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      電解器與能量系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號(hào):8385619閱讀:344來(lái)源:國(guó)知局
      電解器與能量系統(tǒng)的制作方法
      【專利說(shuō)明】電解器與能量系統(tǒng)
      [0001]相關(guān)申請(qǐng)
      [0002]根據(jù)35USC119,本申請(qǐng)要求于2012年5月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/652,263號(hào)的優(yōu)先權(quán)。通過(guò)引用的方式將美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/652,263號(hào)并入。
      技術(shù)領(lǐng)域
      [0003]本說(shuō)明書涉及在能量系統(tǒng)中的電解器以及操作電解器的方法,例如用于產(chǎn)生用作能量存儲(chǔ)或燃料的氫,或提供電網(wǎng)服務(wù)。
      【背景技術(shù)】
      [0004]通過(guò)引用的方式合并于此的歐洲專利EP1177154B1說(shuō)明了一種能量分配網(wǎng)絡(luò),其用于從電解器提供用戶所需的一定量的氫。該網(wǎng)絡(luò)包括電能源、電解器以及控制器??刂破鹘邮詹⑻幚砜刂戚斎耄摽刂戚斎氚c用戶對(duì)氫的需求有關(guān)的數(shù)據(jù)。控制器與電解器相連,并至少在一定程度上基于控制輸入來(lái)控制由電解器進(jìn)行的氫的生成。
      [0005]通過(guò)引用的方式合并于此的加拿大專利CA2511632C說(shuō)明了通過(guò)電網(wǎng)互連具有多個(gè)發(fā)電站與多個(gè)負(fù)荷的能量網(wǎng)絡(luò)。負(fù)荷可以包括電解器。網(wǎng)絡(luò)具有與發(fā)電站與負(fù)荷相連的控制器。控制器可被操作以改變來(lái)自發(fā)電站的可用電力或調(diào)整來(lái)自電解器的需求,從而提供供應(yīng)與需求的期望匹配。氫可被生產(chǎn)為具有具體可驗(yàn)證的排放特性的運(yùn)輸燃料。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0006]以下討論意在向讀者介紹接下來(lái)的詳細(xì)說(shuō)明,并且不是意在限制或限定任何要求保護(hù)的發(fā)明。
      [0007]電解器在能量系統(tǒng)內(nèi)工作以例如提供電網(wǎng)服務(wù)、能量存儲(chǔ)或燃料,或利用從可再生資源生產(chǎn)的電力來(lái)產(chǎn)生氫。電解器可以以頻繁或快速變化的電力消耗速率工作,或者可以以指定的功耗工作。
      [0008]在一些情況下,一種方法具有以下步驟:提供電解器,以及接收一系列調(diào)度,該調(diào)度表明一段時(shí)間內(nèi)指定的功耗。該調(diào)度每30分鐘至少出現(xiàn)一次。根據(jù)調(diào)度操作電解器。將電解器在操作期間所生產(chǎn)的氫排放到天然氣系統(tǒng)中。
      [0009]在一些情況下,一種能量系統(tǒng)具有電網(wǎng)、電解器以及天然氣系統(tǒng)。電解器用于提供電網(wǎng)服務(wù)并將氫排放到天然氣系統(tǒng)中。
      [0010]在一些情況下,一種方法具有以下步驟:提供電解器,根據(jù)來(lái)自電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者的調(diào)度指令或根據(jù)電網(wǎng)服務(wù)合約來(lái)操作電解器,并將這樣操作時(shí)所生產(chǎn)的氫排放到天然氣管線中。
      [0011]在一些情況下,一種用于儲(chǔ)存電網(wǎng)中過(guò)量的電能的方法具有以下步驟:將過(guò)量的能量轉(zhuǎn)換成氫并將氫注入到天然氣系統(tǒng)中。
      [0012]在一些情況下,進(jìn)行電力的虛擬傳輸?shù)姆椒?,其包括下列步驟:通過(guò)運(yùn)行在電網(wǎng)內(nèi)的第一位置的電解器消耗電力以生產(chǎn)氫,在第一位置將氫注入到天然氣系統(tǒng),在第二位置從天然氣系統(tǒng)取出天然氣,燃燒天然氣以生產(chǎn)電力,以及將生產(chǎn)的電力供應(yīng)到電網(wǎng)內(nèi)的第二位置。
