CN103298976A - 用于在生成电能时在电网中对由于发电波峰和发电波谷而导致的电流量波动进行二氧化碳中性平衡的方法和能量载体生成设备 - Google Patents

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Abstract

本发明示出并描述了在利用能量载体生成设备（1）尤其由再生能源生成电能时在电网中对由于发电波峰和发电波谷而导致的电流量波动进行二氧化碳中性平衡的方法，其中在发电波峰时由优选可再生的能源所生成的电能在电解单元（2）中被用于通过含水介质、尤其水的电解来生成氢，其中在发电波峰时由优选再生能源所生成的电能在电解单元（2）中被用于通过含水介质、尤其水的电解来生成氢，其中在该电解单元（2）中所生成的氢流（6）被输入给反应器单元（3），该反应器单元（3）被构造用于采用氢和二氧化碳和/或一氧化碳来尤其催化地生成含烃能量载体流（13），尤其被构造用于催化地生成甲醇或甲烷，其中在发电波谷时把所生成的含烃能量载体流（13）至少部分地并根据需要在燃烧室（4）中燃烧，在该燃烧时所形成的烟气流（15）的热能被用于在燃气涡轮机流程中和/或在蒸汽涡轮机流程中生成电能，并且所生成的电能被馈入到电网中，以及其中该烟气流（15）至少部分地作为碳源被输入给反应器单元（3）以生成含烃能量载体流（13）。

Description

用于在生成电能时在电网中对由于发电波峰和发电波谷而导致的电流量波动进行二氧化碳中性平衡的方法和能量载体生成设备
技术领域
本发明涉及用于在尤其由再生能源生成电能时，更尤其在通过转换风能和/或太阳能和/或地热和/或通过利用生物物质和/或潮汐力来生成电能时，在电网中对由于发电波峰和发电波谷而导致的电流量波动进行二氧化碳中性平衡的一种方法和一种能量载体生成设备。
背景技术  
在化石燃料逐渐耗尽以及温室气体导致地球升温的背景下，替代来自化石能量载体的常规能量生成或与之并行地，例如风能和太阳能、以及地热和潮汐能的可再生能源的开发和利用越来越有意义。
在利用再生能源发电的领域，不利的是难以预测自然决定的供应情况并且存在自然的波动。例如由于天气所决定的或一天内或一年内时间所决定的变化，由再生能源所生成的电能出现能量生成波峰或还有能量生成波谷。这种波动的、尤其归因于由天气所决定的或一天内或一年内时间所决定的影响的电力生产与消耗器的不恒定电流需求形成了对立。
如果来自再生能源的电流被馈入到公共电网中，那么能量生成波峰和能量生成波谷可能导致大问题，因为电厂技术与馈入到电网中的波动的电流量的匹配仅在大的耗费条件下才能实现。
例如在由风能来生成电能时出现电力生产的由天气所决定的不确定性，其中常规驱动的电厂在风力减弱时的峰值下降时间内承受最高负载，而例如在提供足够风力来发电的时间内，能量下降量可能如此小，以致电厂必须承受欠载，这导致更高的二氧化碳排放。此外如果风力设备的运营商由于危险的电网过载而不能把电流馈入到电网中，那么就造成风力设备的断开，这在运行风力设备的情况下导致经济性的下降。
因此在利用再生能源来发电的领域中，需要一种经济和有效的方法来平衡发电波峰和发电波谷。
在现有技术中已知的是，借助电解把水分解为氢和氧。但氢存储在程序上是耗费和昂贵的。此外把氢运输到消费地点还需要一种通常不是现有的氢基础设施。另外不利的是，在电解时所释放的氧气只能被有限地利用。因此在现有技术中已经规定采用催化剂把二氧化碳和氢气转换为一种含烃能量载体，例如转换为甲醇或甲烷。在WO 2010/069622 A1中描述了采用二氧化碳作为碳供给剂以及采用电能来提供可存储和可运输的基于碳的能量载体的方法。此外在WO 2010/069385 A1和WO 2010/069685 A1中公开了催化的甲醇制造。
发明内容
本发明的任务是，提供开头所述种类的方法和能量载体生成设备，其以高的经济性和高的效率实现了对所生成电流量的波动的平衡，其中这种平衡应该基本是二氧化碳中性地来进行，也即基本不释放二氧化碳。
前述任务通过具有权利要求1所述特征的一种方法并通过具有权利要求10所述特征的一种能量载体生成设备而得到解决。
本发明所基于的基本想法是，把不规则累积的和/或在能量数量变化情况下的电能馈入到电解单元中，以借助所馈入的电能来生成氢，接着在反应器单元中采用二氧化碳将该氢尤其催化地转换为含烃能量载体、优选转换为甲醇或甲烷。通过之后在能量载体生成设备的燃烧室中部分地并根据需要燃烧所生成的含烃能量载体流而释放热烟气流，该烟气流可以在后接的燃气涡轮流程中和/或在蒸汽涡轮流程中被用于发电。通过所生成电流到电网中的反馈，在尤其由再生能源生成电能、更尤其在借助风力设备和/或光伏设备生成电能时的发电波峰和发电波谷能够以长时间的恒定电流输出的形式得到平衡。本发明的方法和本发明的能量载体生成设备在此尤其适于平衡在风电场中进行电力生产时的波动。此外本发明的方法导致降低了对储备能量电厂的需求，因为电流以能量载体流的形式被中间存储。
利用本发明的方法和本发明的能量载体生成设备，可以短时地提供所要求的更大或更小的电流量。为了二氧化碳中性地平衡发电波峰和发电波谷，在此根据本发明规定，在燃烧室中所生成的烟气流被输入给反应器单元来作为用于生成含烃能量载体流的碳源。从而得到了封闭的二氧化碳循环，这通过节省二氧化碳排放而导致环境减负。同时利用本发明以含烃能量载体流的形式提供了一种储能器，该储能器能够在电流需求高时把所存储的含烃能量载体在电厂流程中再次用于发电，并把所生成的电流馈入到电网中。
可以规定，在本发明设备的燃气涡轮流程和/或蒸汽涡轮流程中所生成的电能的一部分在该能量载体生成设备中用于自用，例如用于物质流的压缩和/或用于水的电解以在电解单元中生成氢流。
原则上也可以给反应器单元输入来自外部二氧化碳源的二氧化碳流，也即不是现场通过在该能量载体生成设备的燃烧室中燃烧所生成的二氧化碳流。由此能够在该反应器单元中生成含烃能量载体时提高产量，其中不需要现场燃烧在该反应器单元中所生成的能量载体以提供足够数量的二氧化碳来在该反应器单元中生成能量载体。代替地，所生成的能量载体可以作为产品来出售，并在该能量载体生成设备之外使用，例如作为汽油替代品和/或作为化学工业中的原料。本发明的能量载体生成设备的电厂部分在这种情况下可以停机，其中该能量载体生成设备仅仅被用于生产含烃能量载体。于是不规定在现场的电力生产。但原则上也可以把所生成的能量载体的一部分进行燃烧以在现场发电，而其它部分被提供给外部利用。
此外还可以给燃烧室输入至少一个另外的（外部）含烃能量载体流、尤其天然气。由此能够提供均匀的二氧化碳以在该反应器单元中生成含烃能量载体，并通过在燃气涡轮流程和/或蒸汽涡轮流程中使用在该燃烧室中燃烧该外部能量载体流时所形成的烟气流来生成电流。这尤其在以下情况中是有利的，当本发明的能量载体生成设备仅仅用于在该反应器单元中生产该能量载体时，更尤其当由再生能源所提供的电能不足以为电解单元提供足够的电流时。
在电价低时，来自化石能源的电流也可以被馈入到电解单元中，以在反应器单元中成本有利地生成含烃能量载体，其中该能量载体用于在电价再次升高时提供用于发电。如果例如短时内没有提供风能或太阳能，那么就可以通过利用天然气来把常规生成的电流馈入到电解中，由于本发明的能量载体生成设备的高效率，这允许在反应器单元中进行价格合理的并且气候中性的、也即无碳排放的能量载体生成。由此能够保证本发明方法和本发明能量载体生成设备的高的经济性，其中原则上也可以使用来自再生能源和化石能源的混合流来用于电解。前述的本发明能量载体生成设备的方法实施或运行方式尤其结合一年或一天时间所决定的电价变化（夏-冬周期；日-夜周期）而是有利的。
另外也可以把通过电解所生成的氢流与其它例如来自生物物质发酵和/或生物物质气化的氢流相混合，以均衡或增大输入到反应器单元中的氢体积流。由此例如可以把利用生物物质的再生发电集成到本发明的能量载体生成设备的设备概念中。为了保证其它的、不是通过电解所生成的氢流的高氢纯度，可以前接相应构造的气体净化设备。也可以直接把其它氢流输入到反应器单元中。
通过采用现场空气中的氧，能够获得几乎纯的二氧化碳来作为烟气流，其中可以根据本发明而相应地规定，在电解单元中所生成的氧流被输入到燃烧室中以用于燃烧该能量载体流。
为了生成氢流和氧流，可以设置压力电解单元，其中氢压力和/或氧压力可以在10至200巴之间，优选在30至100巴之间，尤其至少为60至80巴。在现有技术中已公开了对此适合的并且专业人员所已知的碱性和高分子电解质膜压力电解方法，其中利用压力电解单元将来也可以达到大于200巴的***压力。
在压力下的氢可以被输入到作为缓冲容器的压力存储器中并存储在那里。氧流可以利用至少30巴、尤其约60巴或更高的存储器压力来存储。然后接着把具有至少30巴、尤其约60巴或更高的存储器压力的氧流优选无中间压缩地输入给燃烧室。从而通过采用压力电解单元明显降低了在燃气涡轮机流程中的电力生产时的方法耗费，因为在氧存储器和燃烧室之间不必设置压缩器。这导致明显的成本下降和效率增加。
通过氢流和/或氧流和/或在反应器单元中所生成的能量载体流在相应构造的存储器单元中的存储，能够根据需要来消耗前述的流，和/或在本发明的能量载体生成设备外部作为原料或能量供应者来利用。通过所生成能量载体流的存储可以按照需要把更大或更小量的能量载体流用于在本发明的能量载体生成设备中发电，以提供始终不变大小的电流量并保证把可再生能量最佳地用于发电。
此外还可以把来自烟气的二氧化碳和/或外部二氧化碳流存储在存储器单元中，并根据需要输入给反应器单元。为了存储，该二氧化碳流可以被压缩，优选被液化。通过能量载体流与纯氧的燃烧，可以生成燃烧废气，该燃烧废气包含纯的二氧化碳和水蒸汽。这使得可以通过分离水蒸汽来获得高纯度的二氧化碳。
来自反应器单元和/或来自烟气的在其冷却时分离的冷凝流和/或来自反应器单元的冷却水流优选地可以输送给燃烧室，以简单地实现对燃烧室中燃烧反应的温度监控。通过把来自反应器单元的冷凝流、例如来自甲醇设备的蒸馏流加入到该燃烧室中，烟气温度被降低，如此使得简单地实现了烟气温度的监控或控制。此外来自反应器单元和/或来自烟气的冷凝流可以具有更高的烃，其将在燃烧室中被转换或被燃烧。由此省略水处理，这导致方法简化并有利于获得高的经济性。替换或者补充的，可以规定把来自反应器单元的冷凝流和/或从烟气流中所分离的冷凝流用作电解单元的给水。
为了进行余热利用，可以规定在反应器单元中生成该能量载体流时释放的反应热从该反应器单元中耦合输出。该反应热可以有利地用于所关注的物质流的预加热或后加热。也可以进行远程热利用。例如参与由二氧化碳和氢催化形成甲醇或甲烷的反应就放热，如此使得在此能够利用反应热。此外还可以从电解流程中提供余热，该余热例如可以被馈入到远程供热网中。
本发明的能量载体生成设备具有至少一个电解单元、至少一个反应器单元和至少一个燃烧室，并被构造用于实施前述的方法。此外还可以设置至少一个燃气涡轮机和/或至少一个蒸汽涡轮机，以能够实施燃气涡轮机流程或蒸汽涡轮机流程。最后还可以设置存储器单元，以存储在电解单元中所生成的氢和/或氧和/或在反应器单元中所生成的能量载体和/或从烟气流中所分离的二氧化碳。热交换器、压缩器和相应的导管同样是该能量载体生成设备的组成部分，其中并不局限于前述的列举。
具体地存在许多可能性来构造和改进本发明的方法和本发明的能量载体生成设备，其中一方面参见从属权利要求，另一方面参见下文参照附图对本发明优选实施例的详细说明。
附图说明
在唯一的附图中示意性示出了用于在由可再生能源、例如由风能设备和/或光伏设备来生成电能时二氧化碳中性地平衡发电波峰和发电波谷的一种方法。为了实施该方法而设置了一种能量载体生成设备1。
具体实施方式
该设备1具有电解单元2、反应器单元3和燃烧室4。在该电解单元2中，把例如来自风力设备或光伏设备的不规则累积的或以波动的量提供的电流5用于生成氢流6和氧流7。氢和氧优选地借助压力电解来生成，这相对于大气压电解所具有的优点是，提供具有优选在30至80巴之间、尤其约60巴的压力的生产气体—氢和氧。替换或补充来自可再生能源的电流5，可以规定把由其它能源、尤其化石能源所生成的（成本有利的）电流8用于水的电解。优选地在现场在该能量载体生成设备1中来进行用于电解的发电。于是该能量载体生成设备1就可以包括风能设备和/或光伏设备，和/或例如燃气涡轮机。但原则上也可以从公共电网来获得电解水所需的电流，对此在下文中还要阐述。
在另一方法步骤中，在压力下的氢流6（必要时与来自生物气体设备10的另外的氢流9相混合地）被输入给作为存储器单元11的缓冲容器中，并接着与二氧化碳流12在反应器单元3中被催化地转换为甲醇来作为能量载体。从该反应器单元3中输出甲醇流来作为含烃能量载体流13，该含烃能量载体流被中间存储在作为另外的存储器单元14的甲醇罐中。
所生成的含烃能量载体流13然后可以至少部分地并按照需要在燃烧室4中燃烧。该能量载体流13为此通过泵14a被输入给燃烧室4。
在燃烧时所形成的烟气流15的热能被用于在耦合的燃气涡轮机流程和蒸汽涡轮机流程中生成电流16，其中该烟气流15作为碳源可以用于生成含烃能量载体流13。为此从该烟气流15中分离出二氧化碳流17。在此情况下，本发明可以把该二氧化碳流17中间存储在另外的存储器单元18中，并按照需要输送给反应器单元3。优选地利用压缩器19把该二氧化碳流17液化，并在压力下存储，如此使得二氧化碳可以在压力下被输入给甲醇流程，以与来自电解单元2的氢流6一起被转换为甲醇。原则上在此也可以补充或替换地给反应器单元3输入来自外部二氧化碳源的二氧化碳流20。在这种情况下可能生成过剩甲醇，该过剩甲醇作为能量载体流21被输出并提供用于在该设备1之外的其它应用。
来自该电解单元2的氧流7被利用压缩机22压缩，被输入给氧存储器单元23，并在那里被中间存储。然后从另外的存储器单元23中把氧流24连同能量载体流13一起输入给燃烧室4，其中在该燃烧室4中该能量载体、在该情况下为甲醇被化学计量地转换为水和二氧化碳。通过与纯氧的燃烧，获得几乎纯的二氧化碳来作为烟气流15。
因为与纯氧的燃烧导致高的燃烧温度，所以在所示的设备1中另外还规定，把加热的水流25输入、优选注入到燃烧室4中，其中该加热的水流优选地是冷却水或来自甲醇设备的承载大量烃的冷凝物。由此可以实现对燃烧流程的简单的引导和控制。
离开燃烧室4的烟气15通过两个热交换器26、27冷却，并通过燃气涡轮机28减压。在减压之后该烟气15在另外的热交换器30中被用于生成饱和蒸汽流29，并最后在分离器31中利用外部冷却介质流32如此被冷却，使得主要是二氧化碳作为气相出现并形成二氧化碳流17。
从该分离器31输出的冷凝流33可以被输入给电解单元2的水容器34。替换或补充的，可以把来自反应器单元3的冷凝流35输入给该水容器34。替换或补充的，此外可以设置纯水流36来给电解单元2供水。
该饱和蒸汽流29在热交换器27中被过热，并被输入给蒸汽涡轮机的第一级37。该蒸汽涡轮机优选地可以利用中间过热来工作，其中在热交换器26中来进行中间过热。相应地设置有蒸汽涡轮机的第二级38。以本身已知的方式利用发电机单元39来进行电流16的生成。所生成的电流16也可以用于电解单元2中水的电解，和/或被馈入到示意性示出的电网40中，以在出现发电波谷时对电网40中较少可用的电流量进行平衡。如上面已经提到的，也可以在出现发电波峰时从同一电网40中提取电流，以降低在该电网中可用的电流量，其中从电网40提取的电流可以用于电解单元2中水的电解。
如从图中进一步得出的，如果来自分离器31的冷凝流33和来自反应器单元3的冷凝流35被输入给电解单元2，那么在所示的设备1中不必一定需要处理废水。如前所述，来自分离器31和/或反应器单元3的废水也可以在燃烧室4中被转换，这同样省略了废水处理。
除了在反应器单元3中所生成的能量载体之外，还可以给燃烧室输入其它的气体形式或液体形式的燃料，如此使得所示的设备1原则上也可以被用于生产仅仅针对外部利用的能量载体。在这种情况下在反应器单元3中所生成的全部能量载体流13被存储在存储器单元14中，并作为能量载体流21从设备1中被输出。例如可以把天然气流41作为碳源在燃烧室4中与氧流24一起燃烧，其中在此释放的二氧化碳16被输入给反应器单元3。同时生成电流16，该电流16可以至少部分地被用于电解水。
所示的设备1从而不仅在电厂运行中，也即在至少部分地燃烧在反应器单元3中所生成的能量载体流13时，而且如果所生成的能量载体被完成输入给外部应用，那么还在生产运行中实现二氧化碳中性的方法实施，其中没有二氧化碳被释放到环境中。同样少量的氧化氮或氧化硫被释放到环境中。在把电流5从可再生能源输入给设备1中的波动可以通过流入能量载体流13或通过流入外部（化石）能量载体、例如通过输入天然气而得到平衡，如此使得实现了至电网40的恒定的电流输出。按照存储器单元11、14、18、23的大小，在提供可再生能量时的波动可以在长的时间上以恒定电流输出的形式得到平衡，并能够短时地提供或降低更大或更小需求的电流量。必要时设备1也作为二氧化碳吸收器来运行，其中来自外部源的二氧化碳可以作为二氧化碳流20被馈入。
此外来自电解的余热以及来自燃气和蒸汽流程的余热可以被馈入到远程供热网中，或者也可以直接被用于在设备1中物质流的预热。
通过与纯氧的燃烧，尤其可以获得非常纯的二氧化碳流， 而不需要为此对来自分离器31的气相进行进一步的化学和/或物理处理，例如二氧化碳清洗。
另外还可以规定，把在反应器单元3中生成含烃能量载体流13时所进行的（放热）反应的反应热用于水流42的蒸发，其中所形成的水蒸汽43可以被输入给另外的燃烧室44。在所述另外的燃烧室44中氢6与来自电解单元2的氧相燃烧，这导致水蒸汽43过热，如此使得生成过热的蒸汽45。该过热的蒸汽可以在蒸汽涡轮机流程中被用于生成电能，这并未具体示出。
应理解，前述的特征仅仅表征能量载体生成设备1的优选实施方式，并且并不必须以所示的组合来设置。所述特征的替换组合也是可以的，即使其并未详细进行描述。
下文对所述设备1的示例运行状态进行解释：
在平衡时的运行：7220kW电能被馈入到电解中。生成1680Nm3/h的H2和840Nm3/h的O2。所生成的MeOH量（甲醇量）为0.8t/h。该量连同840Nm3/h的O2被馈入到燃烧室中。生成4200kW。GuD流程输出560Nm3/h的CO2。
在这种运行中不对存储在存储器11、14、18、23中的介质进行提取或输入。涉及所馈入/输出的电流量的效率约为60%。
在电流过剩时的运行：例如14440kW被馈入到电解中。生成3360Nm3/h的H2和1680Nm3/h的O2。所生成的MeOH量为1.6t/h。在这些量中有0.8t/h连同840Nm3/h的O2被馈入到燃烧室中。生成4200kW。GuD流程输出560Nm3/h的CO2。
在这种运行中甲醇存储器14和氧存储器23被填充，二氧化碳存储器18被卸载。
涉及所馈入/输出的电流量的效率约为30%。另外还生成0.8t的MeOH/h。
在电流欠缺时的运行：例如3610kW被馈入到电解中。生成840Nm3/h的H2和420Nm3/h的O2。所生成的MeOH量为1.6t/h。在这些量中有0.8t/h连同840Nm3/h的O2被输入到燃烧室4中。生成4200kW。GuD流程输出560Nm3/h的CO2。
在这种运行中甲醇存储器14和氧存储器23被清空，二氧化碳存储器18被加载。
涉及所馈入/输出的电流量的效率约为116%。消耗0.4t的MeOH/h。
为了同时生成电流和甲醇，可以设置设备1的天然气运行。于是就不进行甲醇的燃烧：
在燃烧天然气时的运行：7220kW被馈入到电解中。生成1680Nm3/h的H2和840Nm3/h的O2。所生成的MeOH量为0.8t/h。该量被存储。利用840Nm3/h的O2和3.58Gcal/h的天然气（按CH4计算=化学上的4160kW）生成3950kW。GuD流程输出420Nm3/h的CO2。
在这种运行中从二氧化碳存储器18中提取约140kg/h的CO2，氧存储器23既不被加载也不被卸载，并且甲醇存储器14被输入0.8t的MeOH。

Claims (10)

1.一种在利用能量载体生成设备（1）尤其由再生能源来生成电能时在电网中对由于发电波峰和发电波谷而导致的电流量波动进行二氧化碳中性平衡的方法，其中在发电波峰时由优选再生能源所生成的电能在电解单元（2）中被用于通过含水介质、尤其水的电解来生成氢，其中在该电解单元（2）中所生成的氢流（6）被输入给反应器单元（3），该反应器单元（3）被构造用于采用氢和二氧化碳和/或一氧化碳来尤其催化地生成含烃能量载体流（13），尤其被构造用于催化地生成甲醇或甲烷，其中在发电波谷时把所生成的含烃能量载体流（13）至少部分地并根据需要在燃烧室（4）中燃烧，在该燃烧时所形成的烟气流（15）的热能被用于在燃气涡轮机流程中和/或在蒸汽涡轮机流程中生成电能，并且所生成的电能被馈入到电网中，以及其中该烟气流（15）至少部分地作为碳源被输入给反应器单元（3）以生成含烃能量载体流（13）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，给反应器单元（3）输入来自外部二氧化碳源的至少一个另外的二氧化碳流（20）。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，给燃烧室（4）输入来自外部能源的至少一个另外的含烃的、优选化石的能量载体流，尤其是天然气流（40）。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，给燃烧室（4）输入在电解单元（2）中所生成的氧流（7，24）。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，设置有压力电解单元以生成氢流（6）和氧流（7），其中氢压力和/或氧压力在10至200巴之间，优选在30至100巴之间，尤其在至少60至80巴之间。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，氧流（7）以至少30巴、尤其约60巴或更高的存储器压力被存储在存储器单元（23）中，其中从该存储器单元（23）中提取氧流（24），并以该存储器压力并优选不用中间压缩地输入给燃烧室（4）。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，来自反应器单元（3）的冷却水或冷凝流（25）和/或从烟气流（15）中所分离的冷凝流（33）被输送给燃烧室（4）。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，来自反应器单元（3）的冷却水或冷凝流（35）和/或从烟气流（15）中所分离的冷凝流（33）被输送给电解单元（2）。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在反应器单元（3）中生成能量载体流（13）时所释放的反应热从该反应器单元（3）中被耦合输出。
10.一种能量载体生成设备（1），其具有被构造用于通过含水介质的电解来生成氢的电解单元（2），优选地具有压力电解单元，具有被构造用于由氢和二氧化碳尤其催化地生成含烃能量载体流（13）的反应器单元（3），并具有用于燃烧含烃能量载体的燃烧室（4），所述能量载体生成设备（1）被构造用于实施根据前述权利要求之一所述的方法。
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