CN109742800A - 一种基于天然气、氢气、电力的能源互联网***及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于天然气、氢气、电力的能源互联网***及工作方法，包括氢气***、然气***、可再生能源发电***和余热利用***，可再生能源发电***与氢气***连接，氢气***分别与然气***和余热利用***连接，然气***与余热利用***连接；氢气***、然气***和可再生能源发电***还均与电网***连接，然气***还与然气管道连接；氢气***还与燃料电池就地用户、氢气用户端连接，余热利用***还与热用户端、冷/热用户端连接。本发明优先利用可再生能源进行电解水制氢，并将氢能源利用***与燃气分布式以及电网有机地结合起来，克服现有能源网络中存在的不足，既能解决天然气短缺的状况，又具有电网调峰的功能，具有极大的节能和环保效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源互联网***，特别是基于氢能源利用与燃气分布式以及电网相结合的能源互联网***。
背景技术
当前，我国正面临能源革命和产业结构调整的关键期，虽然发展氢能可以替代传统化石能源，既是我国能源安全战略的重要组成部分，也是优化能源消费结构的重要途径。氢能来源广泛、能量效率高、能量密度高。作为最清洁的能源，氢能本身无污染、可以达到零碳排放，排放物仅为水和热量。氢能是世界能源舞台上一种举足轻重的二次能源，是一种极为优越的能源，主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量约为汽油的3 倍、天然气的2.5倍、酒精的5.2 倍、煤炭的4.3倍。燃烧的产物除了H2O 无其他中间产物，整个供能过程无浪费、无污染。另外，氢能资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，氢气利用演义了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。
太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、潮汐能、波浪能等可再生能源，具有资源丰富、使用清洁的特点，但却具有明显的时间性、区域性和不稳定性等缺点，使其应用价值大打折扣。由于氢能具备电能和热能所缺乏的可储存性，使得氢能成为最好的可再生能源的二次载体。可以将不稳定的可再生能源转化为氢能储存起来，便于持续稳定地使用。因而，从某种角度来说，发展氢能是发展可再生能源的先决条件。氢能以其来源多样、清洁无污染、能量密度大、可再生、易存储、用途广泛等优点，被视为全球能源向可持续发展转型的主要路径之一，在大规模可再生能源整合和终端应用方面潜力巨大。
中国天然气产量不断增长，但消费缺口也是十分巨大的。伴随着天然气消费快速增长，中国供气安全保障问题越来越严峻，而资源每年的增量仍然不足以支撑天然气市场连续300亿立方米的年增量。进口LNG 和进口管道气受到接收站、管道能力和进口气价资源的制约。未来，国产常规气产能释放的红利将会逐步减弱，产量增量将维持在80亿方以内。
综上所述，在天然气短缺的情况下，氢能是极为有力且重要的补充，同时氢能作为可再生能源的二次载体，为可再生能源的发展提供了契机。目前，天然气分布式能源项目普遍存在功能单一，与外界能源网络缺乏互动连接，且天然气网络、电网等各大能源网络之间基本处于割裂状态，严重影响了我国能源***的整体效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能源互联网络，克服现有能源网络中存在的不足，既能解决天然气短缺的状况，又具有电网调峰的功能，具有极大的节能和环保效益，实现各种能源之间的有力调配与结合。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于天然气、氢气、电力的能源互联网***，其特征在于：包括氢气***、然气***、可再生能源发电***和余热利用***，所述可再生能源发电***与氢气***连接，所述氢气***分别与然气***和余热利用***连接，所述然气***与余热利用***连接；所述氢气***、然气***和可再生能源发电***还均与电网***连接，所述然气***还与然气管道连接；所述氢气***还与燃料电池就地用户、氢气用户端连接，所述余热利用***还与热用户端、冷/热用户端连接。
进一步而言，所述氢气***包括电解水***、储氢罐、燃料电池发电***、储氧罐和氢膨胀发电***，所述然气***包括燃机发电机组、LNG储罐、气化***和天然气燃料电池***，所述可再生能源发电***包括太阳能发电***和斯特林热发电***，所述余热利用***包括余热锅炉发电***、吸收式热泵***和蓄冷/蓄热设备；所述太阳能发电***、斯特林热发电***均与电解水***连接，所述电解水***分别与储氢罐、储氧罐和氢膨胀发电***连接，所述储氢罐分别与燃料电池发电***、氢膨胀发电***连接；所述燃料电池发电***分别与余热锅炉发电***、吸收式热泵***连接，所述吸收式热泵***还与蓄冷/蓄热设备连接；所述储氧罐分别与燃机发电机组、氧气用户端连接，所述LNG储罐与气化***连接，所述气化***分别与天然气燃料电池***、燃机发电机组和蓄冷/蓄热设备连接，所述天然气燃料电池***分别与余热锅炉发电***、吸收式热泵***连接。
进一步而言，所述氢膨胀发电***与氢气用户端连接，所述燃料电池发电***与燃料电池就地用户连接，所述余热锅炉发电***与热用户端连接，所述蓄冷/蓄热设备与冷/热用户端连接。
进一步而言，所述气化***与然气管道连接，所述然气管道与天然气燃料电池***连接。
进一步而言，所述太阳能发电***、斯特林热发电***、电解水***、燃料电池发电***、氢膨胀发电***、燃机发电机组、天然气燃料电池***和余热锅炉发电***均与电网***连接。
所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***的工作方法如下：
所述可再生能源发电***利用太阳能发电，所发的电量优先供给电解水***，多余的电量送入电网***。
所述电解水***优先使用可再生能源发电***所发电力和电网***谷段的电力，电解水***产生的氢气进入储氢罐、产生的氧气进入储氧罐，氢膨胀发电***所发电力优先供给电解水***或就地消纳，多余电量送入电网***。
所述燃料电池发电***所发电力优先就地消纳，多余电量送电网***；经氢膨胀发电***后的氢气供给氢气用户端。
气化***置换出的冷量进入冷管网或需冷工艺或蓄冷/蓄热设备，气化后的天然气进入外输然气管道，或者，部分进入天然气燃料电池***或燃机发电机组，天然气燃料电池***所产生的高温烟气进入余热锅炉发电***或吸收式热泵***，燃机发电机组所产生的高温烟气进入余热锅炉发电***。
所述余热锅炉发电***的余热蒸汽进入吸收式热泵***或进入热用户端，吸收式热泵***产生的冷/热量直接进入冷/热用户端或经蓄冷/蓄热设备后进入冷/热用户端。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
（1）为可再生能源提供了有效的二次载体-氢气，并可以将氢气储存起来，便于持续稳定地使用；
（2）氢能有效地缓解了天然气不足的状况，氢气燃烧的产物除了H2O 无其他中间产物，整个过程无污染，具有显著的环境效益和社会效益，且氢气可由水制取，资源丰富，达到持续发展的目的；
（3）氢燃料电池可以在谷段时间段消耗电能制氢并将能量储存下来，白天用电高峰期消耗氢气向电网送电，实现了电网调峰功能；
（4）天然气燃料电池/氢燃料电池可同时提供电能和可利用热，总利用效率可达90%，比传统的燃气轮机/内燃机/微燃机机组具有更高的能效，是对传统燃机的有效补充，且具有模块化结构，组装和维护方便，适应多种环境及气候条件，比传统燃机更灵活；
（5）余热利用***具有储能装置，使得蓄冷/蓄热更加灵活，提高了整体的能源利用率，节约了资源；
（6）能源***可以实现针对某区域或工业园区等的打包售电、售气、供冷/热等业务，实现盈利模式多样化；
（7）***中各模块可根据用户需求量身定制，更加接近用户侧，且能源利用清洁高效；
（8）本发明可利用智能控制***将氢能、天然气、电力等能源互联网有机地连接起来，依据市场行情、客户需求及成本等实时调控各模块工作状况，使整体用能最经济，整体能源转化最高。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图中：氢气***A、然气***B、可再生能源发电***C、余热利用***D、太阳能发电***1、斯特林热发电***2、电解水***3、储氢罐4、燃料电池发电***5、储氧罐6、氢膨胀发电***7、燃机发电机组8、LNG储罐9、气化***10、天然气燃料电池***11、余热锅炉发电***12、吸收式热泵***13、电网***14、然气管道15、氧气用户端16、热用户端17、燃料电池就地用户18、氢气用户端19、蓄冷/蓄热设备20、冷/热用户端21。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1，本实施例中的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***，包括氢气***A、然气***B、可再生能源发电***C和余热利用***D，可再生能源发电***C与氢气***A连接，氢气***A分别与然气***B和余热利用***D连接，然气***B与余热利用***D连接；氢气***A、然气***B和可再生能源发电***C还均与电网***14连接，然气***B还与然气管道15连接；氢气***A还与燃料电池就地用户18、氢气用户端19连接，余热利用***D还与热用户端17、冷/热用户端21连接。其中，氢气***A、然气***B、可再生能源发电***C和余热利用***D中任何一个***故障其他几个***都能进行补充。
本实施例中，氢气***A包括电解水***3、储氢罐4、燃料电池发电***5、储氧罐6和氢膨胀发电***7，然气***B包括燃机发电机组8、LNG储罐9、气化***10和天然气燃料电池***11，可再生能源发电***C包括太阳能发电***1和斯特林热发电***2，余热利用***D包括余热锅炉发电***12、吸收式热泵***13和蓄冷/蓄热设备20；太阳能发电***1、斯特林热发电***2均与电解水***3连接，电解水***3分别与储氢罐4、储氧罐6和氢膨胀发电***7连接，储氢罐4分别与燃料电池发电***5、氢膨胀发电***7连接；燃料电池发电***5分别与余热锅炉发电***12、吸收式热泵***13连接，吸收式热泵***13还与蓄冷/蓄热设备20连接；储氧罐6分别与燃机发电机组8、氧气用户端16连接，LNG储罐9与气化***10连接，气化***10分别与天然气燃料电池***11、燃机发电机组8和蓄冷/蓄热设备20连接，天然气燃料电池***11分别与余热锅炉发电***12、吸收式热泵***13连接。
本实施例中，氢膨胀发电***7与氢气用户端19连接，燃料电池发电***5与燃料电池就地用户18连接，余热锅炉发电***12与热用户端17连接，蓄冷/蓄热设备20与冷/热用户端21连接。
本实施例中，气化***10与然气管道15连接，然气管道15与天然气燃料电池***11连接。
本实施例中，太阳能发电***1、斯特林热发电***2、电解水***3、燃料电池发电***5、氢膨胀发电***7、燃机发电机组8、天然气燃料电池***11和余热锅炉发电***12均与电网***14连接。
本实施例中，基于天然气、氢气、电力的能源互联网***的工作方法如下：
可再生能源发电***C利用太阳能发电，所发的电量优先供给电解水***3，多余的电量送入电网***14。
电解水***3优先使用可再生能源发电***C所发电力和电网***14谷段的电力，电解水***3产生的氢气进入储氢罐4、产生的氧气进入储氧罐6，氢膨胀发电***7所发电力优先供给电解水***3或就地消纳，多余电量送入电网***14。
燃料电池发电***5所发电力优先就地消纳，多余电量送电网***14；经氢膨胀发电***7后的氢气供给氢气用户端19。
气化***10置换出的冷量进入冷管网或需冷工艺或蓄冷/蓄热设备20，气化后的天然气进入外输然气管道15，或者，部分进入天然气燃料电池***11或燃机发电机组8，天然气燃料电池***11所产生的高温烟气进入余热锅炉发电***12或吸收式热泵***13，燃机发电机组8所产生的高温烟气进入余热锅炉发电***12。
余热锅炉发电***12的余热蒸汽进入吸收式热泵***13或进入热用户端17，吸收式热泵***13产生的冷/热量直接进入冷/热用户端21或经蓄冷/蓄热设备20后进入冷/热用户端21。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于天然气、氢气、电力的能源互联网***，其特征在于：包括氢气***（A）、然气***（B）、可再生能源发电***（C）和余热利用***（D），所述可再生能源发电***（C）与氢气***（A）连接，所述氢气***（A）分别与然气***（B）和余热利用***（D）连接，所述然气***（B）与余热利用***（D）连接；所述氢气***（A）、然气***（B）和可再生能源发电***（C）还均与电网***（14）连接，所述然气***（B）还与然气管道（15）连接；所述氢气***（A）还与燃料电池就地用户（18）、氢气用户端（19）连接，所述余热利用***（D）还与热用户端（17）、冷/热用户端（21）连接。
2.根据权利要求1所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***，其特征在于：所述氢气***（A）包括电解水***（3）、储氢罐（4）、燃料电池发电***（5）、储氧罐（6）和氢膨胀发电***（7），所述然气***（B）包括燃机发电机组（8）、LNG储罐（9）、气化***（10）和天然气燃料电池***（11），所述可再生能源发电***（C）包括太阳能发电***（1）和斯特林热发电***（2），所述余热利用***（D）包括余热锅炉发电***（12）、吸收式热泵***（13）和蓄冷/蓄热设备（20）；所述太阳能发电***（1）、斯特林热发电***（2）均与电解水***（3）连接，所述电解水***（3）分别与储氢罐（4）、储氧罐（6）和氢膨胀发电***（7）连接，所述储氢罐（4）分别与燃料电池发电***（5）、氢膨胀发电***（7）连接；所述燃料电池发电***（5）分别与余热锅炉发电***（12）、吸收式热泵***（13）连接，所述吸收式热泵***（13）还与蓄冷/蓄热设备（20）连接；所述储氧罐（6）分别与燃机发电机组（8）、氧气用户端（16）连接，所述LNG储罐（9）与气化***（10）连接，所述气化***（10）分别与天然气燃料电池***（11）、燃机发电机组（8）和蓄冷/蓄热设备（20）连接，所述天然气燃料电池***（11）分别与余热锅炉发电***（12）、吸收式热泵***（13）连接。
3.根据权利要求2所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***，其特征在于：所述氢膨胀发电***（7）与氢气用户端（19）连接，所述燃料电池发电***（5）与燃料电池就地用户（18）连接，所述余热锅炉发电***（12）与热用户端（17）连接，所述蓄冷/蓄热设备（20）与冷/热用户端（21）连接。
4.根据权利要求2所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***，其特征在于：所述气化***（10）与然气管道（15）连接，所述然气管道（15）与天然气燃料电池***（11）连接。
5.根据权利要求2所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***，其特征在于：所述太阳能发电***（1）、斯特林热发电***（2）、电解水***（3）、燃料电池发电***（5）、氢膨胀发电***（7）、燃机发电机组（8）、天然气燃料电池***（11）和余热锅炉发电***（12）均与电网***（14）连接。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***的工作方法，其特征在于：所述可再生能源发电***（C）利用太阳能发电，所发的电量优先供给电解水***（3），多余的电量送入电网***（14）。
7.根据权利要求6所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***的工作方法，其特征在于：所述电解水***（3）优先使用可再生能源发电***（C）所发电力和电网***（14）谷段的电力，电解水***（3）产生的氢气进入储氢罐（4）、产生的氧气进入储氧罐（6），氢膨胀发电***（7）所发电力优先供给电解水***（3）或就地消纳，多余电量送入电网***（14）。
8.根据权利要求7所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***的工作方法，其特征在于：所述燃料电池发电***（5）所发电力优先就地消纳，多余电量送电网***（14）；经氢膨胀发电***（7）后的氢气供给氢气用户端（19）。
9.根据权利要求7或8所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***的工作方法，其特征在于：气化***（10）置换出的冷量进入冷管网或需冷工艺或蓄冷/蓄热设备（20），气化后的天然气进入外输然气管道（15），或者，部分进入天然气燃料电池***（11）或燃机发电机组（8），天然气燃料电池***（11）所产生的高温烟气进入余热锅炉发电***（12）或吸收式热泵***（13），燃机发电机组（8）所产生的高温烟气进入余热锅炉发电***（12）。
10.根据权利要求9所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网***的工作方法，其特征在于：所述余热锅炉发电***（12）的余热蒸汽进入吸收式热泵***（13）或进入热用户端（17），吸收式热泵***（13）产生的冷/热量直接进入冷/热用户端（21）或经蓄冷/蓄热设备（20）后进入冷/热用户端（21）。
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