CN104481612A - 能量存储系统以及用于存储和供应能量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量存储系统以及用于存储和供应能量的方法，该能量存储系统具有用于产生氢气的电解器、用于存储所述氢气的氢气存储器和具有涡轮机的发电站，该涡轮机用于燃烧所述氢气，其中该电解器与氢气存储器相连，并且该氢气存储器与所述发电站的涡轮机相连。

Description

能量存储系统以及用于存储和供应能量的方法
本申请是申请号为200910150482.8、于2009年6月25日提交的同名发明申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种能量存储系统以及一种用于存储和供应能量的方法。
背景技术
现今，可再生能被选择用于减少CO2排放以及减小对其它一次能源的依赖。可再生能能够替换大量现有的常规发电站。该能源的缺点是不能始终提供所需要的功率输出，并且其可控性有限。
可再生能的馈入还取决于该能源自身的可用性以及剩余电网容量的可用性。为了实现降低CO2排放和不依赖于矿物燃料这一最终社会目标，有必要将可再生能的贡献最大化。这意味着，有必要处理波动和随机能源。为了实现这个目标，生产可再生能的产能必须是过剩的。取得的供应将被存储，以便不与时间相关地被使用。当供应没有与能量需求相匹配时，这时可以通过释放所述存储来产生能量。
存储电能的方式有很多种。电能可以以电化学的方式存储在电池中，例如以压力或势能的形式通过物理方式被存储。势能尤其是被存储在抽水蓄能器或压缩空气蓄能器（CAES）中的。
抽水蓄能系统可以用于存储取得的能量（access energy）。取得的电能可以用于将水泵送到较高处的存储器中。所存储的水的势能可以在以后用于在水轮机中产生功率。CAES在膨胀过程中使用了压缩空气的压缩能。根据CAES的类型，需要使用天然气来补偿压缩过程的热损失。
水和压缩空气都不具有很高的特定功率密度，因此，这样的系统的能量容量是非常有限的。
发明内容
因此，本发明的第一个目标是提供一种有利的能量存储系统。本发明的第二个目标是提供一种用于存储和供应能量的有利方法。
第一个目标通过一种如权利要求1所述的能量存储系统来实现。第二个目标通过一种如权利要求12所述的用于存储和供应能量的方法来实现。从属权利要求定义了本发明的改进方案。
本发明的能量存储系统包括电解器、氢气存储器以及发电站。电解器与氢气存储器相连。氢气存储器与发电站相连。有利地，该电解器是高压电解器。
利用本发明的能量存储系统，已知能量存储系统的缺点将会消除。特别地，替代于使用具有低的特定能量密度的存储介质，在这里使用的是高能量密度介质，即使用氢、优选地使用压缩氢。这样做允许设计非常紧凑的大功率和高容量的存储器。即使能量以随机和不确定方式被馈入，本发明的能量存储系统也提供了可靠的能量供应。
由于所建议的存储系统具有很高的能量密度，因此，它能够在很多天内以满负荷进行工作，而且它还能够在需求高峰时间期间根据日计划表来使用。
与只能工作几小时的抽水蓄能器或者同样最多工作几小时的压缩空气能量存储系统（CAES）相比，这是一个重要的不同。
此外，本发明提供的能量容量是常规的针对电能的存储系统的能量容量的直到100倍。通常，需要存储的能量是以几百百万千瓦时（GWh）为计量。
优选地，本发明的能量存储系统包括与电解器以及氢气存储器相连的氢压缩机。例如，氢存储器可以是地下存储器。在将来自电解器的氢存储到氢气存储器中之前，该氢可以借助于氢压缩机而被压缩。
此外，本发明的能量存储系统可以包括热回收系统，其中该热回收系统可以与氢压缩机和/或发电站和/或水处理厂相连。所述热回收系统可以用于回收对氢的进行的压缩工作所产生的热量，以便进一步压缩氢来加以存储（例如存储在地下存储器中）。所述氢可以借助于氢压缩机来进一步压缩，其中该氢压缩机将会进一步提升电解器之后的压力，直至其达到存储器的压力。
此外，本发明的能量存储系统可以包括至少一个存储腔。例如，氢气存储器和/或存储腔可以是用于高压氢的地下氢存储器。
本发明的能量存储系统可以包括电能递送单元，其中该电能递送单元可以与电解器相连。此外，本发明的能量存储系统可以包括电能供应单元，并且该电能供应单元可以与发电站相连。本发明的能量存储系统还可以包括电网连接，以便在充电过程中输入功率，以及在放电过程中输出功率。该电能递送单元可以借助于电网与电解器相连。发电站可以借助于电网与电能供应单元相连。
本发明的能量存储系统还可以包括与电解器相连的水处理厂，以便向电解器提供软化的水。此外，它可以包括电解器热回收系统。这个电解器热回收系统可以回收来自电解器的热量。所回收的热量可以在水处理厂和/或发电站中使用。这意味着电解器热回收系统可以与发电站和/或水处理厂相连。
此外，本发明的能量存储系统可以包括至少一个附加的气体存储器。这个附加的气体存储器可以是用于氧气或者是用于天然气或其它气体的气体存储器，以便在使用混合气体优先于使用纯氢的情况下，在燃烧之前混合氢。
此外，本发明的能量存储系统可以包括燃料供应系统和/或氢预热器。氢预热器尤其是可以用于在将氢膨胀到燃料供应系统压力之前预热氢，以便改善循环效率。此外，本发明的能量存储系统可以包括气体混合站、尤其是燃料混合站。该气体混合站可以用于相应地将燃料气体性质设置到发电站要求。本发明的能量存储系统还可以包括燃料气体预热器。该燃料气体预热器可以位于气体混合站之前或之后。
本发明的能量存储系统尤其是可以包括氢膨胀器或是具有产生电能的发电机的涡轮机。该膨胀器或涡轮机可以与氢气存储器相连（例如通过预热器和/或控制阀）。该膨胀器或涡轮机可以进一步通过控制阀连接到气体混合站或燃料气体预热器。该气体混合站包括附加的气体存储器（例如用于氧气、天然气或者其它那些用于与氢混合的气体的气体存储器）。
此外，本发明的能量存储系统可以包括气体膨胀器。该气体膨胀器可以用于回收用于氢的压缩能量，以便改善循环效率。
优选地,发电站可以包括涡轮机与发电机的组合。它尤其是可以包括用于将例如氢的化学能转化成电能的常规发电站。
能量存储系统还可以包括与水软化站相连的热回收系统。优选地，所述水软化站可以与电解器相连。由于热回收系统可以为应用于电解器的水软化站提供热量，因此，这样做改善了循环效率。
此外，本发明的能量存储系统可以包括功率输入控制系统和/或功率输出控制系统。它还可以包括对功率输出和输入进行控制的控制系统。本发明的能量存储系统还可以包括用于充电和/或放电的可控电网接口。
此外，该能量存储系统可以包括用于将氢和/或氧输出到氢气存储器的外面的接口。有利地，该能量存储系统可以包括化学处理站。该化学处理站可以包括氧气进口（oxygen inlet），其中该氧气进口可以与电解器的氧气出口相连。该化学处理站可以将副产品氧气用于如同从生物量到产品的化学过程。
一般来说，本发明的能量存储系统解决了现有存储器解决方案的能量密度低和功率容量小的固有问题。在与可再生能相结合的一个优化的设置中，可以提供足够的容量而在很多天内从可再生能的低发电跨越到高发电。基于可再生能的完全可持续的能量供应可以通过本发明的系统来实现。
本发明的用于存储和供应能量的方法包括：将电能递送到电解器；借助于电解器将水分解成氧气和氢气；存储氢气；将所存储的氢气供应给发电站；以及借助于发电站来产生电能。
优选地，可以使用高压电解器。有利地，可以为电解器提供软化的水。此外，来自电解器的热量是可以回收的。所回收的热量可以用在水处理厂和/或发电站中。
优选地，在存储氢气之前可以对其进行压缩。这样做提升了特定的能量密度，并且由此提升了存储容量。压缩工作的热量是能够回收的。应用于氢的压缩能量尤其是能够借助于气体膨胀器来回收。
在将氢供应给发电站之前，所述氢气可以被预热和/或膨胀。优选地，发电站可以包括涡轮机和发电机。此外，来自发电站的热量是能够回收的。来自发电站的热量尤其是可以被传导到水软化站，并且其中所述水软化站可以被用于电解器。此外，氢可以和天然气和/或稀释剂混合。
此外，来自电解器的氧可以被传导到化学处理站。该化学处理站可以将副产品氧用于化学过程，如同例如从生物量到产品的化学过程。
总的来说，本发明的方法具有本发明的能量存储系统所具有的优点。
本发明提供了一种能够存储非常大量能量的大规模能量存储系统。与现有的存储系统相比，该数量介于10至100或更高的因数之间。通过与可再生能量源例如大型风力发电站相结合，可以提供足够的容量和功率输出，以致于对电网运营商来说，这两个系统就好像是具有高可用性和发送能力（dispatchability）的常规发电站。
大型能量存储系统将会避免当需要应用生产管理时在发生低需求的情况下要调低乃至关闭可再生能生产。与不使用高压电解器的系统相比，高压电解器的引入显著提升了系统效率和功率密度。此外，在高压氢压缩机处、在高压氢膨胀器处以及在燃料气体预热器处的热回收循环提高了存储器的效率。
附图说明
从以下结合附图的对实施例的描述中可以清楚了解本发明其它的特性、性质和优点。所描述的特性的单个和与彼此的结合都是有利的。
图1示意性地示出了本发明的能量存储系统。
图2示意性示出了本发明的能量存储系统的更详细的实施例。
具体实施方式
现在将参考图1来描述本发明的第一实施例。图1示意性地示出了本发明的能量存储系统1，其中该能量存储系统1包括高压电解器5、氢气存储器6、发电站7以及电网连接4、8。来自电能递送单元2的电能例如可再生能借助于电网4而被递送到高压电解器5。在高压电解器5中，氢借助于电解而从水中分离出。然后，氢被存储在氢气存储器6中。在需要时，所存储的氢气被提供给发电站7。然后，发电站7产生的电能被提供给电网8。
现在将参考图2来描述本发明的第二实施例。图2示意性地示出了本发明的能量存储系统1的详细实施例的例子。
图2示出了一个高压电解器5，其中该高压电解器5借助于电网4而被递送以电能。来自软化站15的水13被引导到高压电解器5。在高压电解器5中，水13被分解成氧12和氢14。高压电解器5进一步地与电解器热回收系统9相连。借助于电解器热回收系统9而被回收的热量例如可以用于水处理站10和/或发电站11。水处理站10尤其是可以是软化站15的一部分，其中该软化站15将水13软化，以便用于高压电解器5。来自高压电解器5的已分离出的氢被引导到氢压缩机16。所述氢气压缩机16可以由马达17来驱动。
然后，经过压缩的氢被导向热交换器18，在那里它会被冷却。之后，经过压缩和冷却的氢被引导到氢存储器20。控制阀21位于热交换器18与氢气存储器20之间。来自热交换器18的热量可以例如存储在热存储器中，或者可以使用在软化站、例如在软化站15中。从热交换器18中流出的热流由箭头19表示。
如果需要被存储在氢存储器20中的氢，那么它可以通过控制阀21而被引导到预热器22，在那里它被预热。为在预热器22中预热氢所需的热能可以从热存储器中获取。这由箭头23来表示。可替代地或附加地，所需的热量可以从发电站32中被递送。这由箭头33和24来表示。
然后，经过预热的氢被引导到氢膨胀器25，其中该氢膨胀器25可以是涡轮机。氢膨胀器25或涡轮机激活发电机26，该发电机则会产生电能。然后，由发电机26产生的电能将供应给电网27。
然后，借助于氢膨胀器25被膨胀的氢被引导到燃料气体预热器28。在到达燃料气体预热器28之前，所述氢可以与天然气和/或稀释剂混合。为此目的，附加的气体存储器30经由控制阀29而被连接到氢膨胀器25与燃料气体预热器28之间的管道。附加的气体存储器30可以是用于天然气或其他气体的气体存储器，以便在使用混合气体优先于使用纯氢的情况下，在燃烧之前混合所述氢气。附加的存储器30可以由外部供应来递送。这用箭头31来表示。
然后，借助于燃料气体预热器28而被预热的氢或氢与天然气和/或稀释剂的混合物被引导到发电站32。在发电站32中产生电能。该发电站可以是简单循环发电站（不存在废热利用）或是联合循环发电站（在增压循环（toping cycle）、例如蒸汽循环中进行废热利用），以便实现最高的效率。所产生的电能被供应给电网8。来自发电站32的废热可以用于预热器22和/或燃料气体预热器28。这用箭头33、24和34来表示。此外，来自发电站的热量可以用于软化站15。这用箭头36来表示。在燃烧过程期间产生的水可以从排出流中提取并被馈送到软化站15，以便减少存储系统的水消耗。箭头35表示从发电站32到软化站15的水流。
在高压氢压缩机16处、在高压氢膨胀器25处和在燃料气体预热器28处的热回收循环提高了存储器的效率。通常，所描述的能量存储系统以及可以借助于所描述的能量存储系统执行的、用于存储和供应能量的本发明的方法提供了大规模的能量存储器，并且该能量存储器可以存储大量的能量。

Claims (17)

1.一种能量存储系统，其具有用于产生氢气的电解器、用于存储所述氢气的氢气存储器和具有涡轮机的发电站，该涡轮机用于燃烧所述氢气，其中该电解器与氢气存储器相连，并且该氢气存储器与所述发电站的涡轮机相连。
2.如权利要求1所述的能量存储系统，其特征在于：
所述电解器是高压电解器。
3.如权利要求1或2所述的能量存储系统，其特征在于：
所述发电站包括涡轮机与发电机的组合。
4.如权利要求1至3中任一所述的能量存储系统，其特征在于：
其包括与该电解器和与该氢气存储器相连的氢压缩机。
5.如权利要求1至4中任一项所述的能量存储系统，其特征在于：
其包括功率输入控制系统和/或功率输出控制系统。
6.如权利要求1至5中任一项所述的能量存储系统，其特征在于：
其包括气体混合站。
7.如权利要求1至6任一项所述的能量存储系统，其特征在于：
其包括燃料气体预热器。
8.如权利要求7所述的能量存储系统，其特征在于：
其包括氢膨胀器或者具有产生电能的发电机的涡轮机，其中该膨胀器或者该涡轮机通过预热器和/或控制阀与所述氢气存储器相连。
9.如权利要求8所述的能量存储系统，其特征在于：
该膨胀器或者该涡轮机通过控制阀被进一步地连接到气体混合站或者燃料气体预热器。
10.如权利要求9所述的能量存储系统，其特征在于：
该气体混合站包括附加的气体存储器。
11.如权利要求1至10中任一项所述的能量存储系统，其特征在于：其包括与氢压缩机和/或与发电站和/或水处理厂相连的热回收系统。
12.一种用于存储和供应能量的方法，其包括以下步骤：
－将电能递送给电解器，
－借助于所述电解器将水分解成氧气和氢气，
－存储所述氢气，
－将所存储的氢气供应给发电站，以及
－借助于发电站来产生电能。
13.如权利要求12所述的方法，其中在存储所述氢气之前对其进行压缩。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中来自所述发电站的热量被回收。
15.如权利要求12至14任一项所述的方法，其中在将氢供应给所述发电站之前对其进行预热和/或膨胀。
16.如权利要求12至15任一项所述的方法，其中压缩工作的热量和/或来自所述电解器的热量被回收。
17.如权利要求12至16任一项所述的方法，其中将氢与天然气和/或稀释剂相混合。
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