实施耗热程序的方法
【专利说明】实施耗热程序的方法
[0001 ] 本发明涉及一种实施耗热程序的方法，其中有效利用具有时间依赖性输出的电 能。
[0002] 由于化石能源载体的成本提高且市场调节措施使得基于可再生能源的发电技术 在经济上具有吸引力，因此可再生能源在整个发电中的比例（2011年在德国已为20% )将 在随后几年内显著提高，且该情况将保持。与进一步技术开发相关的比资金成本的降低也 将对此有促进作用。问题在于太阳、风和水的可用性随时间推移并非恒定，此外，其可用性 难以预测。
[0003] 自二十世纪八十年代以来，储存且因此利用可再生能源的问题即成为讨论的主 题。尽管使用可再生能源，但为了能为能量使用者（例如化学工业）提供恒定电压的电功 率，能量供应者尤其考虑以下内容：
[0004] US4, 776, 171描述了一种能量产生及管理系统，其由多个可再生能源和多个能量 储存源以及多个控制及配电站组成以满足工业需求。在US4, 776, 171中，未使用传统能源 且因此未描述电能源与非电能源的组合。
[0005] 同样，US2011/0081586描述了一种可再生能源与电化学或电解电池的组合，其中 电化学或电解电池可补偿可再生能源的波动，从而使后者可持续使用。因此未公开电能源 与非电能源的组合。
[0006] US2008/0303348公开了仅基于可再生能源的发电站，然而其使需求依赖性控制成 为可能。US2008/0303348描述了风能、太阳能和源自生物质燃烧的能量的组合。据称该发 电站可在三种能源之间平稳且自发地变化以在任何时间廉价地满足相应需求。然而，问题 在于仅使用可再生能源是否可满足例如化学高温程序的全年需求。
[0007] 也考虑在化学程序中直接利用太阳能而不预先在发电站中使太阳能波动变平稳。 US4, 668, 494描述了一种利用太阳能制备氨的方法，包括烃的蒸汽重整或含碳燃料的气化 且使产物与氨合成气反应以及将氨合成气转化成氨。烃蒸汽重整或含碳燃料气化所需的热 量由传热流体提供；当太阳能可用时，首先由太阳能加热传热流体，其次作为太阳能功率的 函数通过燃烧一部分氨来提供所需的热量总量。据称在太阳能输入达最大的白天中间时 段，氨燃烧器在最低可能的燃烧率下操作。此外，据称尽管太阳能理论上可满足氨合成的全 部能量需求，但氨燃烧器的停机和重启是完全不实际的。
[0008] 与现有技术相比，US4, 668, 494中所述方法的优点为节省用于均衡太阳能波动的 发电站。此外，将反应室与热源去耦是有利的。此外，灵活使用各种热源及整个程序的简 单可调性是有利的。除上文所述的无法在可接受时间内使氨燃烧器停止运转和再启动之 外，缺点在于使用传热流体时与其相关的昂贵处理以及尤其在高温范围内产生的热输送阻 力所造成的损耗。此外，US4, 668, 494中所述的方法具有以下缺点：在无太阳辐射时，必须 燃烧目标产物氨以保持整个方法运转。例如，在Mannheim(德国第八大阳光充足城市）， US4, 668, 494方法的重整器被太阳能加热至约18%的程度；这对应于需要燃烧约35%所产 生的氨。
[0009] 在不久的将来，由于向电力网引入愈来愈高比例的来自太阳、风和水的可再生能 源所产生的功率尖峰将甚至更频繁地出现，且仅可被功率消费者不完全接受，因此在功率 市场上作为过剩功率以远低于发电成本或以能量含量计以低于具有相同焦耳值的化石燃 料的价格或零价格（即不考虑）或甚至以负价格提供。
[0010] 为了防止发生电压和频率波动或者甚至电力网故障，必须使馈送至电力网的功率 量始终对应于电流消耗，因为否则的话，与电力网连接的电负载可被破坏。目前，短期功率 波动由作为电力网操作者系统服务的一部分的尖峰负载发电站补偿。
