PL235565B1 - Sposób integracji systemu magazynowania energii w wodorze oraz sprężonym powietrzu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób integracji systemu magazynowania energii w wodorze oraz sprężonym powietrzu, mających zastosowanie w systemach elektroenergetycznych obejmujących wytwarzanie oraz dystrybucję energii elektrycznej.

System magazynowania i wykorzystania energii sprężonego powietrza wykorzystywano już w początkach 1949 roku.

Z amerykańskiego opisu patentowego US7389644 znany jest układ wykorzystujący energię sprężonego powietrza w okresie zwiększonego zapotrzebowania na energię elektryczną. W układzie takim ciśnienie w zbiorniku sprężonego powietrza dochodzi do 100 barów, a następnie jest dławione przed ekspanderem. Niedogodnością powyższego rozwiązania jest niska sprawność magazynowania energii, wynikająca z potrzeby spalania paliwa gazowego oraz dyssypacji dużych ilości ciepła chłodzenia sprężanego powietrza na etapie ładowania systemu.

Stosowanie systemów magazynowania energii ma na celu zmagazynowanie energii elektrycznej produkowanej w nadwyżce, w okresie wysokiego potencjału źródeł energetycznych, bądź/i też niskiego na nią popytu i jej wykorzystanie w okresie występującego na nią zapotrzebowania.

Wśród najpopularniejszych wielkoskalowych rozwiązań, obok stosowanych elektrowni szczytowo-pompowych, są systemy wykorzystujące proces sprężania powietrza w okresie nadwyżki energetycznej, jego magazynowania w zbiornikach oraz jego rozprężania celem pozyskiwania energii w okresie zwiększonego na nią zapotrzebowania. Technologia magazynowania energii w sprężonym powietrzu klasyfikowana jest pod nazwą CAES (ang. Compressed Air Energy Storage).

Innymi rozwiązaniami zyskującymi na popularności są systemy oparte na procesach umożliwiających wykorzystanie energii pobieranej w okresie nadwyżki, celem generacji wodoru. Wodór opcjonalnie wykorzystywany może być dla generacji innych wysokoenergetycznych związków, tj. np. metanu. Konwersja do takich paliw umożliwia ich łatwiejsze magazynowanie oraz wykorzystanie w ramach szerszego spektrum technologii konwersji w energię elektryczną, np. w ramach turbin gazowych, w przypadku których spalanie wodoru jest utrudnione. Uzyskany na etapie ładowania produkt jest magazynowany, a następnie, w okresie zwiększonego zapotrzebowania na energię, podlega procesowej konwersji, ostatecznie w energię elektryczną. Systemy umożliwiające magazynowanie energii z wykorzystaniem pośredniego procesu produkcji wodoru klasyfikowane są w ramach technologii PtGtP (ang. Power-to-Gas-to-Power).

W przypadku autonomicznego systemu CAES podstawowym wyzwaniem umożliwiającym uzyskanie wysokich sprawności konwersji sprężonego powietrza w energię elektryczną jest zagwarantowanie warunków umożliwiających uzyskanie wysokiej pracy jednostkowej procesu ekspansji powietrza w okresie rozładowywania systemu. Możliwe jest to na drodze podgrzewu sprężonego powietrza przed jego wprowadzeniem do ekspandera. Stosowane metody decydują o klasyfikacji dwóch podstawowych rozwiązań w ramach technologii CAES, tj. systemów diabatycznych oraz adiabatycznych.

W przypadku systemów diabatycznych zagwarantowanie wysokiej temperatury gazu wprowadzanego do ekspandera realizuje się w procesie spalania doprowadzanego dodatkowo paliwa, np. gazu ziemnego, w atmosferze sprężonego powietrza. W przypadku systemów diabatycznych możliwe jest uzyskanie wysokich wskaźników pracy jednostkowej procesu rozprężania, jednak wysoki nakład energetyczny w dodatkowym paliwie zmniejsza wartości określanych wskaźników efektywnościowych. Zgodnie z ideą systemów adiabatycznych nie jest wymagane doprowadzanie do systemu dodatkowego paliwa. Uzyskiwanie stosunkowo wysokiej pracy jednostkowej w procesie rozprężania jest możliwe dzięki podgrzewowi powietrza przy wykorzystaniu ciepła, które podobnie jak sprężone powietrze zostało zmagazynowane na etapie ładowania systemu. Ciepło to jest generowane w procesie sprężania powietrza, a jego odzysk jest możliwy dzięki wykorzystaniu chłodnic zabudowywanych między sekcjami sprężarki oraz na jej wylocie. Niedogodnością rozwiązania jest konieczność zabudowy kosztownych magazynów ciepła oraz stosunkowo niska temperatura, do jakiej możliwe jest podgrzanie powietrza przed jego wprowadzeniem do ekspandera.

Niedogodnością systemu PtGtP jest długi łańcuch procesowy, który przy stosunkowo niskich sprawnościach procesów jednostkowych, takich jak proces generacji wodoru, proces metanizacji oraz proces generacji energii elektrycznej, decyduje o niskiej sprawności całkowitej systemu magazynowania energii. Niskie sprawności wymienionych procesów jednostkowych są wynikiem generowania w ramach każdego z nich dużych ilości ciepła, którego użyteczne wykorzystanie jest zazwyczaj mocno ograniczone w przypadku wielkoskalowych systemów magazynowania energii. W przypadku generatorów wodoru predysponowanych do pracy w ramach systemów magazynowania energii (elektrolizery alkaliczne

PL 235 565 B1 oraz PEM) ciepło jakie można odzyskać z procesu elektrolizy jest ciepłem niskotemperaturowym, o mocno ograniczonych walorach użytkowych. Proces metanizacji jest procesem egzotermicznym. Temperatury realizacji procesu silnie zależą od parametrów pracy reaktora i na ogół przekraczają poziom 200°C. W przypadku braku podmiotów zainteresowanych zakupem ciepła odzyskanego z procesu metanizacji zasadne wydaje się jego rozproszenie w otoczeniu.

Wykorzystanie metanu celem produkcji energii elektrycznej może mieć miejsce w silnikach spalinowych, turbinach gazowych oraz ogniwach paliwowych. Niezależnie od wybranej technologii procesowi transformacji energii chemicznej metanu do energii elektrycznej towarzyszy generacja dużych ilości ciepła. Posiadanie prócz metanu również tlenu pozwala na zaplanowanie technologii oxyspalania, a więc spalania paliwa w mieszaninie tlenu oraz dwutlenku węgla, mającego za zadanie stabilizację procesu spalania. Technologia oxyspalania umożliwia uzyskanie spalin stanowiących mieszaninę dwutlenku węgla oraz wody w postaci gazowej. Spaliny o wysokim ciśnieniu kierowane są do ekspandera gazowego, gdzie wykonują pracę. Temperatura po procesie ekspansji w dużej mierze zależy od takich parametrów jak stosunek tlenu oraz dwutlenku węgla w mieszaninie zastosowanej jako utleniacz oraz poziomów ciśnienia przed i po procesie ekspansji. Charakterystyka spalin opuszczających ekspander gazowy umożliwia przeprowadzenie nisko energochłonnego procesu separacji dwutlenku węgla, wymagającego wychłodzenia spalin dla uzyskania kondensacji pary wodnej. Odzyskana woda może być powtórnie wykorzystana w procesie elektrolizy. Ciepło odzyskane ze strumienia spalin opuszczających ekspander gazowy, w odróżnieniu od ciepła odzyskiwanego w procesie metanizacji, może być ciepłem wysokotemperaturowym, które może być efektywnie wykorzystane. Okresowe dysponowanie strumieniem ciepła istotnie ogranicza jednak możliwości jego efektywnego wykorzystania poza systemem magazynowania energii.

Celem wynalazku jest efektywne wykorzystanie strumieni ciepła oraz chłodu identyfikowanych w ramach dwóch systemów magazynowania energii: CAES oraz PtGtP i w ten sposób zwiększenie skumulowanej sprawności magazynowania energii. Cel ten osiągnięto na drodze cieplnej integracji dwóch systemów, co prowadzi do opracowania koncepcji systemu hybrydowego.

Sposób integracji systemu magazynowania energii w wodorze oraz sprężonym powietrzu polega na tym, że ciepło odzyskane w wymienniku ciepła produktów procesu syntezy/powietrze w procesie metanizacji na etapie rozładowywania systemu oraz ciepło odzyskane ze spalin opuszczających ekspander gazowy w wymienniku ciepła spaliny/powietrze wykorzystywane jest do podgrzewu powietrza sprężonego, przed jego wprowadzeniem do ekspandera powietrznego, natomiast chłód uzyskany po rozprężeniu powietrza w ekspanderze powietrznym wykorzystuje się dla wychłodzenia spalin opuszczających wymiennik ciepła spaliny/powietrze w ramach separatora rozdzielającego dwutlenek węgla od pary wodnej na drodze jej kondensacji, w ramach wymiennika ciepła w układzie separatora H2O/CO2 separatora rozdzielającego dwutlenek węgla.

Sposób integracji według wynalazku przedstawiono na rysunku, który przedstawia schemat systemu integrującego dwie technologie magazynowania energii.

Sposób integracji według wynalazku oparty jest o dwa systemy magazynowania, w których wyróżnia się procesy identyfikowane w klasycznie rozumianym systemie CAES oraz systemie PtGtP, w ramach którego wytworzony wodór przy udziale dwutlenku węgla podlega reakcji syntezy, której produktami jest syntetyczny metan oraz woda.

W skład hybrydowego systemu magazynowania wchodzą: generator wodoru (6), instalacja uzdatniania wody (20), sprężarki: powietrza (1), wodoru (7) (opcjonalnie) oraz na sprężony tlen (8) (opcjonalnie), zbiorniki: na sprężone powietrza (3), sprężony wodór (9), sprężony tlen (10) oraz na wodę (19), reaktor syntezy metanu (11), komora spalania (12), ekspandery napędzające generator energii elektrycznej (5): gazowy (13) oraz powietrzny (4), separator CO2/H2O (17), wymienniki ciepła integrujące dwa podsystemy, sprężarki dwutlenku węgla (18), pompy, oraz trzy wymienniki ciepła integrujące zgodnie z ujawnionym sposobem dwa podsystemy: pierwszy wymiennik ciepła (14), wymieniający ciepło między spalinami opuszczającymi ekspander gazowy (13), a powietrzem zasilającym ekspander powietrzny (4), drugi wymiennik ciepła produktów procesu syntezy/powietrza (15), wymieniający ciepło między produktami procesu syntezy metanu w układzie reaktora (11), a powietrzem zasilającym ekspander powietrzny (4) oraz trzeci wymiennik ciepła (16), wymieniający ciepło między spalinami w układzie separatora CO2/H2O (17), a powietrzem opuszczającym ekspander powietrzny (4). W cyklu pracy systemu hybrydowego wyróżnić można trzy etapy: etap ładowania, etap magazynowania oraz etap rozładowywania.

PL 235 565 B1

Na etapie pierwszym nadwyżka produkowanej energii elektrycznej służy do produkcji wodoru w ramach generatora wodoru (6), wykorzystującego proces elektrolizy wody oraz do napędu sprężarki powietrza. Produktem pobocznym procesu elektrolizy jest tlen. Trzy wymienione produkty etapu pierwszego są magazynowane w specjalnie dla nich dobranych zbiornikach (w zależności od skali systemu budowanych jako naziemne lub podziemne): zbiorniku na sprężone powietrze (3), zbiorniku na sprężony wodór (9) oraz zbiorniku na sprężony tlen (10). Dla zmniejszenia wymaganych objętości magazynowych wodór oraz tlen mogą podlegać procesowi sprężania na drodze wykorzystania odpowiednio sprężarki wodoru (7) oraz sprężarki tlenu (8), które napędzane mogą być, jak pokazano na rysunku, silnikiem elektrycznym (2), napędzającym sprężarkę powietrza.

Na etapie drugim energia elektryczna nie jest ani doprowadzana, ani odprowadzana z systemu, a produkty etapu pierwszego oraz woda odzyskana na etapie rozładowywania są zmagazynowane w zbiornikach.

Na etapie trzecim wodór, przy udziale dwutlenku węgla, który dla inicjacji etapu doprowadzany jest z zewnątrz, wykorzystywany jest w ramach reaktora syntezy metanu (11). Produktem głównym jest metan syntetyczny, natomiast produktem ubocznym jest woda, która trafia do zbiornika na wodę (19). Ciepło generowane w reaktorze wykorzystywane jest w wymienniku ciepła produktów procesu syntezy/powietrza (15) dla podgrzewu części powietrza zasilającego ekspander powietrza, co stanowi pierwszy element integrujący dwa podsystemy (CAES oraz PtGtP). Wyprodukowany metan kierowany jest do komory spalania (12), gdzie jest spalany w atmosferze tlenu oraz dwutlenku węgla, którego rolą jest stabilizacja procesu spalania oraz zagwarantowanie odpowiednich temperatur procesu. Spaliny wysokotemperaturowe stanowiące głównie mieszaninę CO2 oraz H2O kierowane są do ekspandera gazowego (13), gdzie wykonują pracę napędzając generator energii elektrycznej (5). Spaliny po opuszczeniu ekspandera charakteryzują się wysoką temperaturą, która pozwala na przeponowy podgrzew powietrza kierowanego do ekspandera powietrznego, wcześniej zmagazynowanego w zbiorniku na sprężone powietrze (3). Wymiennik ciepła spaliny/powietrze (14), gdzie realizowany jest proces wymiany ciepła, jest drugim elementem integrującym dwa podsystemy systemu hybrydowego. Sprężone powietrze podgrzane w ramach dwóch wymienników ciepła: pierwszego wymiennika ciepła produktów procesu syntezy/powietrza (15), pozwalającego na odzysk ciepła reakcji syntezy oraz drugiego wymiennika ciepła spaliny/powietrze (14), zabudowanego na spalinach opuszczających ekspander gazowy (13), trafia do ekspandera powietrznego (4), gdzie wykonuje pracę. Spaliny po oddaniu ciepła kierowane są do separatora H2O/CO2 (17), w ramach którego, na drodze wychładzania gazu następuje kondensacja pary wodnej, skutkiem czego jest jej odseparowanie od gazów (w tym głównie CO2). Czynnikiem przejmującym ciepło kondensacji, w wymienniku ciepła w układzie separatora H2O/CO2 (16), stanowiącym trzeci i ostatni element integrujący dwa podsystemy, jest powietrze opuszczające ekspander powietrzny (4), którego temperatura po procesie ekspansji, przy odpowiednio dobranych parametrach powietrza zasilającego ekspander powietrzny (4) (odpowiednio niskiej temperaturze oraz wysokim ciśnieniu), może być znacznie niższa od temperatury powietrza atmosferycznego. Wychłodzenie spalin do temperatury niższej od temperatury, jaką można uzyskać przy wykorzystaniu jako medium chłodzącego powietrza atmosferycznego, umożliwia uzyskanie produktów procesu separacji o wyższej czystości.

Integracja dwóch systemów magazynowania energii w ramach systemu hybrydowego skutkuje zachowaniem indywidualnych cech tych systemów przy równoczesnej likwidacji niedogodności układów analizowanych autonomicznie, co przyczynia się do zwiększenia skumulowanej sprawności procesu magazynowania energii.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest uniknięcie wysokich strat energii w systemach magazynowania energii opartych na wykorzystaniu podstawowych procesów identyfikowanych w ramach dwóch klasycznych metod magazynowania energii, tj. CAES oraz PtGtP i w konsekwencji tego uzyskanie korzystnych wskaźników efektywności termodynamicznej oraz możliwość ograniczenia kosztów poniżej poziomu wynikającego z budowy dwóch niezależnych systemów magazynowania o tym samym potencjale magazynowym co system hybrydowy. Takt możliwość wynika z wykorzystania w ramach systemu hybrydowego wspólnych elementów dla dwóch podsystemów, a tym samym braku konieczności wyposażania podsystemu CAES w: regeneracyjny wymiennik ciepła, indywidualnej komory spalania oraz podsystemu PtGtP w: system rozpraszania ciepła reakcji metanizacji oraz ciepła spalin opuszczających ekspander gazowy, systemu chłodzenia gazów w ramach separatora dwutlenku węgla oraz pary wodnej. W ramach systemu hybrydowego istnieją przesłanki dla instalacji jednego silnika napędzającego wszystkie sprężarki oraz jednego generatora energii elektrycznej współpracującego z ekspanderem gazowym oraz powietrznym.

PL 235 565 B1

Wykaz oznaczeń:

1. sprężarka powietrza

2. silnik elektryczny

3. zbiornik na sprężone powietrze

4. ekspander powietrzny

5. generator energii elektrycznej

6. generator wodoru

7. sprężarka wodoru

8. sprężarka tlenu

9. zbiornik na sprężony wodór

10. zbiornik na sprężony tlen

11. reaktor syntezy metanu

12. komora spalania

13. ekspander gazowy

14. wymiennik ciepła spaliny/powietrze

15. wymiennik ciepła produkty procesu syntezy/powietrze

16. wymiennik ciepła w układzie separatora H2O/CO2

17. separator H2O/CO2

18. sprężarki dwutlenku węgla

19. zbiornik na wodę

20. instalacja uzdatniania wody

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób integracji instalacji magazynowania energii w postaci sprężonego powietrza z systemem magazynowania energii w wodorze, znamienny tym, że ciepło odzyskane w wymienniku ciepła produktów procesu syntezy/powietrze (15) w procesie metanizacji na etapie rozładowywania systemu oraz ciepło odzyskane ze spalin opuszczających ekspander gazowy (13) w wymienniku ciepła spaliny/powietrze (14) wykorzystywane jest do podgrzewu powietrza sprężonego, przed jego wprowadzeniem do ekspandera powietrznego (4), natomiast chłód uzyskany po rozprężeniu powietrza w ekspanderze powietrznym (4) wykorzystuje się dla wychłodzenia spalin opuszczających wymiennik ciepła spaliny/powietrze (14) w ramach separatora rozdzielającego dwutlenek węgla (17) od pary wodnej na drodze jej kondensacji, w ramach wymiennika ciepła w układzie separatora H2O/CO2 (16) separatora rozdzielającego dwutlenek węgla (17).