靈活運用電力的集成系統(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，如風能、太陽能和水力發(fā)電，對于發(fā)電的重要性日益增加。典型地，電能通過長距離的、跨區(qū)域和跨國聯(lián)接的電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(簡稱為電力網(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)或在沒有額外裝置的情況下大量存儲，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(已知為負荷)相匹配。如大家所知，負荷隨時間，特別是根據(jù)一天中的時間、一周中的日期以及一年中的時間而波動。傳統(tǒng)地，該負荷變化被分為三個范圍:基本負荷、中等負荷和峰值負荷，發(fā)電機根據(jù)其類型適當?shù)卦谶@三個負荷范圍內(nèi)使用。發(fā)電量和電力消耗的連續(xù)平衡對穩(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平衡。在可再生發(fā)電裝置的情況下，會產(chǎn)生這樣的困難:在諸如風能和太陽能的某些類型的情況下，發(fā)電能力并不是在所有時間都具備，也不能以特定的方式控制，而是受到例如當日時間和天氣相關(guān)的波動的影響，這些僅在某些情況下可預(yù)測，并且一般不與在該特定時刻的能量需求相一致。
[0003]在給定時間，波動的可再生能源的發(fā)電量和消耗量之間的差異通常必須由其他發(fā)電工廠來消除，例如燃氣發(fā)電廠、燃煤發(fā)電廠和核電廠。隨著波動的可再生能源正日益擴大并且占據(jù)電力供應(yīng)的比重越來越大，特定時間其輸出和消耗量之間的越來越大的波動必須被平衡掉。因此，即使在今天，不僅是燃氣發(fā)電廠，而且越來越多的煙煤發(fā)電廠也在部分負荷運轉(zhuǎn)或被關(guān)閉，以便平衡這些波動。由于發(fā)電廠的這類可變操作涉及相當多的額外費用，開發(fā)替代措施的研宄已經(jīng)進行了一段時間。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)電的高電量輸出時儲存部分的功率輸出并在低電量輸出或高消耗時取回。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，通過水的電解分裂以氫的形式儲存電能的概念也正在開發(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，正在進行越來越多的嘗試，以尋找平衡由于使用可再生能源(尤其是風能和太陽能)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，通過電弧的打開或關(guān)閉，其可以非常好地適應(yīng)高度波動的電力供應(yīng)。然而，這里存在的問題是，在這種情況下，這些工廠只有相對較低水平的利用率，因此，如果該工廠僅在有電力過剩時運轉(zhuǎn)，則相對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)計運行時間導致不可接受的漫長的回報時間，從而這些工廠只有在國家干預(yù)或采用不尋常的商業(yè)模式時才能有收益。這一預(yù)計是基于該工廠僅在有來自可再生能源的過剩能量時才運行的假設(shè)。
[0007]此外，應(yīng)當說明的是，對于可再生能源在相對長時間內(nèi)供應(yīng)量低的情況下，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)濟上可行，或可能由國家提供資助，因為在這種情況下，同樣一方面有比較高的固定成本，另一方面有相對較短的運行時間。
[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，可以在長時間內(nèi)有計劃地提供電能。然而，出于政治原因，特別是可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的原因，使用基于化石能載體或核能的工廠越來越多地被減少，而偏向于基于可再生能源的發(fā)電機。但是，這些發(fā)電機必須相對于要求進行安裝，并且從其自身來講應(yīng)該在經(jīng)濟上可操作。從基于可再生能源的裝機容量的一定程度的角度，在經(jīng)濟上是更可取的是安裝存儲容量，而不是進一步增加可再生能源的容量，從而在存在來自可再生能源的過量電力的時候，可以適當?shù)厥褂煤蛢Υ?，當電力短缺時，電力可以由能量儲存或常規(guī)發(fā)電廠來提供。如果能耗可方便地變得更加靈活，可以在此推測，顯著的電力過?；蚨倘钡臅r間將變得更短。對于這些短的時期，盡管必須不顧一切地保障電力供應(yīng)，但同時盡可能經(jīng)濟地實現(xiàn)這一點。

【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)方法缺點影響的改進的工廠。
[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)對在電力供應(yīng)和/或需求中的任何改變，以便例如實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)勢。與此同時，工廠應(yīng)該可以用于即使在高或低電力供應(yīng)的相對長的期間內(nèi)存儲或者提供電能。
[0012]此外，本發(fā)明應(yīng)該對供應(yīng)的安全性加以改進。
[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、廣泛可用的基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)。
[0014]此外，該方法應(yīng)該允許以盡可能少的方法步驟來實現(xiàn)，但它們應(yīng)該是簡單和可重復(fù)的。
[0015]未明確提及的其他目的可以由下文的說明書和權(quán)利要求書的總體內(nèi)容看出。
[0016]未明確提及的以及在本文開始部分所討論的情形下出現(xiàn)的這些和其他目的通過集成工廠來實現(xiàn)，其通過導管連接工廠而集成了電熱生產(chǎn)乙炔的工廠和發(fā)電廠，從而電熱生產(chǎn)乙炔的工廠中獲得的產(chǎn)物氣體可以在發(fā)電廠中用于發(fā)電。
[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)乙炔的工廠和發(fā)電廠，其特征在于該電熱生產(chǎn)乙炔的工廠和發(fā)電廠通過導管連接，并且該導管將電熱生產(chǎn)乙炔的工廠中獲得的產(chǎn)物氣體送入發(fā)電廠。
[0018]本發(fā)明的主題還涉及靈活用電的方法，其中，在根據(jù)本發(fā)明的集成工廠中，在電力供應(yīng)量高的時候，操作該電熱生產(chǎn)乙炔的工廠，并且除乙炔之外的至少部分獲得的氫和/或氣態(tài)烴被存儲，并在電力供應(yīng)量低的時候，將存儲的氫和/或氣態(tài)烴送至該發(fā)電廠。
[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)方法和工廠的缺點可以顯著地減少。
[0020]特別是，已出乎意料地發(fā)現(xiàn)，由此可以高利用度地運行電熱生產(chǎn)乙炔的工廠，并且在存在電能過剩的時候可經(jīng)濟地使用可再生能源。此外，該工廠允許可再生能源(包括風能或太陽能光電)的電力的過剩部分轉(zhuǎn)換成可存儲的形式。
[0021]此外，在可再生能源的低供應(yīng)量存在相對較長時期的時候，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態(tài)地運行，并且因此可以可變地適應(yīng)于電力供應(yīng)。與此同時，該集成工廠甚至可用于在高或低電力供應(yīng)量相對長的時期內(nèi)存儲或者提供電能。同時，可以實現(xiàn)集成工廠的所有部件出乎意料的長時間運行，使其可以非常經(jīng)濟地運行。
[0023]也可以提供該電熱生產(chǎn)乙炔的工廠的可控設(shè)計，根據(jù)電力供應(yīng)來執(zhí)行該控制。
[0024]在根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施方案中，來自可再生能源的電力被用于電熱生產(chǎn)乙炔。
[0025]此外，該方法可以用相對較少的方法步驟來進行，這些步驟是簡單且可重復(fù)的。
[0026]來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衍生物而很少釋放二氧化碳，因為得到的乙炔能夠以極高轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化成許多重要的化學衍生物，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”在本文中還同義地稱為電力。該集成工廠在電力供應(yīng)量高時可以存儲電能，特別是在電力供應(yīng)量低時將電能回供入電力網(wǎng)絡(luò)。術(shù)語“存儲”在本文中是指在電力供應(yīng)量高時工廠將電力轉(zhuǎn)化成可存儲形式，在本申請中為化學能的能力，而在電力供應(yīng)較低時，此化學能可以轉(zhuǎn)化為電能。在這種情況下，存儲能夠以共產(chǎn)物氫的形式發(fā)生，氫氣在由甲烷或高級烴類的電熱法生產(chǎn)乙炔時不可避免地產(chǎn)生。存儲也能夠以電熱生產(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，因此通過甲烷轉(zhuǎn)化為氫和具有兩個或多個碳原子的烴能夠存儲能量。
[0028]在用于生產(chǎn)乙炔的傳統(tǒng)工廠中，相對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，通過使用副產(chǎn)物氣體的能量，這種純化的進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“電熱”在本申請中指這樣的方法:其中乙炔通過吸熱反應(yīng)以烴類或煤為原料制得，且進行反應(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)選脂族烴類。特別合適的是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，特別是甲烷。在脂族烴類電熱生產(chǎn)乙炔的過程中，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,2012 Wiley-VCH Verlag GmbH&C0.KGaA, ffeinheim, DO1:10.1002/14356007.a01_097.pub4, pages 296-303、DE I 900 644 Al以及 EP 0 133 982 A2。
[0031]優(yōu)選地，該電熱生產(chǎn)乙炔的工廠包括電弧反應(yīng)器。在這種情況下，乙炔的電熱生產(chǎn)可以以一步法進行，其中至少一種烴與氣流通過電弧?？商娲?，電熱生產(chǎn)乙炔可以以兩步法進行，其中氫穿過電弧，并且在電弧的下游，至少一種烴送入電弧中所產(chǎn)生的氫等離子體。
[0032]該電弧