CN106460567A - 用于向能源网供应来自间歇性可再生能量源的能源的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明利用由风电场或其他可再生物生成的可再生能源。可再生能源用于向本地或国家能源网供应能源。然而，根据本发明，通过使用能量生成氢气和氮气来存储可再生能量的至少一部分。氢气和氮气随后被转化成氨气，其被存储以提供给氨气燃气轮机。燃气轮机燃烧氨气以生成用于能量网的能量。未使用的过程热，例如废热，从系统的一个或多个第一适当阶段被收集并且被引导到系统的一个或多个第二适当阶段，以提高第二阶段的效率。因此，系统的总体效率得到提高。

Description

用于向能源网供应来自间歇性可再生能量源的能源的系统和 方法
背景技术
过去几年，用于能源生产的可再生自然资源(可再生能源)的吸引力令人印象深刻，但是仍然存在处理可再生能源的短暂性质的未解决的问题。太阳能和风力的性质是间歇性的，并且因此，无法向能量网络提供可靠的基本负载。因为能源消费者的需求可能是非常规的，所以基于可再生能源的能量源并不匹配消费者的需求。而且，多余的能量，即从可再生能源瞬间可获得但是当时消费者不需要的能量的数量使能量网络紧张，并且在其不被消耗的情况下可能损失。
因此，存在由可再生能源瞬时提供的能量不足以满足需求的状况。然而，还存在由可再生能源瞬时提供的能量超过当前需求的状况。随着来自可再生源的能源比例增加，情况将变得不可持续。
解决这些缺点的有希望的方法可以是，使用长期能量缓冲器或适用于存储能量的存储。这种解决方案可以允许处理需求超过可用能量的情况以及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，锂电池和钒基氧气化还原电池，但是这些解决方案无法提供必要的能量存储规模。氢气提供了用于存储能量的另一无碳途径，但是其难以被利用或者是有风险的。其必须以气体形式被压缩到500巴以便于实现适当的能量密度。液态氢气需要低温和相关的复杂基础设施。此外，任何形式的氢气的使用由于爆炸的风险而都需要保护。由于这些原因，氢气不被认为是用于能量存储的合格候选。
因此，目前没有用于在本地或国家范围内分离能量供应和对可再生能源的需求的可靠和适当的手段。
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源向能量网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16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一部分的方法。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换成氨气(NH3)，氨气(NH3)是无碳燃料并且可以在环境温度下被存储。而且，NH3可以使用管道、铁路、船运和卡车来被有效和安全地运输。此外，NH3提供的优点是，其可以在无碳工艺中被合成，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被存储的氨气来实现与波动的可再生能源分离电力的供给和需求。然后，所存储的氨气可以在NH3发电机中使用，以生成馈送到电网中的电力。本发明提出的这种集成解决方案允许将间歇电力转换成由可再生能源提供给本地或国家能源网的基本负载。
通过利用在系统的级或部件的操作期间在该级或部件处生成的废热来实现进一步的改进。废热由相应的热交换器收集并且至少部分地被传送到系统的另一级或部件，其操作和效率至少可以通过存在升高的温度来改善或甚至需要存在升高的温度。这产生了整个系统的改善的效率。
因此，作为缓冲器的NH3存储容器的存在允许向能量网提供能量的更好的灵活性，并且因此改善负载平衡。此外，通过将至少一部分热传送到系统的另一级别或部件，通过利用在系统的一个级或部件处生成的热，来改善系统和方法的效率。
本发明可以适用于基于可再生能源以及在重工业和农村地区的本地能源供应、网稳定中操作能量网络的运行。
更具体地，一种用于基于由可再生能源提供的间歇可再生能源来向能量网提供能量和用于能量网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源提供的能量来操作，
-混合单元，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，
-NH3源，用于接收和处理用于生成含有NH3的气体混合物的氢气-氧气混合物，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源被配置为从氢气-氮气混合物生成含有NH3的气体混合物，其中NH3源包括NH3存储容器，以用于存储含有NH3的气体混合物的NH3的至少一部分，
-用于生成用于能量网的能量的NH3发电机，其中，NH3发电机流体连接到NH3存储容器，以从NH3存储容器接收含有NH3的气体流，并且其中，NH3发电机包括燃烧室，用于燃烧所接收的气体流的NH3以生成用述能量网的能量，以及
-具有一个或多个热交换器的热分配系统，
其中，
-一个或多个热交换器中的每一个与系统的一个或多个第一部件中的至少一个热接触并且对其指派，以用于接收在至少第一个部件的操作期间来自所指派的至少一个第一部件的过程热，例如，在响应部件的操作期间生成的废热或其他热，
