负排放复合型储能系统和储能方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种物理储能和化学储能结合的负排放复合型储能系统和储能方法。

背景技术

随着我国于2020年宣布力争于2030年前达到碳达峰，2060年前实现碳中和的目标，这使得减少化石能源已减少温室气体的排放，发展可再生能源成为未来的趋势。

在电力行业，新能源发电技术已经趋于成熟，并在我国得到迅猛发展并已基本实现了平价上网。但我国太阳能、风能资源分布不均衡，新能源发电量和用电需求有明显的地域差异，且可再生能源发电难以预测并且自身具有波动性、不连续性和不稳定性的特点，导致可再生能源发电并网所产成的波峰或者波谷给电网的安全稳定运行带来了严峻的挑战，大量的新能源电力无法被消纳出现了一定程度的“弃风弃光现象”。随着我国“3060”目标的不断推进新能源发电装机比例将进一步增加，如何在保证电网的安全性的同时消纳新能源发电将面临严峻的挑战，因此需要一种经济有效的方法来平衡发电波峰和波谷。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种物理储能和化学储能方式复合的负排放复合型储能系统。

本发明的实施例还提出一种基于上述负排放复合型储能系统的储能方法。

本发明实施例的负排放复合型储能系统，包括：电力系统，所述电力系统包括新能源发电设备；二氧化碳储能系统，所述二氧化碳储能系统用于利用所述新能源发电设备的弃电将气态二氧化碳压缩为液态二氧化碳并进行储存；发电系统，所述二氧化碳储能系统与所述发电系统连通向所述发电系统输送液态二氧化碳，液态二氧化碳在所述发电系统中膨胀做功产生电能并生成低压二氧化碳，所述发电系统产生的电能并网；电解水系统，所述电解水系统用于利用所述新能源发电设备的弃电电解水以产生氢气和氧气；有机物制备系统，所述电解水系统与所述有机物制备系统相连并提供氢气，所述发电系统与所述有机物制备系统相连并提供低压二氧化碳，所述有机物制备系统用于将所述氢气和所述低压二氧化碳合成液态碳氢有机物；热联合系统，所述热联合系统中流通的导热介质用于与所述二氧化碳储能系统换热以吸收并储存压缩热、与所述有机物制备系统换热以吸收并储存反应热、以及与所述发电系统换热释放热量以使液态二氧化碳气化。

本发明实施例提供的负排放复合型储能系统为一种物理储能和化学储能方式复合的储能系统，储能系统能够利用新能源弃电提取大气或烟气中的二氧化碳从而减少温室气体，同时根据电网调度需求，在电网波谷期，将储存的能量转化为电能并上网，也可以根据市场效益分析选择将弃电以液态碳氢化工原料的方式储存并进行销售，并且由于低压二氧化碳直接作为有机物合成反应的原料气，实现了二氧化碳的负排放。

因此，本发明提供的复合型储能系统具有减少大气中温室气体、消纳弃电、维持电网稳定、增加储能系统盈利点和经济效益的有益效果。

在一些实施例中，所述导热介质为导热油，所述热联合系统包括用于储存导热油的导热油罐和用于输送导热油的导热油泵。

在一些实施例中，所述二氧化碳储能系统包括依次串联的二氧化碳提取设备、若干压缩机、空冷器和液态二氧化碳储罐，所述二氧化碳提取设备用于提取空气或烟气中的低压二氧化碳，所述压缩机用于压缩所述低压二氧化碳为高压二氧化碳，所述空冷器用于冷却所述高压二氧化碳为液态二氧化碳，所述液态二氧化碳储存在所述液态二氧化碳储罐中；所述二氧化碳储能系统还包括若干级间冷却器，所述若干级间冷却器一一对应地连接于所述压缩机的出口，所述热联合系统与所述若干级间冷却器的冷侧连通。

在一些实施例中，所述发电系统包括第一换热器、透平、发电机和低压二氧化碳储罐，所述液态二氧化碳储罐与所述第一换热器冷侧连通，所述热联合系统与所述第一换热器热侧连通，所述第一换热器冷侧出口与所述透平连通，所述透平用于驱动所述发电机发电，所述透平出口与所述低压二氧化碳储罐连通。

在一些实施例中，所述有机物制备系统包括反应器、多级冷却器和多级分离器，所述电解水系统和所述发电系统均与所述反应器相连，所述反应器用于反应生成烃类合成气体，所述反应器输出的所述烃类合成气体经多级所述冷却器降温和多级所述分离器分离后形成液态碳氢化合物。

