本发明专利技术涉及一种系统(10)，具有液态空气储能和发电设备(12)，该设备具有充电装置(16)，所述充电装置包括用于压缩供应空气的压缩机(26)以及连接在其上的用于液态空气的液化器(40)；储存装置，所述储存装置包括用于储存液态空气的空气储存器(18)；以及放电装置(20)，所述放电装置包括用于将液态空气转化为气态压缩空气的汽化装置(62)，其中，通过第一热线路(68)将热能供应给所述汽化装置(62)，以及具有涡轮机(76)和连接到所述涡轮机(76)上的发电机(78)的用于膨胀所述压缩空气的膨胀装置。根据本发明专利技术，该系统还设置有具有至少一个第一热交换器(94、96)的永久性水电解设备(14)，电解期间产生的热能通过流经所述第一热交换器(94、96)的流体吸收。第一热交换器(94、96)与所述第一热线路(68)连接，使得在电解期间产生的热能通过所述第一热交换器(94、96)经所述流体带走并且被供给至所述汽化装置(62)。带走并且被供给至所述汽化装置(62)。带走并且被供给至所述汽化装置(62)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有液态空气储能和发电设备的系统
[0001]本专利技术涉及一种根据权利要求1前序部分所述的具有液态空气储能和发电设备的系统，以及用于操作该系统的方法。
技术介绍
[0002]在许多国家，太阳能和风能发电在发电中所占的份额不断增加。因此，电能的储存变得越来越重要。这是因为与水库相连的水力发电厂可以产生基本符合要求的电能，天然气、煤炭或核电厂等大型发电厂至少可以产生恒定的输出，而风能发电厂或太阳能发电厂只能在有阳光和风才发电，完全独立于电力需求。且太阳能发电是定期的，甚至与电力需求相反。例如，下萨克森州目前正徒劳地产生大量风力发电，因为电网无法吸收这些电力。2019年，欧洲的风能有时已达到100座核电站的产量。
[0003]液态空气储能形式的电能储存，即LAES技术(“Liquid Air Energy Storage”(液态空气储能)，简称“LAES”)，因此在这样的能量系统中起着决定性的作用。与泵储存器相比，液态空气储能的巨大优势在于它几乎不受当地条件的影响可安装在任何需要的地方。因此，不需要特殊的地质条件和工程。2x150MW的泵储存式发电站也需要10年的建设时间。相比之下，具有液态空气储能和发电设备的系统最多只需18个月的设计和施工时间即可投入运行。
[0004]根据已知的液态空气储能和发电设备，利用电力将环境空气通过林德工艺进行液化、储存在低温(深冷)储存罐中，需要时再在膨胀涡轮机中转换回电力并馈送到电网。
[0005]液态空气储能和发电设备包括三个主要装置：充电装置、储存装置和放电装置。当需要从多余的电力中存储能量时，例如在阳光照耀的中午，充电装置运行。利用所提供的电力，环境空气在充电装置中被压缩机压缩，并通过林德工艺或借助膨胀涡轮机和制动发电机以已知方式膨胀至
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190℃而液化。然后，液态空气以接近环境压力储存在绝缘储存罐(储存装置)中，其密度大于环境空气的700倍。当再需要更多电力时，液态空气由泵加压、在汽化装置中加热、汽化，并且最后通过连接发电机的一个或更多个涡轮机在放电装置中膨胀至环境压力，电力通过发电机又反馈到电网中。如果在液态空气转化为压缩空气的过程中将外部热能耦合到汽化装置中，可以提高液态空气储能和发电设备的性能。
[0006]DE 10 2015 109 898 A1已知将液态空气储能和发电设备集成到具有蒸汽发电厂的系统中，利用废热，即热能，以提高放电装置的效率，因此提高液态空气储能和发电设备的整体效率。
[0007]然而，蒸汽发电厂花费相当高并且受制于严格的环境法规。因此，它们只能建在选定的位置。并且，蒸汽发电厂的位置大多数并不靠近风力发电设施或太阳能发电设施。此外，DE 10 2015 109 898 A1中公开的蒸汽发电厂包括使用化石燃料气体为燃料的锅炉，其由于高温和低温的交换也可能导致与安全相关的材料问题。还应注意的是，高合金钢并不能承受
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190
°
C左右的空气液化温度。况且，这种系统的效率和二氧化碳平衡也不足。
技术实现思路
[0008]因此，本专利技术的目的在于改进权利要求1的前序部分已知的系统，在克服上述缺点的同时，一方面能以相对便宜的花费储存和再次获取能量，另一方面使用来自绿色技术生产其他绿色产品的能源密集型工艺的外部能量。
[0009]所述目的通过权利要求1的特征部分及其前序部分的特征得以解决。
[0010]从属权利要求构成本专利技术的有利改进方案。
[0011]本专利技术基于以下发现：生产氢气和氧气的连续电解过程连续产生约40℃至90℃温度范围内的废热，相当于可产生将液态空气汽化至压缩空气所需最佳热量的热能。因此，将这种电解过程集成到具有液态空气储能和发电设备的系统中可以显着提高整体效率。还应该指出的是，氢和氧将在中期内成为基于可再生能源的安全、可持续和经济的能源供应的核心组成部分。电力到氢气系统(Power
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to
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Hydrogen
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Syste)的集成将降低能源转换的成本，同时提高供应的安全性。此外，氢的需求量很大且在各种应用中都在增加，例如每500km需要大约5kg氢的氢动力汽车销量增加。目前，炼油厂和石化厂每年消耗6000亿Nm3的氢气，其中仅德国就有400亿Nm3。
[0012]根据本专利技术，该系统因此设置有永久性水电解设备，该设备具有至少一个第一热交换器，在电解期间产生的热能通过该第一热交换器由流经第一热交换器的流体吸收。设置有至少一个第一热线路，其通过所述流体为汽化装置提供热能。第一热交换器与所述第一热线路连接为，使得在电解期间产生的热能通过所述第一热交换器经由所述流体带走并且供给至所述汽化装置。以此简单的方式将在永久电解中，即生产H2和O2，产生的热能供给到液态空气储能和发电设备的汽化装置并对其进行调节。
[0013]根据本专利技术的一个实施方式，汽化装置设计为水浴汽化装置。该水浴汽化装置基本上是热交换器，第一热线路通过该热交换器并且经由水浴将热能传递到至少一个输送液态空气的空气线路。在此过程中，液态空气转化为气态压缩空气。水浴汽化装置的有点在于具有设计坚固可靠，容量范围大的特点。
[0014]这种水浴汽化装置基本上是已知的并且用于低温设施中以汽化液化气体，例如空气、氧气、氮气、氩气和天然气，在大约500至195,000Nm3/h的负载范围内进行。在一个水浴汽化装置中最多可以处理三种不同的液态气流。
[0015]优选地，设置有两个第一热交换器，其中一个第一热交换器与永久性水电解设备中的氧气回收相关联，而另一个第一热交换器与永久性水电解设备中的氢气回收相关联，通过流经两个第一热交换器的流体吸收在电解期间产生的热能。借助两个第一热交换器，永久性电解装置中产生的废热几乎完全输送到流体中，并且最后经流体输送到汽化装置。
[0016]根据本专利技术的另一个实施方式，利用电流分解氢和氧的水电解设备是利用质子交换膜电解的原理(英语：Proton Exchange Membrane(质子交换膜)或Polymer Electrolyte Membrane(聚合物电解质膜)，简称“PEM”)工作并以此方式设计的，两个半电池由气密膜隔开。该技术的最大优点是具有良好的负载变化行为。与其他方法相比，该方法可以更快地处理电流波动。此外，部分负载范围内的操作可以在整个带宽上进行。
[0017]或者，用于生产H2和O2的永久性电解设备可以根据碱性电解原理工作并以此方式设计。在碱性电解(AEL)中，金属电极浸入碱性水溶液中，悬挂电极的半电池由可渗透膜隔开。通过施加电压在阳极产生氧气，在阴极产生氢气。该技术具有长期稳定性高、投资成本
低的特点。此外，电极材料不需要稀有贵金属。尽管结构简单，但该设施类型目前实现了最高水平的效率。然而，存在负载变化缓慢和部分负载范围相对较小的问题，特别是在电力供应不稳定情况下。
[0018]为了进一步提高系统的效率，液态气体储能和发电设备的充电装置的压缩机与至少一个第本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种系统(10)，包括a.液态空气储能和发电设备(12)，其包括i.充电装置(16)，包括用于压缩供应空气的压缩机(26)和连接所述压缩机(26)的用于液化所述空气的液化器(40)，ii.储存装置，包括用于储存液态空气的空气储存器(18)，以及iii.放电装置(20)，包括用于将液态空气转化为气态压缩空气的汽化装置(62)和用于膨胀所述压缩空气的膨胀装置，所述膨胀装置包括涡轮机(76)和与所述涡轮机(76)连接的发电机(78)，其中，通过第一热线路(68)将热能供应给所述汽化装置(62)；其特征在于，所述系统(10)还包括：b.永久性水电解设备(14)，所述永久性水电解设备(14)具有至少一个第一热交换器(94、96)，电解期间产生的热能通过流经所述第一热交换器(94、96)的流体吸收，所述第一热交换器(94、96)与所述第一热线路(68)连接，使得在电解期间产生的热能通过所述第一热交换器(94、96)经所述流体带走并且供给至所述汽化装置(62)。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述汽化装置设计为水浴汽化装置(62)。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，设置两个第一热交换器(94、96)，其中一个第一热交换器(94)与永久性水电解设备(14)中的氧气回收相关联，而另一个第一热交换器(96)与永久性水电解设备(14)中的氢气回收相关联。4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述永久性水电解设备(14)设计为质子交换膜电解槽(Proton Exchange Membrane(质子交换膜)或Polymer Electrolyte Membrane(聚合物电解质膜)，简称PEM)。5.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述永久性水电解设备(14)设计为碱性电解槽。6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述充电装置(16)的压缩机(26)与至少一个第二热交换器(32)相互作用，流经第二热交换器(32)的流体吸收并带走空气压缩时产生的热能。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二热交换器(32)通过第二热线路(36)连接到所述汽化装置(62)，将压缩期间产生的热能供应到所述汽化装置(62)。8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述汽化装置(62)的下游连接至少一个第三热交换器(64)，用于将所述热能从所述汽化装置(62)进一步供应给所述压缩空气，并设定所述压缩空气所需的温度。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述汽化装置(62)通过所述第一热线路(68)和/或第二热线路(36)连接到所述第三热交换器(64)，并利用离开所述汽化装置(62)的流体的剩余热能通过所述第三热交换器(64)调节所述压缩空气的温度。10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述第三热交换器(64)设计为空气
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水热交换器。11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：H，
类型：发明
国别省市：
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