ES2555329B2

ES2555329B2 - Procedimiento termoquímico de transferencia y almacenamiento de energía solar concentrada

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Publication number: ES2555329B2
Application number: ES201400520A
Authority: ES
Inventors: José Manuel VALVERDE MILLÁN
Original assignee: Universidad de Sevilla
Current assignee: Universidad de Sevilla
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: ES2555329A1; WO2015197885A1

Abstract

El objeto de la presente invención es la transferencia y almacenamiento de energía termosolar concentrada mediante el uso de un lecho de sólidos granulados consistente en una mezcla de sólidos inertes, preferentemente arena, y CaCO{sub,3}/CaO fluidizado por un flujo de gas controlado consistente en una mezcla de gas inerte, preferentemente aire, y CO{sub,2} en proporción controlada.#El área a la que corresponde la invención es la de Tecnología Energética y Medioambiental, siendo el sector de aplicación en el que se aplicaría el de las Energías Renovables.

Description

Procedimiento terrnoquímico concentrada: de transferencia y almacenamiento de energía solar

Objeto de la invención

s: El objeto de la presente invención es la transferencia y almacenamiento químico de energ[a termosolar concentrada mediante el uso de un lecho de sólidos granulados consistente en una mezcla de sólidos inertes, preferentemente arena, y CaCO:JCaO fluid izado por un flujo de gas controlado consistente en una mezcla de gas inerte, preferentemente aire, y CO2 en proporción controlada.

10: El área a la que corresponde la invención es la de Tecnología Energética y Medioambiental, siendo el sector de aplicación en el que se aplicarla el de las Energías Renovables.

Estado de la técnica

15 20 25: La técnica que se describe en la presente invención tiene como objetivo mejorar la transferencia y almacenamiento de energia solar concentrada (CSP de sus siglas en inglés "Concentrated Solar Power"). En los últimos años se viene produciendo un gran crecimiento en el desarrollo comercial de este tipo de centrales térmicas (1), siendo su principal ventaja la posibilidad de generar electricidad incluso en ausencia de radiación solar durante un cierto período de autonomía en comparación con la naturaleza intermitente de otro tipo de centrales de energía renovable como la eólica o solar fotovoltaica. En plantas térmicas fósiles convencionales, el vapor de agua producido en una caldera a aha presión se expande en una turbina para generar trabajo mecánico en su eje de acuerdo con el ciclo de Rankine para ser posteriormente transformado en energla eléctrica mediante un generador. En las centrales CSP, la caldera es reemplazada por un colector de radiación solar concentrada siendo el resto del proceso (ciclo de potencia) de transformación de energía térmica a eléctrica similar al de una térmica fósil.

30: Principalmente, se encuentran en la actualidad 2 tipos de centrales CSP en fase de expansión comercial operando mediante tecnologla de torre central y cilindro-parabólica, respectivamente. En las CSP de torre central, se usa un conjunto de espejos reflectores (heliostatos) distribuidos en una superficie extensa con el objeto de reflejar la radiación solar que reciben sobre un mismo blanco colector situado en la parte superior de una torre central con más de 100 metros de altura. En las primeras plantas CSP a escala comercial con tecnología de torre central (PS10 en 2007 y PS20

en 2009 situadas en Sanlúcar La Mayor, Sevilla, generando 11 y 20 MWe,

respectivamente , de potencia eléctrica), el calor es empleado directamente para

generar vapor de agua que es almacenado a alta presión y conducido al ciclo de

potencia. Este diseño s610 permite un período de autonomia de generación de

electricidad en torno a 1 h. Nuevos diseños ya en operación en plantas comerciales

incorporan fluidos de transferencia térmica (HTF por sus siglas en inglés: Mheat transfer

f1uidsn) con elevada capacidad calorífica y que transfieren el calor al agua mediante

intercambiadores de calor. La primera CSP con tecnología de receptor de torre (en

funcionamiento desde 2011) Y almacenamiento térmico en HTF (sales fundidas) es la

planta Gemasolar (19.9 MWe) situada en Fuentes de Andalucla (Sevilla). Las sales

fundidas calentadas en la torre son almacenadas en un tanque de sales calientes de

gran capacidad y conducidas a un inlercambiador de calor. Una vez ceden calor al

ciclo de potencia son transportadas a un tanque de sales frías para ser de nuevo

recirculadas a la torre. El almacenamiento de calor en el tanque de sales calientes

consiente una autonomía de generación eléctrica de hasta 15 horas sin aporte solar.

