CN114127875B - 能源管理系统 - Google Patents

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Abstract

能源管理系统包括燃料合成装置(10a)、发电装置(10b)、CO2回收部(36)、压缩机(38)、CO2储存部(23)、CO2减压部(25)和热回收部(26、39)。燃料合成装置使用外部电力而从H2O和CO2合成烃。发电装置使用烃来发电。CO2回收部在发电时从发电装置所排出的排气中回收CO2。压缩机对所回收的CO2进行压缩。CO2储存部对压缩后的CO2进行储存。CO2减压部对储存在CO2储存部中的CO2进行减压，以将减压后的CO2供给到燃料合成装置。热回收部通过CO2的压缩或CO2的减压来回收蓄存在CO2中的热量。

Description

能源管理系统
相关申请的援引
本申请以2019年7月2日提交申请的日本专利申请2019-123665号为基础，在此援引其记载内容。
技术领域
本公开涉及一种能源管理系统。
背景技术
专利文献1中提出了一种通过将由太阳能发电等获得的电能转换成化学能来进行能量的储存的能量储存方法。在该能量储存方法中，使通过水的电解获得的氢与一氧化碳或二氧化碳反应来合成二甲醚，并且对二甲醚进行液化并储存。接着，使用所储存的二甲醚来再生电力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010-62192号公报
发明内容
但是，在专利文献1的能量储存方法中，系统整体的效率化并不充分。
本公开鉴于上述点而作出的，其目的在于在使用电能来合成烃并使用烃来发电的能量管理系统中，使系统效率提高。
为了达成上述目的，本公开的能量管理系统包括燃料合成装置、发电装置、CO2回收部、压缩机、CO2储存部、CO2减压部和热回收部。燃料合成装置使用外部电力而从H2O和CO2合成烃。发电装置使用烃来发电。CO2回收部在发电时从发电装置所排出的排气中回收CO2。压缩机对所回收的CO2进行压缩。CO2储存部对压缩后的CO2进行储存。CO2减压部对储存在CO2储存部中的CO2进行减压，以将减压后的CO2供给到燃料合成装置。热回收部通过CO2的压缩或CO2的减压来回收蓄存在CO2中的热量。
由此，能够有效利用在CO2压缩时产生的温热或是在CO2减压时产生的冷热，能够提高系统效率。
附图说明
图1是表示本公开的实施方式的能量管理系统的整体结构的图。
图2是控制装置的框图。
图3是表示燃料合成模式下的能量管理系统的图。
图4是表示发电模式下的能量管理系统的图。
图5是表示能源管理系统的系统投入电力、燃料合成量/燃料消耗量、燃料储存量、CO2储存量、CO2回收量、CO2回收热量的关系的图。
具体实施方式
以下，使用附图，对本公开的实施方式的能量管理系统进行说明。
如图1所示，能量管理系统包括燃料合成发电装置10。燃料合成发电装置10能够切换使用从外部供给的电力的烃的合成与使用烃的发电。燃料合成发电装置10包括作为燃料合成装置10a运转的燃料合成模式和作为发电装置10b运转的发电模式。
燃料合成装置10a是固体氧化物型电解池(SOEC)，发电装置10b是固体氧化物型燃料电池(SOFC)。燃料合成装置10a能够对H2O和CO2进行电解，并且使用通过电解生成的H2和CO来合成烃。发电装置10b能够使用烃来发电。
燃料合成发电装置10包括电解质11和设置于电解质11两侧的一对电极12、13。图1所示的燃料合成发电装置10是电解质11被一对电极12、13夹持的单个单元，但是也可以是多个单元层叠的堆叠结构。
