ES2559019T3 - Métodos y componentes para almacenamiento de energía térmica - Google Patents

Abstract

Método para almacenar o incrementar el contenido de energía de una mezcla de reacción, en el cual dicha reacción está habilitada por la entrada de calor desde una fuente de calor distinta de dicha mezcla de reacción, caracterizado porque el contenido de energía de la mezcla de reacción se almacena o se incrementa por medio de una reacción de condensación endotérmica, y dicha mezcla de reacción comprende un compuesto oxoácido inorgánico y/o su sal y agua.

Description

DESCRIPCION

Metodos y componentes para almacenamiento de ene^a termica Campo de la invencion

Esta invencion se refiere generalmente a un metodo de almacenamiento de energfa termica o bomba de calor, es decir 5 al incremento de energfa termica a partir de una fuente de calor externa usando reacciones qmmicas reversibles. Dentro de un ciclo reversible, una mezcla que comprende compuestos oxo-acidos inorganicos y/o sus sales y agua, tales como, por ejemplo, esteres nitrato, sulfato, fosfato y sulfonato, se despolimerizan por medio de una reaccion de hidrolisis exotermica y se polimerizan por medio de una reaccion de condensacion endotermica a fin de liberar y capturar calor. Por consiguiente, un primer aspecto de la primera invencion es proporcionar el uso de compuestos oxoacidos 10 inorganicos y/o sus sales y agua en un metodo de almacenamiento de energfa termica y/o en un metodo para incrementar la energfa termica a partir de una fuente externa de calor, en lo sucesivo tambien denominado bomba de calor, en particular usando compuestos oxoacidos inorganicos de fosforo y/o sus sales tales como, por ejemplo, acido polifosforico.

La invencion proporciona ademas un metodo para almacenar energfa termica; dicho metodo comprende una reaccion 15 de condensacion de una mezcla de reaccion que comprende compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales y agua usando una fuente externa de calor. En otro aspecto, la invencion proporciona un metodo para liberar energfa termica a partir de dicho almacenamiento de calor que comprende un paso de hidrolisis exotermica de los compuestos oxoacidos inorganicos o sus sales.

Usando los metodos y componentes de la presente invencion es posible almacenar energfa termica en circunstancias 20 ambientales en un medio transportable. Como consecuencia, esto permite convertir un proceso de generacion de calor continuo en un consumo discontinuo o incluso desplazado. Ademas, es posible bombear calor a partir de fuentes de calor ambiental o de calor de baja temperatura, por ejemplo 80-200 °C, a niveles de temperatura superiores con un consumo espedfico bajo de electricidad, es decir para usar el metodo de la presente invencion como una bomba de calor.

25 Antecedentes de la invencion

El almacenamiento de energfa termica es muy importante en muchas aplicaciones relacionadas con el uso de calor residual de procesos industriales, energfas renovables o de otras fuentes diferentes. Ademas, la recuperacion de calor recibe una atencion ampliamente difundida como un medio para reducir la demanda de combustibles fosiles y como medio para reducir los gases de escape segun Kyoto.

30 Existen ya varios sistemas de captura de calor. El calor puede generarse a partir de disipadores termicos o solares, u otras fuentes que incluyen el sol, calor geotermico, calor residual u otras fuentes de calor.

Ejemplos de sistemas de captura de calor pueden dividirse por lo general en 3 categonas:

I. Calor sensible <500MJ/m3:

- sistemas de agua

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II. Calor latente por cambio de fase en materiales < 1 MJ/m3:

- Materiales que usan su cambio de fase como un medio para almacenar o liberar calor. Un ejemplo es el uso de la cristalizacion de acetato de Na. (Densidad termica teorica 300-800 GJ/m3)

- Uso de calor de absorcion de agua sobre gel de sflice.

40 III. Calor de reaccion mediante reacciones qmmicas reversibles <3GJ/m3:

- Uso de calor de mezcla de acido sulfurico y agua.

- Uso de calor de reaccion de hidrogeno y de metales como magnesio (densidad termica teorica 3GJ/m3).

- Sales hidratos.

La mayor parte de la energfa alternativa propuesta esta usando el sol o el viento como fuente de energfa. Debido al 45 proceso (ciclo qmmico) de la presente invencion, puede usarse otra fuente de calor mas facilmente hoy en dfa: calor de residuos. Cantidades de calor de residuos (tambien llamado calor residual) se generan en la industria y se liberan al

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ambiente como no utilizables para un uso de energfa posterior, mas espedficamente generacion de electricidad; esto debido al estado bajo de exe^a. Sin embargo, el uso del calor residual tiene sentido en el ejemplo de areas residenciales para calentar casas o pisos y en areas industriales para calentar corrientes de procesos. En lugar de utilizar fuentes convencionales de energfa con alta exergfa, por ejemplo gas natural u otros combustibles, se podna usar tambien el calor residual exergetico bajo. Esto impide usar fuentes de energfa altamente caloricas para aplicaciones caloricas bajas. Una de los mayores obstaculos para usar calor residual en estos propositos es el hecho que el calor residual en la industria se usa continuamente versus el uso discontinuo de calor residencial y, mas aun, el hecho que la industria que produce calor se encuentra localizada muy lejos de las areas residenciales. La capacidad de almacenamiento de energfa, la facilidad de transporte y las posibilidades de usar este ciclo qmmico como una bomba termica de lo que se reivindica mas abajo, fuerza un avance para el uso de calor residual y abre una nueva manera para reducir los gases Kyoto. El uso de transporte de generacion de CO2 barato y bajo como, por ejemplo, a granel o envfo de contenedores en barco y tubenas forman una alternativa para la tecnologfa de camiones que generan CO2 intenso.

En el metodo descrito mas adelante en este texto, el calor se usa para formar polfmeros de compuestos oxoacidos inorganicos o sus sales mediante reaccion de (poli) condensacion de moleculas inorganicas o moleculas que contienen submoleculas inorganicas con compuestos polioxoacidos o sus sales. Las concentraciones de proton, catalizadores, membranas, etcetera se usan para promover la smtesis (reaccion de condensacion) y reaccion de hidrolisis. Por ejemplo, el acido monofosforico y los acidos polifosforicos se polimerizan posteriormente por medio de adicion de calor y retirando el agua (condensacion). La reaccion de hidrolisis adicionando agua nuevamente genera calor de despolimerizacion exotermica.

Ademas, el metodo y los componentes pueden usarse como una bomba termica reversible que permite generar fno a partir del calor residual, o incrementar la energfa termica de fuentes de calor con un consumo electrico muy bajo, normalmente de 1-10%. Por consiguiente, esto difiere de los sistemas existentes de bomba termica tales como:

A. Ciclo organico de Rankine (ORC) que bombea calor desde fuentes de temperatura baja a niveles de temperatura altos o usando el ORC para producir electricidad a partir de calor residual.

Normalmente su eficiencia termica real o COP es una proporcion de calor a potencia de alrededor de 3-5.

B. Usando bromuro de litio o agua/NH3 y calor residual como una bomba termica para producir fno absorbiendo calor debido a la disolucion de Li-Br en agua en condiciones de vado. En la US 6,177,025B1 y la JP01161082 este proceso se optimiza aun mas, con una eficiencia mejorada, mediante un aditivo que inhibe la cristalizacion.

C. Sistemas enzimaticos tales como se describen, por ejemplo, en CN101168481A, vease el documento completo y el resumen de la WPI acc.no 2008-H14900 [46] y el resumen de CAS acc.no. 2008: 538691. En este documento se usa ATP para realizar el almacenamiento y la liberacion de alta energfa. Esto se hace mediante el uso de una glandula secretora y por consiguiente difiere de la reaccion reversible de hidrolisis de la presente invencion.

D. Proceso de cristalizacion que libera calor con una transicion de fase para formar una forma solida o cristalina solida.

o JP 58060198A; Matsushita electric works ltd; Nomura Kazuo; Material que acumula calor. En esta patente se usa un fosfato de sodio, Na2HPO4 para almacenar calor por medio de cristalizacion o transicion de fase por medio de un agente de nucleo espedfico.

o GB 1396292 A; Randall; 10 Feb. 1971; Mejoramientos en o relacionados con unidades de almacenamiento termico. En esta patente el uso de un calor de cristalizacion de fosfatos se aplica para almacenar calor.

E. Uso de calor de disolucion tal como despues de poner en contacto oxidos de azufre y acido sulfurico con agua o calor de combustion poniendo en contacto a S con aire, tal como se describe en las dos patentes de abajo:

o US 4,421,734; Norman, diciembre 20, 1983; Ciclo de almacenamiento de calor de acido sulfurico-azufre. En

esta patente, el calor de la disolucion de dioxido de azufre o acido sulfurico altamente concentrado en agua, que actua como un solvente, para formar acido sulfurico poco concentrado y la combustion de azufre con oxfgeno se usa para producir calor. Para realizar almacenamiento termico, el acido sulfurico altamente concentrado y el azufre necesitan almacenarse. Este almacenamiento permite nivelar calor del sol durante largo penodo.

o US 4,532,778; Clark et al., agosto 6,1985; Bomba de calor qmmica y sistema de almacenamiento de energfa

qmmica. En esta patente estadounidense el calor de disolucion del acido sulfurico se usa para almacenar calor o para realizar una bomba termica para ascender el nivel de temperatura (o incrementar la energfa termica) del calor residual.

F. Otros sistemas que utilizan calor de disolucion se basan en la aplicacion de sales hidratos tales como, por ejemplo, MgCl2, Mg(OH)2 Ca(OH)2, carbonato de sodio y agua para usar el calor de mezcla de las sales en agua.

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o Patentes recientes sobre ingeniena, 2008, 2, 208-216. Revision de patentes recientes sobre bombas termicas

qmmicas. Cheng Wang, Peng Zhang y Ruzhu Wang. La reaccion reversible de transformacion de potencial termico en una bomba termica qmmica incluye principalmente absorcion Uquido-gas, reaccion solido-gas y adsorcion de solido.

o Posibilidad de tecnologfas de bomba termica qmmica por Yukitaka Kato, 31 de enero, 2011, taller de

almacenamiento de energfa termica de alta decision, Arlington, Virginia, Estados Unidos. Descripcion del Estado de la tecnica de las bombas termicas qmmicas basadas principalmente en el hallazgo de que la reacciones de oxidos metalicos y cloruro todavfa son las mejores tecnicas disponibles para las bombas termicas qmmicas.

G. Otros sistemas para explotar ATP como una molecula con una alta densidad de energfa puede usar simplemente este compuesto como un potenciador para el desempeno de una batena o un motor; por ejemplo

o US20070218345 A; Sakai et al; Una celda de combustible, un dispositivo electronico, un cuerpo movible,

sistema de congeneracion de sistema de generacion de potencia.

o US20020083710A1; Schneider, Thomas; Motor molecular con uso de ATP, actina y miosina para girar cilindros

para producir trabajo.

o EP 1089372A1; Camus et al. 28 de septiembre, 1999; Sistema independiente y autosostenible de generacion y

almacenamiento de potencia. Especialmente los parrafos 0006 y 0056 y la figura 7 donde se usa ATP. En esta patente se describe un metodo para almacenamiento electrico en el cual se usa ATP para mejorar el desempeno de la batena.

Pero no se basan en una reaccion reversible de hidrolisis tal como en el presente caso. En lugar de smtesis de ATP se accionara enzimaticamente (vease CN101168481A de arriba) o mediante fotosmtesis, por ejemplo, Nature materials, 2005, Vol 4 (3); Luo et al pp. 220-224; gradientes de proton fotoinducidos y biosmtesis de ATP producida por vesfculas encapsuladas en una matriz de sflice. Tambien en JP56155388, que divulga el preambulo de las reivindicaciones 1 y 14; la conversion termica no se basa en una reaccion de hidrolisis reversible, sino que se basa en una reaccion de polimerizacion de aldehfdo.

Resumen de la invencion

Como ya se ha explicado previamente, la presente invencion se basa en el hallazgo de que pueden usarse compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales y agua en una reaccion reversible de hidrolisis para almacenar/o incrementar la energfa termica de una fuente de calor.

Para almacenar la energfa termica, el calor se convierte en calor de una reaccion molecular por medio de una reaccion de condensacion accionada retirando agua (deshidrolisis) del medio de reaccion con la formacion de enlaces covalentes de ester de alta energfa en los compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales de la presente invencion.

Para liberar la energfa termica tal como, por ejemplo, en un metodo para incrementar la energfa termica de una fuente de calor, a partir de los enlaces covalentes de ester de alta energfa, los compuestos oxoacidos inorganicos de la presente invencion se someten a una reaccion de hidrolisis adicionando agua al medio de reaccion que comprende dichos compuestos oxoacidos o sus sales.

De esta manera, en un aspecto, la presente invencion proporciona el uso de compuestos oxoacidos inorganicos y sus sales y agua en un metodo para almacenar y/o incrementar la energfa termica a partir de una fuente de calor.

En dicho uso, la energfa termica de la fuente de calor se almacena por medio de una reaccion de condensacion con retiro de agua de la solucion de reaccion y la formacion de compuestos oxoacidos poli inorganicos y/o sus sales.

En dicho uso, la energfa termica de la fuente de calor se incrementa por medio de una reaccion de hidrolisis de los compuestos oxoacidos inorganicos y/o sales por medio de la adicion de agua a una solucion de reaccion.

En otras palabras, la presente invencion proporciona el uso de compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales y agua en un metodo para almacenar y/o incrementar la energfa termica de una fuente de calor, caracterizado porque:

- la energfa termica de la fuente de calor se almacena por medio de una reaccion de condensacion con remocion de agua de la solucion de reaccion y la formacion de compuestos oxoacidos poli inorganicos y/o sus sales; y porque

- La energfa termica de la fuente de calor se incrementa por medio de una reaccion de hidrolisis de compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales por medio de la adicion de agua a una solucion de reaccion que comprende dichos esteres inorganicos.

Los compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales en los usos previamente mencionados, o que se usan en los metodos de la presente invencion, son oxoacidos de nitrogeno, azufre o de fosforo o de su sal correspondiente.

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En un aspecto de la presente invencion, los compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales se representan mediante la formula general (I)

R-Op-((OnX (OQ)m-O)y) -R' (I)

en donde;

Z representa - (OnX (OQ)m-O)y -R'';

R representa hidrogeno, un hidrocarburo o Z;

R' y R" son cada uno, de manera independiente, hidrogeno, un hidrocarburo o un cation metalico, en particular un cation de metal monovalentes, aun mas en particular K o Na;

X representa azufre (S), nitrogeno (N) o fosforo (P); en particular X representa P;

n = 1 o 2; m = 0 o1; p = 0 o 1;

y = al menos 1; en particular 1 a 100; mas en particular 1 a 10; aun mas en particular 1 a 4; de manera alternativa, y es 1 a 3; y cada Q representa independientemente un hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalentes, aun mas en particular K o Na.

En otro aspecto de la presente invencion, los compuestos oxoacidos inorganicos, y/o sus sales, usados son acidos polifosforicos. Por consiguiente un objeto de la presente invencion es proporcionar el uso de acidos polifosforicos en un metodo para almacenar y/o incrementar la energfa termica desde una fuente de calor.

En particular, el uso de acidos polifosforicos en un metodo para almacenar y/o incrementar la energfa termica de una fuente de calor se caracteriza porque:

- la energfa termica de la fuente de calor se almacena por medio de una reaccion de deshidrolisis (reaccion de condensacion) de acidos fosforicos (que incluyen acidos mono y polifosforicos); y porque

- la energfa termica de la fuente de calor se incrementa por medio de una reaccion de hidrolisis de acidos polifosforicos por medio de la adicion de agua a una solucion de reaccion que comprende dichos acidos polifosforicos.

En otro aspecto de la presente invencion, los compuestos oxoacidos inorganicos, y/o sus sales, usados son acidos polifosforicos y/o sus sales representados por la formula general (la)

R-O-((OP(OQ)m-O)y) -R' (la)

en donde

R representa hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na;

R' representa hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na;

m = 0 o 1;

y = al menos 1; en particular 1 a100; mas en particular 1 a 10; aun mas en particular 1 a 4; de manera alternativa, y es 1 un a 3; y cada Q representa un hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na.

En otro aspecto mas de la presente invencion, los acidos polifosforicos y/o sus sales usados son:

acidos polifosforicos lineales inorganicos puros y/o sus sales, representados por la siguiente formula: Mn+2PnO(3n+1) (lb) donde n= al menos 2; en particular 1 a 10E6; mas en particular 2 a 5; M es H+ o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na;

acidos polifosforicos dclicos inorganicos puros y/o sus sales representados por la siguiente formula MnPnO3n (lc) donde en n= al menos 3; en particular 1 a 12; mas en particular 3, 4, 5 o 6; M es H+ o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na;

acidos polifosforicos ramificados inorganicos puros y/o sus sales, en particular una sal de cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na; o

combinaciones de los mismos.

En un aspecto particular de la presente invencion, los acidos polifosforicos y/o sus sales usados se seleccionan del grupo que consiste de piruvato de fosfoenol, glicerato 1, 3 bifosfato, fosfato de formilo, fosfato de acetilo, fosfato de propionilo, fosfato de butirilo u otros fosfatos de carboxilo, fosfo-creatina, fosfo-arginina, fosfatos (1 o 6-fosfato) de 5 glucosa, fosfatos de fructosa, glicerol-3-fosfato, nicotina amida adenina dinucleotido fosfato (NADP), dihidroxiacetonafosfato, fosfatos de gliceraldehndo, fosfatos de xilulosa, fosfatos de ribosa, fosfatos de sedoheptulosa, fosfatos de eritrosa, fosfato de ribulosa, fosfo-serina, fosfato de aspartilo y fosfato de adenosina.

Con base en lo precedente, la presente invencion proporciona ademas un metodo para almacenar o incrementar el contenido de energfa de una mezcla de reaccion por medio de una reaccion de condensacion endotermica, y dicha 10 mezcla de reaccion comprende un compuesto oxoacidos o inorganico y/o sus sales y agua, dicha reaccion esta habilitada por la entrada de calor desde una fuente de calor distinta de la dicha mezcla de reaccion.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual la fuente de calor distinta de dicha mezcla de reaccion es calor residual de procesos industriales o calor derivado de recursos naturales tales como la energfa solar o eolica. En otras palabras, no hay lfmite a la fuente de calor en ninguno de los usos o metodos de la presente invencion. En teona 15 puede usarse cualquier fuente de calor, incluido el calor capturado u obtenido de la energfa solar, la energfa geotermica, la energfa eolica, la electricidad, el calor residual de la industria y similares.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual se retira agua y/o el compuesto oxoacido inorganico y/o sus sales de la mezcla de reaccion.

La presente invencion proporciona ademas un metodo el cual comprende ademas el paso de liberar el contenido de 20 energfa almacenado, respectivamente incrementado, de la mezcla de reaccion en un paso subsiguiente de proceso por medio de la hidrolisis exotermica de los productos de reaccion de dicha mezcla de reaccion.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual el compuesto oxoacido inorganico y/o su sal es un oxoacido de nitrogeno, azufre o fosforo, o su sal correspondiente.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual el compuesto oxoacido inorganico y/o su sal esta 25 representado por la formula general (I)

R-Op-((OnX(OQ)m -O)y) -R' (I)

en la cual

R representa hidrogeno, un hidrocarburo o Z (tal como se describe mas adelante);

X representa azufre, nitrogeno o fosforo;

30 Z representa - (OnX (OQ)m-O)y-R'';

R' y R" cada uno independientemente representan hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal; n = 1 o 2; m= 0 o 1; p = 0 o 1; y = al menos 1; y

Q representa, cada uno independientemente, hidrogeno, hidrocarburo o un cation de metal.

35 La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual el compuesto oxoacido inorganico y/o su sal son acidos polifosforicos y/o sus sales, en particular representados por la formula general (la)

R-O-((OP(OQ)m-O)y)-R' (la)

en la cual

R y R' representan, cada uno independientemente, hidrogeno, hidrocarburo o un cation de metal;

40 m = 0 o 1; y = al menos 1; y

cada Q representa hidrogeno, hidrocarburo o un cation de metal.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual los acidos polifosforicos o sus sales son:

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a. Acidos polifosforicos lineales inorganicos puros o sus sales representados por la siguiente formula: Mn+2PnO(3n+i) (Ib) donde n= al menos 2; M es H+ o un cation de metal;

b. acidos polifosforicos dclicos inorganicos puros o sus sales, representados por la siguiente formula: MnPnO3n (Ic) donde n= al menos 3; M es H+ o un cation de metal;

c. ramificados; o

d. combinaciones de los mismos.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual el cation de metal es un cation de metal monovalente, mas en particular K o Na.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual y se encuentra dentro del intervalo de 1 a 100,

c. ramificados; o

d. combinaciones de los mismos.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual el cation del metal es un cation de metal monovalente, mas en particular K o Na.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual y se encuentra dentro del intervalo de 1 a 100, mas en particular dentro del intervalo de 1 a 10, aun mas en particular dentro del intervalo de 1 a 3.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual las sales de acidos fosforicos se seleccionan del grupo que contiene piruvato de fosfoenol, glicerato 1,3 bifosfato, fosfato de formilo, fosfato de acetilo, fosfato de propionilo, fosfato de butirilo u otros fosfatos de carboxilo, fosfo-creatina, fosfo-arginina, fosfatos de glucosa (1 o 6-fosfato) , fosfatos de fructosa, glicerol-3-fosfato, nicotina amida adenina dinucleotido fosfato (NADP), fosfato de dihidroxiacetona, fosfatos de gliceraldetndo, fosfatos de xilulosa, fosfatos de ribosa, fosfato de sedoheptulosa, fosfato de eritrosa, fosfato de ribulosa, fosfo-serina, fosfatos de aspartilo y fosfato de adenosina.

La presente invencion proporciona ademas un metodo en el cual la reaccion de condensacion endotermica se representa mediante la siguiente formula:

HOXOn(OH)mOR' + R-Op - ( (XOn(OH)m-O)y-1)-H -> R-Op - ((XOn(OH)m-O)y)-R' + H2O La presente invencion proporciona ademas un sistema para capturar o almacenar energfa el cual comprende

- medios de captura de energfa;

- medios de almacenamiento para almacenar la energfa capturada, en cuyo caso los medios de captura y almacenamiento comprenden al menos un recipiente de reaccion llenado al menos parcialmente con una mezcla de reaccion que comprende un compuesto oxoacido inorganico y/o su sal y agua, adecuado para tener una reaccion de condensacion endotermica realizada en dicha mezcla de reaccion, y que comprende un elemento de calentamiento en comunicacion termica con dicho recipiente.

La presente invencion proporciona ademas un sistema que se caracteriza ademas porque comprende medios de liberacion para liberar la energfa capturada y almacenada en un paso subsiguiente de hidrolisis exotermica.

La presente invencion proporciona ademas un sistema que se caracteriza ademas porque la mezcla de reaccion comprende un compuesto oxoacido inorganico y/o su sal.

