靈活運(yùn)用電力的集成系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及靈活運(yùn)用電力的集成工廠和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用可再生能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能和水力發(fā)電，對(duì)于發(fā)電的重要性日益增加。典型地，電能通過(guò)長(zhǎng)距離的、跨區(qū)域和跨國(guó)聯(lián)接的電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱為電力網(wǎng)絡(luò))提供給眾多用戶。由于電能不能在電力網(wǎng)絡(luò)本身內(nèi)或在沒(méi)有額外裝置的情況下大量存儲(chǔ)，因此必須使供給到電力網(wǎng)絡(luò)的電能與用戶方的電力需求(已知為負(fù)荷)相匹配。如大家所知，負(fù)荷隨時(shí)間，特別是根據(jù)一天中的時(shí)間、一周中的日期以及一年中的時(shí)間而波動(dòng)。傳統(tǒng)地，該負(fù)荷變化被分為三個(gè)范圍:基本負(fù)荷、中等負(fù)荷和峰值負(fù)荷，發(fā)電機(jī)根據(jù)其類型適當(dāng)?shù)卦谶@三個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)使用。發(fā)電量和電力消耗的連續(xù)平衡對(duì)穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)是必要的。可能發(fā)生的短期偏差由所謂的正向或反向能量控制或功率控制來(lái)平衡。在可再生發(fā)電裝置的情況下，會(huì)產(chǎn)生這樣的困難:在諸如風(fēng)能和太陽(yáng)能的某些類型的情況下，發(fā)電能力并不是在所有時(shí)間都具備，也不能以特定的方式控制，而是受到例如當(dāng)日時(shí)間和天氣相關(guān)的波動(dòng)的影響，并只在某些情況下可預(yù)測(cè)，并且一般不與在該特定時(shí)刻的能量需求相一致。
[0003]在給定時(shí)間，波動(dòng)的可再生能源的發(fā)電量和消耗量之間的差異通常必須由其他發(fā)電工廠來(lái)消除，例如燃?xì)獍l(fā)電廠、燃煤發(fā)電廠和核電廠。隨著波動(dòng)的可再生能源正日益擴(kuò)大并且占據(jù)電力供應(yīng)的比重越來(lái)越大，特定時(shí)間其輸出和消耗量之間的越來(lái)越大的波動(dòng)必須被平衡掉。因此，即使在今天，不僅是燃?xì)獍l(fā)電廠，而且越來(lái)越多的煙煤發(fā)電廠也在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)或被關(guān)閉，以便平衡這些波動(dòng)。由于發(fā)電廠的這類可變操作涉及相當(dāng)多的額外費(fèi)用，開(kāi)發(fā)替代措施的研宄已經(jīng)進(jìn)行了一段時(shí)間。作為改變發(fā)電廠輸出的替代或附加手段，一種方法是適應(yīng)一位或多位用戶所需的功率(例如需求側(cè)管理，智能電網(wǎng))。另一種方法是在可再生能源發(fā)電的高電量輸出時(shí)存貯部分的能量輸出并在低電量輸出或高消耗時(shí)取回。為此目的，即使在今天，例如抽水蓄能電站也還在使用中。另外，通過(guò)水的電解分裂以氫的形式儲(chǔ)存電能的概念也正在開(kāi)發(fā)中。
[0004]此處所描述的這些措施全部涉及大量的額外成本和效率相關(guān)的能量損失。在此背景下，進(jìn)行越來(lái)越多的嘗試，尋找平衡由于使用可再生能源(尤其是風(fēng)能和太陽(yáng)能)而出現(xiàn)的電力供應(yīng)和電力消耗之間差異的更佳的可能方式。
[0005]從在電弧反應(yīng)器中制備乙炔的工廠可知，通過(guò)電弧的打開(kāi)或關(guān)閉，其可以非常好地適應(yīng)高度波動(dòng)的電力供應(yīng)。然而，這里存在的問(wèn)題是，在這種情況下，這些工廠只有相對(duì)較低水平的利用率，因此，如果該工廠僅在有電力過(guò)剩時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，則相對(duì)于該工廠制備的乙炔的年平均量，其投資成本非常高。
[0006]基于最大可能的連續(xù)使用，至多20%的預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間導(dǎo)致不可接受的漫長(zhǎng)的回報(bào)時(shí)間，從而這些工廠只有在國(guó)家干預(yù)或采用不尋常的商業(yè)模式時(shí)才能有收益。這一預(yù)計(jì)是基于該工廠僅在有來(lái)自可再生能源的過(guò)剩能量時(shí)才運(yùn)行的假設(shè)。
[0007]此外，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，對(duì)于可再生能源在相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)供應(yīng)低的情況下，必須提供能夠確保滿足基本需求的發(fā)電廠。所必需的發(fā)電廠容量的提供作為商業(yè)模式必須在經(jīng)濟(jì)上可行，或可能由國(guó)家提供資助，因?yàn)樵谶@種情況下，同樣一方面有比較高的固定成本，另一方面有相對(duì)較短的運(yùn)行時(shí)間。
[0008]傳統(tǒng)的發(fā)電廠，即基于化石能或生物能載體或核能的發(fā)電廠，可以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有計(jì)劃地提供電能。然而，出于政治原因，特別是可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的原因，使用基于化石能載體或核能的工廠越來(lái)越多地被減少，而偏向于基于可再生能源的發(fā)電機(jī)。但是，這些發(fā)電機(jī)必須相對(duì)于要求進(jìn)行安裝，并且從其自身來(lái)講應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)上可操作。從基于可再生能源的裝機(jī)容量的一定程度的角度，在經(jīng)濟(jì)上是更可取的是安裝存儲(chǔ)容量，而不是進(jìn)一步增加可再生能源的容量，因此，在存在來(lái)自可再生能源的過(guò)量電力的時(shí)候，可以適當(dāng)?shù)厥褂煤蛢?chǔ)存，當(dāng)電力短缺時(shí)，電力可以由能量存儲(chǔ)或常規(guī)發(fā)電廠來(lái)提供。如果能耗可方便地變得更加靈活，可以在此推測(cè)，顯著的電力過(guò)?；蚨倘钡臅r(shí)間將變得更少。對(duì)于這些短的時(shí)期，盡管必須不顧一切地保障電力供應(yīng)，但同時(shí)盡可能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，考慮到現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供不受常規(guī)方法缺點(diǎn)影響的改進(jìn)的工廠。
[0010]尤其是，本發(fā)明的目的是發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)相比可以提高關(guān)于電能存儲(chǔ)和利用的靈活性的方法。
[0011]此外，該工廠應(yīng)允許靈活操作，以便它能夠特別靈活地應(yīng)對(duì)在電力供應(yīng)和/或需求中的任何改變，以便例如實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，工廠應(yīng)該可以用于即使在高或低電力供應(yīng)的相對(duì)長(zhǎng)的期間內(nèi)存儲(chǔ)或者提供電能。
[0012]此外，本發(fā)明應(yīng)該對(duì)供應(yīng)的安全性加以改進(jìn)。
[0013]該工廠與該方法還應(yīng)該具有盡可能高的效率。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法應(yīng)該允許采用傳統(tǒng)的、仍然可用的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0014]此外，該方法應(yīng)該允許以盡可能少的方法步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)，但它們應(yīng)該是簡(jiǎn)單和可重復(fù)的。
[0015]未明確提及的其他目的可以由下文的描述和權(quán)利要求書(shū)的總體內(nèi)容看出。
[0016]未明確提及的以及在本文開(kāi)始部分所討論的情形下出現(xiàn)的這些和其他目的通過(guò)集成工廠來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，電熱生產(chǎn)乙炔的工廠、用于從電熱生產(chǎn)乙炔的反應(yīng)混合物中分離乙炔的分離裝置以及用于將氣體引入天然氣管網(wǎng)的裝置被連接，使得含有氫和/或烴類的氣流可以從分離裝置引入天然氣管網(wǎng)中。
[0017]相應(yīng)地，本發(fā)明的主題是集成工廠，其包括電熱生產(chǎn)乙炔的工廠和用于從電熱生產(chǎn)乙炔的反應(yīng)混合物中分離乙炔并獲得至少一種含有氫和/或烴類的氣流的分離裝置，該集成工廠具有將氣體引入天然氣管網(wǎng)的裝置，含有氫和/或烴類的氣流從所述分離裝置通過(guò)至少一個(gè)導(dǎo)管被供入該裝置。
[0018]本發(fā)明的主題也是用于在根據(jù)本發(fā)明的集成工廠中靈活運(yùn)用電力的方法，其中含有氫和/或烴類的氣流被送入天然氣管網(wǎng)，并且送入天然氣管網(wǎng)的氣流的量和組成根據(jù)電力供應(yīng)而改變。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的集成工廠和根據(jù)本發(fā)明的方法具有特別良好的特性范圍，而常規(guī)工廠和方法的缺點(diǎn)可以顯著地減少。
[0020]特別是，已出乎意料地發(fā)現(xiàn)，借此可以高利用度地運(yùn)行電熱生產(chǎn)乙炔的工廠，并且在存在電能過(guò)剩的時(shí)候可經(jīng)濟(jì)地使用可再生能源。此外，該工廠允許來(lái)自可再生能源(包括風(fēng)能或太陽(yáng)能光電)的電力的過(guò)剩部分轉(zhuǎn)換成可存儲(chǔ)的形式。
[0021]此外，在可再生能源的低供應(yīng)量存在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)期的時(shí)候，電能也能夠以特別低成本的方式提供。
[0022]電熱生產(chǎn)乙炔的工廠可以高度動(dòng)態(tài)地運(yùn)行，并且因此可以可變地適應(yīng)于電力供應(yīng)。與此同時(shí)，集成工廠甚至可用于在高或低電力供應(yīng)量相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)存儲(chǔ)或者提供電能。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)集成工廠的所有部件出乎意料的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，使得其可以非常經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。
[0023]也可以提供該電熱生產(chǎn)乙炔的工廠的可控設(shè)計(jì)，根據(jù)電力供應(yīng)來(lái)執(zhí)行該控制。
[0024]在根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，來(lái)自可再生能源的電力被用于電熱生產(chǎn)乙炔。
[0025]此外，該方法可以用相對(duì)較少的方法步驟來(lái)進(jìn)行，這些步驟是簡(jiǎn)單且可重復(fù)的。
[0026]來(lái)自可再生能源的電力使用使本發(fā)明的集成工廠能夠提供化學(xué)衍生物而很少釋放二氧化碳，因?yàn)榈玫降囊胰材軌蛞詷O高轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化成許多重要的化學(xué)衍生物，并且，與替代原料相比，需要較少的額外能量供給或釋放較多的熱量。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的集成工廠用于電能的方便靈活的利用，“電能”在本文中同義地稱為電力。該集成工廠在電力供應(yīng)高時(shí)可以存儲(chǔ)電能，特別是在電力供應(yīng)較低時(shí)將電能回供入電力網(wǎng)絡(luò)。術(shù)語(yǔ)“存儲(chǔ)”在本文中是指在電力供應(yīng)高時(shí)工廠將電力轉(zhuǎn)化成可存儲(chǔ)形式，在本申請(qǐng)中為化學(xué)能的能力，而在電力供應(yīng)較低時(shí)，此化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能。在這種情況下，存儲(chǔ)能夠以共產(chǎn)物氫氣的形式發(fā)生，氫氣在由甲烷或高級(jí)烴類的電熱法生產(chǎn)乙炔時(shí)不可避免地產(chǎn)生。存儲(chǔ)也能夠以電熱生產(chǎn)乙炔中所得產(chǎn)物的形式發(fā)生，形成乙炔時(shí)并行地發(fā)生吸熱轉(zhuǎn)換，例如，兩分子甲烷轉(zhuǎn)化成乙烷和氫。在這方面，應(yīng)當(dāng)注意:兩摩爾甲烷(CH4)具有的能量含量低于例如一摩爾乙烷(C2H6)和一摩爾氫，因此通過(guò)甲烷轉(zhuǎn)化為氫和具有兩個(gè)或以上碳原子的烴能夠存儲(chǔ)能量。
[0028]在用于生產(chǎn)乙炔的傳統(tǒng)工廠中，相對(duì)大量的能量被消耗于處理產(chǎn)生的二次產(chǎn)物氣體，以便可選地以其純的形式出售。在本工廠中，通過(guò)使用副產(chǎn)物氣體的能量，這種純化的進(jìn)行可以變得容易得多。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的集成工廠包括電熱生產(chǎn)乙炔的工廠。術(shù)語(yǔ)“電熱”在本申請(qǐng)中指這樣的方法:其中乙炔通過(guò)吸熱反應(yīng)以烴類或煤為原料制得，進(jìn)行反應(yīng)所需的熱量由電力產(chǎn)生。優(yōu)選地，使用氣態(tài)的或汽化的烴類，特別優(yōu)選脂族烴。特別合適的是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，特別是甲烷。在脂族烴電熱生產(chǎn)乙炔的過(guò)程中，得到作為副產(chǎn)物的氫。
[0030]用于電熱生產(chǎn)乙炔的合適的工廠是現(xiàn)有技術(shù)中已知的，例如Ullmann’ sEncyclopaedia of Industrial Chemistry, Volume I, 2012ffiley-VCH Verlag GmbH&C0.KGaA, Weinheim, DO1:10.1002/14356007.a01_097.pub4，pages296-