CN104603403B - 用于能量存储和短期发电的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
在用于能量存储和短期发电的方法中，使用CCS系统的地下储液器来存储基于CO2的朗肯过程的工作流体。液体CO2存储在布置为在第一温度下从一个或更多个CO2捕获地点连续接收液体CO2并且排出液体CO2以运输至最终存储器的地下储液器(10)中。地下储液器(10)保持在8‑10巴的压力下。当需要短期发电时，液体CO2自地下储液器(10)抽取，加压至约40‑50巴，在低值热源的帮助下蒸发，并且在连接至发电机(14)的膨胀器蜗轮(13)中膨胀。被膨胀的CO2然后被冷凝并且在高于第一温度的第二温度下回到地下储液器(10)。当不再需要短期发电时，通过热泵(23)循环来自地下储液器(10)的液体CO2以冷却CO2，直到其温度达到第一温度为止。
Description
技术领域
本发明涉及用于能量存储和短期发电的方法和系统。迅速的短期高容量发电通常是备用或高峰负荷功率供应所需要的。
背景技术
欧洲再生性能源指令的雄心勃勃目标是，到2020年20％的能量从可再生资源产生。这意味着约220GW的可再生功率容量。估计此容量的约80％来自可变且不可预测的资源，比如陆上风和离岸风功率或太阳系。从长远看，预计此趋势持续。这意味着总能量产生将高度可变，导致电增加的价格波动。该系统将强烈地依赖于天气状况，特别在多云和无风天气状况常常在冬季期间占主导地位的中欧和北欧中。在没有适当的能量存储器的情况下，这将导致其中欧洲电力系统一直需要大体上多于100GW迅速的短期和长期可用的备用功率的情况。老的燃煤发电厂可能在一定时间段之后(实际上，在几小时内)列入服务。因此，快速期的备用功率必须准备好，以用于来自不总是可得的水电力的使用，或以用于使储备功率比如燃气涡轮或柴油机达到最高峰。无论如何，预计用于备用容量的巨额投资。明显地，在能量市场中有对更加成本有效的解决方案的渐增的需要。
同时，现在看来明显的是，防止或至少延迟归因于仍然增长的世界范围的CO2排放碳捕获和存储(CCS)解决方案的全球变暖和其他问题必须广泛地实施。陆上地点处的CCS存储器的前景看来是不可能的，尤其在由于公众抵抗的欧洲中。因此，离岸存储器将最终为CCS唯一很可能的解决方案，其导致液化的CO2的基于航运的运输。CO2的中间存储器然后必须建立在液体CO2可通过管道网从CO2捕获地点—发电厂和工业厂房—在航运至最终离岸存储器之前泵送至其的这类海港附近。
为了尽可能成本有效，在总CCS系统中，运输网必须在航运之前将来自各种资源的液体CO2收集到中间存储器。根据一些研究，中间存储器必须具有相当大的容积，借由此，在大部分情况下，钢罐和其他地面上解决方案倾向于变得非常昂贵。因此，最好可选方案之一是把存储器建立在其中静水压力将最小化使存储条件保持在合适压力和温度下所需要的能量的深度处的基岩中。
US 2012/0001429 A1公开了基于二氧化碳的地热能产生系统，其包括储液器，其位于盖层以下；一个或更多个注入井，其用于将冷CO2进料到储液器中；以及一个或更多个生产井，其用于从储液器排出加热的CO2。能量转换装置连接至每个注入井和每个生产井，使得包含在加热的CO2中的热能可转换成电、热或其组合。在30-70巴的压力和30℃以下的温度下压缩的CO2被注入地下储液器，并且被大于30℃的温度加热的CO2离开储液器。系统相当复杂并且在地下储液器中需要高压。由于高峰负荷操作高的名义投资成本，所以系统对高峰负荷操作不能被认为是切实可行的。而且，由于高的介质压力和地下储液器中CO2不受控制的蒸发，所以操作风险高。
EP 277777A2公开了用于存储呈三相点形式的CO2的电能并且然后使用这种存储的能量加上加热以产生电功率的系统。用于在约三相点的液体CO2的储液器在绝缘容器中产生。液体CO2被抽取并且泵至高压，所述高压CO2然后被加热并且膨胀以产生旋转功率，其产生电功率。来自膨胀器的排出流被冷却并且回到其中CO2蒸气通过熔化固体CO2被冷凝的容器。连接至电力发电机的燃烧燃料的气体涡轮被用来加热高压CO2。地面上的CO2储液器的大小是受限的。投资成本高。当以三相点介质作用时，存在一定操作风险。
US 4995234公开了用于从液化的天然气(LNG)产生功率和存储能量的方法。冷LNG被加压、通过在约三相点温度下自CO2移除热而汽化、进一步被加热并且最终膨胀以产生旋转功率。在绝缘容器中产生在约其三相点处的CO2的储液器来存储从蒸发的LNG恢复的呈冷藏形式的能量。在高峰电功率时期期间，液体CO2自储液器抽取、泵至高压、汽化、进一步加热并且膨胀以产生旋转功率，其产生另外的电功率。在非高峰时期，CO2蒸气自储液器抽取并且通过使LNG汽化冷凝至液体。地面上的CO2储液器的大小是受限的。系统中需要燃烧燃料的气体涡轮。投资成本高。当以三相点介质作用时，存在一定操作风险。
发明内容
本发明的目的是消除现有技术的问题并且提供用于能量存储和短期发电的改良方法和系统。
另一目的是改进碳捕获和存储(CCS)解决方案的可行性。
另一目的是产生能够实现低值热源的使用且减少矿物燃料的使用的系统。
本发明采用CCS系统的地下储液器作为用于在短期发电系统中使用的工作流体的存储器，所述短期发电系统轮流使用基于CO2的朗肯循环和热泵。
本发明提供用于能量存储和短期发电的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在地下储液器中存储液体CO2，地下储液器布置为在第一温度下从一个或更多个CO2捕获地点连续接收液体CO2并且排出液体CO2以航运至最终离岸存储器，地下储液器维持在8-10巴的压力下；
b)当需要短期发电时，进行以下步骤：
-从地下储液器抽取液体CO2并且使液体CO2的压力增加至约40-50巴；
-在低值热源的帮助下蒸发被加压的CO2；
-使被蒸发的CO2膨胀至8-10巴的压力，借由此产生旋转功率，其用于产生电功率；
-冷凝被膨胀的CO2并且在高于第一温度的第二温度下使被冷凝的CO2回到地下储液器；
c)当不再需要短期发电时，通过热泵循环地下储液器的液体CO2以冷却液体CO2，直到其温度达到第一温度为止。
第一温度，即供应至地下储液器的新鲜CO2的温度可为-45℃…-55℃、优选地约-50℃。第二温度，即从朗肯循环返回的CO2的温度可为是-15℃…-25℃、优选地约-20℃。
有利地，地下储液器位于200-300m的深度处的基岩中。地下储液器的容积优选地超过50000m3、例如在50000-150000m3的范围中。
如本文使用的术语“地下储液器”指的是在地球的表面下方的地质构造，不论其是否在地下或海面下。
加压的液体CO2可在海水、大气空气、工业废热等的帮助下被蒸发。
本发明还提供用于能量存储和短期发电的系统，所述系统包括：
-地下储液器，其布置为在第一温度下从一个或更多个CO2捕获地点连续接收液体CO2并且连续排出液体CO2以航运至最终离岸存储器，地下储液器维持在8-10巴的压力下；
-泵，其用于从地下储液器抽取液体CO2并且使液体CO2加压至约40-50巴的压力；
-热交换器，其用于在低值热源的帮助下蒸发被加压的CO2；
-膨胀器涡轮，其用于使被蒸发的CO2膨胀至8-10巴的压力，从而产生旋转功率；以及发电机，其连接至涡轮，以便从旋转功率产生电功率；
-冷凝器，其用于冷凝被膨胀的CO2；
-装置，其用于在比抽取自地下储液器的液体CO2的温度高的温度下将被冷凝的CO2进料回到地下储液器；
-装置，其用于通过热泵循环地下储液器的液体CO2，以冷却液体CO2，直到其温度达到第一温度为止。
系统还可包括用于当需要极短期发电时使被膨胀的CO2释放到大气的装置。
本发明改进碳捕获和存储解决方案的整体经济。当今，CCS正是发电系统的很大花费，其延迟CCS贯穿欧洲实施。
对于50000m3的存储量，新系统的容量估计在4小时期间为约200MW。如果来自CHP系统的多余的热量代替海水可用于蒸发，则系统的容量估计在4小时期间为多达300MW。总的存储效率在两种情况下为70-80％或甚至更多。
提议的基于CO2的朗肯循环和热泵系统的另外的成本包括另外的部件比如蒸发器、膨胀器涡轮和冷凝器的成本。这些成本与很多其他备用功率装置比如气体涡轮或柴油发电机的成本相比为较小的。此外，新系统的部件的相对大小比水力发电系统或其他涡轮中的部件的大小明显小。在朗肯循环中二氧化碳作为工作流体的使用能够实现低温解决方案的使用，其导致较小的部件大小。
附图说明
附图图示了本发明的实施方案并且连同说明书帮助解释本发明的原理。
图1是根据本发明的短期发电系统的图式说明。
具体实施方式
图1示意性地图示了根据本发明的系统。采用朗肯循环的短期高容量发电循环包括：地下储液器10，其用于存储液体CO2；泵11，其用于使从地下储液器10抽取的液体CO2加压；蒸发器12，其用于蒸发被加压的CO2；膨胀器涡轮13，其用于使被蒸发的CO2膨胀；发电机14，其用于使旋转功率转换成电；以及冷凝器15，其用于在被膨胀的CO2返回到地下储液器10之前冷凝被膨胀的CO2。
CCS系统中液体CO2的地下储液器通常在位于地下或海面下的基岩中的地质构造中实现。这类地下储液器被布置为从CO2捕获地点连续或反复地接收液化的CO2。同时，液体CO2从地下储液器连续或反复地排出至可为离岸或陆上的最终存储器。地下储液器意图仅用于短期存储，并且存储器的容量连续改变。
地下储液器10位于200-300m的深度处的基岩25中，并且地下储液器10的容积优选地在50000-150000m3的范围中。液化的CO2通过入口管16从一个或更多个工业来源连续地供应至地下储液器10。通过入口管16供应的CO2的温度为约-50℃。液体CO2在约8-10巴的压力下维持在地下储液器10中。液体CO2通过出口管17从地下储液器10连续地排出，以运输至最终存储器(未示出)。
蒸发器12通过管道18和布置在管道18中的泵11连接至地下储液器10。当需要短期发电时，液体CO2从地下储液器10抽取并且用泵11压缩至约40-50巴的压力。加压的CO2传送至蒸发器12，其在来自合适的低值热源的热量的帮助下使加压的CO2汽化。此热源可包括例如在5℃-15℃的温度下的海水、在多达90℃的温度下的来自区域供暖系统的废热、或大气空气。其他可能的低值热源包括例如来自河或湖的水、地热、环境空气和工业厂房或发电的废热。
加压的CO2通常在+5℃和+20℃之间的温度下蒸发。汽化的CO2从蒸发器12进料到膨胀器涡轮13，其中被汽化的CO2膨胀至约8-10巴的压力，从而产生旋转功率，其转移至使机械能转换成电能的发电机14。
被膨胀的CO2通过管道19从膨胀器涡轮13转移至冷凝器15，其中被膨胀的CO2在通过管道20从地下储液器10泵送的液体CO2的帮助下冷凝。冷凝的CO2然后通过管道21返回到地下储液器10。
通过管道21进料到地下储液器10的液体CO2具有比通过管道18离开地下储液器10的液体CO2高的温度。因此，地下储液器10的温度可在短期发电时期期间从约-50℃逐渐上升至约-20℃。
在当不再需要备用或高峰负荷功率时的时间点处，地下储液器10可通过使液体CO2变冷回到约-50℃的温度“再充电”。这可通过经由管道24和热泵23循环液体CO2来完成，以冷却液体CO2，直到地下储液器10中的温度已经达到期望的水平。
系统还包括使被膨胀的CO2的一部分通过管道22例外地释放到大气以增大系统的发电容量的选项。
对本领域技术人员明显的是，由于技术的进步，本发明的基本想法可以各种方式来实施。本发明及其实施方案因此不限于以上描述的实施例；而其可在权利要求的范围内变化。
Claims (12)
1.一种用于能量存储和短期发电的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在地下储液器(10)中存储液体CO2，所述地下储液器(10)布置为以第一温度从一个或更多个CO2捕获地点连续接收液体CO2并且排出液体CO2以运输至最终存储器，所述地下储液器(10)维持在8-10巴的压力；
b)当需要短期发电时，进行以下步骤：
-从所述地下储液器(10)抽取液体CO2并且使所述液体CO2的压力增加至40-50巴；
-在低值热源的帮助下蒸发被加压的CO2；
-使被蒸发的CO2膨胀至8-10巴的压力，由此产生旋转功率，该旋转功率用于产生电功率；
-冷凝被膨胀的CO2并且以高于所述第一温度的第二温度使被冷凝的CO2回到所述地下储液器(10)；
c)当不再需要短期发电时，通过热泵(23)循环来自所述地下储液器(10)的液体CO2以冷却所述液体CO2，直到其温度达到所述第一温度为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度是-45℃至-55℃，并且所述第二温度是-15℃至-25℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度是-50℃，并且所述第二温度是-20℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述地下储液器(10)位于200-300m的深度处的基岩(25)中，并且所述地下储液器(10)的容积超过50000m3。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述地下储液器(10)的容积在50000-150000m3的范围中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述低值热源是海水、大气空气或工业废热。
7.一种用于能量存储和短期发电的系统，所述系统包括：
-地下储液器(10)，其布置为以第一温度从一个或更多个CO2捕获地点连续接收液体CO2并且连续排出液体CO2以运输至最终存储器，所述地下储液器(10)维持在8-10巴的压力；
-泵(11)，其用于从所述地下储液器(10)抽取液体CO2并且使所述液体CO2加压至40-50巴的压力；
-热交换器，其用于在低值热源的帮助下蒸发被加压的CO2；
-涡轮(13)以及发电机(14)，所述涡轮(13)用于使被蒸发的CO2膨胀至8-10巴的压力，从而产生旋转功率，所述发电机(14)连接至所述涡轮(13)，以便从所述旋转功率产生电功率；
-冷凝器(15)，其用于冷凝被膨胀的CO2；
-第一装置，其用于在比抽取自所述地下储液器(10)的液体CO2的温度高的温度将被冷凝的CO2进料回到所述地下储液器(10)；
-第二装置，其用于当不再需要短期发电的时期期间，通过热泵(23)循环抽取自所述地下储液器(10)的液体CO2，以冷却所述液体CO2回到所述第一温度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述地下储液器(10)位于200-300m的深度处的基岩(25)中，并且所述地下储液器(10)的容积超过50000m3。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述地下储液器(10)的容积在50000-150000m3的范围中。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，还包括用于当需要极短期发电时使被膨胀的CO2释放到大气的装置(22)。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，其中所述热交换器被布置来利用低值热源。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述低值热源是海水、大气空气或工业废热。
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