Przedmiotem wynalazku jest sposób akumulowa¬ nia i wytwarzania energii na drodze przemiany chemicznej w dajacym sie regenerowac ukladzie poprzez nagromadzanie metali alkalicznych.W szczególnosci, przedmiotem wynalazku jest sposób akumulowania nadmiaru energii elektrycz¬ nej, wytworzonej podczas okresów niskiego za¬ potrzebowania, oparty na przechowywaniu metali alkalicznych.Elektrownie o wysokiej mocy elektrycznej, takie jak silownie termoelektryczne i termonuklearne, dostarczaja energie elektryczna w stalym tempie, ze wzgledu na fakt, ze ich budowa nie pozwala na gwaltowne dostosowanie tempa wytwarzania energii w celu przystosowywania go do ciaglych zmian w zapotrzebowaniu. Zapotrzebowanie uzytkowników na energie elektryczna w ciagu calego dnia nie jest wielkoscia stala w. czasie, lecz przeciwnie zmienia sie ciagle od wartosci minimalnej podczas nocy, do wartosci maksymalnej pomiedzy godzinami 19 a 22, W celu spelnienia wymagan uzytkowników, jak równiez w celu zapobiezenia stratom energii, wiel¬ kie termoelektryczne i nuklearne silownie pracuja w ten sposób, ze dostarczaja energie elektryczna w ciagu dnia w stalym tempie, równym 60—70% maksymalnego zapotrzebowania na obciazenie. Po¬ zostale 30—40% energii potrzebnej do sprostania zapotrzebowaniu energii jest dostarczane przez szereg malych, pomocniczych urzadzen polaczonych równolegle z glówna silownia, a które zwykle skla- 10 20 25 30 daja sie z elektrowni wodnych (hydroelektrowni), malych turbin gazowych lub instalacji napedzanych silnikiem diesla.Urzadzenia te, dzieki ich operatywnosci moga byc wykorzystywane w dowolnym czasie dla uzys¬ kania niezbednej czesci energii elektrycznej, po¬ trzebnej do zaspokojenia okreslonego zapotrzebo¬ wania, któremu nie jest w stanie sprostac glówna silownia. W tym przypadku jednakze oczywistym jest, ze przyjety system dostarcza nadmiar energii elektrycznej w ciagu nocy, kiedy to zapotrzebowa¬ nie na energie jest zwykle bardzo male. Nie mozna pozwolic, aby ten nadmiar energii zostal zmarno¬ wany, w zwiazku z czym istnieje potrzeba jego odzyskiwania.Jak opisano przez S.S. Pennera i L. Leermana w „Energy" Tom II „non-nuclear Energy Techno¬ logies" wydawnictwo Addison-Wesley Publisching Company Inc. 1975 str. 241—246, obecnie najbar¬ dziej rozpowszechnionym i wygodnym ukladem do odzyskiwania nadmiaru energii elektrycznej wy¬ twarzanej podczas okresów niskiego zapotrzebowa¬ nia jest uklad w elektrowniach wodnych sklada¬ jacy sie z szeregu urzadzen generujacych energie i pompujacych. Celem tych instalacji jest przeno¬ szenie energii w ciagu nocy, kiedy wykorzystywa¬ nie energii jest male, na dzien, kiedy zapotrzebo¬ wanie jest wieksze. Pracuja one na zasadzie pom¬ powania pewnej ilosci wody w ciagu nocy do po¬ lozonego wyzej zbiornika (wykorzystujac energie 123 2843 123 284 4 wytwarzana przez inne silownie), a nastepnie po¬ nownego uzycia jej w ciagu dnia w celu wytwo¬ rzenia bardziej wartosciowej energii w okresie szczytu energetycznego.Chociaz uklad ten ma dosc wysoka ogólna wy¬ dajnosc, ma równiez pewne wady, które ograni¬ czaja jego funkcjonalnosc. Po pierwsze, jest on scisle powiazany z elektrowniami wodnymi i z tego powodu moze byc dogodnie stosowany jedynie w tych strefach lub krajach, w których duzy procent energii elektrycznej jest wytwarzany hydraulicznie.W dodatku wymaga on zastosowania nie tylko zbiornika polozonego wyzej od instalacji hydro¬ elektrowni, lecz równiez zbiornika usytuowanego ponizej tej instalacji w celu zaopatrzenia ukladu pompujacego1 w buforowa ilosc wody, pozwalajacy na zabezpieczenie wystarczajaco dlugiego czasu pracy., Wreszcie, jak opisano przez Jamesa P. Hartnetta w „Aiternative Energy Sources", wydawnictwo Academie Press z 1976 r. str. 11, procent energii elektrycznej wytwarzanej hydraulicznie bedzie stopniowo malec nie tylko we Wloszech i w Euro^ pie, ale równiez na calym swiecie. W oparciu o tego rodzaju prognozy oczywistym jest fakt, ze istnieje potrzeba znalezienia innych ukladów aku- mulowania energii elektrycznej, które moga byc stosowane jako dodatkowe i beda stopniowo zaste¬ powac istniejace urzadzenia szczytowo-pompowe, a jednoczesnie beda je przewyzszac pod wzgledem ekonomicznym.Znane sa takie sposoby wytwarzania energii na drodze przemian chemicznych w dajacych sie re¬ generowac ukladach.I tak, w opisie St. Zjedn. Am. nr 3 578 501 opi¬ sano dajacy sie regenerowac uklad, w którym stosuje sie lit i podchloryn litu. Metaliczny lit pod¬ daje sie reakcji z woda, wytwarzajac gazowy wodór i wodorotlenek litu, do którego wprowadza, sie chlor i ogrzewa sie wodny roztwór powstalego podchlorynu litu w celu wytworzenia gazowego chloru. Wytworzony tlen i wodór zuzywa sie do wytworzenia energii w ogniwie paliwowym. Uklad zostaje calkowicie rozladowany, gdy wszystek me¬ taliczny lit zostaje przeksztalcony w monohydrat wodorotlenku litu a podchloryn litu przeksztalcony w chlorek litu. Regeneracja ukladu polega na wy¬ dzielaniu chlorku litu i jego elektrolizie do meta¬ licznego litu i gazowego chloru, który zuzywa sie do wytworzenia podchlorynu litu. Sposób ten jest dosc skomplikowany i w zasadzie nie dotyczy aku- mulowania i wytwarzania energii, lecz wytwarza¬ nia wodoru i tlenu dla potrzeb ogniwa paliwo¬ wego.W opisie patentowym St. Zjedn. Am. nr 4 041 210 opisano instalacje do wytwarzania energii elek¬ trycznej w szeregu ogniw paliwowych w wysokiej temperaturze przy uzyciu stopionego weglanu. Jest to instalacja o duzym stopniu skomplikowania.W opisie patentowym St. Zjedn. Am. nr 4 072 540 opisano urzadzenie do gromadzenia i oddawania energii, skladajace sie z szeregu ogniw, w których znajduje sie roztwór wodny elektrolitu zawiera¬ jacy jony metalu i chlorowca (wodzian chlorowca).Podczas rozladowywania tego ukladu (pobierania energii), elektrolit stopniowo rozklada sie, uzupel-? niajac ilosc chlorowca redukowanego na dodatniej elektrodzie, podczas gdy metal stopniowo jest utle¬ niany na elektrodzie ujemnej i przechodzi do roz- 5 tworu. Dzieki tym procesom nastepuje wytwarzanie pradu elektrycznego. Urzadzenie laduje sie, zmie¬ niajac biegunowosc elektrod. Wówczas, pod wply¬ wem pradu ladowania, jony metalu ulegaja re¬ dukcji na ^elektrodzie ujemnej podczas rozladowy¬ wania (dodatniej w procesie ladowania) i osadzaja sie na niej, odtwarzajac ubytek metalu z okresu rozladowywania urzadzenia, podczas gdy na drugiej elektrodzie ma miejsce utlenianie jonów chlorowca z odtwarzaniem gazowego chlorowca, który usuwa sie i przetwarza na wodzian chlorowca, wprowa¬ dzany nastepnie do ukladu. Opisane urzadzenie ma jednak niewielka wydajnosc pradowa i sluzy ixp. jako bateria do npedzania samochodów o napedzie elektrycznym.Wreszcie w opisie patentowym St. Zjedn. Am. nr 4150197 opisano sposób wytwarzania ciepla i energii elektrycznej z wykorzystaniem reakcji odpadków glinu w wodnym roztworze elektrolitu, z jednoczesnym wytworzeniem wodorotlenku glinu i wodoru. Wytworzony wodór przetwarza sie nas¬ tepnie na energie elektryczna w ogniwie paliwo¬ wym. Wodorotlenek glinu przerabia sie, odtwarza¬ jac glin. Cieplo reakcji glinu odbiera, sie poprzez czynnik chlodzacy i zuzywa do ogrzewania lub do innych zastosowan. Sposób ten, rozwiazujac pro¬ blem wytwarzania energii z odpadów metalicznego glinu, nie rozwiazuje jednak zagadnienia jej aku- mulowania.Nieoczekiwanie stwierdzono, ze przenoszenie i akumulowanie energii na drodze przechowywania metali alkalicznych, które w okresie zwiekszonego zapotrzebowania na energie poddaje sie reakcji chemicznej dla odzyskania energii zuzytej na ich odtworzenie daje dobre wyniki zwlaszcza jesli chodzi o bilans energetyczny, a takze pozwala uniknac wad instalacji szczytowo-pompowych.Sposób wedlug wynalazku polega na tym, ze prowadzi sie elektrolize stopnionego wodorotlenku metalu alkalicznego przy uzyciu nadmiaru energii elektrycznej wytwarzanej podczas okresów niskie¬ go zapotrzebowania i gromadzi sie wytworzony metal w odpowiednich naczyniach do przechowy¬ wania, po czym w okresie zwiekszonego zapotrze¬ bowania energii metal alkaliczny poddaje sie egzo¬ termicznej reakcji z wodnym roztworem jego wo¬ dorotlenku w odpowiednim naczyniu i wytwarza wodór i czysty wodorotlenek w stanie stopionym, a nastepnie odzyskuje sie cieplo reakcji i spala wytworzony wodór i wytwarza sie pare o wyso¬ kiej temperaturze, która stosuje sie jako naped hydrauliczny w ukladach wytwarzajacych energie elektryczna albo jako zródlo ciepla, po odzyskaniu ciepla reakcji odzyskuje sie czesc wodorotlenku od¬ powiadajacego przereagowanemu metalowi i odpro¬ wadza sie ja do naczyn zbiorczych, po czym, pod¬ czas okresu niskiego zapotrzebowania, zawraca sie czesc odzyskanego wodorotlenku do procesu elek¬ trolizy, gromadzac nadmiar wytworzonej energii elektrycznej zas pozostala czesc wodorotlenku mie- 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605 sza sie z woda i otrzymana mieszanine zawraca do reaktora, ewentualnie po okresie przechowywania.Zgodnie ze sposobem wedlug wynalazku nadmiar energii elektrycznej, wytwarzanej podczas okresów niskiego zapotrzebowania zuzywa sie w elektroli- zerach, w których jako elektrolitr stosuje sie wo¬ dorotlenek metalu alkalicznego. Wytworzony w ten sposób metal gromadzi sie w odpowiednich zbior¬ nikach, przy czym jest on w stanie gotowym do ponownego uzycia, kiedy zapotrzebowanie na ener¬ gie elektryczna przekracza normalna przecietna.Podczas takich okresów metal jest doprowadzany do reaktora, w którym miesza sie go i poddaje re¬ akcji z wodnym roztworem jego wodorotlenku w celu wytworzenia pojedynczego zwiazku, bedacego wodorotlenkiem uzytego metalu, przy czym wodo¬ rotlenek ten utrzymuje sie w stanie stopionym dzieki cieplu reakcji.Chociaz reakcja pomiedzy metalem alkalicznym i woda jest silnie egzotermiczna, a nawet w nie¬ których przypadkach, na przyklad sodu lub litu, moze byc wybuchowa, bardzo waznym zjawiskiem jest fakt, ze sposób wedlug wynalazku zapobiega takim niebezpieczenstwom, to jesteksplozjom i nie¬ kontrolowanemu wydzielaniu sie ciepla, gdyz obec¬ nosc wodorotlenku w mieszaninie reakcyjnej poz¬ wala na otrzymanie podwójnych rezultatów, a wiec absorpcji ciepla reakcji oraz na kontrole przebiegu reakcji woda-metal, poprzez ulatwienie stopionego kontaktu pomiedzy tymi dwoma reagentami. Ste¬ zenie roztworu wodorotlenku metalu alkalicznego jest najwazniejszym czynnikiem, od którego zalezy wlasciwy przebieg procesu. Uzycie bardzo rozcien¬ czonego roztworu utrudnia kontrole reakcji, pod¬ czas gdy zastosowanie bardzo stezonego roztworu nie pozwala na uzyskanie na jednostke czasu wys¬ tarczajacej ilosci ciepla odzyskiwanego w celach, którym sluzy sposób wedlug wynalazku. W do¬ datku, stezenie roztworu zalezy od rodzaju uzytego metalu alkalicznego i w przypadku zastosowania sodu, korzystnym jest stosowanie roztworów o ste¬ zeniu pomiedzy 10 i 98'% wagowych. Temperatura wewnatrz reaktora zalezy zawsze od reakcji po¬ miedzy metalem a woda z roztworu.We wszystkich przypadkach proces prowadzi sie w taki sposób, aby uzyskac temperature przekra¬ czajaca temperature topnienia wytwarzanego wo¬ dorotlenku, a w przypadku wodorotlenku sodu, temperatura waha sie w granicach od 400 do 650°C.Cisnienie w reaktorze zalezy od stezenia roztworu i musi byc takie, aby zapobiec wrzeniu roztworu przy jego wlotowym stezeniu i temperaturze.W przypadku wodorotlenku sodu cisnienie to wynosi 392,27—4903,33 kPa. W reakcji pomiedzy metalem alkalicznym i roztworem jego wodoro¬ tlenku wywiazuje sie wodór. W przypadku sodu, kazdy kilogram sodu wytwarza w warunkach nor¬ malnych 0,51 m3 wodoru, który majac wartosc ka¬ loryczna 244,09 kJ/mol stanowi dalsze zródlo ciepla.Otrzymywany pod koniec tej reakcji stopiony wodorotlenek sodu wyladowuje sie z reaktora i wprowadza do wymiennika ciepla w celu.wytwo¬ rzenia pary. Po przekazaniu ciepla, temperatura' wodorotlenku opuszczajacego wymiennik jest w dalszym ciagu nieco wyzsza, niz jego temperatura €5 23 284 6 topnienia, co pozwala na laitwe operowanie nim i podzielenie na dwie czesci. Pierwsza czesc, od¬ powiadajaca przereagowaniu metalowi alkaliczne¬ mu przechowuje sie, jako gotowa do zawrócenia do 5 wymienionego etapu elektrolizy, w celu ponownego zakumulowania nadmiaru energii elektrycznej wytworzonej podczas okresów niskiego zapotrzebo¬ wania, podczas gdy druga czesc miesza sie z woda, aby uzyskac roztwór wodny, który zawraca sie io i uzywa w reaktorze.Sposób wedlug wynalazku sklada sie jednym slowem z dwóch cykli, z których jeden jest cyklem metalu alkalicznego a drugi cyklem jego wodoro¬ tlenku, przy czym cykle te maja wspólna operacje 15 reakcji chemicznej i operacje przekazywania ciepla.Z opisu sposobu wedlug wynalazku mozna bylo by przypuszczac, ze reakcje chemiczna prowadzi sie tak, aby otrzymac wodorotlenek metalu alkalicz¬ nego calkowicie wolny od wody, lecz nie jest to 20 absolutnym, zadanym warunkiem, poniewaz takie same wyniki mozna otrzymac, jesli z reaktora wy¬ ladowuje sie roztwór o bardzo duzym stezeniu, zamiast stopionego wodorotlenku.W szczególnosci, sposób wedlug wynalazku daje 25 dobre wyniki, w przypadku zastosowania jako me¬ tali sodu i litu, ale jest oczywiste, ze zastosowanie innych metali takich jak potas, lub mieszanin me¬ tali takich jak mieszanina litu z sodem, potasoi z sodem, litu z potasem i litu z sodem i potasem' 30 daje analogiczne wyniki.Spoisób wedlug wynalazku moze byc równiez dostosowany do sezonowego gromadzenia energii elektrycznej, zwlaszcza w polaczeniu z elektrownia sloneczna. W tym przypadku, wielkosc wytwórcza tych elektrowni jest tak ustawiona, aby byly one zdolne do pracy w okresie zimowym na pelna skale, i aby pracowaly one w warunkach wytwa¬ rzania nadmiaru energii w okresie letnim, wówczas gdy naplyw energii slonecznej osiaga maksymalne wartosci. Nadmiar energii z elektrowni slonecznych w lecie moze byc uzywany do nagromadzania ine- tali alkalicznych, dzieki którym cieplo i para moze byc odzyskana w zimie.Sposób wedlug wynalazku zostal przedstawiony bardziej szczególowo ponizej oraz na zalaczonym rysunku, stanowiacym wykres przeplywu. Nadmiar energii elektrycznej wytworzony podczas okresów niskiego zapotrzebowania uzywa sie do wytwarza¬ nia metalu alkalicznego, stosujac ogniwo elektro¬ chemiczne. Tak otrzymany metal wprowadza sie przewodem 14 do akumulacyjnego naczynia 2, gdzie jest on przechowywany w okresie niskiego zapo¬ trzebowania na energie. Gdy zapotrzebowanie na energie wzrasta, metal alkaliczny wprowadza sie przewodem 6 do reaktora 1, do którego wprowa¬ dza sie równiez przewodem 7 wodny roztwór wo¬ dorotlenku metalu. Wodny roztwór reaguje w re¬ aktorze 1 z metalem alkalicznym, tak ze wylado¬ wywany material przeplywajacy przewodem 10 sklada sie albo ze stopionego wodorotlenku o wy¬ sokiej temperaturze lub z bardzo stezonego roz¬ tworu o wysokiej temperaturze, a wodór wytwo¬ rzony w reakcji doprowadza sie przewodem 15 do kotla (parownika), nie pokazanego na rysunku.Stopiony wodorotlenek wprowadza sie do wymien-123 284 8 nika ciepla 3, w którym odzyskuje sie cieplo re¬ akcji. Po przekazaniu ciepla, wodorotlenek dzieli sie na dwie czesci. Jedna czesc, równowazna meta¬ lowi pobranemu z naczynia 2, wprowadza sie prze¬ wodem 12 do naczynia do przechowywania 4, z którego usuwa sie ja podczas okresów wystepowa¬ nia nadmiaru energii elektrycznej i zawraca do ogniwa elektrochemicznego 5 przewodem 13, pod¬ czas gdy druga czesc, po wstrzyknieciu wody prze¬ wodem 9, doprowadza sie przewodem 11 do pom¬ py 8, która zawraca roztwór do reaktora. Wynala¬ zek jest blizej zilustrowany w ponizszym przykla¬ dzie nie ograniczajacym jego zakresu.Przyklad. 1 kg sodu o temperaturze otocze¬ nia pobiera sie z naczynia do przechowywania i wprowadza dio reaktora wraz z 10,85 kg roztworu NaOH o stezeniu 92,46% wagowych w tempera¬ turze 350°C. Wewnatrz reaktora utrzymuje sie cisnienie 5883,99 hPa w celu zapobiezenia wrzeniu roztworu. Z reaktora odbiera sie 0,51 m3 • wodoru (w warunkach normalnych) o temperaturze 100°C, ze spalenia którego odzyskuje sie 6355,56 kJ wraz z 11,81 kg wodorotlenku sodu o temperaturze 634°C, który wprowadza sie do wymiennika ciepla. Z tego urzadzenia odzyskuje sie 4485,90 kJ, a temperatura wodorotlenku sodowego opuszczajacego wymiennik wynosi 350°C. W odpowiednim naczyniu przecho¬ wuje sie 1,7 kg wodorotlenku sodu, która to ilosc odpowiada ilosci przereagowanego sodu, podczas gdy pozostale 10,11 kg wodorotlenku sodu o tem¬ peraturze 350°C miesza sie z 0,74 kg wody, w celu odtworzenia roztworu, który zawraca sie do reak¬ tora. Podczas okresów wystepowania nadmiaru energii elektrycznej, nagromadzony wodorotlenek sodowy wprowadza sie do elektrolizera, z którego ozyskuje sie pierwotna ilosc sodu. Sód ten przecho¬ wuje sie tak, aby byl gotowy do ponownego uzycia do wytwarzania energii. 15 20 25 30 35 Zastrzezenia patentowe Sposób aikumulowania i wytwarzania energii na drodze przemiany chemicznej w dajacym sie re¬ generowac ukladzie poprzez nagromadzanie metali alkalicznych, znamienny tym, ze prowadzi sie elek¬ trolize stopionego wodorotlenku metalu alkalicz¬ nego przy uzyciu nadmiaru energii elektrycznej wytwarzanej podczas okresów niskiego zapotrze¬ bowania i gromadzi sie wytworzony metal w od¬ powiednich naczyniach do przechowywania, po czym w okresie zwiekszonego zapotrzebowania energii metal alkaliczny poddaje sie egzotermicz¬ nej reakcji z wodnym roztworem jego wodoro¬ tlenku w odpowiednim naczyniu i wytwarza wodór i czysty wodorotlenek w stanie stopionym, a nas¬ tepnie odzyskuje sie cieplo reakcji i spala wytwo¬ rzony wodór i wytwarza sie pare o wysokiej tem¬ peraturze, która stosuje sie jako naped hydrau¬ liczny w ukladach wytwarzajacych energie elek¬ tryczna albo jako zródlo ciepla, po odzyskaniu ciepla reakcji odzyskuje sie czesc wodorotlenku odpowiadajacego przereagowamemu metalowi i od¬ prowadza sie ja do naczyn zbiorczych, po czym, podczas okresu niskiego zapotrzebowania, zawraca sie czesc odzyskanego wodorotlenku do procesu elektrolizy, gromadzac nadmiar wytworzonej ener¬ gii elektrycznej zas pozostala czesc wodorotlenku miesza sie z woda i otrzymana mieszanine zawraca do reaktora, ewentualnie po okresie przechowywa¬ nia. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako metal alkaliczny stosuje sie sód, lit, potas lub mieszaniny litu z sodem, potasu z sodem, litu z po¬ tasem i litu z sodem i potasem. 3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako metal alkaliczny stosuje sie sód. 4. Sposób wedlug zastrz. 3, znamienny tym, ze do reaktora podaje sie roztwór wodorotlenku sodo¬ wego o stezeniu od 10 do 98*% wagowych.K14 TT OZGraf. Z.P. Dz-wo, z. 112 (90+15) 11.84 Cen IM ri PL PL PL PL