MX2008014558A

MX2008014558A - Un metodo y sistema para la generacion de energia a partir de una fuente de calor.

Info

Publication number: MX2008014558A
Application number: MX2008014558A
Authority: MX
Inventors: Behdad Moghtaderi; Elham Doroodchi
Original assignee: Newcastle Innovation Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2009-01-27
Also published as: EP2021587A1; WO2007131281A8; WO2007131281A1; CN101449029B; ZA200809828B; EP2021587B1; AU2007250531A1; CN101449029A; RU2008149099A; HK1131420A1; AU2007250531B2; JP2009537774A; BRPI0711638A8; KR20090028707A; KR101403798B1; EP2021587A4; RU2434145C2; PL2021587T3; UA92229C2; US20090107144A1

Abstract

Un método para la generación de energía a partir de una fuente calorífica, dicho método incluyendo las etapas de comprimir (10) un fluido de trabajo para aumentar su temperatura; intercambiar (11) calor entre dicho fluido de trabajo y dicha fuente de calor para supercalentar dicho fluido de trabajo; expandir (12) dicho fluido de trabajo supercalentado para impulsar una turbina, reduciendo de esta manera su temperatura; condensar (13) dicho fluido de trabajo para reducir adicionalmente su temperatura; y regresar (dicho fluido de trabajo a dicha etapa de compresión (10), el método además incluye la etapa (14) de regenerar el calor de dicho fluido de trabajo, en donde el fluido de trabajo que pasa entre dicha etapa de compresión (10) y dicho paso de intercambio de calor (11) intereambia calor con fluido de trabajo que pasa entre dicha etapa de expansión (12) y dicha etapa de condensación (13), en donde dichas etapas son realizadas en un ciclo termodinámico (S1-S1'-S2-S3-S3'-S4) dentro de una región supercrítica (SC) por arriba del techo de saturación (A) de dicho fluido de trabajo, y en donde dicha etapa de regeneración de calor (14) es llevada a cabo bajo condiciones isoentálpicas para inducir un intercambio de calor continuo. También se provee un sistema para la generación de energía a partir de una fuente de calor.

Description

UN MÉTODO Y SISTEMA PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE UNA FUENTE DE CALOR Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método y sistema para la generación de energía a partir de una fuente de calor y, en particular, a un método y sistema para generar energía a partir de una fuente geotérmica. La invención ha sido desarrollada principalmente para usarse en la generación de energía a partir de una fuente de calor geotérmico y se describirá de aquí en adelante con referencia a esta aplicación. Sin embargo, se apreciará que la invención no está limitada a este campo de uso particular.

Antecedentes de la Invención Cualquier discusión de la técnica anterior a lo largo de toda la descripción no deberá ser considerada de manera alguna como la admisión de que dicha técnica anterior es ampliamente conocida o que forma parte del conocimiento común general en el campo. La preocupación creciente en relación con el consumo de combustibles fósiles y la reducción de los gases de invernadero ha conducido a investigación y desarrollo enfocándose en la maximización de la eficiencia en la generación de energía y en fuentes renovables de energía. Una fuente renovable de energía es la energía geotérmica, la cual se deriva de la energía calorífica almacenada en las profundidades dentro de la tierra. Si bien el aumentar la eficiencia de la generación de energía es una preocupación común para todas las fuentes de energía, es de particular interés para las plantas de energía geotérmica. La producción de energía a partir de energía geotérmica básicamente involucra la extracción de fluido geotérmico procedente de una reserva y la conversión de la energía calorífica almacenada en el fluido geotérmico en trabajo mecánico y posteriormente en electricidad. Los ciclos convencionales de energía geotérmica generalmente pueden ser clasificados en ciclos de vapor directo de no-condensación, ciclos de vapor directo de condensación (evaporación instantánea sencilla o evaporación instantánea doble), ciclos binarios y ciclos combinados. Pero la totalidad de los ciclos de vapor directo utilizan fluido de trabajo para intercambiar calor con la fuente de energía geotérmica e impulsar la turbina para generar energía. Los ciclos de vapor directo de condensación están limitados a reservas geotérmicas de vapor seco, los cuales son mucho más raros que otras reservas geotérmicas, tales como las reservas de agua caliente y las reservas de roca seca y caliente.

Sin embargo, estos ciclos de energía convencionales fueron diseñados originalmente para la producción de energía a gran escala a partir de combustibles fósiles, en donde están disponibles para intercambio de calor fuentes de temperaturas elevadas. Como consecuencia, en estos ciclos convencionales de energía tanto la evaporación como la condensación del fluido de trabajo ocurren a temperaturas constantes. En el contexto de las fuentes geotérmicas, esto resulta en grandes desajustes de temperatura entre el fluido de trabajo y la fuente de calor geotérmico durante la adición de calor o los procesos de rechazo en el ciclo termodinámico. Por ejemplo, en un ciclo binario, la diferencia de temperatura entre los fluidos de trabajo y geotérmico en el intercambiador de calor principal podría ser tan elevada como 80 °C a 100 °C. En términos de la termodinámica, diferencias de temperatura grandes en el proceso de intercambio de calor aumentan la entropía en el ciclo de energía, reduciendo de esta manera la eficiencia, particularmente las eficiencias de la segunda ley relacionadas con la exergía (disponibilidad), del proceso de intercambio de calor y resultando en una deficiente recuperación de energía para la generación de energía.

Para tratar este problema, el ciclo de Kalina utiliza una mezcla zeotrópica de componentes múltiples de amoniaco y agua como su fluido de trabajo, y equipo adicional de absorción y destilación para reconstituir la mezcla en el extremo de temperatura menor del ciclo. El fluido de trabajo de componentes múltiples tiene una temperatura de cambio de fase variable durante la evaporación de manera que la evaporación del fluido de trabajo sucede sobre un intervalo de temperaturas. De aquí que la temperatura de la mezcla puede empatar más estrechamente con la temperatura del fluido geotérmico para aumentar la cantidad de energía calorífica que se recupera y reducir la entropía en el ciclo, mejorando de esta manera la eficiencia del proceso de intercambio de calor para aplicaciones de temperatura baja, tales como las fuentes de calor geotérmico, en oposición a la generación de energía basada en combustibles fósiles. Una desventaja del ciclo de Kalina consiste en que el equipo de absorción y destilación agregado al ciclo crea una complejidad adicional al sistema, y aumenta de manera importante el costo de instalación de la planta en comparación con otros tipos de plantas de potencia. Además, el ciclo de Kalina tiene una alta sensibilidad hacia la presión y a la composición de la mezcla de amoniaco-agua, lo cual limita la operación del ciclo sobre un intervalo completo de posibles temperaturas de la reserva geotérmica y establece de manera efectiva un limite inferior a la temperatura mínima a la cual puede comercializarse una fuente de energía geotérmica profunda.

Compendio de la Invención De acuerdo con un aspecto de la invención, se provee un método para la generación de energía a partir de una fuente calorífica, dicho método incluyendo las etapas de: comprimir un fluido de trabajo para aumentar su temperatura; intercambiar calor entre dicho fluido de trabajo y dicha fuente de calor para supercalentar dicho fluido de trabajo; expandir dicho fluido de trabajo supercalentado para impulsar una turbina, reduciendo de esta manera su temperatura; condensar dicho fluido de trabajo para reducir adicionalmente su temperatura; y regresar dicho fluido de trabajo a dicha etapa de compresión, el método además incluye la etapa de regenerar el calor de dicho fluido de trabajo, en donde el fluido de trabajo que pasa entre dicha etapa de compresión y dicho paso de intercambio de calor intercambia calor con fluido de trabajo que pasa entre dicha etapa de expansión y dicha etapa de condensación, en donde dichas etapas son realizadas en un ciclo termodinámico dentro de una región supercrítica por arriba del techo de saturación de dicho fluido de trabajo, y en donde dicha etapa de regeneración de calor es llevada a cabo bajo condiciones isoentálpicas para inducir un intercambio de calor continuo. De acuerdo con otro aspecto de la invención, se provee un sistema para la generación de energía a partir de una fuente calorífica, dicho sistema incluyendo los siguientes elementos: un compresor para comprimir un fluido de trabajo para aumentar su temperatura; un primer intercambiador de calor susceptible de conectarse de manera fluida con dicho compresor y dicha fuente de calor para intercambiar calor entre dicho fluido de trabajo y dicha fuente de calor para supercalentar dicho fluido de trabajo; una turbina susceptible de conectarse de manera fluida con dicho primer 5 intercambiador de calor para expandir dicho fluido de trabajo supercalentado para reducir de esta manera su temperatura; un segundo intercambiador de calor para condensar dicho fluido de trabajo para reducir adicionalmente su temperatura; dicho segundo intercambiador de calor siendo susceptible de conectarse de manera fluida con dicha turbina y dicho compresor; y 10 un regenerador de calor, dicho regenerador de calor siendo susceptible de interconectarse de manera fluida entre dicho compresor y dicho primer intercambiador de calor para pre-calentar dicho fluido de trabajo antes de que ingrese a dicho primer intercambiador de calor, y siendo susceptible de interconectarse de manera fluida entre dicha turbina y dicho segundo intercambiador de calor para enfriar dicho fluido de trabajo 15 después de salir de dicha turbina, en donde el fluido de trabajo que pasa entre dicho i compresor y dicho primer intercambiador de calor intercambia calor con fluido de trabajo ! que pasa entre dicha turbina y dicho condensador, i en donde el sistema trabaja en un ciclo termodinámico dentro de una región i supercrítica por arriba del techo de saturación de dicho fluido de trabajo, y en donde dicho 1 20 regenerador funciona bajo condiciones isoentálpicas para inducir un intercambio de calor continuo. Preferiblemente, la temperatura en la etapa de regeneración de calor es controlada para mantener dichas condiciones isoentálpicas. Preferiblemente, la etapa de regeneración de calor incluye el control de la temperatura de cuando menos uno de los fluidos de trabajo 25 que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y la etapa de condensación. Preferiblemente, la Ah temperatura de dicha etapa de regeneración de calor es tal que ? 0 , en donde Ah es la diferencia en entalpia entre el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y 30 la etapa de condensación, y ?? es la diferencia en temperatura entre los fluidos de trabajo. i Preferiblemente, el método además incluye la etapa de vigilar la temperatura en dicha etapa de regeneración de calor. Preferiblemente, la etapa de regeneración de calor incluye el controlar la presión de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y la etapa de condensación, en respuesta a dicha etapa de vigilancia de la temperatura, controlando de esta manera la temperatura de dicho cuando menos un fluido de trabajo. Preferiblemente, la presión en dicha etapa de regeneración de calor es controlada para mantener dichas condiciones isoentálpicas. Preferiblemente, la etapa de regeneración de calor incluye el controlar la presión de cuando menos uno de los fluido de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y la etapa de condensación. Preferiblemente, la etapa de regeneración de calor incluye el controlar la presión del fluido de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor. Preferiblemente, la etapa de regeneración de calor incluye el controlar la presión corriente arriba de dicho cuando menos un fluido de trabajo para inducir un cambio en la temperatura corriente abajo. Preferiblemente, el regenerador de calor incluye medios para controlar la temperatura dentro de dicho regenerador de calor para mantener dichas condiciones isoentálpicas. Preferiblemente, los medios de control de la temperatura controlan la temperatura de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasan entre el compresor y el primer intercambiador de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la turbina y el condensador. Preferiblemente, la temperatura en dicho regenerador de calor es tal que ? 0 , en donde Ah es la diferencia en entalpia entre el fluido de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la turbina y el condensador, y ?? es la diferencia en temperatura entre los fluidos de trabajo.

Preferiblemente, el sistema incluye medios para vigilar la temperatura dentro de dicho regenerador. Preferiblemente, los medios de monitoreo de la temperatura incluyen uno o más termocoples ubicados dentro del regenerador. Preferiblemente, el regenerador incluye medios para controlar la presión de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la turbina y el condensador en respuesta a dichos medios de monitoreo de la temperatura, controlando de esta manera la temperatura de dicho cuando menos un fluido de trabajo. Preferiblemente, el sistema incluye medios para controlar la presión dentro de dicho regenerador para mantener dichas condiciones isoentálpicas. Preferiblemente, los medios para controlar la presión controlan la presión de cuando menos uno de los fluido de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la turbina y el condensador. Preferiblemente, los medios de control de presión controlan la presión del fluido de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador de calor. Preferiblemente, los medios de control de presión controlan la presión corriente arriba de dicho cuando menos un fluido de trabajo para inducir un cambio en la temperatura corriente abajo. Preferiblemente, los medios de control de presión incluyen cuando menos una o más válvulas para controlar la presión de dicho cuando menos un fluido de trabajo. Preferiblemente, las válvulas son válvulas de mariposa. Preferiblemente, la presión de trabajo utilizada en el método y el sistema es más que el punto crítico del fluido de trabajo. Preferiblemente, la presión de operación es menor de 30 MPa. Se prefiere que la presión de operación sea menor de 15 MPa. Preferiblemente, presión de operación está entre 8 y 12 MPa. Preferiblemente, la temperatura de trabajo utilizada en el método y el sistema está entre 100 °C y 200 °C. Preferiblemente, el fluido de trabajo tiene una presión crítica de entre 3.3 MPa y 7.5 MPa. Preferiblemente, el fluido de trabajo tiene una temperatura crítica de entre 30 °C y 200 °C. Se prefiere que el fluido de trabajo esté compuesto por un solo componente. Alternativamente, si se desea, puede emplearse un fluido de trabajo de múltiples componentes. Preferiblemente, el fluido de trabajo incluye dióxido de carbono, n-pentano (C5H 12), HFC-245ca (CF2H-CF2-CFH2), HFC-245fa (CF3-CH2-CF2H), HFC- 134a (CH2F-CF3), refrigerante 125 y pentafluoroetano (F4CH2F). Preferiblemente, la fuente de calor incluye una fuente de calor geotérmico o una fuente de calor de desecho. Preferiblemente, la fuente de calor geotérmico incluye una reserva de roca seca y caliente o una reserva de agua caliente. Alternativamente, la fuente de calor de desecho incluye agua de enfriamiento o vapor de desecho procedente de una estación convencional de energía, incluyendo una planta de energía alimentada con carbón turba, aceite, gas u otros combustibles fósiles.

