CN116724099A - 用于建筑物和工业厂房自给自足能源供应的混合发电厂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合发电厂，用于向设置在包括生物质源的地区中的建筑物、尤其是住宅楼物和工业设施的自给自足供应能量。混合发电厂优选地设置在待供电的建筑物和工业设施附近，以便在本地提供能量。该混合发电厂包括至少一个用于从可再生能源发电的系统和一个用于将来自可再生能源和生物质的电力热化学转换成其他能源载体的电力多元化转换装置，这些能源载体被储存并在需要时转换回电力。为了在黑暗无风期间向要被供应的建筑物和工业设施供应能量，混合发电厂包括一个或多个能量存储装置和至少一个用于将能量转换回电力的系统。通过混合发电厂向建筑物或工业设施供应能量是气候和二氧化碳中和。

Description

用于建筑物和工业厂房自给自足能源供应的混合发电厂
本发明的主题是一种混合发电厂，用于向位于包括生物质来源的地区的建筑物，特别是住宅楼和工业厂房提供自给自足的能源。对于本地能源供应，混合发电厂最好安排在要供应的建筑物和工业厂房以及生物质来源的附近。混合发电厂包括至少一个利用可再生能源发电的设备和一个将可再生能源和生物质的电力热化学转换为其他能源载体的电力转换装置，这些能源载体在需要时被储存并转换为电力。为了在白天和黑夜时段向要服务的建筑物和工业设施供应能源，混合发电厂包括一个或多个储能装置和至少一个用于回收电力的设备。混合发电厂通过给建筑物或工业厂房供电，实现了气候和CO2-中和的能源供应。
在未来，目标是在能源供应中不使用煤、石油和天然气等化石能源，也不使用铀和钚等核燃料。
例如，在供暖领域，化石能源天然气主要被用来产生热量，例如产生工业用途所需的高温热量。在建筑领域和提供热水方面，例如，可以使用天然气或电力驱动的热泵来产生低温热量。
在未来，能源将完全由可再生能源的电力供应，如太阳能(＝太阳能，电磁辐射能)、风能(＝风能、空气运动的动能)、水电、生物质能(化学能)和地热能。来自可再生能源的电力(以下简称电力)将成为未来的主要能源载体。所有迄今为止以使用化石能源创造价值的部门都将经历一个转型过程，在这个过程中，越来越多地使用来自可再生能源的电力将发挥关键作用，例如在交通部门，通过电池使用来自可再生能源的电力推动车辆，以及用氢气推动燃料电池，其中氢气由电解水产生，电解器由可再生能源的电力驱动。
部门耦合(＝部门连接)的概念将来自可再生能源的电力部门与其他消耗能源的部门连接起来，这些部门的能源供应迄今完全或部分来自化石能源，例如交通部门和供热部门。在此过程中，将可再生能源的电力转化为其他能源载体的电力多元化转换(Power-to-X)(简称“PtX”)技术，将各个部门相互连接(＝耦合)。部门耦合被认为是能源转型和发展完全基于可再生能源发电的能源供应的一个关键概念。基本上，部门耦合的概念旨在直接和间接的电气化以前的化石燃料的应用。在直接电气化中，以前的应用技术被来自可再生能源的电力所取代，例如，由可再生能源电力驱动的热泵11取代燃气加热，电动汽车取代内燃机汽车。在间接电气化中，来自可再生能源的电力被转换为另一种能源载体，然后被用来代替之前使用的化石能源载体，因此，应用技术可能必须适应间接电气化，即另一种能源载体的特点。电力转化为热能(Power-to-Heat)(“PtH”)技术将来自可再生能源的电力转换成热能。在许多情况下，使用PtX技术将来自可再生能源的电力转化为其他能源载体时，使用的是被转化为能源载体的原材料。例如，利用电力转化为气体(Power-to-gas)(“PtG”)技术，合适的原材料和来自可再生能源的电力被转化为气体产品，作为能源载体，如氢气或甲烷。电力转液体(Power-to-Liquid)(“PtL”)技术将合适的原材料和来自可再生能源的电力转换成液体能源载体，如柴油或煤油。电力转化学(Power-to-Chemicals)(“PtC”)技术将合适的原材料和来自可再生能源的电力转换成化学品，如甲醇(CH3OH)或氨(NH3)。应用PtX技术还需要合适的PtX装置。
PtX技术通常应用电解过程，例如，将来自可再生能源的电力通过水的电解转化为氢气作为能源载体，以水为原料，以电解器作为PtX装置。在电解过程中，水在电解器中利用来自可再生能源的电力被分成H2和O2。将来自可再生能源的电力转化为热能的PtX装置的一个例子是，例如，一个电动的热泵。
通过部门耦合，可以减少太阳和风等可再生能源的可用性波动和不可预测的问题，以及由此产生的可再生能源电力可用性波动的问题。来自可再生能源的电力必须在可再生能源可用时产生，然后在必要时储存起来，直到需要这些能源。如果没有部门耦合，就需要大量昂贵的电力储存设施，以便在可再生能源可用性低的时期用储存的可再生能源电力补充需求。部门耦合通过灵活地耦合不同部门的能源载体来补偿可再生能源可用性的波动，从而弥补了可再生能源发电的灵活性不足。各个部门的能源载体的耦合，就像一个分散的电力存储，可以通过其他部门的能源载体来减缓和补偿可再生能源电力供应的波动。
化石能源，如石油部分、天然气，以及在较小程度上的煤炭和生物质，也被用作化工部门的供碳原料。为了实现气候保护目标和CO2-中和，生物质、CO2和来自有机材料循环经济的回收物在未来必须作为供碳原料来生产含碳材料、含碳化学品和含碳燃料，并且必须完全取代化石能源。
目前的发展目标是在全国范围内实施可再生能源电力的使用，包括但不限于以下方面：全国范围内提供可再生能源电力、在全国范围内提供可再生能源电力的储存、转换和分配的产品和技术、在全国范围内提供连接各部门的PtX设备、在全国范围内提供能源载体的具体供应基础设施和物流。因此，来自不同部门的许多不同公司都参与了实施。法律、政治和社会问题需要得到澄清。由于需要大量的措施及其协调，全国范围内的实施是复杂的，涉及到很长的准备时间和高投资成本。因此，实施的难度大大增加，而且拖延时间。在一个确定的时间点上，在不使用化石能源或核燃料的情况下，实现覆盖包括一个或多个能源消耗体的地区的能源供应的目标，或实现确定的临时目标的程度，并不是立即就能看到或衡量的。
EP 3 428 130 A1披露了以发电为目的的生物质水热气化过程，由此获得的产品气体通过热能发电机转化为电能。
WO 2013/029701公开了一种用于家庭部门的自给自足的分散式能源供应系统，该系统包括短期电力储存装置、电解器、用于将CO2和电解产生的氢气催化转化为CH4、甲醇或甲基酸的反应器、用于储存二氧化碳和CH4、甲醇或甲基酸的储罐，从CH4、甲醇或甲基酸产生热量和/或电力的转换器，以及从转换器的废气中分离二氧化碳的气体分离器，这些废气被送入一个回路。
WO 2009/019159号文件披露了如何稳定地运行电网并向多个用户供电，利用再生能源生产氢气，在氢化设备中用氢气对供应的CO2，并生产出气态的可燃碳氢化合物(例如，CH4)，最后将产生的碳氢化合物在发电厂中转化为电力。
WO 2013/029701和WO 2009/019159包括一个碳循环，其中CO2必须从外部提供，这些CO2是在农业农场、燃煤或燃气发电厂产生的。
本发明的一个目的是在不使用化石能源的情况下，不受季节、时间和消费的影响，完全满足建筑物和工业厂房的能源供应需求。对现有建筑物和工业厂房的实施应该是简单、快速、可测量和可行的，没有高额的投资成本。
这一目标是通过根据专利权利要求1至10的发明实现的。
本发明的主题是一种混合发电厂，用于由包括一个或多个能源消耗体的地区的自给自足的能源供应(＝用于安排在一个地区的一个或多个能源消耗体的自给自足能源供应)。根据本发明的混合发电厂包括一个或多个利用可再生能源发电的设备，一个将生物质热化学转换为其他能源载体的PtX装置，优选一个将从可再生能源和生物质产生的电力热化学转换为其他能源载体的反应器，这些能源载体可以储存并在需要时重新转换为电力。为此，根据本发明的混合发电厂包括一个或多个储存器(＝用于储存能源载体的储存器)和至少一个用于从储存的能源载体中回收电力的设备。优选的是，生物质是由该地区包括的一个或多个能源消耗体产生的，并由根据本发明的混合发电厂提供能源，例如，由一个或多个能源消耗体产生的生物废物或废水。在其他实施方案中，该地区包括一个或多个其他的生物质来源24，例如，产生花园废物的花园，如修剪的草坪和树叶。
本发明涉及一个地区自给自足的能源供应的混合发电厂，包括一个或多个能源消耗体15 16和至少一个生物质来源24，包括
至少一个利用可再生能源发电的设备1 2,
至少一个用于将生物质热化学转换为其他能源载体的反应器3,
一个或多个用于储存能源载体的储存器6 7 9,
至少一个用于从储存的能源载体13 14中回收电力的设备,
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与该地区的一个能源消耗体相连，用于向能源消耗体15 16供应能源，或者其中至少一个利用可再生能源发电的设备12与该地区的多个能源消耗体15 16相连，用于向能源消耗体15 16供应能源、并且其中至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与用于将从可再生能源获得的电力转化为其他能源载体的反应器3相连，并且其中反应器3与用于储存能源载体的至少一个储存器相连，用于储存生成的其他能源载体，以及
其中，优选地，至少一种生物质来源24选自
(a)生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16，或
(b)所述地区包含的至少一个其他的生物质来源24，或者其中，如果该地区包括至少两个生物质来源24，则至少两个生物质源24优选地选自：
(a)生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16，或
(b)所述地区包含的至少一个其他的生物质来源24，或
(c)生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16，以及所述地区包含的至少一个其他的生物质来源24。
优选地，混合发电厂包括至少一个用于产生氢气的电解器10，其中至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与至少一个用于将可再生能源的电力转化为氢气作为能源载体的电解器10相连。
在根据本发明的混合发电厂的优选实施方案中
反应器3与生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16相连，或
反应器3与该地区的至少一个其他的生物质来源24相连，或
反应器3与生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16和该地区的至少一个其他的生物质来源24相连。