Tal como se proporciona con mayor detalle en lo sucesivo, la solucion de reaccion puede comprender ademas componentes de acondicionamiento para optimizar las condiciones de reaccion para las reacciones de esterificacion/hidrolisis, tales como catalizadores para catalizar la reaccion de condensacion/hidrolisis.

Breve descripcion de los dibujos

Figura 1: A. Esquema general de reaccion

B. Diagrama en bloque del ciclo CHEMENERGY.

Figura 2: Ciclo CHEMENERGY con esteres inorganicos de fosfato/polifosfato.

Figuras 3 - 11: diferentes aplicaciones posibles para el ciclo CHEMENERGY en el incremento de la energfa termica de una fuente de calor. Detalles sobre los elementos en los diagramas de flujo para cada una de las aplicaciones pueden encontrarse en la tabla 3 de abajo.

Figura 12: Diagrama de flujo general para elementos de ocurrencia repetida en la explotacion practica del ciclo 5 CHEMENERGY. Los tanques de almacenamiento, tanto el o los tanques de almacenamiento de calor, como tambien el o los tanques de almacenamiento del componente, son opcionales.

Descripcion de la invencion

La presente invencion se basa en los hallazgos de que los compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales, tales como, por ejemplo, esteres de nitrato, sulfato, fosfato y sulfonato, pueden usarse en un metodo de almacenamiento de energfa 10 termica, explotando la reaccion de hidrolisis qmmica reversible y de condensacion que son exo- y endotermica, respectivamente.

Por consiguiente, es un primer objetivo de la presente invencion proporcionar el uso de compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales en un metodo de almacenamiento de energfa termica.

Los compuestos oxoacidos inorganicos y/o sus sales tal como se usan en la presente se seleccionan del grupo de 15 compuestos oxoacidos inorganicos y/o de sus sales con un oxoacido de nitrogeno, azufre o fosforo, o su sal correspondiente; y en particular el oxoacido inorganico o su sal se refieren a oxoacidos de fosforo y/o a su sal tal como hidrocarburos fosforilados y acidos (poli) fosforicos inorganicos y sus sales.

Tal como se conoce de manera general en el estado de la tecnica, la polimerizacion se refiere al acoplamiento de grupos organicos (esterificacion) a fosforo (P), nitrogeno (N), o azufre (S) por medio de enlazantes de oxfgeno, o se 20 refiere a la polimerizacion de compuestos oxoacidos inorganicos o sus sales de nitrogeno, azufre o fosforo, con la generacion de H2O o agua, por medio de una reaccion de condensacion endotermica que usa un precursor alcoholico de dicho grupo organico o un grupo hidroxilo de dichos oxoacidos inorganicos. Una representacion de dicha esterificacion se proporciona en el paso (2) de la figura 1.

El compuesto oxoacido inorganico y/o su sal, tal como se usen los metodos de la presente invencion, se representan 25 mediante la formula general (I)

R-Op-((OnX(OQ)m-O)y)-R' (I)

en donde

Z representa - (OnX(OQ)m-O)y-R";

R representa hidrogeno, un hidrocarburo o Z;

30 R' y R" son cada uno, independientemente, hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na;

X representa azufre (S), nitrogeno (N) o fosforo (P); en particular X representa P; n = 1 o 2; m = 0 o 1; p = 0 o 1;

y = al menos 1; en particular 1 a 100; mas en particular 1 a 10; aun mas en particular 1 a 4; y

35 cada Q representa independientemente un hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal; en particular un cation de metal monovalente; aun mas en particular K o Na.

En una modalidad particular de la presente invencion, el compuesto oxoacido inorganico y/o sus al son acidos polifosforicos y/o sus sales, representados por la formula general (la)

R-O-((OP(OQ)m-O)y)-R' (Ia)

40 en donde

R representa hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na;

R' representa hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente cation, aun mas en particular K o Na;

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m = 0 o 1;

y = al menos 1; en particular 1 a 100; mas en particular 1 a 10; aun mas en particular 1 a 4; y

cada Q representa un hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente cation, aun mas en particular K o Na.

El residuo de hidrocarburo en cualquiera de las formulas mencionadas previamente puede ser cualquier compuesto organico que comprende un grupo hidroxilo como, por ejemplo, alcoholes, acidos carboxflicos, esteres, etcetera, o puede ser cualquiera de unos azucares y bases que forman nucleotidos y acidos nucleicos o cualquier molecula organica que termina en un grupo hidroxilo; en cuyo caso dicho grupo hidroxilo es capaz de formar ester inorganico con un fosfato, polifosfato, nitrato, sulfato o acido sulfonico. En particular con un fosfato o polifosfato.

Los nucleotidos tienen un significado bien conocido en el estado de la tecnica y consisten en cualquier combinacion de bases nitrogenosas diferentes y diferentes azucares (pentosas) y pueden tener mono, di y trifosfato(s) como un grupo fosforilo:

Base

I

( Azucar —Fosfato)

- Como bases pueden tomarse, por ejemplo, purina, pirimidina, adenina, guanina, timina, citosina, uracilo, hipoxantina, 5-metilcitosina, N6-metiladenina, dihidrouracilo, 1-metilguanina, ribotimidina, pseudouridina, o 1-metiliosina.

- Como azucares (pentosa) pueden tomarse, por ejemplo, fructosa, ribosa, D-ribofuranosa o 2-desoxi-D-ribofuranosa.

Los acidos nucleicos tienen un significado bien conocido en el estado de la tecnica y pueden consistir de cualquier combinacion de nucleotidos diferentes. Los nucleotidos se enlazan en polinucleotidos o acidos nucleicos mediante un esqueleto hecho de azucares y grupos fosfato unidos por enlaces de ester.

imagen1

En una modalidad de la presente invencion, los esteres inorganicos comprenden o consisten en un “polifosfato”. Los polifosfatos son polfmeros anionicos de fosfato enlazados entre grupos hidroxilo y atomos de hidrogeno. La polimerizacion que tiene lugar es conocida como una reaccion de condensacion. Los enlaces qmmicos del fosfato son normalmente enlaces covalentes de alta energfa, lo cual significa que la energfa esta disponible despues de romper tales enlaces en reacciones espontaneas o catalizadas con enzimas. En dicha modalidad, un grupo particular de esteres de fosfato inorganicos consisten en, pero no se limitan a, piruvato de fosfoenol, glicerato 1, 3 bifosfato, fosfato de formilo, fosfato de acetilo, fosfato de propionilo, fosfato de butirilo u otros fosfatos de carboxilo, fosfo-creatina, fosfo- arginina, fosfatos de glucosa (1 o 6-fosfato), fosfatos de fructosa, glicerol-3-fosfato, nicotina amida adenina dinucleotido fosfato (NADP), fosfato de dihidroxiacetona, fosfatos de gliceraldetudo, fosfato de xilulosa, fosfatos de ribosa, fosfato de sedoheptulosa, fosfato de eritrosa, fosfato de ribulosa, fosfo-serina, fosfato de aspartilo y fosfato de adenosina.

Una de las ventajas principales de estas moleculas es el hecho que ya estan disponibles en la naturaleza y que el impacto ambiental ya se conoce. Estas moleculas forman, desde que hay vida sobre la tierra, una de las estructuras mas importantes para asegurar almacenamiento/suministro de energfa de todas las celulas vivas. El hecho que estos componentes se usen en celulas vivas asegura que son adecuadas para temperaturas, presion y pH suaves.

Estas propiedades las hacen adecuadas para procesos termicos en circunstancias ambientales, tales como se proporcionan en las diferentes modalidades de la presente invencion.

En otra modalidad particular de la presente invencion, los acidos polifosforicos lineales y/o sus sales se representan mediante la siguiente formula:

Mn+2PnO(3n+1) (Ib)

en donde

5

10

15

20

25

30

n= al menos 2; en particular 1 a 10E6; mas en particular 2 to 5;

M es H+ o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na.

En otra modalidad particular de la presente invencion, los acidos polifosforicos dclicos y/o sus sales se representan por medio de la siguiente formula:

MnPnO3n (Ic)

en donde n= al menos 3; en particular 1 a 12; aun mas en particular 3, 4, 5 o 6.

M es H+ o un cation de metal, en particular un cation de metal monovalente, aun mas en particular K o Na.

En los metodos de la presente invencion, los productos de reaccion pueden ser una mezcla que comprende cualquier combinacion de los productos descritos antes.

En los metodos de almacenamiento de energfa termica, la hidrolisis y la reaccion de condensacion, qmmicas reversibles, las cuales son exo- y endotermica respectivamente, se combinan con la captura/el almacenamiento de calor, transporte de calor y procesos de generacion de calor para explotar la capacidad de almacenamiento/suministro de energfa de las moleculas antes mencionadas.

De esta manera, en una modalidad mas, la presente invencion suministra un metodo para almacenar energfa termica, y dicho metodo comprende la reaccion de condensacion tal como se representa en el paso (2) de la figura 1, tambien denominada en lo sucesivo polimerizacion de oxoacidos inorganicos y/o sus sales usando una fuente externa de calor.

Cualquier fuente de calor disponible puede usarse en los metodos de la presente invencion. Las fuentes de calor tfpicas incluyen calor capturado de la radiacion del sol y calor residual de la industria. Por medio de la reaccion de polimerizacion de los oxoacidos inorganicos y/o sus sales, la energfa termica de la fuente de calor se transforma en calor de reaccion molecular, es decir en un enlace covalente de alta energfa, tal como se encuentra en los oxoacidos inorganicos y/o sus sales de formulas (I), (la), (Ib) y (Ic); tambien se denominan 'compuestos polimerizados'.

Los enlaces covalentes de alta energfa, unidos inorganico-oxfgeno-inorganico, y en particular los enlaces de alta energfa fosforo-oxfgeno-fosforo, suministran almacenamiento de energfa termica en una forma molecular con una densidad de energfa alrededor de 400 kJ/kg - vease tabla 1. En la tabla 1, el calor de solucion no se incorpora, en caso de utilizar, por ejemplo, un oxoacido inorganico o acido polifosforico, el calor de solucion esta por encima de los dichos calores de reaccion. Por ejemplo, en caso de acidos polifosforicos, la densidad de energfa puede ser > 1 GJ/m3 dependiendo del grado de polimerizacion y de los niveles de temperatura.

En dicha forma molecular de alta energfa, puede almacenarse/transportarse una corriente de calor previamente continua en circunstancias ambientales. De manera correspondiente produce un metodo para almacenar un proceso de generacion de calor continuo en un consumo discontinuo o desplazado. Por ejemplo, esto puede implementarse para almacenar energfa eolica en una noche de tormenta con resistencia electrica en calor capturado y liberar el calor en un pico de la manana generando vapor o ORC tal como se representa en la aplicacion 7 y 9.

Tabla 1

N kJ/kg kcal/kg kcal/mol gr/mol

ATP

71 16,83 8,4 499,12

ADP

84 19,99 8,4 420,15

AMP

103 24,62 8,4 341,18

DP

190 45,16 7,9 174,95

Hidrolisis completa de ATP

258 61,44 30,7 499,12

Fosfato de acetilo

308 73,37 11,3 154,01

Piruvato de N-fosfoenol

1 377 89,69 14,8 165,02

Piruvato de N-fosfoenol

1 0 412 98,09 85,9 875,75

5

10

15

20

25

30

35

40

45

En el metodo previamente mencionado de almacenamiento de energfa termica, 'los compuestos polimerizados' se retiran opcionalmente de la solucion acuosa de reaccion y se almacenan. La solucion acuosa de reaccion usada en los metodos de la presente invencion se determina, entre otros, por la naturaleza de los componentes usados para catalizar la transformacion, tambien denominados en lo sucesivo componentes de transformacion o componentes de acondicionamiento, los cuales son conocidos por la persona versada en la materia. Por ejemplo, cuando se usan enzimas para catalizar la transformacion, la solucion acuosa de reaccion sera una solucion reguladora apropiada, tal como, por ejemplo, el uso de una solucion con 5 mg/l de defosforilasa extrafda de Escherichia coli; cuando se usan celulas vivas para catalizar la transformacion, en lugar de estos se usa para un medio apropiado de cultivo de celulas. Las celulas vivas usadas para catalizar la transformacion consisten normalmente en microorganismos tales como, por ejemplo, bacterias como por ejemplo salmonella, legionella o Escherichia coli, conocidas por absorber calor mediante deshidrolisis de fosfato inorganico y por ser compuestos fosforilados.

