CN106458618A - 用于电网的间歇式可再生能量的负载平衡的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明利用由风电场或其它可再生能源生成的可再生能量。可再生能量能够用于向本地或国家能源网供应能源。然而，根据本发明，可再生能量的至少部分能够通过使用能量产生氢气和氮气来储存。氢气和氮气随后被转化成氨气，其被储存以被提供给氨气燃气涡轮机。燃气轮机燃烧氨气以产生用于能量网络的能量。氢气注入系统从系统的适当级提取可用氢气部分，并将提取的氢气部分添加到被提供给燃气轮机的氨气流。因此，改善了燃烧性能，导致更有效和更清洁的燃烧过程。

Description

用于电网的间歇式可再生能量的负载平衡的系统和方法
背景技术
过去几年，摄取用于能量生成的可再生自然资源(可再生能源)令人印象深刻，但仍然存在处理可再生资源短暂性质的未解决问题。太阳能和风力的性质是间歇式的，因此，不可能向能量网络提供可靠的基本负荷。由于能源消费者的需求可能不规则，基于可再生资源的电力供应与消费者的需求不匹配。此外，多余的能量、即从可再生资源瞬时可获得但是当时消费者不需要的能量的数量使能量网络发生应变，并且其在不被消耗的情况下会损失。
因此，存在由可再生资源瞬时提供的能量不足以满足需求的情况。然而，还存在由可再生资源瞬时提供的能量超过当前需求的情况。随着来自可再生能量源的能量的比例增加，情况将变得不可持续。
解决这些缺点的有希望的方法是使用适合于存储能量的长期能量缓冲器或存储器。这种解决方案将允许处理其中需求超过可用能量的情况以及其中有多余能量可用的情况。
用于存储电能的各种缓冲解决方案是已知的，例如，锂电池和钒基氧化还原电池，但这些解决方案不能提供必要的能量储存规模。氢气提供了另一种储存能量的无碳的途径，但是难以使用并且具有风险。为了获得合适的能量密度，其在气体形式下必须被压缩到500巴。液体氢需要低温和相关的复杂的基础设施。此外，任何一种形式的氢的使用由于爆炸的危险都需要保护。由于这些原因，氢不被认为是能量储存的合格候选者。
因此，目前没有可靠和适当的手段来在地方或国家范围内分离能量供应与对可再生能量的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于从间歇式可再生能量源向能量网络供应能量的解决方案。
该目的通过根据权利要求1的系统和根据权利要求19的方法来解决。
本发明基于存储使用可再生能源生成的能量的至少部分的方法。这是通过使用该能量产生氢气和氮气来实现的。氢气和氮气随后被转化成氨气(NH3)，氨气(NH3)是无碳燃料并且可以在环境温度下储存。另外，NH3可以使用管道、铁路、运输和卡车有效和安全地运输。此外，NH3提供的优点是其可以在无碳工艺中合成，并且其可以在不产生温室气体的情况下燃烧。
本发明通过使用可再生能量用于生成可以随后存储的氨气，来实现电力的供给与来自波动的可再生能量源的对电力的需求的解耦。存储的氨气然后可以在NH3发电机中使用，以生成被馈送到电网中的电力。本发明提出的该集成解决方案允许将间歇式电力转换成由可再生能量源提供给地方或国家能量网络的基本负荷。
通过在燃烧之前将所产生的氢的部分与从NH3存储容器引导到NH3发电机的NH3混合，通过在临时存储单元和/或系统的其它合适的级利用在系统中(例如在氢气电解器中)产生的氢气，实现进一步的改进。这导致更好的燃烧性能，例如更有效和更清洁的燃烧过程和减少的NOx排气。为此，该系统包括氢气注入系统。氢气注入系统从系统的合适级提取氢气部分，并将提取的氢气提供给与NH3存储容器和NH3发电机流体连接的混合器。混合器将氢气与来自储存容器的NH3混合，并向NH3发电机提供NH3-氢气混合物。
因此，作为缓冲器的NH3存储容器的存在允许了向能量网络提供能量的更好的灵活性、以及因此改进的负载平衡。此外，通过氢气注入系统来提高系统和方法的效率。
本发明可以应用于基于可再生能量运行能量网络，以及在用于重工业和农村地区的本地能源供应中应用于电网稳定。
更详细地，一种用于基于由可再生能量源提供的间歇式可再生能量向能量网络提供能量和用于能量网络的能量输入的负载平衡的系统，包括：
-用于产生氢气和氮气的H2-N2产生单元，其中H2-N2产生单元通过使用由可再生能量源提供的能量来操作，
-被配置成接收和混合由H2-N2产生单元产生的氢气和氮气以形成氢气氮气混合物的混合单元，
-用于接收和处理氢气氮气混合物以生成包含NH3的气体混合物的NH3源，其中NH3源流体连接至混合单元以从混合单元接收氢气氮气混合物，并且其中NH3源被配置成从氢气氮气混合物生成包含NH3的气体混合物，其中NH3源包括用于储存包含NH3的气体混合物的至少部分NH3的NH3存储容器，
-用于生成用于能量网络的能量的NH3发电机，其中NH3发电机流体连接至NH3存储容器，以从NH3存储容器接收包含NH3的气流，并且其中NH3发电机包括燃烧室以燃烧气流中的接收的NH3以生成用于能量网络的能量，
其中系统还包括：
-氢气注入系统，用于从系统的级向氢气注入系统中提取氢气部分，并且用于将来自氢气注入系统的所提取的氢气添加到气流以被提供给NH3发电机，以在NH3流到达NH3发电机之前生成NH3氢气混合物。
系统可以包括NH3氢气混合器，NH3氢气混合器流体连接至NH3存储容器、NH3发电机和氢气注入系统，并且被配置和布置成接收和混合来自NH3存储容器的NH3和来自氢气注入系统的氢气，以形成NH3-氢气混合物以被提供给所述NH3发电机。混合器允许在燃烧之前形成气体混合物。
