炭素流４５およびメタン流６０の混合である。メタン流６０は、任意のガス状炭化水素源であってもよい。本発明の少なくとも１つの実施形態では、メタン流６０は、ガス状炭化水素を含有する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、メタン流６０は、合成ガス生成セル２００の動作温度でガス状である任意の炭化水素を含む。本発明の少なくとも１つの実施形態では、メタン流６０は、標準的な温度および圧力でガス状である炭化水素を含有する。本発明の少なくとも１つの実施形態では、メタン流６０は、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_８、およびこれらの組み合わせを含む。本発明の少なくとも１つの実施形態では、メタン流６０は、ＣＨ_４を含む。

本発明の少なくとも１つの実施形態では、燃料供給流４は、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、およびＣＨ_４を含む。燃料供給流４は、燃料入口２１４において、燃料側２１０の合成ガス生成セル２００に入る。本発明の代替の実施形態では、燃料供給流４およびメタン流６０は、別々の入口を通って合成ガス生成セル２００に入る。本発明の少なくとも１つの実施形態では、蒸気もまた、アノード２０６において、合成ガス生成セル２００の燃料側２１０に供給される。本発明の少なくとも１つの実施形態では、燃料供給流４は、ガス相中にあり、液体または水相の非存在下で生じる。

アノード２０６において、燃料供給流４の成分、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＨ_２Ｏは、合成ガス流２２中で合成ガスを生成するために、改質反応（蒸気改質および乾式改質）ならびに酸化反応を受ける。本発明の少なくとも１つの実施形態では、アノード２０６は、改質反応のための触媒として機能する。改質反応は、以下の化学反応に従って進行する。

Ｈ_２Ｏ＋ＣＨ_４→ＣＯ＋３Ｈ_２

ＣＯ_２＋ＣＨ_４→２ＣＯ＋２Ｈ_２

酸化反応は、以下の化学反応に従って進行する。

Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

ＣＨ_４＋Ｏ^２−→ＣＯ＋２Ｈ_２＋２ｅ⁻

酸化反応の酸素イオンは、酸素側２０８の多孔質カソード２０２において生成される。酸素供給２４は、酸素入口２１８を通して酸素側２０８に供給される。酸素供給２４は、任意の酸素源であってもよい。本発明の少なくとも１つの実施形態では、酸素供給２４は、純粋な酸素（Ｏ_２）源である。本発明の代替の実施形態では、酸素供給２４は、空気である。本発明の少なくとも１つの実施形態では、酸素供給２４は、酸素富化空気である。

電気１８は、電子を多孔質カソード２０２に供給し、そのため、多孔質カソード２０２は負に帯電する。酸素供給２４中のＯ_２は、多孔質カソード２０２と接触し、酸素イオン（Ｏ^２−）が生成される。過剰な酸素供給２４は、酸素流２８を通って合成ガス生成セル２００を出る。

酸素イオンは、多孔質カソード２０２を通って固体酸化物電解質２０４に拡散する。酸素イオンは、固体酸化物電解質２０４を通って多孔質アノード２０６に拡散する。酸素イオンは、多孔質アノード２０６を通って燃料側２１０に拡散し、そこで、それらは上記の酸化反応に従って反応する。

酸化反応で放出された電子は、多孔質アノード２０６を通過し、電子の戻り２０によって変電所１１６に運ばれる。変電所１１６は、太陽熱発電システム１００（図示せず）によって生成される電気を、合成ガス生成セル２００から生成される電子の戻り２０における電気を組み合わせる。変電所１１６は、局所配電網（図示せず）を供給するために使用され得るか、または他の処理ユニット（図示せず）で使用され得る。

