Система и способ для снабжения энергосети энергией из непостоянного возобновляемого источника энергии - RU2654551C1

Чертежи

Описание

Освоение возобновляемых природных ресурсов (возобновляемых источников энергии) для генерирования энергии в последние годы было впечатляющим, но до сих пор имеется нерешенная проблема, связанная с транзиентной природой возобновляемых источников энергии. И солнечная энергия, и энергия ветра являются непостоянными по своей природе и, следовательно, не представляется возможным обеспечить надежную базовую нагрузку для энергетических сетей. Поскольку потребность потребителей энергии может быть нерегулярной, электроснабжение, основанное на возобновляемых источниках энергии, не соответствует требованию потребителей. Также, избыток энергии, то есть количество энергии, которое могло бы быть мгновенно доступно из возобновляемых источников энергии, но которое не востребовано потребителями в то время, напрягает энергетические сети и может пропасть даром в случае, если оно не потребляется.

Таким образом, существуют условия, при которых энергия, мгновенно подводимая возобновляемыми источниками энергии, не является достаточной, чтобы покрыть потребность. Однако также могут быть условия, в которых энергия, мгновенно подводимая возобновляемыми источниками энергии, превышает текущую потребность. Так как доля энергии из возобновляемых источников растет, ситуация станет неустойчивой.

Перспективным подходом к решению этих недостатков было бы использование долгосрочных резервов энергии или накопителей, которые пригодны для хранения энергии. Такое решение позволило бы справляться с ситуациями, в которых потребность превышает доступную энергию, а также с ситуациями, в которых доступна избыточная энергия.

Известны разнообразные, связанные с запасом энергии решения для накопления электрической энергии, например, литиевые батареи и батареи Redox на основе ванадия, но эти решения не могут обеспечить необходимый масштаб накопления энергии. Водород предлагает другой, свободный от углерода путь для накопленной энергии, но его сложно и рискованно использовать. В газообразном виде он должен быть сжат до 500 бар для того, чтобы достичь подходящей плотности энергии. Жидкий водород требует криогенных температур и связанной с ними сложной инфраструктуры. Кроме того, использование водорода в любой форме требует мер предосторожности в связи с риском взрыва. По этим причинам, водород не рассматривается в качестве квалифицированного кандидата для хранения энергии.

Таким образом, в настоящее время нет надежных и соответствующих средств для устранения связи между энергоснабжением и потребностями для возобновляемых источников энергии в местном или национальном масштабе.

Задачей настоящего изобретения является предложить решение для снабжения энергосети энергией от непостоянного возобновляемого источника энергии.

Эта задача решается с помощью системы по п. 1 и способа по п. 13 формулы изобретения.

Изобретение основано на подходе к решению накопления, по меньшей мере, части энергии, генерируемой с использованием возобновляемого источника. Это достигается за счет использования данной энергии для производства водорода и азота. Водород и азот затем преобразуются в аммиак (NH₃), который представляет собой не содержащее углерод топливо, и который может храниться при температуре окружающей среды. Также, NH₃ можно транспортировать эффективно и безопасно, используя трубопроводы, железные дороги, судоходство и грузовой транспорт. Кроме того, NH₃ предлагает преимущества в том, что он может быть синтезирован в свободном от углерода процессе, и он может сжигаться без образования парниковых газов.

Изобретение обеспечивает устранение связи между снабжением и потребностью в электроэнергии и флуктуирующими возобновляемыми источниками энергии путем использования возобновляемой энергии для вырабатывания аммиака, который затем может быть накоплен. Запасенный аммиак может тогда быть использован в NH₃-генераторе мощности для генерирования электричества, которое подается в электрическую сеть. Это интегрированное решение, предложенное изобретением, позволяет преобразовать непостоянное электричество в базисной нагрузке, подводимое возобновляемым источником энергии в местную или национальную энергосеть.

Кроме того, настоящее изобретение также использует кислород, который вырабатывается как побочный продукт при производстве водорода и/или азота. Кислород, вырабатываемый в этом процессе, направляется в накопитель для кислорода. Накопитель для кислорода соединяется по текучей среде с NH₃-генератором мощности таким образом, что кислород может быть подведен в NH₃-генератор мощности для достижения оптимальной производительности NH₃-генератора мощности. Например, повышение концентрации кислорода в процессе сгорания повысит эффективность и чистоту горения NH₃.

Поток кислорода из накопителя для кислорода в NH₃-генератор мощности будет управляться с помощью соответствующей системы управления поставкой кислорода. Система управления поставкой кислорода принимает в качестве входных данных количество NH₃, достигающего NH₃-генератора мощности, т.е. скорость потока NH₃ к NH₃-генератору мощности, а также характеристики сгорания, которые дают информацию о состоянии сгорания. Например, это может быть температура в камере сгорания, а также химический состав газа в камере сгорания. Из этих данных, система управления подачей кислорода определяет оптимальную скорость потока кислорода, который должен быть подведен из накопителя для кислорода в NH₃-генератор мощности.

