DE102022128800A1 - Eine Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur und deren Energiespeicherverfahren - Google Patents

Eine Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur und deren Energiespeicherverfahren Download PDF

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Yisong Han
Fang Tan
Xudong Peng
Lei Yao
Liangying Li
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Hangzhou Oxygen Plant Group Co Ltd
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Abstract

Eine Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur und deren Energiespeicherverfahren zum Lösendes Problems der diskontinuierlichen photovoltaischen Ressourcen und der widersprüchlichen Anforderung der kontinuierlichen Produktion von Wasserstoff, wobei die Vorrichtung ein vorgekühltes Wasserstoffverflüssigungssystem mit flüssigem Stickstoff, ein Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff-Wärmeaustauschsystem, ein Kaltenergiespeichersystem und ein Kaltenergienutzungssystem einer Lufttrennungsvorrichtung umfasst, wobei die Systeme in der vorliegenden Erfindung in hohem Maße gekoppelt sind, wobeidie maximale Nutzung von photoelektrischer erneuerbarer Energie durch die Form der Wasserstoffspeicherung realisiert werdenkann und die Energieverbrauchskosten für die Produktion und Nutzung von Öko-Wasserstoff während der Realisierung einer effizienten Energiespeicherung und Spitzenregulierungeffektiv reduziert werdenkönnen, dadurch ein Energiespareffekt erzielen wird und es eine gute Beförderungsaussichten aufweist.

Description

  • Technischer Bereich
  • Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der solaren erneuerbaren Energieerzeugung und Ökostrom-Wasserelektrolyse für die Wasserstoffproduktion, Energiespeicherung durch Wasserstoffverflüssigung, Wasserstoffenergie, und insbesondere auf eine Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur und deren Energiespeicherverfahren.
  • Hintergrundtechnik
  • Die erneuerbare Energie, die durch die Solarenergie repräsentiert wird, wird in hohem Maße von natürlichen Umweltfaktoren (Jahreszeit, Wetter) beeinflusst, und ihre Energiezufuhr und - abgabe im Stromerzeugungsprozess kann nicht wie bei der fossilen Energie genau gesteuert werden, mit Merkmalen wie großen Schwankungen, Diskontinuitäten, Zufälligkeiten und Unkontrollierbarkeit, was es schwierig macht, sie direkt an das Stromnetz anzuschließen und zu nutzen, was zu einem weitgehenden Verzicht auf die Stromerzeugung aus Photovoltaik führt. Daher ist die Frage, wie man die Leistungsschwankungen der Photovoltaik wirksam unterdrücken und die Verbrauchskapazität der Photovoltaik erhöhen kann, zu einem der wichtigsten technischen Engpässe geworden, die die groß angelegte Entwicklung der Photovoltaik behindern. Als Energiepuffer können Energiespeichersysteme die Schwankungen der photovoltaischen Leistung wirksam unterdrücken und den Verzicht auf die Stromerzeugung aus Photovoltaik und erzeugte, aber nicht genutzte Elektrizität verringern und werden eine immer wichtigere Rolle bei der Förderung der rationellen Nutzung erneuerbarer Energien spielen.
  • Aufgrund der ausgezeichneten Energiedichte, Energieeffizienz und Sauberkeit der Wasserstoffenergie sowie der Tatsache, dass Elektrizität, Atomenergie, Sonnenenergie, Windenergie und Wasserenergie zur Speicherung, zum Transport oder zur direkten Nutzung in Wasserstoff umgewandelt werden können, gilt Wasserstoff als der beste kohlenstoffneutrale Energieträger und wird eine Schlüsselrolle bei der „Dekarbonisierung“ spielen. Wasserstoff kann in großem Maßstab durch die Reformierung von Erdgas oder fossilen Brennstoffen, die Reinigung von Wasserstoff aus industriellen Nebenprodukten, die Elektrolyse von erneuerbarem Strom usw. hergestellt werden. Der „Öko-Wasserstoff”, der durch die Elektrolyse von erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie erzeugt wird, ist das „Endziel“ zukünftiger Energiequellen, da er keine oder nur sehr geringe Kohlenstoffemissionen verursacht. Die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger für die zentrale Aufbereitung erneuerbarer Ressourcen hat sich weltweit durchgesetzt und fördert die gemeinsame Entwicklung von erneuerbaren Ressourcen und Wasserstoffenergien mit einem breiten Markt für deren Nutzung. Der größte Teil der Wasserstoffenergie wird derzeit in traditionellen Industriezweigen wie der Ölraffination, der Ammoniaksynthese und der Methanolherstellung verwendet, während die Versorgung von Rohwasserstoff, der durch Elektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen wie der Solarenergie hergestellt wird, große Auswirkungen auf nachgelagerte Prozesse hat. Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie der Solarenergie, die Marktunbeständigkeit und große Schwankungen ausweist, zur Erzeugung einer kontinuierlichen Versorgung mit „Öko-Wasserstoff“ ist daher ein heißes Thema und ein schwieriges Forschungsgebiet.
