CN114555915A - 二氧化碳发电厂中的二氧化碳液化和储存方法 - Google Patents

Abstract

低温范围内的二氧化碳发电厂需要大量的高压和适温的二氧化碳流体，以使其能在热力发动机中膨胀做功将自然界的热能转化为机械能。但要使膨胀做功后的二氧化碳液化，人们确实又需要大量的冷却能量。除了德国专利DE102 017 003 238中解释的时间和空间桥接方法外，不同季节的冰、热水和二氧化碳的存储还可以提供大量的冷、热和液态二氧化碳,在此液态二氧化碳可以在15巴的压力下稳定地存储，并在它蒸发时制冷。此外，建议在二氧化碳发电厂中使用活塞式发动机制冷，并在温暖季节有必要时使用如氨水作为工质的制冷机设备制冷，并且可利用冬季的寒冷大量发电，用于生产氢气，在此植物秸秆和废木料等二氧化碳中性燃料的燃烧热可作为加热二氧化碳的热源，同时从燃烧烟气中分离出的二氧化碳又可投入在二氧化碳发电厂中，由此可以减少大气中的二氧化碳含量。因此，运用本发明和上述的德国专利就能构成一个解决气候变化和能源短缺问题的经济有效方案。

Description

二氧化碳发电厂中的二氧化碳液化和储存方法

本发明涉及一种用于二氧化碳发电厂中的二氧化碳液化和储存的方法，在此二氧化碳作为厂中的能量载体和工作介质，并通过热力发动机把自然界的热能转化为机械能。这里人们需要大量高压和适温的二氧化碳。在其膨胀后但又需要大量的冷能使其液化。

通过CO₂-储存或运输而实现的时间或区域桥接可有助于实现这一液化，请参见德国专利([4])DE10 2017 003 238 A1的叙述部分。在那里建立了一个新的循环模型，该模型扩展了克劳修斯-朗肯(Clausius-Rankine)循环模型，称为离散可储性循环模型，简称DSK。DSK是离散的和可存储的，是因为它可以分批性地工作，并有数个二氧化碳射流并行运行，以及它的二氧化碳容器可以在任意长的时间段内存储二氧化碳。在这项所述的德国专利中，提及了相关的专利文献并给予了简要的介绍，描述了当前的技术水平。此外在这里还要简要介绍两项利用二氧化碳作为工作介质和能量载体的专利：在德国专利([1])DE 102006 035 273 A1中，电网中过剩的电能可用于产生高压的二氧化碳、天然气和压缩空气。由此电能被转换成压力能，它可储存在相应的存储装置中，并在以后适当地利用它。特别要强调的是，所储存的二氧化碳可以用作工作介质，并用发电厂及其周围环境的低温热量灵活地加热发电，由此提高发电厂的整体效率，并满足用电高峰时的用电需求。上述的各种压力能由于其膨胀而带来的冷能可集成式地用于再次液化在透平机中膨胀后的二氧化碳流体；在第二项的专利即欧盟专利([2])EP 2 703 610 A1中，人们利用自然界的地下储层空间作为缓冲存储空间储存来自于各种CCS系统的二氧化碳液体。然后，根据电力需求，短期内把储存的二氧化碳液体引出地下储层空间，通过自然热、余热或其他低温热能将其加热蒸发，并通过带有发电机的透平机发电，以满足短期性的电力需求。在透平机中膨胀做功后的二氧化碳流体被二氧化碳液体蒸发时所产生的冷能冷却，并被压缩成液体，该液体进一步冷却并返回到地下储层空间。这两项专利在此表明了，利用二氧化碳作为工作介质能在一定的前提条件下将低温范围内的热能经济有效地转换成机械能。

另外，在此要着重推荐网址http://www.saisonalspeicher.de所介绍的季节性储热设施。例如，在夏天可以将阳光热能存储在那里的储热库，然后在冬天使用。在此值得强调的是，它的经济效益性依赖于储热库的体积大小，这是最重要的因素之一。例如，与储存在储热库体积中的能量相比，为了使通过该库表面的热损失尽量最小，需要季节性储热库大于1000立方米。

相比之下，用于存储二氧化碳或水而建造的储存库要大很多倍，并且它有两种类型。第一种称为S-储存设备，用于存储不同季节的热水、水冰和二氧化碳液体。第二种类型称为C-储存设备，例如用于储存二氧化碳气体，它可能容积很大，在某些条件下还可以用于存储热水、水冰或其他存储介质。S-储存设备和C-储存设备还将在后面借助图1更详细地说明。

在二氧化碳发电厂中，除了上述的储存热能和冷能外，还可以利用其他类型的热源或冷源，例如，余热、地热、空气热、二氧化碳中性燃料如植物秸秆和废木料燃烧时产生的热能，或者二氧化碳蒸发时产生的冷能、二氧化碳在热力发动机中膨胀时产生的冷能，以及冷水、冬季空气或其他物质的冷能。

为了本发明的叙述，在下文中假定空气温度在冬季可以达到负30℃以下，在夏季可以达到正30℃以上。在此假定下本发明的方法可如下叙述：

步骤1：热季时的热能储存。热能，例如在温暖时期如夏季的阳光热能，可以通过液体如水储存，其温度可高于90℃但低于100℃，储存库可以是S-储存设备的库室1和2，也可以利用特定的C-存储设备储存热能。稍后请参见图1的S-存储设备和C-存储设备的说明。

步骤2：寒季时的二氧化碳加热。在寒冷时期如冬季，可把在步骤1中存储的热水从库室1中完全引导出来，加热二氧化碳。库室2中储存的热水，以及可能在C-储存设备中储存的热水都可以用于加热二氧化碳。当然也可以利用上面提到的其他类型的热能将二氧化碳温度提高到90℃左右。是否将二氧化碳加热到90℃以上或以下，要取决于各自的具体情况，例如，是否运用太阳能采热设备系统或使用锅炉设备燃烧二氧化碳中性燃料等。

