TWI519711B - 壓縮氣體儲放電能系統及其方法 - Google Patents

壓縮氣體儲放電能系統及其方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI519711B
TWI519711B TW102133807A TW102133807A TWI519711B TW I519711 B TWI519711 B TW I519711B TW 102133807 A TW102133807 A TW 102133807A TW 102133807 A TW102133807 A TW 102133807A TW I519711 B TWI519711 B TW I519711B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
storage tank
pressure storage
modified zeolite
high pressure
gas
Prior art date
Application number
TW102133807A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201512537A (zh
Inventor
賴慶智
鄭旭翔
許心蘭
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW102133807A priority Critical patent/TWI519711B/zh
Publication of TW201512537A publication Critical patent/TW201512537A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI519711B publication Critical patent/TWI519711B/zh

Links

Landscapes

  • Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Description

壓縮氣體儲放電能系統及其方法
本揭露係關於一種儲放電能技術，具體而言，係關於一種壓縮氣體儲放電能系統及其方法。
大型儲能系統可與風能或太陽能等間歇性發電系統搭配，於離峰時段儲存電力並於尖峰時段釋放電力，因此，對於穩定電網及降低發電成本有極大助益。
一種大型儲能技術例如壓縮氣體儲能(Compressed Air Energy Storage，CAES)系統，傳統上係利用地下洞穴儲存壓縮的空氣，其所需的空間相當龐大。在壓縮及膨脹空氣時，會有壓縮升溫、膨脹冷卻的問題，因此在壓縮空氣過程中，必須要同時冷卻空氣，反之，在空氣膨脹的過程中必須重新加熱空氣(通常使用天然氣或油加熱的方式)，因此大量熱能會散失到地層中。而目前亦發展出許多地上儲存槽式的壓縮氣體儲能技術，例如熱移動儲電裝置(Pumped Heat Electricity Storage；PHES)技術、恆溫壓縮氣體儲能(Isothermal Compressed Air Energy Storage；ICAES)技術及吸附增強壓縮空氣儲能(Adsorption-Enhanced Compressed Air Energy Storage；AE-CAES)技術。
PHES系統包括兩個填充有礪石和氬氣的槽體，利用電力驅 動幫浦壓縮進入一槽體中的氬氣使其達到攝氏500度以上的高溫並傳熱予礪石，另膨脹進入另一槽體中的氬氣使其達到攝氏負160度並冷卻礪石，使得兩槽體之間具有溫度差，藉此，將電能轉換成熱能儲存，並在有電能需求時將熱能轉換為電能後釋出。PHES系統的優點在於使用高容量比之氬氣做為工作流體，惟，其工作溫度範圍過大，且儲能密度相對較低。
AE-CAES系統採用沸石作為填充材並以空氣作為工作流體，利用壓力擺盪法及溫度擺盪法，透過恆溫壓縮、恆壓吸附、恆壓脫附及恆溫膨脹等四個步驟，達到循環儲存及釋放能量之目的。惟，於AE-CAES技術中，空氣於低壓時吸附於沸石上的量非常稀少，因而系統實際操作時是採恆壓操作，僅有溫度擺盪而已，儲能效果不彰。
ICAES技術的優點是利用灑水以達到恆溫操作，其理論熱效率較高，惟，其缺點在於對儲槽耐壓程度要求較高以及欲達到恆溫操作之控制較複雜。
因此，如何提供一種高儲能、高密度、穩定熱能、簡易結構且較小體積之儲能系統技術，即為各界所亟待解決之課題。
本揭露為一種壓縮氣體儲放電能系統，係包括：低壓儲存槽，填充有第一改質沸石；高壓儲存槽，填充有第二改質沸石；壓縮機，連接該低壓儲存槽與該高壓儲存槽，用於壓縮自該低壓儲存槽流至該高壓儲存槽之一氣體；以及渦輪機，連接該低壓儲存槽與該高壓儲存槽，用於膨脹自該高壓儲存槽流至該低壓儲存槽之該氣體，其中，該氣體自該低壓儲存槽經該壓縮機壓縮進入 該高壓儲存槽，以與該高壓儲存槽中的第二改質沸石進行化學反應而有熱交換，以及該氣體自該高壓儲存槽經該渦輪機膨脹進入該低壓儲存槽，以與該低壓儲存槽中的第一改質沸石進行化學反應而有熱交換。
本揭露為一種壓縮氣體儲放電能方法，包括：於充電狀態時，該壓縮機接收一電力供應，以將自該低壓儲存槽流至該高壓儲存槽的氣體自常溫常壓態壓縮為高溫高壓態，該高溫高壓態的氣體進入該高壓儲存槽以與該第二改質沸石進行化學反應而放熱予該第二改質沸石，藉此將電能轉換為熱能與化學能儲存於該高壓儲存槽中。接著，自該高壓儲存槽流出之常溫高壓態的氣體經該渦輪機膨脹為低溫常壓態，並進入該低壓儲存槽以與該第一改質沸石進行化學反應以自該第一改質沸石吸熱，使自該低壓儲存槽流出的氣體為常溫常壓態。
本揭露為一種壓縮氣體儲放電能方法，包括：於放電狀態時，該高壓儲存槽中儲存有高溫高壓態的氣體，該高溫高壓態的氣體自該高壓儲存槽流出至該渦輪機以驅動該渦輪機發電，藉此將該高壓儲存槽所儲存的熱能與化學能轉換為電能輸出。接著，自該高壓儲存槽流出之高溫高壓態的氣體經該渦輪機膨脹為常溫常壓態，並進入該低壓儲存槽與該第一改質沸石進行化學反應而放熱予該第一改質沸石，使自該低壓儲存槽流出的氣體為低溫常壓態。接著，該低溫常壓態的氣體經該壓縮機壓縮為常溫高壓態，並進入該高壓儲存槽與該第二改質沸石進行化學反應以自該第二改質沸石吸熱，使自該高壓儲存槽內的氣體為高溫高壓態。
於一實施例中，該壓縮氣體儲放電能系統所使用的氣體為二 氧化碳，所使用的第一或第二改質沸石皆為含鎂離子之改質沸石。
相較於先前技術，本揭露以化學反應熱較顯熱為高之原理，利用二氧化碳與含鎂離子之改質沸石反應可放出/吸收大量熱的特點，大大提昇了系統的儲能密度，且工作溫度範圍相對較小，所占體積亦相對減小。
1、1a‧‧‧低壓儲存槽
11、11a‧‧‧第一改質沸石
2‧‧‧壓縮機
3、3a‧‧‧高壓儲存槽
31、31a‧‧‧第二改質沸石
4‧‧‧渦輪機
5‧‧‧連接管件
E1、E2、E3、E4‧‧‧電力
第1圖表示本揭露之壓縮氣體儲放電能系統之基本構件及其充電示意圖；第2圖表示本揭露之壓縮氣體儲放電能系統之基本構件及其放電示意圖；以及第3圖表示本揭露之壓縮氣體儲放電能系統之含鎂離子之改質沸石的吸附量實驗結果。
以下藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟習此項技藝之人士可由本文所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點及功效。
第1圖和第2圖係分別繪示本揭露之壓縮氣體儲放電能系統之充電和放電之示意圖。如第1圖所示，本揭露之壓縮氣體儲放電能系統係包括低壓儲存槽1、壓縮機2、高壓儲存槽3、渦輪機4以及連接前述構件之連接管件5。
低壓儲存槽1和高壓儲存槽3分別填充有第一改質沸石11和第二改質沸石31。於本實施例中，所使用的第一改質沸石11和第二改質沸石31皆為含有鎂離子之改質沸石(例如Mg-13X)，其可利用陰陽離子交換原理以鎂離子置換改質沸石上原本的陽離 子。實驗數據顯示，沸石中鎂離子的含量範圍係為3-10wt%，即可將本揭露之壓縮氣體儲放電能系統的儲能密度提高。
壓縮機2係連接低壓儲存槽1與高壓儲存槽3，用於壓縮自低壓儲存槽1通過連接管件5流至高壓儲存槽3的氣體，且氣體經壓縮機2壓縮之後會提高其溫度及壓力。渦輪機4係連接低壓儲存槽1與高壓儲存槽3，用於膨脹自低壓儲存槽1通過連接管件5流至高壓儲存槽3的氣體，且氣體經渦輪機4膨脹之後會降低其溫度及壓力。
本揭露之壓縮氣體儲放電能方法包括，於充電或放電過程中，氣體自低壓儲存槽1經壓縮機2壓縮並通過連接管件5而進入高壓儲存槽3，以與高壓儲存槽3中的第二改質沸石31進行化學反應而有熱交換，此外，氣體自高壓儲存槽3經渦輪機4膨脹並通過連接管件5而進入低壓儲存槽1中，以與低壓儲存槽1中的第一改質沸石11進行化學反應而有熱交換。
於充電狀態時，如第1圖所示，低壓儲存槽1中的第一改質沸石11含有氧化鎂(MgO)，高壓儲存槽3中的第二改質沸石31，因高壓MgO會反應產生碳酸鎂(MgCO3)。於放電狀態時，如第2圖所示，低壓儲存槽1a中的第一改質沸石11a含有碳酸鎂，高壓儲存槽3a中的第二改質沸石31a含有氧化鎂。此外，於本實施例中，所使用的氣體為二氧化碳。以下詳述本揭露充電過程及放電過程中，低壓儲存槽和高壓儲存槽中的化學反應及其熱交換。
參閱第1圖，於充電狀態時，提供一電力E1予壓縮機2，壓縮機2受驅動而壓縮二氧化碳，使通過連接管件5進入壓縮機2的二氧化碳為高溫高壓態，該高溫高壓態的二氧化碳進入高壓儲 存槽3以與其中的第二改質沸石31進行以下化學反應：MgCO3 → MgO+CO2 △H>0 (1)
由化學式(1)可知，高壓儲存槽3中的第二改質沸石31(含MgCO3)吸收了來自該高溫高壓態的二氧化碳的熱量，藉此將電能(即電力E1)轉換成熱能與化學能而儲存在高壓儲存槽3中。
接著，自高壓儲存槽3流出常溫高壓態的二氧化碳，該常溫高壓態的二氧化碳經渦輪機4膨脹為低溫常壓態，其中，於膨脹二氧化碳的過程中，渦輪機4會輸出少量電力E2，其相較於E1非常小，在離峰時段電力過多時，提供電力E1給壓縮機2，可藉此將電力E1轉換成熱能與化學能而儲存在高壓儲存槽3中。故不影響整體系統之充電效能。接著，該低溫常壓態的二氧化碳通過連接管件5進入低壓儲存槽1中，以與其中的第一改質沸石11進行以下化學反應：MgO+CO2 → MgCO3 △H<0 (2)
由化學式(2)可知，流入低壓儲存槽1中之低壓常溫態的二氧化碳吸收來自第一改質沸石(含MgO)的熱量，產生MgCO3，使流出低壓儲存槽1中的二氧化碳為常溫常壓態，以待再次進入壓縮機2中。
因此，二氧化碳通過連接管件5在低壓儲存槽1、壓縮機2、高壓儲存槽3和渦輪機4之間重複循環，第一改質沸石11(含MgO)重複吸附二氧化碳而第二改質沸石31(含MgCO3)重複脫附二氧化碳，藉此將電能轉換成熱能與化學能而儲存在高壓儲存槽3中。故，利用二氧化碳和含鎂離子之改質沸石進行化學式(1)和(2)，可在有限的體積、工作溫度和工作壓力下，大大增加高壓儲存槽3 所能吸收的熱以及低壓儲存槽所能釋放的熱，藉此提昇儲能密度。
參閱第2圖，高壓儲存槽3a中的第二改質沸石31a含前述碳酸鎂(MgCO3)吸熱脫附二氧化碳之後的氧化鎂(MgO)，低壓儲存槽1a中的第一改質沸石11a含前述放熱吸附二氧化碳之後的碳酸鎂。於放電狀態時，將高壓儲存槽3a中儲存的高溫高壓態的二氧化碳經控制閥(未圖式)流出至渦輪機4以驅動渦輪機4產生並輸出電力E3，藉此將高壓儲存槽3a所儲存的熱能轉換為電能(即電力E3)輸出。
接著，該高溫高壓的二氧化碳經渦輪機4膨脹成為常溫常壓，該常溫常壓的二氧化碳通過連接管件5進入低壓儲存槽1a以與第一改質沸石11a進行化學式(1)，而第一改質沸石11a吸熱使二氧化碳自常溫常壓態成為低溫常壓態。接著，自低壓儲存槽1a流出該低溫常壓態的二氧化碳，該低溫常壓態的二氧化碳經壓縮機2壓縮為常溫高壓態，其中，驅動壓縮機2所需的電力E4相較於渦輪機4所產生的電力E3相當小，在尖峰時段電力缺少時，提供電力E4給壓縮機2，可藉此將高壓儲存槽3a所儲存的熱能與化學能經渦輪機4轉換為電能(即電力E3)輸出。
故不會影響整體系統之發電效能。接著，該常溫高壓態的二氧化碳通過連接管件5進入高壓儲存槽3a以與第二改質沸石31a進行化學式(2)，第二改質沸石31a吸附二氧化碳而放熱，使自高壓儲存槽3a內的二氧化碳為高溫高壓態，以待後續放電用。
因此，二氧化碳通過連接管件5在低壓儲存槽1a、壓縮機2、高壓儲存槽3a和渦輪機4之間重複循環，第二改質沸石31a(含MgO)重複吸附二氧化碳而第一改質沸石11a(含MgCO3)重複脫附 二氧化碳，藉此將儲存在高壓儲存槽3a中的熱能與化學能轉換成電能並輸出。
再者，參閱下方表一和表二，其為本揭露之一實驗例。由表一和表二可知，於吸附熱為118kJ/mol之實驗中，本揭露之儲能密度為28.4kWh/m3，較PHES技術和AE-CAES技術的儲能密度高。雖然較ICAES技術的儲能密度低，但ICAES技術所需的工作壓力範圍過大，造成設備上成本提高及技術複雜度的提昇。
另外，需說明的是，本文所稱之低溫約在-75℃，常溫約在 25℃，高溫約在300℃，常壓約在1bar，高壓約在12bar，該些數值為所屬技術領域中具通常知識者所能理解者，並非用以限制本揭露。
再者，填充於低壓儲存槽1(1a)和高壓儲存槽3(3a)中的含鎂離子之改質沸石無須刻意區分為MgO和MgCO3，因為二氧化碳係藉由連接管件5於低壓儲存槽1(1a)、壓縮機2、高壓儲存槽3(3a)和渦輪機4之間不斷循環，化學式(1)和(2)亦在低壓儲存槽1(1a)和高壓儲存槽3(3a)中重複執行，因此，第一改質沸石亦在MgCO3和MgO之間轉換，而第二改質沸石亦在MgO和MgCO3之間轉換。
又，參閱第3圖，其為含鎂離子之改質沸石(含MgO)每次吸附二氧化碳的量，由第3圖可知，經過多次循環後，其吸附二氧化碳的量幾乎不變。
綜上所述，本揭露以化學反應熱較顯熱為高之原理，以含鎂離子之改質沸石(含MgO或MgCO3)與二氧化碳(CO2)作為介質，利用MgO與CO2反應形成MgCO3過程中釋放大量熱能的特性，有效提昇系統之儲能密度，且鎂離子沸石對於二氧化碳的吸附量在多次循環之後幾乎不變，更大大維持系統儲能的穩定性。
上述該些實施樣態僅例示性說明本揭露之功效，而非用於限制本揭露，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述該些實施態樣進行修飾與改變。此外，在上述該些實施態樣中之元件的數量僅為例示性說明，亦非用於限制本揭露。因此本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧低壓儲存槽
11‧‧‧第一改質沸石
2‧‧‧壓縮機
3‧‧‧高壓儲存槽
31‧‧‧第二改質沸石
4‧‧‧渦輪機
5‧‧‧連接管件
E1、E2‧‧‧電力

Claims (9)

  1. 一種壓縮氣體儲放電能系統，係包括：低壓儲存槽，填充有第一改質沸石，且該第一改質沸石為含鎂離子之改質沸石；高壓儲存槽，填充有第二改質沸石，且該第二改質沸石為含鎂離子之改質沸石；壓縮機，連接該低壓儲存槽與該高壓儲存槽，用於壓縮自該低壓儲存槽流至該高壓儲存槽之氣體，且該氣體為二氧化碳；以及渦輪機，連接該低壓儲存槽與該高壓儲存槽，用於膨脹自該高壓儲存槽流至該低壓儲存槽之該氣體，其中，該氣體自該低壓儲存槽經該壓縮機壓縮進入該高壓儲存槽，以與該高壓儲存槽中的第二改質沸石進行化學反應而熱交換，以及該氣體自該高壓儲存槽經該渦輪機膨脹進入該低壓儲存槽，以與該低壓儲存槽中的第一改質沸石進行化學反應而熱交換，其中，該壓縮氣體儲放電能系統之工作壓力係在1~12bar之間、工作溫度係在-75℃~300℃之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之壓縮氣體儲放電能系統，其中，該第一改質沸石或該第二改質沸石所含之鎂離子的含量範圍係為3至10重量百分比。
  3. 一種壓縮氣體儲放電能方法，係應用於如申請專利範圍第1項所述之壓縮氣體儲放電能系統，該壓縮氣體儲放電能方法包 括：於充電狀態時，該壓縮機接收一電力供應，以將自該低壓儲存槽流至該高壓儲存槽的氣體自常溫常壓態壓縮為高溫高壓態，該高溫高壓態的氣體進入該高壓儲存槽以與該第二改質沸石進行化學反應而放熱予該第二改質沸石，俾將電能轉換為熱能與化學能儲存於該高壓儲存槽中。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之壓縮氣體儲放電能方法，其中，自該高壓儲存槽流出之常溫高壓態的氣體經該渦輪機膨脹為低溫常壓態，並進入該低壓儲存槽以與該第一改質沸石進行化學反應以自該第一改質沸石吸熱，使自該低壓儲存槽流出的氣體為常溫常壓態。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之壓縮氣體儲放電能方法，其中，於充電狀態時，該第一改質沸石含有氧化鎂並與進入該低壓儲存槽中的氣體反應產生碳酸鎂，且該第二改質沸石含有碳酸鎂並與進入該高壓儲存槽中的氣體反應產生氧化鎂。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之壓縮氣體儲放電能方法，其中，於放電狀態時，該高壓儲存槽儲存有高溫高壓態的氣體，且該高溫高壓態的氣體自該高壓儲存槽流出至該渦輪機以驅動該渦輪機發電，俾將該高壓儲存槽所儲存的熱能與化學能轉換為電能輸出。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之壓縮氣體儲放電能方法，其中，自該高壓儲存槽流出之高溫高壓態的氣體經該渦輪機膨脹為常溫常壓態，並進入該低壓儲存槽與該第一改質沸石進行化學反應而放熱予該第一改質沸石，使自該低壓儲存槽流出的氣體為低溫常壓態。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之壓縮氣體儲放電能方法，其中，該低溫常壓態的氣體經該壓縮機壓縮為常溫高壓態，並進入該高壓儲存槽與該第二改質沸石進行化學反應以自該第二改質沸石吸熱，使自該高壓儲存槽內的氣體為高溫高壓態。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之壓縮氣體儲放電能方法，其中，於放電狀態時，該第一改質沸石含有碳酸鎂並與進入該低壓儲存槽中的氣體反應產生氧化鎂，且該第二改質沸石含有氧化鎂並與進入該高壓儲存槽中的氣體反應產生碳酸鎂。
TW102133807A 2013-09-18 2013-09-18 壓縮氣體儲放電能系統及其方法 TWI519711B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW102133807A TWI519711B (zh) 2013-09-18 2013-09-18 壓縮氣體儲放電能系統及其方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW102133807A TWI519711B (zh) 2013-09-18 2013-09-18 壓縮氣體儲放電能系統及其方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201512537A TW201512537A (zh) 2015-04-01
TWI519711B true TWI519711B (zh) 2016-02-01

Family

ID=53437044

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW102133807A TWI519711B (zh) 2013-09-18 2013-09-18 壓縮氣體儲放電能系統及其方法

Country Status (1)

Country Link
TW (1) TWI519711B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113719328B (zh) * 2021-08-13 2023-01-24 清华大学 超临界二氧化碳压缩储能发电系统
CN114909696A (zh) * 2022-04-28 2022-08-16 哈尔滨工业大学 一种吸附式低压co2气热联储联供装置及其运行方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW201512537A (zh) 2015-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6974623B2 (ja) 水素化マグネシウムの加水分解を利用するエネルギーシステム
CN105179033B (zh) 一种利用低温冷能存储电能的系统及其运行方法
CN106224041B (zh) 一种电热储能系统
CN105043147B (zh) 一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统
CN102758748B (zh) 高压液态空气储能/释能系统
CN105114138B (zh) 一种低温储能发电系统及其运行方法
US11624560B2 (en) Mechanical-chemical energy storage
CN102758690A (zh) 高效高压液态空气储能/释能系统
CN115306686B (zh) 一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统
CN110118160B (zh) 太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环系统
AU2009223725A1 (en) Adsorption-enhanced compressed air energy storage
CN112031884A (zh) 基于布雷顿循环的热泵式储电系统
CN216381532U (zh) 一种压缩空气储能系统
EP2435679A2 (en) Adsorption-enhanced compressed air energy storage
CN202811238U (zh) 高压液态空气储能/释能系统
TWI519711B (zh) 壓縮氣體儲放電能系統及其方法
CN102392793B (zh) 一种以空气为介质的能量存储、释放的风力发电系统
CN202811079U (zh) 高效高压液态空气储能/释能系统
Peng et al. Experimental study of adsorption CO2 storage device for compressed CO2 energy storage system
CN107941062A (zh) 基于金属氢化物和金属有机框架材料的热能存储方法
CN113941217A (zh) 燃煤电站二氧化碳捕集及灵活调峰的储能系统及方法
CN104831138A (zh) 太阳能集热发电用混合稀土-镁金属氢化物高温储热材料
CN204877561U (zh) 一种利用低温冷能存储电能的系统
CN109973152B (zh) 一种活塞氢能做功系统
CN1386157A (zh) 利用氢吸附合金及中低温热的发电装置