氢气注入系统可以包括氢气提取单元，氢气提取单元被指派给提取氢气部分的系统的级，氢气的部分从该氢气提取单元提取，其中氢气提取单元使得在该级将被提取的氢气部分建立从级到氢气注入系统中的特定的氢气流，将被提取的氢气的量的调节，即H2流速调节。通过这一设置，能够通过控制氢气提取单元来从所选择的级提取具体量的氢气。
氢气注入系统可以包括多个设备，多个设备用于调节在氢气注入系统中以及到要被提供至NH3发电机的气流的氢气的流。因此，可以通过控制多个设备中的一个或多个设备来建立到混合器中的具体的H2流速。多个设备可以包括如泵、阀门等设备，其允许流速调节。
氢气注入系统可以包括用于控制以下各项的氢气控制系统：
-从提取H2部分的级到氢气注入系统中的氢气的流速，和/或
-从氢气注入系统到要被提供给NH3发电机(即到NH3-H3混合器)的气流的氢气的流速。
这通过控制用于调节氢气注入系统中的氢气的流的氢气提取单元和/或多个设备来实现。由此，能够建立最佳操作参数。
其中，氢气控制系统的控制可以基于输入数据集，输入数据集包含关于NH3发电机中的实际工作条件的信息，并且其中工作条件包括以下中的至少一项：
-燃烧室中的燃烧状态，
-来自NH3存储容器的NH3的流速，
-燃烧室中的温度，
-燃烧室中的气体混合物的实际化学组成，和/或
-NH3发电机的燃烧废气的实际化学组成。
因此，H2控制系统可以通过考虑各种参数来建立最佳工作条件。
H2-N2产生单元可以包括
-用于产生氢气的氢气电解器，其中氢气电解器被配置成接收水和由可再生能量产生的能量，并通过电解产生氢气，以及
-用于产生氮气的空气分离单元，其中空气分离单元被配置成接收空气和由可再生能量源产生的能量，并且通过分离所接收的空气来产生氮气。
这允许通过利用来自可再生能量源的能量来产生氢气H2和氮气N2，最终导致以NH3的形式存储该能量的能力。
提取氢气部分的级可以是氢气电解器。
混合单元可以流体连接至H2-N2产生单元以接收其中产生的氢气和氮气，其中混合单元可以包括用于接收和缓冲来自H2-N2产生单元的氢气和氮气的临时存储系统。临时存储系统可以被配置成从H2-N2产生单元接收氢气和氮气，以暂时储存氢气和氮气用于缓冲，并随后处理缓冲的氢气和氮气至混合器。这实现了更有效的混合过程。
提取氢气部分的级可以是临时存储系统。
混合单元可以包括：
-混合器，其流体连接至H2-N2产生单元用于接收氢气和氮气，即混合器流体连接至临时存储系统，并且用于混合所接收的氢气和氮气以形成氢气-氮气混合物，以及
-压缩机，其用于压缩来自混合器的氢气氮气混合物以形成将被引导至NH3源的经压缩的氢气-氮气混合物。
因此，混合单元提供经压缩的H2-N2混合物。
NH3源可以包括
-NH3反应室，其被配置成从混合单元接收氢气-氮气混合物，并且处理所接收的氢气-氮气混合物以形成包含NH3的气体混合物，以及
-用于从NH3反应室接收包含NH3的气体混合物的分离器，
其中
-分离器被配置成从包含NH3的气体混合物中分离NH3，使得能够产生氢气-氮气混合物，以及
-分离器流体连接至NH3存储容器，以将产生的NH3引导至NH3存储容器。
分离器的使用允许有效地生产NH3。
在一个实施例中，用于使用再压缩机和第二混合器再处理剩余氢气-氮气混合物的另外的再处理单元是可用的，其中
-再压缩机流体连接至分离器以接收和压缩来自分离器的剩余氢气-氮气混合物，
-第二混合器流体连接至再压缩机，以从再压缩机接收经压缩的剩余氢气-氮气混合物，
-第二混合器流体连接至混合单元以从混合单元接收氢气-氮气混合物，并且其中
-第二混合器被配置成混合来自混合单元的氢气-氮气混合物和来自再压缩机的经压缩的剩余氢气-氮气混合物，以形成要提供给NH3源的氢气-氮气混合物。
使用再处理单元允许重新循环剩余H2和N2以形成另外的NH3。
在替选实施例中，分离器可以流体连接至混合单元以将剩余氢气-氮气混合物从分离器引导至混合单元，使得剩余氢气-氮气混合物在混合单元中与来自H2-N2产生单元的氢气和氮气混合以形成要由NH3源来接收的氢气-氮气混合物。这还使得能够再循环剩余的H2和N2以形成另外的NH3。
系统还可以包括主控制单元，主控制单元用于控制要被存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或使用NH3发电机的能量的生成。
例如，控制可以通过调节被提供给H2-N2产生单元的能量流并且由此H2和N2的产生、或者通过经由影响混合器(influencing mixer)、压缩机或其他部件调节系统中的质量流量、和/或通过调节NH3反应室中的温度来实现。
主控制单元可以被配置和布置、即连接至相应部件，使得对要被存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或使用NH3发电机的能量的生成的控制，至少取决于能量网络中的实际功率需求和/或由可再生能量源当前生成的能量的量。这允许灵活的能量供应，其反作用于能量网络中的实际需求，并且另一方面使得能够在低需求的情况下存储来自可再生能量源的能量。
主控制单元可以被配置成：
-优选地在来自可再生能量源的低的可再生能量输入的时段期间，同时减小要被存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或增加能量的生成，减小要被存储在NH3存储容器中的NH3的生成能够通过控制含有NH3的气体混合物的生成来控制，