Pueden usarse cambios en la concentracion del solvente, es decir cambiar la concentracion de agua en caso de una solucion acuosa, o de componentes presentes en el solvente como, por ejemplo, pero sin limitarse a, iones metalicos o subir la concentracion de los componentes de reaccion evaporando, por ejemplo, en caso de una solucion acuosa o extrayendo el agua con solventes organicos de manera que se evapore primero el solvente conjuntamente con el agua y despues se condense para separarse en un tercer paso del solvente mediante, por ejemplo, separacion gravimetrica de lfquido a fase lfquida, para influir, conducir, catalizar o inhibir la reaccion.

Como alternativa, tambien pueden usarse cambios en la concentracion de proton para catalizar la transformacion de energfa termica en enlaces covalentes de alta energfa, previamente mencionados. La concentracion de proton puede verse influenciada por productos qmmicos, por ejemplo, acidos y/o bases especialmente disenados, compuestos que contienen funciones acido-base estericos, o mediante el uso de membranas semi permeables.

Ejemplos tfpicos incluyen, por ejemplo, HCl como producto qmmico (por ejemplo, comercialmente disponible al 30-40% en peso en agua) para incrementar la concentracion de proton.

Como membranas de proton pueden tomarse PEM o "membranas de intercambio de proton", usadas por ejemplo en celdas de combustible de hidrogeno, las cuales incluyen pero no se limitan a, una de las siguientes membranas: Nafion®; Solopor®, Toyota PEM, 3M pEM, y similares.

La remocion de compuestos polimerizados de la solucion de reaccion puede hacerse en diferentes pasos de proceso, incluido por ejemplo un paso de separacion de membrana con base en el tamano de las moleculas. En dicha modalidad, los componentes de transformacion son preferiblemente mucho mas grandes que los compuestos polimerizados y pueden separarse facilmente uno de otro. Por ejemplo, cuando se usan enzimas para catalizar la transformacion, se usan membranas de ultrafiltracion o membranas de nanofiltracion, con un tamano de malla respectivamente alrededor de 10-100 nm y 1-10 manometros. Para una estructura compleja muy grande tambien puede usarse microfiltracion (>100 nm). El tamano de malla de las membranas depende de la estructura y/o el peso molecular de la enzima. Dependiendo de los productos usados y de las circunstancias de reaccion pueden seleccionarse de diferentes tipos de membranas comercialmente disponibles. Vease tabla 2 para diferentes ejemplos posibles.

Ademas de la tecnica de separacion por filtracion de membrana, tal como se ha descrito antes, como la nano-, ultra- y micro filtracion, otros medios para separar los compuestos polimerizados de la solucion de reaccion son conocidos por la persona versada en la materia e incluyen, por ejemplo, tecnicas de separacion con base en propiedades electricas o magneticas de, por ejemplo, grandes complejos (enzimas) para separar en un campo electrico/magnetico, tecnicas de separacion con base en densidad por fuerzas centnfugas o por sedimentacion con base en precipitacion, en transicion de fase del lfquido a solido seguida de separacion lfquido-solido, o mediante adhesion de los productos a geles, evaporando agua de la solucion de reaccion y muchas mas.

Tabla 2: Membranas comercialmente disponibles para nano-, ultra- y micro filtracion de 2 fabricantes (fuente
www.sterlitech.com)

Nanofiltracion (NF)

Designacion

Fabricante Polfmero Tamano de poro 25C pH Ra

CK

GE Osmonics Acetato de celulosa 0 MWCO 2-8

DK

GE Osmonics TF (Pelfcula delgada) 0 MWCO 2-8

DL

GE Osmorics TF (Pelfcula delgada) 0 MWCO 2-8

HL

GE Osmorics TF (Pelfcula delgada) 0 MWCO 3-9

TFC-SR3

Koch Membrane TF (Pelfcula delgada) com 200 MWCO 4-10

TFC-SR2

Koch Membrane Propietario 350 MWCO 4-9

SerRO MPF-34

Koch Membrane Propietario 200 MWCO 0-14

SelRO MPF-44

Koch Membrane Propietario 250 MWCO 3-10

SelRO MPF-36

Koch Membrane Propietario 1000 MWCO 1-13

Ultrafiltracion (UF)

CQ

GE Osmonics CA (Acetato de celulosa) 20000 MWCO 2-9

GE

GE Osmonics Poliamida compuesta 2-11

GH

GE Osmonics TF (Pelfcula delgada) 1000 MWCO 2-11

GK

GE Osmonics TF (Pelfcula delgada) 2000 MWCO 2-11

GM

GE Osmonics TF (Pelfcula delgada) 4000 MWCO 2-11

ER

GE Osmonics Polisulfona 30000 MWCO 0.5-13

EW

GE Osmonics Polisulfona 60000 MWCO 0.5-13

PT

GE Osmonics PES (Polietersulfona) 5000 MWCO

PW

GE Osmonics PES (Polietersulfona) 20000 MWCO 2-11

JW

GE Osmorics PVDF 30000 MWCO 1-11

MW

GE Osmorics Ultrafflico 100000 MWCO 1-10

SelRO MPF-U20-S

Koch Membrane Propietario 20000 MWCO 3-11

SelRQ MPF-U20-T

Koch Membrane Propietario 20000 MWCO 0-14

SelRO MPF-U20-P

Koch Membrane Polietersulfona 25000 MWCO 0-14

HPK-328

Koch Membrane Polisulfona 5000 MWCO 2-10

HFK-131

Koch Membrane Polisulfona 10000 MWCO 2-10

HFK-141

Koch Membrane Polisulfona 30000 MWCO 2-10

HFM-100

Koch Membrane PVDF 50000 MWCO 2-10

HFM-116

Koch Membrane PVDF 50000 MWCO 2-10

HFM-180

Koch Membrane PVDF 10000 MWCO 2-10

HFM-183

Koch Membrane PVDF 100000 MWCO 2-10

HFP-707

Koch Membrane PVDF 120000 MWCO 2-10

Microfiltracion (MF)

JX

GE Osmonics PVDF 0.3 micron 2-11

HFK-618

Koch Membrane Polisulfona 0.1 micron 2-10

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Por consiguiente, otro objeto de la presente invencion es proporcionar el uso de 'compuestos polimerizados' para almacenar/transportar ene^a termica a temperatura ambiente. Esto produce por consiguiente el uso de 'compuestos polimerizados' en un metodo para almacenar un proceso de generacion de calor continuo en un consumo discontinuo.

Ya que el objetivo es proporcionar una fuente de energfa, es decir convertir un proceso de generacion de calor continuo en un sistema de liberacion de calor discontinuo, la presente invencion proporciona ademas los medios para liberar calor desde los compuestos polimerizados, y dicho metodo comprende la reaccion de hidrolisis tal como se representa en el paso (1) de la figura 1, tambien denominada en lo sucesivo hidrolisis de oxoacidos inorganicos y/o sus sales y usa la energfa termica liberada por dicha reaccion isotermica como fuente de calor.

Con respecto a la reaccion de polimerizacion, vease arriba, las condiciones de reaccion para la reaccion de hidrolisis se determinaran por, entre otros, la naturaleza de los componentes usados para catalizar la transformacion (componente de transformacion) y son conocidas por el experto en la materia, en otras palabras y por ser evidentes a partir de los ejemplos a continuacion, hay un acondicionamiento de la corriente de alimentacion (21) para optimizar las condiciones de reaccion para la reaccion de hidrolisis. Por ejemplo, cuando se usan enzimas para catalizar la transformacion, puede usarse una solucion reguladora de pH, tal como por ejemplo una solucion con 5 mg/l de fosforilasa extrafda de Escherichia coli; cuando se usan celulas vivas para catalizar la transformacion, en lugar de esto se usa para un medio de cultivo de celulas apropiado. Las celulas vivas usadas para catalizar la transformacion consisten normalmente en microorganismos tales como, por ejemplo, bacterias como por ejemplo salmonella, legionella o Escherichia coli. Las celulas generan calor por hidrolisis de los compuestos fosforilados.

Pueden usarse cambios en la concentracion del solvente, es decir cambiar la concentracion de agua en caso de una solucion acuosa o de componentes presentes en el solvente como, por ejemplo, pero no limitarse a, iones metalicos, celulas, enzimas, etc., o aumentar la concentracion de los componentes de reaccion como, por ejemplo, por evaporacion en caso de una solucion acuosa o extrayendo el agua con solventes organicos de manera que primero se evapora el solvente conjuntamente con el agua y en segundo lugar se condensa para separarse en un tercer paso del solvente mediante, por ejemplo, separacion gravimetrica del lfquido a fase lfquida, para influir, conducir, catalizar o inhibir la reaccion.

Como alternativa pueden utilizarse tambien qmmicos y membranas de intercambio de proton para catalizar la transformacion de energfa termica en enlaces covalentes de alta energfa, previamente mencionados. La concentracion de proton puede verse influenciada por qmmicos o por el uso de membranas semi permeables.

Los ejemplos tfpicos incluyen, por ejemplo, NaOH como producto qmmico (por ejemplo, disponible comercialmente al 50% en peso en agua) para disminuir la concentracion de proton.

Como membranas de proton pueden tomarse PEM o "membranas de intercambio de proton" disponibles en el comercio, utilizadas por ejemplo en celdas de combustible de hidrogeno que incluyen pero no se limitan a una de las siguientes membranas: Nafion®; Solopor®, Toyota PEM, 3M PEM..., y similares.

Una vez mas, los compuestos hidrolizados se retiran opcionalmente del medio de reaccion usando procedimientos conocidos en la tecnica, tales como se proporcionan para los compuestos polimerizados arriba. En dicha forma, los compuestos hidrolizados, es decir que comprenden el grupo hidroxilo capaz de formar compuestos polioxoacidos inorganicos o sus sales de nitrogeno, azufre o fosforo pueden usarse como material de fuente en la reaccion de deshidrolisis (supra).

Evidentemente los sistemas (instalaciones) que usan el ciclo CHEMENERGY tal como se describe en la presente, tambien se encuentran dentro del alcance de la presente solicitud. En un primer aspecto, tales sistemas podnan ser sistemas para capturar o almacenar energfa, caracterizados porque comprende medios de captura para capturar energfa de una fuente de calor utilizando la reaccion de polimerizacion (condensacion) tal como se describe en la presente (representada como A en las aplicaciones de abajo); y medios de almacenamiento para almacenar energfa capturada en la forma de los productos de reaccion de dicha reaccion de condensacion. Dichos medios para capturar calor incluyen al menos un recipiente de reaccion para una mezcla de reaccion que comprende un compuesto oxoacido inorganico y/o su sal tal como se describe en la presente y agua, adecuados para tener una reaccion de condensacion endotermica realizada en dicha mezcla de reaccion y que comprende un elemento de calentamiento en comunicacion termica con dicho recipiente.

En un segundo aspecto, tales sistemas podnan ser sistemas para liberar la energfa termica almacenada en los productos de reaccion de la reaccion de condensacion de acuerdo con la presente invencion, caracterizados porque comprenden medios de liberacion para liberar la energfa capturada y almacenada en los productos de reaccion de la reaccion de condensacion de acuerdo con la presente invencion, por medio de un paso de hidrolisis exotermica (representada como C en las aplicaciones de abajo). Dichos medios para liberar la energfa incluyen al menos un recipiente de reaccion para una mezcla de reaccion que comprende un compuesto oxoacido inorganico y/o su sal, tal

como se describe en la presente, adecuado para tener una reaccion de hidrolisis exotermica y que comprende un elemento de calentamiento en comunicacion termica con dicho recipiente.

En otro aspecto, el sistema incluye medios tanto para capturar ene^a de una fuente de calor usando la reaccion de polimerizacion (condensacion), tal como se describe en la presente (representada como A en las aplicaciones de abajo); 5 como medios para liberar la energfa capturada y almacenada en los productos de reaccion de la reaccion de condensacion de acuerdo con la presente invencion, por medio de un paso de hidrolisis exotermica (representada como C en las aplicaciones de abajo). Tales sistemas que tienen ambos medios (A) y (C) permiten que el calor con un estatus de exergfa bajo y utilizado en el accionamiento de la reaccion de condensacion endotermica (A) sea bombeado a un estatus de exergfa superior en la reaccion de hidrolisis exotermica (C), es decir al establecer una bomba de calor que 10 hace uso del ciclo CHEMENERGY de la presente invencion.

En una modalidad particular, los sistemas para liberar la energfa termica de los productos de reaccion de la reaccion de condensacion de la presente invencion pueden comprender ademas un intercambiador de calor (representado como B en las aplicaciones de abajo). Este intercambiador de calor se usara para incrementar la temperatura de los productos de reaccion de la reaccion de condensacion alimentada a la mezcla de reaccion usada en la reaccion de hidrolisis 15 exotermica (C). Sin estar limitados a esto, las temperaturas usadas estan en un intervalo de aproximadamente 60 °C- 500 °C; tfpicamente desde aproximadamente 120-500 °C y mas en particular desde aproximadamente 150-300 °C.

Esta invencion se entendera mejor por referencia a los detalles experimentales que siguen, pero aquellos versados en la materia apreciaran facilmente que estos son solo ilustrativos de la invencion, tal como se describe de manera mas completa en las reivindicaciones que siguen despues. Adicionalmente, por toda esta aplicacion se citan diversas 20 publicaciones. La divulgacion de estas publicaciones se incorpora de esta manera mediante referencia a esta solicitud para describir de manera mas completa el estado del arte a la cual pertenece esta invencion.

Ejemplos

Ejemplo 1 - esteres de fosfato/polifosfatos

La hidrolisis de un compuesto de fosforo tiene una energfa de reaccion aproximadamente de 150-500 kJ/kg, 25 dependiendo de las condiciones de reaccion. Tfpicamente, los componentes propuestos tienen una densidad de energfa de 400-1000 MJ/m3. Cuando se usan fuentes de temperatura superiores como, por ejemplo, el sol, es posible condensar (deshidrolizar), por ejemplo, acido fosforico hasta lograr P2O5 seco, el cual tiene una densidad de energfa aproximada de 3000 MJ/m3.

En comparacion con otros materiales de almacenamiento de calor, la capacidad de calor de los componentes 30 polimerizados aqrn reivindicados es sustancialmente superior. Por ejemplo, la reaccion de cambio de fase de la parafina entrega 20-90 kJ/kg, dependiendo de las condiciones de reaccion (copyright @2002 John Wiley & Sons, Ltd.). La disolucion de acido sulfurico en agua a un calor de reaccion de 300-400 kJ/kg dependiendo de las condiciones de reaccion (Chemical and engineering thermodynamics Stanley I. Sandler copyright @1989 John Wiley & Sons, Ltd.). La unica excepcion es la cristalizacion de acetato de Na que entrega 400 MJ/m3, pero requiere una transicion de fase 35 durante la conversion de calor.

Productos usados

El ciclo descrito aqrn tiene su energfa derivada de la energfa qmmica: CHEMENERGY. Este usa moleculas que pueden ser fosforiladas, nitrolizadas o sulfonizadas, o hidrocarburos (PHs) o (poli)fosfatos inorganicos (IPs), acidos polifosforicos o compuestos oxidar acidos inorganicos y/o sus sales de nitrogeno, azufre

40 1. Nucleotidos: consisten en cualquier combinacion de bases nitrogenosas diferentes y diferentes azucares

(ventosas) y pueden tener mono, di y trifosfato(s) como un grupo fosforilo.

Como bases pueden tomarse: purina, pirimidina, adenina, guanina, timina, citocina, uracilo, hipoxantina, 5- metilcitocina, N6-metiladenina, dihidrouracilo, 1-metilguanina, ribotimidina, pseudouridina, 1-metiliosina....

Como azucares (pentosa) pueden tomarse fructosa, ribosa, D-ribofuranosa, 2-desoxi-D-ribofuranosa, ....

45 2. Acidos nucleicos: pueden consistir en cualquier combinacion de nucleotidos diferentes. Los nucleotidos estan

ligados por enlaces de fosfato entre 2 bases en los acidos nucleicos.

3. Moleculas de energfa que se encuentran mas en toda las celulas vivientes: piruvato de fosfoenol, glicerato 1,3 bifosfato, fosfato de formilo, fosfato de acetilo, fosfato de propionilo, fosfato de butirilo u otros fosfatos de carboxilo, fosfocreatina, fosfo-arginina, fosfatos de glucosa (1 o 6-fosfato), fosfatos de fructosa, 1,3-fosfato de glicerol, nicotina 50 amida adenina dinucleotido fosfato (NADP), fosfato de dihidroxiacetona, fosfatos de gliceraldehudo, fosfato de xilulosa, fosfatos de ribosa, fosfato de sedoheptulosa, fosfato de eritrosa, fosfato de ribulose, fosfoserina, fosfato de aspartilo, fosfato de adenosina.

5

10

15

20

25

30

35

40

4. Acidos polifosforicos inorganicos y sus sales.

5. (Poli) nitratos inorganicos como, por ejemplo, celulosa,...

6. (Poli) sulfatos inorganicos y sulfonatos.

No es el proceso de fosforilacion o el proceso de condensacion o de polimerizacion como tales o el proceso de esterificacion en celulas vivientes que se reivindican sino la condensacion y en particular el proceso de condensacion de acido fosforico y/o acidos polifosforicos y/o sales en combinacion con un almacenamiento de calor, bomba de calor, procesos de transporte generacion en aplicaciones industriales que se llaman el "ciclo Chemenergy".

Todas las modalidades pueden usarse a gran escala o a muy pequena escala.

□ Ejemplo de una gran escala puede ser una red industrial o residencial grande de barrios (ciudad) o pisos conectados con el mismo sistema de calor que obtiene calor de calor residual industrial almacenado con el ciclo chemenrgy, transportado por tubenas y envfos a granel.

□ Ejemplo de una pequena escala puede ser el uso dentro de una casa/granja con pequenas capacidades de generacion de calor como, por ejemplo, sistema solar/estercolero/fosa septica, y un pequeno deslizador Chemenergy para mejorar el rendimiento termico.

El proceso general "CHEMENERGY" (Figura 1)

Almacenamiento de calor

1. Almacenamiento 1.1 de componentes hidrolizados.

2. Seccion de acondicionamiento 1: adicion de enzimas, iones, celulas, sustancias frescas.

3. Almacenamiento 1.2 de productos de acondicionamiento

4. Seccion de reaccion 1: uso de calor termico para polimerizar componentes a manera de ejemplo pero sin limitarse a retirar, extraer o evaporar el agua de la solucion.

5. Seccion de separacion 1: uso de diferentes tecnicas de separacion y pasos para separar los componentes polimerizados de los productos de acondicionamiento, residuos, enzimas, agentes de separacion de enzimas y solventes (o en particular agua).

6. Almacenamiento 1.3 de componentes polimerizados.

Liberacion de calor

1. Almacenamiento 2.1 de componentes polimerizados.

2. Seccion de acondicionamiento 2: adicion de enzimas, iones , celulas, sustancias frescas, agua.

3. Almacenamiento 2.2 de productos de acondicionamiento

4. Seccion de reaccion 2: uso de disipador de calor (demanda de calor) para hidrolizar componentes, por ejemplo pero sin limitarse a, adicionando pequenas cantidades, por ejemplo de 1-10% de agua (solucion de acondicionamiento) ya sea en la fase lfquida o en la de vapor. 5 6

5. Seccion de separacion 2: uso de diferentes tecnicas de separacion y pasos para separar los componentes polimerizados de los productos de acondicionamiento, enzimas residuales, agentes de separacion de enzimas y solventes (o en particular agua).

6. Almacenamiento 2.3 de componentes hidrolizados.

El proceso "CHEMENERGY" con compuestos fosforilados (Figura 2)

Bucle de captura de calor

1. Almacenamiento de corrientes de alimentacion.

5

10

15

20

25

30

35

40

2. Acondicionamiento de las corrientes de alimentacion adicionando desde el acumulador intermedio. Son factores importantes para influir en las reacciones, entre otros, el pH, la concentracion del ion (Ca2+, Mg2+, K, Na, Cl-, Pi, acidos, .... ) enzimas, celulas, agua, solventes, temperatura y otros muchos.

3. Reaccion: reaccion de condensacion para formar acido polifosforico o sus sales absorbiendo calor, a manera de ejemplo pero sin limitarse a esto, disminuyendo la concentracion de agua tal como por ejemplo extrayendo, retirando y/o evaporando el agua.

4. Separacion de componentes: la separacion puede hacerse en diferentes pasos del proceso. Una tecnica particular de separacion es la separacion por membrana, con base en el tamano y/o la polaridad de las moleculas. Por ejemplo, los componentes mas grandes no pueden pasar la membrana, los componentes mas pequenos y pueden.

• Separacion por membrana 1a: ultrafiltracion, ATPasa

(o parte de ATPasa) y agentes de separacion de AT (D) P se separan del resto. (tabla 2, MWCO < 2000, pH < 7 )

• Separacion con membrana 1b: ultrafiltracion, separacion de agentes de separacion de ATP de ATPasa o parte de esta enzima. (tabla 2, MWCO < 100,000, pH < 7 )

• Separacion con membrana 2: nano filtracion, separacion de agua. (tabla 2, MWCO < 100, pH < 7)

• Separacion con membrana 3: membrana de intercambio ionico, separacion de iones. (tabla 2, MWCO < 500,000, pH < 7 )

5. Almacenamiento y transporte en circunstancias ambientales. En algunas aplicaciones los pasos 2 y 3 del ciclo descrito antes pueden hacerse simultaneamente, por ejemplo incrementar la concentracion y absorber calor de la fase de reaccion usando calor respectivamente para evaporar el solvente y para polimerizar los componentes hidrolizados.

Ademas, en algunas aplicaciones donde se separa el agua de la solucion, los pasos 3 y 4 se combinan a fin de conducir la reaccion hacia los componentes polimerizados. La tecnica de separacion puede ser, pero no se limita a esto, evaporando agua; o un solvente organico conjuntamente con pequenas fracciones de agua y mas tarde se condensa para separarse el solvente mediante extraccion gravimetrica lfquido a lfquido a lfquido.

Ciclo de proceso de liberacion de calor:

1. Almacenamiento de corrientes de alimentacion.

2. Acondicionamiento de las corrientes de alimentacion adicionando desde el almacenamiento intermedio. Factores importantes para influir en la reacciones son, entre otras, el pH, la concentracion de ion (Ca2+, Mg2+, K, Na, Cl-, Pi, .... ), enzimas, celulas, agua, solventes, temperatura y muchos otros.

