SI25573A - Postopek za shranjevanje električne energije v trdni snovi - Google Patents

Postopek za shranjevanje električne energije v trdni snovi Download PDF

Info

Publication number
SI25573A
SI25573A SI201700332A SI201700332A SI25573A SI 25573 A SI25573 A SI 25573A SI 201700332 A SI201700332 A SI 201700332A SI 201700332 A SI201700332 A SI 201700332A SI 25573 A SI25573 A SI 25573A
Authority
SI
Slovenia
Prior art keywords
energy
carrier
solution
electrolysis
oxidation
Prior art date
Application number
SI201700332A
Other languages
English (en)
Inventor
Matjaž VALANT
Original Assignee
Univerza V Novi Gorici
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univerza V Novi Gorici filed Critical Univerza V Novi Gorici
Priority to SI201700332A priority Critical patent/SI25573A/sl
Priority to CA3083594A priority patent/CA3083594A1/en
Priority to PCT/SI2018/050030 priority patent/WO2019117818A1/en
Priority to EP18808539.3A priority patent/EP3724372B1/en
Priority to US16/772,772 priority patent/US10906805B2/en
Priority to CN201880080594.8A priority patent/CN111465717A/zh
Publication of SI25573A publication Critical patent/SI25573A/sl

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B5/00—Electrogenerative processes, i.e. processes for producing compounds in which electricity is generated simultaneously
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/08—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents with metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/24—Halogens or compounds thereof
    • C25B1/26—Chlorine; Compounds thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions or iron group metals, refractory metals or manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions or iron group metals, refractory metals or manganese
    • C25C1/08—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions or iron group metals, refractory metals or manganese of nickel or cobalt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions or iron group metals, refractory metals or manganese
    • C25C1/10—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions or iron group metals, refractory metals or manganese of chromium or manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/14—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of tin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/16—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of zinc, cadmium or mercury
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/18—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of lead
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Postopek vključuje dva tehnološka segmenta, (i) redukcijski in (ii) oksidacijski, ki sta med seboj povezana z različnimi tehnološkimi procesi za regeneracijo raztopin in plinov in rekuperacijo toplote. Redukcijski segment predstavlja elektrolizo, ki poteka iz raztopine kloridnih soli elementov nosilca energije. Med elektrolizo pride do redukcije teh elementov v nižje oksidacijsko stanje, njihovo strjevanje na elektrodah ali obarjanje v trdno stanje. Tako pridobljena trdna snov predstavlja nosilec energije,ki ga lahko skladiščimo zunaj elektrolizatorja dokler ne nastane potreba po dodatni energiji. Med elektrolizo se razvija plin klor, ki ga zajemamo in raztapljamo v vodi. S tem regeneriramo raztopino HCl, ki se porablja v oksidacijskem segmentu. Pri tem procesu se sprošča kisik. Energijo, ki smo jo na tak način shranili v oksidacijskem potencialu nosilca energije, sprostimo med spontano kemijsko reakcijo nosilca energije in raztopino HCl v oksidacijskem segmentu. Med to kemijsko reakcijo pride do povišanjaoksidacijskega stanja kemijskih elementov, ki sestavljajo nosilec energije, v oksidacijsko stanje, ki je enako tistemu pred začetkom izvajanja elektrolize. Ob tem se tvori še reakcijski produkt vodik, ki predstavlja visokokalorično gorivo. To gorivo lahko takoj, brez potrebe po vmesnem skladiščenju, pretvorimo v toploto ali električno energijo po že znanih postopkih. V celoten postopek vstopa samo voda izstopa pa kisik in vodik za vse ostale snovi je cikel snovno zaprt oziroma krožen.

Description

POSTOPEK ZA SHRANJEVANJE ELEKTRIČNE ENERGIJE V TRDNI SNOVI
Predmet izuma [0001] Predloženi izum se nanaša na nov postopek za shanjevanje električne energije v trdni snovi. Postopek temelji na redukciji atomov kovin v segmentu shranjevanja električne energije in njihovi oksidaciji v segmentu sproščanja energije
Stanje tehnike [0002] Z naraščanjem deleža električne energije v električnem omrežju, kije pridobljena iz nekonstantnih virov, se veča potreba po skladiščenju občasnih presežkov proizvedene električne energije. Nekonstantni proizvodni viri so viri, kjer količina proizvedene električne energije niha glede na vremenske pogoje (vetrna in sončna energija), dnevno (bibavica, sončna energija) ali sezonsko (termosolama, hidroenergija). Električna energija se skladišči v času, ko njena proizvodnja presega porabo ter se dodaja v omrežje, ko poraba presega proizvodnjo. Takšno uravnavanje moči električnega omrežja je nujno potrebno, da se ohrani njegova stabilnost in prepreči razpad omrežja. V sistemih, kjer ne obstajajo možnosti skladiščenja presežkov električne energije, je potrebno proizvodnjo in potrošnjo uravnavati z znižanjem oziroma povečevanjem poizvodnje električne energije v elektrarnah na goriva kot so plin, nafta, premog in jedrsko gorivo. To je zahteven process, ki zmanjšuje energijski izkoristek in ekonomičnost teh elektrarn.
[0003] Pomembnejše tehnologije za skladiščenje presežkov električne energije iz omrežja so črpalne elektrarne, skladiščenje v različnih tipih baterij, skladiščenje v obliki stisnjenega ali utekočinjenega zraka, ki se po potrebi ekspandira, skladiščenje v superkondenzatorjih ali v obliki mehanske energije vztrajnikov, toplote ali kemijske energije. V obliki kemijske energije se električna energija shranjuje tako, da se jo uporabi za sintezo spojin z visoko energijsko vrednostjo kot so na primer vodik, metan, methanol in ogljikovodiki.
[0004] Od kemijskih načinov shranjevanja energije je trenutno tehnološko in ekonomsko najbolj primemo shranjevanje z vodikom. Postopek poteka tako, da se s pomočjo presežne električne energije izvede elektroliza vode, pri čemer se tvori vodik. Vodik ima zelo nizko volumsko gostot energije zato se večinoma skladišči stisnjen ali utekočinjen, kar pa je energetsko zahteven proces. Poleg tega vodik zaradi svoje visoke difuzivnosti uhaja skozi stene hrambnih posod, kar spet znižuje energetski izkoristek ob daljši hrambi vodika. Kemijsko energijo vodika se pretvori v električno v gorivnih celicah ali pa z direktnim izgorevanjem. Celoten izkoristek tega cikla je relativno nizek in dosega okoli 30%, pri čemer nastaja 40% izgub pri elektrolizi, 10% pri stiskanju in skladiščenju vodika. Izkoristek pretvorbe tega vodika v gorivnih celicah v električno energijo je okoli 50%. Navkljub nizkemu izkoristku pa je takšno shranjevanje električne energije ekonomsko primerljivo s shranjevanjem v baterijah zaradi vrste primerjalnih prednosti kot so nižji materialni stroški, večja gostota shranjene energije ter počasno izgubno praznenje. Nadaljnje izboljšanje celokupne ekonomije shranjevanja presežkov električne energije v obliki vodika temelji na izboljšavah omenjenih parametrov ter višanju izkoristkov oziroma nižanju energijskih izgub posameznih segmentov te tehnologije.
[0005] Shranjevanje električne energije v trdni snovi je omejeno na nekatere baterijske izvedbe, kjer se energija shranjuje v obliki ionskega gradienta med anodo in katodo, in kondenzatorje ter superkondenzatorje, kjer se energija shranjuje v obliki gradienta električnega naboja. Do sedaj je opisanih le malo postopkov za shranjevanje električne energije v oksidacijskem potencialu trdne snovi. Osnovni princip zajema postopek elektrolize, s katerim povišamo oksidacijski potencial trdne snovi, ki služi kot nosilec shranjene električne energije (v nadeljevanju: nosilec energije). To trdno snov lahko poljubno dolgo hranimo ter nato v primeru potrebe po energiji ta oksidacijski potencial sprostimo tako, da ga uporabimo za redukcijsko pridobivanje plinastega nosilca energije (v nadaljevanju: gorivo) kot je na primer vodik, metan ipd. Takšna goriva lahko neposredno brez vmesne hrambe uporabimo za pridobivanje toplotne ali električne energije.
[0006] Schaefer in Hemmer1 sta opisala metoda za shranjevanje presežkov električne energije na osnovi elektrolitske redukcije taline alkalijskih ali zemljoalkaljskih hidroksidov. Pri elektrolizi se tvorijo odgovarjajoči kovinski elementi, ki se jih shranjuje kot nosilce energije. Ko želimo energijo spet sprostiti, se pri reakcijo z vodo tvorijo hidroksidi ter vodik. Podobno metodo shranjevanja presežkov električne energije je že pred tem opisal Lagana s sodelavci." Problem takšnega pristopa je, da so vse alkalijske in zemljoalkalijske kovine zelo reaktivne in nevarne zato jih je potrebno skladiščiti t potopljene v petrolej ali v atmosferi žlahtnih plinov oziroma vodika. Če pridejo v stik z vlažnim zrakom, se lahko vžgejo in povzročijo eksplozijo ter veliko okoljsko škodo. Poleg tega se elektroliza izvaja v talini hidroksidov torej pri zelo povišanih temperaturah. V ta namen je potrebno del sistema konstantno vzdrževati pri visoki temperaturi ter še dovajati dodatno toplotno energijo, kar spet slabo vpliva na celokupen energetski izkoristek tega procesa.
[0007] Vogelmann111 je opisal postopek za shranjevanje električne energije z elektrolizo raztopine natrijevega klorida, ki ji sledi amalgamiranje natrija z živim srebrom. Po separaciji natrija in živega srebra se natrij hrani ter po potrebi uporabi v reakciji z vodo za pridobivanje vodika. Pri tem nastane natrijev hidroksid, s katerim lahko zajemamo ogljikov dioksid in ga pretvorimo v natrijev karbonat. Natrijev karbonat je končni produkt tega procesa. Proces ni snovno zaključen oziroma krožen, saj je potrebno natrijev karbonat deponirati. Poleg tega je zaradi uporabe velikih količin živega srebra ter skladiščenja nevarnega kovisnkega natrija okoljsko nesprejemljiv. Takšna uporaba živega srebra je večinoma prepovedana z zakonodajo.
OPIS IZUMA
[0008] Izum, kije predmet te patentne zaščite, predstavlja zaprt tehnološki cikel z visokim energetskim izkoristkom, ki omogoča shranjevanje električne energije v obliki trdne snovi z zelo visoko volumsko gostoto energije. Postopek vključuje dva glavna tehnološka segmenta, (i) redukcijski in (ii) oksidacijski, ki sta med seboj povezana z različnimi podpornimi tehnološkimi procesi za regeneracijo raztopin in plinov in rekuperacijo toplote.
[0009] Posamezni segmenti postopka po izumu so sami zase že poznani in opisani vendar nikoli skupaj v tehnološkem zaprtem ciklu in za namen kot ga opisuje ta izum. Posamezni segmenti sami zase niso predmet te patentne rešitve.
[0010] Redukcijski segment predstavlja elektrolizo, ki jo poganja električna energija, ki jo želimo shraniti. Elektroliza poteka iz raztopine kloridnih soli pri sobni temperaturi oziroma le nekoliko povišani temperaturi, ki je pod vrelišem te raztopine. V raztopini so prisotni ioni kemijskih elementov nosilca energije v višjem oksidacijskem stanju. Med elektrolizo pride do redukcije teh elementov v nižje oksidacijsko stanje, njihovo stijevanje na elektrodah ali obaijanje v trdno stanje. Tako pridobljena trdna snov predstavlja nosilec energije, ki ga lahko skladiščimo zunaj elektrolizatorja dokler ne nastane potreba po dodatni energiji. Med elektrolizo se razvija plin klor, ki ga zajemamo in raztapljamo v vodi. S tem regeneriramo raztopino HC1, ki se porablja v oksidacijskem segmentu. Pri tem procesu se sprošča kisik. Energijo, ki smo jo na tak način shranili v oksidacijskem potencialu nosilca energije, sprostimo med spontano kemijsko reakcijo nosilca energije in raztopino HC1 v oksidacijskem segmentu postopka po izumu. Med to kemijsko reakcijo pride do povišanja oksidacijskega stanja kemijskih elementov, ki sestavljajo nosilec energije, v oksidacijsko stanje, kije enako tistemu pred začetkom izvajanja elektrolize. Ob tem se tvori še reakcijski produkt vodik, ki predstavlja visokokalorično gorivo. To gorivo lahko takoj, brez potrebe po vmesnem skladiščenju, pretvorimo v toploto ali električno energijo po že znanih postopkih, ki niso predmet te patentne zaščite. V celoten postopek vstopa samo voda izstopa pa kisik in vodik, za vse ostale snovi je cikel snovno zaprt oziroma krožen.
[0011] Poleg obeh opisanih tehnoloških segmentov postopek po izumu vsebuje še različne podporne procese, ki skrbijo za čim večji izkoristek surovin in energije. Ti tehnološki procesi omogočajo regeneracijo elektrolitskega medija v redukcijskem segmentu ter reakcijskega medija v oksidacijskem segmentu, v nekaterih primerih pa tudi pripravo nosilca energije za oksidacijsko reakcijo. Poleg tega postopek po izumu vključuje procese za rekuperacijo toplote, ki se lahko razvija med spontano oksidacijsko reakcijo, v nekaterih primerih tudi med elektrolizo, in porablja med regeneracijo surovin. Načrtovanje teh podpornih tehnoloških procesov je specifično glede na kemijo oksidacij skega in redukcijskega segmenta.
[0012] Postopek po izumu bo opisan v nadaljevanju in predstavljen na slikah, ki prikazujejo:
Slika 1: Splošna shema postopka po izumu - tehnološkega procesa oksidacijsko redukcijskega shranjevanja električne energije v trdni snovi
Slika 2: Shema postopka po izumu - tehnološkega procesa shranjevanja električne energije, v kateri je nosilec energije kovinsko železo.
[0013] Prvi ključni segment, to je redukcijski segment, predstavlja elektrolitska redukcijska tvorba trdne snovi, to je nosilca energije. V redukcijskem segmentu iz raztopine elektrolita, ki je raztopina kloridne soli nosilca energije, pri sobni temperaturi oziroma le nekoliko povišani temperaturi, kije pod vrelišem te raztopine, poteka redukcija ionov nosilca energije do tvorbe trdnega nosilca energije. Prednostno so nosilci energije kovine M (npr. Fe, Pb, Zn, Cr, Sn, Co, Ni) oziroma njihove medsebojne zlitine (npr. Zn-Fe zlitine) ali njihove intermetalne spojine (npr. Fe3Znio, FeZn7, FesSn3, FeSn), ki imajo negativen redukcijski potencial, vendar manj negativen kot je redukcijski potencial vode. Najbolj prednostno je nosilec energije Fe ali Zn.
[0014] Redukcijski segment je sestavljen iz elektrolizatoija 2 s katodo 3 in anodo 4, kjer z virom električne energije 1 poteka elektroliza. Med elektrolizo pride do redukcije nosilcev energije v nižje oksidacijsko stanje, njihovo strjevanje na elektrodah ali obaijanje v trdno stanje. Na katodi 3 se tako ioni nosilcev energije, npr. kovinski ioni M2+ reducirajo do kovine M, na anodni strani se tvori plinski klor (CI2). Te elektrokemijske reakcije ponazorimo s kemijskimi enačbami: na katodi: M (aq) + 2e' -> M(S) na anodi: 2e’ + 2C1' (aq) CI2 (g) [0015] Pri elektrolizi se tako tvorijo kovine M (npr. Fe, Pb, Zn, Cr, Sn, Co, Ni) oziroma njihove medsebojne zlitine (npr. Zn-Fe zlitine) ali intermetalne spojine (npr. Fe3Znio, FeZn7, FesSn3, FeSn), ki predstavljajo nosilec energije z zelo visoko volumsko gostoto in kemijsko stabilnostjo.
[0016] Delovni parametri, vrste elektrod, elektrolitskih celic in elektrolitov ter ostali pogoji elektrolize so specifični za posamezne elektrolitske sisteme. Za sisteme, ki so relevantni za ta izum, so pogoji elektrolize večinoma že raziskani in opisani. Primer takšne elektrolize je elektroliza raztopin nikljevega in železovega klorida, ki jo je opisal Tanimura s sodelavci.17 Energijski izkoristki teh elektrolitskih postopkov dosegajo 95% in več.
[0017] Pridobljen nosilec energije, to je reduciran nosilec energije, skladiščimo v skladišču 6 za kasnejšo sproščanje energije v oksidacijskem segmentu postopka po izumu. Praviloma tako pridobljeni nosilci energije niso zelo reaktivni in okolju nevarni, lahko pa počasi korodirajo. Prednostno se nosilec energije skladišči v inertni atmosferi dušika neodvisno od korozijskih lastnosti nosilca energije. S tem se prepreči oksidacijo oziroma kakršnokoli drugo površinsko reakcijo (npr. s CO2, H2O ipd.). Zreagiran material ne bo kasneje reagiral s HC1, zato bo prišlo do materialnih in torej tudi do energetskih izgub. S hrambo v inertni dušikovi atmosferi se prepreči izgube materiala in se omogoči, da se ves nosilec energije izrabi za sproščanje energije ter nato vrne v cikel.
[0018] Drugi ključni segment postopka po izumu je oksidacijski segment, pri čemer v reakcijski posodi 5 poteka kemijska reakcija, pri kateri se sprosti oksidacijski potencial nosilca energije in se kot gorivo tvori vodik. Kemijska reakcja poteka med raztopino HC1 in nosilcem energije (npr. kovino s splošno oznako M) po reakciji
[0019] Za dober izkoristek postopka po izumu je pomembno, da je ta reakcija termodinamsko spontana, kar pomeni, da se prosta Gibbsova energija med reakcijo zniža. Tako za potek reakcije ni potrebno dovajati dodatne energije. Pri reakciji se energija tvori v obliki sproščene toplote, ki jo lahko rekuperiramo v rekuperatoiju toplote 7 in dovajamo v proces regeneracije raztopine HC1 v regenerator elektrolita 8 in po potrebi tudi v elektrolizo in sicer v elektrolizator 2. Reakcije, ki so relevantne za ta tehnološki proces so že opisane ter tudi termodinamsko ovrednotene vendar nikoli uporabljene v postopku, ki je predmet te patentne zaščite.
[0020] Po reakciji reakcijsko raztopino kovinskega klorida po potrebi skladiščimo v kislinskoodpomih cisternah 9 ali pa takoj uvajamo v nov elektrolitski ciklus.
[0021] Klorov plin, ki se razvija na anodi med elektrolizo, vodimo na komercialne plinske skruberje, kjer med reakcijo z vodo ponovno tvorimo raztopino HC1. Reakcija poteka v dveh stopnjah kot prikazuje kemijska enačba
HC10, ki se tvori v prvi stopnji razpade v HC1 pod vplivom svetlobe oziroma toplote. V ta proces dovajamo vodo izhaja pa plin kisik. Regenerirano raztopino HC1 uvajamo v oksidacijski segment, in sicer v reakcijsko posodo za reakcijo z nosilcem energije.
[0022] V nadaljevanju je opisan izvedben primer postopka po izumu, kjer je nosilec energije kovinsko železo. Primer postopka po izumu, to je kloridnega cikla za shranjevanje presežkov električne energije v trdni snovi je oksidacija in redukcija železa in je prikazan na sliki 2. V redukcijskem segmentu se raztopina FeCf elektrolizira v elektrolizatoiju 2, ki ima katodni in anodni del ločen z ionsko-prepustno membrano. V katodnem delu se na katodi 3 železovi ioni (Fe ) reducirajo do kovinskega železa (Fe). Na anodni strani se tvori plinski klor (CI2). Te elektrokemijske reakcije ponazorimo s kemijskimi enačbami:
[0023] Po končanem elektrolitskem procesu kovinsko železo predstavlja nosilec energije in se lahko skladišči v skladišču 6. Izhajajoči plinski klor se v postopku regeneracije elektrolita zajema in raztaplja v vodi, ki jo dovajamo v sistem, kjer se tvori raztopina HC1 ter plinski O2. Postopek poteka v regeneratorju elektrolita 8. Raztopino HC1 vodimo v oksidacijski segment. Ko nastane potreba po energiji, skladiščeno železo v oksidacijskem segmentu procesa izpostavimo reakciji z raztopino HC1 v reakcijski posodi 5. Pri reakciji se tvori Fe2Cl in vodik po enačbi:
Pri reakciji se energija tvori v obliki sproščene toplote, ki jo lahko rekuperiramo v rekuperatoiju toplote 7 in dovajamo v proces regeneracije raztopine HC1 v regenerator elektrolita 8 in po potrebi tudi v elektrolizo in sicer v elektrolizator 2.
[0024] Raztopina FeCF se skladišči v kislinoodpomih cisternah 9 in uporabi vnovič za elektrolizo presežkov električne energije. V oksidacijskem segmentu dobimo na vsak mol Fe en mol plina H2. Na osnovi tega lahko izračunamo, daje volumska gostota energije v železu, kot nosilcu energije v tem kloridnem oksidacijsko-redukcijskem procesu, 11,20 kWh/l, kar je bistveno več kot jih imajo nosilci energije, ki se trenutno uporabljajo. Plinasti vodik ima volumsko gostoto energije 0,0018 kWh/l, vodik stisnjen na 700 barov 1,55
kWh/l, utekočinjen vodik 2,81 kWh/l, vodik shranjen v kovinskih hidridih 3,18 kWh/l. Presega tudi vrednosti tekočih fosilnih goriv kot je dizel (9,94 kWh/l) in celo kerozin (10,38 kWh/l).
[0025] Ta izum glede na predhodno stanje ni očiten in je inovativen saj v tehnološki krog shranjevanja električne energije v trdni snovi vpeljuje procese, ki do sedaj še niso opisani: - nov kemizem na osnovi oksidacijsko redukcijske pretvorbe kovinskih kloridov - izvedbe elektrolize pri nizkih temperaturah iz raztopine - tvorbe nosilca energije z zelo visoko volumsko gostoto, ki je kemijsko stabilen in ni okoljsko nevaren.
[0026] Ta izum je koristen saj omogoča okoljsko vzdržno shranjevanje velikih presežkov električne energije iz električnih omrežij v dolgih časovnih obdobjih. Postopek po izumu ima visoke energetske izkoristke ter skorajda nikakršnega izgubnega praznenja s časom. Postopek je okolju prijazen, saj je snovni krog postopka zaprt, pri čemer ne nastajajo depoziti materiala ali škodljive emisije ampak ves material kroži v procesu. V proces vstopa samo voda izstopa pa vodik in kisik. Izum je koristen tudi zato, ker imajo nosilci energije zelo visoke volumske gostote energije, ki presegajo celo volumsko gostoto enegije kerozina, kar omogoča, da se veliko shranjene energije hrani v relativno majhnem volumnu.
Literatura: I E. Schaefer, K. Hemmer, Storage of šolar-, wind- or water energy by electrolysis of metal hydroxide - by supplying hydroxide of e. g. lithium, sodium, potassium etc. to electrolysis celi and passing current through celi, with additional heat supply, DE 19523939 (Al) (1997). II V. Lagana, F. Saviano, G Fusco, Process for the storage of electrical energy by electrolysis of alkali metal hydroxides, IL60167 (A) (1983). III M. Vogelmann, Combined Chemical and physical process useful in the field of storage of electrical energy and carbon dioxide, comprises carrying out melt flow electrolysis of sodium chloride for extracting metallic sodium and gaseous chloride, DE 10200900775 (Al) (2010). 1V Y. Tanimura, T. Itoh, M. Kato. Y. Mikami, Electrolytic regeneration of Iron (III) Chloride Etchant II. Continuous Electrolysis, Denki Kagaku vol. 64, pp. 301-306 (1996)

Claims (12)

  1. Patentni zahtevki
    1. Postopek za shanjevanje električne energije v trdni snovi, označen s tem, da vključuje: (1) redukcijski segment, ki je sestavljen iz elektrolizatorja (2) s katodo (3) in anodo (4), kjer z virom električne energije (1) poteka elektroliza, pri čemer iz raztopine elektrolita, kije raztopina kloridne soli nosilca energije, poteka redukcija ionov nosilca energije do tvorbe trdnega nosilca energije z zelo visoko volumsko gostoto energije, ki je kemijsko stabilen, pri čemer se tvori klorov plin, in (ii) oksidacijski segment, ki vključuje reakcijsko posodo (5) z raztopino HC1, kjer v reakcijski posodi poteka kemijska reakcija med trdnim nosilcem energije, ki je pridobljen v redukcijskem segmentu, in raztopino HC1, pri čemer se tvori toplota, raztopina kloridne soli nosilca energije in vodik.
  2. 2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da se vodik, ki se tvori v oksidacij skem segmentu, uporabi v gorivnih celicah za generacijo električne energije ali kot gorivo za pridobivanje toplotne energije.
  3. 3. Postopek po zahtevkih 1 in 2, označen s tem, da poteka elektroliza pri sobni temperaturi oziroma le nekoliko povišani temperaturi, ki je pod vrelišem elektrolita.
  4. 4. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da se trdni nosilec energije skladišči v skladišču (6) za kasnejšo sproščanje energije v oksidacijskem segmentu.
  5. 5. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da se energija pri reakciji, ki poteka v oksidacijskem segmentu, tvori v obliki sproščene toplote, ki se jo rekuperira v rekuperatoiju toplote (7) in dovaja v proces regeneracije raztopine HC1 v regenerator elektrolita (8) in po potrebi tudi v elektrolizo in sicer v elektrolizator (2) .
  6. 6. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da se reakcijsko raztopino kloridne soli nosilca energije po potrebi skladišči v kislinskoodpomih cisternah (9) ali pa takoj uvaja v nov elektrolitski ciklus.
  7. 7. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da se klorov plin, ki se razvija na anodi (4) med elektrolizo, vodi v regenerator elektrolita (8), kjer se med reakcijo z vodo ponovno tvori raztopina HC1 in se regenerirana raztopina HC1 uvaja v oksidacijski segment, in sicer v reakcijsko posodo (5) za reakcijo z nosilcem energije.
  8. 8. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da v postopek vstopa samo voda izstopa pa kisik in vodik, za vse ostale snovi je postopek snovno zaprt oziroma krožen.
  9. 9. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da so nosilci energije kovine M izbrane izmed Fe, Pb, Zn, Cr, Sn, Co, Ni, njihove medsebojne zlitine ali njihove intermetalne spojine, ki imajo negativen redukcijski potencial, vendar manj negativen kot je redukcijski potencial vode.
  10. 10. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, daje nosilec energije Fe ali Zn.
  11. 11. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da se v redukcijskem segmentu raztopina FeCh elektrolizira v elektrolizatoiju (2), ki ima katodni in anodni del ločen z ionsko-prepustno membrano, pri čemer se na katodi (3) železovi ioni Fe2+ reducirajo do kovinskega železa Fe, na anodni strani se tvori plinski klor Cb; po končani elektrolizi kovinsko železo Fe predstavlja nosilec energije in se skladišči v skladišču (6) v dušikovi atmosferi; izhajajoči plinski klor se v postopku regeneracije elektrolita v regeneratoiju elektrolita (8) zajema in raztaplja v vodi, ki se dovaja v sistem, pri čemer se tvori raztopina HC1, ki se vrača v reakcijsko posodo (5) oksidacijskega segmenta, ter plinski O2; ko nastane potreba po energiji, se skladiščeno kovinsko železo Fe v oksidacijskem segmentu procesa izpostavi reakciji z raztopino HC1, pri čemer se tvori Fe2Cl in vodik, ki se nadalje uporabi kot gorivo, nastalo raztopina FeCh se skladišči in uporabi vnovič za elektrolizo v redukcijskem segmentu.
  12. 12. Postopek po zahtevku 11, označen s tem, daje volumska gostota energije v železu, kot nosilcu energije večja kot jih imajo nosilci energije, ki se trenutno uporabljajo za namen skladiščenja električne energije in znaša 11,20 kWh/l.
SI201700332A 2017-12-13 2017-12-13 Postopek za shranjevanje električne energije v trdni snovi SI25573A (sl)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SI201700332A SI25573A (sl) 2017-12-13 2017-12-13 Postopek za shranjevanje električne energije v trdni snovi
CA3083594A CA3083594A1 (en) 2017-12-13 2018-09-18 Method for storing electrical energy in solid matter
PCT/SI2018/050030 WO2019117818A1 (en) 2017-12-13 2018-09-18 Method for storing electrical energy in solid matter
EP18808539.3A EP3724372B1 (en) 2017-12-13 2018-09-18 Method for storing electrical energy in solid matter
US16/772,772 US10906805B2 (en) 2017-12-13 2018-09-18 Method for storing electrical energy in solid matter
CN201880080594.8A CN111465717A (zh) 2017-12-13 2018-09-18 用于在固体物质中储存电能的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SI201700332A SI25573A (sl) 2017-12-13 2017-12-13 Postopek za shranjevanje električne energije v trdni snovi

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SI25573A true SI25573A (sl) 2019-06-28

Family

ID=64477251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SI201700332A SI25573A (sl) 2017-12-13 2017-12-13 Postopek za shranjevanje električne energije v trdni snovi

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10906805B2 (sl)
EP (1) EP3724372B1 (sl)
CN (1) CN111465717A (sl)
CA (1) CA3083594A1 (sl)
SI (1) SI25573A (sl)
WO (1) WO2019117818A1 (sl)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111285447A (zh) * 2020-03-06 2020-06-16 杭州新坐标科技股份有限公司 一种循环再生的水处理方法及其装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3996064A (en) * 1975-08-22 1976-12-07 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Electrically rechargeable REDOX flow cell
US4534833A (en) 1982-05-03 1985-08-13 Energy Development Associates, Inc. Zinc-chloride battery in a chlorine producing/consuming plant
JPS59107086A (ja) * 1982-12-08 1984-06-21 Hitachi Zosen Corp 貯蔵電力を使用できるハロゲン製造方法
US4988486A (en) * 1985-08-02 1991-01-29 The Boeing Company Hydrogen generator
CA2408951C (en) * 2002-10-18 2008-12-16 Kvaerner Canada Inc. Mediated hydrohalic acid electrolysis
US8784639B2 (en) * 2008-03-20 2014-07-22 Rio Tinto Fer Et Titane Inc. Electrochemical process for the recovery of metallic iron and chlorine values from iron-rich metal chloride wastes
FR2948654B1 (fr) * 2009-07-30 2015-01-16 Gerkaro Cogeneration d'energie electrique et d'hydrogene
WO2016066571A1 (en) * 2014-10-28 2016-05-06 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for producing liquid hydrogen
CN104593807A (zh) * 2014-12-29 2015-05-06 甘肃银光聚银化工有限公司 一种循环利用氯化氢方法
CN104451761A (zh) * 2014-12-29 2015-03-25 甘肃银光聚银化工有限公司 盐酸电解装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20200308715A1 (en) 2020-10-01
CN111465717A (zh) 2020-07-28
EP3724372A1 (en) 2020-10-21
WO2019117818A1 (en) 2019-06-20
CA3083594A1 (en) 2019-06-20
US10906805B2 (en) 2021-02-02
EP3724372B1 (en) 2021-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zidan et al. Aluminium hydride: a reversible material for hydrogen storage
CA2769559C (en) Method for co-generation of electric energy and hydrogen
Licht et al. STEP A Solar Chemical Process to End Anthropogenic Global Warming. II: Experimental Results
US11560638B2 (en) Electrochemical method of ammonia generation
KR101831911B1 (ko) 전기화학 에너지를 저장 및 수송하는 방법
Zhang et al. Review on the production of high-purity lithium metal
US20160362799A1 (en) Electrolysis system for producing hydrogen, oxygen and electrical energy using renewable energy (solar and wind) and a mixture of desalinated sea water and different chemical components
CN112566867A (zh) 可承受高电流的制备氨的方法
Barelli et al. Reactive metals as energy storage and carrier media: use of aluminum for power generation in fuel cell‐based power plants
Nefedov et al. Electrochemical production of hydrogen in reactors with reduced energy costs
PL123284B1 (en) Method of accumulation and generation of energy
EP0589501A2 (en) Process for the production of alkali metal hydroxides and elemental sulfur from sulfur-containing alkali-metal salts
SI25573A (sl) Postopek za shranjevanje električne energije v trdni snovi
US6866835B1 (en) Energy production, storage and delivery system
JP2013064174A (ja) 電気分解による水素化金属の析出及び回収方法
Abdel-Aal Prospects for the role of magnesium in solar-hydrogen energy-system
Laude et al. Electrolysis of LiOH for hydrogen supply
US10818951B2 (en) Method and molten salt electrolytic cell for implementing a hydrogen fuel, sustainable, closed clean energy cycle on a large scale
He et al. Long‐Lasting Hybrid Seawater Electrolysis Enabled by Anodic Mass Transport Intensification for Energy‐Saving Hydrogen Production
Pushkin Controlled hydrogen generator and additional source of electrical current for independent oxygen-hydrogen power plants
Sato et al. Hydrogen storage and transportation system through lithium hydride using molten salt technology
Oarga-Mulec et al. Back to the future with emerging iron technologies
Licht Stabilization of STEP electrolyses in lithium-free molten carbonates
Zidan et al. Electrochemical reversible formation of alane
Licht STEP: Efficient Carbon Capture and Solar Thermal Electrochemical Production of ammonia, fuels, cement, carbon nanotubes, metals and bleach

Legal Events

Date Code Title Description
OO00 Grant of patent

Effective date: 20190724

SP73 Change of data on owner

Owner name: INSTITUTE CES, INSTITUT ZNANOSTI IN TEHNOLOGIJ; SI

Effective date: 20190830