-优选地在来自可再生能量源的高的可再生能量输入的时段期间，同时增加要被存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或减小能量的生成。
这还运足用于能量网络的能量输入的有效负载平衡以及灵活的能量供应，其反作用于能量网络中的实际需求，并且另一方面允许能够在低需求的情况下存储来自可再生能量源的能量。
其中，术语“低”和“高”可以参考某些给定的阈值。也就是说低可再生能量输入意味着实际可再生能量输入小于第一阈值，并且高可再生能量输入意味着实际可再生能量输入大于第二阈值。第一和第二阈值可以彼此相同或不同。
系统还可以包括能量分配单元，其被配置成接收由可再生能量源提供的能量，并将能量分配给能量网络和/或H2-N2产生单元，其中分配取决于能量网络中的能量需求情况。例如，在来自能量网络的更高能量需求的情况下，由可再生能量源提供给能量网络的能量的部分较高，并且提供给系统的剩余部分较低。在来自能量网络的较低能量需求的情况下，由可再生能量源提供给能量网络的能量的部分较低，并且提供给系统的剩余部分较高。这允许系统的有效操作，并因此实现了能量网络的能量输入的负载平衡。
在用于基于由可再生能量源提供的间歇式可再生能量向能量网络提供能量并且对能量网络的能量输入进行负载平衡的相应方法中，
-将来自可再生能量源的能量的至少部分用于在H2-N2产生单元中产生氢气和氮气，
-将所产生的氢气和氮气在混合单元中混合以形成氢气-氮气混合物，
-在NH3源中处理氢气-氮气混合物以生成包含NH3的气体混合物，并且将包含NH3的气体混合物的NH3储存在NH3存储容器中，
-从系统的级向氢气注入系统中提取氢气部分，
-从NH3存储容器提供NH3，并且将NH3与来自氢气注入系统的氢气混合以形成NH3氢气混合物，
-NH3氢气混合物被提供给NH3发电机的燃烧室，并且所提供的NH3-氢气混合物在燃烧室中被燃烧用于生成用于能量网络的能量。
氢气控制系统可以：
-从提取H2部分的级到氢气注入系统中的氢气的流速，这通过调节向级分配的氢气提取单元来实现，和/或
–将与从NH3存储容器提供的NH3混合的来自氢气注入系统的氢气的流速，这通过调节用于调节在氢气注入系统中以及到将被提供给NH3发电机的气流的氢气的流的多个设备来实现。
这通过控制氢气提取单元和/或用于调节氢气注入系统中的氢气的流的多个设备来实现。
通过氢气控制系统的控制可以基于输入数据集，输入数据集包含关于NH3发电机中的实际工作条件的信息，并且其中，工作条件包括以下中的至少一项：
-燃烧室中的燃烧状态，
-来自NH3存储容器的NH3的流速，
-燃烧室中的温度，
-燃烧室中的气体混合物的实际化学组成，和/或
-NH3发电机的燃烧废气的实际化学组成。
包含NH3的气体混合物可以被引导至分离器，分离器从包含NH3的气体混合物中分离NH3，使得产生将被储存在NH3存储容器中的NH3和剩余氢气-氮气混合物。
可以将剩余氢气-氮气混合物再压缩，并将已再压缩的剩余氢气-氮气混合物与来自混合单元的氢气-氮气混合物混合，以形成要由NH3源接收的氢气-氮气混合物。
剩余氢气-氮气混合物可以在混合单元中与来自H2-N2产生单元的氢气和氮气混合，以形成要由NH3源接收的氢气-氮气混合物。
系统的主控制单元可以控制将被存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或使用NH3发电机的能量的生成。
主控制单元可以至少取决于能量网络中的实际功率需求和/或由可再生能量源当前产生的能量的量，来控制将存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或使用NH3发电机的能量的生成。
主控制单元
-在来自可再生能量源的低可再生能量输入的时段期间，优选地同时减少将存储在NH3存储容器中的NH3的产生和/或增加能量的产生，
-在来自可再生能量源的高可再生能量输入的时段期间，优选地同时增加将存储在NH3存储容器中的NH3的产生和/或减少能量的产生。
主控制单元控制NH3的产生和能量的产生。例如，在可再生能量源生成较少能量的时段期间，例如在弱风阶段期间的风力发电机的情况下，主控制单元将向NH3发电机供电以向能量网络供应更多能量，因为可再生能量源的供应可能不够。在可再生能量产生大量能量的时段期间，例如在具有强风的阶段期间，主控制单元将使NH3发电机断电，因为可再生能量源向电网提供足够的能量。然而，主控制单元将增加NH3的生产和储存。
与另一装置“流体连接”的装置意味着流体可以经由装置之间的连接而传递，例如，从该装置到另一装置的管。其中，流体可以是气体以及液体。
附图说明
在下文中，基于图1详细解释本发明。不同图中的相同附图标记表示相同的部件。
图1示出了用于间歇式可再生能量源的负载平衡的系统，
图2示出了具有剩余H2-N2气体混合物的再循环的系统的另一实施例，
图3示出了系统的另一实施例的变型。
具体实施例
图1所示的系统100包括可再生能量源10，例如风力发电机或具有多个单独的风力发电机的风电场。可替代地，可再生能量源10也可以是太阳能发电厂或适合于从诸如水、风或太阳能的可再生原料产生能量的任何其它发电厂。在下文中，在假设可再生能量源10是风力发电机的情况下说明系统100。然而，这不应对本发明具有任何限制作用。
