Система и способ для снабжения энергосистемы энергией от источника возобновляемой энергии периодического действия - RU2654266C1

Чертежи

Описание

Потребление возобновляемых природных ресурсов (возобновляемых источников энергии) для выработки энергии в последние годы было значительным, но существует еще нерешенная проблема борьбы с временным характером возобновляемых источников энергии. Энергия и солнца и ветра являются периодически действующими по своей природе и, следовательно, не является возможным обеспечивать надежную базисную электрическую нагрузку на электрические сети. Поскольку требование потребителей энергии может быть нерегулярным, электроснабжение, основанное на возобновляемых источниках энергии, не соответствует спросу потребителей. К тому же, избыток энергии, т.е. количество энергии, которое мгновенно было бы доступным от возобновляемых источников энергии, но которое не востребовано потребителями в то же время, напрягает энергосети и потерялось бы в случае, если ее не потребляли.

Соответственно, существуют условия, в которых энергии, моментально предоставленной возобновляемыми источниками энергии, не достаточно для покрытия спроса. Однако также были бы условия, в которых энергия, моментально предоставленная возобновляемыми источниками энергии, превышает текущую потребность. Так как доля энергии от возобновляемых источников увеличивается, то ситуация станет недопустимой.

Перспективным подходом для решения этих недостатков было бы использование долгосрочных энергетических буферов или аккумуляторов, которые пригодны для накапливания энергии. Такое решение позволило бы управлять ситуациями, в которых потребность превышает доступную энергию, а также ситуациями, в которых доступен избыток энергии.

Известны самые разные решения по накапливанию в буфере для накапливания электрической энергии, например, литиевые аккумуляторы и редокс-аккумуляторы на основе ванадия, но эти решения не могут обеспечивать необходимый масштаб накопления энергии. Водород предлагает другой, свободный от углерода, путь для накапливания энергии, но это трудно и опасно для использования. В газообразной форме его следует компримировать до 500 бар, для того чтобы достигать пригодной плотности энергии. Жидкий водород требует криогенных температур и сопутствующей усложненной инфраструктуры. Более того, использование водорода в любой форме требует мер безопасности из-за опасности взрыва. По эти причинам считается, что водород не является подходящим кандидатом для накапливания энергии.

Таким образом, в настоящее время нет надежных и соответствующих способов для развязки по электропитанию и потребностей для возобновляемых энергий в местном или национальном масштабе.

Целью изобретения является предложить решение для снабжения энергосистемы энергией от возобновляемого источника энергии периодического действия.

Задача решается с помощью системы и способа согласно прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение основано на подходе накапливания, по меньшей мере, частей энергии, выработанной с использованием возобновляемого источника энергии. Это достигается путем использования такой энергии, чтобы производить водород и азот. Водород и азот потом превращают в аммиак (NH3), который представляет собой свободное от углерода топливо, и которое можно хранить при температурах окружающей среды. К тому же, NH3 можно эффективно и безопасно транспортировать, используя трубопроводы, железнодорожную сеть, перевозку судами и грузовой автотранспорт. Более того, NH3 предлагает преимущества того, что он может быть синтезирован в свободном от углерода процессе, и он может быть сожжен без вырабатывания парниковых газов.

Изобретение добивается развязки спроса и предложения электричества от нестабильных возобновляемых источников энергии путем использования возобновляемой энергии для получения аммиака, который потом можно накапливать. Накопленный аммиак затем может быть использован в NH3-электрогенераторе для выработки электричества, которое подают в электросеть. Это комплексное решение, предложенное изобретением, позволяет переводить прерывающееся электричество в базисную нагрузку, обеспеченную возобновляемым источником энергии, для местной или национальной энергосистемы.

Дополнительное улучшение достигается путем использования сбросного тепла, которое вырабатывается в этапе или компоненте системы во время работы такого этапа или компонента. Сбросное тепло собирается соответствующим теплообменником и, по меньшей мере, частично передается к другому этапу или компоненту системы, работа и эффективность которой, по меньшей мере, может быть улучшена с помощью, или даже требует, наличия повышенной температуры. Это приводит к повышенной эффективности всей системы.

Таким образом, наличие накопительной колбы для NH3 в качестве буфера позволяет лучшую гибкость обеспечения энергией энергосети и, следовательно, улучшенную балансировку нагрузки. Кроме того, эффективность системы и способ улучшаются путем использования тепла, выработанного в одном этапе или компоненте системы путем передачи, по меньшей мере, части тепла другому этапу или компоненту системы.

Изобретение может быть использовано для управления энергетической сети, основанной на возобновляемых энергиях, а также в местном энергоснабжении для тяжелой промышленности и сельскохозяйственных районов, сетевой стабилизации.

Подробнее, система для обеспечения энергии для энергосети и для балансировки нагрузки потребляемой энергии для энергосети, основанной на периодически действующей возобновляемой энергии, обеспеченной возобновляемым источником энергии, включает в себя

- установку по производству H2-N2 для получения водорода и азота, при том установка по производству H2-N2 работает с помощью использования энергии, обеспеченной возобновляемым источником энергии,

- установку смешивания, выполненную с возможностью получать и смешивать водород и азот, произведенные установкой по производству H2-N2, для образования азотоводородной смеси,

- источник NH3 для получения и обрабатывания азотоводородной смеси с целью получения газообразной смеси, содержащей NH3, при том источник NH3 флюидно связан с установкой смешивания для получения азотоводородной смеси из установки смешивания, и при том источник NH3 выполнен с возможностью вырабатывать газообразную смесь, содержащую NH3 из азотоводородной смеси, при том источник NH3 включает в себя накопительную колбу для NH3 для накапливания, по меньшей мере, части NH3 из газообразной смеси, содержащей NH3,

