儲存和恢復能量的方法與設備技術

本發(fā)明專利技術涉及用于儲存和恢復能量的方法，根據(jù)該方法，在能量儲存期間形成空氣液化產(chǎn)物(LAIR)，并且在能量恢復期間，通過使用至少部分空氣液化產(chǎn)物(LAIR)形成加壓流并且膨脹產(chǎn)生能量。所述方法包括：為形成空氣液化產(chǎn)物(LAIR)，在空調(diào)單元(10)中至少通過至少一個等溫運行的壓縮機裝置(12、16)將空氣壓縮(AIR)，并且通過至少一個吸附純化裝置(15)將空氣在超大氣壓力水平下吸附純化，在固定床儲冷單元(20)的第一部分中以及在逆流換熱器單元(30)的第二部分中，在40?100bar范圍內(nèi)的液化壓力水平下，從0?50℃范圍內(nèi)的溫度水平開始，將壓縮并吸附純化的空氣液化(HPAIR)，并且然后，在至少一個產(chǎn)冷單元(40)中將液化空氣(HPLAIR)膨脹；并且，為了形成加壓流，在固定床儲冷單元(20)中，在與液化壓力水平相差不超過5bar的汽化壓力水平下，從至少部分液化產(chǎn)物(LAIR)制備汽化產(chǎn)物(HPAIR)，并且從所述汽化產(chǎn)物(HPAIR)的至少一部分形成流體流，并將其傳送通過至少一個其中燃燒燃料的燃燒裝置(63)。本發(fā)明專利技術還涉及相應的設備(100)。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術】本專利技術涉及根據(jù)獨立權(quán)利要求的相應前序部分的用于儲存和恢復能量特別是電能的方法與設備。
技術介紹
從例如DE3139567A1和EP1989400A1已知液態(tài)空氣或液氮(即低溫空氣液化產(chǎn)物)在電網(wǎng)控制和在電力網(wǎng)中提供控制能力中的用途。在電力便宜的時候，或者在存在剩余電力的時候，空氣在具有集成液化器的空氣分離設備中或者在專用液化設備(通常也稱為空氣處理單元)中被完全或部分液化，以形成空氣液化產(chǎn)物。空氣液化產(chǎn)物儲存在包括低溫罐的罐系統(tǒng)中。這種運行模式在本文中稱為能量儲存期的期間發(fā)生。在峰值負載的時候，液化產(chǎn)物從罐系統(tǒng)中移除，通過泵增加壓力，并且將其加熱至大約環(huán)境溫度或更高，并且由此轉(zhuǎn)變成氣態(tài)或超臨界狀態(tài)。由此獲得的加壓流在膨脹渦輪機或具有中間加熱的多個膨脹渦輪機中的能量產(chǎn)生單元內(nèi)膨脹至環(huán)境壓力。由此釋放的機械能在能量產(chǎn)生單元的一個或多個發(fā)電機中轉(zhuǎn)變成電能，并且供應到電網(wǎng)中。這種運行模式在本文中稱為能量恢復期的期間發(fā)生。在能量恢復期內(nèi)在液化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成氣態(tài)或超臨界狀態(tài)期間釋放的冷量可以被儲存并且在能量儲存期間用于提供冷量，以獲得空氣液化產(chǎn)物。還存在已知的壓縮空氣儲存發(fā)電設備，然而其中空氣不被液化，而是在壓縮機中壓縮并儲存在地下洞穴中。在對功率的需求高時，壓縮空氣被導出洞穴，進入燃氣輪機的燃燒室。與此同時，諸如天然氣的燃料通過氣體管線被供應給燃氣輪機，并且在由壓縮空氣形成的氣氛中燃燒。所形成的廢氣在燃氣輪機內(nèi)膨脹，由此產(chǎn)生能量。本專利技術可以區(qū)別于其中將富氧液體引入燃氣輪機以輔助氧化反應的方法和裝置。相應的方法和裝置原則上使用含有(顯著地)大于40摩爾％的氧的空氣液化產(chǎn)物來運行。相應方法和裝置的成本效益強烈地受到總體效率的影響。因此，本專利技術基于在這方面改進相應的方法和裝置的目的。
技術實現(xiàn)思路
在此背景下，本專利技術提出用于儲存和恢復能量(特別是電能)的方法和設備，其具有相應的獨立權(quán)利要求的特征。優(yōu)選的改進分別是從屬權(quán)利要求和下文的說明書的主題。在說明在本專利技術的上下文中可實現(xiàn)的優(yōu)點之前，更具體地說明其基礎技術原理以及本申請中使用的一些術語。在此，“能量產(chǎn)生單元”被理解為是指設計用于產(chǎn)生電能的設備或設備部分。能量產(chǎn)生單元包括至少一個膨脹渦輪機，其與至少一個發(fā)電機連接。與至少一個發(fā)電機連接的膨脹機器通常也稱為“發(fā)電機渦輪機”。在本申請的上下文中，發(fā)電機渦輪機也理解為是指氣體渦輪單元的膨脹階段。在至少一個膨脹渦輪機或發(fā)電機渦輪機中流體膨脹期間釋放的機械能可以在能量產(chǎn)生單元內(nèi)轉(zhuǎn)化成電能。“膨脹渦輪機”被設計用于超臨界、氣態(tài)或至少部分液態(tài)流的膨脹，其可以通過公共軸連接到另外的膨脹渦輪機或能量轉(zhuǎn)換器，例如油壓制動器、發(fā)電機或壓縮機級。特別地，為了在本專利技術中使用，膨脹渦輪機可以被設計成透平膨脹機。如果被設計成透平膨脹機的一個或多個膨脹渦輪機僅連接到一個或多個壓縮機級(例如以徑向壓縮機級的形式)，并且可能被機械制動，但是后者在無外部供應能量的情況下運行，例如借助于電動機，術語“增壓渦輪機”通常也用于此。這種增壓渦輪機通過至少一個其他流的膨脹而壓縮至少一個流，但是沒有外部供應的能量，例如通過電動機。在本申請的上下文中，“燃氣輪機單元”被理解為是指包括至少一個燃燒室以及布置在其下游的至少一個膨脹渦輪機的裝置(狹義上的燃氣輪機)。在膨脹渦輪機中，來自燃燒室的熱氣體膨脹做功。燃氣輪機單元還具有至少一個壓縮機級，其由膨脹渦輪機通過公共軸驅(qū)動(通常為至少一個軸向壓縮級)。在膨脹渦輪機中產(chǎn)生的一部分機械能通常用于驅(qū)動至少一個壓縮機級。另一部分通常在發(fā)電機內(nèi)轉(zhuǎn)化以產(chǎn)生電能。因此，燃氣輪機的膨脹渦輪機是在上文說明意義上的發(fā)電機渦輪機。作為燃氣輪機單元的修改，“燃燒渦輪機單元”僅具有所述的燃燒室和下游的膨脹渦輪機。通常不提供壓縮機。與燃氣輪機單元相比，“熱燃氣輪機單元”具有加熱器而非燃燒室。熱燃氣輪機單元可以與加熱器和膨脹渦輪機在一個級中形成。可替代地，也可以提供多個膨脹渦輪機，優(yōu)選地具有中間加熱。在任何情況下，可以布置另外的加熱器，特別是在“最后”的膨脹渦輪機的下游。優(yōu)選地，熱燃氣輪機還連接到用于產(chǎn)生電能的一個或多個發(fā)電機。“壓縮機裝置”在此被理解為是指被設計用于將至少一股氣流從至少一個輸入壓力(在該壓力下供應進壓縮機裝置)壓縮到至少一個最終壓力(在該壓力下從壓縮機裝置中移除)的裝置。在這種情況下，壓縮機裝置形成結(jié)構(gòu)單元，然而其可以包括采用已知的活塞、螺桿和/或斗輪或渦輪設置(亦即徑向或軸向的壓縮機級)形式的多個單獨的“壓縮機”或“壓縮機級”。特別地，這些壓縮機級通過公共驅(qū)動器驅(qū)動，例如通過公共軸或公共電動機。許多壓縮機，例如根據(jù)本專利技術使用的空調(diào)單元中的壓縮機，可以一起形成一個或多個壓縮機裝置。在此使用的術語中，“空調(diào)單元”包括至少一個壓縮機裝置與至少一個吸附性純化裝置。吸附性純化裝置通常是在空氣分離領域中已知的。在吸附性純化裝置中，引導一股或多股空氣流通過一個或多個吸附劑容器，其填充有合適的吸附材料，例如分子篩。本專利技術至少包括空氣的液化，以形成空氣液化產(chǎn)物。用于此目的的裝置在此也可以歸入術語“空氣處理單元”。在本申請的術語中，這被理解為是指設計用于從空氣獲得至少一種空氣液化產(chǎn)物的設備。對于在本專利技術中使用的空氣處理單元，只要它可以用于獲得用作儲存液體并且可輸送到罐系統(tǒng)中的相應的低溫空氣液化產(chǎn)物，這就足夠了。“空氣分離設備”裝有大氣壓空氣，并且具有用于將大氣壓空氣分離成其物理組分的蒸餾塔系統(tǒng)，特別是分離成氮氣和氧氣。為此，首先將空氣冷卻至接近其露點，然后引入蒸餾塔系統(tǒng)。與此相比，“空氣液化設備”不包括蒸餾塔系統(tǒng)。否則，其結(jié)構(gòu)與傳送空氣液化產(chǎn)物的空氣分離設備的結(jié)構(gòu)相對應。不言而喻，液態(tài)空氣也可以作為空氣分離設備中的副產(chǎn)物產(chǎn)生。“空氣液化產(chǎn)物”是可以至少通過壓縮、冷卻和隨后使低溫液體形式的空氣膨脹而產(chǎn)生的任何產(chǎn)物。具體地，空氣液化產(chǎn)物可以是液態(tài)空氣、液氧、液氮和/或液態(tài)惰性氣體，例如液氬。術語“液氧”和“液氮”在此也分別指低溫液體，其包含的氧或氮的含量高于大氣壓空氣中的含量。因此，它們不一定必須是具有高含量的氧或氮的純液體。因此，液氮被理解為是指純的或基本上純的氮，以及氮含量高于大氣壓空氣的液化氣體的混合物。例如，其具有至少90摩爾％，優(yōu)選至少99摩爾％的氮含量。當在此提及“汽化產(chǎn)物”時，這應當被理解為是指通過將液體轉(zhuǎn)化為氣態(tài)或超臨界狀態(tài)而形成的流體。如果超臨界壓力下的液體被“汽化”，則其不會進入氣相，而是進入超臨界狀態(tài)，不發(fā)生實際意義上的相變。這也被稱為“偽汽化”。在亞臨界壓力下，發(fā)生從液態(tài)到氣態(tài)的相變，也就是說傳統(tǒng)的“汽化”。因此，在本申請的上下文中，汽化包括汽化和偽汽化。在液化情況下，氣態(tài)和超臨界狀態(tài)流體都轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。“低溫”液體或相應的流體、空氣液化產(chǎn)物、流等應當被理解為是指液體介質(zhì)，其沸點顯著低于相應的環(huán)境溫度，并且例如是200K或更低，特別是220K或更低。實例是液態(tài)空氣、液氧、液氮等。在本申請的上下文中，“固定床儲冷單元”被理解為是指含有適于儲存冷量的固體材料的裝置和通過該材料傳導流體的裝置。已知的固定床儲冷單元，其在傳統(tǒng)的空氣分離設備中也被稱為再生器并且在那里用于分離掉不期望的組分，例如水和/或二氧化碳，包括例如具有通道的混凝土塊(在本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
用于儲存和恢復能量的方法，其中在能量儲存期間形成空氣液化產(chǎn)物(LAIR)，并且在能量恢復期間，通過使用至少部分空氣液化產(chǎn)物(LAIR)形成加壓流并且膨脹做功，所述方法包括：為形成空氣液化產(chǎn)物(LAIR)，?在空調(diào)單元(10)中至少通過至少一個等溫運行的壓縮機裝置(12、16)將空氣壓縮(AIR)，并且通過至少一個吸附純化裝置(15)將空氣在超大氣壓力水平下吸附純化，?在固定床儲冷單元(20)的第一部分中以及在逆流換熱器單元(30)的第二部分中，在40?100bara范圍內(nèi)的液化壓力水平下，從0?50℃范圍內(nèi)的溫度水平開始，將壓縮并吸附純化的空氣液化(HPAIR)，并且?然后，在至少一個產(chǎn)冷單元(40)中將液化空氣(HPLAIR)膨脹，并且，為了形成加壓流，?在固定床儲冷單元(20)中，在與液化壓力水平相差不超過5bar的汽化壓力水平下，從至少部分液化產(chǎn)物(LAIR)制備汽化產(chǎn)物(HPAIR)，并且?從所述汽化產(chǎn)物(HPAIR)的至少一部分形成流體流，并將其傳送通過至少一個其中燃燒燃料的燃燒裝置(63)。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.04.11 DE 102014005336.9;2014.06.03 EP 14001921.用于儲存和恢復能量的方法，其中在能量儲存期間形成空氣液化產(chǎn)物(LAIR)，并且在能量恢復期間，通過使用至少部分空氣液化產(chǎn)物(LAIR)形成加壓流并且膨脹做功，所述方法包括：為形成空氣液化產(chǎn)物(LAIR)，-在空調(diào)單元(10)中至少通過至少一個等溫運行的壓縮機裝置(12、16)將空氣壓縮(AIR)，并且通過至少一個吸附純化裝置(15)將空氣在超大氣壓力水平下吸附純化，-在固定床儲冷單元(20)的第一部分中以及在逆流換熱器單元(30)的第二部分中，在40-100bara范圍內(nèi)的液化壓力水平下，從0-50℃范圍內(nèi)的溫度水平開始，將壓縮并吸附純化的空氣液化(HPAIR)，并且-然后，在至少一個產(chǎn)冷單元(40)中將液化空氣(HPLAIR)膨脹，并且，為了形成加壓流，-在固定床儲冷單元(20)中，在與液化壓力水平相差不超過5bar的汽化壓力水平下，從至少部分液化產(chǎn)物(LAIR)制備汽化產(chǎn)物(HPAIR)，并且-從所述汽化產(chǎn)物(HPAIR)的至少一部分形成流體流，并將其傳送通過至少一個其中燃燒燃料的燃燒裝置(63)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其包括在至少一個發(fā)電機渦輪機(64)中將被傳送通過至少一個燃燒裝置(63)的流體流膨脹作為加壓流。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其包括使用至少一個燃氣輪機單元(65)的至少一個膨脹渦輪機作為所述至少一個發(fā)電機渦輪機。4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其包括在將所述流體流傳送通過燃燒裝置(63)之前將其加熱、膨脹和/或壓縮至少一次。5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其包括向所述至少一個吸附純化裝置(15)供應再生氣體，所述再生氣體由在空調(diào)單元(10)中預先被壓縮并吸附純化的空氣(HPAIR)的一部分形...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：A·阿列克謝耶夫，C·施蒂勒，B·施特弗爾，C·貝爾金斯，
申請(專利權(quán))人：林德股份公司，三菱日立電力系統(tǒng)歐洲有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：德國;DE