ES2575352B1 - Planta híbrida solar-fósil de alto rendimiento - Google Patents

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ES2575352B1 ES201431777A ES201431777A ES2575352B1 ES 2575352 B1 ES2575352 B1 ES 2575352B1 ES 201431777 A ES201431777 A ES 201431777A ES 201431777 A ES201431777 A ES 201431777A ES 2575352 B1 ES2575352 B1 ES 2575352B1
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Abstract

Planta híbrida solar-fósil de alto rendimiento.#La invención se refiere a una planta híbrida (100a, 100b) solar-fósil que comprende:#- una planta de concentración solar que incluye:#- al menos un primer circuito cerrado con un primer fluido caloportador;#- un receptor de energía solar (20) para calentar el primer fluido caloportador; y#- al menos un medio de almacenamiento (22) de energía térmica para almacenar el primer fluido caloportador;#comprendiendo también la planta híbrida:#- un ciclo principal cerrado de CO{sub,2} supercrítico que incluye al menos una turbina (10) cuyo fluido de trabajo es CO{sub,2} supercrítico y una cámara de combustión (16) para quemar un combustible, estando el ciclo principal cerrado de CO{sub,2} supercrítico en comunicación térmica con el primer fluido caloportador de la planta de concentración solar.#La cámara de combustión (16) está diseñada para incrementar una temperatura del CO{sub,2} supercrítico hasta una temperatura de operación de la turbina (10) utilizando calor procedente de la combustión del combustible, sin mezclarse los gases de escape de combustión con el CO{sub,2} supercrítico de trabajo.

Description

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como la produccion electrica nocturna requerida a partir del almacenamiento.
El ciclo principal cerrado de CO2 supercntico incluye al menos una turbina cuyo fluido de trabajo es CO2 supercntico y una camara de combustion para calentar el CO2 supercntico quemando un combustible.
De acuerdo con la invencion:
- el ciclo principal cerrado de CO2 supercntico esta en comunicacion termica con el fluido caloportador de la planta de concentracion solar, de forma que dicho fluido caloportador calienta el CO2 supercntico antes de que este entre en la camara de combustion; y
- la camara de combustion esta disenada para incrementar la temperatura del CO2 supercntico hasta la temperatura de operacion de la turbina utilizando calor procedente de la combustion del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustion y el CO2 supercntico de trabajo.
Es decir, la camara de combustion esta disenada para dar el ultimo salto de temperatura al CO2 supercntico hasta que alcance la temperatura de operacion de la turbina, sin que se mezclen los gases de combustion con el CO2 supercntico a turbinar.
Para ello, preferiblemente la camara de combustion tiene un primer compartimento con una entrada para combustible y una salida para los gases de escape de la combustion del combustible, y un segundo compartimento con una entrada y una salida de CO2 supercntico en la cual se incrementa la temperatura del CO2 supercntico, siendo dichas primera y segunda porciones estancas entre sf de forma que no hay mezcla entre los gases de escape de combustion y el CO2 supercntico del ciclo cerrado.
La proporcion solar (definida como el ratio de energfa solar aportada/ energfa total aportada) esta limitada en las plantas hnbridas solar-fosil existentes debido al rendimiento mas bajo en la parte solar del ciclo. Esto se evita en la planta hforida de la invencion compensando el bajo rendimiento de la parte solar con un rendimiento mas alto del ciclo de CO2 supercntico.
De esta forma, mediante la planta hfbrida solar-fosil de la presente invencion se consigue incrementar la proporcion solar respecto al estado del arte actual, manteniendo un rendimiento global equivalente. Asimismo, se reducen las emisiones contaminantes de los ciclos Brayton convencionales, y se reduce el coste general de produccion de energfa a largo plazo mediante ahorro de combustible fosil.
En este contexto se entiende por fluido caloportador cualquier fluido que pueda calentarse a temperaturas superiores a 200 °C Preferiblemente es un fluido a base de sodio, sales y/o metales. Preferiblemente tiene una temperatura de trabajo superior a 327 °C.
Adicionalmente, el rendimiento de la planta hfbrida solar-fosil con ciclo de CO2 supercntico se mejora en una realizacion preferida en la que la planta hfbrida comprende ademas un ciclo secundario con vapor como fluido de trabajo, en comunicacion termica con los gases de escape procedentes de la camara de combustion del ciclo principal cerrado de CO2 supercntico. Estos gases calientan el fluido de trabajo del ciclo secundario.
Se utiliza preferiblemente una caldera de recuperacion de gases del ciclo de CO2 supercntico en el ciclo secundario de vapor. En esta realizacion preferida el ciclo secundario aprovecha, en la caldera de recuperacion, los gases de escape de la camara de combustion del ciclo principal cerrado como fuente de energfa termica para precalentar y evaporar el agua de alimentacion. La caldera de recuperacion del ciclo secundario preferiblemente incluye al menos un evaporador y un precalentador de agua de alimentacion. La cantidad de vapor saturado producida en el ciclo depende de la energfa contenida en los gases de escape del ciclo principal cerrado.
