CN104704147B - 电解器与能量系统 - Google Patents

Abstract

一种电解器在能量系统内工作以例如提供电网服务、能量存储或燃料，或利用从可再生能源生产的电力来产生氢。电解器既可以以频繁或快速变化的电力消耗速率工作，又可以以指定的功耗工作。在操作电解器的一种方法中，接收表明一段时间内的指定功耗的一系列调度。调度每30分钟至少出现一次。根据调度来操作电解器。将电解器所生产的氢排放到天然气系统中。

Description

电解器与能量系统

相关申请

根据35USC119，本申请要求于2012年5月28日提交的美国临时申请61/652,263号的优先权。通过引用的方式将美国临时申请61/652,263号并入。

技术领域

本说明书涉及在能量系统中的电解器以及操作电解器的方法，例如用于产生用作能量存储或燃料的氢，或提供电网服务。

背景技术

通过引用的方式合并于此的欧洲专利EP1177154B1说明了一种能量分配网络，其用于从电解器提供用户所需的一定量的氢。该网络包括电能源、电解器以及控制器。控制器接收并处理控制输入，该控制输入包含与用户对氢的需求有关的数据。控制器与电解器相连，并至少在一定程度上基于控制输入来控制由电解器进行的氢的生成。

通过引用的方式合并于此的加拿大专利CA2511632C说明了通过电网互连具有多个发电站与多个负荷的能量网络。负荷可以包括电解器。网络具有与发电站与负荷相连的控制器。控制器可被操作以改变来自发电站的可用电力或调整来自电解器的需求，从而提供供应与需求的期望匹配。氢可被生产为具有具体可验证的排放特性的运输燃料。

发明内容

以下讨论意在向读者介绍接下来的详细说明，并且不是意在限制或限定任何要求保护的发明。

电解器在能量系统内工作以例如提供电网服务、能量存储或燃料，或利用从可再生资源生产的电力来产生氢。电解器可以以频繁或快速变化的电力消耗速率工作，或者可以以指定的功耗工作。

在一些情况下，一种方法具有以下步骤：提供电解器，以及接收一系列调度，该调度表明一段时间内指定的功耗。该调度每30分钟至少出现一次。根据调度操作电解器。将电解器在操作期间所生产的氢排放到天然气系统中。

在一些情况下，一种能量系统具有电网、电解器以及天然气系统。电解器用于提供电网服务并将氢排放到天然气系统中。

在一些情况下，一种方法具有以下步骤：提供电解器，根据来自电网运营者的调度指令或根据电网服务合约来操作电解器，并将这样操作时所生产的氢排放到天然气管线中。

在一些情况下，一种用于储存电网中过量的电能的方法具有以下步骤：将过量的能量转换成氢并将氢注入到天然气系统中。

在一些情况下，进行电力的虚拟传输的方法，其包括下列步骤：通过运行在电网内的第一位置的电解器消耗电力以生产氢，在第一位置将氢注入到天然气系统，在第二位置从天然气系统取出天然气，燃烧天然气以生产电力，以及将生产的电力供应到电网内的第二位置。

在一些情况下，一种在市场上进行氢的虚拟销售的方法，其包括下列步骤：通过电解器消耗电力来生产氢，将氢注入到天然气系统中，测量注入到天然气系统中的氢的量，测量用户从天然气系统取回的天然气的量，以及针对氢消耗的量向用户开具账单，氢消耗的量至少相当于取回的天然气的量的一部分。可选地，电力可以包括实际产自或视为已产自可再生能源的电力。

在一些情况下，一种电解器具有多个层叠组件，每个层叠组件具有独立的电源。可选地，电解器具有用于同时以不同的功耗速率操作多个层叠组件的控制器。

在一些情况下，一种电解器具有向上通往共用的气体分离器的多个层叠组件。

在一些情况下，一种电解器具有控制器以及电计量器。控制器适合于操作直流电源以预定的速率消耗电力。可选地，控制器可以操作直流电源，使得当电力在预定的价格以下可用时以预定的速率消耗电力。

在一些情况下，一种操作电网的方法，其包括下列步骤：输入不平衡能量，并且通过与天然气系统相连的电解器消耗不平衡能量。

在一些情况下，一种操作电网的方法，其包括以下步骤：操作发电机以生产超过操作电网所需的量的电力，以及在与天然气系统相连的电解器中消耗过量的所述电力。还可以存在其他步骤，将过量的所述电力的边际成本减去不生产过量的电力的任何成本的差与氢的市场价值进行比较。

在一些情况下，一种方法包括下列步骤：在第一时段期间，通过电解器来消耗电力，并将氢注入到天然气系统中，以及在第二时段期间，燃烧天然气以生产电力。

在一些情况下，一种天然气系统具有包括氢浓度传感器的用户气体计量器。与流率和氢浓度有关的数据被转换成天然气的等效流率。

在一些情况下，一种操作天然气燃料站或天然气发电站的方法，其包括下列步骤：测量从管线取回的天然气中氢的浓度，以及添加氢以生产具有指定的氢浓度的气体混合物。

在一些情况下，一种操作天然气燃料站或天然气发电站的方法，其包括下列步骤：浓缩从管线取回的氢与天然气的混合物，以及添加天然气以生产具有指定的氢浓度的气体混合物。

在一些情况下，一种操作电解器的方法，其包括下列步骤：接收与可以被注入到气体管线中的最大量氢有关的数据，以及a)控制电解器，使其消耗不超过生产最大量氢的电量，b)排放过量的氢，或c)向电网运营者发送信号，信号表明能被生产的相应的最大量氢。数据包括管线中的天然气的流率。

上述情况中说明的元件以及步骤可被应用到各种情况中所描述的组合中、具有可在其他情况或下面的详细说明中找到的任意元件或步骤的上述情况中的任意一者的组合中、或其他组合中。

