[發明專利]一種連續且靈活的利用可再生能源制備甲烷的系統及方法

在審

• 申請號: 202110639890.0
• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113528205A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 戚萌;劉義
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: C10L3/08
• 分類號: C10L3/08;H02J3/28;H02J3/38;H02J3/00;H02J15/00;C07C1/12;C07C9/04;C25B1/04;C25B9/67;C25B15/021
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 劉文霞

本發明公開了一種連續且靈活的利用可再生能源制備甲烷的系統及方法，該系統包括可再生能源發電系統、液態CO₂儲能系統、甲烷化生產系統，所述可再生能源發電系統與液態CO₂儲能系統連接并為液態CO₂儲能系統提供電能，所述液態CO₂儲能系統與甲烷化生產系統連接并為甲烷化反應提供CO₂，所述甲烷化生產系統所需電能由液態CO₂儲能系統或電網電力提供。該可再生能源制甲烷系統將液態CO₂儲能系統與可再生能源發電系統相耦合，通過液態CO₂儲能系統向甲烷化生產系統供給電力，可以為甲烷化生產系統提供平穩且持續的電力輸出，避免了可再生能源的波動性及間歇性，實現甲烷化生產系統的平穩且持續運行，且還支持電網電力調峰。

技術領域

本發明涉及可再生能源利用與碳減排及資源化利用技術領域，具體涉及一種連續且靈活的利用可再生能源制備甲烷的系統及方法。

背景技術

目前世界上許多國家已經建有可再生能源制氣或者是液體燃料的示范裝置，但可再生能源制氣或液體燃料的裝置大規模推廣尚面臨一系列問題，對于傳統的可再生能源制甲烷工藝(包括電解水制氫裝置與甲烷化裝置)因無法提供連續而靈活的操作，導致其成本高、能耗高的關鍵技術瓶頸，使其在工業中的實施中存在很大的局限性，主要有以下幾點：

(1)由于不能處理可再生能源的間歇性，能源利用效率低；同時裝置生產波動性導致無法進行水電解的高溫操作及應用最新的高效電解槽設備，即固體氧化物電解設備；另外，電解裝置和甲烷化裝置之間不一致的操作不能實現裝置之間的熱集成，導致較低的能源利用效率和更高的甲烷生產能耗；

(2)傳統工藝通過大量儲存氫氣來實現甲烷化反應器的生產，且氫氣儲存往往是高壓儲存；考慮到可再生能源制甲烷工藝的大規模應用，大量易燃氣體(氫氣和甲烷)的存儲會造成安全隱患，并提高了生產成本。另外，生產裝置各組件因適應可再生能源波動性而頻繁啟動和關閉也將導致潛在的運營成本和安全風險；

(3)該傳統工藝不能支持生產計劃和調度以考慮電網及管網側的實時需求；實際電網側有著大量的光電和風電棄電，這部分低成本的棄電無法被有效利用，導致能源浪費。

為解決上述問題，本發明創新性地提出了將可再生能源制甲烷工藝耦合液態二氧化碳儲能的方法，能夠有效管理光電、風電以及協助電網的電力調峰，將可再生能源電能可以低成本、連續性的方式輸入到可再生能源制甲烷工藝中。液態二氧化碳儲能作為一種新興的大規模儲能方法，近年來受到了國際研究的關注。但目前液態二氧化碳儲能系統大多只是將其應用于單獨的電網調峰及電力儲能，尚未有人提出其可以與可再生能源制甲烷工藝耦合，來突破以上關鍵技術瓶頸。

另外，現有技術的液態二氧化碳儲能系統主要存在以下局限性：(1)需要將二氧化碳由低壓儲罐壓縮至高壓儲罐進行儲能；所需壓力常常大于20MPa，工業上設置如此高壓的大型二氧化碳儲罐，尚不可行；(2)需要多個儲熱循環來實現該儲能系統的絕熱操作，且一系列的儲熱循環需要額外的工作流體(如甲醇)，并增加額外的工藝設備及儲存設施；這提高了工藝操作的復雜性和電力儲存成本；(3)系統具有較低的能量儲存密度(＜20kWh/m³)，低能量儲存密度不僅會增加工藝設備的規模，也會進一步限制該系統實施的經濟可行性。

基于上述問題，本發明還同時提出了一種新的液態二氧化碳儲能系統，并將可再生能源系統與新的液態二氧化碳儲能系統相耦合以實現可再生能源制甲烷系統的連續、平穩及靈活運行。

發明內容

本發明的目的是一種連續且靈活的利用可再生能源制備甲烷的系統及方法，將液態CO₂儲能系統與可再生能源系統制甲烷系統相耦合，可實現連續、靈活的制備甲烷，同時還支持電網的電負荷調峰，可通過電力套利進一步降低甲烷生產成本。

本發明具體采用如下技術方案：