- NH3-электрогенератор для выработки энергии для энергосети, при том NH3-электрогенератор флюидно связан с накопительной колбой для NH3, чтобы получать газообразный поток, содержащий NH3 из накопительной колбы для NH3, и при том NH3-электрогенератор включает в себя камеру сгорания для сжигания полученного NH3 газообразного потока, чтобы выработать энергию для энергосети, и

- систему распределения тепла с одним или более теплообменниками,

в которой

- каждый из одного или более теплообменников находится в тепловом контакте и поставлен в соответствие с, по меньшей мере, одним из одного или более первых компонентов системы для получения технологического тепла, например, сбросного тепла или другого тепла, которое вырабатывается во время работы соответствующего компонента, от поставленного в соответствие, по меньшей мере, первого компонента во время работы, по меньшей мере, первого одного компонента,

- каждый один из одного или более теплообменников расположены и выполнены с возможностью передавать, по меньшей мере, часть полученного технологического тепла, по меньшей мере, одному из одного или более вторых компонентов системы.

Там, ожидаемой характеристикой каждого из первых компонентов является выработка тепла во время работы первого компонента. Тепло, выработанное первым компонентом, передается к соответствующему теплообменнику за счет теплового контакта.

Там, ожидаемой характеристикой каждого из вторых компонентов является потребление тепла во время работы второго компонента или, по меньшей мере, улучшенная работа и/или эффективность, когда может быть обеспечена повышенная рабочая температура. И то, и другое достигается путем предоставления тепла от теплообменников.

Кроме того, каждый из одного или более первых компонентов поставлен в соответствие и находится в тепловом контакте с, по меньшей мере, одним или более теплообменников.

Один из одного или более первых компонентов должен быть NH3-электрогенератором. Таким образом, эффективность системы улучшается, потому что сбросное тепло перенаправляется в процесс.

Там, один из одного или более вторых компонентов представляет собой установку смешивания, в которой переданная часть технологического тепла используется в смешивании водорода и азота для поддерживания образования азотоводородной смеси. Это повышает эффективность всей системы.

Установка по производству H2-N2 могла включать в себя

- водородный электролизер для получения водорода, при том водородный электролизер выполнен с возможностью получать воду и энергию, производимую возобновляемым источником энергии, и производить водород путем электролиза, и/или

- воздухоразделительную установку для производства азота, при том воздухоразделительная установка выполнена с возможностью получать воздух и энергию, произведенную возобновляемым источником энергии, и производить азот путем разделения полученного воздуха. Это позволяет производить водород H2 и азот N2 путем использования энергии из возобновляемого источника энергии, в конечном счете, приводя к возможности накапливать такую энергию в виде NH3.

Один из одного или более первых компонентов мог быть водородным электролизером. Таким образом, эффективность системы улучшается, потому что сбросное тепло повторно направляется в процесс.

Установка смешивания должна быть флюидно связана с установкой по производству H2-N2 для получения водорода и азота, произведенных в ней, при том установка смешивания могла бы включать в себя смеситель для смешивания водорода с азотом, чтобы образовать азотоводородную смесь, и компрессор для компримирования азотоводородной смеси из смесителя, чтобы образовать компримированную азотоводородную смесь, направляемую в источник NH3. Таким образом, установка смешивания обеспечивает компримированную смесь H2-N2. Таким образом, установка смешивания обеспечивает компримированную смесь H2-N2.

Одним из одного или более вторых компонентов мог быть смеситель, в котором используется часть технологического тепла, переданного к смесителю, чтобы усилить смешивание водорода и азота. Таким образом, эффективность системы улучшается, потому что сбросное тепло повторно направляется в процесс.

Источник NH3 мог включать в себя NH3-реакционую камеру, выполненную с возможностью получать азотоводородную смесь из установки смешивания и обрабатывать полученную азотоводородную смесь для образования газообразной смеси, содержащей NH3, с помощью экзотермической химической реакции, при том одним из одного или более первых компонентов является NH3-реакционая камера. Действие NH3-реакционой камеры основано на экзотермической химической реакции, а соответствующее сбросное тепло, полученное во время работы, может быть повторно направлено в систему для улучшения эффективности.

Источник NH3 мог дополнительно включать в себя сепаратор для получения газообразной смеси, содержащей NH3, из NH3-реакционной камеры, при том

- сепаратор выполнен с возможностью отделять NH3 от газообразной смеси, содержащей NH3, так что получаются NH3 и оставшаяся азотоводородная смесь, и

- сепаратор флюидно связан с накопительной колбой для NH3, чтобы направлять полученный NH3 в накопительную колбу для NH3. Применение сепаратора делает возможным эффективное получение NH3.

В одном варианте воплощения имеется в наличии дополнительная установка дообработки для дообрабатывания оставшейся азотоводородной смеси рекомпрессором и вторым смесителем, при том

- рекомпрессор флюидно связан с сепаратором для получения и компримирования оставшейся азотоводородной смеси из сепаратора,

- второй смеситель флюидно связан с рекомпрессором для получения компримированной оставшейся азотоводородной смеси из рекомпрессора,

- второй смеситель флюидно связан с установкой смешивания для получения азотоводородной смеси из установки смешивания и при том

- второй смеситель выполнен с возможностью смешивать азотоводородную смесь из установки смешивания и компримированную оставшуюся азотоводородную смесь из рекомпрессора, чтобы образовать азотоводородную смесь, предназначенную для источника NH3. Использование установки дообработки позволяет вернуть в оборот оставшиеся H2 и N2 для образования дополнительного NH3.

