ES2383184A1 - Metodo para convertir energia solar termica. - Google Patents

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Abstract

Un método para convertir energía solar térmica obtenida en una primera región a energía de potencia motriz usada en una segunda región, teniendo la segunda región una cantidad de radiación solar menor que la de la primera región, incluye: sintetizar amoníaco a partir de aire y agua usando, como fuente de energía, sólo la energía solar térmica adquirida en la primera región; transferir el amoníaco desde la primera región a la segunda región; y quemar el amoníaco en la segunda región de tal forma que se produzcan nitrógeno y agua, obteniendo de este modo la energía de potencia motriz.

Description

M�todo para convertir energ�a solar t�rmica.
Campo t�cnico
El reciente calentamiento global se convierte en un problema cada vez m�s serio y llega a tener una posibilidad de amenazar la supervivencia humana en el futuro. La principal causa de ello es considerada el di�xido de carbono (CO_{2}) liberado a la atm�sfera a partir de los combustibles f�siles que han sido usados en gran cantidad como fuente de energ�a en el siglo 20. Por consiguiente, se cree que no se permitir� el uso continuado de combustibles f�siles en un futuro pr�ximo. Por otro lado, el aumento de la demanda de energ�a con el r�pido crecimiento en los pa�ses llamados en desarrollo tales como China, India y Brasil lleva al temor de que el agotamiento de petr�leo y gas natural, hasta ahora considerados inextinguibles, resulte una realidad.
Si esta situaci�n contin�a, como se espera totalmente tambi�n desde la reciente y repentina subida del precio del petr�leo, los combustibles f�siles tales como el petr�leo y el gas natural no podr�n ser usados como fuente de energ�a barata dentro de veinte a treinta a�os. Consiguientemente, se ha solicitado encontrar una nueva fuente de energ�a y un nuevo combustible que ni emita di�xido de carbono, ni dependa del combustible f�sil limitado.
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T�cnica anterior
Como energ�a alternativa para reemplazar la energ�a de combustibles f�siles tales como petr�leo y gas natural, se est�n haciendo estudios actualmente sobre la energ�a del carb�n, la energ�a de la biomasa, la energ�a nuclear, y la energ�a natural, tal como la energ�a e�lica y la energ�a solar.
En el caso de usar energ�a del carb�n como energ�a alternativa, se libera una gran cantidad de di�xido de carbono por la combusti�n del carb�n y esto ya se ha dicho que resulta ser un problema. Para resolver este problema, se ha propuesto recoger el di�xido de carbono de la combusti�n del carb�n y almacenar el di�xido de carbono recogido bajo tierra, y est�n siendo llevados a cabo numerosos proyectos de investigaci�n con relaci�n a este asunto. Sin embargo, el almacenamiento estable a largo plazo del di�xido de carbono no es seguro y tambi�n, los lugares adecuados para su almacenamiento est�n distribuidos de modo desigual. Adem�s, el elevado coste requerido para la recuperaci�n y transferencia del di�xido de carbono y la inyecci�n del di�xido de carbono bajo tierra resultar�n un problema. Adem�s, la posibilidad de que la combusti�n de carb�n genere un problema medioambiental debido a la generaci�n de �xido de azufre (SO_{4}), humo y similares resultar� tambi�n un problema.
La energ�a de la biomasa como energ�a alternativa, particularmente el biocombustible que principalmente comprende etanol, est� atrayendo mucha atenci�n. Sin embargo, es necesaria una gran cantidad de energ�a para la producci�n y concentraci�n de etanol a partir de las plantas, y esto es a veces desventajoso desde el punto de vista de la eficiencia energ�tica. Adem�s, en el caso de usar ma�z, soja, ca�a de az�car o similares como materia prima para biocombustible, como estos son usados desde luego como comida y alimento, se incurre en una escalada del precio de comida y alimento. Por consiguiente, la biomasa no puede ser considerada como una fuente de energ�a sustancial excepto para regiones tales como Brasil.
El uso de energ�a nuclear como fuente de energ�a alternativa no se espera que tenga un progreso grande y mundial, debido a que no se ha encontrado una soluci�n satisfactoria para el tratamiento de residuos radiactivos procedentes de las centrales nucleares y hay muchas opiniones contrarias basadas en el temor a la proliferaci�n nuclear. En su lugar, el uso de energ�a nuclear como energ�a alternativa disminuir� a largo plazo con un aumento de la abolici�n de los reactores nucleares viejos.
Como se ha descrito antes, toda la energ�a del carb�n, energ�a de la biomasa y energ�a nuclear no se puede decir que tengan �xito en la resoluci�n de los problemas de sostenibilidad y la generaci�n de di�xido de carbono que conduce al calentamiento global. Consiguientemente, la energ�a natural tal como energ�a e�lica y energ�a solar es considerada es considerada como una fuente de energ�a ideal.
En relaci�n al uso de energ�a e�lica como energ�a alternativa, las centrales de generaci�n de energ�a e�lica se han extendido recientemente por todo el mundo. Sin embargo, los lugares adecuados que tienen un viento estable y sin peligro de tifones, huracanes, tormentas el�ctricas o similares, o en los que el ruido generado desde un molino de viento no resulte un problema, son limitados. Por consiguiente, la energ�a e�lica es insuficiente por s� misma, aunque sea un fuerte candidato para la energ�a alternativa.
Se cree que la energ�a solar es una energ�a natural m�s estable e intensiva como energ�a alternativa. Particularmente, hay extensos desiertos cerca del ecuador denominados el Cintur�n del Sol del globo, y la energ�a solar ah� es casi inagotable. A este respecto, se ha asumido que puede obtenerse tanta energ�a como 7.000 GW mediante el uso de un peque�o porcentaje del �rea de los desiertos que se extienden en el �rea suroeste de los Estados Unidos de Norteam�rica, y que la totalidad de la energ�a para todos los seres humanos puede ser suministrada mediante el uso de s�lo un peque�o porcentaje del �rea de los desiertos de la Pen�nsula Ar�biga y del Norte de �frica.
\newpage
De este modo, la energ�a solar es muy potente como energ�a alternativa, sin embargo, desde un punto de vista de uso pr�ctico, se ha considerado necesariamente resolver los problemas de que (1) la densidad de energ�a de la energ�a solar es baja y (2) el almacenamiento y transferencia de energ�a solar son dif�ciles.
Como para el problema de que la densidad de energ�a de la energ�a solar es baja, se ha propuesto una resoluci�n recogiendo la energ�a solar por medio de un colector masivo. Sin embargo, el almacenamiento y transporte de la energ�a solar son muy dif�ciles en particular cuando la distancia de transporte es larga y la cantidad de energ�a es grande.
La energ�a solar es convertida generalmente en energ�a el�ctrica como energ�a secundaria directamente mediante una c�lula solar o indirectamente mediante una turbina de vapor o similar, y convertida as� en una forma conveniente para uso y transporte. Cuando la energ�a solar es convertida en potencia el�ctrica, la energ�a de la potencia el�ctrica puede ser transferida a una l�nea de transmisi�n de potencia el�ctrica, y por ello el problema de transferencia de energ�a es superado en principio. Sin embargo, en el caso en el que una central para obtener energ�a de potencia el�ctrica a partir de energ�a solar es instalada en una regi�n des�rtica rica en energ�a solar, una l�nea nueva de transmisi�n de potencia el�ctrica de alta capacidad necesita ser construida y mantenida, pero esto es dif�cil en muchos casos. Adem�s, se ha pensado que es muy dif�cil transferir la energ�a de potencia el�ctrica obtenida a partir de energ�a solar, por ejemplo en una central en una regi�n des�rtica a otro continente o isla a trav�s del oc�ano.
