能量产生系统的制作方法

本发明提供了一种分散式且紧凑型能量产生系统，该能量产生系统利用氨来储存电力并且利用氨或h2来产生电力和热，并且适于由单个家庭使用或在小型商业建筑物中使用。

背景技术：

1、电网必须逐步淘汰从化石燃料生成的电和热，以减少温室气体排放。这可以通过逐步引入来自风和太阳能pv(光伏)模块的间歇性电力来实现。使用间歇性电力将需要增加的系统储备容量，以实时平衡电供应和电需求。电池可以应对每小时的间歇性挑战。然而，目前电池的能量储存密度低并且每kwh的储存容量的制造成本高，而且尽管有技术创新，但是可以储存大量电的紧凑型电池在未来几十年内出现将是不可能的。

2、在使用电加热的温带气候下，对于来自屋顶太阳能pv模块的电的供应与需求之间存在显著的季节性不匹配。电力的生成主要发生在春末、夏季和初秋期间，而包括用于加热的电需求主要发生在秋季、冬季和春季中。

3、在无电池的大型太阳能pv模块系统的情况下，每年生成20,000kwh，这完全可以满足每年家庭中的电需求，取决于纬度，只有30％的产生的电在家庭中消耗并且余量输出到电网。必须从电网输入对应量的电来平衡家庭供应与需求。利用14kw的电池，系统能够在24小时的时间段期间切换需求和供应，从而能够利用大约50％的所生成的电。然而，对于每年消耗20,000kwh的热和电的房屋来说，为了能够充分利用其产生的电，需要高达10,000kwh的季节性储存。

4、大量的pv电可以储存为氢(h2)或含氢化学品。然而，要大量储存氢具有挑战性，因为它在-253℃时变成液体。氢还具有高度爆炸性，因此使得其不适合用作家庭用途或小型商业建筑物中的储存介质。

5、氨是一种有效的氢载体，并且因为它在-33℃时或在10bar压力下变成液体，因此易于大量储存。

6、目前，典型的大型集中式氨合成工厂在约400℃至500℃和100bar至150bar下操作。然而，对于适合在分散式小规模能量产生系统中使用的氨合成反应器来说，氨的产生必须在1至30bar的压力下进行，以减少产生中的能量和空间需求、噪声并且缓解安全担忧。

7、利用氨来产生和储存电力的大规模集中式能量产生系统的能量产生效率相对低，因为系统在各个工艺步骤期间生成的过量的热在长距离管道中运输时损失掉，而且利用即使高效捕获的过量的热也具有挑战性。因此，利用氨来产生和储存电力的大规模集中式能量产生系统的能量效率可能低于分散式系统，在分散式系统中，可以通过水基加热系统高效地捕获和利用来自氨和电的产生过程的热。

8、mukelabai,m.d.等人的《一种新型的绿色的电力-氨-电力系统的集成:用于氢气和电力生产的可逆固体氧化物燃料电池与氨合成装置相结合(a novel integration of agreen power-to-ammonia to power system：reversible solid oxide fuel cell forhydrogen and power production coupled with an ammonia synthesis unit)》,march2021,journal of hydrogen energy,vol.46,pp.18546-18556，讨论了电力到氨到电力系统解决间歇性的重要性，并且建议在燃料电池模式期间使用富氮燃料电极废气进行氨合成。然而，mukelabai,m.d.等人公开的系统设计成提供约3mw。为了提供这样的系统，该系统包括h2五级压缩机和h2压缩储存缓冲罐，并且利用哈伯博世(haber bosch)工艺进行氨合成。

9、本发明的目的是设计一种紧凑型分散式能量产生系统，该能量产生系统利用氨进行储存并且利用氨和/或氢来产生电力，该能量产生系统适于由单个家庭使用或在小型商业建筑物中使用。该系统在电力产生模式下每小时产生从10kw至40kw范围内(优选地，约30kw)的电力。本发明的系统还捕获产生过程中的过量的热以满足家庭的加热需求，这使得能够实现高效的分散式可再生能量系统。本发明的系统具有能够在氨合成模式(即电力储存模式)与电力产生模式之间快速切换的优点。

技术实现思路

1、在第一方面中，一种利用氨来储存和产生电力的能量产生系统，该系统包括：

2、-可逆电化学电池系统，适于在能量产生系统在电力储存模式下运行时在电解模式下从电力产生氢，并且在该能量产生系统在产生系统在电力产生模式下运行时在燃料电池模式下从氨产生电力；

3、-空气分离器，适于实现至少96％的纯氮气，其中，空气分离器布置成在能量产生系统1在电力储存模式下运行时向氨合成反应器提供氮气；

4、-氨合成反应器，包括催化剂，其中，合成反应器布置成在能量产生系统在电力储存模式下运行时接收来自可逆电化学电池系统的氢和来自空气分离器的氮气；

5、-氨分离反应器，包括将氨与n2和h2分离的固体吸附材料并且适于在能量产生系统在电力储存模式下运行时，接收来自氨合成反应器的氨以及未反应的n2和h2，并且向氨储存单元提供氨；以及

6、-氨储存单元，包括适于储存氨的金属卤化物，其中，氨储存单元布置成在能量产生系统在电力储存模式下运行时接收来自氨合成反应器和/或氨分离反应器的氨并且布置成在能量产生系统在电力产生模式下运行时，向可逆电化学电池系统提供氨；

7、-热传递系统，包括适于传递在能量产生系统中生成的热的至少一个热交换器。在第二方面中，一种利用氨来储存并且利用氢来产生电力的能量产生系统，该系统包括：

8、-可逆电化学电池系统，适于在能量产生系统在电力储存模式下运行时在电解模式下从电力产生氢，以及在产生系统在电力产生模式下运行时在燃料电池模式下从氢产生电力；

9、-空气分离器，适于实现至少96％的纯n2，其中，空气分离器布置成在能量产生系统在电力储存模式下运行时向氨合成反应器提供n2；

10、-氨合成反应器和氨裂化器反应器，包括催化剂，其中，合成反应器布置成在能量产生系统在电力储存模式下运行时接收来自可逆电化学电池系统的h2和来自空气分离器的n2；

11、-氨分离反应器，包括将氨与n2和h2分离的固体吸附材料并且适于在能量产生系统在电力储存模式下运行时，接收来自氨合成反应器和氨裂化器反应器的氨以及未反应的n2和h2，并且向氨储存单元提供氨；以及

12、-氨储存单元，包括适于储存氨的金属卤化物，其中，氨储存单元布置成在能量产生系统在电力储存模式下运行时接收来自氨合成反应器和氨裂化器反应器和/或氨分离反应器的氨，并且布置成在能量产生系统在电力产生模式下运行时向氨合成反应器和氨裂化器反应器提供氨；

13、-热传递系统，包括适于传递在能量产生系统中生成的热的至少一个热交换器。

14、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，可逆电化学电池系统在从400℃至800℃的温度范围内操作。

15、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从400℃至600℃的温度下操作。

16、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从550℃至750℃的温度下操作。

17、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从550℃至850℃的温度下操作。

18、在根据第一方面或第二方面的另一个实施方式中，电化学电池系统在从600℃至850℃的温度下操作。

19、在根据第一方面或第二方面的另一个实施方式中，电化学电池系统在从700℃至850℃的温度下操作。

20、在根据第一方面或第二方面的另一个实施方式中，电化学电池系统在从700℃至800℃的温度下操作。

21、优选地，电化学电池系统在从550℃至750℃的温度下操作。

22、可逆电化学电池系统适于在低温下运行，即在低于850℃的温度下，并且优选地，在从550℃至750℃范围内的温度下操作，以便能够使能量系统根据能量产生需求快速升高和下降。

23、在根据第二方面的一个实施方式中，当系统在电力产生模式下运行时，能量产生系统的可逆电化学电池系统适于容忍从氨裂化器提供的h2气流中的杂质。

24、在根据第二方面的一个实施方式中，能量产生系统的可逆电化学电池系统适于容忍h2气流中的至少0.15％的氨，诸如从0.05％至1％的氨。

25、可逆电化学电池系统适于容忍nh3杂质，以便避免对用来净化从氨裂化器提供的h2气体的额外的净化单元的需求。

26、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从1bar至30bar的压力下操作。

27、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从1bar至20bar的压力下操作。

28、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从1bar至10bar的压力下操作。

29、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从1bar至5bar的压力下操作。

30、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从3bar至5bar至15bar的压力下操作。

31、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，电化学电池系统在从15bar至30bar的压力下操作。

32、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，可逆电化学电池系统是可逆固体氧化物电池。

33、优选地，可逆电化学电池系统是可逆固体氧化物电池。

34、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，可逆固体氧化物电池的电池材料是金属或陶瓷支撑的电池。

35、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，可逆电化学电池系统连接到或包括用于氢分离和压缩并且布置成向氨合成反应器提供氢的反应器，其中，能量产生系统适于在电力储存模式下产生氨。

36、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，用于氢分离和压缩的反应器是高温电化学氢泵。

37、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，用于氢分离和压缩的反应器适于在从约400℃至约800℃的温度下运行。

38、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，用于氢分离和压缩的反应器在从400℃至600℃的温度下操作。

39、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，用于氢分离和压缩的反应器在从550℃至750℃的温度下操作。

40、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，用于氢分离和压缩的反应器在从550℃至850℃的温度下操作。

41、在根据第一方面或第二方面的另一个实施方式中，用于氢分离和压缩的反应器在从600℃至850℃的温度下操作。

42、在根据第一方面或第二方面的另一个实施方式中，用于氢分离和压缩的反应器在从700℃至850℃的温度下操作。

43、在根据第一方面或第二方面的另一个实施方式中，用于氢分离和压缩的反应器在从700℃至800℃的温度下操作。

44、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，分离和压缩反应器可以是基于质子膜反应器的高温电化学氢泵。

45、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，分离和压缩反应器可以在氢的分离和压缩期间产生热。

46、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，分离和压缩反应器可以是能够以低噪声对氢进行电化学分离和压缩的反应器。

47、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器适于实现至少96％(诸如至少97％或98％)的纯n2。

48、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器适于实现至少99％、99.5％、99.6％、99.7％、99.8％或至少99.9％的纯n2。

49、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器在从1bar至20bar的压力下操作。

50、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器在从3bar至18bar的压力下操作。

51、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器在从3bar至15bar的压力下操作。

52、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器在从3bar至10bar的压力下操作。

53、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器是低温蒸馏单元、变压吸附(psa)单元或膜单元。

54、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器是变压吸附单元。

55、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，空气分离器是psa单元或膜单元，并且更优选地，是psa单元。

56、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨合成反应器适于在低温下操作，该低温是在从约250℃至约500℃范围内的温度。

57、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨合成反应器适于在低温下操作，该低温是在从约350℃至约500℃范围内的温度。

58、在优选的实施方式中，氨合成反应器适于在从约350℃至约500℃范围内的温度下操作。

59、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨合成反应器适于在约3mpa或更低的压力下操作。

60、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨合成反应器适于在从3mpa至1mpa的压力下操作。

61、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨合成适于在从2mpa至1mpa的压力下操作。

62、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨合成反应器适于在从1.5mpa至0.5mpa的压力下操作。

63、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨合成适于在约1mpa的压力下操作。

64、在根据第一方面或第二方面的一个优选的实施方式中，氨合成反应器适于在约1.5mpa或更低的压力下操作。

65、氨合成反应器的低压，即约3mpa或更低的压力是该系统的优点，以便将系统的噪声降低到70db至10db，诸如从40db至30db，这与来自冰箱的噪声相当。在一个实施方式中，第一方面和第二方面的氨合成反应器的催化剂和第二方面的裂化器的可逆过程的催化剂选自fe基催化剂、ru基催化剂、陶瓷混合氧化物基催化剂，或在可还原或部分可还原的混合氧化物支撑材料上的促进型金属催化剂。

66、在一个实施方式中，根据第一方面或第二方面的氨合成反应器和氨裂化器的催化剂选自氢化物、氮化物和三金属化合物。

67、在一个优选的实施方式中，根据第一方面或第二方面的氨合成反应器和氨裂化器的催化剂是在可还原或部分可还原的混合氧化物支撑材料上的促进型金属催化剂。

68、在一个优选的实施方式中，根据第一方面或第二方面的氨合成反应器和氨裂化器的催化剂是在可还原或部分可还原的混合氧化物支撑材料上的促进型金属催化剂，其中，支撑材料选自mg、ce和la或组合

69、本能量产生系统的另一优点在于，根据第一方面或第二方面的氨合成反应器的催化剂适于容忍来自能量产生系统的可逆电化学电池系统的h2气流中的杂质，因此克服了对单独的昂贵且大型的净化单元来净化h2气流的需求，从而能够提供紧凑型系统。

70、在一个实施方式中，根据第一方面或第二方面的氨合成反应器适于在3mpa×升或更低(优选地，约2.5mpa×升或更低)的压力乘以(×)体积下操作。

71、在根据第二方面的一个实施方式中，作为nh3合成的可逆过程的氨裂化器在1mpa或更低(诸如0.5mpa或更低)的压力下操作，

72、在根据第二方面的一个实施方式中，氨裂化器在从约700℃至约400℃(诸如从约650℃至约450℃，优选地，从约600℃至约450℃)的温度范围下操作。

73、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨储存单元连接至或包括包含氨分离材料的至少一个氨分离反应器。

74、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，该系统包括再循环泵，其适于将未反应的h2和n2以及未吸附的nh3从氨分离器泵回到氨合成反应器中。

75、根据上述实施方式的泵适于将h2和n2以及未吸附的nh3从氨分离器再循环回到氨合成反应器中，以便系统将足够量的h2和n2转化为液体nh3以进行分离并且储存在金属卤化物中。

76、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨储存单元的金属卤化物具有通式maxz，其中，m是选自mn和mg的阳离子，x是选自氯离子和溴离子的阴离子，a是每个盐分子的阳离子的数量，z是每个盐分子的阴离子的数量。

77、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨储存单元包括氨分离反应器。

78、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨分离材料是金属卤化物。

79、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨分离反应器的金属卤化物具有通式maxz，其中，m是选自mn和mg的阳离子，x是选自氯离子和溴离子的阴离子，a是每个盐分子的阳离子的数量，z是每个盐分子的阴离子的数量。

80、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，氨分离反应器的金属卤化物由选自氧化铝、二氧化硅或沸石的基材支撑。

81、在根据第一方面或第二方面的一个实施方式中，系统包括中央系统控制器和传感器，其中，中央系统控制器适于接收当前电力产生高于或低于电力产生阈值；以及从中央系统控制器发送信号，使能量产生系统在电力产生速率高于电力产生阈值的情况下切换到能量储存模式，在该能量储存模式下，可逆电化学电池系统在电解模式下操作；或者使能量产生系统在电力产生低于电力产生阈值的情况下切换到能量产生模式，在该能量产生模式下，可逆电化学电池系统在燃料电池模式下操作。

82、在一个实施方式中，热传递系统包括至少一个热交换器，其适于传递由能量产生系统的一个或多个单元生成的热，以便捕获热并且将热提供给家庭或小型商业建筑物中的水基加热系统。

83、在一个实施方式中，热传递系统包括至少一个热交换器，其适于在能量产生系统的至少两个单独的单元之间传递热。

84、在一个实施方式中，可逆电化学电池系统连接到热交换器，以便捕获热并且将热提供给家庭或小型商业建筑物中的水基加热系统。

85、在一个实施方式中，热传递系统包括至少一个热交换器，其适于传递在能量产生系统中生成的热，以便捕获热并且将热提供给家庭或小型商业建筑物中的水基加热系统。

86、在一个实施方式中，热传递系统适于在能量产生系统1的至少两个单独的单元之间传递热。

87、在本发明的一个实施方式中，当能量产生系统适于储存电力时，在氨合成反应器和/或氨分离反应器中的至少一个中生成的热可以通过热交换器传递至蒸汽发生器。

88、在一个实施方式中，可逆电化学电池系统连接至热交换器，以便将热传递至氨储存单元，其中，能量产生系统适于产生电力。

89、在一个实施方式中，可逆电化学电池系统连接到热交换器，以便捕获热并且将热提供给家庭或小型商业建筑物中的水基加热系统。

90、在一个实施方式中，热传递系统包括至少一个热交换器，其适于传递在能量产生系统中生成的热，以便捕获热并且将热提供给家庭或小型商业建筑物中的水基加热系统。

91、在一个实施方式中，能量产生系统包括或连接至间歇性能量源。

92、在一个实施方式中，间歇性能量源选自太阳能面板、风力涡轮机、水力涡轮机或其任何组合。

93、在一个实施方式中，能量产生系统的电力从太阳能面板、风力涡轮机、水力涡轮机或其任何组合中的任一种生成。

94、在一个实施方式中，能量产生系统的电力从电池(诸如锂电池)生成。

95、在一个实施方式中，由间歇性能量源生成的过量的电力作为金属卤化物中的nh3储存在能量产生和储存系统中。

96、在一个实施方式中，当没有来自间歇性能量源的能量产生时，能量产生系统通过从储存在金属卤化物储存单元中的nh3释放nh3来提供电力。

97、在一个实施方式中，该系统是具有10立方米或更小的尺寸的紧凑系统。

98、在一个实施方式中，能量产生系统的总尺寸为约10m3或更小。

99、在一个实施方式中，能量产生系统的总尺寸为从10m3至4m3。

100、在一个实施方式中，能量产生系统的总尺寸为从8m3至4.5m3。

101、在一个实施方式中，能量产生系统的总尺寸为约5m3，其中，氨储存单元8为约3m3。

102、在一个实施方式中，根据本发明的能量产生系统的噪声为从70db至10db，诸如从40db至30db，这与来自冰箱的噪声相当。

103、在一个实施方式中，该系统用于在家庭或小型商业建筑物中储存或产生电能。

104、在一个实施方式中，该系统耦接到电网。

105、在一个实施方式中，该系统不耦接到电网。

106、在第三方面中，本发明提供了根据第一方面或第二方面或其中的任何实施方式的能量产生系统的用于在家庭或小型商业建筑物中储存或产生电能的用途。

107、在第四方面中，本发明提供了由根据第一方面或第二方面或其中的任何实施方式的能量产生系统生成的热在家庭或小型商业建筑物中的水基加热系统中的用途，其中，水基加热系统包括散热器、地暖系统、热水箱或其任何组合中的至少一种。

108、在第五方面中，本发明提供了一种操作根据第一方面或第二方面以及其中的任何实施方式的能量产生系统的方法，该能量产生系统包括中央系统控制器，该方法包括：

109、a.在中央系统控制器处接收当前电力产生高于或低于电力产生阈值；以及

110、b.从中央系统控制器发送信号，以使能量产生系统在电力产生速率高于电力产生阈值的情况下切换到能量储存模式，在该能量储存模式下，可逆电化学电池在电解模式下操作；或者使能量产生系统在电力产生低于电力产生阈值的情况下切换到能量产生模式，在能量产生模式下，可逆电化学电池在燃料电池模式下操作。