WO2010090544A1

WO2010090544A1 - Способ аккумулирования энергии

Info

Publication number: WO2010090544A1
Application number: PCT/RU2009/000043
Authority: WO
Inventors: Геннадий Петрович КУЗНЕЦОВ
Original assignee: Kuznetsov Gennadiy Petrovich
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-12
Also published as: RU2540410C2; RU2011118282A; RU2540410C9

Abstract

Для создания условий эффективного использования электроэнергии в периоды спада потребности в ней в энергосистеме на территории предприятия - потребителя электроэнергии создают специализированные подразделения, укомплектованные оборудованием, предназначенным для производства водорода и кислорода и накопления их запасов с целью обеспечения питания собственных батарей топливных элементов, которые будут вырабатывать электроэнергию в то время, когда потребность в ней на предприятии возрастёт, а снабжающая энергосистема не сможет её удовлетворить. При осуществлении комплекса технологических приёмов воздействия на вещества, помещённые в специально сконструированные аппараты, удаётся извлекать водород из водородсодержащих соединений без затрат электроэнергии, а при выработке кислорода в процессе электролиза кислородосодержащего соединения удаётся снизить затраты электроэнергии на питание электролизёра за счёт уменьшения сопротивления электрической цепи, проходящей через электролизную массу.

Description

СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ. Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к энергосберегающим технологиям в области использования избыточной электроэнергии в энергосетях. Уровень техники.

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 равномерному приёму электрических мощностей. Например, в Великобритании в зимнее время за электроэнергию, потреблённую в период с 11 до 12 часов дня, взимается почти в пять раз большая плата, чем в ночные часы. Однако статистика свидетельствует, что во многих энергосистемах суммарные потребности в электроэнергии в отдельные периоды суток имеют существенные различия — от минимума в часы простоя энергоёмкого оборудования до максимума в часы «пик», когда потребность в электроэнергии примерно на треть превышает возможности её производства. Периодические разгрузки и остановки агрегатов электростанций приводят к повышенному износу оборудования, потере экономичности его и надёжности, а также к более частым ремонтам. Специалисты в области электроэнергетики применяют только два способа удовлетворения запросов потребителей электроэнергии. Первый способ основан на том, чтобы нарастить мощности электростанций до полного перекрытия «пикoвыx» нагрузок. По второму способу предполагается строительство специальных станций, которые должны вырабатывать необходимое количество дополнительной электроэнергии в те самые часы «пик». Совершенно очевидно, что первый вариант не экономичен. Для решения проблемы по второму варианту в мировой практике используются электростанции двух типов - гидроаккумулирующие и с газотурбинными установками. И те, и другие «pacкpyчивaютcя» за считанные минуты и могут производить значительное количество дополнительной электроэнергии. Однако необходимо иметь в виду ряд серьёзнейших проблем при реализации проектов строительства маневренных мощностей. Несмотря на заманчивое преимущество гидроаккумулирующих электростанций, способных вырабатывать более дешёвую электроэнергию за счёт сброса в часы «пик» через свои турбины из верхнего водоёма в нижний целого озера воды, которая вновь перекачивается насосами в верхний водоём в периоды минимального потребления электроэнергии в энергосистемах, для строительства таких электростанций требуются специальные площадки, а эти площадки не всегда можно подобрать в условиях равнинного рельефа местностей, где сосредоточена основная часть потребителей электроэнергии. Газотурбинные электростанции в процессе выработки электроэнергии уничтожают топливо, не возобновляемое в природных условиях, а также загрязняют атмосферу вредными продуктами сгорания этого топлива. Специалистам - теплотехникам известен 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.

Дж. Твайделл А. Уэйр в книге возобновляемые источники энepгии» (1) перечислил такие способы аккумулирования энергии: химическое, тепловое, электрическое, в форме потенциальной или кинетической энергии. Одним из видов химического аккумулирования является получение водорода путём электролиза воды. Водород может быть накоплен, передан на расстояние и использован для выработки различных видов энергии. Эффективность производства водорода при электролизе воды составляет около 60 процентов. Часть потерь связана с тем, что вблизи электродов возникают пузырьки газов, препятствующие перемещению ионов в электролите, а это приводит к увеличению общего сопротивления электрической цепи, по которой обеспечивается подача электроэнергии в электролизный процесс. Наиболее близким по методологии поисков путей повышения эффективности аккумулирования энергии является «Cпocoб аккумулирования электроэнергию), раскрытый в описании изобретения к патенту Российской Федерации Ж2142066 (2), в соответствии с которым избыточную электроэнергию в энергосетях используют для производства и накопления водорода и кислорода. Накопленные массы водорода и кислорода используют для выработки электроэнергии по мере возникновения дефицита её в энергосистемах в часы «пик». В аппаратах, принципиальная конструкция которых раскрыта в описании к патенту Российской Федерации N°2142066, осуществляют три последовательных этапа технологического процесса воздействия на водородсодержащие соединения, в результате которых получают водород и кислород, а исходные массы веществ, участвующих в химических и электрохимических процессах, восстанавливают. Даже воду, расходуемую при гидролизе водородсодержащего соединения, а также при приготовлении электропроводящего раствора электролита, оказывается возможным восстановить в процессе использования водорода и кислорода в качестве топлива и окислителя в топливных элементах, которые предназначены для выработки электроэнергии в часы «пик». Массовому применению «Cпocoбa аккумулирования электроэнергии)) препятствовало то обстоятельство, что из-за образования газовых пузырьков в электролите в процессе электролиза водородсодержащего соединения затраты энергии на питание электролизёров не удавалось снизить до уровня, который бы обеспечивал экономическую эффективность производства водорода и кислорода для питания топливных элементов. На решение проблемы снижения затрат электроэнергии при пропускании постоянного тока через электролизную массу ориентировано настоящее изобретение. Раскрытие изобретения.

В целях повышения экономической эффективности использования избыточных электрических мощностей в энергосетях в периоды спадов в потреблении электроэнергии предложен комплекс технологических приёмов, осуществляемых в специальных аппаратах, предназначенных для проведения электрохимических и чисто химических процессов, в ходе которых получают водород и кислород без уничтожения веществ, не возобновляемых в природных условиях. Например, по одному из вариантов использования настоящего изобретения на первом этапе комплекса технологических приёмов в электролизёр, рабочий объём которого изолирован от атмосферы, к находящемуся там аморфному бору добавляют водный раствор гидроксида натрия, соблюдая пропорции соотношения массовых долей ингредиентов смеси: 15,71% аморфного бора; 58,13% гидроксида натрия и 26,16% воды. При химическом взаимодействии этих веществ выделяется водород, масса которого составляет 4,35% общей массы смеси, и образуется безводный метаборат натрия в соответствии с формулой: 2В +2NaOH + 2H2O = 2NaBθ2 + ЗH2. Если массу бора принять за ориентир процесса, то к 27 килограммам аморфного бора надо добавить раствор, в котором 100 килограммов гидроксида натрия соединены с 45 килограммами воды, при этом образуется 7,48 килограммов водорода и 164,52 килограмма метабората натрия. После удаления из электролизёра водорода осуществляют второй этап комплекса технологических приёмов - электролиз расплава безводного метабората натрия. В процессе электрохимического разложения электролизной массы положительно заряженные ионы натрия перемещаются к катоду, а отрицательно заряженные ионы кислотного остатка - BO2 - перемещаются к аноду. Анод представляет собою короб, а его поверхность, обращенная к борату натрия, имеет ячейки, заполненные веществом известного состава, способным абсорбировать кислород из

ИСПРАВЛЕННЫЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 91) электролизной массы, например, цирконием, стабилизированным кальцием (ZrO,89CaO,l Юl.89). После абсорбции кислорода ионы кислотного остатка — BO2 - разряжаются, а из атомов бора образуются молекулы аморфного бора, которые оседают на нагретых рёбрах ячеек, изготовленных из металла, не вступающего в реакции с бором, например из тантала. Абсорбированный кислород попадает во внутреннюю полость анодного короба через отверстия в стенке, входы в которые со стороны электролизной массы закрыты абсорбирующим веществом, после чего кислород выводят в хранилища. Массовая доля бора, образующегося в процессе электролиза бората натрия, составляет 16,42% электролизной массы, массовая доля натрия составляет 34,96% электролизной массы, а массовая доля кислорода составляет 48,62% электролизной массы. Расчёт по указанным критериям показывает, что при электролизе 164,5 килограммов метабората натрия образуется 57,5 килограммов натрия, 27 килограммов бора и 80 килограммов кислорода. Молекулярный натрий, образующийся из ионов натрия, дошедших до катода, возгоняется, в результате чего создаются условия для вывода его из электролизёра и транспортирования по каналу, изолированному от атмосферного воздуха, в аппарат-дегидратор, предназначенный для осуществления в нём третьего этапа комплекса технологических приёмов - дегидрирования этилового спирта натрием. При вводе этилового спирта в дегидратор в каждой молекуле спирта осуществляется реакция замещения одного атома водорода спиртовой гидроксильной группы одним атомом натрия, в результате чего образуется этилат натрия и выделяется водород. Этот процесс описан формулой: 2(C2H5θH)+2Na=2(C2H5θNa)+H2.

В связи с тем, что масса натрия должна составлять 33,33% общей массы веществ в дегидраторе, определяем потребную массу этилового спирта для преобразования 57,5 килограммов натрия в этилат натрия. Расчётная масса этилового спирта должна быть не меньше 115 килограммов. B процессе дегидрирования 115 килограммов этилового спирта натрием массой 57,5 килограмма, образуется 2,5 килограмма водорода и в осадок выпадает 170 килограммов этилата натрия. Массовая доля этилата натрия составляет 98,55% общей массы веществ в аппарате- дегидраторе, а доля водорода — 1,45% общей массы веществ в аппарате-дегидраторе. Для осуществления четвёртого этапа комплекса технологических приёмов - - гидролиза этилата натрия в аппарат- дегидратор к выпавшему в осадок этилату натрия добавляют воду. Процесс гидролиза этилата натрия описан формулой: C2H5θNa+H2θ=C2H5θH+NaOH. Массовая доля этилата натрия составляет 79,07% общей массы веществ, участвующих в гидролизном процессе, а массовая доля воды - 20,93%. Массовая доля этилового спирта, образующегося в процессе гидролиза этилата натрия, составляет 53,49% общей массы этилата натрия и воды, а массовая доля гидроксида натрия - 46,51%. Продолжая иллюстрацию осуществления очередного (четвёртого) этапа комплекса технологических приёмов, рассчитаем, что для гидролиза 170 килограммов этилата натрия надо ввести в аппарат-дегидратор 45 килограммов воды. В процессе гидролиза этилата натрия образуется этиловый спирт массой 1 15 килограммов и гидроксид натрия массой 100 килограммов. После перекачивания этилового спирта из аппарата-дегидратора в хранилище к оставшемуся в аппарате-дегидраторе гидроксиду натрия массой 100 килограммов добавляют 45 килограммов воды для приготовления водного раствора гидроксида натрия, предназначенного для ввода в электролизёр, в котором осталось 27 килограммов аморфного бора после электролиза бората натрия. Приведенные расчёты показывают, что после завершения четвёртого этапа комплекса технологических приёмов восстановлены исходные массы бора, натрия и спирта, получено почти 10 килограммов водорода, 80 килограммов кислорода. Расход воды составил 90 килограммов. Количество электричества, которое надо пропустить через электролизёр для электрохимического разложения 164,5 килограммов метабората натрия на 57,5 килограммов натрия, 27 килограммов бора и 80 килограммов кислорода, определяется на основании первого закона Фарадея: M=IcIt, откуда It=M/k. В этой формуле I - величина тока в Амперах, пропускаемого через электролизёр; t - время в секундах, в течение которого постоянный ток пропускают через электролизёр; M - масса вещества в граммах; k - коэффициент пропорциональности, носящий название электрохимического эквивалента вещества. Количество электричества, которое надо пропустить через электролизёр для выделения на катоде 57,5 килограммов натрия, составит 66830 А-час.

Лучший вариант применения изобретения.

Для аккумулирования энергии путём использования избыточных электрических мощностей в энергосетях в периоды спадов в потреблении электроэнергии для накопления запасов водорода и кислорода надо создать специализированные производства на предприятиях или вблизи пунктов распределения энергетических мощностей в энергосетях. Например, при подводе к каждой цепочке электролизёров этого специализированного производства постоянного электрического тока силой 10000 ампер в каждом из двухсот электролизёров за час будет выделяться по 8,6 килограмма натрия. За 8 ночных часов в каждой цепочке электролизёров произойдёт выделение 13760 килограммов натрия, а массой абсорбирующего вещества в ячейках анодов всех двухсот электролизёров будет абсорбировано 19104 килограмма кислорода, который через внутренние полости анодов должен быть выведен в хранилища. В последующие 16 дневных часов полученный натрий будет использован для дегидрирования 27520 килограммов этилового спирта, в результате чего выделится без затрат электроэнергии 598 килограммов водорода. Также без затрат электроэнергии будет получено 1790 килограммов водорода в процессе растворения 6468 килограммов аморфного бора в смеси из 23930 килограммов гидроксида натрия и 10768 килограммов воды. Суточные затраты воды составят 21536 килограммов.

Промышленная применимость изобретения. В связи с тем, что затраты электроэнергии, требующейся для питания одной цепочки электролизёров, через которую пропускают постоянный ток силой 10000 ампер, составляют всего около 2,33 киловатт-часа на выделение одного килограмма натрия в процессе электролиза метабората натрия, организация специализированного подразделения для создания запаса водорода и кислорода за счёт использования электроэнергии в ночное время, когда потребность в ней существенно уменьшается, будет экономически эффективным мероприятием, так как позволит в периоды резкого возрастания потребности в электроэнергии на предприятии вырабатывать её в батареях собственных топливных элементов без увеличения приёма дополнительных энергомощностей из энергосистемы. В случае использования в специализированном подразделении каждых пяти тысяч киловатт электрической мощности, потребляемых предприятием из энергосистемы в ночное время для производства кислорода, созданные запасы его позволят обеспечить окислителем топливные элементы собственных батарей, в которых можно будет выработать не менее 40000 киловатт-часов электроэнергии в те периоды суток, когда потребность в ней на предприятии будет выше, чем та, которую способна обеспечить снабжающая энергосистема.

Источники информации:

1. Дж. Твайделл А Уэйр. возобновляемые источники энepгии». M.: «Энeρгoaтoмиздaт», 1990 г., с 360-361, 364-365.

2. Патент RU2142066 МПК 6, F 03 В 13/00, C Ol B 3/08, опубликован 27.11.1999 года в Бюллетене Российского агентства по патентам и товарным знакам N2ЗЗ.

Claims

Формула изобретения:

1. Способ аккумулирования энергии, включающий осуществление чисто химических и электрохимических процессов взаимодействия веществ с целью получения водорода и кислорода, отличающийся тем, что извлечение водорода из водородсодержащих соединений производят в периоды максимального потребления электроэнергии из снабжающей энергосистемы путём ввода в водородсодержащие соединения веществ, вытесняющих водород без затрат электроэнергии, а кислород получают в периоды спада в потреблении электроэнергии из энергосистемы в процессе электрохимического разложения кислородосо держащих соединений в изолированном от атмосферного воздуха объёме электролизёра без газонаполнения электролизной массы, что исключает необходимость повышения напряжения на клеммах электродов в сравнении с минимально необходимым, так как сопротивление электрической цепи, проходящей через электролизную массу, не увеличивается в условиях отсутствия газонаполнения электролизной массы, а в результате затраты электроэнергии на производство кислорода удаётся снизить до оптимального уровня, создав тем самым условия для реализации экономически эффективного варианта использования водорода и кислорода собственного производства для выработки электроэнергии в батареях топливных элементов именно в те периоды суток, когда потребность в ней будет превышать возможности снабжающей энергосистемы.