Система и способ для распределения нагрузки импульсной возобновляемой энергии для электрической сети - RU2663761C2

Чертежи

Описание

За последние годы внедрение возобновляемых естественных источников (возобновляемых энергоносителей) для генерирования энергии было впечатляющим, но существует еще нерешенная проблема, связанная с неустойчивой природой возобновляемых энергоносителей. Как энергия солнца, так и энергия ветра прерывисты по своей природе, и поэтому не представляется возможным подавать надежную базовую нагрузку на энергосистемы. Поскольку спрос у потребителей энергии может быть нерегулярным, источники электропитания на основе возобновляемых энергоносителей не соответствуют спросам потребителей. Также, избыточная энергия, т.е., количество энергии, которая может мгновенно поступать от возобновляемых энергоносителей, но которая не востребована потребителями в данный момент времени, перегружает энергосистемы и может привести к потерям в случае, когда она не потребляется.

Таким образом, существуют условия, при которых энергии, мгновенно подаваемой возобновляемыми энергоносителями, бывает недостаточно для покрытия спроса. Однако также могут иметь место условия, при которых энергия, мгновенно подаваемая возобновляемыми энергоносителями, превышает текущий спрос. Поскольку доля энергии, подаваемой от возобновляемых источников, повышается, ситуация будет становиться неприемлемой.

Многообещающий способ для решения этих проблем может состоять в использовании долговременных буферов или аккумуляторов энергии, пригодных для сохранения энергии. Такое решение может дать возможность справляться с ситуациями, при которых спрос превышает имеющуюся энергию, а также с ситуациями, при которых имеется избыток энергии.

Известны различные решения, связанные с буферизацией, для сохранения электроэнергии, например, литиевые батареи и ванадиевые редокс-батареи, но эти решения не могут обеспечить необходимый масштаб для накопления энергии. Водород обеспечивает другой безуглеродный способ для сохранения энергии, но он сложен и рискован для применения. Когда водород находится в газообразной форме, его приходится сжимать до 500 бар, для достижения подходящей плотности энергии. Жидкий водород требует наличия криогенных температур и соответствующей сложной инфраструктуры. Более того, использование водорода в любой форме требует наличия защитных мер, из-за риска взрыва. По этим причинам, водород не рассматривается как надлежащий кандидат для аккумулирования энергии.

Таким образом, в настоящее время нет никаких надежных и подходящих средств для разделения энергоснабжения и спроса на возобновляемую энергию в местном или в национальном масштабе.

Задача изобретения состоит в обеспечении решения для снабжения энергосети энергией, поступающей от импульсного возобновляемого источника энергии.

Задача решается с помощью системы по п. 1 формулы изобретения и способа по п. 19 формулы изобретения.

Изобретение создано на основе способа аккумулирования, по меньшей мере, частей энергии, генерируемой с использованием возобновляемого энергоносителя. Это достигается за счет использования этой энергии для получения H₂ и N₂. Водород и азот впоследствии преобразуются в аммиак (NH₃), который является безуглеродным топливом, и который можно хранить при окружающих температурах. Также, NH₃ можно эффективно и безопасно перемещать, с использованием трубопроводов, а также перевозок по железной дороге, на судах и грузовиках. Более того, NH3 дает преимущества, состоящие в том, что его можно синтезировать безуглеродным способом, и он может гореть, без образования парниковых газов.

Изобретение достигает возможности разделения подачи и спроса на электричество, в зависимости от колебаний возобновляемых источников энергии, за счет использования возобновляемой энергии для генерирования аммиака, который можно впоследствии сохранять. Сохраненный аммиак можно затем использовать в энергогенераторе на основе NH₃, для генерирования электричества, которое подают в электрическую сеть. Это объединенное решение, предлагаемое изобретением, позволяет передавать прерывистое электричество в базовую нагрузку, обеспечиваемую возобновляемым источником энергии, для местной или общенациональной энергосети.

Дополнительное усовершенствование достигается за счет использования водорода, полученного в системе, например, в водородном электролизере, в блоке временного хранения и/или на других подходящих ступенях системы, путем смешивания части полученного водорода с NH₃, который подают из сосуда для хранения NH₃ в энергогенератор на основе NH₃ перед сжиганием. Это приводит к достижению улучшенных свойств сгорания, таких как более эффективный и более чистый процесс горения и сниженный выхлоп NO_X. Для этого, система содержит систему впрыска водорода. Система впрыска водорода извлекает часть водорода от соответствующей ступени системы и подает извлеченный водород на смеситель, который имеет жидкостное соединение с сосудом для хранения NH₃ и с энергогенератором на основе NH₃. Смеситель смешивает водород с NH₃, поступающим из сосуда для хранения, и подает аммиако-водородную смесь на энергогенератор на основе NH₃.

Таким образом, наличие сосуда для хранения NH₃ в качестве буфера допускает большую гибкость в подачи энергии на энергосеть, а следовательно, улучшенное распределение нагрузки. Более того, эффективность системы и способ улучшается за счет наличия системы впрыска водорода.

Изобретение может быть применено для эксплуатации энергосети, исходя из возобновляемых энергий, а также в локальном энергоснабжении для тяжелой промышленности и сельских местностей, в стабилизации сетей.