      [0013]在一些情況下,一種在市場(chǎng)上進(jìn)行氫的虛擬銷售的方法,其包括下列步驟:通過(guò)電解器消耗電力來(lái)生產(chǎn)氫,將氫注入到天然氣系統(tǒng)中,測(cè)量注入到天然氣系統(tǒng)中的氫的量,測(cè)量用戶從天然氣系統(tǒng)取回的天然氣的量,以及針對(duì)氫消耗的量向用戶開(kāi)具賬單,氫消耗的量至少相當(dāng)于取回的天然氣的量的一部分??蛇x地,電力可以包括實(shí)際產(chǎn)自或視為已產(chǎn)自可再生能源的電力。
      [0014]在一些情況下,一種電解器具有多個(gè)層疊組件,每個(gè)層疊組件具有獨(dú)立的電源??蛇x地,電解器具有用于同時(shí)以不同的功耗速率操作多個(gè)層疊組件的控制器。
      [0015]在一些情況下,一種電解器具有向上通往共用的氣體分離器的多個(gè)層疊組件。
      [0016]在一些情況下,一種電解器具有控制器以及電計(jì)量器??刂破鬟m合于操作直流電源以預(yù)定的速率消耗電力??蛇x地,控制器可以操作直流電源,使得當(dāng)電力在預(yù)定的價(jià)格以下可用時(shí)以預(yù)定的速率消耗電力。
      [0017]在一些情況下,一種操作電網(wǎng)的方法,其包括下列步驟:輸入不平衡能量,并且通過(guò)與天然氣系統(tǒng)相連的電解器消耗不平衡能量。
      [0018]在一些情況下,一種操作電網(wǎng)的方法,其包括以下步驟:操作發(fā)電機(jī)以生產(chǎn)超過(guò)操作電網(wǎng)所需的量的電力,以及在與天然氣系統(tǒng)相連的電解器中消耗過(guò)量的所述電力。還可以存在其他步驟,將過(guò)量的所述電力的邊際成本減去不生產(chǎn)過(guò)量的電力的任何成本的差與氫的市場(chǎng)價(jià)值進(jìn)行比較。
      [0019]在一些情況下,一種方法包括下列步驟:在第一時(shí)段期間,通過(guò)電解器來(lái)消耗電力,并將氫注入到天然氣系統(tǒng)中,以及在第二時(shí)段期間,燃燒天然氣以生產(chǎn)電力。
      [0020]在一些情況下,一種天然氣系統(tǒng)具有包括氫濃度傳感器的用戶氣體計(jì)量器。與流率和氫濃度有關(guān)的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成天然氣的等效流率。
      [0021]在一些情況下,一種操作天然氣燃料站或天然氣發(fā)電站的方法,其包括下列步驟:測(cè)量從管線取回的天然氣中氫的濃度,以及添加氫以生產(chǎn)具有指定的氫濃度的氣體混合物。
      [0022]在一些情況下,一種操作天然氣燃料站或天然氣發(fā)電站的方法,其包括下列步驟:濃縮從管線取回的氫與天然氣的混合物,以及添加天然氣以生產(chǎn)具有指定的氫濃度的氣體混合物。
      [0023]在一些情況下,一種操作電解器的方法,其包括下列步驟:接收與可以被注入到氣體管線中的最大量氫有關(guān)的數(shù)據(jù),以及a)控制電解器,使其消耗不超過(guò)生產(chǎn)最大量氫的電量,b)排放過(guò)量的氫,或c)向電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者發(fā)送信號(hào),信號(hào)表明能被生產(chǎn)的相應(yīng)的最大量氫。數(shù)據(jù)包括管線中的天然氣的流率。
      [0024]上述情況中說(shuō)明的元件以及步驟可被應(yīng)用到各種情況中所描述的組合中、具有可在其他情況或下面的詳細(xì)說(shuō)明中找到的任意元件或步驟的上述情況中的任意一者的組合中、或其他組合中。
      【附圖說(shuō)明】
      [0025]圖1是包括電解器的能量系統(tǒng)的示意圖。
      [0026]圖2是包括電解器與氣體管線之間的連接的圖1的能量系統(tǒng)的一部分的示意圖。
      [0027]圖3是圖1的電解器的各種電氣部件的示意圖。
      [0028]圖4是圖1的電解器的液氣回路的示意圖。
      [0029]圖5是圖1的能量系統(tǒng)的可選的富氫氣體取出系統(tǒng)的示意圖。
      【具體實(shí)施方式】
