CN116221028A - 一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，包括依次相连的海上风光发电系统、海上氨氢制能系统、海上运输系统、陆上集中储能及分销系统和陆上综合利用系统；海上风光发电系统用于发电，海上风光发电系统产生的电力通过电缆输送至海上氨氢制能系统；海上氨氢制能系统用于制备氨气并对制备的氨气进行液化存储；海上运输系统用于接收海上氨氢制能系统中存储的液氨，且将液氨运输至陆上集中储能及分销系统；陆上集中储能及分销系统用于将液氨分输至下游用户端；陆上综合利用系统用于在下游用户端进行能源利用。本发明提出以氨为氢载体的零碳能源体系用于解决储能、运能和用能问题，实现长距离的可再生能源运输及利用。

Description

一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统
技术领域
本发明涉及海上风电发电技术领域，具体是有一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统。
背景技术
由于海上风电发电波动性大，风电发展与电力系统安全运行的矛盾逐步显现，日益严重的风电消纳问题越发突出；另外，海上风电要面对如何与储能项目协调发展的问题。储能项目盈利模式单一，价值回报空间有限，依托峰谷价差收益不仅无法弥补项目投资。可再生能源存在间歇性、不确定性等特点，大规模的存储问题仍然需要解决，能源存储对于克服可再生能源固有的间歇性和提高发电装机容量起着至关重要的作用。因此，寻找高效的、能量密度大的能源存储介质，同时建立一套高效的、能量密度大的综合能源制储运供系统是未来可再生能源系统行之有效的解决途径。在众多不同类型的化学储能介质中，氢的单位质量的能量密度大，被誉为21世纪的“最理想能源”和“终极能源”。但是，氢本身在常温常压下是气体，易燃易爆，运输和储存十分不易，尤其在远距离输送氢时问题尤为突出。
为解决上述问题，亟需提供一种安全远距离运输氢的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，以解决上述背景技术中氢无法长距离运输及利用的问题，本发明提出以氨为氢载体的零碳能源体系用于解决储能、运能和用能问题，实现长距离的可再生能源运输及利用。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，包括依次相连的海上风光发电系统、海上氨氢制能系统、海上运输系统、陆上集中储能及分销系统和陆上综合利用系统；
所述海上风光发电系统用于利用风力或者光伏实现发电，所述海上风光发电系统产生的电力通过电缆输送至所述海上氨氢制能系统；
所述海上氨氢制能系统用于将氢气转化成氨气，并对制备的氨气进行液化存储；
所述海上运输系统用于接收所述海上氨氢制能系统中存储的液氨，且所述海上运输系统用于将所述液氨运输至所述陆上集中储能及分销系统；
所述陆上集中储能及分销系统用于存储所述海上运输系统运输来的所述液氨，并且所述陆上集中储能及分销系统将所述液氨分输至下游用户端；
所述陆上综合利用系统用于在所述下游用户端进行能源的利用。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述海上风光发电系统包括海上风力发电系统及海上光伏发电系统，所述海上风光发电系统为集中式或者分布式。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述海上氨氢制能系统包括海水淡化系统、空气分离系统、电解水制氢系统及低压制氨液化系统，所述海水淡化系统、所述空气分离系统和所述电解水制氢系统所需电力均来自所述海上风光发电系统，所述海水淡化系统的出液口还与所述电解水制氢系统的进液端相连，所述低压制氨液化系统分别与所述空气分离系统的出气端和所述电解水制氢系统的出气端相连；
所述海水淡化系统用于将海水淡化成淡水；
所述电解水制氢系统利用所述海上风光发电系统产生的电力，将所述海水淡化系统淡化成的淡水分解制氢；
所述空气分离系统分离出空气中的氮气；
所述低压制氨液化系统用于将所述电解水制氢系统和所述空气分离系统分离后的氢气与氮气合成氨气，并对所述氨气进行液化得到液氨，对所述液氨进行存储。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述海水淡化系统的淡化方法采用太阳能法、反渗透膜法或蒸馏法中的任一种。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述电解水制氢系统的电解水制氢方法为PEM电解水法。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述空气分离系统的空气分离方法具体步骤包括：
空气压缩后净化，获得氧气和氮气的混合物；
