ES2350347A1

ES2350347A1 - Sistema de almacenamiento de aire frio para uso en centrales termicas.

Info

Publication number: ES2350347A1
Application number: ES201001256A
Authority: ES
Inventors: Jose Maria Martinez-Val Peñalosa; Alberto Ramos Millan
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-01-21
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: WO2012042073A1; ES2350347B2

Abstract

Sistema de almacenamiento de aire frío para uso en centrales térmicas que necesiten aire, particularmente para la combustión, constituido por un compresor (12) de aire que funciona nocturnamente, y que inyecta el aire comprimido en el primario de un intercambiador (24), en el que se enfría por la acción del propio aire nocturno, que fluye por el secundario del intercambiador (24); siendo inyectado el aire comprimido frío en un depósito o tanque (17), desde el cual se puede descargar el aire almacenado cuando la temperatura del aire ambiental suba por encima de un punto de consigna, inyectándose el aire descargado en el compresor (4) del ciclo termodinámico de la central, lo que mejora ostensiblemente las prestaciones de éste.

Description

Sistema de almacenamiento de aire frío para uso en centrales térmicas.

Sector de la técnica

La invención se relaciona con el campo de los sistemas de almacenamiento energético, y entre ellos los que usan aire comprimido con objeto de tener altos valores de energía almacenados por unidad de volumen, y de energía total almacenada también.

Más concretamente, el objetivo de este almacenamiento es satisfacer la necesidad de aire frío y denso que tienen algunos ciclos termodinámicos, como el Joule-Brayton abierto, para obtener altos rendimientos. Ello proviene de que el aire debe ser comprimido antes de ser inyectado en la cámara de combustión, y los resultados de esa compresión son peores cuanto más caliente es el aire de entrada, para una presión atmosférica dada. Eso significa que las centrales térmicas dedicadas a la generación de electricidad mediante un ciclo termodinámico que requiere aire para su funcionamiento, particularmente como comburente de la combustión de un combustible, como puede ser en particular un ciclo Joule-Brayton abierto, pierden rendimiento y potencia neta en condiciones diurnas de operación, que es cuando la demanda de electricidad es mayor.

La invención utiliza el hecho físico de que por la noche la temperatura ambiental es menor que por el día, y el aire más frío; y además hay muy baja demanda de electricidad, e incluso excedentes de ésta, y por tanto existe una mayor facilidad para refrigerar una determinada sustancia, usando precisamente el aire frío ambiental como fluido refrigerador, y las bombas, ventiladores o compresores que hagan falta, activados por electricidad de bajo precio.

Antecedentes de la invención

Las propuestas existentes sobre almacenamiento de aire comprimido se basan generalmente, por no decir exclusivamente, en llegar a muy altas presiones, del orden de 100 bar o por encima de ese valor; para aprovechar la exergía de la presión en los momentos en los que se demanda energía, y se extrae del almacenamiento.

Por el contrario, en las cámaras de combustión de los ciclos tipo Joule-Brayton, la presión es del orden de 50 bar, e incluso menor, y esta presión se obtiene merced al compresor que se acciona, directa o indirectamente, con el mismo eje que el de la turbina de gas de la central. El valor nominal de la presión en la cámara de combustión es el que determina las condiciones finales en las que se encuentra el aire que entra allí comprimido, y las leyes elementales de la compresión adiabática (pues la compresión se realiza rápidamente, y no tiene tiempo de intercambiar calor con el entorno) indican que cuanto más caliente esté el aire de entrada, para una presión dada, menor es la densidad del aire comprimido, y menor por tanto la densidad de potencia de la cámara de combustión, lo que baja la potencia del sistema y su rendimiento. Por el contrario, si el aire entra frío y a una presión relativamente elevada, la densidad del aire comprimido aumenta, y el trabajo consumido por la compresión disminuye, por lo cual la potencia neta aumenta. De ahí el interés en almacenar aire frío, comprimido ligeramente, durante la noche, para usarlo al día siguiente, en los momentos de temperatura más alta de aire diurno, o cuando la demanda sea más intensa (por ejemplo, al mediodía en verano).

En cuanto a antecedentes sobre el uso de la variación cíclica de la temperatura del aire, hay que señalar la patente ES 2 334 758 B2, "Sistema de refrigeración de centrales térmicas", cuyo primer inventor es el primer solicitante de esta solicitud, y que consiste en abordar un problema relativamente similar al de esta invención, pero radicalmente distinto, pues se refiere al sistema de refrigeración del foco frío del ciclo termodinámico, sea un condensador o una caldera de recuperación de calor, o cualquier otro dispositivo.

La invención de la patente ES 2 334 758 B2 consiste en un montaje y modo de funcionamiento en los cuales se refrigera la central durante su funcionamiento diurno con condiciones que sean cercanas a la temperatura nocturna, mediante un sistema de enfriamiento del foco frío de la central con un circuito cerrado de líquido, habiéndose enfriado dicho líquido durante la noche.

El problema abordado en esta invención es distinto, dado que el material a enfriar es el aire que se inyecta en la instalación, y lo que se ha de almacenar es el propio aire, en las mejores condiciones posibles para alimentar el ciclo al día siguiente; de modo que los elementos constructivos de esta invención son sustancialmente diferentes de los exigidos para crear un foco frío de refrigeración, aprovechando también la variación cíclica diaria de la temperatura ambiente.

Descripción de la invención

La invención consiste en un equipo de compresión que trabaja nocturnamente, seguido de un enfriamiento de ese aire comprimido usando el propio aire nocturno como fluido frío, siendo almacenado el aire comprimido así enfriado en un depósito, tanque o almacén; desde el cual es inyectado en el componente adecuado de la central, típicamente el compresor del ciclo, cuando se requiera en un momento posterior, generalmente porque el aire atmosférico está a temperatura relativamente alta.

La invención está conformada por:

-: Un compresor de aire, de características moderadas en cuanto a potencia y relación de compresión, respecto de lo que nominalmente puede dar el compresor de la central; por lo que en general este compresor será distinto del de la central, pues además cabe prever que se tenga que activar el sistema de la invención para almacenar aire frío, y esté funcionando la central; si bien lo habitual es que por la noche la central no funcione, por baja demanda de electricidad, y precisamente se use la electricidad excedente para activar el compresor del sistema.

-: Un intercambiador de calor aire-aire, cuyo circuito primario está a presión, y por cuyo interior circula el aire comprimido, estando el circuito secundario del intercambiador a presión atmosférica, y circulando por él el aire atmosférico; inyectándose el aire emergente del intercambiador desde el circuito primario, en el depósito, tanque o almacén de aire comprimido frío; contando este intercambiador con un circulador (generalmente un ventilador o batería de ventiladores) que hace fluir aire atmosférico por el circuito secundario.

-: Un depósito, tanque o almacén, cuya carga de aire comprimido frío se realiza desde la salida del circuito primario del intercambiador, y cuya descarga se inyecta en el colector de admisión del componente adecuado de la central, típicamente el compresor; existiendo una válvula reguladora de presión en la boca de carga, además de una válvula de apertura/cierre; y existiendo análogamente otra válvula reguladora de presión y otra válvula de apertura/cierre en la boca de descarga,

-: Una válvula separadora/mezcladora en la entrada del colector de admisión del componente adecuado de la central, con dos posibles flujos de alimentación, que pueden mezclarse, si ambos sectores de la válvula están parcialmente abiertos, o pueden quedar totalmente separados, por estar cerrado uno de los sectores; estando dichos sectores de la válvula conectados al:

\circ: aire atmosférico, por un lado,

\circ: y al aire descargado del almacenamiento, por otro.

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La invención consiste además en hacer funcionar el sistema así compuesto, según el siguiente procedimiento:

-: durante la noche, y siempre que la temperatura del aire atmosférico esté por debajo de un valor de referencia fijado por el explotador de la central, se activa el modo de carga del almacenamiento, para lo cual:

\circ: se activa el compresor del sistema;

\circ: se activa así mismo el intercambiador, para lo cual se pone en marcha el circulador (generalmente un ventilador o batería de ventiladores) de aire atmosférico que fluye por el circuito secundario;

\circ: se consigna la válvula reguladora de presión de la boca de carga, a la presión de carga del depósito, tanque o almacén, no pudiendo superar esa presión de consigna el valor de la presión de salida del compresor;

\circ: se abre la válvula de apertura/cierre en la boca de carga;

\circ: se mantiene cerrada la válvula de apertura/cierre de la boca de descarga;

-: y en condiciones de funcionamiento diurno, cuando la temperatura del aire atmosférico está por encima de un valor de consigna fijado por el explotador de la central, se procede al proceso de descarga del almacenamiento, inyectándose el aire descargado en el colector de admisión del componente adecuado de la central, típicamente el compresor, para lo cual se realizan las siguientes operaciones:

\circ: se consigna la válvula reguladora de presión de la boca de descarga, a la presión a la que se desea inyectar el aire descargado en el citado colector de admisión;

\circ: se posicionan los sectores de la válvula separadora/mezcladora de la entrada del colector de admisión según el modo escogido por el explotador de la central, estando el sector de aire de descarga del almacenamiento al menos parcialmente abierto;

\circ: se abre la válvula de apertura/cierre de la boca de descarga.

En la elección del modo de funcionamiento de la central, por lo que respecta a las especificaciones del aire que entra en el componente adecuado del ciclo, el explotador ha de tener en cuenta el diagrama termodinámico de la compresión, en función del punto de partida del aire aportado al compresor, y el mapa de potencias-rendimiento que se obtiene según esas condiciones; de tal modo que el sistema de la invención proporciona una flexibilidad de gestión de la central de enorme potencialidad, de cara a maximizar el rendimiento.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra el esquema de una central térmica con ciclo de Brayton abierto, en la que se incluyen los elementos de la invención.

Modos preferentes de realización de la invención

Para facilitar la comprensión de las materializaciones preferentes de la invención, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, que aparecen en las figuras:

1.: Entrada de aire atmosférico al ciclo.

2.: Mezclador/separador de aire. Según la posición de las aletas de sus válvulas, abre el paso de aire atmosférico del conducto 1, o aire del almacenamiento 17 proveniente por el conducto 23, separadamente, o bien abre parcialmente los dos, mezclando caudales.

3.: Colector o conducto de entrada al compresor, 4.

4.: Compresor del aire necesario para el ciclo.

5.: Cámara de combustión.

6.: Aportación de combustible.

7.: Eje común compresor-turbina (opcional).

8.: Turbina de gas.

9.: Alternador eléctrico.

10.: Tubería de escape de la turbina de gas 8.

11.: Caldera de recuperación de calor.

12.: Compresor del sistema.

13.: Entrada de aire atmosférico al compresor del sistema, 12.

14.: Tubería de descarga del compresor 12.

15.: Circuito primario del intercambiador del sistema, 24, que es prolongación de la tubería 14.

16.: Tubería de carga del almacenamiento 17.

17.: Almacenamiento de aire comprimido frío.

18.: Válvula de apertura/cierre en la boca de carga.

19.: Válvula reguladora de presión de la boca de carga.

20.: Paredes herméticas y estructuralmente resistentes del almacenamiento.

21.: Válvula de apertura/cierre en la boca de descarga.

22.: Válvula reguladora de presión de la boca de descarga.

23.: Tubería de descarga del almacenamiento 17.

24.: Intercambiador del sistema.

25.: Aire atmosférico que fluye por el circuito secundario del Intercambiador del sistema.

26.: Ventilador (que puede actuar por impulsión aguas arriba, o por succión aguas debajo de la zona de intercambio de calor) que mueve el aire 25.

\newpage

Para la realización de la invención, se han de añadir, a una central dada, los equipos y componentes siguientes, adecuándolos, en cada proyecto, a las especificaciones del problema;

-: un compresor de aire (12), con una relación de compresión máxima que depende de la presión máxima de almacenamiento a la que se quiera llegar, pues la presión a la salida del compresor ha de ser algo mayor que dicho valor, para vencer las pérdidas de carga asociadas al flujo de aire que se desea mantener en la etapa final de la carga, motivada dicha pérdida de carga manométrica principalmente por las válvulas de la boca de entrada. A estos efectos conviene explicar la función de una válvula reguladora de presión (19 y 22), comúnmente denominado "regulador", que es componente de uso habitual en todas las aplicaciones de gases, desde las bombonas de butano a las botellas de aire comprimido, consiguiendo con estos reguladores que la presión del gas descargado de un depósito sea constante, independientemente del valor de la presión que haya dentro del depósito, siempre que sea superior al valor fijado en el regulador (pues si está por debajo, no puede salir el gas, dado que los fluidos siempre se mueven desde las zonas de alta presión a las de baja presión). En el caso de que el salto de presión sea muy grande (por ejemplo, de 200 bar de una botella de buceo de aire comprimido a la presión circundante, que será de unos pocos bar) se emplea un regulador de doble etapa, o dos reguladores en cascada. Esta disposición permite, por ejemplo, en las botellas de buceo, mantener una presión de 7 bar en los conductos de alimentación de la boquilla de respiración, donde está el segundo regulador, que hace caer la presión desde los 7 bar a la presión de respiración. La primera etapa reguladora se ubica en el grifo acoplado a la boca de la botella, y nace caer la presión desde la de la botella (que puede superar los 200 bar) a 7 bar. Mediante las válvulas reguladoras en las bocas de carga y descarga del almacenamiento (19 y 22), se efectúan ambos procesos de forma controlada, como también está controlada la dosificación de gas a un quemador, mediante as válvulas reguladoras (en general también de dos etapas, según se ha dicho). La tipología del compresor puede ser muy variada, pero estará condicionada a la relación de compresión exigida, lo cual es un dato del proyecto ordinario de este tipo de equipos.

-: Un intercambiador (24) cuyo circuito primario, formado típicamente por un haz de tubos a presión o por un conjunto de placas (también a presión) está conectado a la salida del compresor (12), que impulsa al aire comprimido con presión suficiente como para vencer todas las pérdidas manométricas por encima del valor de la válvula reguladora de carga (que es la que verdaderamente marca la contrapresión a la salida del compresor). El tamaño y morfología del intercambiador (su NUT, número de unidades de transmisión) se eligen por proyecto según las condiciones previstas de temperatura del aire nocturno, y la presión a la que se quiere almacenar, pues ésta marca la temperatura de salida tras la compresión adiabática, dadas las condiciones de entrada. Y por lo que corresponde al secundario del intercambiador, por él circula el aire exterior, para lo cual hay que succionarlo e inyectarlo entre las placas correspondientes, si es un intercambiador de placas, o dentro de la carcasa, si es de tubos; que en este caso conviene vayan aleteados (tanto por dentro como por fuera, pero sobre todo por fuera, por la menor densidad del aire, y su menor coeficiente de película). Y para hacer circular el aire se usa un ventilador o batería de éstos, que es una maquinaria así mismo ordinaria. No obstante, según se aprecia en una estimación elemental presentada a continuación, las cantidades de aire involucradas son tan elevadas que posiblemente exijan el uso de baterías en paralelo de intercambiadores y de soplantes o ventiladores. Esta maquinaria puede producir mucho ruido, por lo que resulta imprescindible adoptar las insonorizaciones pertinentes.

-: Se construye un depósito, tanque o almacén, con paredes y estructura que sean capaces de soportar la presión interna de diseño. Hay que tener en cuenta que la energía almacenada es P V, siendo P la presión y V el volumen total del almacenamiento. Téngase en cuenta que la presión, cuya unidad en el sistema SI es N/m^{2}, puede asimismo expresarse en J/m^{3}, lo que explícitamente señala que es una densidad de energía. El valor que se desee de la energía total almacenada, determina el valor de la pareja de magnitudes antedichas, P V. Así por ejemplo, expresando la P en bares y V en m^{3},1a energía almacenada es

: E(J) = 10^{5}\cdotP\cdotV

: Lo que significa que almacenar 1 MWh (mecánico) a 10 bar, requeriría 3.600 m^{3}. Sin embargo, es fundamental aclarar que el almacenamiento de esta invención no tiene ese fin, sino contribuir a una mejor combustión y a una mayor potencia en la cámara de combustión, aportando mayor cantidad de aire. Téngase en cuenta la estequiometría, por ejemplo, de la combustión del metano

: CH_{4} + 2O_{2} = CO_{2} + 2H_{2}O

: Lo que exige 2 moles de O_{2} por cada mol de metano (lo cual va acompañado de 2\cdot3,76 moles de N_{2} y trazas de Ar, etc). En peso, cada mol de metano (16 g) exige 64 g de O_{2}, que vienen a ser 300 g de aire en números redondos. Con un poder calorífico inferior de 50 kJ/g en el gas, mantener una potencia térmica de 1 MW exigiría quemar 20 g/s de gas, y en aportación estequiométrica, que siempre se sobrepasa, 375 g/s de aire. Si se quisiera almacenar el aire para la combustión de 1 MWh, se necesitarían más de 1500 kg de aire, contando el exceso para asegurar combustión completa. En condiciones ambientales, ocuparían algo más de 1200 m^{3}, pero si el almacenamiento es a 10 bar, el volumen bajaría a la décima parte, 120 m^{3}. Aunque es una cantidad muy pequeña en comparación con las medidas requeridas en el almacenamiento energético, se ha de tener en cuenta que en este caso quién aporta la energía es el gas. Se montan en las bocas de carga y descarga del almacenamiento sendas válvulas de apertura/cierre, que tienen por objeto aislar herméticamente el depósito cuando no está ni en carga ni en descarga, pues en tal caso han de franquear el paso en cuestión.

-: Se monta una válvula reguladora de presión (19 y 22) en cada boca, habiéndose explicado anteriormente la funcionalidad de éstas, de uso totalmente habitual en la industria de gases.

-: Y se sigue el procedimiento prescrito en la "Descripción de la invención", para el funcionamiento del almacenamiento.

Obviamente, los tamaños geométricos y demás datos de los equipos se han de adecuar a las características de la central en concreto.

La materialización de cada componente puede hacerse en materiales muy diversos, que sean químicamente compatibles entre sí y no presenten tasas de corrosión apreciables, aunque las temperaturas de funcionamiento previstas, son del orden de las ambientales.

La ventaja de la invención es la mejora del rendimiento, que puede ser de varios puntos porcentuales, pero lógicamente su aplicabilidad está condicionada a que la diferencia de temperatura del aire entre el día y la noche sea grande, para que el efecto buscado sea de la mayor intensidad. Más aún, esa mejora debe superar, en efectos económicos, no sólo a los gastos incurridos para construir el sistema, sino que ha de superar también al consumo eléctrico de los circuladores (ventiladores o soplantes), pues la potencia de bombeo para mover las cantidades involucradas de aire puede llegar a ser muy grande, y eventualmente sobrepasar la propia potencia ganada en la central por la mejora de rendimiento.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims

1. Sistema de almacenamiento de aire frío para uso en centrales térmicas, que se aplica a una central térmica con un ciclo termodinámico que requiera aire de densidad relativamente alta y temperatura relativamente baja, como puede ser particularmente un ciclo Brayton abierto, caracterizado por que el sistema en su conjunto está constituido por un equipo de compresión que trabaja nocturnamente, seguido de un enfriamiento de ese aire comprimido usando el propio aire nocturno como fluido frío, siendo almacenado el aire comprimido así enfriado en un depósito, tanque o almacén (17); desde el cual es inyectado en el componente adecuado de la central, típicamente el compresor (4) del ciclo, cuando se requiera en un momento posterior, generalmente porque el aire atmosférico está a temperatura relativamente alta; estando el sistema conformado por:

-: un compresor (12) de aire;

-: un intercambiador de calor (24) aire-aire, cuyo circuito primario está a presión, y por cuyo interior circula el aire comprimido, estando el circuito secundario del intercambiador a presión atmosférica, y circulando por él el aire atmosférico; inyectándose el aire emergente del intercambiador desde el circuito primario, en el depósito, tanque o almacén de aire comprimido frío; contando este intercambiador con un circulador, generalmente un ventilador o batería de ventiladores, que hace fluir aire atmosférico (25) por el circuito secundario;

-: un depósito, tanque o almacén (17), cuya carga de aire comprimido frío se realiza desde la salida del circuito primario del intercambiador (24), y cuya descarga se inyecta en el colector de admisión del componente adecuado de la central, típicamente el compresor; existiendo una válvula reguladora de presión en la boca de carga, además de una válvula de apertura/cierre; y existiendo análogamente otra válvula reguladora de presión y otra válvula de apertura/cierre en la boca de descarga;

-: una válvula separadora/mezcladora (2) en la entrada del colector de admisión (3) del componente adecuado de la central, con dos posibles flujos de alimentación, que pueden mezclarse, si ambos sectores de la válvula están parcialmente abiertos, o pueden quedar totalmente separados, por estar cerrado uno de los sectores; estando dichos sectores de la válvula conectados al:

\circ: aire atmosférico, por un lado,

\circ: y al aire descargado del almacenamiento, por otro.

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2. Procedimiento de funcionamiento de un sistema de almacenamiento de aire frío para uso en centrales térmicas, según reivindicación primera, caracterizado por que el funcionamiento del sistema así compuesto se hace de acuerdo a la siguiente pauta:

\circ: se activa el compresor (12) del sistema;

\circ: se activa así mismo el intercambiador (24), para lo cual se pone en marcha el circulador, generalmente un ventilador (26) o batería de ventiladores, de aire atmosférico que fluye por el circuito secundario;

\circ: se consigna la válvula reguladora de presión de la boca de carga (19), a la presión de carga del depósito, tanque o almacén (17), no pudiendo superar esa presión de consigna el valor de la presión de salida del compresor (12);

\circ: se abre la válvula de apertura/cierre (18) en la boca de carga;

\circ: se mantiene cerrada la válvula de apertura/cierre (21) de la boca de descarga;

\circ: y se detiene el funcionamiento del compresor (12) del sistema y de su intercambiador (24), y se cierra la válvula de apertura/cierre (18) en la boca de carga, cuando se ha alcanzado el llenado total del almacenamiento (17), o la temperatura del aire atmosférico supera el valor de referencia;

-: y en condiciones de funcionamiento diurno, cuando la temperatura del aire atmosférico (25) está por encima de un valor de consigna fijado por el explotador de la central, se procede al proceso de descarga del almacenamiento, inyectándose el aire descargado en el colector de admisión del componente adecuado de la central, típicamente el compresor (4), para lo cual:

\circ: se consigna la válvula reguladora de presión (22) de la boca de descarga, a la presión a la que se desea inyectar el aire descargado en el citado colector de admisión;

\circ: se posicionan los sectores de la válvula separadora/mezcladora (2) de la entrada del colector de admisión (3) según el modo escogido por el explotador de la central, estando el sector de aire de descarga del almacenamiento al menos parcialmente abierto;

\circ: se mantiene cerrada la válvula de apertura/cierre (18) de la boca de carga;

\circ: se abre la válvula de apertura/cierre (21) de la boca de descarga;

\circ: y se detiene la descarga del almacenamiento 17, cerrándose su válvula de apertura/cierre (21) de la boca de descarga, cuando queda vacío el almacenamiento o la temperatura del aire atmosférico (25) está por debajo de un valor de consigna.