Точнее говоря, система для обеспечения энергии для энергосети и для распределения нагрузки по энергии, потребляемой энергосетью, исходя из импульсной возобновляемой энергии, подаваемой возобновляемым источником энергии, содержит:

- блок для получения H₂ и N₂ для получения водорода и азота, в котором блок для получения H₂ и N₂ функционирует за счет использования энергии, подаваемой возобновляемым источником энергии,

- блок смесителя, сконфигурированный для приема и смешивания водорода и азота, полученными блоком для получения H₂ и N₂, с образованием водородно-азотной смеси,

- источник NH₃ для приема и обработки водородно-азотной смеси, для генерирования газовой смеси, содержащей NH₃, причем источник NH₃ имеет жидкостное соединение с блоком смесителя для приема водородно-азотной смеси, поступающей из блока смесителя, и при этом источник NH₃ сконфигурирован для получения газовой смеси, содержащей NH₃, из водородно-азотной смеси, причем источник NH₃ содержит сосуд для хранения NH₃, для хранения, по меньшей мере, части NH₃ из газовой смеси, содержащей NH₃,

- энергогенератор на основе NH₃ для генерирования энергии для энергосети, причем энергогенератор на основе NH₃ имеет жидкостное соединение с сосудом для хранения NH₃, для приема потока газа, содержащего NH₃, из сосуда для хранения NH₃, и при этом энергогенератор на основе NH₃ содержит камеру сгорания, для сжигания полученного NH₃ из потока газа, для генерирования энергии для энергосети,

причем система дополнительно содержит:

- систему впрыска водорода для извлечения части водорода из ступени системы в систему впрыска водорода и для добавления извлеченного водорода из системы впрыска водорода в поток газа, подаваемого на энергогенератор на основе NH₃, для получения аммиако-водородной смеси до достижения потоком NH₃ энергогенератора на основе NH₃.

Система может содержать аммиако-водородный смеситель, который имеет жидкостное соединение с сосудом для хранения NH₃, с энергогенератором на основе NH₃ и с системой впрыска водорода, и которая сконфигурирована и установлена для приема и смешивания NH₃, поступающего из сосуда для хранения NH₃, и водорода, поступающего из системы впрыска водорода, с образованием аммиако-водородной смеси, подаваемой на энергогенератор на основе NH₃. Смеситель позволяет создавать газовая смесь перед ее сжиганием.

Система впрыска водорода может содержать блок извлечения водорода, относящийся к ступени системы, из которой извлекают часть водорода, в которой блок извлечения водорода дает возможность регулировать часть водорода, извлекаемого на ступени, для установления определенного потока водорода из ступени, поступающего в систему для впрыска водорода, т.е., регулировать количество извлекаемого водорода, т.е., регулировать скорость потока H₂. При наличии этой установки, становится возможным извлекать определенные количества водорода из выбранных ступеней, путем регулирования блоков извлечения водорода.

Система впрыска водорода может содержать множество устройств для регулирования течения водорода в системе впрыска водорода и к потоку газа, подаваемого на энергогенератор на основе NH₃. Таким образом, конкретную скорость потока H₂, поступающего в смеситель, можно устанавливать путем регулирования одного или более из множества устройств. Множество устройств может содержать такие устройства, как насосы, клапаны, и т.д., которые позволяют регулировать скорость потока.

Система впрыска водорода может содержать систему контроля водорода для регулирования:

- скорости потока водорода из ступени, на которой часть H₂ извлекают в систему впрыска водорода, и/или

- скорости потока водорода из системы впрыска водорода в поток газа, подаваемого на энергогенератор на основе NH₃, т.е., на аммиако-водородный смеситель.

Это достигается путем регулирования блоков извлечения водорода и/или множества устройств для регулирования течения водорода в системе впрыска водорода. С помощью этого, можно установить оптимальные рабочие параметры.

В этом отношении, регулирование с помощью системы контроля водорода может быть основано на комплекте входных данных, который содержит информацию о текущих рабочих условиях в энергогенераторе на основе NH₃, и в котором рабочие условия включают в себя, по меньшей мере, одно из:

- состояния горения в камере сгорания,

- скорости потока NH₃ из сосуда для хранения NH₃,

- температуры в камере сгорания,

- текущего химического состава газовой смеси в камере сгорания, и/или

- текущего химического состава газообразных продуктов сгорания, полученных в энергогенераторе на основе NH₃.

Таким образом, система контроля H₂ может, рассматривая различные параметры, устанавливать оптимальные рабочие условия.

Блок для получения H₂ и N₂ может содержать:

- водородный электролизер для получения водорода, в котором водородный электролизер сконфигурирован для приема воды и энергии, полученной возобновляемым источником энергии и для получения водорода электролизом, и

- воздухоразделительную установку для получения азота, причем воздухоразделительная установка сконфигурирована для приема воздуха и энергии, полученной возобновляемым источником энергии, и для получения азота путем разделения полученного воздуха.

Это предусматривает получение водорода H₂ и азота N₂ путем утилизации энергии, поступающей от возобновляемого источника энергии, что, наконец, приводит к способности аккумулировать эту энергию в форме NH₃.

Ступень, на которой извлекают часть водорода, может представлять собой водородный электролизер.

Блок смесителя может иметь жидкостное соединение с блоком для получения H₂ и N₂, для приема полученного в нем водорода и азота, причем блок смесителя может содержать систему временного хранения для приема и буферизации водорода и азота, поступающих из блока для получения H₂ и N₂. Система временного хранения может быть сконфигурирована для приема водорода и азота из блока для получения H₂ и N₂, для временного хранения водорода и азота, для буферизации и для последующей обработки буферизированного водорода и азота для смесителя. Это позволяет проводить более эффективный процесс смешивания.

Ступень, на которой извлекают часть водорода, может представлять собой систему временного хранения.

