ES2709657T3 - Submarino con un equipo de captación de CO2 - Google Patents

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Abstract

Submarino con un equipo de captación de CO2 (2) para captar el CO2 contenido en el aire en el interior del submarino, presentando el equipo de captación de CO2 un agente de captación de CO2, que se puede regenerar mediante vapor de agua, y presenta un generador de vapor (8) para generar el vapor de agua, caracterizado por que el generador de vapor está configurado para la combustión de hidrógeno con oxígeno.

Description

DESCRIPCION
Submarino con un equipo de captacion de CO2
La invencion se refiere a un submarino con un equipo de captacion de CO2 para captar el CO2 contenido en el aire en el interior del submarino.
En el caso de los submarinos es necesario, en estado sumergido, a partir del aire interior o respirable, captar el CO2 contenido en el. El CO2 se presenta especialmente en el aire espirado de la tripulacion. Esta captacion se efectua, hoy en dia, mayoritariamente mediante cal sodada o hidroxido de litio. La cal sodada tiene la desventaja de que se deben conducir grandes cantidades de cal sodada en el submarino para poder garantizar, tambien en el caso de misiones mas largas, una captacion de CO2. Con las mismas propiedades de captacion de CO2 , el hidroxido de litio ocupa un volumen mas reducido que la cal sodada; no obstante, tiene la desventaja de que es considerablemente mas caro. Ademas se conocen equipos de captacion de CO2 reversibles, con los cuales el CO2 captado se puede volver a soltar mediante la entrada de energia termica. La energia termica necesaria se obtiene, en la mayoria de los casos, mediante la transformacion de energia electrica que se debe facilitar en el estado sumergido del submarino. En el caso de submarinos no accionados con energia nuclear, este procedimiento es desventajoso de forma condicionada, ya que la energia electrica debe ser proporcionada o por baterias o por la instalacion de accionamiento independiente del aire exterior, es decir, la instalacion de celdas de combustible o similar, siempre que esten disponibles. Es decir, que en este caso, o es necesaria una capacidad de bateria adicional para la regeneracion del equipo de captacion de CO2 , lo que requiere de disposiciones de baterias mas grandes con la misma demanda de espacio correspondiente, o se necesitan reservas adicionales de combustible y oxigeno, lo que da como resultado el aumento de la capacidad de almacenamiento o tanque correspondiente.
El documento DE 19830470 C1 se dedica a un procedimiento para la absorcion de dioxido de carbono producido metabolicamente. Como ambitos de aplicacion se mencionan espacios tripulados cerrados o parcialmente cerrados en los que la atmosfera presenta agentes contaminantes producidos metabolicamente, especialmente con dioxido de carbono producido continuamente mediante la respiracion. Como aplicacion de la captacion de oxigeno en sistemas de soporte vital se mencionan, por ejemplo, naves espaciales, aviones o submarinos. Se preve una resina de intercambio ionico para la captacion de dioxido de carbono, resina que se expone al aire respirable, que contiene dioxido de carbono. El documento JP 63-252528 desvela un submarino de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.
En cuanto a este estado de la tecnica, el objetivo de la invencion es facilitar un submarino con un equipo de captacion de CO2 regenerativo mejorado que haga posible una captacion economica de CO2 en el submarino y requiera, ademas, de un espacio reducido.
Este objetivo se consigue mediante un submarino con las caracteristicas indicadas en la reivindicacion 1. De las reivindicaciones secundarias se desprenden formas de realizacion preferidas.
En el caso del submarino de acuerdo con la invencion, el equipo de captacion de CO2 regenerativo esta configurado preferentemente de tal forma que el volumen de bateria, el volumen de almacenamiento y/o el volumen de tanque para facilitar energia adicional es inferior al volumen para el aprovisionamiento de hidroxido de litio con la premisa de la misma potencia de absorcion de los dos sistemas, y de tal forma que los costes de funcionamiento son inferiores a los de una instalacion en la que se utiliza cal sodada. Tal instalacion esta optimizada, asi, tanto en cuanto a la demanda de espacio como en cuanto a los costes de funcionamiento.
