ES2618294A1 - Sistema de almacenamiento de hidrógeno por compresión asistido mediante calor residual de compresión - Google Patents

Sistema de almacenamiento de hidrógeno por compresión asistido mediante calor residual de compresión Download PDF

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ES2618294A1 ES201500912A ES201500912A ES2618294A1 ES 2618294 A1 ES2618294 A1 ES 2618294A1 ES 201500912 A ES201500912 A ES 201500912A ES 201500912 A ES201500912 A ES 201500912A ES 2618294 A1 ES2618294 A1 ES 2618294A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

La invención denominada "sistema de almacenamiento de hidrógeno por compresión asistido mediante calor residual de compresión", consiste en la compresión eficiente del hidrógeno a alta presión (900-1000 bar) en donde el calor desarrollado por el proceso de compresión multi-etapa con enfriamiento intermedio del hidrógeno, es utilizado para ser convertido en energía mecánica y/o eléctrica y utilizarla para abastecer parcialmente de la demanda de energía de compresión, incrementando significativamente la eficiencia del proceso global de compresión.

Description

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DESCRIPCION
Sistema de almacenamiento de hidrogeno por compresion asistido mediante calor residual de compresion.
Campo tecnico de la invencion
La presente invencion pertenece al campo tecnico del almacenamiento a alta presion del hidrogeno destinado a la alimentacion de combustible a las maquinas termicas que operan con hidrogeno como combustibles.
Objetivo de la invencion
El objetivo de la presente invencion denominada "SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO POR COMPRESION ASISTIDO MEDIANTE CALOR RESIDUAL DE COMPRESION", consiste en la compresion eficiente del hidrogeno a alta presion (900-1000 bar) en donde el calor desarrollado por el proceso de compresion multi-etapa o polifasico con enfriamiento intermedio del hidrogeno, es utilizado para ser convertido en energla mecanica y/o electrica y utilizarla para abastecer parcialmente la demanda de energla de compresion, reduciendo significativamente el trabajo neto de compresion o incrementando significativamente la eficiencia del proceso global de compresion.
Antecedentes de la invencion
Los procedimientos actualmente conocidas de almacenamiento de hidrogeno estan basadas en las siguientes tecnologlas:
Almacenamiento flsico que comprende,
- compresion gaseosa del hidrogeno por encima de los 700 bar
- compresion criogenica entre 10 y 350 bar
- licuacion del hidrogeno entre 1 y 10 bar almacenado en tanques criogenicos Almacenamiento solido del hidrogeno que comprende los procedimientos basados en
- hidruros o compuestos de hidrogeno con otros elementos metalicos, qulmicos, u organicos tales como
- adsorcion basada en carbon activado,
- adsorcion basada en zeolitos o roca solida natural muy porosa o,
- adsorcion basada en compuestos metal-organicos MOF (metal-organic frameworks).
La tecnica de almacenamiento del hidrogeno propuesta en este invento pertenece al grupo de compresion gaseosa del hidrogeno por encima de los 700 bar en el que se aprovecha la energla residual de compresion del hidrogeno, cuyo calor es convertido en energla mecanica y/o electrica para ser recuperada y alimentar el proceso de compresion del hidrogeno tanto opcionalmente por via mecanica o electrica.
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Breve descripcion de la invencion
El invento denominado "SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO POR COMPRESION ASISTIDO MEDIANTE CALOR RESIDUAL DE COMPRESION" consiste en aprovechar la energla termica residual generada durante el proceso de compresion del hidrogeno, y convertirla a energla mecanica y/o electrica para complementar la demanda de energla mecanica o electrica utilizada por el sistema de compresion de hidrogeno. El sistema se funda en que el calor de refrigeracion de los compresores de baja, media y alta presion es utilizado para accionar un cilindro actuador alternativo, el cual acciona un cilindro compresor de hidrogeno que contribuye a incrementar la presion del hidrogeno a la entrada del compresor de hidrogeno de la primera fase, reduciendo el trabajo neto de compresion e incrementando la eficiencia termica de la planta.
