RS65677B1

RS65677B1 - Sistem sa uređajem za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i za proizvodnju električne energije

Info

Publication number: RS65677B1
Application number: RS20240728A
Authority: RS
Inventors: Anton Schwarz
Original assignee: Schwarz Helmut; Anton Schwarz
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2024-07-31
Also published as: ES2986086T3; EP4139562B8; ZA202212448B; WO2021213893A1; US12338739B2; HUE067745T2; HRP20240778T1; EP4139562B1; EP4139562C0; MX2022013067A; EP4139562A1; CN115667675A; PL4139562T3; IL298331A; US20230243271A1; BR112022021315A2; AU2021260012A1; CL2022002896A1; MA59389B1; CA3180540A1

Description

Opis

Predmetni pronalazak predstavlja sistem sa uređajem za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i uređajem za proizvodnju električne energije sa odlikama navedenim u preambuli patentnog zahteva 1, kao i postupak za pokretanje ovakvog sistema.

U mnogim zemljama u proizvodnji struje konstantno raste udeo struje proizvedene iz solarne energije i snage vetra. Stoga skladištenje električne energije sve više dobija na značaju. Jer dok je proizvodnja električne energije pomoću hidroelektrana u kontaktu sa akumulacionim jezerima uglavnom moguća prema potrebama, a kod elektrana na gas, ugalj ili kod atomskih centrala moguće barem postizanje konstantnih performansi, postrojenja za energiju vetra ili sunca proizvode električnu energiju sasvim nezavisno od potrošnje električne energije, isključivo kada sija sunce ili duva vetar. Pri tome je proizvodnja solarne energije po pravilu u suprotnosti sa potrošnjom električne energije. Trenutno se primera radi u Donjoj Saksoniji izlišno proizvode ogromne količine struje dobijene iz vetra, jer mreža nije u stanju da prihvati ove količine energije. Energija vetra je 2019. godine u Evropi privremeno dostigla kapacitet 100 atomskih centrala.

Skladišta električne energije u vidu skladišta energije pomoću tečnog vazduha, odnosno takozvana LAES tehnologija (na engleskom „Liquid Air Energy Storage“, skraćeno „LAES“) dobijaju ključnu ulogu u takvom energetskom sistemu. Velika prednost skladišta energije pomoću tečnog vazduha u odnosu na pumpna skladišta je što se mogu instalirati gotovo nezavisno od lokalnih okolnosti na mestu gde su potrebna. Stoga nisu neophodni posebni geološki uslovi ili radovi. Pumpno-akumulacione elektrane veličine 2 x 150 MW uz to zahtevaju vreme izgradnje od 10 godina. Nasuprot tome, sistemi sa uređajem za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i uređajem za proizvodnju električne energije spremni su za rad nakon maksimalno 18 meseci vremena za projektovanje i izgradnju.

Kod poznatog uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije vazduh iz okruženja se kondenzuje pomoću struje Lindeovim postupkom, skladišti u kriogenim (vrlo hladnim) rezervoarima i po potrebi koristi za proizvodnju električne energije u turbini za smanjenje pritiska i dovodi u elektroenergetsku mrežu u vidu električne struje.

Uređaj za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije se pri tome sastoji od tri osnovne komponente: komponente za punjenje, komponente za skladištenje i komponente za pražnjenje. Komponenta za punjenje je u pogonu kada je potrebno skladištenje energije iz električne struje koja nije potrebna, na primer u podne kada sija sunce. Pomoću dostupne električne struje vazduh iz okruženja komponente za punjenje komprimuje se uz pomoć kompresora i kondenzuje ekspanzijom na -190°C na poznati način Lindeovim postupkom ili pomoću ekspanzione turbine i kočionog generatora. Zatim se tečni vazduh skladišti pod pritiskom približnom atmosferskom pritisku u izolovanom rezervoaru - komponenti za skladištenje - pri gustini koja je više od 700 puta veća od gustine okolnog vazduha. Kada je iznova potrebna veća količina struje tečni vazduh se pomoću pumpe stavlja pod pritisak, greje u uređaju za isparavanje, isparava i naposletku dovodi na atmosferski pritisak u komponenti za pražnjenje preko turbine povezane sa generatorom ili više turbina povezanih sa generatorima. Preko generatora električna struja se pri tome dovodi u elektroenergetsku mrežu. Efikasnost uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije može se povećati integracijom spoljne toplotne energije pri prevođenju tečnog vazduha u komprimovani vazduh u uređaj za isparavanje.

Iz dokumenta DE 102015 109 898 A1 poznata je integracija uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije u sistem sa parnom elektranom, kako bi se otpadna toplota, dakle toplotna energija, iskoristila za povećanje efikasnosti komponente za pražnjenje, a time i uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije.

Parne elektrane su međutim relativno složene i predmet su strogih ekoloških propisa. Njihovo podizanje je stoga moguće isključivo na odabranim mestima. Lokacije parnih elektrana uglavnom nisu u blizini vetroelektrana ili solarnih elektrana. Uz to parna elektrana, predstavljena u spisu DE 102015 109 898 A1, poseduje i bojler koji radi na fosilni gas, i koji može da ima sigurnosno relevantne probleme sa materijalom i zbog smene veoma visokih i niskih temperatura. Potrebno je napomenuti da visokolegirani čelici nisu konstruisani za kondenzaciju vazduha na temperaturama oko -190°C. Efikasnost ovakvog sistema, kao i balans CO₂, pri tome nisu zadovoljavajući.