电解质11是具有氧离子传导性的固体材料，例如能够使用作为氧化锆系氧化物的ZrO2。电极12、13构成为将金属催化剂和陶瓷混合并淬火的金属陶瓷。在第一电极12中设置有Ni、Co等，以作为金属催化剂。Ni、Co是对CO2和H2的电解反应以及烃的合成反应进行促进的催化剂。在第二电极13中设置有Ni、Pt等，以作为金属催化剂。Ni、Pt是对将O2-和电子结合来生成O2的反应进行促进的催化剂。
电极12、13作为阳极或阴极发挥作用。上述电极12、13在燃料合成发电装置10以燃料合成模式或发电模式运转的情况下，阳极和阴极互换。具体而言，在燃料合成发电装置10以燃料合成模式运转的情况下，第一电极12作为阴极发挥功能，第二电极13作为阳极发挥功能。在燃料合成发电装置10以发电模式运转的情况下，第一电极12作为阳极发挥功能，第二电极13作为阴极发挥功能。
在燃料合成发电装置10以燃料合成模式运转的情况下，从作为外部电源的电力供给装置14向燃料合成发电装置10供给电力。在本实施方式中，作为电力供给装置14，使用利用了自然能源的发电装置。作为电力供给装置14，例如能够使用太阳能发电装置。
在燃料合成发电装置10以发电模式运转的情况下，由燃料合成发电装置10发电的电力被供给到电力消耗装置15。电力消耗装置15是通过供给电力而运转的装置。电力消耗装置15例如能够使用家电等电气设备。
在燃料合成发电装置10以燃料合成模式运转的情况下，向燃料合成发电装置10供给H2O和CO2。在燃料合成发电装置10中，通过H2O的电解生成H2，并通过CO2的电解生成CO。
H2O从H2O储存部20经由H2O供给通路21供给到燃料合成发电装置10。在本实施方式的H2O储存部20中储存有液体状态的H2O。在H2O供给通路21中设置有将H2O压送到燃料合成发电装置10的H2O泵22。H2O可以在液体状态下被供给到燃料合成发电装置10，或者也可以形成为水蒸气而被供给到燃料合成发电装置10。H2O泵22基于来自后述的控制装置50的控制信号而运转。
CO2从CO2储存部23经由CO2供给通路24而被供给到燃料合成发电装置10。在本实施方式的CO2储存部23中储存有液体状态的CO2。储存在CO2储存部23中的CO2被加压。
在CO2供给通路24中设置有压力调节阀25。压力调节阀25是对储存在CO2储存部23中的CO2进行减压的CO2减压部。压力调节阀25是用于使CO2膨胀的膨胀阀。压力调节阀25基于来自后述的控制装置50的控制信号而运转。
在CO2供给通路24中的压力调节阀25的气体流下游侧设置有第一热交换器26。第一热交换器26是蒸发器，作为制冷用热交换器发挥作用。
第一热交换器26能够对流过CO2供给通路24的CO2和流过第一热介质电路27的热介质进行热交换。由压力调节阀25减压的CO2从流过第一热介质电路27的热介质中吸热并蒸发。在第一热交换器26中，热介质利用通过CO2的蒸发生成的冷热而被冷却。热介质例如能够使用乙二醇水溶液。第一热交换器26是通过减压膨胀对蓄存在CO2中的冷热进行回收的热回收部。
在第一热交换器26中冷却的热介质经由第一热介质电路27而被供给到冷热利用部28。冷热利用部28是利用在CO2蒸发时生成的冷热的装置，能够作为例如进行室内制冷的制冷装置。
在燃料合成发电装置10以燃料合成模式运转的情况下，从通过电解生成的H2和CO合成烃。所合成的烃包含在燃料合成排气中并从燃料合成发电装置10排出。包含在燃料合成排气中的烃例如是甲烷。烃在燃料合成发电装置10以发电模式运转时用作燃料。
燃料合成排气经过燃料合成排气通路29。在燃料合成排气通路29中设置有燃料分离部30。燃料分离部30从燃料合成排气中分离出烃。例如，能够通过蒸馏分离进行烃与燃料合成排气的分离。