Descripcion de las figuras
En esta seccion se describen a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen la invencion denominada "SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO POR COMPRESION ASISTIDO MEDIANTE CALOR RESIDUAL DE COMPRESION "para facilitar la comprension de la invencion en donde se hace referencia a las siguientes figuras:
La figura 1, muestra el esquema de la configuration fundamental de la invencion denominada "SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO POR COMPRESION ASISTIDO MEDIANTE CALOR RESIDUAL DE COMPRESION", la cual muestra los siguientes componentes:
1 conducto de abastecimiento de hidrogeno a baja presion
2 valvula by-pass
3 enfriador de hidrogeno a temperatura ambiental
4 compresor de hidrogeno de la primera fase
5 enfriador de hidrogeno de la primera fase
6 compresor de hidrogeno de la segunda fase
7 enfriador de hidrogeno de la segunda fase
8 compresor de hidrogeno de la tercera fase
9 enfriador de hidrogeno de la tercera fase
10 conducto de descarga de hidrogeno a alta presion
11 bomba de circulation del fluido termico de trabajo
12 cilindro actuador
13 cilindro compresor de hidrogeno
14 valvula 2p-3v (dos posiciones-tres vlas) de suministro de calor al cilindro actuador
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15 valvula 2p-3v de retorno de calor del cilindro actuador
16 valvula 2p-3v de suministro de frlo al cilindro actuador
17 valvula 2p-3v de retorno de frlo del cilindro actuador
18 valvula 2p-3v de suministro de hidrogeno al cilindro compresor
19 valvula 2p-3v de descarga de hidrogeno del cilindro compresor
20 valvula de regeneration por mezcla en el cilindro actuador Description detallada de la invention
El "SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO POR COMPRESION ASISTIDO MEDIANTE CALOR RESIDUAL DE COMPRESION", constituido por los siguientes componentes:
- conducto de abastecimiento de hidrogeno a baja presion (1) procedente de la planta generadora de hidrogeno
- valvula by-pass (2) destinada a facilitar la entrada de hidrogeno directamente desde la planta generadora de hidrogeno al compresor de hidrogeno de la primera fase durante la fase de operation de puesta en marcha de la planta
- enfriador de hidrogeno a temperatura ambiental (3)
- compresor de hidrogeno de la primera fase (4)
- enfriador de hidrogeno de la primera fase (5) que opera como recuperador de calor del compresor de la primera fase
- compresor de hidrogeno de la segunda fase (6)
- enfriador de hidrogeno de la segunda fase (7) que opera como recuperador de calor del compresor de la segunda fase
- compresor de hidrogeno de la tercera fase (8)
- enfriador de hidrogeno de la tercera fase (9) que opera como recuperador de calor del compresor de la tercera fase
10 conducto de descarga de hidrogeno a alta presion (10) hacia las botellas-cilindro de almacenamiento
- bomba de circulation del fluido termico de trabajo (11) el cual opera en circuito cerrado
- cilindro actuador (12) el cual, en virtud del calor suministrado se desplaza en sentido opuesto al de aplicacion del calor y en el mismo sentido de aplicacion de frlo
- cilindro compresor de hidrogeno (13) el cual es accionado por el cilindro actuador (12)
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- valvula 2p-3v (dos posiciones-tres vlas) de suministro de calor al cilindro actuador (14) mediante un fluido termico de trabajo que puede ser un aceite termico o un fluido termico gaseoso tal como hidrogeno o helio