El almacenamiento de la energ�a el�ctrica a veces resulta un problema. El desarrollo de una bater�a para almacenar energ�a el�ctrica es un tema principal existente previamente y est� siendo seguido en todo el mundo. Sin embargo, incluso la bater�a de iones de litio m�s avanzada no es satisfactoria con respecto al almacenamiento de una gran cantidad de energ�a el�ctrica, y una bater�a en particular para una gran cantidad de energ�a el�ctrica necesita ser desarrollada en t�rminos de seguridad. Tambi�n, en la central para obtener energ�a de potencia el�ctrica a partir de energ�a solar, se requieren una unidad de almacenamiento t�rmico masivo, una caldera auxiliar y similar, as� como la bater�a, en caso de que la generaci�n de energ�a resulte dif�cil debido al mal tiempo o similar, y esto constituye un enrome coste de construcci�n.
Tambi�n se han hecho estudios para convertir energ�a solar como la energ�a primaria a hidr�geno como la energ�a secundaria, y sintetizar amon�aco, metano o similares usando el hidr�geno obtenido como una materia prima (Publicaci�n de Patente Japonesa Abierta N� 2006-319291).
El hidr�geno est� atrayendo la atenci�n como energ�a limpia, pero de modo similar a la energ�a el�ctrica, su almacenamiento es un problema fundamental. Para el suministro a una c�lula de combustible, se ha realizado recientemente mucha investigaci�n sobre el almacenamiento de hidr�geno, y est� resultando evidente que la aplicaci�n pr�ctica del mismo no es f�cil. Tambi�n, como para la transferencia de hidr�geno, la construcci�n de tuber�as de hidr�geno es m�s dif�cil que la construcci�n de l�neas de transmisi�n de energ�a el�ctrica. En particular, la construcci�n de una infraestructura de red de tuber�as de hidr�geno para el suministro a usuarios es dif�cil. Adem�s, el hidr�geno l�quido debe ser almacenado a -253�C, y por ello el almacenamiento de hidr�geno l�quido no puede ser considerado actualmente, excepto para usos especiales tales como el desarrollo espacial.
\vskip1.000000\baselineskip
Exposici�n del invento
Como se ha descrito antes, aunque se han realizado esfuerzos para convertir la energ�a solar como la �ltima energ�a sostenible en energ�a el�ctrica, hidr�geno o similares como la energ�a secundaria actualmente en todo el mundo, hay grandes problemas en el almacenamiento y transferencia de tal energ�a secundaria. A menos que los problemas relativos al almacenamiento y transferencia de la energ�a sean superados, la distribuci�n mundial as� como su uso en un cuerpo m�vil tal como un veh�culo, avi�n o barco ser�n muy dif�ciles de alcanzar.
Un objeto del presente invento es resolver el problema de la energ�a solar con respecto a su almacenamiento y transferencia, y permitir el uso mundial de energ�a solar, y resolver por ello el problema de emisi�n de di�xido de carbono que es un gas invernadero y el problema del agotamiento del petr�leo.
Un primer conjunto de m�todos que pretenden alcanzar el objeto antes descrito se ha descrito a continuaci�n como (A1) a (A20).
(A1) Un m�todo para convertir energ�a solar t�rmica obtenida en una primera regi�n a energ�a de potencia motriz usada en una segunda regi�n, teniendo la segunda regi�n una cantidad de radiaci�n solar menor que la de la primera regi�n, incluye:
\quad
sintetizar amon�aco a partir de aire y agua usando, como una fuente de energ�a, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida en la primera regi�n,
\quad
transferir el amon�aco desde la primera regi�n a la segunda regi�n, y
\quad
quemar el amon�aco en la segunda regi�n de tal forma que se produzcan nitr�geno y agua, obteniendo por ello la energ�a de potencia motriz.
(A2) El m�todo descrito en (A1) anterior puede incluir en la operaci�n de transferencia, usar el amon�aco como un combustible para obtener al menos una parte de la energ�a el�ctrica y/o potencia motriz necesaria para realizar la transferencia.
(A3) El m�todo descrito en (A1) o (A2) anterior puede incluir liberar el nitr�geno y el agua producidos en la operaci�n de combusti�n a la atm�sfera y a continuaci�n reutilizarlos como fuente de amon�aco en la operaci�n de s�ntesis.
(A4) El m�todo descrito en cualquiera de (A1) a (A3) anterior puede incluir adquirir la energ�a de potencia motriz usando un motor de combusti�n interna.
(A5) El m�todo descrito en cualquiera de (A1) a (A4) anterior puede incluir, en la operaci�n de sintetizar el amon�aco:
(1)
realizar una reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando una parte de la energ�a solar t�rmica adquirida; y
(2)
realizar una reacci�n para sintetizar amon�aco a partir del nitr�geno y del hidr�geno obtenidos en la operaci�n (1), usando otra parte de la energ�a solar t�rmica adquirida.
(A6) El m�todo descrito en cualquiera de (A1) a (A5) anterior puede incluir obtener al menos una parte de la energ�a el�ctrica y/o potencia motriz necesaria para realizar la operaci�n de s�ntesis usando la energ�a solar t�rmica adquirida.
(A7) El m�todo descrito en cualquiera de (A1) a (A6) anterior puede incluir obtener al menos una parte de la energ�a el�ctrica, potencia motriz y/o calor necesario para realizar la operaci�n de s�ntesis usando el amon�aco sintetizado como un combustible.
(A8) El m�todo descrito en cualquiera de (A5) a (A7) anterior puede incluir en la operaci�n (1), realizar la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando la energ�a solar t�rmica adquirida directamente como una fuente de calor.
(A9) El m�todo descrito en (A8) anterior puede incluir obtener al menos una parte de la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (1) mediante un colector del tipo parab�lico c�ncavo y/o un colector solar de tipo de torre.
(A10) El m�todo descrito en (A6) o (A7) anterior tambi�n incluye en la operaci�n (1), realizar la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando la energ�a el�ctrica como una fuente de calor.
(A1l) El m�todo descrito en (A6) o (A1) anterior puede incluir en la operaci�n (1), realizar la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua electrolizando agua con el uso de la energ�a el�ctrica.
(A12) El m�todo descrito en (A10) o (A1l) anterior puede incluir adquirir la energ�a solar t�rmica por un colector parab�lico de tipo artesa.
(A13) El m�todo descrito en cualquiera de (A5) a (A12) anterior puede incluir en la operaci�n (2), sintetizar amon�aco a partir de nitr�geno e hidr�geno usando la energ�a solar t�rmica adquirida directamente como una fuente de calor y/o como una fuente de potencia motriz.
(A14) El m�todo descrito en (A13) anterior puede incluir obtener la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (2) por un colector parab�lico de tipo artesa.
(A15) El m�todo descrito en cualquiera de (A5) a (A7) anterior puede incluir en la operaci�n (1), realizar la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando la energ�a solar t�rmica adquirida directamente como una fuente de calor; obtener al menos una parte de la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (1) por un colector parab�lico con forma de plato y/o un colector solar de tipo torre; en la operaci�n (2), realizar la reacci�n para sintetizar amon�aco a partir de nitr�geno e hidr�geno usando la energ�a solar t�rmica adquirida directamente como una fuente de calor y/o como una fuente de potencia motriz; y, obtener la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (2) por un colector parab�lico de tipo artesa.
(A16) El m�todo descrito en (A6) a (A7) anterior puede incluir obtener el nitr�geno sometiendo al aire a una separaci�n criog�nica usando la energ�a el�ctrica y/o la potencia motriz.
(A17) El m�todo descrito en una cualquiera de (A5) a (A15) anterior puede incluir obtener el nitr�geno quemando el hidr�geno obtenido en la operaci�n (1) para consumir el ox�geno del aire.
\newpage
(A18) Un m�todo para usar energ�a solar t�rmica obtenida en una primera regi�n, como energ�a de potencia motriz usada en una segunda regi�n, teniendo la segunda regi�n una cantidad de radiaci�n solar menor que la de la primera regi�n, incluye:
\quad
sintetizar amon�aco a partir de aire y agua usando, como fuente de energ�a, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida en la primera regi�n; y,
\quad
transferir el amon�aco a la segunda regi�n con el fin de obtener energ�a de potencia motriz quemando el amon�aco de tal forma que se produzca nitr�geno y agua.
(A19) Un m�todo para usar energ�a solar t�rmica obtenida en una primera regi�n, como energ�a de potencia motriz usada en una segunda regi�n, teniendo la segunda regi�n una cantidad de radiaci�n solar menor que la de la primera regi�n, incluye:
\quad
recibir, en la segunda regi�n, amon�aco sintetizado a partir de aire y agua usando, como fuente de energ�a, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida en la primera regi�n; y
\quad
quemar el amon�aco de tal modo que el nitr�geno y el agua sean producidos en la segunda regi�n, obteniendo por ello energ�a de potencia motriz.
(A20) Un m�todo para convertir energ�a solar t�rmica obtenida en una primera regi�n en energ�a de potencia motriz usada en una segunda regi�n, teniendo la segunda regi�n una cantidad de radiaci�n solar menor que la de la primera regi�n, incluye:
\quad
recoger la luz del sol para adquirir energ�a solar t�rmica por medio de un aparato de adquisici�n de energ�a solar t�rmica en la primera regi�n;
\quad
sintetizar amon�aco a partir de aire y agua usando, como fuente de energ�a, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida por un aparato de s�ntesis de amon�aco en la primera regi�n;
\quad
licuar el amon�aco por medio de un aparato de licuaci�n de amon�aco en la primera regi�n;
\quad
transferir el amon�aco licuado por medio de un aparato de transporte de amon�aco desde la primera regi�n a la segunda regi�n; y
\quad
quemar el amon�aco por medio de un aparato de generaci�n de energ�a de potencia motriz en la segunda regi�n de tal modo que se produzca nitr�geno y agua, obteniendo por ello energ�a de potencia.
\vskip1.000000\baselineskip
Un segundo conjunto de m�todos que pretende alcanzar el objeto antes descrito se ha descrito a continuaci�n como (B1) a (B14).
(B1) Un m�todo para almacenar energ�a solar t�rmica incluye:
(a)
adquirir energ�a solar t�rmica;
(b)
realizar una reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando una parte de la energ�a solar t�rmica adquirida; y
(c)
realizar una reacci�n para sintetizar amon�aco a partir del nitr�geno y el hidr�geno obtenido en la operaci�n (b), usando otra parte de la energ�a solar t�rmica adquirida.
(B2) El m�todo descrito en (B1) anterior puede incluir obtener al menos una parte de la energ�a el�ctrica y/o potencia motriz necesaria para realizar el m�todo usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a).
(B3) El m�todo descrito en (B1) o (B2) anterior puede incluir obtener al menos una parte de la energ�a el�ctrica, la potencia motriz y/o el calor necesarios para realizar el m�todo usando el amon�aco sintetizado como un combustible.
(B4) El m�todo descrito en una cualquiera de (B1) a (B3) anterior puede incluir usar s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a) como una fuente de energ�a.
(B5) El m�todo descrito en una cualquiera de (B1) a (B4) anterior puede incluir en la operaci�n (b), realizar la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a) directamente como una fuente de calor.
(B6) El m�todo descrito en (B5) anterior puede incluir obtener al menos una parte de la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (b) por un colector parab�lico con forma de plato y/o un colector solar de tipo torre.
(B7) El m�todo descrito en (B2) o (B3) anterior puede incluir realizar en la operaci�n (b), la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando la energ�a el�ctrica como una fuente de calor.
(B8) El m�todo descrito en (B2) o (B3) anterior puede incluir en la operaci�n (b), realizar la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua electrolizando agua con uso de la energ�a el�ctrica.
(B9) El m�todo descrito en (B7) o (B8) anterior puede incluir en la operaci�n (a), adquirir la energ�a solar t�rmica por un colector parab�lico de tipo artesa.
(B10) El m�todo descrito en una cualquiera de (B1) a (B9) anterior puede incluir en la operaci�n (c), sintetizar amon�aco a partir de nitr�geno e hidr�geno usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a) directamente como una fuente de calor y/o como una fuente de potencia motriz.
(B1l) El m�todo descrito en (B10) anterior puede incluir obtener la energ�a solar t�rmica como una fuente de calor en la operaci�n (c) por un colector parab�lico de tipo artesa.
(B12) El m�todo descrito en una cualquiera de (B1) a (B4) anterior puede incluir: en la operaci�n (b), realizar la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a) directamente como una fuente de calor; obtener al menos una parte de la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (b) por un colector parab�lico con forma de plato y/o un colector solar de tipo torre; en la operaci�n (c), realizar la reacci�n para sintetizar amon�aco a partir de nitr�geno e hidr�geno usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a) directamente como una fuente de calor y/o como una fuente de fuerza motriz; y obtener la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (c) por un colector parab�lico de tipo artesa.
(B13) El m�todo descrito en (B2) a (B3) anterior puede incluir obtener el nitr�geno sometiendo al aire a una separaci�n criog�nica usando la energ�a el�ctrica y/o la potencia motriz.
(B14) El m�todo descrito en una cualquiera de (B1) a (B12) anterior puede incluir obtener el nitr�geno quemando el hidr�geno obtenido en la operaci�n (b) para consumir el ox�geno del aire.
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De acuerdo con los m�todos antes descritos, los problemas del calentamiento global y del agotamiento del petr�leo y gas natural pueden ser superados usando energ�a solar t�rmica casi inagotable mediante la conversi�n o almacenamiento de la misma.
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Breve descripci�n de los dibujos
La fig. 1 es una vista para explicar un ejemplo de un primer sistema de conversi�n.
La fig. 2 es una vista para explicar un ejemplo de un segundo sistema de conversi�n.
La fig. 3 es una vista para explicar el flujo de energ�a del primer sistema de conversi�n.
La fig. 4 es una vista esquem�tica que muestra un colector de tipo parab�lico c�ncavo.
La fig. 5 es una vista esquem�tica que muestra un colector solar de tipo de torre.
La fig. 6 es una vista esquem�tica que muestra un colector parab�lico de tipo artesa.
La fig. 7 es una vista que muestra un ejemplo de equipamiento para realizar el m�todo de almacenamiento de la energ�a solar t�rmica.
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Descripci�n detallada de las realizaciones
En lo que se refiere al almacenamiento y transferencia de energ�a solar, las siguientes tres sustancias son consideradas como candidatas para un combustible l�quido que puede ser producido a partir de agua, aire y energ�a solar t�rmica y son f�ciles de almacenar y transferir:
(1)
per�xido de hidr�geno (H_{2}O_{2});
(2)
hidracina (NH_{2}NH_{2}); y,
(3)
amon�aco (NH_{3}).
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Entre estas sustancias, en vista de su f�cil manipulaci�n, se espera que el amon�aco sea un candidato �til. El amon�aco es un gas muy irritante y es una sustancia delet�rea que causa da�os en el sistema respiratorio cuando un gas del mismo con una elevada concentraci�n es inhalado. Sin embargo, en virtud de su fuerte olor, la fuga de gas incluso en una peque�a cantidad de aproximadamente 5 ppm, que es 1/1.000 o menos de la cantidad letal, puede ser detectado por un ser humano, y la ocurrencia de un escape accidental en el mercado actual es informada en raras ocasiones. Por ejemplo, el amon�aco est� siendo usado como un medio de refrigeraci�n para una nevera o refrigerador en un barco de pesca o similar, junto con clorofluorocarbono, pero los accidentes fatales debidos a la fuga de amon�aco son aproximadamente 1/10 de la relaci�n de muerte en la fuga de clorofluorocarbono inofensivo e inodoro. Tambi�n, el desastre por explosi�n durante la transferencia de amon�aco es 1/5 o menos que para la gasolina o el gas licuado de petr�leo (LPG).
Adem�s, la producci�n global de amon�aco actualmente es de aproximadamente 150 millones de toneladas por a�o, y una gran cantidad de amon�aco es usada principalmente para fertilizantes. Tambi�n a partir de tal uso actual en una gran cantidad en el mercado, se cree que el amon�aco tiene una receptividad social suficientemente elevada.
El amon�aco tiene caracter�sticas f�sicas pr�ximas a las del LPG y es licuado f�cilmente bajo aproximadamente 8 atm�sferas a temperatura ordinaria, y el almacenamiento y transferencia del mismo tienen resultados satisfactorios y no son particularmente problem�ticos. Tambi�n, el amon�aco es definido como una sustancia no inflamable, y tiene una capacidad de ignici�n peque�a, una baja velocidad de combusti�n incluso en ignici�n, y un margen de combusti�n estrecho, y por ello, su manipulaci�n no es considerada como un problema particular.
La densidad de energ�a del amon�aco es aproximadamente la mitad que la de la gasolina y casi igual que la del metanol. Sin embargo, en la mezcla te�rica, el valor calor�fico del amon�aco es mayor que el de la gasolina, y por lo tanto el amon�aco es aplicable satisfactoriamente como un combustible incluso para un cuerpo m�vil. Adem�s, el amon�aco puede ser suministrado a una central de generaci�n de energ�a termoel�ctrica situada a mucha distancia por un barco de transporte de l�quidos o gases o similar, y quemado en vez del gas natural o carb�n. En este caso, se considera que la eficiencia te�rica de amon�aco sobrepasa a la del gas natural y a la del carb�n.
En la combusti�n de amon�aco, puede llevarse a cabo una reacci�n de combusti�n representada por la siguiente f�rmula A:
... (F�rmula A)2NH_{3} + 3/2O_{2} \rightarrow N_{2} + 3H_{2}O + (generaci�n de calor)]
Es decir, no se produce di�xido de carbono en la combusti�n de amon�aco, y por ello no surge ning�n problema relativo al calentamiento global.
Incidentalmente, se ha descrito, por ejemplo en La Publicaci�n de Patente Japonesa Abierta N� 5-332152, obtener la potencia motriz quemando amon�aco como antes.
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M�todo de Conversi�n de Energ�a
Se ha descrito a continuaci�n un sistema 1 de conversi�n para convertir energ�a solar t�rmica en energ�a de potencia motriz con referencia a la fig. 1.
El sistema de conversi�n 1 comprende un aparato 10 de adquisici�n de energ�a solar t�rmica para recoger la luz del sol 200 para producir energ�a solar t�rmica, un aparato 20 de s�ntesis de amon�aco para sintetizar amon�aco a partir de agua y aire usando la energ�a solar t�rmica (se han descrito detalles de s�ntesis de amon�aco m�s adelante con relaci�n al m�todo de almacenamiento de energ�a solar t�rmica), un aparato 30 de transporte de amon�aco, y un aparato 40 de generaci�n de energ�a de potencia motriz para quemar el amon�aco para producir energ�a de potencia motriz.
El aparato 10 de adquisici�n de energ�a solar t�rmica y el aparato 20 de s�ntesis de amon�aco est�n dispuestos en una primera regi�n 3, y el aparato 40 de generaci�n de energ�a de potencia motriz est� dispuesto es una segunda regi�n 3 geogr�ficamente diferente de la primera regi�n 3.
La reacci�n de s�ntesis de amon�aco a partir de aire y agua es, como se ha descrito m�s adelante, una reacci�n endot�rmica en su totalidad. Por consiguiente, el aparato 20 de s�ntesis de amon�aco usa la energ�a solar t�rmica como calor de reacci�n para producir amon�aco (NH_{3}) y ox�geno (O_{2}) a partir de nitr�geno (N_{2}) contenido en aire y agua (H_{2}O). El amon�aco producido es licuado opcionalmente, y a continuaci�n transferido como un combustible desde la primera regi�n 3 hasta la segunda regi�n 5 por el aparato 30 que transporta el amon�aco. En la segunda regi�n 5, el amon�aco es quemado por el aparato 40 de generaci�n de energ�a de potencia motriz de tal modo que se producen nitr�geno y agua, por ello se producen energ�a de potencia motriz 240 y energ�a t�rmica 250.
El nitr�geno y el agua son sustancias inofensivas presentes en una gran cantidad en la atm�sfera. Por lo tanto, cuando el nitr�geno y el agua producidos por la combusti�n son liberados a la atm�sfera, circulan seg�n los flujos de convecci�n presentes en el mundo natural y pueden ser usados nuevamente como materias primas del aparato 20 de s�ntesis de amon�aco situado en la primera regi�n 3.
El sistema 1 de conversi�n tiene un equilibrio energ�tico introducir luz solar 200 y emitir energ�a de potencia motriz 240 y energ�a t�rmica 250 y, por otro lado, tiene un equilibrio material por el siguiente bucle de circulaci�n:
nitr�geno + agua amon�aco + ox�geno (s�ntesis de amon�aco), y amon�aco + ox�geno nitr�geno + agua (combusti�n de amon�aco). En todas las operaciones del sistema 1 de conversi�n, no se requiere una sustancia qu�mica que contenga un �tomo de carbono y por ello, el di�xido de carbono (CO_{2}) no es descargado en absoluto.
De este modo, el sistema 1 de conversi�n usa amon�aco producido con el uso de aire y agua, como una sustancia de transporte de la energ�a solar t�rmica, por ello la energ�a solar t�rmica adquirida en la primera regi�n 3 puede ser usada como la energ�a de potencia motriz en la segunda regi�n 5. Tambi�n, el sistema 1 de conversi�n realiza la conversi�n de energ�a mediante la circulaci�n de sustancias qu�micas (agua, nitr�geno del aire, y amon�aco) cada una de las cuales no tiene ning�n �tomo de carb�n, y por ello no descarga di�xido de carbono en ninguna de las operaciones del sistema.
Incidentalmente, el aparato 10 de adquisici�n de energ�a solar t�rmica est� dispuesto preferiblemente en una regi�n que tiene una gran cantidad de radiaci�n solar, y por ello la primera regi�n es preferiblemente una regi�n que tiene una cantidad de radiaci�n solar mayor que la segunda regi�n en la que es usada la energ�a de potencia motriz. El aparato 20 de s�ntesis de amon�aco tambi�n descarga ox�geno. El ox�geno es una sustancia valiosa para la producci�n de productos qu�micos, y por ello, puede preverse un equipamiento que use ox�geno en la primera regi�n.
Se ha descrito a continuaci�n un ejemplo del sistema de conversi�n 2 con referencia a la fig. 2.
Como se ha mostrado en la figura, el aparato 20 de s�ntesis de amon�aco comprende una planta o instalaci�n 22 de s�ntesis de amon�aco, un aparato 24 de licuaci�n de amon�aco para comprimir y licuar amon�aco con agua de enfriamiento y a continuaci�n enfriar el amon�aco licuado mediante refrigerante que es obtenido expandiendo el amon�aco comprimido; una central 25 de generaci�n de energ�a el�ctrica para generar una energ�a el�ctrica con el uso de una turbina de vapor que usa vapor producido por el calor solar o con el uso de una turbina de gas (que incluye un tipo combinado con una turbina de vapor) que usa la combusti�n de amon�aco; descargar el equipo para amon�aco licuado 26; una torre de refrigeraci�n (no mostrada) para enfriar agua; y, un aparato de tratamiento de agua (no mostrado) para purificar agua a partir de agua dulce, agua de mar y similares. Incidentalmente, como para la planta 22 de s�ntesis de amon�aco, puede hacerse referencia a la descripci�n que se refiere al m�todo siguiente de almacenamiento de energ�a solar t�rmica.
El aparato 30 de transporte de amon�aco es un barco de amon�aco licuado 32 en el caso de transporte marino, y un cami�n cisterna 34 o una tuber�a 36 en el caso de transporte terrestre.
En la segunda regi�n 5, el amon�aco es recibido por el equipamiento 42 que recibe amon�aco, o el amon�aco es suministrado directamente a un aparato 40 que genera energ�a de potencia motriz. El aparato 40 que genera energ�a de potencia motriz (por ejemplo, turbina de gas, autom�vil) adquiere la energ�a de potencia motriz a partir de la combusti�n de amon�aco por un motor de combusti�n interna.
En este sentido, el sistema de conversi�n 2 usa amon�aco producido a partir de aire y agua, como una sustancia de transporte de energ�a solar t�rmica, por ello la energ�a solar t�rmica adquirida en la primera regi�n 3 puede ser usada como la energ�a de potencia motriz en la segunda regi�n 5. Tambi�n, el sistema de conversi�n 2 realiza la conversi�n de energ�a por la circulaci�n de sustancias qu�micas (agua, nitr�geno del aire, y amon�aco) cada una de las cuales no tiene ning�n �tomo de carb�n y por ello, el di�xido de carbono no es descargado en el aparato 10 de adquisici�n de energ�a solar t�rmica y el aparato 20 de s�ntesis de amon�aco de la primera regi�n, as� como en el aparato 40 de generaci�n de energ�a de potencia motriz de la segunda regi�n.
Se ha descrito a continuaci�n el flujo de energ�a del sistema de conversi�n 1 con referencia a la fig. 3.
La luz solar 200 es convertida en energ�a solar t�rmica 210 mediante un aparato 10 de adquisici�n de energ�a solar t�rmica. La energ�a solar t�rmica 210 es convertida en energ�a qu�mica 220 como energ�a potencial de amon�aco por un aparato 20 de s�ntesis de amon�aco. Una parte 215 de la energ�a solar t�rmica 210 es usada como una fuente de calor, una fuente de potencia motriz y/o una fuente de energ�a el�ctrica en el aparato 20 de s�ntesis de amon�aco.
La energ�a qu�mica 220 es transferida por un aparato 30 de trasporte de amon�aco desde la primera regi�n 3 hasta la segunda regi�n 5. En la transferencia, el aparato 30 de transporte de amon�aco puede usar una parte de la energ�a qu�mica 220 (es decir, la energ�a obtenida quemando una parte del amon�aco transferido por un motor de combusti�n interna del aparato 30 de transporte de amon�aco) como energ�a de transferencia 225 (es decir, como al menos parte de energ�a el�ctrica y/o potencia motriz necesaria para el transporte). En este caso, la energ�a qu�mica 220 es consumida parcialmente por el aparato 30 de transporte de amon�aco, y despu�s la transferencia a la segunda regi�n 5, resulta energ�a qu�mica 230.
La energ�a qu�mica 230 es convertida en energ�a de potencia motriz 240 y energ�a t�rmica 250 mediante un aparato 40 que genera energ�a de potencia motriz que quema el amon�aco de tal modo que se producen nitr�geno y agua. (Aunque no se ha mostrado, la energ�a calor�fica residual puede ser generada en el aparato 20 de s�ntesis de amon�aco y el aparato 30 de transporte de amon�aco).
De este modo, usando la energ�a qu�mica del amon�aco, la luz solar 200 introducida en la primera regi�n 3 es transferida a la segunda regi�n 5 en forma de energ�a de potencia motriz 240 y energ�a t�rmica 250. El sistema de conversi�n 1 no requiere el uso de una fuente de energ�a diferente a la luz solar 200. Por consiguiente, el sistema de conversi�n 1 permite convertir la energ�a solar t�rmica 210 en energ�a de potencia motriz 240 sin descargar di�xido de carbono en ninguna de las operaciones del sistema.
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M�todo de Almacenamiento de Energ�a solar t�rmica
El m�todo para almacenar energ�a solar t�rmica comprende: (a) adquirir energ�a solar t�rmica; (b) realizar una reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando una parte de la energ�a solar t�rmica adquirida, por ejemplo como una parte de una fuente de calor, una fuente de potencia motriz y/o una fuente de energ�a el�ctrica, particularmente usando la energ�a directamente como una fuente de calor o como una fuente de energ�a el�ctrica; y, (c) realizar una reacci�n para sintetizar amon�aco a partir del nitr�geno y del hidr�geno obtenido en la operaci�n (b) usando otra parte de la energ�a solar t�rmica adquirida, por ejemplo como una fuente de calor, una fuente de potencia motriz y/o una fuente de energ�a el�ctrica, usando particularmente la energ�a como una fuente de calor y/o una fuente de potencia motriz.
De acuerdo con este m�todo de almacenamiento de energ�a, el amon�aco es sintetizado usando energ�a solar t�rmica, de modo que la energ�a solar t�rmica pueda ser almacenada en forma de energ�a qu�mica del amon�aco.
En una realizaci�n preferida de este m�todo, al menos una parte de la energ�a el�ctrica y/o potencia motriz necesaria para realizar este m�todo es obtenida usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a). En otra realizaci�n preferida, al menos una parte de la energ�a el�ctrica, potencia motriz y/o calor necesario para realizar este m�todo es obtenida usando el amon�aco sintetizado como un combustible. En a�n otra realizaci�n preferida, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a) es usada como una fuente de energ�a.
Ejemplos de la energ�a el�ctrica necesaria para realizar este m�todo incluyen energ�a el�ctrica usada en el accionamiento de una bomba/compresor para hacer fluir y/o comprimir un fluido tal como una materia prima, y energ�a el�ctrica para calentar adicionalmente la fuente de calor. Ejemplos de la potencia motriz necesaria para realizar este m�todo incluyen potencia motriz usada en el accionamiento de una bomba/compresor para hacer fluir y/o comprimir un fluido tal como una materia prima. Ejemplos del calor necesario para realizar este m�todo incluyen calor para calentar adicionalmente la fuente de calor. Con el fin de elevar la temperatura de la fuente de calor a una temperatura que es mayor que la obtenida directamente por la energ�a solar t�rmica, a veces es preferible suministrar una parte de la energ�a t�rmica para la fuente de calor por energ�a el�ctrica.
De acuerdo con estas realizaciones, el m�todo puede ser realizado mientras se reduce o preferiblemente se elimina el uso de combustibles f�siles tradicionales tales como petr�leo.
La reacci�n entera en la s�ntesis de amon�aco a partir de agua y nitr�geno est� representada por la siguiente f�rmula (B):
... (F�rmula B)N_{2} + 3H_{2}O \rightarrow 2NH_{3} + 3/2O_{2} (endot�rmica)
En el m�todo de almacenamiento de la energ�a solar t�rmica, el amon�aco (NH_{3}) es sintetizado a partir de agua (H_{2}O) y nitr�geno (N_{2}) mediante una reacci�n entre hidr�geno (H_{2}) y nitr�geno (N_{2}) usando la energ�a solar t�rmica como una fuente de energ�a para la reacci�n. A continuaci�n se ha descrito detalladamente el m�todo de almacenamiento de la energ�a solar t�rmica.
M�todo de Almacenamiento de la Energ�a solar t�rmica - Operaci�n (a) (adquisici�n de energ�a solar t�rmica)
En el m�todo de almacenamiento de la energ�a solar t�rmica, la energ�a solar t�rmica es adquirida en la operaci�n (a).
En la operaci�n (a), puede usarse cualquier colector de luz para adquirir energ�a solar t�rmica. Por ejemplo, pueden ser usados los colectores de luz siguientes (1) a (3).
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(1) Tipo parab�lico con forma de plato
El colector de tipo parab�lico con forma de plato 140 mostrado en la fig. 4 comprende una parte de reflector con forma de plato 141 para recoger luz por reflexi�n de la luz solar 200, y una parte 142 receptora de luz para recibir la luz recogida. La energ�a solar t�rmica es adquirida en esta parte 142 que recibe la luz. La energ�a solar t�rmica obtenida en la parte 142 receptora de la luz puede ser transferida a una porci�n apropiada usando opcionalmente un medio calor�fico tal como metal alcalino fundido (por ejemplo, sodio met�lico fundido), sal fundida, aceite y vapor.
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El colector de luz de este tipo es adecuado para una central relativamente peque�a y es usado preferiblemente en la gama de energ�a solar t�rmica de aproximadamente desde 10 Kw hasta varios cientos de Kw. En general, el colector de luz de este tipo tiene una elevada potencia de recogida de luz, y puede obtenerse una fuente de calor de alta temperatura de 2.000�C o m�s, pero el coste es relativamente elevado.
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(2) Tipo de Torre Solar
El colector solar de tipo de torre 150 mostrado en la fig. 5 comprende una pluralidad de heliostatos (partes reflectoras) 151 para recoger luz por reflexi�n de la luz solar 200, y una parte 153 receptora de la luz para recibir la luz recogida. La energ�a solar t�rmica es adquirida en esta parte 153 receptora de la luz. La parte 153 receptora de la luz est� dispuesta en la parte superior de la torre 152 receptora de la luz. La energ�a solar t�rmica obtenida en la parte 153 receptora de la luz puede ser transferida a una porci�n apropiada usando opcionalmente un medio calor�fico.
El colector de luz de este tipo es adecuado para una central grande de 10 Mw a varios cientos de Mw. En general, el colector de luz de este tipo tiene una gran potencia de recogida de luz, y puede obtenerse una fuente de calor de alta temperatura de varios miles de �C, pero el coste de construcci�n de la torre es elevado y se requiere una t�cnica de alto nivel para controlar los reflectores de espejo.
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(3) Tipo Parab�lico de Artesa
El colector parab�lico de tipo artesa 160 mostrado en la fig. 6 comprende una parte 161 de reflector de artesa para recoger luz reflejando la luz solar 200 y una parte 162 receptora de la luz para recibir la luz recogida. La energ�a solar t�rmica es adquirida en esta parte 162 receptora de la luz. La energ�a solar t�rmica obtenida en la parte 162 receptora de la luz puede ser transferida a una parte apropiada conduciendo opcionalmente un medio calor�fico a trav�s de un trayecto 163 de flujo de medio calor�fico.
El colector de luz de este tipo disfruta de una estructura simple y un coste bajo, y es adecuado para una central grande de varios cientos de Mw generalmente, pero la potencia de recogida de la luz es baja y la fuente de calor obtenida es una fuente de calor de baja temperatura de 400 a 500�C.
De este modo, cada colector de luz tiene ventajas y desventajas. Por consiguiente, en el m�todo de almacenamiento de energ�a, puede usarse cualquiera de estos colectores de luz o una combinaci�n de los mismos. Espec�ficamente, la energ�a solar t�rmica para una fuente de calor de alta temperatura puede ser obtenida por un colector de luz que tiene una gran potencia de recogida de luz (por ejemplo un colector parab�lico con forma de plato y/o un colector solar de tipo de torre) y al mismo tiempo, la otra energ�a solar t�rmica, por ejemplo energ�a solar t�rmica para una fuente de calor de baja temperatura o generaci�n de potencia motriz y/o energ�a el�ctrica puede ser obtenida por un colector de luz que tiene una peque�a potencia de recogida de luz (por ejemplo un colector parab�lico de tipo artesa).
Por ejemplo, la energ�a solar t�rmica obtenida mediante un colector de luz que tiene una gran potencia de recogida de luz puede ser ajustada para ser un 1/2 o menos, por ejemplo desde 1/3 hasta 1/2, de la energ�a solar t�rmica total obtenida por un colector de luz que tiene gran potencia de recogida de luz y un colector de luz que tiene poca potencia de recogida de luz. En vista del coste del equipamiento colector completo, es preferible a veces que la relaci�n de un colector de luz que tiene gran potencia de recogida de luz, generalmente con costes elevados, est� limitada de este modo.
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M�todo de Almacenamiento de Energ�a solar t�rmica - Operaci�n (b) (producci�n de hidr�geno)
En el m�todo de almacenamiento de energ�a solar t�rmica, es realizada una reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua en la operaci�n (b) usando una parte de la energ�a solar t�rmica adquirida, usando particularmente s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida, como una fuente de energ�a.
En la operaci�n (b), para obtener hidr�geno a partir de agua, puede usarse cualquier m�todo. Espec�ficamente, por ejemplo los siguientes procesos de divisi�n de agua (1) a (3) son bien conocidos, junto con electr�lisis de agua. Estos procesos se focalizan sobre el descenso de la temperatura de reacci�n requerida para la reacci�n de descomposici�n del agua.
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(1) Proceso Directo
Este es el proceso m�s fundamental, y el agua es descompuesta directamente en hidr�geno y ox�geno a una temperatura elevada de acuerdo con la reacci�n representada por la f�rmula 1 siguiente:
... (F�rmula 1)H_{2}O \rightarrow H_{2} + 1/2O_{2} (a 2.000�C o m�s)
Esta reacci�n originalmente requiere una temperatura de varios miles de �C, pero puede ser lograda a una temperatura de alrededor de los 2.000�C usando un catalizador.
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(2) Proceso de Zn (Zinc)
Con el fin de disminuir la temperatura requerida en la reacci�n mostrada por la f�rmula (1) anterior, hay un proceso de descomposici�n de agua a trav�s de la mediaci�n de una tercera sustancia. Un ejemplo representativo del mismo es un proceso de realizar la descomposici�n a trav�s de la mediaci�n de zinc. En este caso, las reacciones son las siguientes:
... (F�rmula 2)Zn + H_{2}O \rightarrow ZnO + H_{2} (aproximadamente 400�C)
... (F�rmula 3)ZnO \rightarrow Zn + 1/2O_{2} (aproximadamente 1.500�C)
Reacci�n Total: H_{2}O \rightarrow H_{2} + 1/2O_{2}
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Este proceso requiere dos tipos de fuentes de calor: una fuente de calor de alta temperatura (aproximadamente 1.500�C), y una fuente de calor de baja temperatura (400�C).
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(3) Proceso de Ciclo I-S (Yodo-Azufre)
En cuanto al m�todo para disminuir adicionalmente la temperatura de reacci�n m�s que en el proceso (2) anterior, se conoce un proceso de ciclo I-S y las reacciones del mismo son las siguientes:
... (F�rmula 4)H_{2}SO_{4} \rightarrow H_{2}O + SO_{2} + 1/2O_{2} (aproximadamente 950�C)
... (F�rmula 5)2H_{2}O + SO_{2} + I_{2} \rightarrow H_{2}SO_{4} + 2HI (aproximadamente 130�C)
... (F�rmula 6)2HI \rightarrow H_{2} + I_{2} (aproximadamente 400�C)
Reacci�n Total: H_{2}O \rightarrow H_{2} + 1/2O_{2}
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Este proceso requiere dos tipos de fuentes de calor: una fuente de calor de alta temperatura (950�C) y una fuente de calor de baja temperatura (400�C).
Como se ha descrito antes, al menos en una parte de estas reacciones de (1) a (3) para producir hidr�geno a partir de agua usando calor, se requiere una fuente de calor que tiene una temperatura relativamente elevada.
Esta fuente de calor que tiene una temperatura relativamente elevada puede ser proporcionada usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a) directamente como una fuente de calor. En este caso, al menos una parte de la energ�a solar t�rmica requerida puede ser obtenida por un colector de luz que tiene una gran potencia de recogida de luz, por ejemplo un colector parab�lico con forma de plato y/o un colector solar de tipo torre.
Tambi�n, con el fin de obtener esta fuente de calor que tiene una temperatura relativamente elevada, puede usarse energ�a el�ctrica, energ�a el�ctrica particularmente obtenida usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a), o energ�a el�ctrica obtenida usando el amon�aco sintetizado como un combustible. Adem�s, en el caso de obtener hidr�geno sin usar una fuente de calor que tiene una temperatura relativamente elevada, es decir en el caso de obtener hidr�geno por la electr�lisis de agua, puede usarse energ�a el�ctrica, energ�a el�ctrica obtenida particularmente usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a), o energ�a el�ctrica obtenida usando el amon�aco sintetizado como un combustible.
De este modo, en el caso de proporcionar una fuente de calor que tiene una temperatura relativamente elevada usando energ�a el�ctrica o en el caso de hidrolizar agua usando energ�a el�ctrica, la adquisici�n de energ�a solar t�rmica en la operaci�n (a) puede ser realizada por un colector de luz que tiene poca potencia de recogida de luz, por ejemplo por un colector parab�lico de tipo artesa. Esto es preferido con vistas al coste del equipamiento colector completo.
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M�todo de Almacenamiento de la Energ�a solar t�rmica - Operaci�n (c) (s�ntesis de amon�aco)
En el m�todo de almacenamiento de la energ�a solar t�rmica, una reacci�n para producir amon�aco a partir de nitr�geno y el hidr�geno obtenido en la operaci�n (b) es realizada en la operaci�n (c) usando una parte de la energ�a solar t�rmica adquirida, usando particularmente s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida, como una fuente de energ�a.
En la operaci�n (c), la s�ntesis de amon�aco a partir de nitr�geno e hidr�geno puede ser lograda por cualquier m�todo.
Aproximadamente hace cien a�os, Haber y Bosch en Alemania obtuvieron el primer �xito en la producci�n en serie de amon�aco por s�ntesis qu�mica, y el amon�aco contribuye como una fertilizante de nitr�geno a la producci�n aumentada de alimentos. El proceso Haber-Bosch es una reacci�n endot�rmica mostrada a continuaci�n, y debido a su simplicidad y eficiencia relativamente elevada, est� siendo usada aun en la actualidad fundamentalmente sin ning�n cambio, y este proceso puede ser usado tambi�n en el m�todo de almacenamiento de energ�a.
... (F�rmula 8)N_{2} + 3H_{2} \rightarrow 2NH_{3} (aproximadamente 400�C)
Como se ha mostrado en la f�rmula, una fuente de calor que tiene una temperatura relativamente baja (400�C) es usada en esta reacci�n. Incidentalmente, esta reacci�n ha sido realizada hasta ahora usando un catalizador de hierro, pero en los �ltimos a�os, tambi�n se ha usado rutenio con el fin de disminuir adicionalmente la temperatura de reacci�n. En el caso en el que la temperatura de reacci�n es baja, el rendimiento de amon�aco resulta elevado como se ha indicado por la teor�a del equilibrio y por ello, tambi�n se han realizado estudios con el fin de disminuir la temperatura de reacci�n.
La fuente de calor que tiene una temperatura relativamente baja para esta reacci�n y/o la potencia motriz para esta reacci�n puede ser proporcionada usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a). En este caso, la energ�a solar t�rmica requerida puede ser obtenida por un colector de luz que tiene poca potencia de recogida de luz, por ejemplo por un colector parab�lico de tipo artesa.
Incidentalmente, con el fin de obtener nitr�geno para el m�todo de almacenamiento de la energ�a solar t�rmica, son aplicables los m�todos siguientes (1) y (2).
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(1) Separaci�n Criog�nica
En este m�todo, el aire es comprimido bajo enfriamiento para producir aire l�quido, y el nitr�geno es separado del aire l�quido usando la diferencia en el punto de ebullici�n entre ox�geno y nitr�geno. En este m�todo, se ha obtenido nitr�geno de elevada pureza, pero se requieren un equipamiento a gran escala y una cantidad de energ�a relativamente grande.
Para esta separaci�n criog�nica de aire, puede obtenerse la energ�a el�ctrica y/o la potencia motriz usando la energ�a solar t�rmica adquirida en la operaci�n (a), o puede usarse la energ�a el�ctrica y/o la potencia motriz obtenida usando amon�aco sintetizado como un combustible. Tambi�n en esta operaci�n, la producci�n de di�xido de carbono debido al uso de combustibles f�siles puede ser reducida o preferiblemente eliminada.
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(2) Eliminaci�n de Ox�geno por Combusti�n
En plantas de amon�aco tradicionales que usan un gas natural, el ox�geno del aire es consumido en la operaci�n de reformado para obtener hidr�geno, y el mon�xido de carbono y el di�xido de carbono son eliminados por absorci�n del gas mezclado restante, por ello se obtiene un gas de nitr�geno. Este m�todo puede ser usado tambi�n en el m�todo de almacenamiento de energ�a, pero en este caso, se requiere a veces un tratamiento de purificaci�n para reducir las concentraciones de mon�xido de carbono y de di�xido de carbono contenidos en el gas nitr�geno a 10 ppm o menos. Si no se realiza este tratamiento, el mon�xido de carbono y el di�xido de carbono pueden adsorber al catalizador de s�ntesis de amon�aco para acelerar el deterioro del catalizador.
\vskip1.000000\baselineskip
(3) Por otro lado, en una realizaci�n del m�todo de almacenamiento de energ�a, un gas de nitr�geno puede tambi�n ser producido quemando el hidr�geno producido (H_{2}) con aire (4N_{2}+O_{2}) como se ha mostrado en la f�rmula 7 siguiente y consumiendo por ello el ox�geno del aire:
... (F�rmula 7)2H_{2} + 4N_{2} + O_{2} \rightarrow 4N_{2} + 2H_{2}O
En este caso, como el producto de combusti�n es s�lo agua, y el mon�xido de carbono y el di�xido de carbono no son producidos como el producto de combusti�n, el requisito para la eliminaci�n de mon�xido de carbono y de di�xido de carbono es reducido, o dependiendo del caso, es eliminado. Incidentalmente, esta reacci�n es una reacci�n exot�rmica y, si se desea, la potencia motriz o similar requerida para el m�todo de almacenamiento de energ�a puede tambi�n ser creada usando la energ�a t�rmica generada aqu�.
Un ejemplo del m�todo de almacenamiento de energ�a solar t�rmica puede ser realizado usando el equipamiento mostrado en la fig. 7.
En el equipamiento mostrado en la fig. 7, la energ�a solar t�rmica es adquirida por un colector solar 150 de tipo de torre que tiene una potencia de recogida de luz relativamente grande, y la energ�a solar t�rmica obtenida aqu� es transferida al aparato de reacci�n 171 por una tuber�a 178 para que fluya una sal fundida como un medio calor�fico. Tambi�n, la energ�a solar t�rmica es adquirida por un colector parab�lico de tipo artesa 160 que tiene una potencia de recogida de luz relativamente peque�a, y la energ�a solar t�rmica obtenida aqu� es transferida al aparato de reacci�n 171 por una tuber�a 179 para que fluya vapor como un medio calor�fico.
En el aparato de reacci�n 171, es realizada una reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando, como una fuente de calor de alta temperatura, la energ�a t�rmica alimentada desde el colector solar de tipo torre 150 que tiene una potencia de recogida de luz relativamente grande, y usando, como una fuente de calor de baja temperatura y/o una fuente de potencia motriz, la energ�a t�rmica suministrada desde el colector parab�lico de tipo artesa 160 que tiene una potencia de recogida de luz relativamente peque�a, de este modo se obtiene hidr�geno.
Tambi�n, es adquirida la energ�a solar t�rmica por un colector parab�lico de tipo artesa 160 que tiene una potencia de recogida de luz relativamente peque�a y transferida a un aparato de reacci�n 173 por una tuber�a 179 para que fluya el vapor como un medio calor�fico. En el aparato de reacci�n 173, se realiza una reacci�n para sintetizar amon�aco a partir de nitr�geno e hidr�geno usando la energ�a solar t�rmica como una fuente de calor y/o una fuente de potencia motriz, por ello es obtenido el amon�aco. El nitr�geno suministrado al aparato de reacci�n 173 es obtenido separando criog�nicamente aire en una aparato de separaci�n criog�nica 172, y el hidr�geno suministrado al aparato de reacci�n 173 es obtenido en el aparato de reacci�n 171.
Es decir, en el m�todo de este ejemplo, s�lo la energ�a de la luz solar 200, el agua (H_{2}O) y el aire son suministrados al sistema de equipamiento 700 para realizar el m�todo de almacenamiento de energ�a solar t�rmica, y es obtenido amon�aco (NH_{3}) del mismo. Por consiguiente, en este ejemplo, la energ�a solar t�rmica es almacenada en forma de energ�a qu�mica de amon�aco, y no est� implicada la generaci�n de di�xido de carbono.
El amon�aco obtenido en el aparato de reacci�n 173 es licuado opcionalmente por un aparato de licuado 174 y a continuaci�n almacenado en un dep�sito de almacenamiento 175 hasta su transporte. La energ�a solar t�rmica puede ser usada tambi�n como una fuente de potencia motriz para el aparato de licuado.
En el ejemplo mostrado en la fig. 7, otro colector de luz que tiene una potencia de recogida de luz relativamente grande, por ejemplo un colector parab�lico con forma de plato, puede ser usado en lugar del colector solar de tipo torre 150. Tambi�n, puede usarse s�lo una clase de un colector de luz puede en lugar de usar dos tipos de colectores de luz: colector solar de tipo torre 150 y colector parab�lico de tipo artesa 160.

Claims (20)

1. Un m�todo para convertir energ�a solar t�rmica obtenida en una primera regi�n a energ�a de potencia motriz usada en una segunda regi�n, teniendo la segunda regi�n una cantidad de radiaci�n solar menor que la de la primera regi�n, que comprende: sintetizar amon�aco a partir de aire y agua usando, como fuente de energ�a, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida en la primera regi�n; transferir el amon�aco desde la primera regi�n a la segunda regi�n; y quemar el amon�aco en la segunda regi�n de tal forma que se produzcan nitr�geno y agua, obteniendo por ello la energ�a de potencia motriz.
2. El m�todo seg�n la reivindicaci�n 1�, en el que en la operaci�n de transferencia, el amon�aco es usado como un combustible para obtener al menos una parte de la energ�a el�ctrica y/o potencia motriz necesaria para realizar la transferencia.
3. El m�todo seg�n la reivindicaci�n 1� o 2�, en el que el nitr�geno y el agua producidos en la operaci�n de combusti�n son liberados a la atm�sfera y reutilizados como fuente de amon�aco en la operaci�n de s�ntesis.
4. El m�todo seg�n cualquiera de las reivindicaciones 1� a 3�, en el la energ�a de potencia motriz es adquirida usando un motor de combusti�n interna.
5. El m�todo seg�n cualquiera de las reivindicaciones 1� a 4�, en el que la operaci�n de sintetizar el amon�aco comprende: (1) realizar una reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua usando una parte de la energ�a solar t�rmica adquirida; y, (2) realizar una reacci�n para sintetizar amon�aco a partir del nitr�geno y del hidr�geno obtenidos en la operaci�n (1), usando otra parte de la energ�a solar t�rmica adquirida.
6. El m�todo seg�n cualquiera de las reivindicaciones 1� a 5�, en el que al menos una parte de la energ�a el�ctrica y/o energ�a de potencia motriz necesaria para realizar la operaci�n de s�ntesis es obtenida usando la energ�a solar t�rmica adquirida.
7. El m�todo seg�n cualquiera de las reivindicaciones 1� a 6�, en el que al menos una parte de la energ�a el�ctrica, energ�a de potencia motriz y/o calor necesario para realizar la operaci�n de s�ntesis es obtenida usando el amon�aco sintetizado como un combustible.
8. El m�todo seg�n cualquiera de las reivindicaciones 5� a 7�, en el que en la operaci�n (1), la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua es realizada usando la energ�a solar t�rmica adquirida directamente como una fuente de calor.
9. El m�todo seg�n la reivindicaci�n 8�, en el que al menos una parte de la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (1) es obtenida mediante un colector parab�lico con forma de plato y/o un colector solar de tipo torre.
10. El m�todo seg�n la reivindicaci�n 6� o 7�, en el que en la operaci�n (1), la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua es realizada usando la energ�a el�ctrica como una fuente de calor.
11. El m�todo seg�n la reivindicaci�n 6� o 7� en el que en la operaci�n (1), la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua es realizada electrolizando agua con el uso de la energ�a el�ctrica.
12. El m�todo seg�n la reivindicaci�n 10� u 11� en el que la energ�a solar t�rmica es adquirida por un colector parab�lico de tipo artesa.
13. El m�todo seg�n cualquiera de las reivindicaciones 5� a 12�, en el que en la operaci�n (2), el amon�aco es sintetizado a partir de nitr�geno e hidr�geno usando la energ�a solar t�rmica adquirida directamente como una fuente de calor y/o como una fuente de potencia motriz.
14. El m�todo seg�n la reivindicaci�n 13�, en el que la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (2) es obtenida por un colector parab�lico de tipo artesa.
15. El m�todo seg�n cualquiera de las reivindicaciones 5� a 7�, en el que en la operaci�n (1), la reacci�n para producir hidr�geno a partir de agua es realizada usando la energ�a solar t�rmica adquirida directamente como una fuente de calor; al menos una parte de la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (1) es obtenida por un colector parab�lico con forma de plato y/o un colector solar de tipo torre; en la operaci�n (2), la reacci�n para sintetizar amon�aco a partir de nitr�geno e hidr�geno es realizada usando la energ�a solar t�rmica adquirida directamente como una fuente de calor y/o como una fuente de potencia motriz; y, la energ�a solar t�rmica usada como una fuente de calor en la operaci�n (2) es obtenida por un colector parab�lico de tipo artesa.
16. El m�todo seg�n la reivindicaci�n 6� o 7�, en el que el nitr�geno es obtenido sometiendo el aire a una separaci�n criog�nica usando la energ�a el�ctrica y/o la potencia motriz.
17. El m�todo seg�n cualquiera de las reivindicaciones 5� a 15�, en el que el nitr�geno es obtenido quemando el hidr�geno obtenido en la operaci�n (1) para consumir el ox�geno del aire.
18. Un m�todo para usar energ�a solar t�rmica obtenida en una primera regi�n, como energ�a de potencia motriz usada en una segunda regi�n, teniendo la segunda regi�n una cantidad de radiaci�n solar menor que la de la primera regi�n, que comprende: sintetizar amon�aco a partir de aire y agua usando, como fuente de energ�a, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida en la primera regi�n; y, transferir el amon�aco a la segunda regi�n con el fin de obtener energ�a de potencia motriz quemando el amon�aco de tal forma que se produzca nitr�geno y agua.
19. Un m�todo para usar energ�a solar t�rmica obtenida en una primera regi�n, como energ�a de potencia motriz usada en una segunda regi�n, teniendo la segunda regi�n una cantidad de radiaci�n solar menor que la de la primera regi�n, que comprende: recibir, en la segunda regi�n, amon�aco sintetizado a partir de aire y agua usando, como fuente de energ�a, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida en la primera regi�n; y, quemar el amon�aco de tal modo que el nitr�geno y el agua sean producidos en la segunda regi�n, obteniendo por ello energ�a de potencia motriz.
20. Un m�todo para convertir energ�a solar t�rmica obtenida en una primera regi�n en energ�a de potencia motriz usada en una segunda regi�n, teniendo la segunda regi�n una cantidad de radiaci�n solar menor que la de la primera regi�n, que comprende: recoger la luz solar para adquirir energ�a solar t�rmica por medio de un aparato de adquisici�n de energ�a solar t�rmica en la primera regi�n; sintetizar amon�aco a partir de aire y agua usando, como fuente de energ�a, s�lo la energ�a solar t�rmica adquirida por un aparato de s�ntesis de amon�aco en la primera regi�n; licuar el amon�aco por medio de un aparato de licuaci�n de amon�aco en la primera regi�n; transferir el amon�aco licuado por medio de un aparato de transporte de amon�aco desde la primera regi�n a la segunda regi�n; y quemar el amon�aco por medio de un aparato de generaci�n de energ�a de potencia motriz en la segunda regi�n de tal modo que se produzca nitr�geno y agua, obteniendo por ello energ�a de potencia motriz.
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