ES2354411T3 - Instalación para la generación simultanea de energía eléctrica y energía térmica con un aparato calentador de célula de combustible. - Google Patents

Instalación para la generación simultanea de energía eléctrica y energía térmica con un aparato calentador de célula de combustible. Download PDF

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Abstract

Instalación para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica con un aparato calentador de célula de combustible (1), preferentemente con reformador, para la preparación de gas de proceso rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos, y con un dispositivo para acumular energía térmica para agua de uso industrial y calefacción, caracterizada porque el dispositivo destinado a la acumulación de energía térmica comprende por lo menos dos acumuladores de agua caliente (2, 3) con intercambiadores de calor integrados (5, 6), estando los por lo menos dos acumuladores de agua caliente (2, 3) con intercambiadores de calor integrados (5, 6) conectados en paralelos con el aparato calentador de célula de combustible (1), y conectados en serie en cuanto al flujo de agua de uso industrial que lo atraviesa.

Description

La invención se refiere a una instalación para la generación simultánea de energía eléctrica y energía térmica con un aparato calentador de célula de combustible y un dispositivo para la acumulación de energía térmica.
Las instalaciones de células de combustible que a través de un reformador se alimentan con un gas combustible rico 5 en hidrógeno deberían trabajar en lo posible no de forma cíclica sino más bien con unos tiempos de funcionamiento largos, ya que el arranque de la instalación favorece el desgaste del reformador y adolece de pérdidas de energía.
Dado que no se requiere continuamente una cantidad de energía constante se puede evitar por una parte la desconexión modulando temporalmente la instalación, es decir trabajando con carga parcial. Pero como la relación entre calor demandado y corriente demandada no es constante es preciso evacuar la energía que no se requiera o 10 proceder a su acumulación intermedia. En la actualidad los acumuladores de corriente no son económicos, por lo que por lo general se inyecta en la red el exceso de corriente de las instalaciones de células de combustible.
Es conocido el hecho de acoplar las instalaciones de células de combustible con acumuladores de agua caliente para acumular energía térmica. En el documento JP 2000319007 se describe un reformador para células de combustible en el que se emplea un acumulador de agua caliente para calentar el reformador durante el arranque. 15 En las publicaciones JP 2001135321, JP 11099044 y JP 63168972 se describen respectivamente sistemas de células de combustible, cada una con un acumulador de agua caliente para acumular energía térmica. En éstos existe en cada caso sólo la posibilidad de acumular calor a un determinado nivel de temperatura.
Para poder acumular gran cantidad de calor se requieren acumuladores de calor de gran envergadura. Si se carga un acumulador de calor grande desde el estado frío entonces surge el problema de que primeramente se dispone 20 únicamente de calor a un nivel de temperatura bajo. Si el acumulador de calor trabaja a un nivel necesario para obtener agua caliente confortable e higiene (p.ej. evitar legionella), entonces apenas se puede acumular también calor.
El documento JP 05121081 muestra una célula de combustible cuyo calor perdido se emplea para calentar un acumulador de agua caliente. En un calentador eléctrico de paso continuo dispuesto a continuación se calienta agua 25 hasta una temperatura de consigna y se almacena en otro acumulador. El documento JP 2001135321 da a conocer una célula de combustible cuyo calor perdido se aprovecha para calentar un acumulador de agua caliente. Una instalación de refrigeración se alimenta con energía eléctrica a través de la célula de combustible. El calor perdido de la instalación de refrigeración se conduce a un segundo acumulador de agua. El agua caliente se hace pasar a través de ambos acumuladores y con ello se calienta. El documento JP 07220745 describe una célula de 30 combustible cuyo calor perdido se almacena en un acumulador de agua caliente. Si se requiere agua a una temperatura más alta, se procede a un recalentamiento del agua procedente del acumulador en un equipo calentador adicional atravesado por el flujo, antes de que llegue a los puntos de toma. El documento DE 19747592 A1 muestra una instalación de calefacción con un colector solar, dos acumuladores de agua caliente y una calefacción adicional. Mediante la calefacción adicional se puede calentar el agua de uso industrial calentada por el 35 calentador solar hasta la temperatura de consigna del agua de uso industrial.
El objetivo de la invención es evitar los inconvenientes del estado de la técnica y proponer una instalación para la generación simultánea de energía eléctrica y energía térmica con un aparato calentador de célula de combustible y un dispositivo para acumular energía térmica, de la clase citada inicialmente, que se caracterice por su alta capacidad de recepción de energía térmica y al mismo tiempo un alto nivel de temperatura del agua de uso industrial 40 y agua caliente disponible.
De acuerdo con la invención se logra esto en una instalación conforme a la reivindicación independiente 1 por el hecho de que la instalación contiene dos acumuladores de agua caliente que se pueden calentar. De este modo se tiene la posibilidad de que uno de los acumuladores sirva principalmente para recibir grandes cantidades de calor, mientras que el otro acumulador satisface los requisitos de confort e higiene. Se obtiene la ventaja de que en un 45 acumulador puede tener lugar un precalentamiento mientras que el segundo acumulador es el responsable de alcanzar la temperatura de consigna. De este modo el primer acumulador puede trabajar dentro de una anchura de gama de temperaturas entre la temperatura de entrada del agua de uso industrial y la temperatura de consigna del agua de uso industrial.
Por las características de la reivindicación 3 se consigue que esté disponible una gran capacidad para recibir calor a 50 un nivel situado por debajo de la temperatura de consigna del agua de uso industrial, mientras que al mismo tiempo el acumulador menor permite un calentamiento rápido a la temperatura de consigna.
De acuerdo con la característica de la reivindicación 4, si la demanda de calor es grande o en caso de una parada del aparato calentador de célula de combustible, se puede generar calor por un aparato calentador adicional.
Por las características de la reivindicación 5 se consigue que el acumulador de agua caliente se pueda calentar por el lado de salida del agua de uso industrial a unas temperaturas situadas por encima de las de los circuitos de 5 refrigeración de la célula de combustible, y que sea posible realizar unos calentamientos rápidos.
Por las características de la reivindicación 6 se consigue que también en la etapa de post-calentamiento se pueda utilizar gran cantidad de calor del aparato calentador de célula de combustible.
De acuerdo con las características de la reivindicación 7 se obtiene la ventaja de que el acumulador de agua caliente se puede cargar a voluntad por el lado de entrada del agua de uso industrial, según el régimen de funcionamiento 10 del aparato calentador de célula de combustible. Mientras tanto se pueden satisfacer no obstante las necesidades de confort e higiene gracias al conjunto de la instalación.
Por las características de la reivindicación 8 se consigue que el acumulador de calor se pueda calentar por medio del aparato calentador adicional por el lado del agua de uso industrial, por ejemplo también durante la parada del aparato calentador de célula de combustible, con el fin de calentarlo más rápidamente o para combatir la legionella. 15
La reivindicación 9 protege, igual que la reivindicación 7, el calentamiento del acumulador de agua caliente por el lado de entrada del agua de uso industrial mediante el aparato calentador de célula de combustible. Mientras que en la reivindicación 7 se prevé el paso del flujo a través del intercambiador de calor en el acumulador, preferentemente con agua recirculante, y por lo tanto hay agua de uso industrial en el volumen del acumulador, se prevé en cambio en la reivindicación 9 la acumulación de agua de uso industrial en el volumen del acumulador y el flujo de paso que 20 atraviesa el intercambiador de calor con agua de uso industrial.
Por las características de la reivindicación 10 se consigue que puedan trabajar de forma simultánea o independiente el aparato calentador de célula de combustible y el aparato calentador adicional, incluso a distintos niveles de temperatura del medio calentador que atraviesa ambos, sin recurrir a válvulas adicionales ni dispositivos de regulación. 25
La Figura 3 muestra otra variante de una instalación calentadora conforme a la invención.
La Figura 1 muestra un aparato calentador de célula de combustible 1 que está unido en paralelo tanto con un intercambiador de calor 5 dispuesto en un acumulador de agua caliente 2 como también con un desviador hidráulico 7 por el lado primario de éste 71, mientras una válvula de conmutación 19 permite tanto el paso del flujo a través del acumulador 2 y del desviador hidráulico 7, como únicamente a través del acumulador 2 o del desviador hidráulico 7. 30 Existe una bomba 14 para impulsar el medio portador de calor a través del aparato calentador de célula de combustible 1. En el desviador hidráulico 7 y en su lado primario 71 está conectado también un equipo calentador adicional 4 en paralelo con el acumulador 2 y el aparato calentador de célula de combustible 1. Por el lado secundario 72 del desviador hidráulico 7 están conectados en paralelo una red de calefacción 13 y un segundo intercambiador de calor 6 de un segundo acumulador de agua caliente 3, cada uno con su bomba de recirculación 35 propia 15, 16. En el interior del volumen del acumulador 8 de agua caliente 2 penetra en la zona inferior una conducción de entrada de agua de uso industrial 10. Desde el volumen interior 8 del acumulador de agua caliente 2 sale en la parte superior una conducción de conexión de agua de uso industrial 11 a la zona inferior del volumen interior 9 del acumulador de agua caliente 3. Desde la zona superior del volumen interior 9 del acumulador de agua caliente 3 sale una conducción de salida de agua de uso industrial 12. 40
Un desviador hidráulico 7 consta de un cuerpo hueco en el que por lados opuestos se encuentran enfrentadas conexiones del lado primario 71 y del lado secundario 72. A través de la oquedad existe una comunicación entre todas las conexiones. La distribución de los caudales de volumen de una conexión a otras conexiones tiene lugar de acuerdo con las condiciones de presión y las pérdidas de presión. De este modo se evita un complejo sistema de regulación para las válvulas de distribución de los caudales de volumen. 45
Cuando está en funcionamiento el aparato calentador de célula de combustible 1 produciendo corriente eléctrica y calor, se puede transmitir el calor o bien al acumulador de agua caliente 2 o al desviador hidráulico 7. También existe la posibilidad de transmitir el calor tanto al acumulador de agua caliente 2 como al desviador hidráulico 7. Aquí no se tratará sobre la producción de corriente eléctrica y su descarga. Dado que el volumen interior del acumulador 8 del acumulador de agua caliente 2 es muy grande, el acumulador de agua caliente 2 puede alojar gran cantidad de calor. En el acumulador de agua caliente 2 se encuentra agua de uso industrial que penetra en el acumulador de agua caliente 2 a través de la conducción de entrada de agua de uso industrial 11. El agua de uso industrial se 5 calienta en el intercambiador de calor 5 por el agua que ha sido calentada en el aparato calentador de célula de combustible 1.
A través del desviador hidráulico 7 también puede pasar agua calentada por el aparato calentador 1 de célula de combustible, al lado secundario a la red de calefacción 13 o al acumulador de agua caliente 3. El volumen interior 9 del acumulador de agua caliente 3 se llena con agua de uso industrial precalentada procedente del acumulador de 10 agua caliente 2. El calor que se precisa para calentar el agua de uso industrial hasta la temperatura de consigna se transmite del intercambiador de calor 8 al agua de uso industrial. El agua de uso industrial calentada pasa a través de la salida de agua industrial 12 a unos puntos de toma que no están representados. Si el aparato calentador de célula de combustible 1 no puede suministrar suficiente calor, será reforzado por el aparato calentador adicional 4. Una vez que esté cargado el acumulador de agua caliente 2 y enfriado el acumulador de agua caliente 3, puede 15 transmitirse calor desde el intercambiador de calor 5 del acumulador de agua caliente 2 a través de la válvula de conmutación 19, del desviador hidráulico 7, de la bomba de recirculación 16 al intercambiador de calor 6 del acumulador de agua caliente 3.
La Figura 2 se diferencia de la Figura 1 principalmente porque el acumulador de agua caliente 2 no está diseñado como acumulador de agua de uso industrial, como en la Figura 1, sino más bien como acumulador estratificado de 20 agua caliente. De este modo se acumula el calor en el acumulador de agua caliente 2 en el agua de calefacción. El agua de uso industrial se calienta en el intercambiador de calor 5 situado en el acumulador de agua caliente 2 y se conduce entonces al acumulador de agua caliente 6, donde se almacena en el volumen interior de acumulación 9, y es calentada por el intercambiador de calor 6. Una bomba de recirculación 18 da lugar a un flujo de agua caliente desde el aparato calentador de célula de combustible 1 y el acumulador de agua caliente 2 al desviador hidráulico 7. 25
En la Figura 3, el acumulador de agua caliente 2 se encuentra en el lado secundario 72 del desviador hidráulico 7, y puede ser calentado tanto por el aparato calentador de célula de combustible 1 como también por el aparato calentador adicional 4. Una bomba de recirculación 17 se ocupa del flujo a través del intercambiador de calor 5. El acumulador de agua caliente 3 se calienta, bien directamente por el agua de calefacción del aparato calentador adicional 4 o mediante calor procedente del acumulador de agua caliente 2. El agua de uso industrial se almacena 30 respectivamente en los volúmenes interiores del acumulador 8, 9 de los acumuladores de agua caliente 2, 3, y se calienta.
Lista de referencias
1 Aparato calentador de célula de combustible
2 Acumulador de agua caliente 35
3 Acumulador de agua caliente
4 Aparato calentador adicional
5 Intercambiador de calor
6 Intercambiador de calor
7 Desviador hidráulico 40
8 Volumen interior del acumulador
9 Volumen interior del acumulador
10 Entrada de agua de uso industrial
11 Conexión de agua de uso industrial
12 Salida de agua de uso industrial 45
13 Red de calefacción
14 Bomba de recirculación
15 Bomba de recirculación
16 Bomba de recirculación
17 Bomba de recirculación 5
18 Bomba de recirculación
19 Bomba de recirculación
20
21
22 10
71 Lado primario
72 Lado secundario

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Instalación para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica con un aparato calentador de célula de combustible (1), preferentemente con reformador, para la preparación de gas de proceso rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos, y con un dispositivo para acumular energía térmica para agua de uso industrial y calefacción, caracterizada porque el dispositivo destinado a la acumulación de energía térmica 5 comprende por lo menos dos acumuladores de agua caliente (2, 3) con intercambiadores de calor integrados (5, 6), estando los por lo menos dos acumuladores de agua caliente (2, 3) con intercambiadores de calor integrados (5, 6) conectados en paralelos con el aparato calentador de célula de combustible (1), y conectados en serie en cuanto al flujo de agua de uso industrial que lo atraviesa.
  2. 2. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque entre el aparato calentador de célula de 10 combustible (1) y por lo menos un acumulador de agua caliente (3) está situado un desviador hidráulico (7).
  3. 3. Instalación según la reivindicación 2, caracterizada porque el acumulador de agua caliente (2) situado en el lado de entrada del agua de uso industrial dispone de un volumen de acumulación mayor que el acumulador de agua caliente (3) situado en el lado de salida del agua de uso industrial.
  4. 4. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque está integrado un aparato 15 calentador adicional (4) que funciona con gas combustible o con fuel.
  5. 5. Instalación según la reivindicación 4, caracterizada porque el intercambiador de calor (6) del acumulador de agua caliente (3) es atravesado por el lado de salida del agua de uso industrial por un medio portador de calor que ha sido calentado en un aparato calentador adicional (4).
  6. 6. Instalación según la reivindicación 4 ó 5, caracterizada porque el intercambiador de calor (6) del 20 acumulador de agua caliente (3) es atravesado por el lado de salida del agua de uso industrial por un medio portador de calor que ha sido calentado en el aparato calentador de célula de combustible (1).
  7. 7. Instalación según una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizada porque el intercambiador de calor (5) del acumulador de agua caliente (2) es atravesado por el lado de entrada del agua de uso industrial por un medio portador de calor que ha sido calentado en el aparato calentador de célula de combustible (1). 25
  8. 8. Instalación según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizada porque el intercambiador de calor (5) del acumulador de agua caliente (2) es atravesado por el lado de entrada del agua de uso industrial por un medio portador de calor que ha sido calentada en el aparato calentador adicional (4).
  9. 9. Instalación según una de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizada porque el volumen de acumulación (8) del acumulador de agua caliente (2) es atravesado por el lado de entrada del agua de uso industrial por un 30 medio portador de calor que ha sido calentado en el aparato calentador de célula de combustible (1).
  10. 10. Instalación según la reivindicación 6 u 8, caracterizada porque el acumulador de agua caliente (2, 3) está comunicado a través de un desviador hidráulico (7) con el aparato calentador de célula de combustible (1) y con el aparato calentador adicional (4).
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