ES2595443B1 - Sistema integrado de calcinación-carbonatación y ciclo de lazo cerrado de CO2 para almacenamiento de energía termoquímica y generación de energía eléctrica - Google Patents

Sistema integrado de calcinación-carbonatación y ciclo de lazo cerrado de CO2 para almacenamiento de energía termoquímica y generación de energía eléctrica Download PDF

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Abstract

El objeto de la invención es la integración de un ciclo de carbonatación-calcinación (Calcium Looping) con un lazo cerrado de potencia por donde evoluciona CO{sub,2} o mezclas de CO{sub,2} con otros gases para proporcionar almacenamiento termoquímico para plantas de potencias y procesos industriales con calor disponible a media temperatura (por encima de los 550ºC). Esto es de aplicación entre otros a plantas termosolares y procesos industriales. Con el sistema desarrollado se consiguen rendimientos de operación por encima del 46% con una capacidad de almacenamiento con gran desfase entre la carga y descarga de larga duración.

Description

Sistema integrado de calcinación-carbonatación y ciclo de lazo
cerrado de COZ para almacenamiento de energía termoquímica y
generación de energía eléctrica
5
Sector de la técnica
La invención se encuadra en el sector técnico de las tecnologías orientadas al almacenamiento de energla, má s concretamente en el relativo al alma cenamiento termoqufmico de energía y su integra ción con tecnologías de generación de energía a partir de fuentes de ca lor de media y alta temperatura.
10
Estado de la técnica
15 20 2S 30
El almacenamiento de energía es uno de los campos de investigación con mayor potencial de cre cimiento a nivel mundial, impulsado entre otros factores por la necesidad de consegu ir una mejor integración de tecnologías de generación de ca rácter renovable, resultando fundamental para el desarrollo de éstas la mejora en la capacidad de desacoplar la producción y la demanda energética. En este sentido se han investigado en los últimos años un gran número de tecnologías de almacenamiento térmico, siendo los sistemas ba sados en almacenamiento de ca lor sensible los más desarrollados a nivel industrial (1]. Estos sistemas usan generalmente como medio de almacenamiento sales fundidas, aceites minerales o materiales cerám icos. Otro sistema de almacenamiento ampliamente estudiado consiste en aprovechar el ca lor latente de materia les que experimentan ca mbios de fase, generalmente entre sólido y líq uido 121Una tercera posibilidad es el almacenamiento termoquímico, que está adquiriendo recie ntemente gran protagonismo, consiste nte en desaco plar producción y demanda mediante compuestos qu'micos. El calor obtenido de una fuente externa es utilizado para llevar a ca bo una reacción endotérmica cuyos productos se almacenarán hasta el momento de demanda de energía, en el que por medio de la reacción inversa (reversible) exoténnica liberan el calor almacenado, quedando disponible para su utilización en sistemas de generación térmica.
La principal ventaja del almacenamiento termoquímico es la mayor densidad energética que habitualmente presentan estos compuestos frente a los componentes usados en el almacenamiento de cambio de fase o mediante calor sensible [1], [2].
la tecnología de almacenamiento químico es encuentra en una etapa inicial de investigación,
5 por lo que su capacidad de desarrollo es enorme, dado el gran potencial de almacenamiento que presenta esta tecnología y el aumento de las plantas que requieren solventar el problema de la producción discontinua y dependiente de factores ambientales externos. De entre las tecnologías orientadas al almacenamiento de energía a gran escala mediante almacenamiento termoquímico una de las más prometedoras es el ciclo de carbonatación+
10 calcinación, denominado habitualmente como Calcium Looping (CaL) [3], [4].