De acuerdo con la invencion, esta previsto un equipo de captacion de CO2 para captar el CO2 contenido en el aire, especialmente el aire respirable, en el interior del submarino. Este equipo de captacion de CO2 presenta un agente de captacion de CO2, el cual se puede regenerar, es decir, se trata de un equipo de captacion de CO2 regenerativo. La regeneracion del agente de captacion de CO2 se efectua, a este respecto, mediante el suministro de vapor de agua, desprendiendose mediante el vapor de agua el CO2 del agente de captacion de CO2 y descargandose desde el equipo de captacion de CO2 y pudiendo derivarse entonces desde el submarino. Agentes de captacion de CO2 de este tipo estan disponibles en el mercado. Este equipo de captacion de CO2 regenerativo tiene la ventaja de que se deben conducir cantidades considerablemente mas pequenas de agente de captacion de CO2 que las que serian necesarias, por ejemplo, en el caso de la cal sodada o el hidroxido de litio. La instalacion esta configurada de forma que, en cuanto ha llegado a una saturacion determinada, el agente de captacion de CO2 se vuelve a regenerar y a continuacion puede volver a absorber nuevamente CO2. Es decir, el agente de captacion de CO2 se utiliza varias veces. Preferentemente, en el submarino esta previsto mas de un equipo de captacion de CO2, de forma que, durante la fase de regeneracion de un equipo de captacion de CO2, puede estar en funcionamiento al menos un segundo equipo de captacion de CO2 para retirar CO2 del aire respirable.
De acuerdo con la invencion, la regeneracion del agente de captacion de CO2 se efectua mediante la entrada de vapor de agua. Para ello, en el submarino esta previsto un generador de vapor, el cual genera el vapor de agua necesario y lo suministra al equipo de captacion de CO2 , de forma que el vapor de agua puede limpiar el agente de captacion de CO2 atravesandolo. De acuerdo con la invencion, a este respecto, el generador de vapor esta configurado de forma que en el el hidrogeno combustiona directamente con oxigeno para facilitar la energia termica necesaria. Esta combustion se puede efectuar catalfticamente o en un quemador abierto. La combustion directa de hidrogeno y oxigeno tiene la ventaja de que se puede alcanzar un rendimiento muy alto, el cual es superior al que se consigue en el caso de un calentamiento mediante energia electrica, la cual esta acumulada en baterias y fue generada previamente mediante un generador. Especialmente, la combustion directa de hidrogeno con oxigeno da como resultado, entonces, un beneficio del rendimiento cuando la demanda de energia del submarino sumergido es cubierta por una celda de combustible que transforma el hidrogeno y el oxigeno en energia electrica. En este caso, con la combustion directa, se evitan las perdidas que se manifiestan, respecto a la generacion de vapor mediante energia electrica, en el rendimiento de la celda de combustible. Preferentemente, el generador de vapor y el equipo de captation de CO2 estan configurados de tal forma que el vapor de agua formado con la combustion de hidrogeno con oxigeno se puede suministrar al equipo de captacion de CO2 para su regeneration. Esta disposition aprovecha otra ventaja de la combustion de hidrogeno y oxigeno, concretamente la ventaja de que con la combustion de hidrogeno y oxigeno se produce directamente vapor de agua, el cual es necesario para la regeneracion del agente de captacion de CO2. Esto hace posible una estructura muy sencilla de la instalacion y, ademas, un elevado rendimiento energetico.
De forma especialmente preferente, el submarino esta equipado con una instalacion de celdas de combustible. El equipo de captacion de CO2 descrito con el generador de vapor descrito es especialmente adecuado para el empleo en un submarino de este tipo. En submarinos con instalaciones de celdas de combustible, los dos reactivos, oxigeno e hidrogeno, estan disponibles de por si para el funcionamiento de la celda de combustible, de forma que, en este caso, para el funcionamiento del generador de vapor no son necesarios componentes adicionales, sino solo una leve ampliation de los equipos para el almacenamiento de hidrogeno y oxigeno, ya que estos materiales estan disponibles de por si en el submarino. Tambien es posible obtener el hidrogeno a partir de soportes energeticos fosiles mediante su reformation a bordo del submarino.
Mas preferentemente, en el generador de vapor esta previsto un equipo de evaporation, en el cual el agua se evapora mediante el calor generado por la combustion del hidrogeno y el oxigeno. Preferentemente, para ello esta previsto un equipo humidificador, por medio del cual se suministran cantidades de agua determinadas y despues se evaporan por el calor que se produce con la combustion. Este equipo de evaporacion puede o facilitar todo el vapor de agua necesario para la regeneracion del agente de captacion de CO2 o facilitar vapor de agua adicional al vapor de agua que se produce con la combustion del hidrogeno y el oxigeno.
