PL231889B1 - Skojarzony system wytwarzania paliwa i energii cieplnej oraz sposób wytwarzania paliwa i energii cieplnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy skojarzonego systemu wytwarzania paliwa oraz energii cieplnej oraz sposobu wytwarzania paliwa oraz energii cieplnej z odnawialnych źródeł energii oraz paliw węglowych.

Znane są skojarzone systemy wywarzania ciepła umożliwiające jednoczesne wywarzanie energii elektrycznej oraz cieplnej na potrzeby użytkowe, takie jak elektrociepłownie z turbiną gazową oraz kotłem odzyskowym umożliwiające produkcję energii elektrycznej oraz ciepła. Zaletą układów elektrociepłowniczych jest gwarancja ciągłości dostaw energii dzięki możliwości wykorzystywania różnych rodzajów paliw w tym samym urządzeniu, przykładowo: gazu ziemnego, olejów opałowych, mieszanek gazowych pozyskiwanych z recyklingu śmieci czy biogazu.

Znane są ponadto systemy elektrociepłowni na biomasę wyposażonych w silnik gazowy lub turbinę parową i przystosowanych odpowiednio do zgazowania termicznego, zgazowania beztlenowego lub spalania atmosferycznego biomasy z wytworzeniem w etapie końcowym energii elektrycznej oraz energii cieplnej.

Inne typowe skojarzone systemy wywarzania energii elektrycznej oraz ciepła przystosowane są natomiast do wykorzystywania odmiennych, odnawialnych źródeł energii, przykład owo geotermalnych źródeł energii. Tego typu systemy standardowo wyposażone są w geotermalne wymienniki ciepła, w których prowadzi się wymianę ciepła pomiędzy energią geotermalną a czynnikiem roboczym systemu, oraz wytwornicą pary. Główną zaletą obecnie znanych, skojarzonych układów wytwarzania ciepła oraz energii elektrycznej jest obniżenie emisji zanieczyszczeń do środowiska.

Znane są ponadto systemy umożliwiające wytwarzanie paliwa oraz ciepła w procesie skojarzonym. Przykładowo, z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US20100187822 znany jest system produkcji energii oraz paliwa. Skojarzony system składa się z reaktora do produkcji metanu, w którym prowadzi się proces anaerobowej (beztlenowej) fermentacji biomasy z wydzieleniem metanu oraz układu do produkcji ciepła oraz energii elektrycznej wyposażonego w turbinę gazową zasilaną metanem z reaktora, oraz gazem syntezowym (syngazem) pochodzącym z procesu gazyfikacji odpadowej biomasy, w którym to procesie spalania paliwa gazowego wytwarza się prąd. Część ciepła wydzielanego w procesie spalania wykorzystuje się ponadto na wytworzenie pary wykorzystywanej kolejno w procesie estryfikacji oraz transestryfikacji z wytworzeniem paliwa: oleju napędowego (biodiesla).

Ponadto, z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US20150089919 znany jest skojarzony system wytwarzania paliwa wyposażony w elektrolizer do elektrolizy wody oraz syntezator metanu. Elektrolizer jest zasilany prądem ze źródeł odnawialnych (panele fotowoltaiczne energii słonecznej). Wodór będący produktem elektrolizy dostarcza się do syntezatora metanu, w którym prowadzi się reakcję syntezy wodoru z dwutlenkiem węgla pochodzącym z instalacji biogazu do produkcji węglowodorów. Otrzymywany w syntezatorze metan wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej, przy czym wydzielany w wyniku spalania dwutlenek węgla zawraca się do syntezatora metanu, co ogranicza emisję dwutlenku węgla do atmosfery.

Znane skojarzone systemy wytwarzania paliwa oraz ciepła umożliwiają zatem wytwarzanie energii elektrycznej i/lub cieplnej oraz paliwa węglowodorowego na przykład w postaci metanu czy biodiesla z jednoczesnym ograniczeniem emisji do atmosfery szkodliwych związków stanowiących produkty uboczne spalania paliw.

Znane skojarzone układy wytwarzania ciepła oraz paliwa nie są jednak przystosowane do ciągłego dostosowywania trybu pracy do zmieniającej się w cyklu dobowym i/lub rocznym podaży nadmiarowej energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych, którą można przekształcić w możliwe do zmagazynowania paliwo - ze stałym zachowaniem ograniczonej emisji szkodliwych dla środowiska produktów spalania/utleniania paliw węglowych.

