CS226721B2 - Method of energy accumulation with alkali metal storage - Google Patents

Description

228 721 —y-

Vynález se týká způsobu akumulování a produko-vání energie, při které» se skladují alkalické kovy. Jednáse o akumulování přebytečné elektrické energie, produkovanéběhem periody s nízký» odběrem elektrické energie, zalo-žené na jímání alkalických kovů a na jejich skladování.

Velká energetická zařízení na výrobu elektric-ké energie, jako jsou například ttermoelektrické nebothermonukleární energetická zařízení, produkují elektric-kou energii v konstantní» množství, což je nutné vzhledemk jejich konstrukci, přičemž neumožňují aby množstvíprodukované elektrické enertie bylo upravováno rychlepodle okamžité potřeby, vzhledem ke stále se měnícím požadavkům na odběr elektrické energie.

Požadavky na odběr elektrické energie odběratelise během jednoho dne mění a nejsou konstantní, přičemžtato změna v odběru se kontinuálně pohybuje od minimálníhodnotyk během noci k maximální hodnotě odběru v rozmezíod I9. do 22. hodiny.

Za účelem uspokojování potřeb odběratelů, Xasoučasně k zabránění plýtvání s elektrickou energií, pra-cují velká thermoelektrická a jaderná energetické zaří-zení tak, že během dne produkují elektrickou energii v

X 226 721 konstantním množství, které odpovídá 60 až 70 % z maxi-mální hodnoty požadované odběrateli. Zbývajících 30 až 40 %energie, potřebné k uspokojeni okamžitých energetickýchpožadavků, se dodává systémem» malých přídavných zaří-zení, které jsou připojeny paralelně k hlavnímu energetic-kému zařízení, přičemž těmito malými přídavnými energe-tickými zařízeními jsou hydroelektrická energetická zaří-zení, malé plynové turbiny nebo dieselová zařízení, kterávzhledem k operativnosti mohou pracovat v kteroukoliv dobu,přičemž dodávají potřebný zbytek elektrické energie kuspokojování okamžitých potřeb odběratelů, které nemohouvelká energetická zařízení splnit. Z výše uvedeného je patrné,že tento systém výroby elektrické energie produkuje přeby-tečnou energii během noci, kdy jsou požadavky na odběrelektrické energie malé. Tato vyrobená elektrická energiese ovšem nemůže ztratit a musí být nějakým způsobem využita. V současné době, jako je uvedeno v Energy, Vol.II :Non-nuclear Energy Technologies, /Addison - Wesley PublishingCompany lne., 1975/ str. 241,-246, autoři článku S.S. Pennera L. icerman, je nejrozšířenějším a nejběžněji používanýmsystémem» pro využití přebytečně produkované energie,vytvořené během periody s nízkým požadavkem na odběr elektric-ké energie, uspořádání, které sestává ze zařízení na produko-vání elektrické energie a z přečerpávacího zařízení, konstruova-né při hydroelektrických energetických zařízeních. Cílem 226 721 těchto systému je převést energii z nočního období, kdyvyužití zařízení produkujícího elektrickou energii jemalé, na období dne, kdy jsou požadavky na odběr elektric-ké energie větší. Tato uspořádání jsou založena v principuna přečerpávání určitého množství vody během noci do hornísběrné nádrže /využití energie na provoz jiných energetic-kých zařízení/, a na využití této energie během dne kprodukování elektrické energie během vrcholu odběru elektric-ké energie. I když aá tento systém celkem přijatelnoucelkovou účinnost, má přesto i některé nevýhody, kteréomezují jeho využitelnost. Za prvé je tento systém akumulo-vání energie přísně omezen pouze na hydroelektrická energe-tická zařízení, a z tohoto výše uvedeného důvodu může býttento systém využit pouze v těch místech nebo zemích, vekterých je elektrická energie z větší části produkovánahydraulickým způsobem. Kromě toho je třeba poznamenat,že tento systém nevyžaduje pouze horní sběrnou nádrž u hydro-elektrického energetického zařízení, ale rovněž i dolnísběrnou nádrž, mezi kterými se umístí přečerpávací systém,aby zde vzniklo určité dostatečné množství vody k vytvoře-ní dostatečně dlouhého provozního intervalu.

Nakonec je nutno rovněž uvést, jak je rovněžnaznačeno v "Alternativě Energy Sources”, Academie Press 4 226 721 1976, str. 11, autor James Pr Hartnett, že procento elek-trické energie produkované hydraulickým způsobem sepostupně snižuje, nejenom konkrétně v Itálii a v Evropě,ale rovněž i v celém světě.

Na základě výáe uvedených předpokladů a úvahje tudíž zřejmé, že v této oblasti vzniká určitá nutnostnalézt jiný systém pro akumulování elektrické energie,který by postupně nahradil stávající systémy, které jsoutvořené zařízením na výrobu elektrické energie a přečerpáva-cím zařízením, a který by byl stejně ekonomicky výhodný jakoexistující dosavadní zařízení.

Podle uvedeného vynálezu bylo zcela neočekáva-telně zjištěno, že je možno převádět a akumulovat elektric-kou energii způsobem, při kterém se skladují alkalickékovy.

Podstata způsobu akumulování energie, při kterémse skladují alkalické kovy, spočívá podle uvedeného vyná-lezu v tom, že přebytečné elektrické energie, produkovanéběhem periody s nízkým odběrem elektrické energie, se využijek elektrolýze alkalického hydroxidu v roztaveném stavu, avyrobený kov se skladuje ve vhodných zásobních nádržích.Exothermickou reakcí alkalického kovu s vodným roztokemhydroxidu stejného kovu ve vhodném reaktoru se získá vodík 226 721 5 . a Čistý hydroxid alkalického kovu v roztavené formě, přičemž v následující fázi se získá pára o vysoké teplotě,která se použije budto jako hnací medium při výrobě elektric-ké anergie nebo jednoduše jako tepelný zdroj zpětným využi-tím tepla reakce a spalováním vodíku, získaného shora uvede-ným způsobem. Po provedené tepelné výměně se získá částhydroxidu alkalického kovu, odpovídající množství zreagova-ného alkalického kovu, přičemž se tento hydroxid odvádí dozásobní nádrže. Během periody s nízkým odběrem elektric-ké energie se hydroxid získaný shora uvedeným způsobem recy-kluje do stupně, kde se provádí elektrolýza hydroxidu alka-lického kovu, k akumulování přebytečné elektrické energie.Zbývající podíl hydroxidu alkalického kovu se smíchává svodou a takto připravená směs se recykluje do reakční nádoby,případně se nejdříve skladuje a potom se odvádí do této nádoby.

Ve výhodném provedení postupu podle uvedenéhovynálezu je uvedeným alkalickým kovem může být sodík,lithium, draslík nebo lithium a sodík, draslík a sodík,lithium a sodík a směs lithium-sodík-draslík, přičemž nej-výhodnějěí je použití sodíku.

Rovněž je výhodné jestliže roztok hydroxidu sod-ného se přivádí do reaktoru v hmotnostní koncentraci pohy-bující se v rozmezí od 10 % do 98 % . 226 721 Výhodou postupu podle uvedeného vynálezuje to, že je možno při jeho provozování dosáhnout dobrýchvýsledků pokud se týče energetické bilance, přičemž sesoučasné odstraní nedostatky typické pro přečerpávacísystémy, povnšž umožňuje postup podle vynálezu zpětnévyužití energie bez jakéhokoliv'omezení na její množství.Jak již bylo uvedeno dosahuje se při provádění postupupodle vynálezu dobrých výsledků při použití sodíku a lithiajako alkalických kovu, ováem je rovněž zřejmé, že i připoužití ostatních alkalických kovů jako jsou draslíknebo směsí, aako jsou například směsi lithia a sodíku,draslíku a sodíku, lithia a draslíku,a lithia a sodíkua draslíku, je možno dosáhnout analogických výsledků.

Postup podle vynálezu tak jak byl shora popsánmůže být použit pro sezónní akumulování elektrické energie,a konkrétně může být využit v kombinaci se zařízeními nasluneční energii. V tomto směru je třeba poznamenat, že tato ener-getická zařízení musí být projektována tak, aby byla schop-ná pracovat s plnou kapacitou během zimního období, přičemžběhem letního období produkují přebytečné množství elektrické energie, t*_zn. v období, kdy příjem energie ze sluncedosahuje maximální hodnoty. 228 721 Přebytek elektrické energie ze zařízenína sluneční energii během letního období může být využitprostřednictvím skladování alkalických kovů, ze kterýchje možno teplo a páru zpětně získat v zimním období.

Jak již bylo shora uvedeno, je v postupupodle uvedeného vynálezu přebytečná elektrická energie,vyrobená během periody s nízkým odběrem elektrické energie,využita k elektrolytické výrobě alkalických kovů, přičemžse použije odpovídajících hydroxidů v roztaveném stavu jakoelektrolytu.

Takto získaný alkalický kov se skladuje a vokamžiku, kdy požadavky na odběr elektrické energie dosahujísvého maxima, se uvedený alkalický kov smísí s vodným roz-tokem svého hydroxidu v takovém poměru, aby byl nakoneczískán hydroxid v čistém stavu a v roztavené formě, společ-ně s odpovídajícím množstvím vodíku. Teplo, které se uvol-nilo během ieýše uvedené reakce a teplo uvolněné ze spalovánízískaného vodíku se využije k výrobě páry o vysoké teplotě,která může být využita v tomto cyklu jako hnací medium prozpětné získání elektrické energie, nebo může jednodušesloužit jako tepelný zdroj pro ohřívání nebo pro podobnéjiné účely. postupem podle uvedeného vynálezu se přebytek 226 721 elektrické energie, produkované během periody s nízkýmodběrem elektrické energie, použije na provoz elektroly-tického článku, ve kterém se použije jako elektrolytuhydroxidu příslušného blkalického kovu.

Takto získaný alkalický kov se potom shromaž-ďuje ve vhodných zásobnících, přičemž je připraven proopětné použití v periodě, kdy požadavky na odběr elektrickéenergie převyšují běžný průměr. Během této periody se kovpřevádí do reakční nádoby, ve které se mísí a reaguje svodným roztokem svého hydroxidu za účelem přípravy jedinésloučeniny, a to hydroxidu použitého alkalického kovu, kteráje udržována ve svém roztaveném stavu účinkem tepla zreakce.

Vzhledem k tomu, že reakce mezi alkalickýmkovem a vodou je silně exothermická a v některých případechmůže být například sodík nebo lithium explozivní, je nutnopodotknout, že při provádění postupu podle uvedeného vyná-lezu se tomuto nebezpečí předejde, t^^n. je vyloučenexplozivní charakter reakce a nekontrolovatelný vývojtepla, nebol se příznivě projeví přítomnost hydroxidu vreakční směsi v tom smyslu, že jednak tento hydroxid absor-buje teplo reakce a zároveň kontroluje průběh reakcealkalického kovu a vody, čímž se usnadní postupný kontakt mezi těmito dvěma složkami. 226 721

Koncentrace roztoku alkalického kovu nemápodstatnou důležitost pro vhodné provedení provedení pos-tupu podle uvedeného vynálezu, přičemž je Pouze nutnopoznamenat, že použitím velmi zředěných roztoků se značněznesnadní kontrola průběhu reakce, a na druhé straně připoužití velmi koncentrovaných roztoků není možno dosáhnoutdostatečné regenerace tepla za danou časovou jednotku proúčely, pro které je tato metoda určena. Kromě toho závisíkoncentrace roztoku na použitém alkalickém kovu, a v pří-padě, kdy je tímto kovem sodík, potom se ve výhodném prove-dení postupu podle uvedeného vynálezu pracuje s roztoky ohmotnostní koncentraci pohybující se v rozmezí od 10 do98 % . Teplota uvnitř reaktoru je vždy závislá na reakci mezikovem a vodným roztokem. Ve váech případech se postup podleuvedeného vynálezu provádí za takových podmínek, aby sezískala teplota převyšující teplotu tání uvedeného produko-vaného hydroxidu, a v případě hydroxidu sodného se tatoteplota pohybuje v rozmezí od 400 do 650 °C .

Provozní tlak v reaktoru závisí na koncentra-ci roztoku, přičemž hodnota tohoto tlaku musí být taková,aby se předešlo vření roztoku při vstupní koncentracia teplotě. V případě použití hydroxidu sodného se hodnotatohoto tlaku pohybuje v rozmezí od 0,4 do 5 MPa. ΊΟ 226 721 jako důsledek reakce mezi alkalickým kovem a roztokemhydroxidu tohoto alkalického kovu se uvolňuje vodík. V případě použití sodíku se na každý kilogram sodíkuvyrobí 0»5l vodíku, který má měrnou energii 266 kj/mol,což představuje další tepelný zdroj.

Roztavený alkalický hydroxid, získaný při prová-dění výše uvedené reakce, se odvádí z reaktoru a zavádí sedo tepelného výměníku za účelem výroby páry. Po provedenítéto tepelné výměny je teplota tohoto hydroxidu stáleještě na teplotě mírně vyšší než je teplota tání, takžeje možno s ním snadno manipulovat, přičemž tento hydroxidse rozděluje na dva podíly. První podíl, jehož množstvíodpovídá zreagovanému alkalickému kovu, se skladuje atento podíl je připraven pro recyklování do uvedenéhoelektrolytického stupně za účelem opětného akumulování elek-trické energie, vyprodukované během periodýs nízkým odběremelektrické energie, zatímco druhý podíl se smísí s vodouza vzniku vodného roztoku, který se recykluje a použijese v reakční nádobě. postup podle uvedeného vynálezu tedy sestáváze dvou provozních cyklů, jeden je určen pro alkalickýkov a druhý pro hydroxid tohoto alkalického kovu, přičemžtyto cykly mají společný krok chemické reakce a tepelnévýměny. 1 -Η 220 721 Při výše uvedeném popisu postupu podle uve-deného vynálezu se předpokládalo, že chemická reakceproběhne takovým způsobem, že se získá alkalický hydroxidúplně zbavený vody na konci této reakce, ovšem toto neníabsolutní omezení pro daný postup, nebot v případech, kdyse získá velmi koncentrovaný roztok hydroxidu, který seodvádí z reaktoru místo roztaveného hydroxidu, je možnodosáhnout podobných výsledků.

Postup podle uvedeného vynálezu bude v dalšímilustrován—detailněji s pomocí připojeného výkresu, kdeuvedený obrázek představuje průtokové schéma postupu podlevynálezu, přičemž toto provedení nijak neomezuje rozsahvynálezu.

Podle provedení, které je zobrazeno na tomtoobrázku, se přebytečná elektrická energie, získaná běhemperiody s malým odběrem elektrické energie, používá k výroběalkalického kovu, při které se použije elektrochemickéhočlánku 2 · Takto získaný kov se zavádí prostřednictvímpotrubí 14 do zásobní nádrže 2_ , kde se skladuje, přičemžpožadavky na odběr elektrické energie zůstávají stále malé. V případě, že se požadavek na odběr elektrické energiezvýší, při/irácůC se alkalický kov prostřednictvím potrubí 6ro reaktoru 1 , do kterého se zároveň přivádí vodný roztokalkalického kovu prostřednictvím potrubí χ · 226 721

Vodný roztok alkalického kovu reaguje v reaktoru1 s alkalickým kovem, přičemž potrubím 10 se odvádíbu&to roztavený hydroxid alkalického kovu o vysokéteplotě nebo velmi koncentrovaný roztok alkalického kovuo vysoké teplotě, a dále se vyrobí vodík touto výše uvede-nou reakcí, který se odvádí potrubím l£ do boileru,který není na obrázku znázorněn. "ioztavený hydroxid se zavádí do tepelného výmě-níku J , kde dochází ke zpětnému získání tepla reakce. ✓

Po provedení- tepelné výměně se hydroxid alkalického kovurozděluje na dva podíly. Jeden podíl, který je ekvivalentnímnožství kovu, odebíranému ze zásobní nádrže 2 , se zavádípotrubí® 12 do zásobní nádrže £ , ze které se tentohydroxid odvádí během periody s přebytečnou produkcí elektrické energie, a recykluje se do elektrochemického článku £prostřednictvím potrubí 13 , zatímco druhý podíl hydroxidualkalického kovu, do kterého se nejprve nástřikuje voda pomo-cí potrubí £ , se vede potrubím 11 do čerpacího zaří-zení 8 , které recykluje tento podíl do reaktoru 1 . V dalším popisu je uveden příklad praktickéhoprovedení postupu podle vynálezu za účelem lepšího ilustrová-ní tohoto postupu, přičemž tento příklad rovněž nijak neome-zuje rozsah vynálezu. 22B 721 přivádí do elektrochemického článku, ze kterého se získá-vá zpětně původní množství sodíku, přičemž toto množstvíse skladuje a v následné fázi se použije k výrobě energie. postup podle uvedeného vynálezu je využitel-ný ve všech případech kdy se k akumulování energie nehodíběžné postupy s přečerpávacími nádržemi. Příklad 226 721

Podle tohoto příkladu se 1 kilogram sodíkupři teplotě okolí odvede ze zásobní nádrže a přivede sedo reaktoru společně s 10,85 kilogramy 92,46 %-níhoroztoku hydroxidu sodného o teplotě 350 °C . Uvnitřreaktoru se udržuje tlak 0,6 MPa za účelem zabránění vřeníroztoku. Z uvedeného reaktoru se odvádí 0,51 vodíkuo teplotě 100 °C , přičemž spálením tohoto množství sezpětně získá 6 354 kj. Společně s tímto vodíkem se odvá-dí z reaktoru 11,81 kilogramů hydroxidu sodného o teplotě634 °C , který se zavádí do tepelného výměníku. Z tohoto zařízení se zpětně získá 4 485,05 kj,přičemž hydroxid sodný se odvádí o teplotě 350 °C . Vevhodné zásobní nádrži se skladuje 1,7 kilogramu hydroxidusodného, což odpovídá množství zreagovaného sodíku, přičemžzbývající podíl, t.zn. 10,11 kilogramů hydroxidu sodnéhoo teplotě 350 °C se smísí s 0,74 kilogramy vody, čímžse znovu připraví roztok hydroxidu sodného, který se recy-kluje do reaktoru. Během periody, kdy se produkuje přebytečnáelektrická energie, se shromažďovaný hydroxid sodný

Claims (4)

1. -#5 226 721 Předmět vynálezu 1. způsob akumulování energie, při kterémse skladují alkalické kovy , vyznačujícíse tím, že se přebytečné elektrické energie využije během periody s nízkým odběrem elektrické energiek elektrolýze alkalického hydroxidu v roztaveném stavua takto vyrobený alkalický kov se skladuje ve vhodných zásob-ních nádržích a v periodě zvýšeného požadavku na výrobuelektrické energie se provede exothermická reakce alkalic-kého kovu s vodným roztokem hydroxidu stejného alkalickéhokovu ve vhodném reaktoru, při které se získá vodík a čistýhydroxid alkalického kovu v roztavené formě, přičemž v násle-dující fázi se získá pára o vysoké teplotě, která se použijebudto jako hnací medium při výrobě elektrické energie nebojednoduše jako tepelný zdroj, zpětným využitím tepla reakcea spalováním vodíku, získaného shora uvedeným způsobem,přičemž po provedené tepelné výměně se zpětně získá částhydroxidu alkalického kovu odpovídající množství zreagova-ného alkalického kovu, přičemž se tento hydroxid odvádí dozásobní nádrže a během periody s nízkým odběrem elektric-ké energie se tento hydroxid recykluje do stupně, kde 226 721 se provádí elektrolýza hydroxidu alkalickéhé kovu kakumulování přebytečné elektrické energie, a zbývajícípodíl hydroxidu alkalického kovu se smíchápál s vodou atakto připravená směs se recykluje do reakční nádoby,případně se nejdříve skladuje a potom se uvádí do reakčnínádoby.
2. 2. Způsob podle bodu 1 , vyzna-čující se tím, že uvedeným alkalickým kovem je člen vybraný ze skupiny zahrnující sodík, lithium,draslík, nebo lithium a sodík, draslík a sodík, lithium a sodík, a směs lithium-sodík-draslík.
3. 3. Způsob podle bodu 1 , vyzna-čující se tím, že uvedeným alkalickým kovem je sodík.
4. 4· Způsob podle bodu 3 , vyzna-čující se tím, že roztok hydroxidu sodného se přivádí do reaktoru v hmotnostní koncentraci pohybu-jící se v rozmezí od 10 % do 98 % .