ES2877454T3 - Central Electrica Ionica - Google Patents

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ES2877454T3 ES17778712T ES17778712T ES2877454T3 ES 2877454 T3 ES2877454 T3 ES 2877454T3 ES 17778712 T ES17778712 T ES 17778712T ES 17778712 T ES17778712 T ES 17778712T ES 2877454 T3 ES2877454 T3 ES 2877454T3
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Abstract

El funcionamiento de la central eléctrica Iónica se basa en la corrosión estable de una pluralidad de ánodos de sacrificio sumergidos en agua de mar o agua y sal común en el interior de una celda sin membranas que separen la zona catódica de la anódica, forzando una cinética en el interior de la celda al hacer circular el agua en un circuito cerrado entre las celdas y un deposito Impulsado por una bomba. El problema resuelto por esta invención es la inversión del efecto denominado polarización al corregir la caída de tensión producida por las desviaciones de la conducta de TAFEL. Esa polarización que se produce en el interior de una pila voltaica común es la que condiciona su potencial eléctrico y su vida útil que es limitada a los compuestos de la pasta electrolítica. Esta invención corrige e invierte el proceso de polarización en todas sus etapas para que en la práctica el proceso sea inagotable. La cinética generada en el interior de las celdas elementos de esta invención produce una reacción inversa a la polarización y en consecuencia una corriente permanente. El electrolito que circula por el interior de las celdas que componen esta invención que es agua, por so cinética transportan hacia la celda el oxígeno atmosférico que absorbe del aire exterior. Este O que se incorpora al circuito cerrado es necesario para que se produzca la reacción de oxidación del ánodo y para que se enlace ese O con las moléculas de hidrógeno gas producidas en el interior de la celda que polariza negativamente el cátodo al formar una película aislante polarizante, por lo que debido a la cinética interior de la celda el hidrógeno gas H2 se enlaza y pasa de nuevo a H2O. Las Cales e hidróxidos que se producen en el interior de las celdas como resultado del proceso quedan solvatados en el electrolito por lo que aumentan su resistencia eléctrica. Para corregir esa secuencia son eliminados al ser transportados al filtro del circuito cerrado. Durante el proceso se produce además la reducción del nivel de PH en el agua que se corrige aportando un ácido débil no contaminante en proporciones despreciables y durante el proceso de bombeo del agua se genera por enlace del O partiendo del Anión Cloruro Cl presente en la sal el Ion CIO. Este potencia la oxidación de las zonas de inmunidad en el ánodo aumentando el rendimiento eléctrico. El consumo de agua se limita a la utilizada por el filtro durante su proceso de autolavado, por lo que la cantidad de agua consumida es despreciable. Una vez consumidos en el tiempo la pluralidad de ánodos de sacrificio, estos son sustituidos por otros iguales, por lo que la vida útil de funcionamiento de esta invención está en la práctica limitada a la prolongada vida útil de los plásticos que componen esta invención. La corriente eléctrica generada es transformada a corriente alterna para su utilización.

Description

DESCRIPCIÓN
Central Eléctrica Iónica
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La central eléctrica Iónica es una instalación modular enlazable sin limitación de potencia eléctrica donde se provocan reacciones iónicas para generar energía eléctrica con elementos básicos como es el agua (H2O) el cloruro de sodio disuelto (NaCl), tal y como se encuentra en los mares y océanos en estado natural.
A esta solución líquida que actúa como combustible generador de energía limpia se le pueden añadir además del cloruro de sodio que es la base principal otros electrolitos para mejorar el rendimiento.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
En generación eléctrica y acumulación conocemos las energías generadas por:
• Las pilas y acumuladores actúan con procesos tipo redox, óxido reducción.
Una batería es esencialmente una lata llena de químicos que producen electrones. Las reacciones químicas son capaces de producir electrones y este fenómeno es llamado reacción electroquímica que acaba una vez se han agotado las reacciones químicas posibles, por lo que la vida útil del elemento acaba, contaminando el medio si es abandonado o siendo necesario un reciclado para evitar dicho efecto.
