實(shí)施耗熱程序的方法
【專利說明】實(shí)施耗熱程序的方法
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種實(shí)施耗熱程序的方法，其中有效利用具有時(shí)間依賴性輸出的電 能。
[0002] 由于化石能源載體的成本提高且市場(chǎng)調(diào)節(jié)措施使得基于可再生能源的發(fā)電技術(shù) 在經(jīng)濟(jì)上具有吸引力，因此可再生能源在整個(gè)發(fā)電中的比例（2011年在德國(guó)已為20% )將 在隨后幾年內(nèi)顯著提高，且該情況將保持。與進(jìn)一步技術(shù)開發(fā)相關(guān)的比資金成本的降低也 將對(duì)此有促進(jìn)作用。問題在于太陽、風(fēng)和水的可用性隨時(shí)間推移并非恒定，此外，其可用性 難以預(yù)測(cè)。
[0003] 自二十世紀(jì)八十年代以來，儲(chǔ)存且因此利用可再生能源的問題即成為討論的主 題。盡管使用可再生能源，但為了能為能量使用者（例如化學(xué)工業(yè)）提供恒定電壓的電功 率，能量供應(yīng)者尤其考慮以下內(nèi)容：
[0004] US4, 776, 171描述了一種能量產(chǎn)生及管理系統(tǒng)，其由多個(gè)可再生能源和多個(gè)能量 儲(chǔ)存源以及多個(gè)控制及配電站組成以滿足工業(yè)需求。在US4, 776, 171中，未使用傳統(tǒng)能源 且因此未描述電能源與非電能源的組合。
[0005] 同樣，US2011/0081586描述了一種可再生能源與電化學(xué)或電解電池的組合，其中 電化學(xué)或電解電池可補(bǔ)償可再生能源的波動(dòng)，從而使后者可持續(xù)使用。因此未公開電能源 與非電能源的組合。
[0006] US2008/0303348公開了僅基于可再生能源的發(fā)電站，然而其使需求依賴性控制成 為可能。US2008/0303348描述了風(fēng)能、太陽能和源自生物質(zhì)燃燒的能量的組合。據(jù)稱該發(fā) 電站可在三種能源之間平穩(wěn)且自發(fā)地變化以在任何時(shí)間廉價(jià)地滿足相應(yīng)需求。然而，問題 在于僅使用可再生能源是否可滿足例如化學(xué)高溫程序的全年需求。
[0007] 也考慮在化學(xué)程序中直接利用太陽能而不預(yù)先在發(fā)電站中使太陽能波動(dòng)變平穩(wěn)。 US4, 668, 494描述了一種利用太陽能制備氨的方法，包括烴的蒸汽重整或含碳燃料的氣化 且使產(chǎn)物與氨合成氣反應(yīng)以及將氨合成氣轉(zhuǎn)化成氨。烴蒸汽重整或含碳燃料氣化所需的熱 量由傳熱流體提供；當(dāng)太陽能可用時(shí)，首先由太陽能加熱傳熱流體，其次作為太陽能功率的 函數(shù)通過燃燒一部分氨來提供所需的熱量總量。據(jù)稱在太陽能輸入達(dá)最大的白天中間時(shí) 段，氨燃燒器在最低可能的燃燒率下操作。此外，據(jù)稱盡管太陽能理論上可滿足氨合成的全 部能量需求，但氨燃燒器的停機(jī)和重啟是完全不實(shí)際的。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，US4, 668, 494中所述方法的優(yōu)點(diǎn)為節(jié)省用于均衡太陽能波動(dòng)的 發(fā)電站。此外，將反應(yīng)室與熱源去耦是有利的。此外，靈活使用各種熱源及整個(gè)程序的簡(jiǎn) 單可調(diào)性是有利的。除上文所述的無法在可接受時(shí)間內(nèi)使氨燃燒器停止運(yùn)轉(zhuǎn)和再啟動(dòng)之 外，缺點(diǎn)在于使用傳熱流體時(shí)與其相關(guān)的昂貴處理以及尤其在高溫范圍內(nèi)產(chǎn)生的熱輸送阻 力所造成的損耗。此外，US4, 668, 494中所述的方法具有以下缺點(diǎn)：在無太陽輻射時(shí)，必須 燃燒目標(biāo)產(chǎn)物氨以保持整個(gè)方法運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，在Mannheim(德國(guó)第八大陽光充足城市）， US4, 668, 494方法的重整器被太陽能加熱至約18%的程度；這對(duì)應(yīng)于需要燃燒約35%所產(chǎn) 生的氨。
[0009] 在不久的將來，由于向電力網(wǎng)引入愈來愈高比例的來自太陽、風(fēng)和水的可再生能 源所產(chǎn)生的功率尖峰將甚至更頻繁地出現(xiàn)，且僅可被功率消費(fèi)者不完全接受，因此在功率 市場(chǎng)上作為過剩功率以遠(yuǎn)低于發(fā)電成本或以能量含量計(jì)以低于具有相同焦耳值的化石燃 料的價(jià)格或零價(jià)格（即不考慮）或甚至以負(fù)價(jià)格提供。
[0010] 為了防止發(fā)生電壓和頻率波動(dòng)或者甚至電力網(wǎng)故障，必須使饋送至電力網(wǎng)的功率 量始終對(duì)應(yīng)于電流消耗，因?yàn)榉駝t的話，與電力網(wǎng)連接的電負(fù)載可被破壞。目前，短期功率 波動(dòng)由作為電力網(wǎng)操作者系統(tǒng)服務(wù)的一部分的尖峰負(fù)載發(fā)電站補(bǔ)償。
[0011] 合適的尖峰負(fù)載發(fā)電站例如為抽水或壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電站。這些發(fā)電站可在發(fā) 電與功率消耗之間迅速調(diào)節(jié)且可在數(shù)分鐘內(nèi)變化以將可用的過剩電能轉(zhuǎn)化成另一形式的 能量。在抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的情況下，從較低水平抽水至較高水平以用于該目的，而在壓縮 空氣儲(chǔ)能的情況下，借助壓縮機(jī)提高所蓄空氣的壓力。減去轉(zhuǎn)化損耗的該能量可在功率需 求超過來自基本負(fù)載和中間負(fù)載的當(dāng)前功率產(chǎn)生時(shí)再次用于功率產(chǎn)生。壓縮空氣儲(chǔ)能具 有以下優(yōu)點(diǎn)：其可長(zhǎng)時(shí)間吸收功率且可在極短時(shí)間內(nèi)向電力網(wǎng)再次釋放多份其所吸收的功 率。例如，可在周末夜間時(shí)間內(nèi)吸收功率，且該能量可在周間晚高峰1-2小時(shí)內(nèi)以多份所吸 收功率的形式釋放。然而，由于僅在少數(shù)地方才存在必要地理和地質(zhì)條件以及需要官方批 準(zhǔn)，因此僅可以以有限數(shù)量和有限容量提供該類發(fā)電站。此外，壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電站具有約 40-50 %的較低效率。
[0012] 在德國(guó)，可再生能源法保證可再生能源生產(chǎn)者優(yōu)先輸入電力網(wǎng)。因此，例如，當(dāng)所 有快速可用功率儲(chǔ)存可能性已滿載且中等負(fù)載發(fā)電站的負(fù)載降低過于遲滯時(shí)，短暫的高發(fā) 風(fēng)可能導(dǎo)致功率過度供應(yīng)。在這種情況下，該過剩功率在功率市場(chǎng)上以極低，有時(shí)甚至為負(fù) 的價(jià)格提供。這意味著有時(shí)賣方支付給獲得該功率的買方。2012年歐洲能源交易所EEX單 日市場(chǎng)上的最低價(jià)格為約200 € /MWh。與此相比，例如當(dāng)大型發(fā)電站關(guān)閉時(shí)，也可出現(xiàn)極高 的價(jià)格。因此，2012年EEX現(xiàn)貨市場(chǎng)上的最高價(jià)格為約550 € /MWh。
[0013] 盡管已采取所有電力網(wǎng)優(yōu)化和電力網(wǎng)擴(kuò)展措施，但仍存在由于超容量或缺乏輸送 容量而導(dǎo)致不可避免地下調(diào)可再生發(fā)電廠的情況，且這必須由電力網(wǎng)中導(dǎo)致該下調(diào)原因的 電力網(wǎng)業(yè)者支付。在2010年，127GWh受這些輸入管理措施的影響，且必須支付約10百萬 €作為補(bǔ)償（聯(lián)邦電力網(wǎng)管理局2011年監(jiān)測(cè)報(bào)告）。
[0014] 將具有不同速度的調(diào)節(jié)電路用于電網(wǎng)中的頻率調(diào)節(jié)：一級(jí)調(diào)節(jié)具有小于30秒的 響應(yīng)時(shí)間，二級(jí)調(diào)節(jié)具有小于7. 5分鐘的響應(yīng)時(shí)間，且最后三級(jí)調(diào)節(jié)允許更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。 一級(jí)和二級(jí)調(diào)節(jié)自動(dòng)觸發(fā)且直接作用于發(fā)電站運(yùn)轉(zhuǎn)的操作狀態(tài)。三級(jí)調(diào)節(jié)（或分鐘備用） 通常由組織措施啟動(dòng)。分鐘響應(yīng)可為正（在功率需求增加的情況下）或負(fù)（在功率需求降 低的情況下）的。正分鐘備用通常通過開啟備用發(fā)電站而啟動(dòng)。負(fù)分鐘備用需要能量消費(fèi) 者。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，為此使用抽水儲(chǔ)能發(fā)電站以及大型發(fā)電站中的容量變化和耦合熱電廠 以及最終消費(fèi)者（例如電弧爐或冷凍庫(kù)）。然而，其容量在不同區(qū)域分配不均（參見IDOS 報(bào)告）。另外，可設(shè)想由于可再生能源擴(kuò)展，負(fù)分鐘備用的需求將增加。在2010年，由四位 德國(guó)電力網(wǎng)業(yè)者號(hào)召的負(fù)分鐘備用總計(jì)為約850GWh (參見IDOS報(bào)告，圖1)。這大致對(duì)應(yīng)于 具有200 000居民的城市的平均年功耗。
[0015] 上述問題可通過充分利用可迅速充電和放電的能量?jī)?chǔ)存器來克服。然而，目前研 宄的儲(chǔ)存技術(shù)（例如電池組、飛輪、電容器、高溫儲(chǔ)存器）迄今為止尚未在市場(chǎng)上確立，因 為首先，比資金成本過高，其次，尚未解決諸如自發(fā)性放電或不令人滿意的低容量的技術(shù)問 題。
[0016] 目前大量討論的用于利用和/或儲(chǔ)存過剩功率的另一技術(shù)基于電解水以產(chǎn)生氫 氣，該氫氣隨后可儲(chǔ)存且在不同時(shí)間轉(zhuǎn)化回功率或者由化學(xué)路徑進(jìn)一步處理。例如，目前正 集中研宄使通過電解獲得的氫氣與二氧化碳反應(yīng)以產(chǎn)生合成天然氣。然而，上述過剩功率 的可用性波動(dòng)迫使采用短暫模式的電解操作，因此引起相應(yīng)強(qiáng)烈波動(dòng)的產(chǎn)物流。
[0017] 電功率為目前主要用于在必須在極高溫度水平下引入大熱流量時(shí)非催化氣體/固 體反應(yīng)和固態(tài)反應(yīng)的所選能源。典型應(yīng)用為冶金爐[Ullmann Metallurgical Furnaces]。 作為唯一相關(guān)的氣相方法，用于由甲燒制備乙炔的等離子法[Baumann, Angewandte Chemie，B版，第20卷（1948)，第257頁(yè)-第259頁(yè)，1948]以及在鋼鐵工業(yè)中用于產(chǎn)生還原 氣體的方法已在工業(yè)上廣泛使用。盡管該文獻(xiàn)含有在氣相方法中使用電能源的另外指示， 但迄今為止尚不能由這些電能源開發(fā)出可以工業(yè)規(guī)模經(jīng)濟(jì)使用的應(yīng)用。
[0018] 已描述了使用電加熱的方法由烷烴，尤其是甲烷和氨制備氫氰酸（HCN)。專利說 明書US2, 958, 584公開了在由碳顆粒構(gòu)成的電加熱流體化床中由丙烷和氨制備HCN，而 US6, 096, 173描述了使用電暈放