- valvula 2p-3v de retorno de calor del cilindro actuador (15) mediante un fluido termico de trabajo
- valvula 2p-3v de suministro de fluido frlo al cilindro actuador (16) que consiste en un fluido termico de enfriamiento tal como agua fresca
- valvula 2p-3v de retorno de fluido frlo del cilindro actuador (17)
- valvula 2p-3v de suministro de hidrogeno al cilindro compresor (18) por la zona de aspiracion del compresor alternativo (13)
- valvula 2p-3v de descarga de hidrogeno del cilindro compresor (19) hacia el enfriador de hidrogeno (3)
- valvula de regeneration por mezcla en el cilindro actuador (20) destinada a intercomunicar las dos zonas del cilindro (12) con objeto de contribuir a regenerar por mezcla ambas zonas del cilindro actuador de modo alternativo.
El citado conjunto de elementos se halla caracterizado por operar de manera que el calor generador por los compresores (4), (6) y (8) es aprovechado para abastecer parcialmente al sistema de compresion, mediante el compresor alternativo (13) accionado por el cilindro actuador (12), segun la siguiente secuencia:
el hidrogeno a comprimir es suministrado por el conducto de abastecimiento de hidrogeno a baja presion (1) y conducido a traves de la valvula by-pass (2) y el enfriador (3) hacia el compresor de hidrogeno de la primera fase. Seguidamente es enfriado mediante el fluido de termico de trabajo en el enfriador (5), se comprime de nuevo en el compresor de hidrogeno de la segunda fase, se enfrla en el enfriador de hidrogeno de la segunda fase (7), repitiendo el proceso de compresion y enfriamiento en el compresor de hidrogeno de la tercera fase (8) y enfriado mediante el enfriador de hidrogeno de la tercera fase (9), siendo almacenado en botellas o cilindros a alta presion (800-1000) bar. Cuando el cilindro actuador (12) que acciona el compresor alternativo (13) dispone de suficiente calor para operar, se cierra la valvula by-pass (2) obligando al hidrogeno presente en el conducto de abastecimiento de hidrogeno (1) a pasar al compresor (13) que lo comprime y lo transfiere a traves de enfriador (3) para ser comprimido mediante el compresor de hidrogeno (4) y las sucesivas fases hasta la salida por el conducto de descarga de hidrogeno a alta presion (10), en torno a 800-1000 bar.
Donde el cilindro actuador (12) opera de manera que el fluido termico de trabajo a alta temperatura impulsado por la bomba de circulation (11) pasa al calentador ubicado en la zona izquierda del cilindro actuador (12) a traves de la valvula 2p-3v (14), y retornando por la valvula 2p-3v (15) a baja temperatura, con lo cual la zona izquierda del cilindro (12) es activa y el piston del cilindro actuador (12) se desplaza hacia la derecha, mientras que el fluido refrigerante de trabajo entra a la zona derecha del cilindro actuador por la valvula 2p-3v (16) y sale por la valvula 2p-3v (17). Cuando el cilindro actuador haya alcanzado el fin de carrera derecho se cierran las valvulas 2p-3v (14), (15), (16) y (17), se abre la valvula de regeneracion (20) hasta que se igualen las presiones entre ambas zonas del cilindro actuador (12). En este estado se cierra la valvula 2p-3v (17) y se repite el ciclo con el rol de las valvulas 2p-3v (14), (15), (16) y (17) cambiado para hacer activa la zona
derecha del cilindro actuador (12) causando que su piston o embolo se desplace hacia la izquierda.
Realizacion preferente de la invencion
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La realizacion preferente del SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO POR COMPRESION ASISTIDO MEDIANTE CALOR RESIDUAL DE COMPRESION, corresponde al esquema mostrado en la figura 1 de acuerdo con la descripcion dada en la seccion precedente relativa a la descripcion detallada de la invencion.
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Claims (2)

