CN112601881B - 氢气储能 - Google Patents

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Abstract

一种储能的方法，其包括接收输入能量(1)并且使用输入能量来压缩(2)空气或其他工艺气体以产生压缩气体。储存(8)压缩气体。使压缩气体膨胀(16)以产生输出能量(17)。在工艺气体储存(8)为压缩气体之前，将来自工艺气体的热传递(5)至制氢工艺(10)。在制氢工艺(10)中使用传递的热。氢气可以被储存(13)并且随后用于加热以在压缩气体膨胀(16)之前、期间或之后提供热。

Description

氢气储能
技术领域
本发明涉及储能。具体地但非排他地，本发明涉及与氢气相结合的压缩空气储能(CAES)。
背景技术
已知压缩空气储能(CAES)已经于1978年在德国亨托夫首次大规模实施。在这种系统中，使用压缩机装置将电能转换成压缩空气能量。与压缩机装置相关联的电动马达为压缩机装置提供动力以产生压缩空气。在亨托夫的实例中，压缩空气然后被储存在工厂下面的盐穴中。因此，储存的压缩空气构成了能量的储存。当工厂需要电时，储存的能量就会被提取出来。具体地，压缩空气从洞穴中提取并膨胀以产生(或帮助产生)电，即用于电再生过程。在亨托夫的实例中，再生过程是通过将压缩空气与天然气混合实现的，然后将该混合物给送到燃气涡轮机和相关联的发电机以进行发电：压缩空气的加入提高了燃气涡轮机的效率。燃气涡轮机是扩张器的一种形式——燃烧天然气和压缩空气的混合物，并且然后穿过涡轮机并且膨胀至大气压。因此，这种构造将压缩空气给送到开式循环燃气涡轮机发电站：其本质上是燃气发电站，压缩空气使其效率更高。自1992年以来，美国阿拉巴马州的麦金托什有类似的实施方式。压缩空气储能(CAES)在膨胀期间使用甲烷来加热空气是众所周知的。
在压缩机装置中压缩空气是一个放热过程。会产生大量的热。在上述工厂中，从压缩空气中提取的热在储存冷却的压缩空气之前被浪费。使空气膨胀是一个吸热过程。在膨胀和发电期间，上述两家工厂都通过燃烧天然气来加热空气。
由美国GE和德国RWE公司于2000年提出的Adele计划提出了通过加热陶瓷来储存压缩热。该项目将回收来自陶瓷的热以在膨胀和产生过程中加热空气。
存在一些下述方案：利用可再生能源通过电解产生氢气，这些氢气通过注入气体供应网或用于为燃料电池供电；电解过程中不存在对外来热的使用，因此这是低效且昂贵的过程。
本发明的目的是解决与现有技术相关的缺点。
发明内容
通过参考所附权利要求可以理解本发明的实施方式。
本发明的一个方面提供了一种储能的方法，该方法包括：接收输入能量；使用输入能量来压缩空气或其他工艺气体以产生压缩气体；储存压缩气体；使压缩气体膨胀以产生输出能量；并且该方法还包括：执行制氢工艺；在工艺气体被储存为压缩气体之前，将来自工艺气体的热传递至制氢工艺；以及在制氢工艺中使用所传递的热。
工艺气体是指根据工艺进行加工的气体。因此，在本发明的实施方式中，工艺气体是被压缩以产生压缩气体的气体。工艺气体可以是容易获得的气体，比如空气或任何其他合适的气体。
传递热可以包括以下中的至少一者：在工艺气体的压缩之前传递来自工艺气体的热；在工艺气体的压缩期间传递来自工艺气体的热；在工艺气体的压缩之后传递来自工艺气体的热。
传递热可以包括从工艺气体直接传递至制氢工艺，或者可以包括：将来自工艺气体的热传递至热传递介质；以及将来自热传递介质的热传递至制氢工艺。
传递热可以包括将来自工艺气体的热传递至水以加热水；并且制氢工艺对经加热的水进行操作。
水可以来自未净化或部分净化的源，比如但不限于海洋、湖泊、河流、含水层或生产过程，该生产过程比如但不限于盐穴的溶解开采。
由制氢工艺产生的氢气中的一些或全部氢气可以以下述方式中的至少一种方式使用：输出到储能系统的外部；输出至工业过程；输出用于装瓶；用于形成氨；在其他化学过程中使用；用于一个或更多个燃料电池。
该方法可以包括储存由制氢工艺产生的氢气。
制氢工艺可以通过以下方式中的至少一种方式产生氢气：经加热或未经加热的水的电解；蒸汽重组；热解；热分解；热化学反应和/或化学反应；一个或更多个生物过程；厌氧腐蚀；蛇纹岩化。
该方法可以包括储存由制氢工艺产生的氢气中的至少一些氢气，以及在使压缩气体膨胀之前、期间或之后使用储存氢气中的至少一些储存氢气来提供热。
该方法可以通过燃烧氢气来使用储存氢气中的至少一些储存氢气。
该方法可以通过使用氢气的放热化学反应或者化学反应的序列或组合来使用储存氢气中的至少一些储存氢气。
制氢工艺还可以产生氧气。该方法还可以包括储存由制氢工艺产生的氧气中的至少一些氧气。该方法还可以包括在使压缩气体膨胀之前、期间或之后使用储存氧气中的至少一些储存氧气来提供热。氧气中的一些或全部氧气还可以用于其他用途。
该方法可以包括在工艺气体被储存为压缩气体之前，将来自工艺气体的热传递至热储存器，并且使用热储存器中的热来对氢气和/或氧气进行预热。
制氢工艺可以产生氢气和氧气。储存氢气中的至少一些储存氢气可以在燃料电池或其他化学反应中使用以产生电和/或热；并且在使压缩气体膨胀之前、期间或之后用所产生的电为加热器供电以提供热。
制氢工艺可以产生氢气和氧气。该方法可以包括在燃料电池中使用该氢气和氧气来产生输出电。该方法可以包括在燃料电池中使用所产生的氢气和来自外部源(例如空气)的氧气来产生电。
制氢工艺可以产生氢气和氧气。在使压缩气体膨胀之前、期间或之后可以燃烧储存氢气中的至少一些储存氢气来提供热。