-一个或多个热交换器中的每一个被布置和配置为将所接收的过程热的至少一部分传送到系统的一个或多个第二部件中的至少一个。
其中，第一部件中的每一个的相关特性是在第一部件的操作期间生成热。由第一部件生成的热由于热接触而被传送到相应的热交换器。
其中，第二部件中的每一个的相关特性是，当能够提供升高的操作温度时，在第二部件的操作期间的热消耗或至少改善的操作和/或效率。二者通过提供来自热交换器的热来实现。
此外，一个或多个第一部件中的每一个被指派给一个或多个热交换器中的至少一个并与之热接触。
一个或多个第一部件中的一个可以是NH3发电机。因此，因为废热被重新引导到过程中，所以系统的效率被改善。
其中，一个或多个第二部件中的一个是混合单元，其中在氢气和氮气的混合中利用所传送的过程热的一部分以促进氢气-氮气混合物的形成。这提高了整个系统的效率。
H2-N2产生单元可以包括：
-用于产生氢气的氢气电解器，其中，氢气电解器被配置为接收由所述可再生能源产生的水和能量，并且通过电解产生氢气，和/或
-用于产生氮气的空气分离单元，其中，空气分离单元被配置为接收由可再生能源产生的空气和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源的能量来产生氢气H2和氮气N2，最终产生存储NH3形式的能量的能力。
一个或多个第一部件中的一个可以是氢气电解器。因此，因为废热被重新引导到过程中，所以系统的效率被改善。
混合单元可以流体连接到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混合器以及压缩机，混合器用于将氢气与氮气混合以形成氢气-氮气混合物，压缩机用于压缩来自混合器的氢气-氮气混合物，以形成要被引导到NH3源的压缩的氢气-氮气混合物。因此，混合单元提供压缩的H2-N2混合物。
一个或多个第二部件中的一个可以是混合器，其中传送到混合器的过程热的一部分用于促进氢气和氮气的混合。因此，因为废热被重新引导到过程中，所以系统的效率被改善。
NH3源可以包括NH3反应室，其被配置为从所述混合单元接收氢气-氮气混合物，并且处理所接收的氢气-氮气混合物以通过放热化学反应来形成含有NH3的气体混合物，其中一个或多个第一部件中的一个是NH3反应室。NH3反应室的功能基于放热化学反应，并且在操作期间产生的相应废热可以被重新引导到系统以改善效率。
NH3源可以进一步包括用于从NH3反应室接收含有NH3的气体混合物的分离器，其中
-分离器被配置为从含有NH3的气体混合物中分离NH3，使得产生NH3和剩余的氢气-氮气混合物，并且
-分离器被流体连接到NH3存储容器，以将所产生的NH3引导到所述NH3存储容器。分离器的使用允许有效地产生NH3。
在一个实施例中，提供了用于利用再压缩机和第二混合器来再处理剩余的氢气-氮气混合物的附加再处理单元，其中
-再压缩机被流体连接到分离器以接收和压缩来自分离器的剩余的氢气-氮气混合物，
-第二混合器被流体连接到再压缩机，以从再压缩机接收压缩的剩余氢气-氮气混合物，
-第二混合器被流体连接到混合单元，以从混合单元接收氢气-氮气混合物，
并且其中，
-第二混合器被配置为混合来自混合单元的氢气-氮气混合物以及来自再压缩机的压缩的剩余氢气-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使剩余的H2和N2重新循环以形成另外的NH3。
一个或多个第二部件中的一个可以是第二混合器。这提高了H2-N2混合过程的效率，并且因此提高了整个系统的效率。
在替代实施例中，分离器可以被流体连接到混合单元将来自分离器的剩余的氢气-氮气混合物引导到混合单元，使得在混合单元中将剩余的氢气-氮气混合物与来自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。这还允许使剩余的H2和N2再循环以形成另外的NH3。
该系统可以进一步包括NH3裂化器，其被流体连接到NH3存储容器和NH3发电机，并且其被配置和布置为
-从NH3存储容器接收NH3，
-使所接收的NH3部分裂化生效，以形成NH3-氢气混合物，并且
-将NH3-氢气混合物引导到NH3发电机以供燃烧。
NH3裂化器的利用允许向具有更好燃烧性能的NH3发电机提供NH3-氢气-气体混合物。
一个或多个第二部件中的一种可以是NH3裂化器。这具有更高的NH3裂化效率的效果，因为NH3裂化器的操作原理基于热的消耗。因此，改善了系统的总体效率。
该系统可以进一步包括主控制单元，用于控制要存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或利用NH3发电机生成能量。
例如，该控制可以通过调节提供给H2-N2-产生单元的能量流来实现，并且由此产生H2和N2，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，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，即连接到相应的部件，使得对要存储在NH3存储容器中的NH3的生成的控制和/或利用NH3发电机对能量的生成的控制至少取决于能量网中的实际功率需求和/或由可再生能源当前生成的能量的量。这允许灵活的能量供应，其对能量网中的实际需求产生反应，并且另一方面，允许在低需求的情况下存储来自可再生能源的能量。
主控制单元可以被配置为