Таким образом, наличие бака для хранения NH₃ в качестве резерва, позволяет лучшую гибкость энергоснабжения в энергосети и, следовательно, улучшенную балансировку нагрузки. Кроме того, эффективность системы и способа улучшается за счет использования кислорода, полученного в системе.

Изобретение может быть применено для работы энергосети на основе возобновляемых источников энергии, а также в местном энергоснабжении для тяжелой промышленности и сельских районов, и стабилизации сети.

Более подробно, система для обеспечения энергией энергосеть и для балансировки нагрузки ввода энергии для энергосети на основе непостоянной возобновляемой энергии, подводимой возобновляемым источником энергии, содержит:

- блок для производства Н₂-N₂-O₂ для получения водорода H₂, азота N₂ и кислорода O₂, причем блок для производства H₂-N₂-O₂ приводится в действие посредством использования энергии, подводимой источником возобновляемой энергии,

- накопитель для кислорода, выполненный с возможностью принимать и хранить кислород, полученный с помощью блока для производства Н₂-N₂-O₂,

- смесительный блок, выполненный с возможностью принимать и смешивать водород и азот, полученные блоком для производства Н₂-N₂-O₂ для образования водородно-азотной смеси,

- источник NH₃ для приема и обработки водородно-азотной смеси для вырабатывания газовой смеси, содержащей NH₃, при этом источник NH₃ соединяется по текучей среде со смесительным блоком, чтобы принимать водородно-азотную смесь из смесительного блока и при этом источник NH₃ выполняется с возможностью вырабатывать газовую смесь, содержащую NH₃ из водородно-азотной смеси, при этом источник NH₃ содержит бак для хранения NH₃ для накопления, по меньшей мере, части NH₃ из газовой смеси, содержащей NH₃,

- NH₃-генератор мощности для генерирования энергии для энергосети, при этом NH₃-генератор мощности:

- соединяется по текучей среде с баком для хранения NH₃, чтобы принимать NH₃ из бака для хранения NH₃,

- выполняется с возможностью сжигать принятый NH₃ в камере сгорания, чтобы генерировать энергию для энергосети,

- соединяется по текучей среде с накопителем для кислорода таким образом, что кислород из накопителя для кислорода может быть введен в камеру сгорания для сгорания NH₃, чтобы повысить эффективность и чистоту сжигания.

Система может содержать систему управления подачей кислорода для регулирования потока кислорода из накопителя для кислорода в NH₃-генератор мощности на основе набора входных данных, который содержит информацию о фактических рабочих условиях в камере сгорания.

Рабочие условия могут включать в себя, по меньшей мере, одно из:

- состояние сгорания в камере сгорания,

- скорость потока NH₃ из бака для хранения NH₃ в NH₃-генератор мощности,

- температура в камере сгорания,

- фактический химический состав газовой смеси в камере сгорания, и/или

- фактический химический состав выхлопных газов сгорания из NH₃-генератора мощности.

Это позволяет обеспечивать работу системы с оптимальными параметрами и эффективностью.

Система может содержать основной блок управления для управления вырабатыванием NH₃, который должен быть сохранен в баке для хранения NH₃ и/или управления генерированием энергии с помощью NH₃-генератора мощности. Например, управление может быть обеспечено за счет регулирования потока энергии, подводимой в блок для производства Н₂-N₂, и с его помощью, производства H₂ и N₂ или за счет регулирования весового потока в системе через оказывающие влияние смесители, компрессоры или другие компоненты и/или за счет регулирования температуры в реакционной камере для синтеза NH₃.

Основной блок управления может быть выполнен и размещен, т.е. подключен к соответствующим компонентам, таким образом, что управление вырабатыванием NH₃, который должен быть сохранен в баке для хранения NH₃ и/или управление генерированием энергии с помощью NH₃-генератора мощности, по меньшей мере, зависит от фактической потребности в мощности в энергосети и/или от количества энергии, генерируемой в данный момент возобновляемым источником энергии. Это обеспечивает гибкое энергоснабжение, которое реагирует на фактические потребности в энергосети и которое, с другой стороны, позволяет накопить вид энергии возобновляемого источника энергии в случае низких потребностей.

Основной блок управления может быть выполнен:

- чтобы, предпочтительно, одновременно уменьшать вырабатывание NH₃, который должен быть накоплен в баке для хранения NH₃, которое может быть достигнуто за счет управления вырабатыванием газовой смеси, содержащей NH₃, и/или увеличивать генерирование энергии в периоды ввода возобновляемой энергии на низком уровне из возобновляемого источника энергии,

- чтобы, предпочтительно, одновременно увеличивать вырабатывание NH₃, который должен быть сохранен в баке для хранения NH₃ и/или уменьшать генерирование энергии в периоды ввода возобновляемой энергии на высоком уровне из возобновляемого источника энергии.