在一些实施例中，所述有机物制备系统包括第一氢气输送管、第二氢气输送管、温度传感器、调节阀和控制器，所述温度传感器用于监测所述反应器内的催化剂床层温度，所述电解水系统通过并联的所述第一氢气输送管和所述第二氢气输送管与所述反应器连通，所述调节阀设在所述第二氢气输送管上，所述控制器用于根据所述温度传感器的监测温度控制所述调节阀的开度。

在一些实施例中，所述冷却器包括第二换热器，所述反应器出口与所述第二换热器的热侧入口连通，所述热联合系统与所述第二换热器的冷侧连通。

在一些实施例中，所述冷却器包括第三换热器，所述反应器出口与所述第三换热器的热侧入口连通；所述发电系统包括低压二氧化碳储罐，所述低压二氧化碳储罐与所述第三换热器的冷侧入口连通，所述第三换热器的冷侧出口与所述反应器入口连通。

在一些实施例中，所述新能源发电设备包括光伏设备和风力设备中的至少一者。

本发明另一方面实施例提出了一种复合型储能方法，所述复合型储能方法为基于上述任一项实施例所述的复合型储能系统的储能方法，包括如下：

电网处于波峰期，所述电力系统产生多余电能，所述二氧化碳储能系统压缩气态二氧化碳为液态二氧化碳并进行储存，所述热联合系统吸收并储存压缩热，和/或，所述电解水系统电解水以产生氢气和氧气，所述有机物制备系统制备生成液态碳氢有机物，所述热联合系统吸收并储存反应热；电网处于波谷期，所述热联合系统释放热量，所述发电系统发电并网。

本发明实施例提供的复合型储能方法可以根据电网、市场效益及系统自身情况选择物理或化学单一储能方式，还可以同时进行物理和化学储能方式，在储能阶段消纳新能源弃电从大气或烟气等中提取二氧化碳,压缩热储存在导热介质中。在电网波谷其将液态二氧化碳气化并释放导热介质存储热量，推动透平发电并网以平滑电网曲线、赚取峰谷差价。当化工原料涨价时，可消纳新能源弃电供电解水制氢并与二氧化碳反应生成液态碳氢原料储存运输后对外销售，反应热储存在导热介质中可供二氧化碳气化升温以增加发电效率。本发明实施例提供的复合型储能方法可减少环境中温室气体含量，实现负排放，解决了氢气不利于储存运输的问题，储能方式灵活，经济效益来源多样，同时系统内部进行热联合将能量梯次利用并存储在导热介质中，提高了系统效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的负排放复合型储能系统。

附图标记：

光伏设备1、风力设备2、电力设备3、二氧化碳提取设备4、压缩机5、级间冷却器6、空冷器7、液态二氧化碳储罐8、导热油罐9、导热油泵10、第一温度传感器11、控制阀12、第二温度传感器13、增压泵14、第一换热器15、透平16、发电机17、低压二氧化碳储罐18、电解水制氢装置19、氢气压缩机20、第一氢气输送管201、第二氢气输送管202、反应器21、调节阀22、温度传感器23、第二换热器24、第三换热器25、一级分离器26、合成气冷却器27、二级分离器28、升压泵29。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1描述本发明实施例提供的负排放复合型储能系统。负排放复合型储能系统包括二氧化碳储能系统、电解水系统、电力系统、发电系统、有机物制备系统和热联合系统。

电力系统包括新能源发电设备，新能源发电设备发电产生电能。二氧化碳储能系统用于利用新能源发电设备的弃电将气态二氧化碳压缩为液态二氧化碳并进行储存；电解水系统用于利用新能源发电设备的弃电电解水以产生氢气和氧气。也就是说，新能源发电设备为二氧化碳储能系统和电解水系统输送多余电能，即在电网处于波峰期，新能源发电设备发电量富裕，复合型储能系统将富裕的电能利用起来，驱动二氧化碳储能系统提取空气或烟气中的气态二氧化碳，并将电能以液态二氧化碳的方式进行储存，还可以驱动电解水系统电解水生成氢气和氧气。

二氧化碳储能系统与发电系统连通向发电系统输送液态二氧化碳，液态二氧化碳在发电系统中膨胀做功并产生电能，发电系统产生的电能并网以补充电网供电。二氧化碳储能系统在释能阶段，利用在储能阶段储存的液态二氧化碳驱动发电系统产生电能，实现并网，达到电网调频、削峰填谷的目的。

