アラムパワーサイクル
燃料からエネルギーへの変換プロセス

アラムサイクルまたはアラム・フェトヴェットサイクルは、炭素質燃料[1]を熱エネルギーに変換し、発生した二酸化炭素と水を 回収するプロセスです。

発明者は、イギリスの技術者ロドニー・ジョン・アラム、アメリカの技術者ジェレミー・エロン・フェトヴェット、アメリカの科学者マイルズ・R・パーマー博士、そしてアメリカの実業家で革新者のG・ウィリアム・ブラウン・ジュニアです。 [2] [ 3] [4] [5] [6 ] [7] [8] [9]アラム・フェトヴェットサイクルは、MITテクノロジーレビューの2018年の10大ブレークスルーテクノロジーのリストに選ばれました。[10]

このサイクルは、2018 年 5 月にテキサス州ラポートの 50 MWth 天然ガス供給テスト施設で検証されました。

説明

アラム・フェトヴェットサイクルは、超臨界CO2作動流体と酸素燃焼方式を採用した、再生式の高圧ブレイトンサイクルです。このサイクルは、燃焼器内で気体燃料を酸素と高温高圧のリサイクル超臨界CO2作動流体で燃焼させることから始まります。リサイクルCO2流は、燃焼炎の温度を管理可能なレベルまで下げ、サイクル作動流体が主にCO2になるように燃焼生成物を希釈するという2つの目的を果たします。燃焼器内の圧力は約30MPaにも達することがあります。燃焼原料は、質量比で 約95%がリサイクルCO2で構成されています

燃焼器は高圧排気を発生し、圧力比6～12で運転するタービン膨張器に供給します。膨張器からの排気は、主に燃焼生成水が混ざった亜臨界CO2混合物として排出されます。この流体はエコノマイザ熱交換器に入り、燃焼器に再循環されるCO2流と接触して膨張器からの排気を65℃以下に冷却します。エコノマイザ熱交換器を出た膨張器からの排気は、中央冷却システムによってさらに周囲温度近くまで冷却され、作動流体から液体の水が除去されて再利用されます。

ほぼ純粋なCO 2からなる残りの作動流体は、圧縮およびポンプ段階に入ります。圧縮システムは、入口圧力がCO 2臨界圧力を下回る従来型の中間冷却式遠心圧縮機で構成されています。CO 2作動流体は圧縮され、その後、圧縮機のアフタークーラーでほぼ室温まで冷却されます。この時点で、作動流体の圧縮と冷却を組み合わせることで、500 kg/m3を超える密度を達成できます。この状態で、多段遠心ポンプを用いてCO 2流を必要な高い燃焼圧力までポンプで送り込むことができます。最後に、高圧の作動流体はエコノマイザ熱交換器を通って送り返され、再加熱されて燃焼器に戻されます。

燃焼器内で燃料と酸素を添加して得られる正味のCO2生成物は高圧流から除去されます。この時点で、CO2生成物は高圧かつ高純度であるため、さらなる圧縮を必要とせずに隔離または利用することができます。[11] [12] [13] [14]

天然ガス燃料のアラムサイクルコンポーネントの質量流量 （燃焼段階に入る総質量の割合）
サイクルの段階 酸素 天然

ガス

水（H2O） 二酸化炭素（CO 2）
燃焼入口 4.75% 1.25% – 94%（高温、高圧）
タービン入口 – – 2.75%（高温蒸気） 97.25%（高温）
熱交換器入口（排気） – – 2.75%（高温蒸気） 97.25%（高温、低圧）
熱交換器出口（排気） – – 2.75%（凝縮蒸気） 97.25%（コンプレッサーポンプへ）
コンプレッサーポンプ出口 – – 94%（熱交換器へ） 3.25% (CCS/CCUS)
熱交換器入口（リサイクル） – – 94% (圧縮)
熱交換器出口（リサイクル） – – 94%（高温、圧縮、リサイクル対象）

システムが高い熱効率を達成するためには、一次熱交換器の高温側での温度を近づける必要があります。圧縮およびポンプ段階で冷却プロセスが採用されているため、冷却エキスパンダーの排気流と再加熱CO2リサイクル流の間のサイクルには、通常、大きなエネルギー不均衡が生じます。

アラム・フェトヴェットサイクルは、この不均衡を、再生熱交換器の低温端に低品位熱を取り込むことで補正します。サイクルの低温端の温度が低いため、この低品位熱は100℃から400℃の範囲で十分です。この熱の便利な供給源として、酸素燃焼に必要な 空気分離ユニット（ASU）が挙げられます。

この基本構成は、天然ガスを燃料として燃焼させる場合、エネルギー集約型のASUを含むすべての寄生負荷を除いたパワーサイクルとして、最大60%（低位発熱量）の効率を達成するようにモデル化されています。このサイクルは斬新ですが、燃焼タービンパッケージを除き、必要なコンポーネントは市販されています。このタービンは、既存のガスタービンおよび蒸気タービン設計ツールで使用されている実績のある技術とアプローチを採用しています。[15] [16]

アプリケーション

2016年3月、テキサス州ラポートでアラム・フェトヴェットサイクルを展示するための50MWth産業試験施設の建設が開始され、2017年に完了しました。2018年には、アラム・フェトヴェットサイクルとそれを支える技術が検証され、[17] OEMが将来の生産プラントで使用するためのコンポーネントを認証できるようになりました

2021年11月15日午後7時40分頃（EST）、試験施設はERCOTグリッド[18]との同期に成功し、アラム・フェトヴェットサイクルが60Hzで発電できることが証明されました。

この試験施設は、NET Power が所有・運営しており、NET Power はConstellation Energy Corporation、Occidental Petroleum (Oxy) Low Carbon Ventures 、Baker Hughesおよび 8 Rivers Capital (この技術の発明者) が所有しています。

NET Powerは、アブダビ国際石油展示会・会議（ADIPEC）において、2018年の国際優秀エネルギーブレークスルー技術プロジェクト賞を受賞しました。[19]