Si se examina una batería, esta tiene dos terminales. Una terminal está marcada (+) positivo mientras la otra está marcada (-) negativo. En una AA, o C (baterías más comunes) los extremos son los terminales.
En una batería de auto existen dos grandes tubos que actúan de terminales. Las más comunes son:
-Baterías de Cinc, también conocidas como baterías estándar de carbón. La química de cinc-carbón es utilizada en cualquier batería AA, o afín. Los electrodos son de cinc y carbón, con una unión ácida entre ellas como electrolito.
-Baterías alcalinas. Los electrodos son de cinc y óxido de manganeso con un electrolito alcalino.
-Batería de níquel-cadmio. Utiliza el hidróxido de níquel y electrodos de cadmio con hidróxido de potasio como electrolito. Es recargable.
-Hidruro de níquel-metal. Recargable. Reemplazó rápido al níquel-cadmio porque no sufre de los problemas que tiene la anterior.
-Ion-litio. Recargable. Muy buen porcentaje de desempeño, se utiliza en los últimos PC's portátiles y teléfonos celulares.
-Plata-cinc. Utilizada en aplicaciones aeronáuticas porque el porcentaje de desempeño es bueno.
-Pilas de agua de mar. Utilizada en los chalecos salvavidas, radiobalizas y otras aplicaciones donde se requiere una pequeña cantidad de energía durante un tiempo limitado y donde no se pueden usar electrolitos por razones de caducidad. Son unos pequeños elementos compuesto por dos metales con distinto par galvánico conectados a una lámpara o una radiobaliza de bajo consumo eléctrico, que no van herméticamente ubicados dentro de una celda hermética para que al entrar en contacto con el mar, se produzca una reacción electroquímica que se mantiene estable durante un corto plazo mientras el elemento esté sumergido en aguas vivas, es decir, en agua de mar donde la corriente marina renueve el agua y el nivel de oxigeno disuelto entre los dos electrodos.
• Generadores eléctricos térmicos por combustión de combustibles fósiles
• Centrales Eléctricas alimentadas por elementos radioactivos.
• Energías renovables:
Las energías renovables son aquellas energías que utilizan una fuente energética o combustible que se considera inagotable o que se puede regenerar al mismo ritmo al que se consume.
La clasificación de las energías renovables depende de los recursos naturales que se aprovechan.
Energía solar.
Distinguimos dos formas de aprovechamiento de la energía solar: energía solar térmica y energía solar fotovoltaica. El aprovechamiento de la energía solar térmica consiste en utilizar la energía térmica obtenida a través de la radiación del sol para calentar un fluido que, en función de su temperatura, se emplea para producir agua caliente e incluso vapor.
El aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica se realiza a través de la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica mediante el llamado efecto fotovoltaico. Esta transformación se lleva a cabo mediante “células solares” que están fabricadas con materiales semiconductores (por ejemplo, silicio) que generan electricidad cuando incide sobre ellos la radiación solar.
Energía eólica.
Los sistemas de energía eólicos utilizan la energía cinética contenida en el viento para producir electricidad mediante los denominados aerogeneradores. Existen dos tipos de instalaciones eólicas:
• Aisladas, para generar energía eléctrica en lugares remotos para auto-consumo. Es muy común que estas instalaciones vayan combinadas con paneles fotovoltaicos.
• Parques eólicos, formados por un conjunto de aerogeneradores, para vender la energía eléctrica generada a la red.
El desarrollo tecnológico actual, así como un mayor conocimiento de las condiciones del viento en las distintas zonas, está permitiendo la implantación de parques eólicos conectados a la red eléctrica en numerosas regiones de todo el mundo.
Energía minihidráulica.
El aprovechamiento de la energía potencial del agua procedente de un salto para producir energía eléctrica es lo que se conoce como Energía Hidráulica. El agua mueve una turbina cuyo movimiento de rotación es transferido mediante un eje a un generador de electricidad. Se considera que este tipo de energía es renovable cuando la potencia es inferior a 10 MW (Energía Minihidráulica).
