CN106460568A - 用于从间歇式可再生能量源向能源网供应能量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明利用由风电场或其它可再生资源生成的可再生能量。可再生能量可以用于向地方或国家能源网供应能量。然而，根据本发明，可再生能量的至少部分可以通过使用能量产生氢气和氮气来储存。作为副产物，将产生废氧。氢气和氮气随后被转化成氨气，氨气被储存以用于氨气燃气轮机。燃气轮机燃烧氨气以生成用于能源网的能量。氧气被提供给燃气轮机以提高NH3燃烧过程的效率和清洁度。

Description

用于从间歇式可再生能量源向能源网供应能量的系统和方法
背景技术
过去几年，用于能量生成的可再生自然资源(可再生资源)的摄取令人印象深刻，但仍然存在处理可再生资源的瞬时性质的未解决的问题。太阳能和风能的性质均是间歇式的，因此，不可能向能源网提供可靠的基本荷载。由于能源消费者的需求可能是不规律的，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的但是当时消费者不需要的能量的数量)使能源网过度疲劳，并且在不被消耗的情况下，多余的能量会被损失。
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。随着来自可再生资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需求超过可用能量的情况以及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，锂电池和基于钒的氧化还原电池，但这些解决方案不能提供必要的能量存储规模。氢气提供了另一种存储能量的无碳的途径，但是使用它是困难和有风险的。在气体形式下，氢必须被压缩到500巴以获得合适的能量密度。液体氢需要低温和相关联的复杂的基础设施。此外，由于爆炸的风险，任何一种形式的氢的使用都需要安全措施。由于这些原因，氢不被认为是用于能量存储的合格候选者。
因此，目前没有可靠和适当的手段用于在地方或国家范围内解耦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源网供应能量的解决方案。
该目的由根据权利要求1的系统和根据权利要求13的方法来解决。
本发明基于存储使用可再生资源生成的能量的至少部分的方法。这通过使用该能量产生氢气和氮气实现。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存储。另外，可以使用管道、铁路、船舶和卡车有效地并且安全地运输NH3。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)电力的需求的解耦。存储的氨气然后可以在NH3电力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源网的基本荷载。
此外，本发明还利用在氢气和/或氮气的产生期间作为副产物生成的氧气。其中所生成的氧气被引导至氧气存储器。氧气存储器被流体连接至NH3电力发电机，以使氧气可以被提供给NH3电力发电机来实现NH3电力发电机的优化的性能。例如，在燃烧期间增加的氧浓度提高了NH3燃烧的效率和清洁度。
从氧气存储器到NH3电力发电机的氧的流动由相应的氧气控制系统管理。氧气控制系统接收到达NH3电力发电机的NH3的量(即，到NH3电力发电机的NH3的流动速率以及提供关于燃烧状态信息的燃烧参数)作为输入。例如，这可以是燃烧室中的温度和燃烧室中的气体的化学组成。在这些数据中，氧气控制系统确定从氧气存储器提供给NH3电力发电机的氧气的最优流动速率。
因此，作为缓冲器的NH3存储容器的存在允许向能源网提供能量的更好的灵活性以及因此改进的负载平衡。此外，通过使用系统中产生的氧气，提高了系统和方法的效率。
本发明可以应用于基于可再生能量操作能源网以及应用于重工业和农村地区的本地能源供应中的电网稳定性。
更详细地，基于由可再生能量源提供的间歇式可再生能量，向能源网提供能量以及用于能源网的能量输入的负载平衡的系统，包括：
-H2-N2-O2产生单元，用于产生氢气H2、氮气N2和氧气O2，其中H2-N2-O2产生单元通过使用由可再生能量源提供的能量来操作，
-氧存储器，被配置为接收和存储由H2-N2-O2产生单元产生的氧气，
-混合单元，被配置为接收和混合由H2-N2-O2产生单元产生的氢气和氮气以形成氢气氮气混合物，
-NH3源，用于接收和处理氢气氮气混合物以生成包含NH3的气体混合物，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包含NH3的气体混合物，其中NH3源包括用于存储包含NH3的气体混合物的至少部分NH3的NH3存储容器，
-NH3电力发电机，用于生成用于能源网的能量，
其中NH3电力发电机：
-被流体连接至NH3存储容器以从NH3存储容器接收NH3，
-被配置成在燃烧室中燃烧所接收的NH3以生成用于能源网的能量，
-被流体连接至氧气存储器，以使来自氧气存储器的氧气可以被引入到燃烧室中以用于NH3的燃烧来提高燃烧的效率和清洁度。
该系统可以包括氧气控制系统，用于基于输入数据集来控制从氧气存储器到NH3电力发电机的氧的流动，输入数据集包含关于燃烧室中的实际工作条件的信息。
工作条件可以包括以下的至少一项：
-燃烧室中的燃烧状态，
-从NH3存储容器到NH3电力发电机的NH3的流动速率，
-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电力发电机的燃烧废气的实际化学组成。
这允许以最佳参数和效率来操作系统。
该系统可以包括主控制单元，主控制单元用于控制存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或控制NH3电力发电机的能量生成。例如，该控制可以通过调节提供给H2-N2产生单元的能量流以及其中的H2和N2的产生，或通过经由影响混合器、压缩机或其它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(即连接至相应的部件)使得存储在NH3存储容器中的NH3生成的控制和/或NH3电力发电机的能量生成的控制，至少取决于能源网中的实际电力需求和/或由可再生能量源当前生成的能量的量。这允许响应于能源网中的实际需求的灵活的能量供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量源的能量的灵活的能量供应。
主控制单元可以被配置为：
-在来自可再生能量源的低的可再生能量输入时段期间，优选地同时减少存储在NH3存储容器中的NH3的生成(这可以通过控制包含NH3的气体混合物的生成来实现)和/或增加能量的生成，
-在来自可再生能量源的高的可再生能量输入时段期间，优选地同时增加存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或减少能量的生成。
这还允许用于能源网的能量输入和(响应于能源网中的实际需求的并且另一方面允许在低需求的情况下存储来自可再生能量源的能量的)灵活的能量供应的有效负载平衡。
其中，术语“低”和“高”可以参考某些给定的阈值。也就是说，低的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，并且高的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。第一阈值和第二阈值可以彼此相同或不同。
H2-N2-O2产生单元可以包括：
-用于产生氢气和氧气的电解器，其中电解器被配置为接收水和由可再生能量源产生的能量，并通过电解产生氢气和氧气，以及
-用于产生氮气和氧气的空气分离单元，
其中空气分离单元被配置为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和氧气。
这使得能够通过利用来自可再生能量源的能量来产生氢气H2、氮气N2和氧气O2。
混合单元可以被流体连接至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混合器和压缩机，混合器用于混合氢气和氮气以形成氢气氮气混合物，以及压缩机用于压缩来自混合器的氢-氮混合物以形成被压缩的氢氮混合物来导向NH3源。因此，混合单元提供压缩的H2-N2混合物。
混合单元还可以包括用于缓冲来自H2-N2产生单元的氢气和氮气的临时存储系统，其中临时存储系统被配置为从H2-N2产生单元接收氢气和氮气，以临时存储氢气和氮气用于缓冲并随后将缓冲的氢气和氮气处理至混合器。这允许更有效的混合过程。
NH3源可以包括：
-NH3反应室，其被配置为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
-分离器，用于从NH3反应室接收包含NH3的气体混合物，
其中，
-分离器被配置为从包含NH3的气体混合物中分离NH3，以使得产生NH3和剩余氢气氮气混合物，以及
-分离器被流体连接至NH3存储容器以将所产生的NH3引导至NH3存储容器。
分离器的使用允许NH3的有效率生产。
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附加的再处理单元是可用的，其中：
-再压缩机被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，
-第二混合器被流体连接至再压缩机以从再压缩机接收已压缩的剩余氢气氮气混合物，
-第二混合器被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
-第二混合器被配置为混合来自混合单元的氢气氮气混合物和来自再压缩机的已压缩的剩余氢气氮气混合物以形成提供给NH3源的氢气氮气混合物。
再处理单元的使用允许再循环剩余H2和N2以进一步形成NH3。
在备选实施例中，分离器可以被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由NH3源接收的氢气氮气混合物。这还允许再循环剩余的H2和N2以进一步形成NH3。
该系统还可以包括能量分配单元，能量分配单元被配置为接收由可再生能量源提供的能量并将能量分配给能源网和/或H2-N2产生单元，其中该分配取决于能源网中的能量需求情况。例如，在来自能源网的更高能量需求的情况下，由可再生能量源提供给能源网的能量的比例较高，并且提供给系统的剩余比例较低。
在来自能源网的较低能量需求的情况下，由可再生能量源提供给能源网的能量的比例较低，并且提供给系统的剩余比例较高。这允许了系统的有效操作，并因此允许了能源网的能量输入的负载平衡。