-优选地同时减少要存储在NH3存储容器中的NH3的生成，这可以通过控制含有NH3的气体混合物的生成来实现，和/或在来自可再生能源的低的可再生能量输入的时段期间增加能量的生成，
-优选地同时增加要存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或减少在来自可再生能源的高可再生能量输入的时段期间的能量生成。
这还允许用于能量网的能量输入的有效负载平衡和灵活的能量供应，其对能量网中的实际需求做出反应，并且另一方面，允许在低需求的情况下存储来自可再生能源的能量。
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。
该系统进一步可以包括能量分配单元，该能量分配单元被配置为接收由所述可再生能源提供的能量，并且向所述能量网和/或所述H2-N2产生单元分配能量，其中，该分配取决于所述能量网中的能量需求情况。例如，在来自能量网的更高能量需求的情况下，由可再生能源提供给能量网的能量的一部分更高，并且提供给系统的剩余部分更低。在来自能量网的较低能量需求的情况下，由可再生能源提供给能量网的能量的一部分较低，并且提供给系统的剩余部分较高。这允许系统的有效操作，并且因此，允许对能量网的能量输入的负载平衡。
在用于向能量网提供能量并且用于基于由可再生能源提供的间歇可再生能量的对能量网的能量输入的负载平衡的相应方法中，
-来自可再生能源的能量的至少一部分用于在H2-N2产生单元中产生氢气和氮气，
-在混合单元中混合所产生的氢气和氮气以形成氢气-氮气混合物，
-在NH3源中处理氢气-氮气混合物，以生成含有NH3的气体混合物，
-含有NH3的所述气体混合物的NH3被存储在NH3存储容器中，
-将来自所述NH3存储容器的NH3流引导到NH3发电机的燃烧室，以用于燃烧NH3流的NH3来生成用于所述能量网的能量，
其中，
-在至少一个第一部件的操作期间在系统的一个或多个第一部件中的至少一个中生成的过程热的至少一部分被传送到系统的一个或多个第二部件中的至少一个，该过程热例如在相应部件的操作期间生成的废热或其他热。
一个或多个第一部件中的一个可以是NH3发电机。
一个或多个第二部件中的一个可以是混合单元，特别是用于将氢气与氮气混合以形成氢气-氮气混合物的混合单元的混合器，其中，所传送的过程热的一部分在氢气和氮气的混合中使用。
在H2-N2产生单元的氢气电解器中产生氢气，其中，一个或多个第一部件中的一个是氢气电解器。
NH3源可以包括NH3反应室，其从混合单元接收氢气-氮气混合物，并且处理所接收的氢气-氮气混合物以通过放热化学反应形成含有NH3的气体混合物，其中，一个或多个第一部件中的一个是NH3反应室。
可以将含有NH3的气体混合物引导到分离器，分离器从含有NH3的气体混合物中分离NH3，使得产生要存储在NH3存储容器中的NH3和剩余的氢气-氮气混合物。
可以将剩余的氢气-氮气混合物再压缩，并且将再压缩的剩余氢气-氮气混合物与来自第二混合器中的混合单元的氢气-氮气混合物混合，以形成要由NH3源接收的氢气-氮气混合物。
一个或多个第二部件中的一个是第二混合器。
来自NH3存储容器的NH3流在其到达NH3发电机之前被引导到NH3裂化器。NH3裂化器使从NH3存储容器接收的NH3的部分裂化生效，以形成NH3-氢气混合物，并且NH3-氢气混合物作为NH3流被引导到NH3发电机以供燃烧。NH3裂化器的利用允许将MH3-氢气-气体混合物提供给NH3发电机，其具有更好的燃烧性质。
一个或多个第二部件中的一个是NH3裂化器。这具有下述效果：因为NH3裂化器的操作原理基于热消耗，所以具有较高的NH3劣化的效率。因此，提高了系统的总体效率。
系统的主控制单元可以控制要存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或利用NH3发电机的能量的生成。
再次，例如，控制可以通过调节提供给H2-N2-产生单元的能量流并且由此产生H2和N2来实现，或者通过经由影响混合器、压缩机或其他部件调节系统中的质量流，和/或通过调节NH3反应室中的温度来实现。
主控制单元可以至少根据能量网中的实际功率需求和/或基于由可再生能量源当前生成的能量的量来控制要存储在NH3存储容器中的NH3的生成，和/利用NH3发电机的能量的生成。
此外，主控制单元
-优选地同时减少要存储在NH3存储容器中的NH3的生成，和/或在来自可再生能源的低的可再生能量输入的时段期间增加能量的生成，
-优选地同时增加要存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或减少在来自可再生能源的高可再生能量输入的时段期间的能量生成。
主控制单元控制NH3的生成和能量的生成。例如，在例如可再生能源生成较少能量的时段期间并且在风力发动机处于低风期间的情况下，主控制单元将向NH3发电机供电，以向能量网供应更多能量，因为可再生能源的供应可能不够。在可再生能源生成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的生产和存储。
“流体连接”到另一设备的设备意味着，流体可以经由诸如管道的设备之间的连接从该设备传送到另一设备。其中，流体可以是气体和液体。
附图说明
在下文中，基于图1来详细地解释本发明。不同图中的相同附图标记指相同的部件。
图1示出了用于间歇可再生能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体。