风力发电机10连接至能量网络300，以将由风力发电机10生成的能量供应到电网300。其中，将由风力发电机10生成的能量1的至少部分的能量的量1”提供给能量网络300，以满足能量网络300中的用户的能量需求。可以提及的是，能量网络300通常还将访问其他能量源。
然而，所生成的能量1的剩余能量1'可以在系统100中使用以操作系统100的氢气-氮气产生单元20(H2-N2产生单元)。
特别是当可获得多余能量时，即当可再生能量源10生成的能量1超过能量网络300对可再生能量源10的能量需求时，该多余能量可以被引导至H2-N2产生单元20以操作单元20。被馈送给H2-N2产生单元20的能量1'的量取决于将由能量网络300供应的用户的能量需求。即，在高要求的情况下，例如在高峰时间，可能需要将风力发电机10生成的能量1的100％馈送到电网300以满足需求。相反，在非常低的要求的情况下，例如，在夜间，由风力发电机10产生的电力1的100％可以用于系统100中，并且可以被引导至H2-N2产生单元20。
来自风力发电机10的能量1的这种管理和分配由能量分配单元11实现。能量分配单元11从风力发电机10接收能量1。如上所述，能量1的某些比率分别被引导至能量网络300和/或到系统100和H2-N2产生单元20，这取决于能量网络300中的能量需求情况。因此，能量分配单元11被配置成接收由可再生能量源10提供的能量1，并且将能量1分配给能量网络300和/或H2-N2产生单元20，其中该分配取决于能量网络300中的能量需求情况。
例如，在电网300中需要大量能量的情况下，大部分或全部能量1将被引导至电网300，并且只有较少的能量1'将被提供给H2-N2产生单元20。在需求情况使得在电网300中仅需要较少能量的情况下，由可再生能量源10提供的大部分或全部能量1可用于生成NH3。因此，大量的能量1'将被提供给H2-N2产生单元20。
如上所述，由可再生能量源10生成的能量1的量1'被供应给系统100和H2-N2产生单元20以实现NH3的产生。H2-N2产生单元20包括氢气电解器21和空气分离单元22。
H2-N2产生单元20的氢气电解器21用于通过水2的电解产生氢气4和氧气6。氢气电解器21从任意来源(未示出)供应水2，并且使用来自风力发电机10的能量1'操作。氧气6是电解器21的副产品并且其可以被排放并释放到周围空气中。
H2-N2产生单元20的空气分离单元(ASU)22用于生成氮气5。由风力发电机10提供的能量1'用于操作ASU 22，其利用常规的空气分离技术将氮5从空气3中分离。空气3的剩余组成、即氧气和其他气体可以释放到周围空气中。
因此，利用风力发电机10提供能量1'用于利用氢气电解器21电解水2以形成氢气4，以及用于使用ASU 22从空气3中分离氮气5。
氢气4和氮气5然后被引导至系统100的混合单元30。混合单元30包括临时存储单元31、混合器32和压缩机33。首先，氢气4和氮气5在混合器32中混合之前经过临时存储单元31。所得的氢气-氮气气体混合物8(H2-N2气体混合物)随后在压缩机33中压缩至五十或更多个大气压。
现在可以通过在催化剂的存在下在升高的温度下处理压缩的H2-N2气体混合物8来形成氨NH3。这在系统100的NH3源40的NH3反应室41中实现。来自混合单元30和来自压缩机33的经压缩的H2-N2气体混合物8分别被引导至NH3反应室41。反应室41包括一个或多个NH3反应床42，NH3反应床42在升高的温度、例如350-450℃下操作。NH3反应室41根据来自混合器30的H2-N2气体混合物产生NH3和另外的氮气N2和氢气H2的混合物，即NH3反应室释放NH3-H2-N2气体混合物9。
例如，合适的催化剂可以基于铁促K2O、CaO、SiO2和Al2O3而不是铁基催化剂钌。
NH3-H2-N2混合物9被引导至NH3源40的分离器43，例如冷凝器，其中从NH3-H2-N2混合物9分离NH3。因此，分离器43产生NH3和剩余的H2-N2气体混合物8'，NH3被发送至NH3源40的NH3存储容器44。
可以假定，在氨气的存储和运输上存在广泛的认知基础。这同样适用于处理和运输氢气、氮气和氢气-氮气混合物。因此，没有详细描述NH3存储容器44以及连接用于引导NH3和其它气体或气体混合物的系统100的所有部件的各种导管。
如上所述，分离器43根据由NH3反应室41提供的NH3-H2-N2混合物9生成NH3，并且保留H2-N2气体混合物8'。在本发明的一个实施例中，在图2和图3中示出针对其的两个变型，该剩余的H2-N2气体混合物8'被再循环以再次用于在NH3反应室41中生成NH3。
为此，如图2所示的该实施例的系统100包括具有再压缩机51和混合器52的另外的再处理单元50。此外，本发明的该实施例不同于上述本发明的基本实施例在于，来自压缩机33的经压缩的H2-N2气体混合物8不直接传递到NH3反应室41，而是仅通过再处理单元50的混合器52到达NH3反应室41。分离器43的剩余H2-N2气体混合物8'被传送到系统100的再处理单元50的再压缩机51。与压缩机33类似，再压缩机51压缩剩余的H2-N2气体混合物8'至五十或更多个大气压，以考虑在NH3反应室41和分离器43中的处理期间的压力损失。然后将再压缩的剩余H2-N2气体混合物8'传送到混合器52，在混合器52中其与来自混合器30和压缩机33的新鲜的H2-N2气体混合物8混合。混合器52生成H2-N2气体混合物8、8'的混合物8，其随后被引导至NH3反应室41。在下文中，如上所述在NH3源40中处理气体混合物以产生NH3以及剩余的H2-N2气体混合物8'。