El agente de captacion de CO2 es preferentemente una amina solida. Aminas solidas (solid amin) de este tipo para la absorcion de CO2 se conocen por el ambito de la astronautica. En el caso de estas aminas solidas, las aminas estan captadas en un sustrato solido, por ejemplo, en un sustrato de copolimero. Para la captacion de CO2 se pueden utilizar distintas aminas, por ejemplo, del intervalo entre la monoetanolamina y la trietanolamina. La amina solida presenta grandes propiedades de captacion de CO2, mediante las cuales, en el caso de un sumbarino sumergido, el contenido de CO2 en el aire respirable puede reducirse hasta un valor nominal deseado. Ademas, la amiga solida se puede regenerar mediante el suministro de vapor de agua, el cual suelta y descarga el CO2 de la amina solida.
El CO2 que se desprende del agente de captacion de CO2 con ayuda del vapor de agua puede almacenarse de distintas maneras o evacuarse desde el submarino hacia fuera. Por ejemplo, el CO2 puede densificarse y almacenarse en almacenes a presion y despues, durante un trayecto sobre la superficie del agua, volver a descargarse hacia fuera. Ademas, tambien es posible derivar el CO2 disuelto en agua en el agua marina del entorno. Los materiales que pueden captar CO2 son adecuados tambien para captar otros gases acidificantes. Para el equipo de captacion de CO2 generado vale, asi, que en el lugar del CO2 puedan entrar completa o parcialmente otros gases acidificantes. En una realization ventajosa, el agente de captacion de CO2 puede estar modificado por adiciones convenientes de forma que adicionalmente se puedan captar y evacuar agentes contaminantes predeterminados en forma de gas que no forman parte del grupo de los gases acidificantes.
A continuation se describe la invention a modo de ejemplo mediante los dibujos adjuntos. En estos, muestran: La figura 1 y la figura 2, en un diagrama de bloques, la funcion principal de un equipo de captacion de CO2 de acuerdo con la invencion.
La figura 3, un diagrama de bloques de un generador de vapor para un equipo de captacion de CO2 de acuerdo con la invencion.
La figura 1 muestra el equipo de captacion de CO2 del submarino en una fase de funcionamiento y la figura 2 muestra el equipo de captacion de CO2 de un submarino en la fase de regeneracion. El equipo de captacion de CO2 presenta un filtro 2, el cual contiene un agente de captacion de CO2, por ejemplo, una amina solida. En la fase de adsorcion, mostrada en la figura 1, al filtro 2 se le suministra una corriente de aire cargado 4, la cual contienen una cantidad demasiado elevada de CO2. El CO2 es absorbido en el filtro 2 y captado en la amina solida. Del filtro 2 sale entonces una corriente de aire limpio 6, la cual puede volver a suministrarse al sistema de ventilation del submarino y, dado el caso, enriquecerse con oxigeno. En la corriente de aire limpio, el contenido de CO2 ha descendido por debajo de un valor Kmite deseado.
La adsorcion, como se ha explicado mediante la figura 1, se efectua en tanto en cuanto se haya alcanzado un grado de saturacion determinado del filtro 2. Entonces se produce una fase de regeneracion o desorcion, la cual esta representada en la figura 2. En esta, es generado por un generador de vapor 8 vapor de agua 10, el cual es conducido al filtro 2 o a traves del filtro 2. El vapor de agua disuelve el CO2 captado en el filtro 2, de forma que en la fase de desorcion sale del filtro una corriente de CO2 12, la cual puede suministrarse, por ejemplo, a un sistema colector o similar y/o evacuarse del submarino.
Mediante la figura 3 se explica la estructura principal y el modo de funcionamiento principal del generador de vapor 8. Como se ha descrito anteriormente, la idea fundamental de la invencion reside en facilitar la energia termica, necesaria para generar el vapor de agua, mediante la combustion directa de hidrogeno y oxigeno. Para ello, el generador de vapor 8 presenta una camara de combustion o un quemador 14 en el que el hidrogeno combustiona con el oxigeno. El vapor de agua 10 liberado con ello sale entonces del generador de vapor 8 y es suministrado al filtro 2 para regenerarlo.