附图说明

图1是包括电解器的能量系统的示意图。

图2是包括电解器与气体管线之间的连接的图1的能量系统的一部分的示意图。

图3是图1的电解器的各种电气部件的示意图。

图4是图1的电解器的液气回路的示意图。

图5是图1的能量系统的可选的富氢气体取出系统的示意图。

具体实施方式

在本说明书中水电解被称作电解，其将电能转换成氢的形式的化学能。当氢以基本上纯燃料或工业化学品而被消耗时价值最大。然而，当与其他气体混合时，氢也具有价值，这种价值大致上随着氢浓度而降低。也可以将氢转换回电力。此外，在一些情况下，电解器消耗功率的能力可以提供有价值的服务，例如，帮助平衡或调节相互连接的输电系统(也被称为电网)。氢可被认为是燃料或工业化学品，但也可以被视作能量存储或运输媒介。电解器可被认为是用于生产氢的设备，并且也可被视作用于提供电网服务的设备。

电网服务也可以被称作辅助服务或储备，其包括帮助维持电网的可靠运行的各种服务。电网系统运营者有时被称作独立系统运营者(ISO)、电力系统运营者(ESO)或输电系统运营者(TSO)，其可提供不同种类的电网服务合约。电网服务包括辅助电网运营者管理控制区域，或可用于降低或促进控制区域间的能量转移的操作。这里特别感兴趣的是，出于平衡电网上的总的生产和消耗的目的，一些电网服务合约要求可变负荷的所有者对由电网系统运营者做出的调度指令做出响应，例如为了避免或修正短期的不平衡。发电机以及可控负荷均被认为是电网的资产，其能够潜在地提供电网服务。在电网中，往往最重要的负荷是工业处理。然而，工业处理在稳定状态时的运行效率最高，所以，只有一些工业处理可被用于提供电网服务，并且其电网服务的潜在价值通常是小的。

为了提供电网服务，需要处理以至少以可变速率的功耗运行。在如下情况下，由可变负荷提供的电网服务的潜在价值增加，这些情况是：a)当功耗的潜在变化的速率、频率或大小增加时，b)当处理能够准确地以功耗的指定速率运行时，或c)当处理能够被电网运营者控制时。

功耗变化的速率、频率或大小与电网服务的价值相关，这是因为极少的负荷或发电资产能够很快地、频繁地或大量地改变其生产或消耗。在更大程度上，诸如太阳能电池板或风力涡轮机之类的可再生能源发电资产比传统发电资产更频繁而迅速地波动。因此，将高级别的可再生能源发电资产集合到电网中需要频繁快速地改变其他资产的能力相应地提高，并且提高到相应的程度。

以功耗的指定速率准确运行的能力很有价值，这是因为准确地遵照调度指令的负荷比不准确的资产能够帮助提供更迅速而简单的不平衡解决方案。在基于市场的系统中，降低的成本可能仅适用于指定的功耗。

电网运营者加强控制将增加可通过可控负荷来解决的问题的范围。例如，对常规可中断负荷的供电可被切断，以防止紧急情况下电网中的电压下降到最低限度以下，但是接下来电网运营者不能准确控制何时将恢复负荷。如果负荷中断的持续时间也是可控的，并且如果负荷也可用于防止电网中的过电压，这将对电网运营者来说是更有价值的。如果电网运营者的调度大体上是强制性或几乎总是被跟从，而非经过资产所有者的接受，那么将更具价值。在实际控制中，电网运营者能够对负荷控制器发送控制信号，而非对负荷运营者发出调度指令，这提供了更大的价值。在可变式控制中，电网运营者能够发出指令或者发送指定了功耗的期望速率的控制信号，这比仅仅是完全关闭负荷的能力提供了更高的价值。

如果处理能够提供一种以上上述优点，那么该处理就是有用的，但是其中许多都难以提供。关于功耗变化的速率、频率及大小，大部分工业处理都拘泥于对有限范围的高效处理操作、该处理中所使用的机械部件以及生产产品的需要之中的一者以上所请求的改变做出反应的能力。当机械部件未运行在稳定状态的情况下，它们会更频繁地磨损或故障。生产产品的速率可能需要满足物理或市场的约束。关于以功耗的指定速率运行的能力，大部分工业处理通过指定生产速率来控制而不是通过指定功耗来控制。关于电网运营者的控制，这妨碍了工业管理者根据其他约束来优化其处理的能力。

为了增加提供电网服务的潜能，电解器最好配置成具有一项以上能力，以频繁、快速或广泛变化的速率或电力消耗运行、以功耗的指定速率运行，并且允许由电网运营者来控制。

在不向通常的大型运营权力部门所控制的电网提供服务时，这些属性之中的一者或几者也是有用的。例如，为了从可再生能源生产氢，可将电解器与发电机直接相连，或在微电网中相连。发电机可以包括例如风力涡轮机、太阳能电池板、热太阳能设备或生物气燃烧发电机。在这种直接或最低程度的缓冲系统中，电能存储的需要可被降低到电解器能够以任意量的功率可被实时生产而运行的程度。

在另一示例中，电解器可以与电网相连，这实现了能量发电机或负荷之间的直接合约、或提供来自电网运营者的调度指令或服务请求的拍卖或其他市场。在这些情况下，约定的低电价可仅适用于指定的时间以及购买的能量的多少。实际与约定时间之间的任何矛盾或电力消耗量可能导致电解器运营者增加付款。由于合约可能以随时间而逐步变化的速率而规定电力购买，所以如果电解器能够准确地跟随指定的步骤，那么可使电力成本最小化。这需要精确地指定的消耗速率之间的迅速变化。另外，在能量购买被验证或确认为来自于可再生或低温室气体产生源的系统中，主张信用额、抵消或其他利益可能需要高水平的涉及可再生能源生产或购买的数据与记录实际所使用的电力的数据之间的对应性。

基本上纯氢或至少是高浓度氢的强劲市场的出现可能需要平衡生产限制与提供电网服务的价值。另一方面，在满足了市场对纯氢或高浓度氢的需求或在提供电网服务时偶然可能将要满足时，提供电网服务可能比提供更多的任何指定量的氢生产更具价值。将电解器与天然气系统相连提供了市场，以及能够大体上接受由电解器在任何时间可能生产的任意量的氢的物理存储与运输系统。于是，电解器可被控制以提供本质上最具价值的电网服务，而不用关心氢生产的时机或者量。

接下来的进一步说明描述了具有电网、电解器及天然气系统的能量系统。由电解器所生产的氢可被用于更高价值的市场，但是氢也可被注入到天然气系统中。电解器的设计以提供电网服务的方式便于操作。系统便于从注入到天然气系统中的氢中提取价值。

