CN116086132A - 耦合lng冷能与可再生能源的储能系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统及其使用方法，其中，储能系统包括冷能制备系统，用于产生冷能，以提供给氮气制备系统和液氨制备系统；氮气制备系统，用于制备氮气；氢气制备系统，用于制备氢气并与氮气制备系统制备的氮气进入液氨制备系统混合并反应；液氨制备系统，用于产生液氨产品。本发明能够实现绿电、液氧、液氮、高纯绿氢及绿氨的多联产及LNG接收站零碳化。

Description

耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及可再生能源储能及LNG冷能技术领域，具体是关于一种耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统及其使用方法。
背景技术
为进一步减少LNG接收站全周期二氧化碳碳排，接收站用电将逐步用可再生能源电力替代，为匹配可再生能源电力波动特性，需进行大规模长周期储能。高温固体氧化物电解池技术相比于碱性电解池及质子交换膜电解池具备更高的能源利用效率，且能耗较低，不仅可以充当电力、燃气和热力网络之间的纽带，其高温产物可直接与现代化工协同生产高附加值化学品。
LNG发电作为一种重要的电网调峰手段，需要气化后再利用燃气轮机发电，然而传统的储能系统在有大量碳排放的同时LNG冷能也未能得到充分利用。同时，氨作为世界上生产及应用最广泛的化学品之一，现阶段合成氨工艺伴随巨大碳排放，在碳减排大环境下，基于化石燃料的传统合成氨工业将很难持续。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统及其使用方法，能够实现绿电、液氧、液氮、高纯绿氢及绿氨的多联产及LNG接收站零碳化。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明所述的耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统，包括：冷能制备系统，用于产生冷能，以提供给氮气制备系统和液氨制备系统；氮气制备系统，用于制备氮气；氢气制备系统，用于制备氢气并与氮气制备系统制备的氮气进入液氨制备系统混合并反应；液氨制备系统，用于基于氮气和氢气产生液氨产品。
所述的储能系统，优选地，所述冷能制备系统包括：依次连接的电力处理系统、LNG储罐、LNG泵以及梯级冷箱；所述电力处理系统用于将一部分可再生能源电力转换成稳定交流电，所述稳定交流电用于为LNG储罐供电，将另一部可再生能源电力转换成直流电，所述直流电用于为氢气制备系统中的高温固体氧化物电解池供电；所述LNG储罐用于储存LNG；所述LNG泵用于对LNG储罐中的LNG进行增压，增压后的LNG进入梯级冷箱内；所述梯级冷箱用于将LNG转换为天然气并产生冷能，第一部分所述冷能用于提供给氮气制备系统中的空气分离装置，第二部分所述冷能用于提供给液氨制备系统中的氨气提纯液化装置，第三部分所述冷能用于在可再生能源电力不足的情况下，驱动透平膨胀机带动发电机发电并补充电力给电力处理系统。
所述的储能系统，优选地，所述氮气制备系统包括：依次连接的空气分离装置和液氮气化器；所述空气分离装置用于接收冷能和空气，并将空气在冷能的作用下分离成液氮和液氧产品，一部分液氮通入液氮气化器中，另一部分液氮通过液氮储罐储存起来；所述液氮气化器用于将通入其中的液氮转换为氮气，所述氮气用于通入液氨制备系统中的换热系统中。
所述的储能系统，优选地，所述氢气制备系统包括水泵、蒸汽发生器、空气压缩机、高温固体氧化物电解池热管理系统以及高温固体氧化物电解池；所述水泵用于对水进行加压，并将水输送至蒸汽发生器中；所述蒸汽发生器用于对进入其内部的水进行汽化形成水蒸气，并将水蒸气通入高温固体氧化物电解池热管理系统；所述空气压缩机用于对空气进行加压，并将空气输送至高温固体氧化物电解池热管理系统；所述高温固体氧化物电解池热管理系统用于接收水蒸气并对其进行升温形成高温水蒸气，以及用于接收空气并对其进行升温形成高温空气；所述高温固体氧化物电解池用于接收高温水蒸气和高温空气，并使高温水蒸气在其内部进行还原反应生成氢气和氧离子，其中氧离子通过高温固体氧化物电解池内的固体电解质在阳极侧发生氧化反应生成氧气；所述氢气从高温固体氧化物电解池的阴极出口输出后，一部分用于通入液氨制备系统中的换热系统中，另一部分氢气通过氢气储罐储存起来；所述氧气与高温空气从高温固体氧化物电解池的阳极输出后返回至高温固体氧化物电解池热管理系统。