Блок смесителя может содержать:

- смеситель, имеющий жидкостное соединение с блоком для получения H₂ и N₂, для приема водорода и азота, т.е., смеситель, имеющий жидкостное соединение с системой временного хранения, и для смешивания полученного водорода и азота, с образованием водородно-азотной смеси, и

- компрессор для сжатия водородно-азотной смеси, поступающей из смесителя, с образованием сжатой водородно-азотной смеси, направляемой на источник NH₃.

Таким образом, блок смесителя обеспечивает сжатую смесь H₂ -N₂.

Источник NH₃ может содержать:

- реакционную камеру NH₃, сконфигурированную для приема водородно-азотной смеси, поступающей блока смесителя, и для обработки полученной водородно-азотной смеси, с образованием газовой смеси, содержащей NH₃, и

- сепаратор для приема газовой смеси, содержащей NH₃, поступающей из реакционной камеры NH₃,

причем:

- сепаратор сконфигурирован для отделения NH₃ от газовой смеси, содержащей NH₃, таким образом, чтобы был получен NH₃ и оставшаяся водородно-азотная смесь, и

- сепаратор имеет жидкостное соединение с сосудом для хранения NH₃, для направления полученного NH₃ в сосуд для хранения NH₃.

Применение сепаратора позволяет эффективно получать NH₃.

В одном варианте воплощения имеется дополнительный блок переработки, для переработки оставшейся водородно-азотной смеси с помощью вторичного компрессора и вторичного смесителя, в котором:

- вторичный компрессор имеет жидкостное соединение с сепаратором для приема и сжатия оставшейся водородно-азотной смеси, поступающей из сепаратора,

- вторичный смеситель имеет жидкостное соединение с вторичным компрессором, для приема сжатой оставшейся водородно-азотной смеси, поступающей из вторичного компрессора,

- вторичный смеситель имеет жидкостное соединение с блоком смесителя, для приема водородно-азотной смеси, поступающей из блока смесителя, и в котором:

- вторичный смеситель сконфигурирован для смешивания водородно-азотной смеси, поступающей из блока смесителя, и сжатой оставшейся водородно-азотной смеси, поступающей из вторичного компрессора, с образованием водородно-азотной смеси, подаваемой на источник NH₃.

Использование блока переработки позволяет осуществлять рециркуляцию оставшихся H₂ и N₂, с образованием дополнительного NH₃.

В альтернативном варианте воплощения сепаратор может иметь жидкостное соединение с блоком смесителя, для направления оставшейся водородно-азотной смеси из сепаратора в блок смесителя, таким образом, чтобы оставшаяся водородно-азотная смесь смешивалась в блоке смесителя с водородом и азотом, поступающими из блока для получения H₂ и N₂, с образованием водородно-азотной смеси, принимаемой источником NH₃. Это также позволяет осуществлять рециркуляцию оставшихся H₂ и N₂, с образованием дополнительного NH₃.

Система может содержать дополнительный основной блок управления, для регулирования получения NH₃, сохраняемого в сосуде для хранения NH₃, и/или для генерирования энергии с помощью энергогенератора на основе NH₃.

Например, регулирование может быть достигнуто путем регулирования потока энергии, подаваемого на блок для получения H₂ и N₂, и к тому же получения H₂ и N₂, или путем регулирования массового потока в системе, за счет влияния на смесители, компрессоры или другие компоненты, и/или путем регулирования температуры в реакционной камере NH₃.

Основной блок управления может быть сконфигурирован и установлен, т.е., соединен с соответствующими компонентами, таким образом, чтобы регулирование получения NH₃, сохраняемого в сосуде для хранения NH₃, и/или регулирование генерирования энергии с помощью энергогенератора на основе NH₃, зависит, по меньшей мере, от фактической потребляемой мощности в энергосети и/или от количества энергии, генерируемой в данный момент возобновляемым источником энергии. Это позволяет гибко осуществлять подачу энергии, чтобы реагировать на фактический спрос в энергосети, и что, с другой стороны, позволяет возобновляемому источнику энергии сохранять форму энергии возобновляемого источника энергии, в случае низкого спроса.

Основной блок управления может быть сконфигурирован:

- для предпочтительно одновременного снижения получения NH₃, сохраняемого в сосуде для хранения NH₃, что может быть достигнуто путем регулирования генерирования газовой смеси, содержащей NH₃, и/или повышения генерирования энергии в течение периодов низкой возобновляемой потребляемой энергии от возобновляемого источника энергии,

- для предпочтительно одновременного повышения получения NH₃, сохраняемого в сосуде для хранения NH₃ и/или снижения генерирования энергии в течение периодов высокой возобновляемой энергии, потребляемой от возобновляемого источника энергии.

Это также позволяет эффективно распределять нагрузку энергии, подаваемой на энергосеть, а также гибким образом осуществлять подачу энергии, так чтобы реагировать на фактический спрос в энергосети и который с другой стороны, позволяет сохранять форму энергии возобновляемого источника энергии в случае низкого спроса.

Здесь термины «низкий» и «высокий» могут относиться к определенным заданным пороговым значениям. Т.е., низкая возобновляемая потребляемая энергия означает, что фактическая возобновляемая потребляемая энергия меньше, чем первое пороговое значение, а высокая возобновляемая потребляемая энергия означает, что фактическая возобновляемая потребляемая энергия больше, чем второе пороговое значение. Первое и второе пороговые значения могут быть идентичными или отличными друг от друга.