在基于由可再生能量源提供的间歇式可再生能量向能源网提供能量并且对能源网的能量输入进行负载平衡的相应方法中，
-来自可再生能量源的至少部分能量被用于在H2-N2-O2产生单元中产生氢气、氮气和氧气，
-所产生的氧气被引导至并存储在氧气存储器中，
-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，
-将NH3从NH3存储容器提供到NH3电力发电机的燃烧室，并且在燃烧室中燃烧所提供的NH3以生成用于能源网的能量，
其中，
-来自氧气存储器的氧被引入燃烧室中用于NH3的燃烧以提高燃烧的效率和清洁度。
氧气控制系统可以基于输入数据集来控制从氧气存储器到NH3电力发电机的氧的流动，输入数据集包含关于燃烧室中的实际工作条件的信息。这允许以最佳参数集合和相应的高效率来操作系统。
其中，工作条件可以包括以下至少一项：
-燃烧室中的燃烧状态，
-从NH3存储容器到NH3电力发电机的NH3的流动速率，
-燃烧室中的温度，和/或
-燃烧室中的气体混合物的实际化学组成，
-NH3电力发电机的燃烧废气的实际化学组成。
系统的主控制单元可以控制存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或NH3电力发电机的能量的生成。
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，以使得产生被存储在NH3存储容器中的NH3和剩余氢气氮气混合物。因此，在没有进一步变质的情况下，NH3可以被引导至存储容器。
在一个实施例中，剩余氢气氮气混合物被再压缩，并且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，以形成由NH3源接收的氢气氮气混合物。因此，氢和氮可以被再循环以进一步形成NH3。
在备选实施例中，剩余氢气氮气混合物在混合单元中与来自H2-N2-O2产生单元的氢气和氮气混合以形成由NH3源接收的氢气氮气混合物。因此，氢气和氮气可以被再循环以进一步形成NH3。
至少根据能源网中的实际电力需求和/或由可再生能量源当前生成的能量的量，主控制单元可以控制存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或NH3电力发电机的能量的生成。
此外，主控制单元可以：
-在来自可再生能量源的低的可再生能量输入时段期间，优选地同时减少存储在NH3存储容器中的NH3的生成(可以通过...)和/或增加能量的生成，
-在来自可再生能量源的高的可再生能量输入的时段期间，优选地同时增加存储在NH3存储容器中的NH3的生成和/或减少能量的生成。
因此，主控制单元控制NH3的生成和能量的生成。例如，在可再生能量源生成较少能量的时段期间(例如，风车在弱风时期期间的情况下)，主控制单元将向NH3电力发电机通电以向能源网供应更多能量，因为可再生能量源的供电可能不够。在可再生能量源生成大量能量的时段期间(例如，在具有强风的时期期间)，主控制单元将使NH3电力发电机断电，因为可再生能量源向电网提供了足够的能量。然而，主控制单元将增加NH3的产生和存储。
“流体连接”至另一装置的装置意味着流体可以经由装置之间的连接(例如，从此装置到另一装置的管子)而传递。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，详细解释了本发明。不同附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
系统100包括可再生能量源10，例如，风车或具有多个单独风车的风力发电机。备选地，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能、风能或太阳能的可再生原料生成能量的任何其它发电厂。在下文中，在假设可再生能量源10是风车的情况下解释系统100。然而，这不应对本发明具有任何限制作用。
风车10被连接至能源网络300，以将由风车10生成的能量供应到电网300。其中，能量数量1”(由风车10生成的能量1的至少部分)被提供给能源网300以满足能源网300中的用户的能量需求。可以提及的是，能源网300通常还将接入其他能量源。
然而，所生成的能量1的剩余能量数量1'可以在系统100中使用以运行系统100的氢气氮气氧气产生单元20(H2-N2-O2产生单元)。
特别是当可获得多余能量时，即当由可再生能量源10生成的能量1超过能源网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-O2产生单元20以运行单元20。被馈送给H2-N2-O2产生单元20的能量1'的数量取决于由能源网300供应的用户的能量需求。即，在高需求的情况下(例如，在高峰时间)，可能需要将风车10生成的能量1的100％馈送到电力网300以满足需求。相反，在非常低需求的情况下(例如，在夜间)，由风车10生成的电力1的100％可以用于系统100中的使用，并且可以被引导至H2-N2-O2产生单元20。
