ES2574352A1 - Planta de potencia con almacenamiento termoquímico basado en un ciclo de reacciones y su método de funcionamiento - Google Patents

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Abstract

Planta de potencia con almacenamiento termoquímico basado en un ciclo de reacciones y su método de funcionamiento. Planta de potencia con sistema de almacenamiento termoquímico formada principalmente por un subsistema de carga/descarga que comprende al menos dos reactores exotérmicos-intercambiadores (4, 6) y un receptor solar (1), estando configurado dicho subsistema para aportar energía térmica al fluido de trabajo de la planta a través de reacciones exotérmicas; un subsistema de regeneración, conectado con el subsistema de carga/descarga, que comprende al menos dos receptores solares-reactores (11, 11') configurados para llevar a cabo sendas reacciones endotérmicas a partir de la energía solar, estando configurado dicho subsistema para regenerar al menos un reactivo que interviene una de las reacciones exotérmicas; un campo de heliostatos (2) y un bloque de potencia (8) configurado para producir electricidad a partir del fluido de trabajo de la planta. La presente invención también se refiere al método de funcionamiento de dicha planta.

Description

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imagen2
imagen3
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imagen5
Este subsistema puede comprender un intercambiador de calor configurado para intercambiar calor entre la sustancia C resultante de la reacción exotérmica de tipo R1 y el fluido de trabajo de la planta.
El reactor exotérmico-intercambiador donde se produce la reacción de tipo R1 puede estar provisto de una entrada de reactivos secundarios (reactivo B) para efectuar la reacción correspondiente.
Preferiblemente, el subsistema de regeneración comprende al menos los siguientes elementos:
-
un receptor solar-reactor configurado para llevar a cabo una reacción endotérmica con energía solar de tipo R4: G  F + B
-
un receptor solar-reactor, conectado con el anterior receptor solar-reactor, configurado para llevar a cabo una reacción endotérmica con energía solar de tipo R3 F + E  D + G,
-
un tanque de almacenamiento de la sustancia G de la reacción endotérmica de tipo R4 que, a su vez, es obtenida en la reacción endotérmica de tipo R3.
Ambos subsistemas están conectados entre sí mediante unas líneas de transporte de sustancias que conectan el reactor exotérmico-intercambiador donde tiene lugar la reacción exotérmica de tipo R2 del subsistema de carga/descarga con el receptor solarreactor donde tiene lugar la reacción de tipo R3 del subsistema de regeneración. La conexión puede ser directa o bien a través de un tanque de almacenamiento configurado para almacenar las sustancias D y E.
El procedimiento de funcionamiento de la planta descrita en la presente invención para la producción de electricidad comprende al menos las siguientes etapas:
•
dirección de la radiación solar al receptor solar,
•
calentamiento de la sustancia C en el receptor solar con la energía solar,
•
almacenamiento de la sustancia C en un tanque de alta temperatura,
•
realización de una reacción exotérmica de tipo R2 en un reactor exotérmicointercambiador a partir de la sustancia calentada previamente en el receptor solar y posteriormente almacenada en el tanque de alta temperatura, siendo la reacción del tipo R2:
C + D  A + E
•
transferencia de la energía producida en la reacción exotérmica de tipo R2 al fluido trabajo de la planta para calentar dicho fluido de trabajo antes de que éste entre en el bloque de potencia para la generación de electricidad,
•
almacenamiento de la sustancia A producido en la reacción exotérmica de tipo R2 en un tanque,
7
imagen6
imagen7
5'. Tanque de almacenamiento que conecta los reactores exotérmicos-intercambiadores
6.
Reactor exotérmico-intercambiador para llevar a cabo la reacción del tipo R1