[0011] 合适的尖峰负载发电站例如为抽水或压缩空气储能发电站。这些发电站可在发 电与功率消耗之间迅速调节且可在数分钟内变化以将可用的过剩电能转化成另一形式的 能量。在抽水储能发电站的情况下，从较低水平抽水至较高水平以用于该目的，而在压缩 空气储能的情况下，借助压缩机提高所蓄空气的压力。减去转化损耗的该能量可在功率需 求超过来自基本负载和中间负载的当前功率产生时再次用于功率产生。压缩空气储能具 有以下优点：其可长时间吸收功率且可在极短时间内向电力网再次释放多份其所吸收的功 率。例如，可在周末夜间时间内吸收功率，且该能量可在周间晚高峰1-2小时内以多份所吸 收功率的形式释放。然而，由于仅在少数地方才存在必要地理和地质条件以及需要官方批 准，因此仅可以以有限数量和有限容量提供该类发电站。此外，压缩空气储能发电站具有约 40-50 %的较低效率。
[0012] 在德国，可再生能源法保证可再生能源生产者优先输入电力网。因此，例如，当所 有快速可用功率储存可能性已满载且中等负载发电站的负载降低过于迟滞时，短暂的高发 风可能导致功率过度供应。在这种情况下，该过剩功率在功率市场上以极低，有时甚至为负 的价格提供。这意味着有时卖方支付给获得该功率的买方。2012年欧洲能源交易所EEX单 日市场上的最低价格为约200 € /MWh。与此相比，例如当大型发电站关闭时，也可出现极高 的价格。因此，2012年EEX现货市场上的最高价格为约550 € /MWh。
[0013] 尽管已采取所有电力网优化和电力网扩展措施，但仍存在由于超容量或缺乏输送 容量而导致不可避免地下调可再生发电厂的情况，且这必须由电力网中导致该下调原因的 电力网业者支付。在2010年，127GWh受这些输入管理措施的影响，且必须支付约10百万 €作为补偿（联邦电力网管理局2011年监测报告）。
[0014] 将具有不同速度的调节电路用于电网中的频率调节：一级调节具有小于30秒的 响应时间，二级调节具有小于7. 5分钟的响应时间，且最后三级调节允许更长的响应时间。 一级和二级调节自动触发且直接作用于发电站运转的操作状态。三级调节（或分钟备用） 通常由组织措施启动。分钟响应可为正（在功率需求增加的情况下）或负（在功率需求降 低的情况下）的。正分钟备用通常通过开启备用发电站而启动。负分钟备用需要能量消费 者。根据现有技术，为此使用抽水储能发电站以及大型发电站中的容量变化和耦合热电厂 以及最终消费者（例如电弧炉或冷冻库）。然而，其容量在不同区域分配不均（参见IDOS 报告）。另外，可设想由于可再生能源扩展，负分钟备用的需求将增加。在2010年，由四位 德国电力网业者号召的负分钟备用总计为约850GWh (参见IDOS报告，图1)。这大致对应于 具有200 000居民的城市的平均年功耗。
[0015] 上述问题可通过充分利用可迅速充电和放电的能量储存器来克服。然而，目前研 宄的储存技术（例如电池组、飞轮、电容器、高温储存器）迄今为止尚未在市场上确立，因 为首先，比资金成本过高，其次，尚未解决诸如自发性放电或不令人满意的低容量的技术问 题。
[0016] 目前大量讨论的用于利用和/或储存过剩功率的另一技术基于电解水以产生氢 气，该氢气随后可储存且在不同时间转化回功率或者由化学路径进一步处理。例如，目前正 集中研宄使通过电解获得的氢气与二氧化碳反应以产生合成天然气。然而，上述过剩功率 的可用性波动迫使采用短暂模式的电解操作，因此引起相应强烈波动的产物流。
[0017] 电功率为目前主要用于在必须在极高温度水平下引入大热流量时非催化气体/固 体反应和固态反应的所选能源。典型应用为冶金炉[Ullmann Metallurgical Furnaces]。 作为唯一相关的气相方法，用于由甲烧制备乙炔的等离子法[Baumann, Angewandte Chemie，B版，第20卷（1948)，第257页-第259页，1948]以及在钢铁工业中用于产生还原 气体的方法已在工业上广泛使用。尽管该文献含有在气相方法中使用电能源的另外指示， 但迄今为止尚不能由这些电能源开发出可以工业规模经济使用的应用。
[0018] 已描述了使用电加热的方法由烷烃，尤其是甲烷和氨制备氢氰酸（HCN)。专利说 明书US2, 958, 584公开了在由碳颗粒构成的电加热流体化床中由丙烷和氨制备HCN，而 US6, 096, 173描述了使用电晕放