Система может дополнительно содержать блок распределения энергии, который сконфигурирован для приема энергии, подаваемой возобновляемым источником энергии, и для распределения энергии по энергосети и/или по блоку для получения H₂ и N₂, причем распределение зависит от ситуации со спросом на энергию в энергосети. Например, в случае более высокого спроса на энергию со стороны энергосети, доля энергии, подаваемой возобновляемым источником энергии на энергосеть, становится более высокой, а оставшаяся доля, которая подается на систему, - более низкой. В случае более низкого спроса на энергию со стороны энергосети, доля энергии, подаваемой возобновляемым источником энергии на энергосеть, становится более низкой, а оставшаяся доля, которая подается на систему, - более высокой. Это позволяет эффективно осуществлять эксплуатацию системы, а впоследствии - распределять нагрузку энергии, потребляемой энергосетью.

В соответствующем способе для обеспечения энергии для энергосети и для распределения нагрузки энергии, потребляемой энергосетью, исходя из импульсной возобновляемой энергии, подаваемой возобновляемым источником энергии,

- по меньшей мере, часть энергии от возобновляемого источника энергии используют для получения водорода и азота в блоке для получения H₂ и N₂,

- полученный водород и азот смешивают в блоке смесителя, с образованием водородно-азотной смеси,

- водородно-азотную смесь обрабатывают в источнике NH₃, для генерирования газовой смеси, содержащей NH₃, а NH₃ газовой смеси, содержащей NH₃, сохраняют в сосуде для хранения NH₃,

- часть водорода извлекают из ступени системы в систему впрыска водорода,

- NH₃ подают из сосуда для хранения NH₃ и смешивают с водородом из системы впрыска водорода, с образованием аммиако-водородной смеси,

- аммиако-водородную смесь подают в камеру сгорания энергогенератора на основе NH₃, а подаваемую аммиако-водородную смесь сжигают в камере сгорания для генерирования энергии для энергосети.

Система контроля водорода может контролировать:

- скорость потока водорода из ступени, на которой часть H₂ извлекают в систему впрыска водорода, путем регулирования блока извлечения водорода, относящегося к ступени, и/или

- скорость потока водорода из системы впрыска водорода, смешиваемого с NH₃, подаваемым из сосуда для хранения NH₃, путем регулирования множества устройств для регулирования течения водорода в системе впрыска водорода, и с потоком газа, подаваемого на энергогенератор на основе NH₃.

Это достигается путем регулирования блоков извлечения водорода и/или множества устройств для регулирования течения водорода в системе впрыска водорода.

Регулирование с помощью системы контроля водорода может быть основано на комплекте входных данных, который содержит информацию о текущих рабочих условиях в энергогенераторе на основе NH₃, и в котором рабочие условия включают в себя, по меньшей мере, одно из:

- состояния горения в камере сгорания,

- скорости потока NH₃ из сосуда для хранения NH₃,

- температуры в камере сгорания,

- текущего химического состава газовой смеси в камере сгорания, и/или

- текущего химического состава газообразных продуктов сгорания, полученных в энергогенераторе на основе NH₃.

Газовая смесь, содержащая NH₃, может быть направлена на сепаратор, который отделяет NH₃ от газовой смеси, содержащей NH₃, таким образом, чтобы был получен NH₃, сохраняемый в сосуде для хранения NH₃, и оставшаяся водородно-азотная смесь.

Оставшаяся водородно-азотная смесь может быть повторно сжата, и повторно сжатую оставшуюся водородно-азотную смесь смешивают с водородно-азотной смесью, поступающей из блока смесителя, с образованием водородно-азотной смеси, принимаемой источником NH₃.

Оставшаяся водородно-азотная смесь может быть смешана в блоке смесителя с водородом и азотом, поступающим из блока для получения H₂ и N₂, с образованием водородно-азотной смеси, принимаемой источником NH₃.

Основной блок управления системы может контролировать получение NH₃, сохраняемого в сосуде для хранения NH₃, и/или генерирование энергии с помощью энергогенератора на основе NH₃.

Основной блок управления может контролировать получение NH₃, сохраняемого в сосуде для хранения NH₃, и/или генерирование энергии с помощью энергогенератора на основе NH₃, в зависимости, по меньшей мере, от фактической потребляемой мощности в энергосети и/или от количества энергии, генерируемой в данный момент возобновляемым источником энергии.

Основной блок управления:

- предпочтительно одновременно снижает получение NH₃, сохраняемого в сосуде для хранения NH₃, и/или повышает генерирование энергии в течение периодов низкой возобновляемой энергии, потребляемой от возобновляемого источника энергии,

- предпочтительно одновременно повышает получение NH₃, сохраняемого в сосуде для хранения NH₃, и/или снижает генерирование энергии в течение периодов высокой возобновляемой энергии, потребляемой от возобновляемого источника энергии.

Основной блок управления контролирует получение NH₃ и генерирование энергии. Например, в течение периодов, например, при которых возобновляемый источник энергии генерирует меньше энергии, а в случае ветряного генератора, - во время фаз низкого ветра, основной блок управления может включать электропитание энергогенератора на основе NH₃, для подачи больше энергии в энергосеть, поскольку энергоснабжение, выполняемое возобновляемым источником энергии, может быть недостаточным. В течение периодов, при которых возобновляемый источник энергии генерирует высокое количество энергии, например, во время фаз с сильным ветром, основной блок управления может отключать электропитание энергогенератора на основе NH₃, поскольку возобновляемый источник энергии подает достаточное количество энергии на сеть. Однако, основной блок управления может усилить получение и накапливание NH₃.

Устройство, имеющее «жидкостное соединение» с дополнительным устройством, означает, что текучая среда может быть перемещена через соединение между устройствами, например, трубу, из устройства в дополнительное устройство. В этом отношении, текучая среда может быть газообразной, а также жидкой.

В дальнейшем, изобретение будет более подробно разъяснено на основе ФИГ. 1. Сходные номера ссылок на различных Фигурах относятся к одним и тем же компонентам.

ФИГ. 1 показывает систему для распределения нагрузки of ипульсный возобновляемый источник энергии.

ФИГ. 2 показывает дополнительный вариант воплощения системы с рециркуляцией оставшейся газовой смесью H₂-N_2.

ФИГ. 3 показывает разновидность дополнительного варианта воплощения системы.

Система 100, показанная на ФИГ. 1, содержит возобновляемый источник 10 энергии, например, ветряной генератор или ветровую электростанцию, с множеством отдельных ветряных генераторов. В качестве альтернативы, возобновляемый источник 10 энергии также может представлять собой солнечную электростанцию или любую другую электростанцию, которая подходит для генерирования энергии из возобновляемого сырья, такого как вода, ветер или солнечная энергия. В дальнейшем, система 100 разъясняется согласно предположению, что возобновляемый источник 10 энергии представляет собой ветряной генератор. Однако, это не имеет никакого ограничивающего воздействия на изобретение.

Ветряной генератор 10 соединен с энергосетью 300, для подачи энергии, генерируемой ветряным генератором 10, на сеть 300. В этом отношении, количество энергии 1'', которое составляет, по меньшей мере, долю энергии 1, генерируемой ветряным генератором 10, подается на энергосеть 300, для удовлетворения спросов на энергию у потребителей энергосети 300. Можно упомянуть, что энергосеть 300 также обычно может иметь доступ к другим источникам энергии.

Однако, оставшееся количество энергии 1' от генерируемой энергии 1 может быть использовано в системе 100 для эксплуатации блока 20 водородно-азотного синтеза (блока для получения H₂ и N₂) системы 100.

В частности, когда имеется избыток энергии, т.е., когда энергия 1, генерируемая возобновляемым источником 10 энергии, превышает спрос на энергию энергосети 300, для возобновляемого источника 10 энергии, этот избыток энергия может быть направлен на блок 20 для получения H₂ и N₂, для эксплуатации блока 20. Количество энергии 1', которое подают на блок 20 для получения H₂ и N₂, зависит от спроса на энергию у потребителей, снабжаемых посредством энергосети 300. Т.е., в случае высокого спроса, например, в часы пик, может быть необходимым, чтобы 100% энергии 1, генерируемой ветряным генератором 10, пришлось бы подавать в электрическую сеть 300 для покрытия спроса. Напротив, в случае очень низкого спроса, например, в ночное время, 100% электричества 1, генерируемого ветряным генератором 10, может быть доступно для использования в системе 100 и может быть направлено на блок 20 для получения H₂ и N₂.

Такое управление и распределение энергии 1 от ветряного генератора 10, достигается с помощью блока 11 распределения энергии. Блок 11 распределения энергии принимает энергию 1 от ветряного генератора 10. Как было указано выше, определенные доли энергии 1 направляют, соответственно, на энергосеть 300 и/или на систему 100 и блок 20 для получения H₂ и N₂, в зависимости от ситуации со спросом на энергию в энергосети 300. Таким образом, блок 11 распределения энергии сконфигурирован для приема энергии 1, подаваемой возобновляемым источником 10 энергии, и для распределения энергии 1 на энергосеть 300 и/или на блок 20 для получения H₂ и N₂, причем распределение зависит от ситуации со спросом на энергию в энергосети 300.

Например, в случае, когда в сети 300 требуется высокое количество энергии, большая часть или вся энергия 1 может быть направлена на сеть 300 и лишь меньшая часть энергии 1' может быть подана на блок 20 для получения H₂ и N₂. В случае, когда ситуация со спросом именно такова, в сети 300 требуется лишь меньшая часть энергии, а большая часть или вся энергия 1, подаваемая возобновляемым источником 10 энергии, может быть использована для получения NH₃. Таким образом, высокое количество энергии 1' может быть подано на блок 20 для получения H₂ и N₂.

Как было упомянуто выше, количество 1' энергии 1, генерируемой возобновляемым источником 10 энергии, подается на систему 100 и на блок 20 для получения H₂ и N₂, для достижения синтеза NH₃. Блок 20 для получения H₂ и N₂ содержит водородный электролизер 21 и воздухоразделительную установку 22.

Водородный электролизер 21 блока 20 для получения H₂ и N₂ используют для генерирования водорода 4 и кислорода 6 путем электролиза воды 2. Водородный электролизер 21 снабжают водой 2 из произвольного источника (не показанного), и он функционирует, с использованием энергии 1' от ветряного генератора 10. Кислород 6 является побочным продуктом электролизера 21, и его можно прокачивать и выпускать в окружающий воздух.

Воздухоразделительную установку (Air Separation Unit, ASU) 22 блока 20 для получения H₂ и N₂ используют для получения азота 5. Энергию 1', обеспечиваемую ветряным генератором 10, используют для эксплуатации ASU 22, которая использует стандартные технологии разделения воздуха для выделения азота 5 из воздуха 3. Оставшиеся компоненты воздуха 3, т.е., кислород и другие газы, могут быть выпущены в окружающий воздух.

Таким образом, ветряной генератор 10 используют для обеспечения энергии 1', как для электролиза воды 2, с образованием водорода 4, с помощью водородного электролизера 21, так и для выделения азота 5 из воздуха 3, с использованием ASU 22.

Как водород 4, так и азот 5 затем направляют на блок 30 смесителя системы 100. Блок 30 смесителя содержит блок 31 временного хранения, смеситель 32 и компрессор 33. Сначала, водород 4 и азот 5 проходят через блок 31 временного хранения, перед их смешиванием в смесителе 32. Результирующую водородно-азотную газовую смесь 8 (газовую смесь H₂-N₂) впоследствии сжимают до пятидесяти или более атмосфер в компрессоре 33.

Теперь можно создавать аммиак NH₃ путем обработки сжатой газовой смеси 8 H₂-N₂, в присутствии катализатора при повышенной температуре. Это достигается в реакционной камере 41 NH₃ источника 40 NH₃ системы 100. Сжатую газовую смесь 8 H₂-N₂, соответственно, из блока 30 смесителя и из компрессора 33 направляют на реакционную камеру 41 NH₃. Реакционная камера 41 содержит один или более реакционных слоев 42 NH₃, которые работают при повышенной температуре, например, 350-450°C. В реакционной камере 41 NH₃ получают смесь NH₃, а дополнительно, азот N₂ и водород H₂ из газовой смеси H₂-N₂, поступающей из смесителя 30, т.е., реакционная камера NH₃ высвобождает смесь 9 NH₃-H₂-N₂.

Например, подходящий катализатор может представлять собой катализатор на основе железа, активированного K₂O, CaO, SiO₂ и A1₂O₃, или, - помимо катализатора на основе железа, - рутений.

Смесь 9 NH₃-H₂-N₂ направляют на сепаратор 43 источника 40 NH₃, например, на конденсатор, где NH₃ отделяется от смеси 9 NH₃-H₂-N₂. Таким образом, в сепараторе 43 образуется NH₃, который направляют в сосуд 44 для хранения NH₃ источника 40 NH₃ и оставшаяся газовая смесь 8' H₂-N₂.

Можно предположить, что как по хранению, так и по транспортировке аммиака существует обширная база знаний. Она применима, как для работы, та и для транспортировки водорода, азота и водородно-азотных смесей. Поэтому, сосуд 44 для хранения NH₃, а также различные трубопроводы, которые соединяют все компоненты системы 100 для направления NH₃ и других газов или газовых смесей, не описаны здесь подробно.

Как было разъяснено выше, сепаратор 43 выделяет NH₃ из смеси 9 NH₃-H₂-N₂, обеспечиваемой реакционной камерой 41 NH₃, а газовая смесь 8ʹ H₂-N₂ остается. В одном варианте воплощения изобретения, для которого на ФИГ. 2 и 3 показаны две разновидности, эту оставшуюся газовую смесь 8ʹ H₂-N₂ подвергают рециркуляции для повторного использования, для получения NH₃ в реакционной камере 41 NH₃.

Для этого, система 100 согласно данному варианту воплощения, как показано на ФИГ. 2, содержит дополнительный блок 50 переработки, с вторичным компрессором 51 и смесителем 52. Более того, этот вариант воплощения изобретения отличается от вышеописанного основного варианта воплощения изобретения тем, что сжатая газовая смесь 8 H₂-N₂ из компрессора 33 не проходит непосредственно в реакционную камеру 41 NH₃, а достигает реакционной камеры 41 NH₃ лишь через смеситель 52 блока 50 переработки. Оставшаяся газовая смесь 8ʹ H₂-N₂ сепаратора 43 проходит к вторичному компрессору 51 блока 50 переработки системы 100. Как и компрессор 33, вторичный компрессор 51 сжимает оставшуюся газовую смесь 8ʹ H₂-N₂ до пятидесяти или более атмосфер, для учета потерь давления в ходе обработки в реакционной камере 41 NH₃ и в сепараторе 43. Повторно сжатую оставшуюся газовую смесь 8ʹ H₂-N₂ затем пропускают в смеситель 52, где она смешивается со свежей газовой смесью 8 H₂-N₂, соответственно, из смесителя 30 и компрессора 33. Смеситель 52 создает смесь 8 из газовых смесей 8, 8' H₂-N₂, которые впоследствии направляют в реакционную камеру 41 NH₃. В дальнейшем, газовую смесь обрабатывают, как было описано выше, в источнике 40 NH₃, для получения NH₃, и опять-таки, оставшейся газовой смеси 8ʹ H₂-N₂.

ФИГ. 3 показывает разновидность варианта воплощения, показанного на ФИГ. 2. Оставшуюся газовую смесь 8ʹ H₂-N₂ подают непосредственно в смеситель 32 блока 30 смесителя, для смешивания с входящим водородом и азотом, поступающим из блока 31 временного хранения. Отдельный блок 50 переработки не используется.

Далее снова будет сделана ссылка на ФИГ. 1. Однако, подробности и признаки, описанные ниже, также применимы для вариантов воплощения и их разновидностей, показанных на ФИГ. 2 и 3.

Сосуд 44 для хранения NH₃ имеет жидкостное соединение с энергогенератором 200 на основе NH₃, вследствие чего можно установить поток газа NH₃ для переноса NH₃ из сосуда 44 для хранения в энергогенератор 200 на основе NH₃. Аммиак может быть использован в нескольких различных циклах сгорания, например, в цикле Брайтона или в цикле Дизеля. Однако, при уровне мощности ветряного генератора или ветровой электростанции, может быть подходящим использование газовой турбины для сжигания аммиака для генерирования электрической энергии, в которой цикл Брайтона может быть применим для решения, связанного с газовой турбиной. Таким образом, энергогенератор 200 на основе NH₃ может представлять собой газовую турбину, которая сконфигурирована для сжигания аммиака. Ранее было показано, что могут быть пригодными стандартные газовые турбины, имеющие лишь небольшие модификации горелки.

В газовой турбине 200 сжигают NH₃ из сосуда 44 для хранения NH₃, для генерирования энергии 1''', соответственно, в камере 201 сгорания энергогенератора 200 на основе NH₃ и газовой турбине. Эту энергию 1''' затем можно подавать в энергосеть 300.

Однако, производительность и эффективность, соответственно, энергогенератора 200 на основе NH₃ и газовой турбины может быть оптимизирована за счет введения дополнительного водорода H₂ в поток газа NH₃ из сосуда 44 для хранения NH₃, перед его сжиганием в камере 201 сгорания. Присутствие дополнительного водорода H₂ в результирующей газовой смеси NH₃-H₂, сжигаемой в камере 201 сгорания, приводит к улучшенным свойствам сгорания, например, к повышенной эффективности и повышенной чистоте процесса горения в камере 201 сгорания, а также к снижению выхлопа NO_X.

Поэтому, система 100 содержит систему 80 впрыска водорода, для обеспечения добавления водорода H₂ к потоку газа NH₃ из сосуда 44 для хранения NH₃. Система 80 впрыска водорода может принимать водород H₂ из различных ступеней системы 100. Например, водород H₂, впрыскиваемый в поток NH₃, может представлять собой часть водорода 4, полученного в водородном электролизере 21, и/или он может представлять собой часть водорода, имеющегося в блоке 31 временного хранения блока 30 смесителя. Другие подходящие ступени для обеспечения водорода H₂ могут представлять собой, например, смеситель 32, компрессор 33, реакционную камеру 41 NH₃ и/или сепаратор 43. Однако, наиболее подходящими ступенями могут быть водородный электролизер 21 и блок 31 временного хранения, поскольку на этих ступенях водород H₂ мог быть не отделен от другого газа, такого как азот N₂, поскольку на этих ступенях водород не является компонентом газовой смеси. В любом случае, для системы 80 впрыска водорода может быть доступна только часть <<100% от общего количества водорода на соответствующей ступени. Например, эта часть может составлять 10% от общего количества водорода, имеющегося на этой ступени.

Система 80 впрыска водорода содержит смеситель 84, который установлен между сосудом 4 для хранения NH3 и энергогенератором 200 на основе NH₃ таким образом, чтобы NH₃ из сосуда 44 для хранения сначала направлялся в смеситель 84, до достижения энергогенератора 200 на основе NH₃. В смесителе 84, NH₃ смешивается с водородом H₂, выходящим из системы 80 впрыска водорода.

Более того, система 80 впрыска водорода на каждой ступени 21, 31 содержит блок 85, 86 извлечения водорода, который дает возможность регулировать часть водорода, извлекаемого на этой ступени. Блоки 85, 86 извлечения управляются системой 82 контроля водорода и могут содержать клапаны и/или насосы, которыми управляют для установления определенного потока водорода H₂ в систему 80 впрыска водорода.

Извлеченный водород H₂ направляют и сохраняют в хранилище 81 водорода. Однако, хранилище 81 является необязательным, и извлеченный водород H₂ может быть направлен в смеситель 84, без хранения в промежутке.

Скоростью потока водорода H₂ из ступени 21, 31, на которой извлекают часть H₂, управляют с помощью системы 82 контроля водорода. Система 82 контроля водорода контролирует блоки 85, 86 извлечения водорода и/или дополнительное множество устройств 83, таких как насосы, клапаны и/или другие устройства, подходящие для регулирования скорости потока в системе 80 впрыска водорода. С помощью этой компоновки, становится возможным извлекать конкретные количества водорода из выбранных ступеней 21, 31 путем регулирования блоков 85, 86 извлечения водорода. Также, конкретную скорость потока H₂ в смеситель 84 можно устанавливать путем регулирования множества устройств 83. То и другое достигается с помощью системы 82 контроля водорода.

Для этого, система 82 контроля водорода принимает (не показано) комплект входных данных, который содержит информацию о текущих рабочих условиях энергогенератора 200 на основе NH₃. Эти рабочие условия могут включать в себя данные о состоянии горения в камере 201 сгорания энергогенератора 200 на основе NH₃ и/или данные о количестве NH₃, достигающего смесителя 84 из сосуда 44 для хранения NH₃, т.е., скорость потока NH₃ к смесителю 84. Более того, в комплект данных также могут быть включены и другие параметры горения, которые позволяют сделать выводы о рабочих условиях в энергогенераторе на основе NH₃, например, температура и/или текущий химический состав газа в камере 201 сгорания и/или химический состав газообразных продуктов сгорания, полученных в энергогенераторе 200 на основе NH₃. Помимо этих, а возможно и других данных, система 82 контроля водорода определяет и устанавливает оптимальную скорость потока водорода H₂, подаваемого на смеситель 84 источника путем регулирования блоков 85, 86 извлечения H₂ и/или множества устройств 83. Например, данные могут быть определены с помощью соответствующих датчиков (не показаны), и данные датчиков могут быть переданы на систему 82 контроля водорода по беспроводной связи.

Более того, система 100 содержит основной блок 60 управления, который сконфигурирован для контроля различных компонентов системы 100 (соединения основного блока 60 управления с другими компонентами системы 100 не показаны на ФИГ. 1, во избежание запутанности). В частности, основной блок 60 управления контролирует процесс генерирования энергии 1''' для энергосети 300 и получение NH₃.

В случае, когда подача энергии, соответственно, от ветряного генератора 10 и блока 11 управления энергией, к системе 100 слишком низка, например, из-за высоких спросов на энергию в энергосети 300, основной блок 60 управления снижает производство NH₃ за счет снижения массового потока газа в системе 100 путем отключения компрессоров 33, 51 и/или блока 20 для получения H₂ и N₂ с электролизером 21 и ASU 22. Таким образом, из ветряного генератора 10 на систему 100 направляется меньшая часть энергии 1', а большая часть энергии 1'' становится доступной для энергосети 300. Более того, основной блок 60 управления повышает массовый поток NH₃ из сосуда 44 для хранения NH₃ в энергогенератор 200 на основе NH₃. Следовательно, энергогенератор 200 на основе NH₃ повышает генерирование энергии 1''', требуемой для энергосети 300, для гарантирования стабильной подачи энергии в сеть 300, для достижения уравновешенной нагрузки.

В случае, когда подача энергии, соответственно, от ветряного генератора 10 и блока 11 управления электричеством к системе 100 слишком высока, например, когда ветряной генератор 10 генерирует больше энергии, чем требуется для энергосети 300, основной блок 60 управления интенсифицирует производство NH₃ в системе 100 за счет повышения массовый поток газа в системе 100, путем подачи большего количества мощности на компрессоры 33, 51, на электролизер 21 и/или на ASU 22. Это приводит к повышению производства NH₃, который сохраняют в сосуде 44 для хранения NH₃. Однако, генерирование энергии 1''' от энергогенератора 200 на основе NH₃ для энергосети 300 не повышается, а может быть и снижено.

Более того, основной блок 60 управления контролирует генерирование мощности в энергогенераторе 200 на основе NH₃, исходя из энергопотребления и спроса на электричество в сети 300 и исходя из имеющегося энергоснабжения, осуществляемого любыми источниками энергии, доступными для сети 300. Таким образом, в случае, когда имеющееся энергоснабжение в сети 300 меньше, чем спрос, основной блок 60 управления может включать питание энергогенератора 200 на основе NH₃ для покрытия спроса. В случае, когда имеющееся энергоснабжение в сети 300 более высокое, чем спрос, основной блок 60 управления может отключать питание энергогенератора 200 на основе NH₃, и получение NH₃ может быть интенсифицировано путем подачи большего количества энергии на блок 20 для получения H₂ и N₂ и путем повышения массового потока в системе 100 таким образом, чтобы сосуд 4 для хранения NH₃ 4 можно было заполнить снова.

Иными словами, основной блок 60 управления сконфигурирован для снижения получения NH₃, направляемого в сосуд 4 для хранения NH₃, и/или для повышения генерирования энергии 1''' в течение периодов слишком низкой возобновляемой потребляемой энергии 1, например, в течение периодов низкого ветра и/или высоких спросов на энергию в энергосети 300. Также, основной блок 60 управления сконфигурирован для повышения получения NH₃, направляемого в сосуд 44 для хранения NH₃, и/или для снижения генерирования энергии 1''' в течение периодов слишком высокой возобновляемой потребляемой энергии 1, например, в течение периодов сильных ветров и/или низких спросов на энергию в сети 300.

Таким образом, регулирование, выполняемое основным блоком 60 управления, может зависеть от фактической потребляемой мощности в энергосети 300, энергии 1, генерируемой возобновляемым источником 10 энергии, и/или фактическим количеством энергии 1', поступающей от возобновляемого источника 10 энергии, доступного для системы 100.

Следовательно, основной блок 60 управления приходится соединять с энергосетью 300 для приема информация о текущем спросе на энергию и для его покрытия в сети 300. Более того, основной блок 60 управления может быть соединен с блоком 11 распределения энергии и/или непосредственно с ветряным генератором 10, для приема информация об энергии 1, 1', 1'', подаваемой ветряным генератором 10 и доступной для использования в системе 100 и в сети 300. Основной блок 60 управления возможно придется соединять с блоком 20 для получения H₂ и N₂, для контроля количества полученного водорода и азота, и с различными смесителями и компрессорами, если это применимо, для регулирования массового потока в системе. С помощью этого, основной блок 60 управления может регулировать производство NH₃, направляемого в сосуд 4 для хранения NH₃. В дополнение к этому, основной блок 60 управления соединяют с сосудом 4 для хранения NH3, для регулирования подачи NH₃ к энергогенератору 200 на основе NH₃, и с самим энергогенератором 200 на основе NH₃, для регулирования генерирование энергии за счет сжигания NH₃. Наконец, основной блок 60 управления может быть соединен с системой 82 контроля водорода таким образом, чтобы на скорость потока водорода H₂ из ступеней 21, 31 в систему 80 впрыска водорода и/или на скорость потока водорода из системы 80 впрыска водорода в смеситель 84 также можно было централизованно влиять с помощью основного блока 60 управления.

Реферат

Изобретение относится к системе и способу для распределения нагрузки импульсной возобновляемой энергии для электрической сети. Система для обеспечения энергии для энергосети, исходя из энергии, подаваемой возобновляемым источником энергии, содержит: блок для получения водорода и азота, где блок для получения водорода и азота функционирует за счет использования энергии, подаваемой возобновляемым источником энергии; блок смесителя, сконфигурированный для приема и смешивания водорода и азота, с образованием водородно-азотной смеси; источник NHдля приема и обработки водородно-азотной смеси для генерирования газовой смеси, содержащей NH; энергогенератор на основе NH, причем энергогенератор на основе NHсодержит камеру сгорания, для сжигания полученного NHиз потока газа, для генерирования энергии для энергосети. Кроме того, данная система дополнительно содержит систему впрыска водорода для извлечения части водорода, причем данная система содержит систему контроля водорода для регулирования скорости потока водорода из системы впрыска водорода к потоку газа, подаваемому на энергогенератор на основе NH. При этом скорость потока определяют в соответствии с комплектом данных, который содержит информацию о текущих рабочих условиях в энергогенераторе на основе NH. Технический результат заключается в подаче энергии к местной или общенациональной энергосети, а также в улучшении свойств сгорания, что приводит к более чистому процессу горения. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула