PLANTA HíBRIDA DE CICLO COMBINADO SOLAR-GAS Y MÉTODO DE FUN-CIONAMIENTO Sector técnico de la invención 5 La presente invención pertenece al campo de la tecnología solar. Concretamente al sector de las plantas solares híbridas que combinan la energía solar con el gas natu-ral. Antecedentes de la invención Las plantas híbridas de ciclo combinado gas-solar combinan los beneficios de la 10 energía solar con los de un ciclo combinado. Mientras una planta convencional de ciclo combinado está formada por una turbina de gas, un recuperador de calor y una turbina de vapor, en el caso de una planta híbrida solar, se utiliza la energía solar como energía auxiliar que permitirá incrementar el rendimiento del ciclo y disminuir las emisiones. 15 El funcionamiento de una planta híbrida de ciclo combinado gas-solar es semejante al de una planta de ciclo combinado convencional. El funcionamiento del ciclo de gas es análogo en ambas tecnologías. El aporte energético auxiliar procedente del cam-po solar se realiza en el ciclo Brayton, de tal forma que el recurso solar sustituye par-cialmente el uso del combustible fósil. Por todo ello, en este tipo de centrales, el di-20 seña e integración del campo solar en el sistema convencional es crítico para el co-rrecto funcionamiento de la central. En el estado del arte se encuentran diferentes referencias a plantas híbridas con energía solar en la que aparece un ciclo Brayton. Un ejemplo de ello es la patente W02008153946. En este documento la planta está compuesta por un ciclo Brayton y 25 un segundo ciclo Rankine para generar electricidad y cuyo fluido de trabajo por lo tanto es vapor. Esta patente incluye además el almacenamiento del primer fluido de trabajo calentado previamente mediante energía solar de alta concentración. El in-conveniente que presenta esta planta es que para asegurar índices solares elevados ("solar share" (SS) en la terminología inglesa, definido como el cociente entre el calor 30 aportado por el campo solar y el calor proveniente de quemar gas natural, SS = Oso-lar/Ogas natural) se debe trabajar a temperaturas de salida del receptor de al menos de 800°C. Estas condiciones no hacen fiable o segura la planta ya que son tempera-turas muy elevadas de trabajo para los distintos componentes. Las experiencias en relación a receptores de aire, indican que una temperatura de salida del receptor de 35 600°C permite operar las plantas con mayor seguridad. Receptores de aire como por
ejemplo el SOLAIR-TSA presentaban además a dicha temperatura la mayor eficien-cia. Otro inconveniente que tiene el trabajar con temperaturas superiores a 600°C es que por ser las plantas del estado del arte de alta potencia, la turbina de gas debe estar 5 instalada a ras de suelo, por ello, mantener una temperatura más elevada a la salida del receptor (con el fin de aumentar el índice solar) hace que la tubería de bajada a la unidad de turbina de gas tenga más perdidas de calor y sufra más estrés térmico. Otro ejemplo en el estado del arte está descrito en la tesis doctoral" Therrnoeconomic ana/ysis and optimisation of air-based bottoming cyc/es for wáter-free hybrid solar 10 gas-turbine power p/ants", de Raphael Sandoz y publicada en 2012. En esta tesis se divulga un ciclo combinado híbrido gas-gas y la utilización de un intercambiador de refrigeración entre un compresor de baja y alta presión previo a una etapa de recupe-ración tras la segunda turbina de gas. El uso de dicho refrigerador permite reducir el trabajo realizado por el compresor de alta presión y permite además aumentar la po-15 tencia de la turbina de gas, aumentando la densidad del aire de la entrada por en-friamiento de dicha corriente y por lo tanto, en épocas de altas temperaturas, mante-ner las potencias nominales sin tener que gastar excesivamente el combustible. La planta de la tesis doctoral incluye dos turbinas de gas. Otra referencia en el estado del arte es la patente W02012042655. En este docu-20 mento se describe un sistema de turbina de gas en el que se incluye un sistema adi-cional de tuberías para pulverizar agua con el fin de disminuir la temperatura de en-trada al compresor. Un concepto similar al intercambiador de refrigeración. El incon-veniente que presenta este sistema de refrigeración es que está limitado el descenso de temperatura ya que el agua que se pulveriza es a temperatura ambiente, además 25 de necesitar un aporte de agua por encima de lo deseado. En cuanto a los sistemas de almacenamiento, empleados en el estado del