步骤3:二氧化碳膨胀做功。例如在步骤2中加热后的二氧化碳新鲜流体被输送到热力发动机中膨胀做功，并将功传递至转轴带动发电机发电。

步骤4：冷凝二氧化碳气体或储存二氧化碳。在步骤3中膨胀做功后的二氧化碳流体的压力处在1至60巴之间。它们可被引进C-储存设备中储存，也可将它们引进冷凝设备中，通过各种类型的冷源将其液化，例如，水、尤其是水冰、冷空气、热力发动机的二氧化碳膨胀时产生的的冷能或二氧化碳蒸发时产生的冷能。储存在C-储存设备中的二氧化碳气体在寒冷时期如冬季可由寒冷空气将其再次液化。

步骤5：寒季时的二氧化碳液体储存。在寒冷时期如冬季，液化后的二氧化碳可储存在S-储存设备的库室1中，此时库室1在上述的步骤2中由于热水的流出用于加热二氧化碳已经处于清空状态。或者也可以像步骤2一样加热液化后的二氧化碳。

步骤6：寒季时的水冰储存。在步骤2中，库室2中的热水已经变冷，它可以随着冬季的寒冷逐渐固化成冰，并且必要时可以放进一部分液体水。由此库室2中可完全充满水冰，它包围着在步骤5中存储在库室1中的二氧化碳液体，并通过S-储存设备的库室3的隔热层与外界隔热(见图1)，因此二氧化碳液体就能在约15巴的低压条件下储存到即将到来的夏季。此外，水冰也可能存储在C-储存设备中，那里库室2中所存在的水在步骤2中也已经变冷，可以通过冬季寒冷固化成冰，在此可能还需要引入一些额外的水量。

步骤7:温暖时期的二氧化碳加热。在温暖时期如夏季，步骤5中存储的二氧化碳液体可从库室1排出，并由上述的各种不同类型的热能加热后，输送到二氧化碳发电厂的热力发动机。由此库室1就处于清空状态。

步骤8：温暖时期的水冰利用。在温暖时期如夏季，步骤6中存储的水冰可通过热交换器全部用于冷凝来自热力发动机的二氧化碳气体。这意味着，库室2中的融化水以及可能在C-储存设备中的融化水又可以吸收热量变成热水，例如超过90℃的热水，在此库室2和C-储存设备中必要时可加入一些新鲜热水，由此它们再次处于充满热水的状态。在步骤7中清空的库室1同样可在夏季时再次用于储存热水。这意味着步骤1可以再次开始。

在这里可以看到，从夏季到冬季，S-储存设备既能以水为工作介质储热，从冬季到夏季它又能以二氧化碳液体和水冰为工作介质储冷。在下面将叙述它的设计原理。

S-储存设备图1的说明

S-储存设备可以具有不同的形状，其中之一是圆柱型，此处假定该形状用于解释所有其他形状的构造原理。它有三个不同大小的圆柱体，它们以一定的间隔彼此嵌入。三个圆柱体分别具有一个顶板和一个地板或一个共同的顶板或一个共同的地板。在下文中，仅描述各自有各自的顶板和地板的情况，对于其他情况，可类似地进行描述。

最内侧的圆柱空间用在不同的时期内储存水和二氧化碳，例如，在冬季将二氧化碳液体存储到夏季，在夏季将热水存储到冬季。最里面的圆柱体称为圆柱体1，圆柱体1内的空间称为库室1，在其中在特定条件下可安装热交换器。圆柱体1可以由带有或不带有不锈钢衬里的钢筋混凝土组成。

下一个更大的圆柱体称为圆柱体2。圆柱体1和2之间的空间可在不同时期存储热水或水冰，例如在夏季将热水储存至冬季，在冬季将水冰储存至夏季。这个空间称为库室2，在其中可安装热交换器。

圆柱体2和下一个较大的称为圆柱体3的圆柱体之间的空间称为库室3，用于与外界隔热。它可装有隔热材料。为了满足对所需热阻([12]和[13])的要求，必须确定相应的它与外界的距离以及其中可能的隔热材料。在此可以参考季节性储热设备的构造数据。另外，三个库室1、2和3与S-储存设备的外部分别具有至少一个入口和出口，为清楚起见在图中它们未示出。同样未在图中示出的是，在三个库室中的圆柱体之间的以及和其他部件之间的支撑柱，以及它们的其他部件，例如，热交换器。

S-储存设备的工作过程可叙述如下：首先，在不限制一般性的前提下，S-储存设备假设为空，并且在夏季初开始运行。

过程1：库室1和2充满95℃左右的热水，然后关闭并隔冷。

过程2：在寒冷时期如冬天，将库室1中存储的热水完全流出，用于加热二氧化碳。库室2中的热水也可以通过库室2的热交换器用于二氧化碳加热。

过程3：在寒冷时期如冬天，可利用冬季的寒冷液化来自热力发动机或C-储存设备(请参阅下文有关C-储存设备的说明)中储存的二氧化碳气体。液化后的二氧化碳送入在过程2时已经变空的库室1，并且库室1充满后就封闭。另外库室2由于过程2也可能变空或留有融化的水分，通过冬季的寒冷空气和利用热交换器，库室2留有的水和可能新引入的水逐渐冻结成冰，或者也可以直接输入水冰。由此库室2装满了水冰。

过程4：在库室1或2充满二氧化碳液体或水冰后，关闭S-储存设备。然后，由于库室3中的隔热层，二氧化碳液体和水冰与外界隔热储存，它们现在的温度低于或等于负30℃。

过程5：在温暖时期如夏天，库室1中的二氧化碳液体完全流出并加热，库室2中的水冰可用于冷凝从热力发动机中流出的二氧化碳气体。由此库室1再次变空并返回到初始状态。库室2可能由于融化水的流出而变空，或者残留在库室2中的融化水也已经能够通过它的热交换器再次吸收热量。这样过程1又可重新开始。