来自风车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从风车10接收能量1。如上所述，根据能源网300中的能量需求情况，某比率的能量1被引导至能源网300和/或被分别引导至系统100和H2-N2-O2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分配给能源网300和/或H2-N2-O2产生单元20，其中该分配取决于能源网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-O2产生单元。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NH3的生成。因此，大量的能量1'将被提供给H2-N2-O2产生单元20。
如上所述，由可再生能量源10生成的能量1的数量1'被供应给系统100和H2-N2-O2产生单元20以实现NH3的产生。H2-N2-O2产生单元20包括电解器21和空气分离单元22。
电解器21被用于通过水2的电解生成氢气4和氧气6。从任意来源(未示出)向电解器21供应水2，并且使用来自风车10的能量1'运行电解器21。
H2-N2-O2产生单元20的空气分离单元(ASU)22被用于氮气5和氧气7的生成。能量1'用于运行ASU 22，ASU 22利用常规的空气分离技术将氮5和氧气7从空气3中分离。空气3的剩余组成可以被释放到环境空气(未示出)中。
因此，风车10被用于为水2的电解提供能量1'以利用电解器21形成氢气4和氧气6，以及被用于为使用ASU 22从空气3中分离氮气5和氧气7提供能量1'。
来自电解器21的氧气6和来自ASU 22的氧气7被引导至并随后被存储在系统100的氧气存储器70中，而氢气4和氮气5均被引导至系统100的混合单元30。其中，不必详细解释的是，所制定的技术用于从氧气中分离氢并且从氧气中分离氮。
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。所得到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中被压缩至五十个或更多个大气压。
现在在催化剂的存在的情况下，在升高的温度，能够通过处理压缩的H2-N2气体混合物8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的已压缩的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从来自混合器30的H2-N2气体混合物产生NH3、附加地氮气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由K2O、CaO、SiO2和Al2O3促进的铁，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，NH3从NH3-H2-N2混合物9中被分离。因此，分离器43产生被发送至NH3源40的NH3存储容器44的NH3和剩余的H2-N2气体混合物8'。
可以假定，关于氨气的存储和运输均存在广泛的知识库。同样的情况也适用于处理和运输氢气、氮气、氢气氮气混合物和氧气。因此，没有详细描述NH3存储容器44、氧气存储器70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从由NH3反应室41提供的NH3-H2-N2混合物9生成NH3，并且剩余H2-N2气体混合物8'。在在图2和图3中示出的本发明的一个实施例的两个变形中，该剩余的H2-N2气体混合物8'被再循环以再次用于NH3反应室41中NH3的生成。
为此，如图2中所示出的该实施例的系统100包括具有再压缩机51和混合器52的附加的再处理单元50。此外，本发明的该实施例不同于以上所述的本发明的基本实施例，其中，来自压缩机33的已压缩的H2-N2气体混合物8不被直接传递到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'至五十个或更多个大气压，以击败(account for)在NH3反应室41和分离器43中的处理期间的压强损失。然后再压缩的剩余H2-N2气体混合物8'被传送到混合器52，在混合器52，其与来自混合器30和压缩机33的新的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，H2-N2气体混合物8'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所示实施例的变形。剩余的H2-N2气体混合物8'被直接馈送到混合单元30的混合器32中，以与从临时存储单元31进入的氢气和氮气混合。分离的再处理单元50未被使用。
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所示的实施例和变形。
NH3存储容器44与NH3电力发电机200流体连接。氨气可以在多个不同的燃烧循环中(例如，在布雷顿循环或狄塞尔循环中)使用。然而，在风车或风电场的电力水平，使用燃气轮机用于电能的生成的氨气的燃烧是合适的，其中布雷顿循环适用于燃气轮机解决方案。因此，NH3电力发电机200可以是被配置用于氨气的燃烧的燃气轮机。之前已经显示，仅具有燃烧器的轻微改变的常规燃气轮机是适合的。
燃气轮机200燃烧来自NH3存储容器44的NH3，用于分别在NH3电力发电机200和燃气轮机的燃烧室201中能量的生成。然后该能量1”'可以被馈送到能源网300中。