arte, en plantas solares termoeléctricas se viene empleando o bien almacenamiento en agua saturada/vapor a presión o en sales fundidas. Otro tipo de almacenamiento no aplicado hasta ahora en plantas solares, pero sí en 30 otras aplicaciones, es el denominado "almacenamiento frío" que se basa en el en-friamiento de un fluido gracias a la emisión por radiación al cielo durante la noche, a la cual llamaremos "radiación nocturna". Si se define como temperatura de cielo la de un cuerpo negro con una emisión de potencia por unidad de superficie igual a la que recibe la Tierra en la misma área, resulta que esta temperatura es inferior a la 35 temperatura ambiente, lo que da lugar a que, durante la noche, una superficie hori-
zontal sobre la tierra emita hacia el cielo más radiación de la que recibe y, por consi-guiente, que se enfríe. Así pues, el uso del cielo frío como sumidero de calor para fuentes radiantes sobre la superficie terrestre es una técnica de enfriamiento que se puede utilizar durante la noche para, mediante la utilización de un sistema de alma-5 cenamiento térmico (cool thermal energy storage CTES ó "almacenamiento frío" en español) bajar la temperatura de un fluido. Así, zonas con baja humedad como los desiertos y zonas con altura elevada frente al nivel del mar pueden generar amplias caídas de temperatura. Diferencias de hasta 400 oC se han medido para cuerpos quasi negros aislados térmicamente en el desierto de Atacama en Chile (Eriksson 10 and Granqvist). Este fenómeno ya conocido, denominado también efecto de "cielo frío" será aplicado en la planta de la invención que nos ocupa. Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo proporcionar una planta hí-brida solar-gas que aumenta el índice solar de las plantas híbridas de ciclo combina-do gas-solar del estado del arte, opera con una mayor fiabilidad y eficiencia del re-15 ceptor, disminuye el coste de las plantas y las perdidas térmicas por el transporte del primer fluido caloportador a la turbina de gas y evita los demás problemas encontra-dos hasta el momento. Descripción de la invención La invención consiste en una planta híbrida de ciclo combinado solar-gas que com-20 prende dos ciclos, el primero de ellos tiene como fluido de trabajo gas (preferente-mente aire) y el segundo ciclo tiene como fluido de trabajo vapor y como fluido calo-portador salo agua. La planta cuenta entre otros elementos con: al menos dos receptores solares (siendo uno de ellos de gas preferentemente de aire), al menos una turbina de gas con inter-25 cambiador de refrigeración (intercooler en inglés), aporte de gas natural, al menos una turbina de vapor y sistemas de almacenamiento. Gracias a la configuración de la planta de la invención que nos ocupa y que se des-cribirá a continuación, las condiciones de operación de la planta se modifican con respecto a las condiciones habituales de las plantas híbridas del estado del arte que 30 se ajustan a un ciclo Brayton. La finalidad de la invención es aumentar el índice solar (SS, "solar share") de las planta híbridas de ciclo combinado gas-solar del estado del arte que trabajan con gas natural sin necesidad de aumentar la temperatura de salida del aire del receptor (temperatura objetivo), de manera que las nuevas condiciones aporten fiabilidad a la planta, siendo estas condiciones inferiores en temperatura de 35 operación en el receptor a las de los ciclos Brayton habituales. Debido a este aumen-zontal zontal
to del índice solar, la planta de nuestra invención será denominada de ahora en ade-lante planta hibrida de ciclo combinado solar-gas frente a las de gas-solar del estado del arte. Si se consigue una temperatura de salida del primer fluido (gas, preferentemente 5 aire) inferior en el receptor a las del estado del arte, las temperaturas que se alcan-zan en éste son también inferiores, pudiéndose emplear materiales menos exigentes en cuanto a fatiga térmica, reduciendo el coste del receptor, y consiguiendo así una mayor fiabilidad de la planta. Para conseguir un aumento del índice solar con una temperatura en el receptor infe-10 rior a la del estado del arte se hace uso de un intercambiador de refrigeración que disminuye la temperatura de entrada al receptor. El aporte solar deseado para au-mentar la temperatura del primer fluido en el receptor desde la temperatura de entra-da hasta la temperatura de salida (temperatura objetivo) es en este caso mayor al de las plantas híbridas convencionales para una misma temperatura de salida objetivo, 15 ya que se aumenta el incremento de temperatura que se tiene en el receptor solar, de esta manera, el índice solar aumenta, pues SS = Osolarl O gas natural. Previo al empleo del intercambiador de refrigeración y con el fin de poder disminuir más la temperatura de entrada del primer fluido al receptor, además de dicho inter-cambiador de refrigeración y de manera opcional, puede emplearse un almacena-20 miento frío que consiste en un tanque de enfriamiento del primer fluido a partir de un intercambiador con un tercer fluido. Este tercer fluido, que puede ser agua, es enfria-do debido al efecto de "cielo frío", que provoca que durante la noche, una superficie horizontal sobre la tierra emita más radiación de la que recibe y se enfríe. Dicho agua, que se ha enfriado por la noche, por el día se encuentra a una temperatura por 25 debajo de la temperatura ambiente y permite la reducción de la temperatura ambien-te del primer fluido de manera previa al compresor con intercambiador de refrigera-ción de la turbina de gas. El empleo del intercambiador de refrigeración con o sin el almacenamiento en frío permiten, una disminución del trabajo realizado por el com-presor y el consiguiente aumento del trabajo útil en la turbina de gas. Gracias a esto, 30 para un mismo caudal de fluido, la producción de electricidad es mayor que en plan-tas que no incluyan dicho intercambiador de refrigeración y con o sin el almacena-miento en frío. El segundo ciclo, tiene como fluido caloportador agua o sales y como fluido de traba-jo el vapor. Cuenta con al menos una turbina de vapor, a la que llega el vapor proce-35 dente o bien directamente de al menos un segundo receptor de vapor, o bien de un del del
intercambiador de calor fluido caloportador-agua habiendo sido calentado dicho fluido caloportador en el segundo receptor de la torre y siendo este fluido caloportador pre-ferentemente sales. Además la planta incluye almacenamiento de energía lo que permite trabajar en ho-5 ras en las que no hay aporte solar, así como mejorar el control del receptor durante los transitorios (paso de nubes). Este almacenamiento puede ser en sales o en agua saturada/vapor a presión de-pendiendo del fluido calo portador empleado en el segundo receptor. De esta manera, si el fluido caloportador del segundo receptor es sal fundida, el sistema puede contar 10 con al menos un tanque de almacenamiento en sales, y preferentemente dos tan-ques uno frío y uno caliente. En tal caso, la sal será circulada desde el tanque calien-te a un intercambiador agua-sales, donde se genera vapor, para posteriormente utili-zar ese vapor en la turbina de vapor para la generación de electricidad; la sal fría que ha cedido su calor al vapor, se dirige al tanque frío y de ahí es recirculada de nuevo 15 al receptor de la torre. Gracias al sistema anteriormente escrito, la temperatura del primer fluido a la salida del receptor, más baja que las del estado del arte, permitirá además que, al ser ésta similar a la temperatura de salida del fluido del segundo receptor, ambos compartan un mismo camino de bajada desde la torre, con el fin de compartir un mismo aislante 20 y reducir así costes. Esto permite conseguir una mayor sencillez del sistema al reducir el número de ais-lantes para tuberías independientes de bajada, reducir por tanto los costes de la planta y las pérdidas de calor que se produce en las plantas del estado del arte que se ven obligadas a transportar aire a grandes temperaturas desde lo alto de la torre 25 al suelo donde se encuentra situada la turbina. Además y de manera opcional, el primer ciclo de la planta puede ser un ciclo Bryton cerrado, en el que el fluido procedente de la turbina de gas se recirculara tras la sali-da del recuperador de calor hacia el compresor. Para las horas del día donde no hay radiación solar o bien para los periodos de man-30 tenimiento del receptor, el fluido de la turbina de gas se hace circular desde el com-presor de alta presión directamente hacia la cámara de combustión de la turbina de gas. En este caso la configuración de la planta permite que el primer fluido no circule por el receptor solar, pUdiendo así la planta operar durante las 24 horas del día. Así pues, el método de trabajo de la planta es como se describe a continuación. 35 El primer ciclo, cuyo fluido de trabajo es gas, comprende las siguientes etapas: fluido caloportador-agua habiendo sido fluido caloportador-agua habiendo sido