具体实施方式
图1所示的系统100包括可再生能源10，例如风力发动机或具有多个单独风力发动机的风电场。替代地，可再生能源10还可以是太阳能发电厂或适用于从可再生原料(如水、风或太阳能)生成能量的任何其他发电厂。在下文中，在可再生能源10是风力发动机的假设下说明系统100。然而，这不应对本发明具有任何限制效果。
风力发动机10被连接到能量网300，以将由风力发动机10生成的能量供应到电网300。其中，将作为由风力发动机10所生成的能量1的至少一部分的能量的量1″提供给能量网300，以满足能量网300中的消费者的能量需求。可以认为，能量网300通常还将接入其他能量源。
然而，所生成的能量1的剩余能量的量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)。
特别是当多余的能量可提供时，即当由可再生能源10生成的能量1超过能量网300对可再生能源10的能量需求时，该多余能量可以被引导到H2-N2产生单元20，以对单元20进行操作。馈送到H2-N2产生单元20的能量的量1'取决于要由能量网300供应的消费者的能量需求。也就是说，在高需求的情况下，例如在高峰时间期间，由风力发动机10生成的能量1的100％有必要被馈送到电网300中以满足需求。相反，在非常低的需求的情况下，例如在夜间期间，由风力发动机10生成的电力1的100％可以用于系统100中使用，并且可以被引导到H2-N2产生单元20。
来自风力发动机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从风力发动机10接收能量1。如上所述，根据能量网300中的能量需求情况，特定比率的能量1被分别引导到能量网300和/或系统100以及H2-N2产生单元20。因此，能量分配单元11被配置为接收由可再生能量源10提供的能量1，并且将能量1分配到能量网300和/或H2-N2-O2产生单元20，其中该分配取决于能量网300中的能量需求情况。
例如，在电网300中需求大量能量的情况下，大部分或全部能量1可以被引导到电网300，并且仅较少的能量1'可以被提供到H2-N2产生单元20。在需求情况使得在电网300中仅需求较少的能量的情况下，由可再生能量源10提供的大部分或全部能量1可以用于生成NH3。因此，大量的能量1'可以被提供给H2-N2-O2产生单元20。
如上所述，由可再生能源10生成的能量1的能量的量1'被供应到系统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的电解来生成氢气4和氧气6。从任意源(未示出)向氢气电解器21供应水2，并且使用来自风力发动机10的能量1'进行操作。氧气6是电解器21的副产物，并且其可以被排放并释放到环境空气中。
H2-N2产生单元20的空气分离单元(ASU)22用于氮气5的生成。由风力发动机10提供的能量1'用于操作ASU 22，ASU 22利用常规的空气分离技术来将氮气5与空气3分离。空气3的剩余组成部分，即氧气和其他，可以被释放到环境空气中。
因此，风力发动机10用于将能量1'提供用于水2的电解以利用氢气电解器21形成氢气4并且用于使用ASU 22从空气3中分离氮气5。
然后，将氢气4和氮气5两者引导到系统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中混合之前通过临时存储单元31。随后，将得到的氢气-氮气-气体混合物8(H2-N2-气体混合物)在压缩机33中压缩成五十或更多个大气压。
现在可以通过在在升高的温度下在催化剂存在时候对压缩H2-N2-气体混合物8进行处理器来形成氨气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的压缩的H2-N2-气体混合物8分别被引导到NH3反应室41。反应室41包括一个或多个NH3反应床42，其在例如350-450℃的升高的温度下进行操作。在放热化学反应中，NH3反应室41产生NH3和另外来自混合器30的H2-N2气体混合物中的氮气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，适当的催化剂可以基于铁促K2O、CaO、SiO2和Al2O3，而不是铁基催化剂、钌。
将NH3-H2-N2-混合物9引导到NH3源40的分离器43，例如冷凝器，其中NH3是从NH3-H2-N2-混合物9中分离的。因此，分离器43产生被发送到NH3源40的NH3存储容器44的NH3，以及剩余的H2-N2-气体混合物8'。
可以假定在氨气的存储和运输上存在大量知识基础。这同样适用于氢气、氮气和氢气-氮气混合物的处理和运输。因此，没有具体描述NH3存储容器44以及连接用于引导NH3和其他气体或气体混合物的系统100的所有部件的各种管道。
如上所述，分离器43从由NH3反应室41提供的NH3-H2-N2-混合物9中生成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中示出了其两个变型，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的附加再处理单元50。此外，本发明的该实施例与上述本发明的基本实施例的不同之处在于，来自压缩机33的压缩的H2-N2气体混合物8不直接被传递到NH3反应室41，而是仅经由再处理单元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'被传递到系统100的再处理单元50的再压缩机51。如压缩机33，再压缩机51将剩余的H2-N2-气体混合物8'压缩成五十或更多个大气压，以考虑在NH3反应室41中和在分离器43中的处理器期间的压力损失。然后，将再压缩的剩余H2-N2气体混合物8'传递到混合器52，其中，其分别与来自混合器30和压缩机33的新鲜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，其随后被引导到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以及再次的剩余的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。不是用单独的再处理器单元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所示的实施例和变体。
NH3存储容器44与NH3发电机200流体连接，使得NH3气体流可以被建立以将NH3从存储容器44传输到NH3发电机200。氨气可以在多个不同的燃烧循环中使用，例如在布雷顿循环或柴油循环中。然而，在风力发动机或风电场的功率水平下，使用燃气涡轮机用于燃烧氨气以生成电能是合适的，其中布雷顿循环可以适用于燃气涡轮机解决方案。因此，NH3发电机200可以是配置用于氨气的燃烧的燃气涡轮。先前已经示出，仅具有燃烧器的轻微改变的传统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1″'。然后可以将该能量1″'馈送到能量网300中。
此外，附图中所示的系统100包括可选的NH3裂化器45，其位于NH3存储容器44和NH3发电机200之间，并且被流体连接到NH3存储容器44和NH3发电机200。NH3裂化器45从NH3存储容器44接收NH3，并且其通过NH3裂化器45的催化剂床46，以使所接收的NH3部分裂化生效，以形成NH3-氢气混合物(NH3，H2)。如上所述，NH3-氢气混合物(NH3，H2)随后被引导到NH3发电机200以供燃烧。
可以提及的是，如上所述的系统100的操作可以在没有NH3裂化器45的情况下进行。然而，NH3裂化器45的利用允许向具有更好的燃烧性能的NH3发电机200提供NH3-氢气气体混合物。
此外，系统100包括主控制单元60，其被配置为控制系统100的各种部件(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300的能量1″'和NH3的产生的过程。
在例如由于能量网300中的高能量需求而导致从风力发动机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，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，而减少NH3的产生。因此，较少的能量1'从风力发动机10被引导到系统100，并且更多的能量1″可用于能量网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。因此，NH3发电机200增加能量网300所需要的能量1″'的生成，以便于确保电网300中的稳定能量供应以实现平衡负载。
在从风力发动机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，例如当风力发动机10生成比能量网300所需要的更多能量时，主控制单元60通过向压缩机33、51、向电解器21和/或向ASU 22提供更多功率来增加系统100中的气体质量流，而增强系统100中的NH3的产生。这导致存储在NH3存储容器44中的NH3的产生增加。然而，来自NH3发电机200的用于能量网300的能量1″'的生成没有增加，而是可能减少。
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中的功率生成。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中的可用功率供应高于需求的情况下，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供应更多能量并且通过增加系统100中的质量流，来增加NH3生成，使得NH3存储容器44可以再次被填充。
换言之，主控制单元60被配置为，在过低可再生能量输入1的时段期间，例如在能量网300中的低风力和/或高能量需求的时段期间，减少要被引导到NH3存储容器44的NH3的生成和/或增加能量1″'的生成。而且，主控制单元60被配置为，在过高可再生能量输入1的时段期间，例如在电网300中的强风力和/或低能量需求的时段期间，增加要被引导到NH3存储容器44的NH3的生成和/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300中的实际功率需求、由可再生能源10生成的能量1和/或来自可用于系统100的可再生能源10的实际能量的量1'。