所述的储能系统，优选地，所述液氨制备系统包括：依次连接的换热系统、混合器、压缩机、合成氨模块以及氨气提纯液化装置；所述换热系统用于接收氮气和氢气，并在其内部使得两者进行换热后通入混合器中；所述混合器用于接收换热后的氮气和氢气并在其内部进行充分混合形成混合气体；所述压缩机用于将混合气体加压并输送至合成氨模块；所述合成氨模块用于接收混合气体并合成氨气；所述氨气提纯液化装置用于接收氨气并进行提纯和液化，形成液氨产品。
本发明所述的耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统的使用方法，包括如下步骤：
可再生能源电力经电力处理系统形成稳定交流电后为LNG储罐供电，可再生能源富余电力通过电力处理系统形成直流电后为高温固体氧化物电解池供电制氢储能；
LNG储罐内的LNG通过LNG泵加压后输送至梯级冷箱，并在梯级冷箱内将LNG转换为天然气并产生冷能，第一部分所述冷能用于提供给氮气制备系统中的空气分离装置，第二部分所述冷能用于提供给液氨制备系统中的氨气提纯液化装置；
水在经过水泵加压后进入蒸汽发生器后汽化，并进入高温固体氧化物电解池热管理系统进一步升温后进入高温固体氧化物电解池的阴极，发生还原反应生成氢气及氧离子，氧离子通过固体电解质在阳极侧发生氧化反应生成氧气；高温固体氧化物电解产生氢气，一部分氢气进入换热系统中，富余氢气进入氢气储罐储存；
空气经过空气压缩机加压后进入高温固体氧化物电解池热管理系统升温后进入高温固体氧化物电解池的阳极，与生成的氧气产物从阳极侧输出回流至高温固体氧化物电解池热管理系统提供热量后排空；
由空气分离装置产生的液氮经过液氮气化器气化后，与高温固体氧化物电解池阴极出口的高温氢气换热后，共同进入混合器混合后，经压缩机加压至1-10MPa,进入合成氨模块；
合成氨模块合成氨气的产品气，产品气进入氨气提纯液化装置后液化为液氨，液氨可以直接外输或为接收站码头船舶提供绿氨燃料。
所述的使用方法，优选地，在可再生能源电力不足的情况下，第三部分所述冷能驱动透平膨胀机带动发电机发电并补充电力给电力处理系统。
所述的使用方法，优选地，水经过蒸汽发生器汽化后形成水蒸气，水蒸气在蒸汽发生器出口的温度为120℃-200℃，过热水蒸气在高温固体氧化物电解池热管理系统进一步升温至600-850℃；空气进入高温固体氧化物电解池热管理系统升温至600-850℃。
所述的使用方法，优选地，空气分离装置产生的液氮经过液氮气化器气化后，与高温固体氧化物电解池阴极出口的高温氢气换热后的温度为400-500℃。
所述的使用方法，优选地，合成氨模块的反应温度约为400-500℃，采用钌系催化剂，反应压力约为1-10Mpa。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本发明实现了LNG冷能及可再生能源耦合，通过梯级冷箱将LNG冷能进行充分利用，通过冷能发电形式补充可再生能源波谷期电力，同时将冷能空气分离产物液氮及高温固体氧化物电解池产物绿氢作为合成氨过程中的原料，并利用低位冷能对合成氨产物进行提纯液化，方便下游运输及利用，本储能系统在提高整体能量利用率的同时，可实现绿电、液氧、液氮、高纯绿氢及绿氨的多联产，且整体不会产生碳排放，实现了LNG接收站零碳化。
(2)本发明所述的储能系统可根据实际电力输出及负荷情况，通过调节高温固体氧化物电解池负荷，合成氨模块负荷及冷能空分装置负荷调整系统产品结构，整体具有较高灵活性。
(3)本发明所述的储能系统充分利用了高温固体氧化物电解池及合成氨模块热能，实现系统热量动态平衡，提升了系统整体能量利用率。
(4)本发明所述的储能系统主要产物之一绿氨作为燃料体积能量密度高，且不产生污染物，便于大规模储存及长距离运输，适用于船舶等长距离且燃料储存空间受限的交通工具，适合以LNG贸易为代表的国际能源贸易。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明所述的储能系统的结构示意图。
