Спосіб генерування і накопичення електроенергії

Реферат: Спосіб генерування електроенергії за допомогою вуглеенергетичного підприємства на базі кар'єрного гідровидобутку вугілля, газифікації вугілля, уловлювання окису сірки і парникових газів і виробки електроенергії за подвійному паро-водневому циклу за рахунок спалювання водню, причому окис сірки перетворюють на сірчану кислоту, яку використовують для виробництва свинцево-кислотних акумуляторів, які накопичують електроенергію, частину водню використовують для заправки паливних елементів, які накопичують електроенергію. UA 118691 U (12) UA 118691 U UA 118691 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до енергетики і електротехніки, зокрема до способів генерування електроенергії на вуглеенергетичних підприємствах і накопичення електроенергії в хімічних джерелах струму. Однією з найактуальніших проблем науково-технічного прогресу і розвитку суспільства в цілому є пошук оптимального рішення енергетичної і екологічної задач. Точніше кажучи, пошук виходу з енергетичної і екологічної кризи, поки що кризові тенденції не досягли неприпустимо небезпечного рівня. Але, в більшості випадків умови сумісного рішення енергетичної і екологічної задач вступають в суперечність одна з одною, оскільки інтенсифікація виробництва енергії майже завжди призводить до підвищення техногенного навантаження на оточуюче середовище, до забруднення повітря, водойм і ґрунту. В даний час, у зв'язку з швидким виснаженням таких енергоносіїв, як нафта і газ, підвищенням цін на них, перспективним шляхом рішення енергетичної проблеми, з урахуванням паралельного рішення екологічної задачі, є створення вуглеенергетичних підприємств високого технологічного рівня. В таких підприємствах здобич і переробка вугілля, а також виробіток електроенергії локалізовані в одному місці і раціонально з'єднані. Це дозволяє підвищити інтегральний ККД підприємства в порівнянні з тим загальним ККД, який реально задавався ланцюжком окремих операцій: вуглевидобування, вуглепереробка, транспортування, генерація електроенергії, утилізація відходів [Воробьев Б.М. Уголь мира / Под общей редакцией Л.А. Пучкова. - М.: Изд-во "Горная книга", Изд-во МГГУ, 2007. - Т. 1: Глобальный аспект. - 309 с.]. В даний час найбільший розвиток дістає тенденція використання максимального числа компонентів відходів як сировинних речовин для виробничих підприємств. Проте, як правило, ці хімічні речовини транспортуються на великі відстані, оскільки виробничі підприємства територіально не пов'язані з тепловими електростанціями. Тому, наступним кроком на шляху оптимального рішення енергетичної і екологічної задач є розробка і створення складніших комплексів: об'єднання і інтеграція підприємств, що виробляють енергію, з товаропродукуючими підприємствами, наприклад, з виробництвом хімічних джерел струму. Як аналог ми використовуємо спосіб сумісного функціонування вуглеенергетичного підприємства і акумуляторого заводу [Тарасов С.В. Совместное функционирование углеэнергетического предприятия и промышленного энергопарка / С.В. Тарасов, А.А. Буряк, В.Ю. Скосарь // Сборник научных трудов международной конференции "Современные инновационные технологии подготовки инженерных кадров для горной промышленности и транспорта" СІТЕРТМТІ'2014, 2014. С. 301-309. Дивись: http://okmm.nmu.org.ua/en/2014_1/%D0 %A2 %D0 %B0 %D1 %80 %D0 %B0 %D1 %81 %D0 %BE %D0 %B2.php#.V_X94Gce6Xw]. В аналогу здобувають вугілля, проводять його газифікацію з виробництвом генераторного газу на реактору газифікації вугілля, потім очищають генераторний газ, причому вловлюють сірководень з нього. Генераторний газ використовують для генерування електроенергії на електрогенераторах за допомогою газової і парової турбін, де газ спалюють. Сірководень направляють на синтез сірчаної кислоти, яку використовують для виробництва свинцево-кислотних акумуляторів, які накопичують електроенергію. В аналогу кінцевими продуктами є електроенергія і свинцево-кислотні акумулятори, а також вугільний шлак, який можливо використовувати для заводу будівничих матеріалів. Недоліками аналогу є наступні: - відносно високе забруднення повітря парниковими газами СО 2, NOx, що є продуктами спалювання генераторного газу; - номенклатура використовуваних хімічних джерел струму в аналогу обмежено свинцевокислотними акумуляторами, але господарство потребує хімічних джерел струму як можна більш поширеної номенклатури. Як прототип ми використовуємо спосіб генерування електроенергії за допомогою вуглеенергетичного підприємства на базі кар'єрного гідровидобутку вугілля, газифікації і генерування електроенергії за подвійному паро-водневому циклу [Пучков Л.А. Концептуальная модель энергетического комплекса на базе карьерной гидродобычи угля, внутрицикловой углегазификации при генерировании электроэнергии по двойному паро-водородному комбинированному циклу / Л.А. Пучков, Ю.Ф. Васючков, Б.М. Воробьев, С.Б. Воробьев, М.Ю. Васючков, М.Ю. Кирьянова // Горный инф.-аналит. бюл. - 2006. - № 4. - С. 165-174. Дивись: http://www.giab-online.ru/files/Data/2006/4/8_Puchkov15.pdf]. В прототипі здобувають вугілля, проводять його газифікацію з виробництвом генераторного газу на реактору газифікації вугілля, потім очищають генераторний газ, перетворюють його у водень, причому вловлюють парникові гази SOx, CO2, NOx, які перетворюють у тверді відходи, що використовуються або утилізуються. 1 UA 118691 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Водень використовують для генерування електроенергії на електрогенераторах за допомогою газової і парової турбін, де водень спалюють. Оскільки генераторний газ зазвичай містить 20-56 % водню (Н2), залишок - окис вуглецю (CO), метан (СН4) та домішки інших парникових газів (SOx, CO2, NOx), то в прототипі перетворюють CO і СН4 в Н2 за рахунок реакції з водяним паром: СО+Н2О  СО2+Н2, СН4+2Н2О  СО2+4Н2. Парникові гази (SOx, CO2, NOx) утилізують в відходи (сірка і азот), причому СО 2 перетворюють в карбонат кальцію за рахунок реакції: CO2+CaO  СаСО3. В прототипі кінцевими продуктами є електроенергія, відходи (сірка, азот, карбонат кальцію), а також вугільний шлак, який можливо використовувати для заводу будівничих матеріалів. Недоліком прототипу є той факт, що накопичування електроенергії практично не реалізовано, оскільки частина електроенергії хоча й накопичується в хімічну енергію сірки, але далі не використовується. Також не використовується для накопичування електроенергії хімічна енергія водню. В основу запропонованого рішення поставлено задачу розробки способу генерування електроенергії на вуглеенергетичних підприємствах і накопичення електроенергії в хімічних джерелах струму, що призведе до рішення енергетичної і екологічної задач. Поставлена задача вирішується тим, що в способі генерування електроенергії, згідно корисної моделі, окис сірки перетворюють на сірчану кислоту, яку використовують для виробництва свинцево-кислотних акумуляторів, які накопичують електроенергію, частину водню використовують для заправки паливних елементів, які накопичують електроенергію. Розкриємо суть. В запропонованому способі вуглеенергетичне підприємство виробляє електроенергію, як і в прототипі, але використовує хімічну енергію сірки і частини водню для накопичування частини електроенергії в хімічних джерелах струму. Для цього частину водню, який отримано з генераторного газу, не спалюють, а направляють на заправку паливних елементів. Таким чином, паливні елементи (як хімічні джерела струму) накопичують в собі електроенергію, яку можливо будь-яким зручним способом використовувати. Наприклад, паливні елементи з воднем можливо встановлювати на електромобілі для живлення електродвигунів. Генераторний газ, що містить сірку у вигляді SO x, тобто SO2 і SO3. Окиси сірки SO2 і SO3 перетворюють на сірчану кислоту контактним способом, наприклад, як указано в [Серная кислота. http://xимбочка.рф/serkislota.html]. Для цього використовують ванадієві каталізатори, які містять окисел ванадію V2O5 з додатками SiO2, Al2O3, K2О, СаО, ВаО. Окиси сірки SO x очищають від шкідливих домішок і пропускають скрізь промивні башти з сірчаною кислотою, де видаляють залишки пилу і витягають SO3 і пари Н2О в сірчану кислоту. Потім суміш SO2 і повітря пропускають скрізь 4 або 5 шарів каталізатора при температурі більш 420 °C, де проходить реакція: SO2+1/2 O2=SO3. Потім SO3 поглинається водою, яка міститься в розбавленій сірчаній кислоті: SO3+H2O=H2SO4. Таким чином виробляють сірчану кислоту з окисів сірки SO x (дивись Серная кислота. http://xимбочка.рф/serkislota.html] Сірчану кислоту використовують для виробництва свинцевокислотних акумуляторів (хімічних джерел струму), які накопичують електроенергію як в активної масі, так і в сірчаному електроліті. Цю електроенергію можливо будь-яким зручним способом використовувати. Корисна модель може буде використана для генерування електроенергії на вуглеенергетичних підприємствах, що розташовані поблизу вугільних родовищ, і для накопичення електроенергії в хімічних джерелах струму, що виробляються на товаропродукуючих підприємствах. Причому вуглеенергетичне підприємство може бути інтегровано з товаропродукуючими підприємствами в складний комплекс. На кресленні вказано загальну схему вуглеенергетичного підприємства, акумуляторного заводу і станції заправки паливних елементів, що інтегровані. Видобуток вугілля проводять на родовище 1, після чого готовлять 2 вугільну пульпу 3, яку постачають в вуглегазифікатор 4. Шлак 5 з вуглегазифікатору 4 постачають на завод будівничих матеріалів 6. Генераторний газ 7 з вуглегазифікатору 4 постачають в блок 8 газоочищення і газопереробки. З блока 8 водень 9 постачають в енергоблок 10, частку водню 9 повертають в вуглегазифікатор 4. З блока 8 відводять окиси сірки 11, які перетворюють на сірчану кислоту на підприємстві 12, а також відводять відходи 13. Сірчану кислоту 14 використовують на 2 UA 118691 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 виробництві 15 свинцево-кислотних акумуляторних батарей 16, котрі постачають споживачеві. На енергоблоку 10 генерують електроенергію 17 для споживачів. Частину водню 9 використовують для заправки 18 паливних елементів 19, котрі також постачають споживачеві. Наведемо приклад Вуглеенергетичне підприємство розташовано поблизу одного з родовищ бурового вугілля Дніпровського басейну. Це може бути одно з 58-ми родовищ, де видобуток ведуть відкритим способом, або інше з 42-х родовищ, де працюють шахти. Вміст сірки в бурому вугіллі приблизно 4,8-5,0 %. Теплота спалювання приблизно 28,9-31,4 МДж/кг. Середній видобуток з понад 100 родовищ Дніпровського басейну приблизно 4,5 млн. т. у рік [Дивись: Ильченко К.Д., Ревенко М.Б. Теплофизические свойства углей Украины. http://www.nbuv.gov.ua/old_irn/natural/mt/2009_1/09ikdsuu.pdf]. Тому припустимо, що вуглеенергетичне підприємство щорічно отримає 50 тис. т. бурого вугілля з вмістом сірки 5 % і теплотою спалювання 30 МДж/кг. ККД роботи вуглеенергетичного підприємства приблизно 50 % [Воробьев Б.М. Уголь мира / Под общей редакцией Л.А. Пучкова. - М.: Изд-во "Горная книга", Изд-во МГТУ, 2007. - Т.1: Глобальный аспект. - 309 с], тому щорічне генерування електроенергії 8 5 буде досягати 7,5•10 МДж (2,1•10 МВт•ч), а вловлювання сірки буде досягати 2,5 тис. т. Це відповідає виробництву концентрованої сірчаної кислоти приблизно 7,5 тис. т. В аналогу вказано [дивись: Тарасов С.В. Совместное функционирование углеэнергетического предприятия и промышленного энергопарка / С.В. Тарасов, А.А. Буряк, В.Ю. Скосарь], що акумуляторне виробництво продуктивністю 7 млн. свинцево-кислотних батарей 6СТ-60АЗ (12 В, 60 А•ч) в рік потребує електроенергії потужністю 12 МВт і 1,925 кг концентрованої сірчаної 5 кислоти на кожну батарею. Це відповідає щорічному споживанню електроенергії 1,05•10 МВт•ч і концентрованої сірчаної кислоти 13,5 тис. т. Якщо ми бажаємо повністю забезпечити акумуляторне виробництво сірчаною кислотою, треба вуглеенергетичне підприємство забезпечити вугіллям в середньому з двох родовищ (щорічно 100 тис. т. бурого вугілля), причому тільки приблизно ¼ електроенергії (потужністю 12 МВт) буде споживано на акумуляторному заводі, а ¾ електроенергії (потужністю 36 МВт) вироблено для споживачів енергомереж. Тепер розглянемо інший приклад з виробництвом водню для паливних елементів. В бурому вугіллі Дніпровського басейну міститься 20-23 % золи (шлаку), а вміст водню (Н2) в горючій частині приблизно 4,9 % [Дивись: Ильченко К.Д., Ревенко М.Б. Теплофизические свойства углей Украины]. Тому, якщо вуглеенергетичне підприємство щорічно отримає 50 тис. т. бурого вугілля, то воно виробляє приблизно 1,9-2,0 тис. т. водню. Якщо тільки 90 % водню спалюють для виробництва електроенергії, то 10 % можливо використовувати для заправки паливних елементів, тобто - приблизно 200 т. водню. Це означає, що щорічне генерування електроенергії 5 5 буде досягати не 2,1•10 МВт•ч, а тільки 1,89•10 МВт•ч. Оскільки ККД паливних елементів приблизно дорівнює 50 % (що дорівнює ККД вуглеенергетичного підприємства), то легко 5 порахувати, що 10 % водню, що не спалено, а накопичено, дозволять накопичувати 0,21•10 МВт•ч електроенергії щорічно в паливних елементах. Якщо у середньому електромобіль потребує 22 кВт•ч на 100 км пробігу [Дивись: Чижов С. http://www.computerra.ru/73585/tak-li-chistelektricheskiy-transport-ili-nam-stoit-vyibrat-gruzovyie-velosipedyi/], то накопичена в паливних 5 елементах електроенергія (0,21•10 МВт•ч) забезпечить щорічний пробіг 100 млн. км. При середньому пробігу транспортного засобу 15 тис. км в рік [Дивись там же], це відповідає щорічної експлуатації 6,67 тис. електромобілів на паливних елементах. Таким чином, запропонована корисна модель раціонально вирішує задачу генерування і накопичення електроенергії, що підтверджується розрахунками. Корисна модель може бути використана для рішення енергетичної і екологічної задач. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Спосіб генерування електроенергії за допомогою вуглеенергетичного підприємства на базі кар'єрного гідровидобутку вугілля, газифікації вугілля, уловлювання окису сірки і парникових газів і виробки електроенергії за подвійному паро-водневому циклу за рахунок спалювання водню, який відрізняється тим, що окис сірки перетворюють на сірчану кислоту, яку використовують для виробництва свинцево-кислотних акумуляторів, які накопичують електроенергію, частину водню використовують для заправки паливних елементів, які накопичують електроенергію. 3 UA 118691 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4