En las CSP con tecnología cilindro-parabólica la luz solar es concentrada sobre un

cilindro colector situado en el foco de una hilera de reflectores de sección parabólica.

El cilindro colector contiene un aceite mineral que actúa como HTF. Solana, la CSP de

mayor tamaño (280 MWt) con tecnología cilindro-parabólica recientemente finalizada

en EE.UU. posee una autonomía de 6h de almacenamiento.

la tecnologia CSP presenta un enorme potencial de crecimiento a corto plazo,

especialmente en paises del Norte de África y el Medio Oriente, así como en EE.UU.,

Sudáfrica, Australia, Chile, India y China donde se han concluido con éxito o se

encuentran en marcha varios proyectos a escala comercial (2). España ha sido un pais

pionero en el desarrollo de este tipo de centrales y a fecha de enero de 2014 continúa

siendo líder mundial en CSP con una capacidad instalada de 2,204 MWt. El desarrollo

de HTF eficientes y de bajo coste es un punto clave para el éxito comercial de las CSP

ya que el almacenamiento de energla termosolar durante largos períodos de escasa

radiación solar permitiría generar corriente eléctrica de manera continua y en función

de la demanda. Alternativamente, existen proyectos en los. que la central CSP-HTF es

integrada en un sistema hibrido con una central térmica fósil, cuya energla se emplea

para elevar la temperatura del HTF en el caso de períodos prolongados de radiación

solar reducida.

De acuerdo con el ciclo de Rankine (proceso termodinámico que tiene lugar en el ciclo 3S de potencia en una central térmica de vapor), la eficiencia de conversión de calor en

energra mecánica aumenta con la temperatura del vapor de agua producido. En

centrales fósiles, esta temperatura se encuentra limitada por la resistencia de los materiales empleados en el sistema de conducción de vapor. Las turbinas de vapor estandarizadas pueden operar a temperaturas de vapor en torno a 550OC. Un importante campo de investigación se centra en el desarrollo de materiales con muy alta resistencia de cara a incrementar la eficiencia de producción de energía eléctrica y reducir así las emisiones de C02 por centrales fósiles. Recientemente, la American Society 01 Mechanical Engineers (ASME) ha aprobado el empleo de una aleación NiCr-Co (Inconel® 740) para la fabricación de materiales de conducción de vapor capaces de soportar temperaturas de hasta 70QoC (2). En CSP-HTF con tecnologia cilindro-parabólica, las temperaturas que se alcanzan en el colector están limitadas a valores en torno a los 40QoC por lo que no es posible obtener un alto rendimiento termoeléctrico. Los aceites minerales usados como HTF se descomponen a temperaturas superiores y poseen un punto de congelación alrededor de 12-200C. Por otra parte, la planta Gemasolar (Fuentes de Andalucfa, Sevilla) con tecnología de torre central opera a temperaturas de vapor cercanas a 5500C, lo cual hace posible el uso de turbinas de vapor estandarizadas comúnmente usadas en centrales térmicas fósiles si bien las temperaturas potencialmente alcanzables en el colector de este tipo de centrales CSP podrían llegar hasta los 9000C. En principio, la posibilidad de llegar a mayores temperaturas incrementarla el rendimiento de conversión de energía solar concentrada en electricidad (2). Sin embargo, esta temperatura se encuentra limitada por la degradación de las sales fundidas actualmente usadas como HTF y que se descomponen en torno a 6000C. otro inconveniente del uso de sales fundidas como HTF es que éstas poseen puntos de congelación a temperaturas relativamente altas (entre 120°C y 220°C) con el consiguiente riesgo de congelación y grandes pérdidas de calor durante horas nocturnas en zonas desérticas y/o de elevada altitud que poseen una muy alta insolación que las hacen ideales para la instalación de centrales CSP. Ello hace necesario un aislamiento térmico eficiente, limitar el recorrido del fluido y eventualmente emplear energía en calentar las sales en el tanque frío con el objeto de evitar su congelación (en Gemasolar la temperatura del tanque "frio" se mantiene a 290°C). Un problema añadido asociado al uso de aceites minerales o sales fundidas como HTF es generalmente su alto poder corrosivo y contaminante. Las válvulas, tuberias, instrumentos, juntas y sistemas de seguimiento estándar no son apropiados para la conducción de tales HTF, lo cual supone un coste adicional que encarece la tecnología CSP-HTF. El desarrollo de materiales compatibles con las limitaciones impuestas por el uso de sales fundidas o aceites minerales así como la sintesis de nuevos HTF con propiedades térmicas mejoradas (aumento de la capacidad calorífica, reducción del punto congelación y aumento de la temperatura de descomposición) (3,4) constituyen temas de investigación actual de gran interés. En el proyecto CSP EOS (Chipre) se prevé construir una planta a escala comercial (50 MW) en la que el medio de almacenamienlo y transferencia de calor está formado por bloques sólidos de grafito con elevados punto de fusión y calor especifico. La expansión comercial de la tecnologla CSP pasa necesariamente por potenciar su competitividad aún muy inferior en comparación con centrales térmicas fósiles (2). El reto de mayor urgencia para llegar a conseguir esta meta es mejorar la eficacia de almacenamiento y transferencia de la energía solar concentrada. Se trata pues de un campo completamente abierto y en gran desarrollo. El objeto de la presente invención es la transferencia y almacenamiento de energia terrnosolar concentrada mediante el uso de lechos fluid izados por gas de sólidos granulados (FB por sus siglas en inglés: ~Fluidized Beds"). Como acaba de demostrar el proyecto SOL TESS ("Solar Thermal Energy Solid Storage" llevado a cabo en Italia) con la instalación de una planta de demostración CSP-FB de 0.1 MWt, el sistema lecho fluidizado sólido/gas es muy apropiado para la transferencia y almacenamiento de energla solar concentrada. En esta central se utiliza un lecho de arena fina silícea fluidizado con aire (a velocidades del orden de cm/s) como medio de recepción, intercambio y transferencia de energía solar concentrada permitiendo llegar a temperaturas de vapor en el rango 530-730oC con una autonomla de 10-15 h, es decir puede generar electricidad eficientemente durante las 24h (5). El lecho fluid izado por gas presenta un elevado coeficiente de transferencia térmica y de difusión que son regulables mediante el control del flujo de gas, mientras que es posible lograr un alto grado de almacenamiento en los sÓlidos granulados por su alta capacidad calorífica. Como ventaja añadida, la tecnologia FB permite fácilmente integrar en un sistema híbrido la combustión de gas en el lecho fluidizado al objeto de calentarlo si fuera necesario en periodos largos de ausencia de radiación solar intensa. La tecnología CSP-FB consentiría además evitar los problemas de corrosión y contaminación asociados al uso de sales fundidas o aceites minerales. La arena es un material inerte, abundante y fácilmente disponible (especialmente en zonas desérticas donde es