图3示出了图2所示实施例的变型。将剩余的H2-N2气体混合物8'直接馈送到混合单元30的混合器32中，以与来自临时存储单元31的进入的氢气和氮气混合。不使用单独的再处理单元50。
在下文中，再次参考图1。然而，下面描述的细节和特征也适用于图2和图3所示的实施例和变型。
NH3存储容器44与NH3发电机200流体连接，使得能够建立NH3气流以将NH3从存储容器44传输给NH3发电机200。氨气可以用于多个不同的燃烧循环中，例如在布雷顿循环或柴油循环中。然而，在风力发电机或风电场的功率水平，使用燃气涡轮机用于产生电能的氨气的燃烧是合适的，其中布雷顿循环是适用于燃气轮机解决方案。因此，NH3发电机200可以是被配置用于氨气的燃烧的燃气涡轮。之前已示出，仅具有燃烧器的轻微改变的常规燃气涡轮机将是合适的。
燃气涡轮机200燃烧来自NH3存储容器44的NH3，以分别在NH3发电机200和燃气涡轮机的燃烧室201中产生能量。然后可以将该能量1”'馈送到能量网络300中。
然而，NH3发电机200和燃气轮机的性能和效率可以分别通过在燃烧室201中的燃烧之前从NH3存储容器44向NH3气流中引入氢气H2来优化。将在燃烧室201中燃烧的所得到的NH3-H2气体混合物中的附加氢气H2的存在导致改进的燃烧属性、例如增加的效率以及燃烧室201中的燃烧过程的改进的清洁，以及减小的NOX排气。
因此，系统100包括氢气注入系统80，其用于提供将添加到来自NH3存储容器44的NH3气流的氢气H2。氢气注入系统80可以从系统100的各个级接收氢气H2。例如，将被注入NH3流中的氢气H2可以是在氢电解器21中产生的氢气4的部分，和/或其可以是混合单元30的临时存储单元31中可用的氢气的部分。提供氢气H2的其它合适的阶段将是例如混合器32、压缩机33、NH3反应室41和/或分离器43。然而，最合适的阶段将是氢气电解器21和临时存储单元31，因为在那些阶段，氢气H2不必与另一气体如氮气N2分离，因为在那些阶段氢气不是气体混合物的组分。在任何情况下，在相应级仅氢气总量的<<100％部分可用于氢气注入系统80。例如，该部分可以是在该级可用的氢气总量的10％。
氢气注入系统80包括混合器84、其布置在NH3存储容器4和NH3发电机200之间，使得来自存储容器44的NH3在到达NH3发电机200之前首先被引导到混合器84中。在混合器84中，NH3与来自氢气注入系统80的氢气H2混合。
此外，氢气注入系统80在每个级21、31包括氢气提取单元85、86，其实现要在该阶段提取的氢气的部分的调节。提取单元85、86由氢气控制系统82控制，并且可以包括被控制以建立氢气H2到氢气注入系统80中的特定流动的阀和/或泵。
所提取的氢气H2被引导并存储在氢气存储装置81中。然而，存储装置81是可选的，并且提取的氢气H2可以被引导到混合器84，而不存储在其间。
来自级21、31的氢气H2的流量由氢气控制系统82管理，在级级21、31处提取H2部分。氢气控制系统82控制氢气提取单元85、86和/或额外的多个装置83、例如泵、阀和/或适于控制氢气注入系统80中的流速的其它装置。通过这种设置，可以通过控制氢气提取单元85从所选择的级21、31中提取特定量的氢气，而且，进入混合器84的具体H2流速可以通过控制多个装置83来建立。两者均通过氢气控制系统82实现。
为此，氢气控制系统82接收(未示出)包含关于NH3发电机200的实际工作条件的信息的数据集作为输入。这些工作条件可以包括NH3发电机200的燃烧室201中的燃烧状态，和/或从NH3存储容器44到达混合器84的NH3的量，即到混合器84的流速。此外，其他燃烧参数也可以包括在数据集中，其他燃烧参数允许推断出NH3发电机中的工作条件，例如燃烧室201中的气体的温度和/或实际化学组成、和/或NH3发电机200的燃烧废气的实际化学组成。在这些和潜在的其他数据中，氢气控制系统82通过控制H2提取单元85、86和\或多个设备83确定和建立要被提供给混合器84的氢气H2的最佳流速。例如，可以用相应的传感器(未示出)确定数据，并且传感器数据可以无线地传送到氢气控制系统82。
系统100还包括被配置成控制系统100的各种部件的主控制单元60(主控制单元60与系统100的其他部件的连接在图1中未示出以避免混淆)。特别地，主控制单元60控制生成用于能量网络300的能量1”'的过程和NH3的产生。
在从风力发电机10和能量管理单元11分别到系统100的能量供应过低的情况下，例如由于能量网络300中的高能量需求，主控制单元60通过利用电解器21和ASU 22使压缩机33、51和/或H2-N2产生单元20断电，来减少系统100中的气体质量流量，从而减少NH3的产生。因此，较少的能量1'从风力发电机10被引导至系统100，并且更多的能量1”可用于能量网络300。此外，主控制单元60增加从NH3存储容器44到NH3发电机200的NH3质量流量。因此，NH3发电机200增加能量网络300所需的能量1”'的生成，以便确保电网300中的稳定能量供应从而实现平衡负载。
在从风力发电机10和电力管理单元11分别到系统100的能量供应过高的情况下，例如当风力发电机10产生比能量网络300所需要的能量更多的能量时，主控制单元60通过向压缩机33、51、向电解器和/或向ASU 22提供更多功率，通过增加系统100中的气体质量流量，来加强系统100中的NH3的生产。这导致被存储在NH3存储容器44中的NH3的增加的产量。然而，用于能量网络300的来自NH3发电机200的能量1”'的生成没有增加，但是可能减小。