Existen fundamentalmente dos tipos de centrales hidroeléctricas:
• Centrales de agua fluyente: Aquellas que captan una parte del caudal circulante por un río y lo conducen a la central para ser turbinado y generar energía eléctrica. Después, este caudal es devuelto al cauce del río.
• Centrales a pie de presa: Aquellas situadas aguas abajo de los embalses destinados a usos hidroeléctricos o a otros fines como abastecimiento de agua a poblaciones o riegos. Tienen la ventaja de almacenar la energía (el agua) y poder emplearla en los momentos en los que más se necesite.
Energía de la biomasa.
La biomasa es una fuente de energía basada en el aprovechamiento de materias orgánicas de origen vegetal o animal, incluyendo los productos y subproductos resultantes de su transformación. Bajo la denominación de biomasa se recogen materiales energéticos de muy diversas clases: residuos forestales, residuos agrícolas leñosos y herbáceos, residuos de procesos industriales diversos, cultivos energéticos, materiales orgánicos contenidos en los residuos sólidos urbanos, biogás procedente de residuos ganaderos o de residuos biodegradables de instalaciones industriales, de la depuración de aguas residuales urbanas o de vertedero, etc. Pueden también incluirse bajo la denominación de biomasa, los biocombustibles, que tienen su principal aplicación en el transporte.
Las aplicaciones de la biomasa se pueden englobar en dos grupos:
• Aplicaciones domésticas e industriales que funcionan mediante la combustión directa de la biomasa.
• Aplicaciones vinculadas a la aparición de nuevos recursos y nuevas técnicas de transformación, como la gasificación y la pirolisis de la biomasa.
Energía mareomotriz y de las olas.
Los mares y los océanos son inmensos colectores solares de los cuales se puede extraer energía de orígenes diversos (oleaje, mareas y gradientes térmicos).
La energía liberada por el agua de mar en sus movimientos de ascenso y descenso de las mareas (flujo y reflujo) se aprovecha en las centrales mareomotrices, haciendo pasar el agua a través de turbinas hidráulicas.
La energía de las olas es producida por los vientos y resulta muy irregular. Esto ha llevado a multitud de tipos de máquinas para su aprovechamiento.
Por último, la conversión de energía térmica oceánica es un método de convertir en energía útil la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y el agua que se encuentra a 100 m de profundidad. Para el aprovechamiento es suficiente una diferencia de 20 °C. Las ventajas de esta fuente de energía se asocian a que es un salto térmico permanente y benigno desde el punto de vista medioambiental.
Energía geotérmica.
La energía geotérmica es la manifestación de la energía térmica acumulada en rocas o aguas que se encuentran a elevada temperatura en el interior de la tierra.
Para el aprovechamiento en zonas con condiciones térmicas especiales, por ejemplo las zonas volcánicas, se hace circular en ellas un fluido que transporta hasta la superficie la energía calorífica en forma de calor acumulado en las zonas calientes.
La energía generada en función de su temperatura (alta, media o baja) es aprovechada, bien para producir energía eléctrica, o bien para el calentamiento de agua y calefacción.
La energía geotérmica tiene la principal ventaja de que su impacto ambiental es mínimo, y tiene rendimientos que le permiten competir con el petróleo. Pero sus principales desventajas son que requieren de grandes inversiones y que los campos geotérmicos son relativamente escasos y muchas veces se ubican en zonas desfavorables.
En una patente anterior [US 3941616 A HUHTA-KOWISTO ESKO ENSIO 1976] se divulga que una batería desechable de agua de mar que tiene una serie de celdas líquidas con electrodos de placa, preferentemente de magnesio y cloruro de plata y que es atravesada por una solución acuosa de productos químicos, por ejemplo cloruro sódico como electrolito, con la mejora de que la tubería de alimentación de la solución acuosa electrolítica incorpora un inyector que, como resultado del flujo de esta solución a través de la misma, toma una solución de sustancias, por ejemplo Mg, de un depósito, aumentando dichas sustancias la conductividad eléctrica del electrolito y reduciendo el ataque por solución de los electrodos y mejorando así la eficiencia del electrolito.
