特許 7592893 燃料から機械エネルギーへの高効率変換のためのプラント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-22

(45)【発行日】2024-12-02

(54)【発明の名称】燃料から機械エネルギーへの高効率変換のためのプラント

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/08 20060101AFI20241125BHJP

【ＦＩ】

F02C7/08 B

【請求項の数】 22

(21)【出願番号】P 2023565582

(86)(22)【出願日】2022-04-22

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-12

(86)【国際出願番号】 EP2022025171

(87)【国際公開番号】W WO2022228722

(87)【国際公開日】2022-11-03

【審査請求日】2023-11-16

(31)【優先権主張番号】102021000010490

(32)【優先日】2021-04-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(31)【優先権主張番号】102022000000071

(32)【優先日】2022-01-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】517029381

【氏名又は名称】ヌオーヴォ・ピニォーネ・テクノロジー・ソチエタ・レスポンサビリタ・リミタータ

【氏名又は名称原語表記】Ｎｕｏｖｏ Ｐｉｇｎｏｎｅ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｉｅ Ｓ．Ｒ．Ｌ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002871

【氏名又は名称】弁理士法人坂本国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】ガンベリ，フランチェスコ

(72)【発明者】

【氏名】アミデイ，シモーネ

(72)【発明者】

【氏名】コシ，ロレンツォ

(72)【発明者】

【氏名】セミナラ，アントニオ

【審査官】櫻田 正紀

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０４４９８２８９（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２９４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－２０００５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０７３７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０００／０６０２２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２０１９５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２３９６９９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｃ ７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エネルギー変換プラント（１）であって、
流体を供給する流体フィードバックライン（５）と、
前記流体フィードバックライン（５）を圧縮し、前記流体フィードバックライン（５）の圧力を上昇させる圧縮圧送ユニット（４）と、
２つ以上の駆動ユニット（２１、２２、２３）であって、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）は、関連する負荷（Ｃ、Ｅ）に接続され、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）は、膨張する加熱流体を介して関連する前記負荷（Ｃ、Ｅ）を駆動することができ、
前記流体を加熱するためのエネルギー変換が、共通の手法で、又は各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）自体に提供される、２つ以上の駆動ユニット（２１、２２、２３）と、
少なくとも１つの熱交換レキュペレータ（３）と、を備え、
前記少なくとも１つの熱交換レキュペレータ（３）は、前記流体フィードバックライン（５）と前記駆動ユニット（２１、２２、２３）との間、及び各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）と前記圧縮圧送ユニット（４）との間、に接続され、
前記駆動ユニット（２１、２２、２３）からの膨張された排出流体の熱を交換することによって、前記駆動ユニット（２１、２２、２３）内に送り込まれる、前記圧縮圧送ユニット（４）によって圧縮された前記流体フィードバックライン（５）によって供給された前記流体を加熱するように構成され、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）のための前記熱交換レキュペレータ（３）を備え、
各前記熱交換レキュペレータ（３）が、前記流体フィードバックライン（５）と関連する前記駆動ユニット（２１、２２、２３）との間、及び関連する当該駆動ユニット（２１、２２、２３）と前記圧縮圧送ユニット（４）との間、に接続され、
各前記熱交換レキュペレータ（３）が、関連する前記駆動ユニット（２１、２２、２３）からの前記膨張された排出流体の前記熱を交換することによって、関連する前記駆動ユニット（２１、２２、２３）内に送り込まれる前に、前記流体フィードバックライン（５）によって供給された前記流体を加熱するように構成されている、エネルギー変換プラント（１）。

【請求項2】

各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）が、
燃焼器（２１１、２２１、２３１）であって、
燃焼される燃料を導入するための燃料入口（２１４、２２４、２３４）、及び、
前記燃焼器（２１１、２２１、２３１）に酸化剤を供給するための酸化剤入口（２１５、２２５、２３５）、
膨張される前記流体を供給するための流体入口（２１６、２２６、２３６）、を有する、燃焼器（２１１、２２１、２３１）と、
前記燃焼器（２１１、２２１、２３１）に動作可能に接続された膨張器（２１２、２２２、２３２）と、
前記膨張器（２１２、２２２、２３２）によって駆動され、前記負荷（Ｃ、Ｅ）に接続された回転軸（２１３、２２３、２３３）と、を備え、
前記熱交換レキュペレータ（３）が、
前記流体フィードバックライン（５）に接続された第１の入口（３１）と、
関連する前記駆動ユニット（２１、２２、２３）の前記燃焼器（２１１、２２１、２３１）の前記流体入口（２１６、２２６、２３６）に接続された第１の出口（３２）と、
少なくとも１つの駆動ユニット（２１、２２、２３）の前記膨張器（２１２、２２２、２３２）に接続された少なくとも１つの第２の入口（３３）と、
前記圧縮圧送ユニット（４）に接続された第２の出口（３４）と、を有する、請求項１に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項3】

集中型燃焼器（６）を備え、前記集中型燃焼器（６）が、
燃焼される燃料を導入するための燃料入口（６１）、及び、
前記集中型燃焼器（６）に酸化剤を供給するための酸化剤入口（６２）、
再循環された前記流体を受け取るための流体入口（６３）、及び
膨張される、加熱された前記流体を送達するための流体出口（６４）、を有し、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）が、
前記集中型燃焼器（６）に動作可能に接続された膨張器（２１２、２２２、２３２）と、
前記膨張器（２１２、２２２、２３２）によって駆動され、前記負荷（Ｃ、Ｅ）に接続された回転軸（２１３、２２３、２３３）と、
前記集中型燃焼器（６）のそれぞれの流体出口（６４）に流体接続された流体入口（２１７、２２７、２３７）と、を備え、
前記熱交換レキュペレータ（３）が、
前記流体フィードバックライン（５）に接続された第１の入口（３１）と、
前記集中型燃焼器（６）の対応する流体入口（６３）に接続された第１の出口（３２）と、
少なくとも１つの前記駆動ユニット（２１、２２、２３）の前記膨張器（２１２、２２２、２３２）の出口に接続された少なくとも１つの第２の入口（３３）と、
前記圧縮圧送ユニット（４）に接続された第２の出口（３４）と、を有する、請求項１に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項4】

前記熱交換レキュペレータ（３）に由来する前記流体を加熱するための集中型加熱器（７）であって、
加熱される前記流体を受け取る流体入口（７１）、及び
膨張される加熱された前記流体を送達するための流体出口（７２）、を有する、集中型加熱器（７）を備え、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）が、
前記集中型加熱器（７）に動作可能に接続された膨張器（２１２、２２２、２３２）と、
前記膨張器（２１２、２２２、２３２）によって駆動され、前記負荷（Ｃ、Ｅ）に接続された回転軸（２１３、２２３、２３３）と、
前記集中型加熱器（７）のそれぞれの流体出口（７２）に流体接続された流体入口（２１７、２２７、２３７）と、を備え、
前記熱交換レキュペレータ（３）が、
前記流体フィードバックライン（５）に接続された第１の入口（３１）と、
前記集中型加熱器（７）の対応する流体入口（７３）に接続された第１の出口（３２）と、
少なくとも１つの前記駆動ユニット（２１、２２、２３）の前記膨張器（２１２、２２２、２３２）に接続された少なくとも１つの第２の入口（３３）と、
前記圧縮圧送ユニット（４）に接続された第２の出口（３４）と、を有する、請求項１に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項5】

エネルギー変換プラント（１）であって、
流体を供給する流体フィードバックライン（５）と、
前記流体フィードバックライン（５）を圧縮し、前記流体フィードバックライン（５）の圧力を上昇させる圧縮圧送ユニット（４）と、
２つ以上の駆動ユニット（２１、２２、２３）であって、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）は、関連する負荷（Ｃ、Ｅ）に接続され、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）は、膨張する加熱流体を介して関連する前記負荷（Ｃ、Ｅ）を駆動することができ、
前記流体を加熱するためのエネルギー変換が、共通の手法で、又は各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）自体に提供される、２つ以上の駆動ユニット（２１、２２、２３）と、
少なくとも１つの熱交換レキュペレータ（３）と、を備え、
前記少なくとも１つの熱交換レキュペレータ（３）は、前記流体フィードバックライン（５）と前記駆動ユニット（２１、２２、２３）との間、及び各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）と前記圧縮圧送ユニット（４）との間、に接続され、
前記駆動ユニット（２１、２２、２３）からの膨張された排出流体の熱を交換することによって、前記駆動ユニット（２１、２２、２３）内に送り込まれる、前記圧縮圧送ユニット（４）によって圧縮された前記流体フィードバックライン（５）によって供給された前記流体を加熱するように構成され、
集中型燃焼器（６）を備え、前記集中型燃焼器（６）が、
燃焼される燃料を導入するための燃料入口（６１）、及び、
前記集中型燃焼器（６）に酸化剤を供給するための酸化剤入口（６２）、
再循環された前記流体を受け取るための流体入口（６３）、及び
膨張される、加熱された前記流体を送達するための流体出口（６４）、を有し、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）が、
前記集中型燃焼器（６）に動作可能に接続された膨張器（２１２、２２２、２３２）と、
前記膨張器（２１２、２２２、２３２）によって駆動され、前記負荷（Ｃ、Ｅ）に接続された回転軸（２１３、２２３、２３３）と、
前記集中型燃焼器（６）のそれぞれの流体出口（６４）に流体接続された流体入口（２１７、２２７、２３７）と、を備え、
前記熱交換レキュペレータ（３）が、
前記流体フィードバックライン（５）に接続された第１の入口（３１）と、
前記集中型燃焼器（６）の対応する流体入口（６３）に接続された第１の出口（３２）と、
少なくとも１つの前記駆動ユニット（２１、２２、２３）の前記膨張器（２１２、２２２、２３２）の出口に接続された少なくとも１つの第２の入口（３３）と、
前記圧縮圧送ユニット（４）に接続された第２の出口（３４）と、を有する、
エネルギー変換プラント（１）。

【請求項6】

単一の熱交換レキュペレータ（３）を備え、
前記単一の熱交換レキュペレータ（３）が、前記流体フィードバックライン（５）と各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）との間、及び各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）と前記圧縮圧送ユニット（４）との間、に接続されている、請求項５に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項7】

エネルギー変換プラント（１）であって、
流体を供給する流体フィードバックライン（５）と、
前記流体フィードバックライン（５）を圧縮し、前記流体フィードバックライン（５）の圧力を上昇させる圧縮圧送ユニット（４）と、
２つ以上の駆動ユニット（２１、２２、２３）であって、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）は、関連する負荷（Ｃ、Ｅ）に接続され、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）は、膨張する加熱流体を介して関連する前記負荷（Ｃ、Ｅ）を駆動することができ、
前記流体を加熱するためのエネルギー変換が、共通の手法で、又は各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）自体に提供される、２つ以上の駆動ユニット（２１、２２、２３）と、
少なくとも１つの熱交換レキュペレータ（３）と、を備え、
前記少なくとも１つの熱交換レキュペレータ（３）は、前記流体フィードバックライン（５）と前記駆動ユニット（２１、２２、２３）との間、及び各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）と前記圧縮圧送ユニット（４）との間、に接続され、
前記駆動ユニット（２１、２２、２３）からの膨張された排出流体の熱を交換することによって、前記駆動ユニット（２１、２２、２３）内に送り込まれる、前記圧縮圧送ユニット（４）によって圧縮された前記流体フィードバックライン（５）によって供給された前記流体を加熱するように構成され、
前記熱交換レキュペレータ（３）に由来する前記流体を加熱するための集中型加熱器（７）であって、
加熱される前記流体を受け取る流体入口（７１）、及び
膨張される加熱された前記流体を送達するための流体出口（７２）、を有する、集中型加熱器（７）を備え、
各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）が、
前記集中型加熱器（７）に動作可能に接続された膨張器（２１２、２２２、２３２）と、
前記膨張器（２１２、２２２、２３２）によって駆動され、前記負荷（Ｃ、Ｅ）に接続された回転軸（２１３、２２３、２３３）と、
前記集中型加熱器（７）のそれぞれの流体出口（７２）に流体接続された流体入口（２１７、２２７、２３７）と、を備え、
前記熱交換レキュペレータ（３）が、
前記流体フィードバックライン（５）に接続された第１の入口（３１）と、
前記集中型加熱器（７）の対応する流体入口（７３）に接続された第１の出口（３２）と、
少なくとも１つの前記駆動ユニット（２１、２２、２３）の前記膨張器（２１２、２２２、２３２）に接続された少なくとも１つの第２の入口（３３）と、
前記圧縮圧送ユニット（４）に接続された第２の出口（３４）と、を有する、エネルギー変換プラント（１）。

【請求項8】

単一の熱交換レキュペレータ（３）を備え、
前記単一の熱交換レキュペレータ（３）が、前記流体フィードバックライン（５）と各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）との間、及び各前記駆動ユニット（２１、２２、２３）と前記圧縮圧送ユニット（４）との間、に接続されている、請求項７に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項9】

前記流体が、主に二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項10】

前記熱交換レキュペレータ（３）が、１つ以上の熱交換器を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項11】

前記熱交換レキュペレータ（３）が、複数の第２の入口（３３）を有し、各前記第２の入口（３３）が、前記駆動ユニット（２１、２２、２３）の１つの関連する前記膨張器（２１２、２２２、２３２）に接続されている、請求項２から８のいずれか１項に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項12】

前記圧縮圧送ユニット（４）が、
前記少なくとも１つの熱交換レキュペレータ（３）によって冷却された後に、前記駆動ユニット（２１、２２、２３）から到来した前記流体から水を分離するための少なくとも１つの分離ユニット（４１）と、
除湿された前記流体を圧縮し、前記流体の圧力を上昇させるための少なくとも１つの圧縮器（４２）と、
少なくとも１つの熱交換器（４３）と、
前記流体の前記圧力を上昇させるように動作可能な少なくとも１つのポンプ（４４）と、を備え、前記ポンプ（４４）が、前記圧縮圧送ユニット（４）の前記熱交換器（４３）と前記流体フィードバックライン（５）との間に接続されている、請求項１から８のいずれか１項に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項13】

前記ポンプ（４４）が、前記流体の前記圧力を２５０～３５０バールまで上昇させる、請求項１２に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項14】

前記圧縮器（４２）が、前記流体の前記圧力を６０～１００バールまで上昇させる、請求項１２に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項15】

前記流体を圧力下で抽出するために、前記流体の少なくとも１つの抽出ライン（５１）を備える、請求項１から８のいずれか１項に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項16】

前記抽出ライン（５１）が、前記流体フィードバックライン（５）に接続されている、請求項１５に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項17】

前記流体を圧力下で抽出するために、前記流体の少なくとも１つの抽出ライン（５１）を備え、前記抽出ライン（５１）が、前記ポンプ（４４）の上流で接続されている、請求項１２に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項18】

前記駆動ユニット（２１、２２、２３）内に送り込まれる、前記流体フィードバックライン（５）によって供給された前記熱交換レキュペレータ（３）によって加熱された前記流体の温度が、５００～７００℃である、請求項１から８のいずれか１項に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項19】

前記駆動ユニット（２１、２２、２３）が、関連する負荷（Ｃ、Ｅ）に接続された第１の駆動ユニット（２１）と、
関連する負荷（Ｃ、Ｅ）に接続された第２の駆動ユニット（２２）と、を備える、請求項１から８のいずれか１項記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項20】

前記第１の駆動ユニット（２１）の前記負荷が、発電機（Ｅ）であり、
前記第２の駆動ユニット（２２）の前記負荷が、発電機（Ｅ）である、請求項１９に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項21】

関連する負荷（Ｃ、Ｅ）に接続された第３の駆動ユニット（２３）を備える、請求項１９に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【請求項22】

前記第１の駆動ユニット（２１）の前記負荷が、発電機（Ｅ）であり、
前記第２の駆動ユニット（２２）の前記負荷が、遠心圧縮器（Ｃ）、又は電気機械若しくは発電機（Ｅ）に接続された遠心圧縮器（Ｃ）、又は遠心圧縮器（Ｃ）に接続された電気機械若しくは発電機（Ｅ）であり、
前記第３の駆動ユニット（２３）の前記負荷が、遠心圧縮器（Ｃ）、又は電気機械若しくは発電機（Ｅ）に接続された遠心圧縮器（Ｃ）、又は遠心圧縮器（Ｃ）に接続された電気機械若しくは発電機（Ｅ）である、請求項２１に記載のエネルギー変換プラント（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、機械的駆動用途及び／又は複数の発電トレインのための熱力学的サイクルに基づく発電に使用することができる、燃料から機械エネルギーへの変換プラントに関する。熱力学的サイクルは、燃料の燃焼によって発生したエネルギーを伝達するために、二酸化炭素などの流体を使用することによって動作する。

【背景技術】

【0002】

発電の分野では、依然として化石燃料が主に使用されている。しかしながら、周知のとおり、それらは、二酸化炭素（ＣＯ_２）並びに他の排出物の増加をもたらすという重大な欠点を有する。これは、いわゆる地球温暖化の原因のうちの１つであり、潜在的に危険であり、将来の自然災害の原因となると考えられている。

