DE3020233C2 - Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie - Google Patents

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkalimetall Natrium, Lithium, Kalium, Lithium+ Natrium, Kalium+ Natrium oder Lithium+ Natrium und Lithium+ Natrium+ Kalium verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in den Reaktor eine Natronlauge mit einer Konzentration von IO bis 98 Gew.-°/o einleitet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Spitzenenergie mit Hilfe von Alkalimetallen.

Große Kraftwerke wie kalorische Kraftwerke und Kernkraftwerke erzeugen elektrische Energie in konstanter Menge, da deren Arbeitsprinzip keine Änderung der Energielieferung in schneller Anpassung an den momentanen Bedarf zulassen. Andererseits ist aber der Energiebedarf über 24 h nicht konstant, sondern schwankt dauernd von einer Minimalabnahme in der Nacht bis zu der Maximalabnahme zwischen 19 und 22 Uhr.

Um einerseits den Energiebedarf zu decken und andererseits eine Energieverschwendung zu vermeiden, werden kalorische Kraftwerke und Kernkraftwerke im allgemeinen so betrieben, daß sie über den ganzen Tag eine konstante Leistung von 60 bis 70% der maximal benötigten Leistung abgeben. Die restlichen 40 bis 30% werden von einer Reihe kleiner Zusatzaggregate zur Verfügung gestellt, die parallel mit dem Hauptkraftwerk arbeiten und die in erster Linie hydroelektrische Werke, kleine Gasturbinen oder Dieselaggregate sind, die aufgrund ihrer Flexibilität zu beliebiger Zeit arbeitsfähig sind und den benötigten fehlenden Teil an elektrischer Leistung abzugeben vermögen. Es ist offensichtlich, daß ein solches System übermäßige Leistung während der Nacht abgibt, während der Bedarf sehr gering ist. Diese Überschußenergie soll jedoch nicht verloren gehen, sondern sollte vollständig nutzbar gemacht werden.
Wie aus S. S, Penner und U Icerman »Energy« Vol. Il »Non-nuclear Energy Technologies« Addision — Wesley Publishing Company Ina 1975, Seite 241 bis 246 hervorgeht, so besteht das weitverbreiteteste und geeignetste System für die Nutzbarmachung überschüssiger elektrischer Leistung während Zeiten geringer

ίο Abnahme in einem Rückpumpen des abgearbeitete-n Wassers in einem Wasserkraftwerk. Die Aufgabe derartiger Anlagen liegt darin, Energie während der Nacht, wenn die Abnahme gegenüber der Abnahme bei Tag gering ist, zu verbrauchen, um diese bei Tag bei der größeren Abnahme, insbesondere bei Spitzenbedarf, zur Verfügung stellen zu können. Diese Anlagen beruhen darauf, daß eine bestimmte Wassermenge während der Nacht mit Hilfe von Energie, die von anderen Kraftwerken erzeugt worden ist, in den Speicher rückgepumpt wird, während dieses Wasser unter Tags wieder zur Erzeugung des Spilzenstroms abgearbeitet wird.

Obwohl dieses System insgesamt gesehen eine große Wirksamkeit besitzt, weist es auch verschiedene Nachteile auf, die seine Funktionsfähigkeit begrenzen. Dieses System ist absolut gebunden an ein Wasserkraftwerk und läßt sich Jamit nur in solchen Zonen oder Ländern anwenden, in denen ein hoher Anteil der elektrischen Energie durch Wasserkraft erzeugt wird.

Darüber hinaus ist nicht nur ein Wasserspeicher oberhalb des Wehres, sondern auch ein solcher unterhalb des Wehres bzw. der Druckleitung erforderlich, damit das Pumpsystem einen ausreichenden Wasservorrat für längere Arbeitszeiten vorfindet.

Schließlich geht aus James P. Hartnett »Alternative Energy Sources« Academie Press, 1976, Seite 11 hervor, daß der Anteil an durch Wasserkraft erzeugter elektrischer Energie immer weiter zurück geht, und zwar nicht nur in Italien und in Europa sondern auf der ganzen Welt.

Vor einem solchen Hintergrund ist es offentsichtlich, daß ein großer Bedarf für andere Systeme zur Speicherung von elektrischer Energie besteht, welche zusätzlich zu den oder allmählich anstelle der oben beschriebenen Pumpsysteme treten können und die eine wirtschaftliche Arbeitsweise gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie durch Lagerung von Alkalimetallen mit guter energiebilanz ohne der Nachteile der Pumpwerke, welches die Wiedergewinnung oder Nutzbarmachung einer unbegrenzten Energiemenge gestatten. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt gute Ergebnisse, wenn man als Alkalimetall Natrium und Lithium anwendet, jedoch sind auch andere Metalle wie Kalium und deren Gemische wie Li/Na, K/Na, Li/K oder Li/Na/K ebenfalls mit guten Ergebnissen verwendbar. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich an den Saisonalen Bedarf an elektrischer Energie, insbesondere in Verbindung mit Sonnenkraftwerken, anpassen. Derartige Kraftwerke werden im allgemeinen so dimensioniert, daß sie im Winter mit voller Kapazität arbeiten und damit im Sammer Überschußenergie liefern, wenn die maximale Sonnenenergie zur Verfügung steht. Die

Überschußenergie von Sonnenkraftwerken während des Sommers kann man nun erfindungsgemäß mit Hilfe der Alkalimetalle nutzbar machen, aus welchen dann im Winter die eingebrachte Energie in Form von Wärme

und Dampf gewonnen wird.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren, welches unter Verwertung von Überschußenergie während Zeiten geringen Strombedarfs elektrolytisch aus einem Elektrolyten in Form einer Schmelze der Alkalihydroxide die Alkalimetalle erzeugt. Die Metalle lassen sich nun lagern und wenn ein bestimmter Grenzwert des Strombedarfs überschritten ist, werden die Alkalimetalle mit einer wäßrigen Lösung ihrer Hydroxide in solchen Mengen gemischt, daß man die Hydroxide rein ι ο und im Schmelzzustand zusammen mit der entsprechenden Menge an Wasserstoff erhält Dabei wird die Reaktionswärme freigesetzt und die Verbrennungswärme des Wasserstoffs kann zur Erzeugung von Hochdruckdampf herangezogen werden, welcher !5 seinerseits wieder für die Stromgewinnung oder als Wärmequelle oder dergleichen Verwendung findet.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt somit folgende Verfahrensstufen:

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a) Eiektrölysieren einer Schmelze von einem Alkalihydroxid mit Überschußstrom während Zeiten geringen Strombedarfs und Lagerung der dabei erhaltenen Alkalimetalls in einem Vorratsgefäß;

b) exotherme Umsetzung des Alkalimetalls mit einer wäßrigen Lösung seines Hydroxids unter Bildung von Wasserstoff und einer Schmelze von reinem Alkalihydroxid bei gleichzeitiger Erzeugung von Heißdampf, welcher zur Stromerzeugung oder als Wärmequelle dient, mit Hilfe der Reaktionswärme und der Verbrennungswärme des Wasserstoffs;

c) Wärmeübertragung und Rückgewinnung des Teils des Alkalihydroxids entsprechend dem umgesetzten Metall und Auffangen des Alkalihydroxids in einem Sammelgefäß;

d) in Zeiten geringen Energiebedarfs Rückführen des Alkalihydroxids aus c) in die Elektrolyse a) unter Aufnahme der ÜberschuOenergie;

e) Mischen des restlichen Hydroxids mit Wasser und Rückleiten dieses Gemischs in das Reaktionsgefäß gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt somit die Verwertung überschüssiger elektrischer Energie während Zeiten geringer Stromabnahme zur Elektrolyse von Alkalihydroxid als Elektrolyt. Das dabei erhaltene Metall wird gesammelt und ist zur Wiederverwertung bereit, wenn der Strombedarf die normalen Werte übersteigt. In diesen Zeiten wird das Metall in ein Reaktionsgefäß geführt, dort mit einer wäßrigen Lösung seines Hydroxids umgesetzt, um eine einzige Verbindung, nämlich das entsprechende Alkalihydroxid zu bilden, welches aufgrund der Reaktionswärme im Schmelzzustand verbleibt.

Obwohl die Reaktion eines Alkalimetalls mit Wasser außerordentlich exotherm ist und es in manchen Fällen, z. B. beim Natrium oder Lithium, zu Explosionen kommen kann, ist darauf hinzuweisen, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine solche Gefahr vermieden ist, d. h. es kommt nicht zu Explosionen oder einer unkontrollierbaren Wärmeentwicklung, da die Anwesenheit des Hydroxids in der Reaklionsmasse eine zweifache Wirkung hat, d. h. Aufnahme der Reaktionswärme und Regelung der Reaktion Metall/Wasser durch Erleichterung des allmählichen Koniakts zwi- hi sehen den beiden Reakiionspartnern.

Die Konzentration der Alkalihydroxid-Lösung ist für ein entsorechendes Fortschreilen des Verfahrens von überragender Bedeutung, Sehr verdünnte Lösungen gestatten nur schwer die Regelung der Reaktion, während sehr konzentrierte Lösungen nicht gestatten, eine ausreichende Wärmemenge in der Zeiteinheit für den gewünschten Zweck zu gewinnen. Darüberhinaus hängt die Konzentration der Lösung auch von der Art des Alkalimetalls ab; wenn dieses Natrium ist, äst es vorteilhaft, mit Konzentrationen der Lösung von 10 bis 98 Gew.-% zu arbeiten. Die Temperatur innerhalb des Reaktionsgefäßes ist immer abhängig von der Reaktion zwischen Metall und Wasser. In jedem Fall wird das Verfahren so geführt, daß die Temperatur über dem Schmelzpunkt des sich bildenden Alkalihydroxids liegt, d. h. bei Natriumhydroxid schwanken die Temperaturen zwischen 400 und 650° C.

Der Betriebsdruck des Reaktors hängt von der Konzentration der Lösung ab. Es muß jedenfalls ein Sieden der Lösung bei Eintrittskonzentration und -temperatur vermieden werden. Bei Natriumhydroxid wird der Betriebsdruck zwischen 39 ? iind 490,3 N/cm² schwanken. Bei der Reaktion zwischen Alkalimetall und der Lösung seines Hydroxids entwickelt sich Wasserstoff. Bei Natrium erhält man je kg Natrium 0,5! m³ Wasserstoff (Normalbedingungen), der mit seinem Heizwert von 244 kj/mol eine weitere Wärmequelle darstellt.

Die nach beendeter Reaktion erhaltene Alkalihydroxid-Schmelze wird aus dem Reaktor ausgetragen und dient in einem Wärmeaustauscher zur Dampferzeugung. Aus diesem tritt das Hydroxid bei einer Temperatur etwas über dem Schmelzpunkt aus, so daß es leicht gehandhabt werden kann. Die Alkalihydroxid-Schmelze wird nun in zwei Teile geteilt. Der erste Teil entspricht dem reagierten Alkalimetall und wird auf Lager genommen, um bei Bedarf wieder in die Elektrolyse geleitet zu werden, während der zweite Teil mit Wasser gemischt wird und die dabei erhaltene wäßrige Lösung in das Reaktionsgefäß rückgeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit aus zwe^; Kreisen. Ein Kreis ist der des Alkalimetalls und der andere der des Alkalihydroxids. Diese Kreise haben eine Reaktionsstufe und eine Stufe der Wärmeübertragung gemeinsam.

Die chemische Reaktion sollte so sein, daß am Ende Alkalihydroxid vollständig frei von Wasser erhalten wird, jedoch soll dies keine zwingende Notwendigkeit sein, denn man erhält auch die gleichen Ergebnisse, wenn eine sehr hochkonzentrierte Lösung und nicht eine Schmelze des Alkalihydroxids aus dem Reaktor ausgetragen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand des beiliegenden Fließschemas weiter erläutert.

in der Elektrolysezelle S soll die Überschußenergie aus den Zeiten geringen Strombedarf für die Herstellung von Alkalimetall verbraucht werden. Das Metall gelangt dann über Leitung 14 in das Sammelgefäß 2, wo es so lange gelagert wird, als der Energiebedarf gering ist. Steigt nun d'.e Stromabnahme an, wird das Alkalimetall über die Leitung 6 in den Reaktor 1 gefördert, in welchen die wäßrige Lösung des Alkalihydroxids über die Leitung 7 herangebracht wird. In dem Reaktor 1 findet die Umsetzung des Metalls mit dem Wasser statt, so daß über die Leitung 10 entweder eine Schmelze oder ti<?e sehr konzentrierte Lösung des Alkalihydroxids bei hoher Temperatur austritt. Der bei der Umsetzung gebildete Wasserstoff verläßt den Reaktor 1 über die Leitung 15 und wird in einem (nicht

gezeigten) Dampfkessel abgebrannt.

Die Alkalihydroxid-Schmelze gelangt nun in den Wärmeaustauscher 3, in welchem seine Reaktionswärme verwertet wird. Anschließend wird die Alkalihydroxid-Schmelze oder hochkonzentrierte Lösung in zwei Teile geteilt. Der eine Teil entsprechend dem aus dem Sammelgefäß 2 entnommenen Alkalimetall wird über die Leitung 12 in das VorratsgefäD 4 gefördert, von wo es während der Zeiten von überschüssiger elektrischer Energie entnommen und in die Elektrolysezelle über die Leitung 13 geführt wird. Der andere Teil gelangt nach Zuspeisung von Wasser über die Leitung 9 und die Sammelleitung Il in die Pumpe 8, welche diese Lösung wieder in den Reaktor 1 rückführt.

Die Erfindung wird an folgendem Beispiel weiter erläutert.

Beispiel

nAlnnfö il Λ

/l 1 L· r» NJ <i I t-ii t ivi

Raumtemperatur zusammen mit 10.85 kg einer 92.46 Gew.-%igen Natronlauge von 35O°C in den Reaktor eingespeist. LJm ein Sieden der Lösung zu vermeiden, wird im Reaktor ein Druck von 58,8 N/cm² aufrecht erhalten. Aus dem Reaktor gewinnt man 0,51 m³ Wasserstoff (Normalbedingungen) von IOO°C, was einer verwertbaren Verbrennungswärme von

ί 6355 k| entspricht, sowie 11,81kg Natriumhydroxid-Schmelze von 634"C, welche in den Wärmeaustauscher 3 geht.

Im Wärmeaustauscher werden 4486 k| gewonnen. Das Natriumhydroxid verläßt den Wärmeaustauscher

ίο mit 350"C. 1.7 kg Natriumhydroxid entsprechend der Menge des reagierten Natriums wurden in dem Sammelgefäß 4 gelagert, während die restlichen 10.11 kg Natriumhydroxid mit einer Temperatur von 350'C mit 0,74 kg Wasser versetzt wurden und die so

ι Ί erhaltene Lösung wieder in den Reaktor eintrat.

Während der Zeiten geringen Energiebedarfs wurde da¹. Natriumhydroxid aus dem Sammelgefäß 4 in die Elektrolysezelle geleitel und dort die ursprüngliche

für Natrium rückgeführt, wo es für einen neuerlichen Kreislauf zur Speicherung von Überschußenergie zur Verfugung steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine Schmelze eines Alkalihydroxids mit Hilfe von überschüssiger elektrischer Energie während Zeiten geringen Strombedarfs elektrolysiert und das dabei gewonnene Alkalimetall sammelt;

b) das gesammelte Alkalimetall in Zeiten hohen Strombedarfs mit einer wäßrigen Lösung seines Hydroxids in einer exothermen Reaktion umsetzt, den dabei gebildeten Wasserstoff zur Erzeugung von Heißdampf oder elektrischer Energie oder als Wärmequelle durch Nutzbarmachung der Verbrennungswärme verwertet und

c) die Reaktionswärme in der Schmelze des reinen Alkalihydroxyds in einem Wärmeaustauscher nutzbar macht, woraufhin man

d) während Zeiten geringen Strombedarfs einen Teil des Alkalihydroxyds aus c) in die Elektrolyse a) führt und

e) das restliche Alkalihydroxid mit Wasser versetzt und die Lauge gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung nach b) rückleitet.