  • Um die kontinuierliche Versorgung mit „Öko-Wasserstoff“ zu gewährleisten, kann bei ausreichender Leistung des Systems zur Erzeugung erneuerbarer Energien, d. h. bei ausreichender Sonneneinstrahlung, mit dem in dieser Phase erzeugten Ökostrom durch Wasserelektrolyse eine ausreichende Menge Wasserstoff erzeugt werden, der an nachgelagerte Fabriken und Unternehmen als Rohgas geliefert werden kann, während noch ein gewisser Wasserstoffüberschuss vorhanden ist. Um den überschüssigen Wasserstoff in vollem Umfang zu nutzen, kann er als Energiequelle für die weitere Energieversorgung in der Phase der Energieknappheit gespeichert werden. Zu den derzeitigen Wasserstoffspeichertechnologien gehören die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck, die Speicherung von Flüssigwasserstoff bei niedrigen Temperaturen, die Speicherung von organischem Flüssigwasserstoff und die Speicherung von Wasserstoff in Festkörpern. Die Flüssigwasserstoffspeicherung ist aufgrund ihrer Speicherdichte und ihrer hohen Speicher- und Transporteffizienz die geeignetere Form der Wasserstoffspeicherung für den Bedarf an großvolumigen Langstreckenspeichern. Dadurch wird ein Wasserstoff-Verflüssigungssystem eingesetzt, um den überschüssigen Wasserstoff aus dieser photoelektrischen Wasserstofferzeugung durch Öko-Elektrolyse zu verflüssigen und ihn dann zur Speicherung in einen Flüssigwasserstoff-Speichertank zu leiten. Wenn das Stromerzeugungssystem für erneuerbare Energien aufgrund von Umweltveränderungen nicht genügend Strom erzeugt, z. B. wenn die Solaranlage nachts nicht den für die Wasserstofferzeugung durch Öko-Elektrolyse erforderlichen Strom liefern kann, wird zur kontinuierlichen Versorgung der nachgeschalteten Anlage mit Rohwasserstoff der Flüssigwasserstoff im Speichertank einfach zu Wasserstoff verdampft und in das nachgeschaltete Prozessrohrleitungsnetz geliefert. Da der Siedepunkt von Wasserstoff (20 K) jedoch extrem niedrig ist, ist der Energieverbrauch bei der Flüssigkühlung hoch. Die Frage, wie der Energieverbrauch bei der industriellen Wasserstoffspeicherung gesenkt werden kann, ist der Schlüssel zur Wasserstoffspeicherung und der Schlüssel zur rationellen Nutzung und Entwicklung erneuerbarer Ressourcen wie Solarenergie durch „Öko-Wasserstoff“.
  • Inhalte der Erfindung
  • Das technische Problem, das durch die vorliegende Erfindung zu lösen ist, besteht darin, eine Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur und deren Energiespeicherverfahren bereitzustellen, um das Problem der diskontinuierlichen photovoltaischen Ressourcen und der widersprüchlichen Anforderung der kontinuierlichen Produktion von Wasserstoff zu lösen. Die maximale Nutzung der photoelektrischen erneuerbaren Energie wird durch die Speicherung des Flüssigwasserstoffs erreicht und eine effiziente Energiespeicherung sowie Spitzenregelung werden erreicht, während die Energiekosten der Produktion und Nutzung des Öko-Wasserstoffs reduziert werden, um die oben genannten Zwecke zu erreichen. Die folgenden Technologien werden in der vorliegenden Erfindung verwendet: eine Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur, wobei die Vorrichtung ein vorgekühltes Wasserstoffverflüssigungssystem mit Flüssigstickstoff, ein Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff-Wärmeaustauschsystem, ein Kaltenergiespeichersystem und ein Kaltenergienutzungssystem einer Lufttrennungsvorrichtung umfasst, wobei das vorgekühlte Wasserstoffverflüssigungssystem mit Flüssigstickstoff ein Flüssigstickstoff-Eingangssystem, ein Stickstoff-Ausgangssystem, ein Flüssigwasserstoff-Ausgangssystem und ein Wasserstoff-Verflüssigungssystem umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile gesteuert wird, wobei das Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff-Wärmeaustauschsystem einen Flüssigwasserstoff-Speichertank, eine Flüssigwasserstoffpumpe, einen Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff und einen Flüssigstickstoff-Speichertank umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile zum Verdampfen von Flüssigwasserstoff und Verflüssigen von Stickstoff gesteuert wird, wobei der Flüssigwasserstoff-Eingang des Flüssigwasserstoff-Speichertanks mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgangssystem des vorgekühlten Wasserstoffverflüssigungssystems mit Flüssigstickstoff verbunden ist, der Flüssigwasserstoff-Eingang der Flüssigwasserstoffpumpe mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgang des Flüssigwasserstoff-Speichertanks verbunden ist, der Flüssigwasserstoff-Eingang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgang der Flüssigwasserstoffpumpe verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Eingang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff mit dem Stickstoff-Ausgang des Stickstoff-Ausgangssystems der Lufttrennungsanlage des Kaltenergienutzungssystems verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Ausgang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff mit dem Flüssigstickstoff-Eingang des Flüssigstickstoff-Speichertanks verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Ausgang des Flüssigstickstoff-Speichertanks mit dem Eingang des Flüssigstickstoff-Eingangssystems des vorgekühlten Wasserstoffverflüssigungssystems mit Flüssigstickstoff verbunden ist.