对获得氧气和氮气的混合物进行热交换，使氧气和氮气液化成为液氧和液氮的混合物；
通过精馏使所述液氧和液氮分离，获得氮气。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述低压制氨液化系统包括氨合成装置和氨气分离液化装置，所述氨合成装置分别与所述空气分离系统的出气端和所述电解水制氢系统的出气端相连，所述氨合成装置用于氢气和氮气发生氨合成反应生成氨气，所述氨合成装置和所述氨气分离液化装置相连，所述氨气分离液化装置用于将未发生反应的氢气和氮气返回所述氨合成装置中再次处理。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述海上运输系统为大型海上液氨运输船，所述液氨运输船的发动机用的液氨由所述海上氨氢制能系统存储的所述液氨提供。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述陆上集中储能及分销系统包括液氨卸料系统、液氨储罐和装车系统，所述液氨卸料系统包括卸料泵、卸料臂及卸料管线，所述卸料管线包括液相管线及气相管线，所述卸料臂包括液相臂及返气臂，所述液相臂与所述卸料泵液相口相连，所述气相臂与所述卸料泵气相口相连，所述液相管线和所述液相臂、所述液氨储罐液相口相连，所述气相管线与所述返气臂、所述液氨储罐气相口相连，所述液氨储罐与所述装车系统相连，所述装车系统与所述下游用户端相连。
所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，优选地，所述陆上综合利用系统通过液氨直接燃烧供能和液氨分解制氢供能。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明中相比于低温液态储氢技术要求的极低氢液化温度-253℃，氨在一个大气压下的液化温度-33℃高得多，“氢-氨-氢”方式耗能、实现难度及运输难度相对更低。同时，液氨储氢中体积储氢密度比液氢高1.7倍，更远高于长管拖车式气态储氢技术。因此，以氨为氢载体的零碳能源体系能够用于解决储能、运能和用能问题，实现长距离的可再生能源运输及利用。
本发明结合海上可再生能源、海水淡化、电解制氢、氨分解制氢等多项技术，以氨为氢载体的零碳能源体系用于解决储能、运能和用能问题，实现长距离的可再生能源运输及利用，同时便于开展全球范围内的能源贸易。
本发明中所有能源均来自风、太阳和大海，是真正的零碳绿色系统。
附图说明
图1为本发明的系统流程示意图；
图2为海上氨氢制能系统的系统结构图；
图3为陆上集中储能及分销系统的系统结构图。
图中：
1、海上风光发电系统；
2、海上氨氢制能系统；
2-1、海水淡化系统；2-2、空气分离系统；
2-3、电解水制氢系统；2-4、低压制氨液化系统；
3、海上运输系统；
4、陆上集中储能及分销系统；
4-1、液氨卸料系统；4-2、液氨储罐；4-3、液氨槽车；4-4、液氨火车罐车；
5、陆上综合利用系统；
6、下游用户端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统。本发明包括依次相连的海上风光发电系统、海上氨氢制能系统、海上运输系统、陆上集中储能及分销系统和陆上综合利用系统；
所述海上风光发电系统用于利用风力或者光伏实现发电，所述海上风光发电系统产生的电力通过电缆输送至所述海上氨氢制能系统；
所述海上氨氢制能系统用于将氢气转化成氨气，并对制备的氨气进行液化存储；
所述海上运输系统用于接收所述海上氨氢制能系统中存储的液氨，且所述海上运输系统用于将所述液氨运输至所述陆上集中储能及分销系统；
所述陆上集中储能及分销系统用于存储所述海上运输系统运输来的所述液氨，并且所述陆上集中储能及分销系统将所述液氨分输至下游用户端；
所述陆上综合利用系统用于在所述下游用户端进行能源的利用。
本发明结合海上可再生能源、海水淡化、电解制氢、氨分解制氢等多项技术，以氨为氢载体的零碳能源体系用于解决储能、运能和用能问题，实现长距离的可再生能源运输及利用，同时便于开展全球范围内的能源贸易。
参阅图1、图2和图3所示，一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，包括依次相连的海上风光发电系统1、海上氨氢制能系统2、海上运输系统3、陆上集中储能及分销系统4和陆上综合利用系统5；
其中，海上风光发电系统1用于利用风力或者光伏实现发电，海上风光发电系统1产生的电力通过电缆输送至海上氨氢制能系统2；
海上风光发电系统1包括海上风力发电系统及海上光伏发电系统，与传统的海上风电和光电技术类似，可以采用集中式，也可采用分布式。
传统风光发电一般采用固定式基础，海上风光发电系统1采用浮动式基础。