3. Reaccion: hidrolisis con liberacion de calor adicionando agua u otros agentes de hidrolisis, ya sea en fase lfquida o en vapor.

4. Separacion de componentes: la separacion puede hacerse en diferentes pasos de proceso. Una tecnica de separacion particular es la separacion por membrana con base en el tamano y/o la polaridad de las moleculas. Por ejemplo, los componentes mas grandes no pueden pasar la membrana, los componentes pequenos si pueden.

• Separacion por membrana 4a: ultrafiltracion, ATPhidrolasa (o parte de ATPhidrolasa) y agentes de separacion de AD(T)P se separan del resto (table 2, MWCO < 2000, pH >7)

• Separacion por membrana 4b: ultrafiltracion, ATPhidrolasa (o parte de ATPhidrolasa) separada de agente de separacion de AD(T)P. (tabla 2, MWCO <

100,000, pH >7)

• Separacion por membrana 5: Nanofiltracion, separacion de agua. (Tabla 2, MWCO <100, pH >7)

• Separacion por membrana 6: membrana de intercambio ionico, separacion de iones. (table 2 MWCO < 500,000, pH >7)

• Otras secuencias del paso de separacion pueden hacerse con el mismo afecto.

5. Almacenamiento y transporte en circunstancias ambientales.

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En algunas aplicaciones los pasos 2 y 3 del ciclo descrito antes pueden hacerse simultaneamente, por ejemplo el acondicionamiento del pH podna ser necesario para mantener la reaccion andando. En caso que el segundo componente de hidrolisis sea agua, no sera necesaria una separacion de los componentes.

Otros detalles de la figura 2 pueden ser en particular:

1. A las siguientes temperaturas fue operado el ciclo:

1.1. Temperaturas producto de reaccion 1 en: 20 °C (almacenamiento ambiental).

1.2. Temperaturas entrada de calor de reaccion 1: > 50 °C y preferiblemente > 70 °C; en particular > 80°-100 °C; mas en particular > 140 °C: que viene de calor residual industrial disponible.

1.3. Temperaturas producto de reaccion 2 en: al menos 20 °C (almacenamiento ambiental o temperaturas superiores).

1.4. Temperaturas de salida de calor de reaccion 2 > 40 °C: servidas para un sistema de calentamiento central.

2. Concentracion de reaccion 1 a pH < o > 7 + iones en agua a 80 °C y concentracion de agua por ejemplo <30% y preferiblemente < 10%; en particular < 15% y mas en particular < 5-10% o mas baja.

3. Concentracion de reaccion 2 a pH > o < 7 + iones en agua a 90 °C y concentracion de agua por ejemplo > 30%. Aqm no se muestran todos los sub componentes como AMP, hidrofosfato, iones, etcetera.

4. Tal como ATP y ADP, todos los otros tipos de fosfatos o polifosfatos de los componentes descritos en esta invencion tambien pueden usarse; en particular, los hidrocarburos fosforilados, oxoacidos inorganicos de fosforo o acidos polifosforicos mas espedficos y/o sus sales.

5. No se muestran todos los flujos de interconexion pero las principales conexiones mostradas son suficientes para indicar funcionalidad para una persona versada en la materia.

6. Bombas, valvulas, tubena y otras especificaciones de equipo de procesamiento estandar no se encuentran indicadas.

7. Presiones que dependen de la cafda de presion sobre membranas y cafda de presion de tubena. La configuracion depende del tamano y la geometna.

8. Materiales de equipo a elegirse con atencion a las circunstancias del medio (principalmente accionadas por pH). Equipo Hastelloy o duplex & materiales de tubena son adecuados para la aplicacion descrita aqrn. Otros materiales (acero de carbon, acero inoxidable u otras aleaciones) que resisten las circunstancias del medio pueden tomarse en funcion de precios de material y vida util deseada.

Materias primas y materiales de partida

Los materiales de partida para este proceso pueden producirse de diferentes maneras. Pueden extraerse los componentes de la biomasa o de qrnmicos disponibles y de rutas de reaccion de qrnmicos disponibles.

□ Muchos de los materiales usados tienen rutas que se presentan, por ejemplo, por companias farmaceuticas que son los pHs para ensayar medicamentos in vitro sobre ATP u otros nucleotidos. Estos procesos son principalmente para una produccion a pequena escala y, por ejemplo, aplicacion de ciclo de calor por unidades.

□ Tambien existen materiales que pueden crearse a partir de la combinacion de quimicos disponibles comercialmente como, por ejemplo, acido acetico y acido fosforico para producir fosfato de acetilo. Estas materias primas pueden usarse para ciclos de calor a gran escala.

□ Uso de acido (poli) fosforico disponible comercialmente, preferiblemente de calidad quimicamente puro, tipicamente 70%-85% de H3PO4.

Lo espedfico para este ciclo es el uso de hidrocarburos fosforilados o acidos (poli) fosforicos inorganicos y/o sus sales. Regulacion de Ph

En el ciclo Chemenergy, el acondicionamiento de las corrientes de alimentacion tanto para el almacenamiento de calor como para la parte de liberacion de calor, incluye la regulacion de pH. Cualquier metodo conocido para regular el pH en una corriente de alimentacion puede usarse, e incluye por ejemplo la aplicacion de una "membrana de intercambio de protones" (PEM), tal como por ejemplo Nafion®; Solopor®, la Toyota PEM o 3M PEM, disponibles comercialmente. Dichas membranas transportan protones de manera unidireccional y selectiva hacia el catodo (lado negativo) de la

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membrana. De manera alternativa, el pH se regula usando complejos espedficos de acidos/bases o qmmicos como reguladores de pH, incluyen por ejemplo la aplicacion de HCl o NaOH.

Ejemplo 2 - Ensayos de laboratorio del proceso CHEMENERGY en diferentes condiciones de inicio

2.1. Inicio con el ciclo de proceso de liberacion de calor a temperatura ambiente

1. Mezclar agua y acido polifosforico a 20 °C y presion ambiental. Con base en el balance de calor detallado mas abajo, la temperatura se incrementara hasta aproximadamente 95 °C; agitar la mezcla.

2. Establecer vado sobre la mezcla caliente, mantener la mezcla caliente con una resistencia electrica y retirar el agua evaporada con un condensador de aire. La duracion de este paso de evaporacion (separacion) dependera de la cantidad de agua que debe retirarse pero es probable que dure cerca de 1 hora.

3. Enfriar la mezcla de polifosfatos con aire ambiental hasta 25 °C. Regresar al paso 1 y cerrar el ciclo.

Calculo de cambio en la temperatura (Delta T):

Si el porcentaje de masa de la mezcla es 90% de acido polifosforico mezclado con 10% de agua, puede calcularse un calor de reaccion de 300 kJ/kg y una capacidad calonfica de mezcla promedio total (cp) de 1.5 kJ/kgK, el delta T, a partir de un balance termico simple tal como sigue:

Calor de reaccion = (masa) x (Cp) x (Delta T).

Por lo tanto, Delta T (calor de reaccion) / [(Cp) x (masa)]

Usando el calor de reaccion mencionado antes, Cp y masa, el cambio en temperaturas/kg sera de 75 °C. En otras palabras, la mezcla se incrementara de 25 °C a algo menos de 100 °C.

2.1.1. Conclusion para el proceso CHEMENERGY cuando se inicia a temperatura ambiente

A pesar del hecho que en este caso el ciclo de la reaccion este cerrado, termodinamicamente no tiene sentido debido al hecho que el calor generado en el paso 1 se contrarresta por la energfa requerida para evaporar agua de la mezcla en el paso 2. Por dichas razones, y tal como se explica en la presente, el proceso CHEMENERGY de la presente invencion es particularmente util en combinacion con una fuente de calor externa, tal como por ejemplo calor residual de procesos industriales. En dichas circunstancias y tal como se explica en 2. 3. abajo, el ciclo del proceso de liberacion de calor puede iniciar, por ejemplo, a un nivel de calor residual industrial; por ejemplo, entre 50°C - 200°C y mas espedficamente entre 80-150 °C, pero tambien puede iniciar desde temperaturas superiores como, por ejemplo, 300 °C, si se desea.

2.2. Inicio con el ciclo de proceso de liberacion de calor a temperaturas de calor residual industrial

Con este experimento el objetivo fue bombear calor de un nivel de temperatura a un nivel superior. El nivel de temperatura del paso uno en el ensayo 1 fue 90 °C, este es el nivel de temperatura promedio que se llama en la industria calor residual, a saber entre 60-120 °C. Por ejemplo, el nivel de enfriamiento de al aceite de motor diesel es alrededor de 90 °C. Los pasos 1-4 se ensayaron 10 veces uno despues de otro para aprobar la capacidad de ciclo y/o la reversibilidad.

1. Mezclar agua y polifosfatos a 90 °C a una presion de 6 bar. En analogfa con 2.1, se esperaba por encima de un Delta T de 75 °C y la temperatura sf se incremento hasta alrededor de 165 °C mientras se agitaba la mezcla continuamente.

2. La mezcla se enfrio con aire ambiente aproximadamente 90 °C esto puede compararse con la liberacion hacia un proceso.

3. Presion sobre la mezcla caliente se libero hasta que se evaporo agua mientras se mantema la mezcla caliente con agua de 90 °C y retirando el agua evaporada con un condensador de aire. La duracion de este paso de evaporacion (separacion) depende de la cantidad de agua que vaya a retirarse pero duro alrededor de 1 hora.

4. La mezcla se presurizo hasta 6 bar y el agua evaporada se reutilizo en el paso 1 cerrando el ciclo del proceso CHEMENERGY. El incremento de temperatura fue de alrededor de 30-50 °C.

2.2.1. Conclusion para el proceso CHEMENERGY cuando inicia a temperatura de calor residual

En este segundo caso, puesto que se usa calor residual para el paso de evaporacion, solamente se requiere una cantidad limitada de energfa adicional para presurizar la mezcla. Por consiguiente, parte del calor residual con un estatus de exergfa bajo (a 90 °C) se bombea a un estatus mas alto de exergfa de aproximadamente 165 °C. En esta configuracion de laboratorio, el experimento sirvio solamente para bombear agua caliente de 90°C a un aire caliente de

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165 °C. Pero es posible imaginar que si se usaran otros fluidos y/o fuentes de calor, el presente ciclo permitina la creacion de bombas de calor para generar o valorar calor residual hacia energfa y/o calor utiles. Por ejemplo, el proceso CHEMENERGY de la presente invencion podna usarse para accionar reacciones qmmicas en una planta qmmica a 120-130 °C que, en lugar de esto, ahora se accionan por vapor de alta temperatura de por ejemplo 6-10 bar, usando vapor residual de 1-2 bar.

Por lo tanto, es la combinacion del incremento de temperatura, causado por la reaccion de hidrolisis de los oxoacidos inorganicos y/o sus sales, en particular acidos polifosforicos inorganicos y/o sus sales, con la presencia de una fuente de calor/energfa que puede dar un aumento a incrementos de temperatura muy superiores, por ejemplo > 200 °C, dando lugar de esta manera a un incremento total de la energfa termica. Como se volvera evidente a partir de las siguientes aplicaciones ejemplares del ciclo CHEMENERGY en diferentes ambientes, la fuente de calor se utiliza por una parte para retirar agua (20) del producto de reaccion (14) de la reaccion de hidrolisis (C), es decir en otras palabras para accionar la reaccion de polimerizacion (condensacion) (A); y por otra parte para incrementar la energfa termica de los componentes condensados (polimerizados) (10) usados en la reaccion de hidrolisis (C).

En el listado de posibles aplicaciones de abajo, como un ejemplo, se utilizo acido fosforico lfquido (14) como un monomero para polimerizarse (reaccion de condensacion (A)) hacia una mezcla lfquida de acidos polifosforicos (10) de la formula general Ib y Ic de arriba (longitudes de polfmero generalmente > 1, y tfpicamente desde alrededor de 2-7), mediante la remocion de agua (20) bajo la influencia de la fuente de calor/energfa. El agua obtenida de esta reaccion de polimerizacion (condensacion) puede ser (re) utilizada en la reaccion inversa, es decir la reaccion de hidrolisis, eventualmente despues de acondicionar con los componentes de acondicionamiento (21) o soplar hacia la atmosfera. Dependiendo de la fuente de energfa, la reaccion de polimerizacion corre al vado, vado cercano o con una pequena sobrepresion. Para fuentes de calor que inician alrededor de 140 °C, se desea una pequena sobrepresion, tfpicamente 0,1-0,5 barg, pero algunas veces mas alta en funcion de requisitos operacionales espedficos. Para fuentes de calor de hasta alrededor de 80 °C bajo presion se desea tfpicamente >0,025 bar o menor. Para fuentes de calor entre y alrededor de 80 °C y 140 °C, la presion vana desde una ligera sub presion ± 0,025 bar a mas o menos 1 atmosfera. Evidentemente, a partir de lo precedente como parte del ciclo CHEMENERGY, la reaccion de polimerizacion se lleva a cabo a temperaturas mas bajas en un rango de aproximadamente 80-200 °C, pero tfpicamente de 90-120 °C.

En la reaccion inversa, es decir la reaccion de hidrolisis (C), dicha mezcla lfquida de acidos polifosforicos (10) se usa como polfmero hidrolizado (adicion de agua) bajo presion hacia el acido fosforico (14) y algunos residuos de acidos polifosforicos en una reaccion exotermica con la liberacion de calor elevando el calor residual inicial a un nivel de energfa superior. Nuevamente, puede (re) utilizarse el acido fosforico como corriente de alimentacion en la reaccion de condensacion (A) previamente mencionada, cerrando de esta manera el ciclo CHEMENERGY de acuerdo con la presente invencion. En la reaccion de hidrolisis, el agua puede adicionarse como agua caliente, ya sea en forma de ifquido o de vapor. Cuando esta en forma de vapor, esto da un empuje extra a la reaccion de hidrolisis debido al calor de condensacion adicionado extra cuando se mezcla el vapor con los acidos polifosforicos. En teona, la reaccion de hidrolisis puede correr a temperatura ambiente, pero cuando se usa como incremento de temperatura (bomba de calor) para incrementar la energfa termica de una fuente, esta corre a temperaturas superiores tales como, por ejemplo, pero no limitadas a 60°-500 °C; tfpicamente de 120-500 °C, y mas en particular de aproximadamente 150-300 °C. En dicho caso y como ya se ha explicado antes, la fuente de calor/energfa tambien sera utilizada para incrementar la energfa termica de los componentes condensados (polimerizados) (10) utilizados en la reaccion de hidrolisis (C).

Evidentemente, el nucleo del proceso CHEMENERGY ya mencionado es la reversibilidad de la reaccion de hidrolisis de los acidos polifosforicos vs. los acidos fosforicos. De esta manera, en teona, los acidos fosforicos pueden usarse en un ciclo cerrado, pero puesto que pueden ocurrir algunas reacciones laterales irreversibles, podnan necesitarse cierto desborde (desperdicio) y nueva alimentacion de acidos fosforicos para mantener optimo el desempeno. Por consiguiente, las concentraciones de acido fosforico son bastante estables por todo el ciclo con concentraciones en el rango de aproximadamente 80-90%; en particular de aproximadamente 84-94% despues de hidrolisis y de alrededor de 90-100%; en particular de aproximadamente 94-100% antes de la hidrolisis.

Dependiendo de la aplicacion, el ciclo es continuo (flujo continuo de las corrientes de alimentacion entre la reacciones (A) y (C)), por ejemplo:

- Aplicacion 1 (figura 3): bomba de calor para valorar el calor residual en calentamiento/enfriamiento de procesos, bodegas, areas residenciales, supermercados, etc., usando calor residual de otro proceso, ambiente, sol, viento y similares.

- Aplicacion 2 (Fig 4): bomba de calor entre redes termicas para incrementar la energfa termica de un nivel de temperatura/presion de fluido termico como, por ejemplo, vapor, agua, aceite termico,... A un nivel superior de temperatura/presion de un fluido termico como, por ejemplo, vapor, agua, aceite termico,.,

- Aplicacion 5 (figura 5): uso de tecnologfa de bomba termica para generar fno, por ejemplo con temperaturas ambiente altas, para refrigeracion de procesos industriales, bodegas, supermercados, refrigeradores, casas, areas residenciales, etc., con calor residual de procesos, ambiente, sol, viento, potencia termica combinada, barrios u otros.

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-Aplicacion 6 (Fig 6): transformer calor residual de procesos, sol, viento, potencia termica combinada, etc., por medio de una bomba termica para generacion de vapor para expandir vapor sobre una turbina en la generacion de electricidad.

- Aplicacion 7 (Fig 7): bombear calor residual desde procesos, sol, viento, potencia termica combinada, etc.... y transformer con una turbina de 'ciclo organico de Rankine' (ORC) en electricidad.

-Aplicacion 8 (Fig 8): transformer calor solar en electricidad, usando mas o menos el mismo esquema que para la aplicacion 7, con la sola diferencia de que se usa calor solar como fuente de calor. En esta aplicacion particular el calor solar puede usarse para deshidrolizar completamente algo (14 b) o todo el acido fosforico lfquido (14) en la reaccion de polimerizacion (condensacion), produciendo P2O5 puro (solido) of casi puro (lechada). En este caso se logra una densidad de energfa muy alta (hasta 3 GJ/m3) y el sistema tiene que disenarse para manejar este material. Esto puede hacerse, por ejemplo, calentando un acido fosforico que no fluye en un contenedor (de contencion aislada) calentado constantemente por la luz solar de manera directa o indirecta y el vapor de agua escapa del acido fosforico hasta que solamente queda un polvo seco o una lechada de P2O5 solido.

-Aplicacion 9 (Fig 9): en almacenamiento de electricidad generada por viento. En esta aplicacion el calor se genera por resistencia electrica; este calor se usa por medio de una bomba de calor por generacion de vapor para expandir el vapor sobre una turbina y generar electricidad. Puede usarse para almacenar electricidad generada por el viento durante cafdas en la red de electricidad y la cuarta para mas tarde durante picos en la red de electricidad;

Discontinua, por ejemplo

-Aplicacion 3 (Fig 10): en almacenamiento de calor o de energfa (calor residual, calor solar, energfa eolica, vapor, etc.,.) con un tanque de almacenamiento de calor. En esta aplicacion, el calor residual de los procesos, del sol, del viento, y de otros se utiliza para bombear y almacenar calor. Esto puede usarse, por ejemplo, para conectar un productor de calor discontinuo a un consumidor de calor continuo, viceversa o para enlazar produccion de calor discontinua con un consumo de calor discontinuo.

-Aplicacion 4 (Fig 11): en transporte de calor que difiere del precedente en que el calor residual se convierte y se captura efectivamente en una forma transportable permitiendo por una parte el transporte de 'calor residual' mediante envfo a granel, en contenedores, camiones, tubenas a otro sitio de un no, muelles, canal, ciudad area industrial o residencial... Hacia un consumidor, o consumidores, de calor o a su red, y por otra parte permitiendo la conversion de calor residual de medios de transporte, sus motores como, por ejemplo, calor del motor de un coche, un bus, un bote, un camion y otros, transportados y valorados en ciertos lugares tales como, por ejemplo, en casa, en el trabajo...; o combinaciones de los mismos (Aplicacion 10).

Si lo precedente puede crear la impresion que la operacion continua o discontinua del ciclo CHEMENERGY depende de la ausencia de la presencia de tanques de almacenamiento, en las aplicaciones precedentes esto solamente se refiere a una conversion continua o discontinua de energfa. Si se usan uno tanques para almacenar soluciones de reaccion, todos los procesos 1-9 pueden operarse continua o discontinuamente. En consecuencia, en el diagrama general de flujo (figura 12) que representa el flujo de recurrencia en cada una de las aplicaciones precedentes, los tanques de almacenamiento son opcionales.

Los detalles sobre los elementos en los diagramas de flujo para cada una de las aplicaciones precedentes pueden encontrarse en la tabla 3 de abajo.

cn

14b CO l\J 10b o Numero de corriente

Producto polimerizado o deshidrolizado

Producto deshidrolizado hacia celda de reactor solar Producto polimerizado o deshidrolizado presurizado refrigerado Producto polimerizado o deshidrolizado presurizado caliente Producto polimerizado o deshidrolizado calentado con salida de C Producto polimerizado o deshidrolizado presurizado Producto polimerizado o deshidrolizado de celda de reactor solar Producto polimerizado o deshidrolizado Sistema de agua caliente solar clasico Descripcion Aplicacion

X X X X X Uso general como bomba de calor

X X X X X |\J Bomba de calor entre redes

X

X X X CO Almacenamiento de calor con tanque de almacenamiento

X

X X X X X Transporte de calor

X X X X X cn Bomba de calor para generarfrio

X X X X X CT> Transformar calor residual en electricidac

X X X X X Calor residual con PP y ORC en electricidad

X X X X X X X X 00 Transformar calor solar en electricidac

X X X X X CD Transformar energia eolica en calor y viceversa

X

X

X

X

X

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X

X

o Aplicacion hibrida

Unidades

Aplicacion o TO O 0 ■o TO _Q E o _Q O E o o "to 0 C 0 O) O CO Z) Vi 0 "O 0 0 -1—< c 0 O TO O 0 "O TO _Q E o CD 0 "O 0 3 O" c TO +-* C o o o TO O 0 "O O o C ■£ 0 0 E E CO ro c= C cu 0 u o <o ro E E <f 0 o TO O 0 "O 0 O Q_ CO c TO f— o 4— TO 0 c 0 O) TO TO Q_ O TO O 0 "O TO _Q E o CD ««■> TO "O o o 0 0 c 0 "to "O CO 0 O TO O TO E o 4— CO c TO f— c 0 o QC o CL CL c o o "to 2 3 s| ° 'G <o cu O 0 TO "O O o 0 0 C 0 TO O CO o TO O TO E o 4— CO c TO f— o TO o c 0 TO O O 0 TO O) 0 C 0 TO E o £ 0 ^ m S> 2 o i- > TO £1 sz c 'O o TO O "q_ < CO 0 "O TO 'c Z)

presurizado refrigerado de tanque

16

Producto polimerizado o deshidrolizado fresco x x x

17

Producto polimerizado o deshidrolizado fresco, presurizado para transportar a tanque de almacenamiento x x x

20

Vapor de agua de seccion de reactor x x x x x x x x x

20b

Vapor de agua de celda de reactor solar x x

21

Condensador parcialmente/compl eto 4,5 19 1 1 x x x MW

22

Condensado x x x x x x x

23

Condensado presurizado x x x x x x x

24

Condensado calentado con salida de C x x x x x x x x x

25

Vacfo de liberacion de vapor o presurizado / derrame 1 1 30 31 x 4 x x x MW

26

Inyeccion de vapor extra en reactor para dar empuje a la temperatura y potencia termica 1 1 0 x x 0 x x x MW