本発明の少なくとも１つの実施形態では、ＳＯＦＣ２３０を備える合成ガス生成セル２００は、電気を最終的に生成するものである。

図５は、炭素捕捉システム４００の一実施形態の概略図である。炭素捕捉システム４００は、燃焼排ガス流５０からＣＯ_２および／またはＨ_２Ｏを分離することが可能な任意の炭素捕捉システムであってもよい。炭素捕捉システム４００としては、例えば、任意の種類の燃焼後、燃焼前、またはオキシ燃料システムが挙げられる。１つの従来の炭素捕捉システムが、一例として記載される。当業者は、任意の炭素捕捉システムが、燃焼排ガスの組成物および燃料供給流の所望の組成物を構成するように調節されなければならないことを理解するであろう。

一実施形態によると、燃焼排ガス５０は、図１を参照して記載されるように、動作ユニット５００（図示せず）から供給される。燃焼排ガス５０は、吸収装置４０２の底部に供給され、吸収装置４０２の頂部へと上方に流動する。吸収装置４０２は、吸収装置４０２の頂部に供給される溶媒流４３からの溶媒（すなわち、以下に記載されるような希薄溶媒）を含有する。吸収装置４０２中の溶媒は、例えば、炭酸カリウムなどのアミン溶媒または有機アミンを含む。吸収装置４０２としては、例えば、膜吸収装置、充填層吸収装置、または棚段塔吸収装置を含む。任意の種類の吸収ユニットが挙げられる。溶媒流４３が吸収装置を通って下方に流動すると、溶媒流４３中の溶媒は、吸収装置４０２を通って上方に流動する燃焼排ガス５０と接触する。燃焼排ガス中のＣＯ_２およびＨ_２Ｏ蒸気の少なくとも一部は、溶媒中に吸収され、吸収装置４０２の底部を出る二酸化炭素富化溶媒４１を生成する。本発明の一実施形態によると、二酸化炭素富化溶媒４１は、Ｈ_２Ｏ蒸気がない。本発明の少なくとも１つの実施形態によると、二酸化炭素富化溶媒４１は、燃焼排ガス５０中のＨ_２Ｏ蒸気の全てまたは実質的に全てを含む。本質的にＣＯ_２を含有しない廃ガス４０は、吸収装置４０２の頂部を出て、例えば、洗浄技術およびフレア技術を含む、自治体の環境規制に対して必要に応じて、さらなる処理および廃棄ステップを受ける場合がある。

図５に示されるように、二酸化炭素富化溶媒４１は、熱交換器４１２に供給される。熱交換器４１２は、例えば、クロス交換器であり、二酸化炭素希薄溶媒４７からの熱が二酸化炭素富化溶媒４１を加熱するために使用される。

温められた二酸化炭素富化溶媒４２は、再生器４０４の頂部に供給される。再生器４０４は、溶媒からのＣＯ_２の脱離を取り扱うことが可能な任意の種類のユニット（例えば、ストリッピングユニット）であってもよい。再生器４０４は、例えば、底部の二酸化炭素溶媒４４を約８０℃〜約１２０℃の間の温度に加熱する、リボイラー４１４を含む。正確な動作条件は、所望の溶媒の種類およびＣＯ_２の組成物によって決まる。熱い二酸化炭素溶媒４６は、再生器４０４に入り、そこで、ＣＯ_２が溶媒から分離し、二酸化炭素流４５として出る。

二酸化炭素希薄溶媒４７は、熱交換器４１２に供給され、そこで、二酸化炭素希薄溶媒４７からの熱の一部は除去される。次いで、希薄溶媒４８は、冷却装置４１３に供給され、そこで、流れは約４０℃未満まで冷却される。次いで、溶媒流４３は、再び吸収装置４０２に供給される。

二酸化炭素流４５は、図１、３、および４を参照して記載されるように、合成ガス生成セル２００に直接供給され得るか、または燃料供給流４を生成するために他の流れと混合され得る。

本発明が詳細に記載されてきたが、本発明の原理および範囲から逸脱することなく、種々の変更、置換、および修正が行われ得ることが理解されるべきである。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの適切な法的同等物によって決定されるべきである。