图1示出具有电解器12的能量系统10。在控制区域16内，电解器12与电网14相连。电网14经由交换传输线18进一步连接到其他的电网控制区域。在控制区域16内，电网14由不同容量的内部传输线20构成。交换传输线18的在控制区域16内的部分也被认为是内部传输线20。

传输线20与发电机22以及负荷24相连。电解器12也是负荷24。电网运营者26负责维持控制区域16内的电力生产与消耗的平衡，并且如果必要的话，负责安排经由交换传输线18将电输出到其他控制区域，或从其他控制区域输入电。电网运营者26可能经由一条以上通信链路28与一个以上发电机22以及负荷24进行不同程度的通信。电网运营者能够在不同程度上控制至少一些发电机22及负荷24。受控的发电机22及负荷24可以被称作资产。

通信链路28例如可以允许电网运营者26传达调度指令，以及接收表明受控资产22及24对调度指令进行接受、拒绝或经变化的接受的消息。可选地，通信链路28可以用机器可用的形式向资产22及24直接传达电子信号。进一步可选地，通信链路28通常可按照例如调度指令、服务请求或报价等市场供应的属性间接地从指定发电机22或电网14以指定成本、价格或时间供电。资产22及24可能需要通过诸如中间人或自动拍卖系统之类的中介对指令、请求或电力进行出价或合同约定，并且可能接收其义务的确认。

其他的发电机22或负荷24可以基本上运行在电网运营者26的控制之外。不受控的发电机22或负荷24通常经由计量器连接到电网，计量器使得电网运营者26至少知道经由该计量器连接的发电机22以及负荷24的生产或消耗。

可选地，电网14可采取其他形式。例如，在偏远社区，电网14可被包含在与其他电网14或控制区域16彼此不连接的控制区域16内。在专属或者私有电力系统或电力系统的一部分中，电解器12可以经由传输线20几乎更加直接地与发电机22相连。在这两种情况下，电网运营者26的功能可被简化到使这些功能基本上达到自动化的程度。电网运营者26可以是可编程逻辑控制器、计算机或其他的可编程设备，而不是雇佣人员并且使用可编程设备的办事处或公司。

另外可选地，负荷集合器可管理至少包含电解器12在内的多个负荷24的操作的一些方面，并且可基于多个负荷的合并的能力来提供电网服务。该集合器可管理多个电解器12或一个以上电解器12与一个以上其他负荷24的混合。在这种情况下，虽然负荷集合器可以是独立于电网运营者26的私人公司或其他实体，但负荷集合器可被视为电网运营者26以及电解器运营者的一部分。

除了其他方面，电网运营者26平衡控制区域16中电力的生产与消耗，使得电网14中的电压大体稳定。此外，各传输线18及20承载的电量必须在各传输线18及20的最大容量以下。在图1中，电网运营者26负责管理消耗与生产的平衡以及输电约束。可选地，可以由一个以上的与电网运营者26配合的其他运营者来控制输电约束。在这种情况下，这些其他的运营者可被视为电网运营者26的一部分。电网运营者26可使用电解器12作为可控负荷来帮助平衡或调节电网或管理输电约束。例如，电网14的一个区域中过量生产的电力可在电解器12中被消耗掉，以防止电网14中的过电压，和/或防止流经传输线18及20的电流超过其容量。

电网运营者26也可以经由不平衡市场或调节器安排将电力传输到其他的控制区域16或从其他的控制区域16传输电力。电网运营者26通常试图避免这种传输。这是因为，当电网运营者26需要输入电力之时正是不平衡电能的价格昂贵之时。电网运营者26必须输出能量之时是低电价甚至负电价之时。

电网运营者26能够使用电解器12来吸收电能，否则这些电能需要被输出，或是以负电价由另一控制区域购买。电网运营者26也可以保持难以降低生产或者降低生产比较浪费的发电机22，以至于使电解器12消耗所生产的电力。可通过电网运营者26的调度指令或市场供应的方式实现电解器12的这种应用。

能量系统10包括天然气系统30。电解器12经由排氢口32与天然气系统30相连。天然气系统30包括将天然气从天然气供应源42运送到燃气消耗者40的不同容量的管线34。天然气系统30还可以包括在管线34外部用于储存天然气的一个以上储气库36。可选地，排氢口32与氢管线相连，氢管线可不经过天然气系统30将氢运送到燃气消耗者40。为简化附图起见，图1中示出的天然气系统30与控制区域16是分开的。在地面上，天然气系统30与控制区域16可能重叠。具体是，燃气消耗者40也可以是控制区域16中的负荷24或发电机22。

至少在一些时候，电解器12从传输线20接收电力并且生产氢。可将一部分或全部的氢从排氢口32注入到天然气管线34中。以这种方式，通过将电能转化成氢并将氢存储在天然气系统30中，电解器12将能量存储在能量系统10中。在一些情况中，作为天然气发电机22的燃气消耗者40通过将氢燃烧而最终重新转换成电力。在控制区域16的一部分中，通过电解器12将电力转换成氢，并且在控制区域16的另一部分，从天然气发电机22生成相应的电力，上述过程提供了通过天然气系统30的电力的虚拟传输。

无论氢何时或是否实际到达天然气发电机22，氢取代了天然气消耗，并且降低了向天然气系统30中输入天然气的需要。在管理、结算、跟踪、税收、碳补偿、碳信用或其他系统或过程中，氢可被认为已在任何时候被任何燃气消耗者40燃烧。

图2示出能量系统10的部分的另一些详细信息，特别是电解器12与天然气系统30之间的连接。所示的电解器12包括核心部50、临时存储器52及压缩机54。临时存储器52以及压缩机54是优选的，然而由于一些电解器12可以以足够高的压力输出氢以使氢可被注入到天然气系统30中，因此临时存储器52以及压缩机54也是可选的。然而，在可变功耗的条件下，核心部50与天然气管线34之间的直接连接可能在电解器层叠中引起持续的高压力或压力波动。这两种情况增加了氢泄露的可能性以及数量，然而上述情况能够通过生产低于管线压力的氢并且设置压缩机54来避免。

图2所示的核心部50、电解器12的其余的部分、以及电解器12外部的区域之间的部件的划分是随意的。例如，可将临时存储器52及压缩机54集成到核心部50内的辅助设备中。可选地，临时存储器52以及压缩机54可以位于容纳电解器12的建筑物之外，甚至是相隔很远的场所。