indicada la instalación de centrales CSP) lo que contribuiría a la expansión comercial de la tecnologfa. El elevado rendimiento de la planta de demostración construida en Italia sugiere que las centrales CSP-FB podrían ser comercializadas en módulos de pequer'io tamar'io en función de la demanda de la región donde sean instaladas. Esta característica facilitará el desarrollo comercial de la tecnología CSP pues se supera la necesidad que tienen las CSP-HTF basadas en tecnologia de torre central y cilindroparabólica de poseer un tamaño mínimo relativamente grande (en torno a los 10MWe) para lograr un rendimiento aceptable lo cual hace que el coste de la instalación sea excesivamente elevado. Actualmente, el grupo que ha ejecutado el proyecto SOL TESS proyecta la construcción de un modulo comercial CSP-FB de 1,85MWt y que suministrará 0.65MWe. Este año 2014 se han iniciado otros 2 proyectos industriales en Estados Unidos (US Solar Holdings) y Emiratos Árabes (SANDSTOCK) en los que también se analizará la tecnología de lecho f1uidizado arena/gas con el objetivo final de construir una planta CSP-FB a escala comercial. Estos estudios demuestran que la integración CSP-FB posee un importante potencial para el desarrollo de la energía solar concentrada a escala comercial. El objeto de la presente invención es un método que previsiblemente mejorará la capacidad de almacenamiento de energla mediante esta tecnologfa innovadora.

Referencias

(1): V. S. Reddy, S. Kaushik, K. Ranjan, and S. Tyagi, "State-of-the-art of solar thermal power plants: a review, " Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 27, pp. 258 -273, 2013.

H.L Zhang, J. Baeyens, J. Degreve, G. Caceres, "Concentrated solar power plants: Review and design methodology", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 22, pp. 466 -481, 2013.

(2): J. T. Hinkley, J. A. Hayward, B. Curtin, A. Wonhas, R. Boyd, C. Grima, A. Tadros, R. Hall, and K. Naicker, <tAn analysis o( the cosls and opportunities for caneen/rating solar power in Australia. " Renewable Energy, vol. 57, pp. 653661,2013.