浮动式风电发电机组不需要在海底打桩再架起来，而是将其建在浮动平台结构上，由锚泊系统固定在海床上；漂浮式光伏发电技术，由一套由系泊系统固定在海床上的浮力环组成，光伏组件安装于由浮力环支撑的蓝色塑胶膜上，塑胶模能够随波浪上下起伏，可大幅降低风阻并对波浪有缓冲作用，使光伏系统能够更容易在风、浪和海流环境下稳定运行，并抵御更强的台风。
海上风光发电系统1可同时建设，也可单独建设。
继续参阅图1和图2，海上氨氢制能系统2用于制备氨气，并对制备的氨气进行液化存储。
海上氨氢制能系统2设置在海上浮式平台或者船舶结构上，海上氨氢制能系统2包括海水淡化系统2-1、空气分离系统2-2、电解水制氢系统2-3及低压制氨液化系统2-4。海水淡化系统2-1、空气分离系统2-2和电解水制氢系统2-3所需电力均来自海上风光发电系统1，海水淡化系统2-1的出液口还与电解水制氢系统2-3的进液端相连，低压制氨液化系统2-4分别与空气分离系统2-2的出气端和电解水制氢系统2-3的出气端相连。
空气分离系统2-2的空气分离方法具体步骤包括：
空气压缩后净化，获得氧气和氮气的混合物；
对获得氧气和氮气的混合物进行热交换，使氧气和氮气液化成为液氧和液氮的混合物；
通过精馏使所述液氧和液氮分离，获得氮气。
海水淡化系统2-1将海水淡化得到淡水；海水淡化可采用太阳能法、反渗透膜法、蒸馏法等现有工艺。海水淡化系统包括海水预处理、淡化(脱盐)、淡化水后处理等。其中预处理是指在海水进入起淡化功能的装置之前对其所作的必要处理，如杀除海生物，降低浊度、除掉悬浮物、添加必要的药剂等；脱盐则是通过上列的某一种方法除掉海水中的盐分，是整个淡化系统的核心部分；后处理则是对不同淡化方法的产品水针对不同的用户要求所进行的水质调控和贮运等处理。
电解水制氢系统2-2利用可再生能源产生的电力，将所述海水淡化系统淡化成的淡水分解制氢淡水分解制氢；电解水制氢系统2-2采用与风电、光伏具有良好的匹配性的PEM电解水技术。
空气分离系统2-3将空气中的氮气分离；空气分离系统2-3采用深冷技术，以空气为原料，经过压缩、净化、用热交换使空气液化成为液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同，通过精馏，使它们分离来获得氮气。整个流程由空气压缩及净化、空气分离、液氮汽化组成。
分离后的氮气与氢气在低压制氨系统2-4中合成氨，并对其进行液化存储。
低压制氨液化系统2-4中氢气和氮气发生氨合成反应生成氨气，低压制氨液氨系统2-4包括氨合成装置和氨气分离液化装置，所述氨合成装置分别与所述空气分离系统的出气端和所述电解水制氢系统的出气端相连，所述氨合成装置用于氢气和氮气发生氨合成反应生成氨气，所述氨合成装置和所述氨气分离液化装置相连，氨合成装置采用低压催化剂合成氨技术，氨气分离液化装置中未发生反应的气体返回合成装置中再次处理。
海上氨氢制能系统2所用电力均由海上风光发电系统1供应。
继续参阅图1，海上运输系统3用于接收海上氨氢制能系统2中存储的液氨，且海上运输系统3用于将所述液氨运输至陆上集中储能及分销系统4。
海上运输系统3为大型海上液氨运输船，所述海上液氨运输船的发动机为液氨船用发动机。所述液氨由海上氨氢制能系统1输送至所述液氨运输船，其中，一部分液氨作为燃料输送至燃料罐作为该液氨运输储氨的燃料，另一部分液氨进入液氨储罐。
所述液氨储罐结构只是示意，具体可选A型舱、B型舱、C型舱以及薄膜舱均可以装载液氨。
海上运输系统3与海上氨氢制能系统2采用刚性臂或者软管连接，包括液相管道及回气管道，所述液相管道及所述回气管道上配有快速/连接断开装置、ERS紧急切断装置。
海上运输系统3根据需要可以配置再液化装置。
继续参阅图1和图3，陆上集中储能及分销系统4用于存储海上运输系统3运输来的液氨，并且陆上集中储能及分销系统4将所述液氨分输至下游用户端6。
陆上集中储能及分销系统4位于沿海，陆上集中储能及分销系统4包括液氨卸料系统4-1、液氨储罐4-2和装车系统，其中，所述装车系统包括装车系统指泵、装车鹤管和槽车/火车罐车。所述海上液氨运输船靠泊后，所述液氨通过液氨卸料系统4-1进入液氨储罐4-2，液氨储罐4-2采用双壁低温储罐或者常温球罐；液氨储罐4-2内的液氨由装车系统分输至液氨槽车4-3或液氨火车罐车4-4，然后分输至下游用户端6。
液氨卸料系统主4-1要设备包括卸料泵、卸料臂及卸料管线，卸料管线包括液相管线及气相管线；卸料臂包括液相臂及返气臂；所述液相臂与所述卸料泵液相口相连，所述气相臂与所述卸料泵气相口相连，所述液相管线和所述液相臂、所述液氨储罐液相口相连，所述气相管线与所述返气臂、所述液氨储罐气相口相连，所述液氨储罐与所述装车系统相连，所述装车系统与所述下游用户端相连。
继续参阅图1，陆上综合利用系统5用于在下游用户端6进行能源的利用。
在下游用户端6进行能源的利用。氨能源利用包括两种方式：氨直接燃烧供能和氨分解制氢供能。
氨直接燃烧供能一是通过液氨加注站向车/船加注，用于车/船燃料；二是通过掺氨电厂，直接运用氨燃料燃气轮机发电；三是用于氨燃料电池发电，四是用于工业氨气应用。