C-储存设备的说明

C-储存设备是S-储存设备的一种变体，即，如果S-储存设备的圆柱1的直径设置为零，并且也可能只存在圆柱2和带有顶板和低板的库室2。

C-储存设备用于储存二氧化碳气体或水，在某些情况下也可以与外界热隔离。如果它的建造地点例如在沙漠地区，它就不应该具有隔热功能。但是，如果它与外界隔热适当，则可用于存储热水，水冰或二氧化碳液体。它的工作过程如下：首先，在不限制一般情况下，假设在夏季初C-储存设备中为空。

过程1：在温暖时期如夏季，人们用来自于热力发动机的、具有一定压力如6巴的二氧化碳流体充满C-储存设备，而后关闭C-储存设备。从夏季到冬季的空气温度会随着时间下降，如果C-储存设备中的压力下降，应自动再次充进二氧化碳流体。

过程2：在寒冷时期如冬季，将二氧化碳流体从C-储存设备中排出来，以便进行液化，例如，一些热力发动机的二氧化碳膨胀做功后的压力设置为超过16巴的压力水平，并且其相应的二氧化碳流体流过文丘里(Venturi)喷嘴，其中二氧化碳流体压力下降，由此C-储存设备的二氧化碳流体可通过一个管道被吸入，管道中可以安装风扇，以加速二氧化碳气体从C-储存设备发送到喷嘴或二氧化碳冷凝设备。

过程3：如果C-储存设备具有隔热层，则可在冬季用来储存水冰。

过程4：在夏季，将流程3中可能存储的水冰用于二氧化碳液化。由此融化的水可从C-储存设备中全部流出，以便再次准备储存二氧化碳气体。

如果C-储存设备具有隔热层，则它也可以在夏天用来储存热水，请参阅上述S-储存设备库室2中的储水过程。如果适当地将其与外部绝热以利储存二氧化碳液体，则也可以用于在寒冷时期如冬天存储二氧化碳液体，请参见上述的S-储存设备库室1的工作过程。

上述的所有C-或S-储存设备都可能以站立或躺着的方式建造，它们应配备合适的测量装置和安全阀。测量数据被传输到二氧化碳发电厂的中央监控系统。在电厂不同部件之间的各种管道的适当位置应安装适当的阀门，例如安全阀，止回阀，截止阀，减压阀，切换阀和双压阀以及其他类型的阀门([8])。然而，为了清楚起见，在本说明中的任何附图中均未标出它们。对于所有S-或C-储存设备单元，至少可以各编成一组。每组可以具有一个或两个收集管道，通过该收集管道将二氧化碳或水引入或引出各自的目标物体或源物体。目标物体或源物体可以是，例如，操作容器，热力发动机，储存设备，热交换器或二氧化碳发电厂中的任何相关部件。操作容器或储存设备中可能装备的热交换设备都按理存在并具有特定的热交换能力，为了清楚起见，图中也未标出它们。

二氧化碳发电厂图2的说明

负30摄氏度到正30摄氏度之间的自然热能或冷能应在二氧化碳发电厂的能量转换过程中得到的广泛利用。例如，用自然热将二氧化碳从负30℃加热到正30℃，从正20℃到负30℃的自然冷可以用来液化二氧化碳。在此，以水作为工作介质的热能储存库和冷能储存库可在不同季节之间传递冷能和热能起着重要作用。由于二氧化碳发电厂的储存能力，二氧化碳的加热和冷却过程能以温度分段进行，并且可以在不同的时期进行，直至达到操作容器或二氧化碳储存库所需的二氧化碳操作温度。

为了解释图2，可假设二氧化碳发电厂的运行在夏季初开始，并且所有S-储存设备都充满着温度为负30℃的二氧化碳液体或水冰，所有C-储存设备都充满着水冰或处于清空状态，以及热力发动机群组中的各个热力发动机都设计了合适的工作温度和压力。其工作方法的过程如下所示：

过程1：二氧化碳液体从S-储存设备的库室1中被引出，并可能流到蒸发温度设为例如负4℃的蒸发罐。蒸发时产生的冷能可用于液化器中液化二氧化碳气体，液化器可通过热交换器直接与蒸发罐连接。蒸发罐和液化器也可以是同一装置。但是，蒸发时所产生的冷能通常只能抵偿一部分二氧化碳气体在冷凝时产生的热量。图2所示的蒸发罐与液化器的组合只是一个示例；在二氧化碳发电厂中可以有多种这样的组合。

过程2：二氧化碳蒸发后引成的流体从蒸发罐中排出，并引导至图2中综合所标的操作容器群组的某个操作容器中。

过程3：另一部分二氧化碳液体也可从S-储存设备中排出，并引入到该组的某个操作容器中，该操作容器可以是方法2中提到的操作容器。如果将方法2中提到的二氧化碳蒸发后的流体与引入这一操作容器中的二氧化碳液体相混合，则必须注意与各自的操作压力和温度相对应的二氧化碳密度。在此刚从冷凝容器中液化的二氧化碳也可以引入该操作容器中。在操作容器中达到相应的二氧化碳密度后，将其关闭，并输出二氧化碳液体膨胀时可能产生的冷能，以备后用。然后，可继续加热该操作容器中的二氧化碳流体，直至达到所需的二氧化碳流体的操作状态为止。然后，加热后的二氧化碳高压射流将流进热力发动机群组的首头热力发动机并在那里膨胀做功。此外，来自S-储存设备的二氧化碳液体或刚从液化器中液化的二氧化碳也可以不必经过蒸发罐，而直接引至操作容器进行二氧化碳加热。

