DD150969A5

DD150969A5 - Verfahren zur speicherung von elektrischer energie

Info

Publication number: DD150969A5
Application number: DD80221414A
Authority: DD
Inventors: Vincenzo Lagana; Francesco Saviano; Giorgio Fusco
Original assignee: Snam Progetti
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1980-05-28
Publication date: 1981-09-23
Also published as: GB2051867A; CS226721B2; DK230780A; FR2457968B1; IE801043L; DE3020233A1; DK150130B; IT7923084A0; IL60167A; IE49720B1; CH644201A5; AU533751B2; US4459187A; BR8003442A; NL8003133A; GB2051867B; JPS55161381A; CA1153983A; IL60167A0; IT1121523B

Abstract

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines universell anwendbaren Verfahrens, welches die Wiedergewinnung oder Nutzbarmachung einer unbegrenzten Energiemenge gestattet. Das erfindungsgemaesze Verfahren wird in der Weise ausgefuehrt, dasz man a) eine Schmelze eines Alkalihydroxids mit Hilfe von ueberschuessiger elektrischer Energie waehrend Zeiten geringen Strombedarfs elektrolysiert und das dabei gewonnene Alkalimetall sammelt; b) das gesammelte Alkalimetall in Zeiten hohen Strombedarfs mit einer waeszrigen Loesung seines Hydroxids in einer exothermen Reaktion umsetzt, den dabei gebildeten Wasserstoff zur Erzeugung von Heiszdampf oder elektrischer Energie oder als Waermequelle durch Nutzbarmachung der Verbrennungswaerme verwertet und c) die Reaktionswaerme in der Schmelze des reinen Alkalihydroxids in einem Waermeaustauscher nutzbar macht, woraufhin man d) waehrend Zeiten geringen Strombedarfs einen Teil des Alkalihydroxids aus c) in die Elektrolyse a) fuehrt und e) das restliche Alkalihydroxid mit Wasser versetzt und die Lauge gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung nach b) rueckleitet.

Description

14 "^" Berlin, den 14. 10. 198O 221 414 57 595 18/37

Verfahren 2ar Speicherung; von elektrischer Energie

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Spitzenenergie mit Hilfe von Alkalimetallen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Große Kraftwerke wie kalorische Kraftwerke und Kernkraftwerke erzeugen elektrische Energie in konstanter Menge, da deren Arbeitsprinzip keine Änderung der Energielieferung in schneller Anpassung an den momentanen Bedarf zulassen. Andererseits ist aber der Energiebedarf über 24 h nicht konstant, sondern schwankt dauernd von einer Minimalabnahme in der Nacht bis zu der Maximalabnahme zwischen 19 und 22 Uhr.

Um einerseits den Energiebedarf zu decken und andererseits eine Energieverschwendung zu vermeiden, werden kalorische Kraftwerke und Kernkraftwerke im allgemeinen so betrieben, daß sie über den ganzen Tag eine konstante Leistung von 60 bis 70 % der maximal benötigten Leistung abgeben. Die restlichen 40 bis 30 % werden von einer Reihe kleiner Zusatzaggregate zur Verfügung gestellt, die parallel mit dem Hauptkraftwerk arbeiten und die in erster Linie hydroelektrische Werke, kleine Gasturbinen oder Dieselaggregate sind, die aufgrund ihrer Flexibilität zu beliebiger Zeit arbeitsfähig sind uiid den benötigten fehlenden Teil an elektrischer Leistung abzugeben vermögen. Es ist offensichtlich, daß ein solches System übermäßige

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Leistung während der Nacht abgibt, während der Bedarf sehr gering ist. Diese Überschußenergie soll jedoch nicht verloren gehen, sondern sollte vollständig nutzbar gemacht werden.

Wie aus S. S. Penner und L. Icenaan "Energy", Vol. II, "Non-nuclear Energy Technologies¹^ Addison - Wesley Publishing Company Inc. 1975, Seite 241 bis 246 hervorgeht, so besteht das am weitesten verbreitete und geeignetste System für die Nutzbarmachung überschüssiger elektrischer Leistung während Zeiten geringer Abnahme in einem Rückpumpen des abgearbeiteten Wassers in einem Wasserkraftwerk. Die Aufgabe derartiger Anlagen liegt darin, Energie während der Nacht, wenn die Abnahme gegenüber der Abnahme bei Tag gering ist, zu verbrauchen, um diese bei Tag bei der größeren Abnahme, insbesondere bei Spitzenbedarf, zur Verfügung stellen zu können. Diese Anlagen beruhaa darauf, daß eine bestimmte Wassermenge während der Nacht mit Hilfe von Energie, die von anderen Kraftwerken erzeugt worden ist, in den Speicher rückgepumpt wird, während dieses Wasser anderen Tags wieder zur Erzeugung des Spitzenstroms abgearbeitet wird.

Obwohl dieses System insgesamt gesehen eine große Wirksamkeit besitzt, weist es auch verschiedene Nachteile auf, die seine !Funktionsfähigkeit begrenzen. Dieses System ist absolut gebunden an ein-Wasserkraftwerk und läßt sich damit nur in solchen Zonen oder Ländern anwenden, in denen ein hoher Anteil der elektrischen Energie durch Wasserkraft erzeugt wird. Darüber hinaus ist nicht nur ein Wasserspeicher oberhalb des Wehres, sondern auch ein solcher unterhalb des Wehres bzw. der Druckleitung erforderlich, damit das Pumpensystem einen ausreichenden ^wasservorrat für längere Arbeitszeiten vorfindet.

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Schließlich geht aus James P. Hartnett "Alternative Energy Sources'¹, Academic Press,1976, Seite 11 hervor, daß der Anteil an durch Wasserkraft erzeugter elektrischer Energie immer weiter zrückgeht, und zwar nicht nur in Italien und in Europa, sondern auf der ganzen Welt.

Vor einem solchen Hintergrund ist es. offensichtlich, daß ein großer Bedarf für andere Systeme zur Speicherung von elektrischer Energie besteht, welche zusätzlich zu den oder allmählich anstelle der oben beschriebenen Pumpsysteme treten können und die eine wirtschaftliche Arbeits weise gewährleisten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines universell anwendbaren Verfahrens zur Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie, welches die Wiedergewinnung oder Nutzbarmachung einer unbegrenzten Energiemenge gestattet.

Darlegung; des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Spitzenenergie mit Hilfe von Alkalimetallen zu speichern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt gute Ergebnisse, wenn man als Alkalimetall Natrium und Lithium anwendet, jedoch sind auch andere Metalle wie Kalium und deren Gemische wie Li/Na, K/Na, Li/K oder Li/Na/K ebenfalls mit guten Ergebnissen verwendbar. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich an den saisonalen Bedarf an elektrischer Energie, insbesondere in Verbindung mit Sonnenkraftwerken,

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anpassen. Derartige Kraftwerke werden im allgemeinen so dimensioniert, daß sie im Winter mit voller Kapazität arbeiten und damit im Sommer Überschußenergie liefern, wenn die maximale Sonnenenergie zur Verfügung steht. Die Überschußenergie von Sonnenkraftv/erken während des Sommers kann man nun erfindungsgeinäß mit Hilfe der Alkalimetalle nutzbar machen, aus welchen dann im Winter die eingebrachte Energie in ITorm von Wärme und Dampf gewonnen wird.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren, welches unter Verwertung von Überschußenergie während Zeiten geringen Strombedarfs elektrolytisch aus einem Elektrolyten in Form einer Schmelze der Alkalihydroxide die Alkalimetalle erzeugt. Die Metalle lassen sich nun lagern, und wenn ein bestimmter Grenzwert des Stromhedarfs überschritten ist, werden die Alkalimetalle, mit einer wäßrigen Lösung ihrer Hydroxide in solchen Mengen gemischt, daß man die Hydroxide rein und im Schmelzzustand zusammen mit der entsprechenden Menge an Wasserstoff erhält. Dabei wird die Reaktionswärme freigesetzt, und die Verbrennungswärme des Wasserstoffs kann zur Erzeugung von Eochdruckdampf herangezogen werden, welcher seinerseits wieder für die Stromgewinnung oder als Wärmequelle oder gergleichen Verwendung findet.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt somit folgende Verfahrens stufen: ~~^

a) Elektrolysieren einer Schmelze von einem Alkalihydroxid mit Überschußstrom während Zeiten geringen Strombedarfs und Lagerung des dabei erhaltenen Alkalimetalls in einem Vorratsgefäß;

b) exotherme Umsetzung des Alkalimetalls mit einer wäßrigen Lösung seines Hydroxids unter Bildung

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von Wasserstoff und einer Schmelze von reinem Alkalihydroxid bei gleichzeitiger Erzeugung von Heißdampf, -welcher zur Stromerzeugung oder als Wärmequelle dient, mit Hilfe der Reaktionswärme und der Verbrennungswärme des Wasserstoffs;

c) Wärmeübertragung und Rückgewinnung des Teils des Alkalihydroxids entsprechend dem umgesetzten Metall und Auffangen des Alkalihydroxids in einem Sammelgefäß;

d) in Zeiten geringen Energiebedarfs Rückführen des Alkalihydroxids aus c) in die Elektrolyse a) unter Aufnahme der Uberschußenergie;

e) Mischen des restlichen Hydroxids mit Wasser und Rückleiten dieses Gemische in das Reaktionsgefäß gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt somit die Verwertung überschüssiger elektrischer Energie während Zeiten geringer Stomabnahme zur Elektrolyse von Alkalihydroxid als Elektrolyt. Das dabei erhaltene Metall wird gesammelt und ist zur Wiederverwertung bereit, wenn der Strombedarf die normalen Werte übersteigt. In diesen Zeiten wird das Metall in ein Reaktionsgefäß geführt, dort mit einer wäßrigen Lösung seines Hydroxids umgesetzt, um eine einzige Verbindung, nämlich das ent~ sprechende Alkalihydroxid, zu bilden, welches aufgrund der Reaktionswärme im Schmelzzustand verbleibt.

Obwohl die Reaktion eines Alkalimetalls mit Wasser außer>-ordentlich exotherm ist und es in manchen Fällen, z. B. beim Natrium oder Lithium, zu Explosionen kommen kann, ist darauf hinzuweisen, daß bei dem erfindungsgemäJSen Verfahren eine solche Gefahr vermieden ist, d. h., es kommt nicht zu Explosionen oder einer unkontrollierbaren Wärmeentwicklung, da die Anwesenheit

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des Hydroxids in der Reaktionsmasse eine zweifache Wirkung hat, d„ h. Aufnahme der Reaktionswärme und Regelung der Reaktion Metall/Wasser durch Erleichterung des allmählichen Kontakts zwischen den beiden Reaktionspartnern.

Die Konzentration der Alkalihydroxid-Lösung ist für ein entsprechendes Fortschreiten des Verfahrens von .übertragender Bedeutung. Sehr verdünnte Lösungen gestatten nur schwer die Regelung der Reaktion, während es sehr konzentrierte Lösungen nicht gestatten, eine ausreichende Wärmemenge in der Zeiteinheit für den gewünschten Zweck zu gewinnen. Darüber hinaus hängt die Konzentration der Lösung auch von der Art des Alkalimetalls ab;.wenn dieses Natrium ist, ist es vorteilhaft, mit Konzentrationen der Lösung von 10 bis 98 Gew.-% zu arbeiten. Die Temperatur innerhalb des Reaktionsgefäßes ist immer abhängig von der Reaktion zwischen Metall und Wasser. In jedem Fall wird das Verfahren so geführt, daß die Temperatur über dem Schmelzpunkt des sich bildenden Alkalihydroxids liegt, d. h., bei Natriumhydroxid schwanken die Temperaturen zwischen 400 und 650 ⁰C.

Der Betriebsdruck des Reaktors hängt von der Konzentration der Lösung ab. Es muß jedenfalls ein Sieden der Lösung bei Eintrittskonzentration und -temperatur vermieden werden. Bei Natriumhydroxid wird der Betriebsdruck zwischen 4 und 50 kg/cm schwanken. Bei der Reaktion zwischen Alkalimetall und der Lösung .seines Hydroxids entwickelt sich Wasserstoff. Bei Natrium erhält man je kg,Natrium 0, 51 m Wasserstoff (Normalbedingungen), der mit seinem Heizwert von 58,3 kcal/ mol eine weitere. Wärmequelle darstellt.

Die nach beendeter Reaktion erhaltene Alkalihydroxid-

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Schmelze wird aus dem Reaktor ausgetragen und dient in einem Wärmeaustauscher zur Dampferzeugung. Aus diesem tritt das Hydroxid bei einer Temperatur etwas über dem Schmelzpunkt aus, so daß es leicht gehandhabt werden kann, Die Alkalihydroxid-Schmelze wird nun in zwei Teile geteilt. Der erste Teil entspricht dem reagierten Alkalimetall und wird auf Lager genommen, um bei Bedarf wieder in die Elektrolyse geleitet zu werden, während der zweite Teil mit 7/asser gemischt wird und die dabei erhaltene ν/äßrige Lösung in das Reaktionsgefäß rückgeführt v/erden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus zwei Kreisen. Ein Kreis ist der des Alkalimetalls und der andere der des Alkalihydroxids. Diese Kreise haben eine Reaktionsstufe und eine Stufe der Wärmeübertragung gemeinsam.

Die chemische Reaktion sollte so sein, daß am Ende Alkalihydroxid vollständig frei von Wasser erhalten wird, jedoch soll dies keine zwingende Notwendigkeit sein, denn man erhält auch die gleichen Ergebnisse, wenn eine sehr hochkonzentrierte Lösung und nicht eine Schmelze des Alkalihydroxids aus dem Reaktor ausgetragen wird.

Ausführungsbeispiel

Kachstehend wird die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert. Die beiliegende Zeichnung zeigt ein Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der Elektrolysezelle 5 soll die Überschußenergie aus den Zeiten geringen Strombedarfs für die Herstellung von Alkalimetall verbraucht werden. Das Metall gelangt dann

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über Leitung 14 in das Sammelgefäß 2, wo es so lange gelagert wird, als der Energiebedarf gering ist. Steigt non die Stromabnahme an, wird das Alkalimetall über die Leitung 6 in den Reaktor 1 gefördert, in welchen die wäßrige Lösung des Alkalihydroxids über die Leitung 7 herangebracht wird. In dem Reaktor 1 findet die Umsetzung des Metalls mit dem Wasser statt, so daß über die Leitung 10 entweder eine Schmelze oder eine sehr konzentrierte Lösung des Alkalihydroxids bei hoher Temperatur austritt. Der bei äer Umsetzung gebildete Wasserstoff verläßt den Reaktor 1 über die Leitung 15 und wird in einem (nicht gezeigten) Dampfkessel abgebrannt.

Die Alkalihydroxid-Schmelze gelangt nun in den Wärmeaustauscher 3» in welchem seine Reaktionswärme verwertet wird. Anschließend wird die Alkalihydroxid-Schmelze oder hochkonzentrierte Lösung in zwei Teile geteilt. Der eine Teil entsprechend dem aus dem Sammelgefäß 2 entnommenen Alkalimetall wird über die Leitung 12 in das Vorratsgefäß 4 gefördert, von wo es während der Zeiten von überschüssiger elektrischer Energie entnommen und in die Elektrolysezelle über die Leitung 13 geführt wird. Der andere Teil gelangt nach Zuspeisung von Wasser über die Leitung 9 und die Sammelleitung 11 in die Pumpe 8, welche diese Lösung wieder in den Reaktor 1 rückführt.

Die Erfindung wird an folgendem Beispiel weiter erläutert: Beispiel.

Aus dem Sammelgefäß 2 wird 1 kg Natrium von Raumtemperatur zusammen mit 10,85 kg einer 92j46 gew.-%igen Natronlauge von 350 ⁰C in den Reaktor eingespeist. Um ein Sieden der Lösung zu vermeiden, wird im Reaktor ein Druck

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von 6 kg/cm aufrecht erhalten. Aus dem Reaktor gewinnt man 0,51 m Wasserstoff (Normalbedingungen) von 100 ⁰C, was einer verwertbaren Verbrennungswärme von 1518 kcal,'entspricht ,sov/ie 11,81 kg Natriumhydroxid-Schmelze von 634 ⁰C, welche in den Wärmeaustauscher 3 geht.

Im Wärmeaustauscher werden 1071, 44 kcal gewonnen. Das Natriumhydroxid verläßt den Wärmeaustauscher mit 350 ⁰C. 1,7 kg Natriumhydroxid entsprechend der Menge des reagierten Natriums wurden in dem Sammelgefäß 4 gelagert, während die restlichen 10,11 kg Natriumhydroxid mit einer Temperatur von 350 ⁰C mit 0,74 kg Wasser versetzt wurden und die so erhaltene Lösung wieder in den Reaktor eintrat.

Während der Zeiten geringen Energiebedarfs wurde das Natriumhydroxid aus dem Sammelgefäß 4 in die Elektrolysezelle geleitet und dort die ursprüngliche Natriummenge rückgewonnen und in das Sammelgefäß für Natrium rückgeführt, wo es für einen neuerlichen Kreislauf zur Speicherung von Überschußenergie zur Verfügung steht.

Claims

.Erfindungsanspruch

Ii Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie, gekennzeichnet dadurch, daß man

a) eine Schmelze eines Alkalihydroxids mit Hilfe von überschüssiger elektrischer Energie während Zeiten geringen Strombedarfs elektrolysiert und das dabei gewonnene Alkalimetall sammelt;

b) das gesammelte Alkalimetall in Zeiten hohen Strombedarfs mit einer wäßrigen Lösung seines Hydroxids in einer exothermen Reaktion umsetzt, den dabei gebildeten Wasserstoff zur Erzeugung von Heißdampf oder elektrischer Energie oder als Wärmequelle durch Nutzbarmachung der Verbrennungswärme verwertet und

c) die Reaktionswärme in der Schmelze des reinen Alkalihydroxids in einem Wärmeaustauscher nutzbar macht, woraufhin man

et) während Zeiten geringen Strombedarfs einen Teil des Alkalihydroxids aus c) in die Elektrolyse a) führt und

e) das restliche Alkalihydroxid mit Wasser versetzt und die Lauge gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung nach b) rückleitet.
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2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß man als Alkalimetall Natrium, Lithium, Kalium, Lithium+Natrium, Kalium+Hatrium oder Lithium+Natrium und Lithium+Ka,-Iium verwendet.
3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß man in den Reaktor eine Natronlauge mit einer Konzentration von 10 bis 98 Gevi»-% einleitet.

Hierzu 1 Seife Zeichnungen