Al quemador 14 se le suministra el hidrogeno desde un almacen de hidrogeno por medio de una conduccion de hidrogeno 16 y una valvula de regulacion de hidrogeno 18. El oxigeno es suministrado correspondientemente por medio de una conduccion de oxigeno 20 desde un tanque de oxigeno y por medio de una valvula de regulacion de oxigeno 22. A este respecto, antes del quemador 14 esta conectado un equipo de seguridad 24, mediante el cual se suministran al quemador 14 el oxigeno y el hidrogeno.
Ademas, conectado despues del quemador 14, esta dispuesto un equipo de humidificacion 26, por medio del cual puede evaporarse agua adicional mediante el calor generado por el quemador 14 y suministrarse a la corriente de vapor de agua 10. Al equipo de humidificacion 26 se le suministra agua por medio de una bomba 28 dispuesta de forma opcional. A este respecto, la bomba 28 esta conectada por medio de una valvula de agua 30 con una conduccion de agua 32 para la entrada de agua. El equipo de humidificacion 26 con los componentes correspondientes esta previsto de forma opcional.
Todo el proceso de generacion de vapor es controlado o regulado por un equipo de control 34. Para ello, el equipo de control 34 esta conectado por medio de una linea de sensor 36 con un sensor 38, el cual esta situado en la corriente de vapor de agua 10 y por medio del cual se registran la cantidad de vapor y/o la temperatura. Ademas, el equipo de control 34 esta conectado por medio de lineas de control 40 con las valvulas 18, 22, 30, asi como con la bomba 28, para controlar o regular por medio de estas la entrada de agua, de oxigeno y/o de hidrogeno. Ademas, el equipo de control 34 esta conectado con un equipo de encendido 42 para encender el quemador.
Por medio del equipo de control 34 se inicia el proceso de regeneracion y la generacion de vapor. Para ello se abren las valvulas de vapor de agua y de oxigeno 18 y 22 y se suministran cantidades necesarias de hidrogeno y oxigeno al quemador 14, el cual se enciende por medio del equipo de encendido 42. Dependiendo de las senales del sensor 38, el proceso de generacion de vapor de agua se regula mediante el accionamiento de las valvulas. El equipo de seguridad 24 garantiza que al extinguirse el quemador 14 se interrumpe la entrada de hidrogeno y oxigeno. El equipo de control 34 puede estar conectado por medio de interfaces adecuadas con otras instalaciones de control, regulacion o automatizacion del submarino para, por ejemplo, poder iniciar el proceso de regeneracion del equipo de captacion de CO2 en el momento deseado.
Referencias
2 - Filtro
4 - Corriente de aire cargado
6 - Corriente de aire limpio
8 - Generador de vapor
10 - Vapor de agua
12 - Corriente de CO2
14 - Quemador
16 - Conduccion de hidrogeno
18 - Valvula de regulacion de hidrogeno
20 - Conduccion de oxigeno
22 - Valvula de regulacion de oxigeno 24 - Equipo de seguridad
26 - Equipo de humidificacion
28 - Bomba
30 - Valvula de agua
32 - Conduccion de agua
34 - Equipo de control
36 - Linea de sensor
38 - Sensor
40 - Lineas de control
42 - Equipo de encendido

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Submarino con un equipo de captacion de CO2 (2) para captar el CO2 contenido en el aire en el interior del submarino, presentando el equipo de captacion de CO2 un agente de captacion de CO2 , que se puede regenerar mediante vapor de agua, y
presenta un generador de vapor (8) para generar el vapor de agua, caracterizado por que el generador de vapor esta configurado para la combustion de hidrogeno con oxigeno.
2. Submarino de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual el generador de vapor (8) y el equipo de captacion de CO2 estan configurados de tal forma que el vapor de agua formado en la combustion de hidrogeno con oxigeno se puede suministrar al equipo de captacion de CO2 para su regeneracion.
3. Submarino de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, el cual esta equipado con una instalacion de celda de combustible.
4. Submarino de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el cual, en el generador de vapor (8) hay previsto un equipo de evaporacion (26), en el cual se evapora agua mediante el calor generado por la combustion de hidrogeno y oxigeno.
5. Submarino de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el cual el agente de captacion de CO2 es una amina solida.
6. Submarino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual el agente de captacion esta facilitado de forma que, ademas de CO2 , se capten del aire ambiente otros agentes contaminantes en forma de gas.
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