在燃料分离部30中分离出的烃作为燃料储存在燃料储存部31中。在本实施方式的燃料储存部31中储存有液体状态的烃。
在燃料合成发电装置10以发电模式运转的情况下，将储存在燃料储存部31中的烃供给到改质装置32。改质装置32通过改质反应从烃生成H2和CO。改质装置32例如能够通过水蒸气改质来改质烃。改质装置32基于来自后述的控制装置50的控制信号而运转。在改质装置32中生成的H2和CO经由改质燃料供给通路33供给到燃料合成发电装置10。
在燃料合成发电装置10以发电模式运转的情况下，从燃料合成发电装置10排出包含CO2和H2O的发电排气。发电排气经过发电排气通路34。
在发电排气通路34中设置有H2O分离部35。包含CO2和H2O的发电排气被供给到H2O分离部35。H2O分离部35从发电排气中分离出H2O。H2O分离部35例如能够使用气液分离器。
在发电排气通路34中的H2O分离部35的气体流下游侧设置有CO2回收部36。包含CO2的发电排气被供给到CO2回收部36。CO2回收部36从发电排气中分离出CO2。本实施方式的CO2回收部36通过反复进行CO2的吸附和脱离，将CO2从发电排气中分离出并回收。
在CO2回收部36中回收的CO2经由CO2回收通路37被供给到CO2储存部23。在CO2回收通路37中设置有压缩机38。压缩机38基于来自后述的控制装置50的控制信号而运转。
在CO2回收部36中回收的CO2在压缩机38中被压缩，并且被供给到CO2储存部23。在CO2回收通路37中的压缩机38的气体流下游侧设置有第二热交换器39。第二热交换器39是冷凝器，并且作为制热用热交换器发挥作用。
第二热交换器39能够对流过CO2回收通路37的CO2和流过第二热介质电路40的热介质进行热交换。在压缩机38中被压缩的CO2向流过第二热介质电路40的热介质散热并发生冷凝。在第二热交换器39中，热介质利用在CO2冷凝时生成的温热而被加热。热介质例如能够使用乙二醇水溶液。第二热交换器39是对通过压缩而被蓄存在CO2中的温热进行回收的热回收部。
在第二热交换器39中冷却的热介质经由第二热介质电路40被供给到温热利用部41。温热利用部41是利用在CO2压缩时生成的温热的装置。
温热利用部41能够设为利用在第二热交换器39中回收的温热对在室内空气调节中使用的空气进行加热的制热装置。或者，温热利用部41能够设为利用在第二热交换器39中回收的温热来对水进行加热并使热水沸腾的供热水装置。
另外，温热利用部41能够设为利用在第二热交换器39中回收的温热对从H2O储存部20供给到燃料合成发电装置10的H2O进行加热的H2O加热装置。由此，能够将H2O变为水蒸气并供给到燃料合成发电装置10。
另外，温热利用部41能够设为利用在第二热交换器39中回收的温热对燃料合成发电装置10进行加热的加热装置。由此，能够填补燃料合成发电装置10以燃料合成模式或发电模式运转时所需的热量。
另外，温热利用部41能够设为利用在第二热交换器39中回收的温热对改质装置32进行加热的加热装置。由此，能够填补改质装置32中的改质反应所需的热量。
如图2所示，能量管理系统包括控制装置50。控制装置50由包括CPU、ROM和RAM等的已知的微型计算机及其周边电路构成。控制装置50基于储存在ROM内的空气调节控制程序进行各种运算、处理，并且对连接到输出侧的各种控制对象设备22、25、32、38等的运转进行控制。在控制装置50的输入侧连接有未图示的各种传感器等。
接着，对本实施方式的能源管理系统的运转进行说明。