附图中各标记表示如下：
1-电力处理系统；2-LNG储罐；3-LNG泵；4-梯级冷箱；5-空气分离装置；6-液氮气化器；7-换热系统；8-混合器；9-压缩机；10-合成氨模块；11-氨气提纯液化装置；12-水泵；13-蒸汽发生器；14-空气压缩机；15-高温固体氧化物电解池热管理系统；16-高温固体氧化物电解池。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统，利用可再生能源电力通过高温固体氧化物电解池制氢储能，同时将冷能进行梯级利用，通过冷能发电进行电网调峰，冷能空气分离产生的氮气与电解池产生的高温氢气合成绿氨，并利用富余LNG低位冷能将绿氨液化方便运输外供或接收站码头船舶氨燃料加注，该储能系统最终可实现绿电、液氧、液氮、高纯绿氢及绿氨的多联产及LNG接收站零碳化。
如图1所示，本发明提供的耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统，包括：冷能制备系统，用于产生冷能，以提供给氮气制备系统和液氨制备系统；氮气制备系统，用于制备氮气；氢气制备系统，用于制备氢气并与氮气制备系统制备的氮气进入液氨制备系统混合并反应；液氨制备系统，用于基于氮气和氢气产生液氨产品。
在上述实施例中，优选地，所述冷能制备系统包括依次连接的电力处理系统1、LNG储罐2、LNG泵3以及梯级冷箱4；电力处理系统1用于将可再生能源电力转换成稳定交流电，一部分稳定交流电用于为包括LNG储罐2在内的LNG接收站设施供电，另一部分稳定交流电用于为氢气制备系统中的高温固体氧化物电解池16供电；LNG储罐2用于储存LNG；LNG泵3用于对LNG储罐2中的LNG进行增压，增压后的LNG进入梯级冷箱4内；梯级冷箱4用于将LNG转换为天然气并产生冷能，第一部分冷能用于提供给氮气制备系统中的空气分离装置5，第二部分冷能用于提供给液氨制备系统中的氨气提纯液化装置11，第三部分冷能用于在可再生能源电力不足的情况下，驱动透平膨胀机带动发电机(图中未示出)发电并补充电力给电力处理系统1。
在上述实施例中，优选地，氮气制备系统包括依次连接的空气分离装置5和液氮气化器6；空气分离装置5用于接收冷能和空气，并将空气在冷能的作用下分离成液氮和液氧产品，一部分液氮通入液氮气化器6中，另一部分液氮通过液氮储罐储存起来；液氮气化器6用于将通入其中的液氮转换为氮气，所述氮气用于通入液氨制备系统中的换热系统7中。
在上述实施例中，优选地，氢气制备系统包括水泵12、蒸汽发生器13、空气压缩机14、高温固体氧化物电解池热管理系统15以及高温固体氧化物电解池16；水泵12用于对水进行加压，并将水输送至蒸汽发生器13中；蒸汽发生器13用于对进入其内部的水进行汽化形成水蒸气，并将水蒸气通入高温固体氧化物电解池热管理系统15；空气压缩机14用于对空气进行加压，并将空气输送至高温固体氧化物电解池热管理系统15；高温固体氧化物电解池热管理系统15用于接收水蒸气并对其进行升温形成高温水蒸气，以及用于接收空气并对其进行升温形成高温空气；高温固体氧化物电解池16用于接收高温水蒸气和高温空气，并使高温水蒸气在其内部进行还原反应生成氢气和氧离子，其中氧离子通过高温固体氧化物电解池内的固体电解质在阳极侧发生氧化反应生成氧气；氢气从高温固体氧化物电解池的阴极出口输出后，一部分用于通入液氨制备系统中的换热系统7中，另一部分氢气通过氢气储罐储存起来，在需要的时候，可以调用储存的氢气；氧气与高温空气从高温固体氧化物电解池的阳极输出后返回至高温固体氧化物电解池热管理系统15。
在上述实施例中，优选地，液氨制备系统包括依次连接的换热系统7、混合器8、压缩机9、合成氨模块10以及氨气提纯液化装置11；换热系统7用于接收氮气和氢气，并在其内部使得两者进行换热后通入混合器8中；混合器8用于接收换热后的氮气和氢气并在其内部进行充分混合形成混合气体；压缩机9用于将混合气体加压并输送至合成氨模块10；合成氨模块10用于接收混合气体并合成氨气；氨气提纯液化装置11用于接收氨气并进行提纯和液化，形成液氨产品。
本发明还提供一种耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统的使用方法，包括如下步骤：
可再生能源电力经电力处理系统1形成稳定交流电后为LNG储罐2供电，由于可再生能源发电波动性，需要匹配有效的削峰填谷手段，可再生能源富余电力通过电力处理系统1形成直流电后为2MW高温固体氧化物电解池16供电制氢储能；
LNG储罐2内的LNG通过LNG泵3加压后输送至梯级冷箱4，并在梯级冷箱4内将LNG转换为天然气并产生冷能，第一部分所述冷能用于提供给氮气制备系统中的空气分离装置5，第二部分所述冷能用于提供给液氨制备系统中的氨气提纯液化装置11；
水在经过水泵12加压后进入蒸汽发生器13后汽化，蒸汽发生器13出口温度为120-200℃，并进入高温固体氧化物电解池热管理系统15进一步升温至600-850℃后进入高温固体氧化物电解池16的阴极，发生还原反应生成氢气及氧离子，氧离子通过固体电解质在阳极侧发生氧化反应生成氧气；高温固体氧化物电解产生氢气，一部分氢气进入换热系统中，富余氢气进入氢气储罐储存；其中，高温固体氧化物电解池16满负荷产氢率约为750Nm3/h，电解能耗3-4kWh/Nm3，电解效率为65-85％，富余氢气进入氢气储罐储存；
空气经过空气压缩机14加压后进入高温固体氧化物电解池热管理系统15升温至600-850℃后进入高温固体氧化物电解池16的阳极，与生成的氧气产物从阳极侧输出回流至高温固体氧化物电解池热管理系统15提供热量后排空，其中，排空气温度为80-120℃；
由空气分离装置5产生的液氮经过液氮气化器6气化后，与高温固体氧化物电解池16阴极出口的高温氢气换热后，共同进入混合器8混合后，经压缩机9加压至1-10MPa,进入合成氨模块10；
合成氨模块10合成氨气的产品气，产品气进入氨气提纯液化装置11后液化为液氨，液氨可以直接外输或为接收站码头船舶提供绿氨燃料。其中，合成氨模块的反应温度约为400-500℃，采用钌系催化剂，反应压力约为1-10Mpa，梯级冷箱4为氨气提纯液化装置11提供低位冷能，合成氨模块放出热量为电堆热管理系统15供热。
在上述实施例中，优选地，在可再生能源电力不足的情况下，第三部分冷能驱动透平膨胀机带动发电机发电并补充电力给电力处理系统。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统，其特征在于，包括：
冷能制备系统，用于产生冷能，以提供给氮气制备系统和液氨制备系统；
氮气制备系统，用于制备氮气；
氢气制备系统，用于制备氢气并与氮气制备系统制备的氮气进入液氨制备系统混合并反应；
液氨制备系统，用于基于氮气和氢气产生液氨产品。
2.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述冷能制备系统包括：依次连接的电力处理系统、LNG储罐、LNG泵以及梯级冷箱；
所述电力处理系统用于将一部分可再生能源电力转换成稳定交流电，所述稳定交流电用于为LNG储罐供电，将另一部可再生能源电力转换成直流电，所述直流电用于为氢气制备系统中的高温固体氧化物电解池供电；
所述LNG储罐用于储存LNG；
所述LNG泵用于对LNG储罐中的LNG进行增压，增压后的LNG进入梯级冷箱内；
所述梯级冷箱用于将LNG转换为天然气并产生冷能，第一部分所述冷能用于提供给氮气制备系统中的空气分离装置，第二部分所述冷能用于提供给液氨制备系统中的氨气提纯液化装置，第三部分所述冷能用于在可再生能源电力不足的情况下，驱动透平膨胀机带动发电机发电并补充电力给电力处理系统。
3.根据权利要求2所述的储能系统，其特征在于，所述氮气制备系统包括：依次连接的空气分离装置和液氮气化器；
所述空气分离装置用于接收冷能和空气，并将空气在冷能的作用下分离成液氮和液氧产品，一部分液氮通入液氮气化器中，另一部分液氮通过液氮储罐储存起来；
所述液氮气化器用于将通入其中的液氮转换为氮气，所述氮气用于通入液氨制备系统中的换热系统中。
4.根据权利要求3所述的储能系统，其特征在于，所述氢气制备系统包括水泵、蒸汽发生器、空气压缩机、高温固体氧化物电解池热管理系统以及高温固体氧化物电解池；
所述水泵用于对水进行加压，并将水输送至蒸汽发生器中；
所述蒸汽发生器用于对进入其内部的水进行汽化形成水蒸气，并将水蒸气通入高温固体氧化物电解池热管理系统；
所述空气压缩机用于对空气进行加压，并将空气输送至高温固体氧化物电解池热管理系统；
所述高温固体氧化物电解池热管理系统用于接收水蒸气并对其进行升温形成高温水蒸气，以及用于接收空气并对其进行升温形成高温空气；
所述高温固体氧化物电解池用于接收高温水蒸气和高温空气，并使高温水蒸气在其内部进行还原反应生成氢气和氧离子，其中氧离子通过高温固体氧化物电解池内的固体电解质在阳极侧发生氧化反应生成氧气；
所述氢气从高温固体氧化物电解池的阴极出口输出后，一部分用于通入液氨制备系统中的换热系统中，另一部分氢气通过氢气储罐储存起来；
所述氧气与高温空气从高温固体氧化物电解池的阳极输出后返回至高温固体氧化物电解池热管理系统。
5.根据权利要求4所述的储能系统，其特征在于，所述液氨制备系统包括：依次连接的换热系统、混合器、压缩机、合成氨模块以及氨气提纯液化装置；
所述换热系统用于接收氮气和氢气，并在其内部使得两者进行换热后通入混合器中；
所述混合器用于接收换热后的氮气和氢气并在其内部进行充分混合形成混合气体；
所述压缩机用于将混合气体加压并输送至合成氨模块；
所述合成氨模块用于接收混合气体并合成氨气；
所述氨气提纯液化装置用于接收氨气并进行提纯和液化，形成液氨产品。
6.一种基于权利要求5所述的耦合LNG冷能与可再生能源的储能系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
可再生能源电力经电力处理系统形成稳定交流电后为LNG储罐供电，可再生能源富余电力通过电力处理系统形成直流电后为高温固体氧化物电解池供电制氢储能；
LNG储罐内的LNG通过LNG泵加压后输送至梯级冷箱，并在梯级冷箱内将LNG转换为天然气并产生冷能，第一部分所述冷能用于提供给氮气制备系统中的空气分离装置，第二部分所述冷能用于提供给液氨制备系统中的氨气提纯液化装置；
水在经过水泵加压后进入蒸汽发生器后汽化，并进入高温固体氧化物电解池热管理系统进一步升温后进入高温固体氧化物电解池的阴极，发生还原反应生成氢气及氧离子，氧离子通过固体电解质在阳极侧发生氧化反应生成氧气；高温固体氧化物电解产生氢气，一部分氢气进入换热系统中，富余氢气进入氢气储罐储存；
空气经过空气压缩机加压后进入高温固体氧化物电解池热管理系统升温后进入高温固体氧化物电解池的阳极，与生成的氧气产物从阳极侧输出回流至高温固体氧化物电解池热管理系统提供热量后排空；
由空气分离装置产生的液氮经过液氮气化器气化后，与高温固体氧化物电解池阴极出口的高温氢气换热后，共同进入混合器混合后，经压缩机加压至1-10MPa,进入合成氨模块；
合成氨模块合成氨气的产品气，产品气进入氨气提纯液化装置后液化为液氨，液氨可以直接外输或为接收站码头船舶提供绿氨燃料。
7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，在可再生能源电力不足的情况下，第三部分所述冷能驱动透平膨胀机带动发电机发电并补充电力给电力处理系统。
8.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，水经过蒸汽发生器汽化后形成水蒸气，水蒸气在蒸汽发生器出口的温度为120℃-200℃，过热水蒸气在高温固体氧化物电解池热管理系统进一步升温至600-850℃；
空气进入高温固体氧化物电解池热管理系统升温至600-850℃。
9.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，空气分离装置产生的液氮经过液氮气化器气化后，与高温固体氧化物电解池阴极出口的高温氢气换热后的温度为400-500℃。
10.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，合成氨模块的反应温度约为400-500℃，采用钌系催化剂，反应压力约为1-10Mpa。
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