Один из одного или более вторых компонентов мог быть вторым смесителем. Это поднимает эффективность процесса смешивания H2-N2, и, тем самым, эффективность всей системы.

В альтернативном варианте осуществления сепаратор должен быть флюидно связан с установкой смешивания, чтобы направлять оставшуюся азотоводородную смесь из сепаратора в установку смешивания, так что оставшаяся азотоводородная смесь смешивается в установке смешивания с водородом и азотом из установки по производству H2 и N2, чтобы образовать азотоводородную смесь, получаемую источником NH3. Это также позволяет вернуть в оборот оставшиеся H2 и N2 для образования дополнительного NH3.

Система могла дополнительно включать в себя диссоциатор NH3, который флюидно связан с накопительной колбой для NH3 и NH3-электрогенератором и который выполнен с возможностью и установлен

- для получения NH3 из накопительной колбы для NH3,

- для осуществления частичной диссоциации полученного NH3, чтобы образовать смесь NH3-водород и

- для направления смеси NH3-водород в NH3-электрогенератор для сжигания.

Использование диссоциатора NH3 позволяет обеспечивать NH3-электрогенератор газообразной смесью NH3-водород, которая имеет лучше параметры горения.

Одним из одного или более вторых компонентов мог быть диссоциатор NH3. Это имеет эффектом более высокую эффективность диссоциирования NH3, потому что принцип работы диссоциатора NH3 основан на потреблении тепла. Таким образом, полная эффективность системы улучшается.

Система могла дополнительно включать в себя основной управляющий блок для регулирования выработки NH3, накапливаемого в накопительной колбе для NH3 и/или выработки энергии с помощью NH3-электрогенератора.

Например, управление может быть достигнуто путем регулирования расхода энергии, предоставленной установке по производству H2-N2 и, тем самым, производства H2 и N2, или путем регулирования массового расхода в системе посредством влияющих смесителей, компрессоров или других компонентов, и/или путем регулирования температуры в NH3-реакционной камере.

Основной управляющий блок мог быть выполнен с возможностью и установлен, т.е. связан с соответствующими компонентами, так, что регулирование выработки NH3, накапливаемого в накопительной колбе для NH3, и/или регулирование выработки энергии с помощью NH3-электрогенератора, по меньшей мере, зависит от действительной потребности в электроэнергии в энергосети и/или от количества энергии, выработанного на текущий момент возобновляемым источником энергии. Это допускает гибкое энергоснабжение, которое реагирует на действительные потребности в энергосети, и которое, с другой стороны, позволяет накапливать вид энергии возобновляемого источника энергии в случае низких потребностей.

Основной управляющий блок мог быть выполнен с возможностью

- предпочтительно одновременно уменьшать выработку NH3, накапливаемого в накопительной колбе для NH3, которая может быть достигнута путем регулирования выработки газообразной смеси, содержащей NH3, и/или увеличивать выработку энергии во время периодов низкого потребления возобновляемой энергии от возобновляемого источника энергии,

- предпочтительно одновременно увеличивать выработку NH3, накапливаемого в накопительной колбе для NH3 и/или уменьшать выработку энергии во время периодов высокого потребления возобновляемой энергии от возобновляемого источника энергии.

Это также позволяет эффективную балансировку нагрузки потребления энергии для энергосети и гибкое энергоснабжение, которое реагирует на действительные потребности в энергосети, и которое, с другой стороны, допускает накапливать вид энергии возобновляемого источника энергии в случае низких потребностей.

В настоящем описании термины ″низкий″ и ″высокий″ могут относиться к определенным заданным пороговым значениям. Т.е. низкое потребление энергии означает, что действительное потребление возобновляемой энергии меньше, чем первое пороговое значение, и высокое потребление энергии означает, что действительное потребление возобновляемой энергии больше, чем второе пороговое значение. Первое и второе пороговое значение могут быть идентичными или отличаться друг от друга.

Система могла дополнительно включать в себя энергораспределительный блок, который выполнен с возможностью получать энергию, обеспеченную возобновляемым источником энергии, и распределять энергию в энергосеть и/или в установку по производству H2-N2, при том распределение энергии зависит от ситуации потребности энергии в энергосети. Например, в случае более высокой потребности энергии из энергосети, доля энергии, предоставленной возобновляемым источником энергии энергосети выше, и оставшаяся доля, которая предоставляется системе, ниже. В случае более низкой потребности энергии из энергосети, доля энергии, предоставленной энергосети возобновляемым источником энергии, ниже, и оставшаяся доля, которая предоставляется системе, выше. Это делает возможным эффективную работу системы и, впоследствии, балансировку потребления энергии для энергосети.

В соответствующем способе с целью обеспечения энергии для энергосети и с целью балансировки нагрузки потребности энергии для энергосети на основе возобновляемого источника энергии периодического действия, обеспеченного возобновляемым источником энергии,

- по меньшей мере, часть энергии от возобновляемого источника энергии используют для производства водорода и азота в установке по производству H2-N2,

- произведенные водород и азот смешивают в установке смешивания для образования азотоводородной смеси,

- азотоводородную смесь обрабатывают в источнике NH3 для выработки газообразной смеси, содержащей NH3,

- NH3 газообразной смеси, содержащей NH3, накапливают в накопительной колбе для NH3,

- поток NH3 из накопительной колбы для NH3 направляют в камеру сгорания NH3-электрогенератора для сжигания NH3 из потока NH3, чтобы выработать энергию для энергосети,

при том

- по меньшей мере, часть технологического тепла, например сбросного тепла или другого тепла, которое вырабатывается во время работы соответствующего компонента, выработанное в, по меньшей мере, одном из одного или более первых компонентов системы во время работы, по меньшей мере, одного первого компонента, передается, по меньшей мере, одному из одного или более вторых компонентов системы.