Celowym byłoby zatem opracowanie alternatywnego skojarzonego systemu wytwarzania energii cieplnej i paliwa, który umożliwiałby absorpcję okresowych nadwyżek energii elektrycznej i synchronizację z zapotrzebowaniem dostaw energii cieplnej i/lub paliwa z jednoczesnym ograniczeniem emisji szkodliwych dla środowiska produktów spalania/utleniania paliwa węglowego.

Przedmiotem wynalazku jest skojarzony system wytwarzania paliwa i energii cieplnej, zawierający elektrolizer do wytwarzania tlenu i wodoru w procesie elektrolizy wody. System charakteryzuje się tym, że zawiera ponadto: mineralizator do wytwarzania gazu syntezowego w procesie zgazowania paliwa węglowego w obecności czynnika zgazowującego; syntezator metanu do wytwarzania metanu

PL 231 889 B1 w procesie syntezy tlenku węgla z mineralizatora i wodoru z elektrolizera wody; reaktor ze złożem katalitycznym do wytwarzania dwutlenku węgla w procesie spalania gazu syntezowego z mineralizatora i/lub metanu; przy czym elektrolizer zawiera układ wymiany ciepła połączony z wymiennikiem ciepła.

Korzystnie, system zawiera zbiornik dwutlenku węgla wydzielanego w procesie spalania w reaktorze ze złożem katalitycznym.

Korzystnie, syntezator metanu jest ponadto przystosowany do wytwarzania metanu w procesie syntezy tlenku węgla z mineralizatora, dwutlenku węgla ze zbiornika dwutlenku węgla i wodoru z elektrolizera wody.

Korzystnie, system zawiera dodatkowy syntezator metanu do wytwarzania metanu w procesie syntezy dwutlenku węgla ze zbiornika dwutlenku węgla i wodoru z elektrolizera wody.

Korzystnie, system zawiera zbiornik na tlen i zbiornik na wodór wytwarzane w elektrolizerze wody.

Korzystnie, wymiennik ciepła zawiera grzejnik elektryczny do konwersji prądu na energię cieplną.

Przedmiotem wynalazku jest ponadto sposób wytwarzania paliwa i energii cieplnej. Sposób jest przeznaczony do stosowania w systemie zawierającym: elektrolizer do wytwarzania tlenu i wodoru w procesie elektrolizy wody; mineralizator do wytwarzania gazu syntezowego w procesie zgazowania paliwa węglowego w obecności czynnika zgazowującego; syntezator metanu do wytwarzania metanu w procesie syntezy tlenku węgla z mineralizatora i wodoru z elektrolizera wody; reaktor ze złożem katalitycznym do wytwarzania dwutlenku węgla w procesie spalania gazu syntezowego z mineralizatora i/lub metanu; przy czym elektrolizer zawieraj układ wymiany ciepła połączony z wymiennikiem ciepła. W sposobie tym wytwarza się paliwo i energię cieplną w co najmniej jednym z co najmniej dwóch trybów działania. W pierwszym trybie działania prowadzi się proces zgazowania paliwa węglowego w mineralizatorze z wydzielaniem gazu syntezowego, który spala się z w reaktorze ze złożem katalitycznym z wydzielaniem dwutlenku węgla i wody, przy czym ciepło z procesu spalania w reaktorze ze złożem katalitycznym dostarcza się do sieci grzewczej poprzez wymiennik ciepła. Natomiast w drugim trybie działania tlenek węgla z mineralizatora wzbogaca się wodorem wytwarzanym w elektrolizerze i wytwarza się metan w syntezatorze metanu.

Korzystnie, w trzecim trybie działania metan wytwarzany w syntezatorze metanu spala się w reaktorze ze złożem katalitycznym, przy czym ciepło z procesu spalania dostarcza się do sieci grzewczej poprzez wymiennik ciepła.

Korzystnie, w czwartym trybie działania zasila się grzejnik elektryczny wymiennika ciepła prądem z sieci elektroenergetycznej.

Korzystnie, w dodatkowym syntezatorze metanu wytwarza się metan w procesie syntezy dwutlenku węgla wytwarzanego w reaktorze ze złożem katalitycznym i wodoru z elektrolizera wody.

Korzystnie, elektrolizer zasila się prądem ze źródeł odnawialnych.

Korzystnie, elektrolizer zasila się prądem nadmiarowym, występującym w sieciach elektroenergetycznych z powodu pracy niesterowalnych źródeł energii odnawialnej.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku na którym:

Fig. 1 przedstawia schemat skojarzonego systemu wytwarzania energii cieplnej oraz paliwa.

Fig. 2 przedstawia przykładowy schemat mineralizatora do mineralizacji (zgazowania) paliwa węglowego.

Na Fig. 1 przestawiono w postaci schematu skojarzony system wytwarzania energii cieplnej i paliwa 100. Skojarzony system 100 zawiera mineralizator 110 do mineralizacji (zgazowania) różnych paliw o charakterze organicznym np.: węgiel kamienny, węgiel brunatny, odpady, biomasa i inne. Konstrukcja systemu umożliwia niezależne wykorzystywanie wytwarzanego w mineralizatorze 110 syngazu w dwojaki sposób: jako surowca do produkcji metanu - po uprzednim wzbogaceniu wodorem w pierwszym syntezatorze metanu 130, lub też do produkcji energii cieplnej z wydzieleniem dwutlenku węgla i wody poprzez katalityczne utlenianie syngazu w reaktorach 120. Dwutlenek węgla otrzymywany w wyniku utlenienia syngazu może być gromadzony w zbiorniku magazynowym 121 oraz wykorzystywany do produkcji metanu w dodatkowym syntezatorze metanu 140, pracującym niezależnie względem pierwszego syntezatora 130, po uprzednim wzbogaceniu dwutlenku węgla w wodór. Alternatywn ie, w syntezatorze 130 można prowadzić syntezę metanu zarówno z tlenku węgla jak i dwutlenku węgla. Metan wytworzony z tlenku węgla i/lub dwutlenku węgla odpowiednio w syntezatorach 130 i 140 może być gromadzony w zbiornikach magazynowych lub wprowadzany do sieci (rurociągu) 170. Ciepło z syntezatorów metanu 130, 140 może być przekazywane odpowiednimi układami wymiany ciepła do wymiennika ciepła 160.

PL 231 889 B1

Mieszanina gazów z mineralizatora 110 jest podawana do syntezatora 130 za pośrednictwem sprężarki 111.

Proces syntezy w syntezatorach 130, 140 można korzystnie prowadzić pod wysokim ciśnieniem, rzędu 4 MPa.

Produktami syntezy w syntezatorach 130, 140 są oprócz metanu węglowodory wyższe, przykładowo etan, propan butan i inne, które przed wtłoczeniem gazu poreakcyjnego do gazociągu 170 powinny zostać usunięte, co można osiągnąć korzystnie przez wymrażanie w układach 131, 141. Chłód potrzebny do operacji wymrażania może być pobierany przykładowo z pobliskich instalacji regazyfikacji LNG. Uzyskany odpad może stanowić produkt uboczny podlegający sprzedaży, może również zostać skierowany do reaktora 120 i tam spalony.

Konstrukcja systemu 100 umożliwia ponadto zawrócenie metanu do obiegu systemowego 100: metan w zależności od potrzeb może być okresowo wprowadzany do reaktora 120 i spalany w komorze reaktora 120 w celu uzyskania energii. Dwutlenek węgla wydzielony w wyniku spalania metanu może być natomiast gromadzony w zbiorniku dwutlenku węgla 121 lub wydalany do atmosfery. System 100 zawiera ponadto niezależny układ dostarczania wodoru do procesu wytwarzania metanu w postaci elektrolizera 150, w którym prowadzi się proces elektrolizy H2O. Wydzielany w procesie wodór może być bezpośrednio dostarczany do jednego lub więcej syntezatorów metanu 130, 140 lub też może być gromadzony w zbiorniku na wodór 152, skąd w zależności od zapotrzebowania może być przesyłany do wybranego syntezatora 130, 140 w okresie zatrzymania pracy elektrolizera 150. Tlen wydzielany w trakcie procesu elektrolizy może być natomiast dostarczany do mineralizatora 110 - jako jedyny czynnik zgazowujący lub mieszany z innymi czynnikami zgazowującymi jak np.: powietrzem czy parą wodną w przypadku deficytu tlenu w systemie 100 w trybie pracy: wytwarzanie energii. Mineralizator 110 może być także zasilany samym powietrzem w przypadku gdy nie prowadzi się procesu elektrolizy w systemie 100. Ponadto tlen, przykładowo w okresach przestojów mineralizatora może być gromadzony w zbiorniku magazynowym 151.

W systemie wykorzystuje się mineralizator 110 do mineralizacji paliwa węglowego o konstrukcji takiej jak np. mineralizator opisany w polskim zgłoszeniu patentowym P.405601, przy czym budowę komory takiego mineralizatora przedstawiono schematycznie na Fig. 2. Mineralizator 110 zastosowany w skojarzonym systemie 100 ma zasadniczo poziomą obrotową rurę 111 z rozmieszczonymi wewnątrz stałymi i/lub regulowanymi elementami 112, 113, 114 do przesypywania materiału w trakcie obrotu rury 111. W mineralizatorze 110 prowadzi się ciągły proces mineralizacji (zgazowania) wsadu (paliwa węglowego) dostarczanego do komory mineralizatora 110 z wytworzeniem gazowych produktów spalania - syngazu, nieorganicznych produktów stałych oraz ciepła - zgodnie z procesem opisanym w zgłoszeniu P.405601. Mineralizator 110 zawiera dysze doprowadzające do wnętrza komory 110 czynnik zgazowujący, przykładowo w postaci jednego lub więcej króćców wlotowych z regulacją przepływu. Jako czynnik zgazowujący stosuje się powietrze, powietrze wzbogacane tlenem, lub czysty tlen, parę wodną, co dodatkowo zwiększa wydajność reakcji obejmujących proces mineralizacji (zgazowania) przebiegający w trakcie mineralizacji, przy czym im większy udział tlenu w czynniku zgazowującym tym większa wydajność zgazowania. Jako paliwo węglowe w procesie mineralizacji można stosować dowolne paliwo zawierające jeden lub więcej związków węgla, lub węgiel pierwiastkowy - zdolnych do zgazowania w warunkach procesu z wytworzeniem produktów gazowych - syngazu zawierającego tlenek węgla (CO), wodór (H2) i różne węglowodory: CxHy oraz w zależności od parametrów procesu także niewielkie ilości dwutlenku węgla (CO2). Przykładowo, jako paliwo węglowe można stosować węgiel kamienny węgiel brunatny, paliwa alternatywne np. biomasę.

Gaz syntezowy opuszczający komorę 111 mineralizatora 110 - w zależności od potrzeb może być kierowany do reaktorów 120 z utleniaczem katalitycznym np. katalizatorem platynowym katalizującego reakcje utlenia - w tym utleniania CO, H2, CXHy do CO2 i H2O. Proces utleniania w mineralizatorze prowadzi się pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego. Produkty utlenienia: CO2 i H2O po odebraniu ciepła w wymienniku ciepła i dalszym ich doczyszczeniu, wypuszcza się do atmosfery lub też CO2 wydziela się i gromadzi w zbiorniku magazynowym 121. Produkty gazowe (syngaz) opuszczające mineralizator 110 mogą być także dostarczane bezpośrednio do syntezatora metanu 130. Przykładowo, wyprowadzenie produktów gazowych z komory mineralizatora 110 może mieć postać orurowania wyposażonego w zawór-rozgałęźnik umożliwiający zamknięcie dopływu gazów do reaktora ze złożem katalitycznym 120 oraz otwarcie dopływu gazów do syntezatora metanu 130, lub też mineralizator 110 może być wyposażony w dwa oddzielne wyloty produktów gazowych: pierwszy doprowadzający produkty gazowe do reaktora ze złożem katalitycznym 120 oraz drugi doprowadzający syngaz do syntezat ora

PL 231 889 B1 metanu 130. Konstrukcja układu wyprowadzającego gaz syntezowy może ponadto umożliwiać jednoczesne odprowadzanie produktów gazowych do reaktora 120 oraz syntezatora metanu 130.

Syntezator metanu 130 może mieć postać konwencjonalnego reaktora do syntezy metanu w warunkach umożliwiających syntezę CH4 z CO/CO2 oraz H2. Przykładowo, metan może być wytwarzany w syntezatorze 130 w procesie Fischera-Troposcha (FTS) umożliwiającym konwersję CO/CO2 do metanu z wysoką selektywnością.

Skojarzony system 100 może zawierać dodatkowy syntezator metanu 140 pracujący niezależnie względem dostaw syngazu z mineralizatora 110, umożliwiający syntezę metanu z dwutlenku węgla zgromadzonego w zbiorniku 121, który może być podawany za pośrednictwem sprężarki 122. Proces konwersji dwutlenku węgla do metanu może być prowadzony na drodze konwencjonalnej, przykładowo tak jak w pierwszym syntezatorze 130 - według procesu Fischera-Troposcha. Uzyskiwany metan może być natomiast magazynowany w zbiornikach, przesyłany do sieci (rurociągu) 170 lub w zależności od potrzeb wprowadzany do reaktora 120 i spalany w komorze reakcyjnej w celu wytworzenia ciepła przekazywanego następnie do grzewczej sieci miejskiej.

System 100 jest wyposażony w układ wytwarzania wodoru do zasilania syntezatorów metanu 130, 140 w wodór, który może mieć postać konwencjonalnego elektrolizera 150 do elektrolizy H2O z wydzieleniem tlenu i wodoru.

Jako elektrolizer można stosować różne konwencjonalne układy umożliwiające elektrolizę wody. Uzyskany w procesie wodór w zależności od potrzeb dostarcza się bezpośrednio do wybranych syntezatorów metanu 130, 140 lub też gromadzi się w zbiornikach na wodór i przechowuje w celu wykorzystania - w okresie przestoju elektrolizera 150, co zapewnia niezależność syntezy metanu względem pracy elektrolizera 150. Tlen pozyskiwany w trakcie elektrolizy korzystnie wykorzystuje się jako czynnik zgazowujący w procesie mineralizacji, przy czym tlen może być dostarczany bezpośrednio do komory mineralizatora 110 w postaci czystej lub też w postaci mieszaniny z innym czynnikiem zgazowującym, w okresach przestoju mineralizatora tlen może być gromadzony w zbiorniku magazynowym 151.

Elektrolizer 150 jest zasilany prądem, korzystnie prądem ze źródeł odnawialnych, przykładowo wytwarzanym za pomocą baterii słonecznych czy elektrowni wiatrowych. Najkorzystniej, elektrolizer 150 zasila się prądem w warunkach produkcji nadwyżek prądu przez instalacje solarne czy wiatrowe, które nie mogą być spożytkowane w inny typowy sposób. Takie rozwiązanie umożliwia optymalne wykorzystywanie nadwyżek prądu pochodzącego ze źródeł odnawialnych do produkcji paliwa w postaci metanu, który przykładowo może być magazynowany, przesyłany do sieci (rurociągu) 170 lub też wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej bądź cieplnej w okresach zwiększonego zapotrzebowania na prąd czy w okresach niedoborów prądu pochodzącego ze źródeł odnawialnych, przykładowo w nocy lub w okresie zimowym. Opcjonalnie, wytwarzany metan może być wykorzystywany także w innych procesach przemysłowych.

Konstrukcja skojarzonego systemu 100 jest przystosowana do pracy w co najmniej dwóch trybach, w których wytworzony syngaz spala się w celu uzyskania energii cieplnej lub też poddaje się konwersji do metanu, przy czym system 100 może pracować także w dwóch dodatkowych trybach, w których nie wytwarza się gazu syntezowego, co zapewnia możliwość ciągłego dostosowywania trybu pracy systemu 100 do zmieniającego się w cyklu dobowym i/lub rocznym zapotrzebowania na dostawy energii cieplnej i/lub elektrycznej oraz paliwa, a także optymalne wykorzystywanie zgormadzonych surowców paliwowych oraz energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych.

Konstrukcja systemu umożliwia zatem pracę systemu 100 w czterech trybach. Konstrukcja systemu 100 umożliwia dostosowanie trybu pracy do parametrów środowiskowych oraz gospodarczych takich jak: pora roku, pora doby, stan pogody, aktualna temperatura, aktualna cena paliw stałych, aktualna cena emisji dwutlenku węgla, określona ustawowo wartość preferencji produktowych, określona ustawowo wartość preferencji emisyjnych, aktualna cena energii elektrycznej, aktualna cena gazu w zakupie, aktualna cena gazu w sprzedaży, a także innych czynników, takich jak na przykład poziom hałasu.

System 100 w zależności od potrzeb, korzystnie z uwzględnieniem wymienionych wyżej parametrów środowiskowych oraz gospodarczych, może pracować w jednym z czerech trybów pracy, lub też system 100 może pracować w kilku trybach pracy jednocześnie: przykładowo w trybie spalania syngazu w reaktorze 120 oraz w trybie produkcji metanu.

W pierwszym trybie pracy system umożliwia wytwarzanie energii cieplnej z węgla kamiennego lub paliw alternatywnych, na przykład z biomasy. W celu uruchomienia pierwszego trybu, paliwo wprowadza się do mineralizatora 110 oraz prowadzi się proces mineralizacji zgodnie z procesem opisanym

PL 231 889 B1 w zgłoszeniu patentowym P.405601, przy czym, korzystnie jako czynnik zgazowujący wykorzystuje się zapas tlenu zgromadzony w zbiorniku na tlen 151 po procesie elektrolizy, co zmniejsza obciążenie systemu 100 balastem azotowym, natomiast w przypadku wyczerpania się zapasu tlenu 151, do komory mineralizatora 110 jako czynnik zgazowujący wprowadza się powietrze uzyskując w wyniku zgazowania mieszaninę produktów gazowych w tym: CO, H2, CxHy oraz, niewielką ilość CO2.

Wytwarzany w procesie ciągłym gaz syntezowy (syngaz) odprowadza się z komory mineralizatora 110 do reaktorów ze złożem katalitycznym 120 gdzie utlenia się CO, H2 i CxHy do CO2 i H2O. Natomiast otrzymany w wyniku reakcji na katalizatorze 120 dwutlenek węgla wydziela się z mieszaniny gazowej oraz gromadzi w zbiorniku na dwutlenek węgla 121 lub wypuszcza do atmosfery.

Ciepło uzyskane w procesie katalitycznego utlenienia odbiera się z procesu za pomocą wymiennika ciepła 160, za pomocą którego ciepło dostarcza się do sieci miejskiej lub parowego obiegu turbozespołu. Pierwszy tryb umożliwia zatem produkcję energii cieplnej dostarczanej na przykład do grzewczej sieci miejskiej - przykładowo z paliw alternatywnych takich jak biomasa w procesie w którym całość wytworzonego dwutlenku węgla gromadzi się w zbiorniku magazynowym, a zatem eliminuje emisję dwutlenku węgla do atmosfery.

W drugim trybie pracy skojarzony system 100 umożliwia odbiór nadmiarowej energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych, w tym na przykład baterii słonecznych czy elektrowni wiatrowych oraz wytwarzanie metanu. W tym trybie prowadzi się jednocześnie proces mineralizacji w mineralizatorze 110 oraz proces elektrolizy H2O za pomocą elektrolizera 150 zasilanego prądem, a korzystnie nadwyżkami prądu ze źródeł odnawialnych. Drugi tryb pracy obejmuje odbiór gazu syntezowego wytwarzanego w komorze mineralizatora 110, wzbogacenie gazu syntezowego w wodór wytwarzany w procesie elektrolizy, konwersję tlenku węgla do metanu w syntezatorze 130, oraz odprowadzanie wydzielającej się w syntezatorze H2O do elektrolizera 150. Opcjonalnie, w przypadku obecności dwutlenku węgla w zbiorniku magazynowym 121 można równolegle prowadzić reakcję syntezy metanu z dwutlenku węgla w dodatkowym syntezatorze metanu 140, w procesie obejmującym doprowadzenie dwutlenku węgla ze zbiornika magazynowego 121 do syntezatora, doprowadzenie wodoru z elektrolizera 150 do dodatkowego syntezatora metanu 140, odbiór metanu oraz zawracanie H2O do elektrolizera 150 stanowiącej produkt uboczny konwersji dwutlenku węgla do metanu. Tlen wydzielany w procesie elektrolizy może być kierowany bezpośrednio do komory mineralizatora 110 (jako czynnik zgazowujący) lub gromadzony w zbiorniku magazynowym 151.

Drugi tryb pracy systemu 100 umożliwia zatem przekształcenie nadmiarowej energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w paliwo węglowodorowe takie jak metan, które może być przechowywane oraz zużywane do produkcji energii elektrycznej lub cieplnej według zapotrzebowania. Ponadto, zastosowanie takiego obiegu umożliwia przekształcanie szkodliwego dla środowiska dwutlenku węgla w użyteczne paliwo - metan, a zatem zapewnia ograniczenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

Trzeci tryb pracy umożliwia wytwarzanie ciepła na potrzeby grzewczej sieci miejskiej w przypadku braku innego źródła paliwa - przykładowo biomasy czy węgla kamiennego. W trzecim trybie następuje przestój mineralizatora 110, natomiast ciepło jest wytwarzane w procesie spalania metanu w reaktorze 120. Trzeci tryb obejmuje: doprowadzenie metanu oraz tlenu (jeśli jest obecny w zbiorniku 151) do komory reaktora ze złożem katalitycznym 120 lub (w przypadku braku tlenu w zbiorniku 151) doprowadzenie do komory reaktora powietrza, spalanie metanu, oraz opcjonalnie gromadzenie wydzielanego w procesie spalania dwutlenku węgla w zbiorniku magazynowym 121. Ciepło spalania odbiera się z układu wymiany ciepła reaktora 120 i przekazuje się na przykład do grzewczej sieci miejskiej za pomocą głównego wymiennika ciepła 160.

Praca systemu w trzecim trybie zapewnia ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla wydzielany w procesie spalania metanu może być w tym trybie zgromadzony częściowo lub w całości w zbiorniku magazynowym 121, w zależności od potrzeb systemu 100, natomiast pozostała, niezgromadzona cześć dwutlenku węgla jest emitowana do atmosfery. Trzeci tryb umożliwia zatem pracę systemu 100 z ograniczonym lub całkowitym brakiem emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

W czwartym trybie pracy systemu 100 następuje przestój pracy mineralizatora 110, reaktorów ze złożem katalitycznym 120 oraz syntezatorów metanu 130, 140. Ciepło w ilości ok. 30% energii zasilania uzyskuje się z procesu elektrolizy H2O zasilanej prądem pozyskiwanym na przykład ze źródeł odnawialnych. Ciepło z procesu elektrolizy odbiera się za pomocą wymiennika ciepła elektrolizera współpracującego na przykład z głównym wymiennikiem ciepła 160 umożliwiającym dostarczenie energii cieplnej do grzewczej sieci miejskiej natomiast tlen oraz wodór gromadzi się w zbiornikach 151, 152. W przypadku całkowitego wypełnienia zbiorników tlenu i wodoru 151, 152, nadmiarowy prąd ze źródeł

PL 231 889 B1 odnawialnych można kierować bezpośrednio do głównego wymiennika ciepła 160 i zamieniać na energię cieplną za pomocą grzałek elektrycznych 161 głównego wymiennika 160. Tak wytworzoną energię cieplną dostarcza się bezpośrednio do grzewczej sieci miejskiej. Czwarty tryb pracy może być wykorzystywany w przypadku zagrożenia smogiem ze względu na brak generowania w tym cyklu dwutlenku węgla. Proces zapewnia ponadto sensowne gospodarczo i środowiskowo spożytkowanie nadmiarowej ilości energii elektrycznej wytwarzanej w okresach zwiększonej produkcji prądu przez baterie słoneczne czy elektrownie wiatrowe, lub inne niemożliwe do łatwego sterowania mocy źródła jak elektrownie wodne, lub fermentory produkujące biogaz.

Zaletą skojarzonego systemu jest zatem możliwość dostosowywania pracy systemu do zmiennych warunków atmosferycznych, zmiennego zapotrzebowania na dostawy energii cieplnej oraz paliwa węglowodorowego - metanu, przy jednoczesnym stałym ograniczeniu emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

Dodatkowo, skojarzony system umożliwia ponadto bezpieczne okresowe wyłączenie mineralizatora zapewniając w tym czasie dostawę energii cieplnej zgodnie z trybami pracy sytemu 100 nie wymagającymi jego uruchamiania, co ma szczególne znaczenie w okresach wymaganej obsługi oraz czyszczenia urządzenia.

Ponadto, skojarzony system według wynalazku nie wymaga zatrzymywania w okresach w których brak jest zapotrzebowania na energię cieplną - na przykład w okresach letnich - system 100 może w tych okresach realizować proces produkcji metanu, bez konieczności zatrzymywania pracy systemu.

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Skojarzony system wytwarzania paliwa i energii cieplnej, zawierający elektrolizer do wytwarzania tlenu i wodoru w procesie elektrolizy wody, znamienny tym, że system zawiera ponadto:

   - mineralizator (110) do wytwarzania gazu syntezowego w procesie zgazowania paliwa węglowego w obecności czynnika zgazowującego;

   - syntezator metanu (130) do wytwarzania metanu w procesie syntezy tlenku węgla z mineralizatora (110) i wodoru z elektrolizera wody (150);

   - reaktor ze złożem katalitycznym (120) do wytwarzania dwutlenku węgla w procesie spalania gazu syntezowego z mineralizatora (110) i/lub metanu;

   - przy czym elektrolizer (150) zawiera układ wymiany ciepła połączony z wymiennikiem ciepła (160).
2. 2. System według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera zbiornik dwutlenku węgla (121) wydzielanego w procesie spalania w reaktorze ze złożem katalitycznym (120).
3. 3. System według zastrz. 2, znamienny tym, że syntezator metanu (130) jest ponadto przystosowany do wytwarzania metanu w procesie syntezy tlenku węgla z mineralizatora (110), dwutlenku węgla ze zbiornika dwutlenku węgla (121) i wodoru z elektrolizera wody (150).
4. 4. System według zastrz. 2, znamienny tym, że zawiera dodatkowy syntezator metanu (140) do wytwarzania metanu w procesie syntezy dwutlenku węgla ze zbiornika dwutlenku węgla (121) i wodoru z elektrolizera wody (150).
5. 5. System według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera zbiornik (151) na tlen i zbiornik (152) na wodór wytwarzane w elektrolizerze wody (150).
6. 6. System według zastrz. 1, znamienny tym, że wymiennik ciepła (160) zawiera grzejnik elektryczny (161) do konwersji prądu na energię cieplną.
7. 7. Sposób wytwarzania paliwa i energii cieplnej, znamienny tym, że:

   - w systemie zawierającym:

   - elektrolizer (150) do wytwarzania tlenu i wodoru w procesie elektrolizy wody;

   - mineralizator (110) do wytwarzania gazu syntezowego w procesie zgazowania paliwa węglowego w obecności czynnika zgazowującego;

   - syntezator metanu (130) do wytwarzania metanu w procesie syntezy tlenku węgla z mineralizatora (110) i wodoru z elektrolizera wody (150);

   - reaktor ze złożem katalitycznym (120) do wytwarzania dwutlenku węgla w procesie spalania gazu syntezowego z mineralizatora (110) i/lub metanu;

   PL 231 889 B1

   - przy czym elektrolizer (150) zawiera układ wymiany ciepła połączony z wymiennikiem ciepła (160);

   - wytwarza się paliwo i energię cieplną w co najmniej jednym z co najmniej dwóch trybów działania,

   - przy czym w pierwszym trybie działania prowadzi się proces zgazowania paliwa węglowego w mineralizatorze (110) z wydzielaniem gazu syntezowego, który spala się z w reaktorze ze złożem katalitycznym (120) z wydzielaniem dwutlenku węgla i wody, przy czym ciepło z procesu spalania w reaktorze ze złożem katalitycznym (120) dostarcza się do sieci grzewczej poprzez wymiennik ciepła (160);

   - natomiast w drugim trybie działania tlenek węgla z mineralizatora (110) wzbogaca się wodorem wytwarzanym w elektrolizerze (150) i wytwarza się metan w syntezatorze metanu (130).
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że w trzecim trybie działania metan wytwarzany w syntezatorze metanu (130) spala się w reaktorze ze złożem katalitycznym (120), przy czym ciepło z procesu spalania dostarcza się do sieci grzewczej poprzez wymiennik ciepła (160).
9. 9. Sposób według zastrz. 7 lub 8, znamienny tym, że w czwartym trybie działania zasila się grzejnik elektryczny (161) wymiennika ciepła (160) prądem z sieci elektroenergetycznej.
10. 10. Sposób według zastrz. 7 lub 8, znamienny tym, że w dodatkowym syntezatorze metanu (140) wytwarza się metan w procesie syntezy dwutlenku węgla wytwarzanego w reaktorze ze złożem katalitycznym (120) i wodoru z elektrolizera wody (150).
11. 11. Sposób według dowolnego z zastrz. 7-9, znamienny tym, że elektrolizer (150) zasila się prądem ze źródeł odnawialnych.
12. 12. Sposób według zastrz. 7 lub 8, znamienny tym, że elektrolizer (150) zasila się prądem nadmiarowym, występującym w sieciach elektroenergetycznych z powodu pracy niesterowalnych źródeł energii odnawialnej (OZE).