Segun una realizacion preferida, el ciclo principal cerrado de CO2 supercntico esta en comunicacion termica con el primer circuito del primer fluido caloportador de la planta solar mediante un intercambiador de calor situado aguas arriba de la camara de combustion, de forma que dicho primer fluido caloportador calienta el CO2 supercntico antes de entrar en camara de combustion.
En este caso, el primer fluido caloportador puede estar tambien en comunicacion termica con el ciclo secundario de vapor, de forma que el primer fluido caloportador suministra energfa en forma de calor al ciclo secundario de vapor.
De acuerdo con otra realizacion preferida la planta comprende dos fluidos caloportadores, donde el primer fluido caloportador es calentado en la planta solar y el segundo fluido caloportador es calentado por el primer fluido caloportador mediante un intercambiador de calor en un segundo circuito cerrado. En tal caso, el primer fluido caloportador preferiblemente tiene una temperatura maxima de trabajo superior al segundo fluido caloportador.
El segundo circuito cerrado con el segundo fluido caloportador tambien puede estar en comunicacion termica con el ciclo principal cerrado de CO2 supercntico, mediante por ej., un intercambiador de calor, para asf aportar calor al CO2 supercntico.
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En esta segunda realizacion el segundo fluido caloportador puede estar en comunicacion termica con el ciclo secundario de vapor, de forma que el segundo fluido caloportador suministra energfa en forma de calor al ciclo secundario de vapor.
Esta realizacion en la que la planta hfbrida tiene dos fluidos caloportadores, tiene la ventaja de poder tener dos fluidos con diferentes temperaturas de trabajo y utilizar asf un primer fluido caloportador de muy alta temperatura que permite aumentar la temperatura del fluido de trabajo antes de entrar a la camara de combustion, gracias a un aumento del aporte de calor de la parte solar al ciclo principal cerrado. Al usar dos fluidos caloportadores diferentes uno puede ser compatible con el agua del ciclo secundario de vapor -por ej. un segundo fluido caloportador a base de sales- y el otro puede tener una muy alta temperatura de trabajo, una temperatura de solidificacion relativamente alta, y no necesita ser compatible con el agua -por ej., un primer fluido caloportador mezcla de sodio-potasio o metal fundido- en el ciclo principal cerrado.
En esta realizacion el primer fluido caloportador preferiblemente tiene una temperatura maxima de trabajo entre 650 °C y 1100 °C Y el segundo fluido caloportador tiene una temperatura maxima de trabajo entre 550 °C y 600 °C
La comunicacion termica entre la planta de concentracion solar y el ciclo de vapor puede llevarse a cabo mediante al menos un sobrecalentador y/o un recalentador del ciclo secundario: el o los fluidos caloportadores aportan, directa o indirectamente, la energfa necesaria en el sobrecalentador y/o en el recalentador para sobrecalentar y recalentar el vapor producido por la caldera de recuperacion.
Un segundo aspecto de la invencion se refiere a un metodo para generar energfa electrica mediante un ciclo principal cerrado de CO2 supercrftico que incluye una turbina cuyo fluido de trabajo es CO2 supercrftico y una camara de combustion para quemar combustible, que comprende los siguientes pasos:
- calentar al menos un fluido caloportador con energfa procedente del sol;
- transportar el fluido caloportador caliente hasta el ciclo principal cerrado de CO2;
- calentar el CO2 supercrftico mediante el fluido caloportador caliente antes de entrar en la camara de combustion;
- introducir el CO2 supercrftico calentado por el fluido caloportador en una camara de combustion para incrementar la temperatura del CO2 supercrftico hasta una temperatura de operacion de la turbina utilizando calor procedente de la combustion del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustion con el CO2 supercrftico de trabajo; y
- generar energfa electrica haciendo pasar el CO2 supercrftico calentado en la camara de combustion por la turbina.
Preferentemente, antes de calentar el CO2 supercrftico con al menos un fluido caloportador, se aplica un incremento de temperatura al CO2 supercrftico en un recuperador que recupera el calor sobrante del CO2 no supercrftico que sale de la turbina.
Los diferentes aspectos y realizaciones de la invencion definidos en los parrafos anteriores pueden combinarse entre sf, siempre y cuando sean compatibles.
Otras ventajas y caracterfsticas adicionales de la invencion seran evidentes de la descripcion detallada que sigue y seran particularmente senaladas en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripcion de las fiauras
Para complementar la descripcion y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterfsticas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo de realizacion practica de la misma, se acompana como parte integrante de la descripcion un juego de figuras en el que, con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra el esquema de una primera posible realizacion de una planta hfbrida solar-fosil que incluye un ciclo de CO2 supercrftico, un ciclo Rankine y con un unico fluido caloportador.