电解水系统与有机物制备系统相连并提供氢气，发电系统与有机物制备系统相连并提供低压二氧化碳，有机物制备系统用于将氢气和低压二氧化碳合成易于储存和运输的液态碳氢有机物，通过有机物制备系统，新能源发电设备的弃电最终能够以化学能的方式储存在液态碳氢有机物中。可以理解的是，二氧化碳储能系统的储能方式为物理储能方式，电解水系统和有机物制备系统的储能方式为化学储能方式。

热联合系统中流通的导热介质用于与二氧化碳储能系统换热以吸收并储存压缩热、与有机物制备系统换热以吸收并储存反应热、以及与发电系统换热释放热量以使液态二氧化碳气化，热联合系统实现负排放复合型储能系统整个系统的热联合利用，提高了热量的利用效率。

本发明实施例提供的负排放复合型储能系统为一种物理储能和化学储能方式复合的储能系统，储能系统能够利用新能源弃电提取大气或烟气中的二氧化碳从而减少温室气体，同时根据电网调度需求，在电网波谷期，将储存的能量转化为电能并上网，也可以根据市场效益分析选择将弃电以液态碳氢化工原料的方式储存并进行销售，并且由于低压二氧化碳直接作为有机物合成反应的原料气，实现了二氧化碳的负排放。

因此，本发明提供的复合型储能系统具有减少大气中温室气体、消纳弃电、维持电网稳定、增加储能系统盈利点和经济效益的有益效果。

在一些实施例中，新能源发电设备包括光伏设备1和风力设备2中的至少一者。图1所示的实施例中，新能源发电设备包括光伏设备1和风力设备2，光伏设备1的输出端和风力设备2的输出端经过电力设备3与各用电设备的电源接口相连。光伏设备1和风力设备2在发电波峰期将本应“弃风弃光”的多余电能供给各用电设备。

在一些实施例中，二氧化碳储能系统包括依次串联的二氧化碳提取设备4、若干压缩机5、若干级间冷却器6、空冷器7和液态二氧化碳储罐8。二氧化碳提取设备4用于提取空气或烟气中的低压二氧化碳，压缩机5用于压缩低压二氧化碳为高压二氧化碳，空冷器7用于冷却高压二氧化碳为液态二氧化碳，液态二氧化碳储存在液态二氧化碳储罐8中。若干级间冷却器6一一对应地连接于压缩机5的出口，用于冷却二氧化碳。

作为示例，如图1所示，压缩机5为三个，级间冷却器6为三个，三个级间冷却器6一一对应地串联在三个压缩机5的下游，二氧化碳提取设备4串联于压缩机5和级间冷却器6的上游，空冷器7和液态二氧化碳储罐8串联于压缩机5和级间冷却器6的下游。物理储能阶段，新能源发电设备为二氧化碳提取设备4提供电能，二氧化碳提取设备4提取空气或烟气中的低压低浓度二氧化碳为低压高浓度二氧化碳，并输送至压缩机5入口，经过多级压缩机5升压且经过多级级间冷却器降温后，二氧化碳压力高于临界压力7.38MPa，高压二氧化碳进入空冷器7进一步冷却至低于临界温度31℃，二氧化碳液化，并储存在液态二氧化碳储罐8中。

热联合系统中流通的导热介质用于与二氧化碳储能系统换热吸收热量以使二氧化碳降温并储存热量。也就是说，复合型储能系统在进行物理储能的同时可以将二氧化碳的压缩热进行储存，以回收二氧化碳的热量。在图1所示的实施例中，热联合系统与若干级间冷却器的冷侧连通，即热联合系统中流通的导热介质流入级间冷却器6的冷侧，与热侧的二氧化碳热量交换，吸收二氧化碳的压缩热，而使二氧化碳降温。

具体地，如图1所示，热联合系统中的导热介质为导热油，热联合系统包括导热油罐9和导热油泵10，导热油罐9用于储存导热油，导热油罐9中的导热油经过导热油泵10升压后进入级间冷却器6的冷侧。导热油换热后温度升高，回流至导热油管9中，从而实现将二氧化碳经多级压缩产生的压缩热回收并储存在导热油中。

进一步地，如图1所示，每个级间冷却器6的热侧出口均设置有第一温度传感器11，用于测量级间冷却器6的出口侧二氧化碳温度。级间冷却器6的冷侧入口出设有控制阀12，根据第一温度传感器11测得的级间冷却器6热侧出口的二氧化碳温度，控制控制阀12的开度，以使进入下一级压缩机5的二氧化碳的温度恒定。空冷器7出口设置第二温度传感器13，第二温度传感器13用于测量空冷器7出口处液二氧化碳温度，并根据温度值控制空冷器7转速以维持出口液态二氧化碳温度恒定。

在一些实施例中，发电系统包括第一换热器15、透平16、发电机17和低压二氧化碳储罐18，二氧化碳储能系统与第一换热器15冷侧连通，以向第一换热器15冷侧提供液态二氧化碳，热联合系统与第一换热器15热侧连通，以向第一换热器15热侧提供高温导热油，利用在物理储能阶段储存的热量将液态二氧化碳气化，也就是说，热联合系统还用于与发电系统换热释放热量以使液态二氧化碳气化。第一换热器15冷侧出口与透平16连通，透平16用于驱动发电机17发电，透平16出口与低压二氧化碳储罐18连通，低压二氧化碳储罐18用于储存低压二氧化碳。

具体地，如图1所示，电网处于峰谷期，复合型储能系统进入发电阶段，液态二氧化碳储罐8中储存的液态二氧化碳经增压泵14增压，输送至第一换热器15的冷侧，导热油罐9中的高温导热油经过导热油泵10升压后进入第一换热器15的热侧，在第一换热器15中，液态二氧化碳吸收热量升温气化，气化后的二氧化碳进入透平16膨胀做功并带动发电机17产生电能，透平16出口的二氧化碳进入低压二氧化碳储罐18中储存，发电机17产生的电能并网补充电网供电从而实现“填谷、调频”的功能。

电解水系统包括电解水制氢装置19和氢气压缩机20。在化学储能阶段，如图1所示，新能源发电设备为电解水系统提供电能，即在弃电时将光伏和风电输出的电能供给电解水制氢装置19，电解水制氢装置19将水转化为氢气和氧气，氧气可储存在氧气罐中销售，产生氢气经氢气压缩机20升压。

由于氢的自身特性导致其在储存、运输和使用过程中有一定的风险或难度，为了解决上述问题，本发明实施例提供的复合型储能系统包括有机物制备系统，有机物制备系统用于将氢气转化为甲醇、甲酸等液态碳氢化合物，液态碳氢化合物作为氢气的载体，在常温下为液态，易于存储和运输，从而解决了氢气难于储运运输的问题。

有机物制备系统包括反应器21、多级冷却器和多级分离器，电解水系统与反应器21相连用于向反应器提供氢气，发电系统与反应器21相连用于向反应器提供低压二氧化碳，反应器21用于混合氢气和二氧化碳，并反应生成烃类合成气体，反应器21输出的烃类合成气体经多级冷却器降温和多级分离器分离后形成液态碳氢化合物。

如图1所示，有机物制备系统还包括第一氢气输送管201、第二氢气输送管202、温度传感器23、调节阀22和控制器，温度传感器23用于监测反应器21内的催化剂床层温度，氢气压缩机20出口通过并联的第一氢气输送管201和第二氢气输送管202与反应器21连通。低压二氧化碳储罐18与反应器21连通。其中调节阀22设在第二氢气输送管201上，控制器用于根据温度传感器23的监测温度控制调节阀22的开度。

氢气压缩机20对氢气升压后分为两路，一路与低压二氧化碳储罐18中释放的二氧化碳按照一定比例混合后进入反应器21，另一路作为冷却气可控制地进入反应器21，控制器根据温度传感器23监测催化剂床层温度，调节调节阀22的开度，调节进入床层的冷却气流量，以防止反应器21反飞温。氢气和二氧化碳在反应器21中混合并反应生成烃类合成气体。

在一些实施例中，有机物制备系统的冷却器包括第二换热器24，反应器21出口与第二换热器24的热侧入口连通，烃类合成气体流经第二换热器24以实现降温。为了进一步提高热量的利用效率，在一些实施例中，热联合系统与第二换热器24的冷侧连通，用于吸收并储存反应热，即热联合系统还用于储存反应热，以在发电阶段实现释能。

在一些实施例中，有机物制备系统的冷却器包括第三换热器25，反应器21出口与第三换热器25的热侧入口连通。烃类合成气体流经第三换热器25以实现降温。为了进一步提高热量的利用效率，在一些实施例中，低压二氧化碳储罐18与第三换热器25的冷侧入口连通，低压二氧化碳储罐18中输出的二氧化碳经第三换热器25换热，吸收热量，而后进入反应器21中与氢气混合。

在图1所示的实施例中，，有机物制备系统的冷却器包括第二换热器24和第三换热器25，有机物制备系统的分离器包括一级分离器26和二级分离器28，有机物制备系统还包括合成气冷却器27和升压泵29。

第三换热器25位于第二换热器24下游。烃类合成气体依次流经第二换热器24和第三换热器25。导热油罐9与第二换热器24冷侧连通，反应器21出口的烃类合成气体与导热油在第二换热器24中换热，导热油吸收烃类合成气体的热量升温并返回导热油罐9中将反应热储存起来。第二换热器24输出的降温后的合成气体进入一级分离器26，在一级分离器26中利用有机物和水的不同凝点将合成气体初步分离为水与干合成气，分离出的水返回电解水制氢装置19作为补充水，干合成气进入第二换热器24热侧，与冷侧的低压二氧化碳储罐18输出的低温二氧化碳换热，干合成气温度降低，经过合成气冷却器27进一步冷却后进入二级分离器28，经二级分离器28，干合成气液划为液态产物，经升压泵29升压后的液态碳氢化合物可直接通过管道输送或装车运输的方式进行销售。

综上，本发明实施例提供的复合型储能系统和储能方法具有以下有益效果：

采用风电光伏等新能源弃电作为电力系统电力供应，不仅可以减少化石能源消耗，还可以调节电网波峰波谷平滑电网曲线，对电网削峰填谷、提供调频服务，从而保证电网安全和稳定，同时可以生成甲醇、甲酸等有机物作为液态碳氢化工原料代替部分化石能源；

结合二氧化碳提取、新能源制氢、有机物合成、液态二氧化碳、导热油储热的物理化学复合型储能系统，系统内部进行能量进行梯次利用，提高了系统的储能效率，尤其适合大规模长时储能；

利用液态二氧化碳储能的同时，存储放电过程的低压二氧化碳直接作为有机物合成反应的原料气，整个过程中无二氧化碳排放，并且可以减少大气环境的二氧化碳含量，从而实现负排放；

在化学储能和物理储能过程中根据自身特点，采用导热油作为储热介质，进行了热量回收与存储增加了系统的储能效率；

储能产品多样，盈利方式灵活，既可以释放电能并网赚取“峰谷差价”，也可以进行调频等手段收据服务费用，或者提供热源为周边居民或园区供热，还可以生产甲醇、甲酸等化工原料进行销售，具有良好的经济效益；

缩减储能系统的占地增加了系统能量密度，整个系统除了电能外没有其他动力消耗，对选址场地没有限制，具有更好的地域适应性。

本发明实施例还提供了一种基于上述复合型储能系统的储能方法，储能方法包括：

电网处于波峰期，电力系统产生多余电能，二氧化碳储能系统压缩气态二氧化碳为液态二氧化碳并进行储存，热联合系统吸收并储存压缩热，和/或，电解水系统电解水以产生氢气和氧气，有机物制备系统制备生成液态碳氢有机物，热联合系统吸收并储存反应热；

电网处于波谷期，所述热联合系统释放热量，发电系统运作发电并网。

也就是说，当用电低峰期，复合型储能系统利用电力系统产生的富裕电力进行物理储能或化学储能，或同时进行物理储能和化学储能，实现能量的有效利用，当用电高峰期，二氧化碳储能系统向发电系统输送液态二氧化碳，发电系统利用液态二氧化碳膨胀做功并产生电能并上网，维持了电网稳定。

本发明实施例提供的复合型储能方法可以根据电网、市场效益及系统自身情况选择物理或化学单一储能方式，还可以同时进行物理和化学储能方式，在储能阶段消纳新能源弃电从大气或烟气等中提取二氧化碳,压缩热储存在导热介质中。在电网波谷其将液态二氧化碳气化并释放导热介质存储热量，推动透平发电并网以平滑电网曲线、赚取峰谷差价。当化工原料涨价时，可消纳新能源弃电电解水制氢并与二氧化碳反应生成液态碳氢原料储存运输后对外销售，反应热储存在导热介质中可供二氧化碳气化升温以增加发电效率。本发明实施例提供的复合型储能方法可减少环境中温室气体含量，实现负排放，解决了氢气不利于储存运输的问题，储能方式灵活，经济效益来源多样，同时系统内部进行热联合将能量梯次利用并存储在导热介质中，提高了系统效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。