El Calcium looping (Cal) es un proceso basado en la reacción reversible entre el óxido de calcio
y el dióxido de carbono para dar como producto carbonato cálcico:
o _ M]
CaO (s) +CO 2 (g) H CaC03(s) I1Hr --178 kmol
El funcionamiento básico del ciclo comienza con la descomposición del CaCO) en el reactor de calcinación (calcinador) dando como productos CaO y C02, para lo cual un gran aporte de 15 energía es necesario dada la gran densidad energética que presenta el carbonato cálcico. Una vez obtenidos los productos y recuperada la energía que estos contienen se almacenan hasta su posterior utilización. El tiempo posible de almacenamiento térmico dependerá en gran medida de las condiciones del propio almacenamiento y de la demanda energética, pudiendo llegar a ser de semanas o incluso meses [4]. En plantas de energías renovables, especialmente
20 las basadas en energía termosolar, el tiempo característico de almacenamiento será de horas (durante la noche) o de días (en periodos de baja radiación solar).
Una vez finalizado el periodo de almacenamiento se llevan los componentes por separado hada el reactor de carbonatación (carbonatador), donde por medio de la reacción inversa se liberará la energía almacenada en forma química.
25 Para proporcionar el mayor contacto posible sólido-gas se propone la utilización de reactores (carbonatador y calcinador) de lecho fluid izado. Típicamente se realiza un proceso de fluidización rápida, con velocidades de gas del orden de 5-10 mIs. Este hecho presentaría una ventaja de esta tecnología de cara a su incorporación al mercado, dada las contrastadas eficiencia y durabilidad de este tipo de reactores.
Una de las principales ca racterísticas del proceso de calcinadón-carbonatación en condiciones de captura postcombustión de C02 es la rápida pérdida de reactividad de las partículas de CaO que se observa transcurridos un determinado número de ciclos [5J-[7], debido a cambios en su porosidad y estructura cristalina, lo que provoca que la reacción no sea completamente reversible. Este hecho representa la principal desventaja del sistema y para paliar el problema se realiza el aporte de CaC03 fresco al sistema [6J, [8]. Además, para reducir la pérdida de actividad del CaD se están investigando una serie de mejoras como un sistema de recarbonatación intermedio [9]-[11], el pre-tratamiento térmico del sorbente [9], [12], [13], la operación con sorbentes sintéticos, [14]-[16], o la inyección al sistema de vapor de agua en el carbonatador y en el calcinador [17]-[19].No obstante, debe resaltarse que bajo condiciones de almacenamiento térmico, que potencialmente conllevarían la carbonatación con gas de alta concentración de C02 a altas temperaturas y calcinación en ausencia de C02 a no demasiado elevadas temperaturas, la reactividad del CaO presentaría una gran estabilidad [12].
Hasta ahora, una de las razones que ha estado frenando la implantación del Calcium looping para captura de C02 es la gran cantidad de calor que hay que proporcionar en el calcinador [20], [21], lo que provoca un importante penalización energética dados los ciclos termodinámicos que actualmente se están desarrollando.
la presente invención contempla el desarrollo de un sistema de almacenamiento termoquímico basado en el Calcium looping junto con un ciclo cerrado por el que evoluciona C02 O mezclas de gases de C02, para generación eléctrica. El conjunto consigue unas prestaciones en el almacenamiento de energía significativas, en cuanto a los rendimientos alcanzados-valores superiores al 46% según sea la configuración implementada, según se describe más adelante, así como en cuanto al uso de materiales ampliamente disponibles y baratos y la posibilidad de almacenar energía durante prolongados períodos. El sistema propuesto optimiza las capacidades de aprovechamiento energético de ambos sistemas integrados tanto por la configuración de los elementos que lo componen como la combinación de parámetros de operación que permite asociados a ambos sistemas. En el lazo de C02 asociado al lazo de potencia puede evolucionar C02 puro o bien mezclas de C02 con otros de gases, entre los que se encuentran Nitrógeno, Helio, aire, vapor de agua, de manera no excluyente de otr'os gases o combinaciones no mencionados.
la aplicación de este sistema integrado de generación aplicado a plantas termosolares de torre consigue eficiencias globales del conjunto, definidas como la relación entre la energía entrante
al sistema y la obtenida en bornas del alternador superiores al 46 %, permitiendo capacidades de almacenamiento de larga duración donde los procesos de almacenamiento y descarga pueden estar desacoplados por largos períodos de tiempo.
5
la invención presentada en esta patente se puede aplicar como sistema de almacenamiento de energía en cualquier aplicación con calor disponible a media temperatura en la entrada del calcinador, sirviendo entre otras aplicaciones, y de manera no excluyente de otras no mencionadas, pa ra plantas termosolares, sistemas de recuperación de energía o procesos industriales.
10 15
La tecnología de Calcium Looping (Cal) está siendo ampliamente estudiada, fundamentalmente para su aplicación como sistema de captura de C02. Así, el ciclo básico consiste en capturar el CO2 de la corriente de gases de salida de una planta térmica utilizando como sorbente CaO para producir CaC03. Una vez extraído el CO2 y recuperado el calor, la corriente gaseosa es vertida a la atmósfera. Se trata también en esta aplicación de una tecnología prometedora, obteniéndose en plantas a escala piloto-del orden de MW-rendimientos de captura cercanos al 90% [22] .
20
En menor medida que en el caso de la aplicación para captura de C02, algunos trabajos están siendo publicados utilizando el Calcium looping para elalmacenamiento termoquímico [4]. De entre las patentes relacionadas con "Calcium looping" se encuentran las desarrolladas por la universidad de Ohio {23], [24] así como las asociadas a equipos y sistemas presentadas por WQRMSER ENERGY SOLUTIONS INC [25], (26] o las propuestas por Abanades et al. [27]. Sin embargo ninguna de ellas cubre el objeto de la presente invención.
2S
la invención que se presenta integra ciclos cerrados de C02 o mezclas de gases con C02 para generación de energía eléctrica en combinación con -almacenamiento de energía termoquímico a partir de Calcium looping (Cal). El elevado rendimiento obtenido mediante el sistema integrado, el uso de materiales naturales, no tóxicos, abundantes y de bajo coste, y la capacidad de almacenamiento y generación posterior con períodos prolongados de desfase entre ambos hace de esta invención un avance relevante de la técnica con características
únicas en su aplicación.
30
REFERENCIAS
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]2]
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10
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]6J
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[8]
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20
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capture capacity of naturallimestone at Ca-Iooping conditions by heat pretreatment
and recarbonation synergy," Fue/, vol. 123, pp. 79-85, 2014,
{lO]
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25
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[11]
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[12]
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30
of limestone at Ca-Iooping conditions: The role of solid-sate diffusion controlled
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[13]
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35
[14] J. M. Va lverde, "Ca-based synthetic materials with enhanced C02 capture efficiency," 1.
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[15]
Z. Zhou, P. Xu, M. Xie, Z. Cheng. and W. Yuan, "Modeling ofthe carbonation kinetics of a synthetic CaO-based sorbent," Chem. Eng. Sei., vol. 95, pp. 283-290, 2013.
[16]
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[17]
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[18]
R. T. Symonds, D. Y. Lu, V. Manovic, and E. J. Anthony, "'Pilot-scale study of CO 2 capture by CaO-based sorbents in the presence of steam and SO 2," Ind. Eng. Chern. Res., vol. 51, no. 21, pp. 7177-7184, 2012.
[19]
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[20J
N. Rodriguez, M. Alonso, G. Grasa, and J. C. Abanades, " Heat requirements in a calciner of CaC03 integrated in a C02 ca pture system usi ng CaD," Chem. Eng, l., vol. 138, no. 13, pp. 148-154,2008.
[21]
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[22]
B. Arias, M . E. Diego, J. C. Abanades, M . Lorenzo, l. Diaz, D. Martínez, J. Alvarez, and a. Sá nchez-Biezma, "Demonstration of steady state C02 capture in a 1.7MWth Calcium Looping pilot," Int. J. Greenh. Gos Control, vol. 18, pp. 237-245, 2013.