相应地，主控制单元60必须被连接到能量网300，以接收关于电网300中的当前能量需求和覆盖的信息。此外，主控制单元60可以被连接到能量分配单元11和/或风力发动机10，以直接接收关于能量1、1'、1″的信息，该能量1、1'、1″由风力发动机10提供并且可用于系统100和电网300中。主控单元60必须连接至H2-N2-产生单元20，以控制氢气和氮气产生的量，并且控制各种混合器和压缩机(如果适用)以调节系统中的质量流。由此，主控制单元60可以调节要被引导到NH3存储容器44的NH3的产生。除此之外，主控制单元60被连接到NH3存储容器44，以调节NH3分别对NH3发电机200和对NH3裂化器45的供应。而且，主控制单元60被连接到NH3发电机200本身，以通过NH3燃烧来调节能量生成。
然而，分别在系统100的不同阶段和部件处，生成可以用于操作系统100的其他级或部件的废热。为此，系统100包括具有一个或多个热交换器92、93、94的热分配系统91、92、93、94。一个或多个热交换器92、93、94中的每一个被指派给系统100的一个或多个第一部件21、41、200中的至少一个并与之热接触，以用于在第一个部件21、41、200的操作期间从所指派的第一部件21、41、200接收过程热。例如，过程热可以是在相应的第一部件21、41、200的操作期间生成并且不用于第一部件21、41、200的操作的其他热或废热。因此，当系统100的部件在第一部件的操作期间生成热时，其有资格成为这样的第一部件。
此外，一个或多个第一部件21、41、200中的每一个被指派给一个或多个热交换器92、93、94中的至少一个并与之热接触。由第一部件21、41、200生成的热由于热接触而被传送到所指派的热交换器92、93、94。
一个或多个热交换器92、93、94中的每一个被布置和配置成将从所指派的第一部件接收的过程热量的至少一部分传送到系统100的一个或多个第二部件30、32、45、52中的至少一个。其中，当部件在部件的操作期间消耗热时，或者当至少改善的操作和/或效率导致可以提供升高的操作问题的情况时，系统100的部件有资格成为这样的第二部件30、32、45、52。两个热量由第二次部件消耗，并且部件的改善操作或效率所需要的热可以由热交换器92、93、94提供。
系统100的第一和第二部件的各种不同组合是可能的，如图1、图2和图3所示。
具体地，第一热交换器92被指派给氢气电解器21并与之热接触。因此，在氢气电解器21的操作期间所生成的热的至少一部分由第一热交换器92吸收以提供到第二部件。
第二热交换器93被指派给NH3反应室41并与之热接触。其中，反应床42在操作期间产生热。至少一部分热量由第二热交换器93吸收。
第三热交换器94被指派给NH3发电机200并与之热接触，例如，其可以被布置在发电机200的释放废热的排气系统处。废热的至少一部分由第三热交换器94吸收。
由热交换器92、93、94收集的热可以在系统100的各种部件中使用。例如，要在混合器32、52中处理的输入气体(即，氢气、氮气和/或氢气-氮气混合物)的预热将导致合成过程的改进的效率，因为在混合器32、52中的反应过程期间可能需要来自外部源的更少的热。类似地，来自热交换器92、93、94中的一个或多个的热可以有利地在NH3裂化器中使用以加热催化剂床46。
因此，由热交换器92、93、94中的一个或多个收集的热可以被传送到混合器32、52中的一个或多个、到混合单元30和/或NH3裂化器45。
在基本方法中，由热交换器92、93、94中的特定一个的收集的热将被传送到特定的第二部件，例如混合器32、52、混合单元30或NH3裂化器45中的一个。因此，可以建立在特定热交换器和用于传送热量的特定第二部件之间的固定连接。例如(未示出)，在特定实施例中，热交换器92、93、94被连接到混合器32。在另一特定实施例中，热交换器92、93、94被连接到混合器52。在另一特定实施例中，热交换器92、93、94被连接到混合器45。热交换器92、93、94和第二部件30、32、45、52的其他固定组合是可能的。
然而，第一部件和指派的热交换器92、93、94中的一个或多个分别对第二部件30、32、45、52中的一个或多个的直接指派，导致了有限的灵活性。因此，系统100包括热收集器和发射器91，其管理从热交换器92、93、94中的一个或多个到第二部件30、32、45、52中的一个或多个的热的转发和/或分配。为此，热收集器和发射器91可以包括相应的开关96和热控制系统95以控制开关96。热控制系统95可以由主控制系统60来管理。
热控制系统95控制对第二部件30、32、45、52的热的分配，使得第二部件30、32、45、52在最佳操作点进行操作。其中，可能出现群集，在该群集下第二部件30、32、45、52中的每一个无法以最佳操作点进行工作。在该情况下，热控制系统95分配可用热，使得在给定情况下实现系统100的最佳可能的总体性能和效率。
最后，主控制单元60可以用于控制热交换器92、93、94、热收集器和发射器91和/或NH3裂化器45的最佳操作点。

Claims (25)

1.一种用于基于由可再生能源(10)提供的能量(1)来向能量网(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)，用于接收和处理用于生成含有NH3的气体混合物(9)的所述氢气-氧气混合物(8)，其中，所述NH3源(40)包括NH3存储容器(44)，以用于存储含有NH3的所述气体混合物(9)的所述NH3的至少一部分，