7.
Tanque de almacenamiento a baja temperatura
8.
Bloque de potencia
9.
Línea de transporte de los materiales
10.
lntercambiador de calor
11.
Primer receptor solar-reactor 11'. Segundo receptor solar-reactor
12.
Líneas de conexión entre subsistema de carga/descarga y el subsistema de regeneración
13.
Línea de entrada de reactivos secundarios. PS producto secundario
Descripción de una realización preferida
En la presente descripción se explica en detalle una posible configuración, no limitante, de la invención así como su funcionamiento.
En la figura 1 se muestra el esquema de una primera realización preferida de una planta con un sistema de almacenamiento termoquímico basado en un ciclo de reacciones BaS/BaSO4.
La planta con sistema de almacenamiento termoquímico de la presente invención comprende un subsistema de carga/descarga configurado para aportar energía térmica al fluido de trabajo de la planta a través de reacciones exotérmicas, este subsistema está formado por:
-
un receptor solar (1) configurado para calentar BaSO4,
-
un tanque de almacenamiento a alta temperatura (3) configurado para almacenar BaSO4 calentado en el receptor solar (1),
-
un reactor exotérmico-intercambiador (6) configurado para llevar a cabo la reacción exotérmica del tipo R2: BaSO4 (s) + 4 CO (g)  BaS (s) + 4 CO2 (g), a partir del BaSO4 procedente tanque de almacenamiento a alta temperatura (3) y estando configurado dicho reactor exotérmico-intercambiador (6) para transferir el calor producido en la reacción exotérmica del tipo R2 al fluido de trabajo de la planta antes de que éste entre en el bloque de potencia para la generación de electricidad,
-
un tanque de almacenamiento (5') configurado para almacenar el BaS obtenido en la reacción exotérmica de tipo R2: BaSO4 (s) + 4 CO (g) • BaS (s) + 4 CO2 (g)
-
un reactor exotérmico-intercambiador (4) configurado para llevar a cabo la reacción exotérmica de tipo R1: BaS (s) + 2 O2 (g)  BaSO4 (s) a partir del BaS obtenido en la reacción exotérmica de tipo R2 y estando configurado dicho reactor exotérmicointercambiador (4) para transferir el calor producido en la reacción exotérmica al fluido de trabajo de la planta,
-
un intercambiador de calor (10) configurado para intercambiar calor entre el fluido de trabajo y el BaSO4 obtenido en la reacción exotérmica de tipo R1: BaS (s) + 2 O2 (g) • BaSO4 (s),
10
-un tanque de almacenamiento a baja temperatura (7) configurado para almacenar el BaSO4 una vez que éste ha intercambiado calor con el fluido de trabajo.
El reactor exotérmico-intercambiador (4) donde se da la reacción de tipo R1: BaS (s) + 2 O2 (g)  BaSO4 (s) está provisto de una línea de entrada de reactivos secundarios (13) para la introducción de O2.
La planta comprende, asimismo, un subsistema de regeneración para la obtención de CO formado por:
-
un receptor solar-reactor (11) configurado para llevar a cabo la reacción endotérmica de tipo R4: 3 Mn2O3 (s)  2 Mn3O4 (s) + 1/2 O2 (g)
-
un receptor solar-reactor (11'), conectado con el primer receptor solar-reactor (11), configurado para llevar a cabo la reacción endotérmica de tipo R3:
2Mn3O4 (s) + CO2 (g)  3 Mn2O3 (s) + CO (g)
-un tanque de almacenamiento a alta temperatura (3') configurado para almacenar el Mn2O3 obtenido.
La planta también comprende un campo de heliostatos (2) configurado para dirigir la radiación solar hacia un receptor solar (1) y hacia los receptores solares-reactores (11 y 11') y un bloque de potencia (8) configurado para producir electricidad a partir del fluido de trabajo de la planta.
El reactor exotérmico-intercambiador (6) donde se da la reacción de tipo R2: BaSO4 (s) + 4 CO (g)  BaS (s) + 4 CO2 (g) del subsistema de carga/descarga y el receptor solarreactor (11') donde se da la reacción de tipo R3: 2Mn3O4 (s) + CO2 (g)  3 Mn2O3 (s) + CO (g) están conectados a través de las líneas de conexión (12) que a su vez permiten el transporte de reactivos/productos.