首先，使用图3对燃料合成模式进行说明。燃料合成发电装置10作为燃料合成装置10a运转。在燃料合成模式下，从电力供给装置14向燃料合成发电装置10供给电力。
在燃料合成模式下，H2O和CO2被供给到燃料合成发电装置10的第一电极12。储存在H2O储存部20中的H2O通过使H2O泵22运转而被供给到燃料合成发电装置10。储存在CO2储存部23中的CO2通过使压力调节阀25开放而被供给到燃料合成发电装置10。
在压力调节阀25减压的CO2在第一热交换器26中蒸发，并且利用气化潜热对流过第一热介质电路27的热介质进行冷却。在第一热交换器26中冷却的热介质经由第一热介质电路27被供给到冷热利用部28。通过CO2的减压膨胀生成的冷热在冷热利用部28中被利用。
在燃料合成模式下，燃料合成发电装置10的第一电极12作为阴极发挥作用，并且产生以下所示的反应。
(电解反应)
H2O+2e-→H2+O2-
CO2+2e-→CO+O2-
(燃料合成反应)
3H2+CO→CH4+H2O
电解反应是H2O和CO2同时电解的共电解反应。在本实施方式的燃料合成反应中，作为烃，合成了CH4。在第一电极12的电解反应中生成的O2-在电解质11中传导并移动到第二电极13。在燃料合成模式下，第二电极13作为阳极发挥作用，并且O2-与电子结合而生成O2。
在燃料合成反应中，从在电解反应中生成的H2和CO合成CH4。在第一电极12中生成的CH4作为燃料合成排气经由燃料合成排气通路29从燃料合成发电装置10排出。包含在燃料合成排气中的CH4由燃料分离部30分离，并且作为烃燃料由燃料储存部31储存。将CH4分离后的剩余的燃料合成排气被排出到外部。
接着，使用图4对发电模式进行说明。在发电模式下，燃料合成发电装置10作为发电装置10b工作。由燃料合成发电装置10发电的电力被供给到电力消耗装置15。
在发电模式下，从改质装置32向第一电极12供给H2和CO。另外，向第二电极13供给包含O2的空气。
在发电模式下，第二电极13作为阴极发挥作用，并且电子从空气中的O2分离而生成O2-。由第二电极13生成的O2-在电解质11中传导并移动到第一电极12。
在发电模式下，第一电极12作为阳极发挥作用，并且产生以下所示的反应。
H2+O2-+2e-→H2O
CO+O2-+2e-→CO2
在第一电极12中生成的H2O和CO2作为发电排气经由发电排气通路34从燃料合成发电装置10排出。包含在发电排气中的H2O在H2O分离部35中被分离出，并且储存在H2O储存部20。包含在发电排气中的CO2在CO2回收部36中被分离出，并且经由CO2回收通路37被供给到压缩机38。将H2O和CO2分离后的剩余的发电排气被排出到外部。
在CO2回收部36中分离出的CO2在压缩机38中被压缩，并且被供给到CO2储存部23。在压缩机38中被压缩的CO2在第二热交换器39中冷凝，并且流过第二热介质电路40的热介质被加热。在第二热交换器39中加热的热介质经由第二热介质电路40被供给到温热利用部41。在CO2的压缩中生成的冷热在温热利用部41中被利用。
接着，使用图5对能源管理系统的系统投入电力、燃料合成量和燃料消耗量、燃料储存量、CO2储存量、CO2回收量、CO2回收热量进行说明。
为了进行利用了自然能源的发电，本实施方式的电力供给装置14的发电能力根据季节而变化。因此，如图5所示，本实施方式的能量管理系统根据季节来切换燃料合成模式和发电模式。
太阳光丰富且电力供给装置14的发电能力变大的春季、夏季、秋季在燃料合成模式下生成烃，并且以烃的形式储存能量。另一方面，在因自然能源的缘故而使发电能力下降且以制热等为目的而使电力消耗装置15的电力消耗量增大的冬季，在发电模式下利用烃进行发电。