此外，主控制单元60基于电网300中的能量消耗和需求并且基于可用于电网300的任何能量源的可用电力供应，来控制NH3发电机200中的电力产生。因此，在电网300中的可用电力供应小于需求的情况下，主控制单元60将向NH3发电机200供电以满足需求。在电网300中的可用电源高于需求的情况下，主控制单元60将使NH3发电机200断电，并且通过向H2-N2产生单元20提供更多能量并且通过增加系统100中的质量流量，来增强NH3生成，使得NH3存储容器44可以再次被充满。
换句话说，主控制单元60被配置成在太低的可再生能量输入1的时段期间，例如，在能量网络300中的低风和/或高能量需求期间，减少引导至NH3存储容器44的NH3的产生和/或增加能量1”'的产生。此外，主控制单元60被配置成在太高的可再生能量输入1期间，例如，在电网300中的强风和/或低能量需求期间，增加被引导至NH3存储容器44的NH3的产生和/或减少能量1”'的生成。
因此，由主控制单元60执行的控制可以取决于能量网络300中的实际功率需求、由可再生能量源10产生的能量1和/或可用于系统100的来自可再生能量源10的能量1'的实际量。
相应地，主控制单元60必须连接至能量网络300以接收关于网络300中当前能量需求和覆盖的信息。此外，主控制单元60将连接至能量分配单元11和/或到风力发电机10，以直接接收关于由风力发电机10提供并且可用于系统100和网络300中的能量1、1'、1”的信息。主控制单元60将必须连接至H2-N2产生单元20，以控制产生的氢气和氮气的量，并且如果适用则连接至各种混合器和压缩机，以调节系统中的质量流量。由此，主控制单元60可以调节导向NH3存储容器44的NH3的产生。除此之外，主控制单元60连接至NH3存储容器44，以调节给向NH3发电机200的NH3供应，以及连接至NH3发电机200本身以通过NH3燃烧调节能量生成。最后，主控制单元60能够连接至氢气控制系统82，使得从级21、31到氢气注入系统80中的氢气H2流速和/或从氢气注入系统80到混合器84的氢气流速也可以由主控制单元60集中地影响。

Claims (27)

1.一种用于基于由可再生能量源(10)提供的能量(1)向能量网络(300)提供能量(1”，1”')的系统(100)，包括：
-H2-N2产生单元(20)，用于产生氢气(4)和氮气(5)，其中所述H2-N2产生单元(20)通过使用由所述可再生能量源(10)提供的能量(1')来操作，
-混合单元(30)，被配置成接收和混合由所述H2-N2产生单元(20)产生的所述氢气(4)和所述氮气(5)，以形成氢气-氮气混合物(8)，
-NH3源(40)，用于接收并且处理所述氢气-氮气混合物(8)以生成包含NH3的气体混合物(9)，其中所述NH3源(40)包括NH3存储容器(44)，所述NH3存储容器(44)用于存储包含NH3的所述气体混合物(9)的所述NH3的至少部分，
-NH3发电机(200)，用于生成用于所述能量网络(300)的能量(1”')，其中所述NH3发电机(200)流体连接至所述NH3存储容器(44)以从所述NH3存储容器(44)接收包含NH3的气流，并且其中所述NH3发电机(200)包括燃烧室(201)，以燃烧所述气流中的接收的所述NH3以生成用于所述能量网络(300)的所述能量(1”')，
其中所述系统(100)还包括：
-氢气注入系统(80)，用于从所述系统(100)的级(21，31)提取氢气部分(H2)，并且用于将所提取的氢气(H2)添加到将被提供给所述NH3发电机(200)的所述气流。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，包括NH3-氢气混合器(84)，所述NH3-氢气混合器(84)流体连接至所述NH3存储容器(44)、所述NH3发电机(200)和所述氢气注入系统(80)，并且所述NH3-氢气混合器(84)被配置和布置成接收和混合来自所述NH3存储容器(44)的所述NH3和来自所述氢气注入系统(80)的氢气(H2)，以形成将被提供给所述NH3发电机(200)的NH3-氢气混合物。
3.根据权利要求1到2中的任一项所述的系统(100)，其中所述氢气注入系统(80)包括氢气提取单元(85，86)，所述氢气提取单元(85，86)被指派至从其提取所述氢气部分(H2)的所述系统(100)的级(21，31)，其中所述氢气提取单元(85，86)使得所述氢气(H2)部分的调节能够在所述级(21，31)处被提取。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的系统(100)，其中所述氢气注入系统(80)包括多个设备(83)，所述多个设备(83)用于调节在所述氢气注入系统(80)中以及到将被提供给所述NH3发电机(200)的所述气流的氢气(H2)的流。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的系统(100)，其中所述氢气注入系统(80)包括用于控制以下各项的氢气控制系统(82)：
-从所述级(21，31)到所述氢气注入系统(80)中的氢气(H2)的流速，在所述级(21，31)提取所述H2部分，和/或