该方法可以包括在工艺气体被储存为压缩气体之前将来自工艺气体的热传递至热储存器，以及在使压缩气体膨胀之前、期间或之后将来自热储存器的热传递至工艺气体。
氢气可以储存在以下中的一者或更多者中：地下洞穴；全部或部分耗尽的碳氢化合物井；含水层；天然或人造地下地貌；诸如柱体的人造人工制品；固体，比如但不限于活性炭、石墨烯和金属氢化物中的一者或更多者。
工艺气体可以是空气。
输入能量中的一些或全部输入能量可以是来自电网的电、和/或来自一个或更多个间歇源的电、和/或来自可再生源的电、和/或来自传统源的电。
输出能量可以是电。
本发明的另一方面提供了一种储能的方法，该方法包括：接收输入能量；使用输入能量来压缩空气或其他工艺气体以产生压缩气体；储存压缩气体；执行制氢工艺；和在工艺气体被储存为压缩气体之前，将来自工艺气体的热传递至制氢工艺；以及在制氢工艺中使用所传递的热。
该方面可以与其他方面的一个或更多个所描述或要求保护的特征相结合。
本发明的另一方面提供了一种储能的方法，该方法包括：接收来自压缩气体储存器的压缩气体；使压缩气体膨胀以产生输出能量；以及在使工艺气体膨胀之前、期间或之后使用氢气来提供热。
该方法可以燃烧氢气来提供热，或者在放热化学反应中使用氢气、或者在化学反应的序列或组合中使用氢气来提供热。
氢气可以是由制氢工艺产生的氢气。替代性地，氢气中的全部或一些氢气可以从外部源(例如，经由管道、罐车或其他源)接收。
该方法可以包括全部或部分地输出净化水作为燃烧的产物。
该方面可以与其他方面的一个或更多个所描述或要求保护的特征相结合。
还提供了一种构造成执行根据各方面中的任一方面的方法的储能系统。
本发明的另一方面提供了一种储能的系统，该系统包括：输入部，该输入部接收输入能量；压缩机装置，该压缩机装置构造成使用输入能量来压缩空气或其他工艺气体以产生压缩气体；压缩气体输出部，该压缩气体输出部构造成将压缩气体输出至压缩气体储存器；制氢设备，该制氢设备构造成产生氢气；膨胀机装置，该膨胀机装置构造成接收来自压缩气体储存器的压缩气体并使压缩气体膨胀以产生输出能量；输出部，该输出部输出产生的输出能量；以及可选地热传递设备，该热传递设备构造成在工艺气体被储存为压缩气体之前将来自工艺气体的热传递至制氢设备，并且其中，制氢设备构造成使用所传递的热。
热传递设备可以构造成将来自工艺气体的热传递至热传递介质，并将来自热传递介质的热传递至制氢设备。
热传递设备可以构造成将来自工艺气体的热传递至水以加热水，并且制氢设备构造成对经加热的水进行操作。
制氢设备可以构造成对经加热的水执行电解。
该系统可以包括氢气输出部，该氢气输出部构造成将由制氢设备产生的氢气输出至氢气储存器。
该系统可以构造成在使压缩气体膨胀之前、期间或之后使用储存氢气中的至少一些储存氢气来提供热。
该系统可以包括燃烧器，该燃烧器构造成在使压缩气体膨胀之前、期间或之后燃烧储存氢气中的至少一些储存氢气来提供至少一些所需的热。
制氢设备可以构造成产生氢气和氧气，该系统还包括：氧气输出部，该氧气输出部将氧气输出至氧气储存器；氧气输入部，该氧气输入部接收来自氧气储存器的氧气；以及燃烧器，该燃烧器构造成在使压缩气体膨胀之前、期间或之后燃烧用于燃烧的储存氧气中的至少一些储存氧气来提供热。
该系统可以包括热储存器，并且其中，热传递设备可以构造成在工艺气体被储存为压缩气体之前将来自工艺气体的热中的至少一些热传递至热储存器。
该系统可以包括第二热传递设备，该第二热传递设备构造成在使压缩过程气体膨胀之前、期间或之后将来自热储存器的热传递至工艺气体。
制氢工艺可以构造成产生氢气和氧气，并且第二热传递设备可以构造成传递来自热储存器的热以在燃烧之前对氢气和/或氧气进行预热。
制氢设备可以构造成产生氢气和氧气，并且该系统可以包括：构造成使用氢气和氧气来产生电的燃料电池；以及构造成在使压缩气体膨胀之前、期间或之后使用所产生的电来提供热的加热器。
制氢设备可以构造成产生氢气和氧气，并且该系统可以包括构造成使用该氢气和氧气来产生输出电的燃料电池、或者构造成以纯的形式或与一种或更多种其他气体的混合物燃烧氢气的燃烧器。
本发明的另一方面提供了用于储能系统的设备，包括：压缩机装置，该压缩机装置构造成使用输入能量来压缩空气或其他工艺气体以产生压缩气体；压缩气体输出部，该压缩气体输出部构造成将压缩气体输出至压缩气体储存器；制氢设备，该制氢设备构造成产生氢气；热传递设备，该热传递设备构造成在工艺气体被储存为压缩气体之前将来自工艺气体的热传递至制氢工艺；并且其中，制氢设备构造成使用所传递的热。该方面可以与其他方面的一个或更多个所描述或要求保护的特征相结合。
本发明的另一方面提供了一种压缩空气储能系统，该压缩空气储能系统包括：压缩气体输入部，该压缩气体输入部接收来自压缩气体储存器的压缩气体；膨胀机装置，该膨胀机装置构造成使压缩气体膨胀以产生输出能量；输出部，该输出部输出所产生的输出能量；以及燃烧器，该燃烧器构造成在使工艺气体膨胀之前、期间或之后燃烧氢气以提供热。该方面可以与其他方面的一个或更多个所描述或要求保护的特征相结合。
至少一个方面的优点在于，在储能系统的输入/压缩侧提供了对热的使用，以提高制氢的效率。氢气随后可以在储能系统的输出/膨胀侧期间燃烧以加热工艺气体，或者可以在其他地方使用。
现有的一些方案是通过电解使用可再生源来产生氢气，氢气注入供气网或用于为燃料电池供电。应当理解的是，在本发明的一些实施方式中，可以使用在输入/压缩侧产生的热来加热在电解过程中使用的水，以提高该过程的效率。