然而，NH3电力发电机200和燃气轮机的性能和效率可以分别通过向燃烧过程引入额外的氧来优化。例如，在燃烧期间，增加的氧浓度可以提高NH3燃烧的效率和清洁度。如上所述，这可以通过利用在H2-N2-O2产生单元20产生氢气4和/或氮气5期间作为副产物生成的氧气6、7来实现。如上所示，所生成的氧6、7被引导至氧气存储器70。氧气存储器70被流体连接至NH3电力发电机200，以使得氧O2可以被提供给NH3电力发电机200来实现优化的性能。
从氧气存储器70到NH3电力发电机200的氧O2的流动由相应的氧气控制系统71管理。氧气控制系统71接收(未示出)包含关于NH3电力发电机200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电力发电机200的燃烧室201中的燃烧状态和/或从NH3存储容器44到达NH3电力发电机200的NH3的数量，即到NH3电力发电机NH3的流动速率。此外，在NH3电力发电机200中允许推断工作条件的其它燃烧参数(例如，燃烧室201中的气体的温度和/或实际化学组成和/或NH3电力发电机200和燃烧室201的燃烧废气的实际化学组成)也可以相应地包括在数据集中。从这些数据和潜在的其它数据中，氧气控制系统71确定和调节从氧气存储器70分别被提供到NH3电力发电机200和燃烧室201的氧O2的最佳流动速率。例如，可以使用相应的传感器(未示出)来确定数据，并且传感器数据可以被无线地传送到氧气控制系统71。基于数据集，氧气控制系统71控制诸如泵、阀的多个装置72和/或用于控制流动速率必需的其它装置，以影响从氧气存储器70到NH3电力发电机200的氧气O2流动速率。
系统100还包括被配置为控制系统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控制生成用于能源网300的能量1”'的过程和NH3的产生过程。
在从风车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，由于能源网300中的高能量需求)，主控制单元60通过关闭压缩机33、51和/或具有电解器21和ASU 22的H2-N2-O2产生单元20来减少系统100中的气体质量流动，从而减少NH3的产生。因此，较少的能量1'从风车10被引导至系统100，并且更多的能量1”可用于能源网300。此外，主控制单元60增加从NH3存储容器44到NH3电力发电机200的NH3质量流动。因此，NH3电力发电机200增加能源网300所需的能量1”'的生成，以确保电网300中的稳定能量供应从而实现平衡的负载。
在从风车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，当风车10生成比能源网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21和/或向ASU 22提供更多电力来增加系统100中的气体质量流动，从而加强系统100中的NH3的产生。这导致被存储在NH3存储容器44中的NH3的增加的产生。然而，用于能源网300的来自NH3电力发电机200的能量1”'的生成没有增加，但是可能减小。
此外，基于电网300中的能量消耗和需求以及基于可用于电网300的任何能量源的可用电力供应，主控制单元60控制NH3电力发电机200中的电力的生成。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NH3电力发电机200通电以满足需求。在电网300中的可用电力供应高于需求的情况下，主控制单元60将NH3电力发电机200断电，并且通过向H2-N2-O2产生单元供应更多能量并且通过增加系统100中的质量流动，NH3的生成被增强，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，在过低的可再生能量输入1的时期期间(例如，在能源网300中的低风和/或高能量需求期间)，减少被引导至NH3存储容器44的NH3的生成和/或增加能量1”'的生成。此外，主控制单元60被配置为，在过高的可再生能量输入1时期期间(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源网300中的实际电力需求、由可再生能量源10生成的能量1和/或可用于系统100的来自可再生能量源10的能量1'的实际数量。
相应地，主控制单元60必须被连接至能源网300以接收关于电网300中的当前能量需求和覆盖范围的信息。此外，主控制单元60将被直接连接至能量分配单元11和/或到风车10，以接收关于由风车10提供并且可以在系统100和电网300中使用的能量1、1'、1”的信息。主控制单元60将必须被连接至H2-N2-O2产生单元20，以控制所产生的氢气和氮气的数量以及各个混合器和压缩机(如果适用)，来调节系统中的质量流动。由此，主控制单元60可以调节被引导至NH3存储容器44的NH3的产生。除此之外，主控制单元60被连接至NH3存储容器44以调节给到NH3电力发电机200的NH3供应，以及被连接至NH3电力发电机200本身以通过NH3燃烧调节能量的生成。最后，主控制单元60可以被连接至氧气控制系统71，以使从氧气存储器70到NH3电力发电机200的氧气O2的流动速率也可以由主控制单元60集中地影响。

