本发明涉及一种利用零碳基于氮的肥料的集成生产过程的电网规模能量存储的方法。更具体地，本发明涉及一种由可再生资源生产基于氮的肥料并在其中存储大量电能的集成方法。
背景技术：
1、氮是促进植物生命生长和发育的关键成分。由于氨的广泛应用，它是产量最大的无机化合物之一。氨广泛用于肥料工业，作为制造多种多样的其他化学品的基本组成部分。仅在2021年，全球生产了多于1.5亿公吨的氨。
2、通常，使用多种烃原料(包括天然气、煤和石油)制造氨。多于95％的吨位的氨是用天然气生产的。所生产的大部分氨用于制造基于氮的肥料。在所有常用的固体含氮肥料中，基于硝酸铵的肥料是最有优势的。与尿素相比，硝酸铵的优势是能够表施(top-dressed)到土壤表面上，暴露在外，而没有氨蒸发到大气中的风险。当尿素暴露在土壤表面上时，尿素水解过程中释放的氨会导致氮流失。只有非常石灰性的土壤才有可能遭受硝酸铵的这样的损失。
3、生产氨和基于氨的肥料的工业设施通常具有高原料价格、高能量需求和显著的碳排放。目前的基于碳的肥料(例如尿素)伴随着碳排放的代价，这导致了温室效应。由可再生能源生产“绿色”(零碳肥料)将对减少食品价值链中的co2排放做出重要贡献。然而，对于诸如风力和太阳能发电厂的可再生资源，由于它们的间歇特性，总是存在与发电的大波动相关的问题。这需要被补偿以获得工业中使用的电力的有效利用。
4、目前的电网电力平衡替代方案(如抽水蓄能水电、氢燃料电池和蓄电池)非常昂贵，并且导致高电力损耗。因此，在本领域中仍然需要创造使用可再生能源生产氨和基于氮的肥料的新型高效方法，该方法具有降低的成本和零碳排放。
技术实现思路
1、根据本发明的第一方面，提供了一种生产零碳肥料的方法。该方法包括以下步骤：(a)生产和存储氢气；(b)生产和存储氮气；(c)通过使氢气和氮气反应生产氨并存储液氨；(d)生产和存储硝酸；以及(e)用氨中和硝酸以获得硝酸铵水溶液；其中向步骤(a)和(b)提供来自可再生能源的能量，并且其中从步骤(c)、(d)和(e)中回收能量。
2、在一个实施方案中，本发明提供了以下：通过电解水生产氢气，并且存储过量生产的氢气，并且当由于可再生能源的低发电量导致氢气产量低于所需时，根据需要提取氢气用于制氨。
3、在一个实施方案中，本发明提供了以下：在包括空气分离装置(asu)的制氮设备中，通过低温空气分离或真空变压吸附(vpsa)从大气中生产氮气。过量的氮气被输送至液化器以生产液氮(lin)，并存储在液氮存储器中，并且当可再生能源供应的电力少于100％时，根据需要提取液氮用于制氨。
4、在一个实施方案中，本发明提供了以下：氢气和氮气以3:1的比率反应以生产氨。在单独的催化氧化(catox)反应器中，通过在环境温度下的催化氧化来去除制氨中的微量氧气。
5、在一个实施方案中，氨与压缩空气混合，在反应器中在900-1000℃和5-15bar的压力范围下通过催化铂网，以生产一氧化氮(no)和二氧化氮(no2)的混合物。生产的任意过量的氨被输送到氨存储器(480)，这进一步使得能够根据需要为硝酸合成和/或其他过程阶段供应氨。
6、在一个实施方案中，氮气被氧化成no2，然后no2被吸收在水中，以形成约60-68％w/w的硝酸(hno3)。将来自制硝酸的过剩硝酸转移到硝酸存储器(580)中，并且可以在需要时取出。
7、在一个实施方案中，本发明提供了以下：该过程的步骤需要至少一种可再生能源；该可再生能源选自太阳能光伏发电、水力发电、风力发电和蓄电池存储。特别地，该过程在制氨和制硝酸中产生热能，该热能可以被转化为电力，该电力继而被输送回到过程步骤。在一个实施方案中，电力被供应到制氢和制氮中的至少一个。由步骤(c)和(d)生产的电力存储在可充电电池存储器中，用于间歇存储电力。在一个实施方案中，来自制氢和制氮的副产物气态氧被供应到制硝酸。在一个实施方案中，电力用于电网平衡系统。
8、根据本发明的另一方面，提供了一种生产零碳肥料的系统。该系统包括：
9、(a)制氢设备，其被配置为生产和存储氢气；
10、(b)制氮设备，其被配置为生产和存储氮气；
11、(c)制氨设备，其被配置为生产和存储氨；
12、(d)制硝酸设备，其被配置为生产和存储硝酸；以及
13、(e)制硝酸铵设备，其被配置为生产硝酸铵；其中设备(a)-(b)被配置为被提供来自可再生能源的能量，并且其中设备(c)-(e)被配置为从中回收能量。
14、在一个实施方案中，本发明提供了以下：该系统还包括地方电网，其被配置为向该系统供应电力。
15、在一个实施方案中，本发明提供了以下：该系统还包括蒸汽管网(grid)，其被配置为生产蒸汽、供应和存储热能。
16、在一个实施方案中，本发明提供了以下：该蒸汽管网包括蒸汽发生器、电动辅助蒸汽锅炉和太阳能蒸汽锅炉，用于在需要时启动并向设备蒸汽管网供应蒸汽。来自设备和蒸汽发生器的过剩蒸汽存储在热能存储设备中。制氨设备和制硝酸设备产生的任何过剩电力被利用并再循环回到过程步骤中。
17、在一个实施方案中，制氢设备包括电解器。该电解器选自聚合物电解质膜电解器、碱性电解器和固体氧化物电解器。制氢设备还连接到氢气存储器，其被配置为存储过量的氢气。
18、在一个实施方案中，制氮设备被配置为由制氮设备生产的过量气态氮(gan)生产液态氮(lin)。提供液氮存储器用于存储液氮(lin)。
19、制氨设备被配置为将生产的任意过量的氨存储在氨存储器中，所述氨存储器能够根据需要为硝酸合成和/或其他过程阶段供应氨。
20、制硝酸设备还连接到硝酸存储器，其被配置为存储过量的硝酸。在下游中和步骤中氨产量低于需求的情况下，从硝酸存储器中取出硝酸。来自asu或水电解的产物氧气被排放或输送至制硝酸设备。
1.一种生产零碳肥料的方法，其中所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢气通过电解水生产。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所生产的过量氢气被存储，并根据需要取出用于制氨。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述氮气通过空气分离装置(asu)生产。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述氮气通过低温空气分离(cas)或真空变压吸附(vpsa)生产。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所生产的过量氮气被输送至液化器以生产液氮(lin)，并存储在液氮存储器中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(c)中，氢气和氮气以3:1的比率反应。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述(d)中硝酸的生产包括将氨与压缩空气混合，在反应器中在900-1000℃和5-15bar的压力范围下通过催化铂网，以生产一氧化氮(no)和二氧化氮(no2)的混合物，并在水中吸收二氧化氮(no2)以形成硝酸(hno3)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所生产的硝酸的浓度为60至68％w/w。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述可再生能源选自太阳能光伏发电、水力发电、风力发电和可充电电池存储中的至少一种。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将来自所述(c)、(d)和(e)的回收能量转化为电力。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电力被供应到制氢和制氮中的至少一个。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述电力存储在可充电电池存储器中。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将来自制氢和制氮的副产物气态氧供应到制硝酸。
15.一种生产零碳肥料的系统，其包括：
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述系统还包括地方电网，其被配置为供应和存储电力。
17.根据权利要求15或16所述的系统，其中所述系统还包括蒸汽管网，其被配置为生产蒸汽并存储热能。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述蒸汽管网包括蒸汽发生器、电动辅助蒸汽锅炉和太阳能蒸汽锅炉，用于在需要时启动并向设备蒸汽管网供应蒸汽。
19.根据权利要求17所述的系统，其中将来自设备和蒸汽发生器的过剩蒸汽存储在热能存储设备中。
20.根据前述权利要求15-19中任一项所述的系统，其中所述可再生能源选自太阳能光伏发电、水力发电、风力发电和可充电电池存储中的至少一种。
21.根据前述权利要求15-20中任一项所述的系统，其中所述制氢设备包括电解器。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述电解器选自聚合物电解质膜电解器、碱性电解器和固体氧化物电解器。
23.根据前述权利要求15-22中任一项所述的系统，其中所述制氢设备包括氢气存储器，其被配置为存储过量的氢气。
24.根据前述权利要求15-23中任一项所述的系统，其中所述制氮设备包括液氮存储器，其被配置为存储过量的氮气。
25.根据前述权利要求15-24中任一项所述的系统，其中所述制氨设备包括氨存储器，其被配置为存储过量的氨。
26.根据前述权利要求15-25中任一项所述的系统，其中所述制硝酸设备包括硝酸存储器，其被配置为存储过量的硝酸。