単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに別段の指示がない限り、複数の指示対象を含む。

「任意の（Ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意に（Ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、後に記載される事象または状況が生じることができるか、または生じなくてもよいことを意味する。説明は、事象または状況が生じる場合、および事象または状況が生じない場合を含む。

範囲は、約１つの特定の値から、および／または約別の特定の値までとして本明細書で表され得る。そのような範囲が表される場合、別の実施形態が、上記の範囲内の全ての組み合わせと共に、その一方の特定の値から、および／またはもう一方の特定の値までであることを理解されたい。

特許または出版物が参照される本願全体を通して、これら全体の参照の開示は、これらの参考文献が本明細書でなされる主張と矛盾する場合を除き、本発明が関連する技術分野の状態をより十分に記載するために、参照により本願に組み込まれることを目的とする。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、ならびにこれらの全ての文法的変化形はそれぞれ、追加の要素またはステップを除外しない、開放的で非限定的な意味を有することを目的とする。

本明細書で使用される場合、「第１の（ｆｉｒｓｔ）」および「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」などの用語は、任意に割り当てられ、単に装置の２つ以上の構成要素を区別することを目的としている。用語「第１の（ｆｉｒｓｔ）」および「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」は、他の目的を果たさず、その構成要素の名前または記載の一部ではなく、またそれらが必ずしもその構成要素の相対的な場所または位置を定義するとは限らないことを理解されたい。さらに、用語「第１の（ｆｉｒｓｔ）」および「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」の単なる使用は、本発明の範囲内で可能性は考慮されるが、任意の「第３の（ｔｈｉｒｄ）」構成要素があることを必要としないことも理解されたい。

Claims (20)