En otra patente anterior [US2013/316196 A1 MCCLUSKEY MICHAEL J ET AL 2013] se divulga que un sistema de generación de energía tiene una pila galvánica que recibe la corriente de residuos del dispositivo de ósmosis inversa y da salida a la energía basada en la reacción de reducción-oxidación que se produce entre el metal de la pila galvánica y el electrolito presente en la corriente de residuos, por lo que genera energía a partir de una corriente de residuos. Además, en dicha patente se divulga que el sistema comprende además un dispositivo de adición de sal configurado para producir una solución electrolítica salina de una salinidad predeterminada si es necesario.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
El funcionamiento de la central eléctrica Iónica se basa en la utilización de dos elementos situados dentro de una celda para la generación eléctrica siendo al menos el ánodo metálico, estando ambos sumergidos en el mismo electrolito sin membranas que separen dichos elementos, actuando uno de los elementos sumergidos como extremo activo o anódico y el otro como extremo noble o catódico.
La presencia simultánea de agua (electrolito) y oxígeno (oxidante) hacen prácticamente inevitable la corrosión electroquímica.
La disolución en agua de la sal (NaCl), produce partículas llamadas Iones con carga positiva (Na+) y negativas (Cl-) que en contacto con los metales se transforman en electrones, produciendo la corriente eléctrica, y donde el electrolito comprende porcentajes de ácido sulfúrico (H2SO4).
Dichas partículas se distribuyen entre las moléculas de agua, que situamos en un sistema de celdas similares a las galvánicas, que producen la energía eléctrica por el efecto reducción en el cátodo y oxidación en el ánodo, pero difiere de las celdas galvánicas convencionales en que ambos ( ánodo y cátodo) comparten sumergidos la misma solución en los porcentajes de agua (963 por mil ), cloruro de sodio (NaCl) (35 por mil ) pudiéndose realizar la aportación de oxigeno al electrolito mediante difusor de aire para enriquecerlo en oxígeno , siendo esto suficiente para obtener una corriente rentable, pudiéndose potenciar la intensidad y el voltaje añadiendo al electrolito moléculas oxidativas presentes en otros compuestos químicos en proporciones muy bajas, en torno al 2 por mil.
El problema resuelto en esta invención es la corrección de la conducta de Tafel debido a que el agua salada es un potente electrolito. Por ello, cuando dos metales diferentes, que tienen, por lo tanto, reactividades diferentes, son sumergidos en una misma solución conductora a la cual llamamos electrolito y son conectados eléctricamente entre sí, tendremos un flujo de electrones del metal más activo o anódico hacia el metal más noble o catódico, dejando al material anódico con una deficiencia de electrones. El ánodo está compuesto por un metal activo y el cátodo por un metal noble. En el electrodo negativo (ánodo) es donde tiene lugar la corrosión. Dicha corrosión tiende a proteger el proceso oxidativo del ánodo y en consecuencia cae la producción eléctrica.
Si entendemos que, para la obtención de los metales en estado puro, debemos recurrir a su separación a partir de sus minerales, lo cual supone un gran aporte energético y es necesario que el metal absorba y almacene una determinada cantidad de energía, por lo que esa energía le permitirá el posterior regreso a su estado original a través de un proceso de oxidación.
Como está señalado en la descripción del dibujo en el interior de la celda generadora de electricidad se encuentra un ánodo de sacrificio de un metal cuya energía va a ser recuperada a través de la corrosión que se va a producir en el interior de dicha celda de forma controlada produciéndose lentamente la disolución del ánodo.
Existen conductas que disminuyen considerablemente dicha corrosión y en consecuencia la producción eléctrica haciendo inviable explotar esta energía sin corregir dicha conducta.
Mediante la técnica desarrollada y aplicada en esta invención, dichas conductas han sido corregidas de forma efectiva resolviendo el problema cuya solución permite una generación eléctrica óptima.