Одним из одного или более первых компонентов мог быть NH3-электрогенератор.

Одним из одного или более вторых компонентов могла быть установка смешивания, в частности, смеситель для установки смешивания для смешивания водорода с азотом, чтобы образовать азотоводородную смесь, при том переданная часть технологического тепла используется в смешивании водорода и азота.

Водород мог быть получен в водородном электролизере установки по производству H2-N2, при том один из одного или более первых компонентов представляет собой водородный электролизер.

Источник NH3 мог включать в себя NH3-реакционную камеру, которая получает азотоводородную смесь из установки смешивания и которая обрабатывает полученную азотоводородную смесь для образования газообразной смеси, содержащей NH3, с помощью экзотермической химической реакции, при том один из одного или более первых компонентов представляет собой NH3-реакционную камеру.

Газообразная смесь, содержащая NH3, могла быть направлена в сепаратор, который отделяет NH3 от газообразной смеси, содержащей NH3 так, что получаются NH3, накапливаемый в накопительной колбе для NH3, и оставшаяся азотоводородная смесь.

Оставшаяся азотоводородная смесь могла быть вновь компримирована, и рекомпримированную оставшуюся азотоводородную смесь смешивают с азотоводородной смесью из установки смешивания во втором смесителе для образования азотоводородной смеси, получаемой источником NH3.

Одним из одного или более вторых компонентов мог быть второй смеситель.

Поток NH3 из накопительной колбы для NH3 мог быть направлен в диссоциатор NH3 перед тем, как он достигает NH3-электрогенератора. Диссоциатор NH3 осуществляет частичное расщепление NH3, полученного из накопительной колбы для NH3, чтобы образовать смесь NH3-водород, и смесь NH3-водород направляют как поток NH3 в NH3-электрогенератор для сжигания. Использование диссоциатора NH3 позволяет обеспечить NH3-электрогенератор смесью NH3-водород, которая имеет лучше параметры горения.

Один из одного или более вторых компонентов представляет собой диссоциатор NH3. Это имеет результатом более высокую эффективность расщепления NH3, потому что принцип работы диссоциатора NH3 основан на потреблении тепла. Таким образом, полная эффективность системы улучшается.

Основной управляющий блок системы мог регулировать выработку NH3, накапливаемого в накопительной колбе для NH3, и/или выработку энергии с помощью NH3-электрогенератора.

К тому же, например, управление может достигаться путем регулирования расхода энергии, предоставленной установке по производству H2-N2 и, тем самым, производству H2 и N2, или путем регулирования массового расхода в системе посредством оказывающих влияние смесителей, компрессоров или других компонентов, и/или путем регулирования температуры в NH3-реакционной камере.

Основной управляющий блок мог регулировать выработку NH3, накапливаемого в накопительной колбе для NH3 и/или выработку энергии с помощью NH3-электрогенератора, по меньшей мере, зависящей от количества энергии в данный момент, вырабатываемого возобновляемым источником энергии.

Более того, основной управляющий блок

- предпочтительно одновременно уменьшает выработку NH3, накапливаемого в накопительной колбе для NH3, и/или повышает выработку энергии во время периодов низкого потребления возобновляемой энергии от источника возобновляемой энергии,

- предпочтительно одновременно повышает выработку NH3, накапливаемого в накопительной колбе для NH3 и/или уменьшает выработку энергии во время периодов высокого потребления возобновляемой энергии от возобновляемого источника энергии.

Основной управляющий блок регулирует выработку NH3 и выработку энергии. Например, во время периодов, в которых источник возобновляемой энергии вырабатывает меньше энергии, например, и в случае ветроэнергоустановки во время фаз слабого ветра, основной управляющий блок привел бы в действие NH3-электрогенератор для подачи больше энергии в энергосеть, потому что снабжение возобновляемым источником энергии могло быть недостаточным. Во время периодов, в которых возобновляемый источник энергии вырабатывает большое количество энергии, например, во время фаз с сильным ветром, основной управляющий блок выключил бы NH3-электрогенератор, потому что возобновляемый источник энергии обеспечивает сеть достаточной энергией. Однако основной управляющий блок повысил бы производство и накопление NH3.

Устройство, являющееся ″флюидно связанным″ с дополнительным устройством, означает, что флюид (текучая среда) может быть передан посредством связи между устройствами, например, трубы от устройства к дополнительному устройству. В настоящем описании флюид может быть газообразным, а также жидким.

Далее, изобретение объясняется подробно на основе фиг.1. Одинаковые номера позиций в различных фигурах относятся к одним и тем же компонентам.

Фиг.1 показывает систему для балансировки нагрузки возобновляемого источника энергия периодического действия,

фиг.2 показывает дополнительный вариант воплощения системы с возвращением в оборот оставшейся газообразной смеси H2-N2,

фиг.3 показывает разновидность дополнительного варианта воплощения системы.

Система 100, показанная на фиг.1, включает в себя возобновляемый источник энергии 10, например, ветроэнергоустановку или ветроэлектростанцию с множеством отдельных ветроэнергоустановок. Альтернативно, возобновляемым источником энергии 10 может также быть солнечная электростанция или любая другая электростанция, которая пригодна для выработки энергии из возобновляемого сырья, подобного воде, ветру или солнечной энергии. Далее, система 100 объяснена при допущении, что возобновляемый источник энергии 10 представляет собой ветроэнергоустановку. Однако это не должно иметь никакого ограничивающего действия на изобретение.

Ветроэнергоустановка 10 связана с энергосетью 300 для снабжения энергией, выработанной ветроэнергоустановкой 10, сети 300. В настоящем описании количество энергии 1ʺ, которое составляет, по меньшей мере, часть энергии 1, выработанной ветроэнергоустановкой 10, предоставляется энергосети 300, чтобы удовлетворить спрос потребителей в энергии в энергосети 300. Можно было упомянуть, что энергосеть 300 обычно имела бы также доступ к другим источникам энергии.

Однако оставшееся количество энергии 1ʹ от выработанной энергии 1 может быть использовано в системе 100 для работы установки 20 по производству водорода-азота (установки по производству H2-N2) системы 100.

В частности, когда избыточная энергия доступна, т.е. когда энергия 1, выработанная возобновляемым источником энергии 10, превышает потребность в энергии энергосети 300 от возобновляемого источника энергии 10, эта избыточная энергия может быть направлена в установку 20 по производству H2-N2 для действия установки 20. Количество энергии 1ʹ, которое подается в установку 20 по производству H2-N2, зависит от потребностей потребителей в энергии, подаваемой энергосетью 300. Т.е. в случае больших потребностей, например, во время пиковых периодов времени, могло быть необходимо, что 100% энергии 1, выработанной ветроэнергоустановкой 10 должны быть поданы в электросеть 300, чтобы покрыть потребность. Напротив, в случае очень низких потребностей, например, во время ночных периодов времени, 100% электроэнергии 1, выработанной ветроэнергоустановкой 10, могла быть доступна для использования в системе 100 и может быть направлена в установку 20 по производству H2-N2.

Такое управление и распределение энергии 1 от ветроэнергоустановки 10 достигается с помощью энергораспределительной установки 11. Энергораспределительная установка 11 получает энергию 1 от ветроэнергоустановки 10. Как указано выше, определенные доли энергии 1 направляют в энергосеть 300 и/или в систему 100 и установку 20 по производству H2-N2, соответственно, в зависимости от ситуации с потребностью в энергии в энергосети 300. Таким образом, энергораспределительная установка 11 выполнена с возможностью получать энергию 1, предоставленную возобновляемым источником энергии 10, и распределять энергию 1 в энергосеть 300 и/или в установку 20 по производству H2-N2-O2, при том распределение зависит от ситуации с потребностью в энергии в энергосети 300.

Например, в случае, когда требуется большое количество энергии в сети 300, большая часть энергии 1, или вся, была бы направлена в сеть 300, и только крайне мало энергии 1ʹ было бы предоставлено установке 20 по производству H2-N2. В случае, когда ситуация потребности такова, что крайне мало энергии требуется в сети 300, большая часть энергии 1, или вся, предоставленная возобновляемым источником энергии 10, может быть использована для выработки NH3. Таким образом, большое количество энергии 1ʹ было бы предоставлено установке 20 по производству H2-N2-O2.

Как упомянуто выше, количество энергии 1ʹ из энергии 1, выработанной возобновляемым источником энергии 10, подается в систему 100 и в установку 20 по производству H2-N2, чтобы достигнуть получения NH3. Установка 20 по производству H2-N2 включает в себя водородный электролизер 21 и воздухоразделительную установку 22.

Водородный электролизер 21 установки 20 по производству H2-N2 используют для выработки водорода 4 и кислорода 6 посредством электролиза воды 2. Водородный электролизер 21 снабжается водой 2 из произвольного источника (не показано), и он работает, используя энергию 1ʹ от ветроэнергоустановки 10. Кислород 6 представляет собой побочный продукт электролизера 21, и он может быть выпущен наружу и высвобожден в окружающий воздух.

Воздухоразделительная установка (ASU, air separation unit) 22 из установки 20 по производству H2-N2 используется для выработки азота 5. Энергия 1ʹ, предоставленная ветроэнергоустановкой 10, используется для работы ASU 22, которая использует обычные методы воздухоразделения для отделения азота 5 от воздуха 3. Оставшиеся компоненты воздуха 3, т.е. кислород и другие, могут быть высвобождены в окружающий воздух.

Таким образом, ветроэнергоустановку 10 используют, чтобы обеспечить энергию 1ʹ и для электролиза воды 2, чтобы образовать водород 4 с помощью водородного электролизера 21, и для отделения азота 5 от воздуха 3, используя ASU 22.

И водород 4, и азот 5 затем направляют в установку смешивания 30 системы 100. Установка смешивания 30 включает в себя блок 31 временного хранения, смеситель 32 и компрессор 33. Во-первых, водород 4 и азот 5 проходят блок 31 временного хранения перед их смешиванием в смесителе 32. Получившуюся азотоводородную газообразную смесь 8 (H2-N2-газообразная смесь) потом компримируют до пятидесяти или более атмосфер в компрессоре 33.

Аммиак NH3 может теперь образоваться путем обработки компримированной H2-N2-газообразной смеси 8 в присутствии катализатора при повышенной температуре. Это достигается в NH3-реакционной камере 41 источника 40 NH3 системы 100. Компримированная H2-N2-газообразная смесь 8 из установки смешивания 30 и из компрессора 33, соответственно, направляют в NH3-реакционную камеру 41. NH3-реакционная камера 41 включает в себя один или NH3-реакционных слоев 42, которые работают при их повышенной температуре, например 350-450°C. В экзотермической химической реакции NH3-реакционная камера 41 производит смесь NH3 и, дополнительно, азота N2 и водорода H2 из H2-N2-газообразной смеси из смесителя 30, т.е. NH3-реакционная камера 41 выпускает NH3-H2-N2-газообразную смесь 9.

Например, пригодный катализатор может быть основан на железе, активированном с помощью K2O, CaO, SiO2, а также Al2O3, или рутении вместо катализатора на основе железа.

NH3-H2-N2-газообразную смесь 9 направляют в сепаратор 43 источника 40 NH3, например, конденсатор, где NH3 отделяют от NH3-H2-N2-газообразной смеси 9. Таким образом, сепаратор 43 производит NH3, который направляют в накопительную колбу 44 для NH3 источника 40 NH3, а также оставшуюся H2-N2-газообразную смесь 8ʹ.

Можно предположить, что существует база обширных знаний и по хранению и по транспортировке аммиака. То же самое применимо для обработки и транспортировки водорода, азота и азотоводородных смесей. Поэтому, накопительная колба 44 для NH3, а также различные трубопроводы, которые соединяют все компоненты системы 100 для направления NH3 и других газов, или газообразных смесей подробно не описаны.

Как объяснено выше, сепаратор 43 вырабатывает NH3 из NH3-H2-N2-газообразной смеси 9, обеспеченной NH3-реакционной камерой 41, а H2-N2-газообразная смесь 8ʹ остается. В одном варианте воплощения изобретения, для которого две разновидности показаны на фиг.2 и фиг.3, эту оставшуюся H2-N2-газообразную смесь 8ʹ возвращают в оборот с целью ее использования для выработки NH3 в NH3-реакционной камере 41.

Для этого, система 100 из этого варианта воплощения, как показано на фиг.2, включает в себя дополнительную установку 50 дообработки с помощью рекомпрессора 51 и смесителя 52. К тому же, этот вариант воплощения изобретения отличается от вышеописанного основного варианта воплощения изобретения, в котором компримированная H2-N2-газообразная смесь 8 из компрессора 33 не проходит прямо в NH3-реакционную камеру 41, но она достигает NH3-реакционной камеры 41 только через смеситель 52 установки 50 дообработки. Оставшуюся H2-N2-газообразную смесь 8ʹ из сепаратора 43 передают в рекомпрессор 51 установки 50 дообработки системы 100. Подобно компрессору 33, рекомпрессор 5 компримирует оставшуюся H2-N2-газообразную смесь 8ʹ до пятидесяти или более атмосфер, чтобы предусмотреть потери давления во время обработки в NH3-реакционной камере 41 и сепараторе 43. Рекомпримированная оставшаяся H2-N2-газообразная смесь 8ʹ затем передается в смеситель 52, где она смешивается со свежей H2-N2-газообразной смесью 8 из смесителя 30 и компрессора 33, соответственно. Смеситель 52 вырабатывает смесь 8 из H2-N2-газообразных смесей 8, 8ʹ, которую потом направляют в NH3-реакционной камеру 41. Далее, газообразная смесь обрабатывается, как описано выше, в источнике 40 NH3 для получения NH3 и, опять же, оставшейся H2-N2-газообразной смеси 8ʹ.

Фиг.3 показывает разновидность варианта воплощения, показанного на фиг.2. Оставшаяся H2-N2-газообразная смесь 8ʹ подается прямо в смеситель 32 устройства смешивания 30, чтобы смешаться с входящими водородом и азотом из блока 31 временного хранения. Отдельная установка 50 дообработки не используется.

Далее, ссылка делается снова на фиг.1. Однако подробности и признаки, описанные ниже, также применимы для вариантов воплощения и разновидностей, показанных на фиг.2 и фиг.3.

Накопительная колба 44 для NH3 флюидно связана с NH3-электрогенератором 200 так, что газообразный поток NH3 может быть создан для транспортировки NH3 из накопительной колбы 44 для NH3 в NH3-электрогенератор 200. Аммиак можно использовать в ряде различных циклов сгорания, например, в цикле Брайтона или цикле Дизеля. Однако на уровне мощности ветроэнергоустановки или ветроэлектростанции было бы предпочтительно использовать газовую турбину для сжигания аммиака с целью выработки электрической энергии, при том цикл Брайтона был бы пригодным для газотурбинного решения. Таким образом, NH3-электрогенератор 200 может быть газовой турбиной, которая выполнена с возможностью сжигания аммиака. Раньше было показано, что были бы пригодны обычные газовые турбины с незначительными модификациями форсунки.

Газовая турбина 200 сжигает NH3 из накопительной колбы 44 для NH3 для выработки энергии 1ʹʺ в камере сгорания 201 NH3-электрогенератора 200 и газовой турбине, соответственно. Эта энергия 1ʹʺ может затем подаваться в энергосеть 300.

К тому же, система 100, показанная на фигурах включает в себя необязательный диссоциатор NH3 45, который располагают между накопительной колбой 44 для NH3 и NH3-электрогенератором 200, и который флюидно связан с накопительной колбой для NH3 44 и с NH3-электрогенератором 200. Диссоциатор NH3 45 получает NH3 из накопительной колбы 44 для NH3, и который проходит катализаторный слой 46 диссоциатора NH3 45 для осуществления частичного расщепления полученного NH3, чтобы образовать смесь NH3-водород (NH3, H2). Смесь NH3-водород (NH3, H2) потом направляют в NH3-электрогенератор 200 для сжигания, как описано выше.

Можно было упомянуть, что работа системы 100, как описано выше, была бы возможна без диссоциатора NH3 45. Однако использование диссоциатора NH3 45 позволяет обеспечить NH3-электрогенератор 200 газообразной смесью NH3-водород, которая имеет лучше параметры горения.

Система 100 кроме того включает в себя основной управляющий блок 60, который выполнен с возможностью регулировать различные компоненты системы 100 (связи основного управляющего блока 60 с другими компонентами системы 100 не показаны на фиг.1 во избежание путаницы). Точнее говоря, основной управляющий блок 60 регулирует процесс выработки энергии 1ʹʺ для энергосети 300 и получение NH3.

В случае, когда энергоснабжение от ветроэнергоустановки 10 и знергораспределительного блока 11, соответственно, в систему 100 является слишком низким, например, из-за больших энергетических потребностей в энергосети 300, основной управляющий блок 60 уменьшает производство NH3 путем уменьшения массового расхода газа в системе 100 путем выключения электропитания компрессоров 33, 51 и/или установки 20 по производству H2-N2 с электролизером 21 и ASU 22. Таким образом, меньше энергии 1ʹ направляют из ветроэнергоустановки 10 в систему 100, и больше энергии 1ʹʹ доступно для энергосети 300. Кроме того, основной управляющий блок 60 повышает массовый расход NH3 из накопительной колбы 44 для NH3 в NH3-электрогенератор 200. В результате, NH3-электрогенератор 200 повышает выработку энергии 1ʹʹʹ, требуемой для энергосети 300, для того чтобы гарантировать стабильное энергоснабжение в сети 300 для достижения сбалансированной нагрузки.

В случае, когда подача энергии от ветроэнергоустановки 10 и энергораспределительного блока 11, соответственно, в систему 100 является слишком большой, например, когда ветроэнергоустановка 10 вырабатывает больше энергии, чем требуется энергосети 300, основной управляющий блок 60 усиливает производство NH3 в системе 100 путем увеличения массового расхода газа в системе 100 путем предоставления больше энергии компрессорам 33, 51, электролизеру 21 и/или ASU 22. Это дает в результате увеличенное производство NH3, который накапливается в накопительной колбе 44 для NH3. Однако выработка энергии 1ʹʹʹ от NH3-электрогенератора 200 для энергосети 300 не увеличивается, но могла быть уменьшена.

Кроме того, основной управляющий блок 60 регулирует выработку энергии в NH3-электрогенераторе 200 исходя из потребления энергии и потребности в электросети 300, и исходя из доступного электроснабжения любыми источниками энергии, доступными для сети 300. Таким образом, в случае, когда доступное электроснабжение в сети 300 меньше потребности, основной управляющий блок 60, включал бы NH3-электрогенератор 200, чтобы покрыть потребность. В случае, когда доступное энергоснабжение в сети 300 выше потребности, основной управляющий блок 60, выключал бы NH3-электрогенератор 200, и выработку NH3 интенсифицировали бы путем подачи больше энергии в установку 20 по производству H2-N2 и путем увеличения массового расхода в системе 100 так, что накопительная колба 44 для NH3 может опять заполняться.

Другими словами, основной управляющий блок 60 выполнен с возможностью уменьшать выработку NH3, направляемого в накопительную колбу 44 для NH3, и/или увеличивать выработку энергии 1ʺʹ во время периодов слишком низкой возобновляемой потребляемой энергии 1, например, во время периодов слабого ветра и/или больших потребностей в энергии в энергосети 300. Кроме того, основной управляющий блок 60 выполнен с возможностью увеличивать выработку NH3, направляемого в накопительную колбу 44 для NH3, и/или уменьшать выработку энергии 1ʺʹ во время периодов слишком большой возобновляемой потребляемой энергии 1, например, во время периодов сильных ветров и/или низких потребностей в энергии в энергосети 300.

Таким образом, регулирование, осуществляемое основным управляющим блоком 60, может зависеть от действительной потребности в энергии 1 в сети 300, выработанной возобновляемым источником энергии 10, и/или действительного количества энергии 1ʹ от возобновляемого источника энергии 10, доступного для системы 100.

Соответственно, основной управляющий блок 60 должен быть связан с энергосетью 300, чтобы получать информацию о текущей потребности в энергии и покрытии в сети 300. Кроме того, основной управляющий блок 60 был бы связан с энергораспределительным блоком 11 и/или ветроэнергоустановкой 10 непосредственно для получения информации об энергии 1, 1ʹ, 1ʺ, обеспеченной ветроэнергоустановкой 10 и доступной для использования в системе 100 и сети 300. Основной управляющий блок 60 должны были бы связать с установкой 20 по производству водорода и азота для регулирования количества производимого водорода и азота, и с разными смесителями и компрессорами, при необходимости, чтобы регулировать массовый расход в системе. При этом основной управляющий блок 60 может регулировать производство NH3, направляемого в накопительную колбу 44 для NH3. В дополнение к этому основной управляющий блок 60 связывают с накопительной колбой 44 для NH3 для регулирования подачи NH3 в NH3-электрогенератор 200 и в диссоциатор 45 для NH3, соответственно. Также, основной управляющий блок 60 связывают с самим NH3-электрогенератором 200, чтобы регулировать выработку энергии путем сжигания NH3.

Однако в различных этапах и компонентах, соответственно, системы 100 вырабатывается сбросное тепло, которое может быть использовано для работы других этапов или компонентов системы 100. Для этого система 100 включает в себя теплораспределительную систему 91, 92, 93, 94 с одним или более теплообменниками 92, 93, 94. Каждый из одного или более теплообменников 92, 93, 94 и поставлен в соответствие и находится в тепловом контакте с, по меньшей мере, одним из одного или более первых компонентов 21, 41, 200 системы 100 для получения технологического тепла от поставленного в соответствие первого компонента 21, 41, 200 во время работы первого одного компонента 21, 41, 200. Например, технологическое тепло может быть сбросным теплом или другим теплом, которое вырабатывается во время работы соответствующего первого компонента 21, 41, 200, и которое не используется для работы первого компонента 21, 41, 200. Таким образом, допускается, что компоненты системы 100 представляют собой такой первый компонент, когда они вырабатывают тепло во время работы первого компонента.