优选的是，该连接是通过生物质管线23。生物质可以从生物质来源24引入反应器3，并与混合发电厂中由可再生能源产生的电力一起热化学地转化为其他能源载体。优选的是，从可再生能源产生的电力被分配。来自可再生能源的多余电力是指利用可再生能源发电的设备1 2产生的电力，该电力不是立即需要供应给能源消耗体或用户15 16。所产生的过剩电力或所产生的过剩电力的一部分被用于将生物质转化为氢气和其他能源载体。由生物质转换产生的其他能源载体或部分其他能源载体，以及如果适用的话，产生的氢气或部分产生的氢气被储存在一个或多个用于储存能源载体的储存器6 7 9中，这些储存器包含在混合发电厂中。当需要时，例如，当从可再生能源发电的设备产生的电力不足以完全满足该地区的能源消耗体15 16的能源供应需求时，储存的能源载体，最好是甲烷，有助于能源供应。供应的缺口由储存的能源载体来填补。该地区的能源供应和该地区的能源消耗体，特别是建筑物和/或工业厂房，完全由混合发电厂直接或间接地通过从储存的能源载体13 14中回收电力的设备产生的能源供应，因此是能源自给的。因此，可以向该地区的能源消耗体15 16提供不同形式的能源，例如电力、热能、氢气、作为天然气替代品的甲烷。混合发电厂，例如电解器10、反应器3、用于储存能源载体的储存器6 7 9、用于从储存的能源载体1314中回收电力的设备以及混合发电厂的其他部件也代表能源消耗体，最好也由混合发电厂供应能源。因此，混合发电厂在其自身的能源供应方面也是自给自足的。因此，混合发电厂向该地区的一个或多个能源消耗体和混合发电厂本身提供能源。
本发明的另一个目的是提供一个能源自给装置，包括根据本发明的混合发电厂和由混合发电厂自给的能源供应地区，该地区包括一个或多个能源消耗体15 16和至少一个生物质来源24。
与已知的发电厂相比，根据本发明的混合发电厂不使用CO2，而是使用现场生产的或可用的生物质，以便将混合发电厂内可再生能源产生的电力，即现场转化为其他能源载体，储存起来，如果需要的话，用这种储存的能源载体发电，如果需要的话，用其他可用的能源形式，或者直接使用这种储存的能源载体，以确保该地区和该地区所包括的能源消耗体15 16的能源供应在任何时候都是完全和自足的。混合发电厂向包括一个或多个能源消耗体15 16的地区，特别是固定的能源消耗体，如建筑物、住宅楼15和工业厂房，提供CO2-中和(气候中性)能源，特别是电力和热能，其中来自可再生能源的发电部分在必要时直接用于确保自给自足的能源供应，并部分地来自可再生能源的多余电力被转换为其他能源载体，并优选进行储存。根据本发明的混合发电厂包括一个反应器3，在该反应器中，将生物质与可再生能源产生的电力直接转化为其他能源载体，特别是转化为化学能源载体，最好是转化为气体能源载体，特别是转化为合成气体，该合成气体优选包括氢气、甲烷、二氧化碳。优选地，在反应器3中用作原料的生物质是由能源消耗体在该地区生产的，例如作为该地区的能源消耗体的废物，特别是生物废物、家庭废物，和/或是通过其他方式在现场生产的生物质和/或存在于该地区或在该地区上的生物质。因此，根据本发明的混合发电厂使该地区的能源消耗体15 16能够在能源方面自给自足，无需额外依赖化石能源、二氧化碳和核燃料以满足能源供应。该地区的能源消耗体15 16通过混合发电厂实现了能源自给自足，因为来自可再生能源的电力通过生物质的热化学转化为可储存的其他能源载体，这些能源载体可重新转化为电力或以某种其他方式用于按需供应能源，例如在发电厂无法从可再生能源发电的时候(例如，由于季节和气象的影响、无光照时期、维修、维护)，或在该地区的能源消耗体15 16对电力或热能的需求特别高的时候(例如，高峰消耗时段)。
本发明的另一个目的是提供一种向一个或多个能源消耗体15 16自给自足的能源供应方法，其中一个或多个能源消耗体15 16位于一个地区上或与之相连，并且该地区包括一个根据本发明的混合发电厂，用于向包括一个或多个能源消耗体15 16的地区自给自足的能源供应。
在该方法的优选实施方案中，用于从可再生能源发电的一个或多个设备1 2产生可再生电力，
该地区的能源消耗体15 16得到了来自可再生能源的电力供应，或得到了来自可再生能源的部分电力供应，或
该地区的几个能源消耗体15 16得到了可再生能源产生的电力供应，或用得到了可再生能源产生的部分电力供应，
其中
该地区至少有一个能源消耗体15 16生产生物质，或者该地区包括至少一个其他的生物质来源24，或
该地区至少有一个能源消耗体15 16生产生物质，并且该地区包括至少一个其他的生物质来源24，以及
其中，来自可再生能源的多余发电量或来自可再生能源的多余发电量的一部分用于操作反应器3，将生物质热化学转化为其他能源载体，以将来自可再生能源的过于发电量和来自该地区所包含的至少一个生物质来源24的生物质转化为其他能源载体。
在该方法的优选实施方案中，生成的其他能源载体例如被储存起来，或者，例如，生成的其他能源载体的一部分被分离和储存，或者，例如，生成的其他能源载体的一部分被分离、氢化和储存。
在该方法的优选实施方案中，其中混合发电厂包括至少一个电解器10，过量产生的可再生电力或过量产生的可再生电力的一部分被用于操作至少一个电解器10以电解水并产生氢气，并且产生的氢气被储存或以其他方式作为能源载体使用。
在该方法的优选实施方案中，如果一个或多个利用可再生能源源发电的设备1 2没有发电，或者利用可再生能源发电的设备1 2产生的电力不足以向该地区的一个或多个能源消耗体15 16提供能源，则将储存的能源载体重新转化为电力，并用于从储存的能源载体向该地区的一个能源消耗体15 16或多个能源消耗体15 16供应电力。
优选地，混合发电厂包括电力管线17，其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2通过至少一条电力管线17与一个或多个能源消耗体15 16连接，其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2通过至少一条电力管线17与反应器3连接，并且其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2通过至少一条电力管线17连接到至少一个电解器10，其中利用可再生能源发电的设备1 2可以是相同的或不同的。优选的是，从可再生能源源产生的电力用于向该地区的一个或多个能源消耗体15 16供应能源，特别是供应电力。优选的是，可再生能源产生的电力用于向混合发电厂供应能源，特别是供应电力。不立即需要的或在未来几小时或几天内不需要的所产生的电力被输送到反应器3，用于将生物质热化学转化为其他能源载体，或被输送到电解器10，用于电解水以产生氢气，或来自可再生能源源的部分多余电力被输送到反应器3，用于将生物质热化学转化为其他能源载体，部分多余电力被输送到电解器10，用于电解水以产生氢气。
在优选的实施方案中，混合发电厂包括用于将生物质热化学转化为气体能源载体的反应器3，优选是用于将生物质热化学转化为合成气体的反应器3，其中生成的合成气体或生成的部分合成气体在混合发电厂中被用作可储存的其他能源载体。优选地，混合发电厂包括至少一个气体处理设备4，用于从生成的合成气体中分离各个气体成分，优选地用于分离甲烷。相应的装置和工艺是已知的。优选地，混合发电厂包括至少一条合成气体管线18，其中反应器3通过合成气体管线18与气体处理设备4相连。
优选的是，混合发电厂包括生物质管线23。在优选的实施方案中，热化学转换所需的生物质是由能源消耗体15 16生产的。在优选的实施方案中，该地区包括至少一个其他的生物质来源24，如生物质的储罐或生物垃圾的收集站。在这些实施方案中，反应器3通过至少一条生物质管线23与能源消耗体15 16连接，以便所需的生物质从能源消耗体15 16通过生物质管线23连续或按需转移到反应器3中，并热化学地转化为其他能源载体。在具体的实施方案中，反应器3通过至少一条生物质管线23与至少一个另外的生物质源24相连，从而使来自至少一个另外的生物质源24的所需生物质通过生物质管线23连续或按需引入反应器3，并热化学地转化为其他能源载体。
对于生物质的热化学转化，优选直接使用混合发电厂的至少一个用于从可再生能源发电的设备产生的电力，例如，当只是有特别多的从可再生能源产生的电力，同时需要很少的电力来向该地区的能源消耗体15 16供应能源时，即混合发电厂中从可再生能源产生的电力有剩余。对于反应器3中生物质的热化学转化，可再生能源产生的电力也可以间接使用，例如，当混合发电厂中只是有特别多的生物质和特别多的储存能源载体，或者只是有特别多的生物质，而混合发电厂中很少或没有可再生能源产生的电力。在间接使用来自可再生能源的电力的情况下，先前在混合发电厂中从可再生能源的电力中产生的储存能源载体被转换回电力，并用于操作反应器3对生物质的热化学转化。
当有关能源，最好是太阳能，或风能可用时，一个或多个利用可再生能源发电的系统1 2在混合发电厂中发电。一部分产生的电力被直接用于供应能源。所产生的电力的剩余部分(＝当时不需要向包括一个或多个能源消耗体和混合发电厂的地区供应能源的剩余电力)在混合发电厂中被转换为其他能源载体。优选的是，剩余的电力被用来操作混合发电厂。混合发电厂也可以由其他能源载体操作，可再生能源的剩余电力已被转化为这些能源载体。剩余电力被转化成的其他能源载体可以替代或补充该地区和能源消耗体的能源供应。
根据本发明，“其他的能源载体”是指除化石能源和核燃料以外的所有能源载体。根据本发明，“其他的能源载体”是指可将可再生能源的电力转化为的所有能源载体，例如热能。根据本发明，“其他的能源载体”也是在PtX装置中把合适的原材料转化成的能源载体，其中电力多元化转换装置由来自可再生能源的电力(直接或间接)驱动。“其他的能源载体”例如包括热、气态能源载体，如合成气体、氢气、甲烷。
通过根据本发明的方法，通过操作根据本发明的混合发电厂，包括一个或多个能源消耗体15 16的地区的能源供应可以在白天、夜晚和季节的任何时间被覆盖，而不管在白天、夜晚或季节的相关时间是否可以用一个或多个从可再生能源源发电的设备1 2向包括一个或多个能源消耗体15 16的地区供应能源。包括一个或多个能源消耗体15 16的地区的总能源供应完全由来自可再生能源的电力覆盖，在白天、夜晚或季节的任何时间，直接或间接地通过生物质热化学转化产生的其他能源载体和来自可再生能源的电力，通过电解水产生的氢气和来自可再生能源的电力，以及可选地通过一个或多个用于从可再生能源发电的设备直接或间接产生并可选地转换和可选地储存的其他能源载体。
本发明提供了一种混合发电厂，它能在一天、一夜或一年中的任何时间以及任何需求下，确保能源供应而不使用化石能源。根据本发明的混合发电厂是一个能源发电装置，同时也是一个分布式能源存储系统。根据本发明的混合发电厂能够在不使用化石能源的情况下为包括一个或多个能源消耗体15 16的地区提供能源的孤立解决方案。
根据本发明，由混合发电厂自主供应能源的包括一个或多个能源消耗体15 16的区域可以有不同的规模，并包括不同类型的能源消耗体，例如，能源消耗体可以是一个住宅楼15或一个城市。这使能源转型的快速实施和气候保护目标的实现成为可能。单个地区(每个地区包括一个或多个能源消耗体15 16)实现的气候中立目标是立即可见和可衡量的。不需要建设全国性的能源载体的运输、储存和物流基础设施，因此不构成限制因素，因为现有的包括一个或多个能源消耗体15 16的地区通过混合发电厂形成能源自给自足的单位。这些地区可以通过在该地区增加根据本发明的混合发电厂而独立地发展为能源自给自足的地区。由于这个原因，阻碍全国范围内基础设施发展的法律、政治和社会问题的延时澄清也基本消除了。在下一步，各个能源自给自足的单位可以耦合起来，从而为全国性的CO2-中和能源供应网络做出贡献。本发明的另一个目的是由根据本发明的多个能源自给单位组成的全国性或接近全国性的网络。
根据本发明的混合发电厂，用于包括一个或多个能源消耗体15 16的地区的自给自足的能源供应，将用于从可再生能源发电的能源载体的设备与用于产生其他能源载体的PtX装置相结合，例如用于从可再生能源的剩余电力产生热量的PtH装置，如热泵11。根据本发明的混合发电厂，将利用可再生能源发电的设备与用于将生物质热化学转化为其他能源载体的PtX装置相结合，特别是与合适的反应器3相结合，用于地区的自给自足的能源供应。通过PtX装置/反应器3进行热化学转化，可以从生物质中生产各种其他能源载体。相应的装置/反应器3和热化学过程是本领域技术人员已知的，例如用于将生物质转化为沼气的沼气厂。在混合发电厂的特别优选实施方案中，用于生物质热化学转化的PtX装置或反应器3是将生物质转化为合成气体，例如转化成沼气的PtG装置。混合发电厂包括PtX装置，优选包括用于将生物质热化学转化为其他能源载体的反应器3，例如选自用于燃烧生物质或热解生物质的装置或反应器3或沼气厂。在这种情况下，在热化学转化过程中，特别是在生物质的水热转化过程中产生的沼气或合成气体，通常是一种气体混合物，气体混合物可以包含不同的气体和不同数量的各种气体。生成的沼气或合成气体的成分取决于热化学或水热转化的各自反应条件，并可在很大范围内变化。热化学或水热转化的反应条件，例如PtX装置中反应室的反应条件，特别是反应器3中的压力、温度、停留时间、形状和布置，所使用的任何催化剂，转化过程中氧气的排除或转化过程中氧气的存在，生物质的组成和其他因素都对组成产生影响。根据相应的需求和相应的条件，可以为每个地区选择适合于该地区的适合的混合发电厂或PtX装置，特别是反应器3。
在根据本发明的混合发电厂和方法的优选实施方案中，生物质的热化学转化是生物质的水热转化，其中混合发电厂包括PtX装置，优选PtG装置，特别是用于生物质水热转化的反应器3。优选地，反应器选自用于生物质水热碳化的反应器3、用于生物质水热液化的反应器3、用于生物质水热气化的反应器3、用于生物质亚临界水热气化的反应器3、用于生物质近临界水热气化的反应器3、用于生物质超临界水热气化的反应器3、用于生物质无氧情况下超临界水热气化的反应器3。通过PtX装置，特别是用于生物质水热转化的反应器3，以水溶液形式或通过稀释或与水混合产生的生物质在高温和高压下被转化为其他能源载体。在这个过程中，水是生物质固体成分的溶剂，是水热转化的反应物，必要时作为催化剂参与到生物质的水热转化中。各种水热过程是已知的；它们在压力和温度方面有所不同，因此，生物质要么被水热碳化、液化，要么被气化。相应的反应器3必须适用于有关的水热转化。例如，在用于水热碳化的反应器3中，生物质被转化为煤浆或类似煤的固体作为能源载体。在用于水热液化的反应器3中对生物质进行水热液化时，例如将生物质转化为高粘度焦油作为能源载体，其中，所生产的高粘度焦油可作为燃料或供碳原料，用于生产含碳材料、含碳化学品和含碳燃料。
在生物质的水热气化中，生物质在水热气化的反应器3中被转化为合成气体(＝其他能源载体)。根据水热气化的反应条件，如压力、温度、催化剂的存在与否、催化剂的类型、生物质的流速、反应器3的结构细节、反应器3中的装置和装置布置、生物质的组成、可能从生物质中分离出的固体或其他部分、如果适用的话，从生物质中分离出的固体或其他部分的时间点和类型等，产生的合成气体具有不同的组成。在亚临界水热气化反应器3中的生物质亚临界水热气化中，生物质在贵金属催化剂的存在下，例如，转化为合成气体，其中合成气体优选包括氢气。在用于近临界水热气化的反应器3中，生物质在催化剂的存在下，例如，转化为合成气体，其中合成气体优选包括甲烷。在用于超临界水热气化的反应器3中，在排除氧气的情况下对生物质进行超临界水热气化，生物质优选被转化为合成气体，合成气体主要包括氢气、甲烷和碳。用于超临界水热气化生物质的反应器3必须满足特殊要求，例如，耐温达至少700摄氏度，耐压达至少25兆帕，并且耐腐蚀，并且在结构和装置方面适合用于在无氧条件下超临界水热气化生物质。在这种情况下，生物质的转化可以连续进行或根据需要进行。在生物质的热化学，特别是水热转化过程中，生物质优选被转化为热量和合成气体。
在本发明的优选实施方案中，混合发电厂包括作为将生物质热化学转化为其他能源载体3的反应器3，用于生物质的超临界水热气化的反应器3，优选是用于生物质在无氧条件下的超临界水热气化的反应器3。
本发明的目的是提供一种用于向一个地区自给自足供电的混合发电厂，包括一个或多个能源消耗体15 16和一个或多个生物质来源24，包括
至少一个利用可再生能源发电的设备1 2，
至少一个用于生产氢气的电解器10，
一个用于在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化的反应器3，
至少一个用于储存能源载体的储存器6 7 9，
至少一个用于从储存的能源载体13 14中回收电力的设备，
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与该地区的一个能源消耗体相连，用于向能源消耗体15 16供应能源，或者其中至少一个利用可再生能源发电的设备12与该地区的多个能源消耗体15 16相连，用于向能源消耗体15 16供应能源，
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2被用来将可再生能源的电力转化为氢气作为能源载体，
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与至少一个用于将可再生能源的电力转化为氢气作为能源载体的电解器10相连，并且
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2，其反应器3用于在排除氧气的情况下对生物质进行超临界水热气化，以便将来自可再生能源和生物质的电力转化为其他能源载体合成气体，
其中，优选地
该地区至少有一个能源消耗体15 16生产生物质，并且是生物质来源24，或
该地区包括至少一个其他的生物质来源24，并且是生物质源24，或
该地区至少一个生产生物质的能源消耗体15 16是生物质来源24，并且该地区包括至少一个其他的生物质来源24(即该地区包括至少两个生物质来源24)，和
其中
反应器3与生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16相连，或
反应器3与其他的生物质来源24相连，或
反应器3与生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16相连接并且与其他生物质来源24相连接，并且
其中，反应器3与至少一个用于储存能源载体的储存器相连接，用于储存生成的合成气体或生成的部分合成气体。生成的合成气体，优选是生成的部分合成气体，特别是合成气体中含有的甲烷被储存起来，如果需要，生成的氢气或生成的部分氢气，如果需要，用于该地区的自给自足的能源供应和用于该地区的能源消耗体15 16的自给自足的能源供应。WO 2019/020209(PCT/EP2018/000355)、EP20186443.6和PCT/EP2021/069848中描述了用于在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化的合适反应器3。在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括用于在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化的反应器3，例如在PCT/EP2018/000355或EP20186443.6或PCT/EP2021/069848中描述的反应器3。压缩和加热生物质所需的能量，或生成超临界水所需的能量，由可再生能源发电的设备直接或间接提供。混合发电厂中的相应反应器3直接或间接地与可再生能源1 2产生的电力一起运行，将生物质转化为合成气体。在根据本发明的混合发电厂和方法的特别优选的实施方案中，用于在排除氧气的情况下对生物质进行超临界水热气化(即生物质在超临界水中)的反应器优选为PCT/EP2018/000355或EP20186443.6中描述的反应器3，特别优选PCT/EP2021/069848中描述的反应器3，该反应器通过电力管线17连接到混合发电厂的至少一个利用可再生能源发电的设备1 2，并且反应器由可再生能源产生的电力供应能源或操作，特别是供应加热反应器和生物质所需的能量。在混合发电厂的特别优选实施方案中，用于在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化(即在超临界水中的生物质)的反应器是在PCT/EP2018/000355或EP20186443.6中描述的反应器3，特别是在PCT/EP2021/069848中描述的反应器3，该反应器通过电力管线17连接到用于回收电力的设备，例如至少一个涡轮机13和/或燃料电池14，并且反应器以这种方式由来自可再生能源的电力间接供应或操作。
本发明的一个目的是用于地区自给自足的电力供应的混合发电厂，包括一个或多个能源消耗体15 16和一个或多个生物质来源24，包括
至少一个利用可再生能源发电的设备1 2，
至少一个用于生产氢气的电解器10，
用于将生物质热化学转化为其他能源载体的PtG装置，优选是用于在排氧条件下将生物质超临界水热转化为合成气体(＝其他能源载体)的反应器3，特别是PCT/EP2018/000355中描述的反应器3，特别优选的是PCT/EP2021/069848中描述的反应器3，
优选地，至少一个气体处理设备4，必要地，甲烷化设备5，
至少一个用于储存能源载体的储存器，
至少一个用于从储存的能源载体13 14中回收电力的设备，
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与该地区的一个或多个能源消耗体15 16相连，用于向一个能源消耗体15 16供电或向多个能源消耗体15 16供电，
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与至少一个用于将可再生能源的电力转化为能源载体氢气的电解器10相连，
其中，至少有一个利用可再生能源发电的设备1 2与PTG装置相连，优选是用于将可再生能源的电力转化为其他能源载体的反应器3，以及
其中，该地区所包含的一个生物质来源24或多个生物质来源24选自
该地区至少一个生产生物质的能源消耗体15 16，或该地区包括至少一个其他的生物质来源24，或
该地区至少一个生产生物质的能源消耗体15 16，并且该地区包括至少一个其他的生物质来源24，以及
其中
反应器3与生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16相连，或
反应器3与至少一个其他的生物质源24连接，或
反应器3与生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16连接，并与至少一个其他的生物质来源24连接。
在根据本发明的混合发电厂和方法的优选实施方案中，将生物质引入反应器3，并在超临界条件下和在没有氧气的情况下使用来自可再生能源的电力将其转化为合成气体，所产生的合成气体，优选是所产生的部分合成气体，特别是合成气体中含有的甲烷，被储存在用于储存能源载体的储存器中。如有必要，生成的氢气或部分生成的氢气也被储存在用于储存能源载体的储存器中。优选地，生成的氢气与部分合成气体一起被转化为其他能源载体，优选为甲烷。优选地，使用储存的合成气体、储存的甲烷、可选的储存的氢气和可选的其他储存的能源载体转变回电力，特别是根据该地区的自给自足的能源供应和该地区的能源消耗体15 16的需要被转换回电力。
在本发明特别优选的实施方案中，混合发电厂包括一个或多个能源消耗体15 16和一个或多个生物质来源24，用于地区自给自足的电力供应，
至少有一个利用可再生能源发电的设备1 2，
一个或多个用于储存能源载体的储存器6 7 9，
优选地，至少一个电解器10，
至少一个用于从储存的能源载体13 14中回收电力的设备，
用于在无氧条件下将生物质压缩到25至35兆帕的超临界水热气化的反应器3，其中该反应器3包括围绕着第一压力空间的压力密闭的内壳，而在该内壳中的反应器3包括
(a)分离区，分离区包括至少一个热交换器，用于将压缩生物质加热到550摄氏度，并包括至少一个分离器，用于从压缩生物质中分离固体物质、金属盐、磷酸盐和铵(如果包含在压缩生物质中)，以及
(b)加热区，加热区用于将根据(a)分离后的压缩生物质加热到600至700摄氏度，包括合成气体管线，和
(c)停留区，在加热到600至700摄氏度后，停留区用于对压缩的生物质进行超临界水热气化，包括所述合成气体管线，
其中，优选地，分离区、加热区和停留区在反应器3中排列成直立的柱状，
其中，反应器3包括一个围绕内壳的外壳，并包括内壳和外壳之间的第二压力空间，
其中，合成气体管线在部分加热区或整个加热区与内壳形成环形间隙，加热区的环形间隙至少有一部分的直径小于30mm，
其中，一个或多个加热元件设置在加热区环形间隙周围的第二压力空间内，用于将加热区的压缩生物质加热到600至700摄氏度，
其中，一个利用可再生能源发电的设备1 2与第二压力空间中的加热元件连接，或者其中，如果存在，多个利用可再生能源发电的设备1 2与第二压力空间中的加热元件连接，并且加热元件可以用可再生能源产生的电力进行加热。由此，优选地，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与该地区的一个能源消耗体或多个能源消耗体15 16相连，用于向一个能源消耗体15 16供应能源或向多个能源消耗体15 16供应能源。因此，优选地，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与至少一个用于将来自可再生能源的电力转换为能源载体氢的电解器10相连。由此，利用可再生能源源发电的至少一个设备1 2与反应器3相连，其中，反应器3与至少一个气体处理设备4相连，其中，反应器3可选择地与至少一个用于储存能源载体的储存器相连。优选地，电解器10与至少一个用于储存能源载体的储存器相连，优选地与气体处理设备4相连，并可选地与甲烷化设备5相连。通过这个混合发电厂的实施方案，生物质可以被引入反应器3，并在超临界条件下和在没有氧气的情况下利用可再生能源的电力以水热方式转化为合成气体。产生的合成气体，最好是部分产生的合成气体，特别是合成气体中含有的甲烷可以被分离和储存，产生的氢气或部分产生的氢气可以被储存，必要时，产生的氢气可以与部分合成气体一起转化为其他能源载体。储存的合成气体、储存的甲烷、储存的氢气(如果有的话)和其他储存的能源载体(如果有的话)可用于向该地区提供自给自足的能源供应和向该地区的能源消耗体15 16提供自给自足的能源供应。
在特别优选的实施方案中，该地区包括用作将可再生能源的电力转换为其他能源载体的原材料的生物质来源24。优选的是，生物质来源24存在于或产生于相应的地区和/或该地区的能源消耗体15 16。生物质来源24的例子根据本发明的混合发电厂自给自足供应能源的地区内中存在或产生的有机废物，如生物废物和污水污泥，例如由住宅楼15的居民或工业工厂的员工提供。因此，在根据本发明的混合发电厂中，在地区不再需要或能源消耗体15 16不再需要的生物质被转化为一种或多种其他能源载体，这些能源载体可以被使用，例如，如果利用可再生能源发电的设备1 2没有产生或没有产生足够的电力以自给自足的方式向地区、能源消耗体15 16或能源自给自足的单位提供能源，则可以使用这些能源载体来供应能源。根据本发明的混合发电厂作为独立的解决方案在能源自给自足的单元中实施部门耦合的原则，从而使能源自给自足的单元或地区以及该地区中的能源消耗体15 16的能源供应完全独立于化石能源和核燃料的电力。将现场或现有的生物质和可再生能源1 2产生的多余电力转化为其他能源载体，这些能源载体可以经济有效地储存起来，在需要时再转化为电力，或直接用于供应能源，从而实现自给自足的能源供应。将利用可再生能源发电的设备1 2现场产生的剩余电力进行转换和储存，减少了可再生能源产生的剩余电力的储存和运输成本，同时也减少了生物质的储存、运输和处理成本。只产生收购和建造混合发电厂的投资成本和混合发电厂的维护成本。
在优选的实施方案中，混合发电厂包括一个用于热化学转化的反应器3，优选地将生物质水热转化为由合成气体或由合成气体组成的反应产物。产生的合成气体包括一种或多种成分，这些成分选自水、CO2、CO、H2、CH4、低分子量的碳氢化合物(低分子量＝1至4个碳原子)。在优选的实施方案中，混合发电厂包括一个反应器3，用于将生物质转化为合成气体和可选的其他能源载体(例如热量)，其中所产生的合成气体基本上包括，优选至少80体积％，优选至少90体积％的水、CO2、CO、H2和CH4。在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括用于在无氧情况下在超临界水中对生物质进行超临界水热气化的反应器3，优选包括在EP20186443.6或PCT/EP2021/069848中描述的反应器3，其中产生的合成气体基本分别包括H2、CO2和CH4，其中产生的合成气体包括例如至少90体积％，优选至少95体积％或以上的H2、CO2和CH4。通过在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化得到的合成气体，优选溶解在超临界水中。在所述混合发电厂的优选实施方案中，生物质被转化为能源载体H2、CO2和CH4。
H2和CH4是可以直接使用的能源载体，例如，H2为氢气车辆提供动力。H2和CH4是可以储存和转换为其他能源载体的能源载体。混合发电厂将生物质和来自可再生能源的电力转化为能源载体H2和CH4，这对包括一个或多个能源消耗体15 16的地区的自给自足的能源供应有很大贡献。因此，在根据本发明的混合发电厂或能源自给单元中，优选地，用于生物质热化学转化的PtG装置，其中主要产生H2和CH4。
根据本发明的混合发电厂包括一个或多个用于储存能源载体的储存器6 7 9(以下也称为“储能器”)。在优选的实施方案中，混合发电厂包括2至20个，优选3、4、5个或更多的用于储存能源载体的储存器。储能器可以是相同的，也可以是不同的，优选地，混合发电厂包括至少两个，优选地三个不同的用于储存能源载体的储存器。在优选的实施方案中，混合发电厂包括作为能量储存的一个或多个气体储存器，例如压缩气体储存器，如低压气体储存器、中压气体储存器、高压气体储存器，优选是中压储存器。中压储气罐在40至100巴的压力下保存气体。在个别实施方案中，混合发电厂包括生成的合成气体的储能器(＝合成气体储存器)，优选地，合成气体储存器是一个压缩气体储存器。在优选的实施方案中，混合发电厂包括至少一个氢气储能器(＝H2-储存器)6，优选一个或多个H2-压缩气体储存器，特别优选一个或多个H2-中压储存器。在进一步的优选实施方案中，混合发电厂包括至少一个甲烷储能器(＝CH4-储存器)7，优选一个或多个CH4-压缩气体储存器。在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括至少一个H2-储存器6和至少一个CH4-储存器7，优选H2-储存器6和CH4-储存器7是压缩气体储存器。
能源载体CH4和H2特别适用于储存能量，作为当包括一个或多个能源消耗体1516的地区的能源供应无法由一个或多个利用可再生能源发电的设备1 2覆盖或无法充分覆盖时的能量供应。由于它们的不同特性，CH4和H2特别适合于在不同长度的补充期储存能量。由于CH4的能量密度较高(与H2相比，在相同的能量密度下，CH4只有大约1/3的几何体积)，CH4的储存适合作为能源载体--长期储存，例如，在夏季可以建立能源载体--库存，以补充可再生能源如太阳能的发电，在冬季可以确保包括一个或多个能源消耗体15 16的地区或能源自给自足单位在冬季的能源供应。因此，CH4-储存器7适合作为季节性储存单元。利用来自CH4-储存器7的能源载体CH4，优选是来自CH4-压缩气体储存器，包括一个或多个能源消耗体1516的地区或能源自给自足单元的能源供应可以在很长一段时间内得到保证，例如几周或几个月。在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括至少一个CH4-储存器7，优选至少一个CH4-压缩气体储存器作为长期储存或季节性储存。
在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括至少一个H2-储存器6，优选至少一个H2-中压储存器，作为中等时间储存器，用于将能源载体H2储存数小时至数周，例如1至24小时、1天或数天。由于与CH4相比，H2的能量密度较低，因此，与储存相同数量的能量CH4相比，储存相同数量的能源载体H2的几何体积较大。在混合发电厂的优选实施方案中，不立即需要或近期不需要的H2因此被转换为CH4，并储存在CH4-储存器7中，优选储存在CH4-压缩气体储存器。在优选的实施方案中，混合发电厂包括用于将H2转换为CH4的装置。将H2转换为CH4的装置最好是甲烷化设备5，它将氢气和二氧化碳转换为甲烷(4H2+CO2＝CH4)。通过甲烷化设备5，不需要的H2，例如，从H2-储存器6或中期存储或不需要移动的H2可以转化为CH4，用于长期存储。
在特别优选的实施方案中，该混合发电厂包括至少一个气体处理设备4。优选地，至少一个气体处理设备4包括将合成气体分离成合成气体中包含的不同气体的装置或分离单个气体的装置。优选地，混合发电厂包括至少一个气体处理单元4，该单元包括从合成气体中分离H2的装置。优选地，混合发电厂包括至少一个气体处理设备4，其中包括从合成气体中分离CH4的装置。优选地，混合发电厂包括至少一个气体处理设备4，其包括从合成气体中分离CO2的装置。相应的气体处理设备4和用于分离合成气体或分离单个气体的装置是已知的，例如膜设备、吸附设备。
在混合发电厂的优选实施方案中，气体处理设备4包括将CO2转化为CH4的装置，优选至少一个甲烷化设备5。在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括用于将生物质水热转化为其他能源载体的反应器3，特别是用于在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化的反应器3，至少一个气体处理设备4，其包括用于从产生的合成气体中分离单独气体的装置，优选用于分离H2的装置、用于分离CH4的装置和至少一个甲烷化设备5。在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括用于在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化的反应器3、至少一个气体处理设备4，该设备具有从产生的合成气体中分离单独气体的装置，优选用于分离H2、分离CH4的装置和至少一个甲烷化设备5以及至少两个用于储存能源载体的储存器，优选一个H2-储存器6和一个CH4-储存器7。
在优选的实施方案中，混合发电厂包括用于将生物质水热转化为其他能源载体的反应器3，特别是用于在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化以产生合成气体的反应器3，该反应器3通过合成气体管线18连接到至少一个气体处理设备4。在优选的实施方案中，混合发电厂包括至少一个气体处理设备4、至少一个H2-储存器6和H2管线20，其中气体处理设备4通过H2管线20与H2-储存器6连接。在优选的实施方案中，混合发电厂包括至少一个气体处理设备4、至少一个CH4-储存器7和CH4管线19，其中气体处理设备4通过CH4管线19与CH4-储存器7连接。
在优选的实施方案中，混合发电厂包括另外的用于储存能源载体的储存器6 7 9，例如，用于储存能源载体几秒钟和几分钟的短期储存器。合适的短期储存器例如是用于储存利用可再生能源设备1 2产生的电力的电池8、蓄能器、振荡轮。在优选的实施方案中，混合发电厂包括至少一个电池8作为短期储存器，其中电池8通过电力管线17连接到PtX装置，特别是反应器3，可能连接到电解器10，可能连接到该地区的一个或多个能源消耗体15 16。
一个优选的实施方案，该混合发电厂包括
至少一个利用可再生能源发电的设备1 2，
至少一个用于生产氢气的电解器10，
至少一个生物质来源24，
至少一个用于将生物质热化学转化为合成气体的PtG装置，优选一个用于在排氧条件下将生物质超临界水热转化为合成气体(＝其他能源载体)的反应器3，特别是PCT/EP2021/069848中描述的反应器3，
至少一个气体处理设备4，包括从产生的合成气体中分离H2的装置，以及包括从产生的合成气体中分离CH4的装置，以及可选的至少一个甲烷化设备5，
至少三个用于储存三种不同的能源载体的储存器6 7 9，优选至少一个H2-储存器6作为中期储存器，至少一个CH4-储存器7作为长期储存器，至少一个短期储存器，例如电池8，
优选至少一个用于从储存的能源载体13 14回收电力的设备，
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与该地区的一个或多个能源消耗体15 16相连，至少一个利用可再生能源发电的设备1 2与至少一个电解器10相连，以及至少一个利用可再生能源12发电的设备1 2与反应器3相连，并且
其中，该地区至少有一个能源消耗体15 16生产生物质，反应器3与该地区生产生物质的至少一个能源消耗体15 16相连，或者该地区包括至少一个其他的生物质来源24，反应器3与该地区包含的其他的生物质来源24相连，
或者，该地区的至少一个能源用户15 16生产生物质，该地区包括至少一个其他的生物质来源24，并且反应器3与该地区的至少一个生产生物质的能源用户15 16和该地区的其他生物质来源24相连，以及
其中，反应器3与气体处理设备4相连，用于储存氢气的气体处理设备4通过H2管线20与H2-储存器6相连，用于储存甲烷的气体处理设备4通过CH4管线19与CH4-储存器7相连，
其中，用于储存产生的氢气的电解器10通过H2管线20与H2-储存器6相连，
其中，用于储存所产生的电力的电池8通过电力管线17连接到至少一个利用可再生能源产生电力的设备1 2，并且
其中，至少一个利用可再生能源产生能量的设备1 2以向反应器3提供能量，该设备通过电力管线17连接到反应器3，并且其中优选用于向反应器3提供能量的电池8通过电力管线17连接到反应器3，并且
其中，至少一个CH4-储存器7和可选的至少一个H2-储存器6连接到至少一个用于从储存的能源载体13 14回收电力的设备，以从储存的能源载体(H2、CH4)产生电力，并且
其中，优选至少一个用于从储存的能源载体13 14回收电力以向反应器3供应能源的设备通过电力管线17连接到反应器3，并且
其中，优选至少一个用于从储存的能源载体13 14中回收电力以向该地区内的能源消耗体15 16供应能源的设备通过电力管线17与能源消耗体15 16连接。
根据本发明的混合发电厂使用可再生能源来发电。可再生能源包括，例如，太阳能、风力(风能)、水电能、生物质能和地热能。为了利用可再生能源发电，混合发电厂包括至少一个利用可再生能源发电的设备。来自太阳能的电力可以由例如光伏(PV)发电设备产生，来自风能的电力例如由风力发电设备产生，来自水的电力例如通过水力发电设备产生。相应的设备是已知的。在特定的实施方案中，混合发电厂包括至少两个利用可再生能源发电的设备。混合发电厂可以包括两个以上，例如三个、四个或更多的利用可再生能源发电的设备。这些设备可以使用相同或不同的可再生能源。在特定的实施方案中，混合发电厂包括至少两个不同的设备，用于利用同一可再生能源中发电。在特定的实施方案中，混合发电厂包括至少两个利用两种不同的可再生能源发电的设备。在优选的实施方案中，混合发电厂包括至少两个不同的设备，用于利用两种不同的可再生能源发电。例如，混合发电厂包括至少一个太阳能发电设备1和至少一个水电发电设备，或至少一个太阳能发电设备1和至少一个风能发电设备2，或至少一个水电发电设备和至少一个风能发电设备2。
在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括太阳能发电设备1和风能发电设备2。混合发电厂中每个利用可再生能源发电设备可以包括一个或多个利用可再生能源发电的元件，例如，风力发电设备可以包括一个或多个风力涡轮机。相应的太阳能发电设备1和风能发电设备2是已知的，可以根据该地区和能源消耗体15 16的地理位置，以及根据在特定时段供应该地区和能源消耗体15 16的能源需求所需的能源量来选择。
在优选的实施方案中，混合发电厂包括两个、三个或更多的PtX装置，用于将利用可再生能源1 2产生的电力转换为其他能源载体。这将可再生能源的发电与能源自给单位的其他部门，即混合发电厂和该地区的一个或多个能源消耗体15 16耦合起来。在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括两个、三个或更多的PtG装置，用于将利用可再生能源产生的电力转化为气体。
在特别优选的实施方案中，该混合发电厂包括电解器10,用于电解水，优选PEM-电解器(PEM＝质子交换膜)或一个或多个PEM-电解池堆(“PEM堆”)。在特别优选的实施方案中，混合发电厂包括一个或多个PEM电解器，优选一个或多个PEM电解池堆，用于将水和可再生能源产生的电转化为H2。电解器10例如PEM电解器或PEM电解池堆将水和产生的电转化为能源载体H2，由此产生的H2被用作能源供应者,例如，用于H2-车辆，或者可以作为库存储存(例如，在H2-中压储存器)，或者H2可以转化为能源载体CH4，以便长期储存(甲烷化)。
一个优选的实施方案，该混合发电厂包括
至少一个利用太阳能发电的设备1和/或至少一个利用风能发电的设备2,
至少一个用于将生物质热化学转化为其他能源载体的PtG装置，优选用于将生物质在排氧条件下超临界水热转化为合成气体的反应器3，优选EP20186443.6中所述的反应器3，特别是PCT/EP2021/069848中所述的反应器3,
至少一个用于将来自可再生能源的电力转化为氢气的第二PtG装置，优选至少一个电解器10，特别是至少一个PEM电解器，特别优选至少一个用于生成氢气的PEM电解池堆,
至少一个气体处理设备4，该气体处理设备4包括从合成气体中分离H2的装置、从合成气体中分离CH4的装置，以及一个甲烷化设备5，
多个储存器，其中至少一个储存器是H2-储存器6，至少一个储存器是CH4-储存器7，至少一个储存器是电池8，
其中，电解器10通过H2管线20与H2储存器6连接，
其中，用于将生物质热化学转化为其他能源载体的PtG装置，特别是反应器3，通过合成气体管线18与气体处理设备4连接，
其中，气体处理设备4，优选是甲烷化设备5通过CH4管线19与CH4-储存器7连接，
其中，电池8通过电力管线17连接到用于将生物质热化学转化为其他能源载体的PtG装置，特别是反应器3，并且其中电池8通过电力管线17连接到第二PtG装置，优选是电解器10，特别是PEM电解器，尤其优选是一个或多个PEM电解池堆，并且其中电池8通过电力管线17连接到该地区的一个或多个能源消耗体15 16。
其他能源载体，例如甲烷或甲烷-氢气混合物，可以被重新转换，以向能源自给自足的单元或该地区的一个或多个能源消耗体15 16提供能源。根据本发明的混合发电厂优选包括一个或多个从储存的能源载体13 14回收电力的设备，优选从气态能源载体回收电力的设备。相应的回收电力的设备是已知的。在优选的实施方案中，混合发电厂包括从甲烷或甲烷-氢气混合物中回收电力的设备。在优选的实施方案中，混合发电厂包括用于回收电力的燃气发动机和/或燃气涡轮机13和/或燃料电池14。
在混合发电厂的优选实施方案中，来自可再生能源的电力和/或来自能源载体的电力的回收，这些电力先前已经由利用可再生能源发电的设备1 2产生并在必要时被储存，被用于向混合发电厂供应能量，例如用于生物质的热化学转化，例如用于在反应器3中压缩和加热生物质和/或用于操作电解器10。混合发电厂可包括用于储存所有过程中产生的废热的热储罐9，并可包括用于为该地区的能源消耗体15 16提供热量，例如供暖、水加热的热泵11。利用可再生能源发电的设备、PtX装置、反应器3、气体处理厂4、能量储存和回收电力的设备在混合发电厂中被适当地布置和相互连接。
能源自给自足单位除了包括该地区的一个或多个能源消耗体15 16之外，还可以包括其他能源消耗体(例如，电动汽车或H2-车辆的加气站)，这些能源消耗体由本发明的混合发电厂产生的电力或其他能源提供动力。
混合发电厂可包括与天然气网络12的连接，以便将多余的CH4馈入天然气网络12。在混合发电厂中产生的、不需要为能源自给自足单元提供动力的CH4可被馈入天然气网络12。混合发电厂中产生的CH4是生物甲烷，因为它完全由可再生能源产生。多余的生物甲烷也可以作为化学工业的原材料。过剩的氢气可以作为H2-驱动汽车的燃料。混合发电厂或能源自给自足单元可包括专门的拖车加气站25、服务储罐26、公共储罐27。来自可再生能源的剩余电力可以输入电网或作为电动车(E-Auto)的燃料。为此，混合发电厂或能源自给自足单元可包括与电网和/或电力加油站的连接。因此，根据本发明的混合发电厂或能源自给自足单元，除了对该地区的能源消耗体15 16的能源供应和混合发电厂的能源供应外，还有助于能源供应和实施完全基于可再生能源的全国性能源供应。
混合发电厂用于自给自足的能源供应，最好位于包括一个或多个能源消耗体1516的待供应的地区附近。
“自给自足的能源供应”是指包括一个或多个能源消耗体15 16的地区的能源供应在白天、晚上和一年的任何时候都由混合发电厂完全覆盖。包括一个或多个能源消耗体1516的地区的能源供应包括照明、供暖、制冷、热水、各种技术设备所需的电力，例如，家庭、办公室、娱乐和花园设备。如果需要，可以从外部提供生物质，以实现自给自足的能源供应。如果该地区可用的或可处理的生物质不足以完全满足白天、晚上或一年中任何时间的能源供应，则可能需要供应生物质。
生物质来源24是混合发电厂中作为原料(＝原料)用于生物质热化学转化的PtX装置，优选PTG装置，特别是反应器3中的生物质储库。生物质来源24，例如可以包括生物质，其中生物质选自污泥、污水污泥、生物垃圾、来自沼气厂的废物、水性有机废物、工业废物、城市废物、动物废物、农业废物、花园废物、动物粉、蔬菜废物、果渣、粉煤灰、污水污泥粉煤灰、食品工业废物、钻井泥、消化液、粪便和废水，如工业废水。固体有机废物也可以作为生物质，例如，纸张、纸板、塑料、食物残渣、花园废物和其他来自有机废物垃圾桶的废物。固体有机废物通过切割或粉碎设备，并用水或水溶液稀释。
