過去幾年，用于能源生產(chǎn)的可再生自然資源(可再生能源)的吸引力令人印象深刻，但是仍然存在處理可再生能源的短暫性質(zhì)的未解決的問題。太陽能和風(fēng)力的性質(zhì)是間歇性的，并且因此，無法向能量網(wǎng)絡(luò)提供可靠的基本負(fù)載。因?yàn)槟茉聪M(fèi)者的需求可能是非常規(guī)的，所以基于可再生能源的能量源并不匹配消費(fèi)者的需求。而且，多余的能量，即從可再生能源瞬間可獲得但是當(dāng)時(shí)消費(fèi)者不需要的能量的數(shù)量使能量網(wǎng)絡(luò)緊張，并且在其不被消耗的情況下可能損失。

因此，存在由可再生能源瞬時(shí)提供的能量不足以滿足需求的狀況。然而，還存在由可再生能源瞬時(shí)提供的能量超過當(dāng)前需求的狀況。隨著來自可再生源的能源比例增加，情況將變得不可持續(xù)。

解決這些缺點(diǎn)的有希望的方法可以是，使用長期能量緩沖器或適用于存儲(chǔ)能量的存儲(chǔ)。這種解決方案可以允許處理需求超過可用能量的情況以及多余能量可用的情況。

用于存儲(chǔ)電能的各種緩沖解決方案是已知的，例如，鋰電池和釩基氧氣化還原電池，但是這些解決方案無法提供必要的能量存儲(chǔ)規(guī)模。氫氣提供了用于存儲(chǔ)能量的另一無碳途徑，但是其難以被利用或者是有風(fēng)險(xiǎn)的。其必須以氣體形式被壓縮到500巴以便于實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)哪芰棵芏取Ｒ簯B(tài)氫氣需要低溫和相關(guān)的復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施。此外，任何形式的氫氣的使用由于爆炸的風(fēng)險(xiǎn)而都需要保護(hù)。由于這些原因，氫氣不被認(rèn)為是用于能量存儲(chǔ)的合格候選。

因此，目前沒有用于在本地或國家范圍內(nèi)分離能量供應(yīng)和對(duì)可再生能源的需求的可靠和適當(dāng)?shù)氖侄巍?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于從間歇式可再生能源向能量網(wǎng)供應(yīng)能量的解決方案。

該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求16的方法來解決。

本發(fā)明基于存儲(chǔ)使用可再生能源生成的能量的至少一部分的方法。這是通過使用該能量產(chǎn)生氫氣和氮?dú)鈦韺?shí)現(xiàn)的。氫氣和氮?dú)怆S后被轉(zhuǎn)換成氨氣(NH3)，氨氣(NH3)是無碳燃料并且可以在環(huán)境溫度下被存儲(chǔ)。而且，NH3可以使用管道、鐵路、船運(yùn)和卡車來被有效和安全地運(yùn)輸。此外，NH3提供的優(yōu)點(diǎn)是，其可以在無碳工藝中被合成，并且其可以在不產(chǎn)生溫室氣體的情況下燃燒。

本發(fā)明通過使用可再生能量用于生成可以隨后被存儲(chǔ)的氨氣來實(shí)現(xiàn)與波動(dòng)的可再生能源分離電力的供給和需求。然后，所存儲(chǔ)的氨氣可以在NH3發(fā)電機(jī)中使用，以生成饋送到電網(wǎng)中的電力。本發(fā)明提出的這種集成解決方案允許將間歇電力轉(zhuǎn)換成由可再生能源提供給本地或國家能源網(wǎng)的基本負(fù)載。

通過利用在系統(tǒng)的級(jí)或部件的操作期間在該級(jí)或部件處生成的廢熱來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。廢熱由相應(yīng)的熱交換器收集并且至少部分地被傳送到系統(tǒng)的另一級(jí)或部件，其操作和效率至少可以通過存在升高的溫度來改善或甚至需要存在升高的溫度。這產(chǎn)生了整個(gè)系統(tǒng)的改善的效率。

因此，作為緩沖器的NH3存儲(chǔ)容器的存在允許向能量網(wǎng)提供能量的更好的靈活性，并且因此改善負(fù)載平衡。此外，通過將至少一部分熱傳送到系統(tǒng)的另一級(jí)別或部件，通過利用在系統(tǒng)的一個(gè)級(jí)或部件處生成的熱，來改善系統(tǒng)和方法的效率。

本發(fā)明可以適用于基于可再生能源以及在重工業(yè)和農(nóng)村地區(qū)的本地能源供應(yīng)、網(wǎng)穩(wěn)定中操作能量網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

更具體地，一種用于基于由可再生能源提供的間歇可再生能源來向能量網(wǎng)提供能量和用于能量網(wǎng)的能量輸入的負(fù)載平衡的系統(tǒng)包括：

-用于產(chǎn)生氫氣和氮?dú)獾腍2-N2產(chǎn)生單元，其中，H2-N2產(chǎn)生單元通過使用由可再生能源提供的能量來操作，

-混合單元，被配置成接收和混合由H2-N2產(chǎn)生單元產(chǎn)生的氫氣和氮?dú)?，以形成氫?氮?dú)饣旌衔铮?/p>

-NH3源，用于接收和處理用于生成含有NH3的氣體混合物的氫氣-氧氣混合物，其中，NH3源流體連接至混合單元以從混合單元接收氫氣-氮?dú)饣旌衔铮⑶移渲蠳H3源被配置為從氫氣-氮?dú)饣旌衔锷珊蠳H3的氣體混合物，其中NH3源包括NH3存儲(chǔ)容器，以用于存儲(chǔ)含有NH3的氣體混合物的NH3的至少一部分，

-用于生成用于能量網(wǎng)的能量的NH3發(fā)電機(jī)，其中，NH3發(fā)電機(jī)流體連接到NH3存儲(chǔ)容器，以從NH3存儲(chǔ)容器接收含有NH3的氣體流，并且其中，NH3發(fā)電機(jī)包括燃燒室，用于燃燒所接收的氣體流的NH3以生成用述能量網(wǎng)的能量，以及

-具有一個(gè)或多個(gè)熱交換器的熱分配系統(tǒng)，

其中，

-一個(gè)或多個(gè)熱交換器中的每一個(gè)與系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)第一部件中的至少一個(gè)熱接觸并且對(duì)其指派，以用于接收在至少第一個(gè)部件的操作期間來自所指派的至少一個(gè)第一部件的過程熱，例如，在響應(yīng)部件的操作期間生成的廢熱或其他熱，

-一個(gè)或多個(gè)熱交換器中的每一個(gè)被布置和配置為將所接收的過程熱的至少一部分傳送到系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)第二部件中的至少一個(gè)。

其中，第一部件中的每一個(gè)的相關(guān)特性是在第一部件的操作期間生成熱。由第一部件生成的熱由于熱接觸而被傳送到相應(yīng)的熱交換器。

其中，第二部件中的每一個(gè)的相關(guān)特性是，當(dāng)能夠提供升高的操作溫度時(shí)，在第二部件的操作期間的熱消耗或至少改善的操作和/或效率。二者通過提供來自熱交換器的熱來實(shí)現(xiàn)。

此外，一個(gè)或多個(gè)第一部件中的每一個(gè)被指派給一個(gè)或多個(gè)熱交換器中的至少一個(gè)并與之熱接觸。

一個(gè)或多個(gè)第一部件中的一個(gè)可以是NH3發(fā)電機(jī)。因此，因?yàn)閺U熱被重新引導(dǎo)到過程中，所以系統(tǒng)的效率被改善。

其中，一個(gè)或多個(gè)第二部件中的一個(gè)是混合單元，其中在氫氣和氮?dú)獾幕旌现欣盟鶄魉偷倪^程熱的一部分以促進(jìn)氫氣-氮?dú)饣旌衔锏男纬?。這提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。

H2-N2產(chǎn)生單元可以包括：

-用于產(chǎn)生氫氣的氫氣電解器，其中，氫氣電解器被配置為接收由所述可再生能源產(chǎn)生的水和能量，并且通過電解產(chǎn)生氫氣，和/或

-用于產(chǎn)生氮?dú)獾目諝夥蛛x單元，其中，空氣分離單元被配置為接收由可再生能源產(chǎn)生的空氣和能量并且通過分離所接收的空氣來產(chǎn)生氮?dú)狻?/p>

這允許通過利用來自可再生能源的能量來產(chǎn)生氫氣H2和氮?dú)釴2，最終產(chǎn)生存儲(chǔ)NH3形式的能量的能力。

一個(gè)或多個(gè)第一部件中的一個(gè)可以是氫氣電解器。因此，因?yàn)閺U熱被重新引導(dǎo)到過程中，所以系統(tǒng)的效率被改善。

混合單元可以流體連接到H2-N2產(chǎn)生單元以接收其中產(chǎn)生的氫氣和氮?dú)猓渲谢旌蠁卧梢园ɑ旌掀饕约皦嚎s機(jī)，混合器用于將氫氣與氮?dú)饣旌弦孕纬蓺錃?氮?dú)饣旌衔?，壓縮機(jī)用于壓縮來自混合器的氫氣-氮?dú)饣旌衔铮孕纬梢灰龑?dǎo)到NH3源的壓縮的氫氣-氮?dú)饣旌衔?。因此，混合單元提供壓縮的H2-N2混合物。

一個(gè)或多個(gè)第二部件中的一個(gè)可以是混合器，其中傳送到混合器的過程熱的一部分用于促進(jìn)氫氣和氮?dú)獾幕旌稀Ｒ虼?，因?yàn)閺U熱被重新引導(dǎo)到過程中，所以系統(tǒng)的效率被改善。

NH3源可以包括NH3反應(yīng)室，其被配置為從所述混合單元接收氫氣-氮?dú)饣旌衔?，并且處理所接收的氫?氮?dú)饣旌衔镆酝ㄟ^放熱化學(xué)反應(yīng)來形成含有NH3的氣體混合物，其中一個(gè)或多個(gè)第一部件中的一個(gè)是NH3反應(yīng)室。NH3反應(yīng)室的功能基于放熱化學(xué)反應(yīng)，并且在操作期間產(chǎn)生的相應(yīng)廢熱可以被重新引導(dǎo)到系統(tǒng)以改善效率。

NH3源可以進(jìn)一步包括用于從NH3反應(yīng)室接收含有NH3的氣體混合物的分離器，其中

-分離器被配置為從含有NH3的氣體混合物中分離NH3，使得產(chǎn)生NH3和剩余的氫氣-氮?dú)饣旌衔铮⑶?/p>

-分離器被流體連接到NH3存儲(chǔ)容器，以將所產(chǎn)生的NH3引導(dǎo)到所述NH3存儲(chǔ)容器。分離器的使用允許有效地產(chǎn)生NH3。

在一個(gè)實(shí)施例中，提供了用于利用再壓縮機(jī)和第二混合器來再處理剩余的氫氣-氮?dú)饣旌衔锏母郊釉偬幚韱卧?，其?/p>

-再壓縮機(jī)被流體連接到分離器以接收和壓縮來自分離器的剩余的氫氣-氮?dú)饣旌衔铮?/p>

-第二混合器被流體連接到再壓縮機(jī)，以從再壓縮機(jī)接收壓縮的剩余氫氣-氮?dú)饣旌衔铮?/p>

-第二混合器被流體連接到混合單元，以從混合單元接收氫氣-氮?dú)饣旌衔铮?/p>

并且其中，

-第二混合器被配置為混合來自混合單元的氫氣-氮?dú)饣旌衔镆约皝碜栽賶嚎s機(jī)的壓縮的剩余氫氣-氮?dú)饣旌衔?，以形成要提供給NH3源的氫氣-氮?dú)饣旌衔铩?/p>

使用再處理單元允許使剩余的H2和N2重新循環(huán)以形成另外的NH3。

一個(gè)或多個(gè)第二部件中的一個(gè)可以是第二混合器。這提高了H2-N2混合過程的效率，并且因此提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。

在替代實(shí)施例中，分離器可以被流體連接到混合單元將來自分離器的剩余的氫氣-氮?dú)饣旌衔镆龑?dǎo)到混合單元，使得在混合單元中將剩余的氫氣-氮?dú)饣旌衔锱c來自H2-N2產(chǎn)生單元的氫氣和氮?dú)饣旌?，以形成要由NH3源接收的氫氣-氮?dú)饣旌衔铩＿@還允許使剩余的H2和N2再循環(huán)以形成另外的NH3。

該系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括NH3裂化器，其被流體連接到NH3存儲(chǔ)容器和NH3發(fā)電機(jī)，并且其被配置和布置為

-從NH3存儲(chǔ)容器接收NH3，

-使所接收的NH3部分裂化生效，以形成NH3-氫氣混合物，并且

-將NH3-氫氣混合物引導(dǎo)到NH3發(fā)電機(jī)以供燃燒。

NH3裂化器的利用允許向具有更好燃燒性能的NH3發(fā)電機(jī)提供NH3-氫氣-氣體混合物。

一個(gè)或多個(gè)第二部件中的一種可以是NH3裂化器。這具有更高的NH3裂化效率的效果，因?yàn)镹H3裂化器的操作原理基于熱的消耗。因此，改善了系統(tǒng)的總體效率。

該系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括主控制單元，用于控制要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3的生成和/或利用NH3發(fā)電機(jī)生成能量。

例如，該控制可以通過調(diào)節(jié)提供給H2-N2-產(chǎn)生單元的能量流來實(shí)現(xiàn)，并且由此產(chǎn)生H2和N2，或者通過經(jīng)由影響混合器(influencing mixer)、壓縮機(jī)或其他部件調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的質(zhì)量流，和/或通過調(diào)節(jié)NH3反應(yīng)室中的溫度來實(shí)現(xiàn)。

主控制單元可以被配置和布置，即連接到相應(yīng)的部件，使得對(duì)要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3的生成的控制和/或利用NH3發(fā)電機(jī)對(duì)能量的生成的控制至少取決于能量網(wǎng)中的實(shí)際功率需求和/或由可再生能源當(dāng)前生成的能量的量。這允許靈活的能量供應(yīng)，其對(duì)能量網(wǎng)中的實(shí)際需求產(chǎn)生反應(yīng)，并且另一方面，允許在低需求的情況下存儲(chǔ)來自可再生能源的能量。

主控制單元可以被配置為

-優(yōu)選地同時(shí)減少要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3的生成，這可以通過控制含有NH3的氣體混合物的生成來實(shí)現(xiàn)，和/或在來自可再生能源的低的可再生能量輸入的時(shí)段期間增加能量的生成，

-優(yōu)選地同時(shí)增加要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3的生成和/或減少在來自可再生能源的高可再生能量輸入的時(shí)段期間的能量生成。

這還允許用于能量網(wǎng)的能量輸入的有效負(fù)載平衡和靈活的能量供應(yīng)，其對(duì)能量網(wǎng)中的實(shí)際需求做出反應(yīng)，并且另一方面，允許在低需求的情況下存儲(chǔ)來自可再生能源的能量。

其中，術(shù)語“低”和“高”可以參考某些給定的閾值。也就是說，低可再生能量輸入意味著實(shí)際可再生能量輸入小于第一閾值，并且高可再生能量輸入意味著實(shí)際可再生能量輸入大于第二閾值。第一和第二閾值可以彼此相同或不同。

該系統(tǒng)進(jìn)一步可以包括能量分配單元，該能量分配單元被配置為接收由所述可再生能源提供的能量，并且向所述能量網(wǎng)和/或所述H2-N2產(chǎn)生單元分配能量，其中，該分配取決于所述能量網(wǎng)中的能量需求情況。例如，在來自能量網(wǎng)的更高能量需求的情況下，由可再生能源提供給能量網(wǎng)的能量的一部分更高，并且提供給系統(tǒng)的剩余部分更低。在來自能量網(wǎng)的較低能量需求的情況下，由可再生能源提供給能量網(wǎng)的能量的一部分較低，并且提供給系統(tǒng)的剩余部分較高。這允許系統(tǒng)的有效操作，并且因此，允許對(duì)能量網(wǎng)的能量輸入的負(fù)載平衡。

在用于向能量網(wǎng)提供能量并且用于基于由可再生能源提供的間歇可再生能量的對(duì)能量網(wǎng)的能量輸入的負(fù)載平衡的相應(yīng)方法中，

-來自可再生能源的能量的至少一部分用于在H2-N2產(chǎn)生單元中產(chǎn)生氫氣和氮?dú)猓?/p>

-在混合單元中混合所產(chǎn)生的氫氣和氮?dú)庖孕纬蓺錃?氮?dú)饣旌衔铮?/p>

-在NH3源中處理氫氣-氮?dú)饣旌衔铮陨珊蠳H3的氣體混合物，

-含有NH3的所述氣體混合物的NH3被存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中，

-將來自所述NH3存儲(chǔ)容器的NH3流引導(dǎo)到NH3發(fā)電機(jī)的燃燒室，以用于燃燒NH3流的NH3來生成用于所述能量網(wǎng)的能量，

其中，

-在至少一個(gè)第一部件的操作期間在系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)第一部件中的至少一個(gè)中生成的過程熱的至少一部分被傳送到系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)第二部件中的至少一個(gè)，該過程熱例如在相應(yīng)部件的操作期間生成的廢熱或其他熱。

一個(gè)或多個(gè)第一部件中的一個(gè)可以是NH3發(fā)電機(jī)。

一個(gè)或多個(gè)第二部件中的一個(gè)可以是混合單元，特別是用于將氫氣與氮?dú)饣旌弦孕纬蓺錃?氮?dú)饣旌衔锏幕旌蠁卧幕旌掀?，其中，所傳送的過程熱的一部分在氫氣和氮?dú)獾幕旌现惺褂谩?/p>

在H2-N2產(chǎn)生單元的氫氣電解器中產(chǎn)生氫氣，其中，一個(gè)或多個(gè)第一部件中的一個(gè)是氫氣電解器。

NH3源可以包括NH3反應(yīng)室，其從混合單元接收氫氣-氮?dú)饣旌衔?，并且處理所接收的氫?氮?dú)饣旌衔镆酝ㄟ^放熱化學(xué)反應(yīng)形成含有NH3的氣體混合物，其中，一個(gè)或多個(gè)第一部件中的一個(gè)是NH3反應(yīng)室。

可以將含有NH3的氣體混合物引導(dǎo)到分離器，分離器從含有NH3的氣體混合物中分離NH3，使得產(chǎn)生要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3和剩余的氫氣-氮?dú)饣旌衔铩?/p>

可以將剩余的氫氣-氮?dú)饣旌衔镌賶嚎s，并且將再壓縮的剩余氫氣-氮?dú)饣旌衔锱c來自第二混合器中的混合單元的氫氣-氮?dú)饣旌衔锘旌希孕纬梢蒒H3源接收的氫氣-氮?dú)饣旌衔铩?/p>

一個(gè)或多個(gè)第二部件中的一個(gè)是第二混合器。

來自NH3存儲(chǔ)容器的NH3流在其到達(dá)NH3發(fā)電機(jī)之前被引導(dǎo)到NH3裂化器。NH3裂化器使從NH3存儲(chǔ)容器接收的NH3的部分裂化生效，以形成NH3-氫氣混合物，并且NH3-氫氣混合物作為NH3流被引導(dǎo)到NH3發(fā)電機(jī)以供燃燒。NH3裂化器的利用允許將MH3-氫氣-氣體混合物提供給NH3發(fā)電機(jī)，其具有更好的燃燒性質(zhì)。

一個(gè)或多個(gè)第二部件中的一個(gè)是NH3裂化器。這具有下述效果：因?yàn)镹H3裂化器的操作原理基于熱消耗，所以具有較高的NH3劣化的效率。因此，提高了系統(tǒng)的總體效率。

系統(tǒng)的主控制單元可以控制要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3的生成和/或利用NH3發(fā)電機(jī)的能量的生成。

再次，例如，控制可以通過調(diào)節(jié)提供給H2-N2-產(chǎn)生單元的能量流并且由此產(chǎn)生H2和N2來實(shí)現(xiàn)，或者通過經(jīng)由影響混合器、壓縮機(jī)或其他部件調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的質(zhì)量流，和/或通過調(diào)節(jié)NH3反應(yīng)室中的溫度來實(shí)現(xiàn)。

主控制單元可以至少根據(jù)能量網(wǎng)中的實(shí)際功率需求和/或基于由可再生能量源當(dāng)前生成的能量的量來控制要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3的生成，和/利用NH3發(fā)電機(jī)的能量的生成。

此外，主控制單元

-優(yōu)選地同時(shí)減少要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3的生成，和/或在來自可再生能源的低的可再生能量輸入的時(shí)段期間增加能量的生成，

-優(yōu)選地同時(shí)增加要存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器中的NH3的生成和/或減少在來自可再生能源的高可再生能量輸入的時(shí)段期間的能量生成。

主控制單元控制NH3的生成和能量的生成。例如，在例如可再生能源生成較少能量的時(shí)段期間并且在風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)處于低風(fēng)期間的情況下，主控制單元將向NH3發(fā)電機(jī)供電，以向能量網(wǎng)供應(yīng)更多能量，因?yàn)榭稍偕茉吹墓?yīng)可能不夠。在可再生能源生成大量能量的時(shí)段期間，例如在具有強(qiáng)風(fēng)的階段期間，主控制單元將使NH3發(fā)電機(jī)斷電，因?yàn)榭稍偕茉聪螂娋W(wǎng)提供足夠的能量。然而，主控制單元將增加NH3的生產(chǎn)和存儲(chǔ)。

“流體連接”到另一設(shè)備的設(shè)備意味著，流體可以經(jīng)由諸如管道的設(shè)備之間的連接從該設(shè)備傳送到另一設(shè)備。其中，流體可以是氣體和液體。

附圖說明

在下文中，基于圖1來詳細(xì)地解釋本發(fā)明。不同圖中的相同附圖標(biāo)記指相同的部件。

圖1示出了用于間歇可再生能源的負(fù)載平衡的系統(tǒng)，

圖2示出了具有剩余H2-N2氣體混合物的再循環(huán)的系統(tǒng)的另一實(shí)施例，

圖3示出了系統(tǒng)的另一實(shí)施例的變體。

具體實(shí)施方式

圖1所示的系統(tǒng)100包括可再生能源10，例如風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)或具有多個(gè)單獨(dú)風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)電場。替代地，可再生能源10還可以是太陽能發(fā)電廠或適用于從可再生原料(如水、風(fēng)或太陽能)生成能量的任何其他發(fā)電廠。在下文中，在可再生能源10是風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的假設(shè)下說明系統(tǒng)100。然而，這不應(yīng)對(duì)本發(fā)明具有任何限制效果。

風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10被連接到能量網(wǎng)300，以將由風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10生成的能量供應(yīng)到電網(wǎng)300。其中，將作為由風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10所生成的能量1的至少一部分的能量的量1″提供給能量網(wǎng)300，以滿足能量網(wǎng)300中的消費(fèi)者的能量需求?？梢哉J(rèn)為，能量網(wǎng)300通常還將接入其他能量源。

然而，所生成的能量1的剩余能量的量1'可以在系統(tǒng)100中使用以操作系統(tǒng)100的氫氣-氮?dú)猱a(chǎn)生單元20(H2-N2-產(chǎn)生單元)。

特別是當(dāng)多余的能量可提供時(shí)，即當(dāng)由可再生能源10生成的能量1超過能量網(wǎng)300對(duì)可再生能源10的能量需求時(shí)，該多余能量可以被引導(dǎo)到H2-N2產(chǎn)生單元20，以對(duì)單元20進(jìn)行操作。饋送到H2-N2產(chǎn)生單元20的能量的量1'取決于要由能量網(wǎng)300供應(yīng)的消費(fèi)者的能量需求。也就是說，在高需求的情況下，例如在高峰時(shí)間期間，由風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10生成的能量1的100％有必要被饋送到電網(wǎng)300中以滿足需求。相反，在非常低的需求的情況下，例如在夜間期間，由風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10生成的電力1的100％可以用于系統(tǒng)100中使用，并且可以被引導(dǎo)到H2-N2產(chǎn)生單元20。

來自風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10的能量1的這種管理和分配由能量分配單元11實(shí)現(xiàn)。能量分配單元11從風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10接收能量1。如上所述，根據(jù)能量網(wǎng)300中的能量需求情況，特定比率的能量1被分別引導(dǎo)到能量網(wǎng)300和/或系統(tǒng)100以及H2-N2產(chǎn)生單元20。因此，能量分配單元11被配置為接收由可再生能量源10提供的能量1，并且將能量1分配到能量網(wǎng)300和/或H2-N2-O2產(chǎn)生單元20，其中該分配取決于能量網(wǎng)300中的能量需求情況。

例如，在電網(wǎng)300中需求大量能量的情況下，大部分或全部能量1可以被引導(dǎo)到電網(wǎng)300，并且僅較少的能量1'可以被提供到H2-N2產(chǎn)生單元20。在需求情況使得在電網(wǎng)300中僅需求較少的能量的情況下，由可再生能量源10提供的大部分或全部能量1可以用于生成NH3。因此，大量的能量1'可以被提供給H2-N2-O2產(chǎn)生單元20。

如上所述，由可再生能源10生成的能量1的能量的量1'被供應(yīng)到系統(tǒng)100和H2-N2產(chǎn)生單元20，以實(shí)現(xiàn)NH3的產(chǎn)生。H2-N2產(chǎn)生單元20包括氫氣電解器21和空氣分離單元22。

H2-N2產(chǎn)生單元20的氫氣電解器21用于通過水2的電解來生成氫氣4和氧氣6。從任意源(未示出)向氫氣電解器21供應(yīng)水2，并且使用來自風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10的能量1'進(jìn)行操作。氧氣6是電解器21的副產(chǎn)物，并且其可以被排放并釋放到環(huán)境空氣中。

H2-N2產(chǎn)生單元20的空氣分離單元(ASU)22用于氮?dú)?的生成。由風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10提供的能量1'用于操作ASU 22，ASU 22利用常規(guī)的空氣分離技術(shù)來將氮?dú)?與空氣3分離。空氣3的剩余組成部分，即氧氣和其他，可以被釋放到環(huán)境空氣中。

因此，風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10用于將能量1'提供用于水2的電解以利用氫氣電解器21形成氫氣4并且用于使用ASU 22從空氣3中分離氮?dú)?。

然后，將氫氣4和氮?dú)?兩者引導(dǎo)到系統(tǒng)100的混合單元30。混合單元30包括臨時(shí)存儲(chǔ)單元31、混合器32和壓縮機(jī)33，首先，氫氣4和氮?dú)?在混合器32中混合之前通過臨時(shí)存儲(chǔ)單元31。隨后，將得到的氫氣-氮?dú)?氣體混合物8(H2-N2-氣體混合物)在壓縮機(jī)33中壓縮成五十或更多個(gè)大氣壓。

現(xiàn)在可以通過在在升高的溫度下在催化劑存在時(shí)候?qū)嚎sH2-N2-氣體混合物8進(jìn)行處理器來形成氨氣NH3。這在系統(tǒng)100的NH3源40的NH3反應(yīng)室41中實(shí)現(xiàn)。來自混合單元30和來自壓縮機(jī)33的壓縮的H2-N2-氣體混合物8分別被引導(dǎo)到NH3反應(yīng)室41。反應(yīng)室41包括一個(gè)或多個(gè)NH3反應(yīng)床42，其在例如350-450℃的升高的溫度下進(jìn)行操作。在放熱化學(xué)反應(yīng)中，NH3反應(yīng)室41產(chǎn)生NH3和另外來自混合器30的H2-N2氣體混合物中的氮?dú)釴2和氫氣H2的混合物，即，NH3反應(yīng)室釋放NH3-H2-N2氣體混合物9。

例如，適當(dāng)?shù)拇呋瘎┛梢曰阼F促K2O、CaO、SiO2和Al2O3，而不是鐵基催化劑、釕。

將NH3-H2-N2-混合物9引導(dǎo)到NH3源40的分離器43，例如冷凝器，其中NH3是從NH3-H2-N2-混合物9中分離的。因此，分離器43產(chǎn)生被發(fā)送到NH3源40的NH3存儲(chǔ)容器44的NH3，以及剩余的H2-N2-氣體混合物8'。

可以假定在氨氣的存儲(chǔ)和運(yùn)輸上存在大量知識(shí)基礎(chǔ)。這同樣適用于氫氣、氮?dú)夂蜌錃?氮?dú)饣旌衔锏奶幚砗瓦\(yùn)輸。因此，沒有具體描述NH3存儲(chǔ)容器44以及連接用于引導(dǎo)NH3和其他氣體或氣體混合物的系統(tǒng)100的所有部件的各種管道。

如上所述，分離器43從由NH3反應(yīng)室41提供的NH3-H2-N2-混合物9中生成NH3，并且保留H2-N2-氣體混合物8'。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在圖2和圖3中示出了其兩個(gè)變型，該剩余的H2-N2氣體混合物8'被再循環(huán)以再次用于在NH3反應(yīng)室41中生成NH3。

為此，如圖2所示的該實(shí)施例的系統(tǒng)100包括具有再壓縮機(jī)51和混合器52的附加再處理單元50。此外，本發(fā)明的該實(shí)施例與上述本發(fā)明的基本實(shí)施例的不同之處在于，來自壓縮機(jī)33的壓縮的H2-N2氣體混合物8不直接被傳遞到NH3反應(yīng)室41，而是僅經(jīng)由再處理單元50的混合器52到達(dá)NH3反應(yīng)室41。分離器43的剩余H2-N2氣體混合物8'被傳遞到系統(tǒng)100的再處理單元50的再壓縮機(jī)51。如壓縮機(jī)33，再壓縮機(jī)51將剩余的H2-N2-氣體混合物8'壓縮成五十或更多個(gè)大氣壓，以考慮在NH3反應(yīng)室41中和在分離器43中的處理器期間的壓力損失。然后，將再壓縮的剩余H2-N2氣體混合物8'傳遞到混合器52，其中，其分別與來自混合器30和壓縮機(jī)33的新鮮H2-N2-氣體混合物8混合?；旌掀?2生成H2-N2-氣體混合物8、8'的混合物8，其隨后被引導(dǎo)到NH3反應(yīng)室41。在下文中，如上所述在NH3源40中處理氣體混合物，以產(chǎn)生NH3以及再次的剩余的H2-N2氣體混合物8'。

圖3示出了圖2所示實(shí)施例的變型。將剩余的H2-N2氣體混合物8'直接饋送到混合單元30的混合器32中，以與來自臨時(shí)存儲(chǔ)單元31的進(jìn)入的氫氣和氮?dú)饣旌稀２皇怯脝为?dú)的再處理器單元50。

在下文中，再次參考圖1。然而，下面描述的細(xì)節(jié)和特征也適用于圖2和圖3所示的實(shí)施例和變體。

NH3存儲(chǔ)容器44與NH3發(fā)電機(jī)200流體連接，使得NH3氣體流可以被建立以將NH3從存儲(chǔ)容器44傳輸?shù)絅H3發(fā)電機(jī)200。氨氣可以在多個(gè)不同的燃燒循環(huán)中使用，例如在布雷頓循環(huán)或柴油循環(huán)中。然而，在風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)電場的功率水平下，使用燃?xì)鉁u輪機(jī)用于燃燒氨氣以生成電能是合適的，其中布雷頓循環(huán)可以適用于燃?xì)鉁u輪機(jī)解決方案。因此，NH3發(fā)電機(jī)200可以是配置用于氨氣的燃燒的燃?xì)鉁u輪。先前已經(jīng)示出，僅具有燃燒器的輕微改變的傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪機(jī)將是合適的。

燃?xì)鉁u輪機(jī)200燃燒來自NH3存儲(chǔ)容器44的NH3，以分別在NH3發(fā)電機(jī)200和燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒室201中產(chǎn)生能量1″'。然后可以將該能量1″'饋送到能量網(wǎng)300中。

此外，附圖中所示的系統(tǒng)100包括可選的NH3裂化器45，其位于NH3存儲(chǔ)容器44和NH3發(fā)電機(jī)200之間，并且被流體連接到NH3存儲(chǔ)容器44和NH3發(fā)電機(jī)200。NH3裂化器45從NH3存儲(chǔ)容器44接收NH3，并且其通過NH3裂化器45的催化劑床46，以使所接收的NH3部分裂化生效，以形成NH3-氫氣混合物(NH3，H2)。如上所述，NH3-氫氣混合物(NH3，H2)隨后被引導(dǎo)到NH3發(fā)電機(jī)200以供燃燒。

可以提及的是，如上所述的系統(tǒng)100的操作可以在沒有NH3裂化器45的情況下進(jìn)行。然而，NH3裂化器45的利用允許向具有更好的燃燒性能的NH3發(fā)電機(jī)200提供NH3-氫氣氣體混合物。

此外，系統(tǒng)100包括主控制單元60，其被配置為控制系統(tǒng)100的各種部件(主控制單元60與系統(tǒng)100的其他部件的連接在圖1中未示出以避免混淆)。特別地，主控制單元60控制生成用于能量網(wǎng)300的能量1″'和NH3的產(chǎn)生的過程。

在例如由于能量網(wǎng)300中的高能量需求而導(dǎo)致從風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10和能量管理單元11分別到系統(tǒng)100的能量供應(yīng)過低的情況下，主控制單元60通過利用電解器21和ASU 22使壓縮機(jī)33、51和/或H2-N2產(chǎn)生單元20斷電來減少系統(tǒng)100中的氣體質(zhì)量流，而減少NH3的產(chǎn)生。因此，較少的能量1'從風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10被引導(dǎo)到系統(tǒng)100，并且更多的能量1″可用于能量網(wǎng)300。此外，主控制單元60增加從NH3存儲(chǔ)容器44到NH3發(fā)電機(jī)200的NH3質(zhì)量流。因此，NH3發(fā)電機(jī)200增加能量網(wǎng)300所需要的能量1″'的生成，以便于確保電網(wǎng)300中的穩(wěn)定能量供應(yīng)以實(shí)現(xiàn)平衡負(fù)載。

在從風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10和電力管理單元11分別到系統(tǒng)100的能量供應(yīng)過高的情況下，例如當(dāng)風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10生成比能量網(wǎng)300所需要的更多能量時(shí)，主控制單元60通過向壓縮機(jī)33、51、向電解器21和/或向ASU 22提供更多功率來增加系統(tǒng)100中的氣體質(zhì)量流，而增強(qiáng)系統(tǒng)100中的NH3的產(chǎn)生。這導(dǎo)致存儲(chǔ)在NH3存儲(chǔ)容器44中的NH3的產(chǎn)生增加。然而，來自NH3發(fā)電機(jī)200的用于能量網(wǎng)300的能量1″'的生成沒有增加，而是可能減少。

此外，主控制單元60基于電網(wǎng)300中的能量消耗和需求并且基于可用于電網(wǎng)300的任何能量源的可用電力供應(yīng)，來控制NH3發(fā)電機(jī)200中的功率生成。因此，在電網(wǎng)300中的可用電力供應(yīng)小于需求的情況下，主控制單元60將向NH3發(fā)電機(jī)200供電以滿足需求。在電網(wǎng)300中的可用功率供應(yīng)高于需求的情況下，主控制單元60將使NH3發(fā)電機(jī)200斷電，并且通過向H2-N2產(chǎn)生單元20供應(yīng)更多能量并且通過增加系統(tǒng)100中的質(zhì)量流，來增加NH3生成，使得NH3存儲(chǔ)容器44可以再次被填充。

換言之，主控制單元60被配置為，在過低可再生能量輸入1的時(shí)段期間，例如在能量網(wǎng)300中的低風(fēng)力和/或高能量需求的時(shí)段期間，減少要被引導(dǎo)到NH3存儲(chǔ)容器44的NH3的生成和/或增加能量1″'的生成。而且，主控制單元60被配置為，在過高可再生能量輸入1的時(shí)段期間，例如在電網(wǎng)300中的強(qiáng)風(fēng)力和/或低能量需求的時(shí)段期間，增加要被引導(dǎo)到NH3存儲(chǔ)容器44的NH3的生成和/或減少能量1″'的生成。

因此，由主控制單元60執(zhí)行的控制可以取決于能量網(wǎng)300中的實(shí)際功率需求、由可再生能源10生成的能量1和/或來自可用于系統(tǒng)100的可再生能源10的實(shí)際能量的量1'。

相應(yīng)地，主控制單元60必須被連接到能量網(wǎng)300，以接收關(guān)于電網(wǎng)300中的當(dāng)前能量需求和覆蓋的信息。此外，主控制單元60可以被連接到能量分配單元11和/或風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10，以直接接收關(guān)于能量1、1'、1″的信息，該能量1、1'、1″由風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)10提供并且可用于系統(tǒng)100和電網(wǎng)300中。主控單元60必須連接至H2-N2-產(chǎn)生單元20，以控制氫氣和氮?dú)猱a(chǎn)生的量，并且控制各種混合器和壓縮機(jī)(如果適用)以調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的質(zhì)量流。由此，主控制單元60可以調(diào)節(jié)要被引導(dǎo)到NH3存儲(chǔ)容器44的NH3的產(chǎn)生。除此之外，主控制單元60被連接到NH3存儲(chǔ)容器44，以調(diào)節(jié)NH3分別對(duì)NH3發(fā)電機(jī)200和對(duì)NH3裂化器45的供應(yīng)。而且，主控制單元60被連接到NH3發(fā)電機(jī)200本身，以通過NH3燃燒來調(diào)節(jié)能量生成。

然而，分別在系統(tǒng)100的不同階段和部件處，生成可以用于操作系統(tǒng)100的其他級(jí)或部件的廢熱。為此，系統(tǒng)100包括具有一個(gè)或多個(gè)熱交換器92、93、94的熱分配系統(tǒng)91、92、93、94。一個(gè)或多個(gè)熱交換器92、93、94中的每一個(gè)被指派給系統(tǒng)100的一個(gè)或多個(gè)第一部件21、41、200中的至少一個(gè)并與之熱接觸，以用于在第一個(gè)部件21、41、200的操作期間從所指派的第一部件21、41、200接收過程熱。例如，過程熱可以是在相應(yīng)的第一部件21、41、200的操作期間生成并且不用于第一部件21、41、200的操作的其他熱或廢熱。因此，當(dāng)系統(tǒng)100的部件在第一部件的操作期間生成熱時(shí)，其有資格成為這樣的第一部件。

此外，一個(gè)或多個(gè)第一部件21、41、200中的每一個(gè)被指派給一個(gè)或多個(gè)熱交換器92、93、94中的至少一個(gè)并與之熱接觸。由第一部件21、41、200生成的熱由于熱接觸而被傳送到所指派的熱交換器92、93、94。

一個(gè)或多個(gè)熱交換器92、93、94中的每一個(gè)被布置和配置成將從所指派的第一部件接收的過程熱量的至少一部分傳送到系統(tǒng)100的一個(gè)或多個(gè)第二部件30、32、45、52中的至少一個(gè)。其中，當(dāng)部件在部件的操作期間消耗熱時(shí)，或者當(dāng)至少改善的操作和/或效率導(dǎo)致可以提供升高的操作問題的情況時(shí)，系統(tǒng)100的部件有資格成為這樣的第二部件30、32、45、52。兩個(gè)熱量由第二次部件消耗，并且部件的改善操作或效率所需要的熱可以由熱交換器92、93、94提供。

系統(tǒng)100的第一和第二部件的各種不同組合是可能的，如圖1、圖2和圖3所示。

具體地，第一熱交換器92被指派給氫氣電解器21并與之熱接觸。因此，在氫氣電解器21的操作期間所生成的熱的至少一部分由第一熱交換器92吸收以提供到第二部件。

第二熱交換器93被指派給NH3反應(yīng)室41并與之熱接觸。其中，反應(yīng)床42在操作期間產(chǎn)生熱。至少一部分熱量由第二熱交換器93吸收。

第三熱交換器94被指派給NH3發(fā)電機(jī)200并與之熱接觸，例如，其可以被布置在發(fā)電機(jī)200的釋放廢熱的排氣系統(tǒng)處。廢熱的至少一部分由第三熱交換器94吸收。

由熱交換器92、93、94收集的熱可以在系統(tǒng)100的各種部件中使用。例如，要在混合器32、52中處理的輸入氣體(即，氫氣、氮?dú)夂?或氫氣-氮?dú)饣旌衔?的預(yù)熱將導(dǎo)致合成過程的改進(jìn)的效率，因?yàn)樵诨旌掀?2、52中的反應(yīng)過程期間可能需要來自外部源的更少的熱。類似地，來自熱交換器92、93、94中的一個(gè)或多個(gè)的熱可以有利地在NH3裂化器中使用以加熱催化劑床46。

因此，由熱交換器92、93、94中的一個(gè)或多個(gè)收集的熱可以被傳送到混合器32、52中的一個(gè)或多個(gè)、到混合單元30和/或NH3裂化器45。

在基本方法中，由熱交換器92、93、94中的特定一個(gè)的收集的熱將被傳送到特定的第二部件，例如混合器32、52、混合單元30或NH3裂化器45中的一個(gè)。因此，可以建立在特定熱交換器和用于傳送熱量的特定第二部件之間的固定連接。例如(未示出)，在特定實(shí)施例中，熱交換器92、93、94被連接到混合器32。在另一特定實(shí)施例中，熱交換器92、93、94被連接到混合器52。在另一特定實(shí)施例中，熱交換器92、93、94被連接到混合器45。熱交換器92、93、94和第二部件30、32、45、52的其他固定組合是可能的。

然而，第一部件和指派的熱交換器92、93、94中的一個(gè)或多個(gè)分別對(duì)第二部件30、32、45、52中的一個(gè)或多個(gè)的直接指派，導(dǎo)致了有限的靈活性。因此，系統(tǒng)100包括熱收集器和發(fā)射器91，其管理從熱交換器92、93、94中的一個(gè)或多個(gè)到第二部件30、32、45、52中的一個(gè)或多個(gè)的熱的轉(zhuǎn)發(fā)和/或分配。為此，熱收集器和發(fā)射器91可以包括相應(yīng)的開關(guān)96和熱控制系統(tǒng)95以控制開關(guān)96。熱控制系統(tǒng)95可以由主控制系統(tǒng)60來管理。

熱控制系統(tǒng)95控制對(duì)第二部件30、32、45、52的熱的分配，使得第二部件30、32、45、52在最佳操作點(diǎn)進(jìn)行操作。其中，可能出現(xiàn)群集，在該群集下第二部件30、32、45、52中的每一個(gè)無法以最佳操作點(diǎn)進(jìn)行工作。在該情況下，熱控制系統(tǒng)95分配可用熱，使得在給定情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)100的最佳可能的總體性能和效率。

最后，主控制單元60可以用于控制熱交換器92、93、94、熱收集器和發(fā)射器91和/或NH3裂化器45的最佳操作點(diǎn)。