(3): D. Shin and D. Banerjee, "Enhanced specific heat o{ siNca nanofluid, " Journal of Heat Transfer, vol. 133, p. 024501, 2011.

(4): Andy. Skumanich, "Csp: Developments in heaf transfer and storage materíals, N Renewable energy focus, pp. 40-43, September/October 2010.

(5): R. Chirone, P. Salatino, P. Ammendola, R. SoJimene, M. Maga/dí, R. Sorrenti,

G. D. Miche/e, and F. Donatini, "Development o( a novel concept of solar receiverlthermaJ energy storage system based on comparlmenled dense gas fluidized beds," in The 141h International Conference on Fluidization From Fundamenlals lo Producls, Engineering Conferences Intemational, 2013.

Descripción de las figuras

Figura 1.-Esquema de la integración de las tecnologías de energía termosolar concentrada con transferencia y almacenamiento de energía térmica y química en un lecho fluidizado de sólidos granulados (mezcla de materiales inertes con alta capacidad calorífica y conductividad térmica y CaC03ICaO) mediante un flujo controlado de gas que contiene C02 en un cierto porcentaje.

(a) Radiación solar incidente.

(b) Flujo de gas controlado conteniendo C02.

(e) Mezcla de sólidos granulados inertes y CaC03/CaO.

(d) Unidad de control de la composición y flujo gas.

(e) Intercambiador de calor.

S: (f) Ciclo de potencia.

Figura 2.Valores de la concentración (% en volumen) de C02 en el gas y

temperatura que determinan el desplazamiento de la reacción CaC03 = CaO + C02

con el objeto de almacenar u obtener energía mediante esta reacción en lecho

10: fluid izado.

Descripción de la Invención

En esta invención se propone el empleo de un lecho de sólidos granulados consistente

en una mezcla de sólidos inertes (por ejemplo arena) y CaC03/CaO (derivados por

15: ejemplo de la caliza natural) fluid izado por un flujo de gas controlado consistente en

una mezcla de gas inerte (por ejemplo aire) y CO2 con el objeto de transferir y

almacenar termoquímicamente energía solar concentrada. La novedad de la invención

es el empleo de CaCO,JCaO en el lecho fluidizado y CO, en el gas de fluidización. lo

que permite complementar el almacenamiento de energia solar térmicamente en la

20: arena con almacenamiento qulmico mediante la reacción de descarbonatación

endotérmica del CaC03• Cuando la temperatura alcanzada en ciertos puntos del lecho

es excesivamente elevada y na puede ser aprovechada en el ciclo de potencia, el

control de la proporción de CO2 en el flujo de gas permitiría provocar la

descarbonatación endotérmica del CaC03 . Inversamente, cuando esta temperatura

25: descendiera por debajo de un valor deseado debido a períodos largos de baja

radiación solar, sería posible carbonatar el CaO mediante reacción exotérmica que

proporcionaría el calor anteriormente empleado en la descarbonatación para

transferirlo al ciclo de potencia. De esta forma sería posible incrementar la autonomia

y el rendimiento termoeléctrico. Asimismo, el almacenamiento químico permitiría

30: reducir el volumen de lecho fluid izado sólido/gas que puede llegar a ser

excesivamente elevado si únicamente se opera con almacenamiento térmico. El

almacenamiento químico de la energía solar no presentaría pérdidas como ocurre con

el almacenamiento térmico. En este procedimiento novedoso son integradas en una

misma tecnología las ventajas del uso de lecho fluid izado asociadas a valores altos de

35: transferencia térmica y difusión con la alta capacidad calorifica de sólidos inertes para

almacenamiento térmico y los altos valores de calor latente y sensible del CaC03 para

el almacenamiento químico de la energía de manera estable. La mezcla de CaCOs con un material inerte como la sílice incrementaría además la reversibilidad de las reacciones de descarbonatación/carbonatación pues el sílice favorece la estabilidad térmica del CaCO:JCaO. Asimismo, si se opta por un sistema hlbrido incluyendo la combustión de gas en el lecho f1uidizado, la descarbonataciónlcarbonatación del CaC03 permitirá almacenar el calor en exceso químicamente para posteriormente ser usado en función de la demanda. Finalmente, el empleo de lechos fluidizados adicionales exclusivamente de CaCOJ permitirla no s610 almacenar sino también transportar sin pérdidas la energla solar concentrada (en fanna de CaO) para su uso en otras aplicaciones lo que ampliarla el abanico de posibilidades de uso de las plantas CSP y ayudarla pues a su desarrollo comercial.

El uso de la energía solar concentrada para calcinar CaCD3 a aha temperatura, pudiendo ser este calor recuperado cuando sea necesario mediante la carbonatación del CaD, ha sido ya propuesto como método de almacenamiento de energla solar. El CaCD3 posee una gran densidad energética (1.7 MJ/kg de calor latente y 0.87 MJ/kg de calor sensible muy superiores a los valores típicos que presentan sales fundidas) y es una materia prima que puede ser obtenida de materiales naturales disponibles en abundancia y de bajo coste (por ejemplo caliza natural). Además, tanto el CaCO, como el CaD pueden ser almacenados durante largos periodos de tiempo en condiciones atmosféricas y sin pérdidas térmicas como ocurre con los HTF usados en las tecnologías CSP con almacenamiento en sales fundidas o aceites minerales (CSP-HTF) o con la arena usada en la tecnología con almacenamiento en lecho fluidizado sólido/gas (CSP-FB).

Así, el ciclo de descarbonatación (o calcinación) y carbonatación del CaCD:JCaD (Cal por sus siglas en inglés: "Ca-Iooping") ha sido propuesto recientemente en un concepto integrado (CSP-CaL) con el objeto de almacenar y transferir energla solar concentrada. De acuerdo con este concepto, el CaD y CD2 generados por la calcinación del CaCD3 serian transportados por separado, y cuando la demanda lo hiciera necesario la carbonatación del CaD serviría para transferir calor a una corriente de gas usada para la producción de electricidad mediante una turbina a gas. No obstante, los resultados sugieren que la integración CSP-Cal sólo seria ventajosa con respecto a la tecnologla CSP-HTF en un rango limitado de valores de conversión del CaD entre el 20% y 30% (porcentaje de CaD convertido a CaCD3 en la reacción de carbonatación), lo cual constituye un importante límite práctico para la posible puesta en marcha de la tecnología CSP-Cal, la cual no ha sido aún demostrada en la práctica. Normalmente, los valores de la conversión de CaD en la reacción de carbonatación en un lecho fluidizado exclusivamente de CaD oscilan en un rango de valores muy amplio (entre el 80% y el 7%) dependiendo sensiblemente de las condiciones de calcinación/carbonatación (básicamente temperatura, concentración de CO2 y tiempo de residencia del gas en el lecho) y del número de ciclos previos. Resultados experimentales demuestran que la calcinación a altas temperaturas hace que la conversión residual (aquella que se obtiene tras un número elevado de ciclos) del CaD decaiga por debajo del 10%, lo cual harla inviable el empleo de la tecnologia Cal como único método de almacenamiento de energla solar concentrada. Por otra parte, aunque existen materiales sintéticos basados en CaDICaCO:J" y métodos de tratamiento que pueden reactivar el CaD derivado de la caliza natural, el empleo de tales técnicas encarecería una tecnologfa cuya mayor ventaja potencial debiera radicar en su bajo coste y abundancia de una materia prima no contaminante. En la presente invención, se propone la integración de la tecnologla Cal con la tecnologla CSP-FB de almacenamiento en lecho fluidizado de arena con el objeto de incrementar la autonomía de almacenamiento y eficiencia de esta última. En CSP-FB la energfa solar concentrada es almacenada exclusivamente en forma térmica. Aunque el empleo de volúmenes grandes de material inerte como la arena (lo cual puede representar un problema por el tamaño que ha de tener el lecho en relación a la potencia generada) puede ser una solución para alargar el periodo transitorio de almacenamiento, la integración CSP-FB-Cal permitiría el almacenamiento de energía en forma química y por tanto permanente para ser empleada cuando el calor fuera necesario. Esta integración presentaria pues las ventajas de alta transferencia térmica y difusión que proporciona el lecho fluidizado de arena con almacenamiento térmico por una parte y, por otra, el almacenamiento permanente en forma quimica mediante la tecnologla CaL.

En la integración CSP-FB-Cal propuesta en la presente invención, la transferencia y almacenamiento de energía solar concentrada se llevaría a cabo en un lecho fluidizado formado por una mezcla de sólidos granulados inertes que es el medio de transferencia térmico (por ejemplo arena) con CaCD~CaD, que es el medio donde se almacenará químicamente la energla. la proporción relativa de CaCD~CaO puede variar del 100% al 0%. Las velocidades del gas de fluidización serían pequeñas (del orden del cm/s como en la actual tecnologla CSP-FB) por lo que los tiempos de residencia del gas en el lecho son prolongados, lo que permite que las reacciones de calcinación/carbonatación en tomo al equilibrio alcancen estados avanzados. Puesto que la calcinación se producirla de manera lenta a temperaturas cercanas a la de equilibrio apenas ésta sea superada la reactividad del CaD regenerado no se verá disminuida ostensiblemente como ocurre en la tecnología CaL donde el CaCOJ se calienta súbitamente a temperaturas muy por encima de la de equilibrio. Asimismo la mezcla del CaC03 con sólidos granulados inertes como la sílice (arena) contribuye a estabilizar térmicamente la caliza de acuerdo con observaciones experimentales.

La f1uidización de arena/CaC03/CaO en contacto con el coleclor solar usando una mezcla CO2/aire en porcentajes que pueden variar del 0% (si se quiere calcinar a temperaturas por debajo de 70QoC aproximadamente) hasta el 100% (si se quisiera carbonatar a temperaturas elevadas), daría lugar a la calcinación del CaC03 a temperaturas superiores a un valor critico deseado y a la carbonatación exoténnica del CaO cuando la temperatura descendiese por debajo de un cierto valor lo cual permitiría incrementar la autonomía de este método de almacenamiento y homogeneizar la entrega de calor al ciclo de potencia. Además, podría reducirse el volumen de material que serfa necesario utilizar para mantener una temperatura del lecho de almacenamiento suficientemente alta. En el dispositivo piloto CSP-FB de

0.1 MWt en actual funcionamiento (proyecto SOL TESS) se emplean alrededor de 15000 kg en el lecho de almacenamiento para mantener su temperatura entre aproximadamente 5300C y 780°C en ciclos de noche/día y permitir así un funcionamiento continuo de la unidad de potencia con una eficiencia global de transfonnación de energía solar a la unidad de potencia en torno al 70% (bastante mayor que en CSP con tecnología cilindro-parabólica y de torre central que se establece alrededor del 20%). Con 15000 kg de arena se consigue una autonomía de funcionamiento en torno a las 10/15 h. Cabe esperar no obstante que la necesidad de usar volúmenes de arena demasiado elevados represente un problema en el escalado a mayor nivel de la tecnologfa CSP-FB. Además, la energía necesaria para fluidizar el material puede ser un factor limitante si se requieren volúmenes muy elevados pues la caída de presión a través del lecho del flujo de gas aplicado ha de compensar necesariamente el peso total por unidad de área del lecho. Teniendo en cuenta el elevado calor latente y sensible del CaC03 es previsible que la masa total de material necesario en la tecnología CSP-FB-CaL pueda ser reducida por lo que esta integración propuesta en la presente invención pOdría aportar una ventaja en un aspecto relevante en el desarrollo comercial de la tecnologfa como puede ser la energía necesaria para f1uidizar grandes volúmenes de material. Por otra parte, la tecnología CSP-FB ofrece la posibilidad de variar parámetros de control que regulan la transferencia térmica como es la velocidad del gas con el objeto de contrarrestar el efecto de la variabilidad de la intensidad de radiación solar sobre la temperatura del lecho de almacenamiento. Mediante la integración CSP-FB-CaL que proponemos en la

presente invención se tendría un nuevo parámetro de control estratégico (el %C02 en el gas de f1uidizaci6n) con el fin de provocar las reacciones de descarbonataci6n o carbonalación según se desee reducir o aumentar la temperatura del lecho en función de la intensidad de radiación solar. La carbonatación durante períodos de baja radiación usando flujos de gas con alto %C02 permitiría elevar la temperatura incrementando así el rendimiento de la tecnología. En función de la inlensidad de radiación solar puede elegirse una proporción óptima de CaC03 en la mezcla de sólidos granulares. El gas de fluidización puede circular en circuito cerrado de manera que se evitan emisiones de CO2 a la atmósfera.

En CSP-FB es necesaria la división del lecho fluidizado en compartimentos de recepción, intercambio y almacenamiento de energía termosolar para el control selectivo de la velocidad del gas en cada uno de ellos al objeto de evitar minimizar las inevitables pérdidas térmicas. Durante la noche, por ejemplo, se corta el suministro de gas al compartimento receptor (para evitar fugas de calor hacia la cavidad receptora de radiación solar) y al compartimento de almacenamiento si su temperatura baja por debajo de un valor crítico. La absorciónlliberación de energia química en la tecnologia integrada CSP-FB-CaL que se propone en la presente invención puede ser controlada de manera selectiva a lo largo de lecho fluidizado mediante la regulación del %C02 en el gas de fluidización a través de cada compartimento lo que contribuirfa a reducir las pérdidas de calor. Además, se considera la posibilidad de añadir un compartimento para un lecho fluidizado exclusivamente de CaC03 de almacenamiento de energía química. La alta transferencia térmica en lecho fluidizado sólido/gas permitiría la transferencia eficiente de calor en exceso a este compartimento. El CaO generado por calcinación en este compartimento puede ser usado en la misma planta si fuese necesario para generar calor y aumentar la temperatura de vapor o bien ser transportado si se produjese en exceso para la generación de calor en otras aplicaciones industriales.

La eficacia de la integración CSP-FB-CaL descrita en la presente invención dependería críticamente de la reactividad del CaO regenerado en cada ciclo mediante calcinación. Resultados obtenidos en nuestro laboratorio muestran que es posible mantener una reactividad clclica alta del CaO regenerado en ciertas condiciones de calcinación/carbonatación como la calcinación a en atmósfera de aire y la carbonatación en atmósfera con alta concentración de CO2 a temperaturas entre 60QoC y 900°C. la posibilidad de introducir vapor de H20 , en torno al 20% en volumen, en el lecho fluidizado contribuiría asimismo a incrementar la reactividad del CaO como muestran resultados experimentales. Teniendo en cuenta el rango de oscilación de temperaturas en la actual tecnología CSP-FB, estas condiciones serían compatibles con una eficiente integración CSP-FB-CaL.

Modo de realización de la invención

Un ejemplo de realización de la invención basada en la integración de las tecnologías CSP-FB-CaL (transferencia y almacenamiento termoquímico de energía solar concentrada en lecho f1uidizado de mezcla de sólidos granulados inertes y CaCO:JCaO) queda representado en la Figura 1. La radiación solar (a) es colectada por el lecho nuidizado (e) mediante una cavidad de la misma forma que se realiza en la tecnología demostrada CSP-FB. El lecho de sólidos granulados está formado por una mezcla de sólidos inertes (por ejemplo arena fina silícea) de elevada capacidad calorífica y conductividad térmica y CaC03/CaO (derivados por ejemplo de la caliza natural). El lecho se encuentra en estado de f1uidización por la aplicación de un flujo de gas (b) consistente en una mezcla de gas inerte (por ejemplo aire) y CO2 a una velocidad y en una proporción regulables en la unidad de control (d). Se contempla la posibilidad de introducir vapor con el objeto de intensificar la reactividad del CaO si fuera necesario. Mediante intercambiadores de calor (e), el calor almacenado en el lecho fluidizado es transferido al ciclo de potencia (f) para la generación de energía eléctrica siguiendo el procedimiento convencional llevado a cabo en plantas fósiles. Es posible la división del lecho fluidizado en diferentes compartimentos (receptor, inlercambiador y almacenamiento de energía) al igual que en la tecnología CSP-FB. La modificación introducida en la presente invención consiste en la integración de la tecnología CaL. En una división en compartimentos del lecho fluidizado es posible utilizar mezclas de sólidos inertes/CaCOs/CaO en proporciones variables en cada una de los compartimentos al objeto de intensificar la carbonatación exotérmica en las regiones cercanas a los intercambiadores e incrementar de esta forma en modo más eficiente la temperatura de vapor. También existe la posibilidad de hacer pasar flujos de gas con diferente %C02 a través de cada compartimento al objeto de intensificar la descarbonatación en la región de mayor temperatura reduciendo el %C02 (normalmente el compartimento de recepción durante el día) e intensificar la carbonatación mediante la aplicación de un flujo con elevado %C02 (normalmente en el intercambiador y la unidad de almacenamiento si la temperatura es demasiado baja). También puede añadirse un compartimento exclusivo de almacenamiento qufmico consistente en un lecho fluidizado de CaC03. El CaO generado en este compartimento puede ser usado en la misma planta para liberar calor mediante su carbonatación o bien ser transportado para su uso en otras aplicaciones que requieran

calor. Este CaO puede ser almacenado sin pérdidas de energla para su uso cuando y donde fuera necesario. Si bien la fluidizaci6n permite obtener un alto grado de transferencia térmica existe la posibilidad de aplicar técnicas que intensifiquen la transferencia de calor y masa para potenciar así la carbonatación del CaC. Una de estas técnicas de demostrada eficiencia para potenciar la carbonatación de Cae en otras aplicaciones en reactor de lecho fluidizado a alta temperatura es la aplicación de sonido de alta intensidad y baja frecuencia que podría ser implementada en esta invención.