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

В этом отношении, термины "низкий" и "высокий" могут быть привязаны к определенным данным пороговым значениям. То есть ввод возобновляемой энергии на низком уровне означает, что фактический ввод возобновляемой энергии меньше, чем первый порог, а ввод возобновляемой энергии на высоком уровне означает, что фактический ввод возобновляемой энергии больше, чем второй порог. Первый и второй порог могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга.

Блок для производства H₂-N₂-O₂ может содержать:

- электролизер для получения водорода и кислорода, при этом электролизер выполняется с возможностью принимать воду и энергию, производимую возобновляемым источником энергии, и получать водород и кислород с помощью электролиза, и

- блок разделения воздуха для получения азота и кислорода, при этом блок разделения воздуха выполняется с возможностью принимать воздух и энергию, производимую возобновляемым источником энергии и получать азот и кислород путем разделения принятого воздуха.

Это позволяет получать водород Н₂, азот N₂ и кислород O₂ за счет использования энергии из возобновляемого источника энергии.

Смесительный блок может быть соединен по текучей среде с блоком для производства Н₂-N₂, чтобы принимать водород и азот, полученный в нем, при этом смесительный блок может содержать смеситель для смешивания водорода с азотом для образования водородно-азотной смеси, и компрессор для сжатия водородно-азотной смеси из смесителя для образования сжатой водородно-азотной смеси, которая должна быть направлена в источник NH₃. Таким образом, смесительный блок обеспечивает сжатую смесь H₂-N₂.

Смесительный блок может дополнительно содержать систему временного хранения для буферизации водорода и азота из блока для производства Н₂-N₂, при этом система временного хранения, выполняется с возможностью принимать водород и азот из блока для производства Н₂-N₂, временно хранить водород и азот для буферизации и затем обрабатывать буферизованные водород и азот для смесителя. Это обеспечивает более эффективный процесс смешивания.

Источник NH₃ может содержать:

- реакционную камеру для синтеза NН₃, выполненную с возможностью принимать водородно-азотную смесь из смесительного блока и обрабатывать принятую водородно-азотную смесь для образования газовой смеси, содержащей NH₃ и

- сепаратор для приема газовой смеси, содержащей NH₃ из реакционной камеры для синтеза NH₃, при этом:

- сепаратор выполняется с возможностью отделять NH₃ от газовой смеси, содержащей NH₃, таким образом, что получаются NH₃ и оставшаяся водородно-азотная смесь, и

- сепаратор соединяется по текучей среде с баком для хранения NH₃, чтобы направлять полученный NH₃ в бак для хранения NH₃.

Использование сепаратора дает возможность для эффективного получения NH₃.

В одном варианте осуществления предусматривается дополнительный блок повторной обработки для повторной обработки оставшейся водородно-азотной смеси с компрессором для повторного сжатия и вторым смесителем, при этом:

- компрессор для повторного сжатия соединяется по текучей среде с сепаратором, чтобы принимать и сжимать оставшуюся водородно-азотную смесь из сепаратора,

- второй смеситель соединяется по текучей среде с компрессором для повторного сжатия, чтобы принимать сжатую оставшуюся водородно-азотную смесь, из компрессора для повторного сжатия,

- второй смеситель соединяется по текучей среде со смесительным блоком, чтобы получать водородно-азотную смесь из смесительного блока, и при этом

- второй смеситель выполняется с возможностью смешивать водородно-азотную смесь из смесительного блока и сжатую оставшуюся водородно-азотную смесь из компрессора для повторного сжатия, чтобы образовать водородно-азотную смесь, которая должна быть подведена в источник NH₃.

Использование блока повторной обработки дает возможность для повторного использования оставшихся Н₂ и N₂, чтобы образовать в последующем NH₃.

В альтернативном варианте осуществления сепаратор может быть соединен по текучей среде со смесительным блоком, чтобы направить оставшуюся водородно-азотную смесь из сепаратора в смесительный блок, таким образом, что оставшаяся водородно-азотная смесь смешивается в смесительном блоке с водородом и азотом из блока для производства Н₂-N₂, чтобы образовать водородно-азотную смесь, которая должна быть принята источником NH₃. Это также дает возможность повторного использования оставшихся Н₂ и N₂, чтобы образовать в последующем NH₃.

Система может дополнительно содержать блок распределения энергии, который выполняется с возможностью принимать энергию, подводимую возобновляемым источником энергии и распределять энергию в энергосеть и/или в устройство для производства Н₂-N₂, причем распределение зависит от ситуация с потребностью в энергии в энергосети. Например, в случае более высокой потребности в энергии от энергосети, доля энергии, подводимой возобновляемым источником энергии в энергосеть, становится выше, а оставшаяся часть, которая подводится в систему - ниже.

В случае более низкой потребности в энергии от энергосети, доля энергии, подводимой возобновляемым источником энергии в энергосеть, становится ниже, а оставшаяся часть, которая подводится в систему - выше. Это обеспечивает эффективную работу системы и, как следствие, балансировку нагрузки ввода энергии для энергосети.

В соответствующем способе для обеспечения энергии для энергосети и для балансировки нагрузки ввода энергии для энергосети, основанном на непостоянной возобновляемой энергии, подводимой возобновляемым источником энергии,

- по меньшей мере, часть энергии из возобновляемого источника энергии используется для получения водорода, азота и кислорода в блоке для производства H₂-N₂-O₂,

- полученный кислород направляется и хранится в накопителе для кислорода,

- полученный водород и азот смешиваются в смесительном блоке, чтобы образовать водородно-азотную смесь,

- водородно-азотная смесь обрабатывается в источнике NH₃ для образования газовой смеси, содержащей NH₃ и NH₃ из газовой смеси, содержащей NH₃, накапливается в баке для хранения NH₃,

- NH₃ подводится из бака для хранения NH₃ в камеру сгорания NH₃-генератора мощности и подведенный NH₃ сжигается в камере сгорания для генерирования энергии для энергосети, при этом

- кислород из накопителя для кислорода вводится в камеру сгорания для сжигания NH₃, чтобы повысить эффективность и чистоту сгорания.

Система управления подачей кислорода может управлять потоком кислорода из накопителя для кислорода в NH₃-генератор мощности на основе набора входных данных, который содержит информацию о фактических рабочих условиях в камере сгорания. Это дает возможность работать системе при оптимальном наборе параметров и соответственно высокой эффективности.

В этом отношении, рабочие условия могут включать в себя, по меньшей мере, одно из:

- состояние сгорания в камере сгорания,

- скорость потока NH₃ из бака для хранения NH₃ в NH₃-генератор мощности,

- температура в камере сгорания, и/или

- фактический химический состав газовой смеси в камере сгорания,

- Фактический химический состав выхлопных газов сгорания из NH₃-генератора мощности.

Основной блок управления системы может управлять вырабатыванием NH₃, который должен быть накоплен в баке для хранения NH₃ и/или генерированием энергии с помощью NH₃-генератора мощности.

Газовая смесь, содержащая NH₃, может быть направлена в сепаратор, который отделяет NH₃ от газовой смеси, содержащей NH₃, так, что получаются NH₃, который должен быть накоплен в баке для хранения NH₃ и оставшаяся водородно-азотная смесь. Таким образом, NH₃, без дополнительных процессов очищения, может быть направлен в бак для хранения.

В одном варианте осуществления оставшаяся водородно-азотная смесь повторно сжимается и сжатая повторно оставшаяся водородно-азотная смесь смешивается с водородно-азотной смесью из смесительного блока для образования водородно-азотной смеси, которая должна быть принята источником NH₃. Таким образом, водород и азот могут быть повторно использованы, чтобы образовать в дальнейшем NH₃.

В альтернативном варианте осуществления оставшаяся водородно-азотная смесь смешивается в смесительном блоке с водородом и азотом из блока для производства Н₂-N₂-O₂, чтобы образовать водородно-азотную смесь, которая должна быть принята источником NH₃. Таким образом, водород и азот могут быть повторно использованы, чтобы образовать в дальнейшем NH₃.

Основной блок управления может управлять вырабатыванием NH₃, который должен быть накоплен в баке для хранения NH₃ и/или генерированием энергии с помощью NH₃-генератора мощности, по меньшей мере, в зависимости от фактической потребности в мощности в энергосети и/или от количества энергии, генерируемой в данный момент возобновляемым источником энергии.

Кроме того, основной блок управления может:

- предпочтительно, одновременно уменьшать вырабатывание NH₃, который должен быть накоплен в баке для хранения NH₃ (может быть достигнуто за счет...) и/или увеличивать генерирование энергии в периоды ввода возобновляемой энергии на низком уровне из возобновляемого источника энергии,

- предпочтительно, одновременно увеличивать вырабатывание NH₃, который должен быть накоплен в баке для хранения NH₃ и/или уменьшать генерирование энергии в периоды ввода возобновляемой энергии на высоком уровне из возобновляемого источника энергии.

Таким образом, основной блок управления регулирует вырабатывание NH₃ и генерирование энергии. Например, в периоды, в которых возобновляемый источник энергии генерирует меньше энергии, например, и в случае когда ветряная установка находится в фазе слабого ветра, основной блок управления мог бы включать NH₃-генератор мощности, чтобы поставить больше энергии в энергосеть, т.к. снабжение возобновляемым источником энергии может быть не достаточным. В периоды, в которых возобновляемый источник энергии генерирует большое количество энергии, например в фазах сильного ветра, основной блок управления мог бы выключать NH₃-генератор мощности, так как возобновляемый источник энергии подводит достаточную энергию в сеть. Тем не менее, основной блок управления мог бы увеличить производство и накопление NH₃.

Устройство, которое "соединено по текучей среде" с последующим устройством означает, что текучая среда может быть передана через соединение между устройствами, например, через трубку, от устройства к последующему устройству. В этом процессе, текучая среда может быть газообразной также как и жидкой.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется более подробно на основе фиг. 1. Одинаковые позиционные обозначения на различных фигурах относятся к одинаковым компонентам.

Фиг. 1 показывает систему для балансировки нагрузки непостоянного возобновляемого источника энергии,

Фиг. 2 показывает еще один вариант осуществления системы с повторным использованием оставшейся газовой смеси Н₂-N₂,

Фиг. 3 показывает разновидность еще одного варианта осуществления системы.

Система 100 содержит возобновляемый источник 10 энергии, например, ветряную установку или ветряную ферму с множеством отдельных ветряных установок. Альтернативно, возобновляемый источник 10 энергии также может быть солнечной электростанцией или любой другой электростанцией, которая пригодна для вырабатывания энергии из возобновляемого исходного продукта такого, как вода, ветер, или солнечная энергия. Ниже по тексту, система 100 объясняется в предположении, что возобновляемым источником 10 энергии является ветряная установка. Тем не менее, это не должно иметь какого-либо ограничивающего влияния на настоящее изобретение.

Ветряная установка 10 соединяется с энергосетью 300 для снабжения энергией, генерируемой ветряной установкой 10 для сети 300. Здесь количество энергии 1'', которое является, по меньшей мере, частью энергии 1, генерируемой ветряной установкой 10, подводится в энергосеть 300 для удовлетворения энергетических потребностей потребителей в энергосети 300. Можно отметить, что энергосеть 300, как правило, также может иметь доступ к другим источникам энергии.

Тем не менее, оставшееся количество энергии 1' из генерируемой энергии 1, может быть использовано в системе 100, чтобы обеспечить работу блока 20 для производства водорода-азота-кислорода (блок для производства Н₂-N₂-O₂) системы 100.

Особенно, когда доступна избыточная энергия, то есть, когда энергия 1, генерируемая возобновляемым источником 10 энергии превышает энергетические потребности энергосети 300 для возобновляемого источника 10 энергии, эта избыточная энергия может быть направлена в блок 20 для производства H₂-N₂-O₂, чтобы обеспечить работу блока 20. Количество энергии 1', которое подается в блок 20 для производства H₂-N₂-O₂, зависит от потребностей потребителей в электроэнергии, которая должна быть поставлена энергосетью 300. Т.е. в случае высоких потребностей, например, в часы пик, может быть необходимо, чтобы 100% энергии 1, генерируемой ветряной установкой 10 были поданы в электросеть 300 для покрытия потребностей. Напротив, в случае очень низких потребностей, например, в ночное время, 100% электричества 1, генерируемого ветряной установкой 10 могут быть доступны для использования в системе 100, и могут быть направлены в блок 20 для производства Н₂-N₂-O₂.

Такое управление и распределение энергии 1 из ветряной установки 10 достигается с помощью блока 11 распределения энергии. Блок 11 распределения энергии принимает энергию 1 из ветряной установки 10. Как указывается выше, определенные пропорции энергии 1 направляются в энергосеть 300 и/или в систему 100 и блок 20 для производства Н₂-N₂-O₂, соответственно, в зависимости от ситуации с потребностью в энергии в энергосети 300. Таким образом, блок 11 распределения энергии выполняется с возможностью принимать энергию 1, подводимую возобновляемым источником 10 энергии и распределять энергию 1 в энергосеть 300 и/или в блок 20 для производства Н₂-N₂-O₂, при этом распределение зависит от ситуации с потребностью в энергии в энергосети 300.

Например, в случае, когда большое количество энергии востребуется в сети 300, большая часть или вся энергия 1 должна быть направлена в сеть 300, и только меньшая часть энергии 1' будет подведена в блок 20 для производства Н₂-N₂-O₂. В случае, если ситуация с потребностью такова, что только меньшая часть энергии востребуется в сети 300, большая часть или вся энергия 1, подводимая возобновляемым источником 10 энергии может быть использована для вырабатывания NH₃. Таким образом, большое количество энергии 1' может быть подведено в блок 20 для производства Н₂-N₂-O₂.

Как упоминалось выше, количество 1' из энергии 1, генерируемой возобновляемым источником 10 энергии, подается в систему 100 и в блок 20 для производства Н₂-N₂-O₂, чтобы обеспечить производство NH₃. Блок 20 для производства H₂-N₂-O₂ содержит электролизер 21 и блок 22 разделения воздуха.

Электролизер 21 используется, чтобы вырабатывать водород 4 и кислород 6 путем электролиза воды 2. Электролизер 21 снабжается водой 2 из произвольного источника (не показан), и он приводится в действие, используя энергию 1' из ветряной установки 10.

Блок (ASU) 22 разделения воздуха, содержащийся в блоке 20 для производства Н₂-N₂-O₂, используется для вырабатывания азота 5 и кислорода 7. Энергия 1' используется, чтобы обеспечить работу ASU 22, который использует обычные технологии разделения воздуха, чтобы выделить азот 5 и кислород 7 из воздуха 3. Оставшиеся компоненты воздуха 3, может быть выпущены в окружающий воздух (не показаны).

Таким образом, ветряная установка 10 используется для подведения энергии 1' как для электролиза воды 2 с образованием водорода 4 и кислорода 6 с помощью электролизера 21, так и для выделения азота 5 и кислорода 7 из воздуха 3 с помощью ASU 22.

Кислород 6 из электролизера 21 и кислород 7 из ASU 22 направляются, а затем хранятся в накопителе 70 для кислорода системы 100, тогда, как и водород 4 и азот 5 направляются в смесительный блок 30 системы 100. Здесь применяются установленные технологии для отделения водорода от кислорода и азота от кислорода, соответственно, каковые не должны быть подробно объяснены.

Смесительный блок 30 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. Полученная водородно-азотная газовая смесь 8 (газовая смесь Н₂-N₂) затем сжимается до пятидесяти или более атмосфер в компрессоре 33.

Аммиак NH₃ может теперь быть образован путем обработки сжатой газовой смеси 8 Н₂-N₂ в присутствии катализатора при повышенной температуре. Это достигается в реакционной камере 41 для синтеза NH₃, содержащейся в источнике 40 NH₃ системы 100. Сжатая газовая смесь 8 Н₂-N₂ из смесительного блока 30 и из компрессора 33, соответственно, направляется в реакционную камеру 41 для синтеза NH₃. Реакционная камера 41 содержит один или более реакционных слоев 42 для синтеза NH₃, которые эксплуатируются при повышенной температуре, например, 350-450°C. Реакционная камера 41 для синтеза NH₃ производит смесь из NH₃ и, кроме того, азот N₂ и водород Н₂ из газовой смеси Н₂-N₂ из смесителя 30, то есть реакционная камера для синтеза NH₃выпускает газовую смесь 9 NH₃-H₂-N₂.

Например, подходящий катализатор может быть на основе железа, промотированного K₂O, CaO, SiO₂ и Al₂O₃ или вместо катализатора на основе железа - рутений.

Смесь 9 NH₃-H₂-N₂ направляется в сепаратор 43 источника 40 NH₃, например, конденсатор, где NH₃ отделяется от смеси 9 NH₃-H₂-N₂. Таким образом, сепаратор 43 производит NH₃, который направляется в бак 44 для хранения NH₃ источника 40 NH₃ и оставшуюся газовую смесь 8' H₂-N₂.

Можно предположить, что обширная база знаний существует, как в отношении хранения, так и в отношении транспортировки аммиака. Она же применяется для обработки и транспортировки водорода, азота, водородно-азотных смесей и кислорода. Таким образом, бак 44 для хранения NH₃, накопитель 70 для кислорода, а также множество каналов, которые соединяют все компоненты системы 100 для направления NH₃ и других газов или газовых смесей, не должны быть описаны подробно.

Как объясняется выше, сепаратор 43 вырабатывает NH₃ из смеси 9 NH₃-H₂-N₂, приготовленной реакционной камерой 41 для синтеза NH₃ и остатки газовой смеси 8' H₂-N₂. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, для которого две разновидности показываются на фиг. 2 и 3, эта оставшаяся газовая смесь 8' Н₂-N₂ рециркулируется, чтобы быть использованной снова для вырабатывания NH₃ в реакционной камере 41 для синтеза NH₃.

Для этого система 100, согласно этому варианту осуществления, как показано на фиг. 2, содержит дополнительный блок 50 повторной обработки с компрессором 51 для повторного сжатия и смесителем 52. Кроме того, этот вариант осуществления изобретения отличается от описанного выше базового варианта осуществления настоящего изобретения тем, что сжатая газовая смесь 8 Н₂-N₂ из компрессора 33 не пропускается непосредственно в реакционную камеру 41 для синтеза NH₃, а она достигает реакционной камеры 41 для синтеза NH₃ только через смеситель 52 блока 50 повторной обработки. Оставшаяся газовая смесь 8' Н₂-N₂ из сепаратора 43 пропускается в компрессор 51 для повторного сжатия блока 50 повторной обработки системы 100. Как и компрессор 33, компрессор 51 для повторного сжатия сжимает оставшуюся газовую смесь 8' Н₂-N₂ до пятидесяти или более атмосфер, чтобы учесть потери давления при обработке в реакционной камере 41 для синтеза NH₃ и в сепараторе 43. Повторно сжатая, оставшаяся газовая смесь 8' Н₂-N₂ затем пропускается в смеситель 52, где она смешивается со свежей газовой смесью 8 Н₂-N₂ из смесителя 30 и компрессора 33, соответственно. Смеситель 52 вырабатывает смесь 8 из газовых смесей 8, 8' Н₂-N₂, которая затем направляется в реакционную камеру 41 для синтеза NH₃. Далее газовая смесь обрабатывается, как описывается выше в источнике 40 NH₃ для получения NH₃ и, опять же, оставшейся газовой смеси 8' H₂-N₂.