Breve Descripción de los Dibujos Ahora se describirán modalidades preferidas de la invención, únicamente a manera de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales: La Figura 1 es un diagrama de fases de temperatura-entropía de un fluido de trabajo; La Figura 2 es un diagrama de fases de temperatura-entropía que ilustra un ciclo de Rankine; La Figura 3 es un diagrama de fases de temperatura-entropía que ilustra un método de acuerdo con una primera modalidad de la invención; La Figura 4 es un dibujo esquemático de un sistema de acuerdo con la primera modalidad de la invención; La Figura 5 es una gráfica que ilustra el cambio de entalpia contra la temperatura para un fluido de trabajo puro; La Figura 6 es un dibujo esquemático de un regenerador para un sistema de acuerdo con una segunda modalidad de la invención; La Figura 7 es un diagrama de fases de temperatura-entropía que ilustra un método de acuerdo con una segunda modalidad de la invención; La Figura 8 es una gráfica que ilustra la comparación de la eficiencia de conversión térmica de la segunda modalidad con un ciclo convencional de energía; La Figura 9 es una gráfica que ilustra la comparación de la eficiencia exergética de la segunda modalidad con un ciclo convencional de energía; y La Figura 10 es una gráfica que ilustra la comparación del trabajo específico obtenido por la segunda modalidad con un ciclo convencional de energía; Descripción Detallada de las Modalidades Preferidas de la Invención La Figura 1 es un diagrama de fases de un fluido de trabajo puro en el dominio temperatura (T) - entropía (S). En el diagrama, las líneas punteadas P son isóbaras que representan presión constante. El techo de saturación A define los límites a los cuales el fluido de trabajo se encuentra en un estado saturado. La mayoría de los ciclos de energía convencionales, tales como el ciclo de Rankine mostrado en la Figura 2, trabajan en o alrededor de la fase de saturación del fluido de trabajo según se define por el techo de saturación A de manera que cualquier cambio de fase asociado con el ciclo tiene lugar bajo presión y temperatura constantes. Esto significa que la energía procedente de la fuente de calor se pierde durante los cambios de fase del fluido de trabajo dentro del techo de saturación A. En contraste, las modalidades de la invención evitan estas pérdidas de calor trabajando por arriba del techo de saturación A. Refiriéndonos a las Figuras 3 y 4, se ilustra una modalidad de la invención. Como mejor se aprecia en la Figura 3, el método para la generación de energía a partir de una fuente de calor incluye la etapa 10 de comprimir un fluido de trabajo para aumentar su temperatura (estados S4-S1) y la etapa 1 1 de intercambiar calor entre el fluido de trabajo y la fuente de calor para súpercalentar el fluido de trabajo (estados Sl '-S2). En la etapa 12, el fluido de trabajo súpercalentado es expandido para impulsar una turbina, reduciendo de esta manera su temperatura (estados S2-S3). Posteriormente en la etapa 13, el fluido de trabajo es condensado para reducir adicionalmente su temperatura (estados S3'-S4) antes de ser regresado a la etapa de compresión 10. El método además incluye una etapa de regeneración de calor 14 en donde el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de compresión 10 y la etapa de intercambio de calor 11 (estados SI -SI ') intercambia calor con el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión 12 y la etapa de condensación 13 (estados S3-S3'). De esta manera, en efecto el fluido de trabajo es pre-calentado después de la etapa de compresión 10 y antes de intercambiar calor con la fuente de calor en la etapa 1 1, y el fluido de trabajo es enfriado después de la etapa de expansión 12 antes de la etapa de condensación 13. Estas etapas 10 a 14 son realizadas en un ciclo termodinámico (Sl-SI '-S2-S3-S3'-S4) dentro de la región súper crítica SC por arriba del techo de saturación A del fluido de trabajo, y la etapa de regeneración de calor 14 es realizada bajo condiciones isoentálpicas para inducir un intercambio continuo de calor. El método ilustrado en la Figura 3 puede ser implementado en un sistema 15 para generar energía a partir de una fuente de calor 16, como mejor se aprecia en la Figura 4, el sistema incluye un compresor 17 en la forma de una bomba de alimentación para comprimir un fluido de trabajo para aumentar su temperatura, y un primer intercambiador de calor 18 en la forma de un intercambiador de calor de alta temperatura que es susceptible de conectarse de manera fluida al compresor 17 y la fuente de calor 16 para el intercambio I I de calor entre el fluido de trabajo y la fuente de calor 16 para súper calentar el fluido de ! trabajo. Una turbina 19 es susceptible de conectarse de manera fluida al intercambiador de 5 calor 18 de alta temperatura para expandir el fluido de trabajo súper calentado, reduciendo de esta manera su temperatura. Un segundo intercambiador de calor 20 en la forma de un intercambiador de calor de baja temperatura es susceptible de conectarse de manera fluida j con la turbina 19 y el compresor 17 para condensar el fluido de trabajo para reducir de ; manera adicional su temperatura usando un fluido de enfriamiento obtenido a partir de una ! 10 reserva adecuada 21 de fluido de enfriamiento. Un regenerador de calor 22 es susceptible i de conectarse de manera fluida entre el compresor 17 y el primer intercambiador de calor \ 18 para pre-calentar el fluido de trabajo antes de que ingrese al intercambiador de calor de ! alta temperatura, y que es susceptible de conectarse de manera fluida entre la turbina 19 y ¡ el intercambiador de calor de baja temperatura 20 para enfriar el fluido de trabajo después i ! 15 de salir de la turbina 19. El regenerador de calor 22 utiliza el fluido de trabajo "caliente" ! que pasa entre la turbina 19 y el condensador 20 (corriente 24) para precalentar el fluido de I trabajo "frío" que pasa entre el compresor 16 y el intercambiador de calor de alta temperatura 18 (corriente 23). El sistema 15 trabaja en un ciclo termodinámico (S1-S1 '-S2- I S3-S3'-S4) dentro de una región súper crítica SC por arriba del techo de saturación A del ¡ 20 fluido de trabajo, y el regenerador 22 trabaja bajo condiciones isoentálpicas para inducir un ! intercambio continuo de calor. I El ciclo termodinámico (S1-S1 '-S2-S3-S3'-S4) es substancialmente similar a un ! ciclo de Rankine, aunque se eleva en el región súper crítica SC por arriba del techo de i saturación A del fluido de trabajo y los estados Sl-Sl ' y S3-S3' se encuentran bajo j 25 condiciones isoentálpicas. ; Al llevar a cabo el ciclo termodinámico completo (Sl-Sl '-S2-S3-S3'-S4) dentro de ¡ la región súper crítica SC por arriba del techo de saturación A, este proceso totalmente supercrítico reduce las pérdidas de eficiencia asociadas con el intercambiador de calor de I alta temperatura 18 y el intercambiador de calor de baja temperatura 20. Esto es, en los ¡ 30 estados Sl-Sl '-S2 y S3-S3'-S4, el fluido de trabajo es súper calentado y condensado a : temperaturas variables más que a una temperatura constante, como en los ciclos convencionales de energía. Esto reduce el desajuste de temperatura entre el fluido geotérmico y el fluido de trabajo y entre el fluido de enfriamiento y el fluido de trabajo. De esta manera, la entropía en el ciclo termodinámico (S1-S1 '-S2-S3-S3'-S4) se reduce, y aumenta la eficiencia de la conversión de energía. Además, el regenerador de calor 22 reduce de esta manera la cantidad de energía requerida para el proceso de adición de calor realizado por el compresor 17, mejorando de esta manera la eficiencia del ciclo termodinámico (S1-S1 '-S2-S3-S3'-S4) dentro de la región supercrítica SC por arriba del techo de saturación A del fluido de trabajo. Además, debido a que la etapa de regeneración de calor 14 es realizada bajo condiciones isoentálpicas, siempre existe un gradiente de temperatura para actuar como fuerza de impulsión para el intercambio continuo de calor entre las corrientes paralelas 23 y 24 de los fluidos de trabajo dentro del regenerador 22. La importancia de la realización de la etapa de regeneración bajo condiciones isoentálpicas se ilustra de mejor manera en la Figura 5, la cual muestra una gráfica de la diferencia de entalpia de las corrientes de fluido de trabajo "fría" y "caliente" (Ah) como una función de la temperatura (T) para una sustancia pura como un fluido de trabajo, tal como dióxido de carbono, bajo condiciones supercríticas SC. La curva resultante muestra Ah una Pm máxima a la cual = 0 , en donde no existe un gradiente de temperatura para impulsar el proceso de intercambio de calor. De manera consecuente, la existencia de un punto máximo de Pm para Ah es un perjuicio para la eficiencia del ciclo termodinámico, puesto que evita el intercambio continuo de calor y reduce de esta manera la eficiencia de la conversión de energía. En contraste, en la modalidad preferida, la temperatura es controlada de manera que se mantiene constante la entalpia en la etapa de regeneración de calor, esto es, bajo Ah condiciones isoentálpicas, y la temperatura es tal que ? 0 , asegurando que exista un gradiente de temperatura a lo largo de toda la etapa de regeneración de calor 14, resultando en la continuación del proceso de intercambio de calor entre las corrientes 23 y 24 del fluido de trabajo "frío" y "caliente" que pasan a través del regenerador de calor 22.

Más aún, la eficiencia mejorada que se deriva del método y sistema 15 se optimiza operando a presiones por arriba del punto crítico del fluido de trabajo. De manera consecuente, al seleccionar el tipo adecuado de fluido de trabajo, el sistema 15 puede trabajar dentro de un intervalo de presión deseado para satisfacer cualquier restricción en los costos de operación o de los requerimientos de seguridad. En este contexto, la presión de operación utilizada en el método y el sistema preferiblemente es menor de 15 MPa, aún cuando las presiones de operación pueden ser de hasta 30 MPa. En particular, se ha encontrado que presiones de operación entre 8 y 12 MPa permiten una amplia selección de fluidos de trabajo adecuados. El operar a estas presiones de trabajo preferidas permite la aplicación de las modalidades de la invención a intervalos mayores de temperaturas, generalmente entre 100 °C y 200 °C. Ejemplos de intercambiadores de calor de alta temperatura incluyen calderas y generadores de vapor. Los intercambiadores de calor adecuados de baja temperatura incluyen condensadores enfriados con aire o enfriados con agua. Se contempla que esta modalidad de la invención sea aplicable a la mayoría de las fuentes de calor y, en particular, puede ser usada como una parte de un ciclo de "reaprovechamiento" que utilice el calor de desecho proveniente de una estación de energía convencional alimentada con carbón, u otras estaciones de potencia a base de combustibles fósiles, tales como estaciones de potencia a base de turba, aceite o gas. En las Figuras 6 y 7 se ilustra una modalidad particularmente preferida de la invención para fuentes de calor geotérmico, en donde a correspondientes características le han sido asignados los mismos numerales de referencia. Esta modalidad toma en cuenta que para fuentes de energía geotérmica, la estrecha proximidad de las líneas de presión constante P en la región súper crítica SC puede resultar en pequeñas salidas de energía neta, y las máximas temperaturas del ciclo son relativamente bajas en comparación con otras fuentes de calor. En particular, si bien la modalidad tiene todas las características del sistema 15 mostrado en la Figura 4, el regenerador de calor 22 tiene un sistema de monitoreo de temperatura (no mostrado). El sistema de monitoreo de temperatura incluye una pluralidad de termocoples ubicados en varias posiciones dentro del regenerador 22, los cuales están conectados de manera funcional a una unidad de procesamiento central (CPU). El regenerador 22 también incluye una pluralidad de válvulas de mariposa 26 proveídas en la tubería 27 de la corriente 24 de fluido de trabajo "caliente" entre la turbina 19 y el condensador 20, como se aprecia mejor en la Figura 6. Las válvulas de mariposa están conectadas de manera funcional a la CPU. Como se muestra en la Figura 7, el ciclo termodinámico de acuerdo con este método puede ser descrito en términos de la transición entre estados del fluido de trabajo como sigue: Estados Sl-Sl ' Recuperación de calor a entalpia constante en el regenerador de calor 22 Estados SI '-S2 Adición de calor a presión constante en el intercambiador de calor de alta temperatura 18 Estados S2-S3' Expansión en la turbina 19 para la salida de trabajo Estados S3-S3' Recuperación de calor a entalpia constante en el regenerador de calor 22 Estados S3-S3" Recuperación de calor a entalpia constante en el regenerador de calor 22 Estados S3"-S4 Rechazo de calor a presión constante en el intercambiador de calor de baja temperatura 20 Estados S4-S1 Elevación de presión del fluido de trabajo condensado en forma líquida por la bomba de alimentación 17 La operación del sistema 15 de acuerdo con esta modalidad será descrita ahora con detalle con referencia a las Figuras 4 y 6. El fluido de trabajo, en la forma de C02 en este ejemplo, ingresa a la bomba de alimentación 17 en el estado S4 como líquido saturado (o suavemente comprimido) y se comprime a la presión de operación del intercambiador de calor de alta temperatura 18. La temperatura del fluido de trabajo de C02 aumenta de alguna manera durante este proceso de compresión debido a ligeros cambios en su volumen específico. El fluido de trabajo de C02 posteriormente ingresa al regenerador de calor 22, el cual generalmente trabaja a la misma presión que el intercambiador de calor de alta temperatura 18, como un líquido comprimido en el estado SI y lo abandona como una fase de vapor calentado en el estado SI '. Este es un proceso de recuperación de calor para el cual la energía térmica requerida es suministrada por el fluido de trabajo de C02 que abandona la turbina en el estado S3', ligeramente por arriba de la presión de ciclo mínima, y el cual se somete a variaciones en la presión para mantener condiciones isoentálpicas en el regenerador 22. En seguida, el vapor en la fase SI ' penetra al intercambiador de calor de alta temperatura 18 en el cual su temperatura aumenta adicionalmente o se súper calienta de forma tal que el fluido de trabajo de C02 se torna en un vapor súpercalentado al salir en el estado S2. El calor necesario para elevar la temperatura del fluido de trabajo entre los estados SI ' y S2 se suministra por un fluido geotérmico caliente procedente de una fuente 16 de calor geotérmico. El vapor súper calentado en el estado S2 posteriormente entra a la turbina 19 en donde se expande y produce electricidad al hacer girar el eje de un generador eléctrico (no mostrado). Durante el proceso de expansión, la presión y temperatura del fluido de trabajo de C02 cae hasta que éste alcanza el estado S3'. En esta estado, el fluido de trabajo de C02 todavía tiene una energía térmica considerable, la cual es explotada adicionalmente haciéndolo pasar a través del regenerador de calor 22 para calentar el fluido de trabajo de C02 "frío" que ingresa al regenerador de calor 22 en el estado SI. Como resultado del intercambio de calor en el regenerador de calor 22 entre los fluidos de trabajo de C02 relativamente frió y caliente, la temperatura del fluido de trabajo de C02 cae a aquella del estado S3" y la temperatura del fluido de trabajo de C02 aumenta a aquella del estado SI '.