Iz dokumenta US 2015/300209 A1 poznat je sistem koji poseduje uređaj za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i za proizvodnju električne energije sa komponentom za punjenje koja obuhvata kompresor sa komprimovanje dovedenog vazduha, a u nastavku i kondenzator za prevođenje vazduha u tečno stanje. Dodatno, komponenta za skladištenje poseduje rezervoar vazduha za skladištenje kondenzovanog vazduha. Na ovaj način komponenta za pražnjenje, koja obuhvata uređaj za isparavanje za pretvaranje tečnog vazduha u gasoviti komprimovani vazduh, i uređaj za ekspanziju za opuštanje komprimovanog vazduha deluje zajedno sa turbinom i generatorom priključenim na turbinu. Između uređaja za isparavanje i uređaja za ekspanziju moguće je dodavanje toplotne energije preko prvog toplotnog voda. Ovaj sistem izvršava po potrebi elektrolizu vode, pri temperaturama između 100°C i 850°C. Na ovaj način krajnji proizvod nije voda, već vodena para. Nadalje, pri ovim temperaturama poznati postupci elektrolize sa PEM elektrolizatorom ili alkalnom elektrolizom nisu mogući, što se suprotstavlja ekonomičnoj realizaciji.

Predmetni pronalazak stoga ima za osnovni zadatak dodatni razvoj sistema poznatog iz nadpojma patentnog zahteva 1, tako da je izbegavanjem navedenih nedostataka s jedne strane moguće relativno isplativo skladištenje energije i njeno ponovno uklanjanje, a da se s druge strane eksterna energija iz energetski intenzivnog procesa upotrebljava za proizvodnju dodatnih proizvoda zelene tehnologije.

Ovaj zadatak rešen je naznačenim odlikama patentnog zahteva 1, zajedno sa odlikama njegovog nadpojma.

Podzahtevi predstavljaju poželjne nadogradnje predmetnog pronalaska.

U osnovi predmetnog pronalaska je saznanje da se kontinuiranim procesom elektrolize radi proizvodnje vodonika i kiseonika konstantno oslobađa otpadna toplota u rasponu od oko 40°C do 90°C, čime nastaje toplotna energija koja odgovara potrebnoj količini toplote koja je optimalna za proces isparavanja tečnog vazduha u komprimovani vazduh. Stoga je integracijom takvog procesa elektrolize u sistem sa uređajem za skladištenje energije i proizvodnju električne energije moguće značajno povećanje ukupne efikasnosti. Potrebno je nadalje uzeti u obzir da će vodonik i kiseonik na srednji rok postati centralni elementi sigurnog, održivog i ekonomičnog snabdevanja energijom zasnovanom na obnovljivim energijama. Integracija sistema za pretvaranje energije u vodonik sniziće troškove energetske tranzicije i istovremeno povećati sigurnost snabdevanja. Uz to potreba za vodonikom je značajna i sve više raste za najrazličitije primene, takođe i zbog sve veće prodaje vozila na vodonik kojima je za 500km potrebno oko 5kg vodonika. Trenutna

potrošnja vodonika u rafinerijama i petrohemijskim postrojenjima je 600 milijardi Nm<3>, od čega 40 milijardi Nm<3>samo u Nemačkoj.

Prema predmetnom pronalasku sistem je stoga opremljen napravom za permanentnu elektrolizu vode sa najmanje jednim prvim izmenjivačem toplote preko koga se toplotna energija koja nastaje elektrolizom prenosi na fluid koji struji kroz prvi izmenjivač toplote. Pri tome je predviđen najmanje jedan prvi toplotni vod koji snabdeva uređaj za isparavanje toplotnom energijom preko fluida. Temperatura fluida je pri tome u rasponu od 40°c do 90°C u oblasti uređaja za isparavanje. Prvi izmenjivač toplote povezan je sa prvim toplotnim vodom tako da se toplotna energija koja nastaje prilikom elektrolize odvodi pomoću prvog toplotnog voda preko fluida i dovodi u uređaj za isparavanje. Ovako se na jednostavan način toplotna energija koja nastaje prilikom permanentne elektrolize, tj. prilikom proizvodnje H2i O2, dovodi i reguliše u uređaj za isparavanje u okviru uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije.

Prema jednom primeru realizacije predmetnog pronalaska uređaj za isparavanje izrađen je u vidu uređaja za isparavanje sa vodenim kupatilom. Uređaj za isparavanje sa vodenim kupatilom ove vrste je na koncu izmenjivač toplote kroz koji prvi toplotni vod protiče i odaje toplotnu energiju najmanje jednom vodu koji prenosi kondenzovani vazduh preko vodenog kupatila. Pri tome se kondenzovani vazduh pretvara u gasoviti komprimovani vazduh. Uređaj za isparavanje sa vodenim kupatilom odlikuje se robusnom i pouzdanom konstrukcijom i raspolaže velikim opsegom kapaciteta.

Ovakvi uređaji za isparavanje sa vodenim kupatilom generalno su poznati i upotrebljavaju se u kriotehničkim pogonima kako bi se isparavali kondenzovani gasovi kao što su vazduh, kiseonik, azot, argon i zemni gas. Ovo se dešava u rasponu opterećenja od oko 500 do 195.000 Nm<3>/h. U jednom uređaju za isparavanje sa vodenim kupatilom moguća je obrada do tri različita toka tečnog gasa.