1. 太陽エネルギーを使用して、二酸化炭素を炭化水素燃料に変換するためのプロセスであって、
   複数のヘリオスタットで直射日光を受け、反射日光として、前記ヘリオスタットからの前記直射日光をタワー受光器に反射させるステップであって、前記反射日光は、前記タワー受光器中の熱伝導流体を加熱する、ステップと、
   蒸気発生器中で水流を発生蒸気流に変換するステップであって、前記熱伝導流体は、熱を前記蒸気発生器に提供する、ステップと、
   前記発生蒸気流を蒸気タービンに供給するステップであって、前記蒸気タービンは、電気を生成するために発電機を駆動するために、前記発生蒸気流中の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する、ステップと、
   加熱された燃料供給流が６５０℃〜８００℃の温度に達するように、前記加熱された燃料供給流を生成するために、前記熱伝導流体から熱エネルギーを伝達することによって、燃料供給流を加熱するステップと、
   前記加熱された燃料供給流を合成ガス生成セルに供給するステップであって、前記加熱された燃料供給流は、二酸化炭素および水を含み、前記二酸化炭素は、燃焼排ガス流から捕捉され、前記合成ガス生成セルは、固体酸化物電解槽セルを含み、前記固体酸化物電解槽セルは、多孔質カソード、固体酸化物電解質、および多孔質アノードを含む、ステップと、
   前記合成ガス生成セル中で、前記加熱された燃料供給流中の前記二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換し、合成ガス流を生成するステップであって、前記合成ガス生成セルは、前記固体酸化物電解質を含む、ステップと、
   前記合成ガス流を触媒反応器に供給するステップであって、前記触媒反応器は、触媒の存在下で動作する、ステップと、
   前記触媒反応器中で、前記合成ガス流を炭化水素燃料流に変換するステップと、
   を含む、プロセス。
2. 前記合成ガス生成セル中で、前記加熱された燃料供給流中の前記二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換する前記ステップはさらに、
   前記電気を前記固体酸化物電解槽セルの前記多孔質カソードに供給するステップと、
   前記多孔質カソードを前記加熱された燃料供給流と接触させるステップと、
   一酸化炭素および酸素イオンを生成するために、前記二酸化炭素を還元するステップであって、前記酸素イオンは、前記多孔質カソードを通って前記固体酸化物電解質に移動する、ステップと、
   水素および酸素イオンを生成するために、前記水を還元するステップであって、前記酸素イオンは、前記多孔質カソードを通って前記固体酸化物電解質に移動する、ステップと、
   前記酸素イオンを、前記固体酸化物電解質を通して前記多孔質アノードに拡散するステップと、
   酸素分子が酸素流を生成するために形成されるように、前記多孔質アノードにおいて前記酸素イオンからの電子を放出するステップと、
   を含む、請求項１に記載のプロセス。
3. さらに、消費のために前記炭化水素燃料を発電所に供給するステップ
   を含む、請求項１に記載のプロセス。
4. 太陽エネルギーを使用して、二酸化炭素を炭化水素燃料に変換するためのシステムであって、
   太陽エネルギーを熱エネルギーおよび電気に変換するように構成される、太陽熱発電システムであって、前記太陽熱発電システムは、合成ガス生成セルと熱連通しており、前記合成ガス生成セルは、前記太陽熱発電システムから熱エネルギーを受容するように構成され、
   前記合成ガス生成セルは、燃料供給流を受容するように構成される燃料入口、および合成ガス流を受容するように構成される燃料出口を備える、燃料側と、酸素流を受容するように構成される酸素出口を備える、酸素側とを備え、
   前記燃料供給流は、二酸化炭素および水を含み、
   前記合成ガス生成セルは、前記二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換するように構成され、前記一酸化炭素および水素は、前記合成ガス流を形成するように動作可能であり、前記合成ガス生成セルは、固体酸化物電解槽セルを含む、太陽熱発電システムと、
   前記合成ガス生成セルの前記燃料側に流体接続される、触媒反応器であって、前記触媒反応器は、前記合成ガス生成セルの前記燃料側からの前記合成ガス流を炭化水素燃料流に変換するように構成され、前記触媒反応器は、反応器床を備え、前記反応器床は、触媒および分配器を備え、前記触媒反応器は、２５０℃〜６５０℃で動作するように構成される、触媒反応器と、
   を備える、システム。
5. 前記固体酸化物電解槽セルは、
   前記合成ガス生成セルの前記燃料側と流体連通している、多孔質カソードであって、一酸化炭素、水素、および酸素イオンが生成されるように、電子を前記燃料供給流に移動させるように構成される、前記多孔質カソードの燃料側と、前記酸素イオンを固体酸化物電解質中に放出するように構成される、電解質側とを有する、多孔質カソードであって、
   酸素イオンの通過を可能にするように構成される、多孔質カソードと、
   前記合成ガス生成セルの前記酸素側と流体連通している、多孔質アノードであって、前記固体酸化物電解質から酸素イオンを受容するように構成される、電解質側と、酸素流を形成するために、酸素イオンを酸素分子に変換するように構成される、出口側とを備える、多孔質アノードであって、
   酸素イオンの通過を可能にするように構成される、多孔質アノードと、
   前記固体酸化物電解質であって、前記多孔質カソードと前記多孔質アノードとの間にあり、酸素イオンの通過を可能にするように構成される、固体酸化物電解質と、
   電子供給であって、前記太陽熱発電システムからの前記電気は、電子供給を前記多孔質カソードに提供し、前記多孔質アノードから電子を受容する、電子供給と、
   を備える、請求項４に記載のシステム。
6. 前記多孔質カソードおよび前記多孔質アノードは、ニッケル／イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物−ＹＳＺ（ＬＳＭ−ＹＳＺ）、およびペロブスカイトのセラミック酸化物からなる群より選択される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記固体酸化物電解質は、イットリア安定化ジルコニアからなる、請求項５に記載のシステム。
8. 前記太陽熱発電システムは、タワー集中型ソーラーパワーシステムを備え、前記タワー集中型ソーラーパワーシステムは、
   熱伝導流体を加熱するように構成される、タワー受光器と、
   前記タワー受光器に近接した、複数のヘリオスタットであって、直射日光を受け、反射日光として、前記ヘリオスタットからの前記直射日光を前記タワー受光器に反射させるように構成される、ヘリオスタットと、
   前記タワー受光器に流体接続される、高温貯蔵タンクであって、前記熱伝導流体を貯蔵するように構成される、高温貯蔵タンクと、
   前記高温貯蔵タンクに流体接続される、蒸気発生器であって、発生蒸気流を生成させるために、前記熱伝導流体から水流に熱を伝達するように構成される、蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器に流体接続される、蒸気タービンであって、前記発生蒸気流は、前記蒸気タービンを駆動するように構成される、蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンに機械的に接続される、発電機であって、前記蒸気発生器は、電気を生成するために、前記発電機を駆動するように構成される、発電機と、
   を備える、請求項４に記載のシステム。
9. 前記合成ガス生成セルは、６５０℃〜８００℃で動作するように構成される、請求項４に記載のシステム。
10. 二酸化炭素流を生成するために、燃焼排ガス流からの二酸化炭素を捕捉するように構成される、炭素捕捉システムを更に備え、前記炭素捕捉システムは、発電所と流体連通しており、前記発電所は、前記燃焼排ガス流を生成するように構成される、請求項４に記載のシステム。
11. 太陽エネルギーを使用して、二酸化炭素を炭化水素燃料に変換するためのプロセスであって、
    複数のヘリオスタットで直射日光を受け、反射日光として、前記ヘリオスタットからの前記直射日光をタワー受光器に反射させるステップであって、前記反射日光は、前記タワー受光器中の熱伝導流体を加熱する、ステップと、
    蒸気発生器中で水流を発生蒸気流に変換するステップであって、前記熱伝導流体は、熱を前記蒸気発生器に提供する、ステップと、
    前記発生蒸気流を蒸気タービンに供給するステップであって、前記蒸気タービンは、電気を生成するために発電機を駆動するために、前記発生蒸気流中の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する、ステップと、
    加熱された燃料供給流が６５０℃〜８００℃の温度に達するように、前記加熱された燃料供給流を生成するために、前記熱伝導流体から熱エネルギーを伝達することによって、燃料供給流を加熱するステップと、
    前記加熱された燃料供給流を合成ガス生成セルに供給するステップであって、前記加熱された燃料供給流は、二酸化炭素および水を含み、前記二酸化炭素は、燃焼排ガス流から捕捉され、前記合成ガス生成セルは、固体酸化物燃料電池を含み、前記固体酸化物燃料電池は、多孔質アノード、前記固体酸化物電解質、および多孔質カソードを含む、ステップと、
    前記合成ガス生成セル中で、前記加熱された燃料供給流中の前記二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換し、合成ガス流を生成するステップであって、前記合成ガス生成セルは、固体酸化物電解質を含む、ステップと、
    前記合成ガス流を触媒反応器に供給するステップであって、前記触媒反応器は、触媒の存在下で動作する、ステップと、
    前記触媒反応器中で、前記合成ガス流を炭化水素燃料流に変換するステップと、
    を含む、プロセス。
12. 前記合成ガス生成セル中で、前記加熱された燃料供給流中の前記二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換する前記ステップはさらに、
    前記加熱された燃料供給流中にガス状炭化水素を加えるステップと、
    前記加熱された燃料供給流を前記固体酸化物燃料電池の前記多孔質アノードに供給するステップと、
    前記一酸化炭素および水素を生成するために前記加熱された燃料供給流中の前記水および前記ガス状炭化水素を改質するステップと、
    前記一酸化炭素および水素を生成するために、前記加熱された燃料供給流中の前記二酸化炭素および前記ガス状炭化水素を改質するステップと、
    酸素イオンを生成するために、前記固体酸化物燃料電池の前記多孔質カソード上の酸素供給からの酸素を還元するステップと、
    前記酸素イオンを、前記固体酸化物電解質を通して前記多孔質アノードに拡散するステップと、
    水および電子を生成するために、前記酸素イオンで前記多孔質アノードにおける前記水素を酸化させるステップと、
    一酸化炭素、水素、および電子を生成するために、前記酸素イオンで前記多孔質アノードにおけるメタンを酸化させるステップと、
    前記電子を変電所に供給するステップであって、前記変電所は、前記合成ガス生成セルからの前記電子を、発電機によって生成される電気と組み合わせるように構成される、ステップと、
    を含む、請求項１１に記載のプロセス。
13. 前記ガス状炭化水素は、メタンを含む、請求項１２に記載のプロセス。
14. さらに、消費のために、前記炭化水素燃料を発電所に供給するステップを含む、請求項１１に記載のプロセス。
15. 太陽エネルギーを使用して、二酸化炭素を炭化水素燃料に変換するためのシステムであって、
    太陽エネルギーを熱エネルギーおよび電気に変換するように構成される、太陽熱発電システムであって、前記太陽熱発電システムは、合成ガス生成セルと熱連通しており、前記合成ガス生成セルは、前記太陽熱発電システムから熱エネルギーを受容するように構成され、
    前記合成ガス生成セルは、燃料供給流を受容するように構成される燃料入口、および合成ガス流を受容するように構成される燃料出口を備える、燃料側と、酸素流を受容するように構成される酸素出口を備える、酸素側とを備え、
    前記燃料供給流は、二酸化炭素および水を含み、
    前記合成ガス生成セルは、前記二酸化炭素および水を一酸化炭素および水素に変換するように構成され、前記一酸化炭素および水素は、前記合成ガス流を形成するように動作可能であり、
    前記合成ガス生成セルは、固体酸化物燃料電池を含み、前記燃料供給流はさらに、ガス状炭化水素を含む、太陽熱発電システムと、
    前記合成ガス生成セルの前記燃料側に流体接続される、触媒反応器であって、前記触媒反応器は、前記合成ガス生成セルの前記燃料側からの前記合成ガス流を炭化水素燃料流に変換するように構成され、前記触媒反応器は、反応器床を備え、前記反応器床は、触媒および分配器を備え、前記触媒反応器は、２５０℃〜６５０℃で動作するように構成される、触媒反応器と、
    を備える、システム。
16. 前記ガス状炭化水素は、メタンを含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記固体酸化物燃料電池は、
    前記合成ガス生成セルの前記燃料側と流体連通している、多孔質アノードであって、前記メタンが、一酸化炭素、水素、および電子を形成するために酸化反応を受けるように、電子を受容するように構成される、前記多孔質アノードの燃料側と、固体酸化物電解質から酸素イオンを受容するように構成される、電解質側とを備える、多孔質アノードであって、
    前記多孔質アノードは、酸素イオンの通過を可能にするように構成され、
    前記メタンおよび水は、一酸化炭素および水素を生成するために、前記多孔質アノードの前記燃料側の存在下で反応し、
    前記メタン及び二酸化炭素は、一酸化炭素及び水素を生成するために、前記多孔質アノードの前記燃料側の存在下で反応する、
    多孔質アノードと、
    前記合成ガス生成セルの前記酸素側と流体連通している、多孔質カソードであって、酸素を酸素イオンに変換するように構成される、出口側と、酸素イオンを前記固体酸化物電解質中に放出するように構成される、電解質側とを備える、多孔質カソードであって、
    酸素イオンの通過を可能にするように構成される、多孔質カソードと、
    前記固体酸化物電解質であって、前記多孔質カソードと前記多孔質アノードとの間にあり、酸素イオンの通過を可能にするように構成される、固体酸化物電解質と、
    を備える、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記合成ガス生成セルの前記燃料側中の前記水素は、水および電子を形成するために、酸化反応を受ける、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記多孔質カソードおよび前記多孔質アノードは、ニッケル／イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物−ＹＳＺ（ＬＳＭ−ＹＳＺ）、およびペロブスカイトのセラミック酸化物からなる群より選択される、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記固体酸化物電解質は、イットリア安定化ジルコニアからなる、請求項１７に記載のシステム。

Images