能量的储存、特别是来自间歇源的电能的储存是主要的挑战。许多电池、飞轮、热能和其他系统都是小型的。通过产生氢气来储存这种能量将使任何体积的能量能够在任何时间储存，以供任何时间使用，因此这使得氢气的产生和储存成为一种非常期望的储能方式。
对于电网规模的储存系统来说，氢气本身的产生和储存还没有发展到合适的规模和效率。因此，将其与CAES相结合提供了非常大尺寸和高效率的储存系统的潜力。
比如电解、蒸汽重组和热分解以及还可能包括热化学、生物和其他产生工艺的制氢工艺在它们的操作温度提高时会更高效。
在水中加入某些矿物离子可以催化电解过程，所述矿物离子特别是电极电位低于氢离子的阳离子，包括钠和钾。这些矿物离子可以以其盐的形式溶解在水中，或者也可以使用盐水例如海水，或者来自盐穴的溶解开采的盐水。
储能系统结合有与储能系统的压缩循环相关的制氢和与储能系统的膨胀循环相关的氢燃烧中一者或两者。
在与储能系统的压缩循环相关的制氢的情况下，给送到工厂中的例如来自可再生电源的一些电力用于压缩空气。这种电力的另一部分用于产生氢气。
这种产生的氢气可以被储存以稍后在系统内使用，并且/或者可以被提取以用于其他目的，比如但不限于注入到气体管道或系统中、或作为瓶装气体出售。如果注入到气体管道或系统中，这种管道或系统可以构造成全部、主要或部分地运送氢气；如果主要或部分地，则这种氢气可以在管道或系统内与另一气体混合。
可选地，这种氢气可以全部或部分源于其他源。
可选地，在压缩期间使用热交换器从空气提取压缩热，该热交换器可以与压缩装置结合或与这种装置分开。这可以可选地在一个或多个阶段中完成。任何类型的附加热传递装置(其中有许多是众所周知的)可以可选地用于将来自热交换器的热传递至制氢装置。
可以可选地使用压缩热中的全部或部分压缩热来提高一个或更多个制氢工艺的效率。这些工艺可以包括但不限于电解、蒸汽重组、热分解、热化学、生物和其他产生工艺。
可以设想的是，在催化制氢之后可能有大量的热保留下来。这种余热可以可选地被储存以供以后在膨胀阶段期间对空气和/或氢气和/或其他气体和/或系统的任何其他元件进行预热时使用。
可选地，压缩热中的一些或全部压缩热和/或制氢催化后的余热可以用于其他目的，比如但不限于区域或工业加热、发电和过程催化。这种用于其他目的热的使用可以与使用燃烧热来辅助电解过程一起进行。
在与储能系统的膨胀循环相关的氢气燃烧的情况下，氢气可以在膨胀之前、期间或之后燃烧以加热空气。这可以是纯氢气，或者例如用蒸汽或空气稀释以控制燃烧温度。氢气可以单级或多级燃烧。氢气的燃烧可以在燃烧室内进行，或者在燃气涡轮机内进行，或者在一些其他构造中进行。氢气可以可选地在燃烧之前或期间与一种或更多种其他气体混合，比如但不限于氧气、一种或更多种碳氢化合物气体、蒸汽和/或空气。
在一些实施方式中，由该工艺产生的一些或全部氢气和/或氧气可以用于其他目的。
可选地，热可以独立于电例如从地热源、太阳能热能或工业过程给送到工厂中；可以使用其他热源。
膨胀期间所需的热可以通过氢气、优选地在该过程的压缩阶段期间所储存的氢气的燃烧而产生。
在膨胀阶段期间燃烧的氢气可以是纯氢气，或者可以与另一物质混合，该另一物质比如但不限于空气、氮气、蒸汽、甲烷、生物甲烷或任何形式的合成气。
在燃烧期间，产生水和/或蒸汽。这种通过该工艺产生的水可以用于其他目的，比如但不限于饮用水和工业应用的工艺水。
应当注意的是，这种产生的水可以是纯净的、蒸馏的和/或脱矿的。这种水可以在进一步使用之前进行处理。
可选地，在膨胀期间一些热吸收可以用于其他目的，比如但不限于制冷、空气调节、保存和低温应用。
由于催化制氢工艺可能不会用完所有的压缩热，一些热(在明显高于环境的温度下)可能会保留在传递装置中。
在本申请的范围内，可以设想的是，在前述段落、权利要求和/或以下说明和附图中陈述的各个方面、实施方式、示例和替代方案、以及特别是所述各个方面、实施方式、示例和替代方案的各个特征可以独立地或以任意组合的方式采用。例如结合一个实施方式所描述的特征能够应用于所有实施方式，除非这样的特征是不相容的。
为避免疑义，要理解的是，关于本发明的一个方面描述的特征可以单独地或与一个或更多个其他特征适当地组合地包括在本发明的任何其他方面中。
附图说明
现在将仅借助于示例参照附图来描述本发明的一个或更多个实施方式，在附图中：
图1示出了具有制氢、储氢和氢燃烧的CAES系统的总体布置。
图2示出了用于热传递至制氢工艺的一些替代方案；
图3示出了图1的系统的一些可选的输入和输出，并且还示出了氧气的储存和使用；
图4A示出了具有储存的氢气和氧气以及提供电输出的燃料电池的示例系统；
图4B示出了具有储存的氢气和氧气以及向加热器提供电输出的燃料电池的示例系统；
图5示出了与热储存器相结合的图1的系统；
图6示出了使用压缩热的一些可能的示例；
图7示出了具有使用从CAES系统的输入/压缩侧传递的热制氢的CAES系统；
图8示出了使用氢气对CAES系统的输出/膨胀侧提供热的CAES系统。
具体实施方式
图1描绘了储能系统的总体布置。这通常称为压缩空气储能(CAES)系统。系统中使用的工艺气体可以是空气(例如大气空气)或不同的工艺气体。该系统可以将输入能量1以压缩气体的形式储存在储存器8中，直到需要输入能量1来产生输出能量17为止。该系统包括压缩机装置2、膨胀机装置16以及位于压缩机装置2与膨胀机装置16之间的压缩气体储存器8。压缩机装置2包括气体入口3和压缩气体出口4。在系统的压缩阶段期间，电1被输入至压缩机装置2。电1为压缩机装置2供电以压缩经由气体入口3接收的输入空气，进而产生从压缩气体出口4输出的压缩空气。通常，气体将是大气空气。
图1的系统还包括制氢设备10。热传递设备5构造成将来自CAES系统的工艺气体的热传递至制氢设备10。在示例系统中，制氢设备10构造成由水产生氢气H2。
当压缩气体时，气体升温。第一热交换器5A构造成提取来自气体的热，将冷却的压缩气体沿着路径7输出至储存器8。储存器8可以是自然结构，比如地下洞穴(例如盐穴)、井(例如碳氢化合物井)或诸如能够保持压缩气体的容器之类的人造结构。在储存之前将来自气体的热移除的一个原因是因为在储存器8、比如天然洞穴、井、含水层或其他储存器中，对于储存的气体可能有最高温度限制。
图1示意性地示出了位于压缩机装置2下游的热交换器5A。在替代性示例中，热交换器5A可以与压缩机装置2共同定位在一起。在替代性示例中，压缩机装置2可以包括多个压缩机级。热交换器5A可以位于压缩机的级之间，或者与压缩器级中一个压缩机级共同定位在一起。可以存在用于多个压缩机级的多个热交换器5A，例如每个压缩级一个热交换器。在替代性示例中，热交换器5A可以位于压缩机装置2的上游，即在压缩机装置2之前。这具有在压缩之前冷却工艺气体的效果。热交换器可以位于多个位置中，例如位于压缩机装置2的上游和位于压缩机装置2的下游两者。
在图1中，第一热交换器5A具有热传递介质入口6和热传递介质出口9。热传递介质可以是例如水。可选地，水可以是未净化的水和/或海水。在操作中，热传递介质(例如水)经由入口6流动到第一热交换器5A中，第一热交换器5A将来自压缩气体的热传递至热传递介质。与流入到入口6中的热传递介质相比，从出口9流出的热传递介质(例如水)被加热，即从出口9流出的热传递介质(例如水)处于比流入到入口6中的热传递介质(例如水)更高的温度。
方便地，用于制氢的水可以是已经由第一热交换器5A加热的传递介质。制氢设备10可以构造成沿着路径9接收经加热的热传递介质(例如，经加热的水)或直接接收经加热的热传递介质(例如，经加热的水)，如可选装置5所描绘的。
电11还可以与水和热9一起输入至制氢设备10，以产生氧气O2和氢气H2。由该过程产生的氧气可以可选地经由一个或更多个出口路径14排放至大气和/或输出部以用于其他目的。氧气的可能用途包括但不限于：装瓶、注入到气体管道或系统中、或用作工艺气体。出口路径14还可以去除制氢工艺的其他废物或产品，比如但不限于未经处理的水、杂质、死亡或耗尽的生物有机体或催化剂以及其他产生的液体或气体。
制氢装置10可以构造成通过以下方式中的一种或更多种方式来产生氢气：
●水的电解——由于电流穿过水，水(H2O)分解成氧气(O2)和氢气(H2)(水输入，氢气和氧气输出)
●蒸汽重组——一种用于携带在气流中的氢气与氧气的催化重组的方法和系统，其具有穿过具有多个催化转化器元件的反应区的气流，其中，在气流进入反应区之前向气流加入蒸汽(水输入、氢气和氧气输出)。
●热解——在没有氧气(或任何卤素)的情况下，有机物质在升高的温度下的热化学分解(氢气输出)
●热分解——化学反应，通过该化学反应化学物质在被加热时分解成至少两种化学物质。在升高的温度下，水分子分裂成其原子成分氢和氧(水输入，氢气和氧气输出)
●热化学反应和/或化学反应——各种材料与水或酸反应以释放氢气(水输入，氢气输出)
●生物过程——藻类在特定条件下产生氢气。在藻类没有硫的情况下，藻类将从正常光合作用中的制氧转换成制氢(氢气输出)
●厌氧腐蚀——氢腐蚀是在缺氧水的情况下发生的一种金属腐蚀形式。氢腐蚀涉及氧化还原反应，该氧化还原反应还原氢离子，形成分子氢(水输入，氢气输出)。
●蛇纹岩化——由铁橄榄石亚铁离子的厌氧氧化制氢(水输入和氢气输出)
如果制氢方法不涉及将水分解成氢气和氧气，例如生物过程或替代性化学途径，则不需要去除氧。可能仍然需要经由一个或更多个适当构造的出口路径14从该过程中去除其他气体、产品、污染物、死亡或耗尽的生物有机体或催化剂和/或废物。
在图1中，由制氢设备10产生的氢气可以储存13以供以后在储能系统内使用，比如在该过程的膨胀阶段加热气体。由制氢设备10产生的氢气的其他可能用途包括但不限于：装瓶、注入到气体管道或系统中、或用作工艺气体。
如果水是不纯的和/或海水，则可以结合用于去除污染物、盐和/或其他副产品的一种或更多种装置(未示出)。可以使用的不纯水的示例包括但不限于海洋、河流、湖泊、含水层、废水和雨水以及液体污水。可选地，这些污染物、盐或其他副产品然后可以用于其他目的。
在系统的膨胀和/或产生阶段期间，气体从压缩气体储存器8释放，并沿着路径15输出至膨胀机装置16。膨胀机装置16与换能器16a相关联。换能器16a将膨胀机装置16中的压缩气体的膨胀的动能转换为另一种形式的有用能量17。例如，换能器16a可以是将压缩气体的膨胀的动能转换为电能17的发电机装置。作为另一示例，换能器16a可以是具有或不具有其燃烧元件的燃气涡轮机。然而，应当理解的是，在其他实施方式中，换能器可以是将压缩气体的膨胀的动能转换成任何适当类型的有用能量的任何适当类型。穿过膨胀机装置的膨胀空气经由膨胀机出口18输出至大气。
图1还示出了如何在系统的膨胀和/或产生阶段期间使用氢气的一个示例。氢气被应用至燃烧器16b。氢气可以由氢气储存器13供应。尽管燃烧器16b在图1中示意性地示出为单独的单元，但是燃烧器16b可以与膨胀机装置16和/或发电机16a结合在一起，例如作为燃气涡轮机发电机的一部分。水和/或蒸汽作为燃烧的产物输出20。
图1的系统的一个优点是减少或避免了下述需要：对在系统的输出/膨胀侧提供额外能量以加热空气的需要；或者对用以储存来自系统的输入/压缩侧的热直到系统的输出/膨胀侧需要热为止的大型热储存器的需要。相反，来自系统输入/压缩侧的热用于辅助制氢，氢气随后可以在系统的输出/膨胀侧使用(例如燃烧)以提供热。如果输入能量1、11来自可再生源，则图1的系统可以避免燃烧碳氢化合物的需要。
图2示出了图1的替代性布置，其中，第一热交换器5A的热传递介质在闭环中操作。热传递介质可以是水或任何其他合适的热传递流体。该热传递介质回路可以结合热和/或冷的热传递流体的储存器(未示出)，其中，“热”描绘比“冷”热的任何温度。可选地，在膨胀之前、期间或之后，也可以使用余热(未示出)来加热离开工艺气体储存器15的工艺气体；该装置还可以结合热和/或冷的热传递流体的储存器，其中，“热”描绘比“冷”热的任何温度。制氢设备10具有用于接收水的输入部43。如上所述，制氢设备10接收水并输出氢气，以及可选地输出氧气、其他气体、产品、污染物、死亡或耗尽的生物有机体或催化剂、和/或来自该过程的废物中的一者或更多者。制氢设备10经由热传递介质路径42接收来自第一热交换器5A的热的输入。热传递介质可以可选地在闭环路径中操作，如图2中的闭环路径42所示。
图3描绘了图1的系统，图中示出了附加功能的示例。这些附加功能包括向系统的输入、系统的能力和功能以及来自系统的输出。相应的附图标记表示与图1相似的特征。
电1、11可以由任何源21提供。可能的源包括以下中的一者更或多者：风力涡轮机、太阳能、潮汐流、潮差、燃煤发电站、开式或闭式循环燃气发电站(OCGT、CCGT)、核电站和电网。其他可能的源包括：水力发电、地热等。
在一个示例中，本文描述的类型的CAES工厂可以与诸如太阳能装置阵列或风力发电场的间歇性可再生能源结合，以便根据需要产生可调度或基本负载的电。
供应6至制氢设备10的水源22可以是：脏水，比如但不限于污水；未净化的水，比如但不限于河水、雨水或地下水；或咸水，比如但不限于海水、来自盐穴的盐水、或来自含盐含水层的水；或者来自任何其他合适的源的水。
来自系统的电输出17可以向电网、一个或更多个主要客户、联络线路或任何其他目的地23中的一者或更多者提供电力。
在图3描绘的示例中，离开14制氢装置10的氧气可以储存在储存器24中。可选地，可以将氧气从储存器24抽出到膨胀机装置16中，以在膨胀/产生循环期间辅助燃烧。
图4A示出了图3的替代性示例。燃料电池35接收来自氢气储存器13的氢气的输入以及来自氧气储存器24的氧气的输入。燃料电池可以用于通过结合氢气和氧气来产生电输出36。如上所述，氢气和/或氧气中的一些氢气和/或氧气可以可选地被给送到用于通过压缩空气发电的设备中。
图4B示出了图3的另一替代性示例。燃料电池35接收来自氢气储存器13的氢气的输入以及来自氧气储存器24的氧气的输入。燃料电池可以用于通过结合氢气和氧气来产生电输出38；替代性地，燃料电池可以从空气中获得所需的氧气。电输入供应至电加热器16c。加热器构造成在使压缩气体膨胀之前、期间或之后使用产生的电来提供热。可以使用加热器16c来代替前面的图中所示的燃烧器16b，或者加热器16c可以与前面的图中所示的燃烧器16b相结合。
使用氢气和/或氧气来辅助通过压缩空气发电的其他方法是可能的。同样地，用于氢气、氧气、其他气体、产品、污染物、死亡或耗尽的生物有机体或催化剂、和/或来自该过程的废物中的任一者或全部的其他应用也是可能的。
图5描绘了与热储存器结合的图1的系统。对应的附图标记表示与前面的图相似的特征。图5示出了许多可能的系统中的一个系统，其中，氢气和热两者在CAES系统内储存和再利用。
在该系统的该特定示例中，来自热传递介质的热并不全部被制氢设备10消耗。在系统的操作的压缩阶段期间，来自制氢设备10的热水26(即，比环境温度热)的流出物储存在热储存器27中以供以后使用。为简单起见，图5描绘了下述实施方式，在该实施方式中，忽略或处置用于氧气、其他气体、产品、污染物、死亡或耗尽的生物有机体或催化剂、和/或来自该过程的废物的其他用途；在其他实施方式中，如上所述，可以储存和/或使用它们中的任一者或全部。
在系统运行的膨胀/产生阶段期间，可以将一些或全部储存的热水从热储存器27输出28至位于通向燃烧器/发电机16的氢气供应路径19中的第二热交换器29。第二热交换器29构造成在燃烧16之前对氢气进行预热。在图5的示例系统中，第二热交换器29位于氢气储存器13与燃烧器/发电机16之间的氢气供应路径19中。冷却的热传递介质(例如水)从第二热交换器输出30。
作为对第二热交换器29的替代或附加，储存的热传递介质(例如热水)中的一些或全部储存的热传递介质可以被供应至第三热交换器32，该第三热交换器32构造成在燃烧16之前对压缩空气进行预热。剩余的冷却水33被移除，以用于处置或其他用途。在图5的示例中，第三热交换器32位于压缩气体储存器8与膨胀器/发生器16之间。
在该系统的另一示例中，替代性地或附加地，储存的热水中的一些或全部储存的热水可以被给送到第四热交换器37中，该第四热交换器37构造成在燃烧之前对氧气进行预热(为清楚起见，未示出)。在图5的示例系统中，第四热交换器37位于氧气储存器24与燃烧器/发电机16之间的氧气供应路径25(如图4A所示)中。冷却的热传递介质(例如水)从第四热交换器37输出30。剩余的冷却水被移除，以用于处置或其他用途。
