1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28614
(51) H02J 15/00 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/0465.1
(22) 10.04.2013
(45) 16.06.2014, бюл. №6
(72) Казиев Галим Зухарнаевич; Ахметов Руслан
Мустафаевич
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Казахский
национальный технический университет им.
К.И. Сатпаева" Министерства образования и науки
Республики Казахстан
(56) Патент РФ №2094925, кл. H02J 15/00, опубл.
27.10.1997г
(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ,
ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКИ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ПОПУТНОЕ
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА
(57) Изобретение относится к энергетике, в
частности, к транспортировке и хранению
электрической энергии.
Преобразование электрической энергии в
энергию химический связей (в металлический
алюминий Аl) удобную для хранения, безопасную в
транспортировке и использовании, с последующим
извлечением запасенной энергии, осуществляется за
счет того что: электрическая энергия переводится в
энергию химических связей путем
электролитического восстановления оксида
алюминия до металлического алюминия.
Полученный алюминий, являясь веществом
инертным и нетоксичным, может хранится
неограниченное время в любых объемах, не
предъявляя к складам каких-либо дополнительных
требований. Транспортирование также
производится любым удобным способом, на любые
необходимые расстояния. Запасенную ранее в
алюминии энергию извлекают путем сжигания его в
модифицированных топках тепловых
электростанций. Процесс горения алюминия
протекает с выделением большого количества тепла,
которое используется для получения водяного пара,
вращающего турбину ГЭС и связанный с ней
генератор электрического тока. В результате
сгорания алюминия в атмосфере водяного пара, в
качестве продукта реакции образуется водород
(2Аl+3H2O→Аl2O3+3H2).
(19)KZ(13)A4(11)28614

2. 28614
2
Изобретение относится к энергетике, в
частности, к преобразованию электрической
энергии в энергию химических связей вещества
удобного в транспортировке и хранении.
Известен способ [Патент Российской Федерации
№RU2094925, опубликовано 27.10.1997, МПК H02J
15/00], в котором осуществляется преобразование
электрической энергии в энергию химических
связей с последующим хранением и обратным
преобразованием в электрическую энергию с
помощью способа, в котором: к электрической сети
через выпрямитель подключается гидролизер
разлагающий воду на водород и кислород, которые
под давлением создаваемым компрессорами,
поступают в хранилища. Они могут быть
подземными, подводными, в вечной мерзлоте.
Давление в хранилищах поддерживается слоем воды
или антифриза.
Хранилища трубопроводом связаны или с
надземным водоемом или, в зоне вечной мерзлоты с
другим объемом, заполненным антифризом. При
дефиците мощности в сети водород и кислород под
давлением, создаваемым столбом жидкости,
поступают в газовую турбину теплоэлектростанции,
которая вырабатывает дополнительную мощность в
сеть.
Данный способ имеет существенные недостатки,
связанные как с хранением водорода, так и с его
низкой плотностью. Во-первых, водород газ с
малым диаметром молекулы, он легко
просачивается сквозь любые препятствия, легко
диффундирует сквозь уплотняющие прокладки,
стремясь покинуть отведенный ему объем. Во-
вторых, водород химически агрессивное вещество,
особенно в атомарной форме. Он взаимодействует с
дефектами конструкционных материалов,
накапливается в них и создаёт газовую пористость.
Эта пористость имеет особенность быстро
размножаться (особенно при нагреве) с ростом
внутренних напряжений и охрупчиванием. Кроме
того, водород реагирует с легирующими добавками
в сталях (титан, никель и др.), образуя с ними
гидриды. В результате, труба с водородом, прочная
на вид, превращается в мельчайшую пыль. Но. в
любом случае, для его транспортировки и хранения
требуется сложное и тяжелое газобаллонное
оборудование, что сильно усложняет и удорожает
процесс хранения и транспортировки. Низкая
плотность и температура кипения требуют хранения
газа под высоким давлением, что ведет к расходу
энергии для работы компрессоров.
Техническая задача предложенного изобретения
состоит в том, что бы преобразовать электрическую
энергию в энергию химических связей вещества
удобного для хранения, безопасного в
транспортировке c последующим извлечением
запасенной энергии.
Поставленная задача решается за счет того что:
электрическая энергия переводится в энергию
химических связей путем электролитического
восстановления оксида алюминия до
металлического алюминия. Для восстановления
алюминия используется процесс Холла-Эру.
Электролиз раствора глинозема
(нестехиометрическая смесь оксидов алюминия,
калия, натрия, магния и т. д., природная форма
оксида алюминия) осуществляется в расплавленном
криолите (Na3AlF6) в результате чего выделяется
алюминий. Дно электролизной ванны служит
катодом, а угольные бруски, погруженные в криолит
анодами. На катоде под действием электрического
тока из 3-5% раствора глинозема в криолите
осаждается металлический алюминий. Запасенную
ранее в алюминии энергию извлекают путем
сжигания его в модифицированных топках тепловых
электростанций. Процесс горения алюминия
протекает с выделением большого количества тепла,
которое используется для получения водяного пара,
вращающего турбину ТЭС и связанный с ней
генератор электрического тока. В результате
сгорания алюминия в атмосфере водяного пара, в
качестве продукта реакции образуется водород
(2Аl+3H2O→Аl2O3+3H2).
Техническим результатом предложенного
способа является: преобразование электрической
энергии в энергию химических связей безопасного и
нетоксичного вещества, а именно алюминия;
возможность создавать неограниченные запасы
энергии; возможность удобно транспортировать
запасенную энергию на любые расстояния;
возможность преобразования запасенной энергии в
электрическую и тепловую энергию путем сжигания
алюминия в атмосфере водяного пара с целью
получения тепловой энергии необходимой для
работы теплоэлектростанций; получение технически
чистого и дешевого водорода; позволяет
осуществлять работу теплоэлектростанций без
загрязнения окружающей среды;
Способ осуществляется следующим образом:
На фиг. изображено устройство, для
преобразования энергии химических связей в виде
металлического алюминия в электроэнергию,
которое состоит: 1-топочная камера котла,
2-паропровод, 3-алюминевая проволока,
4-кипятильные трубки, 5-трубопровод для отвода
излишек пара и водорода. Электрическая энергия
переводится в энергию химических связей путем
восстановления алюминия Аl из его оксида Аl2O3 с
помощью электролиза. В виду того что процесс
электролиза происходит только в растворах, а
температура плавления оксида алюминия весьма
высока (tпл 2044°С), то оксид растворяют в расплаве
криолита (Na3AlF6,) что снижает температуру
процесса до 950°С. Далее через емкость с
растворенным в криолите оксидом алюминия с
помощью электродов пропускают электрический
ток. Ионы алюминия двигаясь под действием
электрического поля к катоду, которым является дно
ванны, восстанавливаются на нем, образуя
металлический алюминий. На аноде разряжаются
ионы кислорода O2¯ и, выделяется кислород O2.
Полученный алюминий чрезвычайно удобен в плане
хранения и безопасен в транспортировке. Являясь не
только взрыво- и пожаробезопасным веществом,
алюминий, будучи как вещество химически
инертным за счет образования оксидной пленки не

3. 28614
3
представляет угрозы окружающей среде и в случае
катастрофы, во время перевозки. Металл настолько
безопасен, что из него изготавливают, как кухонную
посуду, так и различного рода упаковочные
материалы и тару, непосредственно
контактирующий с пищевыми продуктами (фольга,
тетрапак, алюминиевые банки для напитков и пр.).
Для хранения запасенной в алюминии энергии, не
требуется в предельном случае, вообще никакой
инфраструктуры. За счет образования оксидной
пленки, которую можно значительно увеличить
оксидированием, он может храниться
десятилетиями, не боясь атмосферных воздействий,
как например, провода ЛЭП. Производится,
храниться и транспортируется алюминий в
достаточно крупных (несколько тонн) слитках, с
целью увеличить соотношение площади
поверхности к объему, уменьшая за счет этого
контакт с атмосферой. Таким образом, можно
создавать практически неограниченные по времени
и по объемам запасы энергии с минимальными
затратами на оборудование хранилищ. Такие запасы
будут совершенно безопасны, чего нельзя сказать о
других видах топлива, тем более, о водороде.
Извлечение запасенной энергии осуществляется
путем сжигания алюминия в атмосфере водяного
пара. Модернизация (см. фиг.) топочных камер (1)
заключается в подводе отработанного пара с
турбины через паропровод (2) через который также
подается в зону горения алюминиевая проволока (3),
которая при горении нагревает теплоноситель в
кипятильных трубках (4) водотрубного котла
теплоэлектростанции. Поскольку алюминий при
сгорании не дает газообразных продуктов в виду
чего теплопередача путем конвекции затруднена, в
зону горения подается избыточное количества пара,
который и осуществляет перенос тепла.
Высокотемпературный пар полученный в результате
нагрева воды в котле вращает турбину и связанный
с ней генератор, вырабатывающий электроэнергию.
В результате горения образуется водород (Н2), по
реакции 2Аl+3H2O→Аl2O3+3H2. Регулирование
температуры горения осуществляется подачей
избыточного количества водяного пара. Избыток
пара и образовавшийся в результате горения
водород отводятся через трубопровод (5) на
охлаждение, где водяной пар конденсируется
отделяясь от водорода. Другой продукт горения
оксид алюминия, согласно предложенному способу,
возвращается на переработку, с целью
восстановления до металлического алюминия,
образуя тем самым, замкнутый, безотходный цикл.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ преобразования, хранения,
транспортировки электрической энергий и
попутного получения водорода включающий
преобразование электрической энергии в энергию
химических связей с последующим хранением и
транспортировкой и обратное преобразование в
электрическую энергию, отличающийся тем, что
электрическую энергию запасают путем перевода
оксида алюминия в металлический алюминий с
помощью электролиза и обратно преобразовывают в
электрическую энергию путем сжигания алюминия
в атмосфере водяного пара, с целью преобразования
химической энергии топлива в механическую
энергию вращения вала электрогенератора, с
попутным получением водорода, образующимся при
сгорании алюминия в атмосфере водяного пара.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч