CN111810269A - 一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统及其工作方法，该系统包括氧化铝电解装置，氧化铝电解装置的阴极连通碱液反应器的燃料进口，将电化学反应产生的金属燃料铝送入碱液反应器；碱液反应器的氢气出口与储氢罐的进口相连通，碱液反应器的溶液出口与NaAlO2反应器的溶液进口相连通；NaAlO2反应器的溶液出口与Al(OH)3反应器的溶液进口相连通，Al(OH)3反应器反应所需的热源来自于可再生能源；Al(OH)3反应器的出口通过循环管路与氧化铝电解装置的熔融电解液进口相连通；碱液反应器连接动力循环转换装置。本发明具有能量密度高、绿色低碳无污染、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗和可实现氢气、碳酸钠和碳酸氢钠多联产等特点。

Description

一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及先进储能技术领域，特别涉及一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统及其工作方法。
背景技术
随着全球大气污染和气候变暖形势的日趋严峻，传统的以化石能源为主的发电系统将面临前所未有的压力和挑战。从世界范围来看，各国都在努力提高自身电力结构中可再生能源发电的比例。未来，世界能源领域的发展趋势必然是可再生能源逐步替代化石能源。然而，可再生能源由于自身的间歇性、不稳定性和不确定性等特点，严重阻碍了可再生能源发电的发展。未来要实现可再生能源替代化石能源，必须依赖大规模和长周期储能技术的发展和支撑。
目前，储能技术领域的研究十分活跃，各种储能技术迅猛发展，如抽水蓄能、压缩空气储能、锂电池储能、超级电容器储能、飞轮储能、储氢等。然而，现有的储能技术难以同时满足储能密度大、可移动性、自耗损失小和全球能源贸易的要求。因此，需要开发一种新的储能技术，从而使可再生能源发电在全世界范围内向更深、更广方向发展。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统及其工作方法，该系统具有储能密度高、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗和便于开展全球能源贸易等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统，包括氧化铝电解装置1，氧化铝电解装置1的阴极连通碱液反应器2的燃料进口，将电化学反应产生的金属燃料铝送入碱液反应器2，金属燃料铝在碱液反应器2中与水发生放热反应并产生氢气，化学反应方程式依次为2Al+6H2O＝2Al(OH)3+3H2和Al(OH)3+NaOH＝NaAlO2+2H2O；碱液反应器2的氢气出口与储氢罐9的进口相连通，碱液反应器2的溶液出口与 NaAlO2反应器3的溶液进口相连通；NaAlO2反应器3的溶液出口与 Al(OH)3反应器4的溶液进口相连通，在Al(OH)3反应器4中发生热分解反应2Al(OH)3＝Al2O3+3H2O，反应所需要的温度为650～850℃，Al(OH)3反应器4反应所需的热源来自于可再生能源；Al(OH)3反应器4的出口通过循环管路与氧化铝电解装置1的熔融电解液进口相连通；
所述的NaAlO2反应器3的气体进口与来自燃煤电站烟气CO2捕集装置的CO2相连通，在NaAlO2反应器3中，NaAlO2溶液与CO2发生反应生成Al(OH)3，同时可生成重要的化工原料Na2CO3和NaHCO3；
所述的碱液反应器2连接动力循环转换装置。
所述的动力循环转换装置包括碱液反应器2的工质进口与给水泵8的出口相连通，碱液反应器2的工质出口与汽轮机5的进口相连通，汽轮机 5与发电机6通过同轴连接，汽轮机5的工质出口与冷凝器7的工质进口相连通，冷凝器7的工质出口与给水泵8的工质进口相连通；动力循环中的做功工质经给水泵8升压后进入碱液反应器2吸收金属燃料铝与水反应产生的部分热量，工质温度升高成为过热蒸汽，随后进入汽轮机5膨胀做功，并带动发电机6旋转发电，做完功的工质经汽轮机5的出口进入冷凝器7，经冷凝后成为水再次进入给水泵8进入下一个循环过程。
所述氧化铝电解装置1发生电化学反应所需的电由可再生能源发电提供。
所述的基于金属燃料铝储能的多联产发电系统的工作方法，所述多联产发电系统以氧化铝为原料，当可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置1对熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存；当电网中可再生能源发电不足时，通过碱液反应器2和动力循环转换装置将金属燃料铝的化学能转化成电能，用以补充可再生能源发电的不足。
具体工作方法为：当全球范围内某一地区某一时段电网系统中可再生能源发电富余时，利用氧化铝电解装置1将熔融的氧化铝通过电化学反应转换为金属燃料铝，从而将可再生能源发电转换成金属燃料铝的化学能进行储存；当全球范围内某一区域某一时段电网系统中可再生能源发电不足时，通过开展全球能源贸易获得金属燃料铝，然后利用碱液反应器2和动力循环转换装置将金属燃料铝的化学能转换成电能，用以补充电网系统中可再生能源发电的不足；金属燃料铝在碱液反应器2中反应后的反应产物 NaAlO2经NaAlO2反应器3和Al(OH)3反应器4转化依次生成氢氧化铝和氧化铝，将最后生成的氧化铝进行回收，通过开展全球范围内的能源贸易输送到全球范围内可再生能源发电富余的地区，然后再利用氧化铝电解装置1将熔融的氧化铝通过电化学反应转换为金属燃料铝，将可再生能源发电转换成金属燃料铝的化学能进行储存，从而实现循环利用。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统，具有如下优点：(1)金属燃料铝的能量密度高；(2)铝燃料中不含碳，且系统整个工作过程不产生污染物，并能够降低温室气体CO2的排放，是一种绿色低碳的发电技术；(3)通过电化学反应将可再生能源发电转化为金属燃料铝的化学能进行储存，具有储能周期长，可实现永久储存的优点；(4)整个过程中铝燃料反应后，其反应产物通过电解再生可重新得到金属燃料铝，整个过程燃料铝循环再生、无消耗；(5)在发电的同时还可实现氢气、碳酸钠和碳酸氢钠多联产；(6)通过金属燃料铝进行储能，便于开展全球范围内的能源贸易。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为氧化铝电解装置、2为碱液反应器、3为NaAlO2反应器、 4为Al(OH)3反应器、5为汽轮机、6为发电机、7为冷凝器、8为给水泵、 9为储氢罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参考图1，本发明所述的一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统包括氧化铝电解装置1、碱液反应器2、NaAlO2反应器3、Al(OH)3反应器4、汽轮机5、发电机6、冷凝器7、给水泵8和储氢罐9。
所述氧化铝电解装置1所需要的电源由可再生能源发电提供，氧化铝电解装置1的阴极连通碱液反应器2的燃料进口，将电化学反应产生的金属燃料铝送入碱液反应器2，金属燃料铝在碱液反应器2中与水发生放热反应并产生氢气，化学反应方程式依次为2Al+6H2O＝2Al(OH)3+3H2和Al(OH)3+NaOH＝NaAlO2+2H2O；碱液反应器2的氢气出口与储氢罐9的进口相连通，碱液反应器2的溶液出口与NaAlO2反应器3的溶液进口相连通；NaAlO2反应器3的溶液出口与Al(OH)3反应器4的溶液进口相连通，Al(OH)3反应器4反应所需的热源来自于可再生能源；Al(OH)3反应器4的出口通过循环管路与氧化铝电解装置1的熔融电解液进口相连通。
所述NaAlO2反应器3的气体进口与来自燃煤电站烟气CO2捕集装置的CO2相连通，在NaAlO2反应器3中，NaAlO2溶液与CO2发生反应生成Al(OH)3，同时可生成重要的化工原料Na2CO3和NaHCO3，具体反应方程式为：(1)当CO2少量时，生成Na2CO3， 2NaAlO2+CO2+3H2O＝2Al(OH)3+Na2CO3；(2)当CO2过量时，生成 NaHCO3，NaAlO2+CO2+2H2O＝Al(OH)3+NaHCO3。
所述Al(OH)3反应器4的出口通过循环管路与氧化铝电解装置1的熔融电解液进口相连通，在其中发生热分解反应2Al(OH)3＝Al2O3+3H2O，反应所需要的温度为650～850℃，由可再生能源作为热源提供。
所述的动力循环转换装置包括碱液反应器2的工质进口与给水泵8的出口相连通，碱液反应器2的工质出口与汽轮机5的进口相连通，汽轮机 5与发电机6通过同轴连接，汽轮机5的工质出口与冷凝器7的工质进口相连通，冷凝器7的工质出口与给水泵8的工质进口相连通；动力循环中的做功工质经给水泵8升压后进入碱液反应器2吸收金属燃料铝与水反应产生的部分热量，工质温度升高成为过热蒸汽，随后进入汽轮机5膨胀做功，并带动发电机6旋转发电，做完功的工质经汽轮机5的出口进入冷凝器7，经冷凝后成为水再次进入给水泵8进入下一个循环过程。
本发明基于金属燃料铝储能的多联产发电系统以氧化铝为原料，当可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置1对熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存。当电网中可再生能源发电不足时，通过碱液反应器2和动力循环转换装置将金属燃料铝的化学能转化成电能，用以补充可再生能源发电的不足。
本发明的具体工作工程为：
当全球范围内某一地区某一时段电网系统中可再生能源发电富余时，利用氧化铝电解装置1将熔融的氧化铝通过电化学反应转换为金属燃料铝，从而将可再生能源发电转换成金属燃料铝的化学能进行储存。金属燃料铝具有能量密度高，且易于储存和运输等优点，可以像传统化石能源那样进行全球范围内的能源贸易。当全球范围内某一区域某一时段电网系统中可再生能源发电不足时，可通过开展全球能源贸易获得金属燃料铝，然后利用碱液反应器2和动力循环转换装置将金属燃料铝的化学能转换成电能，用以补充电网系统中可再生能源发电的不足。金属燃料铝在碱液反应器2中反应后的反应产物NaAlO2经NaAlO2反应器3和Al(OH)3反应器 4转化依次生成氢氧化铝和氧化铝，将最后生成的氧化铝进行回收，通过开展全球范围内的能源贸易输送到全球范围内可再生能源发电富余的地区，然后再利用氧化铝电解装置1将熔融的氧化铝通过电化学反应转换为金属燃料铝，将可再生能源发电转换成金属燃料铝的化学能进行储存，从而实现循环利用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统，其特征在于：包括氧化铝电解装置(1)，氧化铝电解装置(1)的阴极连通碱液反应器(2)的燃料进口，将电化学反应产生的金属燃料铝送入碱液反应器(2)，金属燃料铝在碱液反应器(2)中与水发生放热反应并产生氢气，化学反应方程式依次为2Al+6H2O＝2Al(OH)3+3H2和Al(OH)3+NaOH＝NaAlO2+2H2O；碱液反应器(2)的氢气出口与储氢罐(9)的进口相连通，碱液反应器(2)的溶液出口与NaAlO2反应器(3)的溶液进口相连通；NaAlO2反应器(3)的溶液出口与Al(OH)3反应器(4)的溶液进口相连通，在Al(OH)3反应器(4)中发生热分解反应2Al(OH)3＝Al2O3+3H2O，反应所需要的温度为650～850℃，Al(OH)3反应器(4)反应所需的热由可再生能源提供；Al(OH)3反应器(4)的出口通过循环管路与氧化铝电解装置(1)的熔融电解液进口相连通；所述的NaAlO2反应器(3)的气体进口与来自燃煤电站烟气CO2捕集装置的CO2相连通，在NaAlO2反应器(3)中，NaAlO2溶液与CO2发生反应生成Al(OH)3，同时可生成重要的化工原料Na2CO3和NaHCO3；
所述的碱液反应器(2)连接动力循环转换装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统，其特征在于，所述的动力循环转换装置包括汽轮机(5)、发电机(6)、冷凝器(7)和给水泵(8)；碱液反应器(2)的工质进口与给水泵(8)的出口相连通，碱液反应器(2)的工质出口与汽轮机(5)的进口相连通，汽轮机(5)与发电机(6)同轴连接，汽轮机(5)的工质出口与冷凝器(7)的工质进口相连通，冷凝器(7)的工质出口与给水泵(8)的工质进口相连通；动力循环中的做功工质经给水泵(8)升压后进入碱液反应器(2)吸收金属燃料铝与水反应产生的部分热量，工质温度升高成为过热蒸汽，随后进入汽轮机(5)膨胀做功，并带动发电机(6)旋转发电，做完功的工质经汽轮机(5)的出口进入冷凝器(7)，经冷凝后成为水再次进入给水泵(8)进入下一个循环过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属燃料铝储能的多联产发电系统，其特征在于，所述氧化铝电解装置(1)发生电化学反应所需的电由可再生能源发电提供。
4.权利要求1至3任一项所述的基于金属燃料铝储能的多联产发电系统的工作方法，其特征在于，所述多联产发电系统以氧化铝为原料，当可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置(1)对熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存；当电网中可再生能源发电不足时，通过碱液反应器(2)和动力循环转换装置将金属燃料铝的化学能转化成电能，用以补充可再生能源发电的不足。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，具体为：当全球范围内某一地区某一时段电网系统中可再生能源发电富余时，利用氧化铝电解装置(1)将熔融的氧化铝通过电化学反应转换为金属燃料铝，从而将可再生能源发电转换成金属燃料铝的化学能进行储存；当全球范围内某一区域某一时段电网系统中可再生能源发电不足时，通过开展全球能源贸易获得金属燃料铝，然后利用碱液反应器(2)和动力循环转换装置将金属燃料铝的化学能转换成电能，用以补充电网系统中可再生能源发电的不足；金属燃料铝在碱液反应器(2)中反应后的反应产物NaAlO2经NaAlO2 反应器(3)和Al(OH)3反应器(4)转化依次生成氢氧化铝和氧化铝，将最后生成的氧化铝进行回收，通过开展全球范围内的能源贸易输送到全球范围内可再生能源发电富余的地区，然后再利用氧化铝电解装置(1)将熔融的氧化铝通过电化学反应转换为金属燃料铝，将可再生能源发电转换成金属燃料铝的化学能进行储存，从而实现循环利用。
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