过程4：在热力发动机群组中可以有多台首头热力发动机，它们在群组中并行排列，从而可以提高通过该群组的二氧化碳流量。特别地，首头热力发动机可以是活塞发动机([9])，它除了做功还具有以下优点：可产生冷能，可利用二氧化碳的操作高压以及二氧化碳流体在膨胀做功前后的密度之比可灵活调节。在首头热力发动机之后，可与另一台热力发动机串联连接，并且可以在两个串联连接的热力发动机之间安装热交换器或加热锅炉，用以再次加热二氧化碳流体。串联连接能够通过中间加热，达到增加热力发动机群组的热焓差值。在此可以看出，热力发动机群组内的热力发动机的并联和串l联的连接方法可以灵活调节电厂的功率而达到电厂功率的动态控制。在图2中综合所标的热力发动机群组的热力发动机中膨胀做功之后释放的二氧化碳流体可在C-储存设备中存储，或者在液化器中液化，或者通过文丘里(Venturi)喷嘴([4])进入液化器。如图2所示，仅标出一个文丘里喷嘴与液化器连接的组合。事实上可能有多个这样的组合，或者多个液化器，这些液化器可直接接收从热力发动机膨胀做功后的二氧化碳流体，而没有进入文丘里喷嘴，为清楚起见，它们未在图2中标出。

过程5：在寒冷时期如冬季，从热力发动机中流出的一部分二氧化碳流体流经文丘里喷嘴4可以将储存在C-储存设备中保存的二氧化碳气体通过管道吸入到如图2所示的文丘里喷嘴4。如有需要在该管道中可安装风扇，将二氧化碳气体加速送到文丘里喷嘴后进入液化器，或者直接送到二氧化碳液化器。由此可以将其与从热力发动机中流出的二氧化碳流体一起，在负30℃以下的液化器中并在一定的压力水平如16巴进行液化。

过程6：从热力发动机流出的二氧化碳流体也可以流入液化器，并通过热交换器由二氧化碳液体蒸发时所产生的冷能进行冷却。液化器还可以安装其他热交换器，它们可连接到其他冷源。在夏季，冷源可以是多样的，例如冷水、在往复式发动机中产生的冷能或者储存在S-储存设备库室2中的水冰、以及可能储在C-储存设备的水冰。冷凝温度可以设置在某一合适的温度水平例如正4℃，水冰的融化焓可以部分抵偿二氧化碳气体冷凝时释放的热量。在冬天，冷源可以是冷水或冷空气。对于其它季节(秋季和春季)，可以类似的方式进行操作。

过程7：在寒冷时期如冬季，在S-储存设备和可能在C-储存设备储存的热水可以用于加热流向热力发动机的二氧化碳流体。因此由于热水的流出，S-储存设备库室1变空。

过程8：冬季液化的二氧化碳可以返回到S-储存设备的库室1，并在那里存储。隔热的C-储存设备和S-储存设备的库室2在冬天可以使用不同的方法重新装满水冰，例如其中的水可冻结成冰，或者在那里输入水冰。由此，S-和C-储存设备进入初始状态，过程1又可开始。

二氧化碳发电厂的实施模型

上面叙述了方法的工作过程，现在要叙述一个具有特定过程数据的二氧化碳发电厂。由于DSK的过程在低温范围内进行，因此必要时，通常可以使用所有标准技术设备。此处所述的低温范围处在负60℃至正150℃之间。该温度范围内的自然热能和冷能可通过DSK的属性如存储能力和离散性进行经济有效的能量转换。当具有更高强度和经济性的物质可使用时，当然也可以提高温度的区域上限150℃。当前，通常使用的大型透平机可承受约400巴同时约500℃。因此可见，相应的测量和控制仪器设备也可用于二氧化碳发电厂。如果运用廉价的阳光热能系统，或二氧化碳中性燃料的焚烧设备，则很容易达到150℃的二氧化碳温度。将哪个温度水平设置为操作温度，既取决于阳光热能利用的经济效率或二氧化碳中性燃料的燃烧热的经济性，也取决于使用已知材料制造新机器和仪器仪表等的获利能力。

在本实施模型的二氧化碳发电厂中，假设其电力输出能力为350kW，在不受通用性的限制条件下可作以下的假设:

a.二氧化碳发电厂具有由两个热力发动机组成的热力发动机群组，第一个作为首头热力发动机的是活塞式发动机，第二个是与活塞机串联的透平机。

b.活塞发动机的操作温度和压力设为90℃和1000巴，其膨胀做功后的温度和压力设为负4℃和31.303巴。因此，膨胀做功后的二氧化碳流体的密度为268.324千克/立方米，热焓差值为109.435kj/kg。热交换器直接连接到活塞发动机，以便将膨胀做功后的二氧化碳流体再次加热到90℃。从上面所提及的密度和现在的温度为90℃可以推出，二氧化碳流体的压力为118.126巴。然后将其引入透平机，使其膨胀做功。膨胀做功后的温度和压力设为4℃和38.688巴。其热焓差为42.863kj/kg。由于活塞式发动机和透平机是串联连接的，因此热力发动机群组的总热焓差值为152.298kj/kg。在假设的350kW的电功率和两个发动机假设平均效率为70％的前提下，二氧化碳流体的平均流量为每秒3.283千克。

c.电厂运行开始于夏季初。

d.所有S-储存设备库室1中充满着二氧化碳液体，库室2中充满着水冰，温度都为负零下30℃以下。

e.如果所有C-储存设备都有隔热，则它们充满着零下温度都为负零下30℃以下的水冰。否则，它们为空。

f.当地有水可利用。

g.容器或存储设备中都带有足够的热交换能力，例如操作容器或S-储存设备。

h.二氧化碳发电厂的所在地是中国的哈尔滨市地区。在冬季和夏季，那里的空气温度一年之内可达到负30℃以下和正30℃以上，此外，一年中每天的最低空气温度低于或等于0℃的情况大约有半年左右。

