CN104271807A

CN104271807A - 涉及水的电解和二氧化碳氢化为甲烷的用于能量转换和产生的方法和***

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Publication number: CN104271807A
Application number: CN201380020877.0A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·辛普森
Original assignee: AVONDALE ASSOCIATES Ltd
Current assignee: AVONDALE ASSOCIATES Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2015-01-07
Also published as: JP2015513531A; EP2817438A2; WO2013124632A3; US20160017800A1; US10208665B2; AU2013223862A1; JP6243357B2; EP2817438B1; WO2013124632A2; GB201202791D0; AU2013223862B2

Abstract

本发明涉及将电能转换为化学能并且任选地根据需要再对其进行转换以发电的方法和***。在一些优选的实施方案中，电能的源至少部分来自可再生能源。本发明使得常规能量能够转换和产生而不向大气释放CO₂。用于生产甲烷的一种方法包括电解水以形成氢气和氧气，并使用氢气使二氧化碳氢化以形成甲烷。优选使用在氢化反应中生成的热以加热在电解前的水。优选的用于电解的电能源为可再生能源如太阳能、风能、潮汐能、波浪能、水能或地热能。所述方法使得能够储存在低需求时以甲烷形式获得的能量，其可被储存并用于在高的能量需求期间产生更多的能量。还描述了一种***，其包含电解设备和氢化设备以及用于运输两种流体的管道。

Description

涉及水的电解和二氧化碳氢化为甲烷的用于能量转换和产生的方法和***

本发明涉及将电能转换为化学能并且任选地在需要时将化学能转换回电能从而提供电能的改进的方法和***。本发明提供了用于由电能制备可燃的燃料或石化原料的高效方法和***，其中在某些实施方案中，可通过非化石燃料能量和相关技术来提供电能。在替代实施方案中，本发明可用于在特定时间(例如，在相对低的需求或价格的时候)将电能转换为化学能，用于之后在其他时间(例如，高的需求或价格的时候)转换为电能。本发明可涉及能量转移的再循环过程(recurrent process)，用于供应无排放的电力和任选的区域供热和用于饮用或其他目的的水源。

背景技术

事实证明致力于满足急速增长的全球人口的不断扩大的能量需求是二十一世纪早期人类所面临的最大挑战之一。能量供应的基本方式在很大程度上仍保持不变，这是因为大规模产生化石燃料(例如煤、油和天然气)的燃烧仍提供绝大多数的电力，在英国乃至世界范围均如此。然而，自从二十世纪六十年代，人们已日益关注该燃烧的主要产物之一(即二氧化碳(CO₂))对我们世界的气候的影响。气候科学家目前几乎全部认同如果任其发展的话，我们对化石燃料燃烧的持续依赖正在以将导致我们星球大幅升温的速度提高大气CO₂的水平。

对用于大多数电力产生、运输和家用供热或冷却的化石燃料的依赖推动了温室气体二氧化碳(CO₂)的水平不断升高。当气候科学家将全球变暖归因于大气中逐步升高的CO₂水平时，他们可能是正确的。在二十世纪，大气CO₂水平从300ppm升高至370ppm。因为化石燃料燃烧持续地球温度上升的风险，导致非常令人担心的失控效应。

针对缺乏决心制定以实现所提议的百分比减少的措施，已停止用于减少CO₂排放的国际协定。此外，用于减低CO₂的量的协定并非适当的解决方案并且其仅用来说明问题的规模，如果实施该协定的话仍将无法阻止大气中不断升高的CO₂水平。与此相反，普遍采用本发明将完全阻止来自电力供应的排放，相比国际能源署2010年全球30.6G吨CO₂/年的来自第一燃料燃烧的总排放量，本发明具有每年防止约14G吨CO₂进入大气的潜力。

目前，化石燃料发电站仍将燃烧期间所形成的CO₂释放入大气中，尽管进行了一些CO₂提取和埋存(sequestration)的初步研究，例如在英国法夫区的Longannet。由化石燃料燃烧所产生的大气污染导致对人体健康和生态***的损害是被普遍承认的。现有技术不足以阻止由大气的含硫、含氮和颗粒污染所导致的损害。

现在国际上亟需采取果断行动以在全球温度升高至将导致我们的环境严重变化的水平之前阻止大气CO₂水平的上升。因此，已经显著加快探求能量产生的更小污染(“更加环保”)方法的步伐。研究致力于两个主要领域：

·捕获在化石燃料燃烧中所产生的CO₂，通常用于埋存，以及

·用于利用自然界中明显固有的巨大能量储备即所谓的可再生能源的高效装置。

CO₂回收(“碳捕获”)方法越来越吸引大规模的投资，政府通过向油气跨国公司提供经济激励来鼓励其开发。例如，“洁净煤技术”基于从烟道气中提取CO₂然后通过***良好地质结构的气或油对其进行埋存。然而，从常规燃烧烃发电厂的烟道气中分离CO₂虽然可行，但存在两个主要缺点。第一，由于回收工艺，导致工厂的效率大幅下降，因此收益降低。第二且重要地，无法保证经埋存CO₂不会随时间从其地质监禁中逸出并找到进入大气的路径。易于CO₂回收的改进正在出现，特别是通过研究在O₂中而非空气中燃烧烃燃料的潜力——“氧燃料燃烧”，正如将在之后详细阐述的^[1]。

不言而喻，其中，由可再生能源(例如风能、潮汐能和太阳能)发电尤其代表所有方法中最环保的方法，因为以该方式不排放CO₂。然而，政治家和能源工业当然不愿意在有效并且可靠地利用这些能源的技术仍然处于其初期的时候在大规模转变为可再生能源上碰运气。许多最有前景的可再生能源的源受困于不可预测性。例如，风力涡轮机非常间歇地和不可靠地发电，其输出取决于持续变化的力：在任何时间点的风的强度和方向。唯一大规模替代当前使用的化石燃料燃烧的核能表现出该规模的另一方面：其非常不灵活，产生恒定的输出水平并因此难以处于响应于电力需求中常见的突发高峰或低谷。因为电力必须在产生时使用，所以在高效发生***中需要灵活性和可靠性两者。

因此，已经对将电力转化为其他形式的能量以储存及用来满足后续需求的可能性进行许多研究。一个热门的研究领域是由替代能源制造可燃气体。例如，美国^[2]和日本^[3]两者对由太阳能产生甲烷的可能性进行研究，后者建立试验工厂以证明其可行性。

本发明提供任选地从可再生能源以及从常规发电技术捕获和储存电能的改进的方法。本发明还提供用于能量储存和产生而不向大气排放CO₂的全面整合的方法。本发明将描述用于在需要的时间和需要的地点可靠地发电的装置。

发明详述

在第一方面中，本发明提供用于由电能源产生烃或烃衍生物的方法，所述方法包括：

a)使用来自所述源的电能来裂解(例如电解)水以形成氢气和氧气；以及

b)使用由此形成的氢气来氢化二氧化碳以形成甲烷。

在一个优选的实施方案中，通过操作用于由非化石燃料能源获得电能的非化石燃料能源发电机来获得电能。使用由此获得的能量来裂解水。应当注意，水可以为液体形式或者可以为气体形式(即如蒸汽)。

在另一个实施方案中，电能可获自现有的电网，适于电力低的需求/成本的时段(例如，在夜间)。这使得当电力需求低时，本发明能够充当将电能转换为烃或烃衍生物的缓冲。

本发明的一个显著优点在于其允许储存由不能根据需要改变发电的发电机所产生的电力。不能控制和/或预测的大多数可再生能源或非化石燃料能源以及相对而言不灵活的核能都是这种情况。实际上，由许多现有化石燃料发电设备改变产量通常是不便利的和/或效率低。

主要设想将电力用于电解水，优选在高的温度和/或压力下。然而，有可能使用电力来加热水直至实现热分解。热分解在高温(例如，2000℃或更高)下发生，因此用于制造适当设备的适当材料仍然是个问题。然而，该领域的研究仍在继续并且在某些情况下其可成为适当的方法。其中在下文提及电解，应当注意预期可使用电力的其他裂解水的方法。

所述方法可包括进一步处理所述甲烷以形成除甲烷以外的烃或烃衍生物的步骤。术语“烃衍生物”用于指这样的化合物，其主要由碳和氢构成并且可衍生自甲烷，但是其还包含另外的元素(例如，氧、氮或卤素)，例如碳水化合物、醇、羧酸、胺、酰胺等。下文将对其进行更详细描述。

优选地，非化石燃料能源是风能、潮汐能、波浪能、水能、地热能、太阳能和核能中的一种或更多种。最优选地，所述能源是可再生能源，即不包括以上列举中的核能。应当注意，即使严格来讲能量的所有源是有限的，但是如在本领域中常用的，可以使用术语可再生作为“绿色”、基于非化石燃料的能量的涵盖性术语。适合用于由这些可再生能源获得电能的适当的非化石发电装置在本领域中是公知的，而且该领域中的技术发展迅速，存在相当大的政治和环境驱动以由这些源产生更多电力从而代替基于化石燃料的发电。例如，长期以来以局地规模和大规模两者进行水力发电，在陆上环境和海上环境两者中通过风力涡轮机进行的风力发电是相对成熟的技术，并且潮汐发电正在迅速地成为现实。因此不需要对相关发电方式进行详细讨论。

通常优选直流电以进行水的电解。可使用直流发电机或整流器以由交流电获得直流电，例如，如从该可再生能源发电机或从电网产生。

优选在电解设备中进行电解。已在开发用于高效电解的***方面作出大量工作，并且这样的***将易于应用于本发明。例如，在某些实施方案中，优选在相对于环境更高的温度下进行电解。升高的温度已示出提高效率(这样的***通常被称为高温电解或蒸汽电解)。因此，所述方法优选涉及将电解反应加热至期望的温度。特别地，优选电解在100℃至1000℃、更优选250℃至950℃、尤其为800℃至925℃下进行。

另外地或可替代地，优选使用固体氧化物电解器***；该***已示出提供提高的效率。特别地，使用氧化钇稳定的氧化锆(“YSZ”，Y₂O₃在ZrO₂中)(在高温下良好传导O^2-离子的气密电解质)大大有利于氢气和氧气产物的分离。

优选的电极是镍-陶瓷金属蒸汽/氢电极。

气体产物氧气和氢气作为电解的产物获得并且通常分别获得并任选地储存用于进一步应用。因为氢气和氧气两者的高反应性，其均为潜在危险的化学物，但是用于其安全储存和操作的技术在本领域中是公知的。

将二氧化碳氢化为甲烷在称为萨巴蒂埃(Sabatier)的工艺中适当地进行，其中该反应可总结如下：

该工艺是相对公知的，并且技术人员易于获得用于进行所述反应的适当的方法和设备。

萨巴蒂埃工艺是放热的，因此通常需要对反应***进行冷却。如果反应温度显著地超过300℃，则存在效率的损失(因为变得有利于逆反应)，因此优选将温度保持于300℃左右。优选的温度范围为200℃至400℃、更优选250℃至350℃、尤其为275℃至325℃。这可通过冷却来实现，例如，使用基于液体或气体的冷却***，例如，在热耦接至反应***的热交换器中循环的水或蒸汽。因此，通常优选该方法涉及对氢化反应进行冷却。在本发明的一个优选实施方案中，使用环绕氢化反应器的至少一部分并因此对其进行冷却的水作为电解反应的原料。

优选用于萨巴蒂埃工艺的金属催化剂包含在Al₂O₃上的Ru。该催化剂在较小反应器容积内为反应提供良好的选择性和较大的表面积，其非常适合于本发明。替代催化剂(例如镍)将对于本领域的技术人员而言是显而易见的，并且期望该反应在未来几年中是科技发展的主题，这些发展可容易地应用于本发明。

在本发明的一个优选实施方案中，将二氧化碳氢化所产生的余热(可通过冷却***将其从氢化***中移除)用来加热电解反应。这使得将来自氢化反应的热能够再利用，从而提高电解反应的效率。在电解前或在电解期间，可适当使用余热来加热用于电解工艺的输入水。