      [0030]在本說(shuō)明書中水電解被稱作電解,其將電能轉(zhuǎn)換成氫的形式的化學(xué)能。當(dāng)氫以基本上純?nèi)剂匣蚬I(yè)化學(xué)品而被消耗時(shí)價(jià)值最大。然而,當(dāng)與其他氣體混合時(shí),氫也具有價(jià)值,這種價(jià)值大致上隨著氫濃度而降低。也可以將氫轉(zhuǎn)換回電力。此外,在一些情況下,電解器消耗功率的能力可以提供有價(jià)值的服務(wù),例如,幫助平衡或調(diào)節(jié)相互連接的輸電系統(tǒng)(也被稱為電網(wǎng))。氫可被認(rèn)為是燃料或工業(yè)化學(xué)品,但也可以被視作能量存儲(chǔ)或運(yùn)輸媒介。電解器可被認(rèn)為是用于生產(chǎn)氫的設(shè)備,并且也可被視作用于提供電網(wǎng)服務(wù)的設(shè)備。
      [0031]電網(wǎng)服務(wù)也可以被稱作輔助服務(wù)或儲(chǔ)備,其包括幫助維持電網(wǎng)的可靠運(yùn)行的各種服務(wù)。電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者有時(shí)被稱作獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者(ISO)、電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者(ESO)或輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者(TSO),其可提供不同種類的電網(wǎng)服務(wù)合約。電網(wǎng)服務(wù)包括輔助電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者管理控制區(qū)域,或可用于降低或促進(jìn)控制區(qū)域間的能量轉(zhuǎn)移的操作。這里特別感興趣的是,出于平衡電網(wǎng)上的總的生產(chǎn)和消耗的目的,一些電網(wǎng)服務(wù)合約要求可變負(fù)荷的所有者對(duì)由電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者做出的調(diào)度指令做出響應(yīng),例如為了避免或修正短期的不平衡。發(fā)電機(jī)以及可控負(fù)荷均被認(rèn)為是電網(wǎng)的資產(chǎn),其能夠潛在地提供電網(wǎng)服務(wù)。在電網(wǎng)中,往往最重要的負(fù)荷是工業(yè)處理。然而,工業(yè)處理在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行效率最高,所以,只有一些工業(yè)處理可被用于提供電網(wǎng)服務(wù),并且其電網(wǎng)服務(wù)的潛在價(jià)值通常是小的。
      [0032]為了提供電網(wǎng)服務(wù),需要處理以至少以可變速率的功耗運(yùn)行。在如下情況下,由可變負(fù)荷提供的電網(wǎng)服務(wù)的潛在價(jià)值增加,這些情況是:a)當(dāng)功耗的潛在變化的速率、頻率或大小增加時(shí),b)當(dāng)處理能夠準(zhǔn)確地以功耗的指定速率運(yùn)行時(shí),或c)當(dāng)處理能夠被電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者控制時(shí)。
      [0033]功耗變化的速率、頻率或大小與電網(wǎng)服務(wù)的價(jià)值相關(guān),這是因?yàn)闃O少的負(fù)荷或發(fā)電資產(chǎn)能夠很快地、頻繁地或大量地改變其生產(chǎn)或消耗。在更大程度上,諸如太陽(yáng)能電池板或風(fēng)力渦輪機(jī)之類的可再生能源發(fā)電資產(chǎn)比傳統(tǒng)發(fā)電資產(chǎn)更頻繁而迅速地波動(dòng)。因此,將高級(jí)別的可再生能源發(fā)電資產(chǎn)集合到電網(wǎng)中需要頻繁快速地改變其他資產(chǎn)的能力相應(yīng)地提尚,并且提尚到相應(yīng)的程度。
      [0034]以功耗的指定速率準(zhǔn)確運(yùn)行的能力很有價(jià)值,這是因?yàn)闇?zhǔn)確地遵照調(diào)度指令的負(fù)荷比不準(zhǔn)確的資產(chǎn)能夠幫助提供更迅速而簡(jiǎn)單的不平衡解決方案。在基于市場(chǎng)的系統(tǒng)中,降低的成本可能僅適用于指定的功耗。
      [0035]電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者加強(qiáng)控制將增加可通過(guò)可控負(fù)荷來(lái)解決的問(wèn)題的范圍。例如,對(duì)常規(guī)可中斷負(fù)荷的供電可被切斷,以防止緊急情況下電網(wǎng)中的電壓下降到最低限度以下,但是接下來(lái)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者不能準(zhǔn)確控制何時(shí)將恢復(fù)負(fù)荷。如果負(fù)荷中斷的持續(xù)時(shí)間也是可控的,并且如果負(fù)荷也可用于防止電網(wǎng)中的過(guò)電壓,這將對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者來(lái)說(shuō)是更有價(jià)值的。如果電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者的調(diào)度大體上是強(qiáng)制性或幾乎總是被跟從,而非經(jīng)過(guò)資產(chǎn)所有者的接受,那么將更具價(jià)值。在實(shí)際控制中,電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者能夠?qū)ω?fù)荷控制器發(fā)送控制信號(hào),而非對(duì)負(fù)荷運(yùn)營(yíng)者發(fā)出調(diào)度指令,這提供了更大的價(jià)值。在可變式控制中,電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者能夠發(fā)出指令或者發(fā)送指定了功耗的期望速率的控制信號(hào),這比僅僅是完全關(guān)閉負(fù)荷的能力提供了更高的價(jià)值。
      [0036]如果處理能夠提供一種以上上述優(yōu)點(diǎn),那么該處理就是有用的,但是其中許多都難以提供。關(guān)于功耗變化的速率、頻率及大小,大部分工業(yè)處理都拘泥于對(duì)有限范圍的高效處理操作、該處理中所使用的機(jī)械部件以及生產(chǎn)產(chǎn)品的需要之中的一者以上所請(qǐng)求的改變做出反應(yīng)的能力。當(dāng)機(jī)械部件未運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)的情況下,它們會(huì)更頻繁地磨損或故障。生產(chǎn)產(chǎn)品的速率可能需要滿足物理或市場(chǎng)的約束。關(guān)于以功耗的指定速率運(yùn)行的能力,大部分工業(yè)處理通過(guò)指定生產(chǎn)速率來(lái)控制而不是通過(guò)指定功耗來(lái)控制。關(guān)于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者的控制,這妨礙了工業(yè)管理者根據(jù)其他約束來(lái)優(yōu)化其處理的能力。
      [0037]為了增加提供電網(wǎng)服務(wù)的潛能,電解器最好配置成具有一項(xiàng)以上能力,以頻繁、快速或廣泛變化的速率或電力消耗運(yùn)行、以功耗的指定速率運(yùn)行,并且允許由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者來(lái)控制。
      [0038]在不向通常的大型運(yùn)營(yíng)權(quán)力部門所控制的電網(wǎng)提供服務(wù)時(shí),這些屬性之中的一者或幾者也是有用的。例如,為了從可再生能源生產(chǎn)氫,可將電解器與發(fā)電機(jī)直接相連,或在微電網(wǎng)中相連。發(fā)電機(jī)可以包括例如風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽(yáng)能電池板、熱太陽(yáng)能設(shè)備或生物氣燃燒發(fā)電機(jī)。在這種直接或最低程度的緩沖系統(tǒng)中,電能存儲(chǔ)的需要可被降低到電解器能夠以任意量的功率可被實(shí)時(shí)生產(chǎn)而運(yùn)行的程度。
      [0039]在另一示例中,電解器可以與電網(wǎng)相連,這實(shí)現(xiàn)了能量發(fā)電機(jī)或負(fù)荷之間的直接合約、或提供來(lái)自電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者的調(diào)度指令或服務(wù)請(qǐng)求的拍賣或其他市場(chǎng)。在這些情況下,約定的低電價(jià)可僅適用于指定的時(shí)間以及購(gòu)買的能量的多少。實(shí)際與約定時(shí)間之間的任何矛盾或電力消耗量可能導(dǎo)致電解器運(yùn)營(yíng)者增加付款。由于合約可能以隨時(shí)間而逐步變化的速率而規(guī)定電力購(gòu)買,所以如果電解器能夠準(zhǔn)確地跟隨指定的步驟,那么可使電力成本最小化。這需要精確
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