RU2142066C1

RU2142066C1 - Electrical energy storage technique

Info

Publication number: RU2142066C1
Application number: RU97110695/06A
Authority: RU
Inventors: Г.П. Кузнецов
Original assignee: Кузнецов Геннадий Петрович
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 1999-11-27

Abstract

FIELD: excess electricity storage for use during peak-power demands in power systems. SUBSTANCE: storage technique involves electrolyzing hydrogen-containing compound for production and storage of hydrogen intended for use as fuel for stand-by generators placed in operation during peak-demand periods of power systems. Electrolysis is conducted with electrochemical anodic dissolution of hydrogen-substituting substance in hydrogen-containing compound involving discharge of hydrogen cations across cathode and sedimentation of chemical compound. The latter is subjected to hydrolysis to obtain original amount of hydrogen-containing compound and solid product. Aqueous solution of solid product is subjected to reverse-polarity electrolysis so as to recover original amount of substance; in the process, additional amount of hydrogen is obtained. EFFECT: augmented hydrogen production process, reduced cost, improved environmental friendliness. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики. The invention relates to the field of electric power.

Известно, что атомные и тепловые электростанции с крупными блоками, рассчитанными на высокие параметры пара, должны работать по возможности в стабильном режиме, так как на пуск и остановку их агрегатов требуются часы, а то и дни. Производители электроэнергии используют разнообразные методы для побуждения потребителей к более равномерному приему электрических мощностей. Например, в Великобритании в зимнее время за электроэнергию, потребленную в период с 11 до 12 часов дня, взимается почти в пять раз большая плата, чем в ночные часы. It is known that nuclear and thermal power plants with large blocks designed for high steam parameters should work as stable as possible, since it takes hours, or even days, to start and stop their units. Electricity producers use a variety of methods to encourage consumers to receive electricity more evenly. For example, in the UK during the winter, electricity consumed between 11 a.m. and 12 p.m. is charged almost five times more than at night.

Однако статистика свидетельствует, что во многих энергосистемах суммарные потребности в электроэнергии в отдельные периоды суток имеют существенные различия - от минимума в часы простоя энергоемкого оборудования до максимума в часы "пик", когда потребность в электроэнергии примерно на треть превышает возможности ее производства. Периодические разгрузки и остановки оборудования электростанций приводят к повышенному его износу, потере экономичности и надежности и, как следствие, к более частым ремонтам. Перерасход топлива при этом только, например, в системе "Мосэнерго" достигает за отопительный сезон сто тысяч тонн условного топлива. However, statistics show that in many power systems, the total electricity demand in certain periods of the day has significant differences - from a minimum during idle hours of energy-intensive equipment to a maximum during peak hours, when the demand for electricity exceeds the capacity for its production by about a third. Periodic unloading and shutdowns of power plant equipment lead to increased wear and tear, loss of efficiency and reliability, and, as a result, to more frequent repairs. In this case, the excessive consumption of fuel only, for example, in the Mosenergo system reaches one hundred thousand tons of standard fuel during the heating season.

Специалисты в области электроэнергетики видят только два способа решения проблемы удовлетворения запросов потребителей электроэнергии. Первый способ основан на том, чтобы нарастить мощности электростанций до полного перекрытия "пиковых" нагрузок. Второй способ предполагает строительство специальных станций, которые должны вырабатывать необходимое количество дополнительной электроэнергии в те самые часы "пик". Совершенно очевидно, что первый вариант решения проблемы не экономичен. Для решения проблемы по второму варианту в мировой практике используются электростанции двух типов - гидроаккумулирующие (ГАЭС) и с газотурбинными установками. Specialists in the field of electric power see only two ways to solve the problem of satisfying the needs of consumers of electric power. The first method is based on increasing the capacity of power plants to completely cover the "peak" loads. The second method involves the construction of special stations, which must generate the necessary amount of additional electricity during those peak hours. It is obvious that the first solution to the problem is not economical. To solve the problem according to the second option, two types of power plants are used in world practice - pumped storage (PSP) and gas turbine units.

И те, и другие "раскручиваются" за считанные минуты и могут производить значительное количество дополнительной энергии. Однако необходимо иметь ввиду ряд серьезнейших проблем при реализации проектов строительства маневренных мощностей. Несмотря на заманчивое преимущество гидроаккумулирующих электростанций, способных вырабатывать более дешевую энергию за счет сброса в часы "пик" через свои турбины из верхнего водоема в нижний целого озера воды, которая вновь перекачивается насосами в верхний водоем в периоды минимального потребления электроэнергии в энергосистемах, для строительства ГАЭС требуются специальные площадки, которых зачастую невозможно подобрать в условиях равнинного рельефа местностей, где сосредоточена большая часть энергопотребителей. Газотурбинные станции при своей работе безвозвратно уничтожают топливо, загрязняя при этом атмосферу вредными продуктами сгорания. Both those and others "unwind" in a matter of minutes and can produce a significant amount of additional energy. However, it is necessary to keep in mind a number of serious problems in implementing projects for the construction of maneuvering capacities. Despite the tempting advantage of pumped storage power plants that can generate cheaper energy by dumping during peak hours through their turbines from the upper body of water to the lower whole lake of water, which is again pumped to the upper body of water during periods of minimal electricity consumption in power systems for the construction of a PSP special sites are required, which are often impossible to pick up in the conditions of a flat terrain, where most of the energy consumers are concentrated. Gas turbine stations during their work irrevocably destroy fuel, while polluting the atmosphere with harmful combustion products.

Специалисты-теплотехники знают такой замечательный вид топлива, который не загрязняет атмосферу Земли. Это водород. Продуктом сгорания водорода в силовых установках, в которых в качестве окислителя используется кислород, является чистый водяной пар. Specialists in heat engineering know such a wonderful type of fuel that does not pollute the Earth’s atmosphere. This is hydrogen. The product of hydrogen combustion in power plants in which oxygen is used as an oxidizing agent is pure water vapor.

В книге Дж. Твайделл А.Уэйр "Возобновляемые источники энергии" (Москва. "Энергоатомиздат". 1990) описаны различные способы аккумулирования энергии: химическое, тепловое, электрическое, в форме потенциальной или кинетической энергии. Одним из видов химического аккумулирования является получение водорода путем электролиза воды с помощью любого источника тока. В виде газа водород может быть накоплен, передан на расстояние и сожжен для получения тепловой энергии. Наиболее отработанный способ получения чистого водорода - электролиз воды, однако эффективность этого процесса составляет примерно 60 процентов. Часть потерь связана с возникновением пузырьков газов вблизи электродов, препятствующих перемещению ионов в электролите и увеличивающих общее сопротивление электрической цепи. In the book by J. Twidell A.Ware "Renewable Energy Sources" (Moscow. "Energoatomizdat". 1990) various methods of energy storage are described: chemical, thermal, electric, in the form of potential or kinetic energy. One type of chemical storage is the production of hydrogen by electrolysis of water using any current source. In the form of gas, hydrogen can be accumulated, transmitted over a distance and burned to produce thermal energy. The most developed method for producing pure hydrogen is the electrolysis of water, but the efficiency of this process is approximately 60 percent. Part of the losses is associated with the occurrence of gas bubbles near the electrodes, which impede the movement of ions in the electrolyte and increase the overall resistance of the electric circuit.

В целях интенсификации и удешевления процессов получения водорода в промышленных масштабах предлагается комплекс технологических приемов в специально сконструированных для проведения электрохимических и чисто химических реакций аппаратах, обеспечивающий экологическую безопасность и не требующий уничтожения невозобновляемых видов топлива. In order to intensify and reduce the cost of hydrogen production processes on an industrial scale, a set of technological methods is proposed in devices specially designed for conducting electrochemical and purely chemical reactions, which ensures environmental safety and does not require the destruction of non-renewable fuels.

На фиг.1 приведен один из вариантов устройства для дегидрирования водородсодержащего соединения. Сосуд 1, стенки которого имеют электрический контакт с шинами 2, предназначенными в данном процессе для анодного тока, заполнен водородсодержащим соединением 3, например этиловым спиртом. На внутренних стенках сосуда 1 размещен электроэкстракт вещества 4, способного замещать водород в водородсодержащем соединении, например, натрия. В центре сосуда 1 размещена заглушенная снизу стальная труба 5 с отверстиями 6, предназначенная в данном процессе для удаления из сосуда 1 водорода. Труба 5 изолирована от водородсодержащего соединения 3 диафрагмой 7 из пористого материала, обладающего хорошей электропроводностью, достаточной плотностью, механической прочностью и химической стойкостью, например из асбестовой ткани с вплетенной металлической сеткой. Для приготовления асбестовой ткани подходит белый щелочестойкий длинноволокнистый хризотиловый асбест. Труба 5 имеет электрический контакт с шинами 8, предназначенными для катодного тока при дегидрировании водородсодержащего соединения. В центре нижней заглушенной части трубы 5 изолированно от нее размещена труба 9, предназначенная для ввода в сосуд 1 водородсодержащего соединения 3, подлежащего дегидрированию. Крышка 10, электрически изолированная от сосуда 1, имеет полость 11. Внутренняя стенка 12 крышки 10 имеет клапаны 13, отделяющие внутреннюю полость сосуда 1 от водоподводящих труб. Металл стенки 12 крышки 10 является проводником постоянного электрического тока от шин 8 до металлических стенок трубы 5, обеспечивая тем самым электропитание катода, роль которого выполняет труба 5 в процессе дегидрирования водородсодержащего соединения 3. Описанный вариант устройства для дегидрирования водородсодержащего соединения пригоден и для двух дополнительных процессов: для гидролиза продукта, образующегося при дегидрировании водородсодержащего соединения, а также для электролиза водного раствора твердого продукта гидролиза. Figure 1 shows one embodiment of a device for the dehydrogenation of a hydrogen-containing compound. The vessel 1, the walls of which are in electrical contact with the busbars 2, intended in this process for the anode current, is filled with a hydrogen-containing compound 3, for example ethyl alcohol. On the inner walls of the vessel 1 there is an electro-extract of a substance 4 capable of replacing hydrogen in a hydrogen-containing compound, for example, sodium. In the center of the vessel 1, a steel pipe 5 with holes 6, which is muffled from below, is placed, which is intended in this process to remove hydrogen from the vessel 1. The pipe 5 is isolated from the hydrogen-containing compound 3 by a diaphragm 7 of a porous material having good electrical conductivity, sufficient density, mechanical strength and chemical resistance, for example, from asbestos fabric with a woven metal mesh. For the preparation of asbestos fabric, white alkali-resistant long-fiber chrysotile asbestos is suitable. The pipe 5 is in electrical contact with buses 8 designed for cathodic current during the dehydrogenation of a hydrogen-containing compound. In the center of the lower plugged part of the pipe 5, a pipe 9 is placed in isolation from it and is intended for introducing into the vessel 1 a hydrogen-containing compound 3 to be dehydrogenated. The cover 10, electrically isolated from the vessel 1, has a cavity 11. The inner wall 12 of the cover 10 has valves 13 separating the internal cavity of the vessel 1 from the water supply pipes. The metal of the wall 12 of the cover 10 is a direct current conductor from the busbars 8 to the metal walls of the pipe 5, thereby providing power to the cathode, the role of which is played by the pipe 5 in the process of dehydrogenation of the hydrogen-containing compound 3. The described embodiment of the device for dehydrogenation of the hydrogen-containing compound is also suitable for two additional processes : for the hydrolysis of the product resulting from the dehydrogenation of a hydrogen-containing compound, as well as for the electrolysis of an aqueous solution of a solid hydrolysis product.

На фиг. 2 сосуд 1 изображен в момент завершения процесса гидролиза продукта, образовавшегося при дегидрировании водородсодержащего соединения. На дне сосуда 1 выпал в осадок гидроксид натрия 14, а поверх него размещен этиловый спирт 3. In FIG. 2, vessel 1 is shown at the time of completion of the hydrolysis of the product resulting from the dehydrogenation of a hydrogen-containing compound. At the bottom of vessel 1, sodium hydroxide 14 precipitated, and ethyl alcohol 3 was placed on top of it.

На фиг. 3 сосуд 1 изображен в завершающей стадии процесса электролиза водного раствора 15 гидроксида натрия 14. Шины 2 в данном процессе являются проводниками катодного тока, а шины 8 предназначены для подвода анодного тока. Труба 5 в данном процессе предназначена для сбора кислорода, а водород выводится из внутренней полости сосуда 1 через редукторы 16. In FIG. 3, vessel 1 is depicted in the final stage of the process of electrolysis of an aqueous solution of sodium hydroxide 15. Tires 2 in this process are conductors of the cathode current, and buses 8 are designed to supply anode current. The pipe 5 in this process is designed to collect oxygen, and hydrogen is removed from the inner cavity of the vessel 1 through gears 16.

Комплекс по производству водорода работает следующим образом. The hydrogen production complex works as follows.

В сосуд 1, на стенках которого размещен электроэкстракт натрия 4, вводится этиловый спирт 3. На границе между этиловым спиртом 3 и электроэкстрактом натрия 4 (см. фиг. 1) начинается химическая реакция замещения в каждой молекуле спирта одного атома водорода спиртовой гидроксильной группы одним атомом натрия, в результате чего образуется этилат натрия и выделяется газообразный водород. Этилат натрия растворяется в этиловом спирте, а результате чего раствор приобретает электропроводность, способствующую началу анодного растворения электроэкстракта натрия 4. Отделяющийся от слоя электроэкстракта 4 натрий взаимодействует с этиловым спиртом по всей его массе, в результате чего скорость химической реакции замещения атомов водорода в спиртовой гидроксильной группе молекул этилового спирта атомами натрия возрастает в сравнении с гетерогенным характером реакции на начальном этапе. Катионы водорода разряжаются на металле трубы 5, являющейся в данном процессе катодом, и молекулярный водород через отверстия 6 попадает внутрь трубы 5 и по ней выводится из сосуда 1 для использования потребителями. После завершения реакции замещения атома водорода в последней молекуле этилового спирта в сосуде 1 оказывается твердый продукт - этилат натрия. В результате дегидрирования 92 весовых частей этилового спирта с 46 весовыми частями натрия образуется 136 весовых частей этилата натрия и 2 весовые части водорода. Ethyl alcohol 3 is introduced into the vessel 1, on the walls of which the electro-extract of sodium 4 is placed. At the boundary between ethyl alcohol 3 and the electro-extract of sodium 4 (see Fig. 1), the chemical reaction of substitution in each alcohol molecule of one hydrogen atom of an alcohol hydroxyl group by one atom sodium, resulting in the formation of sodium ethylate and hydrogen gas is released. Sodium ethylate dissolves in ethyl alcohol, and as a result, the solution acquires electrical conductivity that promotes the onset of anodic dissolution of sodium electroextract 4. Sodium separated from the electroextract layer 4 interacts with ethyl alcohol throughout its mass, as a result of which the rate of the chemical reaction of the replacement of hydrogen atoms in an alcohol hydroxyl group molecules of ethyl alcohol by sodium atoms increases in comparison with the heterogeneous nature of the reaction at the initial stage. Hydrogen cations are discharged on the metal of the pipe 5, which is the cathode in this process, and molecular hydrogen through the openings 6 enters the pipe 5 and is removed from the vessel 1 for use by consumers. After completion of the substitution reaction of the hydrogen atom in the last molecule of ethyl alcohol in the vessel 1 is a solid product - sodium ethylate. As a result of the dehydrogenation of 92 parts by weight of ethyl alcohol with 46 parts by weight of sodium, 136 parts by weight of sodium ethoxide and 2 parts by weight of hydrogen are formed.

Для восстановления исходного количества этилового спирта в сосуде 1 необходимо осуществить следующий этап технологического процесса - гидролиз этилата натрия. Потребное для гидролиза количество воды вводится в сосуд 1 через клапаны 13 крышки 10. В результате взаимодействия 136 весовых частей этилата натрия с 36 весовыми частями воды образуется 92 весовые части этилового спирта и 80 весовых частей гидроксида натрия (см. фиг. 2). После вывода из сосуда 1 этилового спирта в нем остается твердый продукт - гидроксид натрия 14. To restore the original amount of ethyl alcohol in vessel 1, it is necessary to carry out the next stage of the technological process - hydrolysis of sodium ethylate. The amount of water required for hydrolysis is introduced into the vessel 1 through the valves 13 of the lid 10. As a result of the interaction of 136 parts by weight of sodium ethylate with 36 parts by weight of water, 92 parts by weight of ethyl alcohol and 80 parts by weight of sodium hydroxide are formed (see FIG. 2). After the withdrawal of ethyl alcohol from the vessel 1, a solid product remains in it - sodium hydroxide 14.

Для выделения натрия из гидроксида натрия осуществляется следующий этап технологического процесса - электролиз водного раствора 15 гидроксида натрия (см. фиг. 3). Для образования двадцатипятипроцентного раствора гидроксида натрия, обладающего максимальной электропроводностью, в сосуд 1 через полость 11 крышки 10 вводится 240 весовых частей воды на 80 весовых частей гидроксида натрия. Растворение гидроксида натрия в воде осуществляется с выделением большого количества тепла, что приводит к резкому повышению температуры раствора 15. Для размещения электроэкстракта натрия на стенках сосуда 1 электролиза раствора гидроксида натрия необходимо вести при подключении анодного тока через шину 8, а катодного тока через шину 2. На катоде, роль которого в процессе электролиза выполняет металл стенок сосуда 1, разряжаются катионы водорода. Молекулярный водород создает защитную атмосферу для электроэкстракта натрия, а избыток водорода выводится из сосуда 1 через редукторы 16. Анионы кислорода разряжаются на металле трубы 5, и молекулярный кислород через отверстия 6 попадает внутрь трубы 5, а затем выводится по этой трубе из сосуда 1 к потребителям. После завершения электролиза 80 весовых частей гидроксида натрия, растворенного в 240 весовых частях воды, на внутренних стенках сосуда 1 осаждается 46 весовых частей электроэкстракта натрия, по трубе 5 выводится 246 весовых частей кислорода, а через редукторы 16 выводится 28 весовых частей водорода. Для начала нового цикла в сосуд 1 необходимо ввести по трубе 5 исходное количество этилового спирта, восстановленное при гидролизе этилата натрия в другом сосуде. To isolate sodium from sodium hydroxide, the next stage of the process is carried out - electrolysis of an aqueous solution of sodium hydroxide 15 (see Fig. 3). To form a twenty five percent sodium hydroxide solution with maximum electrical conductivity, 240 weight parts of water per 80 weight parts of sodium hydroxide are introduced into the vessel 1 through the cavity 11 of the lid 10. The dissolution of sodium hydroxide in water is carried out with the release of a large amount of heat, which leads to a sharp increase in the temperature of solution 15. To place the sodium electroextract on the walls of the electrolysis vessel 1 of the sodium hydroxide solution, it is necessary to conduct when connecting the anode current through bus 8, and the cathode current through bus 2. At the cathode, whose role in the electrolysis process is played by the metal of the walls of the vessel 1, hydrogen cations are discharged. Molecular hydrogen creates a protective atmosphere for sodium electroextract, and an excess of hydrogen is discharged from vessel 1 through reducers 16. Oxygen anions are discharged on the metal of pipe 5, and molecular oxygen through holes 6 enters pipe 5, and then it is discharged through this pipe from vessel 1 to consumers . After the electrolysis is completed, 80 parts by weight of sodium hydroxide dissolved in 240 parts by weight of water, 46 parts by weight of sodium electroextract are deposited on the inner walls of vessel 1, 246 parts by weight of oxygen are discharged through pipe 5, and 28 parts by weight of hydrogen are discharged through reducers 16. To start a new cycle in vessel 1, it is necessary to introduce the initial amount of ethanol restored through hydrolysis of sodium ethylate in another vessel through pipe 5.

Таким образом, после завершения трех описанных выше этапов технологического процесса восстановлено исходное количество этилового спирта и натрия. Единственным расходуемым веществом является вода. Вес получаемого водорода составляет 1/9 часть веса израсходованной воды, а остальные 8/9 частей веса израсходованной воды составляет кислород. С целью получения необходимого количества водорода и кислорода в единицу времени производительность соединенных в батарею сосудов умножают на число батарей. Thus, after the completion of the three stages of the technological process described above, the initial amount of ethyl alcohol and sodium was restored. The only consumable is water. The weight of the hydrogen produced is 1/9 of the weight of the consumed water, and the remaining 8/9 of the weight of the consumed water is oxygen. In order to obtain the required amount of hydrogen and oxygen per unit time, the productivity of the vessels connected to the battery is multiplied by the number of batteries.

Источник информации:
1. Дж. Твайделл А. Уэйр. "Возобновляемые источники энергии", Москва, "Энергоатомиздат", 1990, стр. 360-361, 364-365.Sourse of information:
1. J. Twidell A. Weir. "Renewable Energy Sources", Moscow, "Energoatomizdat", 1990, pp. 360-361, 364-365.

Claims

A method of accumulating electricity in energy networks by electrolysis of a hydrogen-containing compound for the production and storage of hydrogen, intended for use as fuel in power plants of standby generators put into operation during peak hours in power systems, characterized in that the electrolysis process is carried out during electrochemical anodic dissolution of a substance substituting hydrogen in a hydrogen-containing compound with a discharge of hydrogen cations at the cathode and precipitation of a chemical compound that hydrolysis is carried out to obtain an initial amount of a hydrogen-containing compound and a solid product, the aqueous solution of which is subjected to electrolysis with reverse polarity to restore the initial amount of the substance used in the replacement of hydrogen in a hydrogen-containing compound, while additionally producing hydrogen.