СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2015 года по МПК H01M12/08 C25B1/32 

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 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 агрегатов электростанций приводят к повышенному износу оборудования, потере экономичности его и надежности, 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 «пиковых» 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 «раскручиваются» за считанные минуты и могут производить значительное количество дополнительной электроэнергии. Однако необходимо иметь в виду ряд серьезнейших проблем при реализации проектов строительства маневренных мощностей. Несмотря на заманчивое преимущество гидроаккумулирующих электростанций, способных вырабатывать более дешевую электроэнергию 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 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 энергии» (1) перечислил такие способы аккумулирования энергии: химическое, тепловое, электрическое, в форме потенциальной или кинетической энергии. Одним из видов химического аккумулирования является получение водорода путем 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 «Способ аккумулирования электроэнергии», раскрытый в описании изобретения к патенту Российской Федерации №2142066 (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 ее в энергосистемах в часы «пик». В аппаратах, принципиальная конструкция которых раскрыта в описании к патенту Российской Федерации №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 «Способа аккумулирования электроэнергии» препятствовало то обстоятельство, что из-за образования газовых пузырьков в электролите в процессе электролиза водородсодержащего соединения затраты энергии на питание электролизеров 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 приемов, осуществляемых в специальных аппаратах, предназначенных для проведения электрохимических и чисто химических реакций, 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 приемов в электролизер, рабочий объем 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+2Н₂O=2NaBO₂+3Н₂.

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 электролизера водорода осуществляют второй этап комплекса технологических приемов - электролиз бората натрия. В процессе электролиза бората натрия положительно заряженные ионы натрия перемещаются к катоду, а отрицательно заряженные ионы кислотного остатка - ВO₂ - перемещаются к аноду. Анод представляет собою короб; а его поверхность, обращенная к борату натрия, имеет ячейки, заполненные веществом известного состава, способным абсорбировать кислород из электролизной массы. После абсорбции кислорода ионы кислотного остатка ВO₂ - разряжаются, а из атомов бора образуются молекулы аморфного бора, которые оседают на нагретых ребрах 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, которые прикрыты от электролизной массы абсорбирующим веществом, после чего его выводят в хранилища. Массовая доля бора, образующегося в процессе электролиза бората натрия, составляет 16,42% массы бората натрия, массовая доля натрия составляет 34,96% массы бората натрия, а массовая доля кислорода составляет 48,62% массы бората натрия.

Для иллюстрации процесса осуществления очередного (второго) этапа комплекса технологических приемов рассчитаем, что при электролизе 164,5 килограммов бората 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 электролизера и транспортирования по каналу, изолированному от атмосферного воздуха, в аппарат-дегидратор, предназначенный для осуществления в нем третьего этапа комплекса технологических приемов - 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 в соответствии с формулой:

2(C₂H₅OH)+2Na=2(C₂H₅ONa)+H₂.

Продолжая иллюстрацию осуществления очередного (третьего) этапа комплекса технологических приемов, рассчитаем, что 57,5 килограммов натрия, составляющего 33,33% массы веществ в аппарате-дегидраторе, достаточно для дегидрирования 115 килограммов этилового спирта, составляющего 66,66% общей массы веществ в аппарате-дегидраторе. В 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 четвертого этапа комплекса технологических приемов - гидролиза этилата натрия в аппарат-дегидратор к выпавшему в осадок этилату натрия добавляют воду. Процесс гидролиза этилата натрия описан формулой: C₂H₅ONa+H₂O=C₂H₅OH+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 (четвертого) этапа комплекса технологических приемов, 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 115 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 электролизер, в котором осталось 27 килограммов аморфного бора после электролиза бората натрия. Приведенные расчеты показывают, что после завершения четвертого этапа комплекса технологических приемов 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 электролизер для электрохимического разложения ·натрия на 57,5 килограммов натрия, 27 килограммов бора и 80 килограммов кислорода, определяется на основании первого закона Фарадея: M=kIt, откуда It=M/k. В этой формуле I - величина тока в амперах, пропускаемого через электролизер; t - время в секундах, в течение которого постоянный ток пропускают через электролизер; М - масса вещества в граммах; k - коэффициент пропорциональности, носящий название электрохимического эквивалента вещества. Количество электричества, которое надо пропустить через электролизер для выделения на катоде 57,5 килограммов натрия, составит 66830 А·ч.

Лучший вариант применения изобретения.

Для аккумулирования энергии путем 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 электролизеров этого специализированного производства постоянного электрического тока силой 10000 ампер в каждом из двухсот электролизеров за час будет выделяться по 8,6 килограмма натрия. За 8 ночных часов в каждой цепочке электролизеров произойдет выделение 13760 килограммов натрия, а массой абсорбирующего вещества в ячейках анодов всех двухсот электролизеров 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 790 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 электролизеров, через которую пропускают постоянный ток силой 10000 ампер, составляют всего около 2,33 кВт·ч на выделение одного килограмма натрия в процессе электролиза бората натрия, организация специализированного подразделения для создания запаса водорода и кислорода за счет 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 ее в батареях собственных топливных элементов без увеличения приема 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 кВт·ч 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 энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с 360-361, 364-365.

2. Патент RU2142066, МПК 6, F03В 13/00, С01B 3/08, опубликован 27.11.1999 года в Бюллетене Российского агентства по патентам и товарным знакам №33.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способу аккумулирования энергии путем производства кислорода и водорода, необходимых для работы топливных элементов, в периоды спада потребности электроэнергии в энергосистеме на территории предприятия - потребителя электроэнергии. При осуществлении комплекса технологических приемов воздействия на вещества, помещенные в специально сконструированные аппараты, удается извлекать водород из водородсодержащих соединений химическим путем без затрат электроэнергии, а при выработке кислорода в процессе электролиза кислородосодержащего соединения в виде электролизной массы удается снизить затраты электроэнергии на питание электролизера путем уменьшения сопротивления электрической цепи, проходящей через электролизную массу, за счет выполнения анода электролизера в виде короба с ячейками, заполненными веществом, способным абсорбировать кислород из электролизной массы, что является техническим результатом заявленного изобретения.

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 путем ввода в водородсодержащие соединения веществ, вытесняющих водород без затрат электроэнергии, а кислород получают в процессе электрохимического разложения кислородосодержащих соединений в изолированном от атмосферного воздуха объеме электролизера без газонаполнения электролизной массы, что исключает необходимость повышения напряжения на клеммах электродов в сравнении с минимально необходимым напряжением, так как сопротивление электрической цепи, проходящей через электролизную массу, не увеличивается в условиях отсутствия газонаполнения электролизной массы.