La figura 2 muestra el esquema de una segunda posible realizacion de una planta hfbrida solar-fosil que incluye un ciclo de CO2 supercrftico, un ciclo Rankine, con dos fluidos caloportadores.
Se incluyen a continuacion los componentes de la invencion:
100a Primera realizacion de la planta hfbrida solar-fosil 10 Turbina de CO2
11 Compresor
12 Enfriador
13 Bomba del ciclo cerrado de CO2
14 Recuperador
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15 Intercambiador
15a Primer intercambiador de la segunda realizacion preferente de la invencion
15b Segundo intercambiador de la segunda realizacion preferente de la invencion
16 Camara de combustion
17 Enfriador
10
18 Intercambiador
20 Receptor solar
21 Tanque frfo
21_I Primer tanque frfo de la segunda realizacion de la invencion
21_II Segundo tanque frfo de la segunda realizacion de la invencion
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22 Tanque caliente
23 Bomba de la planta solar
24 Bomba de impulsion del segundo fluido de la segunda realizacion de la invencion
30 Caldera de recuperacion
31 Desgasificador
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32 Bomba de alimentacion del ciclo secundario de vapor
33 Sobrecalentador
34 Turbina de alta presion
35 Segundo recalentador de la segunda realizacion preferente de la invencion
36 Primer recalentador de la segunda realizacion preferente de la invencion
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37 Turbina de baja presion
38 Condensador
39 Bomba de condensado
100b Segunda realizacion de la planta hfbrida solar-fosil
30 Descripcion de un modo de realizacion de la invencion
En la presente descripcion se explica en detalle posibles configuraciones, no limitantes, de la invencion asf como su funcionamiento. La descripcion omite y/o simplifica algunos aspectos ya conocidos en el sector para no complicar la descripcion de la planta hfbrida que aquf nos interesa.
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En la Figura 1 se muestra el esquema de una primera posible realizacion preferente de una planta hfbrida 100a solar-fosil segun la invencion.
Esta primera realizacion preferente de la planta hfbrida 100a solar-fosil incluye un ciclo principal cerrado de CO2 40 supercrftico (Brayton) siendo este el fluido de trabajo o fluido a turbinar, un ciclo secundario de vapor (Rankine), y un ciclo correspondiente al calentamiento de un fluido caloportador por parte de una planta de concentracion solar.
Se considera el ciclo de CO2 como ciclo principal al ser el ciclo en el cual se produce la mayor cantidad de 45 energfa electrica. Se considera el ciclo Rankine como secundario porque aprovecha la energfa no usada en el ciclo principal para producir energfa electrica.
La planta solar puede ser cualquier tipo de planta solar de concentracion, por ejemplo, de torre o de cilindros parabolicos, que permita calentar y almacenar un fluido caloportador, a alta temperatura. Se consideran como 50 altas las temperaturas superiores a 450 °C.
En esta primera realizacion preferente de la invencion el fluido caloportador de aplicacion solar denominado de
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alta temperatura tiene una temperatura maxima de trabajo que asciende a entre 550 °C y 600 °C. Puede ser, por ejemplo, una mezcla binaria de sales de nitrato.
La planta de concentracion solar comprende un receptor (20) de concentracion solar para calentar un fluido caloportador de alta temperatura. Este fluido caloportador se almacena frlo en un primer tanque (21) frlo. Del tanque (21) frlo se manda al receptor solar (20) en el cual se calienta mediante concentracion de la radiacion solar hasta su temperatura caliente, cercana a 567 °C. Una vez alcanzada la temperatura caliente, el fluido caloportador caliente se almacena en un segundo tanque (22) caliente. Desde el segundo tanque (22) caliente se bombea mediante una bomba (23) parte del fluido a un intercambiador (15) del ciclo principal cerrado de CO2 supercrltico, con el que intercambia calor, y otra parte (como se explicara mas adelante) a un sobrecalentador (33) y a unos recalentadores (35), (36) del ciclo secundario de vapor. Tras el intercambiador (15) del ciclo principal cerrado, el fluido caloportador sale a una temperatura cercana a su temperatura frla, aproximadamente 300 °C, y se envla de vuelta directamente al primer tanque (21) frio.
El ciclo principal de CO2 comprende una turbina de CO2 supercrltico (10), cuyas condiciones de entrada se han fijado a una presion de trabajo de 300 bares, una temperatura de trabajo de 1150 °C y un “pressure ratio” o ratio de presion de 60 (el “pressure ratio” es la presion de entrada a la turbina dividida por la presion de salida de la turbina), un compresor (11), un enfriador (12), una bomba (13), un recuperador (14), un intercambiador (15), una camara de combustion (16) y un enfriador (17).
En el ciclo principal cerrado, el CO2 esta en el punto (A) a baja presion, aproximadamente 5 bares, y a temperatura ambiente, unos 20 °C; se comprime en una primera etapa de compresion en un compresor (11) hasta alcanzar una presion superior a su presion crltica, es decir cercana a 80 bares. Este proceso de compresion calienta el CO2 a una temperatura superior a 227 °C (punto B). Este compresor (11) de CO2 esta configurado para comprimir el CO2 hasta que adquiera sus propiedades supercrlticas.