Poželjno je da su predviđena dva prva izmenjivača toplote, tako da je jedan prvi izmenjivač toplote namenjen proizvodnji kiseonika, a drugi prvi izmenjivač toplote proizvodnji vodonika u okviru naprave za elektrolizu vode, kako bi fluid koji struji kroz dva prva izmenjivača toplote apsorbovao toplotnu energiju koja nastaje prilikom elektrolize. Preko dva prva izmenjivača toplote otpadna toplota naprave za permanentnu elektrolizu treba da se gotovo u potpunosti prenese na fluid, i njime naposletku dovede u uređaj za isparavanje.

Prema jednom dodatnom primeru realizacije predmetnog pronalaska naprava za elektrolizu vode radi na razdvajanju vodonika i kiseonika pomoću električne struje na principu elektrolize sa membranom za razmenu protona (na engleskom: „Proton Exchange Membrane" ili „Polymer Electrolyte Membrane", skraćeno „PEM“) i konstruisana je za ovu svrhu. Razdvajanje dve polućelije odvija se kroz membranu nepropusnu za gas. Velika prednost ove tehnologije je dobro ponašanje pri promeni opterećenja. U odnosu na druge postupke moguće je brže prilagođavanje promenljivim količinama struje. Pored toga moguć je rad u domenu delimičnog opterećenja u čitavom opsegu.

Alternativno, naprava za permanentnu elektrolizu za proizvodnju H2i O2može da radi na principu alkalne elektrolize i da bude konstruisana za ovu svrhu. Kod alkalne elektrolize (AEL) metalne elektrode se uranjaju u alkalni vodeni rastvor. Polućelije, u koje su smeštene elektrode, razdvojene su propusnom membranom. Primenom napona na anodi se stvara kiseonik, a na katodi vodonik. Ova tehnologija se odlikuje visokom stabilnošću na dugi rok i niskim investicionim troškovima. Osim toga za materijal elektroda nisu neophodni retki plemeniti metali. Uprkos jednostavnoj konstrukciji ovakvi tipovi postrojenja trenutno postižu najviši stepen efikasnosti. Naročito s obzirom na nestabilnu ponudu struje postoji problem spore promene opterećenja kao i relativno uskog domena delimičnog opterećenja.

U cilju daljeg povećanja stepena efikasnosti sistema kompresor komponente za punjenje uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije deluje zajedno sa najmanje jednim drugim izmenjivačem toplote, čiji fluid koji struji kroz drugi izmenjivač toplote prihvata toplotnu energiju koja nastaje prilikom komprimovanja vazduha i odvodi je u pravcu uređaja za isparavanje.

Za ovu svrhu drugi izmenjivač toplote može biti povezan sa uređajem za isparavanje drugim toplotnim vodom, kako bi se toplotna energija koja nastaje prilikom komprimovanja prevela u uređaj za isparavanje.

Prema daljem primeru realizacije predmetnog pronalaska za uređaj za isparavanje povezan je najmanje jedan treći izmenjivač toplote, preko koga se komprimovani vazduh u iz uređaja za isparavanje dovodi dodatna toplotna energija kako bi se postigla neophodna temperatura komprimovanog vazduha.

Uređaj za isparavanje pri tome može da bude povezan sa trećim izmenjivačem toplote preko prvog toplotnog voda i/ili drugog toplotnog voda i da koristi preostalu toplotnu energiju fluida koji ističe iz uređaja za isparavanje za podešavanje temperature komprimovanog vazduha preko trećeg izmenjivača toplote.

Poželjno je da je treći izmenjivač toplote izrađen kao izmenjivač toplote vazduh-voda. Pri tome je treći izmenjivač toplote povezan sa prvim izmenjivačem toplote preko prvog toplotnog voda tako da obrazuje kružni tok fluida.

Alternativno ili dopunski, treći izmenjivač toplote može da bude povezan sa drugim izmenjivačem toplote preko drugog toplotnog voda tako da obrazuje drugi kružni tok fluida. Na taj način se koristi dostupna toplotna energija iz uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije, u cilju povećanja efikasnosti celokupnog sistema.

Pomoću trećeg izmenjivača toplote poželjno je da se komprimovani vazduh zagreje na temperaturu okoline, ali i da se radi optimalnog rada reguliše ulazna temperatura za prvi izmenjivač toplote naprave za permanentnu proizvodnju H2i O2koja se odvija u elektrolizi.

Prvi toplotni vod i/ili drugi toplotni vod poželjno mogu imati i mimovode kod izmenjivača toplote, kako bi se temperatura komprimovanog vazduha mogla regulisati na odgovarajući način. Prvi toplotni vod na primer poseduje mimovod ka uređaju za isparavanje kako bi se veći deo toplotne energije mogao dovesti u treći izmenjivač toplote.

Cilj konstrukcije izmenjivača toplote je efektivni balans toplote u sistemu. Preko prvog toplotnog voda, drugog toplotnog voda i preko fluida na ovaj način se omogućava jednostavan transport toplotne energije između pojedinačnih komponenti sistema. Moguće je takođe i obezbeđivanje većeg broja uređaja za isparavanje, nekoliko prvih, drugih i trećih izmenjivača toplote i toplotnih vodova koji ih povezuju, a time i nekoliko kružnih tokova fluida. Međutim ovo je predmet poželjnog dimenzioniranja i optimizacije sistema prema predmetnom pronalasku.