Фиг.3 показывает разновидность варианта осуществления, показанного на фиг 2. Оставшаяся газовая смесь 8' Н₂-N₂ подается непосредственно в смеситель 32 смесительного блока 30 для смешивания с поступающим водородом и азотом из блока 31 временного хранения. Отдельный блок 50 для повторной обработки не используется.

Ниже по тексту вновь делается ссылка на фиг. 1. Однако детали и признаки, описанные ниже, также применимы для вариантов осуществления и разновидностей, показанных на фиг. 2 и 3.

Бак 44 для хранения NH₃ соединяется по текучей среде с NH₃-генератором 200 мощности. Аммиак может быть использован в ряде различных циклов сгорания, например в цикле Брайтона или в цикле Дизеля. Тем не менее, при уровне мощности ветряной установки или ветряной фермы, было бы целесообразнее использовать газовую турбину для сжигания аммиака для генерирования электрической энергии, в которой цикл Брайтона был бы применим для решения с использованием газовой турбины. Таким образом, NH₃-генератор мощности 200 может быть газовой турбиной, которая сконструирована для сжигания аммиака. Ранее было показано, что могут быть применимы обычные газовые турбины лишь с незначительными изменениями горелки.

Газовая турбина 200 сжигает NH₃ из бака 44 для хранения NH₃ для генерирования энергии 1''', в камере сгорания 201 NH₃-генератора 200 мощности и газовой турбины, соответственно. Эта энергия 1''' может затем подаваться в энергосеть 300.

Однако производительность и эффективность NH₃-генератора 200 мощности и газовой турбины, соответственно, могут быть оптимизированы путем введения дополнительного количества кислорода в процесс сгорания. Например, повышенная концентрация кислорода в процессе сгорания повысит эффективность и чистоту сжигания NH₃. Это может быть достигнуто путем использования кислорода 6, 7, который вырабатывается, как описано выше, в качестве побочного продукта в процессе производства водорода 4 и/или азота 5 с помощью блока 20 для производства Н₂-N₂-O₂. Как показано выше, вырабатываемый кислород 6, 7 направляется в накопитель 70 для кислорода. Накопитель 70 для кислорода соединяется по текучей среде с NH₃-генератором 200 мощности таким образом, что кислород О₂ может быть подведен в NH₃-генератор 200 мощности для достижения оптимальной производительности.

Поток кислорода О₂ из накопителя 70 для кислорода в NH₃-генератор 200 мощности управляется соответствующей системой 71 управления подачей кислорода. Система 71 управления подачей кислорода принимает (не показано) в качестве входных данных, набор данных, который содержит информацию о фактических рабочих условиях NН₃-генератора 200 мощности. Эти рабочие условия могут включать в себя состояние сгорания в камере 201 сгорания NH₃-генератора 200 мощности и/или количество NH₃, достигающего NH₃-генератор 200 мощности из бака 44 для хранения NH₃, т.е. скорость потока NH₃ в NH₃-генератор мощности. Кроме того, в набор данных также могут быть включены другие параметры процесса сгорания, которые позволяют сделать заключения о рабочих условиях в NH₃-генераторе 200 мощности, например, температура и/или фактический химический состав газа в камере 201 сгорания, и/или фактический химический состав выхлопных газов сгорания из NH₃-генератора 200 мощности и камеры 201 сгорания, соответственно. Из этих и потенциально других данных, система 71 управления подачей кислорода определяет и регулирует оптимальную скорость потока кислорода O₂, который должен быть доставлен из накопителя 70 для кислорода в NH₃-генератор 200 мощности и в камеру 201 сгорания, соответственно. Например, данные могут быть определены с помощью соответствующих датчиков (не показаны), и данные датчиков могут быть переданы в систему 71 управления подачей кислорода беспроводным способом. На основании набора данных, система 71 управления подачей кислорода управляет множеством устройств 72, таких как насосы, клапаны и/или другие устройства, необходимые для регулирования скорости потока, чтобы влиять на скорость потока кислорода O₂ из накопителя 70 для кислорода в NH₃-генератор 200 мощности.

Система 100 к тому же содержит основной блок 60 управления, который выполняется с возможностью управлять различными компонентами системы 100 (соединения основного блока 60 управления с другими компонентами системы 100 не показываются на фиг. 1 во избежание путаницы). В частности, основной блок 60 управления управляет процессом генерирования энергии 1''' для энергосети 300 и производства NH₃.

В случае если снабжение энергией из ветряной установки 10 и блока 11 управления энергией, соответственно, в систему 100 является слишком низкое, например, из-за высоких потребностей в энергии в энергосети 300, основной блок 60 управления уменьшает производство NH₃ за счет уменьшения весового расхода газа в системе 100 путем выключения компрессора 33, 51 и/или блока 20 для производства Н₂-N₂-O₂ с использованием электролизера 21 и ASU 22. Таким образом, меньшее количество энергии 1' направляется из ветряной установки 10 в систему 100 и большее количество энергии 1'' становится доступным для энергосети 300. Кроме того, основной блок 60 управления увеличивает весовой расход NH₃ из бака 44 для хранения NH₃ в NH₃-генератор 200 мощности. Следовательно, МН₃-генератор 200 мощности увеличивает генерирование энергии 1''', требуемой для энергосети 300 для того, чтобы гарантировать устойчивое энергоснабжение в сети 300 для обеспечения сбалансированной нагрузки.

