TW201442994A - 整合的電廠和用於彈性使用電的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明有關整合的電廠，其包括用於乙炔之電熱生產的電廠及用於發電之電廠，用於乙炔之電熱生產的電廠係經由管線連接至用於發電之電廠，且電力係在用於發電的電廠中由用於乙炔之電熱生產的電廠中所獲得之氣體產物所產生。此整合的電廠藉由一方法造成彈性使用電為可能，在該方法中，於高電力供應之時刻，該用於乙炔之電熱生產的電廠***作，且除了乙炔以外，至少部分所獲得之氫及/或氣態碳化氫被儲存，並在低電力供應之時刻，所儲存之氫及/或氣態碳化氫被饋送至該用於發電的電廠。

Description

整合的電廠和用於彈性使用電的方法
本發明有關整合的電廠及用於彈性使用電的方法。
對於電力之產生，諸如風力、太陽能及水電的可再生之能源的使用正取得持續增長的重要性。電能典型被供給至多數消費者透過長測距、跨地域及跨國性耦接的電力供應網路，簡稱為電網。既然電能不能達到一定的程度地儲存於該電網本身中或不能沒有進一步的裝置，饋送進入該電網之電力必需被造成匹配該消費者端的已知為該負載之電力需求。如所習知，該負載呈時間依賴性地波動，尤其根據時刻、星期幾、及亦一年中的時刻。經典地，該負載變動被分成該三個範圍，即基本負載、中等負載及尖峰負載，且電能發電機係根據型式適當地被使用於這些三個負載範圍中。用於穩定及可靠的電力供應，電力產生及電力消耗之持續平衡係需要的。可能發生的短期偏差係藉由被已知為正或負控制能量或控制電力者所抵消。於再生電產生裝置之案例中，該困難源自於諸如風力及太陽能的某些 型式之案例中，該能量產生容量並非隨時立即可得的，且不能被以特定之方式控制，但係譬如遭受視時刻及天氣而定的波動，其係僅只在一些情況之下可預期的，且大致上不符合在該特別時間之能量需求。在波動的可再生能源之產生容量與在給定時間的消耗量間之差異通常可譬如被其他發電廠所補償、諸如燃氣、燃煤及核電廠。隨著波動的可再生能源正漸增地延伸及覆蓋該電力供應之增加的份額，其輸出及在該特別時間的消耗量間之總是較大的波動必需被抵消。如此，甚至今日，不只燃氣發電廠、而且漸增地煙煤發電廠係亦正在部分負載下操作或直下至低輸出運轉，以便抵消該等波動。既然該等發電廠之此可變的操作涉及相當可觀之額外成本，另外選擇措施的發展已被調查有一段時間。當作另一選擇或除了變動發電廠之輸出以外，一方式係適應一或更多消費者所需要之電力(例如需求面管理、智慧電網)。另一方式係當有來自可再生能源之高生產輸出時儲存部分該電力輸出，並在低生產輸出或高消耗量之時收回該電力。用於此目的，例如甚至今日抽水蓄能發電廠正被使用。亦在發展之下者係藉由水的電解分離用於以氫之形式儲存電的概念。
在此所敘述之措施全然涉及相當可觀的額外成本及效率相關的能量損失。相對此背景，有正增加的意圖，以發現抵消供電及耗電間之差異的較佳可能性，該差異由於使用可再生能源、尤其風力及太陽能所發生者。
其係由用於在電弧反應器中生產乙炔之電廠已知，它 們能被設計成藉由被打開或關閉的電弧而很好地適應於電能之高度波動的供給。然而，在此有該問題，即於此案例中，這些電廠之利用率僅只具有一相當低的程度，以致如果該電廠係僅只當有剩餘之電能時才操作，關於藉由該電廠所生產之乙炔的年均量之投資成本係很高的。
以最多20%之估計的操作時間，基於該最大可能之連續使用，不能接受地長償還時間被獲得，以致這些電廠僅只可藉由國家介入或應用特殊商業模型被造成有贏利的。當有來自可再生能源之餘量時，此估計係僅只基於該電廠偶而***作的假設。
再者，用於遍及相當長時間有相當低的可再生能量之供給的案例中，其應被陳述發電廠可確保涵蓋基本需求必需被提供。對此所需要之發電廠容量的製備必需為經濟可實行的，當作一商業事情，或盡可能藉由國家提供來為其提供資金，因為亦於此案例中，一方面有比較高的固定成本，且在另一方面有相當低之操作時間。
傳統發電廠、亦即基於化石或生物成的能源或核能的電廠可在有計劃的基礎上透過長時間提供電能。然而，用於政治上之理由，尤其永續性及環境保護的理由，基於化石能源或核能之電廠的使用係日益被減少，以支持基於可再生能源之發電機。然而，這些發電機必需關於需求被安裝，且對於其一部分能夠被經濟地操作。當基於可再生能源而來自某一程度之安裝容量時，其在經濟上更可取的是安裝儲存容量代替進一步增加之可再生能量的容量，以致 偶而在有來自可再生能量的超量電之處，其可被適當地使用及儲存，且偶而在有電的短缺之處，電可由能量貯存所或傳統發電廠所提供。如果能量消耗係更彈性而方便地造成，其能被假設在此當有一顯著之電剩餘或短缺的次數將變得較少。用於這些短的時間，盡管每件事有需要保護該電力供應，同時盡可能經濟地完成此目的。
由於該先前技藝，如此本發明之一目的係提供改良之電廠，其不被傳統方法之缺點所影響。
尤其，與該先前技藝比較，本發明之一目的係發現使其可能增加關於電能之儲存及使用的彈性之方法。
再者，該電廠將允許本身被彈性地***作，以致其係可能尤其對該供電及/或電需求中之任何變化作出彈性地反應，以便例如達成經濟之優點。同時，其應為可能甚至遍及高或低電力供應之相當長時期使該電廠被使用於儲存或提供電能。
再者，供給之安全性應藉由本發明所改善。
該電廠及該方法將亦具有該最高可能的效率。再者，根據本發明之方法將允許本身使用傳統及仍然可用的基礎結構被進行。
此外，該方法將允許本身以該等最少可能之方法步驟被進行，但它們應為簡單及可複製的。
未明確地論及之進一步目的源自以下敘述及該等申請 專利範圍之整個上下文。
未明白地論及且源自在起初所討論的情況之這些及進一步目的係藉由整合的電廠所達成，其整合一用於乙炔之電熱生產的電廠及一用於發電的電廠，並藉由通過一管線連接該等電廠，以致在用於乙炔之電熱生產的電廠中所獲得之氣體產物可被使用在用於發電的電廠中，而用於電之產生。
本發明之主題據此係一整合的電廠，其包括一用於乙炔之電熱生產的電廠及一用於發電的電廠，且其特徵為用於乙炔之電熱生產的電廠係經由管線連接至用於發電之電廠，且該管線將用於乙炔之電熱生產的電廠中所獲得之氣體產物饋送至用於發電的電廠。
本發明之主題亦係一用於彈性使用電的方法，其中在根據本發明之整合的電廠中，在高電力供應之時刻，該用於乙炔之電熱生產的電廠***作，且除了乙炔以外，至少部分所獲得之氫及/或氣態碳化氫被儲存，並在低電力供應之時刻，所儲存之氫及/或氣態碳化氫被饋送至該用於發電的電廠。
根據本發明之整合的電廠及根據本發明之方法具有一特別良好之特性範圍，而傳統方法及電廠之缺點可被顯著地減少。
尤其，其以令人驚訝之方式已被發現其係藉此可能以高度利用率操作用於乙炔之電熱生產的電廠，同時當有剩餘時，可再生能源能夠被經濟地使用。再者，該電廠允許 來自包含風力或太陽能光伏的可再生能源之電的剩餘量被轉換成可儲存之形式。
再者，當有可再生能量之低供給的一相當長時期時，電能亦可被以尤其價格便宜之方式提供。
用於乙炔之電熱生產的電廠能被很好動態地操作，且因此可被設計成易變地適應於該電力供應。同時，該整合的電廠能甚至遍及高或低電力供應之相當長時期被使用於儲存或提供電能。同時，該整合的電廠之所有零組件的令人驚訝地長使用壽命可被達成，以致其操作可被很經濟地作成。
其亦可為倘若用於乙炔之電熱生產的電廠係可控制之設計，該控制係視該電力供應而定被施行。
於根據本發明之方法的較佳實施例中，來自可再生能源之電被使用於乙炔之電熱生產。
此外，該方法可被相當少之方法步驟進行，這些方法步驟係簡單及可複製的。
來自可再生能源之電的使用能夠使本整合的電廠提供具有極少之二氧化碳釋開的化學衍生物，因為所獲得之乙炔能以很高轉換率被轉換成很多在化學上重要的衍生物，且與另外選擇的開始材料相比較，具有進一步較少之能量被供給或較大的放熱。
根據本發明之整合的電廠具有用於電能、在此中亦同義地稱為電之方便及彈性使用的作用。該整合的電廠當有高電力供應時能儲存電能，及尤其當有低電力供應時將電 能饋送進入電網。該儲存一詞在此意指該電廠當有高電力供應時將電轉換成可儲存形式之能力，在本案例中為化學能量，而此化學能量當有低電力供應時可被轉換成電能。在此案例中，該儲存能以該副產物氫之形式發生，其在來自甲烷或較高碳化氫之乙炔的電熱生產中不可避免地發生。該儲存亦能以產物之形式發生，該等產物係在乙炔的電熱生產中獲得，並於一吸熱轉換中與乙炔之形成平行地發生，譬如藉由甲烷的二分子之轉換成乙烷及氫。其在這一點上應注意的是二莫耳之甲烷(CH4)比譬如一莫耳之乙烷(C2H6)及一莫耳的氫具有較低之能量含量，以致能量可藉由甲烷之轉換成氫及具有二或更多碳原子的碳化氫而被儲存。
在用於乙炔之生產的傳統電廠中，相當大量的能量係消耗在處理該第二氣體產物，此處理盡可能地發生，以便在該等第二氣態無雜質的形式中銷售它們。在本電廠中，此純化作用可藉由使用其能量用之氣體副產物而被非常容易地作成。
根據本發明之整合的電廠包括用於乙炔之電熱生產的電廠。該電熱一詞在此案例中意指一方法，其中乙炔係於吸熱反應中由碳化氫或煤所生產，且用於執行該反應所需要之熱係藉由電力所生產。較佳地是，氣體或蒸發的碳化氫被使用，尤其偏好脂肪族之碳化氫。尤其合適的是甲烷、乙烷、丙烷及丁烷、尤其甲烷。於來自脂肪族碳化氫的乙炔之電熱生產中，氫係當作副產物被獲得。
用於乙炔之電熱生產的合適之電廠係由該先前技藝已知，譬如來自2012年Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA、魏英海姆、DOI：10.1002/14356007.a01_097.pub4的烏氏化工百科全書、第1卷、第296至303頁，來自DE 1 900 644 A1及來自EP 0 133 982 A2。
用於乙炔之電熱生產的電廠較佳地係包括電弧反應器。在此案例中，乙炔之電熱生產可於單級製程中被施行，其中至少一碳化氫係以一道氣體通過該電弧。另一選擇係，乙炔之電熱生產可在二級製程中被施行，其中氫係通過該電弧，並在該電弧下游，至少一碳化氫被饋送進入該電弧中所產生之氫電漿。
該電弧反應器較佳地係以0.5至10kWh/Nm3、特別是1至5kWh/Nm3、及尤其2至3.5kWh/Nm3的能量密度來操作，該能量密度與通過該電弧的氣態體積有關。
該電弧反應器的反應區中之溫度基於該氣體流動而變動，其抵達該電弧的中心係可能高達20000℃，且在該周邊之溫度係約600℃。在該電弧之末端，該氣體的平均溫度較佳地係於由1300至3000℃之範圍中，尤其偏好於由1500至2600℃的範圍中。
該原料在該電弧反應器的反應區中之駐留時間較佳地係於由0.01毫秒至20毫秒的範圍中、尤其偏好於由0.1毫秒至10毫秒之範圍中、及特別偏好於由1至5毫秒的範圍中。在其之後，由該反應區所顯現之氣體混合物被淬冷、亦即遭受很快速之冷卻至少於250℃的溫度，以便避 免該熱力學上不穩定的中間產物乙炔之分解。譬如，諸如碳化氫及/或水之饋送的直接淬冷製程、或諸如於熱交換器中以蒸氣產生之快速冷卻的間接淬冷製程可被使用於該淬冷。直接淬冷及間接淬冷亦可互相組合。
於第一實施例中，由該反應區顯現的氣體混合物係僅只以水淬冷。此實施例係藉由相當低的投資成本所區別。然而，用這種方法係有缺點的，即該氣體產物中所含有之能量的相當可觀部分未被使用，或僅只以低放能值被使用。
於較佳實施例中，由該反應區顯現的氣體混合物係與含碳化氫氣體或含碳化氫液體混合，至少部分該等碳化氫係吸熱地裂解。視該製程如何被進行而定，更多或較少寬廣範圍之產物藉此被生產，譬如不只乙炔及氫、同時也有乙烷、丙烷、乙烯及其他較低的碳化氫之部分。這允許所產生之熱通過供進一步使用至一遠較大的程度、諸如該等碳化氫的吸熱裂解。
在該溫度的此降低之後、譬如至150至300℃，固體成份、尤其碳微粒被分開，且則視該開始材料而定，可含有不只乙炔及氫、同時也含有諸如乙烯、乙烷、一氧化碳之另外物質、及諸如H2S及CS2的揮發性硫磺化合物之氣體混合物係通過供進一步處理，以獲得乙炔。在此案例中，乙炔可藉由選擇性吸收進入一溶劑而被與該氣體混合物分開。合適之溶劑是譬如水、甲醇、N-甲基吡咯烷酮或其混合物。用於乙炔之與該氣體混合物分離的合適方法係 由該先前技藝得知，譬如由2012年Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA、魏英海姆、DOI：10.1002/14356007.a01_097.pub4的烏氏化工百科全書、第1卷、第291至293、299及300頁，DE 31 50 340 A1及WO 2007/096271 A1。
用於乙炔之生產的電熱廠之耗電量視乙炔之生產用的計畫容量而定。如於大部分其他化學生產技術之案例中，該等特定的投資成本(用於有關所安裝之生產容量的投資之成本)隨著該電廠尺寸的增加而掉落。用於乙炔之生產的慣常電廠尺寸在於每年數10000噸乙炔至數100000噸乙炔之範圍(基於充分利用)。如該文獻揭示，用於乙炔之生產的反應部分中之特定能量需求在於每公噸乙炔由約9至約12MWhelectrical的範圍中，視所使用之原料而定。包含用於該處理的電能之需求，這給與該乙炔電廠之絕對功率需求。該想要的生產容量大致上係藉由多數電弧反應器之平行配置所達成，該等電弧反應器可被一起或分開地控制。
根據本發明之整合的電廠亦包括用於發電之電廠，在用於乙炔之生產的電廠中所獲得之氣體產物係經由管線饋送至用於發電的電廠。在此適合當作用於發電之電廠係所有可由該氣體產物產生電力的電廠。較佳地係，具有高效率之用於發電的電廠被使用。
被饋送至該用於發電的電廠之氣體產物較佳地係含有氫及/或與乙炔不同的碳化氫。該等碳化氫可為乙炔的電 熱生產之未轉化的原料、於淬冷期間所加入之碳化氫、藉由該淬冷所形成的碳化氫或其混合物。
於一較佳實施例中，該用於發電的電廠包括燃料電池。於此實施例中，該用於發電的電廠較佳地係被饋送一大體上由氫所組成之氣體產物。
於另一較佳實施例中，該用於發電的電廠包括一具有渦輪機的發電廠。尤其偏好該電廠包括能以含氫及/或碳化氫氣體來操作的燃氣渦輪機。最偏好使用的是燃氣渦輪機，其能與改變成份之含氫及/或碳化氫氣體的混合物操作。
較佳地係，具有渦輪機之發電廠係燃氣-蒸氣渦輪機電廠，亦已知為一天然氣和蒸汽聯合循環電廠。於這些發電廠中，燃氣渦輪機發電廠及蒸氣電廠的原理被組合。燃氣渦輪機在此大致上具有尤其當作用於下游廢熱鍋爐的熱源之作用，其依序當作用於該汽輪機的蒸氣產生器。
除了在乙炔的生產中所獲得之氣體產物以外，該用於發電的電廠亦可被饋送另外物質，例如用於燃料電池之操作的額外之氫、或用於渦輪機的操作或蒸氣產生器之加熱的額外燃料。
該用於發電的電廠之電力輸出可視用於乙炔之電熱生產的電廠之生產容量而定被選擇。較佳地係，該用於發電的電廠之輸出被選擇，使得用於乙炔之電熱生產的電廠在滿載之電力需求係完全被該用於發電的電廠所覆蓋。於此案例中，該電力輸出對該乙炔生產容量之比率較佳地係於 由每t/h乙炔之2至20MWelectrical的範圍中，尤其偏好於由每t/h乙炔之5至15MWelectrical的範圍中。在此案例中，該電力可被單一裝置或多數裝置之組合群族所達成，在此該組合群族(聯合電力系統)能經由共用的控制系統被達成。該用於乙炔之電熱生產的電廠用之電能亦可被由該電網抽出。類似地，該用於發電的電廠之尺寸可被設計，使得除了該用於乙炔之電熱生產的電廠以外，另外電消費者亦被供給，或至用於乙炔之電熱生產的電廠之需求的電能剩餘量被饋送進入電網。
於該整合的電廠中，該用於乙炔之電熱生產的電廠係經由管線連接至該用於發電的電廠，該用於發電的電廠係以該管線饋送該用於乙炔之電熱生產的電廠中所獲得之氣體產物。該氣體產物較佳地係由含氫及/或碳化氫的氣體所組成。該氣體產物可經由該管線以氣態或液化形式被饋送至該用於發電的電廠，在此該液化可藉由增加該壓力或減少該溫度而發生。
將該用於乙炔之電熱生產的電廠連接至該用於發電的電廠之管線較佳地係具有少於10公里、尤其偏好少於1公里之長度。
於一較佳實施例中，該用於乙炔之電熱生產的電廠具有用於分開該電熱生產中所獲得之氣體混合物的裝置，此裝置被連接至該用於發電的電廠。在用於分開乙炔的電熱生產中所獲得之氣體混合物的裝置中，乙炔係與氫及其他碳化氫分開。與乙炔分開且含有氫及碳化氫的混合物可被 直接地饋送至該用於發電的電廠。另一選擇係，氫可為與該混合物分開，該混合物與被饋送至該用於發電的電廠之乙炔及選擇性地氫或一藉此合成之含碳化氫氣體分開。類似地，含氫及碳化氫氣體亦可經由與該裝置分開的管線被饋送至該用於發電的電廠，該管線用於分開乙炔的電熱生產中所獲得之氣體混合物。氫及碳化氫之分離亦可於根據本發明之整合的電廠中不完全地發生，而不會不完全的分離，並在該電廠之操作上具有不利的效應，以致與完全分離相比較、諸如在根據該先前技藝的用於乙炔之電熱生產的電廠中所進行者，在設備上之消耗及用於該分離之能量消耗量能被減少。
於該整合的電廠之一較佳實施例中，該用於發電的電廠包括彼此分開之裝置，用於來自氫之電的產生及用於來自含碳化氫氣體之電的產生，其較佳地係經由分開之管線連接至用於分開乙炔的電熱生產中所獲得之氣體混合物的裝置。尤其偏好，該用於發電的電廠包括用於來自氫之電的產生之燃料電池、及用於來自含碳化氫氣體之電的產生之燃氣-蒸氣渦輪機電廠。於此實施例之案例中，不適合用於將富含氫之氣體轉換成電的燃氣及蒸氣渦輪機電廠亦可被使用於根據本發明之整合的電廠中。
於一較佳實施例中，根據本發明之整合的電廠額外地具有用於乙炔之電熱生產的電廠中所獲得之氣體產物用的至少一貯存所，該貯存所係經由管線連接至該用於乙炔之電熱生產的電廠及至該用於發電的電廠兩者。尤其偏好， 該貯存所被連接至該先前所述之裝置，用於分開乙炔的電熱生產中所獲得之氣體混合物，以致與乙炔分開的氫及/或含碳化氫氣體可被儲存於該貯存所中。較佳地係，該貯存所係氫貯存所。尤其偏好，該整合的電廠包括氫貯存所及用於與乙炔分開的含碳化氫氣體之貯存所。
該整合的電廠亦可額外地包括一裝置，乙炔的電熱生產中所獲得之氣體產物的成份可在其被饋送定至該用於發電的電廠之前以該裝置被改變。較佳地係，該整合的電廠額外地包括一裝置，在乙炔的電熱生產中所獲得之當作副產物的氫能以該裝置藉由費托合成或甲烷化被轉換成碳化氫。用這種方法所獲得之碳化氫可隨同與乙炔分開的碳化氫被饋送至該用於發電的電廠或由該處分開地饋送。在用於發電的電廠之案例中，氫之轉換成碳化氫簡化乙炔的電熱生產中所獲得之氣體產物的饋送，其中碳化氫被燃燒供發電，且其中燃料氣體中之氫的含量必須被保持在某些狹窄的限制內，用於可靠的操作。用於費托合成或甲烷化之合適的電廠係由該先前技藝得知，用於甲烷化譬如來自DE 43 32 789 A1及WO 2010/115983 A1。
於較佳實施例中，該整合的電廠在用於乙炔之電熱生產的電廠中包括蒸氣產生器，蒸氣係以該蒸氣產生器由該電熱製程之廢熱中產生，而在用於發電的電廠中包括一裝置，電在該裝置中係由蒸氣所產生，且包括一蒸氣管線，在該蒸氣產生器中所產生之蒸氣係以該蒸氣管線被饋送至由蒸氣產生電的裝置。
較佳地係，電弧反應器中所獲得之反應氣體的間接淬冷被用作該蒸氣產生器。由蒸氣產生電的裝置較佳地係汽輪機或蒸氣馬達，且尤其偏好汽輪機。最偏好地係，該汽輪機係燃氣-蒸氣渦輪機電廠的一部分。以此實施例，在用於生產乙炔的電廠中所產生之廢熱能被使用於產生電，且用於操作由蒸氣產生電的裝置之燃料需求能被減少。
於一較佳實施例中，根據本發明之整合的電廠額外地包括用於乙炔之貯存所。此貯存所使其可能繼續操作下游反應，用於將乙炔連續地轉換成另外產物，甚至當在該用於乙炔之電熱生產的電廠中具有低電力供應時，僅只極少或全然沒有乙炔被生產。在乙炔與乙炔的電熱生產之反應混合物的分離中，乙炔之儲存較佳地係藉由其被溶解在一溶劑中所發生，尤其偏好溶解在一被使用於乙炔之吸收的溶劑中。
於另一較佳實施例中，根據本發明之整合的電廠係連接至天氣預報單元。此一至天氣預報單元的連接使其可能設計成適應於該電廠之操作，以便一方面當有低電力供應、及據此高用電價格時，能夠利用使用不貴之剩餘電的可能性、及由該用於發電的電廠提供電之可能性，且在另一方面對於下游、消耗乙炔的電廠之連續操作總是提供充分的乙炔。視該天氣預報之結果而定，其係如此可能譬如將用於乙炔的貯存所帶至高或低充填位準。此外，用於該乙炔之進一步處理的電廠可被製備及設立用於修改的操作模式。例如，當有一相當長期之電的耗盡供給時，該系統 之這些零件可被設立用於一減少的生產容量，以致在該操作中由於缺乏乙炔的中斷能被避免。
此外，該整合的電廠可被連接至用於產生消耗預報的單元，在此此單元偏好具有一資料記憶體，其包括歷史上消耗的資料。以該電需求及/或該發電之觀點，歷史上消耗的資料可包括譬如每日的變動、每週的變動、年度變動、及進一步變動。在該消耗預報上之資料亦可考慮特定的變化、譬如主要消費者之增加或損失。此外或當作另一選擇，該資料記憶體亦可含有電價格中之歷史上變動上的資料。
於根據本發明用於彈性使用電的方法之案例中，在根據本發明之整合的電廠中，於高電力供應之時刻，該用於乙炔的電熱生產之電廠***作，且除了乙炔以外所獲得之至少部分該氫及/或氣態碳化氫被儲存，並於低電力供應的時刻，所儲存之氫及/或氣態碳化氫被饋送至該用於發電的電廠。較佳地係，該方法涉及儲存氫。
該電力供應可採取電之剩餘及電之短缺兩者的形式。如果在某一時間由可再生能源提供比在此時之總耗電量更多的電，電之剩餘被獲得。如果來自波動的可再生能源之大量電能被提供，且發電廠的短截或關掉涉及高成本，電之剩餘亦被獲得。如果來自可再生能源之相當小數量係可用及無效率的發電廠或涉及高成本之發電廠必需被運轉，電短缺被獲得。在此所敘述之電的剩餘與電之短缺的案例能以各種方式變得明顯。譬如，該等電力交易上之價格可 為該個別狀態的指標，電之剩餘導致較低的電價，且電之短缺導致較高的電價。然而，電之剩餘或電的短缺亦可存在，而在該電價上沒有任何直接影響。譬如，如果風力發電廠的操作員生產比其已預測及銷售者更多的電力，電之剩餘亦可存在。照此類推，如果該操作員生產比其已預測者較少的電力，可有一電短缺。根據本發明，電之剩餘及電之短缺等詞涵蓋所有這些案例。
根據本發明之方法較佳地係***作，使得用於乙炔之電熱生產所需要的電之至少一部分係藉由該整合的電廠中所包括之用於發電的電廠、由乙炔的電熱生產中所獲得之氣體產物來產生。如果用於乙炔之電熱生產的電廠係在高電力供應的時刻操作，被該整合的電廠所包括之用於發電的電廠較佳地係以減少的輸出來操作或關掉，且用於乙炔之電熱生產所需要的電之較大部分係取自具有高電力供應的電網。照此類推，如果被該整合的電廠所包括之用於發電的電廠係在低電力供應的時刻操作，該用於乙炔的電熱生產之電廠較佳地係以減少的輸出來操作或關掉，且用於乙炔之電熱生產所需要的電之較小部分係取自該電網，或來自被該整合的電廠所包括之用於發電的電廠之電係饋送進入該電網。
除了乙炔以外所獲得之氫及/或氣態碳化氫的儲存較佳地係發生於藉由該整合的電廠所包括之貯存所中，尤其偏好於一被配置於該用於乙炔之電熱生產的電廠及該用於發電的電廠間之貯存所中，如上面所述。然而，另一選擇 係，該儲存亦可在分開的貯存所中發生，該貯存所係經由氣體分配管線、譬如天然氣網路連接至該整合的電廠。
貯存所之型式係不重要的，且如此加壓槽、液化氣體貯存所、碳化氫被吸收在一溶劑中之貯存所、或在一固體具有氣體吸收的貯存所可被使用於此。亦適合用於氫之儲存者係化學貯存所，其中氫係藉由可逆的化學反應來儲存。較佳地係，分開的貯存所被使用於氫及用於除了乙炔以外所獲得之氣態碳化氫。該貯存所之容量的尺寸較佳地係被設計，以在2小時內之滿載下裝盛藉由該用於乙炔之電熱生產的電廠所生產之氫及/或氣態碳化氫的數量，尤其偏好在12小時內所生產之數量，且最特別偏好在48小時內所生產之數量。
在根據本發明的方法之較佳實施例中，該用於乙炔之電熱生產的電廠具有電弧反應器，且由該電弧反應器所獲得之氣體混合物係與含碳化氫氣體及/或含碳化氫液體混合供冷卻。於此案例中，如上面所述，至少部分該等碳化氫係吸熱地裂解，如此獲得具有比該等開始材料較高的能量含量之裂解產物，且如果被饋送至該用於發電的電廠比如果該等開始材料被饋送至該電廠運送較大數量的電能。此實施例如此使其可能呈高能量裂解產物之形式儲存被饋送至該電弧反應器之電能。較佳地係，含碳化氫氣體及/或液體的型式及/或數量係視該預期之電力供應而定被選擇。於藉由與含碳化氫氣體及/或液體混合的直接淬冷係與具有蒸氣產生的間接淬冷結合使用之方法的案例中，這 是特別有利的，因為其係接著可能藉由選擇在該直接淬冷中所加入之碳化氫的型式及/或數量來控制發生於該電弧反應器中之熱的比例之位準、及蒸氣以之形式被使用於立即發電、而沒有被儲存的比例之位準，該碳化氫係以裂解產物之形式被儲存供稍後的發電。
較佳地係，當有高電力供應時，被使用於乙炔之生產的電能至少局部地源自可再生能源，尤其偏好源自風力及/或太陽能。然而，其應被陳述的是，根據現今德國法規，已由可再生能源所獲得之電可在該特別的時間甚至沒有任何需求地被饋送進入該電網，且必需被付款。因此，傳統上所產生之電可偶而構成一“剩餘量”，因為其對於電廠操作員運轉一電廠直至低輸出比低於該成本價銷售電可為較少有利的。此由傳統電廠的持續操作所獲得之剩餘電能可被本方法經濟地使用、尤其被儲存。
於根據本發明的方法之較佳實施例中，燃氣-蒸氣渦輪機電廠被用作該用於發電的電廠，且當有高電力供應時，該用於乙炔之電熱生產的電廠係以超過該額定容量之80%的輸出來操作，且該用於發電的電廠係在該額定電容量之0-50%操作，並當有低電力供應時，該用於乙炔之電熱生產的電廠係以該額定容量之0-50%操作，且該用於發電的電廠係在超過該額定電容量之80%下操作。
當有高電力供應時，該燃氣-蒸氣渦輪機電廠較佳地係以最多40%之輸出來操作，且尤其偏好該額定電容量的最多30%。
當有低電力供應時，該用於乙炔之電熱生產的電廠較佳地係以最多40%之輸出來操作，且尤其偏好該額定容量的最多30%。
如果該燃氣-蒸氣渦輪機電廠係以組合的熱及電力產生來操作，該電廠之額定電容量可藉由改變所使用的氣體之數量或藉由改變蒸氣的比例之任一者而被設定，該蒸氣被取作製程蒸氣及不被使用於發電。
方便地係，於該操作時間之最大部分中，當有適當的電力供應時，該用於乙炔之電熱生產的電廠及該用於發電的電廠係以一輸出操作，在該輸出，在該用於乙炔之電熱生產的電廠中除了乙炔以外所獲得之氫及/或氣態碳化氫的總量被饋送至該用於發電的電廠。
根據本發明的方法之設計允許該用於乙炔之電熱生產的電廠及該用於發電的電廠兩者之高操作時間、並因此兩電廠的經濟操作被達成。
根據本發明之方法較佳地係包括以下步驟：a)固定用於電力供應的第一臨限值及第二臨限值；b)決定該電力供應；c)如果該電力供應超過該第一臨限值，則視該電力供應而定改變該用於發電的電廠之電力輸出，且如果該電力供應係低於該第二臨限值，則視該電力供應而定改變該用於乙炔之電熱生產的電廠之輸出；及d)重複步驟b)及c)。
該臨限值較佳地係視該貯存所對於乙炔在該特別時間 之充填位準而定、或視對於未來幾小時的乙炔之消耗及生產的發展之預測而定來固定。譬如，如果該貯存所對於乙炔的充填位準落至一低值，該臨限值被固定至一較低值，低於此低值，該用於乙炔之電熱生產的電廠之輸出係減少。
該電力供應可直接地藉由與電產生者及/或電消費者之協議、或間接地經由交易平臺及/或藉由OTC方法與相關聯的電價之任一者被決定。於一較佳實施例中，該電力供應係藉由與來自風能及/或太陽能之電的產生者之協議所決定。於另一較佳實施例中，該電力供應係經由交易平臺上之電價所決定。
如果該電力供應係藉由與來自風能及/或太陽能之電的產生者之協議所決定，較佳地係當該第一臨限值被超過時，該用於發電的電廠之電力輸出按照電的剩餘量被改變，且當該第二臨限值未被抵達時，用於乙炔之電熱生產的電廠之輸出係按照該電的短缺被改變。
如果該電力供應係經由交易平臺上之電價所決定，較佳地係當該第一臨限值被超過時，該用於發電的電廠之電力輸出被改變至一預定的較低值，且當該第二臨限值未被抵達時，用於乙炔之電熱生產的電廠之輸出被改變至一預定的較低值。
用於本方法之此實施例，該第一臨限值之絕對位準係不重要的，並可基於經濟準則被固定，而由該絕對位準發生該用於發電的電廠之輸出的減少。該相同原理應用至該 第二預定值，低於該第二預定值則發生用於乙炔之電熱生產的電廠之輸出的減少。
如果該二電廠之輸出係彼此協調，該第一預定臨限值及該第二臨限值較佳地係被選擇為相同。
該電力供應較佳地係預先由天氣預報之資料所計算。基於該預先計算的電力供應，用於電力供應的前述臨限值較佳地係接著被選擇，使得於該預報之時期中，一方面乙炔之計畫數量被生產，且另一方面除了乙炔以外所獲得之用於氫及/或氣態碳化氫的儲存容量不被超過。
當有適當的電力供應時，用於乙炔之電熱生產的電廠及該用於發電的電廠之聯合操作令人驚訝地允許高操作時間被獲得，以致該電廠之高水準盈利能力被達成。
在一曆年內，該用於發電的電廠較佳地係操作達至少4000滿載小時、偏好至少5000滿載小時、且尤其偏好至少5500滿載小時。於此案例中，該滿載小時係根據以下公式計算：滿載小時=W/P
在此W係在一曆年內所提供之以MWh為單位的電功，且P係以MW為單位的電廠之額定電容量。
如果該用於乙炔之電熱生產的電廠包括至少一電弧反應器，在一曆年內，該等電弧反應器較佳地係平均操作達至少2500滿載小時、偏好至少4000滿載小時、及特別偏好至少5000滿載小時。於此案例中，該滿載小時係根據以下公式計算： 滿載小時=生產/容量
在此“生產”指示在一曆年內所生產之以噸為單位的乙炔之數量，且“容量”指示該等電弧反應器之以每小時幾噸乙炔為單位的總額定容量。
根據本發明的方法之進一步較佳實施例源自根據本發明之整合的電廠之上面所給與的敘述。
本整合的電廠及該方法係適合用於以很經濟及節省資源的方式來生產乙炔。乙炔可被轉換成很多寶貴的中間產物，同時其係可能用這種方法在該二氧化碳排放中達成令人驚訝之減少。
該令人驚訝之減少係基於許多相互促進的作用因素。這些包含來自可再生能源之電可被使用於乙炔之生產、而允許乙炔之生產被很彈性地設計成適應於至一電力供應的事實。再者，氫可被以很高的電效率被獲得，及能被使用於產生電能，而不會釋放二氧化碳。再者，熱通常在該等寶貴的衍生物之生產中被釋放。此廢熱通常可被使用於涵蓋該製程的其他零件中之熱需求(例如在蒸餾分離製程的案例中)。在另一方面，如果碳化氫之氧化係需要，以產生該製程熱，二氧化碳之排放係對應地減少。該特定之焓在乙炔的案例中比於其他傳統碳化氫之案例中係較高的，該等碳化氫譬如另一選擇地被使用於該相同最終產物、諸如乙烯或丙烯之合成。因此，更多廢熱大致上可在該轉換中被產生及被使用於其他應用。
再者，所產生之乙炔被使用於丙酮、丁二醇或具有至 少30克/莫耳之分子量的未飽和化合物之生產可被提供。具有至少30克/莫耳之分子量的未飽和化合物尤其包含乙烯醚、較佳地係甲基乙烯醚或乙基乙烯醚；鹵乙烯、較佳地係氯乙烯；丙烯腈；未飽和乙醇，較佳地係烯丙醇、炔丙醇、丁炔二醇及/或丁二醇；乙烯基乙炔、丙烯酸、及丙烯酸酯；乙烯基乙醇之酯、較佳地係醋酸乙烯酯；丁二烯及丁烯。
所產生之乙炔亦可被選擇性地氫化成乙烯。
再者，來自這些製程的副產物可被使用於電之產生。在蒸發之後，氣態副產物或合適的液體副產物較佳地係可在此被饋送進入該燃氣渦輪機。固體殘渣可被轉換成易燃氣體、尤其使用氫，且隨後於燃氣渦輪機中被轉換成電。較佳地係，在用於乙炔之電熱生產的電廠中所生產之乙炔係在至少一個進一步製程中被轉換成另一產物，且來自此製程的副產物被使用於該用於發電的電廠中，用於電之產生。
再者，在乙炔形成具有至少30克/莫耳的分子量之未飽和化合物或另一衍生物的反應中所獲得之廢熱可至少局部地被使用於電之產生。較佳地係，在用於乙炔之電熱生產的電廠中所產生之乙炔係在至少一個進一步製程中被轉換成另一產物，且在此製程期間所產生之熱被使用於該用於發電的電廠中，用於電之產生。
10‧‧‧整合的電廠
12‧‧‧用於乙炔之電熱生產的電廠
14‧‧‧用於發電之電廠
16‧‧‧中心電網
18‧‧‧用於電傳輸的切換點
20‧‧‧第一電連接線
22‧‧‧第二電連接線
24‧‧‧氫貯存所
26‧‧‧用於氫的第一連接管線
28‧‧‧用於氫的第二連接管線
30‧‧‧控制系統
32‧‧‧第一通訊連接裝置
34‧‧‧第二通訊連接裝置
36‧‧‧第三通訊連接裝置
38‧‧‧第四通訊連接裝置
本發明之較佳實施例當作範例在下面基於圖1被說明。
圖1顯示根據本發明之整合的電廠之概要結構。
圖1顯示根據本發明之整合的電廠10之概要結構，包括用於乙炔之電熱生產的電廠12及用於發電之電廠14，該整合的電廠10被連接至中心電網16。該等個別的裝置在此可被直接地連接至該中心電網16，或如圖1所示，經由用於電傳輸的切換點18被連接至該中心電網16。該用於乙炔之電熱生產的電廠12係接著經由第一電連接線20連接至用於電傳輸之切換點18，該用於發電的電廠14係經由第二電連接線22連接至用於電傳輸之切換點18，且該用於電傳輸的切換點18被連接至該中心電網16。此實施例在該安裝成本及/或該營業費用中可具有優點。
於圖1所示實施例中，該整合的電廠10包括氫貯存所24，其可經由用於氫的第一連接管線26被以來自該用於乙炔之電熱生產的電廠12之氫充填。用於產生電能，被儲存於該氫貯存所24中之氫可經由用於氫的第二連接管線28被饋送至該用於發電之電廠14。
再者，於所示實施例中，該整合的電廠10具有一控制系統30，其係經由第一通訊連接裝置32連接至該用於乙炔之電熱生產的電廠12、經由第二通訊連接裝置34連 接至該用於發電之電廠14、經由第三通訊連接裝置36連接至用於電傳輸的切換點18、及經由第四通訊連接裝置38連接至該氫貯存所24。
本發明在上面敘述及該等申請專利範圍、圖面及示範實施例中所揭示之特色亦可被使用於以任何想要的組合來執行本發明。
10‧‧‧整合的電廠
12‧‧‧用於乙炔之電熱生產的電廠
14‧‧‧用於發電之電廠
16‧‧‧中心電網
18‧‧‧用於電傳輸的切換點
20‧‧‧第一電連接線
22‧‧‧第二電連接線
24‧‧‧氫貯存所
26‧‧‧用於氫的第一連接管線
28‧‧‧用於氫的第二連接管線
30‧‧‧控制系統
32‧‧‧第一通訊連接裝置
34‧‧‧第二通訊連接裝置
36‧‧‧第三通訊連接裝置
38‧‧‧第四通訊連接裝置

Claims (21)

  1. 一種整合的電廠(10)，包括用於乙炔之電熱生產的電廠(12)及用於發電之電廠(14)，其特徵為用於乙炔之電熱生產的電廠(12)係經由管線(26、28)連接至用於發電之電廠(14)，且該管線將用於乙炔之電熱生產的電廠(12)中所獲得之氣體產物饋送至用於發電的電廠(14)。
  2. 如申請專利範圍第1項之整合的電廠，其中用於發電的電廠(14)包括燃料電池。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之整合的電廠，其中該用於發電的電廠(14)包括一具有渦輪機的發電廠。
  4. 如申請專利範圍第3項之整合的電廠，其中具有渦輪機之發電廠包括能以含氫及/或碳化氫氣體來操作的燃氣渦輪機。
  5. 如申請專利範圍第3項之整合的電廠，其中具有渦輪機之發電廠係燃氣-蒸氣渦輪機電廠。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之整合的電廠，其中用於乙炔之電熱生產的電廠(12)包括電弧反應器。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之整合的電廠，其中該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)具有用於分開該電熱生產中所獲得之氣體混合物的裝置，且用於分開該電熱生產中所獲得之氣體混合物的裝置被連接至該用於發電的電廠(14)。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之整合的電廠，其中該 整合的電廠(10)具有用於與乙炔分開之含氫及/或碳化氫氣體的至少一貯存所(24)，該貯存所係經由管線(26)連接至用於乙炔之電熱生產的電廠(12)、及經由管線(28)連接至該用於發電之電廠(14)。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之整合的電廠，其中用於乙炔之電熱生產的電廠包括蒸氣產生器，蒸氣係以該蒸氣產生器由該電熱製程的廢熱所產生，該用於發電之電廠包括由蒸氣產生電的裝置，且該整合的電廠包括蒸氣管線，在該蒸氣產生器中所產生之蒸氣係以該蒸氣管線饋送至由蒸氣產生電的裝置。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之整合的電廠，其中該電廠被連接至天氣預報單元。
  11. 一種用於彈性使用電的方法，其特徵為在根據申請專利範圍第1至10項之其中一者的整合的電廠(10)中，在高電力供應之時刻，該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)***作，且除了乙炔以外，至少部分所獲得之氫及/或氣態碳化氫被儲存，並在低電力供應之時刻，所儲存之氫及/或氣態碳化氫被饋送至該用於發電的電廠(14)。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)具有電弧反應器，且由該電弧反應器所獲得之氣體混合物係為了冷卻而與含碳化氫氣體或含碳化氫液體混合。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該氣體及/ 或該液體的型式及/或數量係視該預期的電力供應而定被選擇。
  14. 如申請專利範圍第11至13項的任一項之方法，其中該電力供應係預先由天氣預報之資料所計算。
  15. 如申請專利範圍第11至13項的任一項之方法，其中該用於發電的電廠(14)係燃氣-蒸氣渦輪機發電廠，且於該整合的電廠(10)中，當有高電力供應時，該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)係以超過該額定容量之80%的輸出來操作，及該用於發電的電廠(14)係在該額定電容量之0-50%操作，且當有低電力供應時，該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)係以該額定容量之0-50%的輸出來操作，及該用於發電的電廠(14)係在超過該額定電容量之80%操作。
  16. 如申請專利範圍第11至13項的任一項之方法，包括以下步驟：a)固定用於電力供應的第一臨限值及第二臨限值；b)決定該電力供應；c)如果該電力供應超過該第一臨限值，則視該電力供應而定改變該用於發電的電廠(14)之電力輸出，且如果該電力供應係低於該第二臨限值，則視該電力供應而定改變該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)之輸出；及d)重複步驟b)及c)。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該第一臨限值與該第二臨限值係相同的。
  18. 如申請專利範圍第11至13項的其中一項之方法，其中該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)包括至少一電弧反應器，且在一曆年內，該電弧反應器係平均操作達至少2500滿載小時、偏好至少4000滿載小時、及特別偏好至少5000滿載小時。
  19. 如申請專利範圍第1至13項的其中一項之方法，其中在一曆年內，該用於發電的電廠(14)係操作達至少4000滿載小時、偏好至少5000滿載小時、及特別偏好至少5500滿載小時。
  20. 如申請專利範圍第11至13項的其中一項之方法，其中該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)中所生產的乙炔係在至少另一製程中轉換成另一產物，且來自此製程之副產物被使用於發電用的電廠(14)供發電。
  21. 如申請專利範圍第11至13項的其中一項之方法，其中該用於乙炔之電熱生產的電廠(12)中所生產的乙炔係在至少另一製程中轉換成另一產物，且在此製程期間所產生之熱被使用於發電用的電廠(14)供發電。
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