【0003】

現時点では、代替エネルギー生産システムは、少なくとも短期的には、化石燃料燃焼に取って代わる能力を有していない。特に、そのような代替方法による電力生産は、人口発展の消費ニーズを満たすことができない。

【0004】

上述に基づいて、当該分野における研究は、化石燃料又はバイオマスに基づく既知の発電システムを改善して、高レベルのエネルギー効率を維持すると同時に、大気中に導入される二酸化炭素の生成を低減するように尽力している。

【0005】

更に、化石燃料又はバイオマスに基づく既知の電力生産システムは、他のシステムと比較して高価であることが判明している。実際、資本支出及び保守費用は、生産されるメガワット当たりの総費用を増加させる。したがって、設計傾向としては、より低い資本支出での脱カーボン機械駆動生産動作の設計傾向である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、大気中に導入される経口二酸化炭素を使用しながら、効率を上げることができ、ひいては、生成されるキロワット当たりの二酸化炭素を低減することができる、燃料から機械エネルギーへの改善された変換プラントが、当技術において歓迎されるであろう。

【0007】

一態様において、本明細書で開示の主題は、燃料から機械エネルギーへの変換プラントを対象とする。エネルギー変換プラントは、流体、具体的には二酸化炭素を供給するための流体フィードバックラインと、流体フィードバックラインを圧縮し、流体フィードバックラインの圧力を上昇させるための圧縮圧送ユニットと、を有する。エネルギー変換プラントはまた、複数の駆動ユニットを有し、各駆動ユニットは、燃料を燃焼させ、流体を膨張させることによって、圧縮器又は発電機などの関連負荷を駆動するために接続される。エネルギー変換プラントは、流体フィードバックラインと駆動ユニットとの間、及び各駆動ユニットと圧縮圧送ユニットとの間に接続された１つ以上の熱交換レキュペレータを備える。各熱交換レキュペレータは、駆動ユニットからの膨張された排出流体の熱を交換することによって、駆動ユニット内に送り込まれる、流体フィードバックラインによって供給され、圧縮圧送ユニットによって圧縮された流体を加熱するように構成されている。

【0008】

別の態様では、本明細書に開示される主題は、各駆動ユニットが、燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器に動作可能に接続された膨張器と、膨張器によって駆動され、負荷、すなわち、例えば圧縮器又は発電機に接続された回転軸と、を備えることに関する。

【0009】

別の態様では、本明細書に開示される主題は、圧縮圧送ユニットが、少なくとも１つの熱交換器レキュペレータによって冷却された後に、駆動ユニットから到来する流体から水を分離するための分離ユニットと、除湿された流体を圧縮して流体の圧力を上昇させるための圧縮器と、熱交換器と、流体の圧力を上昇させるためのポンプと、を備えるという事実を対象とする。ポンプは、熱交換器と流体フィードバックラインとの間に介在する。

【0010】

更なる態様では、本明細書に開示される主題は、流体を圧力下で抽出するために、１つ以上の流体抽出ラインを有するエネルギー変換プラントを対象とする。抽出ラインは、流体フィードバックライン又はポンプの上流で接続されてもよい。

【0011】

別の態様では、本明細書に開示される主題は、複数の駆動ユニットを有し、各駆動ユニットが、関連負荷に接続され、負荷が、発電機、及び／又は、遠心圧縮器、及び／又は、遠心圧縮器に接続された発電機であり得る燃料から機械エネルギーへの変換プラントを対象とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

本発明の開示される実施形態、及びそれに付随する利点の多くについての完全な理解は、添付図面に関連して考慮される場合、以下の発明を実施するための形態を参照することによって、それらがより良好に理解される際、容易に得られるであろう。

【図1】図１は、第１の実施形態による燃料から機械エネルギーへの変換プラントの概略を示す。

【図2】図２は、第２の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【図3】図３は、第３の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【図4】図４は、第４の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【図5】図５は、第５の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【図6】図６は、第６の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【図7】図７は、第７の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【図8】図８は、第８の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【図9】図９は、第９の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【図10】図１０は、第１０の実施形態によるエネルギー変換プラントの概略を示す。

【0013】

様々な図では、同様の部品は同じ参照番号で示される。

【発明を実施するための形態】

【0014】

化石燃料が使用される発電の分野では、周知のとおり、危険である二酸化炭素生成の低減が求められている。エネルギーを節約するために、輸送流体を使用して熱を回収することができるいくつかの発電レイアウトがある。使用される流体は、二酸化炭素とすることができる。一態様によれば、本主題は、関連負荷を駆動するための複数の駆動ユニットを備えるエネルギー変換プラントのレイアウトに関し、全ての駆動ユニットは、二酸化炭素によって運ばれた、化石燃料の燃焼によって生成された熱の回収に基づいて動作する。

【0015】

ここで図面を参照すると、図１は、第１の実施形態による、燃料から機械エネルギーへの変換プラント、又は単にエネルギー変換プラントを示しており、全体を参照番号１で示す。

【0016】

特に、エネルギー変換プラント１は、基本的に、以下でより詳細に説明するように、各負荷に接続された複数の駆動ユニット２と、それぞれが関連駆動ユニット２に接続された複数の熱交換器レキュペレータ３と、熱交換器レキュペレータ３に接続された圧縮圧送ユニット４と、圧縮圧送ユニット４の出力と熱交換器レキュペレータ３との間に接続された流体又は二酸化炭素フィードバックライン５とを備える。

【0017】

引き続き図１を参照すると、エネルギー変換プラント１は、具体的には、３つの駆動ユニット、すなわち、第１の駆動ユニット２１、第２の駆動ユニット２２、及び第３の駆動ユニット２３を備える。