Claims (21)

1.一种基于由可再生能量源(10)提供的能量(1)为能源网(300)提供能量(1”、1”')的系统(100)，包括：
-H2-N2-O2产生单元(20)，用于产生氢气(4)、氮气(5)和氧气(6、7)，其中所述H2-N2-O2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，
-氧气存储器(70)，被配置为接收和存储由所述H2-N2-O2产生单元(20)产生的所述氧气(6、7)，
-混合单元(30)，被配置为接收和混合由所述H2-N2-O2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)包括用于存储包含NH3的所述气体混合物(9)的NH3的至少部分的NH3存储容器(44)，
-NH3电力发电机(200)，用于生成用于所述能源网(300)的能量(1”')，
其中所述NH3电力发电机(200)：
-被流体连接至所述NH3存储容器(44)以从所述NH3存储容器(44)接收NH3，
-被配置为在燃烧室(201)中燃烧所接收的NH3以生成用于所述能源网(300)的所述能量(1”')，
-被流体连接至所述氧气存储器(70)以使来自所述氧气存储器(70)的氧气(O2)能够被引入到所述燃烧室(201)中用于NH3的燃烧。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，包括氧气控制系统(71)，所述氧气控制系统(71)用于基于输入数据集来控制从所述氧气存储器(70)到所述NH3电力发电机(200)的氧气(O2)的流动，所述输入数据集包含关于所述燃烧室(201)中的实际工作条件的信息。
3.根据权利要求2所述的系统(100)，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，
-从所述NH3存储容器(44)到所述NH3电力发电机(200)的NH3的流动速率，
-所述燃烧室(201)中的温度，
-所述燃烧室(201)中气体混合物的实际化学组成，和/或
-所述NH3电力发电机(200)的燃烧废气的实际化学组成。
4.根据权利要求1到3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)用于控制被存储在所述NH3存储容器(44)中的NH3的生成和/或所述NH3电力发电机(200)的所述能量(1”')的生成。
5.根据权利要求4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对被存储在所述NH3存储容器(44)中的NH3的生成和/或所述NH3电力发电机(200)的所述能量(1”')的生成的控制取决于所述能源网(300)中的实际电力需求和/或由所述可再生能量源(10)当前生成的能量(1)的量。
6.根据权利要求4到5中的任一项所述的系统(100)，其中所述主控制单元(60)被配置为：
-在来自所述可再生能量源(10)的低的可再生能量输入时段期间，减小被存储在所述NH3存储容器(44)中的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时段期间，增加被存储在所述NH3存储容器(44)中的NH3的生成和/或减小所述能量(1”')的生成。
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-O2产生单元(20)包括：
-电解器(21)，用于产生所述氢气(4)和所述氧气(6)，其中所述电解器(21)被配置为接收水(2)和由所述可再生能量源(10)产生的所述能量(1')并且通过电解产生所述氢气(4)和所述氧气(6)，以及
-空气分离单元(22)，用于产生所述氮气(5)和所述氧气(7)，其中所述空气分离单元(22)被配置为接收空气(3)和由所述可再生能量源(10)产生的所述能量(1')并且通过分离所接收的空气(3)来产生所述氮气(5)和所述氧气(7)。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的系统(100)，其中所述混合单元(30)被流体连接至所述H2-N2-O2产生单元(20)以接收在所述H2-N2-O2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：
-混合器(32)，用于混合所述氢气(4)与所述氮气(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压缩的氢气氮气混合物(8)，所述压缩的氢气氮气混合物(8)被引导至所述NH3源(40)。
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NH3源(40)包括：
-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)并且处理所接收的氢气氮气混合物(8)以形成包含NH3的气体混合物(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)被配置为将NH3从包含NH3的所述气体混合物(9)中分离以使得产生NH3和剩余氢气氮气混合物(8')，以及
-所述分离器(43)被流体连接至所述NH3存储容器(44)以将所产生的NH3引导至所述NH3存储容器(44)。
10.根据权利要求9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)被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)被流体连接至所述再压缩机(51)以从所述再压缩机(51)接收所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)的所压缩的剩余氢气氮气混合物(8')，以形成被提供给所述NH3源(40)的所述氢气氮气混合物(8)。
11.根据权利要求9所述的系统(100)，其中所述分离器(43)被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)，以使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-O2产生单元(20)的所述氢气(4)和所述氮气(5)混合以形成由所述NH3源(40)接收的所述氢气氮气混合物(8)。
12.根据权利要求1到11中的任一项所述的系统(100)，还包括能量分配单元(11)，所述能量分配单元(11)被配置为接收由所述可再生能量源(10)提供的所述能量(1)并且向所述能源网(300)和/或所述H2-N2-O2产生单元(20)分配所述能量(1)，其中所述分配取决于所述能源网(300)中的能量需求情况。
13.一种基于由可再生能量源(10)提供的能量(1)用于能源网(300)的能量输入(1”、1”')的负载平衡的方法，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')在H2-N2-O2产生单元(20)中产生氢气(4)、氮气(5)和氧气(6、7)，
-所产生的氧气(6，7)被引导至并且存储在氧气存储器(70)中，
-所产生的氢气(4)和氮气(5)在混合单元(30)中被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，
-NH3从所述NH3存储容器(44)被提供给NH3电力发电机(200)的燃烧室(201)并且所提供的NH3在所述燃烧室(201)中被燃烧用于生成用于所述能源网(300)的所述能量(1”')，其中，
-来自所述氧气存储器(70)的氧气(O2)被引入到所述燃烧室(201)中用于NH3的燃烧。
14.根据权利要求13所述的方法，其中氧气控制系统(71)基于输入数据集来控制从所述氧气存储器(70)到所述NH3电力发电机(200)的氧气(O2)的流动，所述输入数据集包含关于所述燃烧室(201)中的实际工作条件的信息。
15.根据权利要求14所述的方法，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，
-从所述NH3存储容器(44)到所述NH3电力发电机(200)的NH3的流动速率，
-所述燃烧室(201)中的温度，和/或
-所述燃烧室(201)中的气体混合物的实际化学组成，
-所述NH3电力发电机(200)的燃烧废气的实际化学组成。
16.根据权利要求13到15中的任一项所述的方法，其中所述系统(100)的主控制单元(60)控制被存储在所述NH3存储容器(44)中的NH3的生成和/或所述NH3电力发电机(200)的所述能量(1”')的生成。
17.根据权利要求16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)将NH3从包含NH3的所述气体混合物(9)中分离以使得产生被存储在所述NH3存储容器(44)中的NH3以及剩余氢气氮气混合物(8')。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述剩余氢气氮气混合物(8')被再压缩，并且再压缩后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，以形成由所述NH3源(40)接收的所述氢气氮气混合物(8)。
19.根据权利要求17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-O2产生单元(20)的所述氢气(4)和所述氮气(5)混合，以形成由所述NH3源(40)接收的所述氢气氮气混合物(8)。
20.根据权利要求13到19中的任一项所述的方法，其中至少根据所述能源网(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，所述主控制单元(60)控制被存储在所述NH3存储容器(44)中的NH3的生成和/或所述NH3电力发电机(200)的所述能量(1”')的生成。
21.根据权利要求13到20中的任一项所述的方法，其中所述主控制单元(60)：
-在来自所述可再生能量源(10)的低的可再生能量输入时段期间，减小被存储在所述NH3存储容器(44)中的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时段期间，增加被存储在所述NH3存储容器(44)中的NH3的生成和/或减小所述能量(1”')的生成。
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