Kako bi se proces dovođenja toplote, a time i isparavanja tečnog vazduha u komprimovani vazduh, mogao kontinuirano odvijati predviđen je pufer rezervoar za komprimovani vazduh u komponenti za pražnjenje uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije.

Prethodno pomenuti zadatak rešava se i postupkom za upravljanje sistemom koji obuhvata uređaj za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije kao i uređaj za elektroanalizu koji se nalazi u stalnom pogonu. Postupak je pri tome poželjno primenljiv na upravo opisan sistem. Prema ovom postupku toplotna energija iz otpadne toplote uređaja za stalnu elektrolizu koristi se kako bi se prenela u uređaj za isparavanje u okviru komponente za pražnjenje uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije radi pretvaranja kondenzovanog u gasoviti vazduh i električnu energiju.

Poželjno je pri tome da se koristi toplotna energija iz otpadne toplote elektrolizatora naprave za stalnu elektrolizu.

Prema poželjnoj nadogradnji predmetnog pronalaska moguće je dodatno korišćenje toplotne energije kompresora za komprimovanje dovedenog vazduha komponente za punjenje uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije, u cilju dovođenja energije u uređaj za isparavanje komponente za pražnjenje uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije radi pretvaranja kondenzovanog u gasoviti komprimovani vazduh.

Prema daljem primeru realizacije predmetnog pronalaska toplotna energija se dovodi u uređaj za isparavanje komponente za pražnjenje uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije preko fluida, naročito u kombinaciji sa prvim izmenjivačem toplote, koji je povezan sa toplotnim vodom preko koga se fluid dovodi i odvodi. Pri tome se fluid može dovoditi u uređaj za isparavanje sa temperaturom od 40°C do 90°C.

Poželjno je da se toplotna energija konstantno dovodi u uređaj za isparavanje komponente za pražnjenje i da se u uređaju za isparavanje kondenzovani vazduh neprekidno pretvara u gasoviti vazduh i dovodi u pufer rezervoar za komprimovani vazduh.

Kako bi se kompenzovala naročito vršna opterećenja u elektroenergetskoj mreži gasoviti komprimovani vazduh po potrebi se iz pufer rezervoara za komprimovani vazduh dovodi u uređaj za ekspanziju sa turbinom i generatorom. Struja proizvedena u generatoru se dovodi u postojeću elektroenergetsku mrežu radi regulacije, kako bi se izbalansirale potrošnja i proizvodnja.

Poželjno je da se fluid prvog toplotnog voda može hladiti pre ulaska u prvi izmenjivač toplote, u cilju optimizacije stepena efikasnosti naprave za permanentnu elektrolizu vode.

Poželjno je da se i fluid drugog toplotnog voda može hladiti pre ulaska u drugi izmenjivač toplote.

Naročita prednost je ako se primenjuje energija iz obnovljivih izvora energije za uređaj za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije i/ili za napravu za permanentnu elektrolizu vode.

Predmetni pronalazak se odlikuje time da se stepen efikasnosti sistema povećava pomoću optimizovanog prenosa toplotne energije između naprave za permanentnu elektrolizu vode i komponente za pražnjenje uređaja za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije. Prihvatanje toplotne energije može se odvijati pri neprekidnoj 24-časovnoj proizvodnji H2i O2. Kondenzacija vazduha se odvija kada sija sunce i duva vetar. Isparavanje tečnog vazduha radi ponovnog dobijanja energije predviđeno je za noćne sate i/ili vremena vršnog opterećenja.

Dodatne prednosti, odlike i mogućnosti primene priloženog pronalaska proističu iz narednih opisa u kombinaciji sa primerima realizacije predstavljenim na slikama.

U opisu, u patentnim zahtevima i na slikama koriste se pojmovi i odgovarajući referentni znakovi upotrebljeni u dole navedenoj listi referentnih znakova. Na slici su označeni:

Slika 1 šematski prikaz sistema prema jednom primeru realizacije predmetnog pronalaska;

Slika 2 dodatni detaljni šematski prikaz koji obuhvata dva uređaja za isparavanje sa vodenim kupatilom povezanim u nizu i hladnjak za vazduh/vodu u okviru komponente za pražnjenje u kombinaciji sa dva kružna toka fluida sistema prema predmetnom pronalasku, i

Slika 3 dodatni šematski prikaz modularne konstrukcije sistema prema ovom pronalasku.

Na slici 1 prikazan je sistem 10 prema primeru realizacije predmetnog pronalaska. Sistem 10 obuhvata uređaj 12 za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije kao i napravu 14 za permanentnu elektrolizu vode.

Uređaj 12 za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije poseduje tri glavne komponente, naime komponentu 16 za punjenje, komponentu za skladištenje u vidu rezervoara 18 za tečni vazduh i komponentu 20 za pražnjenje.

Elektromotor 24 u okviru komponente 16 za punjenje napaja se strujom iz elektroenergetske mreže 22 i povezan je sa kompresorom 26 koji po potrebi pokreće. Ispred kompresora 26 postavljen je usisni filter 28 za vazduh preko koga se između ostalog okolni vazduh uvodi u kompresor 26 prilikom rada komponente 16 za punjenje.