系统投入电力是从电力供给装置14向燃料合成发电装置10供给的电力、或者从燃料合成发电装置10向电力消耗装置15供给的电力。春季、夏季、秋季的系统投入电力与电力供给装置14的发电量成比例，冬季的系统投入电力与电力消耗装置15的电力消耗量成比例。
燃料生成量是在燃料合成模式下通过燃料合成发电装置10生成的烃量。燃料消耗量是在发电模式下被燃料合成发电装置10利用的烃量。燃料生成量与电力供给装置14的发电量成比例。燃料消耗量与电力消耗装置15的电力消耗量成比例。
燃料储存量是燃料储存部31中的烃的储存量。在燃料合成模式下，通过生成烃，来使燃料储存部31的燃料储存量增大。在发电模式下，通过消耗烃，来使燃料储存部31的燃料储存量减少。
CO2储存量是CO2储存部23中的CO2的储存量。在燃料合成模式下，由于将CO2用于燃料合成发电装置10中的烃合成，因此，使得CO2储存部23的CO2储存量减少。在发电模式下，由于将伴随着在燃料合成发电装置10中的发电而产生的CO2回收，因此，使得CO2储存部23的CO2储存量增大。
CO2回收量是从燃料合成发电装置10回收的CO2回收量。在燃料合成模式下，由于将CO2用于燃料合成发电装置10中的烃合成，CO2回收量为负。在发电模式下，由于将伴随着燃料合成发电装置10中的发电而产生的CO2回收，因此，CO2回收量为正。
CO2回收热量是能够从CO2中回收的热量。在燃料合成模式下，由于伴随着减压后的CO2蒸发而产生冷热，因此，CO2回收热量为负。在发电模式下，由于伴随着由压缩机38实现的CO2的压缩而产生温热，因此，CO2回收热量为正。
以上说明的本实施方式的能量管理系统在使用烃的发电时从在燃料合成发电装置10所排出的排气中回收CO2，并且将在对CO2压缩并储存时产生的温热进行回收。由此，能够有效地利用在CO2压缩时产生的温热，能够提高系统效率。
另外，本实施方式的能量管理系统在为了燃料合成而向燃料合成发电装置10供给CO2时，对在CO2减压时产生的冷热进行回收。由此，能够有效地利用在CO2减压时产生的冷热，能够提高系统效率。
另外，本实施方式的能源管理系统将从发电排气中回收的CO2压缩并以液化的状态储存在CO2储存部23中。由此，能够大幅减小所回收的CO2的体积，能够减小CO2的储存空间。
本公开不限定于上述实施方式，能够在不脱离本公开的主旨的范围内如下所述地进行各种变形。另外，上述各实施方式中公开的手段也可以在能实施的范围内适当地组合。
例如，在上述实施方式中，例示了甲烷作为在燃料合成发电装置10中合成的烃，但是也可以合成不同种类的烃。通过使在第一电极12中使用的催化剂的种类及反应温度不同，能够使合成的烃的种类不同。作为不同种类的烃，例如能够例示碳原子数比甲烷多的乙烷或丙烷等烃、醇或醚这样的包含氧原子的烃。
另外，在上述实施方式中，将一个燃料合成发电装置10切换为燃料合成装置10a和发电装置10b进行运转，但是也可以将燃料合成装置10a和发电装置10b分别设置为独立的装置。
另外，在上述实施方式中，在CO2储存部23中储存有液体状态的CO2，但是也可以包含气体状态的CO2，只要所回收的CO2的至少一部分以液体状态储存即可。
另外，在上述实施方式中，将液体状态的烃储存在燃料储存部31中，但是也可以将气体状态的烃储存在燃料储存部31中。
另外，在上述实施方式的结构中，也可以将在燃料合成发电装置10运转中产生的热量用于供给热水等。
虽然基于实施例对本公开进行了记述，但是应当理解为本公开并不限定于上述实施例、结构。本公开也包含各种各样的变形例、等同范围内的变形。除此之外，虽然在本公开中示出了各种各样的组合、方式，但是进一步包括有仅一个要素、一个以上或一个以下的其他组合、方式也属于本公开的范畴、思想范围。

Claims (11)

1.一种能源管理系统，包括：
燃料合成装置(10a)，所述燃料合成装置(10a)使用从外部供给的电力而从H2O和CO2合成烃；
发电装置(10b)，所述发电装置(10b)使用所述烃来发电；
CO2回收部(36)，所述CO2回收部(36)在发电时从所述发电装置所排出的排气中回收CO2；
压缩机(38)，所述压缩机(38)对在所述CO2回收部中回收的CO2进行压缩；
CO2储存部(23)，所述CO2储存部(23)对在所述压缩机中被压缩的CO2进行储存；
CO2减压部(25)，所述CO2减压部(25)对储存在所述CO2储存部中的CO2进行减压，以将减压后的CO2供给到所述燃料合成装置；以及
热回收部(26、39)，所述热回收部(26、39)通过由所述压缩机实现的CO2的压缩或是由所述CO2减压部实现的CO2的减压来回收蓄存在CO2中的热量，
所述燃料合成装置和所述发电装置由能够对使用从外部供给的电力的烃的合成和使用烃的发电进行切换的一个燃料合成发电装置(10)构成，
所述燃料合成装置使用从利用自然能源进行发电的电力供给装置(14)供给的电力对所述H2O和所述CO2进行电解，根据电力供给装置的发电能力和电力消耗装置的电力消耗量，在通过燃料合成装置合成烃的电力合成模式与通过发电装置使用烃进行发电的发电模式之间切换。
2.如权利要求1所述的能源管理系统，其特征在于，
在所述CO2储存部中储存的CO2的至少一部分为液体状态。
3.如权利要求1或2所述的能源管理系统，其特征在于，
所述热回收部对通过由所述压缩机实现的CO2的压缩而产生的温热进行回收，
通过所述热回收部回收的温热在温热利用部(41)中被利用。
4.如权利要求3所述的能源管理系统，其特征在于，
所述温热利用部利用所述温热对用于室内空气调节的空气进行加热。
5.如权利要求3所述的能源管理系统，其特征在于，
所述温热利用部利用所述温热来对水进行加热并使热水沸腾。
6.如权利要求3所述的能源管理系统，其特征在于，
所述温热利用部利用所述温热对供给到所述燃料合成装置的H2O进行加热。
7.如权利要求3所述的能源管理系统，其特征在于，
所述温热利用部利用所述温热对所述燃料合成装置或所述发电装置进行加热。
8.如权利要求1或2所述的能源管理系统，其特征在于，
所述热回收部对通过由所述CO2减压部实现的CO2的减压而产生的冷热进行回收，
通过所述热回收部回收的冷热在冷热利用部(28)中被利用。
9.如权利要求1、2、4至7中任一项所述的能源管理系统，其特征在于，
所述燃料合成发电装置包括电解质(11)和设置于所述电解质两侧的一对电极(12、13)，
在所述燃料合成发电装置作为所述燃料合成装置运转的情况和所述燃料合成发电装置作为所述发电装置运转的情况下，所述一对电极的阳极和阴极的关系互换。
10.如权利要求3所述的能源管理系统，其特征在于，
所述燃料合成发电装置包括电解质(11)和设置于所述电解质两侧的一对电极(12、13)，
在所述燃料合成发电装置作为所述燃料合成装置运转的情况和所述燃料合成发电装置作为所述发电装置运转的情况下，所述一对电极的阳极和阴极的关系互换。
11.如权利要求8所述的能源管理系统，其特征在于，
所述燃料合成发电装置包括电解质(11)和设置于所述电解质两侧的一对电极(12、13)，
在所述燃料合成发电装置作为所述燃料合成装置运转的情况和所述燃料合成发电装置作为所述发电装置运转的情况下，所述一对电极的阳极和阴极的关系互换。
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