在图2中，电解器核心部50生产低于天然气系统30的天然气管线34中的压力的氢。例如，核心部50可能生产大约100psig的氢。如果设置了临时存储器52的话，那么其主要用于将生产的氢聚集起来，使得压缩机54不需要频繁地或以与氢产出的速率相匹配的速率运行，并用于提供防止核心部50产生吸力的缓冲。压缩机54可以是例如正活塞泵。存储压力计66与临时存储器52流体连通，并监控临时存储器中的压力。当压力计66表明已到达高压设置点时，压缩机54启动。当压力计66表明已到达低压设置点时，压缩机54关闭。可加入带有调节阀68的再循环回路70以防止压缩机出口压力超过预定的最大值。

排氢口32经由输出阀56以及气体计量器58连接到气体管线34。输出阀56可以是例如背压调节器，其仅当氢的压力超过最小压力时才开启，该最小压力被选择为大于天然气管线34中可能的最大压力，例如为500～800psig。可选地，输出阀56可以以电子或气动的方式检测天然气管线34中的实际压力，并将最小压力调节成跟随天然气管线34内的压力再加上安全系数。这可以避免过度压缩氢而消耗能量。气体计量器58记录流入气体管线的氢，以用于一个以上的计费或管理等。可选地，存在两个以上气体计量器58，其中一个由电解器12的运营者拥有并使用，并且另一个由天然气系统30的运营者拥有并使用。可选地，这些运营者可以是一家公司，或者运营者们可以共享来自单一气体计量器58的数据。可经常由人工读取气体计量器58，但气体计量器58最好能够传送数据，通常以常规的轮询间隔传送数据。

电解器核心部50包括水氢分离器以及气体干燥器。电解器12中的湿度传感器检查氢在离开电解器12之前是否已经降低到气体管线的标准。氧传感器通过检查来确保氢的含氧量不超过电解器的安全标准或气体管线的标准。包括这些内部传感器在内，天然气系统运营者在气体管线34的入口附近可能需要其自己的氧传感器以及湿度传感器。可选地，可对氢加入添加剂，例如加入抗脆化剂以提高氢与天然气系统30的材料或燃气消耗者40所使用的材料的兼容性。

电解器12具有执行一个以上控制处理的一个以上控制器60。在一个控制处理中，控制器60确定氢注入相对于时间的最大速率，并且防止电解器12以超过最大速率的速率注入氢。最大速率可以由适用于天然气系统的所有部件的预选最大氢浓度(例如体积在2％～20％)决定。在这种情况下，最大氢浓度不能超过接收氢的天然气管线34中的最大氢浓度。因此在任何时候，氢注入的速率都不能超过那时该天然气管线34中天然气流率的最大百分比。为了核查这个条件，控制器60接收来自与管线34相连的天然气管线流量计62的信号A以及来自气体计量器58的信号B。假设不存在上游电解器12或氢的生产者，控制器60将信号B表明的流率与信号A表明的流率与最大百分比的乘积相比较。

也可以使用确定最大氢注入速率或是否已超过或将要超过最大容许氢浓度的多种其他方式。例如，如果存在上游氢生产者，那么可以将控制器60与排氢口32上游的氢传感器相连接，并且进一步考虑排氢口32上游的气体管线34内的氢浓度。可选地，可将控制器60与排氢口32下游的氢传感器相连以直接检查氢浓度是否超过最大氢浓度。在其他替代选择中，控制器60或电解器运营者可以对从管理天然气系统30的实体获得的信息作出响应，该信息表明气体管线34中的天然气流率，或直接或进一步计算后表明天然气系统30是否能够接受更多的氢。在从管理天然气系统30的实体获得信息的情况下，该实体能够确定不被适用于天然气系统30的所有部件的单一最大氢浓度所限的最大注入速率。在这种情况下，最大注入速率可以考虑例如由储气库36或天然气的流入所引起的气体管线34下游的稀释。可选地，氢管线可以将氢直接输送到储气库36，在这种情况下，是否允许注入更多的氢可由储气库36内的氢浓度是否超过所选的最大浓度来决定。

控制器60连续地或以轮询间隔对气体计量器58或内部气体计量器所表明的氢生产速率与最大注入速率进行比较。只要氢生产速率保持在最大注入速率以下，那么生产速率就能够由其他因素来决定。然而，如果氢生产速率超过最大注入速率，那么控制器60可向运营者发送警报，或例如通过向电解器12内的直流电源发送信号的方式来直接减小电解器12的功耗。可选地，控制器60或电解器运营者也可将表明电解器12正在降低其功耗的信号发送给电网运营者26。

电解器12相对于气体管线34中的通常流率的大小最好极少超过最大氢注入速率。可选地，氢管线可用于将电解器12与较远但较大的气体管线34相连，或将其直接与储气库36相连。任何临时储气库52可被用来允许一些氢以超过最大注入速率的速率几次生产。然而有时，控制器60可能仍需要几次降低氢生产的净速率。可通过降低氢生产的实际速率或通过将生产的一些氢排放到大气来降低氢生产的净速率。尽管排放氢并非所期望的，氢与排放的或大气中的氧再结合从而形成水，对环境没有实质性损害。

降低氢生产的实际速率通常需要降低电力消耗的速率。虽然降低电力消耗经常可被接受，但在一些情况下电解器12根据合约或调度指令消耗预定的电量，或电解器12可执行电网服务。在这些情况下，未计划的电力消耗的降低可能损害电网14，或对电网运营者26或电解器运营者造成经济损害。在这些情况中，电解器运营者可能更愿意排放氢。

为了避免未计划的电力消耗的降低或氢排放，控制器60、电解器运营者、别的人员或物可对预计将存在一段时期的最大注入速率进行预测。该预测可基于气体管线34内的一个以上的当前流率、通过气体管线34的流率的当前趋势、历史数据、或者接收自天然气系统运营者的信息。在电网运营者26完全或一定程度地控制电解器12的情况下，该预测可被转换成有效功耗量并被提供给电网运营者26。可选地，电解器运营者或控制器60可基于该预测拒绝或修改调度指令或请求来自于电网运营者26的电网服务。在其他情况下，电解器运营者可基于该预测对能量合约出价。电解器运营者可将安全因素应用至该预测、如果预测错误接受氢排放的可能性、或甚至遵守被预测为将造成需要排放氢的功耗调度或合约。

气体计量器58对加入到管线34的氢的量进行记录。在实际氢的销售中，天然气系统30的运营者可基于计量器58的读数按照合约或规定所确定的价格对电解器运营者的氢付费。氢与天然气混合在一起之后便被视为天然气。可选地，管线34与消耗者40之间的消耗者气体计量器64可以包括氢浓度传感器。为了结算的目的，计量器64或由天然气系统运营者操作的计算机可调节实际气体流率来提供具有等效热值的不含氢的天然气的流率。可选地，天然气系统运营者可基于由注入到管线34内的氢引起的流经计量器64的气体热值的估算出的降低对电解器12下游的一组消耗者40提供调节。

可使用计算出或测量出的流率和氢浓度信息，通过计算用户实际消耗的氢的量，来对燃气消耗者40进行实际的氢销售。也可经由氢管线或以罐车的方式将氢销售给消耗者40。

可选地，可对消耗者40进行氢的虚拟销售。由用户气体计量器64记录不同消耗者40取回的气体的量。由每个消耗者40所消耗的小于或等于由气体计量器58记录的所生产的氢的量的一些或所有的气体的总和被认为是氢。针对被认为的氢，消耗者40向电解器运营者或天然气系统运营者付费。在给定时间段，氢产量与认为的消耗可能平衡，也可能不平衡。如果生产量与被认为的消耗不同，那么则认为氢在那段时间内被存储起来或从天然气系统30中被取出。

可选地，氢的分销商可能与电解器运营者签订购氢合约，并将氢销售给消耗者40。氢分销商向电解器运营者付费购买，并且将分销商所购买的氢从经由气体计量器58记录的流量中减去。任何剩余的氢可被销售给天然气系统运营者或其他的用户。针对计量器64指示的一些或所有的气体使用，消耗者40向氢分销商付费。消耗者40所使用的任何其余气体的费用将被付给天然气系统运营者。

在任意这些过程中，也可将费用支付给天然气系统运营者，以传送或存储氢。氢可以被结算为氢，或者按照天然气的热值被结算为等效量。

可以将氢视为已被生产或者基于用来生产氢的电力的来源而被标记有属性。例如，电解器12可以仅与风电场、太阳能设施或其他特定的发电机22相连，而不与电网14相连。在更有可能的情况中，可将电解器12与发电机22与电网14的剩余部分之间的传输线20相连。假设不存在从电网14到传输线20的电的流量或净流量，可将氢标记成已经由特定发电机22生产。即便存在来自于电网14的电流的流量或净流量，可基于其发电量而将一部分氢标记成由特定发电机22生产。在电力合约已在市场卖出且合约指定了发电机22的情况下，可将相应量的氢标记成已由指定发电机22生产。

在考虑标记的情况下，已标记的氢可以按照真实或虚拟的方式被出售。例如，消耗者40可以同意对标记成由发电机22利用诸如风能、太阳能、生物气或合成气等可再生能源所生产的氢支付较高的价格。可选地，碳信用额或补偿、税额减免或其他的可再生能源的经济或监管属性可能与已标记的氢有关联。与已标记氢的生产和使用相关的数据被收集在计算机中，并用于计算已标记氢的销售账单，或用于形成其他经济或监管属性的转移记录。当涉及氢分销商时，分销商可仅对已标记氢进行虚拟购买。已标记氢属性被传输给分销商，接着，分销商可以将这些属性传输给用户。以这种方式，分销商可仅对已经由可再生资源生产的氢进行虚拟销售。这种虚拟销售可以通过实际交付天然气来满足，尽管实际的氢在别处取代天然气而被使用。可选地，分销商可允许用户根据已购的已标记氢来主张碳信用额、税额减免、碳补偿或其他权益。

电解器12最好与高容量传输线20相连。具体地，电解器12可以与交换传输线18相连或在其附近。由于交换传输线18是为了通过不平衡市场将电力销售到其他控制区域而被建立的，所以将电网14配置为可将过量的电力运送到这些线路18。位于交换线路18附近的电解器12处于合适于消耗过量的功率的位置，否则，这些过量的功率通常需要在不平衡市场中以负定价被销售。这种电解器12也可以放置为允许电网运营者26在不使内部传输线20过载的情况下购买或允许购买经交换线路18而来的不平衡能量。

当天然气价格没有使得将电力转换成天然气变得有利润时，电解器12的运行主要用来提供电网服务。在这种模式中，氢作为提供电网服务的副产品被生产并销售，但是在其他时间并不生产氢。除非被调度，或在一些特定时间段电力供应的速率非常低，否则电解器关闭。电解器12可根据合约按照电网运营者26的需要来运行，或被置于电网运营者26的直接控制之下。当提供具有五分钟以上的时间尺度的电网服务时，电网运营者26可与电解器运营者通过调度指令或确认消息的方式进行通信。调度指令可以通过电话、电子邮件或专用数据链路来递送，并且指定了一个以上未来时间段内的一个以上期望的消耗速率。确认消息以相同或其他的形式的通信被递送，其表明电解器12能够并且将要按照调度指令中所指定来消耗电力，或者表明电解器12能够遵守一部分调度指令。在调度指令的时间段内，记录了电解器12的实际消耗的来自计量器84(见图3)的信息也被发送给电网运营者26。

当电解器12提供例如频率调整之类的具有较短的时间尺度的电网服务时，在电网运营者26与电解器的控制器60之间，指令以及确认消息被直接发送。这些消息可通过专用通信链路28发送。

在一些情况中，在电解器满功率运行的默认条件下，至少对氢有充足需求的时候，氢的市场价格使其有利润。例如，在诸如夏威夷以及新加坡之类的岛屿上，天然气必须通过罐输入，或在岛上生产，因此天然气价格一般较高。也存在一些氢的市场，其中，氢可以作为车辆燃料、加热燃料、作为废水处理、合成器升级中的工业化学品，作为添加到车用天然气中的添加剂、以及作为在天然气发电站中燃烧的天然气的添加剂。也可以将氢与丙烷混合以提供与天然气相似的带有WAUB指数的混合气体。在这些情况下，电解器12可以通过作为可中断负荷或被控制用于负荷毁灭或视在功率生产来提供电网服务。

图3示出电解器12的各种电气部件。电解器12具有一组层叠组件80。各层叠组件80进而包含多个电解器层叠。层叠可以是例如碱性或高分子电解质膜(polymer electrolytemembrane，PEM)层叠。由于PEM层叠能够运行在零伏附近，所以PEM层叠是优选的，而碱性层叠却通常不能运行在其最大电力消耗的有效百分比(例如50％以下)以下。PEM层叠也具有更大的功率密度并且被设计成能够生产更高压力的氢。另一方面，诸如由水吉能公司(Hydrogenics Corporation)销售的一些碱性层叠被设计成自泵式。在提供电网服务时这种自泵特征很有用，这是因为其避免了频繁地改变水泵或者流量控制阀的速度的需要。

从电网14经传输线18及20再经由AC-AC降压器82将电能提供给电解器12。降压器82将传输线18及20中的电压降低到控制区域16中的标准降压(例如120V或220V)。总功耗由主电计量器84跟踪。交流电经由主总线86可用于电解器12内的各种部件。

各层叠组件80经由相关联的直流电源90以及层叠子计量器88单独与主总线86相连。直流电源90应最好具有宽的电压范围、大的电流容量以及耐用的可变输出机构。一种合适的电源是AEG Power Solutions制造的Thyrobox H2^TM电源。这些电源具有在1VDC～400VDC之间且达到15，000Amp的DC输出，并且具有基于Thyristor的可变输出机构。Thyristor机构是固态器件，能够避免活动部件在长期持续的快速功率变化的情况下磨损。如果需要提供充足电力，那么可为各层叠组件80设置多个电源。

电解器12也具有辅助设备(balance of plant)94，辅助设备94的各个部分将进一步参照图4来说明。辅助设备94的电源经由辅助设备子计量器92从主总线86提供。

当主控制器60操作用于提供例如频率调整的电网服务时，其尝试操作DC电源90，使电解器12消耗指定的电量。电量可由运营者在考虑调度或市场供应的情况下来经由通信链路28指定，或者经由通信链路28通过电网运营者26的直接控制来指定。控制器60可从DC电源90消耗的电力中减去辅助设备94所需要的电量。该电量可估算为例如总指定功耗的百分比，或通过轮询辅助设备计量器92而被确定。消耗的剩余电能在DC电源90之间被分配。来自于层叠子计量器88的读数可被用于内部控制或反馈回路，以调整从各电源90请求的输出，使得由层叠子计量器88所确定的实际消耗功率与预期的指定功耗的部分相匹配。这些内部循环也可以在与各个直流电源90及其相关联的层叠子计量器88相连的子控制器中运行。可选地，来自主计量器84的读数可被用于外部控制或反馈回路以调整控制信号，使得由主计量器84所确定的由电解器12所消耗的总电能与指定的量相匹配。在频率调整中，例如电网运营者26可发送一系列调度，每个调度表明指定时段所需的功耗。控制器60尝试将调度与时序及实际功耗量匹配得尽可能相近或至少在容限范围内，例如针对可应用时间段的至少90％至少在指定的功耗的10％以内。服从调度的可接受的容限可由电网运营者26直接指定，或对声称容限外的运行进行惩罚而指定。

为多个层叠组件80提供相关联的电源90允许多个层叠组件80可以同时以不同功耗被操作。可对控制器60编程以实现多个操作模式。根据运营者的请求或控制，或者作为对指定电网服务的承诺或对预测或者约定的未来功耗或价格做出的程序化响应，控制器60在操作模式之间进行选择。

例如，电解器12可提供电网稳定服务，例如提供一次或二次频率调整服务，其中，指定的功耗有望在5或10分钟的5个周期的时间段内变化，或在更长时间段内以不可预测的方式变化。例如，在一次频率调整服务合约的情况下，指定的功耗每4秒发生变化，这是介于一些北美电网14的自动发电控制(AGC)信号之间的时间。在二次频率调整服务合约的情况下，指定的功耗每5至10分钟便发生变化。在这些情况下，控制器60以大约相同的功率等级操作所有的层叠组件80。以这种方式，功率波动的总大小分散到最大数量的层叠组件80，使各层叠组件80中的变化率最小。任何多余的层叠组件80可被关闭或设置为待机。例如，针对具有五个层叠组件80的1MW的电解器12，要提供0.5MW的一次频率调整的合约，需要通过以大约相同的功率级运行三个层叠组件80来满足。两个剩余层叠组件80关闭或被设置为待机。然而，如果出现以足够低的价格购买电力从而能够从生产额外的氢而获利的机会时，这两个剩余层叠组件可被启动。

当提供二次或三次频率调整服务时，指定的功耗预计将在5至30分钟的时间段内变化，例如针对二次调整为5到10分钟，针对三次调整为15到30分钟。在一段时期内的最大变化量也可预测。在这种情况下，以及在其他服务的指定功耗具有不频繁或可预测改变的情况下，控制器60确定产生名义基准消耗所需要的若干个层叠组件80，并以满功率运行这些层叠组件80，该名义基准消耗是整个频率调整期间(可以是电网服务合约所覆盖的一部分或所有的时间)期望的最小消耗。控制器还预测足以提供频率调整期间期望的额外消耗的层叠组件80的第二数量，并以可变功耗的方式操作这些层叠组件80。以这种方式，降低了控制回路中的震荡或错误的影响。另外，以稳定状态操作，一般对层叠组件80的损耗较小。任何剩余的层叠组件80被关闭或置于待机。然而，如果出现以足够低的价格购买电力，从而能够从生产额外的氢而获利的机会时，这两个剩余层叠组件可被启动。

例如，1MW的电解器12可以具有五个层叠组件80。在电解器12的一个层叠组件80可提供多达0.2MW的有功频率调整的同时，四个剩余层叠组件80的基准消耗在0～0.8MW之间。在消耗1MW的情况下，所有的层叠组件80处于运行中。如果需要的基准消耗降至0.6MW，那么，可将一个层叠组件80关闭或置于待机模式，或为提供有功频率调整而操作。当提供基准消耗时，最好使尽可能多的层叠组件80关闭或置于待机，而不是使基准消耗分散给所有层叠组件80，这不是有功频率调整所需要的。然而，如果电解器12需要提供没有基准消耗的1MW的频率调整(即，指定的功率输出预计有0.8MW的快速地或以难以预测的方式波动)，那么所有的层叠组件80运行在相似的波动功率水平。将参照图4进一步说明，尽管电力消耗以及氢生产速率是变化的，但大体上以恒定的压力生产氢。

在另一操作模式中，电解器12被操作以提供氢生产或能量套利模式。当电力的价格使得氢的生产能够产生利润的任何时候，那么所有的层叠组件80以满功率运行。当电力的价格过高而难以从氢的销售中获得利润时，那么所有层叠组件80被关闭或置于待机模式。可选地，可将制造氢的潜在利润与提供电网服务的利润进行比较。提供电网服务时将生产的氢的估计价值使提供电网服务的预期利润提高。当电网服务的价值更高时，为提供电网服务而分配足够的电解器容量。任何的剩余层叠组件80可运行于氢生产或套利模式。可选地，当一个以上的层叠组件80运行于氢生产或能量套利模式时，控制器60被编程以开启或关闭一个以上的层叠组件80，使得当电力处于指定价格以下时，所述一个以上层叠组件80是开启的。

在自动电网服务模式中，控制器60可与电网电压计量器96或其他的电网状况传感器链接。如果电网电压正在上升或处于高位，控制器60增加功耗直到达到最大功耗，或使电网电压稳定在目标范围内。相反地，如果电网电压正在下降或处于低位，控制器60降低功耗直到电网电压稳定在目标范围内。

图4示出电解器12的辅助设备94的各种元件。各个层叠组件80具有位于层叠组件80或氧排放口102中的恒温器90。恒温器90连接到通向层叠组件80的水输入管线104中的流量控制阀100。层叠温度控制器106或诸如主控制器60的另一控制器调控流量控制阀100以将层叠组件的温度维持在指定范围内。水流从一组平行的泵108提供。泵108的数量比提供最大设计水流所需的数量多一个，便于将一个泵108移除以维修。通过使用流量控制阀100来控制单个层叠组件80的温度，降低了泵108的运行速度的波动，并且使单个泵装置可用于多个层叠组件80。经过层叠组件80的水流也随着层叠组件80在关闭或待机以及运行模式之间的转换而自动关闭及重启。

产生的多余的冷却水具有氧，并且从氧排放口102流到氧分离器110。氧分离器110内的压力通常由氧调节器112维持在基本上恒定的水平。分离后的水114经由诸如散热器116及风扇118之类的冷却设备返回到泵108。控制风扇118的速度，使得到达泵108的水具有期望的温度。在关闭流量控制阀100给泵108施压的情况下，再循环阀120响应于泵108抽吸的水流而调整，以允许水再循环。尽管处于运行状态的泵108的速度或数量也可以被降低，然而反复改变泵108的速度将导致其快速损耗。

氢从各个层叠组件的排氢口122生成，并且向氢分离器124行进。分离后的水126流入补充水箱128。需要时，补充水箱128也接收去离子的补充水130。当氧分离器110中的水位下降到指定的最小值时，泵108将补充水泵入水再循环回路。

氢分离器124中的压力由氢调节器132决定。产生的氢被收集在临时存储箱52中。临时存储箱52中的压力总是低于氢分离器124中的压力。然而，回顾图2，运行压缩机54，使临时存储箱中的压力不被抽吸到小于氢分离器124中的测量压力的特定比例(例如80％)，从而减少压力能的损失。离开电解器12的氧可经过压力恢复涡轮或其他装置以恢复其压力能。

由于长期受压的结果并且所受压力存在波动，层叠组件80中的密封装置可能损耗。当电解器12被用于提供电网服务时，施加到层叠组件的功率频繁波动，并且最好避免相应的压力波动。

通过使多个层叠组件80与共用的气体分离容器124及110连通，使得对密封装置的压力总体保持得更加恒定。特别是当一个以上的层叠组件80正在生成氢时，压力调节器112及132能够在气体分离容器124及110中提供稳定的压力，同时允许流经层叠组件80。气体分离容器124及110的大小抑制了由一个层叠组件80生产的气体的变化。因此，系统整体上需要较少的压力调节装置，并且相对于每个层叠组件具有气体分离容器的装置来说，压力调节装置的动作减少。在氧调节器112与氢调节器132之间所服从的压力在层叠组件80的薄膜两侧维持几乎相等的压力。

层叠组件的排气口位于层叠组件顶部，并且水向上流经过层叠组件。当层叠组件断电后，其残留气泡向上流进气体分离器110及124。水从气体分离器110及124向下排出，进入层叠组件80。层叠组件中的水防止残留的氢与氧发生反应，或者防止侵蚀层叠组件中诸如催化剂之类的材料，或防止将层叠组件转化成燃料电池。水也维持了层叠组件中的压力，从而降低了压力波动。以这种方式，功率可被降低到层叠组件，而无需辅助设备中的其他改变。

参照图5，消耗者40可经由氢浓缩提取装置134从管线34取出气体。多个计量器64用于测量从管线34取回、返回到管线34、以及递送到消耗者40的气体量。隔离阀136可选择地允许提取装置134以批量模式运行。压缩机138允许耗尽氢的气体被回送到管线34。

消耗者40可以是例如天然气燃料站或天然气发电站。可变的低浓度的氢(例如至约5％)可被添加到天然气中，而不实质地改变诸如家用炉之类的通常的气体燃烧装置的运行。然而，引擎对其燃料成分的改变更加敏感。天然气引擎包括用于发电的气体轮机以及车辆中的内燃机。然而，适当浓度的氢(至约15％)对天然气引擎的运行有益，并且可降低二氧化碳及污染物的排放。

天然气引擎的控制系统可检测燃料的氢浓度和/或引擎响应于燃料的氢含量的运行,相应地做出反应。可选地，在车辆燃料站或天然气轮机供应系统中，可以提供大于管线34中存在的富含一个以上等级的通常恒定浓度的氢的天然气。

例如，可通过测量从管线34抽取的天然气中的氢浓度并添加需要量的氢以达到期望的浓度来生产富含5％或10％氢的天然气产品。可选地，不仅可以预先计算所需要的量或者取而代之，还可以通过监控氢浓度传感器来确定所需要的氢的量。在这种情况下，可省略测量从管线34抽取的天然气中的氢的浓度。添加的氢可以由氢管线、罐车、现场电解或现场转换天然气(例如由蒸汽重组提供)来提供。电解器12也可以与燃料站或发电站位于一地，或由氢管线相连，以直接提供用于天然气浓缩的氢。

可选地，可经由提取装置134从管线34取出具有增加的或降低的氢浓度的混合物。如果取出的混合物具有大于期望的氢浓度，可利用取自管线34的未浓缩的气体将氢稀释到目标浓度。

提取装置134可例如通过由钯或钯银合金制成的薄膜之类的氢选择膜去除富氢气体。也可对管线气体进行压缩以仅使其中的一种液化而分离气体。富氢天然气也可以被提取装置134中的吸收剂收回。吸收剂可以是金属氢化物形成金属，例如是镧镍合金、铁钛合金或碳纳米管。在这种情况下，提取装置134是填充有吸收剂的箱体。通过操作阀门136以及压缩机138，管线气体以管线压力经过箱体，这使得氢被捕获成为金属氢化物。接着，将箱体与管线34隔绝，并输送到消耗者40。当提取装置134中的压力降低时，吸收的氢也被释放以生成富氢天然气。

为了与天然气分开结算，可以监控被燃料站或发电厂去除的氢的量。氢或富氢天然气可具有不同的价格、碳信用额(carbon credit)或可再生能源权益。燃料站可以将这种权益转移给用户，或向用户提供购买低排放或部分可再生燃料的选择。

在带有多个电解器12的能量系统10中，可将两个以上的电解器12的操作作为一个群组一起控制。例如，如果电网114需要消耗过量的电力，群组控制器可使受到较小电力传输限制的、受到较小的可注入到管线的氢的量限制的、或用于向市场供应较高价值的氢应用的电解器12运行。

可选地，氢可被间接地使用或被注入到管线中。特别是，可利用氢来制造甲烷。然后可以将甲烷注入到气体管线或供应到车辆燃料站或发电站。可以通过Sabatier处理将氢转化成为甲烷。包括氢在内，Sabatier处理需要二氧化碳作为原料。二氧化碳可从引擎或者锅炉的废气中、从生物气中或其他的碳固存(carbon sequestration)处理中提取。可选地，可通过将氢加入到厌氧消化池中将氢转化成为甲烷，所述消化池例如是用于从生物量(biomass)制造甲烷的消化池。在消化池中，氢与二氧化碳结合以产生甲烷，并且增加消化池的甲烷输出。可选地，氢可以在消化池外与从厌氧消化池所产生的生物气分离出来的二氧化碳结合。

将氢转换成为甲烷消耗氢的潜在能量的约20％。然而，这些损失中的一部分可以作为废热被恢复。另外，可将甲烷不限量地注入到天然气管线中。甲烷的能量密度约是氢的三倍，并且甲烷是目前的天然气燃料汽车的主燃料。因此，在一些情况下，转换为甲烷是期望的。特别是，如果生产氢的成本至少部分地被提供电网服务所覆盖，如果甲烷化处理中的二氧化碳的消耗提供了诸如碳信用额之类的好处，或如果氢或用于生产氢的电力否则将被浪费，那么生产甲烷可以成为氢的可行的应用。

Claims (15)

1.一种操作能量系统中的电解器的方法，其包括下列步骤：

a)提供电解器；

b)接收一系列调度，所述一系列调度表明一段时间内指定的功耗，所述调度每30分钟至少出现一次；

c)根据所述调度操作所述电解器；以及，

d)将步骤c)期间所产生的氢排放到天然气系统中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调度每10分钟至少出现一次。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤c)包括：根据调度指令在指定的容限范围内操作所述电解器。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤d)包括：在将所述氢注入到天然气管线之前，将所述氢转换成甲烷。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述电解器具有控制器以及电计量器，并且其中，所述控制器适合于操作直流电源以预定的速率消耗电力。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤c)中，根据所述调度按照如下集合中的一部分来操作所述电解器，所述集合是i)多个电解器，或ii)至少一个电解器以及至少一个其他的可变负荷。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括下列步骤：

a)在第一位置将所述氢注入到所述天然气系统中；

b)测量在所述第一位置注入到所述天然气系统中的所述氢的量；

c)测量用户在第二位置从所述天然气系统取回的天然气的量；以及，

d)生成用户账单，所述用户账单表明了或基于与取回的所述天然气的量的至少一部分相当的氢消耗的量。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述电解器具有多个层叠组件，每个所述层叠组件具有独立的电源和用于同时以不同的功耗速率操作所述多个层叠组件的控制器。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括下列步骤：

a)将所述电解器分为成组的分立层叠组件；

b)根据所述调度指令操作第一组分立层叠组件；以及，

c)关闭第二组分立层叠组件，将所述第二组分立层叠组件置于待机模式，或仅当电价在指定值以下时操作所述第二组分立组件以生产所述氢。

10.根据权利要求9所述的方法，其还包括下列步骤：

a)估算一段时期内电网服务所需的基准功耗；

b)操作所述第一组分立层叠组件的子组以提供所述基准功耗；以及，

c)操作所述第一组分立层叠组件的其余子组，从而提供变化的功耗。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从电力生产一定量的氢，所述电力包括实际产自或视为已经产自可再生能源的电力，并且将所述一定量的氢标记为已经产自可再生能源。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括下列步骤：

a)接收与可被注入到气体管线的最大量氢有关的数据；以及，

b)完成如下步骤中的至少一项，这些步骤为：i)控制所述电解器，使其消耗不超过生产所述最大量氢的电量，(ii)排放过量的氢，并且(iii)向电网运营者发送信号，所述信号表明能被生产的相应的最大量氢。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述数据包括所述管线中的天然气的流率。

14.根据权利要求1或2所述的方法，所述电解器具有向上通往共用的气体分离器的多个层叠组件。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其包括下列步骤：

a)从所述天然气系统取回天然气；

b)测量从所述天然气系统取回的所述天然气中氢的浓度；以及，

c)通过如下步骤来生产具有指定氢浓度的气体混合物，所述步骤为：i)将氢添加到所述天然气中，或ii)将所述天然气与从管线取回的氢和天然气的富氢混合物相混合。