Preko cevovoda 30 za vazduh komprimovani vazduh iz kompresora 26 dovodi se preko drugog izmenjivača 32 toplote u okviru komponente 16 za punjenje u sušač 34. Pomoću drugog izmenjivača 32 toplote komponente 16 za punjenje oduzima se toplotna energija komprimovanom vazduhu koji je zagrejan putem komprimacije. U ovu svrhu drugi izmenjivač 32 toplote komponente 16 za punjenje povezan je sa drugim toplotnim vodom 36 drugog kružnog toka 38 fluida za odvođenje toplotne energije. Ovo će kasnije biti detaljnije objašnjeno.

U sušaču 34 komprimovani vazduh se na poznati način čisti od vodene pare, ugljovodonika i ugljen-dioksida.

Komprimovani vazduh se nakon toga dovodi u kondenzator 40 vazduha koji obuhvata izmenjivač 42 toplote, ventil 44 za regulaciju, ekspanzionu turbinu 46 sa kočionim generatorom 48 povezanim sa njom radi proizvodnje struje, ventil za smanjenje pritiska kao i kompenzacioni rezervoar 52. Komprimovani i osušeni vazduh se u kondenzatoru 40 vazduha najpre dovodi u izmenjivač 42 toplote. U izmenjivaču 42 toplote prvi deo struje komprimovanog vazduha se odvaja i vodi preko ventila 44 za regulaciju ka ekspanzionoj turbini 46, u kojoj se komprimovani vazduh dovodi na atmosferski pritisak i tako pokreće ekspanzionu turbinu 46. Ekspanziona turbina 46 sa druge strane pokreće kočioni generator 48 koji proizvodi struju koja se prenosi preko električne kontrolne centrale 54 sa ispravljačem za naizmeničnu struju, transformatorom itd. u elektroenergetsku mrežu 22 ili ka potrošačima sistema 10, primera radi ka kompresoru 26.

Jako ohlađeni vazduh sada se, dolazeći iz ekspanzione turbine 46, dovodi u izmenjivač 42 topote, tako što se drugom delu struje oduzima značajna količina toplotne energije, čime se on hladi. Na ovaj način zagrejani prvi deo struje prenosi se nazad preko sušača 34 u usisni filter 28 za vazduh, i preko njega nazad u kompresor 26.

Drugi deo struje hladi se u izmenjivaču 42 toplote do malo ispod tačke kondenzacije i potom odvodi preko ventila 50 za smanjenje pritiska, gde vazduh dolazi ispod tačke kondenzacije i dopire u kompenzacioni rezervoar 52. Preko kompenzacionog rezervoara 52 i dodatnog ventila 56 za regulaciju tečni vazduh se dovodi pri temperaturi oko -190°C u rezervoar 18 za vazduh pod atmosferskim pritiskom. Tečni vazduh se skladišti u rezervoaru 18 za vazduh sve dok se ne javi potreba za energijom radi kompenzacije vršnih opterećenja.

Za dobijanje energije tečni vazduh iz rezervoara 18 za vazduh uklanja se preko pumpe 58 koju pokreće motor 60. Preko cevovoda 30 za vazduh tečni vazduh se najpre dovodi u uređaj za isparavanje u vidu uređaja 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom, zatim u vidu komprimovanog vazduha u treći izmenjivač 64 toplote i naposletku u vidu komprimovanog vazduha u pufer rezervoar 66 za komprimovani vazduh. U uređaju 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom se preko prvog toplotnog voda 68 kao i preko drugog toplotnog voda 38 dovodi toplotna energija u uređaj 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom, tako da se tečni vazduh pretvara u komprimovani vazduh i poseduje pritisak od približno 40 bara. U trećem izmenjivaču 64 toplote komprimovani vazduh se zagreva na temperaturu okoline ili višu temperaturu i nakon toga skladišti u pufer rezervoaru 66 za komprimovani vazduh. Proces otklanjanja tečnog vazduha iz rezervoara 18 za vazduh i dovođenja komprimovanog vazduha može se neprestano odvijati.

U cilju jednostavnog podešavanja temperature komprimovanog vazduha dovedenog u pufer rezervoar 66 za komprimovani vazduh predviđen je i mimovod 70 u koji je smešten ventil 72 mimovoda. Mimovod 70 je povezan sa delom cevovoda 30 za vazduh koji povezuje uređaj 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom sa trećim izmenjivačem 64 toplote. Pored toga mimovod 70 je povezan sa delom cevovoda 30 za vazduh koji povezuje treći izmenjivač 64 toplote sa pufer rezervoarom 66 za komprimovani vazduh. Na ovaj način hladniji vazduh iz uređaja 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom može se mešati sa toplijim kompresovanim vazduhom iz trećeg izmenjivača 64 toplote, čime je moguće podesiti temperaturu komprimovanog vazduha koji se unosi u pufer rezervoar 66 za komprimovani vazduh na prethodno definisani način.

U pufer rezervoaru 66 za komprimovani vazduh neprestano se skladišti komprimovani vazduh doveden preko cevovoda 30 za vazduh, sve se ne javi potreba za energijom radi na primer kompenzacije vršnih opterećenja u elektroenergetskoj mreži. Iz ovog razloga pufer rezervoar 66 za komprimovani vazduh povezan je preko ventila 74 za komprimovani vazduh i dodatnog dela cevovoda 30 za vazduh sa glavnom turbinom 76 sa priključenim generatorom 78 struje. U glavnom turbini 76 komprimovanom vazduhu se smanjuje pritisak sa od oko 40 bara na atmosferski pritisak tako da on pri tome pokreće glavnu turbinu 76 sa priključenim generatorom 78 struje radi proizvodnje struje. Proizvedena struje se dovodi u elektroenergetsku mrežu 22 radi regulacije.

Naprava 14 za permanentnu elektrolizu vode sastoji se od većeg broja PEM 80 elektrolizatora priključenih na elektroenergetsku mrežu 22 preko koje primaju električnu energiju za permanentnu elektrolizu radi proizvodnje H2i O2. PEM 80 elektrolizatori proizvode vodonik i kiseonik neprestano, 24 sata dnevno, najmanje 7000-8000 časova u godini. Kiseonik se sprovodi u rezervoar 88 za skladištenje kiseonika, a vodonik u rezervoar 86 za skladištenje vodonika i oni se po potrebi dalje obrađuju na poznati način ili sprovode dalje. Toplotna energija koja nastaje prilikom proizvodnje kiseonika, kao i prilikom proizvodnje vodonika odvodi se kroz kružne tokove 90, 92 fluida, preko izmenjivača 94 toplote povezanim sa kružnim tokom 90 fluida namenjenog proizvodnji kiseonika, kao i preko izmenjivača 96 toplote namenjenog proizvodnji vodonika.

Prvi toplotni vod 68 povezuje oba prva izmenjivača 94, 96 toplote međusobno i prihvata toplotnu energiju iz kružnih tokova 90, 92 fluida preko fluida koji struji u toplotnom vodu 68.

Toplotni vod 68 obrazuje prvi kružni tok 98 fluida. Pri tome se toplotni vod 68 proteže od dva prva izmenjivača 94, 96 toplote do uređaja 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom, kako bi odao toplotnu energiju skladištenu u fluidu toplotnog voda 68 vodenom kupatilu, preko koga se kondenzovani vazduh cevovoda 30 za vazduh zagreva i dovodi do isparenja.

Nadalje, toplotni vod 68 proteže se od uređaja 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom ka trećem izmenjivaču 64 toplote i nazad ka dva prva izmenjivača 95, 96 toplote. Prvi kružni tok 98 fluida, koji formira prvi toplotni vod 68, time je zatvoren.

Dodatno je predviđen mimovod 100 sa ventilom 102 mimovoda prvog kružnog toka 98 fluida, koji zaobilazeći treći izmenjivač 64 toplote kratko spaja prvi toplotni vod 68. Ovime je na jednostavan način moguće podešavanje toplotne energije koju je potrebno dodati komprimovanom vazduhu u cevovodu 30 za vazduh pomoću fluida prvog toplotnog voda 68 preko trećeg izmenjivača 64 toplote.

Pored toga predviđen je i kompenzacioni vod 104 sa kompenzacionim ventilom 106, koji povezuje deo prvog toplotnog voda 68 nakon trećeg izmenjivača 64 toplote sa delom drugog toplotnog voda pre drugog izmenjivača 32 toplote. Na ovaj način fluid prvog toplotnog voda 68 prvog kružnog toka 98 fluida treba da se prevede u drugi toplotni vod 36 drugog kružnog toka 38 fluida, čime se toplotna energija prvog kružnog toka 98 fluida uvodi u drugi kružni tok 38 fluida. Svrha ovoga je regulacija temperature povratnog toka drugog toplotnog voda 36 pri radu komponente 16 za punjenje.

Na slici 2 prikazani su u osnovi u šematskom prikazu prvi kružni tok 98 fluida i drugi kružni tok 38 fluida. Pojedinačne komponente poseduju konstruktivne elemente sistema 10 opisanog pomoću slike 1. Međutim, oni su izostavljeni sa slike 2 iz razloga preglednosti.

Prvi toplotni vod 68 proteže se od prvih izmenjivača 94, 96 toplote naprave 14 za permanentnu elektrolizu vode prema dva uređaja 62a, 62b za isparavanje sa vodenim kupatilom postavljenim u nizu, zatim ka trećem izmenjivaču 64 toplote u vidu hladnjaka vazduh-voda i naposletku nazad ka prvim izmenjivačima 94, 96 toplote. Mimovod 100 sa ventilom 102 mimovoda, kao i kompenzacioni vod 104 sa kompenzacionim ventilom 106 ovom prilikom nisu prikazani iz razloga preglednosti.

Drugi toplotni vod 36 proteže se od drugog izmenjivača 32 toplote kod kompresora 26 ka prvom uređaju 62a za isparavanje sa vodenim kupatilom, zatim ka drugom uređaju 62b za isparavanje sa vodenim kupatilom, zatim ka trećem izmenjivaču 64 toplote i nazad ka drugom izmenjivaču 32 toplote.

Uz to je prikazan rezervoar 18 za vazduh sa cevovodom 30 za vazduh. On se proteže od rezervoara 18 vazduha preko dva uređaja 62a, 62b za isparavanje sa vodenim kupatilom preko trećeg izmenjivača 62 toplote ka pufer rezervoaru 66 za komprimovani vazduh.

U trećem izmenjivaču 64 toplote predviđen je ventilator kako bi se hladio fluid prvog toplotnog voda 68 pre ulaska u drugi izmenjivač 94, 96 toplote, kao i fluid drugog toplotnog voda 36 pre ulaska u drugi izmenjivač 32 toplote.

Iz ovoga je jasno da se otpadna toplota naprave 14 za permanentnu elektrolizu vode kao i otpadna toplota kompresora 26 koriste kako bi se u vidu toplotne energije dovele u komponentu 20 za pražnjenje preko uređaja 62a, 62b za isparavanje sa vodenim kupatilom i trećeg izmenjivača 64 toplote tokom 24-časovnog i 7-dnevnog pogona.

Na slici 3 šematski je prikazana osnovna konstrukcija sistema 10 opisanog na slikama 1 i 2. Ovaj sistem 10 prikazuje dva uređaja 12 za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije postavljena paralelno jedan u osnosu na drugi.

Slika 3 prikazuje nadalje četiri elektrolizatora 80 sa po 24 naprave 14 za permanentnu elektrolizu vode koji su modularno konstruisani i koji se po potrebi mogu proširiti. Ovi elektrolizatori 80 za neprekidnu proizvodnju vodonika i kiseonika deluju zajedno sa izmenjivačima 94, 96 toplote.

Uređaj 12 za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije obuhvata komponentu 16 za punjenje, rezervoar 18 za vazduh i komponentu 20 za pražnjenje sa uređajem 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom, sa trećim izmenjivačem 64 toplote, pufer rezervoarom 66 za komprimovani vazduh i sa glavnom turbinom 76 sa generatorom 78 struje. Sve ovo je samo šematski predstavljeno kako bi se predstavila modularna konstrukcija. Uz to uređaj 12 za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije kao i naprava 14 za permanentnu elektrolizu vode obuhvataju i sve odlike opisane pomoću slike 1.

Jedan elektrolizator 80 trenutno proizvodi, pri utrošku energije od 17,5 MW, 8160 kg vodonika dnevno. Pri tome odaje 4 MWh toplote preko izmenjivača 94, 96 toplote uređaju 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom putem prvog kružnog toka 98 fluida kroz koji teče fluid preko prvog toplotnog voda 68.

Uređaj 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom obuhvata primera radi vodeno kupatilo od 4000 m<3>, kome je neophodno 18,6 MWh kako bi se zagrejalo od 10°C na 50°C. Preko pumpe 58 i pripadajućeg uređaja 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom koji se greje pomoću vazduha, 40 m<3>/h tečnog vazduha uvodi se u uređaj 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom, pri čemu se 28.000 Nm<3>/h komprimovanog vazduha dovodi u treći izmenjivač 64 toplote iz uređaja 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom. Pri tome razlika u temperaturi između uvedenog tečnog vazduha i izvedenog komprimovanog vazduha iznosi 100°C, što odgovara unosu energije od oko 9,5 MWh preko uređaja 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom.

Rezervoar 18 za tečni vazduh poseduje zapreminu od primera radi 1.200 m<3>, što otprilike odgovara 165 MWh skladištene energije. Kompresoru 26 se pomoću motora 24 dovodi energija od oko 20 MW kako bi se usisani vazduh komprimovao. Preko drugog izmenjivača 32 toplote ispušta se toplotna energija koja se preko drugog kružnog toka 38 fluida i preko fluida koji teče kroz drugi toplotni vod 36 odaje uređaju 62 za isparavanje sa vodenim kupatilom.

Preko turbine 76 sa priključenim generatorom 48 moguća je proizvodnja energije tokom rada uređaja 12 za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije koja se uvodi u elektroenergetsku mrežu 22.

Zbog širokog spektra kompresora, prenosnika i generatora potrebno je odrediti ili prilagoditi detaljne specifikacije u fazi planiranja.

Lista pozivnih oznaka

10 sistem

12 uređaj za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije

14 naprava za permanentnu elektrolizu vode

16 komponenta za punjenje

18 rezervoar za tečni vazduh

20 komponenta za pražnjenje

22 elektroenergetska mreža

24 elektromotor

26 kompresor

28 usisni filter za vazduh

30 cevovod za vazduh

32 drugi izmenjivač toplote, postavljen u komponenti 16 za punjenje

sušač

toplotni vod, drugi toplotni vod

kružni tok fluida, drugi kružni tok fluida

kondenzator vazduha

izmenjivač toplote

ventil za regulaciju

ekspanziona turbina

kočioni generator

ekspanzioni ventil

kompenzacioni rezervoar

električna kontrolna centrala

dodatni ventil za regulaciju ispred rezervoara 18 za vazduh pumpa

motor pumpe 58

uređaj za isparavanje sa vodenim kupatilom

treći izmenjivač toplote

pufer rezervoar za komprimovani vazduh

prvi toplotni vod

mimovod

ventil mimovoda

ventil za komprimovani vazduh

glavna turbina

generator struje

elektrolizator

rezervoar za skladištenje kiseonika

rezervoar za skladištenje vodonika

kružni tok fluida - kiseonik

kružni tok fluida - vodonik

izmenjivač toplote - kiseonik

izmenjivač toplote - vodonik

prvi kružni tok fluida

mimovod

ventil mimovoda

kompenzacioni vod kompenzacioni ventil

Claims

Patentni zahtevi

1. Sistem (10) sa

a. uređajem (12) za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije sa

i. komponentom (16) za punjenje, koja obuhvata kompresor (26) za komprimovanje unetog vazduha kao i kondenzator (40) za kondenzaciju vazduha koji sledi nakon njega,

ii. komponentom za skladištenje, koja obuhvata rezervoar (18) za vazduh za skladištenje kondenzovanog vazduha, i

iii. komponentom (20) za punjenje, koja obuhvata uređaj (62) za isparavanje za pretvaranje tečnog vazduha u gasoviti komprimovani vazduh, kao i uređaj za ekspanziju za opuštanje komprimovanog vazduha sa turbinom (76) i sa generatorom (78) povezanim sa turbinom (76), pri čemu se u komponentu (20) za pražnjenje preko prvog toplotnog voda (68) dovodi toplotna energija,

naznačen

b. napravom (14) za permanentnu elektrolizu vode sa najmanje jednim prvim izmenjivačem (94, 96) toplote, preko koga se toplotna energija koja nastaje prilikom elektrolize apsorbuje preko fluida koji struji kroz prvi izmenjivač (94, 96) toplote, pri čemu je prvi izmenjivač (94, 96) toplote povezan sa prvim toplotnim vodom (68) tako da se toplotna energija koja nastaje prilikom elektrolize odvodi pomoću fluida preko prvog izmenjivača (94, 96) toplote kao i što se preko prvog toplotnog voda (68) toplotna energija dovodi u uređaj (62) za isparavanje, pri čemu flud poseduje temperaturu od 40°C do 90°C kod uređaja (62) za isparavanje.

2. Sistem prema patentnom zahtevu 1, naznačen time, što su obezbeđena dva prva izmenjivača (94, 96) toplote, pri čemu je prvi izmenjivač (94) toplote namenjen dobijanju kiseonika, a dodatni prvi izmenjivač (96) toplote dobijanju vodonika u okviru naprave (14) za permanentnu elektrolizu vode.

3. Sistem prema patentom zahtevu 1 ili 2, naznačen time, što je naprava (14) za permanentnu elektrolizu vode konstruisana kao elektrolizator sa membranom za razmenu protona ili kao alkalni elektrolizator.

4. Sistem prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, naznačen time, što kompresor (26) komponente (16) za punjenje deluje zajedno sa najmanje jednim drugim izmenjivačem (32) toplote, čiji fluid koji struji drugim izmenjivačem (32) toplote apsorbuje i odvodi toplotnu energiju koja nastaje prilikom komprimovanja vazduha.

5. Sistem prema patentnom zahtevu 4, naznačen time, što je drugi izmenjivač (32) toplote povezan preko drugog toplotnog voda (36) sa uređajem (62) za isparavanje kako bi se toplotna energija koja nastaje prilikom komprimovanja vazduha dovela u uređaj (62) za isparavanje.

6. Sistem prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, naznačen time, što je iza uređaja (62) za isparavanje povezan najmanje jedan treći izmenjivač (64) toplote preko koga se komprimovanom vazduhu iz uređaja (62) za isparavanje dovodi dodatna toplotna energija i podešava neophodna temperatura komprimovanog vazduha.

7. Sistem prema patentnom zahtevu 6, naznačen time, što je uređaj (62) za isparavanje povezan preko prvog toplotnog voda (68) i/ili drugog toplotnog voda (36) sa trećim izmenjivačem (64) toplote i da koristi preostalu toplotnu energiju fluida koji ističe iz uređaja (62) za isparavanje kako bi se podesila temperatura komprimovanog vazduha pomoću trećeg izmenjivača (64) toplote.

8. Sistem prema jednom od patentnih zahteva 6 ili 7, naznačen time, što je treći izmenjivač (64) toplote povezan sa prvim izmenjivačem (94, 96) toplote preko prvog toplotnog voda (68) i obrazuje prvi kružni tok (98) fluida.

9. Sistem prema patentnim zahtevima 4 i 6, naznačen time, što je treći izmenjivač (64) toplote povezan sa drugim izmenjivačem (32) toplote preko drugog toplotnog voda (38) i obrazuje drugi kružni tok (38) fluida.

10. Sistem prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, naznačen time, što je obezbeđen pufer rezervoar (66) u komponenti (20) za pražnjenje uređaja (12) za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije.

11. Sistem prema patentnom zahtevu 10, naznačen time, što je treći izmenjivač (64) toplote postavljen ispred pufer rezervoara (66) za komprimovani vazduh.

12. Postupak za pokretanje sistema (10) koji obuhvata uređaj (12) za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije i napravu (14) za permanentnu elektrolizu vode prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, kod kojeg se toplotna energija iz otpadne energije naprave (14) za permanentnu elektrolizu vode koristi kako bi se dovela u uređaj (62) za isparavanje komponente (20) za pražnjenje uređaja (12) za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije za pretvaranje kondenzovanog u gasoviti komprimovani vazduh.

13. Postupak prema patentnom zahtevu 12, naznačen time, što se toplotna energija iz otpadne energije elektrolizatora (80) koristi od strane naprave (14) za permanentnu elektrolizu vode.

14. Postupak prema patentnom zahtevu 12 ili 13, naznačen time, što se dodatno toplotna energija kompresora (26) za komprimovanje vazduha dovedenog u komponentu (16) za punjenje uređaja (12) za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije koristi kako bi se dovela u uređaj (62) za isparavanje komponente (20) za pražnjenje uređaja (12) za skladištenje energije pomoću tečnog vazduha i proizvodnju električne energije za pretvaranje kondenzovanog u gasoviti komprimovani vazduh.

15. Postupak prema jednom od patentnih zahteva 12 do 14, naznačen time, što se toplotna energija permanentno dovodi u uređaj (62) za isparavanje komponente (20) za pražnjenje preko prvog toplotnog voda (68), a u uređaju (62) za isparavanje se kondenzovani vazduh po potrebi pretvara u gasoviti komprimovani vazduh i dovodi u pufer rezervoar (66) za komprimovani vazduh.