在优选的实施方案中，根据本发明的混合发电厂包括至少一个用于粉碎生物质中所包含的固体的设备。在优选的实施方案中，至少一个用于粉碎的设备设置在生产生物质的地区的能源消耗体15 16和反应器3之间。
优选的是，作为原料的生物质是可泵送的。生物质在用作反应器3中的反应物之前，可能需要被稀释。优选的是，如果有必要，稀释后的生物质具有较高的水含量，例如至少80重量％的水，优选至少85重量％的水，优选至少86重量％的水，特别优选87重量％至88重量％的水。
在优选的实施方案中，根据本发明的混合发电厂包括至少一个用水稀释生物质的设备，以产生可泵送的生物质(即按重量计至少包括80％的水)。在优选的实施方案中，至少有一个用于稀释的设备被安排在生产生物质的地区的能源消耗体15 16和反应器3之间。
生物质来源24可以是该地区产生的废物，例如来自住宅楼15的居民的生物废物，或者生物质来源24可以作为该地区的储备存在，或者可以从外部重新生长或供应，例如(花园)废物、动物厩舍的粪便或在该地区或能源自给自足单元附近产生的污水污泥。在特定的实施方案中，生物质来源24由其他地区的生物质供应，例如，在其他地区产生的、不能在那里处理或回收的生物质，如污水污泥或粪便。在这些情况下，混合发电厂可以作为其他地区的生物垃圾处理厂运行，这是一个额外的优势。
该生物质包括含碳化合物，例如有机成分和/或塑料。该生物质还可以包含不同数量的无机成分，如沙子、金属和重金属或金属离子、金属盐、金属氧化物、重金属离子、重金属盐、重金属氧化物、磷、氧化磷、磷酸盐、氮、氮氧化物、铵。这些物质都是有价值的材料。从生物质中回收这些有价值的物质是有利的。在优选的实施方案中，混合发电厂包括反应器3，该反应器包括在水热气化之前或期间从生物质中分离和回收存在于生物质中的有价值物质的装置。EP 3 434 382 B1和PCT/EP2018/000355中描述了在无氧条件下进行超临界水热气化的合适PtX装置，EP20186443.6和PCT/EP2021/069848中描述了合适的反应器3。在其中公开的PtX装置和反应器3中，在对生物质进行超临界水热气化之前，有价值的材料在高达550摄氏度的温度下从压缩到25至35兆帕的生物质中分出一个或多个部分，最好分出三个部分。优选是先将压缩的生物质加热到200至300摄氏度，并分离出富含固体的部分，然后将压缩的生物质加热到300至400摄氏度，并分离出富含金属盐的部分，然后将压缩的生物质加热到400至550摄氏度，并分离出富含磷酸盐和铵的部分。另外，有价值的材料可以分出一个或两个部分，或分出三个以上的部分。在分离出的一个或多个部分中，有价值的材料被富集，例如，磷作为磷酸盐，氮作为铵，金属作为金属离子盐，硅作为沙。根据实施方案，生物质中包含的有价值的材料可以在一个或多个部分中分离出来，并被送入一个循环过程。混合发电厂或能源自给自足装置可以包括用于储存从生物质中分离出来的有价值材料的容器。因此，根据本发明的混合发电厂也完成了从生物质中回收有价值材料的任务。
在特别优选的实施方案中，该混合发电厂包括一个用于在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化的反应器3，其中压缩的生物质被加热至550摄氏度，在无氧条件下对生物质进行超临界水热气化之前，现有的有价值的材料被分离。在分离出有价值的材料后，将压缩的生物质加热到600至700摄氏度，据此，生物质在超临界水中在氧气排除下热化学气化成合成气体，其中产生的合成气体溶解在超临界水中，主要由甲烷、氢和二氧化碳组成。EP 3 434 382 B1和PCT/EP2018/000355中描述了在无氧条件下超临界水热气化生物质的相应工艺。
为了将生物质压缩到25至35兆帕，根据本发明的混合发电厂或根据本发明的能源自给自足单元可以包括至少一个高压泵。在优选的实施方案中，根据本发明的混合发电厂包括至少一个高压泵，用于将可泵送的生物质(即至少包括80重量％的水)压缩到25至35兆帕。优选地，至少一个高压泵位于生物质来源24和反应器3之间。优选地，至少一个高压泵位于该地区的能源消耗体15 16与反应器3之间，或位于生产生物质的地区的能源消耗体1516与反应器3之间。在包括稀释设备的混合发电厂的实施方案中，优选地，至少一个高压泵设置在稀释设备和反应器3之间。在包括粉碎设备的混合发电厂的实施方案中，至少一个高压泵优选设置在粉碎设备和反应器3之间。在该地区包括至少一个其他的生物质来源24的实施方案中，混合发电厂优选包括至少一个其他的高压泵，其他的高压泵优选设置在其他的生物质来源24和反应器3之间。
优选的是，混合发电厂包括至少一个高压泵，用于将生物质压缩到25至35兆帕，
其中，至少一个高压泵设置在生产生物质的地区的至少一个能源消耗体15 16和反应器3之间，或者
其中，至少一个高压泵位于该地区内包含的其他的生物质来源24和反应器3之间，或者
其中，至少一个高压泵位于生产生物质的地区的能源消耗体15 16和反应器3之间，并且其中至少一个高压泵位于在该地区内包含的其他的生物质来源24和反应器3之间，或者
其中，至少一个高压泵设置在稀释设备(如果有)和反应器3之间，或者
其中，至少一个高压泵位于粉碎设备(如果有)和反应器3之间
混合发电厂或能源自给自足单元可以包括其他组件，例如EP20186443.6和PCT/EP2021/069848中提到的用于相应的反应器3和设备的组件。
地理术语“地区”指的是地球表面在空间上(通常)连续的表面或地区，它也可以延伸到第三维。"地理单位"代表一个以邮政单位为基础的地理地区。该地区作为由根据本发明的混合发电厂供应能源的地区的空间结构的基础。例如，地区是指国家、州、市、区、街道、县、地区、行政区等。根据本发明，地区包括一个或多个能源消耗体。能源消耗体是，例如，一个或多个建筑物(＝建筑)，例如，一个或多个住宅楼15，例如单独的房屋，如单户住宅、多户住宅、半独立式住宅、排屋、高层建筑和住宅楼群，商店，如购物区或购物中心，体育设施，如体育场馆或体育俱乐部，住宿建筑，如酒店、度假胜地、露营场所、餐饮机构、娱乐和游乐园、行政大楼、工业设施，如制造厂、矿井16、车间、厂房、办公楼、仓库、农业作业，如马厩和温室，保健建筑，如医院，运输作业，如机场、海港、铁路站。为了本发明的目的，该地区可以包括一个或多个作为能源消耗体的建筑物或结构。例如，该地区可以包括作为能源消耗体的住宅楼15和/或住宅楼15以外的建筑集合，例如城市、区、街道、村庄、地区。该地区可能包括其他能源消耗体，例如街道照明、供水用泵。
能源自给单元的一个实施方案涉及能源自给的建筑，特别是能源自给的住宅楼15，其中该地区包括一个或多个建筑，例如一个住宅楼15或几个住宅楼15作为能源消耗体和包括根据本发明用于自给能源供应的混合发电厂。
能源自给单位的一个实施方案涉及能源自给的村庄或城镇，其中该地区包括作为能源消耗体的村庄或城镇和包括根据本发明用于自给能源供应的混合发电厂。
能源自给装置的一个实施方案涉及一种能源自给的工业设备，该地区包括作为能源消耗体的工业设备，如矿井16，以及包括根据本发明的用于自给能源供应的混合发电厂。
在这种情况下，通过混合发电厂中的各个设备、反应器3和各个设备的部门耦合，以及通过混合发电厂与地区内的能源消耗体15 16的连接，实现来自可再生能源的电力的自给自足的能源供应。利用可再生能源发电的设备和该地区的能源消耗体耦合起来以交换能源载体。利用可再生能源发电的设备和PtX装置相互耦合，例如，利用可再生能源发电的设备与热泵11耦合，与用于将生物质热化学转化为其他能源载体的PtX装置，特别是反应器3，与PtG装置，特别是用于将可再生能源的电力转化为氢的电解器10耦合。优选的是，能源自给自足单元中的PtX设备相互耦合，用于将产生的和储存的能源载体相互转换，并能够在混合发电厂的不同位置以及为该地区和能源自给自足单元的每个能源消耗体使用能源载体进行能源供应。优选的是，储存器彼此相连，与PtX装置相连，并与用于从储存的能源载体回收电力的设备(如果有的话)相连。利用可再生能源发电的设备、PtX装置和热泵11(如果存在)与地理单元耦合。其他的耦合方式也是可能的，可以单独进行设计。相应的耦合和PtX装置对于技术人员来说是已知的。
混合发电厂可以确保该地区的能源消耗体或能源自给自足单位的基本负荷能源。基本负荷是指电力网络上在一天内没有被削减的负荷。因此，基本负荷取决于考虑的日期(例如，季节性变化)、地区和所包括的能源消耗体(例如，住宅楼15或工业厂房的大小)、PtX设备的利用率等等因素。
通过混合发电厂，该地区的能源消耗体或能源自给自足的单元也可以根据需求获得能源供应。能源自给自足单元的按需供应是通过结合来自可再生能源的电力，以及必要时通过储存的能源(耦合)进行补充，例如，从储存的甲烷或甲烷-氢气混合物中回收电力来实现的。通过这种方式，即使在能源消耗的高峰期，也能确保向该地区或能源自给自足单元的能源消耗体提供充足和自给自足的能源。
本发明的特别优点是，该地区或能源自给自足单元的相关能源消耗体的能源供应独立于化石能源和核能能源。因此，小型和大型的能源自给自足的岛解决方案是可能的，例如，能源自给自足的建筑物、能源自给自足的公寓、能源自给自足的工业厂房、能源自给自足的村庄和能源自给自足的城市。能源成本可以保持稳定。同样地，处理成本也可以保持稳定。完全回收和转换或使用生物质使混合发电厂特别环保。另一个优点是对物流要求低。能源在其生成的地方被使用、转换、储存，并在需要时再重新转换为电力。这也最大限度地减少了因运输路线长而造成的能源损失。
混合发电厂或能源自给自足单元可以由例如基于消耗数据的能源管理系统控制。
混合发电厂的一个或多个部分可以设置在容器中。通过这种方式，混合发电厂可以作为整体交付，例如，设置在现有的包括一个或多个能源消耗体15 16的地区附近，用于能源供应，并与该地区的能源消耗体耦合，或设置在新开发的地区附近。
图1示出了一个能源自给自足的矿井16(＝能源自给自足单元)，包括根据本发明的混合发电厂和作为能源消耗体的矿井16。能源自给自足的矿井16包括储存生物质24的容器，该容器通过生物质管线23与用于将生物质热化学转化为其他能源的PtX装置相连。根据本发明，用于矿井16自给自足的能源供应的混合发电厂包括用太阳能发电的设备1(＝光伏发电设备)和风能发电的设备2(＝几个风力涡轮机)、反应器3、电解器10、气体处理设备4、H2-储存器6、CH4-储存器7、电池8、两个燃气涡轮机13。利用太阳能发电的设备1和利用风能发电的设备2通过电力管线17与矿井16、反应器3、电解器10、涡轮机13连接。反应器3通过合成气体管线18与气体处理厂4相连。H2-储存器6通过氢气管线20与气体处理设备4和电解器10相连。CH4-储存器7通过甲烷管线19与气体处理厂设备4、燃气涡轮机13和天然气网络12相连。利用太阳能发电的设备1、利用风能发电的设备2、燃气涡轮机13、蓄电池8为混合发电厂的运行和矿井16的自给自足供电提供电力。部门耦合是通过在PtX装置电解器10、反应器3、燃气涡轮机13中将来自可再生能源太阳能和风能的电力转换为其他能源载体来实现的。能源载体的短期储存是通过电池8以电力的形式进行，中期储存是通过H2-储存器6以氢气的形式进行，长期储存是通过CH4-储存器7以甲烷的形式进行。为了在混合发电厂中实现部门耦合，储存器通过适当的管线相互连接，即气体管线和电力管线17。混合发电厂通过电力管线17连接到矿井16。能源自给自足的矿井16包括用于氢动力汽车的拖车加气站25、服务储罐26和公共储罐27，它们通过氢气管线20与混合发电厂相连。
图2显示了一个能源自给自足的住宅楼15(＝能源自给自足的单元)，包括根据本发明的混合发电厂和作为能源消耗体的住宅楼15。根据本发明，用于住宅楼15的自给自足能源供应的混合发电厂包括太阳能发电的设备1(＝光伏发电设备)、反应器3、电解器10、气体处理设备4、甲烷化设备5、H2-储存器6、CH4-储存器7、热储罐9、电池8、燃料电池14、热泵11。利用太阳能发电的设备1通过电力管线17与住宅楼15、反应器3、电解器10、热泵11连接。反应器3通过合成气体管线18与气体处理设备4相连。H2-储存器6通过氢气管线20与气体处理设备4、甲烷化设备5、电解器10连接。CH4-储存器7通过甲烷管线19与气体处理设备4、甲烷化设备5、燃料电池14和天然气网络12相连。利用太阳能发电的设备1、燃料电池14、电池8为混合发电厂的运行和住宅楼15的自给自足能源供应提供电力。部门耦合是通过在电解器10、反应器3、燃料电池14中将来自可再生能源太阳的电力转化为其他能源载体而进行的。能源载体的短期储存是通过电池8以电力的形式进行储存，中期储存是通过H2-储存器6以氢气的形式进行储存，长期储存是通过CH4-储存器7以甲烷的形式进行储存。对于部门耦合，在混合发电厂中，储能设备通过适当的管线，即气体管线和电力管线17相互连接。混合发电厂通过电力管线17和热力管线22与住宅楼15连接。混合发电厂包括热储罐9，通过热力管线22与反应器3、电解器10、甲烷化设备5、热泵11相连，以尽可能地利用转换为其他能源载体时产生的废热。热储罐9与住宅楼15相连，这样，来自热储罐9的热量就可以用于例如为住宅楼供暖和/或为水加热。住宅楼15通过生物质管线23与反应器3相连。
实施例1：包括矿井16的能源自给单元
本实施例涉及能源自给自足的单元，包括作为地理单元的矿井16和用于向矿井16提供自给自足能源的混合发电厂。
传统矿井16的高能耗运营导致了高能源成本。此外，欧盟排放法规的不断修订导致NOx-和CO2-排放的限制越来越严格，对矿井16也不例外。为矿井16购买低排放或零排放的车辆是昂贵的。
矿井16每年的能源供应需求约为14GWh，基本负荷约为900kW，峰值负荷约为2800kW。通过两个风力发电厂和一个光伏发电厂，无法连续和按需为矿井16供应能源。由于存在风力不足和无光照的时段(无风和无太阳)，在仅利用来自可再生能源风能和太阳能的电力作为矿井16的能源的情况下，为了保证白天、夜晚和一年中任何时候的能源供应，必须添加化石能源。
根据本发明的混合发电厂可以自给自足地为矿井16提供能源，而能源只来自可再生能源。这使得矿井16独立于化石能源的消耗，并且实现了气候中和。用于矿井16自给自足的能源供应的混合发电厂包括两个利用风能发电的设备2(两个风力涡轮机)和一个利用太阳能发电的设备1(光伏发电设备)、反应器3，电解器10、气体处理设备4，包括将生成的合成气体分离成H2、CO2和CH4的装置，并包括甲烷化设备5，多个能源储存器，能源储存器包括作为长期储存器的CH4储存器7、作为中期储存器的氢气储存器6和作为短期储存器的电池8，还包括两个用于从甲烷回收电力的燃气涡轮机13。
可以对现有的矿井16进行补充，建立混合发电厂，该矿井已经包括风力发电和光伏发电设施。通过在现有的利用可再生能源发电的设备中增加一个用于超临界水热气化污水污泥的反应器3、电解器10、储存器、气体处理设备4和燃气涡轮机13，即使在风力不足和没有阳光的时期，也能确保矿区16的自给自足的能源供应。矿井16和混合发电厂形成了一个能源自给的单元。能源自给自足的单元包括与天然气网络12的连接，以及氢动力汽车的加气站，如拖车加气站25和H2动力汽车的矿内和公共加气站。
图1示出了能源自给自足的矿井16的优选实施方案。
能源自给自足的矿井16可以使矿井16中的车经济有效地转换为矿井16零排放的氢动力汽车，因为在能源自给自足的单元中可以实现氢气的自我供应。
用于在无氧条件下对污水污泥进行超临界水热气化的反应器也可用于回收污水污泥。根据EP20186443.6和PCT/EP2021/069848，用于在无氧条件下超临界水热气化污水污泥的反应器，例如，其对污水污泥的吞吐能力为每年37公吨。在这个过程中，以能源为载体的污水污泥被转化为以能源为载体的合成气体，同时，有价值的材料或原料从污水污泥中被回收。能源自给自足的矿井16可以包括一个或多个用于储存生物质24如污水污泥的储罐。
在能源自给自足的矿井16中，通过自己产生“绿色”电力并将污水污泥加工成能源载体、营养物质和原材料，成本得以降低，并挖掘出额外的收入来源。矿井16的自给自足的能源供应也导致了EEG税的取消。矿区16号自给自足的能源供应的价格是稳定的，长期能源成本规划是可能的。CO2和氮氧化合物的排放得到减少或避免。在能源自给自足的矿井中，矿井16的车辆队列可以转换为依靠可再生能源的H2(＝绿色氢气)驱动的矿井车辆。氢气可用于为以H2为燃料的矿车提供燃料，必要时还可用于为其他H2为燃料的车辆或H2为燃料的机器提供燃料。这解决了长期存在的地下排放问题。剩余的氢气可以通过H2-加气站出售给第三方。为此，能源自给自足的矿井16可以包括一个或多个拖车加气站25和/或一个或多个H2-加气站。
混合发电厂可包括用于生产生物甲烷(CH4)的CH4-储存器7。在一个优选的实施方案中，混合发电厂包括一个或多个CH4-储存器7，例如，8个储罐作为压缩气体存储，每个储罐有115m3，用于存储压力高达80巴的CH4。这8个储罐储存的能源载体CH4，作为长期供应，可以保证矿井16的能源供应5天。
混合发电厂可包括生成的生物氢(H2)的储存器。在一个优选的实施方案中，混合动力发电厂包括一个或多个H2-储存器6，例如，11个储罐作为压缩气体储存器，每个储罐有115m3，用于储存压力高达40巴的H2。这11个储罐作为中期储存，储存未来几小时或几天所需的能源载体H2，为矿井和车队提供能源。储罐还储存将被出售的氢气。
为了从储存的能源载体中回收电力，该混合发电厂包括总共9个涡轮机13，它们根据需要将储存的能源载体CH4或储存的能源载体CH4和H2的混合物转化为能源载体电力。产生的甲烷也可以被输入天然气网络12。为此，能源自给自足的矿井16可以包括一条或多条管线，将CH4-储存器7与天然气网络12连接起来。
实施例2：能源自给自足的住宅楼15
本实施例涉及包括作为能源消耗体的住宅楼15和用于住宅楼15的自给自足能源供应的混合发电厂的地区。该混合发电厂包括利用可再生能源发电的设备，优选光伏发电设备、反应器3，优选根据EP20186443.6，特别是根据和PCT/EP2021/069848的生物质超临界水热气化的反应器3、电解器10、气体处理设备4、燃料电池14、热泵11和四个不同的储存器，即甲烷储存器7，氢气储存器6，电池8，热储罐9。住宅楼15有30套公寓，可容纳约80名居民。每年的能源供应需求约为95,000千瓦时。
该住宅楼15的操作理念是基于光伏系统的电力能源供应。光伏系统每年可产生约118,000千瓦时的电力，即每年比住宅楼15所需的能源供应多约25,000千瓦时的电力。在3月至9月，光伏系统产生的能量超过了消耗的能量(超过供应)。另一方面，在10月至2月，光伏系统产生的电量不足以满足住宅楼15的需求(供应不足)。此外，大部分的电力是在中午产生的，而在早上和晚上没有产生电力。在早上、晚上、夜间和10月至2月，住宅楼15无法通过太阳能发电充分供应能源，尽管一年中太阳能产生的总电量足以满足自给自足的能源供应。
根据本发明的混合发电厂可以确保在白天、晚上和一年中的任何时候的为住宅楼15能源供应，并完全自给自足地供应住宅楼15的能源，而无需使用化石能源，即实现能源自给自足和气候中和。
用于住宅楼15自给自足的能源供应的混合发电厂包括用太阳能发电的设备1、用于在排除氧气的情况下超临界水热气化生物质的反应器3，该生物质是由住宅楼15或居民产生的，反应器优选是根据PCT/EP2021/069848的反应器3，其中在超临界水热气化之前，将生物质中含有的有价值物质至少分成三部分，
第二PtX装置，即电解器10，气体处理设备4，气体处理设备包括将生产的合成气体分离为H2、CO2和CH4的装置和甲烷化设备5，多个储存器，包括作为长期储存器的CH4-储存器7、作为中期储存器的氢气储存器6和作为短期储存器的电池8，
两个从甲烷中回收电力的燃料电池14、粉碎含碳废物的装置，以及稀释含碳废物的装置。
现有的住宅楼15，已经包括一个光伏系统、热泵11和一个热储罐9，可以加建混合发电厂。通过在现有的利用可再生能源发电的设备中增加一个用于在无氧条件下对含碳废物进行超临界水热气化的反应器、电解器10、储存器、气体处理设备4和燃料电池14，即使在无风和无光照时期也能保证住宅楼15的自给自足的能源供应。能源自给自足的住宅楼15包括与天然气网络12的连接，可以包括氢动力汽车的加气站。产生的氢气可用于为居民的H2-动力汽车加气或出售，例如通过H2-加气站。
在反应器中，优选使用住宅楼15的居民的含碳废物(＝有机废物)作为原料(原材料)。居民的有机废物包括，例如，纸张、纸板、塑料、食物残渣、花园废物和其他来自有机废物垃圾桶的废物。每个居民每年产生约300公斤的有机废物。含碳的垃圾被粉碎并用水稀释。为此，该混合发电厂包括粉碎含碳废物的装置和稀释粉碎后的含碳废物的装置。在超临界水热条件下，经粉碎、稀释的含碳废物在反应器3中被转化为合成气体。在这个过程中，有价值的材料和营养物质在25至35兆帕的压力和高达550摄氏度的温度下从粉碎的、稀释的含碳废物中分离出来，然后转化为溶解在超临界水中的合成气体。混合发电厂可包括用于储存分离出的有价值材料和营养物质的容器。
混合发电厂包括一个气体处理设备4，用于将主要由CH4、H2和CO2组成的合成气体分离成其各个组成部分。混合发电厂包括一个甲烷储存器的储存器7。如果需要，由气体处理设备生产的甲烷或储存在储罐中的甲烷可由燃料电池14转换回电力。当光伏系统产生的电力不足以供电时，甲烷被用于住宅楼15，向住宅楼15、热泵11和反应器供电。
不立即需要的产生的热量可以储存在热储罐9中，并在需要时用于向住宅楼15供应能源，特别是供暖和/或热水。从所有过程中产生的废热也可以储存在热储罐9中，用于向住宅楼15供热。为此，混合发电厂包括热储罐9和电动热泵11。
包括住宅楼15在内的地区的能源供应是CO2-中和的。能源成本是稳定的。含碳废物的处理费用被消除。
来自光伏系统的剩余电力被用于操作反应器3。此外，来自光伏系统的发电量被用来操作电解器10。为此，混合发电厂包括电解器10，它由来自可再生能源的电力驱动，并将多余的电力转化为氢气。利用PtX装置将一种能源载体转换为另一种能源载体、能源载体的储存、气体处理和反向发电的控制可以由能源管理系统根据消费数据进行控制。
如图2所示，在一个优选的实施方案中，住宅楼15、光伏系统、反应器3、气体处理设备4、电解器10、燃料电池14、甲烷储存器7、氢气储存器6、热泵11和热储罐9在能源自给自足单元中设置并相互连接。
在一个优选的实施方案中，混合发电厂包括第一容器，其中第一容器包括电解器10、燃料电池14和氢气储存器6。例如，第一容器的尺寸为12米×2.5米×3米。优选地，混合发电厂包括第二容器，第二容器包括反应器和气体处理单元4。例如，第二容器的尺寸为12米×2.5米×3米。例如，混合发电厂中的甲烷储存器7是一个尺寸为2.8米(直径)×21米(长度)的储罐。例如，混合发电厂中的热储罐9是一个尺寸为2.8米(直径)×21米(长度)的储罐。在一个优选的实施方案中，混合发电厂包括一个尺寸为2.8米(直径)×21米(长度)的第二储罐作为热储罐9。在一个优选的实施方案中，能源自给单元包括一个用于储存生物质，特别是储存有机废物的储罐。
附图标记清单
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Claims (10)

1.用于在包括一个或多个能源消耗体(15)(16)和一个或多个生物质来源(24)的地区中的自给自足能源供应的混合发电厂，包括
一个或多个利用可再生能源发电的设备(1)(2)，
优选地，至少一个用于生成氢气的电解器(10)，
至少一个用于将生物质热化学转化为其他能源载体的反应器(3)，
一个或多个用于储存能源载体的储存器(6)(7)(9)，
至少一个用于从储存的能源载体(13)(14)中回收电力的设备，
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备(1)(2)与所述地区的一个能源消耗体(15)(16)相连，以便向一个能源消耗体供应能源，或者其中至少一个利用可再生能源发电的设备(1)(2)与所述地区的多个能源消耗体(15)(16)相连，以便向多个能源消耗体供应能源，以及
其中，如果混合发电厂包括至少一个电解器(10)，则至少一个利用可再生能源发电的设备(1)(2)与至少一个电解器(10)相连，用于将从可再生能源产生的电力转化为能源载体氢气，并且
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备(1)(2)与反应器(3)相连，用于将生物质和从可再生能源产生的电力转化为其他能源载体，以及
其中，反应器(3)与至少一个能源载体的储存器相连，用于储存由生物质转换产生的和由再生能源电力转换产生的另一种能源载体，并且
其中，选择生物质来源(24)，或者，如果生物质存在，多个生物质来源(24)选自：
至少一个生产生物质的地区的能源消耗体(15)(16)，或者
所述地区的至少一个其他的生物质来源(24)，或者
至少一个生产生物质的能源消耗体(15)(16)和所述地区的至少一个其他的生物质来源(24)，和
其中
反应器(3)与生产生物质的地区的至少一个能源消耗体(15)(16)相连，或者
反应器(3)与所述地区的至少一个其他的生物质来源(24)相连，或者
反应器(3)与生产生物质的地区的至少一个能源消耗体(15)(16)相连，并与所述地区的至少一个其他生物质来源(24)相连。
2.根据权利要求1所述的混合发电厂，其中，所述地区的一个或多个能源消耗体(15)(16)选自建筑物，例如房屋，例如单户房屋、多户房屋、半独立式房屋、排屋、高层建筑、住宅楼(15)、住宅楼群、商店、购物区和购物中心、体育设施，例如体育场馆、住宿建筑，例如旅馆、度假村、露营地、餐馆等餐饮场所、游乐场和主题公园、行政建筑、制造厂等工业场所、矿井16、车间、厂房、办公楼、仓库、公用设施、马厩和温室等农业场所、医院等保健建筑、机场、海港、铁路站等交通场所。
3.根据权利要求1或2所述的混合发电厂，包括至少一个利用水稀释生物质的设备和可选的至少一个粉碎生物质中可能含有的固体的设备，其中
所述至少一个稀释生物质的设备位于生产生物质的地区的至少一个能源消耗体(15)(16)和反应器(3)之间，或者
所述至少一个稀释生物质的设备位于所述地区内的至少一个其他生物质来源(24)和反应器(3)之间，或者
所述至少一个稀释生物质的设备位于生产生物质的地区的能源消耗体(15)(16)和反应器(3)之间，并且所述至少一个稀释生物质的设备位于所述地区内的至少一个其他的生物质来源(24)和反应器(3)之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的混合发电厂，包括至少一个高压泵，所述高压泵用于将生物质压缩到25至35兆帕，其中
所述至少一个高压泵位于所述生产生物质的地区的能源消耗体(15)(16)和所述反应器(3)之间，或者所述至少一个高压泵位于所述地区内的至少一个其他的生物质来源(24)和反应器(3)之间，或者
所述至少一个高压泵位于生产生物质的地区的能源消耗体(15)(16)和反应器(3)之间，并且所述至少一个高压泵位于所述地区内的至少一个其他生物质来源(24)和反应器(3)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的混合发电厂，其特征在于，所述反应器(3)是用于在无氧条件下将生物质压缩到25至35兆帕的超临界水热气化的反应器，并且其中所述反应器(3)包括围绕第一压力空间的可密封的内壳，并且其中所述反应器(3)在所述内壳中包括
(a)分离区，所述分离区包括至少一个用于将压缩生物质加热到550摄氏度的热交换器和至少一个用于从压缩生物质中分离固体物质、金属盐、磷酸盐和铵的分离器；以及
(b)加热区，所述加热区用于将根据(a)分离后的压缩生物质加热到600至700摄氏度，包括合成气体管线，和
(c)停留区，所述停留区在加热到600至700摄氏度后对压缩的生物质进行超临界水热气化，包括所述合成气体管线，
包括，
其中，优选地，分离区、加热区和停留区在反应器(3)中被排列成直立柱状，
并且其中，反应器(3)包括围绕内壳的外壳，并包括内壳和外壳之间的第二压力空间，
其中，合成气体管线在部分加热区或整个加热区与内壳形成环形间隙，加热区的环形间隙至少部分地具有小于30毫米的直径，
其中，一个或多个加热元件设置在加热区环形间隙周围的第二压力空间内，用于将加热区的压缩生物质加热到600至700摄氏度，以及
其中，至少一个利用可再生能源发电的设备(1)(2)与第二压力空间的加热元件相连，第二压力空间的加热元件利用可再生能源的电力加热，用于在加热区将压缩的生物质加热到600至700摄氏度，并在反应器(3)的停留区排除氧气的情况下对压缩的生物质进行超临界水热气化，将生物质和利用可再生能源生成的电力转换为合成气体，或
至少一个利用可再生能源发电的设备(1)(2)与第二压力空间内的多个加热元件相连，第二压力空间内的加热元件通过来自可再生能源的电力加热，用于将加热区域内的压缩生物质加热到600至700摄氏度，并在反应器(3)的停留区域内无氧情况下对压缩生物质进行超临界水热气化，将生物质和利用可再生能源的生成的电力转换成合成气体。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的混合发电厂，包括至少两个用于储存能源载体的储存器(6)(7)(9)，并可选包括一个气体处理设备(4)，
其中，至少一个用于储存能源载体的储存器是用于长期储存能源载体的甲烷储存器(CH4-储存器)(7)，并且其中反应器(3)与至少一个用于储存通过生物质热化学转化产生的甲烷的CH4-储存器(7)相连，以及其中，如果合适的话，气体处理设备(4)位于反应器(3)和至少一个CH4-储存器(7)之间，用于将甲烷与通过生物质热化学转化产生的其他能源载体分离、特别是用于从通过在无氧条件下将生物质压缩到25至35兆帕的超临界水热气化产生的其他能源载体中分离甲烷，并且
其中，CH4-储存器(7)与至少一个用于从储存的能源载体(13)(14)中回收电力的设备相连，并且其中用于回收储存的能源载体(13)(14)的设备与所述地区包括的至少一个能源消耗体(15)(16)相连，用于向所述地区的至少一个能源消耗体(15)(16)提供重新转化的甲烷的电力。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的混合发电厂，包括至少一个用于能源载体氢气的储存器(H2-储存器)(6)、一个气体处理设备(4)和可选的一个甲烷化设备(5)，其中，电解器(10)与用于储存利用可再生能源的电力生产的氢气的H2-储存器(6)相连，并且其中H2-储存器(6)与气体处理设备(4)相连，气体处理设备用于对由生物质产生的和由可再生能源的电力生产的其他能源载体进行加氢，或对生产的其他能源载体的一部分进行加氢，以及其中，如果存在甲烷化设备，甲烷化设备(5)与H2-储存器(6)、气体处理设备(4)和CH4-储存器(7)相连，用于生产甲烷，以及其中H2-储存器(6)可选地与一个或多个氢气消耗体(25)(26)相连，用于向一个或多个氢气消耗体(25)(26)供应氢。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的混合发电厂，包括至少一个热储罐(9)，其中至少一个热储罐(9)与电解器(10)相连，并与反应器(3)相连，如果存在甲烷化设备，热储罐与甲烷化设备(5)相连，用于储存多余的热量，并且其中热储罐(9)与所述地区的至少一个能源消耗体(15)(16)相连，并且其中所述混合发电厂可选地包括热泵(11)，所述热泵连接到利用可再生能源发电的设备(1)(2)，用于将余热转化为电能，并且其中热泵(11)连接到用于储存热量的热储罐(9)和所述地区的至少一个能源消耗体(15)(16)，用于向能源消耗体供热。
9.一种能源自给自足的单元，包括根据权利要求1至8中任一项所述的混合发电厂和能够自给自足地从混合发电厂获得能源的地区，并且其中所述地区包括一个或多个能源消耗体(15)(16)和一个或多个生物质来源(24)，并且其中至少一个能源消耗体(15)(16)是建筑物或工业厂房。
10.用于一个或多个能源消耗体(15)(16)的自给性电力供应的方法，其中一个或多个能源消耗体(15)(16)位于或连接到地区上，其中所述地区包括根据权利要求1至8任一项所述的自给性能源供应的混合发电厂，其中
使用一个或多个利用可再生能源发电的设备(1)(2)产生来自可再生能源的电力，使用从可再生能源中产生的电力或使用从可再生能源中产生的部分电力，
向所述地区的一个能源消耗体供电，或者
向所述地区的多个能源消耗体供电，
在混合发电厂包括至少一个电解器(10)的情况下，可再生能源产生的多余电力或可再生能源产生的部分多余电力用于操作至少一个电解器(10)以电解水并产生氢气，产生的氢气作为能源载体储存起来或以其他方式使用，
其中
所述地区的至少一个能源消耗体(15)(16)生产生物质，或者
所述地区包括至少一个其他的生物质来源(24)，或者
所述地区的至少一个能源消耗体(15)(16)生产生物质，并且
所述地区包括至少一个其他的生物质来源(24)，和
从可再生能源产生的过剩电力或从可再生能源产生的过剩电力的一部分用于操作反应器(3)，用于将生物质热化学转化为其他能源载体，优选用于在无氧条件下将生物质压缩到25至35兆帕的超临界水热气化，用于将从可再生能源产生的过剩电力和来自该地区所包括的至少一个生物质源(24)的生物质转化为其他能源载体，优选用于转化为基本上由甲烷、氢和二氧化碳组成的合成气体，
产生的其他能源载体被储存，或者
产生的其他能源载体的一部分被分离和储存，或者
产生的其他能源载体的一部分被分离、氢化并储存，
如果使用一个或多个利用可再生能源发电的设备(1)(2)时，没有从可再生能源产生电能，或利用可再生能源发电的设备(1)(2)产生的电能不足以供应所述地区的能源消耗体(15)(16)，储存的能源载体被重新转化为电能，用储存的能源载体产生的电能向所述地区的一个能源消耗体或多个能源消耗体供电。
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