A continuacion, el CO2 supercrltico se enfrla en un enfriador (12), que puede ser un enfriador con aire, hasta una temperatura no inferior a su temperatura crltica para posteriormente dirigirse a la entrada de una bomba (13). En esta bomba (13) se le aplica una segunda etapa de presurizacion, donde alcanza la presion de trabajo de la turbina. A la salida de la bomba (13) (punto C), el CO2 supercrltico esta a una presion de aproximadamente 300 bares y una temperatura poco superior a la temperatura ambiente.
A continuacion se aplican varios incrementos de temperatura al CO2 supercrltico:
- Primero en un recuperador (14) o intercambiador de CO2-CO2 supercrltico: recupera el calor sobrante del CO2 que sale de la turbina (10) (punto G) para transmitlrselo a la corriente de CO2 supercrltico que sale de la bomba (13). A la salida de este recuperador (14) la temperatura del CO2 supercrltico es de aproximadamente 227 °C (punto D).
- A continuacion en el intercambiador (15) de fluido caloportador de alta temperatura-CO2 supercrltico: la corriente de CO2 que sale del recuperador (14) se calienta usando el fluido caloportador caliente proveniente de la planta solar. La temperatura de salida del CO2 supercrltico despues de este intercambiador (15) es cercana a la temperatura caliente del fluido caloportador, es decir unos 557 °C (punto E).
- Finalmente en una camara de combustion (16): esta camara de combustion (16) se alimenta con energla fosil, por ejemplo gas natural NG, y la energla termica de la combustion del gas natural se aporta al CO2 supercrltico para que alcance las condiciones de entrada de la turbina (10), es decir, una temperatura de 1150 °C (punto F). En la camara de combustion (16) no se mezclan los gases combustion del gas natural con el CO2 supercrltico a turbinar.
El CO2 supercrltico se introduce entonces en la turbina (10) de la cual sale a unos 5 bares y aproximadamente 377 °C (punto G). En este punto G el CO2 ya no se encuentra en su estado supercrltico.
Este CO2 no supercrltico que sale de la turbina (10) se utiliza en el recuperador (14) del cual sale a una temperatura la mas cercana posible a la temperatura ambiente tras haber cedido parte de su energla a la corriente de CO2 que sale de la bomba (13).
El ciclo principal de CO2 supercrltico se cierra enfriando esta corriente de CO2 no supercrltico en un enfriador (17) hasta la temperatura admisible de entrada del compresor (11).
Ademas, y para un mejor rendimiento de la planta hlbrida de la invencion, los gases de combustion del gas natural que salen de la camara de combustion (16) se mandan directamente a una caldera de recuperacion (30) del ciclo secundario de vapor. Se trata de una camara de combustion (16) en la que no se mezclan los gases de combustion del gas natural -que son los que se envlan y utilizan en el ciclo secundario de vapor- con el CO2 supercrltico del ciclo principal de trabajo. Se produce un intercambio termico sin haber mezcla de fluidos.
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El ciclo secundario de vapor comprende una caldera de recuperacion (30), un desgasificador (31) una bomba de alimentacion (32), un sobrecalentador (33), una turbina de alta presion (34), dos recalentadores (35 y 36), una turbina de baja presion (37), un condensador (38) y una bomba de condensado (39).
Por otra parte, en el ciclo secundario de vapor, la presion alta de trabajo se ha fijado, en este ejemplo, a 90 bares, la presion baja de trabajo a 5,2 bares y la presion del desgasificador (31) a 2 bares.
El agua de alimentacion se bombea desde un desgasificador (31) hasta la caldera de recuperacion (30) por medio de una bomba de alimentacion (32). A la entrada (punto H) de la caldera de recuperacion (30) las condiciones del agua son de 90 bares y aproximadamente 127 °C.
De la caldera de recuperacion (30) sale vapor saturado a 90 bares y unos 307 °C (punto J). Los gases de la caldera, por su parte, se liberan a la atmosfera a la temperatura mas baja admisible.
A continuacion, el vapor se sobrecalienta en un sobrecalentador (33) gracias al intercambio de calor con el fluido caloportador de la planta solar, hasta una temperatura cercana a la temperatura caliente del fluido caloportador, es decir, unos 557 °C (punto K). El vapor se turbina en una turbina (34) de alta presion de la cual sale a aproximadamente 5,2 bares y 157 °C (punto L). El vapor de salida de la turbina (34) de alta presion se recalienta en dos recalentadores (35), (36), en el primer recalentador (36) el vapor es calentado gracias al calor del fluido caloportador proveniente de la planta solar, mientras que en el segundo recalentador (35) es gracias a una mezcla de fluido proveniente de la salida del primer recalentador (36) y de la salida del sobrecalentador (33), alcanzando as! el vapor de nuevo una temperatura cercana a la temperatura caliente del fluido caloportador, unos 557 °C (punto M). Este vapor recalentado se turbina en una turbina (37) de baja presion, de la cual sale a la menor presion posible (punto N), normalmente en condiciones de vaclo, antes de pasar por un condensador (38) y de vuelta al desgasificador (31) mediante impulsion de una bomba de condensado (39).