Para que se produzca dicha corrosión de forma constante y sin caídas en la producción de la corriente eléctrica, esta invención potencia en circuito cerrado la cinética en el interior de la celda generadora creando las condiciones óptimas para que el proceso electroquímico reúna y renueve todos los elementos necesarios del electrolito en el interior de la celda para mantener constante el proceso electroquímico, en particular el contacto y renovación de los elementos químicos disueltos con los metales y así evitar la caída de tensión producida por las desviaciones a la conducta de TAFEL, cuyas desviaciones se producen cuando la velocidad de la reacción pasa a ser controlada por una etapa más lenta en la secuencia del proceso debido a la polarización por concentración en las superficies del cátodo y ánodo que produce la bajada de la producción del flujo de electrones y su consecuente caída de la intensidad de la corriente eléctrica y su voltaje. Este efecto surge por deficiencia en el abastecimiento de reactivos que toman parte en la reacción electroquímica que se produce en el interior de una celda generadora, por lo que la velocidad de la reacción se vería limitada a menudo al aumentar, debido a la poca rapidez con que los reactivos llegan a la superficie del electrodo o bien a la velocidad con que se difunden hacia el seno de la solución los productos de la reacción, debido a la escasez de reactivos o exceso de productos.
Las implicaciones de la polarización por concentración para un sistema que se corroe son muy importantes. La concentración por polarización afecta la reacción catódica debido al abastecimiento de H+, de oxígeno disuelto y de otros elementos del electrolito como, por ejemplo, los iones de sodio (Na+) y cloro (Cl-).
La velocidad de corrosión y producción eléctrica depende totalmente del transporte de reactivos catódicos hacia las superficies metálicas. En este último caso el pobre abastecimiento del reactivo catódico, ya sea por una concentración baja de H+ o de oxígeno atmosférico disuelto en el medio agresivo (agua salada), o los hidróxidos acumulados en la celda, ayudan a reducir la velocidad de un proceso de corrosión al controlar esa situación la reacción catódica.
Para evitar dichos efectos indeseados, las celdas pertenecen a un circuito cerrado del electrolito para que, de forma automática la Central Eléctrica Iónica periódicamente haga recircular el contenido líquido de las celdas para renovar el contenido de sus componentes y así mantener estable el voltaje requerido, aumentarlo o disminuirlo corrigiendo las desviaciones producidas por la conducta de Tafel.
Las celdas se conectan en series o en paralelo hasta alcanzar el voltaje e intensidad requeridos.
Las celdas pueden pertenecer a un circuito abierto en situaciones donde se tenga acceso directo al agua de mar, en instalaciones costeras o embarcaciones.
Las principales ventajas de la Central Iónica Eléctrica en relación al estado de la técnica descrito son:
Es un dispositivo modular, conectable a cada usuario final en número de unidades necesarias para la obtención de la potencia requerida, desde una vivienda, una industria, un hotel, un servicio de transporte, etc.
Utiliza para la producción eléctrica energías renovables.
Es una fuente de energía autónoma y económica que genera independencia y libertad energética al usuario, limitándose el mantenimiento a la recirculación del agua y la sal, así como la sustitución de los acumuladores eléctricos cada cinco años y los ánodos de las celdas en el largo plazo con un bajo coste.
EXPLICACIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS
Figura 1. Representa el alzado de la celda generadora.
Figura 2. Representa el alzado de la Central Eléctrica Iónica
FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA
De acuerdo a la figura 1 que representa el alzado de la celda generadora, Esta invención esta compuesta por una pluralidad de celdas conectadas entre si en serie y paralelo. Se compone de un conducto de entrada del electrolito y salida de gases (1), de borne de conexión al ánodo con signo negativo (2), tapa para la apertura de la celda (3), recipiente que compone una celda aislada (4), borne de conexión al cátodo con signo positivo (5), cátodo (6), espacio interior que ocupa el electrolito (7), e ánodo (8), válvula para evacuar el electrolito de la celda y mantener aislado el electrolito (9), conducto de salida del electrolito (10).
