1. Введение
Характерной особенностью электрической энергии является неравномерный характер её потребления, как в суточном, так и в годовом циклах, что связано с циклом жизнедеятельности человека и большей части адаптированных к нему промышленных технологий [1], [2]. Неравномерность энергопотребления вызывает необходимость регулирования мощности энергоисточников, либо накопления энергии для переноса её производства из временного диапазона избыточности (ночной период) в зону «пикового» потребления (дневной период) [3], [4], [5], [6]. В настоящее время из многочисленных технологий крупномасштабного накопления энергии нашла применение лишь технология гидро-аккумулирования, возможности которой ограничены условиями рельефа местности и водной обеспеченности территории [7], [8].
Получившие широкое развитие в последние десятилетия новые – возобновляемые источники энергии- в первую очередь солнечная и ветровая, потенциал которых имеет переменный во времени (циклический с высоким уровнем стохастической составляющей) характер требует синхронизации их энерговыработки с графиками потребления, что снижает привлекательность их использования в крупномасштабной энергетике [9], [10], [11], [12]. На рисунке 1 приведен суточный график энергопотебления, характерный для промышленно развитых регионов Уральского федерального округа.
Суточный график энергопотребления региона
Очевидно, что неравномерность энергопотребления требует принятия дополнительных решений экономического (дифференцированные тарифы), технического (наличие маневренных источников, гидроаккумулирование и пр.), географического (передача энергии в другие часовые зоны) характера.
Вовлечение в энергетическое производство возобновляемых источников энергии создает новые проблемы, связанные с их временной изменчивостью. На рисунках 2, 3 приведены графики суточного и сезонного изменения приходов и энерговыработки солнечной электростанции в условиях Уральского федерального округа.
Удельная мощность солнечной инсоляции в месячном цикле
Годовая выработка электроэнергии Орской солнечной электростанцией
Изменение прихода солнечной энергии от 0 (ночь) до 100% (день) в суточных циклах, изменчивость по дням месяца и месяцам года ставят задачу – организации производства энергии в климатически оптимальном периоде – сохранения её и использование в требуемы период времени. Интеграция установок ВИЭ в существующие энергосистемы требует создания крупномасштабных технологий накопления энергии [14], [15].
Повышение доли возобновляемой энергии в общей структуре энергоисточников сделает эту задачу неразрешимой при помощи традиционных методов, с существенными экономическими и экологическими негативными последствиями.
В то же время современные успехи в развитии электрохимических технологий получения электрической энергии позволяют ставить задачу использования ЭХГ в качестве маневренных источников большой мощности при наличии накопленного водородного топлива и атмосферного воздуха с образованием воды, как основного продукта реакции [16], [17], [18]. С этой целью разрабатываются разнообразные технологии получения, хранения и транспортировки водорода (по аналогии с природным газом) к электрогенерирующим установкам. Учитывая специфические особенности водорода (пожар и взрывоопасность, сверхтекучесть и др.) данные решения являются крайне сложными и рискованными [19].
2. Методология исследования
В данной работе, на примере натрия, рассматривается возможность использования щелочного металла, как наиболее эффективного метода получения водорода при реакции с водой. Продукт реакции (щелочь) повторно восстанавливается до чистого металла электролизом за счет энергии (в период ночного провала энергопотребления ТЭС и АЭС) или за счет энергии ВИЭ в период её природного наличия (ГЭС, ФЭС, ВЭС).
На рисунке 3 приведена концептуальная схема предлагаемого энергетического комплекса.
Концептуальная схема предлагаемого энергетического комплекса
В данной схеме щелочной металл не расходуется, а является промежуточным энергоносителем, позволяющим производить водород для электрохимической части в темпе, необходимом для выработки энергии по графику потребления. Хранение щелочных металлов в длительных (включая многолетние) циклах не имеет технических ограничений в отличие от хранения водорода.
3. Физико-химия процесса получения водорода с использованием натрия
Восстановительная реакция получения водорода при взаимодействии натрия с водой [20]:
[LATEX_FORMULA]$2 \mathrm{Na}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}=\mathrm{H}_2+2 \mathrm{NaOH}$[/LATEX_FORMULA]
Теплота реакции (1) где теплота образования NaOH в жидком состоянии [LATEX_FORMULA]\Delta H_{\mathrm{NaOH}}[/LATEX_FORMULA] = – 425,5∙103 кДж/кмоль, Na в жидком состоянии [LATEX_FORMULA]\Delta H_{\mathrm{Na}}[/LATEX_FORMULA] = – 286,2∙103кДж/кмоль, воды в жидком состоянии [LATEX_FORMULA]\Delta H_{\mathrm{H} 2 \mathrm{O}}[/LATEX_FORMULA] = – 286,2∙103 кДж/кмоль [21].
Реакция экзотермическая. В расчете на 1 кг Na кДж/кг натрия.
В расчете на 1 кг продуктов реакции (1) кДж/кг продуктов реакции.
4. Теоретическая температура продуктов реакции (1)
Уравнение теплового баланса
где:
– истинная изобарная удельная теплоемкость продуктов реакции (1) при температуре t;
– массовые доли компонентов в продуктах реакции (1);
– истинные изобарные удельные теплоемкости продуктов реакции (1) при температуре t, кДж/кг [22], [23];
– истинная изобарная удельная теплоемкость продуктов реакции (1) при температуре 20 oC.
Для определения теоретической температуры продуктов реакции используется графический метод. Строится график зависимости энтальпии продуктов реакции [LATEX_FORMULA]$C_p^t \cdot t$[/LATEX_FORMULA] от температуры t, далее откладывается на оси ординат теплоту [LATEX_FORMULA]$\Delta H^*$[/LATEX_FORMULA] и по точке пересечения определяют теоретическую температуру продуктов реакции [24]. Для натрия она равняется 1800оС.
Расход воды на 1 кг Na по реакции (1) 0,39 кг.
Из 1 кг натрия получается 0,48 м3 водорода.
Удельный расход H2 на производство электроэнергии [22].
Удельный объем, вырабатываемой электрической энергии1,69 кВт ч/кг Na.
5. Затраты электроэнергии на электролиз гидроксида натрия
Затраты электрической энергии на получение 1 кг Na электролизом NaOH по реакции (2) без учета тепловых потерь
[LATEX_FORMULA]$4 \mathrm{NaOH}=4 \mathrm{Na}+\mathrm{O}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$[/LATEX_FORMULA]
Затраты тепловой энергии на получение 1 кг Na по реакции (2)
кДж/кг натрия, компенсируются теплотой экзотермической реакции (1).
Затраты электрической энергии на получение 1 кг Na электролизом NaOH по реакции (2) компенсируются избыточной энергией выработанной ТЭС и АЭС в период спада энергопотребления и энергией ГЭС, СЭС и ВЭС в периоды активной генерации.
Важным экологическим обстоятельством является образование по реакции (2) воды в количестве 0,225 кг/кг Na, и кислорода 0,2 м3/ кг Na.
6. Заключение
Расчетные исследования показали, что процесс восстановления воды натрием экзотермический с выделением теплоты в количестве 12,38 ∙103 кДж/кг натрия. Расход воды 0,39 кг/ кг Na. Из 1 кг натрия получается 0,48 м3 водорода.
Затраты электрической энергии на получение 1 кг Na электролизом NaOH составляют 3,64 кВт∙ч. Продуктами реакции электролиза кроме натрия являются вода в количестве 0,225 кг/кг Na, и кислород 0,2 м3/ кг Na.
Высокие температуры продуктов реакций (1) позволяют рассматривать возможность дополнительного производства электрической энергии на основе термодинамических циклов Ренкина или Брайтона, что существенно повысит энергетическую эффективность рассмотренной технологии.