在CAES与制氢和储热两者结合的其他示例中，热可以直接(例如，经由传导)或者借助于热储存介质、或通过不同的热传递介质、通过借助于固体的传导、通过设备并置或通过任何其他装置间接地传递到热储存器中。同样地，热可以直接(例如，经由传导)或者借助于热储存介质、或通过不同的热传递介质、通过借助于固体的传导、通过设备并置或通过任何其他装置从热储存器中传递出来。可以使用任何合适类型的热储存装置。
在CAES与制氢和储热两者结合的其他示例中，可以直接或者借助于热储存介质、或通过不同的热传递介质、通过借助于固体的传导、通过设备并置或通过任何其他装置从热储存器传递热。可以从热储存装置中提取这样的热，以便向系统的任何部分或向系统内的任何流体或向在膨胀阶段期间进入系统的任何流体提供加热。
图6示出了与图1相对应的系统，其示出了可以使用压缩热中的一些压缩热的一些其他可能的方式。可以经由出口51从位于热交换器5A与制氢设备10之间的输出路径9供应热传递介质(例如水)。另外地，或者替代性地，可以提供一个或更多个另外的热传递路径50，一个或更多个另外的热传递路径50直接或间接地接收来自热交换器5A的热。压缩热的可能用途包括家用或商用供暖、热网、区域供暖等。替代性地，热流体9中的一些热流体可以用于包括家用或商用供暖、热网、区域供暖等的其他用途。替代性地，热流体26中的一些或全部热流体(如图5所示)可用于包括家用或商用供暖、热网、区域供暖等的其他用途。
图1至图6中所示的示例示出了如何利用CAES工艺的压缩阶段中的热来辅助制氢10，并且还示出了如何利用所产生的氢气在CAES工艺的膨胀阶段辅助加热空气或其他工艺气体。
图7示出了CAES系统的示例，其中，在CAES工艺的压缩阶段2的压缩的热用于辅助制氢10。氢气不用于在CAES工艺的膨胀阶段16辅助加热气体。这同样适用于任何输出氧气、其他气体、产品、污染物、死亡或耗尽的生物有机体或催化剂、和/或工艺产生的废物。在膨胀阶段，可以以其他方式获得热以辅助加热。例如，可以从周围的大气、地下热泵、空气调节建筑或环境中提取热。
CAES与制氢和储热两者结合的系统的其他示例包括下述示例：在所述示例中，氢气中的一些或全部氢气用于除了CAES工艺中的储存和燃烧之外的目的。
图8示出了CAES系统的示例，其中，在CAES工艺的膨胀阶段16使用氢气来辅助加热气体。在CAES工艺的压缩阶段2的压缩的热不用于辅助制氢10。氢气可以在其他地方产生并例如通过罐车或管道运输。
虽然在不同的附图中描述了CAES系统的不同示例，但是可以理解的是，不同示例的特征可以组合以提供与氢功能结合的功能性CAES系统，该功能性CAES系统与根据现有技术的CAES系统相比具有改进的性能。这些改进包括效率、包括排放的环境绩效、额外输出和从CAES系统获得的额外好处。
上述示例可以实现为大规模(例如网格规模)应用或者实现为任意大小的离网、独立实施方式。这些示例还可以在移动应用中实现，例如在船上或其他运输工具上。这些示例还可以在可运输的应用中实现，例如通过在一个或更多个装运集装箱中进行集装箱化。
上述示例可以应用于大气空气或任何其他工艺气体的压缩和膨胀，所述工艺气体比如但不限于：甲烷、其他碳氢化合物、二氧化碳、氧气和氢气。
除了电之外或代替电，其他示例可以使用除电之外的其他形式的能量来提供压缩空气的动力。输入能量的示例有动能、势能和化学能。
除了电之外或代替电，其他示例可以通过空气的膨胀产生除电以外的其他形式的能量。输出能量的示例有动能、势能和化学能。
其他示例可以使用除电以外的其他形式的能量比如但不限于辐射(例如，自然光或聚集的阳光)、化学能和热能来产生氢气。
可选地，由制氢工艺产生的氧气也可以被储存以用于在燃烧期间使用，以便改善燃烧性能和/或避免排放可能引起燃烧和/或爆炸风险的基本上纯净的氧气。
在压缩期间产生的氢气和/或氧气中的一些或全部氢气和/或氧气被储存以用于在膨胀阶段燃烧的示例中，氢气和/或氧气可以储存在以下中的一者或更多者中：地下洞穴(例如，盐穴)、全部或部分耗尽的碳氢化合物井(例如，油井或气井)、含水层(例如，盐水或甜水含水层)或一些其他天然或人造的地下储存位置(例如，矿山)。
氢气、氧气和空气或其他工艺气体中的任一者或全部可以可选地储存在储存设备中，该储存设备全部或部分地由钢瓶、囊袋、固体储存器、比如但不限于活性炭、石墨烯和金属氢化物、或任何其他机械或化学装置中的一者或更多者组成。
CAES系统可以使用任何其他合适的工艺气体来代替空气，或者除了空气之外可以使用任何其他合适的工艺气体。
在存在附加储热的示例中，可以通过储存热传递或工艺流体或通过加热任何其他储热材料来实现这种储热。
来自氢气燃烧的水输出可以出售和/或用作饮用水或用作用于其他工艺的工艺水。可选地，在其他用途之前可以对来自氢气燃烧的水输出进行处理。
氢气、氧气、空气或任何其他气体中的任一者或全部的储存可以使用将气体束缚在其中的合适固体来进行。这种合适固体的示例包括金属氢化物、石墨烯和活性炭。这种储存的好处包括安全性、改进的气体束缚、稳定性和紧凑性中的一者或更多者。
氢气可以与氮气结合形成氨，氨可用作氢气的储存手段、和/或用作燃料、和/或用作各种化学过程比如制造肥料或炸药的前体化学物。
这种结合制氢的系统的优点包括最大限度地利用输入电、制造氢，氢是在各种工艺、燃料电池、运输脱碳以及其他应用中非常有用的物质。
可选地，这样的系统也将冷作为有用的产品来产生。这种冷可以适用于比如但不限于那些与制冷、空气调节和过程冷却相关的应用。这类应用还可能涉及更低的温度，比如用于低温和过冷目的。