El control del %C02 usado en el gas de f1uidizaci6n se podrá realizar de acuerdo con el equilibrio de la reacción de descarbonataci6n/carbonatación del CaC03 representado en la Fig. 2 Y en función de la distribución de temperaturas en el lecho fluidizado. Este diagrama permite prever el sentido en el que se desplazará la reacción de acuerdo con el %C02 en el gas de fluidización y de la temperatura . De este modo, si por ejemplo el %C02 se mantiene en torno al 10%, el sistema desprenderá calor (carbonatación de CaO) donde y cuando la temperatura baje de 7S00C y absorberá calor cuando la temperatura suba por encima de este valor (descarbonatación de CaC03). La regulación del %C02 en el gas fluidización en la unidad de control de gas se usaría como mecanismo de control de la temperatura en el lecho fluidizado de modo que esta se transfiera con pocas oscilaciones al ciclo de potencia.

La cantidad total de calor absorbido y liberado en el lecho fluidizado depende de la proporción de CaC03 y CaO usada en la mezcla de sólidos granulados que puede ser también variable en función de la radiación solar incidente característica de la región en que la planta sea instalada. En todo momento, el calor en exceso quedara almacenado qulmicamente de manera permanente y estable en forma de CaO para ser utilizado cuando sea necesario. Este calor puede provenir de la combustión de gas en el mismo lecho fluidizado tal y como se propone en la tecnología CSP-FB en un sistema hibrido. No obstante, en CSP-FB se puede almacenar calor sólo de manera transitoria puesto que el lecho de sólidos inertes (arena) presentará siempre pérdidas térmicas. La única solución posible en CSP-FB para prolongar el perlado transitorio de almacenamiento es incrementar el volumen del lecho fluidizado de almacenamiento con la consiguiente pérdida de eficiencia de la tecnología. En el concepto CSP-FB-CaL propuesto en la presente invención, el calor en exceso puede ser almacenado químicamente de forma permanente hasta que sea necesario recuperarlo por lo que es esperable que esta innovación suponga una mejora de almacenamiento con respecto a la tecnología CSP-FB.

Claims

Reivindicaciones

1.

Procedimiento termoquímico de transferencia y almacenamiento de energía solar concentrada caracterizado porque consiste en someter a radiación solar concentrada un lecho de sólidos granulados f1uidizado por gas y que está dividido en compartimentos para la recepción, intercambio y almacenamiento de energía en función de la proporción de la mezcla.
2.

Procedimiento termoqulmico de transferencia y almacenamiento de energía solar concentrada según reivindicación 1 caracterizado porque el sólido granulado está constituido por un a mezcla de sólidos granulados inertes, preferentemente arena, y CaCOs/CaO , preferentemente derivado de la piedra caliza natural.
3.

Procedimiento termoquímico de transferencia y almacenamiento de energía solar concentrada según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el flujo de gas usado para la f1uidización está formado por una mezcla de gas inerte, preferentemente aire, y CO2 en proporción controlada de tal manera que por encima de un valor crítico de temperatura, preferentemente 700°C, se almacena energía quimica mediante la descarbonataci6n de CaC03.
4.

Procedimiento termoquimico de transferencia y almacenamiento de energla solar concentrada según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el flujo de gas usado para la fluidización está formado por una mezcla de gas inerte, preferentemente aire y CO2 en proporción controlada de tal manera que por debajo de un valor crítico de temperatura, preferentemente 7000C, se libera energla qulmica mediante la carbonataciOn de CaO.
5.

Procedimiento termoquímico de transferencia y almacenamiento de energía solar concentrada según reivindicación 4 caracterizado porque la incorporación de cantidades controladas en tomo al 20% en volumen de vapor de H20 en el flujo de gas permite incrementar la reactividad del CaO.
6.

Procedimiento termoqulmico de transferencia y almacenamiento de energla según la reivindicación 1, caracterizado porque la aplicación de ondas sonoras sobre el lecho fluidizado intensifica la transferencia de calor y masa en el lecho fluidizado.