-用于生成用于所述能量网(300)的能量(1”')的NH3发电机(200)，其中，所述NH3发电机(200)流体连接到所述NH3存储容器(44)，以从所述NH3存储容器(44)接收含有NH3的气体流，并且其中，所述NH3发电机(200)包括燃烧室(201)，用于燃烧接收的所述气体流的NH3以生成用于所述能量网(300)的所述能量(1”')，以及
-具有一个或多个热交换器(92，93，94)的热分配系统(91，92，93，94)，
其中，
-所述一个或多个热交换器(92，93，94)中的每一个与所述系统(100)的一个或多个第一部件(21，41，200)中的至少一个热接触，并且被指派至所述系统(100)的所述一个或多个第一部件(21，41，200)中的至少一个，以用于接收在所述至少一个第一部件的操作期间来自所指派的至少一个第一部件的过程热，
-所述一个或多个热交换器(92，93，94)中的每一个被布置和配置为将接收的所述过程热的至少一部分传送到所述系统(100)的一个或多个第二部件(30，32，45，52)中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中，所述一个或多个第一部件(21，41，200)中的一个(200)是NH3发电机(21)。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统(100)，其中，所述一个或多个第二部件(30，32，45，52)中的一个(30)是所述混合单元(30)，其中，在氢气(4)和氮气(5)的混合中利用传送的所述过程热的一部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统(100)，其中，所述H2-N2产生单元(20)包括：
-用于产生所述氢气(4)的氢气电解器(21)，其中，所述氢气电解器(21)被配置为接收由所述可再生能源(10)产生的水(2)和能量(1')，并且通过电解产生氢气(4)，和/或
-用于产生所述氮气(5)的空气分离单元(22)，其中，所述空气分离单元(22)被配置为接收由所述可再生能源(10)产生的空气(3)和能量(1')，并且通过分离接收的所述空气(3)来产生所述氮气(5)。
5.根据权利要求4所述的系统(100)，其中，所述一个或多个第一部件(21，41，200)中的一个(21)是氢气电解器(21)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述混合单元(30)流体连接到所述H2-N2产生单元(20)以接收其中产生的所述氢气(4)和所述氮气(5)，其中，所述混合单元(30)包括：
-混合器(32)，用于将所述氢气(4)与所述氮气(5)混合以形成氢气-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，以形成要被引导到所述NH3源(40)的压缩的氢气-氮气混合物(8)。
7.根据权利要求6所述的系统(100)，其中，所述一个或多个第二部件(30，32，45，52)中的一个(32)是所述混合器(32)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统(100)，其中，所述NH3源(40)包括NH3反应室(41)，所述NH3反应室(41)被配置为从所述混合单元(30)接收所述氢气-氮气混合物(8)并且处理接收的所述氢气-氮气混合物(8)，以通过放热化学反应形成含有NH3的所述气体混合物(9)，其中，所述一个或多个第一部件(21，41，200)中的一个(41)是所述NH3反应室(41)。
9.根据权利要求8所述的系统(100)，其中，所述NH3源(40)进一步包括用于从所述NH3反应室(41)接收含有NH3的所述气体混合物(9)的分离器(43)，
其中，
-所述分离器(43)被配置为从含有NH3的所述气体混合物(9)中分离NH3，使得产生NH3和剩余的氢气-氮气混合物(8')，并且
-所述分离器(43)被流体连接到所述NH3存储容器(44)，以将所产生的NH3引导到所述NH3存储容器(44)。
10.根据权利要求9所述的系统(100)，进一步包括再处理单元(50)，用于利用再压缩机(51)和第二混合器(52)来再处理剩余的氢气-氮气混合物(8')，其中，
-所述再压缩机(51)被流体连接到所述分离器(43)，以接收和压缩来自所述分离器(43)的所述剩余的氢气-氮气混合物(8')，-所述第二混合器(52)被流体连接到所述再压缩机(51)，以从所述再压缩机(51)接收经压缩的剩余氢气-氮气混合物(8')，
-所述第二混合器(52)被流体连接到所述混合单元(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)被配置为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')，以形成要提供给所述NH3源(40)的所述氢气-氮气混合物(8)。
11.根据权利要求10所述的系统(100)，其中，所述一个或多个第二部件(30，32，45，52)中的一个(52)是所述第二混合器(52)。
12.根据权利要求9所述的系统(100)，其中，所述分离器(43)被流体连接到所述混合单元(30)，以将来自所述分离器(43)的所述剩余的氢气-氮气混合物(8')引导到所述混合单元(30)，使得在所述混合单元(30)中将所述剩余的氢气-氮气混合物(8')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)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统(100)，包括NH3裂化器(45)，所述NH3裂化器(45)被流体连接到所述NH3存储容器(44)和所述NH3发电机(200)，并且所述NH3裂化器(45)被配置和布置为