这种结合氢气燃烧的系统的优点包括通过储存的压缩空气发电而不具有与化石燃料的燃烧有关的排放物，并且产生纯水和/或蒸汽作为燃烧产物。可选地，这样的系统也将热作为有用的产品来产生。
除了上述好处之外，这种结合了氢气的产生、储存和燃烧的系统的好处还包括显著提高储能系统的往返效率，以及可选地净化水。通过储存压缩空气和氢气两者，这样的系统还起到有效地储存能量的作用，以例如接收间歇产生的电并输出可调度和/或基本负载的电。
将CAES与制氢和储热相结合的系统的好处包括对工艺流体和/或设备进行预热，以便提高该系统的运行效率。
下述系统可以是使系统整体效率最大化的系统的构造，该系统包括：氢气的制造、储存和燃烧；氧气的制造、储存和燃烧；和额外的储热；以及通过工艺气体预热进行的再利用。
从脏水中产生清洁水使水的处理和/或净化能够作为系统的辅助功能来执行。
贯穿本申请文件的说明书和权利要求书，词语“包括”和“包含”以及这些词语的变型例如“包括有”和“包含有”是指“包括但不限于”，并且不旨在(并且不)排除其他部分、添加物、组分、整体或步骤。
贯穿本申请文件的说明书和权利要求书，除非上下文另有要求，否则单数包含复数。特别地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另有要求，否则申请文件将被理解为包括复数和单数。
结合本发明的特定方面、实施方式或示例而描述的特征、整数、特性、复合物、化学部分或组应当理解为适用于本文中所描述的任何其他方面、实施方式或示例，除非与其不相容。

Claims (38)

1.一种储能的方法，包括：
接收输入能量；
使用所述输入能量来压缩工艺气体以产生压缩气体，其中，所述工艺气体包括空气或除空气外的其他的工艺气体；
储存所述压缩气体；
使所述压缩气体膨胀以产生输出能量；
并且还包括：
执行制氢工艺；
在所述工艺气体储存为压缩气体之前，将来自所述工艺气体的热传递至所述制氢工艺；以及
在所述制氢工艺中使用所传递的热。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后使用由所述制氢工艺产生的氢气中的至少一些氢气来提供热。
3.根据权利要求2所述的方法，包括在下述步骤之前储存由所述制氢工艺产生的储存氢气中的至少一些储存氢气：在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后使用储存氢气中的至少一些储存氢气来提供热。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，使用至少一些氢气包括燃烧氢气。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述制氢工艺还产生氧气，所述方法还包括：
储存由所述制氢工艺产生的氧气中的至少一些氧气；以及
在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后使用储存的氧气中的至少一些储存的氧气来提供热。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述制氢工艺产生氢气，并且所述方法还包括在燃料电池中使用该氢气来产生输出电。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述制氢工艺产生氢气和氧气并且所述方法还包括在燃料电池中使用该氢气和该氧气来产生电，或者所述制氢工艺产生氢气并且所述方法还包括在燃料电池中使用所产生的氢气和来自外部源的氧气来产生电。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后用所产生的电为加热器供电以提供热。
9.根据权利要求1至3和8中的任一项所述的方法，还包括：
在所述工艺气体储存为压缩气体之前，将来自所述工艺气体的热传递至热储存器；以及
在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后将来自所述热储存器的热传递至所述工艺气体。
10.根据权利要求1至3和8中的任一项所述的方法，其中，传递热包括下述中的至少一者：
在压缩所述工艺气体之前传递来自所述工艺气体的热；
在压缩所述工艺气体期间传递来自所述工艺气体的热；
在压缩所述工艺气体之后传递来自所述工艺气体的热。
11.根据权利要求1至3和8中的任一项所述的方法，其中，传递热包括：
将来自所述工艺气体的热传递至热传递介质；以及
将来自所述热传递介质的热传递至所述制氢工艺。
12.根据权利要求1至3和8中的任一项所述的方法，其中，传递热包括将来自所述工艺气体的热传递至水以加热所述水；并且所述制氢工艺使经加热的水产生氢气。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述制氢工艺对经加热的水执行电解。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述水来自未净化或部分净化的源。
15.根据权利要求1至3、8、13至14中的任一项所述的方法，其中，由所述制氢工艺产生的氢气中的一些或全部氢气以下述方式中的至少一种方式使用：
输出到储能系统的外部；
输出至工业过程；
输出用于装瓶；
用于形成氨；
在另一化学工艺中使用；
用于一个或更多个燃料电池；
储存供以后使用；
储存用于运输。
16.根据权利要求1至3、8、13至14中的任一项所述的方法，其中，所述制氢工艺通过下述方式中的至少一种方式来产生氢气：化学反应；一个或更多个生物过程；厌氧腐蚀；蛇纹岩化。
17.根据权利要求2至3、8、13至14中的任一项所述的方法，其中，所述氢气储存在下述一者或更多者中：地下洞穴；全部或部分耗尽的碳氢化合物井；含水层；天然或人造地下地貌；活性炭、石墨烯和金属氢化物中的一者或更多者。
18.根据权利要求1至3、8、13至14中的任一项所述的方法，其中，所述工艺气体是空气。
19.根据权利要求1至3、8、13至14中的任一项所述的方法，其中，所述输入能量中的一些或全部输入能量是来自电网的电，或者其中，所述输入能量中的一些或全部输入能量是来自一个或更多个间歇源的电。
20.根据权利要求1至3、8、13至14中的任一项所述的方法，其中，所述输出能量是电。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述未净化或部分净化的源包括海洋、湖泊、河流或生产过程。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述生产过程包括盐穴的溶解开采。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，所述化学反应包括水的电解；蒸汽重组和热解中的至少一种。
24.一种储能的系统，包括：
输入部，所述输入部接收输入能量；
压缩机装置，所述压缩机装置构造成使用所述输入能量来压缩空气或其他的工艺气体以产生压缩气体；
压缩气体输出部，所述压缩气体输出部构造成将所述压缩气体输出至压缩气体储存器；
制氢设备，所述制氢设备构造成产生氢气；
膨胀机装置，所述膨胀机装置构造成接收来自所述压缩气体储存器的压缩气体并使所述压缩气体膨胀以产生输出能量；
输出部，所述输出部输出产生的输出能量；
热传递设备，所述热传递设备构造成在所述工艺气体被储存为压缩气体之前将来自所述工艺气体的热传递至制氢工艺；并且
其中，所述制氢设备构造成使用所传递的热。
25.根据权利要求24所述的系统，所述系统构造成在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后使用由所述制氢工艺产生的氢气中的至少一些氢气来提供热。
26.根据权利要求25所述的系统，包括氢气输出部，所述氢气输出部构造成将由所述制氢工艺产生的氢气中的至少一些氢气输出至氢气储存器，并且在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后使用储存氢气中的至少一些储存氢气来提供热。
27.根据权利要求25或26所述的系统，包括燃烧器，所述燃烧器构造成在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后燃烧至少一些氢气或储存氢气来提供热。
28.根据权利要求25或26所述的系统，其中，所述制氢设备构造成产生氧气，所述系统包括：
氧气输出部，所述氧气输出部将氧气输出至氧气储存器；
氧气输入部，所述氧气输入部接收来自所述氧气储存器的氧气；以及
储存由所述制氢工艺产生的氧气中的至少一些氧气；并且
在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后使用储存氧气中的至少一些储存氧气来提供热。
29.根据权利要求25或26所述的系统，其中，所述热传递设备构造成在所述工艺气体被储存为压缩气体之前将来自所述工艺气体的热传递至热储存器。
30.根据权利要求29所述的系统，还包括第二热传递设备，所述第二热传递设备构造成使用所述热储存器中的热来对氢气和/或氧气进行预热。
31.根据权利要求24至26和30中的任一项所述的系统，其中，所述制氢设备构造成产生氢气，并且所述系统包括构造成使用该氢气来产生输出电的燃料电池。
32.根据权利要求24至26和30中的任一项所述的系统，其中，所述制氢设备构造成产生氢气和氧气，并且所述系统包括构造成使用该氢气和该氧气来产生输出电的燃料电池，或者其中，所述制氢设备构造成产生氢气，并且所述系统包括构造成使用所产生的氢气和来自外部源的氧气来产生电的燃料电池。
33.根据权利要求31所述的系统，还包括加热器，所述加热器构造成在使所述压缩气体膨胀之前、期间或之后使用所产生的输出电来提供热。
34.根据权利要求24至26、30和33中的任一项所述的系统，其中，所述热传递设备构造成将来自所述工艺气体的热传递至热传递介质并且将来自所述热传递介质的热传递至所述制氢设备。
35.根据权利要求24所述的系统，其中，所述热传递设备构造成将来自所述工艺气体的热传递至水以加热所述水，并且所述制氢设备构造成由经加热的水产生氢气。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述制氢设备构造成对经加热的水执行电解。
37.根据权利要求24至26、30、33、35至36中的任一项所述的系统，其中，所述制氢设备构造成通过下述方式中的至少一种方式产生氢气：化学反应；一个或更多个生物过程；厌氧腐蚀；蛇纹岩化。
38.根据权利要求37所述的系统，其中，所述化学反应包括水的电解；蒸汽重组和热解中的至少一种。
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