能量存儲系統以及用於存儲和供應能量的方法
2023-04-23 08:28:46 4
專利名稱：能量存儲系統以及用於存儲和供應能量的方法
技術領域：
本發明涉及一種能量存儲系統以及一種用於存儲和供應能量的方法。
背景技術：
現今，可再生能被選擇用於減少C02排放以及減小對其它一次能 源的依賴。可再生能能夠替換大量現有的常規發電站。該能源的缺點 是不能始終提供所需要的功率輸出，並且其可控性有限。
可再生能的饋入還取決於該能源自身的可用性以及剩餘電網容量 的可用性。為了實現降低C02排放和不依賴於礦物燃料這一最終社會 目標，有必要將可再生能的貢獻最大化。這意味著，有必要處理波動 和隨機能源。為了實現這個目標，生產可再生能的產能必須是過剩的。 取得的供應將被存儲，以便不與時間相關地被使用。當供應沒有與能 量需求相匹配時，這時可以通過釋放所述存儲來產生能量。
存儲電能的方式有很多種。電能可以以電化學的方式存儲在電池 中，例如以壓力或勢能的形式通過物理方式被存儲。勢能尤其是被存 儲在抽水蓄能器或壓縮空氣蓄能器(CAES)中的。
抽水蓄能系統可以用於存儲取得的能量(access energy)。取得 的電能可以用於將水泵送到較高處的存儲器中。所存儲的水的勢能可 以在以後用於在水輪機中產生功率。CAES在膨脹過程中使用了壓縮空 氣的壓縮能。根據CAES的類型，需要使用天然氣來補償壓縮過程的熱 損失。
水和壓縮空氣都不具有很高的特定功率密度，因此，這樣的系統 的能量容量是非常有限的。
發明內容
因此，本發明的第一個目標是提供一種有利的能量存儲系統。本
發明的第二個目標是提供一種用於存儲和供應能量的有利方法。
第一個目標通過一種如權利要求1所述的能量存儲系統來實現。第二個目標通過一種如權利要求12所述的用於存儲和供應能量的方法 來實現。從屬權利要求定義了本發明的改進方案。
本發明的能量存儲系統包括電解器、氫氣存儲器以及發電站。電 解器與氫氣存儲器相連。氫氣存儲器與發電站相連。有利地，該電解 器是高壓電解器。
利用本發明的能量存儲系統，已知能量存儲系統的缺點將會消除。 特別地，替代於使用具有低的特定能量密度的存儲介質，在這裡使用 的是高能量密度介質，即使用氫、優選地使用壓縮氫。這樣做允許設 計非常緊湊的大功率和高容量的存儲器。即使能量以隨機和不確定方 式被饋入，本發明的能量存儲系統也提供了可靠的能量供應。
由於所建議的存儲系統具有很高的能量密度，因此，它能夠在很 多天內以滿負荷進行工作，而且它還能夠在需求尖峰時間期間根據曰 計劃表來使用。
與只能工作幾小時的抽水蓄能器或者同樣最多工作幾小時的壓縮 空氣能量存儲系統(CAES)相比，這是一個重要的不同。
此外，本發明提供的能量容量是常規的針對電能的存儲系統的能 量容量的直到100倍。通常，需要存儲的能量是以幾百百萬千瓦時(GWh) 為計量。
優選地，本發明的能量存儲系統包括與電解器以及氫氣存儲器相 連的氫壓縮機。例如，氫存儲器可以是地下存儲器。在將來自電解器 的氫存儲到氫氣存儲器中之前，該氫可以藉助於氫壓縮機而被壓縮。
此外，本發明的能量存儲系統可以包括熱回收系統，其中該熱回 收系統可以與氫壓縮機和/或發電站和/或水處理廠相連。所述熱回收 系統可以用於回收對氫的進行的壓縮工作所產生的熱量，以便進一步 壓縮氫來加以存儲(例如存儲在地下存儲器中)。所述氫可以藉助於 氬壓縮機來進一步壓縮，其中該氫壓縮機將會進一步提升電解器之後 的壓力，直至其達到存儲器的壓力。
此外，本發明的能量存儲系統可以包括至少一個存儲腔。例如， 氫氣存儲器和/或存儲腔可以是用於高壓氫的地下氫存儲器。
本發明的能量存儲系統可以包括電能遞送單元，其中該電能遞送 單元可以與電解器相連。此外，本發明的能量存儲系統可以包括電能 供應單元，並且該電能供應單元可以與發電站相連。本發明的能量存儲系統還可以包括電網連接，以便在充電過程中輸入功率，以及在放 電過程中輸出功率。該電能遞送單元可以藉助於電網與電解器相連。 發電站可以藉助於電網與電能供應單元相連。
本發明的能量存儲系統還可以包括與電解器相連的水處理廠，以 便向電解器提供軟化的水。此外，它可以包括電解器熱回收系統。這 個電解器熱回收系統可以回收來自電解器的熱量。所回收的熱量可以 在水處理廠和/或發電站中使用。這意味著電解器熱回收系統可以與發 電站和/或水處理廠相連。
此外，本發明的能量存儲系統可以包括至少一個附加的氣體存儲 器。這個附加的氣體存儲器可以是用於氧氣或者是用於天然氣或其它 氣體的氣體存儲器，以便在使用混合氣體優先於使用純氫的情況下， 在燃燒之前混合氫。
此外，本發明的能量存儲系統可以包括燃料供應系統和/或氫預熱 器。氫預熱器尤其是可以用於在將氫膨脹到燃料供應系統壓力之前預 熱氫，以便改善循環效率。此外，本發明的能量存儲系統可以包括氣 體混合站、尤其是燃料混合站。該氣體混合站可以用於相應地將燃料 氣體性質設置到發電站要求。本發明的能量存儲系統還可以包括燃料 氣體預熱器。該燃料氣體預熱器可以位於氣體混合站之前或之後。
本發明的能量存儲系統尤其是可以包括氫膨脹器或是具有產生電 能的發電機的渦輪機。該膨脹器或渦輪機可以與氫氣存儲器相連(例 如通過預熱器和/或控制閥)。該膨脹器或渦輪機可以進一步通過控制 閥連接到氣體混合站或燃料氣體預熱器。該氣體混合站包括附加的氣 體存儲器(例如用於氧氣、天然氣或者其它那些用於與氫混合的氣體 的氣體存儲器)。
此外，本發明的能量存儲系統可以包括氣體膨脹器。該氣體膨脹 器可以用於回收用於氫的壓縮能量，以便改善循環效率。
優選地，發電站可以包括渦輪機與發電機的組合。它尤其是可以包 括用於將例如氫的化學能轉化成電能的常規發電站。
能量存儲系統還可以包括與水軟化站相連的熱回收系統。優選地， 所述水軟化站可以與電解器相連。由於熱回收系統可以為應用於電解 器的水軟化站提供熱量，因此，這樣做改善了循環效率。
此外，本發明的能量存儲系統可以包括功率輸入控制系統和/或功率輸出控制系統。它還可以包括對功率輸出和輸入進行控制的控制系 統。本發明的能量存儲系統還可以包括用於充電和/或放電的可控電網 接口。
此外，該能量存儲系統可以包括用於將氫和/或氧輸出到氫氣存儲 器的外面的接口。有利地，該能量存儲系統可以包括化學處理站。該
化學處理站可以包括氧氣進口 (oxygen inlet)，其中該氧氣進口可 以與電解器的氧氣出口相連。該化學處理站可以將副產品氧氣用於如 同從生物量到產品的化學過程。
一般來說，本發明的能量存儲系統解決了現有存儲器解決方案的 能量密度低和功率容量小的固有問題。在與可再生能相結合的一個優 化的設置中，可以提供足夠的容量而在4艮多天內從可再生能的低發電 跨越到高發電。基於可再生能的完全可持續的能量供應可以通過本發 明的系統來實現。
本發明的用於存儲和供應能量的方法包括將電能遞送到電解器； 藉助於電解器將水分解成氧氣和氫氣；存儲氫氣；將所存儲的氫氣供 應給發電站；以及藉助於發電站來產生電能。
優選地，可以使用高壓電解器。有利地，可以為電解器提供軟化 的水。此外，來自電解器的熱量是可以回收的。所回收的熱量可以用 在水處理廠和/或發電站中。
優選地，在存儲氫氣之前可以對其進行壓縮。這樣做提升了特定 的能量密度，並且由此提升了存儲容量。壓縮工作的熱量是能夠回收 的。應用於氫的壓縮能量尤其是能夠藉助於氣體膨脹器來回收。
在將氫供應給發電站之前，所述氫氣可以被預熱和/或膨脹。優選 地，發電站可以包括渦輪機和發電機。此外，來自發電站的熱量是能 夠回收的。來自發電站的熱量尤其是可以被傳導到水軟化站，並且其 中所述水軟化站可以被用於電解器。此外，氬可以和天然氣和/或稀釋 劑混合。
此外，來自電解器的氧可以被傳導到化學處理站。該化學處理站 可以將副產品氧用於化學過程，如同例如從生物量到產品的化學過程。 總的來說，本發明的方法具有本發明的能量存儲系統所具有的優點。
本發明提供了一種能夠存儲非常大量能量的大規模能量存儲系統。與現有的存儲系統相比，該數量介於io至IOO或更高的因數之間。
通過與可再生能量源例如大型風力發電站相結合，可以提供足夠的容 量和功率輸出，以致於對電網運營商來說，這兩個系統就好像是具有
高可用性和發送能力(dispatchability)的常規發電站。
大型能量存儲系統將會避免當需要應用生產管理時在發生低需求 的情況下要調低乃至關閉可再生能生產。與不使用高壓電解器的系統 相比，高壓電解器的引入顯著提升了系統效率和功率密度。此外，在 高壓氳壓縮機處、在高壓氫膨脹器處以及在燃料氣體預熱器處的熱回
收循環提高了存儲器的效率。
從以下結合附圖的對實施例的描述中可以清楚了解本發明其它的 特性、性質和優點。所描述的特性的單個和與彼此的結合都是有利的。 圖1示意性地示出了本發明的能量存儲系統。 圖2示意性示出了本發明的能量存儲系統的更詳細的實施例。
具體實施例方式
現在將參考圖1來描述本發明的第一實施例。圖1示意性地示出
了本發明的能量存儲系統l，其中該能量存儲系統l包括高壓電解器5、 氫氣存儲器6、發電站7以及電網連接4、 8。來自電能遞送單元2的 電能例如可再生能藉助於電網4而被遞送到高壓電解器5。在高壓電解 器5中，氫藉助於電解而從水中分離出。然後，氫被存儲在氫氣存儲 器6中。在需要時，所存儲的氫氣被提供給發電站7。然後，發電站7 產生的電能被提供給電網8。
現在將參考圖2來描述本發明的第二實施例。圖2示意性地示出 了本發明的能量存儲系統1的詳細實施例的例子。
圖2示出了一個高壓電解器5，其中該高壓電解器5藉助於電網4 而被遞送以電能。來自軟化站15的水13被引導到高壓電解器5。在高 壓電解器5中，水13被分解成氧12和氫14。高壓電解器5進一步地 與電解器熱回收系統9相連。藉助於電解器熱回收系統9而被回收的 熱量例如可以用於水處理站10和/或發電站11。水處理站10尤其是可 以是軟化站15的一部分，其中該軟化站15將水13軟化，以便用於高壓電解器5。來自高壓電解器5的已分離出的氫被引導到氫壓縮機16。 所述氫氣壓縮機16可以由馬達17來驅動。
然後，經過壓縮的氫被導向熱交換器18，在那裡它會被冷卻。之 後，經過壓縮和冷卻的氫被引導到氫存儲器20。控制閥21位於熱交換 器18與氫氣存儲器20之間。來自熱交換器18的熱量可以例如存儲在 熱存儲器中，或者可以使用在軟化站、例如在軟化站15中。從熱交換 器18中流出的熱流由箭頭19表示。
如果需要被存儲在氫存儲器20中的氫，那麼它可以通過控制閥21 而被引導到預熱器22，在那裡它被預熱。為在預熱器22中預熱氫所需 的熱能可以從熱存儲器中獲取。這由箭頭23來表示。可替代地或附加 地，所需的熱量可以從發電站32中被遞送。這由箭頭33和24來表示。
然後，經過預熱的氫被引導到氫膨脹器25，其中該氫膨脹器25可 以是渦輪機。氫膨脹器25或渦輪機激活發電機26，該發電機則會產生 電能。然後，由發電機26產生的電能將供應給電網27。
然後，藉助於氫膨脹器25被膨脹的氫被引導到燃料氣體預熱器28。 在到達燃料氣體預熱器28之前，所述氫可以與天然氣和/或稀釋劑混 合。為此目的，附加的氣體存儲器30經由控制閥29而被連接到氫膨 脹器25與燃料氣體預熱器28之間的管道。附加的氣體存儲器30可以 是用於天然氣或其他氣體的氣體存儲器，以便在使用混合氣體優先於 使用純氫的情況下，在燃燒之前混合所述氫氣。附加的存儲器30可以 由外部供應來遞送。這用箭頭31來表示。
然後，藉助於燃料氣體預熱器28而被預熱的氫或氫與天然氣和/ 或稀釋劑的混合物被引導到發電站32。在發電站32中產生電能。該發 電站可以是簡單循環發電站(不存在廢熱利用)或是聯合循環發電站 (在增壓循環(toping cycle)、例如蒸汽循環中進行廢熱利用)， 以便實現最高的效率。所產生的電能被供應給電網8。來自發電站32 的廢熱可以用於預熱器22和/或燃料氣體預熱器28。這用箭頭33、 24 和34來表示。此外，來自發電站的熱量可以用於軟化站15。這用箭頭 36來表示。在燃燒過程期間產生的水可以從排出流中提取並被饋送到 軟化站15，以便減少存儲系統的水消耗。箭頭35表示從發電站32到 軟化站15的水流。
在高壓氫壓縮機16處、在高壓氫膨脹器25處和在燃料氣體預熱器28處的熱回收循環提高了存儲器的效率。通常，所描述的能量存儲 系統以及可以藉助於所描述的能量存儲系統執行的、用於存儲和供應 能量的本發明的方法提供了大規模的能量存儲器，並且該能量存儲器 可以存儲大量的能量。
權利要求
1.一種能量存儲系統(1)，其特徵在於其包括電解器(5)、氫氣存儲器(6，20)和發電站(7，35，32)，該電解器(5)與氫氣存儲器(6，20)相連，並且該氫氣存儲器(6，20)與所述發電站(7，25，32)相連。
2. 如權利要求l所述的能量存儲系統(1)，其特徵在於 所述電解器(5)是高壓電解器。
3. 如權利要求1或2所述的能量存儲系統(1)，其特徵在於 所述發電站(7， 25, 32)包括渦輪機與發電機的組合。
4. 如權利要求1至3中任一所述的能量存儲系統(1),其特徵在於其包括與該電解器(5)和與該氫氣存儲器(6， 20)相連的氫壓縮 機(16)。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的能量存儲系統(1),其特徵在於其包括功率輸入控制系統和/或功率輸出控制系統。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的能量存儲系統(1),其特徵在於其包括氣體混合站。
7. 如權利要求1至6任一項所述的能量存儲系統(1)，其特徵在於 其包括燃料氣體預熱器(28)。
8. 如權利要求7所述的能量存儲系統(1)，其特徵在於 其包括氫膨脹器(25)或者具有產生電能的發電機(26)的渦輪機，其中該膨脹器(25)或者該渦輪機通過預熱器(22)和/或控制閥( 21)與所述氫氣存儲器(6, 20)相連。
9. 如權利要求8所述的能量存儲系統(1)，其特徵在於 該膨脹器(25)或者該渦輪機通過控制閥U9)被進一步地連接到氣體混合站或者燃料氣體預熱器(28)。
10. 如權利要求9所述的能量存儲系統(1)，其特徵在於 該氣體混合站包括附加的氣體存儲器(30)。
11. 如權利要求1至10中任一項所述的能量存儲系統(1)，其特徵 在於其包括與氫壓縮機(16)和/或與發電站(7， 11， 25, 32 )和/ 或水處理廠(10， 15)相連的熱回收系統(9, 18)。
12. —種用於存儲和供應能量的方法，其包括以下步驟 -將電能遞送給電解器(5)，-藉助於所述電解器(5)將水分解成氧氣和氫氣， -存儲所述氫氣，-將所存儲的氫氣供應給發電站(7， 25, 32 )，以及 -藉助於發電站(7， 25， 32)來產生電能。
13. 如權利要求12所述的方法，其中在存儲所迷氫氣之前對其進行 壓縮。
14. 如權利要求12或13所述的方法，其中來自所述發電站(7， 25 ,32)的熱量被回收。
15. 如權利要求12至14任一項所述的方法，其中在將氫供應給所述 發電站(7， 25, 32 )之前對其進行預熱和/或膨脹。
16. 如權利要求12至15任一項所述的方法，其中壓縮工作的熱量和 /或來自所述電解器(5)的熱量被回收。
17.如權利要求12至16任一項所述的方法，其中將氫與天然氣和/ 或稀釋劑相混合。
全文摘要
本發明公開了一種能量存儲系統以及用於存儲和供應能量的方法，該能量存儲系統(1)包括電解器(5)、氫氣存儲器(6，20)和發電站(7，35，32)，其中電解器(5)與氫氣存儲器(6，20)相連，且氫氣存儲器(6，20)與發電站(7，25，32)相連。此外，本發明公開了一種用於存儲和供應能量的方法。該方法包括以下步驟將電能供應給電解器(5)；藉助於電解器(5)將水分解成氧氣和氫氣；存儲氫氣；將所存儲的氫氣供應給發電站(7，25，32)；以及藉助於發電站(7，25，32)來產生電能。
文檔編號F02C6/00GK101614159SQ20091015048
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月25日 優先權日2008年6月25日
發明者E·沃爾夫 申請人:西門子公司