ES2559930T3 - Método para almacenar y transportar energía electroquímica - Google Patents

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Abstract

Proceso para almacenar, transportar y suministrar energía electroquímica utilizando un reactor electroquímico con metal alcalino y azufre en calidad de reactivos en un estación de energía electroquímica, caracterizado porque en un lugar de demanda de energía 1.) Se suministran respectivamente al menos un contenedor de acopio B1 con azufre líquido de alta pureza y un contenedor de acopio B2 con metal alcalino líquido de alta pureza 2.) Se suministra al menos un reactor electroquímico de metal alcalino/azufre, en cuyo caso este reactor comprende al menos los siguientes componentes: 2.1 un compartimiento A con polaridad negativa para alojar metal alcalino líquido 2.2 un compartimiento K con polaridad positiva para el alojamiento de azufre líquido, en cuyo caso 2.3 los compartimientos A y K están separados por un electrólito sólido E, el cual es permeable a los cationes formados por la oxidación del metal alcalino a la temperatura de operación de la celda, 2.4 electrodos para cerrar un circuito de corriente externo para la corriente eléctrica generada por la reacción del metal alcalino con el azufre 3.) Se conecta el contenedor de acopio B2 con el compartimiento A que tiene polaridad negativa y se conecta el contenedor de acopio B1 con el compartimiento K que tiene polaridad positiva introduciendo metal alcalino líquido en el compartimiento A de polaridad negativa y azufre líquido en el compartimiento K de polaridad positiva 4.) Se cierra el circuito de corriente externo mientras se oxida el metal alcalino y se forman sulfuros de metal alcalino en el compartimiento del cátodo K y se genera lujo de corriente, 5.) Se retiran los sulfuros de metal alcalino formados en el compartimiento del cátodo y se recogen en un contenedor de acopio B3, 6.) Se transportan los sulfuros de metal alcalino recogidos en el contenedor de acopio B3 hacia una segunda celda electroquímica en un sitio de alta disponibilidad de energía y se someten electrólisis en la celda electroquímica con la formación de azufre y metal alcalino, principalmente sodio de alta pureza, 7.) Se transporta al menos uno de los componentes obtenidos en el paso 6, azufre y metal alcalino, a un lugar de demanda de energía y se suministra a una estación de energía eléctrica de metal alcalino-azufre configurada como un generador de energía, en cuyo caso el azufre, el metal alcalino y los sulfuros de metal alcalino se almacenan respectivamente en contenedores de acopio separados, calentados.

Description

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DESCRIPCION
Metodo para almacenar y transportar energla electroqulmica
La invencion se refiere a un metodo para almacenar y para transportar energla electroqulmica con una central energetica electroqulmica a base de metal alcalino, en particular sodio, y azufre, en la cual ambos reactivos de la reaccion qulmica fluyen desde los contenedores de acopio a un reactor electroqulmico y los productos se apartan despues de la reaccion electroqulmica.
La generacion de energla electroqulmica en el caso de una central energetica de combustible fosil esta asociada con la generacion de CO2 y, por lo tanto, tiene una influencia considerable en el efecto invernadero. La generacion de energla con base en portadores de energla renovables, por ejemplo energla eolica, solar, geotermica o hidroelectrica, evita esta desventaja. Sin embargo, estos portadores de energla renovable no estan disponibles en la actualidad en todo momento para responder a la carga solicitada. Ademas, el lugar de generacion de energla puede diferir del lugar donde se requiere la energla. Para compensar esta desventaja inherente al sistema, se requiere el almacenamiento, la regulacion y opcionalmente tambien el transporte de la energla generada.
La energla de fuentes renovables tales como de los aerogeneradores o las plantas solares no se obtiene continuamente. La demanda y la disponibilidad no son compatibles. En estas condiciones marco no puede existir una red de corriente que se base exclusivamente en energlas renovables y que no obstante sea estable. Existe la necesidad de equilibrar y de regular estas fluctuaciones con alta eficiencia por medio de sistemas economicos y eficientes en energla.
En muchas regiones de la tierra con baja densidad de poblacion, por ejemplo en el Sahara, Islandia o en mar abierto ("off-shore"), existe el potencial para generar energla electrica de manera extremadamente eficiente a partir del viento, el sol o energla geotermica por medio de aerogeneradores, plantas solares o estaciones de energla geotermica debido a las condiciones marco geograficas, climaticas y geologicas. Sin embargo, hoy en dla faltan procesos industriales de transporte de esta energla a regiones que tienen un alto consumo. Los sistemas de transporte tradicionales estan limitados por perdidas en la red y costes de construccion de la red. La tecnologla de hidrogeno en la cual la energla electrica generada en el sitio se convierte en hidrogeno y a continuacion se convierte en corriente en una celda de combustible tiene una eficiencia total aproximada de 20% y por esto no es atractiva ya que el transporte y la licuefaccion del hidrogeno consumen una gran porcion de la energla.
El almacenamiento de grandes cantidades de energla electrica es, tal como el transporte de energla electrica a largas distancias, un problema que hasta ahora se ha solucionado solamente de manera insatisfactoria. Para almacenar energla electrica, a escala industrial hasta ahora se han utilizado plantas de almacenamiento con base en bombas, en las cuales se utiliza la energla potencial de la diferencia de altura geodatica del agua para conversion en corriente. Sin embargo, la construccion de tales plantas de energla de almacenamiento con base en bombas esta limitada por condiciones marco geograficas y ecologicas. Las estaciones de energla de almacenamiento a presion en las cuales la compresion del aire se utiliza para almacenamiento de energla estan limitadas debido a su eficiencia comparativamente baja. Otras formas de almacenamiento de energla, tales como los super-capacitores o los volantes de inercia tambien estan dirigidos a otros mercados objetivo (almacenamiento de corto plazo). Las baterlas, para las cuales se han realizado diferentes conceptos a nivel industrial, son las que mas se acercan al cumplimiento de este requisito.
De la DE-A-2635900 se conoce una baterla que comprende al menos un metal alcalino fundido en calidad de anodo y un participante de la reaccion catodica que es capaz de una reaccion electroqulmica reversible con el participante de la reaccion anodica. El participante de la reaccion catodica comprende sales de polisulfuro fundidas o una mezcla bifasica de azufre fundido y sales de polisulfuro saturadas con azufre fundido. Esta baterla tiene ademas capas de barreras permeables al cation para el transporte de llquido entre la zona de reaccion anodica y la zona de reaccion catodica.
A partir de la DE-A-2610222 se conoce una baterla compuesta por varias celdas de azufre-sodio en cuyo caso cada celda tiene 1) una seccion catodica con un reactivo catodico, llquido a la temperatura de operacion, 2) al menos un tubo de electrolito solido compuesto de azufre, fosforo o selenio o sales alcalinas de estos elementos, el cual tiene un reactivo anodico, llquido a la temperatura de operacion, compuesto de un metal alcalino, principalmente sodio y 3) un recipiente anodico que contiene una reserva del reactivo anodico.
De la EP-A-116690 se conoce la conexion de varias baterlas de sodio-azufre como modulos para un sistema de almacenamiento de energla.
Todas estas baterlas tienen en comun que, como sistemas cerrados, estan limitadas en su almacenamiento de energla por la cantidad de los reactivos (participantes de la reaccion redox) contenidos en la baterla. Esta limitacion fue superada por la baterla de flujo. La base de este concepto de baterla se forma por electrolitos llquidos que estan compuestos de solvente y de sal metalica. El volumen de acopio limitado de las baterlas clasicas se incrementa por segundos recipientes secundarios de acopio que comprenden los reactivos.
De la DE-A-2927868 se conoce una baterla de flujo para el almacenamiento y la liberacion de energla electrica en una celda electroqulmica que tiene un compartimiento de anodo y un compartimiento de catodo que estan separados uno de otro por una membrana semipermeable de intercambio ionico, en cuyo caso el compartimiento del anodo se alimenta con una solucion llamada anolito, un compuesto capaz de oxidarse y que permanece 5 esencialmente disuelto en la solucion de anolito y puede reducirse nuevamente desde su forma oxidada; la solucion de anolito oxidada se retira del compartimiento de anolito y se almacena la solucion de anolito oxidada. Al mismo tiempo, el compartimiento de catolito se alimenta con una solucion de catolito, un compuesto reducible que permanece esencialmente disuelto en el solvente de catolito y puede volver a oxidarse a partir de su forma reducida. La solucion de anolito y la solucion de catolito pueden almacenarse en dos recipientes correspondientes y hacerse 10 circular por medio de bombas de circulacion a traves del compartimiento anodico y del compartimiento catodico. La solucion de catolito puede contener, por ejemplo, bromo hexavalente y la solucion de anolito puede contener bromo divalente.
De la DE-A-1771148 y de la US-A-3533848 se conoce un sistema para obtener energla electrica por medio de combinacion electroqulmica de sodio y azufre, caracterizado porque tiene un diafragma a traves del cual pueden 15 pasar iones de sodio con espacios adyacentes para sodio y azufre, un contenedor para almacenar el sodio por fuera de la celda, conductos para transportar el sodio desde el contenedor de acopio a la celda de combustible, un contenedor para almacenar el azufre por fuera de las celdas y conductos para transportar el azufre desde el contenedor de acopio a la celda. Las celdas pueden estar conectadas electricamente en serie, por ejemplo.
De la JP-A-2001118598 se conoce la operacion de baterlas de sodio-azufre que usan dos o mas tanques para el 20 sodio fundido.
De la JP-A-2002184456 se conoce la operacion de una baterla de sodio-azufre que usa un tanque de almacenamiento externo para azufre, el cual este conectado de una manera fija a la baterla.
En el caso de las baterlas conocidas de sodio-azufre y de sus modalidades como baterla de flujo, la introduccion de la energla almacenada en los materiales de partida, sodio y azufre, y la descarga por reaccion de sodio y azufre 25 para formar sulfuro de sodio o polisulfuro de sodio, se acoplan tanto en tiempo como en lugar.
Por lo tanto, un objeto de la invencion fue proporcionar un metodo de operar una estacion de energla electroqulmica usando como materiales de partida un metal alcalino, en particular sodio, y azufre. En una modalidad, la estacion de energla electroqulmica es operada suministrando sodio y azufre por separado. La energla electrica se genera y se produce polisulfuro de sodio. El polisulfuro de sodio se separa de la estacion de energla y se recicla. En una 30 electrolisis subsiguiente, se reutiliza el polisulfuro de sodio y vuelve a disociarse en sodio y azufre mediante consumo de energla. El metodo de la invencion tambien permite llevar a cabo en una planta los pasos de proceso de generacion de energla y utilization de energla con la descomposicion de polisulfuro de sodio. La generation de energla y la utilizacion de energla pueden optimizarse en terminos de rendimiento energetico y de marcha de la carga. La utilizacion de energla puede tener lugar, por ejemplo, en lugares que tienen alta disponibilidad de energla 35 y la generacion de energla puede tener lugar en sitios de una alta demanda de energla.
La invencion se refiere a un proceso para almacenar, transportar y suministrar energla electroqulmica en una planta de energla electroqulmica, caracterizado porque en un sitio de demanda de energla
1.) Se suministran respectivamente al menos un contenedor de acopio B1 con azufre llquido de alta pureza y un contenedor de acopio B2 con metal alcalino llquido de alta pureza,
40 2.) Se suministra al menos una celda electroqulmica de metal alcalino/azufre, en cuyo caso esta celda comprende
respectivamente al menos los siguientes componentes:
2.1 un compartimiento de anodo A para alojar el metal alcalino llquido
2.2 un compartimiento de catodo K para alojar el azufre llquido, en cuyo caso
2.3 los compartimientos A y K estan separados por un electrolito solido E el cual es permeable a cationes formados
45 por la oxidation del metal alcalino a la temperatura de operacion de la celda.
2.4 electrodos para cerrar un circuito de corriente externo para la energla electrica generada por la reaccion del metal alcalino con el azufre,
3. ) Se conecta el contenedor de acopio B2 con el compartimiento de anodo A y se conecta el contenedor de acopio BS con el compartimiento de catodo K introduciendo metal alcalino llquido en el compartimiento de anodo A y azufre
50 llquido en el compartimiento de catodo K
4. ) El circuito de corriente externo se cierra lo que da lugar a una oxidacion del metal alcalino, a la formation de sulfuros de metal alcalino en el compartimiento de catodo K y al flujo de corriente electrica,
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5. ) Los sulfuros de metal alcalino formados en el compartimiento de catodo se separan y se recogen en un contenedor de acopio B3,
6. ) Los sulfuros de metal alcalino recogidos en el contenedor de acopio B3 se transportan hacia una segunda celda electroqulmica en un lugar de alta disponibilidad de energla y se someten a electrolisis en la celda electroqulmica para formar azufre y sodio de alta pureza,
7. ) Al menos uno de los componentes, azufre y metal alcalino, obtenidos en el paso 6, se transporta a un lugar de demanda de energla y se alimenta a una estacion de energla electroqulmica configurada como generador de energla, en cuyo caso el azufre, el metal alcalino y los sulfuros de metal alcalino se almacenan respectivamente en contenedores de acopio calentados, separados.
La temperatura de operacion de la celda electroqulmica es preferiblemente de al menos 250 °C y se encuentra de manera preferente en un intervalo de 300 °C a 350 °C.
Los sulfuros de metal alcalino formados en el compartimiento del catodo pueden comprender sulfuro de metal alcalino y/o los polisulfuros correspondientes, principalmente polisulfuros de la formula IV^Sx, donde x significa un numero > 2, en particular polisulfuros de sodio Na2Sx.
Cuando se genera potencia en el reactor de metal alcalino-azufre, el metal alcalino se oxida en el espacio del anodo en el electrolito E, en cuyo caso los cationes de metal alcalino formados migran a traves de la pared semipermeable del electrolito E hacia el espacio del catodo y reaccionan all! con el azufre para formar sulfuros de metal alcalino.
Los sitios de demanda de energla son principalmente todos los sitios en los que se requiere energla y no se encuentra disponible en una medida suficiente. Los sitios que tienen una alta disponibilidad de energla son principalmente los sitios en los que se puede generar energla electrica de manera economica y, en particular de una manera ecologica, en cuyo caso la generation es capaz de efectuarse por medio de estaciones de energla electrica convencionales aunque tambien, en particular, por medio de energla solar, hidroelectrica y eolica.
El proceso de la invention permite por lo tanto el transporte del metal alcalino, en particular sodio, y de azufre para que sean transportados por largas distancias, por ejemplo en barco, con el proposito de generar energla electrica en el proceso de acuerdo con la invencion. De esta manera, desde el punto de vista energetico es posible transportar sodio y azufre desde un lugar preferido para las energlas renovables hasta un lugar de consumo que esta alejado miles de kilometros, por ejemplo, y el transporte de vuelta del polisulfuro de sodio producido para una disociacion reiterada. Esto permite que se utilicen de manera dirigida fuentes de energla renovables en sitios en los que puede generarse energla en exceso. Al contrario, la energla almacenada de acuerdo con el principio de electrolisis de sodio-azufre puede transportarse a sitios donde existe una demanda correspondiente.
En una modalidad preferida, la estacion de energla electroqulmica que va a utilizarse de acuerdo con la invencion se basa en celdas de un reactor que estan adaptadas al uso particular en terminos de cantidad y de construction. En una modalidad preferida, se encuentra presente la celda del reactor tubular. En este caso, es posible usar celdas de electrolisis clasicas, similares a la celda de membrana en el caso de la electrolisis de cloro - metal alcalino. Sin embargo, en el sistema sodio-azufre, el electrolito solido E, principalmente una ceramica funcional que conduce iones de sodio, separa a los reactivos llquidos. Pueden combinarse varias celdas individuales para formar modulos. Para optimizar el rendimiento, varias unidades de celdas separadas por el electrolito se conectan en paralelo. Otra geometrla posible de la celda son las celdas tubulares en las que el sodio y el azufre, separados por la ceramica funcional que conduce iones de sodio, fluyen pasando uno al lado del otro. En el caso de un volumen predeterminado, es deseable optimizar la proportion de superficie/volumen del electrolito a los reactivos, independientemente de la construccion de la celda, de modo que sea posible una construccion compacta incluso en plantas grandes y la densidad de rendimiento por volumen sea tan alta como sea posible. Independientemente de la construccion, las celdas individuales, que tienen cada una un voltaje de celda de aproximadamente 2 V, estan conectadas entre si en serie o en paralelo. El nivel de voltaje establecido de esta manera esta dado por la suma de los voltajes de los modulos de celda conectados en serie. La cantidad introducida de sodio y de azufre desde los contenedores de acopio a traves de las celdas y de vuelta al contenedor de acopio B3 de polisulfuro de sodio se adapta a la generacion de energla electrica. En este caso, la introduction del producto y la separation del producto de reaction pueden efectuarse de manera continua o discontinua. El metal alcalino, el azufre y el polisulfuro de metal alcalino se almacenan en contenedores de acopio separados, calentados, en particular en tanques. De acuerdo con la invencion, la capacidad de la estacion de energla electrica no tiene limitaciones. Los bloques de la estacion de energla electrica de > 1 MW, principalmente 1 - 1.000 MW, son, por consiguiente, facilmente posibles. El voltaje de la unidad de estacion de energla puede alimentarse a la red de energla despues de convertirse en corriente trifasica. La optimization del reactor electroqulmico pretende una proporcion tan grande como sea posible de superficie-volumen de la ceramica funcional que conduce iones de sodio al volumen de los reactivos de modo que incluso en el caso de plantas grandes sea posible una construccion compacta y el rendimiento de la potencia por volumen sea tan alto como sea posible.
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En una modalidad preferida, el suministro y/o la descarga de la corriente electrica a los electrodos y hacia afuera de los electrodos se efectua mediante una pluralidad de puntos distribuidos de manera uniforme sobre la superficie de dichos electrodos. En otra modalidad preferida, el metal alcalino llquido es sodio de alta pureza, el cual tiene preferiblemente un contenido maximo de cationes divalentes menor a 3 ppm. En otra modalidad preferida, el no metal llquido es azufre. De acuerdo con un metodo preferido, la celda se opera preferiblemente con el metal alcalino llquido circulando por medio de un gas inerte introducido a presion supra-atmosferica.
En una modalidad preferida, el electrolito se compone de p-oxido de aluminio o de p"- oxido de aluminio, el cual se estabiliza preferentemente, preferiblemente con MgO o U2O.
En una modalidad preferida, el azufre llquido se mezcla con un aditivo para mejorar la conductividad en el compartimiento del catodo. Los aditivos preferidos son selenio, tetracianoetileno, grafito y negro de humo.
Ejemplos
Ejemplo 1:
A) Generation de energla Aparatos
Se empleo el aparato de laboratorio mostrado como un diagrama de flujo en la figura 1.
El aparato se mantuvo a 300 °C por medio de cintas calefactoras electricas y un aislamiento termico correspondiente.
El aparato tiene 3 contenedores de acopio B1, B2, cada uno con un volumen utilizable de 2,5 litros y B3 con un volumen utilizable de 4 litros.
B1 sirve para alojar azufre llquido, B2 para alojar sodio y B3 para alojar el azufre y el polisulfuro formado proveniente de B2. C1 es la celda de electrolisis. A traves de las valvulas pueden introducirse nitrogeno en las posiciones marcadas con N2 al aparato. En los sitios marcados con SV se encuentran las valvulas de seguridad. Los instrumentos de medida estan en las posiciones marcadas para medir el caudal (FI), la presion (PI), el nivel de llenado (LI) y la temperatura (TI).
Los contenedores tienen una abertura de cierre rapido en la tapa para introducir el solido. El reactor de electrolisis C1, el cual esta dividido por un electrolito ceramico en estado solido que conduce iones (200 cm2, 2 mm de espesor), esta conectado por medio de tuberla fija que tiene valvulas de cierre con estos 3 contenedores de acopio.
Todos los componentes de construction estan compuestos de acero inoxidable. Para evitar cortocircuitos, los conductos y las partes del aparato que tienen polaridades diferentes se mantienen electricamente aparte por medio de aislamiento electrico adecuado.
La parte de la celda que conduce azufre y los conductos y contenedores B1 y B3 conectados a la misma tienen una polaridad positiva. La parte de las celda que conduce sodio y los conductos y el contenedor B2 conectados a la misma tienen una polaridad negativa.
Los puntos de medicion se configuran preferiblemente para:
- la temperatura y la presion en los contenedores B1, B2, B3 y el reactor de electrolisis C1,
- el nivel de llenado en los contenedores B1, B2, B3
- el caudal del gas de enjuague en los contenedores B1, B2, B3 y en el reactor de electrolisis C1,
- voltaje de la celda y corriente de electrolisis del reactor de electrolisis C1.
Generacion de energla electroqulmica
En el contenedor B1 se introdujo azufre como un polvo con un aditivo conductor compuesto de 1% de selenio y tetracianoetileno y all! se fundio bajo gas inerte.
En el contenedor B2 se introdujo sodio altamente puro y all! se fundio bajo gas inerte.
El espacio de electrodo con polaridad negativa del reactor de electrolisis se lleno hasta rebosar con sodio llquido. El espacio de electrodo con polaridad positiva del reactor de electrolisis se lleno hasta rebosar con azufre llquido.
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Cuando ocurre el rebosamiento, la corriente de nitrogeno que fluye de B1 a B3 empuja el azufre (mas tarde polisulfuro) del reactor hacia el contenedor B3. Los niveles de llenado de los contenedores se corrigieron luego mediante introduccion de mas sulfuro. Los contenedores B1 y B2 se llenaron en 80% antes de comenzar la generacion de energla electroqulmica, el contenedor B3 se lleno en 10 %.
Antes de encender la electrolisis, se cerro la valvula de fondo del contenedor B1 (azufre) y se abrio la valvula de fondo del contenedor B2 (sodio), la cual estaba provista con un orificio regulador, y la valvula de sodio se cierra en la desviacion (bypass)
Del reactor electroqulmico se saco una corriente de electrolisis de 0,1 a 40 A conectando una resistencia electrica variable entre una polaridad positiva y una polaridad negativa. El potencial de reaccion electroqulmica se determino de tiempo en tiempo, sin corriente, con los terminales abiertos,
Cuando el potencial de reaccion electroqulmica hubo caldo por debajo de 2,00 voltios, la valvula del fondo del contenedor B1 se abrio manualmente y se alimento discontinuamente el azufre llquido al reactor C1. El espacio del sodio en el reactor de electrolisis se mantuvo lleno mediante afluencia automatica desde el contenedor de acopio B2.
En el transcurso del experimento, los niveles de llenado en los contenedores de acopio B1 y B2 se redujeron mientras que se incrementaba el nivel de llenado en B3.
Durante el experimento que corrio por 100 horas, se hicieron reaccionar 2000 g de sodio metalico y 4400 g de azufre. En este caso, en total se hicieron pasar 2330 Ah de carga electrica. El voltaje promedio de la celda fue de 1,91 voltios. El analisis del producto recogido en B3 correspondio a la composicion Na2S2,9.
B) Electrolisis de polisulfuro
El aparato de electrolisis correspondio a la configuracion del Ejemplo A) para la generacion de energla. Se colocaron 6400 g de polisulfuro de sodio de la composicion Na2S2,9 en el contenedor B3. La valvula de fondo del contenedor B1 (azufre) se cerro y la valvula de fondo, provista con un orificio regulador, del contenedor B2 (sodio) se abrio y la valvula de sodio se cerro en la desviacion (bypass).
Se suministro una corriente de electrolisis desde 0,1 hasta 40 A, en promedio 20 A, al reactor electroqulmico encendiendo un aparato de electrolisis electrico regulable, conectado entre una polaridad positiva y una polaridad negativa. El potencial de reaccion electroqulmica se determino de tiempo en tiempo, en ausencia de corriente, con los terminales abiertos.
Cuando el potencial de la reaccion electroqulmica hubo aumentado por encima del valor de 2,07 voltios, la valvula de fondo del contenedor B3 se abrio manualmente y se alimento continuamente polisulfuro llquido al reactor C1. El sodio recogido en el espacio de sodio del reactor de electrolisis fluyo de vuelta automaticamente hacia el contenedor de acopio B2.
En el transcurso del experimento, los niveles de llenado en los reservorios B1 y B2 se incrementaron mientras que disminula el nivel de llenado en B3.
Durante el experimento que corrio por 100 horas, se produjeron 2000 g de sodio metalico y 4400 g de azufre a partir de 6400 g de polisulfuro. Durante este tiempo se introdujo un total de 2330 Ah de carga electrica. El voltaje promedio de la celda fue de 2,25 voltios.
Ciclos de los experimentos
Los experimentos con la secuencia de generacion de energla electroqulmica y consumo de energla electroqulmica por medio de electrolisis de polisulfuro de sodio se repitieron 10 veces sin haber observado un cambio en el comportamiento de reaccion.
Ejemplo 2:
2.1 Estacion de energla
Se diseno una estacion de energla con almacenamiento de 1000 MW, la cual tiene una capacidad de almacenamiento para 50 horas de carga plena. El diagrama de flujo presentado en la figura 2 muestra esquematicamente esta estacion de energla.
Todos los aparatos y tuberlas que conducen el producto se mantienen a 300 °C por medio de calefaccion electrica adicional y aislamiento termico correspondiente. Hay tres tanques de acopio, B1 y B2 con un volumen cada uno de 22000 m3 y otro tanque B3 con 45.000 m3. Los contenedores se llenan con sodio llquido (B2) y azufre llquido (B1)
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desde barcos tanqueros. A manera de ejemplo, hay tres bloques de reactor de electrolisis C1, C2 y C3, cada uno con una potencia electrica nominal de 334 MW. Estos bloques del reactor estan compuestos de reactores ceramicos modulares que tienen electrolitos, en estado solido, que conducen iones.
Una estacion de energla de almacenamiento de 1000 MW tiene un volumen total de reactor de 5000 m3 y una superficie de electrodos total de 500000 m2. A los reactores individuales se suministra sodio y azufre por medio de un sistema distribuidor con potenciales separados. El polisulfuro formado en la reaccion se recoge con potenciales separados y se alimenta al tanque B3.
Con el fin de evitar un cortocircuito, los conductos y las partes del aparato que tienen diferentes polaridades se mantienen electricamente separados por medio de aislamiento electrico adecuado. De esta manera, se separa electricamente de manera preferida el contenedor de acopio BA de la celda por medio de una separacion de potencial.
La parte conductora de azufre del reactor de electrolisis tiene una polaridad positiva. La parte conductora de sodio del reactor de electrolisis tiene una polaridad negativa.
2.2 Generacion de energla electroqulmica
La planta correspondiente basicamente a la estructura descrita en 2.1) se utiliza para almacenamiento suministrando corriente en un sitio con exceso de energla.
El potencial de reaccion electroqulmica se mantiene a 2,00 voltios por celda individual dosificando azufre de manera controlada. Se logra un voltaje total, del lado de la corriente directa, de 1000 V y un total de corriente por bloque del reactor de 334 kA al conectar electricamente las celdas individuales en serie y en paralelo.
La corriente directa se convierte en corriente alterna por medio de inversores controlados. Luego, la corriente alterna se eleva a alta tension, a la tension de la red, por medio de los transformadores de corriente alterna.
Electrolisis de polisulfuro de sodio
Encendiendo los rectificadores regulados puede utilizarse la energla de la red en las celdas de electrolisis. En esto, el polisulfuro se alimenta a los reactores y se obtienen sodio y azufre. Los tanques correspondientes se llenan y se vaclan.
El valor de las corrientes directas es tan grande como en el caso de la generacion de energla. El voltaje de carga es aproximadamente 0,2 mas alto que el voltaje de descarga en la generacion de energla.
Ciclos de carga
El sistema es estable a largo plazo y estable a los ciclos.
Potencial de impedimento de CO2
Si se compara la estacion de energla de almacenamiento del ejemplo 2 con un estacion de energla convencional de hulla, entonces a un rendimiento nominal de 700 MW resulta un tiempo de corridas de 71 horas hasta una equivalencia de energla (= 50 GWh). Para la generacion de 50 GWh se requieren alrededor de 16 180 toneladas metricas de hulla a una eficiencia de 38% y un consumo especlfico de carbon de 323g/kWh. Esto corresponde a 48 540 toneladas metricas de CO2 que se ahorran por ciclo de generacion de energla por parte de la estacion de energla de almacenamiento electroqulmico, siempre que la energla almacenada se suministre exclusivamente de fuentes de energla renovables.
Incluso el transporte de reactivos por distancias de varios miles de kilometros tiene sentido. De esta manera, el sodio y el azufre pueden producirse en sitios que tienen una alta disponibilidad de energla y transportarse de una manera dirigida a sitios que tienen una alta demanda de energla. Por ejemplo, los reactivos pueden producirse mediante suministro de energla fotovoltaica en el norte de Africa y despues enviarse por mar a un puerto. A una distancia de transporte de 3000 km y un consumo especlfico de aceite de un tanquero oceanico de 1,6 gramos de aceite pesado/tonelada de cargamento/kilometro, el consumo de aceite pesado es de 244 toneladas metricas para una carga adicional de 50 000 twd. A una eficiencia cinetica del motor de combustion interna de 25%, esto corresponde un consumo de energla de 684 Mwh. Si a los 50 000 twd de sodio y azufre se asigna un contenido de energla especlfico conservador de 123 Wh/kg, la carga adicional total corresponde a un contenido de energla de 6241 MWh. Por consiguiente, solamente el 11% de la energla almacenada originalmente en los reactivos ha sido consumido en transporte despues de una distancia de transporte de 3000 km.

Claims (23)

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    REIVINDICACIONES
    1. Proceso para almacenar, transportar y suministrar energla electroqulmica utilizando un reactor electroquimico con metal alcalino y azufre en calidad de reactivos en un estacion de energla electroqulmica, caracterizado porque en un lugar de demanda de energla
    1. ) Se suministran respectivamente al menos un contenedor de acopio B1 con azufre llquido de alta pureza y un contenedor de acopio B2 con metal alcalino llquido de alta pureza
  2. 2. ) Se suministra al menos un reactor electroquimico de metal alcalino/azufre, en cuyo caso este reactor comprende al menos los siguientes componentes:
  3. 2.1 un compartimiento A con polaridad negativa para alojar metal alcalino llquido
  4. 2.2 un compartimiento K con polaridad positiva para el alojamiento de azufre llquido, en cuyo caso
  5. 2.3 los compartimientos A y K estan separados por un electrolito solido E, el cual es permeable a los cationes formados por la oxidacion del metal alcalino a la temperatura de operacion de la celda,
  6. 2.4 electrodos para cerrar un circuito de corriente externo para la corriente electrica generada por la reaccion del metal alcalino con el azufre
  7. 3. ) Se conecta el contenedor de acopio B2 con el compartimiento A que tiene polaridad negativa y se conecta el contenedor de acopio B1 con el compartimiento K que tiene polaridad positiva introduciendo metal alcalino llquido en el compartimiento A de polaridad negativa y azufre llquido en el compartimiento K de polaridad positiva
  8. 4. ) Se cierra el circuito de corriente externo mientras se oxida el metal alcalino y se forman sulfuros de metal alcalino en el compartimiento del catodo K y se genera lujo de corriente,
  9. 5. ) Se retiran los sulfuros de metal alcalino formados en el compartimiento del catodo y se recogen en un contenedor de acopio B3,
  10. 6. ) Se transportan los sulfuros de metal alcalino recogidos en el contenedor de acopio B3 hacia una segunda celda electroqulmica en un sitio de alta disponibilidad de energia y se someten electrolisis en la celda electroqulmica con la formacion de azufre y metal alcalino, principalmente sodio de alta pureza,
  11. 7. ) Se transporta al menos uno de los componentes obtenidos en el paso 6, azufre y metal alcalino, a un lugar de demanda de energia y se suministra a una estacion de energia electrica de metal alcalino-azufre configurada como un generador de energia, en cuyo caso el azufre, el metal alcalino y los sulfuros de metal alcalino se almacenan respectivamente en contenedores de acopio separados, calentados.
  12. 2. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 1 caracterizado porque el suministro y/o la descarga de la energia electrica a los electrodos y desde los electrodos se efectua por medio de una pluralidad de puntos distribuidos uniformemente sobre la superficie de los mencionados electrodos.
  13. 3. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el metal alcalino llquido es sodio de alta pureza.
  14. 4. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el contenedor de acopio B2 esta separado electricamente de la celda por medio de una separacion de potenciales.
  15. 5. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el metal alcalino llquido-metal se hace circular con ayuda de un gas inerte introducido bajo presion supra-atmosferica.
  16. 6. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el compartimiento del catodo se encuentran contenidos el azufre llquido y el polisulfuro de sodio.
  17. 7. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el compartimiento de catodo se encuentran contenidos azufre llquido y polisulfuro de sodio llquido.
  18. 8. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en calidad de electrolito E se utiliza p-oxido de aluminio o p"-oxido de aluminio, que pueden estabilizarse opcionalmente, preferiblemente con MgO o U2O.
  19. 9. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se mantiene una temperatura de operacion de al menos 300 °C.
  20. 10. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el compartimiento del catodo se utiliza un aditivo de conductividad.
  21. 11. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la celda se presenta como reactor tubular.
    5 12. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el metal
    alcalino llquido es sodio de alta pureza con un contenido maximo de cationes divalentes menor a 3 ppm.
  22. 13. Proceso de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el polisulfuro de metal alcalino formado durante la descarga se introduce en al menos un contenedor de acopio, este contenedor de acopio se desacopla de la planta utilizada para la descarga y el suministro de corriente electrica y en un lugar
    10 separado espacialmente, en una segunda celda, el polisulfuro de metal alcalino se disocia en metal alcalino y azufre, en cuyo caso la segunda celda puede corresponder en terminos de construccion a la primera celda.
  23. 14. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 13, caracterizado porque la corriente requerida para la electrolisis del polisulfuro de sodio se genera en un lugar espacialmente separado por medio de estaciones de energla solar, eolica, hidraulica o geotermica.
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