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KR20120016625A - 전기화학 에너지를 저장 및 수송하는 방법 - Google Patents

전기화학 에너지를 저장 및 수송하는 방법 Download PDF

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KR20120016625A
KR20120016625A KR1020117026080A KR20117026080A KR20120016625A KR 20120016625 A KR20120016625 A KR 20120016625A KR 1020117026080 A KR1020117026080 A KR 1020117026080A KR 20117026080 A KR20117026080 A KR 20117026080A KR 20120016625 A KR20120016625 A KR 20120016625A
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모리츠 에흐렌슈테인
안드레아스 피셔
귄터 후버
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바스프 에스이
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Abstract

본 발명은 저장과 공급이 물리적으로 분리되어 있는, 전기화학 에너지의 저장, 수송 및 공급하는 방법에 관한 것이다.

Description

전기화학 에너지를 저장 및 수송하는 방법{METHOD OF STORING AND TRANSPORTING ELECTROCHEMICAL ENERGY}
본 발명은 알칼리 금속, 특히 나트륨 및 황을 기초로 한 전기화학 발전소(electrochemical power station)를 사용하여 전기화학 에너지를 저장 및 수송하는 방법에 관한 것이며, 여기서 전기화학 반응의 2가지 반응물은 스톡 용기로부터 전기화학 반응기 내로 유동하고, 생성물은 전기화학 반응후 방출하게 된다.
전기화학 에너지의 발생은, 화석 연료 발전소(fossil fuel power station)의 경우, CO2의 생성과 관련되어 있으므로, 온실 효과에 상당한 영향을 미친다. 재생가능한 에너지 캐리어, 예를 들면 바람, 태양, 지열 또는 수력전기(hydroelectric)의 기초로 한 에너지의 발생은 그러한 단점을 해소한다. 그러나, 현재 이러한 재생가능한 에너지 캐리어는 요구되는 부하에 부합하도록 아무때나 이용가능한 것이 아니다. 게다가, 에너지의 발생 현장은 에너지가 요구되는 장소와는 다를 수 있다. 그 시스템에서 고유한 단점을 보충하기 위해서, 발생된 에너지의 저장, 버퍼링 및 필요한 경우 또한 수송이 필요하다.
풍력 터빈, 태양 발전소와 같은 재생가능한 공급원으로부터 유래된 에너지는 연속적으로 얻어지지 않는다. 수요와 이용가능성이 부합하지 않는다. 재생가능한 에너지 공급원을 전적으로 기초하지만 그럼에도 불구하고 안정한 전력 그리드(power grid)는 그러한 경계 조건 하에 존재할 수 없다. 저렴하고 에너지 효율적인 시스템에 의해 고효율과 더불어 그러한 변동을 동등하게 하고 완화할 필요성이 있다.
지구의 수 많은 인구 희박한 지역들, 예를 들면 사하라, 아이슬랜드 또는 오프쇼어에서는, 지리적, 기후적 및 지질적 경계 조건에 기인한 풍력 터빈, 태양 발전소 또는 지열 발전소를 통한 바람, 태양 또는 지열 에너지로부터 전기 전력을 극히 효율적으로 발생시킬 수 있는 가능성이 존재한다. 그러나, 현재 그러한 에너지를 고 소비율을 지닌 지역으로 수송하는 산업적 방법이 부족하다. 전형적인 수송 시스템은 그리드 손실 및 그리드 건설 비용에 의해 제한된다. 현장에서 발생된 전기 에너지가가 수소로 전환되고 이어서 연료 전지에서 전기 전력으로 전환되는 수소 기술은 약 20%의 전체 효율을 갖고 있으며, 따라서 수소의 수송 및 액화가 에너지의 대부분 비율을 소비하기 때문에 매력적이지 못하다.
다량의 전기 에너지의 저장은, 큰 거리에 걸친 전기 에너지의 수송과 같이, 현재까지 오직 충분치 못한 정도로만 해결되어 오고 있는 문제이다. 물의 측지고 차이(geodetic height difference)의 잠재적 에너지가 전기 전력으로의 전환에 사용되는 펌프 저장 발전소가 현재 산업적 규모로 전기 에너지를 저장하는데 사용되고 있다. 그러나, 그러한 펌프 저장 발전소의 건설은 지리적 및 환경적 경계 조건에 의해 제한된다. 공기의 압축이 에너지 저장에 사용되는 압력 저장 발전소는 비교적 낮은 효율 때문에 제한된다. 수퍼커패시터 또는 플라이휠과 같은 에너지 저장의 다른 형태가 또한 다른 표적 시장(단기간 저장)에 착수되고 있다. 다양한 개념이 산업적으로 실현되고 있는 배터리가 이러한 요건에 가장 근접하게 된다.