  • Vorzugsweise umfasst das Kaltenergiespeichersystem einen Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger, eine Kältemittelträgerpumpe, einen Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher, einen Kältemittelspeichertank und einen Kaltenergiespeichertank, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile zur Wiedererwärmung von Wasserstoff und zum Speichern von Kälteenergie gesteuert wird, wobei der Wasserstoff-Eingang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger mit dem Wasserstoff-Ausgang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger mit dem Kältemittelträger-Eingang der Kältemittelträgerpumpe verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang der Kältemittelträgerpumpe mit dem Kältemittelträger-Eingang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher mit dem Kältemittelträger-Eingang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger verbunden ist, wobei der Wasserausgang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher mit dem Eingang des Kaltenergiespeichertanks verbunden ist und der Kältemittelspeichertank mit dem Kältemittelträger-Eingang der Kältemittelträgerpumpe durch Rohrleitungen und Ventile verbunden ist.
  • Vorzugsweise umfasst das Kaltenergienutzungssystem einer Lufttrennungsvorrichtung ein zirkulierendes Wassersystem, einen Wasserkühlturm, ein Stickstoff-Ausgangssystem der Lufttrennungsanlage und ein Kaltwasser-Eingangssystem der Lufttrennungsanlage, wobei jedes System durch Rohrleitungen miteinander verbunden ist und durch Ventile gesteuert wird, wobei der Ausgang des zirkulierenden Wassersystems mit dem Wassereingang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeichers verbunden ist, der Ausgang des Kaltenergiespeichertanks mit dem oberen Eingang des Wasserkühlturms verbunden ist, der Ausgang des Stickstoff-Ausgangssystems mit dem unteren Eingang des Wasserkühlturms verbunden ist und der untere Ausgang des Wasserkühlturms mit dem Eingang des Kaltwasser-Eingangssystems der Lufttrennungsanlage verbunden ist.
  • Vorzugsweise sind der Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff, der Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger und der Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher Röhrenwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher.
  • Vorzugsweise ist der Wasserkühlturm ein Füllkörperturm.
  • Ein Energiespeicherverfahren zur Anwendung auf die Energiespeichervorrichtung umfasst die folgenden Schritte; Schritt 1: wenn die photoelektrische Öko-Wasserelektrolyse zu Wasserstoff im Überschuss vorhanden ist, kann der überschüssige Wasserstoff durch ein Wasserstoff-Verflüssigungssystem verflüssigt wird, wobei der Flüssigstickstoff als Vorkühlquelle für die Wasserstoffverflüssigung verwendet wird, wobei der verflüssigte Flüssigwasserstoff zur Speicherung in einen Flüssigwasserstoff-Speichertank geleitet wird, der verdampfte und auf Raumtemperatur erwärmte Stickstoff aus dem Stickstoff-Ausgangssystem durch Rohrleitung in den unteren Teil des Wasserkühlturms geleitet wird und durch das Niedrigtemperaturwasser im oberen Teil des Wasserkühlturms aus dem Kaltenergiespeichertank gesprüht wird, wobei das Niedrigtemperaturwasser weiter abgekühlt wird, was dem nachfolgenden Prozess der Lufttrennungsanlage förderlich ist und den Energieverbrauch der Lufttrennungsanlage senkt.
  • Schritt 2: wenn das Stromerzeugungssystem für erneuerbare Energien, wie z. B. die Photovoltaik, nicht ausreicht, um Wasserstoff aus Öko-Elektrolytwasser aufgrund von Umweltveränderungen, wie z. B. schwächer werdendem Sonnenlicht, zu erzeugen, wird der im Flüssigwasserstoff-Speichertank gespeicherte Flüssigwasserstoff durch die Flüssigwasserstoffpumpe unter Druck gesetzt und tritt dann in den Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff ein, um zu verdampfen und sich wieder zu erwärmen, und tritt dann in den Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger ein, um sich wieder zu erwärmen und Wasserstoff mit Raumtemperatur zu erhalten, der zur Ergänzung der unzureichenden Wasserstofferzeugung aus Öko-Elektrolytwasser verwendet wird, wobei der Stickstoff mit Raumtemperatur als Wärmequelle zur Verdampfung und Wiedererwärmung des Flüssigwasserstoffs aus dem Stickstoff-Ausgangssystem in den Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff eintritt, der zu Flüssigstickstoff verflüssigt und kondensiert wird und dann in den Flüssigstickstoff-Speichertank gelangt sowie als teilweise Ergänzung zur Vorkühlung des Flüssigstickstoffs bei der Verflüssigung des Wasserstoffs verwendet werden kann, wobei der Kältemittelträger in den Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger eintritt, um eine Wärmequelle zur Wiedererwärmung des Wasserstoffs bereitzustellen, der durch die Kältemittelträgerpumpe gekühlt und unter Druck gesetzt wird und dann in den Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher zur Kühlung des aus dem zirkulierenden Wassersystem kommenden Wassers mit Raumtemperatur eintritt, wobei das Wasser mit Raumtemperatur nach der Abkühlung des Wassers auf eine niedrige Temperatur den Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher verlässt und in den Kaltenergiespeichertank eintritt, wobei das Wasser mit niedriger Temperatur aus dem Kaltenergiespeichertank durch Rohrleitungen und Ventile im oberen Teil des Wasserkühlturms gesprüht werden kann, um die Wassertemperatur weiter zu senken.
  • Vorzugsweise ist der Kühlmittelträger eine anorganische, organische Verbindung oder eine Mischung davon oder eine wässrige Lösung davon. Vorzugsweise ist der Kühlmittelträger eine wässrige Lösung einer organischen Verbindung, wie eine wässrige Lösung von Ethylenglykol, eine wässrige Lösung von Propylenglykol, Methanol, eine wässrige Lösung von Methanol oder eine wässrige Lösung von Ethanol.
  • Vorzugsweise ist der Wasserkühlturm mit einem Füllstoff gefüllt.
  • Die vorliegende Erfindung weist die folgenden vorteilhaften Effekte auf:
    • In dieser vorliegenden Erfindung werden photovoltaisches Öko-Elektrolytwasser für die Wasserstoffproduktion in Verbindung mit kryogener Technologie für die Energiespeicherung verwendet. Wenn die photovoltaische erneuerbare Energie ausreichend ist, wird der überschüssige Wasserstoff, der durch die Öko-Wasserelektrolyse erzeugt wird, durch das vorgekühlte Wasserstoffverflüssigungssystem mit Flüssigstickstoff verflüssigt und gespeichert; wenn die Wasserstofferzeugung durch die Öko-Wasserelektrolyse aufgrund der Verringerung der photovoltaischen erneuerbaren Energieerzeugung und Umweltveränderungen unzureichend ist, wird der gespeicherte Flüssigwasserstoff durch das Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff-Wärmeaustauschsystem und Kaltenergiespeichersystem verdampft und wieder erwärmt und dann in das nachgeschaltete Prozessrohrleitungsnetz geliefert. Gleichzeitig kann der aus dem Niedertemperatur-Wärmeaustausch gewonnene Flüssigstickstoff eine partielle Vorkühlquelle für das Wasserstoffverflüssigungssystem darstellen; die im Kaltenergiespeichersystem gespeicherte Kälteenergie kann vom Kaltenergienutzungssystem einer Lufttrennungsvorrichtung verwendet werden. Die Erfindung löst das Problem des Widerspruchs zwischen der diskontinuierlichen Produktion von Öko-Wasserstoff aus photoelektrischen Ressourcen und der kontinuierlichen Nachfrage nach Öko-Wasserstoff für die Produktion. Durch die Form der Wasserstoffspeicherung kann die maximale Nutzung von photoelektrischer erneuerbarer Energie realisiert werden, und während der Realisierung einer effizienten Energiespeicherung und Spitzenregulierung können die Energieverbrauchskosten für die Produktion und Nutzung von Öko-Wasserstoff effektiv reduziert werden, dadurch ein Energiespareffekt erzielen wird und es eine gute Beförderungsaussichten aufweist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung.
  • Spezifische Ausführungsformen
  • Um die technischen Probleme, die technischen Lösungen und die vorteilhaften Wirkungen, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden sollen, deutlicher zu machen, wird die vorliegende Erfindung im Folgenden in Verbindung mit den Figuren und den spezifischen Ausführungsformen näher beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass für den Fachmann auf dem Gebiet der Technik eine Reihe von Verbesserungen und Modifikationen für die vorliegende Erfindung vorgenommen werden kann, ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und diese Verbesserungen und Modifikationen fallen in den Schutzbereich der Ansprüche der vorliegenden Erfindung.
  • Im Folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Figuren detailliert beschrieben, wie in der 1 gezeigt: eine Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur, wobei die Vorrichtung ein vorgekühltes Wasserstoffverflüssigungssystem mit Flüssigstickstoff, ein Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff-Wärmeaustauschsystem, ein Kaltenergiespeichersystem und ein Kaltenergienutzungssystem einer Lufttrennungsvorrichtung umfasst, wobei das vorgekühlte Wasserstoffverflüssigungssystem mit Flüssigstickstoff ein Flüssigstickstoff-Eingangssystem 11, ein Stickstoff-Ausgangssystem 12, ein Flüssigwasserstoff-Ausgangssystem 13 und ein Wasserstoff-Verflüssigungssystem 14 umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile gesteuert wird, wobei das Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff-Wärmeaustauschsystem einen Flüssigwasserstoff-Speichertank 21, eine Flüssigwasserstoffpumpe 22, einen Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23 und einen Flüssigstickstoff-Speichertank 24 umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile zum Verdampfen von Flüssigwasserstoff und Verflüssigen von Stickstoff gesteuert wird, wobei der Flüssigwasserstoff-Eingang des Flüssigwasserstoff-Speichertanks 21 mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgangssystem 13 des vorgekühlten Wasserstoffverflüssigungssystems mit Flüssigstickstoff verbunden ist, der Flüssigwasserstoff-Eingang der Flüssigwasserstoffpumpe 22 mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgang des Flüssigwasserstoff-Speichertanks 21 verbunden ist, der Flüssigwasserstoff-Eingang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23 mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgang der Flüssigwasserstoffpumpe 22 verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Eingang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23 mit dem Stickstoff-Ausgang des Stickstoff-Ausgangssystems 43 der Lufttrennungsanlage des Kaltenergienutzungssystems verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Ausgang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23 mit dem Flüssigstickstoff-Eingang des Flüssigstickstoff-Speichertanks 24 verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Ausgang des Flüssigstickstoff-Speichertanks 24 mit dem Eingang des Flüssigstickstoff-Eingangssystems 11 des vorgekühlten Wasserstoffverflüssigungssystems mit Flüssigstickstoff verbunden ist, wobei das Kaltenergiespeichersystem einen Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger 31, eine Kältemittelträgerpumpe 32, einen Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33, einen Kältemittelspeichertank 34 und einen Kaltenergiespeichertank 35 umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile zur Wiedererwärmung von Wasserstoff und zum Speichern von Kälteenergie gesteuert wird, wobei der Wasserstoff-Eingang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger 31 mit dem Wasserstoff-Ausgang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23 verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger 31 mit dem Kältemittelträger-Eingang der Kältemittelträgerpumpe 32 verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang der Kältemittelträgerpumpe 32 mit dem Kältemittelträger-Eingang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33 verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33 mit dem Kältemittelträger-Eingang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger 31 verbunden ist, wobei der Wasserausgang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33 mit dem Eingang des Kaltenergiespeichertanks 35 verbunden ist und der Kältemittelspeichertank 34 mit dem Kältemittelträger-Eingang der Kältemittelträgerpumpe 32 durch Rohrleitungen und Ventile verbunden ist, wobei das Kaltenergienutzungssystem einer Lufttrennungsvorrichtung ein zirkulierendes Wassersystem 41, einen Wasserkühlturm 42, ein Stickstoff-Ausgangssystem der Lufttrennungsanlage 43 und ein Kaltwasser-Eingangssystem der Lufttrennungsanlage 44 umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen miteinander verbunden ist und durch Ventile gesteuert wird, wobei der Ausgang des zirkulierenden Wassersystems 41 mit dem Wassereingang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeichers 33 verbunden ist, der Ausgang des Kaltenergiespeichertanks 35 mit dem oberen Eingang des Wasserkühlturms 42 verbunden ist, der Ausgang des Stickstoff-Ausgangssystems 12 mit dem unteren Eingang des Wasserkühlturms 42 verbunden ist und der untere Ausgang des Wasserkühlturms 42 mit dem Eingang des Kaltwasser-Eingangssystems der Lufttrennungsanlage 44 verbunden ist, wobei der Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23, der Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger 31 und der Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33 Röhrenwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher sind, wobei der Wasserkühlturm 42 ein Füllkörperturm ist.
  • Ein Energiespeicherverfahren zur Anwendung auf die Energiespeichervorrichtung umfasst die folgenden Schritte; Schritt 1: wenn die photoelektrische Öko-Wasserelektrolyse zu Wasserstoff im Überschuss vorhanden ist, kann der überschüssige Wasserstoff durch ein Wasserstoff-Verflüssigungssystem verflüssigt wird, wobei der Flüssigstickstoff als Vorkühlquelle für die Wasserstoffverflüssigung verwendet wird, wobei der verflüssigte Flüssigwasserstoff zur Speicherung in einen Flüssigwasserstoff-Speichertank 21 geleitet wird, der verdampfte und auf Raumtemperatur erwärmte Stickstoff aus dem Stickstoff-Ausgangssystem 12 durch Rohrleitung in den unteren Teil des Wasserkühlturms 42 geleitet wird und durch das Niedrigtemperaturwasser im oberen Teil des Wasserkühlturms 42 aus dem Kaltenergiespeichertank 35 gesprüht wird, wobei das Niedrigtemperaturwasser weiter abgekühlt wird, was dem nachfolgenden Prozess der Lufttrennungsanlage förderlich ist und den Energieverbrauch der Lufttrennungsanlage senkt.
  • Schritt 2: wenn das Stromerzeugungssystem für erneuerbare Energien, wie z. B. die Photovoltaik, nicht ausreicht, um Wasserstoff aus Öko-Elektrolytwasser aufgrund von Umweltveränderungen, wie z. B. schwächer werdendem Sonnenlicht, zu erzeugen, wird der im Flüssigwasserstoff-Speichertank 21 gespeicherte Flüssigwasserstoff durch die Flüssigwasserstoffpumpe 22 unter Druck gesetzt und tritt dann in den Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff Flüssigstickstoff 23 ein, um zu verdampfen und sich wieder zu erwärmen, und tritt dann in den Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger 31 ein, um sich wieder zu erwärmen und Wasserstoff mit Raumtemperatur zu erhalten, der zur Ergänzung der unzureichenden Wasserstofferzeugung aus Öko-Elektrolytwasser verwendet wird, wobei der Stickstoff mit Raumtemperatur als Wärmequelle zur Verdampfung und Wiedererwärmung des Flüssigwasserstoffs aus dem Stickstoff-Ausgangssystem 43 in den Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23 eintritt, der zu Flüssigstickstoff verflüssigt und kondensiert wird und dann in den Flüssigstickstoff-Speichertank 24 gelangt sowie als teilweise Ergänzung zur Vorkühlung des Flüssigstickstoffs bei der Verflüssigung des Wasserstoffs verwendet werden kann, wobei der Kältemittelträger in den Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger 31 eintritt, um eine Wärmequelle zur Wiedererwärmung des Wasserstoffs bereitzustellen, der durch die Kältemittelträgerpumpe 32 gekühlt und unter Druck gesetzt wird und dann in den Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33 zur Kühlung des aus dem zirkulierenden Wassersystem 41 kommenden Wassers mit Raumtemperatur eintritt, wobei das Wasser mit Raumtemperatur nach der Abkühlung des Wassers auf eine niedrige Temperatur den Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33 verlässt und in den Kaltenergiespeichertank 35 eintritt, wobei das Wasser mit niedriger Temperatur aus dem Kaltenergiespeichertank 35 durch Rohrleitungen und Ventile im oberen Teil des Wasserkühlturms 42 gesprüht werden kann, um die Wassertemperatur weiter zu senken.
  • Der Kühlmittelträger ist eine anorganische, organische Verbindung oder eine Mischung davon oder eine wässrige Lösung davon. Vorzugsweise ist der Kühlmittelträger eine wässrige Lösung einer organischen Verbindung, wie eine wässrige Lösung von Ethylenglykol, eine wässrige Lösung von Propylenglykol, Methanol, eine wässrige Lösung von Methanol oder eine wässrige Lösung von Ethanol, wobei der Wasserkühlturm 42 mit einem Füllstoff gefüllt ist.
  • Wenn die photoelektrische Öko-Wasserelektrolyse zu Wasserstoff im Überschuss vorhanden ist, kann der überschüssige Wasserstoff durch ein Wasserstoff-Verflüssigungssystem 14 verflüssigt wird, für das Wasserstoff-Verflüssigungssystem 14 wird im Allgemeinen das mit Flüssigstickstoff vorgekühlte Wasserstoff-Verflüssigungssystem des Claude-Wasserstoffzyklus oder Wasserstoff-Verflüssigungssystem des Brayton-Heliumzyklus weit auf dem Markt verwendet, wobei der Flüssigstickstoff als Vorkühlquelle nach der Wasserstoffverflüssigung aus dem Flüssigstickstoff-Speichertank 24 durch den Eingang des Flüssigstickstoff-Eingangssystems 11 in das Wasserstoff-Verflüssigungssystem 14 geleitet wird, der verdampfte Stickstoff aus dem Stickstoff-Ausgangssystem 12 durch Rohrleitung in den unteren Teil des Wasserkühlturms 42 geleitet wird und durch das Niedrigtemperaturwasser im oberen Teil des Wasserkühlturms 42 aus dem Kaltenergiespeichertank 35 gesprüht wird, wobei das Niedrigtemperaturwasser weiter abgekühlt wird. Die Senkung der niedrigen Wassertemperatur im Wasserkühlturm des Vorkühlsystems der Lufttrennungsanlage in einem angemessenen Bereich nach dem bekannten Wissen von Lufttrennungsanlagen erleichtert die Einsparung des Gesamtenergieverbrauchs der Lufttrennungsanlage und verringert den Stückverbrauch des Produkts der Lufttrennungsanlage.
  • Wenn das Stromerzeugungssystem für erneuerbare Energien nicht ausreicht, um Wasserstoff aus Öko-Elektrolytwasser aufgrund von Umweltveränderungen, wie z. B. schwächer werdendem Sonnenlicht, zu erzeugen, wird der im Flüssigwasserstoff-Speichertank 21 gespeicherte Flüssigwasserstoff durch die Flüssigwasserstoffpumpe 22 auf z. B. 1,6 MPa unter Druck gesetzt und tritt dann in den Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff Flüssigstickstoff 23 ein, während Stickstoff mit einer Temperatur von etwa 25 °C aus dem Stickstoff-Ausgangssystem der Lufttrennungsanlage 43 in den Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23 gelangt, der als Wärmequelle für die Verdampfung und Wiedererwärmung des Flüssigstickstoffs dient, der zu Flüssigstickstoff verflüssigt und kondensiert wird und dann in den Flüssigstickstoff-Speichertank 24 gelangt sowie als teilweise Ergänzung mit einer Auffüllrate von bis zu ca. 60 % zur Vorkühlung des Flüssigstickstoffs bei der Verflüssigung des Wasserstoffs verwendet werden kann. Die Temperatur des verdampften und erwärmten Wasserstoffs aus dem Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff 23 ist immer noch sehr niedrig und liegt im Allgemeinen um -100°C. Der Wasserstoff muss im Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger 31 wieder erwärmt werden, um Wasserstoff mit Raumtemperatur zu erhalten, der zur Ergänzung des Mangels an Wasserstofferzeugung aus Öko-Elektrolytwasser verwendet wird. Der Kältemittelträger, z. B. eine wässrige Lösung von Ethylenglykol, tritt in den Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger 31 ein, um eine Wärmequelle für die Wiedererwärmung des Wasserstoffs bereitzustellen, der auf etwa 0°C abgekühlt und dann durch die Kältemittelträgerpumpe 32 auf etwa 0,1-0,3 MPa unter Druck gesetzt wird und in den Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33 zur Abkühlung des Wassers mit einer Raumtemperatur von 30°C aus dem zirkulierenden Wassersystem 41 eintritt, und das Wasser mit Raumtemperatur wird auf etwa 20°C zu Niedrigtemperaturwasser abgekühlt. Das Niedertemperaturwasser verlässt den Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher 33 und gelangt zur Speicherung in den Kaltenergiespeichertank 35. Das Niedertemperaturwasser aus dem Kaltenergiespeichertank 35 kann kontinuierlich durch Rohrleitungen und Ventiele in den oberen Teil des Wasserkühlturms 42 zum Versprühen geleitet wird, wodurch die Temperatur des Niedertemperaturwassers weiter zu Kaltwasser reduziert wird.

Claims (8)

  1. Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein vorgekühltes Wasserstoffverflüssigungssystem mit Flüssigstickstoff, ein Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff-Wärmeaustauschsystem, ein Kaltenergiespeichersystem und ein Kaltenergienutzungssystem einer Lufttrennungsvorrichtung umfasst, wobei das vorgekühlte Wasserstoffverflüssigungssystem mit Flüssigstickstoff ein Flüssigstickstoff-Eingangssystem, ein Stickstoff-Ausgangssystem, ein Flüssigwasserstoff-Ausgangssystem und ein Wasserstoff-Verflüssigungssystem umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile gesteuert wird, wobei das Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff-Wärmeaustauschsystem einen Flüssigwasserstoff-Speichertank, eine Flüssigwasserstoffpumpe, einen Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff und einen Flüssigstickstoff-Speichertank umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile zum Verdampfen von Flüssigwasserstoff und Verflüssigen von Stickstoff gesteuert wird, wobei der Flüssigwasserstoff-Eingang des Flüssigwasserstoff-Speichertanks mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgangssystem des vorgekühlten Wasserstoffverflüssigungssystems mit Flüssigstickstoff verbunden ist, der Flüssigwasserstoff-Eingang der Flüssigwasserstoffpumpe mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgang des Flüssigwasserstoff-Speichertanks verbunden ist, der Flüssigwasserstoff-Eingang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff mit dem Flüssigwasserstoff-Ausgang der Flüssigwasserstoffpumpe verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Eingang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff mit dem Stickstoff-Ausgang des Stickstoff-Ausgangssystems der Lufttrennungsanlage des Kaltenergienutzungssystems verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Ausgang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff mit dem Flüssigstickstoff-Eingang des Flüssigstickstoff-Speichertanks verbunden ist, der Flüssigstickstoff-Ausgang des Flüssigstickstoff-Speichertanks mit dem Eingang des Flüssigstickstoff-Eingangssystems des vorgekühlten Wasserstoffverflüssigungssystems mit Flüssigstickstoff verbunden ist.
  2. Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltenergiespeichersystem einen Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger, eine Kältemittelträgerpumpe, einen Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher, einen Kältemittelspeichertank und einen Kaltenergiespeichertank umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen verbunden ist und durch Ventile zur Wiedererwärmung von Wasserstoff und zum Speichern von Kälteenergie gesteuert wird, wobei der Wasserstoff-Eingang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger mit dem Wasserstoff-Ausgang des Wärmetauschers für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger mit dem Kältemittelträger-Eingang der Kältemittelträgerpumpe verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang der Kältemittelträgerpumpe mit dem Kältemittelträger-Eingang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher verbunden ist, der Kältemittelträger-Ausgang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher mit dem Kältemittelträger-Eingang des Wärmetauschers für Wasserstoff-Kältemittelträger verbunden ist, wobei der Wasserausgang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher mit dem Eingang des Kaltenergiespeichertanks verbunden ist und der Kältemittelspeichertank mit dem Kältemittelträger-Eingang der Kältemittelträgerpumpe durch Rohrleitungen und Ventile verbunden ist.
  3. Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltenergienutzungssystem einer Lufttrennungsvorrichtung ein zirkulierendes Wassersystem, einen Wasserkühlturm, ein Stickstoff-Ausgangssystem der Lufttrennungsanlage und ein Kaltwasser-Eingangssystem der Lufttrennungsanlage umfasst, wobei jedes System durch Rohrleitungen miteinander verbunden ist und durch Ventile gesteuert wird, wobei der Ausgang des zirkulierenden Wassersystems mit dem Wassereingang des Wärmetauschers für Kältemittelträger-Kaltenergiespeichers verbunden ist, der Ausgang des Kaltenergiespeichertanks mit dem oberen Eingang des Wasserkühlturms verbunden ist, der Ausgang des Stickstoff-Ausgangssystems mit dem unteren Eingang des Wasserkühlturms verbunden ist und der untere Ausgang des Wasserkühlturms mit dem Eingang des Kaltwasser-Eingangssystems der Lufttrennungsanlage verbunden ist.
  4. Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff, der Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger und der Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher Röhrenwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher sind.
  5. Energiespeichervorrichtung für die Wasserstofferzeugung durch elektrolytisches Wasser in Verbindung mit niedriger Temperatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkühlturm ein Füllkörperturm ist.
  6. Energiespeicherverfahren zur Anwendung auf die Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es Schritt 1: wenn die photoelektrische Öko-Wasserelektrolyse zu Wasserstoff im Überschuss vorhanden ist, kann der überschüssige Wasserstoff durch ein Wasserstoff-Verflüssigungssystem verflüssigt wird, wobei der Flüssigstickstoff als Vorkühlquelle für die Wasserstoffverflüssigung verwendet wird, wobei der verflüssigte Flüssigwasserstoff zur Speicherung in einen Flüssigwasserstoff-Speichertank geleitet wird, der verdampfte und auf Raumtemperatur erwärmte Stickstoff aus dem Stickstoff-Ausgangssystem durch Rohrleitung in den unteren Teil des Wasserkühlturms geleitet wird und durch das Niedrigtemperaturwasser im oberen Teil des Wasserkühlturms aus dem Kaltenergiespeichertank gesprüht wird, wobei das Niedrigtemperaturwasser weiter abgekühlt wird, was dem nachfolgenden Prozess der Lufttrennungsanlage förderlich ist und den Energieverbrauch der Lufttrennungsanlage senkt; und Schritt 2 umfasst: wenn das Stromerzeugungssystem für erneuerbare Energien nicht ausreicht, um Wasserstoff aus Öko-Elektrolytwasser aufgrund von Umweltveränderungen, wie z. B. schwächer werdendem Sonnenlicht, zu erzeugen, wird der im Flüssigwasserstoff-Speichertank gespeicherte Flüssigwasserstoff durch die Flüssigwasserstoffpumpe unter Druck gesetzt und tritt dann in den Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff ein, um zu verdampfen und sich wieder zu erwärmen, und tritt dann in den Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger ein, um sich wieder zu erwärmen und Wasserstoff mit Raumtemperatur zu erhalten, der zur Ergänzung der unzureichenden Wasserstofferzeugung aus Öko-Elektrolytwasser verwendet wird, wobei der Stickstoff mit Raumtemperatur als Wärmequelle zur Verdampfung und Wiedererwärmung des Flüssigwasserstoffs aus dem Stickstoff-Ausgangssystem in den Wärmetauscher für Flüssigwasserstoff-Flüssigstickstoff eintritt, der zu Flüssigstickstoff verflüssigt und kondensiert wird und dann in den Flüssigstickstoff-Speichertank gelangt sowie als teilweise Ergänzung zur Vorkühlung des Flüssigstickstoffs bei der Verflüssigung des Wasserstoffs verwendet werden kann, wobei der Kältemittelträger in den Wärmetauscher für Wasserstoff-Kältemittelträger eintritt, um eine Wärmequelle zur Wiedererwärmung des Wasserstoffs bereitzustellen, der durch die Kältemittelträgerpumpe gekühlt und unter Druck gesetzt wird und dann in den Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher zur Kühlung des aus dem zirkulierenden Wassersystem kommenden Wassers mit Raumtemperatur eintritt, wobei das Wasser mit Raumtemperatur nach der Abkühlung des Wassers auf eine niedrige Temperatur den Wärmetauscher für Kältemittelträger-Kaltenergiespeicher verlässt und in den Kaltenergiespeichertank eintritt, wobei das Wasser mit niedriger Temperatur aus dem Kaltenergiespeichertank durch Rohrleitungen und Ventile im oberen Teil des Wasserkühlturms gesprüht werden kann, um die Wassertemperatur weiter zu senken.
  7. Energiespeicherverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelträger eine anorganische, organische Verbindung oder eine Mischung davon oder eine wässrige Lösung davon ist.
  8. Energiespeicherverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkühlturm mit einem Füllstoff gefüllt ist.
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