De acuerdo a la figura 2 que representa el alzado de la CENTRAL ELÉCTRICA IONICA se compone de depósito de otros electrolitos potenciadores de la oxidación(11), depósito de la sal marina cloruro de sodio (NaCl) (12), dispositivo dosificador de los electrolitos(13) , toma de agua(14) , depósito del electrolito (15), tubo de salida del agua para la limpieza del filtro y vaciado del depósito(16), filtro para el electrolito (17), bomba que impulsa el electrolito desde el depósito a las celdas generadoras (18), baterías acumuladoras del excedente eléctrico producido (19), un armario contenedor para las celdas y otros elementos (20), módulo electrónico controlador de la carga de las baterías y la cesión de la corriente a la red y conversor de corriente continua a alterna (21), bandejas extraíbles del armario que contienen las celdas conectadas en serie y a su vez interconectadas dichas bandejas en paralelo (22), cuadro general de protección, que es reseteable de forma automática o remota, un módulo de protección diferencial e magneto térmico y un osciloscopio que incluye salidas de relé na/nc, programable en todas sus funciones, con un medidor de consumo y todos estos elementos conectados a internet por cable o Wi-Fi para su monitorización remota, y magneto térmica y acometida de salida para el suministro eléctrico y acometida de salida para el suministro eléctrico(23).

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1- CENTRAL ELECTRICA IONICA que comprende
    • unas celdas generadoras de electricidad usando agua de mar o agua salada como electrolito (7), • un depósito (15) externo a la celda para el electrolito,
    • un dispositivo medidor y dosificador de los electrolitos (13),
    • una toma de agua (14) en la celda y en un depósito (16),
    • un tubo de descarga para la salida de agua (10) en la celda y el depósito (16),
    • una bomba de impulsión (18) del electrolito (7) del depósito a las celdas generadoras,
    • las celdas están conectadas en serie y a su vez interconectadas dichas bandejas en paralelo (22), caracterizada por que además comprende
    • un depósito de sal marina cloruro de sodio (NaCl) (12),
    • un filtro para el electrolito (17);
    • un armario contenedor para las celdas y otros elementos (20), donde unas bandejas extraíbles del armario que contienen las celdas;
    • unas baterías acumuladoras del excedente eléctrico producido (19),
    • un módulo electrónico controlador de la carga de las baterías y la cesión de la corriente a la red, • un módulo conversor de corriente continua a alterna (21),
    • un cuadro general de protección eléctrica diferencial y magneto térmica,
    • una acometida de salida para el suministro eléctrico (23),
    y donde el electrolito comprende porcentajes de Ácido Sulfúrico (H2SO4).
    2. -CENTRAL ELECTRICA IONICA, según la reivindicación 1 caracterizada por que presenta una pluralidad de celdas generadoras conectadas en serie y paralelo, cada una de las cuales se compone a su vez de una entrada y salida del electrolito (1, 10), bornes de conexión al ánodo y cátodo (2 y 5) siendo el ánodo intercambiable (8) mediante apertura de tapa (3).
    3. -CENTRAL ELECTRICA IONICA, según la reivindicación 2 caracterizada por que el cátodo (6) es de material seleccionado de acero inoxidable, oro, níquel, platino, cobre, grafito y latón, en forma de tubo, chapa lisa, varillas o maya.
    4. -CENTRAL ELECTRICA IONICA, según reivindicación 3 caracterizada por que el cátodo (6) es acero inoxidable seleccionado de tipo número 316, 317, 329 y 330 UNS números S31600, S31700, S32900, NO8330 o tipo duplex y superduplex.
    5. - CENTRAL ELECTRICA IONICA, según la reivindicación 2 caracterizada por que el ánodo (8) es de un material seleccionado de zinc, magnesio, berilio, aluminio y cadmio, en forma de tubo, chapa lisa, varillas o maya.
    6. - CENTRAL ELECTRICA IONICA, según reivindicación 1 caracterizada por que comprende una caja general de protección eléctrica rearmable automáticamente o remotamente, módulo protector diferencial y magneto térmico y osciloscopio que incluyen salidas de relés na/nc programable en todas sus funciones, con contador de consumos y todos estos elementos con conexión a internet por cable o wifi para su monitorización remota (23).
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