DE-A-2635900에는 애노드로서 하나 이상의 용융 알칼리 금속 및 애노드 반응 참가 물질과 가역적 전기화학 반응을 수행할 수 있는 캐소드 반응 참가 물질을 포함하는 배터리가 개시되어 있다. 그 캐소드 반응 참가 물질은 용융 폴리설파이드 염, 또는 용융 황과 용융 황으로 포화된 폴리설파이드 염과의 2상 혼합물을 포함한다. 추가로, 그 배터리는 애노드 반응 영역과 캐소드 반응 영역 사이에 액체 수용을 위한 양이온 투과성 배리어 층을 갖는다.
DE-A-2610222에는 각각의 전지가 작동 온도에서 액체이며 그리고 황, 인 또는 셀레늄 또는 이들 원소의 알칼리 염으로 구성되는 캐소드 반응물을 포함하는 캐소드 구획을 갖는 복수의 황-나트륨 전지, 작동 온도에서 액체이며 그리고 알칼리 금속, 특히 나트륨으로 구성되는 애노드 반응물을 포함하는 하나 이상의 고체 전해질 튜브, 및 또한 애노드 반응물의 역전을 포함하는 애노드 용기를 포함하는 배터리가 개시되어 있다.
에너지 저장 시스템을 위한 모듈로서 복수의 나트륨-황 배터리를 연결하는 공정은 EP-A-116690으로부터 공지되어 있다.
이러한 모든 배터리에서는, 밀폐된 시스템으로서, 그 에너지가 배터리에 포함된 반응물(산화환원 파트너)의 양에 의해 제한된다는 점은 공통적이다. 이러한 제한은 유동 배터리에 의해 극복되었다. 이 배터리 개념의 기본은 용매 및 용융 금속 염을 포함하는 액체 전해질에 의해 형성된다. 고전적인 배터리의 제한된 저장소 부피는 반응물을 포함하는 제2 스톡 용기에 의해 증가된다.
DE-A-2927868에는 반투과성 이온 교환 막에 의해 서로 분리되어 있는 애노드 구획 및 캐소드 구획을 갖는 전기화학 전지에서 전기 에너지의 저장 및 유리를 위한 유동 배터리가 개시되어 있으며, 여기서 애노드 구획에는 애노드 전해 용액(anolyte solution), 기본적으로 그 애노드 전해 용액 중에 용해된 상태로 잔류하며 그리고 그 산화된 형태로 재환원될 수 있는 산화성 화합물이 공급되며, 산화된 애노드 전해 용액은 애노드 전해액 구획으로부터 제거되고, 산화된 애노드 전해 용액은 저장된다. 동시에, 캐소드 전해 용액에는 캐소드 전해 용액, 기본적으로 그 캐소드 전해 용액 중에 용해된 상태로 잔류하며 그 환원된 형태로부터 재산화될 수 있는 환원성 화합물이 제공된다. 애노드 전해 용액 및 캐소드 전해 용액은 2개의 상응하는 용기에서 저장될 수 있으며, 그리고 순환 펌프에 의해 애노드 구획 및 캐소드 구획을 통해 순환될 수 있다. 캐소드 전해 용액은, 예를 들면 6가 브롬을 포함할 수 있고, 애노드 전해 용액은 2가 브롬을 포함할 수 있다.
DE-A-1771148 및 US-A-3533848에는 나트륨과 황의 전기화학적 조합에 의해 전기 에너지를 얻기 위한 시스템이 개시되어 있으며, 이 시스템은 나트륨 및 황을 위한 인접 공간들을 갖고 있으면서 나트륨 이온이 통과할 수 있는 격막, 전지 외부에 나트륨을 저장하기 위한 용기, 저장 용기로부터 나트륨을 연료 전지로 전달하기 위한 라인, 전지 외부에 황을 저장하기 위한 용기, 및 저장 용기로부터 황을 전지로 전달하기 위한 라인을 포함한다. 이들 전지는, 예를 들면 전기적으로 직렬로 접속되어 있다.
JP 2001/118598에는 용융 나트륨을 위한 2개 이상의 탱크를 사용하여 나트륨-황 배터리를 작동시키는 공정이 개시되어 있다.
JP-A-2002 184456에는 배터리에 고정된 방식으로 연결되어 있는 황을 위한 외부 저장 탱크를 사용하여 황-나트륨 배터리를 작동시키는 공정이 개시되어 있다.
유동 배터리와 같은 공지된 나트륨-황 배터리 및 이의 실시양태의 경우에서, 출발 물질 나트륨 및 황 중에 저장된 에너지의 도입과 황화나트륨 또는 나트륨 폴리설파이드를 형성하는 나트륨과 황의 반응에 의한 방출은 시간상 및 위치상 둘 다에서 커플링된다.
본 발명의 목적은 출발 물질 알칼리 금속, 특히 나트륨 및 황을 사용하여 전기화학 발전소를 작동하는 방법을 제공하는 것이다. 하나의 실시양태에서, 전기화학 발전소는 나트륨과 황을 별도로 공급함으로써 작동된다. 결과로서는 전기 전력이 발생되고 나트륨 폴리설폭사이드가 생성물로서 생성된다. 그 나트륨 폴리설폭사이드는 발전소로부터 배출되어 재생된다. 후속 전기분해에서, 그 나트륨 폴리설폭사이드가 재사용되고 에너지 소비에 의해 나트륨과 황으로 재해리된다. 본 발명의 방법은 전력을 발생시키는 공정 단계 및 나트륨 폴리설폭사이드의 분해를 위한 전력을 이용하는 공정 단계를 하나의 발전소에서 수행가능하게 하는 것을 허용한다. 전력 발생 및 전력 이용은 에너지 수율 및 부하 상태의 관점에서 최적화될 수 있다. 에너지 이용은, 예를 들면 에너지의 고 이용가능성을 갖는 위치에서 발생할 수 있으며, 전력 발생은 고 에너지 수요를 갖는 위치에서 발생할 수 있다.
본 발명은 전기화학 발전소에서 전기화학 에너지를 저장, 수송 및 공급하는 방법에 관한 것이며, 여기서 에너지가 요구되는 위치에서,
(1) 고순도 액체 황을 포함하는 하나 이상의 스톡 용기(BS) 및 액체 고순도 알칼리 금속을 포함하는 하나 이상의 스톡 용기(BA)가 제공되고,
(2) 하기 요소:
(2.1) 액체 알칼리 금속을 수용하기 위한 애노드 구획(A),
(2.2) 액체 황을 수용하기 위한 캐소드 구획(K), 여기서
(2.3) 구획(A 및 K)이 전지의 작동 온도에서 알칼리 금속의 산화에 의해 형성된 양이온에 대하여 투과성인 고체 전해질(E)에 의해 분리되는 것,
(2.4) 알칼리 금속과 황의 반응에 의해 발생된 전기 전력을 위해서, 외부 전류 회로를 폐쇄하는 전극
을 적어도 포함하는 하나 이상의 전기화학 알칼리 금속/황 전지가 제공되며,
(3) 액체 알칼리 금속이 애노드 구획(A)에 도입되고 액체 황이 캐소드 구획(K)에 도입하도록 스톡 용기(BA)가 애노드 구획(A)에 연결되고 스톡 용기(BS)가 캐소드 구획(K)에 연결되며,
(4) 외부 전류 회로가 폐쇄되고, 이 결과 알칼리 금속의 산화, 캐소드 공간(K)에서의 알칼리 금속 황화물의 형성 및 전류의 흐름이 생성되며,
(5) 캐소드 공간에서 형성된 알칼리 금속 황화물이 방출되어 스톡 용기(BA)에서 수집되고,
(6) 스톡 용기(BAS)에서 수집된 알칼리 금속 황화물이 고 에너지 이용가능성을 갖는 위치에 있는 제2 전기화학 전지로 수송되며, 그 전기화학 전지에서 전기분해되어 황 및 고순도 나트륨을 형성하고,
(7) 단계 6에서 얻어지는 성분 황 및 알칼리 금속 중 하나 이상이 에너지가 요구되는 위치에 수송되며, 발전기로서 구성된 전기화학 발전소에 공급된다.
전기화학 전지의 작동 온도는 250℃ 이상인 것이 바람직하고, 300℃ 내지 350℃ 범위 내에 있는 것이 보다 바람직하다.
캐소드 구획에서 형성된 알칼리 금속 황화물은 알칼리 금속 황화물 및/또는 상응하는 폴리설파이드, 특히 화학식 M2Sx(여기서, x는 ＞ 2의 수임)의 폴리설파이드, 구체적으로 나트륨 폴리설파이드 Na2Sx를 포함할 수 있다.
전력이 알칼리 금속-황 반응기에서 발생될 때, 알칼리 금속은 전해질(E)에서 애노드 공간에서 산화되고, 형성된 알칼리 금속 양이온은 전해질(E)의 반투과성 벽을 통과하여 캐소드 공간으로 이동하고 거기에서 황과 반응하여 알칼리 금속 황화물을 형성하게 된다.
에너지가 요구되는 위치는 에너지가 필요하고 충분한 정도로 이용가능하지 못한 모든 위치이다. 고 에너지 이용가능성을 갖는 위치는, 특히 전기 전력이 저렴하고 특히 환경 친화적으로 발생될 수 있는 위치이고, 발생은 통상적인 발전소에 의해서 뿐만 아니라 태양 에너지 또는 수력 및 풍력에 의해 수행가능하다.
그러므로, 본 발명의 방법은, 본 발명의 방법에 따라 전기 전력을 발생시키기 위해서 알칼리 금속, 특히 나트륨 및 황을 장거리에 걸쳐, 예를 들면 선박에 의해 수송하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 나트륨 및 황을 재생가능한 에너지에 대한 바람직한 위치로부터 소비 위치, 예를 들면 수천 킬로미터 멀리 떨어진 위치인 소비 위치로 수송하는 것이 가능하고, 얻어진 나트륨 폴리설파이드를 재생된 해리를 위해 역수송 가능해야 한다. 이는 재생가능한 에너지 공급원을 에너지가 과량으로 발생될 수 있는 위치에서 특수하게 이용 가능한 것을 허용한다. 이와 대조적으로, 나트륨-황 전기분해의 원리에 따라 저장된 에너지는 상응하는 수요가 존재하는 위치로 수송될 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따라 사용하고자 하는 전기화학적 발전소는 특정 용도에 대한 수 및 구성의 측면에서 부합되는 반응기 전지를 기초로 한다. 클로로알칼리 전기 분해에서 격막 전지와 유사한 고전적인 전기분해 전지를 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 나트륨-황 시스템에서, 고체 전해질(E), 특히 나트륨 이온을 전도하는 기능성 세라믹은 액체 반응물을 분리한다. 복수개의 단일 전지가 조합되어 모듈을 형성할 수 있다. 전력 출력을 최적화하기 위해서, 전해질에 의해 분리된 복수개의 전지 유닛은 병렬로 연결된다. 추가의 가능성 전지 기하구조는, 나트륨 이온을 전도하는 기능성 세라믹에 의해 분리된 나트륨과 황이 서로를 지나 흐르는 관형 전지이다. 주어진 부피에서, 전지의 구성에 상관 없이, 전지의 반응물에 대한 전해질의 표면/부피의 비율을 최적화하는 것이 바람직하므로, 치밀한 구성물은 큰 발전소에서도 가능하고, 부피 당 전력 밀도는 매우 높다. 구성에 상관 없이, 각자가 약 2 V의 전지 전압을 갖는 개별 전지는 직렬 또는 병렬로 연결된다. 이러한 방식으로 설정된 전압 수준은 직렬로 연결된 전지 모듈의 전압의 합에 의해 주어진다. 스톡 용기로부터 유동해 나와 전지를 통과하고 다시 나트륨 폴리설파이트 스톡 용기(BAS)로 유동해 가는 나트륨 및 황의 양은 전력 발생에 부합된다. 출발물질 및 생성물의 도입 및 방출은 연속 방식으로 또는 배치 방식으로 일어날 수 있다. 알칼리 금속, 황 및 알칼리 금속 폴리설파이드가 개별적인 가열된 스톡 용기, 특히 탱크에 저장된다. 그러나, 황과 알칼리 금속 폴리설파이드의 혼합물, 즉 단지 2개의 탱크만을 사용하는 조작 모드가 또한 기본적으로 가능하다. 본 발명에 따르면, 발전소의 커패시터는 제한되어 있지 않다. 따라서, 1 MW, 특히 1-1000 MW의 발전소 블럭이 용이하게 가능하다. 발전소 유닛의 전압은, 교류로 전환 후, 전력 그리드로 공급될 수 있다. 전기화학 반응기의 최적화는 나트륨 이온을 반응물의 부피로 전도하는 기능성 세리막의 매우 큰 면적/부피 비율을 달성하고자 하는 것이므로, 치밀한 구성은 큰 발전소의 경우라도 해도 가능하고 부피 당 전력 밀도는 매우 높다.
바람직한 실시양태에서, 전극으로의 전류의 공급 및/또는 전극으로부터의 전류의 방전은 상기 전극의 표면에 걸쳐 균일하게 분포된 복수의 지점을 통해 실시된다. 추가의 바람직한 실싱양태에서, 액체 알칼리 금속은 고순도 나트륨, 바람직하게는 2가 양이온의 최대 함량 3 ppm을 갖는 것이다. 추가의 바람직한 실시양태에서, 액체 비금속은 황이다. 전지는, 바람직한 실시양태에 따르면, 초대기압 하에 도입된 질소 가스에 의해 순환되는 액체 알칼리 금속에 의해 작동되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시양태에서, 전해질은 안정화되어야 하는, 바람직하게는 MgO 또는 Li2O에 의해 안정화되야 하는 β-알루미늄 산화물 또는 β'-알루미늄 산화물을 포함한다.
바람직한 실시양태에서, 액체 황은 캐소드 구획에서 전도도를 강화시키기 위해 첨가제와 함께 혼합된다 바람직한 첨가제는 설레늄, 테트라시아노에틸렌, 카본 블랙 및 흑연이다.
실시예
실시예 1:
(A) 전력 발생
장치
도 1에서 흐름도로서 도시된 실험실용 장치를 사용하였다.
그 장치는 전기 가열 테이프 및 적당한 절연에 의해 300℃로 유지하였다.
그 장치는 각각의 경우 2.5 리터의 이용가능한 부피를 갖는 스톡 용기(B1, B2)와 4 리터의 이용가능한 부피를 갖는 스톡 용기(B3)인 3개의 스톡 용기를 보유하였다.
용기(B1)는 액체 황의 저장에 사용되고, 용기(B2)는 Na의 저장에 사용되며, 용기(B3)는 용기(B2)로부터 유래된 황 및 형성된 폴리설파이드의 저장에 사용되었다. 질소는 N2로 표시된 위치에서 도입할 수 있었다. 안전 밸브는 SV로 표시된 위치에 존재하였다. 측정 기기는 유속(FI), 압력(PI), 충전 수준(LI) 및 온도(TI)를 측정하기 위한 표시된 위치에 존재하였다.
용기들은 고체의 도입을 위한 리드 내에 급속 배출 개구를 보유하였다. 세라믹 이온 전도성 고체 상태 전해질(200 cm2, 2 mm 두께)에 의해 분할되는 전해질 반응기(C1)는 이들 3개의 스톡 용기에 대한 셔트오프를 갖는 고정 파이프에 의해 연결되었다.
모든 부품은 스테인레스강으로 제조되었다. 단락 회로를 피하기 위해서, 상이한 극성을 갖는 라인 및 장치 부품은 적당한 전기 절연에 의해 전기적으로 멀리 떨어진 상태로 유지하였다.
전지의 황 전도 부품 및 여기에 연결된 라인 및 용기(B1 및 B3)는 양의 극성을 보유하였다. 전지의 나트륨 전도성 부품 및 여기에 연결된 라인 및 용기(B2)는 음의 극성을 보유하였다.
측정점:
- 용기(B1, B2, B3) 및 전기분해 반응기(C1)에서의 온도 및 압력,
- 용기(B1, B2, B3)에서의 충전 수준,
- 용기(B1, B2, B3) 및 전기분해 반응기(C1)에서의 플러싱 가스의 부피 흐름
- 전기분해 반응기(C1)의 전지 전압 및 전기분해 전류.
전기화학 전력 발생
전력으로서 황 및 1%의 셀레늄 및 테트라시아노에틸렌으로 구성된 보조 전해질을 용기(B1)로 도입하고, 여기서 비활성 가스 하에 용융시켰다.
고순도 나트륨을 용기(B2)로 도입하고, 여기서 비활성 가스 하에 용융시켰다.
전기분해 반응기의 음극 공간을 액체 나트륨으로 넘치게 충전하였다. 전기분해 반응기의 양극 공간을 액체 황으로 넘치게 충전하였다. 넘치게 충전되었을 때, 용기(B1)에서 용기(B3)로 유동하는 질소 스트림은 황(나중에는 폴리설파이드)를 반응기로부터 용기(B3) 내로 가압하였다. 이어서, 용기의 충전 수준을 추가 황의 도입으로 보정하였다. 용기(B1 및 B2)는 전기화학 전력 발생의 개시 전에 80%로 충전하였고, 반면에 용기(B3)는 10%로 충전하였다.
전기분해를 작동하기 전에, 용기(B1)(황)의 바닥부 밸브를 닫고, 오리피스 플레이트가 구비되어 있는 용기(B2)(나트륨)의 바닥부 밸브를 개방하고, 우회의 나트륨 밸브를 닫았다.
0.1 내지 30 암패어의 전기분해 전류는 양극과 음극 사이에 접속된 가변적인 전기 저항의 변환에 의해 전환시킴으로써 전기화학 반응기로부터 인출되었다. 전기화학적 반응 전위는 개방 클립을 사용하여 전류의 부재 하에 시간 대 시간으로 측정하였다.
전기화학 반응 전위가 2.00 볼트 아래로 강하될 때, 용기(B1)의 바닥부 밸브를 수동으로 열고, 액체 황을 반응기(C1) 내로 불연속적으로 공급하였다. 전기분해 반응기의 나트륨 공간은 스톡 용기(B2)로부터 자동적인 인플로우에 의해 충분히 유지하였다.
실험 과정 동안, 스톡 용기(B1 및 B2)에서의 충전 수준은 감소되었고, 한편 용기(B3)의 충전 수준은 증가하였다.
실험 동안에는 100 시간 동안 운전하였고, 나트륨 금속 2000 g 및 황 4400 g을 반응시켰다. 전하 총 2330 Ah를 통과시켰다. 평균 전지 전압은 1.91 볼트였다. 용기(B3)에서 수집된 생성물의 분석은 조성물 Na2S2 .9에 상응하였다.
(B) 나트륨 폴리설파이드의 전기분해
전기분해 장치는 전력 발생을 위한 실시예 A)의 셋-업에 해당하였다. 조성 Na2S2.9를 갖는 나트륨 폴리설파이드 6400 g을 용기(B3)에 넣었다. 용기(B1)(황)의 바닥부 밸브를 닫고, 오리피스 플레이트가 구비되어 있는 용기(B2)(나트륨)의 바닥부 밸브를 열고, 우회의 나트륨 밸브를 닫았다.
0.1 내지 40 암페어, 평균 20 암페어의 전기분해 전류는, 양극과 음극 사이에 연결된 전기화학 반응기에 제어가능한 전기 전기분해 전력 공급을 변환시킴으로써 전기화학 반응기에 공급하였다. 전기화학 반응 전위는 개방 클립에 의해 전기 전류의 부재 하에 시간별로 측정하였다.
전기화학 반응 전위가 2.07 볼트 이상으로 상승할 때, 용기(B3)의 바닥부 밸브를 수동으로 열고, 액체 폴리설파이드를 반응기(C1)에 불연속적으로 공급하였다. 전기분해 반응기의 나트륨 공간에 수집된 나트륨을 다시 자동적으로 스톡 용기(B2) 내로 다시 유동시켰다.
실험 과정 동안에는, 저장소(B1 및 B2)에서의 충전 수준은 상승하였고, 한편 용기(B3)에서의 충전 수준은 감소하였다.
실험 동안에는 100 시간 동안 운전하였고, 나트륨 금속 2000 g과 황 4400 g을 폴리설파이드 6400 g으로부터 제조하였다. 전하 총 2330 Ah를 이 시간 동안 도입하였다. 평균 전지 전압은 2.25 볼트였다.
실험 주기
실험은 순서상 전기화학 에너지 발생과 나트륨 폴리설파이드 전기분해에 의한 전기화학 에너지 이용은 관찰된 반응 거동의 변화 없이 10회 반복하였다.
실시예 2:
(2.1) 발전소
50의 완전 하중 시간에 대하여 저장 커패시터를 갖는 1000 MW 저장 발전소를 설계하였다. 도 2에 도시된 흐름도는 이러한 발전소를 개략적으로 도시한 것이다.
모든 생성물 전달 장치 및 파이프는 추가적인 전기 가열 및 적당한 열적 절연에 의해 300℃에서 유지하였다.
각각 부피 22 000 m3을 갖는 스톡 탱크(B1 및 B2)와 커패시터 45 000 m3을 갖는 추가 스톡 탱크(3)인 3개의 스톡 탱크가 존재하였다. 이 용기들은 탱커 선박으로부터 유래된 액체 나트륨(B2) 및 액체 황(B3)으로 충전하였다. 예를 들면, 공칭 전력 334 MW를 각각 갖는 3개의 전기분해 반응기 블록(C1, C2 및 C3)이 존재하였다. 이러한 반응기 블록은 이온 전도성 고체 상태 전해질을 갖는 분자 세라믹 반응기로 구성되었다.
1000 MW 저장 발전소는 5000 m3의 전체 반응기 부피와 500 000 m3의 전체 전극 면적을 보유하였다. 개별 반응기에는 나트륨과 황을 분리된 전위를 지닌 분배기 시스템을 통해 공급하였다. 반응에서 형성된 폴리설파이드를 분리 전위에 의해 수집되었고, 탱크(B3)에 공급하였다.
단락 회로를 피하기 위해서, 상이한 극성을 갖는 라인 및 장치 부품은 적당한 전기 절연의 수단에 의해 전기적으로 분리 유지하였다.
전기분해 반응기의 황 전도 부품은 양의 전위로 존재하였다. 전기분해 반응기의 나트륨 전도 부품은 음의 전위로 존재하였다.
(2.2) 전기화학 전력 발생
(2.1)에 설명된 구조에 기본적으로 상응하는 발전소는 과량의 에너지를 갖는 위치에서 전력의 공급에 의한 저장에 사용하였다.
전기화학 반응 전위는 황의 제어된 도입에 의해 단일 전지 당 2.00 볼트로 유지하였다. 1000 V의 DC 사이드 상의 전체 전압 및 반응기 블럭 당 전체 전류 334 kA는 단일 전지들을 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 얻어졌다.
직류는 제어된 DC-AC 변환기에 의해 교류로 전환시켰다. 이어서, 그 교류는 AC 변압기에 의해 그리드 전압을 야기하였다.
나트륨 폴리설파이드 전기분해
조절된 정류기의 작동은 그리드로부터 에너지를 전기분해 전지에 사용하는 것을 가능하게 한다. 폴리설파이드는 반응기 내로 공급하고, 나트륨 및 황을 얻었다. 상응하는 탱크를 충전하거나 비워 놓았다.
직류의 절대 값을 에너지 발생에서와 같이 동일하였다. 충전 전압은 에너지 발생에서 방전 전압보다 약 0.2 더 높았다.
충전 주기
시스템은 장기간 안정하고 주기에 안정하였다.
CO 2 회피 전위
실시예 2의 저장 발전소를 통상적인 경질 석탄 발전소와의 비교는, 공칭 전력 700 MW에서 에너지 등가(= 50 GWh)로 71 시간의 운전 시간을 나타내 보여준다. 50 GWh의 발생은 약 16 180 미터릭 톤(metric ton)의 경질 석탄을 38% 효율로 필요로 하였고, 323 g/kWh의 특수 석탄 소비를 필요로 하였다. 이는, 저장된 전력이 재생가능한 에너지 공급원으로부터 전적으로 공급되는 한, 전력 발생 주기 당 전기화학 저장 발전소에 의해 절감되는 48 540 미터릭 톤의 CO2에 상응하였다.
수 천 킬로미터의 거리에 걸친 반응물의 수송은 의미가 있다. 이러한 방식으로, 나트륨 및 황은 고 에너지 이용가능성을 갖는 위치에서 생성될 수 있고, 표적화된 방식으로 고 에너지 수요를 갖는 위치로 수송될 수 있다. 예를 들면, 반응물은 노쓰 아프리카에서 광기전력 전력 공급에 의해 생성될 수 있고, 이어서 대양을 가로질러 선박에 의해 임의의 항구로 수송하였다. 3000 km의 수송 거리 및 1.6g 중유/화물 톤/km의 오션 탱커의 특정 오일 소비에서, 중유 소비는 50,000 twd의 추가 하중 동안 244 미터릭 톤이었다. 내부 연소 기관의 속도론적 효율에서, 이는 684 MWh의 에너지 소비에 해당하였다. 50 000 twd의 나트륨 및 황을 통상적인 특이적 에너지 함량 123 Wh/kg으로 할당되었다면, 전체의 추가적 하중은 6241 MWh의 에너지 함량에 해당하였다. 따라서, 반응물에 원래 저장된 에너지의 11%만이 수송 거리 3000 km의 수송 거리 후 수송에 의해 소비되었다.

Claims (14)

  1. 전기화학 발전소(electrochemical power station)에서 반응물 알칼리 금속 및 황을 사용한 전기화학 반응기를 이용하여 전기화학 에너지를 저장, 수송 및 공급하는 방법으로서, 에너지가 요구되는 위치에서,
    (1) 고순도 액체 황을 포함하는 하나 이상의 스톡 용기(BS) 및 액체 고순도 알칼리 금속을 포함하는 하나 이상의 스톡 용기(BA)가 제공되고,
    (2) 하기 요소:
    (2.1) 액체 알칼리 금속을 수용하기 위한 음성 구획(A),
    (2.2) 액체 황을 수용하기 위한 양성 구획(K), 여기서
    (2.3) 구획(A 및 B)이 전지의 작동 온도에서 알칼리 금속의 산화에 의해 형성된 양이온에 대하여 투과성인 고체 전해질(E)에 의해 분리되는 것,
    (2.4) 알칼리 금속과 황의 반응에 의해 발생된 전기 전력을 위해서, 외부 전류 회로를 폐쇄하는 전극
    을 적어도 포함하는 하나 이상의 전기화학 알칼리 금속/황 반응기가 제공되며,
    (3) 액체 알칼리 금속이 음성 구획(A)에 도입되고 액체 황이 양성 구획(K)에 도입되도록, 스톡 용기(BA)가 음성 구획(A)에 연결되고 스톡 용기(BS)가 양성 구획(K)에 연결되며,
    (4) 외부 전류 회로가 폐쇄되고, 그 결과 알칼리 금속의 산화, 캐소드 공간(K)에서의 알칼리 금속 황화물의 형성 및 전류의 흐름이 생성되며,
    (5) 양성 구획에서 형성된 알칼리 금속 황화물이 배출되어 스톡 용기(BAS)에서 수집되고,
    (6) 스톡 용기(BAS)에서 수집된 알칼리 금속 황화물이 고 에너지 이용가능성을 갖는 위치에 있는 제2 전기화학 전지로 수송되고 그 전기화학 전지에서 전기분해되어 고순도 황 및 나트륨을 형성하며,
    (7) 상기 단계 (6)에서 얻어진 성분 황 및 알칼리 금속 중 하나 이상이 에너지가 요구되는 위치로 수송되고 발전소로서 구성된 알칼리 금속-황 발전소에 공급되는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 전극으로의 전류의 공급 및/또는 전극으로부터의 전류 방전(discharge)은 상기 전극의 표면 위에 균일하게 분포된 복수의 지점을 통해 수행되는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액체 알칼리 금속이 고순도 나트륨인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 스톡 용기(BA)가 전위의 분리에 의해 전지로부터 전기적으로 분리되는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 액체 알칼리 금속이 초대기압 하에 도입된 비활성 가스의 의해 순환되는 것인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 액체 황 및 액체 나트륨 폴리설파이드가 캐소드 구획에 포함되는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 액체 황 및 나트륨 폴리설파이드가 캐소드 구획에 포함되는 것인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 전해질(E)로서는 안정화될 수 있는, 바람직하게는 MgO 또는 Li2O에 의해 안정화될 수 있는 β-알루미늄 산화물 또는 β'-알루미늄 산화물이 사용되는 것인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 작동 온도가 300℃ 이상으로 유지되는 것인 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 캐소드 구획에서는 보조 전극(supporting electrode)이 사용되는 것인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 전지가 관형 반응기로서 존재하는 것인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 알칼리 금속이 2가 양이온의 최대 함량을 3 ppm 미만으로 보유하는 고순도 나트륨인 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 방출(discharge) 동안 형성된 알칼리 금속 폴리설파이드가 하나 이상의 스톡 용기에 도입되고, 이 스톡 용기가 전기 전력의 방출 및 공급을 위해 사용된 발전소로부터 차단되며, 알칼리 금속 폴리설파이드가 물리적으로 분리된 위치에 있는 제2 전지에서 전기 에너지의 도입에 의해 알칼리 금속과 황으로 재해리되고, 여기서 제2 전지가 구성상 제1 전지에 상응할 수 있는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 나트륨 폴리설파이드의 전기분해에 요구되는 전기 전력이 물리적으로 분리된 위치에서 태양력, 풍력 또는 수력전기(hydroelectric) 발전소에 의해 또는 지열 수단에 의해 발생되는 것인 방법.
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