CN113424393A - 用于稳定电网的方法、装置以及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于稳定电网的方法、装置(1)和***，其中，所述电网通过从电网(DSN)中提取过剩的电能、一方面将电能转换到可存储的能源中并对其进行存储、另一方面对存储的能源再转化并馈送到电网(DSN)中来平衡电能的产生和消耗进行稳定。根据本发明，当电能的产生高于消耗时，通过使用先前循环中通过再转化形成的二氧化碳(CO2)，所述能量以化学形式转换并存储为至少一种烃作为可存储的化学能源，其中通过使用二氧化碳(CO2)和氢气(H2)来合成至少一种烃，氢气(H2)是通过使用待存储的电能通过电解由水(H2O)获得。

Description

用于稳定电网的方法、装置以及***
技术领域
本发明涉及一种用于稳定电网的方法和装置，其中，通过借助于从电网中提取过剩的电能、一方面将电能转换到可存储的能量载体中并且对其进行存储、另一方面使存储的能量载体反向发电并且馈送到电网中，来平衡电能的产生和消耗以实现稳定。本发明还涉及一种用于稳定电网的***。电网是指用于传输和分配电能的装置。
背景技术
通过能源转型，电能的发电将完全转换为从可再生能源进行发电，而不会进一步排放CO2。这种发电鉴于白昼时间、天气和季节而言是不稳定的。目前，每天存在特定的电能消耗，为此必须提供特定的电量和发电能力。
每小时甚至每天都有可能存在可再生能源发电不能满足需求的情况(例如在黑暗的间歇期、在风中的间歇期或在发电技术的中断期)。也存在发电量过大的情况，从而必须对发电设备进行调整以降低其功率，这会降低发电设备的效率并且也有可能会导致对未产生的电的消极成本。
为了实现更稳定的供应，也可以根据当前电力供应情况来调整智能电网和智能用电设备的用电量。但是这不足以例如克服用电间歇期。
在例如抽水蓄能电厂中的物理存储是一种有效的选择，尤其是通过挪威和阿尔卑斯山地区的蓄能湖进行存储，然而合适的地点仅是有限存在的。此外，也有可能在蓄电池(也称为电池组)中化学地存储电能。但是，当它们被实施为大型缓冲存储设施时，其不能解决所面临的任务，因为利用其甚至不能近似地达到电网稳定所需的存储容量。它们非常适合电网中必要的短期调节。对于短期存储，也越来越多地使用称为超级电容的高容量电容器。这还是不能基本上满足电网稳定所需的存储容量。
还计划在国内或相邻国家(例如与挪威形成的北联(Nordlink))使用大功率电力线、通过交换可再生电力来促进稳定性。该交换规定，放出余量并接收电力以满足国内的供应缺口。由于线路长度长达500km，所以这种***的成本非常高，并且实际的整体存储效率也仅为50％。
上述技术方案不足以通过必需的存储量来保证电力供给的稳定，从约40％的年消耗量、即约60TWh的存储需求的预测出发，对于所需的30GW的峰值发电量而言，大容量存储设施因此是不可避免的。
因此，优选提供以化学能的形式大量存储电能的方法。出发点是制备氢作为能量载体，但存储和运输是昂贵的并且存在风险。氢的比能量密度例如与甲烷相比非常小。为此，目前以及将来都没有并且也不会有用于此目的的必要的大型氢存储设施。
建立在从电力获得的氢的基础上、且根据萨巴蒂埃工艺使用CO2合成甲烷或另外还合成甲醇或其他烃的方法，展示了可持续的、有针对性的、用于存储电力的解决方案。
由文献DE 10 2012 105 736 A1已知一种用于存储电能的方法。所提出的解决方案旨在利用来自褐煤发电厂的废气的CO2将来自可再生能源的电力存储到化学能源载体中。但是，这最终与电网的稳定无关，而是用于减少褐煤发电厂的特定的CO2排放量。这种使用在技术设备中形成的二氧化碳将电能存储在烃中的方法的特征在于，在使用二氧化碳、水和电能的情况下，为技术设备提供至少一种烃、尤其是甲烷的合成。电能以化学形式通过烃来存储。但是，在所述方法中，在其燃烧时最后又释放化石的CO2，尽管有更少的残余。然而，该解决方案的缺点是，作为CO2源的技术设备对于所提出的方法的功能而言是强制必需的。CO2在技术设备中由化石能量载体的燃烧产生。其它值得注意的CO2源不可用，尤其是对于从环境空气中获得CO2而言，由于CO2含量极低和由此产生的高耗费使得其不是技术上有意义的、能量上以及经济上高效的替代方案。在将电力供应转换到可再生能源的过程中，燃烧化石的能量载体的技术设备不再是能源供应***的一部分。
这导致旨在以烃(特别是甲烷气体)形式存储来自波动来源的多余电能的所有设计方案的显著问题，因为使用了CO2源，其中CO2的排放仍然源自化石原料的燃烧。
虽然为了回避该问题也存在用于CO2循环引导的设计方案，例如在文献US 5 711770 A中所描述的那样。在那里，使用从燃烧设备的烟气中分离出的CO2，以随后与来自电解设备的氢合成甲烷。燃烧设备使用烃来发电。然后将这样产生的甲烷再次用于产生能量，然后从其燃烧中放出清洁的、但是包含化石CO2的废气。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供用于有效地并且成本低廉地稳定电网的方法和装置或者这种装置的***，其中，所述稳定通过平衡电能的产生和消耗来实现。
该目的通过一种用于稳定电网的方法来实现，其中，所述稳定应通过平衡方式来进行，其中，在产能过剩时根据需要提取电力并且在进行中间存储之后在短缺时馈送。一方面，将由发电机产生的超出需求或消耗的过量电力从电网中提取出并且转换成可存储的化学能量载体。根据本发明，烃类、特别是甲烷，被提供作为能量载体。其存储方式简单，并且在不需要额外投资的情况下在可容纳的、已经存在的、用作大型存储设施的天然气网络中进行。另一方面，在现有的发电机由于低功率或需求增加而无法再满足电力需求的情况下，借助于电力的馈送来进行，通过大型存储设施中存储的化学能量载体的反向发电来获得电力。这避免了CO2的排放。
根据本发明，电能、电力的转换和存储以化学形式作为至少一种烃在使用二氧化碳(CO2)的情况下进行，所述二氧化碳在之前的循环中通过反向发电形成并且在需要时在此期间被存储或输送。具有发电目的的烃燃烧过程被称作反向发电。在将电力转换为化学能量载体时，在使用二氧化碳(CO2)和氢气(H2)的情况下进行至少一种烃(化学能量载体)的合成。氢气(H2)是在电解过程中在使用待存储的过剩电能的情况下由水(H2O)获得。
根据有利的改进方案，除了氢气(H2)以外还存储同样在电解过程中产生的氧气(O2)，并且在时间上错开的反向发电的燃烧过程中代替环境中的空气而用于输送到燃烧过程的燃烧空气中。
有利地，根据本发明的装置还包括二氧化碳(CO2)的调节设备，该调节设备来自用于由烃产生电能的反向发电电厂。根据另一有利的设计方案，根据本发明的装置包括用于在合成设备中产生的烃的分离和调节设备以及用于中间存储烃的烃存储设施，尤其是在电力需求时在反向发电电厂中燃烧之前。还提供了用于将至少来自电解的烃和合成的氧(O2)供应到反向发电电厂的装置，其适于使用合成的氧(O2)燃烧形成的烃。
根据另一有利的改进方案，设置一种用于引导除了反向发电电厂中的氧气(O2)之外的二氧化碳(CO2)的一部分返回以替代在燃烧所存储的烃的燃烧空气中的相应的氮(N2)份额的装置。将一定份额CO2与所述燃烧空气混合，从而使其在特别有利的情况下仅仅由氧气(O2)和二氧化碳(CO2)构成。该份额如此选择，使得其对于所使用的用于保证工作方式的燃烧设备而言是有利的。CO2在此在燃烧设备中循环，其方式是，使CO2从废气中分离并且添加到燃烧过程中。利用这种人造的CO2燃烧空气，在能量和设备方面明显使得从燃烧废气中分离所需CO2变得容易。
用CO2代替在燃烧空气中以超过70％体积存在的氮的优点是，空气中的氮气不再是燃烧空气的组成部分，并且在烟气中仅存在CO2、H2O和其他少量存在的燃烧气体。由于没有外来气体(例如没有NOx)，所以用于CO2的分离设备可以变得简单得多，并且与利用空气中的自然氮份额工作的投资需求相比，预计仅具有约1/10的投资需求。
极简化的CO2分离工艺技术的原因是在H2O蒸汽冷凝之后的CO2分压几乎是100％。在使用环境空气的正常燃烧中，在烟气中存在高达70％的非常高的氮气分压，而CO2的分压仅为大约20％。
所提出的方法的特别有利的效果是，通过CO2含量使供给到燃烧过程的含有CO2的替代空气具有冷却作用。因此，可以经由CO2份额来这样调节燃烧温度，使得该燃烧温度不超过分别使用的燃烧技术所允许的值。同时，对于仅用氧气燃烧需要特殊且昂贵的、可承受燃烧室中提高的温度的设备技术而言，本发明实现了使用和结合常规的、不能用于高燃烧温度的燃烧技术，如其例如在用几乎纯氧气燃烧(氧燃料方法)时出现的那样。
反向发电电厂有利地具有用于力热耦合的设备。用于力热耦合的设备优选设计为燃气和蒸汽发电厂、内燃机，例如燃气发动机或燃气涡轮机，用于在用于燃烧天然气并获得电热的中央供暖站(Blockheizkraftwerk)中使用，或者实施为燃料电池装置。
有利地，待存储的烃以气态形式存在，并且烃存储设施被实施为气体存储组件。就这一方面而言，已证明特别有利的是，气体存储组件包括具有相关联的现有天然气存储设施的现有天然气网络NGN，至少甲烷气体被供给至该现有天然气存储设施。可以额外地加入直接来自电解的氢(H2)的一定份额。
因此，对于具有大容量且没有重要的技术附加设备的特别有利的能量存储而言，使用现有的、广泛分布的并且与气体存储设施(例如穴)连接的天然气网络NGN作为用于根据本发明形成的化学能量载体、有利地合成甲烷SNG的能量存储设施。与其他能量存储设施相比，由此在NGN中可以存储明显更大的能量。NGN的当前可用的存储容量还可以通过简单的手段甚至可以显著地扩展。随着在现有的气体存储设施中的几个mmWS左右的压力增大，可以存储在与几个TWh等价的范围内的另外的能量的量。
因此，优选使用由氢气(H2)和存储***中在工艺技术上可用的二氧化碳(CO2)合成的气态甲烷SNG作为用于存储的能量载体。氢气(H2)来自于以过剩的电力运行的电解。此外，在燃气发电厂使用来自天然气或将来逐渐合成的气态甲烷SNG的时间偏移的、必要的反向发电的二氧化碳(CO2)。二氧化碳(CO2)在被用于燃烧之前被中间存储，从而不会产生CO2排放，因为NG目前在天然气网络NGN中大量源自化石。二氧化碳(CO2)只能在以后才可以至少部分地并以增长的规模来自可再生能源。本发明的方法有助于“低碳化(Dekarbonisierung)”，因为不再有另外的CO2从相关的技术工艺进入大气。
本发明的另一方面涉及一种用于稳定电网的装置，其中，通过借助于从电网中提取过剩的电能、一方面将电能转换到可存储的能量载体中并且对其进行存储、另一方面使存储的能量载体反向发电并且馈送到电网中，来平衡电能的产生和消耗以实现稳定。根据本发明，为了将电能转换成烃，设置有用于至少产生氢气(H2)的电解设备、优选实施为用于甲烷合成的设备的合成器件，用于在使用氢气(H2)和二氧化碳(CO2)的情况下产生至少一种烃，优选甲烷。此外，设置一种用于发电的反向发电电厂，所述反向发电电厂在需要时馈送到电网中以稳定所述电网。
此外，根据本发明的装置的一个有利的实施方式包括：用于来自反向发电电厂的二氧化碳(CO2)的、用于由烃产生电能的调节设备，用于所产生的烃的分离和调节设备，和/或烃存储设施NGN。此外，设置有用于将至少烃和合成氧(O2)输送到适用于在使用合成氧(O2)的情况下燃烧所形成的烃的反向发电电厂的装置。
根据另一种有利的实施方式，设置有用于引导除了反向发电电厂中的氧气(O2)之外的二氧化碳(CO2)的一部分返回以替代用于燃烧烃的燃烧空气中的相应的氮(N2)份额的装置。烃存储设施NGN优选地实施为气体存储组件。甲烷尤其设置为所述烃，并且反向发电电厂具有用于力热耦合的设备。特别优选地，用于力热耦合的设备实施为燃气和蒸汽发电厂、用于燃烧天然气的中央供暖站或燃料电池装置。此外，已证明有利的是，气体存储组件包括具有现有天然气存储设施的现有天然气网络NGN，至少甲烷被供给给该现有天然气存储设施。
根据本发明的用于稳定电网的***是本发明的另一方面，并且包括多个用于稳定电网的装置，所述装置分别包括电力存储单元SSE和反向发电单元RSE。因此，根据本发明的***由平面分布的电力存储单元SSE元件和相关联的反向发电元件RSE的组合构成，这些元件连接到电网(例如德国境内电网DSN)中，电网还在国际上与其他国家连接，以及连接到天然气网络NGN处，天然气网络NGN还在国际上与其他国家的天然气网络连接。
此外，SSE和RSE经由更高级别的经典或因特网通信连接，并且在调节整个电网的稳定性时主动地一起作用。在每个单元中，至少用于存储在烃存储设施(优选实施为天然气网NGN)中的烃可以由电能过剩来生产，或者在电力需求时至少将存储的烃从烃存储设施中提取并且由此产生用于馈送到电网中的电能。
NGN用作大容量的存储设施。在电力过量的情况下，由DSN送入SSE以用于以甲烷(SNG)的形式存储电力，其中甲烷由氢(H2)和产生的二氧化碳(CO2)合成，送到NGN。当DSN中需要电力时，通过反向发电从NGN中的天然气或SNG获得电力，并将电力馈送到DSN中。
根据一个有利的改进方案，所述网络还至少部分地包括用于将二氧化碳(CO2)从在该组合的装置之间的反向发电电厂中运输出来的CO2气体网络、和/或用于将氢气(H2)从在该组合的装置之间的电解装置中运输出来的氢气网络。另一有利的改进方案至少部分地设置CO2存储设施和/或氢存储设施，在那里可以在运输之前或之后或者在运输路径上的有利位置处存储气体。
在优选实施方案中，RSE联合地由以下基本元件组成：
在NGN处的、用于提取气体、天然气或SNG的合适接口，
发电厂，其通过用于使用产生的废热的设备，使用NGN中的气体来获得电力，
用于从发电厂的废气或燃烧废气中分离H2O和CO2的设备，
具有到SSE的输入管道的CO2存储设施，
用于来自电解的氧气的、从SSE到RSE的氧气管道；
用于混合人工燃烧空气的设备，人工燃烧空气由来自电解的氧气和来自分离的循环运送的CO2组成；
用于向DSN供电的合适的馈送接口。
在优选实施方案中，SSE由以下基本元件组成：
用于从DSN提取电力的合适接口，
用于水电解的设备，
用于甲烷合成的设备，该设备具有用于调节甲烷气体的设备和用于提取高温废热以供进一步使用的设备，
用于氢气(H2)的缓冲存储设施，
用于氧气(O2)的存储设施，其具有到RSE的输入管道，
从RSE的CO2存储设施到SSE的CO2的输入管道，
到NGN的合适的SNG馈送接口。
RSE和SSE可以直接并排放置或在空间上分离，通过管道连接，例如以就地使用废热。
当储备的甲烷是合成的并且存储到大型存储天然气网络NGN中时，会使用所存储的氢气。互连的SSE和RSE的运行方式与电网调节一起被集中控制。
控制的目的是：
通过连接的SSE，将SNG形式的电力储存到NGN中以进行储备，
在出现电力过剩的情况下，通过连接的SRE，在NGN中存储SNG形式的电力，
如有必要，经由反向发电，由NGN中的SNG或甲烷将电力经由连接的SRE馈送到电网，和
确保在燃气发电厂中在SNG的反向发电中不排放CO2。
因此，本发明展示了一种基于CO2的大容量电力存储设施***，其具有至大气的、最少的CO2排放，或者完全没有CO2排放。根据本发明的方法使用CO2来存储能量，而不额外地排放CO2。该方法模仿天然植物过程，其中CO2用作用于存储能量的工作材料。
中心方法是，在风能和太阳能的良好可用性的情况下，借助电解制造氢气以用作合成甲烷气体的基础材料。将二氧化碳加入到氢气中，得到人工合成的甲烷气体SNG以作为富能物质。另一方面，将人工合成的甲烷存储在根据现有技术的已经存储天然气的地方：在现有的天然气网络中。天然气网络具有如此大的存储容量，使得其还可以容易地容纳一定量的气体，该气体在无风和阴天时在高效的、可良好调节的燃气发电厂中可气候中性地反向发电。这例如在德国足以弥补至少两周不利的、限制或妨碍可再生能源发电的天气。最后，CO2是用于能量存储的工作材料，如在自然界中，其保留在根据本发明的存储***中，并且既不需要被排放也不需要新的供给。
只要来自存储的电力和热的使用收益不足以在企业经济上成本覆盖地运行存储***，则从成本的角度来看，根据本发明的***可能用于电网的调节和稳定。只有通过这种调节和稳定，可再生能源才能在尽管波动产生的情况下也能满足不同负载条件下的需求。
作为经济评估基础的国民整体经济计算，必须同时考虑以下效果：
用于稳定电网的国民经济需求；
减少输电线路的负荷或省去新设备并节省相应的成本；
结构变化的影响：提供新的和维持现有的工业工作站，在区域中提供工业前景作为针对移民(Abwanderung)的手段，开发新的出口经济；以及
明显的国家贸易，以减少针对政治的日益增长的失望。
工艺损耗以热量的形式出现，该热量可以在其它方面被利用。在该方法中，出现的损耗因此是热学的类型。它是基于从电网提取的电力产生的，而电网基于可再生能源。
同样地，这里需要确保所需存储设施的企业经济上有效的运行。这可以或者通过针对存储的SNG匹配的气体价格来实现，或者将存储设施与待稳定的电网相关联并且通过网费的附加费来占用，以由此确保企业经济上的可行性。网络运营商可以预存网络技术上的操作工具，以确保电力供应***的安全性和可靠性。
如果将来也要被关停的、以化石的天然气工作的燃气发电厂被职能转换成用于根据本发明的方法的反向发电KW，则可以进一步改善经济状况。因此，对于根据本发明的设备，将省去用于新设备的可观花费或成本，这体现了本发明的基本效果。仅通过根据本发明的方法就可以实现用化石的天然气工作的燃气发电厂的职能转化。
下面借助于实施例和其在相关联的附图中的图示的描述，对本发明进行详细解释。
针对2017年至2037年期间进行了如下预测，也即，为了利用当前可再生能源生产商的波动的电力供给来稳定电网DSN，需要什么样的电力存储容量。根据这一预测，在2037年，电力存储设施需要具有总计30GWel功率和52TWhel/a容量的输出规模。该数量级仅能通过现有天然气网络所展示的巨大的存储设施来覆盖。
如果由于存储规模而使用根据本发明的方法来将电力转换为SNG，则预期得到76GWel的输入规模和131TWhel/a范围的提取功率。以存储设施为例，作为根据本发明的具有100MWel功率和1GWhel容量的装置的一个实施例的组成部分，说明了该方法。存储设施由两个部件也即RSE和SSE组成，它们时间错开地并且必要时也在空间上分开地进行工作：
用于电力馈送的反向发电单元RSE尤其实施为反向发电电厂RVKW，例如以燃气和蒸汽发电厂GuD的形式，其利用存储在天然气网络中的SNG(目前是平衡地)运行。GuD使用燃气涡轮机以及随后的蒸汽涡轮机，并且因此达到高达60％的发电效率。RVKW为了燃烧而使用在电解时所获得的氧气代替空气。因此，从烟气中分离CO2非常容易。RVKW在需要稳定时将电力馈送到电网DSN中。将分离出的CO2存储在30bar压力的存储设施中，用于甲烷合成中的时间错开的使用。存储设施的体积取决于要设计多高的存储容量。
电力存储单元SSE：利用所存储的电力，通过电解获得氢气和氧气。氧气被存储在压力存储设施中，以用于在RVKW中时间错开地使用。连同来自RSE的存储设施的CO2一起，在合成设备中，在30bar和300℃下，利用所产生的氢气形成甲烷。甲烷作为合成天然气SNG在调节后被馈送到天然气网络。
为了满足总的需求，安装根据本发明的平面分布装置1。在存在于设备1中的两个部件也即RSE和SSE中的每一个中，不会产生更大规模的化石废热。这可以就地利用，由此总体上显著地改善了该方法的效率。
附图说明
在根据图1的工艺结构图中，示出了作为实施例实施的、100MW/1GWh电力存储设施的器件规模和物质流量，其中，该实施例的工艺技术上和器件技术上的设计是针对具有100MWel的装机功率和1GWhel容量的存储设施进行的。
附图标记说明
bar 过压(1bar＝105N/m2)
DSN 德国境内电网
GuD/GuD-KW 燃气和蒸汽发电厂
GWel 千兆瓦电功率(千兆＝109)
Ki，i＝1..5 主部件
K1 GuD发电厂
K1.1 冷凝水存储设施
K2 CO2存储设施
K3 O2存储设施
K4 电解
K4.1 氧气过剩
K4.2 氢气缓冲存储设施
K5 甲烷合成
mmWS 毫米水柱(压力)
MWel 兆瓦电功率(兆＝106)
NG 天然气
NGN 天然气网络
RSE 反向发电单元
RVKW 反向发电电厂
SNG 合成天然气(Synthetic Natural Gas)
SSE 电力存储单元
TWhel 太瓦时电能(太＝1012)
具体实施方式
在自然界中，在不利用CO2的情况下，不能存储入射到地球上的太阳能。为了其新陈代谢，植物会放出CO2，以在太阳不照耀时保持其功能。但是，在生物质中，用CO2存储如此多的太阳能，使得由此最终供养全体人类。在CO2协作下，通过利用太阳辐射实现了人类的生命能量，当然对于植物和动物来说也是如此。
将生物质应用于最终具有基于CO2的营养(以及植物和动物)的人类能量过程，导致了CO2排放，其中CO2然后被再次用于生物质中的太阳能存储。然而，总体来说，该太阳辐射-CO2-生物质过程不会导致大气中CO2的增加。
天然气网络展示了大型技术煤制氢***，类似于自然界中的生物质的存储***，特别地，由太阳能产生的电力和CO2合成的甲烷被存储在其中，并且当需要电力时再被提取。在再发电中产生的CO2被保留用于甲烷合成中的再利用。
存储的需要是明显的。从可再生能源例如借助光伏设备从太阳辐射中、借助风能设备从风中、借助水力设备从流水中获得的电力是不稳定的或者说是波动的。发电量受到自然出现的日常和季节性以及天气条件、在总体上涉及各可再生能量载体的功率的显著波动的影响。随着可再生能源电力份额的增加，不稳定的电力供应问题变得越严重。就德国的目标而言，即到2050年在所有地区达到至少95％，这个问题是严重的。
德国在2017年的毛总耗电为654TWh/a，其中244TWh来自可再生能源，148TWh来自褐煤，76TWh来自石煤，86TWh来自化石燃气。2017年，发电厂用于发电的可再生能源的装机功率是112.537MW，其中50.291为风电(陆上)，42.339MW为光伏发电。不可再生能源的发电厂装机功率为103.046MW，其中包括了9.848MW的抽水蓄能电厂。
现在已经在来自可再生能源的电力过度供应时考虑到，尽管存在着整体的、全国性的电网，但仍可成片地导致供电的中期的完全停电。另一方面，这可能导致在风力设备和光伏设备中的发电期间的溢流，从而必须对此进行下调，以不损害网络的稳定性。这种方式是成本高昂的，如现在已经确定的，因为未利用的电力是基于法律而被赔付的。
目前，偶尔的缺电问题由可再生能源发电厂通过一些抽水蓄能电厂、备用或运行的煤电厂或燃气发电厂来补偿。在未来，波动还可通过更智能的网络和相互协调的更智能的用电器来缓冲。
然而，随着能源向可再生能源的转变，存在不可避免的要求，也即在扩大可再生能源的发电量的同时，向电网提供大容量的长期的电力存储，尤其是过剩电力和备用电力，以及由这些电力存储设施提供高效率的大容量发电。根据2017年的数据对所需的电力存储设施进行了预测，以及对时间序列2017-2022-2027-2032-2037的供电设计了粗略的平衡模拟。
电力需求保持在654TWh的值。可以假定，电力应用的能源效率将增加至少50％，并且因此电力使用将存在于该范围内。然后，一致使用2017年以来所有电厂、尤其是可再生能源发电厂的满负荷小时数，来建立发电与装机功率的比率。随着海上风电设备份额的增加，该状况可以得到改善。存储设施在供应安全性方面发挥着重要的作用，所述存储设施必须越来越强烈地保护电网(DSN)的稳定性，以防止可再生能源发电的日益波动。在此，从2017年已有的存储设施开始，根据可再生能源发电量的增加要求来确定存储设施性能的增长率。
根据预测，需要76GW输入和30GWel输出的反向发电燃气发电厂的存储设施初始容量，以确保足够和稳定的供电。通过30GWel存储设施输出电力来弥补缺口，以确保650TWh/a的假设需求，该需求仅来自可再生能源的使用。
包括这些的一些存储技术(在这里以德国为例，可在德国境内保护)是已有的天然气网络作为SNG的存储设施，并且又可在德国范围内从该存储设施中进行再提取以用于反向发电。它能够存储从130TWh的存储设施中获得的、例如来自可再生能源的80TWh规模的SNG。无论涉及哪种存储设施结构，一个基本的结论是发电***必须具有比消耗所需的发电容量更高的发电容量，以覆盖存储设施损耗。
对于工艺技术上的实施，根据本发明的用于将电能存储在烃类中的***包括两个基本部件，也即反向发电单元RSE和电力存储单元SSE：
RSE包括反向发电电厂RVKW，特别是燃气和蒸汽发电厂GuD，其使用现有的天然气网络中的SNG(在平衡中，实际上用天然气)从反向发电中产生存储设施输出电力，并且用于馈送到电网DSN中。从反向发电电厂的烟气中分离出甲烷合成所需的CO2。
如果RVKW使用纯氧替代来自环境的燃烧空气、或者优选在本发明的上下文中使用人造空气(替代空气)进行操作，则可以简单地设计分离。替代空气由氧气与CO2混合组成，CO2在循环中被运送。为此，氧气来自于下面描述的SSE的电解。
由于体积的减少以及甲烷合成所需的30bar的工作压力，CO2在RSE中存储在压力存储设施中。
SSE是由压力电解设备组成的电力存储设备，该压力电解设备由待存储的电力产生压力为30bar的氢气(和氧气)。在SNG合成设备(也称为甲烷合成设备)中，使用氢与来自RSE的存储设施的CO2来合成甲烷，并在每种情况下，在调节后根据需要馈送至天然气网络NGN中。
SSE还包括用于所获得的氧气的30bar的压力存储设施，该压力存储设施用于上述RSE。也可能出现氧气过剩K4.1，其被输送给其他的技术应用。
RSE从用作存储设施的天然气网络NGN中获取其运行能量，根据需要将电力馈送到电网DSN中并且能够输出废热，尤其是当RVKW的运行在力热耦合中实现时。在反向发电中，存储在SSE中的电能的40％(根据现有技术的效率)可以被回收。
SSE和RSE可以一起设置在一个位置或附近。但是，在替代的设计方案中，有意义的是，将SSE与RSE分开地设置，并且将CO2优选经由管道从RSE运送至SSE。同样，必须从SSE将O2管道引导到RSE。在这种情况下，必须根据项目来决定CO2存储设施应该处于哪个位置。当在所选位置处可以良好地使用来自电解(在低温下20-30％)和来自放热合成(在300℃下20-30％)的大量废热时，则进行分离是特别合适的。这对于***的经济运行是非常有利的，并且也改善了能量效率。
原则上，RSE和SSE的运行时间在时间上也是分开的，由此导致不同的运行情况。下面描述最重要的运行情况。RSE包括主部件K1和K2，SSE包括主部件，如有可能，K2以及K3、K4和K5，如图1所示。
运行情况1-通过电力馈送来稳定电网：
运行情况在图1中通过虚线示出其走向。RSE正在运行，因为在电网DSN中存在电力馈送的需要。为此，NG从NG网络被提取，且O2来自SSE并存储在SSE，O2从存储设施K3中被提取。CO2从GuD K1的烟气中分离出来，并且输送到CO2存储设施K2，在那里它在压力下被存储以用于以后在SSE中使用。在这种情况下，SSE没有运行。或者，CO2可以首先被添加到RSE中的燃烧中，并且被循环运送。
运行情况2-通过接收过剩电力来稳定电网：
在电网DSN中存在过剩的电力。RSE停止，SSE正在运行。通过主部件K4中的电解，从过剩的电力获得O2和H2。来自CO2存储设施K2的CO2与获得的H2在SNG合成设备K5中合成甲烷，并将甲烷存储到NGN中。
运行情况3-通过接收负载来稳定电网：
这种运行情况在图1中通过点划线示出。在电网DSN中还不存在过剩的电力，但是表现出大的耗电器的断开，或者经由电网DSN从国外购买来自可再生能源的便宜电力是有意义的。RSE停止，SSE投入运行。O2和H2是从电力中电解地获取的，它们可以分别中间存储在缓冲存储设施K2、K4.2中。在SNG合成设备K5中，用获得的H2与CO2存储设施K2中的CO2合成甲烷，并将甲烷存储到NGN中。
对于根据本发明的用于稳定电网(DSN)的装置1，可以将现有的燃气发电厂用作反向发电电厂，其可以以简单的方式并且在继续使用主机组的情况下被扩展成在实施例意义上的RSE。为此，必须重新构建SSE，以产生根据本发明的存储***。
根据本发明的用于稳定电网(DSN)的装置1应分布在较大的区域上(例如德国)，并设立有高达100MWel反向发电功率的模块大小。对于所需的30GW的存储功率，需要300个根据本发明的用于将电能存储在烃中的各自为100MWel的***。其中的一组可以由已经存在的燃气发电厂形成，在本发明的意义上，电力存储单元SSE设立在燃气发电厂处或安装在其它地方。
下面是上述实施例的方法描述，具有100MWel电力馈送功率和1GWh容量的模块：
对于具有安装的100MWel再发电功率的RSE，在62％效率下对于GuD K1的燃烧计算会需要162MWtherm/h，其将消耗14.600Nm3/h的天然气。当GuD使用来自电解的氧运行时，废气由14.600Nm3 CO2/h和29.208,27Nm3/hH2O蒸汽组成，其可冷凝成23.5m3/h的水并且对于电解K4而言是可再使用的。所产生的冷凝废热可以用于该工艺或用于外部的热消耗体。设置成将水存储在冷凝水存储设施K1.1中，并且为前述使用做好准备。
从GuD K1的燃烧废气中分离出的CO2被压缩到30bar的合成压力，并且存储在CO2存储设施K2中，例如在盘式气体存储设施中。在30bar时，CO2的必要的中间存储体积减小到大约4.400m3/h。
这种存储的CO2形成了合成SNG的基础。如果CO2存储设施K2被设计用于1GWh的馈送容量，则需要总共44.000m3的CO2存储体积。所需的CO2存储设施K2作为立方体将具有35m的边长，作为球体将具有44m的直径，或者作为圆柱体将具有35m的高和40m的直径。
在电解K4中产生的氧气在GuD K1中使用并例如用于纯氧燃料燃烧过程或者用于在替代空气中燃烧，该替代空气由氧气(O2)与CO2的混合物组成。因此，相比于利用环境空气的燃烧，CO2分离尤其得到极大简化。在100MWel下，也需要14.600Nm3/h O2。氧气源自用于电解的设施K4，优选设计为压力电解，并且在至少30bar的压力下。因此，氧气和CO2需要同样大的存储设施K3。主部件K1和K4放出废热，以用于进一步使用。

Claims (16)

1.一种用于稳定电网的方法，其中，通过借助于从电网中提取过剩的电能、一方面将所述电能转换到可存储的能量载体中并且对其进行存储、另一方面使存储的能量载体反向发电并且馈送到电网中，来平衡电能的产生和消耗以实现稳定，其特征在于，在电能的产生比消耗高的情况下，在使用先前循环中通过反向发电形成的二氧化碳(CO2)的情况下，以化学形式转换并存储为至少一种烃作为可存储的化学能量载体，其中在使用二氧化碳(CO2)和氢气(H2)的情况下进行至少一种烃的合成，氢气(H2)在电解方法中在使用待存储的电能的情况下由水(H2O)获得。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在燃烧过程中至少将在电解(K4)中同样产生的氧(O2)加入到反向发电中，使得燃烧空气中相应的氮(N2)份额至少部分地被氧(O2)替代。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在反向发电过程中设置一部分的可用二氧化碳(CO2)的循环，并且通过二氧化碳(CO2)完全代替燃烧空气中除了氧气(O2)之外存在的相应份额的氮气(N2)，所述氧气(O2)对于用于反向发电的烃的燃烧是必要的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中为了反向发电，在燃气和蒸汽发电厂(K1)或在燃料电池装置中进行烃的燃烧。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在合成期间和/或在烟气净化和/或二氧化碳(CO2)分离期间，由烟气获得的水在电解和/或调节的方法步骤中被利用。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将来自所述电解装置(K4)的氢气(H2)直接混入所述气态烃中。
7.一种用于稳定电网的装置，其中，通过借助于从电网中提取过剩的电能、一方面将所述电能转换到可存储的能量载体中并且对其进行存储、另一方面使存储的能量载体反向发电并且馈送到电网中，来平衡电能的产生和消耗以提供稳定，其特征在于，为了将电能转换成烃，设置有用于至少产生氢气(H2)的电解装置(K4)、用于在使用氢气(H2)和二氧化碳(CO2)的情况下产生至少一种烃的合成设备(K5)，其中，另外设置用于从烃产生电能的反向发电电厂(K1，RVKW)。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，还设置有针对来自所述反向发电电厂(K1)的二氧化碳(CO2)的调节设备、用于所产生的烃的分离和调节设备和/或烃存储设施(NGN)，其中，设置将至少烃和合成氧(O2)输送到适用于在使用合成氧(O2)的情况下燃烧所形成的烃的所述反向发电电厂(K1，RVKW)。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，还引导除了反向发电电厂(K1，RVKW)中的氧气(O2)之外的二氧化碳(CO2)的一部分返回，以替代在用于燃烧烃的燃烧空气中相应的氮(N2)份额。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其中，所述烃是气态的，并且所述烃存储设施(NGN)实施为气体存储组件。
11.根据权利要求10所述的装置，其中提供甲烷作为烃，并且所述反向发电电厂(K1，RVKW)具有用于力热耦合的设备。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述用于力热耦合的设备实施为燃气和蒸汽发电厂(K1)、用于燃烧天然气的中央供暖站或燃料电池装置。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述气体存储组件包括具有至少供给甲烷的现有天然气存储设施的现有天然气网络(NGN)。
14.一种用于稳定电网的***，其特征在于，根据权利要求7至13中任一项所述的用于稳定电网(DSN)的多个装置(1)以如下方式联接成组合，使得在每个所述装置(1)中，由过剩电能至少产生存储在所述烃存储设施(NGN)中的烃，或者在电力需求时至少将所存储的烃从所述烃存储设施(NGN)中提取并且由此产生电能。
15.根据权利要求14所述的***，其中所述组合至少部分地还包括用于将所述二氧化碳(CO2)从所述反向发电电厂(K1，RVKW)运输到所述组合的装置(1)之间的CO2气体网络和/或用于将所述氢气(H2)从所述电解装置(K4)运输到所述组合的装置(1)之间的氢气网络。
16.根据权利要求14或15所述的***，其中，至少部分地设置CO2存储设施(K2)和/或氢气存储设施(K4.2)。
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