В случае если снабжение энергией из ветряной установки 10 и блока 11 управления подачей электричества, соответственно, в систему 100 слишком высокое, например, когда ветряная установка 10 генерирует больше энергии, чем требуется энергосетью 300, основной блок 60 управления интенсифицирует производство NH₃ в системе 100 за счет увеличения весового расхода газа в системе 100 путем подведения большего количества мощности к компрессорам 33, 51, к электролизеру 21 и/или к ASU 22. Это приводит к увеличению производства NH₃, который накапливается в баке 44 для хранения NH₃. Однако генерирование энергии 1''' из NH₃-генератора 200 мощности для энергосети 300 не увеличивается, но может быть уменьшено.

Кроме того, основной блок 60 управления управляет генерированием мощности в NH₃-генераторе 200 мощности на основе потребления и потребности в энергии в электросети 300, и на основе поставки доступной мощности с помощью любых источников мощности, имеющихся в распоряжении для сети 300. Таким образом, в случае, если поставка доступной мощности в сети 300 меньше, чем потребность, основной блок 60 управления мог бы включать NH₃-генератор 200 мощности, чтобы покрыть данную потребность. В случае если поставка доступной мощности в сети 300 выше, чем потребность, основной блок 60 управления мог бы отключать NH₃-генератор 200 мощности, а вырабатывание NH₃ могло бы быть интенсифицировано путем подачи большего количества энергии в блок 20 для производства Н₂-N₂-O₂ и путем увеличения весового расхода в системе 100 так, что бак 44 для хранения NH₃ может быть заполнен снова.

Другими словами, основной блок 60 управления выполняется с возможностью уменьшать вырабатывание NH₃, который должен быть направлен в бак 44 для хранения NH₃ и/или увеличивать генерирование энергии 1''' в периоды ввода 1 возобновляемой энергии на слишком низком уровне, например, в периоды слабого ветра и/или высоких потребностей в энергии в энергосети 300. Также, основной блок 60 управления выполняется с возможностью увеличивать вырабатывание NH₃, который должен быть направлен в бак 44 для хранения NH₃ и/или уменьшать генерирование энергии 1''' в периоды ввода 1 возобновляемой энергии на слишком высоком уровне, например, в периоды сильных ветров и/или низких энергетических потребностей в сети 300.

Таким образом, регулирование, выполняемое основным блоком 60 управления, может зависеть от фактической потребности в мощности в энергосети 300, при этом энергия 1, генерируемая возобновляемым источником 10 энергии, и/или фактическое количество энергии 1' из возобновляемого источника 10 энергии доступна для системы 100.

Соответственно, основной блок 60 управления должен быть подключен к энергосети 300 для приема информации о текущей потребности в энергии и покрытия (потребности) в сети 300. Кроме того, основной блок 60 управления мог бы соединяться с блоком 11 распределения энергии и/или с ветряной установкой 10 непосредственно, чтобы принимать информацию об энергии 1, 1', 1'' подводимой ветряным устройством 10 и доступной для использования в системе 100 и в сети 300. Основной блок управления 60 возможно должен быть соединен с блоком 20 для производства H₂-N₂-О₂, чтобы управлять количеством получаемого водорода и азота, а также к различным смесителям и компрессорам, если это применимо, для регулирования весового потока в системе. При этом основной блок 60 управления может регулировать производство NH₃, который должен быть направлен в бак 44 для хранения NH₃. В дополнение к этому, основной блок 60 управления соединяется с баком 44 для хранения NH₃, чтобы регулировать подачу NH₃ в NH₃-генератор 200 мощности и с самим NH₃-генератором 200 мощности, чтобы регулировать генерирование энергии посредством сгорания NH₃. И, наконец, основной блок 60 управления может быть подключен к системе 71 управления подачей кислорода так, что скорость потока кислорода О₂ из накопителя 70 для кислорода в NH₃-генератор 200 мощности также может быть под влиянием централизованно с помощью основного блока 60 управления.

Реферат

Изобретение относится к энергетике. Система использует возобновляемую энергию, генерируемую ветряной фермой или другими возобновляемыми источниками энергии. Возобновляемая энергия может быть использована для энергоснабжения местной или национальной энергосети. Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, часть возобновляемой энергии может быть сохранена путем использования энергии для вырабатывания водорода и азота. В качестве побочного продукта будет получаться отходный кислород. Водород и азот впоследствии превращаются в аммиак, который сохраняется, чтобы быть в эксплуатационной готовности для аммиачной газовой турбины. Газовая турбина сжигает аммиак, чтобы генерировать энергию для энергосети. Кислород подводится в газовую турбину. Изобретение позволяет повысить эффективность использования возобновляемой энергии. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула