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(fù)荷)相匹配。如大家所知，負(fù)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(fù)荷變化被分為三個范圍: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)平衡對穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)是必要的?？赡馨l(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(fēng)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(dāng)日時間和天氣相關(guān)的波動的影響，并只在某些情況下可預(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?xì)獍l(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(kuò)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?xì)獍l(fā)電廠，而且越來越多的煙煤發(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。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，開發(fā)替代措施的研宄已經(jīng)進(jìn)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)電的高電量輸出時存貯部分的能量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，進(jìn)行越來越多的嘗試，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(yùn)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(jì)運(yùn)行時間導(dǎo)致不可接受的漫長的回報(bào)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(jì)是基于該工廠僅在有來自可再生能源的過剩能量時才運(yùn)行的假設(shè)。
[0007]此外，應(yīng)當(dāng)說明的是，對于可再生能源在相對長時間內(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，另一方面有相對較短的運(yùn)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(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)必須相對于要求進(jìn)行安裝，并且從其自身來講應(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，在存在來自可再生能源的過量電力的時候，可以適當(dāng)?shù)厥褂煤蛢Υ?，?dāng)電力短缺時，電力可以由能量存儲或常規(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間將變得更少。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(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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(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實(shí)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描述和權(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(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至少一個導(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，并且在存在電能過剩的時候可經(jīng)濟(jì)地使用可再生能源。此外，該工廠允許來自可再生能源(包括風(fēng)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(yùn)行，并且因此可以可變地適應(yīng)于電力供應(yīng)。與此同時，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(shí)現(xiàn)集成工廠的所有部件出乎意料的長時間運(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(jìn)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(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)高時可以存儲電能，特別是在電力供應(yīng)較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)高時工廠將電力轉(zhuǎn)化成可存儲形式，在本申請中為化學(xué)能的能力，而在電力供應(yīng)較低時，此化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能。在這種情況下，存儲能夠以共產(chǎn)物氫氣的形式發(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(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，因此通過甲烷轉(zhuǎn)化為氫和具有兩個或以上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(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“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，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-