-从所述氢气注入系统(80)到将被提供给所述NH3发电机(200)的所述气流的氢气(H2)的流速。
6.根据权利要求5所述的系统(100)，其中由所述氢气控制系统(82)的控制基于输入数据集，所述输入数据集包含关于所述NH3发电机(201)中的实际工作条件的信息，并且其中所述工作条件包括以下中的至少一项：
-所述燃烧室(201)中的燃烧状态，
-来自所述NH3存储容器(44)的NH3的流速，
-所述燃烧室(201)中的温度，
-所述燃烧室(201)中的气体混合物的实际化学组成，和/或
-所述NH3发电机(200)的燃烧废气的实际化学组成。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的系统(100)，其中所述H2-N2产生单元(20)包括：
-氢气电解器(21)，用于产生所述氢气(4)，其中所述氢气电解器(21)被配置成接收水(2)和由所述可再生能量源(10)产生的能量(1')，并且通过电解产生所述氢气(4)，以及
-空气分离单元(22)，用于产生所述氮气(5)，其中所述空气分离单元(22)被配置成接收空气(3)和由所述可再生能量源(10)产生的能量(1')，并且通过分离所接收的空气(3)来产生所述氮气(5)。
8.根据权利要求7所述的系统(100)，其中在其处提取所述氢气部分的所述级(21)是所述氢气电解器(21)。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的系统(100)，其中所述混合单元(30)流体连接至所述H2-N2产生单元(20)，以接收在所述H2-N2产生单元(20)中产生的所述氢气(4)和所述氮气(5)，其中所述混合单元(30)包括临时存储系统(31)，用于接收和缓冲来自所述H2-N2产生单元(20)的所述氢气(4)和所述氮气(5)。
10.根据权利要求9所述的系统(100)，其中在其处提取所述氢气部分的所述级(21)是所述临时存储系统(31)。
11.根据权利要求1到10中的任一项所述的系统(100)，其中所述混合单元(30)包括：
-混合器(32)，流体连接至所述H2-N2产生单元(20)，以用于接收所述氢气(4)和所述氮气(5)，并且用于混合所接收的氢气(4)和氮气(5)以形成氢气-氮气混合物，以及
-压缩机(33)，用于压缩来自所述混合器(32)的所述氢气-氮气混合物，以形成将被引导至所述NH3源(40)的经压缩的氢气-氮气混合物(8)。
12.根据权利要求1到11中的任一项所述的系统(100)，其中所述NH3源(40)包括：
-NH3反应室(41)，被配置成从所述混合单元(30)接收所述氢气-氮气混合物(8)，并且被配置成处理所述接收到的氢气-氮气混合物(8)以形成包含NH3的所述气体混合物(9)，以及
-分离器(43)，用于从所述NH3反应室(41)接收包含NH3的所述气体混合物(9)，
其中
-所述分离器(43)被配置成将NH3从包含NH3的所述气体混合物(9)中分离，使得产生NH3和剩余氢气-氮气混合物(8')，并且
-所述分离器(43)流体连接至所述NH3存储容器(44)，以将所产生的NH3引导至所述NH3存储容器(44)。
13.根据权利要求12所述的系统(100)，还包括再处理单元(50)，所述再处理单元(50)用于使用再压缩机(51)和第二混合器(52)再处理所述剩余氢气-氮气混合物(8')，其中
-所述再压缩机(51)流体连接至所述分离器(43)，以从所述分离器(43)接收和压缩所述剩余氢气-氮气混合物(8')，
-所述第二混合器(52)流体连接至所述再压缩机(51)，以从所述再压缩机(51)接收所述经压缩的剩余氢气-氮气混合物(8')，-所述第二混合器(52)流体连接至所述混合单元(30)，以从所述混合单元(30)接收所述氢气-氮气混合物(8)，
并且其中
-所述第二混合器(52)被配置成混合来自所述混合单元(30)的所述氢气-氮气混合物(8)以及来自所述再压缩机(51)的所述经压缩的剩余氢气-氮气混合物(8')，以形成将被提供至所述NH3源(40)的所述氢气-氮气混合物(8)。
14.根据权利要求12所述的系统(100)，其中所述分离器(43)流体连接至所述混合单元(30)，以将所述剩余氢气-氮气混合物(8')从所述分离器(43)引导至所述混合单元(30)，使得所述剩余氢气-氮气混合物(8')在所述混合单元(30)中与来自所述H2-N2产生单元(20)的所述氢气(4)和所述氮气(5)混合，以形成将由所述NH3源(40)接收的所述氢气-氮气混合物(8)。
15.根据权利要求1到14中的任一项所述的系统(100)，包括主控制单元(60)，所述主控制单元(60)用于控制将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3的生成、和/或使用所述NH3发电机(200)的所述能量(1”')的生成。
16.根据权利要求15所述的系统(100)，其中所述主控制单元(60)被配置并且布置使得，控制将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3的生成和/或使用所述NH3发电机(200)的所述能量(1”')的生成取决于所述能量网络(300)中的实际功率需求和/或由所述可再生能量源(10)当前生成的能量(1)的量。
17.根据权利要求15到16中的任一项所述的系统(100)，其中所述主控制单元(60)被配置成：