Aplicacion o TO O 0 ■o TO _Q E o _Q O E o o "to 0 C 0 O) O CO =) V) 0 "O 0 0 +-* C 0 O TO O 0 "O TO _Q E o CD 0 "O 0 3 O" c TO +-* C o o o TO O 0 "O O o C ■£ 0 0 E E CO ro c= C CD 0 u o <o ro E E <f 0 o TO O 0 "O 0 O Q_ CO c TO f— o 4— TO 0 C 0 O) TO TO Q_ O TO O 0 "O TO _Q E o CD ««■> TO "O O o 0 0 C 0 "to "O CO 0 O TO O TO E o 4— CO c TO f— c 0 o QC o CL CL c o o "to 2 3 s| ° 'G co cd O 0 TO "O o o 0 0 c 0 TO O CO o TO O TO E o 4— CO c TO f— o TO o c 0 TO o O 0 TO O) 0 c 0 TO E o £ 0 ^ m S> 2 o i- > TO £1 sz c 'O o TO o "q_ < CO 0 "O TO 'c Z)

27

Extra condensado x x x x x x x x x

28

Condensado expandido a bajo vado, es decir vapor x

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Vapor condensado al vado x

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Medios calentados para usuario de calor (o red) respectivamente usuario de fno x x x x x x x x MW

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Producto calentado presurizado (o red) x x x

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Uso de calor/electricidad por usuario 5 23 33 33 1 2,3 2,3 0,1 x x MW

33

Producto refrigerado de usuario de calor x x xx xx xx xx x

34

Condensado fresco de red x x x x x

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Condensado fresco presurizado x x x x x

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Condensado de seccion de reaccion x x x x x

37

Vapor de baja presion x x x x x

38

Alimentacion de condensado para produccion de vapor a baja presion x x x x x

39

Vapor de presion alta de respaldo x x x x

Aplicacion o TO O 0 ■o TO _Q E o _Q O E o o "to 0 C 0 O) O CO =) V) 0 "O 0 0 +-* C 0 O TO O 0 "O TO _Q E o CO 0 "O 0 3 O" c TO +-* C o o o TO O 0 "O O o C -£ 0 0 E E CO ro c= C cu 0 u o <o ro E E <f 0 o TO O 0 "O 0 O Q_ CO c TO f— o 4— TO 0 C 0 O) TO TO Q_ O TO O 0 "O TO _Q E o CO ««■> TO "O O o 0 0 C 0 "to "O CO 0 O TO O TO E o 4— CO c TO f— C 0 o QC o CL CL c o o "to 2 3 s| ° 'G <o cu O 0 TO "O O o 0 0 C 0 TO O CO o TO O TO E o 4— CO c TO f— o TO O c 0 TO O O 0 TO O) 0 C 0 TO E o £ 0 ^ m S> 2 o i- > TO £1 SZ C 'O o TO O "q_ < CO 0 "O TO 'c Z)

40

Vapor de ORC X x

42

ORC de turbina de expansion x x

43

Vapor refrigerado despues de turbinas ORC de expansion x X

44

Medio de ORC condensado X x

45

Medio de ORC Ifquido presurizado x X

A

Seccion de reactor de polimerizacion 10 42 64 67 2 42 10 1 55 MW

B

Intercambiador de calor de placa 3 12 18 16 0,5 12 3 0,3 20 MW

C

Seccion de reaccion de hidrolisis 5,5 24 36 36 1 24 6 0,6 30 MW

D

Potencia electrica de turbina de expansion 2,3 2,3 0,1 3 MW

Consumo electrico 55 240 360 360 10 240 57,1 6 10000 - kW

COP

Calor a usuario (MW) / electricidad (MW) 91 96 92 92 100 %

Eficiencia

Electricidad / Calor 5% 23% 11%

Nota 1

Recuperacion de catalizadores y otras corrientes laterales no representadas en el diagrama de flujo del proceso, pero en P&ID

Nota 2

Sin valvulas, detalles representados en

Aplicacion o TO O 0 ■o TO _Q E o _Q O E o o "to 0 C 0 O) O CO =) V) 0 "O 0 0 +-* C 0 O TO O 0 "O TO _Q E o CD 0 "O 0 3 O" c TO +-* C o o o TO O 0 "O O o C -£ 0 0 E E CO ro c= C cu 0 u o <o ro E E <f 0 o TO O 0 "O 0 O Q_ CO c TO f— O 4— TO 0 C 0 O) TO TO Q_ O TO O 0 "O TO _Q E o CD TO "O O o 0 0 C 0 "to "O CO 0 O TO O TO E o 4— CO c TO f— c 0 O QC o CL CL c o o "to 2 3 s| ° 'G co cu O 0 CJ TO "O O -t—> O 0 0 C 0 TO O CO o TO O TO E o 4— CO c TO f— o TO O C 0 TO O O 0 TO O) 0 C 0 TO E o £ 0 ^ m S> 2 o i- > TO £1 SZ C 'O o TO O "q_ < CO 0 "O TO 'c Z)

PFD

Nota 3

Perdida de calor de almacenamiento y transporte ignorado para PFD

Dependiendo de las aplicaciones, el ciclo puede construirse

• A partir de una aplicacion pequena, por ejemplo domestica, a una gran escala industrial.

• Sobre deslizadores, escala pequena escala grande.

5 • En contenedores u otras plataformas movibles.

En cada una de las posibles aplicaciones, el ciclo puede controlarse con temperature, presion, flujo u otras valvulas y sistemas simples que regulan los sensores, o disenados para algo entre un diseno simple electrico y de instrumentacion y/o un diseno altamente sofisticado electrico y de instrumentacion, instalaciones completamente automatizadas con un optimizador conectado internet, telefono movil u otros para correr a una salida economica maxima las 24 horas al dfa. El 10 optimizador podna correr por demanda, a temperatura ambiente, viento u otra circunstancia que determinan la econoirna o desempeno de la instalacion.

Con base en revisiones de seguridad estandarizadas de la industria como, por ejemplo, HAZOP, se disenan instalaciones a altos estandares de seguridad que contienen un diseno de seguridad intrmseco (como, por ejemplo, vacfo y presion de operacion maxima + 10%), valvulas de presion o sistemas de funcion de integridad de seguridad 15 automatizada (SIF o SIL) o una combinacion de estos criterios de diseno. Las instalaciones se controlan con alarmas y pasos a fin de mantener la instalacion en el rango de operacion seguro. El diseno basico del equipo depende del diseno del proceso pero el diseno del equipo detallado puede ser diferente a fin de cumplir PED, ASME u otros codigos de diseno local o de la tecnologfa del estado de la tecnica local.

Claims (16)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   REIVINDICACIONES

   1. Metodo para almacenar o incrementar el contenido de ene^a de una mezcla de reaccion, en el cual dicha reaccion esta habilitada por la entrada de calor desde una fuente de calor distinta de dicha mezcla de reaccion, caracterizado porque el contenido de energfa de la mezcla de reaccion se almacena o se incrementa por medio de una reaccion de condensacion endotermica, y dicha mezcla de reaccion comprende un compuesto oxoacido inorganico y/o su sal y agua.
2. 2. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual la fuente de calor distinta de dicha mezcla de reaccion es calor residual de procesos industriales o calor derivado de recursos naturales tales como energfa solar o eolica.
3. 3. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el cual se retira agua y/o el compuesto oxoacido inorganico y/o su sal de la mezcla de reaccion.
4. 4. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, el cual comprende ademas el paso de liberar el contenido de energfa almacenado, respectivamente incrementado, de la mezcla de reaccion en un paso subsiguiente del proceso por medio de hidrolisis exotermicas de los productos de reaccion de dicha mezcla de reaccion.
5. 5. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual el compuesto oxoacido inorganico y/o su sal es un oxoacido de nitrogeno, azufre fosforo, o su sal correspondiente.
6. 6. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en el cual el compuesto oxoacido inorganico y/o su sal se representa mediante la formula general (I)

   R-Op-((OnX(OQ)m-O)y)-R' (I)

   En la cual:

   R representa hidrogeno, un hidrocarburo o Z;

   X representa azufre, nitrogeno o fosforo;

   Z representa -(OnX(OQ)m-O)y-R";

   R' y R" representan, cada uno independientemente, hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal;

   n = 1 o2; m = 0 o 1; p = 0 o 1;

   y = al menos 1; y

   Q representa cada uno independientemente hidrogeno, hidrocarburo o un cation de metal.
7. 7. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en el cual el compuesto oxoacido inorganico y/o su sal son acidos polifosforicos y/o sus sales, representados mediante la formula general (la)

   R-O-((OP(OQ)m-O)y)-R' (la)

   En la cual

   Ry R' representan, cada uno independientemente, hidrogeno, un hidrocarburo o un cation de metal; m = 0 o 1; y = al menos 1; y

   cada Q representa hidrogeno, hidrocarburo o un cation de metal.
8. 8. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en el cual los acidos polifosforicos o sus sales son:

   a. Acidos polifosforicos lineales inorganicos puros o sus sales representados por la siguiente formula: Mn+2PnO(3n+1) (lb) donde n= al menos 2; M es H+ o un cation de metal;

   b. acidos polifosforicos dclicos inorganicos puros o sus sales representados por la siguiente formula: MnPnO3n (lc) donde n = al menos 3; M es H+ o un cation de metal;

   c. ramificados; o

   d. combinaciones de los mismos.

   5

   10

   15

   20

   25
9. 9. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 6, 7 u 8, en el cual el cation de metal es un cation de metal monovalente, mas en particular K o Na.
10. 10. Metodo de acuerdo con la reivindicacions 6 o 7, en el cual y se encuentra dentro del intervalo de 1 a 100, mas en particular dentro del intervalo de 1 a 10, aun mas en particular dentro del intervalo de 1 a 3.
11. 11. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 7, en el cual las sales de acidos fosforicos se seleccionan del grupo que contiene piruvato de fosfoenol, glicerato 1,3 bifosfato, fosfato de formilo, fosfato de acetilo, fosfato de propionilo, fosfato de butirilo u otros fosfatos de carboxilo, fosfo-creatina, fosfo-arginina, fosfatos de glucosa (1 o 6-fosfato), fosfatos de fructosa, 3-fosfato de glicerol, nicotina amida adenina dinucleotido fosfato (NADP), fosfato de dihidroxiacetona, fosfatos de gliceraldetndo, fosfato de xilulosa, fosfatos de ribosa, fosfato de sedoheptulosa, fosfato de eritrosa, fosfato de ribulosa, fosfo-serina, fosfato de aspartilo y fosfato de adenosina.
12. 12. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual la reaccion de condensacion endotermica se representan mediante la siguiente formula:

    HOXOn(OH)mOR' + R-Op-((XOn(OH)m-O)y-1) -H ->

    R-Op-((XOn(OH)m-O)y)-R' + H2O
13. 13. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 12, en el cual X representa fosforo.
14. 14. Sistema para capturar o almacenar energfa, el cual comprende: - medios de captura para capturar energfa; - medios de almacenamiento para almacenar la energfa capturada, en cuyo caso los medios de captura y almacenamiento comprenden al menos un recipiente de reaccion llenado al menos parcialmente con una mezcla de reaccion y que comprende un elemento de calentamiento en comunicacion termica con dicho recipiente, caracterizado porque la mezcla de reaccion comprende un compuesto oxoacido inorganico y/o su sal y agua, adecuado para tener una reaccion de condensacion endotermica realizadas sobre dicha mezcla de reaccion.
15. 15. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 14 que se caracteriza ademas porque comprende medios de liberacion para liberar la energfa capturada y almacenada en un paso subsiguiente de hidrolisis exotermica.
16. 16. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 14 que se caracteriza ademas por que la mezcla de reaccion comprende un compuesto oxoacido inorganico y/o su sal, tal como se describe en cualquiera de las reivindicaciones precedentes 6 a 11.