在本发明的一个优选实施方案中，使用电解反应的至少部分输出(即，高温氢气和/或氧气)来加热电解反应，例如输入水。这使得使用包含于输出中的热能来提高电解工艺的效率。

在本发明的某些优选实施方案中，使用电解所产生的氧气和/或氢气中的余热来驱动发电。可适当地使用该电力来驱动电解。即使在使用氧气和/或氢气来加热用于电解的输入水后，其也将通常处于高温下。可通过适当的发电机将该能量用于驱动发电而非将其浪费。适当地使用氧气和/或氢气来驱动锅炉(例如兰金(Rankine)循环锅炉)以驱动蒸汽轮机。无论是否使用氢气和/或氧气来加热输入水，均可实现效率最大化的该方法。

在一些优选的实施方案中，所述方法包括对所述锅炉中产生的蒸气进行导向以作为用于电解的输入水。在期望保留最大量的***中的热时，例如在启动期间，这特别有用。当期望保留该能量时，允许用于避免过量能量损失的方法，例如在蒸汽轮机后进入冷凝器中。可适当使用一个或更多个的蒸气桥将其实现，所述蒸汽桥包含可操作用于将蒸汽从蒸汽轮机的高压侧转移至通向用于电解的输入水的管道中的阀。因此该方法提供用于电解的高温输入水，其使热返回至***而非允许其经过涡轮机并进入冷凝器中。一旦***在期望的水平下操作，则可引导蒸汽通过蒸汽轮机(例如通过操作蒸汽桥)，从而发电。

可例如通过冷凝方便地将由二氧化碳的氢化所产生的水分离于甲烷。该水可适当地用于后续电解或以其他方式使用。

用于本发明的二氧化碳可以适当地是燃料(例如在发电时燃烧的燃料中)燃烧的废产物。二氧化碳埋存是快速发展的领域，并且需要处理的被捕获二氧化碳的量可能快速增加。本发明提供对于这样的二氧化碳而言非常需要的用途，并且比现有储存选择更具吸引力。使用二氧化碳产物并将其转化为有用产物(即甲烷或其衍生物)的能力使本发明在经济和环境方面很具吸引力。在以下进一步讨论的一个优选实施方案中，优选二氧化碳为由本方法所产生的烃或烃衍生物的下游氧化的产物。在该情况下，将显然的是所述方法变成“碳平衡的(carbon neutral)”。

对于本领域技术人员而言，优化本发明的多种反应的条件是常识。

在某些实施方案中，所述方法用于产生适用于发电机的烃燃料，所述发电机适用于由所述烃燃料获得电能。该发电机将通常是基于燃烧的发电机或燃料电池或组合的燃料电池及涡轮机。将基于燃烧的发电机与基于多种烃的燃料一起使用是公知的，并且燃料电池正成为成熟技术。多种混合的燃料电池/涡轮机***也正变得可用。

优选烃燃料是气体。更优选所述燃料包含甲烷，优选至少按体积计80％的甲烷，更优选90％或更高、95％或更高、99％或更高的甲烷。

可适当地将甲烷转化为甲烷水合物(一种允许方便甲烷以低体积形式储存的固体)。

包含甲烷的燃料特别地适用于适合与天然气一起使用的发电机。存在一系列围绕天然气的发电技术，并且全部都潜在地合适。特别优选的发电机是联合循环燃气轮机(combined cycle gas turbine，CCGT)。

在本发明的另一些实施方案中，由二氧化碳氢化所产生的甲烷可用于形成其他烃或基于烃的产物，例如烷烃、烯烃、醛、酮、醇(一元醇或多元醇)和多种聚合物前体(单体)。可适当地将这样的下游产物用作燃料，或可用作用于化学工艺(例如聚合反应)的石化原料。例如，所述方法可包括后续形成烷醇(例如甲醇)、烷烃(即通式为C_nH_2n+2(其中n＝2至20，优选其中n＝5至10)的烃，例如航空燃料或石油)、乙二醇、聚乙烯、苯乙烯、聚氯乙烯(PVC)。其中，从甲烷得到这些产物的方法在本领域中是公知的并且将不在此处详细讨论。

所述方法可任选地包括从水的电解获得并且任选地储存和/或运输氧气用于所述燃料的后续氧化，例如在燃烧中或在燃料电池中。下文中对其进行更详细讨论。

在第二个方面中，本发明提供用于从电能源产生烃或烃衍生物的***，所述***包含：

a)电能的源；

b)与所述电能的源电耦接的电解设备，其可操作以使用电能电解水以形成氢气和氧气；

c)用于收集在所述电解设备中产生的氧气和氢气的气体处理装置；以及

d)适于使用所述氢气来氢化二氧化碳以形成甲烷的氢化设备。

在某些实施方案中，优选***包含可操作用于由非化石燃料能源获得电能的非化石燃料能源发电机，例如电解设备电耦接于其上的可再生能源。在一些替代实施方案中，电能的源可以是与远程供应所产生的电能的电网的连接。

以上对适当类型的非化石燃料能源发电机进行了讨论。

该***还可包含用于将交流电转化为直流电的装置。当由可再生能源发电机所产生的电力是交流电时可需要该装置。用于获得直流电的适当装置包括直流发电机或整流器。

电解设备适当地包含电解可发生于其中的反应空间。优选电解设备包含适于将反应空间加热至高于环境温度的加热装置。在一个优选实施方案中，加热装置包含适于运载流体通过反应空间或通过输入水流的热交换器，其允许将热能从流体传递至输入水或反应空间，因而升高反应空间的温度。可替代地或另外地，将用于冷却氢化反应的水用作将已经处于高温的电解反应的原料。在一个优选实施方案中，限定氢化反应空间的管或其他适当的管道穿过用于电解反应的输入水。可替代的或另外的加热装置对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，例如电加热装置。

在一个优选实施方案中，用于运载电解反应的至少一部分输出的管道(例如管)适于与用于电解设备的输入水进行热连通。例如，运载氢气和氧气的至少一者、另一者或两者及任何存在于所述流中的未裂解的水的管穿过运载输入水的容器，并因此将热从电解反应的氧气/氢气/水输出传递至输入水。这具有提高电解效率的优点。

氢化设备优选地包含氢化可发生于其中的反应空间。优选通过多个管道(例如管)限定反应空间。优选氢化设备包含适于冷却反应空间的冷却装置。在一个实施方案中，冷却装置包含适于运载流体穿过或沿着反应空间的热交换器，其允许热能从反应空间传递至流体，从而降低反应空间的温度。可替代的或另外的冷却装置对于本领域的技术人员将是显而易见的，例如电冷却装置。

优选电解设备的热交换器与氢化设备进行流体连通，使得来自氢化设备的至少一部分热可用于加热电解反应。这样的布置允许使用热能，从而提高效率。然而，可能在某些情况下，在氢化反应中产生的热能的量可能对于提供电解反应期望的对应热而言过多或过少，因此可包括另外的加热装置或冷却装置以补偿任何该失衡。

在一个优选实施方案中，用于电解设备的输入水可用于直接冷却氢化设备反应空间。例如，输入水可绕氢化反应发生于其中的管道(例如限定氢化反应空间的管)流动。优选地，可使用下述萨巴蒂埃/电解联合设备来实现。

优选设置使电解设备和/或氢化设备的温度保持于期望温度下的温度控制装置。优选温度为以上所给出的。该装置可包括一个或更多个阀以控制存在于电解设备和/或氢化设备中的热交换器内的流体流量。可以有多于一个的加热***和/或冷却***存在于设备中。优选可将设备中所产生的热用于加热设备的其他部分，例如CO₂的放热氢化可用于加热用于电解的原料。然而，可设置另外的加热装置或冷却装置用于处理任何热失衡和/或用于辅助设备的启动。

在一些优选实施方案中，***包含配置为使用存在于氧气和/或氢气(任选地在其已用于加热输入水之后)中的余热的发电装置来发电。该电力可有利地用于驱动电解。发电装置适当地包含一个或更多个的适于产生蒸汽的锅炉，使用所述氧气和/或氢气中的热，然后用于驱动一个或更多个的蒸汽轮机并由此发电。这提供可将否则可能损失到大气中的热能用于驱动电解的机制。

在一些优选的实施方案中，设置这样的蒸汽桥，其允许从锅炉中产生的蒸汽绕过LP涡轮机和冷凝器并作为用于电解的输入水返回。当期望保留最大量的体系中的热(例如，在启动期间)时，这特别有用。当期望保留***中的热时，其允许***避免能量损失，例如，在蒸汽轮机后进入冷凝器中。蒸汽桥适当地包含可操作用于将来自LP涡轮机的高压侧的蒸汽转移至通向输入管道的管内的阀，从而提供用于电解的高温输入水而非允许其经过LP涡轮机和冷凝器。

电解设备适当地包含固体氧化物电解器。如以上所讨论的，优选使用氧化钇稳定的氧化锆。

氢化设备包含金属催化剂(优选在Al₂O₃上的Ru)，但其他催化剂也可以是适当的。催化剂将通常被安装在适当的基底上。优选将催化剂固定在可适于从反应空间中移除(例如被替换)的可重复利用的基底上。

在另一个方面中，本发明提供用于由能源发电的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供电能源；

b)使用来自所述源的电能来电解水以形成氢气和氧气；

c)使用由此形成的氢气将二氧化碳氢化以形成甲烷形式的烃燃料；

d)任选地对至少一部分所述甲烷进行转化以形成二次燃料；

e)向能够由所述燃料产物获得电能的第二发电机提供步骤c)或d)的燃料产物；以及

f)产生电能。

在一个优选实施方案中，通过操作用于获得电能的非化石燃料能源发电机来提供电能，更优选可再生能源发电机。在一个替代实施方案中，电能源是电网，例如在生产过剩、低需求和/或低成本时段期间。

优选地，所述方法涉及向所述第二发电机提供氧气用于燃料的氧化。更优选至少一部分所述氧气由水的水解产生(通常为步骤b中与氢气共同产生的氧气)。

优选在基本纯的氧气存在下进行燃料的氧化(例如燃烧)，即按体积计90％或更高、按体积计95％或更高的氧气，更优选按体积计99％或更高。这作为“氧燃料燃烧”在本领域中是已知的。在烃的氧化中使用基本纯的氧气是有利的，因为输出产物(假设燃料完全氧化)简单地为水和二氧化碳(假设使用合适的条件)。与使用空气时的情况相反，不存在不期望的产物例如氮氧化物。因此使用氧燃料燃烧的显著优点在于在冷凝出水蒸气后，所得烟道气CO₂将非常纯(＞95％)，并且将没有由不纯煤或空气中的天然气燃烧所产生的氮氧化物和二氧化硫。这极大地有利于二氧化碳捕获，因为并不需要从保留的风煤气(例如氮气和其他气体组分)中分离二氧化碳。对于常规碳捕获技术而言，从空气中分离二氧化碳很难实现并且表现出大量效率损失。

因此本发明提供极大的益处，其提供用于氧燃料燃烧的燃料和氧气两者。这进而极大有利于所产生二氧化碳的随后捕获。

本发明的另一个优点是其允许基本不含的硫燃料的产生和随后氧化，其优点在于避免污染以及避免催化剂、电解质等的“中毒”和/或除硫的成本。

本发明的方法可优选地包括捕获由于电力产生所产生的二氧化碳。然后通常可方便地将该二氧化碳用作步骤c)的氢化反应的原料。在该实施方案中，其显著的优点在于发电变成“碳平衡的”。

优选第二发电机包含联合循环燃气轮机(CCGT)。进一步优选CCGT适于氧燃料燃烧，其由此提供以上所讨论的优点。可替代地，第二发电机可包含燃料电池或混合燃料电池。

在某些实施方案中，优选第二发电机是热电联供(CHP)***，也称为区域供热***。该***提供额外的高效益。本发明提供潜在极清洁并因此非常适合于在接近于需要加热的区域发电的燃料的源。

在一些实施方案中，所述方法将包括至少将燃料从其所产生的位置(通常处于或接近可再生能源)运输至第二发电机。这可使用运输工具(例如船、火车或卡车)来实现或可使用管来实现。还优选将氧气从其产生的位置运输至第二发电机。

本发明的某些实施方案的显著优点在于其允许使用通常远离居民点的可再生能源位置来产生燃料，该燃料可通过用于在处于或接近该居民点处发电的常规装置来运输。由此，可以避免与跨越该距离直接运输电力相关的大量损失，因为可以避免与电缆和塔柱相关的成本、环境和美观问题。