-在来自所述可再生能量源(10)的低的可再生能量输入的时段期间，减小将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3的生成和/或增加所述能量(1”')的生成，
-在来自所述可再生能量源(10)的高的可再生能量输入的时段期间，增加将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3的生成和/或减小所述能量(1”')的生成。
18.根据权利要求1到17中的任一项所述的系统(100)，还包括能量分配单元(11)，所述能量分配单元(11)被配置成接收由所述可再生能量源(10)提供的所述能量(1)，并且被配置成向所述能量网络(300)和/或所述H2-N2产生单元(20)分配所述能量(1)，其中所述分配取决于所述能量网络(300)中的能量需求情况。
19.一种用于基于由可再生能量源(10)提供的能量(1)向能量网络(300)提供能量(1”，1”')的方法，其中
-使用来自所述可再生能量源(10)的所述能量(1)的至少部分(1')以在H2-N2产生单元(20)中产生氢气(4)和氮气(5)，
-所产生的氢气(4)和氮气(5)在混合单元(30)中混合以形成氢气-氮气混合物(8)，
-所述氢气氮气混合物(8)在NH3源(40)中被处理以生成包含NH3的气体混合物(9)，并且包含NH3的所述气体混合物(9)的NH3被存储在NH3存储容器(44)中，
-将氢气部分(H2)从所述系统(100)的级(21，31)提取到氢气注入系统(80)中，
-从所述NH3存储容器(44)提供NH3，并且将所述NH3与来自所述氢气注入系统的氢气(H2)混合以形成NH3-氢气混合物，
-所述NH3-氢气混合物被提供给NH3发电机(200)的燃烧室(201)，并且所提供的NH3-氢气混合物在所述燃烧室(201)中燃烧以用于生成用于所述能量网络(300)的所述能量(1”')。
20.根据权利要求19所述的方法，其中氢气控制系统(82)控制：
-从所述级(21，31)到所述氢气注入系统(80)中的氢气(H2)的流速，在所述级(21，31)处提取所述H2部分，和/或
-将与从所述NH3存储容器(44)提供的所述NH3混合的来自所述氢气注入系统(80)的氢气(H2)的流速。
21.根据权利要求20所述的方法，其中通过所述氢气控制系统(82)的控制基于输入数据集，所述输入数据集包含关于所述NH3发电机(201)中的实际工作条件的信息，并且其中所述工作条件包括以下中的至少一项：
-所述燃烧室(201)中的燃烧状态，
-来自所述NH3存储容器(44)的NH3的流速，
-所述燃烧室(201)中的温度，
-所述燃烧室(201)中的气体混合物的实际化学组成，和/或
-所述NH3发电机(200)的燃烧废气的实际化学组成。
22.根据权利要求19到21中的任一项所述的方法，其中包含NH3的所述气体混合物(9)被引导至分离器(43)，所述分离器(43)为将NH3从包含NH3的所述气体混合物(9)中分离，使得产生将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3以及剩余氢气-氮气混合物(8')。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述剩余氢气-氮气混合物(8')被再压缩，并且再压缩的剩余氢气氮气混合物(8')与来自所述混合单元(30)的所述氢气-氮气混合物(8)混合，以形成要由所述NH3源(40)接收的所述氢气-氮气混合物(8)。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述剩余氢气-氮气混合物(8')在所述混合单元(30)中与来自所述H2-N2产生单元(20)的所述氢气(4)和所述氮气(5)混合，以形成将由所述NH3源(40)接收的所述氢气-氮气混合物(8)。
25.根据权利要求19到24中的任一项所述的方法，其中所述系统(100)的主控制单元(60)控制将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3的生成、和/或使用所述NH3发电机(200)的所述能量(1”')的生成。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述主控制单元(60)至少取决于所述能量网络(300)中的实际功率需求和/或由所述可再生能量源(10)当前生成的能量(1)的量，来控制将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3的生成、和/或使用所述NH3发电机(200)的所述能量(1”')的生成。
27.根据权利要求25到26中的任一项所述的方法，所述主控制单元(60)：
-在来自所述可再生能量源(10)的低的可再生能量输入的时段期间，减小将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3的生成和/或增加所述能量(1”')的生成，
-在来自所述可再生能量源(10)的高的可再生能量输入的时段期间，增加将被存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3的生成和/或减小所述能量(1”')的生成。
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