-从所述NH3存储容器(44)接收NH3，
-使所接收的NH3部分裂化生效，以形成NH3-氢气混合物(NH3，H2)，并且
-将所述NH3-氢气混合物引导到所述NH3发电机(200)以供燃烧。
14.根据权利要求13所述的系统(100)，其中，所述一个或多个第二部件(30，32，45，52)中的一个(45)是所述NH3裂化器(45)。
15.根据权利要求1至17中任一项所述的系统(100)，进一步包括能量分配单元(11)，所述能量分配单元(11)被配置为接收由所述可再生能源(10)提供的所述能量(1)，并且向所述能量网(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(300)中的能量需求情况。
16.一种用于基于由可再生能源(10)提供的能量(1)向能量网(300)提供能量(1”，1”')的方法，其中
-使用来自可再生能源(10)的所述能量(1)的至少一部分(1')以在H2-N2产生单元(20)中产生氢气(4)和氮气(5)，
-在混合单元(30)中混合产生的所述氢气(4)和所述氮气(5)以形成氢气-氮气混合物(8)，
-在NH3源(40)中处理所述氢气-氮气混合物(8)，以生成含有NH3的气体混合物(9)，
-将含有NH3的所述气体混合物(9)的NH3存储在NH3存储容器(44)中，
-将来自所述NH3存储容器(44)的NH3流引导到NH3发电机(200)的燃烧室(201)，以用于燃烧所述NH3流的所述NH3来生成用于所述能量网(300)的能量(1”')，
其中，
-在所述至少一个第一部件的操作期间在所述系统(100)的一个或多个第一部件中的至少一个中生成的过程热的至少一部分被传送到所述系统(100)的一个或多个第二部件中的至少一个。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述一个或多个第一部件(21，41，200)中的一个(200)是所述NH3发电机(21)。
18.根据权利要求16至17中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个第二部件(30，32，45，52)中的一个(30)是所述混合单元(30)，特别是用于将所述氢气(4)与所述氮气(5)混合以形成氢气-氮气混合物的所述混合单元(30)的混合器(32)，其中，所传送的过程热的一部分在氢气(4)和氮气(5)的混合中使用。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，在所述H2-N2产生单元(20)的氢气电解器(21)中产生所述氢气(4)，其中，所述一个或多个第一部件(21，41，200)中的一个(21)是所述氢气电解器(21)。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，所述NH3源(40)包括NH3反应室(41)，所述NH3反应室(41)从所述混合单元(30)接收所述氢气-氮气混合物(8)，并且处理接收的所述氢气-氮气混合物(8)以通过放热化学反应形成含有NH3的所述气体混合物(9)，其中，所述一个或多个第一部件(21，41，200)中的一个(41)是所述NH3反应室(41)。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其中，将含有NH3的所述气体混合物(9)引导到分离器(43)，所述分离器(43)从含有NH3的所述气体混合物(9)中分离NH3，使得产生要存储在所述NH3存储容器(44)中的所述NH3和剩余的氢气-氮气混合物(8')。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，将所述剩余的氢气-氮气混合物(8')再压缩，并且将所述再压缩的剩余氢气-氮气混合物(8')与来自第二混合器(52)中的所述混合单元(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)。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述一个或多个第二部件(30，32，45，52)中的一个(52)是所述第二混合器(52)。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，其中，
-将来自所述NH3存储容器(44)的所述NH3流在其到达所述NH3发电机(200)之前引导到NH3裂化器(45)，
-所述NH3裂化器(45)使从所述NH3存储容器(44)接收的所述NH3的部分裂化生效，以形成NH3-氢气混合物(NH3，H2)，并且
-将所述NH3-氢气混合物作为NH3流引导到所述NH3发电机(200)以供燃烧。
25.根据权利要求24所述的系统(100)，其中，所述一个或多个第二部件(30，32，45，52)中的一个(45)是所述NH3裂化器(45)。
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