En el ciclo secundario, los recalentadores (35), (36) y el sobrecalentador (33) estan conectados de tal forma que el fluido caloportador caliente entra tanto al sobrecalentador (33) como al primer recalentador (36). El segundo recalentador (35) recibe la mezcla de las corrientes de fluido caloportador que salen del sobrecalentador (33) y del primer recalentador (36) a una temperatura intermedia comprendida entre 290 °C y 565 °C (punto P). El fluido caloportador sale del segundo recalentador (35) a una temperatura cercana a la frla (punto Q) y se manda de vuelta al segundo tanque (21) frlo de la planta solar.
En esta primera configuracion de la presente invention, se estima un aporte solar global de aproximadamente 38,5% por una eficiencia global de la planta de aproximadamente 53%, lo que significa una mejora considerable respecto al estado del arte.
Ademas, se consigue reducir el consumo de energla fosil y las emisiones contaminantes correspondientes reemplazando parte del aporte de la energla fosil necesaria para el funcionamiento de las plantas de production electrica con energla solar.
El metodo para generar energla electrica segun esta primera realization preferente de la invencion comprende los siguientes pasos:
- calentar al menos un fluido caloportador con energla procedente del sol;
- transportar el fluido caloportador caliente hasta el ciclo principal cerrado de CO2;
- incrementar la temperatura al CO2 supercrltico en un recuperador (14) que recupera el calor sobrante del CO2 no supercrltico que sale de la turbina (10)
- calentar el CO2 supercrltico mediante el fluido caloportador caliente antes de entrar en la camara de combustion (16).
- introducir el CO2 supercrltico calentado por el fluido caloportador en una camara de combustion (16) para incrementar la temperatura del CO2 supercrltico hasta una temperatura de operation de la turbina (10) superior a 1127°C utilizando calor procedente de la combustion del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustion con el CO2 supercrltico de trabajo; y
- generar energla electrica haciendo pasar el Co2 supercrltico calentado en la camara de combustion (16) por la turbina (10); y,
enviar los gases de combustion generados en la camara de combustion (16) preferiblemente a una caldera de recuperacion (30) para incrementar la temperatura de un fluido de trabajo de un ciclo secundario, siendo el fluido de trabajo del ciclo secundario preferiblemente vapor.
En este ciclo secundario:
- alimentar agua bombeandola desde un desgasificador (31) hasta la caldera de recuperacion (30) de la que sale vapor saturado;
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- sobrecalentar este vapor saturado con al menos un fluido caloportador;
- turbinar este vapor sobrecalentado en una turbina (34) de alta presion;
- recalentar el vapor de salida de la turbina de alta presion (34) mediante al menos un fluido caloportador;
y
- turbinar este vapor recalentado en una turbina (37) de baja presion
- enviar el vapor a la salida de la turbina (37) de baja presion a un condensador (38) y de ahf al desgasificador (31).
En la Figura 2 se muestra el esquema de una segunda posible realizacion de una planta hfbrida 100b solar-fosil segun la invencion.
Esta segunda realizacion la planta hfbrida 100b solar-fosil incluye tambien un ciclo principal cerrado de CO2 supercrftico (Brayton), que se combina con una planta de concentracion solar con dos fluidos caloportadores y con un ciclo secundario de vapor (Rankine).
Esta planta funciona con dos fluidos caloportadores:
- Un primer fluido caloportador de muy alta temperatura (en adelante, fluido I) que tiene una temperatura maxima de trabajo entre 650 °C y 1100 °C. Puede ser, por ejemplo, un metal fundido, sodio o una mezcla a base de sodio.
- Un segundo fluido caloportador de alta temperatura (en adelante, fluido II) que tiene una temperatura maxima de trabajo entre 550 °C y 600 °C. Puede ser, por ejemplo, una mezcla binaria de sales de nitrato.
El objetivo de la configuracion de esta segunda realizacion de la invencion es aumentar la temperatura del fluido de trabajo antes de entrar en la camara de combustion (16), gracias a un aumento del aporte de calor de la parte solar. La necesidad de emplear dos fluidos caloportadores surge a rafz de los inconvenientes que presenta el uso de un fluido de muy alta temperatura. En la actualidad, los fluidos caloportadores de muy alta temperatura potencialmente utilizables presentan estos inconvenientes:
- La mayorfa de los metales tienen una temperatura de congelacion demasiado alta impidiendo su uso en los intercambiadores de baja temperatura.
- El sodio o las mezclas con base de sodio presentan riesgos de explosion e incendio en presencia de agua impidiendo su uso en intercambiadores de ciclos Rankine.
La configuracion mostrada en la Figura 2 es especialmente ventajosa porque permite usar un fluido caloportador de muy alta temperatura unicamente en los intercambiadores en los cuales su uso no presenta riesgo de congelacion ni de explosion. De acuerdo con esta realizacion de la invencion, de los dos fluidos caloportadores solo el fluido I de muy alta temperatura se calienta en la planta solar y se almacena en el primer tanque (22) caliente. Este fluido I se usa directamente como fluido de intercambio de calor en los intercambiadores en los que no existen riesgos, y se usa tambien para calentar el fluido II de alta temperatura de manera que este sea el fluido caloportador en los intercambiadores en los cuales el uso del fluido I no es posible.
El intercambio fluido caloportador de muy alta temperatura (fluido I)-fluido caloportador de alta temperatura (fluido II) se hace en un intercambiador de calor.
A continuacion se explica en detalle esta segunda posible realizacion de la planta hfbrida solar-fosil de la invencion. (A igualdad de elementos que en la realizacion mostrada en la Figura 1, se utiliza la misma referencia numerica en esta Figura 2).
El fluido I es una mezcla con base de sodio (por ejemplo mezcla de sodio-potasio) con una temperatura maxima de trabajo cercana a los 751 °C. El fluido II tiene una temperatura maxima de trabajo entre 550 °C y 600 °C y puede ser, por ejemplo, una mezcla binaria de sales de nitrato.
El sodio (base del fluido I) es muy reactivo y conlleva un alto riesgo usarlo en intercambiadores con agua o vapor. Sin embargo, puede usarse en intercambiadores con CO2. La configuracion mostrada en esta segunda realizacion permite beneficiarse de la compatibilidad de las sales de nitrato (fluido II) con el agua en el ciclo secundario, y de la alta temperatura de trabajo de la mezcla de sodio-potasio (fluido I) en el ciclo principal cerrado de CO2.
En esta segunda realizacion preferente, el fluido I de muy alta temperatura, es el fluido calentado por la planta solar.
En el ciclo principal cerrado de CO2, se considera la misma turbina (10) que la descrita en la realizacion de la figura 1, con las mismas condiciones de presion, temperatura y “pressure ratio” de trabajo.
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El ciclo desde la entrada a la turbina (10) hasta la salida del recuperador (14) o intercambiador de CO2-CO2 supercrltico es tambien identico al descrito anteriormente.
Sin embargo, en esta realizacion, a la salida del recuperador (14) el CO2 supercrltico, que esta a una temperatura cercana a 227 °C (punto D), se manda a dos intercambiadores de fluido caloportador-CO2 supercrltico para aumentar su temperatura:
- Un intercambiador (15a) de fluido II-CO2 supercrltico: la corriente de CO2 se calienta usando el fluido II que proviene del tanque 21_II tras pasar por intercambiador (18). La temperatura de salida del CO2 supercrltico despues de este intercambiador (15a) es cercana a la temperatura caliente del fluido II, es decir, unos 557 °C (punto R).
- Un intercambiador (15b) de fluido I-CO2 supercrltico: en este intercambiador (15b) se aprovecha la muy alta temperatura del fluido I, proveniente de la planta solar, para calentar el CO2 hasta una temperatura cercana a los 746 °C (punto E) antes de su entrada a la camara de combustion (16).
Al salir de este intercambiador (15b), el CO2 pasa por la camara de combustion (16) cuyo rol es aportar al CO2 supercrltico la energla necesaria para que alcance las condiciones de entrada de la turbina (10), es decir, una temperatura de 1150 °C (punto F). Los gases de la camara de combustion (16) se mandan directamente a la caldera de recuperacion (30) del ciclo secundario.
El ciclo secundario es identico en equipos y temperaturas en cada punto al descrito en la realizacion anterior. Sin embargo, las condiciones de caudal en el ciclo de vapor son diferentes al ser mayor la temperatura de salida de los gases de la camara de combustion (16).
El fluido caloportador usado para sobrecalentar y recalentar el vapor es el fluido II que ha sido previamente calentado por el fluido I.
Al igual que en la realizacion anterior, el fluido I frlo se almacena en un primer tanque frlo (21_I) de la planta solar. Se bombea al receptor solar (20) para su calentamiento hasta su temperatura caliente. Una vez alcanzada la temperatura caliente, en este caso cercana a los 751 °C, el fluido I se almacena en el segundo tanque (22) caliente.
Desde este segundo tanque (22) caliente el fluido I se manda al intercambiador (15b) del ciclo principal cerrado, del cual sale a una temperatura superior a la temperatura caliente del fluido II (punto S). A continuation se manda un intercambiador (18) de fluido I—fluido II para calentar el fluido II hasta su temperatura de trabajo. Al salir de este intercambiador (18) el fluido I se almacena en el primer tanque frlo (21_I).
Por otra parte, el fluido II se almacena en un tercer tanque (21_II) frlo, desde el cual se bombea mediante una bomba (24) al intercambiador (18) de fluido I—fluido II para ser calentado. A la salida de este intercambiador (punto T):
- una parte del fluido II se manda al intercambiador (15a) de fluido II-CO2 supercrltico, desde el cual se vuelve a mandar al tercer tanque (21_II) frlo;
- otra parte se manda al sobrecalentador (33) y a los recalentadores (35), (36) del ciclo secundario, que operan en las mismas condiciones que en la realizacion anterior.
El metodo para generar energla electrica segun esta segunda realizacion preferente de la invention comprende los siguientes pasos:
- calentar un primer fluido caloportador con energla procedente del sol;
- calentar un segundo fluido caloportador a partir del primer fluido caloportador en un intercambiador de calor (18)
- transportar el primer fluido caloportador caliente hasta el ciclo principal cerrado de CO2;
- incrementar la temperatura al CO2 supercrltico en un recuperador (14) que recupera el calor sobrante del CO2 que sale de la turbina (10);
- calentar el CO2 supercrltico mediante un segundo fluido caloportador caliente antes de entrar en la camara de combustion (16) en un primer intercambiador de calor (15a); - calentar el CO2 supercrltico mediante un primer fluido caloportador caliente mediante un segundo intercambiador de calor (15b) antes de entrar en la camara de combustion;
- introducir el CO2 supercrltico calentado en una camara de combustion (16) para incrementar la temperatura del CO2 supercrltico hasta una temperatura de operation de la turbina (10) superior a 1127°C utilizando calor procedente de la combustion del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de
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combustion con el CO2 supercrltico de trabajo;
- generar energla electrica haciendo pasar el CO2 supercrltico calentado en la camara de combustion (16) por la turbina (10); y,
enviar los gases de combustion generados en la camara de combustion (16) preferiblemente a una caldera de recuperacion (30) para incrementar la temperatura de un fluido de trabajo de un ciclo secundario, siendo el fluido de trabajo del ciclo secundario preferiblemente vapor.
En este ciclo secundario:
- alimentar agua bombeandola desde un desgasificador (31) hasta la caldera de recuperacion (30) de la que sale vapor saturado;
- sobrecalentar este vapor saturado con el segundo fluido caloportador;
- turbinar este vapor sobrecalentado en una turbina (34) de alta presion;
- recalentar el vapor de salida de la turbina (34) de alta presion mediante al menos un recalentador (35),a partir del segundo fluido caloportador; y
- turbinar este vapor recalentado en una turbina (37) de baja presion
- enviar el vapor a la salida de la turbina (37) de baja presion a un condensador y de ahl al desgasificador(31)
En este texto, la palabra “comprende” y sus variantes (como “comprendiendo”, etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc.
Por otra parte, la invention no esta limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca tambien, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la election de materiales, dimensiones, componentes, configuration, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.

Claims (24)

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    REIVINDICACIONES
    1. - Planta hlbrida (100a, 100b) solar-fosil que comprende:
    - una planta de concentracion solar que incluye:
    - al menos un primer circuito cerrado con al menos un fluido caloportador;
    - un receptor de energla solar (20) para calentar al menos un fluido caloportador; y
    - al menos un medio de almacenamiento (22) de energla termica para almacenar el fluido caloportador; comprendiendo la planta hlbrida:
    - un ciclo principal cerrado de CO2 supercrltico que incluye al menos una turbina (10) cuyo fluido de trabajo es CO2 supercrltico y una camara de combustion (16) para quemar un combustible, estando el ciclo principal cerrado de CO2 supercrltico en comunicacion termica con el primer fluido caloportador de la planta de concentracion solar;
    estando la planta hlbrida caracterizada por que
    - la camara de combustion (16) esta disenada para incrementar una temperatura del CO2 supercrltico hasta una temperatura de operacion de la turbina (10) utilizando calor procedente de la combustion del combustible, sin mezclarse los gases de escape de combustion con el CO2 supercrltico de trabajo.
  2. 2. Planta segun la reivindicacion 1, que ademas comprende un ciclo secundario cuyo fluido de trabajo es vapor calentado por los gases de combustion producidos en la camara de combustion(16).
  3. 3. Planta segun reivindicacion 2, en la que el vapor del ciclo secundario esta calentado por los gases de combustion producidos en la camara de combustion (16) mediante una caldera de recuperacion (30).
  4. 4. Planta segun cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en la que el ciclo cerrado de CO2 supercrltico esta en comunicacion termica con el circuito del fluido caloportador de la planta solar mediante un intercambiador de calor (15) situado antes de la camara de combustion (16).
  5. 5. Planta segun cualquiera de la reivindicaciones 2-4, en la que el fluido caloportador esta tambien en comunicacion termica con el ciclo secundario de vapor.
  6. 6. Planta segun la reivindicacion 5, en la que el fluido caloportador esta en comunicacion termica con el ciclo secundario mediante al menos un sobrecalentador (33) y/o al menos un recalentador (35, 36) de dicho ciclo secundario.
  7. 7. Planta segun cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en la que el fluido caloportador tiene una temperatura de trabajo superior a 327°C.
  8. 8. Planta segun cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende dos fluidos caloportadores donde el primer fluido caloportador es el fluido calentado por la planta solar y el segundo fluido caloportador es calentado por el primer fluido caloportador en al menos un segundo circuito cerrado.
  9. 9. Planta segun la reivindicacion 8, en la que el primer fluido caloportador tiene una temperatura maxima de trabajo superior al segundo fluido caloportador.
  10. 10. Planta segun cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en la que el segundo fluido caloportador esta en comunicacion termica con el ciclo principal cerrado de CO2 supercrltico.
  11. 11. Planta segun cualquiera de las reivindicaciones 8-10, en la que la que el segundo fluido caloportador esta en comunicacion termica con el ciclo secundario de vapor.
  12. 12. Planta segun cualquiera de las reivindicaciones 8-11, en la que dicho primer fluido caloportador tiene una temperatura maxima de trabajo entre 650°C y 1100 °C y dicho segundo fluido caloportador tiene una temperatura maxima de trabajo de entre 550°C y 600°C .
  13. 13. Planta segun cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en la que al menos un fluido caloportador esta compuesto a base de sodio, sales y/o metales.
  14. 14. Planta segun cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en la que la camara de combustion (16) tiene un primer compartimento con una entrada para combustible y una salida para gases de escape de la combustion del combustible, y un segundo compartimento con una entrada y una salida de CO2 supercrltico para incrementar la temperatura del CO2 supercrltico, siendo dichos primer y segundo compartimentos estancos entre si de forma que no hay mezcla entre los gases de escape de combustion y el CO2 supercrltico de trabajo.
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  15. 15. Metodo para generar energla electrica mediante un ciclo principal cerrado de CO2 supercritico que incluye una turbina (10) cuyo fluido de trabajo es CO2 supercritico y una camara de combustion (16) para quemar combustible, que comprende:
    - calentar al menos un fluido caloportador con energla procedente del sol;
    - transportar el fluido caloportador caliente hasta el ciclo principal cerrado;
    - calentar el CO2 supercritico mediante el fluido caloportador caliente antes de entrar en la camara de combustion (16);
    caracterizado por que el metodo incluye ademas:
    - introducir el CO2 supercritico calentado por el fluido caloportador en la camara de combustion (16) para incrementar la temperatura del CO2 supercritico hasta una temperatura de operacion de la turbina (10) utilizando calor procedente de la combustion del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustion con el CO2 supercritico de trabajo;
    - generar energla electrica haciendo pasar el CO2 supercritico calentado en la camara de combustion (16) por la turbina (10).
  16. 16. Metodo segun la reivindicacion 15, en el que antes de calentar el CO2 supercritico con al menos un fluido caloportador, se aplica un incremento de temperatura al CO2 supercritico en un recuperador (14) que recupera el calor sobrante del CO2 no supercritico que sale de la turbina (10).
  17. 17. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 15-16, en el que los gases de combustion generados en la camara de combustion (16) se mandan a una caldera de recuperacion (30) para incrementar la temperatura de un fluido de trabajo de un ciclo secundario.
  18. 18. Metodo segun la reivindicacion 17, en el que el fluido de trabajo del ciclo secundario es vapor.
  19. 19. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 17-18, en el que el ciclo secundario comprende:
    - alimentar agua bombeandola desde un desgasificador (31) hasta la caldera de recuperacion (30) de la que sale vapor saturado;
    - sobrecalentar este vapor saturado con al menos un fluido caloportador;
    - turbinar este vapor sobrecalentado en una turbina (34) de alta presion ;
    - recalentar el vapor de salida de la turbina (34) de alta presion mediante al menos un fluido caloportador; y
    - turbinar este vapor recalentado en una turbina (37) de baja presion
  20. 20. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 15-19, en el que la planta comprende dos fluidos caloportadores utilizandose un primer fluido caloportador para calentar un segundo fluido caloportador, teniendo el primer fluido caloportador una temperatura maxima de trabajo superior a la del segundo fluido caloportador.
  21. 21. Metodo segun reivindicacion 20, en el que el segundo fluido caloportador calienta el CO2 supercritico del ciclo principal en un intercambiador (15a) antes de que el CO2 supercritico sea calentado por el primer fluido caloportador en un intercambiador (15b)
  22. 22. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 20-21, en el que el segundo fluido caloportador calienta el fluido de trabajo del ciclo secundario.
  23. 23. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 20-23 en el que el segundo fluido caloportador se almacena en un tanque frlo (21_II) antes de ser calentado por el primer fluido caloportador en un intercambiador (18)
  24. 24. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 15-23, en el que el CO2 supercritico calentado entra en la turbina (10) a una temperatura superior a 1127 °C.
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