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    1. Sistema de almacenamiento de hidrogeno por compresion asistido mediante calor residual de compresion, el cual esta constituido por los siguientes componentes:
    - conducto de abastecimiento de hidrogeno a baja presion (1) procedente de la planta generadora de hidrogeno
    - valvula by-pass (2) destinada a facilitar la entrada de hidrogeno directamente desde la planta generadora de hidrogeno al compresor de hidrogeno de la primera fase durante la fase de operation de puesta en marcha de la planta
    - enfriador de hidrogeno a temperatura ambiental (3)
    - compresor de hidrogeno de la primera fase (4)
    - enfriador de hidrogeno de la primera fase (5) que opera como recuperador de calor del compresor de la primera fase
    - compresor de hidrogeno de la segunda fase (6)
    - enfriador de hidrogeno de la segunda fase (7) que opera como recuperador de calor del compresor de la segunda fase
    - compresor de hidrogeno de la tercera fase (8)
    - enfriador de hidrogeno de la tercera fase (9) que opera como recuperador de calor del compresor de la tercera fase
    10 conducto de descarga de hidrogeno a alta presion (10) hacia las botellas-cilindro de almacenamiento
    - bomba de circulation del fluido termico de trabajo (11) el cual opera en circuito cerrado
    - cilindro actuador (12) el cual, en virtud del calor suministrado se desplaza en sentido opuesto al de aplicacion del calor y en el mismo sentido de aplicacion de frlo
    - cilindro compresor de hidrogeno (13) el cual es accionado por el cilindro actuador (12)
    - valvula 2p-3v (dos posiciones-tres vlas) de suministro de calor al cilindro actuador (14) mediante un fluido termico de trabajo que puede ser un aceite termico o un fluido termico gaseoso tal como hidrogeno o helio
    - valvula 2p-3v de retorno de calor del cilindro actuador (15) mediante un fluido termico de trabajo
    - valvula 2p-3v de suministro de fluido frlo al cilindro actuador (16) que consiste en un fluido termico de enfriamiento tal como agua fresca
    - valvula 2p-3v de retorno de fluido frlo del cilindro actuador (17)
    - valvula 2p-3v de suministro de hidrogeno al cilindro compresor (18) por la zona de aspiration del compresor alternativo (13)
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    - valvula 2p-3v de descarga de hidrogeno del cilindro compresor (19) hacia el enfriador de hidrogeno (3)
    - valvula de regeneration por mezcla en el cilindro actuador (20) destinada a intercomunicar las dos zonas del cilindro (12) con objeto de contribuir a regenerar por mezcla ambas zonas del cilindro actuador de modo alternativo,
    se halla caracterizado por operar de manera que el calor generador por los compresores (4), (6) y (8) es aprovechado para abastecer parcialmente al sistema de compresion, mediante el compresor alternativo (13) accionado por el cilindro actuador (12).
  2. 2. Sistema de almacenamiento de hidrogeno por compresion asistido mediante calor residual de compresion segun revindication 1a caracterizado por el procedimiento de operation segun el cual, el hidrogeno a comprimir es suministrado por el conducto de abastecimiento de hidrogeno a baja presion (1) y conducido a traves de la valvula bypass (2) y el enfriador (3) hacia el compresor de hidrogeno de la primera fase. Seguidamente es enfriado mediante el fluido de termico de trabajo en el enfriador (5), se comprime de nuevo en el compresor de hidrogeno de la segunda fase, se enfrla en el enfriador de hidrogeno de la segunda fase (7), repitiendo el proceso de compresion y enfriamiento en el compresor de hidrogeno de la tercera fase (8) y enfriado mediante el enfriador de hidrogeno de la tercera fase (9), siendo almacenado en botellas o cilindros a alta presion (800-1000) bar. Cuando el cilindro actuador (12) que acciona el compresor alternativo (13) dispone de suficiente calor para operar, se cierra la valvula by-pass (2) obligando al hidrogeno presente en el conducto de abastecimiento de hidrogeno (1) a pasar al compresor (13) que lo comprime y lo transfiere a traves de enfriador (3) para ser comprimido mediante el compresor de hidrogeno (4) y las sucesivas fases hasta la salida por el conducto de descarga de hidrogeno a alta presion (10), en torno a 800-1000 bar.
    Donde el cilindro actuador (12) opera de manera que el fluido termico de trabajo a alta temperatura impulsado por la bomba de circulation (11) pasa al calentador ubicado en la zona izquierda del cilindro actuador (12) a traves de la valvula 2p-3v (14), y retornando por la valvula 2p-3v (15) a baja temperatura, con lo cual la zona izquierda del cilindro (12) es activa y el piston del cilindro actuador (12) se desplaza hacia la derecha, mientras que el fluido refrigerante de trabajo entra a la zona derecha del cilindro actuador por la valvula 2p-3v (16) y sale por la valvula 2p-3v (17). Cuando el cilindro actuador haya alcanzado el fin de carrera derecho se cierran las valvulas 2p-3v (14), (15), (16) y (17), se abre la valvula de regeneracion (20) hasta que se igualen las presiones entre ambas zonas del cilindro actuador (12). En este estado se cierra la valvula 2p-3v (17) y se repite el ciclo con el rol de las valvulas 2p-3v (14), (15), (16) y (17) cambiado para hacer activa la zona derecha del cilindro actuador (12) causando que su piston o embolo se desplace hacia la izquierda.
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Citations (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR402589A (fr) * 1909-04-30 1909-10-12 Laurent Pierre Guedon Procédé d'utilisation ou de récupération de la chaleur engendrée dans les compresseurs d'air
DE3134844A1 (de) * 1980-12-09 1982-07-08 Veb Kombinat Pumpen Und Verdichter, Ddr 4020 Halle Verfahren zur energetischen optimierung eines verdichtungsprozesses

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