-el gas se introduce en un compresor de baja presión, -a la salida de este compresor se hace pasar el gas por un intercambiador de refri-geración, -posteriormente se introduce en un compresor de alta presión, 5 -opcionalmente se hace pasar por un receptor solar con el objetivo de aumentar la temperatura, (si hay sol y el receptor está en correcto funcionamiento, si no pasaría directamente a la cámara de combustión de gas natural) -a continuación se conduce hasta la cámara de combustión, -para posteriormente pasar por una turbina de gas y generar electricidad. 10 El segundo ciclo, donde el fluido de trabajo es siempre vapor y si el fluido caloporta-dor es agua comprende las siguientes etapas: -calentamiento del fluido caloportador (agua) en un receptor solar, -expansión del fluido de trabajo (vapor) en una turbina de vapor generando electrici-dad, 15 -el vapor que sale de la turbina de vapor se hace pasar por un condensador para su posterior reutilización. Si el segundo ciclo utiliza como fluido caloportador sales en lugar de agua las etapas de este segundo ciclo son: -calentamiento del fluido caloportador (sales) en un receptor de sales, 20 -estas sales se conducen a un intercambiador sales/agua con el fin de generar va-por, -tras el intercambiador de sales/agua, las sales se conducen al receptor y vuelve a empezar el ciclo de sales y el vapor que sale del intercambiador se expansiona en una turbina de vapor generando electricidad, 25 -el vapor que sale de la turbina de vapor se hace pasar por un condensador para su posterior reutilización. En el caso de querer almacenar calor para su posterior utilización en los periodos en los que no se disponga de aporte solar el ciclo de sales es: -las sales, tras la salida del receptor, se almacenan en al menos un tanque caliente y 30 del tanque caliente irán al intercambiador sales/agua, -y tras el intercambiador de sales/agua, las sales se conducen hasta al menos un tanque frío, donde se almacenan hasta que de nuevo vuelva el aporte solar y se ha-gan pasar por el receptor comenzando el ciclo de sales. La configuración de planta descrita permite, aumentar el índice solar de las plantas 35 híbridas de ciclo combinado gas-solar del estado del arte, operar con una mayor fia-la la
bilidad y eficiencia del receptor, disminuir el coste de la planta y las perdidas térmicas y de presión por el transporte del primer fluido caloportador a la turbina de gas. Todo esto se traduce en un aumento de la producción y en una reducción del aporte de calor necesario tanto solar como de gas natural. La configuración de planta propues-5 ta cuenta con una cierta flexibilidad en la hibridación, pudiéndose aplicar tanto a plan-tas en las que el aporte de gas natural es pequeño (turbinas de gas del orden de MWe) , como plantas con turbinas del orden de decenas de MWe. Descripción de los dibujos Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una 10 mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: -Figura 1: Planta solar híbrida con dos receptores, intercambiador de refrigeración y almacenamiento en agua saturada/vapor a presión. -Figura 2: Planta solar híbrida con dos receptores, intercambiador de refrigeración 15 y almacenamiento en sales. -Figura 3: Tuberías de subida y bajada de fluidos. Correspondiendo las referencias de las figuras a los siguientes elementos: 1. Compresor de baja. 2. Intercambiador de refrigeración. 20 3. Compresor de alta. 4. Turbina de gas. 5. Cámara de combustión. 6. Generador de electricidad. 7. Turbina de vapor. 25 9. Tanque de almacenamiento de agua saturada/vapor a presión. 10. Recuperador de calor. 11. Receptor de aire. 12. Receptor de vapor. 13. Tanque de almacenamiento frío. 30 14. Condensador. 15. Tanque de almacenamiento caliente de sales fundidas. 16. Tanque frío de sales. 17. Receptor de sales. 18. Intercambiador sales/agua. 35 19. Tubería de transporte de sales o vapor. el el
20. Tuberías de transporte de gas (preferentemente aire). 21. Aislante común a las tuberías de aire y vapor. Realización preferente de la invención Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se van a describir 5 dos realizaciones preferentes de la invención, ilustradas en las figuras 1 y 2. En la figura 1, en el primer ciclo, el aire procedente del tanque de almacenamiento frío (13) se introduce en el compresor de baja presión (1), aproximadamente a 20°C. A la salida de este compresor, con el fin de bajar la temperatura (para aumentar el índice solar sin necesidad de aumentar la temperatura del aire a la salida del recep-10 tor hasta 800° C), se hace pasar el aire por un intercambiador de refrigeración (2) para posteriormente introducirlo en un compresor de alta presión (3). Este aire com-primido, que se encuentra a 250 oC se hace pasar por un receptor solar de aire (11) con el objetivo de aumentar la temperatura hasta 600°C. A la salida se conduce a través de una tubería de bajada (20) (figura 3) hasta la cámara de combustión (5). 15 Allí el aire alcanza los 1400°C para posteriormente pasar por una turbina de gas (4) y generar electricidad (6). Otra de las opciones con las que cuenta la planta en este primer ciclo es la de dirigir directamente el aire procedente del compresor de alta presión (3) a la cámara de combustión (5) y a la turbina de gas (4) evitando el paso por el receptor de aire (11), 20 con el fin de no tener que parar el funcionamiento de la planta en periodos sin sol, por la noche o en el caso por ejemplo de mantenimiento de dicho receptor (11). En la figura 1, se observa un segundo ciclo, que cuenta como fluido caloportador con agua y como fluido de trabajo con vapor, que se genera en un receptor solar de va-por (12). Parte del vapor se expande en la turbina de vapor (7) generando electrici-25 dad (6) y parte se almacena en un tanque de agua saturada/vapor a presión (9) que se utilizará en las horas en las que no se disponga de aporte solar. El desplazamiento del vapor a la turbina se hace a través de una tubería (19) (figura 3) rodeada de un conjunto de tuberías de aire (20) de manera que ambas pueden compartir un mismo aislante (21). El vapor que sale de la turbina de vapor (7) se ha-30 ce pasar por un condensador (14), parte del liquido condensado se recircula al recep-tor de vapor (12) para empezar de nuevo el ciclo y la otra parte restante se hace pa-sar por un recuperador de calor (10) que aprovecha el calor de los gases desprendi-dos en la turbina de gas (4) y que genera calor que se incorpora al vapor calentado en el receptor (12) para continuar el ciclo. 35 En la figura 2, el primer ciclo se mantiene igual, es decir, el aire procedente del tan-tuberías de aire y vapor. tuberías de aire y vapor.
que de almacenamiento frío (13) se introduce en el compresor de baja presión (1) aproximadamente a 20 oC. A la salida de este compresor con el fin de bajar la tempe-ratura se hace pasar el aire por un intercambiador de refrigeración (2) para poste-riormente introducirlo a 250 ° C en un compresor de alta (3). Este aire comprimido se 5 hace pasar por un receptor de aire (11) con el objetivo de aumentar la temperatura hasta 600°C, a la salida se conduce a través de una tubería de bajada (20, figura 3) hasta la cámara de combustión (5). Allí el aire alcanza los 14000C para posteriormen-te pasar por una turbina de gas (4) y generar electricidad (6). En la figura 2, a diferencia de la figura 1, en el segundo ciclo, se utiliza como fluido 10 caloportador sales mientras que el fluido de trabajo sigue siendo vapor. El vapor se genera en un intercambiador de sales/ agua (18). El vapor se introduce posterior-mente en una turbina (7) para generar electricidad (6). El vapor que sale de la turbina se hace pasar por un condensador (14), parte del liquido condensado se recircula al intercambiador sales/agua (18) para generar vapor y empezar de nuevo el ciclo y la 15 parte restante se hace pasar por un recuperador de calor (10) que aprovecha el calor de los gases desprendidos en la turbina de gas (4) y que genera vapor que se incor-pora al vapor generado en el intercambiador sales/agua (18) para continuar el ciclo. En este ciclo las sales fundidas se calientan en un receptor de sales (17). Estas sales se almacenan en un tanque caliente (15) que se utilizará en las horas en las que no 20 se disponga de aporte solar para hacerlas pasar por un intercambiador sales/agua (18) con el fin de generar vapor. Tras el intercambiador de sales/agua (18), las sales se conducen hasta un tanque frío (16), donde se almacenan hasta que de nuevo se hacen pasar por el receptor (17) y vuelve a empezar el ciclo de sales. El desplaza-miento de las sales fundidas desde el receptor (17) hasta el tanque de almacena-25 miento caliente (15) se hace a través de una tubería (19, figura 3) rodeada de un conjunto de tuberías de aire (20) de manera que ambas pueden compartir un mismo aislante (21). Este sistema está especialmente diseñado para su aplicación en estructuras de cap-tación de energía solar, pero no se descarta su extensión a otros campos de la in-30 dustria que requieran características similares. oC. oC.