En la planta presentada en la figura, la conexión entre el reactor exotérmicointercambiador (6) donde se da la reacción de tipo R2: BaSO4 (s) + 4 CO (g)  BaS (s) + 4 CO2 (g) del subsistema de carga/descarga y el receptor solar-reactor (11') donde se da la reacción de tipo R3: 2Mn3O4 (s) + CO2 (g)  3 Mn2O3 (s) + CO (g) se realiza a través de un tanque de almacenamiento (5) configurado para almacenar CO y CO2.
11
Preferiblemente se plantea trabajar en continuo con las reacciones de reducción del BaSO4 y de conversión del CO2 a CO, de manera que el CO2 producido en el ciclo de carga/descarga según la reacción de tipo R2 se consuma al mismo tiempo en la reacción de conversión al CO en el ciclo de regeneración según la reacción de tipo R3. Esto hace más atractivo este ciclo de reacciones consecutivas, ya que se puede prescindir de una instalación compleja de almacenamiento de CO2.
El modo de funcionamiento de la planta así configurada es el siguiente, teniendo en cuenta que el ciclo de reacciones de carga/descarga es el siguiente:
R1: BaS (s) + 2 O2 (g)  BaSO4 (s) (A + B  C)
R2: BaSO4 (s) + 4 CO (g)  BaS (s) + 4 CO2 (g) (C + D  A + E)
En esta planta el receptor (1) mediante aporte solar calienta el reactivo BaSO4 (C) que se almacena en un tanque de alta temperatura (3). Desde el tanque de almacenamiento de alta temperatura (3) el reactivo BaSO4 (C) pasa al reactor-intercambiador (6) donde se hace reaccionar con CO (D) que proviene del tanque de almacenamiento (5) para dar BaS (A) y CO2 (E) siguiendo la siguiente reacción estequiometria: BaSO4 (s) + 4 CO (g)
 BaS (s) + 4 CO2 (g), esta reacción según el esquema general es R2. Es importante que esta reacción de reducción se lleve a cabo en una atmósfera inerte para evitar la oxidación del material y la conversión del CO (D) a CO2 (E) antes de que todo el BaSO4
(C) se haya reducido.
El calor que se desprende de la reacción se emplea para calentar el fluido de trabajo (se presenta con línea de puntos el recorrido del fluido de trabajo) antes de que entre en el bloque de potencia para la generación de electricidad. El CO2 (E) que se genera en la reacción se almacena en el tanque de almacenamiento (5). El BaS (A) que se produce en el reactor exotérmico-intercambiador (6) se almacena en el tanque de almacenamiento (5') para posteriormente pasar al reactor-intercambiador (4) donde reacciona con O2 (B) para dar BaSO4 (C) según la reacción BaS (s) + 2 O2 (g)  BaSO4 (s), esta reacción según el esquema general es R1. Esta reacción de oxidación tiene un alto valor exotérmico del orden de 5.900 kJ/kg de BaS consumido. Esta reacción de oxidación del BaS tiene lugar en un reactor en función de la demanda del consumo eléctrico, bien sea durante periodos con o sin radiación solar, lo cual hace que la planta maximice la gestionabilidad.
El BaSO4 que se produce en la reacción pasa por un intercambiador de calor (10) donde el BaSO4 se enfría a medida que calienta el fluido de trabajo para después almacenarse en un tanque de almacenamiento de baja temperatura (7) de donde se redirigirá de nuevo al receptor solar (1) para comenzar de nuevo el ciclo. El calor generado en la reacción R1 que se da en el reactor exotérmico-intercambiador (4) calienta el fluido de trabajo que proviene del intercambiador de calor (10).
El fluido de trabajo del bloque de potencia se lleva hasta las condiciones de operación de dos formas diferentes: A partir del calor desprendido en las reacciones exotérmicas o bien a partir del calor sensible de los reactivos o productos involucrados en estas reacciones exotérmicas, por ejemplo con el calor resultante de enfriar el BaSO4 desde la temperatura de reacción (en un rango de 850ºC a 1.200ºC) hasta los 250-300ºC, en un intercambiador (10).
12
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Claims (1)

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