Более того, каждый из одного или более первых компонентов 21, 41, 200 поставлен в соответствие и находится в тепловом контакте с, по меньшей мере, одним из одного или более теплообменников 92, 93, 94. Тепло, выработанное первым компонентом 21, 41, 200, передается к поставленному в соответствие теплообменнику 92, 93, 94 за счет теплового контакта.

Каждый из одного или более теплообменников 92, 93, 94 расположены и выполнены с возможностью передавать, по меньшей мере, часть технологического тепла, полученного от поставленного в соответствие первого компонента, по меньшей мере, одному из одного или более вторых компонентов 30, 32, 45, 52 системы 100. Там допускается, что компонент системы 100 представляет собой такой второй компонент 30, 32, 45, 52, когда компонент потребляет тепло во время работы компонента, или когда могут быть обеспечены, по меньшей мере, улучшенная работа и/или результаты эффективности в случае повышенной рабочей температуры. И тепло, потребляемое вторым компонентом, и потребность в тепле для улучшения работы или эффективности компонента могут быть обеспечены теплообменниками 92, 93, 94.

Возможен ряд различных комбинаций первых и вторых компонентов системы 100, как показаны на фигурах 1, 2 и 3.

Конкретно, первый теплообменник 92 поставлен в соответствие и находится в тепловом контакте с водородным электролизером 21. Таким образом, по меньшей мере, часть тепла, выработанного во время работы водородного электролизера 21, поглощается первым теплообменником 92, чтобы быть предоставленной второму компоненту.

Второй теплообменник 93 поставлен в соответствие и находится в тепловом контакте с NH3-реакционной камерой 41. Там реакционные слои 42 производят тепло во время работы. По меньшей мере, часть тепла поглощается вторым теплообменником 93.

Третий теплообменник 94 поставлен в соответствие и находится в тепловом контакте с NH3-электрогенератороом 200, например, он мог располагаться в выпускной системе электрогенератора 200, где выделяется сбросное тепло. По меньшей мере, часть сбросного тепла поглощается третьим теплообменником 94.

Тепло, собранное теплообменниками 92, 93, 94 можно использовать в различных компонентах системы 100. Например, подогрев входящих газов, обрабатываемых в смесителях 32, 52, т.е. водорода, азота и/или азотоводородной смеси привел бы к повышенной эффективности процесса синтеза, потому что потребовалось бы меньше тепла от внешних источников во время реакционного процесса в смесителях 32, 52. Подобным образом, тепло от одного или более теплообменников 92, 93, 94, можно использовать преимущественно в диссоциаторе NH3 для разогревания каталитического слоя 46.

Таким образом, тепло, собранное одним или более теплообменников 92, 93, 94 может передаваться одному или более смесителям 32, 52, установке 30 смешивания, и/или диссоциатору 45 для NH3.

В базовом подходе тепло, собранное каждым отдельным из теплообменников 92, 93, 94, передавалось бы отдельному второму компоненту, например, одному из смесителей 32, 52, установке 30 смешивания или диссоциатору 45 для NH3. Таким образом, была бы установлена фиксированная связь между отдельным теплообменником и отдельным вторым компонентом для передачи тепла. Например, (не показано), в конкретном варианте воплощения теплообменники 92, 93, 94 связаны со смесителем 32. В другом конкретном варианте воплощения теплообменники 92, 93, 94 связаны со смесителем 32. В другом конкретном варианте воплощения теплообменники 92, 93, 94 связаны со смесителем 52. В дополнительном конкретном варианте воплощения теплообменники 92, 93, 94 связаны со смесителем 45. Возможны другие фиксированные комбинации теплообменников 92, 93, 94 и вторых компонентов 30, 32, 45, 52.

Однако, прямое назначение одного или более первых компонентов и поставленных в соответствие теплообменников 92, 93, 94, соответственно, одному или более вторых компонентов 30, 32, 45, 52 приводит к ограниченной гибкости. Поэтому, система 100 включает в себя коллектор тепла и носитель 91, который организует прохождение и/или распределение тепла одного или более теплообменников 92, 93, 94 к одному или более вторых компонентов 30, 32, 45, 52. Для этого коллектор тепла и носитель 91 мог включать в себя соответствующий переключатель 96 и систему терморегулирования 95 для регулирования переключателя 96. Система терморегулирования 95 может управляться основной регулирующей системой 60.

Система терморегулирования 95 регулирует распределение тепла во вторые компоненты 30, 32, 45, 52 так, что вторые компоненты 30, 32, 45, 52 работают в наиболее благоприятных рабочих режимах. Там могла возникнуть группировка, при которой не является возможным то, что каждый из вторых компонентов 30, 32, 45, 52 работает с оптимальными рабочими точками. В таком случае, система терморегулирования 95 распределяет доступное тепло так, что с учетом данных обстоятельств достигается наилучшая, в целом возможная, эффективность работы и действенность системы 100.

В заключение, основной регулирующий блок 60 может быть использован для регулирования наиболее благоприятных рабочих режимов теплообменников 92, 93, 94, коллектора тепла и носителя 91 и/или диссоциатора 45 для NH3.

Реферат

Изобретение относится к энергетике. Возобновляемую энергию, выработанную ветроэлектростанцией или другими возобновляемыми источниками энергии, используют для снабжения энергией местной или национальной энергосети. По меньшей мере часть возобновляемой энергии накапливают путем использования энергии для выработки водорода и азота. Водород и азот потом превращают в аммиак, который накапливают, чтобы обеспечивать им аммиачную газовую турбину. Газовая турбина сжигает аммиак, чтобы выработать энергию для энергосети. Неиспользованное технологическое тепло, например сбросное тепло, собирают из одного или более первых пригодных этапов системы и направляют в один или более вторых пригодных этапов системы. Изобретение позволяет улучшить общую эффективность системы. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула