способ аккумулирования электроэнергии

Формула изобретения

Способ аккумулирования электроэнергии в энергосетях путем электролиза водородсодержащего соединения для производства и накопления водорода, предназначенного для использования в качестве топлива в силовых установках резервных генераторов, вводимых в работу в часы "пик" в энергосистемах, отличающийся тем, что процесс электролиза ведут при электрохимическом анодном растворении вещества, замещающего водород в водородсодержащем соединении с разряжением на катоде катионов водорода и выпадением в осадок химического соединения, которое подвергают гидролизу для получения исходного количества водородсодержащего соединения и твердого продукта, водный раствор которого подвергают электролизу с обратной полярностью для восстановления исходного количества вещества, использованного при замещении водорода в водородсодержащем соединении, при одновременном дополнительном получении водорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электроэнергетики.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Комплекс по производству водорода работает следующим образом.

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.

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.

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.

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.

Источник информации:

1. Дж. Твайделл А. Уэйр. "Возобновляемые источники энергии", Москва, "Энергоатомиздат", 1990, стр. 360-361, 364-365.