特許履歴

特許[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
発行番号 タイトル 申請日 発行日 現在の譲受人 法的地位と出来事 発明者名
US20100300063A1 高圧高温で燃料を燃焼させる装置および方法、ならびに関連システムおよびデバイス 2010年2月26日 2010年12月2日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 質権譲渡承認 パーマー、マイルズ・R.; アラム、ロドニー・ジョン; ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム
US9416728B2 高圧高温で燃料を燃焼させる装置および方法、ならびに関連システムおよびデバイス 2010年2月26日 2016年8月16日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 質権譲渡承認 パーマー、マイルズ・R.; アラム、ロドニー・ジョン; ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム
US20110179799A1 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2010年8月31日 2011年7月28日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ アラム、ロドニー・ジョン、パーマー、マイルズ、ブラウン・ジュニア、グレン・ウィリアム
US8596075B2 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2010年8月31日 2013年12月3日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ アラム、ロドニー・ジョン、パーマー、マイルズ、ブラウン・ジュニア、グレン・ウィリアム
US20120067056A1 窒素ガス作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2011年9月19日 2012年3月22日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 質入れ マイルズ・パーマー、ロドニー・ジョン・アラム、ジェレミー・エロン・フェトヴェット
US20120067568A1 地層堆積物の回収における二酸化炭素の使用方法 2011年9月19日 2012年3月22日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ パーマー、マイルズ; アラム、ロドニー・ジョン; フェトヴェット、ジェレミー・エロン; フリード、デイヴィッド・アーサー; ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム
US8869889B2 地層堆積物の回収における二酸化炭素の使用方法 2011年9月19日 2014年10月28日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ パーマー、マイルズ; アラム、ロドニー・ジョン; フェトヴェット、ジェレミー・エロン; フリード、デイヴィッド・アーサー; ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム
US9410481B2 窒素ガス作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2011年9月19日 2016年8月9日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 質入れ マイルズ・パーマー、ロドニー・ジョン・アラム、ジェレミー・エロン・フェトヴェット
US20130205746A1 閉サイクルクエンチによる部分酸化反応 2013年2月11日 2013年8月15日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ アラム、ロドニー・ジョン、フェトヴェット、ジェレミー・エロン、パーマー、マイルズ・R.
US8776532B2 閉サイクルクエンチによる部分酸化反応 2013年2月11日 2014年7月15日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ アラム、ロドニー・ジョン、フェトヴェット、ジェレミー・エロン、パーマー、マイルズ・R.
US20130199195A1 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2013年3月14日 2013年8月8日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ アラム、ロドニー・ジョン; パーマー、マイルズ・R.; ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム
US9062608B2 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2013年3月14日 2015年6月23日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ アラム、ロドニー・ジョン; パーマー、マイルズ・R.; ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム
US10018115B2 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2013年3月15日 2018年7月10日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ ロドニー・ジョン・アラム、マイルズ・R・パーマー、グレン・ウィリアム・ブラウン・ジュニア、ジェレミー・エロン・フェトヴェット、ブロック・アラン・フォレスト
US20130213049A1 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2013年3月15日 2013年8月22日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ ロドニー・ジョン・アラム、マイルズ・R・パーマー、グレン・ウィリアム・ブラウン・ジュニア、ジェレミー・エロン・フェトヴェット、ブロック・アラン・フォレスト
US20140053529A1 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2013年11月4日 2014年2月27日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ アラム、ロドニー・ジョン、ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム、パーマー、マイルズ・R
US8959887B2 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2013年11月4日 2015年2月24日 パーマーラボLLC; エイトリバーズキャピタルLLC 質入れ アラム、ロドニー・ジョン、ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム、パーマー、マイルズ・R
US20140290263A1 閉サイクルクエンチによる部分酸化反応 2014年6月12日 2014年10月2日 8 RIVERS CAPITAL, LLC; PALMER LABS, LLC 許可 アラム、ロドニー・ジョン、フェトヴェット、ジェレミー・エロン、パーマー、マイルズ・R.
US9581082B2 閉サイクルクエンチによる部分酸化反応 2014年6月12日 2017年2月28日 8 RIVERS CAPITAL, LLC; PALMER LABS, LLC 許可 アラム、ロドニー・ジョン、フェトヴェット、ジェレミー・エロン、パーマー、マイルズ・R.
US10927679B2 高効率発電方法、アセンブリ、システム 2014年7月25日 2021年2月23日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 マイルズ・R・パーマー、ジェレミー・エロン・フェトヴェット、ロドニー・ジョン・アラム
US20140331687A1 高効率発電方法、アセンブリ、およびシステム 2014年7月25日 2014年11月13日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 マイルズ・R・パーマー、ジェレミー・エロン・フェトヴェット、ロドニー・ジョン・アラム
US10047671B2 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2015年1月23日 2018年8月14日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 アラム、ロドニー・ジョン、ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム、パーマー、マイルズ・R
US20160215693A1 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2015年1月23日 2016年7月28日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 アラム、ロドニー・ジョン、ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム、パーマー、マイルズ・R
US20150252724A1 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2015年5月20日 2015年9月10日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 アラム、ロドニー・ジョン; パーマー、マイルズ・R.; ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム
US9869245B2 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2015年5月20日 2018年1月16日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 アラム、ロドニー・ジョン; パーマー、マイルズ・R.; ブラウン、ジュニア、グレン・ウィリアム
US20160319741A1 窒素ガス作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2016年7月14日 2016年11月3日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 マイルズ・パーマー、ロドニー・ジョン・アラム、ジェレミー・エロン・フェトヴェット
US9611785B2 窒素ガス作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2016年7月14日 2017年4月4日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 マイルズ・パーマー、ロドニー・ジョン・アラム、ジェレミー・エロン・フェトヴェット
US10054046B2 窒素ガス作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2017年3月10日 2018年8月21日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 マイルズ・パーマー、ロドニー・ジョン・アラム、ジェレミー・エロン・フェトヴェット
US20180016979A1 窒素ガス作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2017年3月10日 2018年1月18日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 マイルズ・パーマー、ロドニー・ジョン・アラム、ジェレミー・エロン・フェトヴェット
US10989113B2 部分酸化を用いた発電システムおよび方法 2017年9月13日 2021年4月27日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 ブロック・アラン・フォレスト、シージア・ルー、ロドニー・ジョン・アラム、ジェレミー・エロン・フェトヴェット、マイルズ・R・パーマー
US20180073430A1 部分酸化を用いた発電システムおよび方法 2017年9月13日 2018年3月15日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 ブロック・アラン・フォレスト、シージア・ルー、ロドニー・ジョン・アラム、ジェレミー・エロン・フェトヴェット、マイルズ・R・パーマー
US10975766B2 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2018年6月13日 2021年4月13日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 ロドニー・ジョン・アラム、マイルズ・R・パーマー、グレン・ウィリアム・ブラウン・ジュニア、ジェレミー・エロン・フェトヴェット、ブロック・アラン・フォレスト
US20180291805A1 二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法 2018年6月13日 2018年10月11日 8リバーズ・キャピタル有限責任会社 許可 ロドニー・ジョン・アラム、マイルズ・R・パーマー、グレン・ウィリアム・ブラウン・ジュニア、ジェレミー・エロン・フェトヴェット、ブロック・アラン・フォレスト