[2 3]
S. Ramkumar and l. S. Fan, "Calcium Looping process for high purity hydrogen production integrated with capture of carbon dioxide, sulfur and halides," 2014.
[241
S. Ram kumar, M. V Iyer, and l. S. Fan, "High purity, high pressure hydrogen production with in-situ co2 and sulfur capture in a single stage reactor," 2014.
[25J
A. Wormser, "Systems, devices and methods for Calcium Looping," 2012. EP 2478074 Al
[26]
A. Wormser, "Systems, devices and methods for Calcium Looping," 2012.
[27]
G. J. C. ABANADES, R. B. ARIAS, and C. Y. Ál VAREZ, "System and method for energy storage using circulating f1uidized bed combustors." Google Patents, 2014. EP 2762781 Al
Descripción detallada de la invención
la presente invención se refiere a un sistema de acumulación de energía termoquímica
aplicable a sistemas con calor disponible a media/alta temperatura basado en la utilización conjunta de un sistema de almacenamiento termoquímico según el cido de Calcium Looping y un lazo de potencia para generación eléctrica en ciclo cerrado donde evoluciona C02 o mezclas de gases con C02. Según la configuración de la integración y condiciones de operación
de ambas tecnologías el rendimiento neto global alcanza valores superiores al 46%. Este
rendimiento está definido como la relación entre la energía obtenida en el ciclo completo (menos los consumos de la planta) y el aporte de energía en el calcinador.
En el lazo de C02 asociado al lazo de potencia puede evolucionar C02 puro o bien mezclas de C02 con otros de gases, entre los que se encuentran Nitrógeno, Helio, aire, vapor de agua, de manera no excluyente de otros gases o combinaciones de los mismos no mencionados.
El sistema de almacenamiento de energía propuesto está formado por dos subsistemas, uno asociado al ciclo de calcinación/carbonatación (Calcium Looping) y otro a un ciclo cerrado de C02, disponiendo de una serie de intercambiadores de calor que enlazan ambos subsistemas, de manera que se maximiza la recuperación de calor así como el ajuste de los parámetros de operación y las prestaciones obtenidas de la operación conjunta de ambos sistemas en el modo de generación de energía. Ambos sistemas confluyen entre dos reactores de lecho fluidizado, donde se produce la carbonatación y la calcinación del sorbente en dos etapas temporalmente diferenciadas de almacenamiento y de generación. En el calcinador se produce la reacción endotérmica de formación de CaO y C02 a partir del CaC03 con aporte externo de calor. la energía procedente de la fuente térmica a media temperatura (superior a 5502 C) es aprovechada para que se lleve a cabo la reacción endotérmica y se almacenan ambos productos (Cao y C02) para su posterior utilización en la producción de energía eléctrica en la fase de descarga el ciclo de potencia acoplado. Dada la característica de los productos, el sistema puede desacoplar durante largos períodos de tiempo el almacenamiento y la generación. En la fase de generación C02 y Cao reaccionan mediante reacción exotérmica. Esta invención plantea en el lado del carbonatador la integración de un ciclo en lazo cerrado de potencia por el que evoluciona C02 o mezclas de C02 y gases. El calor generado en la reacción de carbonatación es trasmitido al CaC03 formado y a la corriente de C02, o mezcla de C02 con otros gases, que no participa en la reacción de carbonatación. la cantidad de C02 que no reacciona varía en función de la pérdida de actividad del CaD en función del número de ciclos
de carbonatación a que es sometido. Como resultado la corriente de gases, bien de C02 puro o
bien de C02 con otros gases, a alta presión y temperatura evoluciona por el ciclo cerrado del
lazo de potencia para la producción de potencia eléctrica. El mismo presenta dos posibles variantes: a) integración directa con 105 gases evolucionando por una turbina termica.
b) integración indirecta con los gases evolucionando por el ciclo cerrado y generando intercambio de calor con un sistema de potencia mediante motores de combustión externa: turbina de gas con C02 o con aire caliente, turbina de vapor, motores Stirling, sistemas híbridos, ciclos combinados, procesos industriales en general. Esta enumeración no excluye otras posibles integraciones indirectas del sistema.
El lazo de C02/gases se cierra derivando los mismos hacia un sistema de almacenamiento de los mismos (independiente desde el punto de vista funcional del almacenamiento para Calcium looping). En el caso de la configuración directa necesitará una compresión para cerrar el ciclo tras la expansión en turbina. la integración del lazo de potencia propuesto en el carbonatador del ciclo de Calcium looping permite un proceso de recuperación de energía que maximiza la relación entre la energía obtenida en el ciclo de potencia y la recuperación de energía entre el ciclo de potencia y el Calcium looping a través de un conjunto de intercambiado res de calor y divisiones de los flujos. Esta integración permite optimizar la operación y parámetros requeridos tanto en las corrientes entrantes de CaO y C02 V procesos existentes en el carbonatador como en la operación de generación eléctrica. En la invención propuesta el C02 que no reacciona en la carbonatación evoluciona en un ciclo cerrado para la producción de potencia y para calentar otras corrientes del sistema integrado en función de la demanda térmica y/o eléctrica de la planta, gracias a la gestión optimizada de los flujos que evolucionan por los diferentes sistemas de intercambiadores y la cantidad de flujo que evoluciona por el lazo de potencia regulada mediante los sistemas de almacenamiento propios del lazo de potencia. En función de las condiciones de generación requeridas se ajustan los parámetros de operación del conjunto de generación de calor en el carbonatador y en el sistema de generación de potencia optimizando la operación del conjunto.
Para controlar la energía transportada en el lazo de potencia saliente del carbonatador, y por
tanto la potencia generada, se controla el gasto másico que evoluciona por el lazo de potencia. la generación térmica se controla actuando sobre los valores de los gastos másicos y temperaturas de los flujos así como la presión en carbonatador. Por el lazo de potencia puede
evolucionar bien C02 puro o bien mezclas de C02 con otros fluidos como: N2, He, Aire, Vapor, entre otros, y de manera no excluyente de los no mencionados. La configuración del sistema V sus parámetros óptimos varían en función de la aplicación del concepto presentado y los niveles de potencia requeridos.
En las figuras 1, 2 V 3 se presentan tres esquemas de integración directa del conjunto Calcium
Looping con lazo de potencia integrado en el carbonatador. En las figuras 4, 5 Y 6 se presentan tres esquemas de integración indirecta del conjunto Calcium Looping con lazo de potencia integrado en el carbonatador. En la configuraciones propuestas, en el lazo de potencia el gasto másico de C02 (o C02/ mezcla de gases) evoluciona desde la salida del carbonatador hacia la turbina de gas donde expande generando electricidad. En la figura 1 se muestra una integración directa COn recuperación de calor en HXF para calentar la corriente de CaD con la corriente de salida de la turbina del lazo de potencia y con HXE para recuperar calor de la corriente de CaC03 que sale del carbonata dar. En la configuración mostrada en la figura 2 se añade a la configuración mostrada en la figura 1 un tren de intercambio de calor adicional HXG y la corriente de gases del lazo de potencia se divide, evolucionando diferentes fracciones de gasto másico para calentar las corrientes asociadas al Calcium Looping en función de los gastos que evolucionan y los niveles de temperatura requerido bajo diferentes condiciones de operación de CaO (en el intercambiador HXF) y C02 (intercambiador HXG). A su vez, el calor disponible para estas corrientes y las fracciones derivadas hacia cada intercambiador son dependientes del gasto total que evoluciona por la turbina y el grado de expansión alcanzado en la misma. Ambos parámetros son controlados mediante el control de la presión en el carbonatador, de la presión de entrega del flujo del lazo de potencia desde el sistema de almacenamiento/regulación y el control del gasto másico circulante en el lazo de potencia mediante el aporte o extracción de gasto desde el sistema de almacenamiento. Todos estos parámetros se ajustan en función de los requerimientos de operación en el modo de generación. Las dos corrientes que han evolucionado hacia los intercambiadores HXF y HXG se vuelven a juntar para evolucionar cerrando el lazo de potencia. El sistema de
almacenamiento/regulaciÓn del lazo de potencia permite almacenar en la fase de carga y
regular el gasto circulante por el lazo de potencia en la fase de descarga, inyectando o extrayendo gasto para lo que dispone de sistema de compresión para su llenado y de expansión para la inyección de gasto en el sistema. COn el objeto de reducir el consumo energético de este proceso de compresión para el llenado se incorpora opcionalmente un sistema de enfriamiento. El flujo proveniente del lazo de potencia se une al flujo de C02 proveniente del sistema de almacenamiento de energía del Calcium Looping. Este C02 almacenado del sistema de Calcium looping se expande en un grupo turbocompresor que genera una energía eléctrica adicional a la obtenida en la turbina principal. En la configuración propuesta en la figura 3 se añade un sistema de intercambio añadido al presentado en la configuración propuesta en la figura 2. la corriente de C02 proveniente del almacenamiento del Calcium looping y la corriente proveniente del lazo de potencia se unen y evolucionan por un tren de intercambiadores en paralelo (HXG y HXI) que optimiza el proceso de recuperación de calor a baja temperatura para la corriente de C02 entrante en el carbonatador. En el intercambiador HXE, el calor a alta temperatura de la corriente de CaC03 es recuperado en la fase final de precalentamiento del flujo de C02 entrante en el carbonatador. Este conjunto de intercambiadores asegura el alcance de las temperaturas requeridas con un elevado nivel de recuperación de calor. Además, en las tres configuraciones, un conjunto de intercambiadores de calor (HXE) recupera calor para el C02 que evoluciona hacia el ca rbonatador desde la corriente de CaC03 saliente de éste. la configuración del lazo de potencia y la disposición del sistema de recuperación de calor entre corrientes que presenta la invención optimiza el proceso de recuperación de calor entre corrientes y maximiza el rendimiento del conjunto en la fase de generación.
En la fase de almacenamiento de energía, con un tratamiento aparte, se plantea una disposición de intercambio de calor entre la corriente de CaC03 y de C02 generada en el calcinador con una división del flujo de CaC03 en dos corrientes hacia un conjunto de intercambiadores en paralelo donde se enfría la corriente de C02 y se calienta parte del flujo de CaC03 (HXB), y otro intercambiador donde parte del CaC03 es calentado por el flujo de CaO saliente del calcinador (HXA). El C02 enfriado es sometido a un proceso adicional de compresión refrigerada en varias etapas para su almacenamiento y posterior uso en la fase de descarga. las ventajas que presenta esta nueva integración de ciclos son:
•
Sistema de almacenamiento de energía de gran capacidad y escalable que permite ir desde 1 MW hasta 1000 MW.
•
Presenta elevados valores de rendimiento en la recuperación de energía, definido
como la relación entre potencia en bornas de alternador y energía aportada, hasta el 5 48% según condiciones de operación. los va lores obtenidos son comparables a los existentes en plantas de potencia actuales sin sistema de almacenamiento.
• Posibilidad de uso en aplicaciones con calor disponible a temperaturas superiores a
5502C
• Posee especial interés (aunque no exclusivo) para aplicaciones termosolares, sistemas
10 de recuperación de energía e integración en sistemas industriales.
• Se emplean materiales abundantes en la naturaleza, de muy bajo costo, no tóxicos, y no degradables. Además, se usan tecnologías maduras ya disponibles. Todo ello resulta en un sistema que requiere una inversión relativamente baja comparado con otras tecnologías de almacenamiento de energía, especialmente a escala por encima
15 de los 50 MW.
•
Permite el almacenamiento de energía con largos pefÍodos de desfase entre el almacenamiento y la generación.
•
Comparte desarrollo tecnológico con sistemas de captura de C02.
20 Ejemplo de realización de la invención
Como ejemplo de aplicación de la invención se muestra el caso para una planta termosolar y una capacidad de almacenamiento de energía de 100 MW. Se presentan resu ltados del sistema integrado con el lazo de potencia en integración directa para las tres alternativas de integración planteadas, figura 1, figura, 2 figura 3, en función de dos parámetros clave en la
25 fase de generación presión en el carbonatador y la actividad residual media del CaD en la carbonatación, es decir, la fracción de sorbente que reacciona con el C02 en el carbonatador.
Para el ejemplo que se presenta los parámetros que se han tomado son: El análisis del efecto de diferentes configuraciones es presentado en las figura 7 y 8.
Potencia neta absorbida en el calcinador
100 MW
Temperatura en el carbonatador
875 ·C
Reactividad media del eaO en el carbonatador
0.30 -
Pérdidas de calor en el carbonatador
10 %
Temperatura ambiente
20 ·C
Mínima diferencia de temperatura de Intercambio sólidos-sólidos
20 ·C
Mínima diferencia de temperatura de Intercambio gas-gas
15 ·C
Minima diferencia de temperatura de intercambio gas-solidos
10 ·C
Consumo de energía asodada al transporte de sóli dos
5 MJ/tonne/ lOO m
Distancia eQuivalente de transporte estimada
200 m
Eficiencia isentrópica en turbina
0.89 -
Presión de almacenamiento de CO2
75 b"
El flujo másico de C02 en el ciclo cerrado aumenta cuando el ratio de presión PR tiende a 1:
P R = -;;-,-P"oa"-,,,-,_
pout,tur bfne
En lo que se refiere a la eficiencia del ciclo, esta depende del balance entre la potencia
5 producida en la turbina de gas y el consumo de potencia resultante en el sistema (montado en un eje) compuesto por turbina y el compresor de C02. Esto es así porque la potencia necesaria para la compresión del C02 antes del almacenamiento en el lado del calcinador no influye sobre el balance en la zona el carbonatador, manteniendo por tanto constante a lo largo de los análisis paramétricos efectuados.
10 Como se ha descrito en el estado de la técnica, la eficiencia de captura de C02 mediante calcium looping está fuertemente condicionada por el valor de actividad del CaO en la reacción de carbonatación la cual varía en función del número de ciclos a que es sometido. En la figura 7 se muestra un estudio del comportamiento del ciclo propuesto centrado en el análisis de este parámetro. Como se puede apreciar, cuanto mayor es la actividad de CaO
15 (carbonatación más eficiente) mejor rendimiento del ciclo, menor es el costo y tamaño de los tanques de almacenamiento y de los intercambiadores de calor. En la figura 8 se muestran las regiones de isorrendimiento para la configuración de la figura 3, con integración directa, en función de la presión en carbonatador y salida de turbina para unas condiciones concretas del ciclo y flujos circulantes. Se aprecia una región óptima de operación en función de estos
20 parámetros con unos valores de rendimiento relevantes.
Descripción de las figuras
Figura 1.-Configuración general propuesta (1). Integración directa.
En la figura se muestra el esquema general del sistema Integrado con integración directa . En el
25 mismo la turbina de generación se encuentra integrada en el propio lazo de potencia. Se
indican los distintos elementos de intercambio de calor y trabajo, así como depósitos de
acumulación de sólidos y gases, propuestos.
Figura 2.-Configuración 2. Integración directa
En la figura se muestra una nueva configuración sobre el esquema general del sistema con integración directa en el que se añade un tren de intercambio de calor adicional HXG. Figura 3.-Configuración 3. Integración directa En la figura se muestra una nueva configuración sobre el esquema de la configuración 2, añadiendo un tren de intercambiadores en paralelo (HXG y HXI) que optimiza el proceso de
recuperación de calor para la corriente de C02 entrante en el carbonatador.
Figura 4.-Configuración general 4. Integración indirecta. En la figura se muestra el esquema general del sistema integrado con integración indirecta, con lo que el calor de la corriente de gases (C02 o mezcla) se puede utilizar para diversos usos según la demanda. Se indican los distintos elementos de intercambio de calor y trabajo, así como depósitos de acumulación de sólidos y gases, propuestos. Figura 5.-Configuración S. Integración indirecta En la figura se muestra una nueva configuración sobre el esquema de la configuración S con integración indirecta en el que se añade un tren de intercambio de calor adicional HXG.
Figura 6.-Configuración 6. Integración indirecta En la figura se muestra una nueva configuración COn integración indirecta sobre el esquema de
la configuración S, añadiendo un tren de intercambiadores en paralelo (HXG y HXI) que optimiza el proceso de recuperación de calor para la corriente de C02 entrante en el carbonatador. Figura 7.-Rendimiento según actividad del sorbente, configuración y relación de presiones. En la figura se muestra el rendimiento obtenido utitizando diferentes configuraciones en función del grado de actividad del sorbente en la carbonatación en el punto de óptimo (por
cada configuración) de relación de presiones entre carbonatador y salida de turbina. Figura 8.-Rendimiento del ciclo en función de la relación de presiones. Gráfico de contorna del rendimiento del ciclo en función del ratio de presión y de la presión de salida de la turbina. Se aprecia como a bajas presiones de salida en la turbina se obtienen mejores valores de eficiencia.

Claims (7)

  1. Reivindicaciones
    1.-Sistema integrado de almacenamiento de energía termoquímica y generación de energía eléctrica caracterizado porque un ciclo de calcinación -carbonatación se integra,
    directa o indirectamente, con un lazo de potencia en ciclo cerrado de C02 o mezcla de C02 con otros gases, obteniéndose un elevado rendimiento y alta capacidad de almacenamiento.
  2. 2.-Sistema integrado según reivindicación anterior, caracterizado porque en la integración directa, el flujo de gases del lazo de potencia evoluciona directamente por una turbina térmica principal para generación eléctrica.
  3. 3.-Sistema según reivindicación anterior, caracterizado porque en la integración indirecta, el flujo de gases del lazo secundario evoluciona por una serie de intercambiadores para proporcionar calor a un sistema externo de generación eléctrica o a un proceso industrial.
  4. 4.-Sistema integrado según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la integración del lazo de potencia en ciclo cerrado con el ciclo de calcinación-carbonatación permite al un exceso de C02 en el carbonatador y b) transportar la energía generada yel exceso de C02 para su almacenamiento y/o generación de energía eléctrica.
  5. 5.-Sistema integrado según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la fase de carbonatación el sistema de recuperación del calor a través de un conjunto de intercambiado res en serie y paralelo y by-pass de flujos permite optimizar los perfiles de intercambio de calor entre las corrientes salientes del carbonatador, CaC03, entrantes CaO y C02 y el flujo de gases que evoluciona el lazo de potencia, maximizando esta configuración las prestaciones del conjunto generación térmica en el calcinador y generación de potencia en el lazo de potencia permitiendo alcanzar elevados rendimientos en la fase de descarga de energía.
  6. 6.-Sistema integrado según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante la calcinación, cuando se genera C02 y CaD, el sistema de recuperación de calor entre las corrientes de CaC03 mediante intercambiadores en paralelo y divisiones del flujo maximiza el rendimiento del proceso de calcinación permitiendo elevados rendimientos en la fase de almacenamiento de energía.
  7. 7.-Sistema integrado según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante la calcinación, en la fase de almacenamiento de energía cuando se descompone el CaC03 en
    C02 y CaO, emplea compresión refrigerada en varias etapas para minimizar el consumo de energía y optimizar el proceso de almacenamiento de C02.
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