从上面的假设可推出，二氧化碳发电厂所需的S-和C-储存设备的存储容积，在此还尚未考虑将二氧化碳发电厂中产生的冷能用于二氧化碳液化的情况。

1)从已知的每秒3.283千克的二氧化碳流量以及六月，七月和八月的夏季时间可导出二氧化碳的总质量为26,096,.262千克，其中有25,892,194千克处于透平机膨胀后的气相状态中。对此应有24,231立方米的存储空间，才能在S-储存设备的库室1中储存这个总质量的二氧化碳，而且它的状态为负30℃和每立方米1077千克的密度。

2)为了在0℃下液化二氧化碳气体25,892,194千克，夏季需要5,515,963,102千焦耳的冷凝能量。由此推出三个月的平均制冷能力应该为712kW。可用的冷能主要是存在于存储的水冰中，与0℃时的二氧化碳冷凝的热焓差值为218.3kj/kg相比，其水冰融化的热焓差值333.5kj/kg要高得多。另外的冷源可以是，例如，活塞发动机中二氧化碳膨胀做功后的气体温度为负4℃作为冷源，以及二氧化碳液体在蒸发罐蒸发时产生的冷能，但这两种类型的冷能在此处计算相应的水冰存储量时尚未为加以考虑。因此，需要约15,287立方米的温度为负30℃的水冰，它们可以储在S-或C-储存设备中。

3)在一年中六个月的寒冷期中，将二氧化碳从5℃和1077千克/立方米的状态加热到90℃和1000bar的状态需要的热能为8,015,456,432kJ。因此，应该有大约22,723立方米的储存容量用于存储90℃的热水于S-或C-储存设备中。在此还没考虑其他类型的热源，例如太阳热或二氧化碳中性燃料(例如植物秸秆和木材)燃烧时产生的热量等。

上面是用于存储二氧化碳、水冰和热水的S-或C-储存设备的容积，由此，二氧化碳发电厂的离散可储性循环系统在这些指定的条件下就能够连续运行。如果将二氧化碳发电厂中产生的冷能用于液化二氧化碳，则还可以节省很大一部分存储容积。

在上述条件下，现在可考虑这一离散可储性循环系统的实施模型的经济效率。为此所需的投资成本主要是用在建设二氧化碳和水的储存设施，它带有相应的技术设备如热交换器。根据德国季节性储热库的建设成本数据以及中国钢筋混凝土和不锈钢薄板的价格，这些S-或C-储存设备建设的单位成本在中国可以设为平均每立方米200元人民币。因此，这里的投资费用约为739万元人民币。

从上设的350kW的电力输出中，每年可产生3,066,000度电(kWh)。目前中国的环保电价约为0.65元人民币。因此电年收入为199万元人民币。欧盟目前(2020年1月份)在证券交易所的二氧化碳排放价格约为每吨二氧化碳25欧元。中国正在建立类似的二氧化碳排放交易系统。估计价格为每吨150元人民币。在二氧化碳发电厂中投入使用26,096,262千克二氧化碳，可实现收入391万元人民币。因此，在二氧化碳发电厂投产的第一年，可获得总收益590万元人民币。在随后的生产年度中，每年可有199万元人民币的电力收入。相对于投资739万元人民币，这座发电厂是可以获利的。

评论：

1)二氧化碳发电厂的盈利能力取决于许多因素，例如二氧化碳发电厂的建设地点，当地的气候情况，可用的余热以及有可用的水和植物秸秆等。因此，必须在施工前根据当地情况进行具体的优化规划，以实现最大的收益率。

2)二氧化碳中性燃料：在冬季，自然界有很多冷能可用，但可用的热能要少得多。因此，二氧化碳中性燃料(例如植物秸秆，废木料和能源作物)的燃烧热可以成为二氧化碳加热的热源。通过从燃烧烟气中分离二氧化碳，并在二氧化碳发电厂中投入使用这些分离的二氧化碳，就可以迅速减少大气中的二氧化碳含量。例如，一公顷冬小麦种植可产生约10吨秸秆，秸秆燃烧后从烟气分离出约25吨二氧化碳，在二氧化碳发电厂中投入利用它，就相当于从大气中取出这些二氧化碳。

3)冷能的产生：在夏季，自然界有很多热能可用，但可用的冷能要少得多。但是，以二氧化碳作为工作介质的活塞式发动机工作时会产生大量的冷能，它可用来液化二氧化碳。但同时它们也会增加膨胀做功后的二氧化碳气体容积，要储存这些气体直至来临的冬季并使其液化，就可能会导致大量的土地用于C-储存设备的建设。如果有沙漠地区或类似的区域可利用，那将是极为有利的！

4)热力发动机如活塞发动机和透平机，它们以二氧化碳作为工作介质，并且相互之间可以串联或并联的方式连接，中间还可进行二氧化碳加热。串联连接可以增加热力发动机群组的二氧化碳热焓差值，而并联连接可以增加其二氧化碳的流量。另外，它们的二氧化碳流体射流可用阀门和开关等控制其二氧化碳流量，以提高它们适应季节性变化等条件的能力，例如：空气温度的变化。所有这些都要求二氧化碳发电厂有一个相应的中央监控系统。

5)通过在S-和C-储存设备中储存二氧化碳和自然界的冷和热，减轻了二氧化碳发电厂在不同季节对自然界冷热需求的依赖性。但是，如果在冬季有大量经济且环保的热量可供利用，那么在冬天就可以利用二氧化碳作为工作介质生产大量电能，电能又可用于生产某些储能能源，例如氢气。同理相反，如果在夏天有很多冷能可用于冷凝二氧化碳。此外，还可以发挥活塞发动机的许多优点：例如，它们可以在二氧化碳高压水平下工作，例如超过1000巴，还有，在二氧化碳膨胀做功前后的二氧化碳密度比值可很高，例如超过100，并且除了输出机械工外还会产生大量冷能。

6)现有的核电厂或燃煤电厂可以转换为二氧化碳发电厂，这是因为它们的几乎所有部件都可以重复使用。特别是在它们附近，一般有大量休耕地可以用来建设二氧化碳储存设施。而且那里几乎总有水源。还有在那里已经批准了建造高层和深层建筑的土木工程权利。顺便提一下，垃圾废物焚烧厂产生的烟气可用于分离二氧化碳，并将其投入运用于二氧化碳发电厂，从而更加改善周围地区的环境保护。

7)这里还应提到某些可能的投资成本，例如用于建设阳光热能系统，或锅炉设备用于燃烧二氧化碳中性燃料以及必要紧急时的化石燃料。在一个国家或地区调研了当地的相关市场价格后，人们就可以估算其投资成本，例如西门子热力发动机的每兆瓦平均价格，布德鲁斯(Buderus)的热交换器的每千瓦平均价格，或中国每立方米二氧化碳存储容器或操作容器的平均价格等。

8)如有必要，在夏季可投入运用由热能驱动的制冷机，例如以水和氨的混合物([11])作为工作介质的制冷机。是否使用这类机器仅取决于其使用的经济效率，而经济效率又取决于当地条件，例如天气条件等。

9)通过升高操作温度，例如从90℃升高到150℃，人们可以灵活扩大二氧化碳发电厂的发电功率和进一步提高其功率的动态调控灵活性。

10)二氧化碳蒸发时产生的冷能可用于冷凝二氧化碳气体，但由此仅可能冷凝一部分来自热力发动机中膨胀做功后的二氧化碳气体，这是因为二氧化碳蒸发程度与从设定的操作压力和温度得出的二氧化碳的操作密度直接冲突。空气温度越低，例如在冬天，可冷凝二氧化碳气体的分额数就会越高。

运用S-储存设备可大幅降低二氧化碳液体的储存压力并保持压力稳定；通过在S-或C-储存设备中用水进行冷和热的结合存储，可以在不同季节之间传递大量所需的热能和冷能；通过使用活塞发动机，二氧化碳的高压可被很好的利用，并且除了产电之外还能产生大量的冷能，并且几乎消除了二氧化碳的操作密度与释放密度之间的比值限制；通过使用二氧化碳蒸发时产生的冷能和文丘里喷嘴，可以进一步降低二氧化碳气体冷凝时的能耗；最后，在夏季等炎热季节投入使用制冷机设备可以减轻当地天气条件的限制。

通过联合运用德国专利号([4])DE102017003238 A1，本发明提供了一个经济有效的气候变化和能源短缺问题的解决方案。

参考符号列表

1-圆柱体1和库室1：用于存储不同季节的二氧化碳液体和热水
	2-圆柱体2和库室2：用于存储不同季节的水冰和热水
3-圆柱体3和库室3：用于外部隔热层
	4-Venturi-(文丘里)喷嘴

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Claims (10)

1.二氧化碳发电厂中的二氧化碳液化和储存方法，其特征在于，该方法是在包含以下三套设备的设备系统基础上实施进行的：

1.1S-储存设备，它由多个具有以下特征的S-储存单元组成：

1.1.1三个大小不同的容器，它们以一定的距离依次嵌入,它们具有圆柱形状，并且

1.1.2最里面的圆柱体称为圆柱体1，圆柱体1内的空间称为库室1,下一个更大的圆柱体称为圆柱体2，圆柱体1和2之间的空间称为库室2,最大的也是最靠外的圆柱体称为圆柱体3，圆柱体2和3之间的空间称为库室3，并且

1.1.3三个圆柱容器可以各自有自己的顶板和地板，也可以有共同的顶板或共同的地板,在共用的情况下，顶板或地板与外部是隔热的，以及

1.1.4库室1可用于把二氧化碳液体从寒冷时期如冬天储存到温暖时期如夏天，把热水从温暖时期如夏天储存到寒冷时期如冬天，以及

1.1.5库室2可用于把水冰从寒冷时期如冬天储存到温暖时期如夏天，把热水从温暖时期如夏天储存到寒冷时期如冬天，以及

1.1.6库室3用于对外部隔热，其中填满隔热物料,以及

1.1.7圆柱体1、2或3可由钢筋混凝土制成以及圆柱体1、2带有不锈钢衬里，并且

1.1.8库室1、2或3与外部至少有一个入口和出口，或者一个通道，该通道可以与外部双向切换，并且

1.1.9热交换器可以安装在库室1或库室2内，以便与外界进行热和冷的传递，并且

1.1.10在三个库室1、2和3中有测量和安全装置，例如，库室3内有湿度计，库室1和2内有压力计，温度计和安全阀；

1.2 C-储存设备，它由多个具有以下特征的C-储存单元组成：

1.2.1 C-储存单元是S-储存单元的一种变型，即S-储存设备的圆柱1的直径为零，它用于储存水和二氧化碳气体，以及

1.2.2如果C-储存单元没有库室3和相关的顶板和地板，则该C-储存单元可用于储存二氧化碳气体，例如有沙漠地可用于建造二氧化碳储存设备时，就可建造这一种C-储存单元或S-储存单元；

1.3二氧化碳发电厂设备，它具有以下特征：

1.3.1一组配有发电机的热力发动机，例如活塞发动机或透平机，它们之间以串联或并联的方式相互连接，并可在它们之间配置加热装置，例如用于加热氧化碳的热交换器或锅炉设备，以及

1.3.2一组容器，用于加热二氧化碳流体以利于二氧化碳在热力发动机中膨胀做功，或者用于混合不同的二氧化碳射流，或者用于临时储存二氧化碳，容器中可安装热交换器，并且它们可切换到各种不同的热源，以及

1.3.3至少一个二氧化碳蒸发设备，二氧化碳液体可从S-储存设备的库室1引出到二氧化碳蒸发设备蒸发，蒸发时产生的冷能可通过热交换器用于冷凝二氧化碳气体，以及

1.3.4一个或多个二氧化碳液化设备，来自热力发动机的一部分膨胀做功后的二氧化碳流体可以引向二氧化碳液化设备进行液化，液化所需的冷却能量在温暖时期如夏天可来自于所储存的水冰，在寒冷时期如冬天则利用冷空气，液化后的二氧化碳可输送到二氧化碳容器组的容器内或S-储存设备的库室1中储存，以及

1.3.5一个或多个特定的的文丘里(Venturi)喷嘴4，来自热力发动机的一部分膨胀做功后的二氧化碳流体流经该喷嘴，以便通过管道吸入储在C-储存设备中的二氧化碳气体,在寒冷时期，可利用冬季的寒冷液化二氧化碳气体，然后可将液化的二氧化碳储到S-储存设备的库室1中，以及

1.3.6一组用于液化二氧化碳气体的二氧化碳液化器和容器，液化二氧化碳气体所需的冷源，除了在温暖时期如夏天所述的已储存的水冰外，例如还可以是二氧化碳蒸发时所产生的冷能，二氧化碳膨胀做功时所产生的冷能，活塞发动机或制冷机所产生的冷能，低温河水或其他自然冷源，以及

1.3.7一组特定的锅炉设备，用于燃烧二氧化碳中性燃料，例如植物秸秆和废木料，所产生的热能，例如在冬天可用于加热流向热力发动机入口的二氧化碳流体，以及

1.3.8各种管道，用于连接二氧化碳发电厂的不同部件，例如，各种容器、储存设备、热交换机和热力发动机，而且管道配备合适的阀门和测量装置，例如，流量计、压力表、温度计、截止阀、止回阀和减压阀，以及

1.3.9一个中央监控系统，在它调控下的部件可以是阀门、热交换设备、测量和控制设备以及其他可控设备和仪器，由此人们可灵活调控S-或C-储存设备中的二氧化碳储存量，热力发动机组的功率水平，或者二氧化碳发电厂的其它部件的属性，以能灵活适应外部条件的变化，例如持续变化的天气状况和电力需求的变化；

有了这一设备系统，人们就可有效地叙述以下的方法,

1.4除了余热、地热、阳光热或其他自然热外，用于二氧化碳加热的还可有储存在S-储存设备中的，以及储存在特定的C-储存设备中的热水热能，还可在寒冷时期如冬天时燃烧二氧化碳中性燃料如植物秸秆和废木料所产生的热能，并且

1.5除了从河水、深层土壤、深海水或其他自然冷却物中产生的自然冷能以外，用于二氧化碳气体冷却的冷源还可有储存在S-储存设备中的以及特定的C-储存设备中的水冰，水冰可用在温暖时期如夏季，此外还可有二氧化碳液体在蒸发罐中蒸发时所产生的冷能，透平机中的二氧化碳流体膨胀做功时所产生的冷能，活塞式发动机做功时所产生的冷能，以及在制冷机器或其他机器中所产生的冷能也可用于冷却二氧化碳气体，并且

1.6储存二氧化碳气体可利用C-储存设备，二氧化碳气体可来自于一些热力发动机中膨胀做功后的二氧化碳气体，例如，在温暖时期如夏季C-储存设备接收一部分二氧化碳气体，然后将其储存，直至寒冷时期如冬季再将其液化，液化后的二氧化碳可以储到S-储存设备的库室1中，并且

1.7储存二氧化碳液体可利用S-储存设备，二氧化碳液体可来自于在寒冷时期如冬季所液化的二氧化碳气体，由于S-储存设备库室3的隔热层能使二氧化碳液体与外界隔热，故二氧化碳液体能处于低压并保持其稳定状态而储存到温暖时期如夏天，并且

1.8以热水或水冰作为工作介质用于热或冷的传递，人们可利用S-储存设备，以及特定的C-储存设备，它们在热能或冷能的储存中起着重要作用，例如从夏季到冬季储存热，或者从冬季到夏季储存冷，由此分别在冬季或夏季用于加热或冷却二氧化碳。

2.根据权利要求1所述的方法，权利要求2的特征在于，可以按照以下2.1到2.4的顺序储存或利用二氧化碳液体：

2.1在寒冷时期如冬季，S-储存设备的库室1中可充满二氧化碳液体，并在S-储存设备的库室2中储满水冰，并通过S-储存设备的库室3中的隔热层使水冰与外界隔热，因此，人们可以在低压下以稳定的方式储存二氧化碳液体直至温暖时期如夏天，并且

2.2在温暖时期如夏季，将在步骤2.1中储存的二氧化碳液体引出库室1并引入操作容器组的某个容器内或者引入二氧化碳发电厂的某个蒸发罐中进行加热蒸发，在蒸发罐中产生的冷能可用于冷凝一部分来自于在热力发动机中膨胀做功后的二氧化碳气体，同时可通过热交换器利用库室2中的水冰冷凝二氧化碳气体，最后库室1被清空，库室2中的水冰完全融化，并且

2.3在温暖时期如夏季，在步骤2.2中已变空的库室1可用于储存热水，如95℃的热水，库室2中已融化的水可通过热交换器加热，例如加热到95℃并储存，并且

2.4在寒冷时期如冬季，在库室1中通过步骤2.3储存的热水可被引出到热交换器用于加热二氧化碳，库室2中的热水也可通过热交换器用于二氧化碳加热，最后库室1被排空，库室2中的热水变冷。由此步骤2.1可再次开始，并且

2.5如果将S-储存设备的库室3中的隔热层设计成具有足够大的热阻，则可以将S-储存设备的库室2的容积和圆柱体2设置为零，由此上述的关于在库室1中储存和利用二氧化碳液体和热水的步骤，即步骤2.1到2.4同样可运用到这一种S-储存设备。

3.根据权利要求1所述的方法，权利要求3的特征在于，可以按照以下3.1到3.4的顺序储存或利用水冰：

3.1在寒冷时期如冬季，通过不同的方法在S-储存设备的库室2中储满水冰，例如通过运输水冰，或者冻结在S-储存设备库室2中已经存在的或仍要注入的液体水，水冰由于库室3中的隔热层与外部隔热，故可以保存，同时这一步骤要注意上述的在S-储存设备库室1中的二氧化碳液体储存步骤2.1，并且

3.2在温暖时期如夏季，通过充分利用步骤3.1中储存的水冰，由热交换器利用水冰的融化热焓差值冷凝一部分来自在热力发动机中膨胀做功后的二氧化碳气体。同时这一步骤要注意上述的在S-储存设备库室1中的二氧化碳液体利用步骤2.2，并且

3.3在温暖时期如夏季，库室2中的在步骤3.2中融化的水可以通过热交换器加热变成热水，如95℃的热水，并可能还要注入一定量的热水，例如95℃的热水，同时这一步骤要注意上述的在S-储存设备库室1中的热水储存步骤2.3，并且

3.4在寒冷时期如冬季，库室2中的在步骤3.3储存的热水可通过热交换器用于加热流向热力发动机入口的二氧化碳流体。同时这一步骤要注意上述的在S-储存设备库室1中的热水利用步骤2.4，由此步骤3.1可再次开始，并且

3.5如果将S-储存设备的圆柱1的直径设置为零，即将S-储存设备变为C-储存设备，则以上所述的关于在S-储存设备的库室2中储存和利用水冰和热水的步骤，即3.1到3.4的步骤同样可运用到这一种S-储存设备，另外，如果C-储存设备的库室3也设置为零，则可在温暖时期如夏季用它储存二氧化碳气体，在寒冷时期如冬季再液化所储存的二氧化碳气体。

4.根据权利要求1所述的方法，权利要求4的特征在于，在S-储存设备的库室1中储存的二氧化碳液体可以通过在蒸发罐中蒸发而用于制冷，该蒸发罐可连接一个二氧化碳气体液化器，使二氧化碳液体蒸发时产生的冷能用于冷凝液化器中的二氧化碳气体，它可以是来自热力发动机中一部分膨胀做功后的二氧化碳气体，蒸发罐和液化器也可以是同一个热交换装置。

5.根据权利要求1所述的方法，权利要求5的特征在于，二氧化碳发电厂的活塞发动机中的二氧化碳由于压力降低而产生的冷能可通过热交换器用于液化从电厂其余的热力发动机中膨胀做功后的二氧化碳气体。

6.根据权利要求1所述的方法，权利要求6的特征在于，二氧化碳发电厂的热力发动机组的某个子组中的二氧化碳由于膨胀做功所产生的冷能可通过热交换器用于液化从电厂其余的热力发动机中膨胀做功后的二氧化碳气体。

7.根据权利要求1所述的方法，权利要求7的特征在于，为了液化二氧化碳气体，制冷机，例如使用水和氨的混合物作为工作介质的制冷机，可在温暖时期如夏季由例如阳光热能驱动制冷。

8.根据权利要求1所述的方法，权利要求8的特征在于，文丘里(Venturi)喷嘴4的最窄点通过管道连接到C-储存设备，一部分在热力发动机中膨胀做功后的二氧化碳流体流过文丘里喷嘴4，由此从C-储存设备中吸入二氧化碳气体，以降低二氧化碳气体在液化器中液化所需的能耗。同时可以在管道中安装风扇，它可以将二氧化碳气体从C-储存设备传输到喷嘴或液化器。

9.根据权利要求1到8所述的方法，权利要求9的特征在于，如果执行以下的措施，则可以将核电厂或煤电厂转换为二氧化碳发电厂，

9.1在该处设置燃烧二氧化碳中性燃料例如植物秸秆和废木料的锅炉设备，用于加热二氧化碳，在紧急情况时也可燃烧煤，

9.2在该处设置从烟气中分离二氧化碳的设施，烟气可以是在第9.1点中提到的由于燃烧而产生的烟气，分离的二氧化碳可投入到二氧化碳发电厂，

9.3将其周围的休耕地和已批准的高层和深层的土木工程建设权利用于建造S-和C-储存设备以及建造二氧化碳容器，

9.4在那里建造新的二氧化碳冷凝设施，

9.5将其已批准的用水权用于以水作为工作介质的冷热传递，用于加热或冷却二氧化碳，

9.6其可能已在的冷却塔可用于冷却二氧化碳，

9.7其热力发动机仍可继续用于热功转换，即使它们相对于二氧化碳专用的热力发动机在相同的二氧化碳入口和出口压力和温度条件下会具有低值的热功效率，在此二氧化碳代替水作为工作介质，并且二氧化碳设有适当的压力和温度，

9.8其现有的电气系统，压力容器，测量设备，监视和控制系统及其类似的现有部件都可作相应的改装而继续使用。

10.一种用于液化和储存二氧化碳的并且把二氧化碳作为工作介质和能量载体进行能量转化的设备系统，其特征在于，所述的设备系统是权利要求1-9任一项所述的方法所需的设备系统，以便运用权利要求1-9任一项所述的方法生产电能。

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