【0018】

第１の駆動ユニット２１は、特に、燃焼器２１１と、燃焼器２１１に接続された膨張器２１２と、を備える。燃焼器２１１は、燃焼される燃料を導入するための燃料入口２１４と、追加の流体、すなわち議論下の場合では二酸化炭素及び純酸素を導入するための酸化剤入口２１５と、以下でより良く説明されるとおり、回収される流体を供給するための流体入口２１６と、を有する。

【0019】

より具体的には、酸化剤入口２１５を参照すると、この流体は、この溶液中の記載されたループから取り出された純酸素、又は純酸素と二酸化炭素との混合物から構成され得る。純酸素は、ＡＳＵ、つまり空気分離ユニット、又は任意の他の利用可能なシステムのような工業的に容易な生産方法で生産される。

【0020】

回転軸２１３も膨張器２１２によって駆動される。各駆動ユニット２は、燃焼器２１１の入力としての燃料及び二酸化炭素を機械エネルギーに変換することができる。

【0021】

更に第１の駆動ユニット２１を参照すると、第１の駆動ユニット２１は、回転軸２１３を介して膨張器２１２に接続された電気機械Ｅに接続されている。そして、この場合、電気機械Ｅは、第１の駆動ユニット２１の負荷である。したがって、この構成によって、第１の駆動ユニット２１は、燃料を燃焼させ、二酸化炭素（使用される流体）を膨張させることによって得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、場合によっては、電源（図示せず）に導入される。

【0022】

ここで第２の駆動ユニット２２を参照すると、第２の駆動ユニット２２はまた、燃焼器２２１及び膨張器２２２を備えるが、この場合、第２の駆動ユニット２２は、関連する回転軸２２３を介して、この場合では機械的負荷である遠心圧縮器Ｃに接続される。当然ながら、必要に応じて異なる機械的負荷を提供することができる。膨張器２２２はまた、燃料入口２２４、酸化剤入口２２５、及び流体入口２２６を有する。

【0023】

また、第３の駆動ユニット２３は、第１の駆動ユニット２１及び第２の駆動ユニット２２と同様に、燃焼器２３と膨張器２３２と、を備えている。膨張器２３２は、燃料入口２３４、酸化剤入口２３５、及び流体入口２３６を有する。流体膨張器２３２は、回転軸２３３を介して、この場合でも機械的負荷としての別の遠心圧縮器Ｃに接続される。

【0024】

図１に示されるレイアウトによって、エネルギー変換プラント１は、電気エネルギーを生成するように発電機Ｅを駆動し、２つの機械的負荷、すなわち遠心圧縮器Ｃを駆動する。

【0025】

いくつかの実施形態では、ギアボックスが、駆動ユニット２１、２２、及び２３と、関連回転軸２１３、２２３、及び２３３に接続された関連負荷と、の間に含まれ得る。ギアボックスの変換比は、設計上のニーズに応じて異なる。

【0026】

他の実施形態では、駆動される負荷の数及びタイプに応じて、異なる数の駆動ユニット２が予見され得る。

【0027】

各駆動ユニット２、すなわち第１の駆動ユニット２１、第２の駆動ユニット２２、及び第３の駆動ユニット２３に対して、関連熱交換器レキュペレータ３がある。各熱交換器レキュペレータ３は、二酸化炭素フィードバックライン５に接続された第１の入口３１であって、それを通って高圧低温二酸化炭素が熱交換器レキュペレータ３の各１つに入る第１の入口３１と、関連駆動ユニット２の燃焼器２１１、具体的には流体入口２１６に接続された第１の出口３２であって、それを通って高圧高温二酸化炭素が関連駆動ユニット２の燃焼器、例えば、第１の駆動ユニット２１を参照すると燃焼器２１１に、導入される第１の出口３２と、を有する。

【0028】

また、各熱交換器レキュペレータ３は、タービン排出流を通して、関連駆動ユニット２の膨張器、例えば、第１の駆動ユニット２１を参照すると膨張器２１２に、接続された第２の入口３３であって、ここで流体として使用される低圧高温の二酸化炭素が熱交換器レキュペレータ３に進入する第２の入口３３と、以下でより良く説明するように、圧縮圧送システム４に接続された第２の出口３４であって、ここで低圧低温流体（二酸化炭素）が熱交換器レキュペレータ３から抽出される第２の出口３４と、を有する。

【0029】

熱交換器レキュペレータ３は、駆動ユニット２に導入されて燃料の燃焼によって膨張される前に、高圧（流体、すなわち二酸化炭素の圧力及び温度動作範囲に関する詳細は、以下に行う）を加熱することで、それに接続された負荷、すなわち発電機Ｅ又は遠心圧縮器Ｃを駆動するように構成されている。熱交換器レキュペレータ３は、関連駆動ユニット２の排出流の加熱された酸化炭素を通して、二酸化炭素フィードバックライン５から到来する酸化炭素を加熱する。換言すれば、熱交換器レキュペレータ３は、流体（二酸化炭素）を冷却し、駆動ユニット２への導入前に、その熱を二酸化炭素フィードバックライン５から到来する高圧流体に伝達する。

【0030】

熱交換器レキュペレータ３は、二酸化炭素フィードバックライン５からの熱の改善された抽出を可能にするための、１つ以上の熱交換器を含むことができる。

【0031】

更に図１を参照すると、圧縮圧送ユニット４が各駆動ユニット３の第２の出口３４と二酸化炭素フィードバックライン５との間に接続されていることが見て取れる。圧縮圧送ユニット４は、熱交換器レキュペレータ３によって再加熱される前に、流体から水及び一般に湿潤部分を分離し、流体の圧力を上昇させる機能を有する。

【0032】

図１のエネルギー変換プラント１の第１の実施形態に示される圧縮圧送ユニット４は、直列に接続された分離ユニット４１、圧縮器４２、熱交換器４３、及びポンプ４４を備える。

【0033】

他の実施形態では、圧縮器及びポンプの複数のセットが存在してもよく、場合によっては並列に動作する。

【0034】

分離ユニット４１は、熱交換器レキュペレータ３によって冷却された後に、各駆動ユニット２１、２２、及び２３から到来する排出流から液体水を分離する。

【0035】

その後、流体は、分離ユニット４１で除湿され、圧縮器４２がその流体を圧縮することで、同流体の圧力を上昇させる。

【0036】

次に、流体は、熱交換器４３を通過することで、流体の温度が周囲温度になる。

【0037】

最終的に、流体は、ポンプ４４を通過し、このポンプは、上述のとおり、熱交換器レキュペレータ３の第１の入口３１に接続された二酸化炭素フィードバックライン５に流体を導入する前に、流体の圧力を上昇させる。

【0038】

また、二酸化炭素フィードバックライン５は、二酸化炭素抽出ライン５１を含むことにより、プラント１から加圧された二酸化炭素を抽出することができる。抽出ライン５１の利点及び動作は、以下でより良く説明される。

【0039】

エネルギー変換プラント１の動作は、以下のように動作する。

【0040】

燃料及び流体、すなわち議論下の場合では二酸化炭素とは、燃料入口、酸化剤入口、及び流体入口を通って各駆動ユニット２の燃焼器に入る。特に、燃料及び二酸化炭素は、第１の駆動ユニット２１の燃焼器２１１、第２の駆動ユニット２２の燃焼器２２１、及び第３の駆動ユニット２３の燃焼器２３１に入る。そして、各駆動ユニット２の膨張器が関連負荷を駆動する。より具体的には、第１の駆動ユニット２１の膨張器２１２が発電機Ｅを駆動し、第２の駆動ユニット２２の膨張器２２２並びに第３の駆動ユニット２３の膨張器２３２が関連遠心圧縮器Ｃ（又は複数の圧縮器）を駆動する。

【0041】

燃焼反応を鑑みると膨張されているものの高温を有する二酸化炭素が、各膨張器２１２、２２２、及び２３２から、熱交換器レキュペレータ３の第２の入口３３に導入される。特に、第１の実施形態によるエネルギー変換プラント１では、温度は、５００～７００℃であり、圧力は、２０～４０バールである。搭載される駆動ユニット２のタイプ及び各ユニットが動作している負荷に応じて、異なる温度範囲を予見することができる。

【0042】

そして、流体は、熱交換器レキュペレータ３を通過した後、温度がほぼ周囲温度になるように冷却されるが、圧力はほぼ同一である。流体、すなわち二酸化炭素は、熱交換器レキュペレータ３から出て、圧縮圧送ユニット４に到達する。特に、水は、分離ユニット４１を通して流体から抽出され、ドレンパイプ４５によって排出される。

【0043】

圧縮器４２によって圧縮される前の流体は、周囲温度であり、圧力はほとんど変化せず、すなわち、約２０～４０バールのままであるが、温度は冷却媒体の冷却温度に依存する。代わりに、圧縮器４２の後、流体の温度は、圧縮器４２の構造に依存するが（圧縮器４２は、中間冷却されてもされなくてもよい）、圧力は６０～１００バールに上昇させられる。

【0044】

次いで、流体は、熱交換器４３を通過し、その後、６０～１００バールの同じ圧力にあり、冷却流体／室温に戻る。

【0045】

最後に、流体の圧力は、ポンプ４４を通して２５０～３５０バールまで上昇させられ、温度はポンプ４４の構造に依存する。実際に、いくつかの実施形態におけるポンプ４４は、ポンプ設計に応じて、中間冷却器を備えていてもよい（又は備えていなくてもよい）。次に、周囲温度及び２５０～３５０バールの圧力の流体が、二酸化炭素フィードバックライン５に導入される。

【0046】

前述したように、フィードバックライン５は、熱交換器３に入る前に抽出ライン５１を有し、抽出ライン５１は、二酸化炭素（ＣＯ_２）の一部を加圧下の純粋状態で直接抽出することができる。抽出される二酸化炭素の量は、フィードバックライン５のヘッダ圧力が比較的一定（２５０～３５０バールの間）に維持されるような量であるが、この量は、プラント運転時の負荷の影響下にある。換言すれば、抽出ライン５１から抽出された二酸化炭素は、プラント１によって消費される燃料に直接関連付けられる。

【0047】

他の実施形態では、二酸化炭素生成物が可能な他のエンドユーザ／用途によってより低い圧力で必要とされる場合には、ポンプ４４の吸引の前（上流）に抽出ライン５１を配置することもできる。したがって、燃料から機械エネルギーへの変換プラント１は、可能な異なる圧力で純粋な二酸化炭素を生成する機能を有するという追加の利点を有する。更に、必要に応じて、異なる圧力で二酸化炭素を抽出するために、二酸化炭素回路の異なる領域又は地点に接続された２つ以上の抽出ラインを、エネルギー変換プラント１内に設けることができる。

【0048】

フィードバックライン５は、上述したように、ポンプ４４を熱交換器レキュペレータ３の第１の入口３１に接続する。熱交換器レキュペレータ３を通過すると、二酸化炭素は、同じ圧力を維持しながら温度の上昇を受ける。このようにして、流体は、駆動ユニット２１、２２、又は２３の各々に入る前に、２５０～３５０バールの圧力及び５００～７００℃の温度を有する。

【0049】

明らかなように、エネルギー変換プラント１は、熱交換器レキュペレータ３が駆動ユニット２、特に膨張器によって生成された熱の一部を回収する熱力学的サイクルを使用して、圧縮され温度が上昇される流体として使用される二酸化炭素の低排出を通して、３つの異なる負荷を、たとえこれらが互いに異なっていても、駆動することができる。

【0050】

このようにして、プラント１の高効率を維持しながら、加圧された形態で直接捕捉された二酸化炭素が得られ、これは、エネルギー変換プラント１自体の保守のための資本支出の削減にもなる。

【0051】

ここで図２を参照すると、エネルギー変換プラント１の第２の実施形態が見て取れる。特に、プラント１のレイアウトは、第１の実施形態のレイアウトと同じであり、第１の駆動ユニット２１の膨張器２１２は、発電機Ｅに依然として接続され、第３の駆動ユニット２３の膨張器２３２も、遠心圧縮器Ｃに接続される。しかしながら、第２の駆動ユニット２の膨張器２２２はここで、常に回転軸２３３を介して遠心圧縮器Ｃに接続され、電気機械Ｅに直列に接続される。このレイアウトでは、電気機械Ｅは、遠心圧縮器Ｃの補助モータとして、並びに発電機として動作することができる。電気機械Ｅは、実際には、電気変換ユニット（簡略化のためにここでは図示せず）に接続され、電気変換ユニットは、膨張器２１２が電気エネルギーに変換され得るいくらかの余剰電力を有する場合に、電気機械Ｅが、補助モータ及び発電機の両方として動作できるようにする。換言すれば、第１の実施形態に係るエネルギー変換プラント１（図１）と第２の実施形態に係るエネルギー変換プラント１（図２）との違いは、第２の発電ユニット２２の負荷が、電気機械Ｅに直列接続された圧縮器Ｃである点である。

【0052】

また、変形例において、電気機械Ｅは、回転軸２２３に接続されてもよく、遠心圧縮器Ｃは、電気機械Ｅの下流に接続されてもよい。このレイアウトでは、発電機／機械Ｅは、遠心圧縮器Ｃ並びに発電機の補助モータとして動作することができる。電気機械Ｅは、実際には、電気変換ユニット（簡略化のためにここでは図示せず）に接続されており、電気変換ユニットは、膨張器２１２が電気エネルギーに変換され得るいくらかの余剰電力を有する場合に、電気機械Ｅが補助モータ及び発電機の両方として動作できるようにする。

【0053】

第２の実施形態の発電プラント１の動作は、第１の実施形態と同じである。

【0054】

次に図３を参照すると、発電プラント１の第３の実施形態が示されており、第１の実施形態と比較すると、全ての駆動ユニット２１、２２、及び２３がそれぞれの遠心圧縮器Ｃに接続されている。そして、この場合、全ての負荷は機械的である。

【0055】

第３の実施形態の発電プラント１の動作は、第１の実施形態と同じである。

【0056】

図４を参照すると、エネルギー変換プラント１の第４の実施形態が示されており、２つの駆動ユニット２１及び２２と、それぞれに対応して２つの熱交換器レキュペレータ３とを備える。

【0057】

駆動ユニット２１及び２２の各々は、発電機Ｅに接続されており、後者は、駆動ユニット２１及び２２の回転軸２１３及び２２３から取り出された機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、例えば、主電源に導入するように意図されている。

【0058】

第４の実施形態の発電プラント１の動作は、第１の実施形態のそれと類似している。

【0059】

ここで図５を参照すると、複数の駆動ユニット２を備えるエネルギー変換プラント１の第５の実施形態が示されている。具体的には、エネルギー変換プラント１は、発電機Ｅ、遠心圧縮器Ｃ、及び更なる遠心圧縮器Ｃにそれぞれ接続された第１の駆動ユニット２１、第２の駆動ユニット２２、及び第３の駆動ユニット２３を備える。

【0060】

第５の実施形態によるエネルギー変換プラント１は、単一の熱交換器レキュペレータ３を備え、熱交換器レキュペレータ３は、この場合では、二酸化炭素フィードバックライン５に接続された第１の入口３１であって、上述したとおり、それを通じて高圧低温二酸化炭素が熱交換器レキュペレータ３に入る第１の入口３１と、駆動ユニット２１、２２、及び２３の燃焼器２１１、２２１、及び２３１に接続された第１の出口３２と、を有する。そして、高圧高温二酸化炭素は、駆動ユニット２１、２２、及び２３の燃焼器内に導入される。

【0061】

駆動ユニット熱交換器レキュペレータ３はまた、参照番号３３１、３３２、及び３３３で示される複数の第２の入口を有する。第２の入口３３１、３３２、及び３３３の数は駆動ユニット２と同一である。

【0062】

各第２の入口３３１、３３２、又は３３３は、駆動ユニット２の関連膨張器に接続される。

【0063】

具体的には、更に図５を参照すると、第１の駆動ユニット２１の第２の入口３３１は、関連膨張器２１２に接続され、第２の駆動ユニット２２の第２の入口３３２は、関連膨張器２２２に接続され、第３の駆動ユニット２３の第２の入口３３３は、関連膨張器２３２に接続される。

【0064】

最後に、熱交換器レキュペレータ３は、圧縮圧送システム４、特に分離ユニット４１に接続された第２の出口３４を有する。低圧低温流体（すなわち、二酸化炭素）は、第２の出口３４を通して熱交換器レキュペレータ３から抽出される。

【0065】

エネルギー変換プラント１の第５の実施形態の動作は、第１の実施形態の動作と全く類似している。主な違いは、単一の熱交換器レキュペレータ３が、二酸化炭素フィードバックライン５から到来する二酸化炭素によって、駆動ユニット２１、２２、及び２３から到来する排出流体を冷却し、この排出流体は、各駆動ユニット２１、２２、又は２３に対して熱交換器レキュペレータ３を有するのではなく、単一の熱交換器レキュペレータ３によって冷却されるという事実にある。

【0066】

このレイアウトにより、システムの複雑さ並びにシステムの全体的なコストを低減できるようにする。

【0067】

ここで図６を参照すると、エネルギー変換プラント１の第６の実施形態が示されている。この場合、レイアウトは、図５に示される第５の実施形態と同じであるが、第２の駆動ユニット２２が、回転軸２２３を通して異なる負荷に接続されており、すなわち遠心圧縮器Ｃの代わりに、遠心圧縮器Ｃと発電機Ｅとの組み合わせに接続されており、後者は補助としても使用することができる。

【0068】

図７を参照すると、発電プラント１の第７の実施形態が示されており、この場合も、第５の実施形態のレイアウトと同様のレイアウトとして、全ての駆動ユニット２、この場合も３つ、特に第１の駆動ユニット２１、第２の駆動ユニット２２、及び第３の駆動ユニット２３に接続された単一の熱交換器レキュペレータ３のみを備える。

【0069】

また、各駆動ユニット２１、２２、及び２３は、関連負荷を通して遠心圧縮器Ｃに接続されている。この実施形態では、図３に示される実施形態と同様に、全ての負荷が機械的である。

【0070】

図８を参照すると、エネルギー変換プラント１の第８の実施形態が示されており、参照番号２１及び２２で示され、各々、負荷として発電機Ｅに接続された２つの駆動ユニットに接続された、単一の熱交換器レキュペレータ３を備える。

【0071】

この場合、全ての負荷が、主電源に接続されるか、又は電流を供給するように意図された発電機Ｅであるため、いわゆるエネルギー生成アイランドが実現される。

【0072】

図９を参照すると、エネルギー変換プラント１の第９の実施形態が示されており、構造に関しては第１の実施形態と同様であるが、ここでは全ての駆動ユニット２１、２２、及び２３に共通である集中型燃焼器６のためのものである。

【0073】

集中型燃焼器６は、燃焼される燃料を導入するための燃料入口６１と、追加の流体、すなわち二酸化炭素及び純酸素を導入するための酸化剤入口６２と、を有する。また、熱交換器レキュペレータ３の各々の第１の出口３２は、集中型燃焼器６、具体的には流体入口６３に接続されて、膨張される流体を供給し、それを通して高圧高温二酸化炭素が上記集中型燃焼器６に導入される。最後に、集中型燃焼器６の燃焼済ガス出口６４は、各駆動ユニット２１、２２、及び２３の高温ガス入口２１７、２２７、及び２３７にそれぞれ接続される。

【0074】

図９のエネルギー変換プラント１の動作は、図１に開示された第１の実施形態に類似している。しかしながら、議論下の実施形態では、燃料入口６１から供給された燃料は、複数の駆動ユニット２に対して集中型燃焼器６で行われる（本実施形態では関連燃焼器を備えていない）。次に、燃焼ガスは、各駆動ユニット２１、２２、及び２３内で膨張される。

【0075】

図１０を参照すると、エネルギー変換プラント１の第１０の実施形態が示されており、構造に関して第９の実施形態と同様であるが、集中型燃焼器６の代わりに、エネルギー変換プラント１は集中型加熱器７を備える。

【0076】

集中型加熱器７は、膨張される流体を供給するために、交換器レキュペレータ３の各々の第１の出口３２に接続された流体入口７１を有する。集中型加熱器７の高温ガス出口７２は、各駆動ユニット２１、２２、及び２３の高温ガス入口２１７、２２７、及び２３７にそれぞれ接続される。

【0077】

図１０のエネルギー変換プラント１の動作は、図９に開示された第９の実施形態の動作に類似している。しかしながら、議論下の実施形態では、熱交換器３から到来する流体は、集中型加熱器７によって加熱された後、集中型加熱器７のガス出口７２から出るパイプラインマニホールドを通して複数の駆動ユニット２に分配される。次に、燃焼ガスは、各駆動ユニット２１、２２、及び２３内で膨張される。集中型加熱器７は、いくつかのタイプのものであってもよく、加熱エネルギーは、燃焼（集中型加熱器７に対して外部で実行される）、照射など、任意の手法で得ることができる。

【0078】

本解決策の利点は、プラントの効率が向上し、高圧で二酸化炭素を直接捕捉できる可能性があることである。

【0079】

また、本解決策の利点は、電気モータ駆動圧縮器トレインが必要とされず、したがって、プラントの全体的資本支出を低減することである。また、周囲温度で平坦な電力出力が達成され、効率が向上する。更に、ブラウンフィールド（改良）並びにグリーンフィールドでこの解決策を適用することができる。

【0080】

本発明の態様は、様々な特定の実施形態に関して説明されてきたが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲を逸脱することなく多くの修正、変更、及び省略が可能であることが、当業者には明らかであろう。加えて、本明細書で別段の指定がない限り、いずれのプロセス又は方法ステップの順序又は配列も、代替的な実施形態に従って変更又は再配列され得る。

【0081】

本開示の実施形態に対して詳細な参照がなされており、これらの１つ以上の例は、図面に例解されている。各例は、本開示を限定するものではなく、本開示の説明として提供するものである。実際には、本開示の範囲又は趣旨から逸脱しない限り、本開示に様々な修正及び変形を加えることができるということが、当業者には明らかであろう。本明細書全体を通して「ある実施形態」又は「一実施形態」又は「いくつかの実施形態」への言及は、一実施形態に関して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な個所における「ある実施形態では」又は「一実施形態では」又は「いくつかの実施形態では」という句が現れると、それは、必ずしも同一の実施形態を指しているものではない。また、特定の特徴、構造、又は特性は、１つ以上の実施形態において、任意の好適な様式において組み合わされ得る。

【0082】

様々な実施形態の要素を提示する際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「当該（said）」は、要素のうちの１つ以上があることを意味することを意図している。「備える（comprising）」、「含む（including）」、及び「有する（having）」という用語は、非排他的であることが意図され、列記された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】