参照

参考文献

  1. ^ 炭素質燃料には、天然ガス、バイオマス、石炭、都市固形廃棄物、サワーガス（二酸化硫黄の含有量が多い天然ガス）が含まれます
  2. ^ ab 米国特許8959887、Allam、Rodney John（英国ウィルトシャー州）、Brown, Jr.、Glenn William（ノースカロライナ州ダーラム）、Palmer、Miles R.（ノースカロライナ州チャペルヒル）、Brown, Jr.、Glenn William、Palmer, Miles R.、「二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法」、2015年2月24日公開、2013年11月4日発行、Palmer Labs, LLCおよび8 Rivers Capital, LLCに譲渡 
  3. ^ ab 米国特許8986002、Palmer、Miles R.（ノースカロライナ州チャペルヒル）、Allam、Rodney John（英国チッペンハム）、Brown, Jr.、Glenn William（ノースカロライナ州ダーラム）、Fetvedt、Jeremy Eron（ノースカロライナ州ローリー）、Allam、Rodney John、Brown, Jr.、Glenn William他「高圧高温燃料燃焼装置および関連システム」、2015年3月24日公開、8 Rivers Capital, LLCおよびPalmer Labs, LLCに譲渡 
  4. ^ ab 米国特許9062608、Allam、Rodney John（ウィルトシャー、英国）、Palmer、Miles R.（チャペルヒル、ノースカロライナ州）、Brown, Jr.、Glenn William（ダーラム、ノースカロライナ州）、Palmer, Miles R. & Brown, Jr.、Glenn William、「二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法」、2015年6月23日公開、2013年3月13日発行、Palmer Labs, LLCおよび8 Rivers Capital, LLCに譲渡 
  5. ^ ab 米国特許9068743、Palmer、Miles R.（バージニア州グレートフォールズ）、Allam、Rodney John（英国チッペンハム）、Brown, Jr.、Glenn William（ノースカロライナ州ダーラム）、Allam、Rodney John、Brown, Jr.、Glenn William、「高圧高温で燃料を燃焼させる装置および関連システム」、2015年3月24日発行、8 Rivers Capital, LLCおよびPalmer Labs, LLCに譲渡 
  6. ^ ab 米国特許9416728、Palmer、Miles R.（バージニア州グレートフォールズ）、Allam、Rodney John（英国チッペンハム）、Brown, Jr.、Glenn William（ノースカロライナ州ダーラム）、Allam、Rodney John、Brown, Jr.、Glenn William、「高圧高温で燃料を燃焼させる装置および方法、ならびに関連システムおよびデバイス」、2016年8月16日発行、8 Rivers Capital, LLCおよびPalmer Labs, LLCに譲渡 
  7. ^ ab 米国特許9869245、Allam、Rodney John（ウィルトシャー、英国）、Palmer、Miles R.（チャペルヒル、ノースカロライナ州）、Brown, Jr.、Glenn William（ダーラム、ノースカロライナ州）、Palmer, Miles R. & Brown, Jr.、Glenn William、「二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法」、2015年9月10日公開、2018年1月16日発行、8 Rivers Capital, LLCに譲渡 
  8. ^ ab 米国特許10018115、Palmer、Miles R.（ノースカロライナ州チャペルヒル）、Allam、Rodney John（英国チッペンハム）、Brown, Jr.、Glenn William（ノースカロライナ州ダーラム）、Fetvedt、Jeremy Eron（ノースカロライナ州ローリー）、Allam、Rodney John、Brown, Jr.、Glenn William他「二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法」、2015年3月24日公開、8 Rivers Capital, LLCに譲渡 
  9. ^ ab 米国特許 10047671、Allam、Rodney John（英国ウィルトシャー州）、Brown, Jr.、Glenn William（ノースカロライナ州ダーラム）、Palmer、Miles R.（ノースカロライナ州チャペルヒル）、Brown, Jr.、Glenn William、Palmer, Miles R.、「二酸化炭素循環作動流体を用いた高効率発電システムおよび方法」、2018年8月14日公開、2015年1月23日発行、Palmer Labs, LLCおよび8 Rivers Capital, LLCに譲渡 
  10. ^ “2018”. MITテクノロジーレビュー. 2020年10月1日閲覧。
  11. ^ 「画期的なプロジェクト：アラムサイクル発電所の起工式」Modern Power Systems、2016年5月15日。 2016年11月29日閲覧。
  12. ^ Isles, Junior (2014). 「新たな超臨界CO2発電サイクルシステムへの準備」(PDF) . Gas Turbine World . 第44巻第6号. Pequot Publishing. 2016年8月11日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2016年11月29日閲覧。
  13. ^ Grant, Annalee (2015年3月6日). 「ExelonとNET Power、テキサス州で計画中の炭素回収パイロットプロジェクトに自信」SNL . S&P Global . 2016年11月29日閲覧。
  14. ^ Dodge, Edward (2014年11月14日). 「CCSのブレークスルー：sCO2発電サイクルは効率向上と統合型炭素回収を実現」. Breaking Energy . Breaking Media . 2016年11月29日閲覧。
  15. ^ Allam, Rodney; Martin, Scott; Forrest, Brock; Fetvedt, Jeremy; Lu, Xijia; Freed, David; Brown, G. William; Sasaki, Takashi; Itoh, Masao; Manning, James (2017-07-01). 「Allamサイクルの実証：完全炭素回収を用いた高効率超臨界二酸化炭素発電プロセスの開発状況に関する最新情報」Energy Procedia . 114 : 5948– 5966. doi : 10.1016/j.egypro.2017.03.1731 . ISSN  1876-6102.
  16. ^ Lu, Xijia; Forrest, Brock; Martin, Scott; Fetvedt, Jeremy; McGroddy, Michael; Freed, David (2016-09-20). 「ほぼゼロエミッションの超臨界二酸化炭素発電サイクルによる石炭ガス化システムの統合と最適化」. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition 議事録. 第9巻: 石油・ガス用途; 超臨界二酸化炭素発電サイクル; 風力エネルギー. アメリカ機械学会デジタルコレクション. doi :10.1115/GT2016-58066. ISBN 978-0-7918-4987-3。
  17. ^ ラティ、アクシャット（2018年5月31日）「米国のスタートアップ企業がゼロエミッションの化石燃料発電所に最初の火を灯した」Quartz。2020年10月1日閲覧
  18. ^ “Power Engineering International”. Power Engineering International . 2021年11月18日. 2021年11月18日閲覧。
  19. ^ LLC、NET Power。「NET Power実証プラントが2018年ADIPECブレークスルー技術プロジェクト・オブ・ザ・イヤーを受賞」www.prnewswire.com（プレスリリース） 。 2020年10月1日閲覧。
  • 天然ガスのプロセス図
  • 石炭のプロセス図
  • マスフロー図
  • 圧力と比エンタルピー図
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