本发明的某些实施方案的另一个显著优点在于其允许将来自电网的“过剩”电力转换为化学能，然后可在期望时(例如在高需求的时候)将其转换为电力。这具有以下方面的优势：其使得对不灵活发电***的需要能够平滑化，并且还适应在来自非化石燃料的电力的可预测性/可控制性方面的困难。例如，可将在需求时间之外通过风能、波浪能或潮汐能所提供的发电能力(否则其可能无用)作为化学能储存用于未来在高峰用电需求时使用。因此，本发明以某种方式提供了等效于已知抽水蓄能技术的新的和可改变规模(scalable)的技术。这为来自绿色能源的可变和不可控制发电能力问题提供了长久以来所需要的解决方案。

本发明的另一个优点在于其可在产生的位置提供水源，该水源可用作饮用水或用于其他目的(例如提供用于蒸气发电机***的水源)，例如用于在兰金循环发电机***中补给任何水的损失。

在另一个方面，本发明提供用于发电的***，所述***包含：

a)电能源；

b)电耦接至所述电能源的电解设备，其可操作用于电解水以形成氢气和氧气；

c)用于收集在所述电解设备中所产生的氧气和氢气的气体处理装置；

d)二氧化碳的源；

e)适于使用所述氢气对二氧化碳进行氢化以形成甲烷的氢化装置；以及

f)能够从所述甲烷或其衍生物中获得电能的第二发电机。

如上所讨论，电能源可以是可操作用于从非化石燃料能源(例如可再生发电机)获得电能的非化石燃料发电机，或其可以是与电网的连接。

所述***还可包含用于运输甲烷(或其衍生物例如甲烷水合物)的运输装置，并且还优选将氧气从气体的产生位置运输至第二发电机。这在第二发电机与氢化设备在空间上分离时是特别优选的。运输装置可包含船、铁路车辆或卡车形式的储存器，或其可以是管道。用于运输甲烷(天然气)的管道和船是公知的并且采用常规化石燃料提取技术广泛用于天然气的运输。其会易于应用于本发明。

优选以上所讨论的第二发电机，如同***其它部件的细节，并因此将不再参考本发明的该方面对其进行讨论。

在又一个方面，本发明提供用于运输两种流体的管道，包括适于在由其管腔所限定的第一体积内运载第一流体的第一管，和围绕所述第一管的第二管，其中可在由第一管的外表面和第二管的内表面所限定的第二体积内运载第二流体。

因此，第一管的管腔为第一流体提供第一流动路径。由第二管的内部和第一管的外部所限定的第一体积形成用于第二流体的第二流动路径。

优选第一管和第二管具有基本圆形的截面。

优选第一管和第二管轴向平行。更优选第一管和第二管同轴，并且任选同心。

优选管道适于运载第一管的管腔中的反应流体(例如氧气、氢气或甲烷)以及由第一管的外表面和第二管的内表面所限定的体积内的惰性流体(例如二氧化碳或氮气)。

在非常优选的一个实施方案中，对管道的总截面积进行划分使得第一管的管腔的截面积为总面积的约2/3，并且第二体积的截面积为总面积的约1/3。在该实施方案中，所述体积适于运载对应于二氧化碳和氧气的化学计量比的量的流体(如在本发明的其他方面中所用的)。

管道将通常包含适当的阀动装置和配件以控制和管理管道内流体的流动。

所述流体可以是气体或液体。

在另一些实施方案中，管道可适于运载多于两种的流体，例如三种或更多种气体。为了运载三种流体，管道可包含环绕第二管的第三管，从而为流体的运输提供另外的体积，所述体积由第三管的内表面和第二管的外表面来限定。应当理解可以根据需要以管的另外的“层”的方式添加额外的管以提供额外的体积。

特别优选的一个实施方案适于运载四种流体。其包含同轴共心布置的限定内部管腔的第一管、第二管、第三管和第四管，因此限定流体的四个流体路径。在一个优选实施方案中，管道适于运载第一管内的反应流体、第二体积内的惰性流体、第三体积内的反应流体和第四体积内的惰性流体。在一个优选实施方案中，管道适于运载第一管内的甲烷或另一种烃或烃衍生物、第二体积内的二氧化碳、第三体积内的氧气和第四体积内的二氧化碳。在该实施方案中，反应流体在一定程度上通过惰性流体彼此相互分离。

该总体布置，即通过惰性流体形成套层的各个反应流体还可通过经由另外的管提供另外的“层”来进一步延伸。

在另一个方面中，本发明提供产生甲烷并且进行电解的组合方法，其包括：

-进行高温电解工艺以由输入水(例如，以蒸汽的形式)形成氧气和氢气；

-使用由此所产生的氢气进行二氧化碳的氢化；以及

-使用在氢化反应中产生的热来加热用于电解工艺的输入水。

优选地，所述方法涉及将用于电解工艺的输入水与氢化反应进行热连通，使得对输入水进行加热并且对氢化反应进行冷却。

优选地，所述方法包括使用电解工艺中产生的至少一部分氧气和/或氢气来加热用于电解工艺的输入水。这允许将包含于电解产物中的至少部分热能用于加热输入水，从而提高该工艺的总效率。

在一个优选实施方案中，使电解工艺中所产生的至少一部分氧气和/或氢气用来驱动发电装置。氧气和氢气均处于高温下，并因此可适用于在锅炉中产生蒸汽(例如在兰金循环锅炉中)并由此驱动发电机(例如蒸汽轮机)。这可任选地用于与以上所提及的使用氧气和/或氢气的工艺相组合来加热输入水。这允许否则可能从***损失的热能用于发电。优选使用该电力来电解水。

在又一个方面中，本发明提供用于产生甲烷并进行电解的电解/氢化联合设备，其包含：

-适于与电能源电耦接的高温电解设备，所述高温电解设备可操作用于在高温下使用电能于电解室中电解水以形成氢气和氧气，高温电解设备包含适于将水(通常为蒸汽形式)运载至电解位置的水进料管道；

-用于收集在所述电解设备中产生的氧气和氢气的气体处理装置，其包含适于运载氧气和氢气的气体运载管道；

-适于使用在所述高温电解设备中产生的所述氢气将二氧化碳氢化以形成甲烷的氢化设备，其包含二氧化碳的氢化发生于其中的氢化室；以及

-其中至少一部分氢化室与进料管道进行热连通，使得在氢化反应中产生的热可加热待电解的水。

如上所讨论，在一些优选实施方案中，非化石燃料能源发电机用于产生电能以驱动电解。可替代地，可使用来自现有电网的电力。

在一个实施方案中，氢化室与进料管道进行热连通。优选地，氢化室包含多个穿过进料管道的管腔的管道(例如管)，使得至少一部分(优选基本全部)的管道与其中的水相接触。因此将管道/管用作热交换器以对用于电解的水进行加热和对氢化反应进行冷却。管道(管)可适于使热的传递最大化，例如其可包括用于增大管道表面积的装置(例如翅片或线圈)或者可对管进行构造以增大其表面积。用于最大化热传递的其他适当装置对本领域的技术人员而言是将显而易见的。

优选地，至少一部分氧气和/或氢气载气管道适于使得其与进料管道进行热连通。例如，气体运载管道可包含与进料管道进行热连通的热交换器。优选氧气和氢气载气管道两者均包含与进料管道进行热连通的部分。在一个优选实施方案中，氧气和氢气载气管道包含多个穿过进料管道的管腔的管使得其与其中的水相接触。如上所提及的，管道可适于使热交换最大化。因此可使用电解期间产生的热气体来加热进给水，从而提供加热水的常规方式并且避免能量浪费。

优选电解/氢化联合设备适于使得由氢化反应向进料管道中的水的热传递发生于来自气体运载管道的热传递的上游。这是因为气体运载管道通常处于比氢化室更高的温度，因此本布置允许更有效的加热进料管道中的水。

在一个优选的实施方案中，气体运载管道穿过热交换设备(例如，锅炉如兰金循环锅炉)，其适于产生可用于驱动蒸汽轮机以发电的蒸气。优选气体运载管道从其与进料管道热连通通过时(即已将热传递至进料管道之后)的下游穿过热交换设备。该布置允许重复使用氢气/氧气中的甚至更多热，在该情况下发电。适当地将产生的电力用于电解。任选地，氢气和氧气运载管道可穿过分离的热交换设备，或其可穿过相同的热交换设备，条件当然是使氢气和氧气的流保持分离。在设置分离的热交换设备时，其可将流进料至单一蒸汽轮机或多于一个的蒸气轮机中。

在本发明的一个优选实施方案中，设置分离器以分离水，水从氢气/氧气离开电解设备并返回至进料管道。这为进料管道提供已为热的水源，其进一步允许加热输入水。

适当地，电解/氢化联合设备包含一个或更多个的辅助加热器以在启动阶段期间和任选地进一步操作期间加热设备，这应当是需要的。适当地，加热器适于加热进料管道中的水。可替代地或另外地，设备包含直接加热电解室的加热器。适当地，一个或更多个的加热器是电加热器。适当的加热器在本领域中是公知的。

在另一个方面中，本发明提供电解和产生甲烷的方法，其包括以下步骤：

-氢化二氧化碳以形成甲烷；

-在电解前使用在氢化反应中产生的热来加热输入水，以及

-对所述输入水进行高温电解以形成氢气和氧气。

因此，使用放热氢化反应产生的热来加热用于电解反应的输入水。这降低输入水的用于另外加热的需求以使其达到用于高温电解的期望温度。其还允许冷却氢化反应(例如萨巴蒂埃反应)而不浪费热能。此外，如果需要的话可应用另外的加热和/或冷却。

优选地，所述方法包括使用电解工艺中产生的热的氢气和/或氧气以在电解前对输入水进行加热。在该实施方案中，可使用电解反应的热产物来进一步加热供给水。这允许使用产物中的热能来将供给水升至高的温度，从而降低或避免需要另外的加热。

所述方法可进一步包含使用热的氧气和/或氢气来驱动发电机，例如通过与发电机相连接的兰金循环锅炉。这允许回收氧气和/或氢气中的另外的能量。从而适当地使用所产生的电力来电解水。

上面提及用于实现该方法的适当设备，并且可使所述方法适于最佳利用所述设备的特征。

具体实施方式

现在将参考附图对本发明的实施方案仅仅作为示例进行描述，其中：

-图1a示出根据本发明的能量转移的示意图并且图1b示出进行时相(time-phased)能量转移的本发明的具体实施方案。

-图2示出本发明的一个实施方案的流程图。

-图3a示出电解室的图示。

-图3b示出用于将二氧化碳氢化的设备的图示。

-图4a示出与本发明相关的输入、输出和储存能力的图示。

-图4b示出用于运输本发明的产物的根据本发明的管***。

-图5示出关于CO₂回收组合的循环氧燃料燃气轮发电机的示意图。

-图6示出组合的2个阶段燃料和氧气产生工艺。

-图7示出用于运输产物的根据本发明的可替代的管。

-图8示出用于将甲烷转化为其他有用产物的图，所述产物例如石化原料。

-图9示出在夜间(或低需求的其他时间)时时相能量从电网转移至电力供应和区域供热的实施方案。

本发明的一般性讨论

以下详述是可以组合以提供全面整合的能量储存和产生的方法的各个方面，优选无CO₂排放到大气中。其经过作为能量储存介质的烃气体(其有时将称为“热气(thermogas)”)的产生和随后的燃烧来实现，通过结合氧燃料燃烧的新兴技术，CO₂催化转化成甲烷，并且更加有效地将水电解成氢气和氧气。认为这里所描述的方法代表了一种极大地增加可替代能源产生的实用性的方法，如果大规模实施的话，具有大大减少我们对化石燃料依赖性的潜力。其还代表一种储存在非高峰用电期间所产生的能源用于当用电需求高时使用的方法。

许多年来，已假设和研究由来自各种替代能源制备燃料，例如术语“氢经济”、“甲烷经济”及“甲醇经济”。本发明基于这样的概念：能量经济可基于选择可燃气体或源自替代能量的烃燃料。此外，本发明将该概念扩展成与能源转换过程整合。将对回收发电产生CO₂的方式进行描述，所述发电产生的CO₂之后将用于维持循环过程中的能量转移。

电不容易储存，但是可燃的燃料和氧气可以储存，无论为液体还是固体形式。本发明可在战略性位置上对燃料和氧气具有巨大的储存能力。现有技术允许每个罐或油船超过200,000m³储存。这些储存能力可以与1,000MW(E)氧燃料CCGTEG操作所要求的商品3个月每天12小时满载相比：大约400,000m³的液态氧和275,000m³的燃料(如果为液态甲烷)，同时在这个时间里将产生200,000m³作为固体储存的CO₂。

当需要时，这样所储存的能量将容易地可用来满足电力需求，相比于发电的当前实践，其具有若干益处。例如，当使用风能为电网发电时，不能依赖它来满足任何特定时间的需求。相反地，本发明将使用可再生能源例如风力、波浪、潮汐或太阳能来制造燃料或氧，例如，用于在使用点转移和储存，随后当需要时，满足电力需求。

当前实践是扩大电网***来将电力产生的能源与电力需求的地方互连。有时这不可能或者非常昂贵。例如，冰岛的地热能量不能有助于满足美国的电力需求，因此将不存在资源与需求之间的电网连接。本发明提供将来自远距离替代资源的能量安全、储存、运输和传递到需求电力的地区的方式。然而，本发明还可以使用用于可再生能量传递的电网解决地区需求。一个例子为过夜产生和能量储存接着是日间和夜间的电力供应。

目前，可能时实践使用否则会被浪费的来自发电站的热进行区域(或者联合热和电力)供热，因为其提供提高燃料利用热效率的方法。然而，与现有化石发电厂有关的污染几乎禁止其在市区的使用。本发明可在市区环境中被更多的接受，原因在于其排放基本上为零，因此，区域供热可被更广泛地实践，从而进一步实现CO₂排放的节约。

水在世界的一些地区是珍贵的物品。水生产和供给的脱盐方法被广泛使用，该方法通常通过涉及CO₂排放的化石燃料燃烧。本发明描述在发电过程期间如何产生水，然后在调节之后，水可以制造用于作为有用产品的各种形式。水可以被蒸馏或用作饮料碳酸化或用于工业软化或其他用途。3百万升或会在满载下24小时由1,000MW氧燃料CCGTEG运行产生。

通过油船运输液态天然气和其它低温物品被广泛实践。本发明会包括这样的作为一种所涉及物品运输方式的方法。另一个运输方式可使用现有如在欧亚管道网络中的管道技术。气体通过管道转移是借助于增压设备，其通常接受大于2巴的气体并加压高达10巴来强行将气体压到下一个增压器的点或终端。除了可涉及到的三种物品：燃料、氧和CO₂，本发明可使用相似的方法。

此外，本发明的一个方面示出现有管道如何可用于所述三种物品的转移。

图1a示出如何将来自可再生能源11的能量转移到电力和用于供给消费者的区域供热12。

将示出如下方式：如何通过源自可再生能源的直流电11将水(H₂O)16和二氧化碳(CO₂)15制成氧气(O₂)14和可燃燃料，优选甲烷(CH₄)13。将O₂14和CH₄13转移到热机发电机19中为电网供电或用于局部使用12。将包含CO₂和H₂O的热机排气冷却至能够分离和压缩CO₂以传输返回到燃料/氧气产生的位置18以继续该过程。因此，在无大气排放的情况下，使从可再生能源至用于供给电网电力的能量传输成为可能。区域供热12是任选的但不是优选的。

除了能源以外，水被有效地从产生位置18转移至供给位置19。耗水量16必须在生产位置18处，但水17是作为在供给位置19处燃烧产物制得的。

图1b示出了本发明一个实施方案的时相能量转移，其可最佳位于单个位置。本文使用的“时相”用来描述允许在一定时间储存所产生的电能(作为化学能量)用于在另一个时间作为电能释放的方法或***。这个实质上是由现有技术如抽水蓄能来获得的效应，但是现有技术受储存设备的尺寸和基础结构成本的限制。本发明针对该问题提供一种更加灵活、可改变规模且便捷的解决方案。

在低需求或生产过剩期间(例如，在夜间或由于高风力等可再生产处于高水平时)，获自电网110的电力通过整流器130为甲烷和氧气生产设备128供给直流电，这将在下文更详细描述。将取自储存槽124的CO₂115和储存槽127的水121用于设备128中以产生用于收集在储存槽125的甲烷117和储存槽126中的氧气119。补给水123将根据需要用于水121。在高度需求期间(例如，日间或当可再生生产低时)，甲烷118和氧气120将取自所述储存槽125和储存槽126并且转移至热机电力发电机129(例如，CCGT设备或燃料电池)中为电网110供电112以及为区域供热114供热。将热机排气冷却至能将CO₂116分离和压缩至储存槽124中。在CO₂脱气之后，水122将收集在储存槽127中。因此，夜晚取自电网的能量用于日间为电网供应无排放的电力。这个***的优点是清楚；允许有效地捕获来自可再生能源的一些零星能量的产生以在需求高时使用，并且允许顺利进行一般性发电。

区域供热还可以通过夜晚113或日间114来提供。图9更详细地示出了一种用于时相能量转移的***。

上述实现能量转移的方式通过图2中所述的概念来解释，在所示出的情况下，甲烷是优选的燃料。在流程图中，另一些步骤对于其他燃料将是必须的。现有技术可以使甲烷原料用于生产用于能量转移过程的较高热含量的燃料，而最初优选甲烷是因为其与现有天然气管道和应用的兼容性。

1.直流电是通过可替选的无CO₂排出的方法产生或取自电网，并且通常大规模用于为H₂O(来自地方资源)的电解供电(21)；

2.CO₂和H₂在金属催化剂的作用下反应形成优选的可燃燃料CH₄和H₂O(22)；

3.将所产生的H₂O优选再循环进入电解(步骤1)，同时回收CH₄和O₂(23)；

4.将CH₄和O₂运输至热机电力发电厂，优选标准设计的联合循环氧-燃料燃气涡轮电力发电机(CCGTEG)(24)；

5.通过在O₂下燃烧CH₄产生电来满足需求(氧燃料燃烧过程)(25)；

6.通过燃烧所产生的部分水被用作对兰金蒸汽循环的补给；剩余水可用作如碳酸化或蒸馏饮用水的产物或者用作软化水(26)的产品。

7.回收通过燃烧所产生的CO₂并且为了将其运输返回氢化过程中(步骤2)使用以能够再循环能量转移(27)。

可以认为这些步骤属于三种部分之一：“上游”过程(阶段1、2和3)；“下游”过程(阶段5和6)；以及材料的运输(阶段4和7)。本发明包括整个***以及其某些独立的部分。

本发明各个方面的核心部分在下文中和以下图3至图9中进行详细描述。

水的电解

通过萨巴蒂埃工艺来获得用于产生甲烷所必须的H₂，可以设想将进行水的大规模电解。基础反应通过下面的方程式给出：

大量的研究集中在提高该反应效率的方式上，原因在于其可以期望这样一种用于有价值用品氢气和氧气的简单的潜力路线。近年来在固体氧化物电解器***^[71]发展中所取得的进展已经增加用于提高效率的强大可能性。尤其是，氧化钇稳定的氧化锆(“YSZ”，Y₂O₃在ZrO₂中)(在高温下能很好地传导O^2-离子的气密电解质)的使用大大简化了氢气与氧气的分离。此外，还证实，如果可以维持高的操作温度，则可以获得电解反应效率的大规模提高^[8]。因此，有利地是放热萨巴蒂埃反应可以为电解池供给大量的热；例如，通过使用作为用于从萨巴蒂埃反应器热转移的介质的加压蒸汽，然后将加热的蒸汽(与通过萨巴蒂埃反应直接产生的热蒸汽一起)注入电解池中以转换为H₂和O₂。以该方式，可以进一步提高H₂产生的效率。然后将产生的氢气进给回到萨巴蒂埃反应器中，因此给出使用CO₂和H₂O产生CH₄和O₂的连续两步法，其通过以下方程式来概括：

然后，如下所述将CH₄和O₂用于“下游”设备中(例如通过燃烧-点火的CCGT发电)。

图3a示出基础电解池的图示。将直流电位34施加在阴极31和阳极33之间，分别为它们赋予净的负电荷和正电荷。电子通过电解质溶液32来传导。在富集电子的阴极，H⁺离子结合形成H₂，同时在缺电子的阳极，O^2-离子失去电子形成O₂。这些气体是电解液32的不同状态，因此容易作为产物而脱去。

甲烷的产生

图3b示出与大规模电解一起使用的甲烷化设备的潜在设计。来自电解设备的H₂经过管31进入并且加入来自管32的CO₂流。设想经管32进入的CO₂将从先前所述的氧燃料CCGTEG中获得。然后，该合并的气流经过管33进入到甲烷化反应器管34中，其中其在金属催化剂35的存在下反应形成CH₄和H₂O。

目前，可以设想甲烷化通过萨巴蒂埃工艺来发生。二氧化碳(CO₂)和氢气(H₂)在金属催化剂的存在下形成甲烷(CH₄)和水(H₂O)的反应在20世纪的早期首先是由Paul Sabatier证明^[4]。对于改进该工艺的效率和商业生存力的近代努力已主要通过其在NASA空间程序中的潜在适用性来驱动^[5，6]，但是对于本发明人而言，其还是一种生产基础热气(CH₄)的理想方式并且是在使用恰恰是我们希望避免排放到大气中的气体CO₂的过程中；

金属催化剂35理想地是使用前沿(leading-edge)技术可得的最好催化剂，目前是分散在Al₂O₃上的Ru。

该反应示出放热，在约300℃下获得最高的产品收率。(随着温度升高超过该点，逆反应变得越来越重要，因此降低产率)。很多研究继续致力于金属催化剂和反应条件的最优化。近年来，大孔的Ru/Al₂O₃催化剂显示出在小反应器容积中为反应提供良好的选择性和大表面积^[5]，这是可以便于实施我们方法中萨巴蒂埃工艺的期望发展。由于如此多的分子在小反应器容器中的反应，从反应器热转移的问题变得极为迫切，这是因为如果温度开始升高高于300℃，则如上所述效率损失。因此，提出长、细的圆柱形反应器“管”^[6]。如下所述，我们的提议目的在于将由萨巴蒂埃反应器给出的大量热用于为该方法的另一个步骤提供益处，如在下文中描述的。

如上所述，萨巴蒂埃反应是高度放热的过程，并且在温度极大地高于300℃下经受不理想的效率损失。因此，反应容器应采用形式为长、窄的反应器管道34。此外，这些被封装入压力容器36中，以将其维持在最佳反应温度为300℃或左右。萨巴蒂埃反应的最佳温度(在整个***效率的情况下)可以通过操作试验来测定。

来自甲烷化反应器管道34中的CH₄和H₂O的产物流经过管道37并进入冷凝器38中以分离CH₄和H₂O。外部冷却水的流经过管路39中的冷凝器，吸收来自产物混合物的热，并导致该流冷凝。CH₄维持在气相中并通过管道311从冷凝器中出来。得到的液态水通过管道310从冷凝器的底部去掉。在一种结构中，可与上顶(top-up)供给一起使用该水作为热转移流体经过容器36。

材料的运输

需要从上游设备连续地移动大量的CH₄和O₂至下游设备，并将CO₂平行返回至上游设备，因此可能需要开发大规模的材料运输基本设施。目前，存在两种用于移动大量潜在危险燃料的主要装置：气体管道和包含液化材料的油船，目前其中的两者用于全球规模的化石燃料工业。我们的研究表明，混合方法(结合运输的两种方法)将是解决该问题的最有效路线。

目前，大多数液化天然气(LNG)罐在操作中具有约为250,000m³的容量，能够在一次船运中运输超过120,000吨的液化CH₄ ^[18]。这将足够为持续超过三个月每天12小时1GW CCGT(60％效率)的运行提供燃料。可替选地，两个该容量的充满的罐，从上游设备至下游设备后退和前进两星期运行一次，将能够运载足以通过在CCGT设备中燃烧为整个苏格兰供电的液态甲烷。因此，将看起来油船方法对所选择热气(例如甲烷)的运输具有优异的潜能，但其也可通过如下所述的气体管道进行。

还需要解决O₂和CO₂运输的问题。理论上，如下两者可通过油船进行：在低温下为干冰形式(CO₂)的冷冻运载的CO₂，和以与甲烷类似的方法运输的液化氧气。然而，潜在地更完美的解决方案在于管道网的使用。这里，如图4b所示的，想法是使用四层管道。

图4b示出复合管路***组成的转移装置的一种可能构造，将氧气和甲烷运输至CCGTEG设备并将CO₂返回至燃料生产区域。甲烷通过最里面的管道41进行运输。将CO₂分成两部分以保护和分离燃料与氧气。一部分经过管道42进一步在管道43中将甲烷与氧气隔离，其它部分将通过最外部的管道44来运输，保护来自外部环境中的氧气。终端连接45和46便于甲烷和氧气各自的提取。如上所述CO₂通过连接47进入管道，一部分进入管道42中，一部分进入管道44中。

O₂与CO₂之间的静压和差压传感器(48)和CH₄与CO₂之间的差压传感器(49)一直监测每种气体的绝对压力和相对压力，从而提供监测和控制以确保安全和有效的管道操作。

图7示出可替选地适于运载氧气和二氧化碳两层管路的截面图。在设备上游将O₂注入管道，并且在下游方向将其泵送经过内管。同样地，如指出的，CO₂通过外管道泵送返回到CCGT设备的上游。

由于化学计量燃烧反应，所以与CO₂相比，O₂需要两倍的管道总截面积。在较长管路的情况下，压缩机站将沿着路线设置，并完全分离环路以确保无气体混合。该布置具有包含高度火险气体(O₂)的管道可以有效地容纳在CO₂的壳层中的优点，进一步使其与外部环境隔离，从而提供非常有用的安全性缓冲。每个管路将由仔细选择的材料构建并严格检测以确保安全性。

在使用中，随着由特殊管路材料的“冲击速度曲线(impingementvelocity curve)”(IVC)所控制的最大速度，调整允许氧气经过管路的速率^[19]。这确定压力与最大速度之间的反比关系：例如，对于钢管而言，0.6MPa下的O₂最大容许速度为7.5ms^-1。因此，IVC是指依赖于管道直径(以及因此截面积)的最大传递速率乘以常数(P.V，由于这些与所讨论的曲线区域成反比)。为了给1GW CCGT设备提供60％效率的燃料，在IVC限制条件下，需要2.09m²的截面积进行氧气管道输送。这对应于O₂管的内径为1.64m。其将由外部CO₂管道围绕，其要求总的可用截面积(除了O₂内管)为1.05m²，导致总的管道直径为2.04m。

来自热气的发电

将大量产生的热气和氧气运输和/或储存用以满足下游发电厂的电力需要。

目前，为了迎合多种可用燃料，化石燃料发电站的设计多样化。本发明将提供具有单个基本设计的发电站装置以满足电力要求，其仅需要不同的尺寸。

设想动力发电将在联合循环燃气涡轮(CCGT)中进行，目前在世界各地的天然气燃烧动力工厂广泛使用^[13，14]，但是重要的是，其适用于氧-燃料燃烧，如下所述。

通过CCGT发电的原理众所周知，CCGT在世界范围内常用。设计结合初始回路燃气涡轮循环和将其热量从燃气涡轮的仍处于高温的出口带出的二次回路气轮机循环，在非常高的温度下操作。在燃气涡轮循环中，压缩工作流体并进入燃烧室(在我们的情况下，在O₂中燃烧CH₄)中，在燃烧室中将其加热至非常高的温度。然后将经加热和加压的气体膨胀和加速至提取其能量的涡轮中。来自该涡轮的烟道气的输出温度仍然很高，并且足够为蒸汽涡轮循环提供热量。可见结合这两种循环增加燃烧将用于发电的燃料所产生的热量的比例。目前，对于CCGT而言，60％的效率是常见的。随着新材料和设计增加未来发电CCGT的最大操作温度，可期望效率将更进一步地提高。

目前，进行和不进行区域供热的联合循环燃气涡轮电力发电机(CCGTEG)常使用燃烧的化石燃料例如天然气。气体通常与空气一起燃烧，燃烧的气体经过燃气轮机做功，由此在发电机中发电。然后来自燃气轮机的废气在通过堆叠释放到大气中之前进入兰金蒸汽循环锅炉。蒸汽在锅炉中是由来自燃气涡轮废气的热量形成，然后用于驱动蒸汽涡轮或涡轮机以进一步发电。将该蒸汽在返回到锅炉之前冷凝成水继续循环。其通常发生在冷凝器中或用于区域供热中。本发明可以在可能的实施方式中使用CCGTEG。

另外，提高发电厂效率的方式优选将其作为热电联供(CHP)***来运行。在该形式中，来自涡轮出口的热水(蒸汽)将用于为下游电厂附近区域的居民提供区域供热。这样，通过该方法使很多标准发电厂的“废热”可得到回收并使利用超过80％的效率在理论上成为可能^[15]。

现有的兰金循环发电厂具有供给的外部水以补给蒸汽循环的损失。本发明能将补给水供给CCGTEG的蒸汽循环。在兰金循环使用区域供热来浓缩其蒸汽并提供水回收时，该***在发电厂启动之后可自行保持在水中。

迄今，氧燃料使用受到氧气(O₂)的可用性和成本的限制；例如来自空气中的氧气的提取将使用15％热含量的燃料。所指定的通过从上游燃料/氧气生产设备中直接获得氧气的方法改善了氧燃料发电厂的前景。

CCGTEG通常用支持空气燃烧的天然气来燃烧，其中燃气涡轮废气在转到大气之前进入兰金蒸汽循环锅炉，由此在燃烧中释放形成的CO₂。本发明将示出可如何使氧燃料CCGTEG和相关的工厂设计为保留燃烧的CO₂以再使用。

如果需要进行CO₂提取的话，几乎全世界使用空气来支持用于发电的燃烧具有一些后果，因为需要化学提取方法来分离烟道气中燃烧空气中的CO₂和氮气。本发明不需要用于CO₂提取的化学反应方法。在保证烃燃料燃烧是用氧气而不是空气支持的前提下，将所得废气CO₂和H₂O通过冷却简单地分离。

本发明的另一个可能的实施方案可使用选择区域供热的氧气-甲烷电解燃料电池。可见当氧气持续穿过阴极以及氧气穿过阳极时，基本燃料电池将通过熟知的电化学反应来发电，在温度约760℃下氢气源自甲烷到氢气的蒸汽转化。

蒸汽转化：CH₄+2H₂O＝＞CO₂+4H₂

阳极反应：2H₂＝＞4H⁺+4e^-

阴极反应：O₂+4H⁺+4e^-＝＞2H₂O

总电池反应：2H₂+O₂＝＞2H₂O

总反应：CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O

在900℃下，燃料电池和蒸汽涡轮设计的混用还可能与来自再次为CO₂和蒸汽的燃料电池的排气一起用于驱动进一步发电的涡轮。来自涡轮发电机的排气可到区域供热中实现高度有效的能量转移。燃料电池不需要当前标准的基本用化石燃料的脱硫方法，因为完全没有来自上游设备的硫化合物。而且，在不存在这些化合物的情况下，将期望燃料电池寿命延长。

CH₄的氧-燃料燃烧

已经完成一些试验计划验证了氧燃料燃烧的可行性^[16]和对于用氧燃料操作的现有燃气轮机技术的适应性^[17]。最大的缺点被确定为在工厂的15％总发电量下将所要求的氧气与所估计的空气分离所做功的成本。可以看到，我们的方法通过从上游热气产生设备的电解获得O₂而绕过该问题。因此，相对于现有氧燃料燃烧计划，我们在下游设备中得到较大效率的节约。

CH₄在氧气中的燃烧产物仅是CO₂和H₂O，并概括在下面方程式中：

CH₄+2O₂→2H₂O+CO₂

可见正如常规烃燃烧发电厂一样，产生温室气体二氧化碳。然而，使用氧燃料燃烧的主要优势在于：在冷凝出水蒸气之后，所得烟道气CO₂将非常纯(＞95％)，并且没有在空气中燃烧杂质煤或天然气而得到的一氧化二氮和二氧化硫。在被运回至上游设备之前，将冷却该CO₂(参见下文)，如图1所述，通过萨巴蒂埃方法转化为甲烷。

重要的是，应该认识到虽然CO₂出现在下游工艺期间，但是其随后将在上游工艺中被消耗。最初要求来自外部源的CO₂开始热气生产工艺，但是此后通过该工艺没有产生新的CO₂。

燃烧反应的另一个产物是H₂O，其可用于一些方式。通过该反应产生的一部分H₂O将被再循环以调整汽轮机进口处的温度，否则为了操作将需要升高到需要使用非常昂贵和特殊设计的材料的水平。

H₂O的无再循环剩余保持了商业使用的令人感兴趣的潜力。在不存在来自空气中标准燃烧化石燃料的污染物杂质的情况下，其可用矿物来处理并分配为饮用水，或者批量销售到需要纯净软化水的附近工业。

图5示出了氧-燃料CCGTEG设备的可能设计。燃料进口流51首先经过预热器53，在这里其从通过用于运输至燃料产生位置的管526所返回的CO₂获取热量。然后将加热的燃料与O₂入口流52混合并且这些混合物在燃烧室54中一起燃烧产生高温度蒸汽/CO₂混合物55，混合物55扩张进入高压燃气轮机(HPT)56中在发电机526中发电。该涡轮将被构造成现在工业主导的标准，并适用于使用现有技术材料的高温氧燃料燃烧。然后使来自HPT56的出口流57进入再加热燃烧室58，这里使用一部分燃料和氧气流通过管530和531引入至在再加热燃烧室58中，通过燃烧其将被再次加热至中间压力燃气轮机(IPT)510的入口温度。然后，将该再加热流59扩展经过IPT510进一步产生功率，并且排气流511进入热交换器512中。这里，其将它的一部分热量放弃至用作燃烧室54的恒温器的再循环水523中。因为在纯O₂中燃烧CH₄将产生极高的火焰温度，其比HPT56的最佳入口温度高得多，所以这个恒温器是必需的。

然后，蒸汽/CO₂混合进入热回收蒸汽发生器513中，其中其将它的热量转移到通过成排的锅炉管中经过热回收蒸汽发生器513的兰金循环锅炉发生***。然后，将该蒸汽用于为蒸汽涡轮机515提供动力，进一步发电。像涡轮56这种涡轮将构造成使用意义明确的、工业上可接受的规格的可能的最高质量。可见蒸汽涡轮出口流516既可用于区域供热517，也可以经过冷凝器518以制备用于返回作为热回收蒸汽发生器513的进料水。在区域供热的情况下，冷却水将从区域供热***通过管529返回，从而确保兰金循环进料水是持续的。

在热回收蒸汽发生器513中，通过冷却分离该流/CO₂混合物。CO₂保留为气相并将其管送到CO₂压缩器525中，其中将其压缩并在将被返回至燃料/氧气产生处之前经过预热器53。将来自热回收蒸汽发生器513中的冷凝水分成两部分：一部分519被仍包含CO₂的水处理设备取走同时将另一部分520注入到脱气器521中。由此，将离开522的CO₂返回到热回收蒸汽发生器513中。一些脱气的H₂O用作对兰金循环蒸汽发生器513的进料水的补偿。将剩余物分成两部分：将管523中的H₂O通过热交换器512返回，然后作为恒温器进入燃烧室54，同时管524中的H₂O进入出口水处理设备用于输出。

图6示出了上游燃料/氧气生产设备的潜在设计。由下游CCGTEG设备运输的CO₂通过管61进入该设备并在与来自管643和单向阀644电解所产生的氢气流645结合之前将其通过启动加热器648或通过预热器639加热至205℃。然后，合并的流65(控制在205℃下)进入萨巴蒂埃反应器管66(其中存在一些，将通过歧管进给)中，其中CO₂和H₂在金属催化剂67的作用下反应形成CH₄和H₂O。该金属催化剂将为用于该反应的主导工业标准，目前是Ru掺杂的Al₂O₃。CH₄和H₂O的产物流经过管68到达二次热交换器69中，其中CH₄和H₂O流将其一部分热放到管619的水中。然后，CH₄和H₂O流经过管610到达冷凝器612。冷却水的供给是通过管611进给到冷凝器612中，使CH₄和H₂O的混合物冷却至H₂O冷凝为液态水的点。CH₄通过管613离开冷凝器612，通过其中其穿过所使用的CO₂洗涤器614以移除来自萨巴蒂埃反应器管66的任何未反应的CO₂。然后，将纯的CH₄取出通过管615用于运输到下游CCGTEG设备。

萨巴蒂埃反应需要至少200℃的温度来进行并且在约300℃下得到其最高的产率，而升高温度高于约300℃再次促进了逆反应，降低了产率并最终在＞500℃下，阻止正反应发生。因此，萨巴蒂埃反应高度放热的性质意味着在无温度调整的情况下，该反应器管将快速加热至将防止可持续过程发生的温度。为了防止这种情形，将来自冷凝器612的冷却H₂O 619再循环到主要热转移反应器625中，其中其在最适宜温度300℃下用作维持萨巴蒂埃反应器管66的热传递介质，但如果其对该***的其它方面是有益的话，则可以接受一些偏离300℃的变化。为了确保用于注入热传递反应器625的最佳蒸汽条件，H₂O首先经过管617到达热交换器69中，其中如先前所述其收回了来自CH₄/H₂O产物流的热量，然后进入蒸汽鼓620中。将使用电加热件637来启动。将来自蒸汽鼓620的蒸汽用于加热萨巴蒂埃反应管66，直到温度为205℃。随着H₂O上升通过热传递反应器625穿过萨巴蒂埃反应器管66，其被加热至300℃。该蒸汽继续上升接连通过分别包含热电解产物氢气和氧气的管641和642来获得热量。进一步加热还可以通过用于进入电解池621的蒸汽温度控制的加热器653来实施。

在图6a中详细描述，然后，经加热的、高压蒸汽进入电解池621中。高压过热蒸汽进入电池的阴极621a。可见在Ni-Zr粘结剂存在下，固态的电极提供了现在技术的最好效率。局部可再生能源生成的直流电力供给621d将驱动H₂O电解成H₂和O₂。H₂在阴极621a处形成并通过管连接621e到达管622中。O^2-离子通过固态电解质621b迁移到阳极621c上，其中它们失去电子并形成O₂分子。电解质和阳极两者(与阴极一样)将使用现在技术发映出最佳效率可用性。目前，设想电解质为氧化钇稳定的二氧化锆，同时阳极将由掺杂锶的亚锰酸镧制得。在阳极处，所产生的O₂通过管道连接621到达管626中。

不可避免的是大量的未反应H₂O也会进入连接621中并由此进入管622和624中。因此，在分离室中使用氢多孔膜623将H₂与该蒸汽分离。H₂将经过该膜然后进入管62，进入容器625内蒸汽加热管641中在如前面所述的与CO₂流结合之前通过管63进入兰金循环锅炉64中。将来自分离室623的蒸汽通过容纳在管624中的单向阀647返回到容器625中，由此在接近900℃的高温下将入口蒸汽维持在电解池621中。

从收集歧管626中离开的电解产物氧气进入上述容器625内的蒸汽加热管642，然后穿出收集歧管627并进入兰金循环锅炉628被冷却至约30℃，在管616处作为输出产物。

通过氢气流63加热的兰金循环锅炉64具有由冷凝水管634进给的锅炉管。蒸汽是在锅炉64中产生，其穿过蒸汽涡轮629在发电机633中产生直流电。以类似的方式，通过氧气流627加热的兰金循环锅炉628是通过冷凝器634来进给，并在直流发电机633中上升涡轮630进一步发电的蒸汽。来自涡轮629和630中的废气分别进入冷凝器631和632中在634中形成冷凝物，并通过进料泵泵入锅炉64和628中来继续兰金循环。

进一步效率的提高可以通过蒸汽桥650和649来实现，所述蒸汽桥连接进料到主要热传递反应器625中的管路651。这将能够减少或消除在冷凝器631和632中兰金冷凝器的损失。蒸汽涡轮629和630中的蒸汽桥650和649包括将蒸汽转移至管道651的阀和关闭蒸汽流入涡轮629和630低压侧的阀。涡轮629和630的高压侧将提供250psi蒸汽进入蒸汽桥，对于入口625而言，在所要求的温度205℃下，其将是饱和蒸汽压。

为了预热进入燃料/氧气生产工艺的CO₂61，来自涡轮629的废气638进入热交换器639中。冷凝物和低焓蒸汽由热交换器639来回收通过管640并回收到冷凝器631中。

直流发电机633发电能进一步用于产物生产的电解，由此增加来自能源(例如，非化石源)的能量转化为甲烷和氧气形式的化学能，潜在效率为70％或甚至更高，在所述附加热量回收技术下，比方说80％或者甚至更高。

因此，可见本发明提供了一种高效电解与萨巴蒂埃反应联合设备和***。在萨巴蒂埃反应期间所产生的余热用于加热水，然后电解所加热的水。为了进一步提高待电解水的温度，将来自电解工艺的高温输出物经过该水，其利用电解产物的高热能含量进一步提高水输入的温度。这提高了电解工艺的总效率。此外，热形式能量的额外潜在损失通过使用仍然相对热的氧气和氢气来避免，甚至在加热电解输入水之后也是如此，通过额外的发电阶段来驱动发电，例如通过兰金循环。这些特征提供了一种高效的组合甲烷的电解和产生的***。当然，许多提高效率的特征可彼此独立地使用，其中可实现适当的但不是最佳的效率，其组合了所有特征。

图9示出了一种将夜晚来自电网的能量转移为日间电和区域供热的***，该***为图1b的可能实施方案。该***的特征在于通过在所选位置对大气无排放。而且，当夜晚供给电网的产生财产不依赖于化石燃料(例如，可再生能源)时，将不存在大气排放。然而，在一般的情况下，当一些或全部供给电网的财产使用化石燃料时，在其各自的源位置会释放CO₂。

图9中，来自储存槽960的CO₂经过管91进入启动加热器948和预加热939，将其加热到205℃。将加热的CO₂ 943导入通过单向阀946以汇集来自管92和单向阀944的电解所产生的氢气流。该氢气温度也为205℃，其将在热交换器941和94内被冷却。通过歧管将组合流95分布到容纳在容器925内的许多萨巴蒂埃管96中，其中CO₂与H₂在金属催化剂97的作用下反应形成CH₄和H₂O。收集CH₄和H₂O产物流通过出口歧管进入管98然后进入热交换器99中，其中许多通过萨巴蒂埃反应所产生的热量进入由供给管919进给的水管中以形成蒸汽鼓920中的蒸汽。来自热交换器99出口处温度降低的产物流通过管路910导入冷凝器912中被进一步冷却，管913连接所述冷凝器的出口到CO₂洗涤器914，其移除了任何从萨巴蒂埃管96穿出的未反应的CO₂。将萨巴蒂埃反应中所形成的蒸汽通过冷凝器912从CH₄移除，并且该冷凝物进入所述管919中被泵回到所述热交换器99中以供给蒸汽鼓920。无任何蒸汽或CO₂的产物CH₄通过所述管913导入，夜晚通过压缩机914来压缩用于储存在储存槽962中。

来自储存槽963中的水或来自地方资源901中的软化水将冷却水通过供给管903进料至所述冷凝器912中。在经过冷凝器912之后，该水与所述管919中的冷凝物结合。

收集在上述蒸汽鼓控制的水位的蒸汽，以将205℃下的蒸汽供给到所述热交换器容器925。蒸汽上移通过容器925并被加热，通过萨巴蒂埃管96的放热反应，然后进一步通过来自管941中电解的热氢气，然后再进一步通过来自管942中电解的热氧气获得过量热。加热器953设置在管942上方以能进一步控制蒸汽温度并被电解池921接纳。

可将蒸汽的另两种可能供给提供给容器925以在该过程中保存热量并使将电能转化为化学能的损失最小化。在绕过阴极921e电解一些蒸汽并通过924和单向阀947改变方向返回进入容器925期间，二次蒸汽可以改变方向从位于兰金循环蒸汽涡轮929和930内的蒸汽桥958和959进入容器925中。涡轮929和930使用由H₂和O₂流进给的热交换器94和928所产生的蒸汽，随后到达容器925的出口。

加热的高压蒸汽进入电解池921中，电解池921可以接收来自电网和来自通过所述涡轮929和930驱动的发电机933的整流直流电。在阴极121e所生成的H₂与一些蒸气一起从收集歧管922中穿出进入分子过滤器容器928中，分子过滤器容器928容许H₂进入所述管92中而将蒸汽转移至所述管924中。在无蒸汽的阳极121f产生O₂，因为固态电解质121b防止了气体的通过。O₂在歧管926中被收集并通过另一个歧管分布进入所述管排942中并在所述容器925中冷却，然后在热交换器928中进一步冷却并通过管916导入压缩机964中被压缩进入O₂储存槽961中。

所述的通过O₂流927加热的热交换器928和所述通过H₂流93加热的热交换器94，包括兰金循环锅炉，其吸收进料水934并为将蒸汽供给到涡轮930和929的蒸汽管路936和935产生蒸汽。涡轮930和929连接到所述直流发电机933上，直流发电机933将附加的电供给具有提高CH₄和O₂生产效率之作用的电解池121。

蒸汽通过涡轮930和929进入冷凝器932和931并将冷凝物泵入冷凝管路934中以在所述锅炉928和94中继续兰金蒸汽循环。为冷凝管路934提供了软化水补给966。蒸汽涡轮929为所述CO₂预热器939提供了废蒸汽938，其通过管940将出口蒸汽返回到冷凝器931中。

上述位于涡轮930和929内的蒸汽桥959和958在205℃下通过951将250psi蒸汽供给容器925，还可提供任选的区域供热956，任选的区域供热956可通过管路954供给蒸汽并通过管路955供给冷凝返回物。在启动期间，将冷凝器932和931投入使用，随后蒸汽桥内的阀将控制蒸汽到管951的分流以及部分或完全关闭流向冷凝器的蒸汽。

由此，夜晚O₂和CH₄收集在储存槽961和962中，以能为电网提供电并为区域供热提供热能，日间期间，通过下述设备来进行。

将来自所述储存槽961的O₂和来自储存槽962的CH₄通过管968和969导入燃烧室976中并还通过管982和983导入再热燃烧室977中。在所述燃烧室976中，CH₄用O₂燃烧并通过冷却水988来调温输出为CO₂和蒸汽进入高压燃气涡轮972中。该工作流体动力涡轮972通过984排气并被用作所述再热燃烧室977流体的恒温器。另一些CH₄在所述再热燃烧室977中用O₂燃烧，并且通过所述流984来进行温度调节后，通过管985定向进入中间压力燃气涡轮973以为该涡轮提供动力。涡轮973通过989排出CO₂和蒸汽进入热交换器957，然后进入容器978。容器978起CO₂和H₂O分离器的作用，为容纳进给冷却水的锅炉管995的热交换器。热CO₂和H₂O传递通过容器978在锅炉管943中产生蒸汽并随后在该过程中冷却直到水冷凝。在日间将CO₂通过管路999导到压缩机971中并通过管967回收进入储存槽960中以集聚。当始终将CO₂包含在溶液中时，水落入容器978的井中并进入排气管990，被导到脱气器981中。在脱气器981中的机械搅拌器分离水和CO₂。所分离的CO₂通过管991穿过返回到容器978中。

水从脱气器981中通过以为锅炉进料水995提供补给并泵入兰金循环所述的容纳在所述容器978中的锅炉管943中。在锅炉管943中生成的蒸汽通过蒸汽管路979进入蒸汽涡轮974。蒸汽锅炉974与所述高压燃气涡轮972和所述中间压力燃气涡轮973一起驱动所述压缩机971以及还驱动发电机975。发电机975日间为电网供电。来自蒸汽涡轮974的蒸汽排气进入冷凝器996或者全部或部分转移到区域热供给993。来自冷凝器996的冷凝物980与从区域供热994返回的水汇集以将进料管995中锅炉进料水供给到所述锅炉管943以继续兰金循环。

来自脱气器981的水进入管986中并被吸进管987的一部分通过所述热交换器957中的管泵入作为恒温器冷却剂988进入所述燃烧室976中。将来自986的剩余部分的水进给到管道970中，其导入储存槽963中。

从而，水日间收集在储存槽960和963中能在夜晚生产O₂和CH₄以继续时相能量转移。

甲烷衍生物的生产

当萨巴蒂埃反应器所产生的甲烷代表碱性热气时，这不需要由上游设备获得的仅仅有用的产物气体。实际上，目前有意义的研究正致力于甲烷到大量可替代化学进料气体的商业可行性的转换。两个有意义的例子是乙烯、C₂H₄和长链烃。

几十年来，已知由甲烷的氧化偶合来制造乙烯(和其它C₂+烃)，我们高标准设备所产生的真正气体反应物为：CH₄和O₂。迄今，使该工艺经济可行的努力已经停止：表面上催化剂效率和产物选择性之间不可避免的权衡将产率限制在这些商业可行性以下的水平^[9]。然而，反应器技术上的新发展和多孔纳米分子催化剂已经再次提升了将该工艺发展为乙烯制造商业路线的可能性。实际上，近来，OCMOL计划^[10]已经由欧洲联盟给出了大量资金用于实施追求该目的的5年项目。

近年来，来自甲烷进料的长链烃的制造已经引起人们大量关注。例如，WiesnerTech提出了用于如此做的一种方法的专利申请^[11]。在许多方面他们提出类似于我们所提出的上游设备的工厂设置。在他们的方案中，将通过萨巴蒂埃反应器生产的CH₄进料到部分氧化反应器中，然后将输出气体进料到费-托反应器中，以通过公知的工艺制备长链烃^[12]，然后将其分离和输出到市场。

可见如上所述的该发展是完全与我们在这里提出的方案相符的并且实际上是对其的补充，显然可以整合到上游设备中，提供制造全部范围的有用燃料和化学品的能力，其中的一些在图8中示出。

总结

目前，少于2％的世界电力需求是通过无排放的可再生能源来满足的。尽管从这些资源发电能力确实非常大。本发明在不需要直接区域连接到电网的情况下，将能够广泛地大规模开发这些无CO₂排放的可再生能源例如水能、太阳能、地热能、风能、潮汐能、核能及其他用于可靠供电的能源。在本发明的广泛采用之上，能源足够大以完全替代用于供电的化石燃料。在无大气CO₂水平上升的情况下，由于供给电，这又能使世界经济增长继续上升。

此外，本发明为改善现有发电***能力以满足不同水平的需求提供了新的机遇并为工业生产方法提供了化学原料。

可见本发明具有一些潜在意义上的利益，这些可被分类为环境效益或经济利益，如下所述。

环境效益

在该应用中所提倡方法的主要环境效益(实际上，其发展的主要驱动因素之一)是完全没有任何二氧化碳排放到大气中的潜力，但使用了相对廉价和成熟的燃气涡轮方法以确保可靠的电力供应。2008年欧洲环境署(EEA)报告^[20]估计每焦耳(GJ)天然气燃烧产生的能量会有56.1kg的二氧化碳被排放到大气中。这个相当于对于每台1GW CCGT设备每小时超过200吨的CO₂。此外，天然气通常被认为是用于燃烧的“最洁净”的化石燃料-对于油每焦耳生成的排放率，尤其是煤，估计更高。因此，本申请中的详细构思显然能够导致CO₂排放的大幅下降，如果大规模实施的话，本质上以可靠的方式在全世界范围内便于利用大量可再生能源。另外地或可替选地，本发明在无任何CO₂排放的情况下提供一种可捕获剩余电力并储存用于后期使用(化学能源的形式)的方法。

举例来说，考虑位于苏格兰北部在英国大陆和奥克尼群岛之间的彭特兰湾。该水道以其快速且强大的潮汐运行而著称，并因此，由于其通过地下水涡轮来发电的潜力，多年来一直是备受关注的对象。此前使用一个非常简化的模型来估计^[21]表明随着水以其最大速度通过通道，海底耗散在50GW的规模上。单个全排的涡轮机通过10km宽的通道可能潜在的发电量在高峰期潮汐能时接近15GW。显然，利用该功率的即使一半的能力也可为整个苏格兰发电。

在流速v、横穿宽度W和深度Z下，连续流动水的总功率由下式得到：

P = \frac{1}{2} \cdot ρ \cdot W \cdot Z \cdot v^{3}

因此，可见任何用于提高水速度的潜能将平均远高于功率发电能力。例如，考虑在涡轮位置将80米深度的彭特兰湾减半。因此速度将加倍以确保保持稳定的流率。然而，每单位体积水的功率将成为四倍，这个取决于V³但仅仅与Z成线性关系。

然而，可预测潮汐运行并不总是方便对应于电力需求高峰时，通常情况下，它们发生在半夜。本文的方法将提供用于“趁热打铁”的有效手段：巨大的最大发电能力在潮汐高峰时期会转化成CH₄和O₂的储存，然后将其下游运输至燃烧点火CCGT的发电厂以满足需求。

另一个有力的例子是风力涡轮发电的情况。风包含了大量的潜在功率，但是不可预测并因此不可靠，这限制了它作为化石燃料的大规模替代物的用途。将风力涡轮机提供的能量转换成用于储存和随后下游发电的热气和氧气，会有效地克服该困难。这将大大增加大型风力涡轮计划作为化石燃料燃烧的可靠替代的可行性，以满足总体电力需求的很大一部分。

为了应对大规模二氧化碳排放上升的环境和相关的经济成本，化石燃料工业目前正在投入大量资金来开发各种“碳捕获”方法。这些基本上涉及获取来自化石燃料燃烧发电厂的烟道气的二氧化碳和对其运输用于埋存。然而，这是一个困难且昂贵的过程，提高了工厂的运营成本，降低了利润：这促使近期对氧燃料燃烧的研究，如上所述其提供更清洁和更轻易分离的烟气混合物。

氧燃料燃烧方法的最大缺点在其当前的化身中很难从空气中分离所需的氧气，这需要大量的削弱工厂整个发电能力的能源。此外，无论所使用的碳捕获方法如何，都不能确定CO₂一埋存仍将是长期而不是开始泄漏到大气中。我们提出的方法对这两方面的问题提供了一种完美的解决方案。一方面，将在上游设备电解水期间所产生的O₂运输并用在氧燃料燃烧阶段，消除从空气中分离的需要。同时，由于使用氧燃料燃烧，产生的二氧化碳容易地与烟气混合物分离，并运送回上游设备用于萨巴蒂埃反应器产生更多的CH₄。

另外的环境效益是通过依靠这样事实来提供：热气将是一种制造物品，因此将几乎不包含发现于地质约束(geologically-bound)化石燃料的杂质。这意味着来自CCGT燃烧的烟道气将更加“洁净”，不包含令人不愉快的和污染性的氮氧化物(NOx)或二氧化硫(SO₂)，其一般是由于化石燃料的燃烧产生，尤其是煤炭。EEA目前估计对于通过煤炭和油燃烧发电厂产生的每焦耳能量发出超过一千克的SO₂相当于1GWCCGT设备每小时近5吨。目前，这些设备一小时会释放任何多达一吨的NOx，其中相当比例的是NO₂(对人类有毒气体和主要的大气污染物)。已知SO₂也是大气污染物以及酸雨的前体。因此，消除这些以及类似的不期望的化合物排放到大气中是我们提出的***的巨大的环境效益。

经济效益

除了上述列出的环境效益以外，我们提出的方法当与试验或目前操作类似的方法相比时有几个关键的经济优势。许多这些作为该方法循环性质的自然结果出现，尽可能综合再使用材料。

最明显的优势还在于捕获和再利用来自燃烧的二氧化碳，以及没有CO₂排放到大气中。除了明显的环境优势以外，这同样可以认为是其潜在经济效益。在世界各地，政府间对相当大的每吨二氧化碳排放征税呈增长趋势，这将推动操作常规化石燃料发电厂的成本上升^[22]。除了增加对二氧化碳排放征税，从地质建造获得化石燃料的成本将继续上升。越来越有挑战性的环境需要访问和操纵，需要更大的深度和压力的工程壮举，并持有更多潜在的灾难。政治因素也可能发挥作用：大量的剩余的已知的石油和天然气储量可能位于不友好或公开敌对政权管制的州，因此危及到一个国家的未来能源供应。这些因素的结合将使替代能源发电成为越来越具有吸引力的选择，只要它们可以有效和可靠地利用。

因此，我们的方法应使得能够以增强的信心使能源行业大力投资开发可再生资源。此外，大部分要求的技术已被很好地理解，并且能源公司可以专业操作。CCGT、管道建设和操作以及油轮运输都是成熟的方法，其已经广泛使用了几十年。现有的供气网甚至可被潜在地改进以运输一些或全部的工艺所需气体，潜在地导致对于从头开始构建一个新的网络成本的节省。

另一个主要优势在于普遍的下游发电设备的标准化设计，不同的只是规模，可能的涡轮尺寸的范围(额定功率)，但与工厂设计总是为相同的设计。目前由于需要不同的燃料燃烧的范围，这将替代当前多样的工厂设计。因此，全面研究和开发努力可以更容易地被集中于优化效率和最小化该单一的标准设计的建设和运营成本二者上。因此可以预期新CCGT发电厂的成本和建造时间或其他合适的设备随着时间将会大幅减少。

同样地，对于提高上游设备工艺的成本效率具有巨大的潜力。水电解的效率中任何改善提供燃烧的O₂和萨巴蒂埃反应的H₂将是最有益的。由于其潜在的作为材料H₂和O₂的简单路线，其具有很多用途，许多研究实际上是集中在改善固态电解器发展的反应^[25，26]上以及研究高温电解这两个引人注目的最新发展上。

由于其循环性质，工艺下游部分提高的效率将对应于整体效率的显著提高。例如，氧燃料CCGT效率从60％至65％的升高将几乎对应于CH₄和O₂所需量的8％减少，这意味着需要被电解的水量的相应减少，下游/上游生产效率提高15％或更多。氧燃料燃烧的技术仍处于起步阶段，显然潜能存在待开发的实质性改善，尤其是，如果主要研究致力于此，则将不可避免地发生我们在此提出的想法得到广泛支持。

另一个关键利益是通过该方法的灵活性来提供，特别是设备的上游部分和下游部分的位置。这些可能是相隔数百英里，用管道和油轮运输网络连接它们。在这种情况下，热气和O₂将直接由上游位置可替代能源来产生，并运输到下游设备。这里，将其储存在大罐中直到需要在电力需求高峰时燃烧。该设置将使下游工厂的选址接近当地电力需求高的地区，能够满足当地的需求。下游工厂的建设靠近人口中心将便于如上所述的CHP设置，直接由蒸汽输出向当地居民提供区域供热，从而达到比仅发电的CCGT设备高得多的效率。

作为替代，特别是可再生能源发电位置不是特别远离人口中心或与国家电网联网，设备的上游部分和下游部分可以集合在一个位置。这将有相当大的经济优势，绕过了几乎所有的运输成本，只需要规模降低的管道建设，与储存高峰期的生产期间所产生的热气和O₂水平的能力一起直到他们在电力需求高峰时使用。

此外，本文中所述的合成方法为石油化工产品提供替代路线，允许成为常规化石燃料资源的替代。这些可以允许控制二氧化碳的排放的方式实现。可用于制备聚合物材料和其他此类产品的石油化工原料可以通过如上所述的合成来获得，例如由替代能源，这实际上会导致它们制备的CO₂的固定。在最终处置例如深埋处理之后，二氧化碳将在基本上永久固定。运输所需的燃料可以通过部分转移到无排放电力来减少，铁路运输是最明显的易于采用这样的能量的说明。有大功率的单位的运输，比如航运，如上所述可适用于氧燃料燃烧以类似的方式回收其排出的二氧化碳，即冷却废气以将二氧化碳与水分离。这样的二氧化碳可以返回进一步热气生产，可能以换取付款。潜在地甚至小动力单元，汽车中的小动力单元可用后续二氧化碳回收转化为氧燃料燃烧，尽管增加的基本成本将是一个阻碍。继续使用空气燃烧的包括航空喷气发动机的动力单元，可以弥补对于燃料增加的成本以为通过可再生能源提取二氧化碳提供资金。

因此，总之，实用方法使得可以防止人类驱动的全球二氧化碳排放升级成为可能。

结论与展望

描述了在无CO₂或含硫污染物及含氮污染物排放到大气的情况下，通过生产和后续燃烧作为能源储存介质的燃气由替代能源来可靠地和灵活地生成电力的方法和设备。由于在CCGT发电设备中使用氧燃料燃烧或使用燃料电池技术，本发明的方面可以合并成完美和高效的具有很少废物的循环工艺。我们认为这里给出的方法，如果与大规模开发可再生能源协力地实施的话，有潜力大幅降低我们对使用化石燃料发电的依赖性。现在需要进一步开发工作以完善和优化本发明。

参考文献

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22.PB Power，The cost of generating electricity-a commentary on a studycarried out for the Royal Academy of Engineering，2004.

Claims

1.一种用于由电能源产生烃或烃衍生物的方法，所述方法包括：

a.提供电能的源；

b.使用来自所述源的电能来电解水以形成氢气和氧气；以及

c.使用由此所形成的氢气来氢化二氧化碳以形成甲烷。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电能源包括非化石燃料能源和通过操作非化石燃料发电机而获得的电能，以提供电力用于电解水。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电能源包括电网。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，包括处理至少一部分所述甲烷以形成除甲烷以外的烃或烃衍生物的步骤。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电能源包含风能、潮汐能、波浪能、水能、地热能和太阳能中的一种或更多种的可再生能源，并且所述可再生能源发电机适于由所述能源发电。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中直流电获自所述电能源。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在电解装置中进行所述电解。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在升高的温度下进行所述电解。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在100℃至1000℃、更优选250℃至950℃、尤其为800℃至925℃的温度下进行所述电解。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用固体氧化物电解器***。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述固体氧化物电解器***包含氧化钇稳定的氧化锆(“YSZ”，Y₂O₃在ZrO₂中)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在萨巴蒂埃工艺中进行所述的将二氧化碳氢化为甲烷。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括对所述氢化反应进行冷却。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括将所述氢化反应保持在200℃至400℃、更优选250℃至350℃、尤其为275℃至325℃下。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述氢化反应使用包含在Al₂O₃上的Ru的催化剂。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用通过所述二氧化碳的氢化产生的热来加热所述电解反应。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用通过电解产生的氢气和/或氧气的流中的热来加热用于电解的输入水。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用电解中产生的氢气和/或氧气的流中的热来产生蒸汽。

19.根据权利要求18所述的方法，其中使用所产生的所述蒸汽来发电。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中使用所述氢气和/或氧气的流中的热经由兰金循环锅炉来产生蒸汽，所述蒸汽随后驱动蒸汽轮机以发电。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中使用至少一部分所述蒸汽来提供用于电解的输入水。

22.根据权利要求21所述的方法，包括将蒸气流转移至用于电解的输入水的所述蒸汽中。

23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将由于二氧化碳的氢化所产生的水分离于所述甲烷。

24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中用于所述氢化反应中的二氧化碳是燃料的氧化产物。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述二氧化碳是使用前述权利要求中任一项所述的方法所产生的燃料的氧化产物。

26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其用于产生适用于发电机的烃燃料，所述发电机适于由所述烃燃料获得电能。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述烃燃料包含甲烷。

28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中由所述二氧化碳的氢化产生的所述甲烷用于形成其他烃或基于烃的产物。

29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括从所述水的电解获得氧气以用在所述燃料的氧化中，例如在燃烧中或在燃料电池中。

30.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括发电，所述方法包括以下步骤：

d)任选地对至少一部分所述甲烷进行转换以形成二次燃料；

e)将步骤c)或d)的所述燃料产物提供至能够从所述燃料产物中获得电能的第二发电机；以及

f)产生电能。

31.根据权利要求30所述的方法，包括向所述第二发电机提供氧气用于氧化所述燃料。

32.根据权利要求31所述的方法，其中至少一部分所述氧气由所述水的电解产生。

33.根据权利要求31或32所述的方法，其中所述氧气与步骤b中的所述氢气共同产生。

34.根据权利要求31至33中任一项所述的方法，其中在基本纯的氧气存在下进行所述燃料的氧化。

35.根据权利要求30至34中任一项所述的方法，包括对由发电所产生的二氧化碳进行捕获。

36.根据权利要求35所述的方法，其中将所捕获的二氧化碳用作用于步骤c)的所述氢化反应的原料。

37.根据权利要求30至36中任一项所述的方法，其中所述第二发电机包括组合的循环燃气轮机、燃料电池或两者的混合。

38.根据权利要求30至37中任一项所述的方法，其中所述第二发电机包含热电联供***。

39.根据权利要求30至38中任一项所述的方法，包括将所述烃燃料从其产生的位置运输至所述第二发电机。

40.根据权利要求30至39中任一项所述的方法，包括将氧气从其产生的所述位置运输至所述第二发电机。

41.一种用于产生从电能源获得的烃或烃衍生物的***，所述***包含：

a)电能源；

b)电耦接至所述电能源的电解设备，其能够操作用于电解水以形成氢气和氧气；

d)二氧化碳的源；以及

e)适于使用由电解产生的所述氢气对二氧化碳进行氢化以形成甲烷的氢化装置。

42.根据权利要求41所述的***，其中所述电能源是非化石燃料能源，并且所述***包含能够操作由所述非化石燃料能源产生电能的非化石燃料发电机。

43.根据权利要求41或42所述的***，包含用于将直流电转化为交流电的转换装置。

44.根据权利要求41至43中任一项所述的***，其中所述电解设备包含电解可发生于其中的反应空间。

45.根据权利要求41至44中任一项所述的***，其中所述电解设备包含温度控制装置，例如适于将反应空间加热至高于周围环境的加热装置。

46.根据权利要求41至45中任一项所述的***，其中所述氢化设备包含氢化可发生于其中的反应空间。

47.根据权利要求41至46中任一项所述的***，其中所述氢化设备包含温度控制装置，例如适于对所述反应空间进行冷却的冷却装置。

48.根据权利要求41至47中任一项所述的***，其中所述电解设备和所述氢化设备分别包含加热装置和冷却装置，并且所述电解设备的所述加热装置和所述氢化设备的所述冷却装置是热耦接的，使得使在氢化中产生的热能能够传递至所述电解设备。

49.根据权利要求48所述的***，其中所述电解设备和所述氢化设备的每一个的热交换器是流体连通的，使得在所述氢化设备中加热的至少一部分所述流体能够用于加热所述电解反应。

50.根据权利要求41至48中任一项所述的***，其中所述氢化设备包含一个或更多个管道，用于电解的输入水可围绕所述一个或更多个管道流动，使得来自所述氢化反应的热传到所述输入水。

51.根据权利要求41至50中任一项所述的***，适于使得来自所述电解设备的氢气和/或氧气的流加热用于电解的输入水的流。

52.根据权利要求41至51中任一项所述的***，适于使得来自所述电解设备的氢气和/或氧气的流用于在锅炉中产生蒸汽。

53.根据权利要求52所述的***，包含适于由所述蒸汽发电的蒸汽发电机。

54.根据权利要求52或53所述的***，适于使得所述蒸汽能够返回至用于电解的输入水的流中。

55.根据权利要求54所述的***，包含至少一个蒸汽桥，所述至少一个蒸汽桥可操作以选择性地将蒸汽导向通过蒸汽轮机或将所述蒸汽从所述蒸汽轮机的高压侧导向至用于电解的输入水的流。

56.根据权利要求41至55中任一项所述的***，其中设置温度控制装置，所述温度控制装置使得所述电解设备和/或所述氢化设备的温度能够维持在期望的温度下。

57.根据权利要求41至56中任一项所述的***，其中所述电解设备包含固体氧化物电解器，例如氧化钇稳定的氧化锆。

58.根据权利要求41至57中任一项所述的***，其中所述氢化设备包含金属催化剂，优选在Al₂O₃上的Ru。

59.根据权利要求41至58中任一项所述的***，所述***适用于发电，所述***包含能够从所述甲烷或其衍生物获得电能的第二发电机。

60.根据权利要求59所述的***，包含用于甲烷或其衍生物的储存装置和/或用于将甲烷或其衍生物从所述甲烷或其衍生物产生的位置运输至所述第二发电机的运输装置。

61.根据权利要求59或60所述的***，其包含用于氧气的储存装置和/或用于将氧气从其产生的所述位置运输至所述第二发电机的位置的运输装置。

62.根据权利要求60或61所述的***，其中所述运输装置包括管道或船、铁路车辆或卡车形式的储存器。

63.根据权利要求59至62中任一项所述的***，其中所述第二发电机包含组合的循环燃气涡轮机、燃料电池或两者的混合。

64.根据权利要求59至63中任一项所述的***，其中所述***适于在基本纯的氧气中氧化所述甲烷或其衍生物。

65.一种用于运输两种流体的管道，包括适于在由其管腔所限定的第一体积内运载第一流体的第一管，围绕所述第一管限定第二体积的第二管，其中可在由所述第一管的外表面和所述第二管的内表面所限定的所述第二体积内运载所述第二流体。

66.根据权利要求65所述的管道，其中所述第一管和所述第二管具有基本圆形的截面。

67.根据权利要求65或66所述的管道，其中所述第一管和所述第二管轴向平行。

68.根据权利要求65至67中任一项所述的管道，其中所述第一管和所述第二管同轴并且任选地同心。

69.根据权利要求65至68中任一项所述的管道，适于运载所述第一管的所述管腔中的反应流体和所述第二体积内的惰性流体。

70.根据权利要求65至69中任一项所述的管道，其中对所述管道的总截面积进行划分使得所述第一管的所述管腔的截面积为所述总面积的约2/3，并且所述第二体积的截面积为所述总面积的约1/3。

71.根据权利要求65至70中任一项所述的管道，包括限定内部管腔的第一管、限定第二体积的第二管、限定第三体积的第三管和限定第四体积的第四管，因此对于流体而言限定四个独立的体积。

72.根据权利要求71所述的管道，所述管道适于运载所述第一管内的反应流体，所述第二体积内的惰性流体，所述第三体积内的反应流体和所述第四体积内的惰性流体。

73.根据权利要求65至72中任一项所述的管道，包含用于控制所述管道中的所述流体的流动和/或压力的控制装置。

74.一种用于产生甲烷和进行水的电解的电解/氢化联合设备，包含：

适于与电能的源耦接的高温电解设备，所述高温电解设备可操作用于在高温下于电解室中使用来自所述源的电能来电解水以形成氢气和氧气，所述高温电解设备包含适于将水运载至电解位置的输入水进料管道；

用于收集在所述电解设备中产生的氧气和氢气的气体处理装置，所述气体处理装置包含适于运载所述氧气和所述氢气的气体运载管道；

适于使用在所述高温电解设备中产生的所述氢气来氢化二氧化碳以形成甲烷的氢化设备，所述氢化设备包含二氧化碳的氢化发生于其中的氢化室；以及

其中所述氢化设备的至少一部分与进料管道热连通，使得在氢化反应中产生的热可加热待电解的水。

75.根据权利要求74所述的电解/氢化联合设备，其中所述氢化室与所述进料管道热连通。

76.根据权利要求74或75所述的电解/氢化联合设备，其中所述氢化室包含一个或更多个的穿过所述进料管道管腔的管，使得至少一部分所述管与所述管腔中的水相接触。

77.根据权利要求74至76中任一项所述的电解/氢化联合设备，其中至少一部分所述氧气和/或氢气气体运载管道适于使得其与所述进料管道热连通。

78.根据权利要求74至77中任一项所述的电解/氢化联合设备，其中所述氧气和氢气气体运载管道包含一个或更多个的穿过所述进料管道管腔的管使得其与所述管腔中的水相接触。

79.根据权利要求74至78中任一项所述的电解/氢化联合设备，适于使得热从所述氢化反应向所述进料管道中的水的传递发生于从所述气体运载管道的热传递的上游。

80.根据权利要求74至79中任一项所述的电解/氢化联合设备，其中所述气体运载管道穿过适于产生蒸汽的热交换设备。

81.根据权利要求80所述的电解/氢化联合设备，适于使得所述蒸汽可用于驱动蒸汽轮机来发电。

82.根据权利要求74至81中任一项所述的电解/氢化联合设备，包含分离器，所述分离器使离开所述电解设备的水分离于所述氢气/氧气并且使所述水返回至所述进料管道。

83.根据权利要求74至82中任一项所述的电解/氢化联合设备，包含一个或更多个的辅助加热器。

84.根据权利要求74至83中任一项所述的电解/氢化联合设备，包含至少一个蒸汽桥，所述蒸汽桥可操作用于选择性地将蒸汽导向通过蒸汽轮机或将所述蒸汽从所述蒸汽轮机的所述高压侧导向至用于电解的输入水的所述进料管道。

85.一种用于电解水并产生甲烷的方法，包括以下步骤：

氢化二氧化碳以形成甲烷；

使用在所述氢化反应中产生的热来加热在电解前的水，以及

对所述水进行高温电解以形成氢气和氧气。

86.根据权利要求85所述的方法，包括使用在所述电解工艺中产生的热的氢气和/或氧气以加热所述在电解前的水。

87.根据权利要求85或86所述的方法，包括使用所述热的氢气和/或氧气来驱动发电。