氨分解制氢供能通过氨分解制氢技术，将氨转化为氢气，其生产的氨气用能方式一是加氢站用于车辆燃料电池，二是用于电厂氢气燃气轮机发电，三是用于氢燃料电池分布式能源站。
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)

1.一种基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，包括依次相连的海上风光发电系统、海上氨氢制能系统、海上运输系统、陆上集中储能及分销系统和陆上综合利用系统；
所述海上风光发电系统用于利用风力或者光伏实现发电，所述海上风光发电系统产生的电力通过电缆输送至所述海上氨氢制能系统；
所述海上氨氢制能系统用于将氢气转化成氨气，并对制备的氨气进行液化存储；
所述海上运输系统用于接收所述海上氨氢制能系统中存储的液氨，且所述海上运输系统用于将所述液氨运输至所述陆上集中储能及分销系统；
所述陆上集中储能及分销系统用于存储所述海上运输系统运输来的所述液氨，并且所述陆上集中储能及分销系统将所述液氨分输至下游用户端；
所述陆上综合利用系统用于在所述下游用户端进行能源的利用。
2.根据权利要求1所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述海上风光发电系统包括海上风力发电系统及海上光伏发电系统，所述海上风光发电系统为集中式或者分布式。
3.根据权利要求1所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述海上氨氢制能系统包括海水淡化系统、空气分离系统、电解水制氢系统及低压制氨液化系统，所述海水淡化系统、所述空气分离系统和所述电解水制氢系统所需电力均来自所述海上风光发电系统，所述海水淡化系统的出液口还与所述电解水制氢系统的进液端相连，所述低压制氨液化系统分别与所述空气分离系统的出气端和所述电解水制氢系统的出气端相连；
所述海水淡化系统用于将海水淡化成淡水；
所述电解水制氢系统利用所述海上风光发电系统产生的电力，将所述海水淡化系统淡化成的淡水分解制氢；
所述空气分离系统分离出空气中的氮气；
所述低压制氨液化系统用于将所述电解水制氢系统和所述空气分离系统分离后的氢气与氮气合成氨气，并对所述氨气进行液化得到液氨，对所述液氨进行存储。
4.根据权利要求3所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述海水淡化系统的淡化方法采用太阳能法、反渗透膜法或蒸馏法中的任一种。
5.根据权利要求3所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述电解水制氢系统的电解水制氢方法为PEM电解水法。
6.根据权利要求3所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述空气分离系统的空气分离方法具体步骤包括：
空气压缩后净化，获得氧气和氮气的混合物；
对获得氧气和氮气的混合物进行热交换，使氧气和氮气液化成为液氧和液氮的混合物；
通过精馏使所述液氧和液氮分离，获得氮气。
7.根据权利要求3所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述低压制氨液化系统包括氨合成装置和氨气分离液化装置，所述氨合成装置分别与所述空气分离系统的出气端和所述电解水制氢系统的出气端相连，所述氨合成装置用于氢气和氮气发生氨合成反应生成氨气，所述氨合成装置和所述氨气分离液化装置相连，所述氨气分离液化装置用于将未发生反应的氢气和氮气返回所述氨合成装置中再次处理。
8.根据权利要求3所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述海上运输系统为大型海上液氨运输船，所述液氨运输船的发动机用的液氨由所述海上氨氢制能系统存储的所述液氨提供。
9.根据权利要求3所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述陆上集中储能及分销系统包括液氨卸料系统、液氨储罐和装车系统，所述液氨卸料系统包括卸料泵、卸料臂及卸料管线，所述卸料管线包括液相管线及气相管线，所述卸料臂包括液相臂及返气臂，所述液相臂与所述卸料泵液相口相连，所述气相臂与所述卸料泵气相口相连，所述液相管线和所述液相臂、所述液氨储罐液相口相连，所述气相管线与所述返气臂、所述液氨储罐气相口相连，所述液氨储罐与所述装车系统相连，所述装车系统与所述下游用户端相连。
10.根据权利要求3所述的基于海上风电的氨氢转换零碳综合能源系统，其特征在于，所述陆上综合利用系统通过液氨直接燃烧供能和液氨分解制氢供能。
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