ES2350347B2 - Sistema de almacenamiento de aire frio para uso en centrales termicas. - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
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.
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 (2)
-
\global\parskip0.950000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
- 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:
- -
- 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 (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;
\global\parskip1.000000\baselineskip
- \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.
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ES201001256A ES2350347B2 (es) | 2010-09-30 | 2010-09-30 | Sistema de almacenamiento de aire frio para uso en centrales termicas. |
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ES2350347B2 true ES2350347B2 (es) | 2011-10-21 |
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Family Applications (1)
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