En el regenerador 22, las válvulas de mariposa 26 están inicialmente totalmente abiertas y la corriente 24 de C02 caliente intercambia calor con la corriente 23 de C02 frío. Cuando el sistema de monitoreo de la temperatura, por ejemplo usando uno o más de los termocoples, identifica que la temperatura de un área en particular en el regenerador 22 se Ah está acercando al valor al cual — = 0 , la CPU envía una señal a la válvula de mariposa AT corriente arriba más cercana, por ejemplo la válvula 26a. En respuesta, la válvula de mariposa 26a es cerrada parcialmente de manera que la caída de presión resultante estrangula la corriente 24 de fluido de trabajo "caliente" a una presión menor, asegurando de esta manera que el regenerador de calor 22 permanezca en entalpia constante (estados Ah S3'-S3 y S3-S3") de manera que ? 0 , y el proceso de intercambio de calor es continuo en el regenerador 22. Este ajuste de la presión localizada dentro del regenerador 22 puede ser repetido varias veces, dependiendo de las condiciones de operación, hasta que la corriente 24 de fluido de trabajo "caliente" abandone el regenerador 22 a la presión de ciclo mínima en el estado S3". Durante esta transición desde el estado S3', a la entrada del regenerador 22, al estado S3", a la salida del regenerador 22, el fluido de trabajo pasa a través del estado S3. El fluido de trabajo de C02 que sale del costado caliente del regenerador de calor 22 en el estado S3" es posteriormente condensado a una presión constante en el intercambiador de calor de baja temperatura 20 mediante el rechazo de calor a un medio de enfriamiento procedente de la reserva 21 de medio de enfriamiento. El fluido de trabajo de C02 condensado finalmente abandona el intercambiador de calor de baja temperatura 20 e ingresa a la bomba de alimentación 17 para completar el ciclo. Si bien esta modalidad ha sido descrita como siendo particularmente aplicable a fuentes de calor geotérmico, también puede ser utilizada para ciclos de reaprovechamiento, en donde la fuente de calor es el fluido de trabajo de un ciclo de potencia principal. Por ejemplo, el vapor de baja temperatura que sale de la turbina del ciclo principal en plantas de potencia alimentadas con carbón. Si bien en las modalidades de la invención se ha utilizado dióxido de carbono como el fluido de trabajo, se pueden seleccionar otros fluidos de trabajo, incluyendo, n-pentano (C5H,2), HFC-245ca (CF2H-CF2-CFH2), HFC-245fa (CF3-CH2-CF2H), HFC- 134a (CH2F- CF3), refrigerante 125 y pentafluoroetano (F4CH2F). En la Tabla 1 siguiente se presentan las propiedades comparativas de cada fluido de trabajo.

Tabla 1. Propiedades c e los Fluidos de Trabajo adecuados de la invención Se ha encontrado que pueden usarse otros fluidos de trabajo adecuados con presiones críticas de entre 3.3 MPa y 7.5 MPa, y temperaturas críticas de entre 30 °C a 200 °C. Más aún, en otras modalidades de la invención se emplea en el método y sistema un fluido de trabajo de componentes múltiples, en lugar de un fluido de trabajo compuesto por un solo componente. La eficiencia de conversión térmica y la eficiencia exergética de la segunda modalidad de las Figuras 6 y 7 se calcularon como una función de la diferencia de temperaturas entre el fluido geotérmico en los pozos de producción y rechazo, ATgeo. La eficiencia de conversión térmica y la eficiencia exergética de la modalidad preferida se compararon con la eficiencia de conversión térmica y la eficiencia exergética de ciclos de energía convencionales. El fluido de trabajo elegido para la segunda modalidad fue dióxido de carbono. Como mejor se aprecia en la Figura 8, la eficiencia de conversión térmica de la segunda modalidad (designada como C02-RGSC) fue más alta que la eficiencia de conversión térmica de ciclos de energía convencionales. Para la segunda modalidad, la eficiencia de conversión térmica varía desde 10% hasta 18% con un promedio de 16.5%. En contraste, para ciclos de energía convencionales, incluyendo el ciclo de Kalina, la eficiencia de conversión térmica no cambia y se asienta alrededor de un valor nominal de entre 1 1% y 12%. De manera similar, la eficiencia exergética de la modalidad fue más elevada que la eficiencia exergética de los ciclos de energía convencionales conforme ATge0 aumenta, como mejor se aprecia en la Figura 9. De esta manera, las Figuras 8 y 9 indican que la conversión térmica y las eficiencias exergéticas de la modalidad son por mucho superiores a aquella de la conversión térmica y las eficiencias exergéticas de los ciclos convencionales de energía. Esta conversión térmica y eficiencias exergéticas mejoradas implican que más energía puede generarse a partir de esta modalidad por unidad de energía de entrada que a partir de un ciclo de energía convencional. Esto se ilustra en la Figura 10, la cual muestra una gráfica de energía específica (Wspc) contra ATgeo. La cantidad de trabajo extraído a partir del fluido geotérmico, y de aquí la cantidad de energía generada, fue sustancialmente más alta para la modalidad que para los ciclos de energía convencionales, especialmente conforme ??ee? aumenta.

De esta forma, las modalidades de la invención proveen un método y sistema para la generación de energía a partir de una fuente de calor, incluyendo una fuente de calor geotérmico, con eficiencia mejorada sobre los ciclos de energía convencionales y sin requerir de equipo adicional que se agregaría a la complejidad del sistema o a los costos de instalación. Alternativa o adicionalmente, la invención provee un método para extraer más calor de forma económica a una temperatura más baja que para las tecnologías convencionales, expandiendo de esta manera la cantidad de fuentes de calor potenciales que pueden explotarse de manera comercial. En otras modalidades, la temperatura en la etapa de regeneración es controlada de manera directa, en lugar de controlar la presión del fluido de trabajo. En una modalidad, la temperatura o presión del fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y la etapa de condensación (o el fluido de trabajo entre la turbina y el condensador) se controla para mantener condiciones isoentálpicas. Si bien la invención ha sido descrita con referencia a ejemplos específicos, se apreciará que aquellos capacitados en la técnica que la invención puede ser materializada en muchas otras formas.

Claims

Reivindicaciones 1. Un método para la generación de energía a partir de una fuente calorífica, dicho método incluye las etapas de: comprimir un fluido de trabajo para aumentar su temperatura; intercambiar calor entre dicho fluido de trabajo y dicha rúente de calor para supercalentar dicho fluido de trabajo; expandir dicho fluido de trabajo supercalentado para impulsar una turbina, reduciendo de esta manera su temperatura; condensar dicho fluido de trabajo para reducir adicionalmente su temperatura; y regresar dicho fluido de trabajo a dicha etapa de compresión, el método además incluye la etapa de regenerar el calor de dicho fluido de trabajo, en donde el fluido de trabajo que pasa entre dicha etapa de compresión y dicho paso de intercambio de calor intercambia calor con fluido de trabajo que pasa entre dicha etapa de expansión y dicha etapa de condensación, en donde dichas etapas son realizadas en un ciclo termodinámico dentro de una región supercrítica por arriba del techo de saturación de dicho fluido de trabajo, y en donde dicha etapa de regeneración de calor es llevada a cabo bajo condiciones isoentálpicas para inducir un intercambio de calor continuo.
2. El método de la reivindicación 2, en donde la temperatura en dicha etapa de regeneración de calor se controla para mantener dichas condiciones isoentálpicas.
3. El método de la reivindicación 2, en donde la etapa de regeneración de calor incluye el controlar la temperatura de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y la etapa de condensación.
4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en Ah donde la temperatura en dicha etapa de regeneración de calor es tal que ? 0 , en donde Ah es la diferencia en entalpia entre el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y la etapa de condensación, y ?? es la diferencia en temperatura entre los fluidos de trabajo.
5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, el cual además incluye la etapa de monitorear la temperatura en dicha etapa de regeneración de calor.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la etapa de regeneración de calor incluye el controlar la presión de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y la etapa de condensación, en respuesta a dicha etapa de vigilancia de la temperatura, controlando de esta manera la temperatura de dicho cuando menos un fluido de trabajo.
7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la presión en la etapa de regeneración de calor se controla para mantener dichas condiciones isoentálpicas.
8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, en donde la etapa de regeneración de calor incluye el controlar la presión de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la etapa de expansión y la etapa de condensación.
9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en donde la etapa de regeneración de calor incluye el controlar la presión del fluido de trabajo que pasa entre la etapa de compresión y la etapa de intercambio de calor.
10. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la presión de trabajo es más que el punto crítico del fluido de trabajo.
11. El método de la reivindicación 10, en donde la presión es menor de 30 MPa.
12. El método de la reivindicación 11, en donde la presión es menor de 15 MPa.
13. El método de la reivindicación 10, en donde la presión está entre 8 y 12 MPa.
14. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la temperatura de operación está entre 100 °C y 200 °C.
15. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el fluido de trabajo tiene una presión crítica de entre 3.3 MPa y 7.5 MPa.
16. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el fluido de trabajo tiene una temperatura crítica de entre 30 °C y 200 °C.
17. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el fluido de trabajo está compuesto por un solo componente.
18. El método de la reivindicación 17, en donde el fluido de trabajo se selecciona del grupo formado por dióxido de carbono, n-pentano (C5H|2), HFC-245ca (CF2H-CF2-CFH2), HFC-245fa (CF3-CH2-CF2H), HFC- 134a (CH2F-CF3), refrigerante 125 y pentafluoroetano (F4CH2F).
19. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en donde el fluido de trabajo es un fluido de trabajo de componentes múltiples.
20. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la fuente de calor incluye una fuente de calor geotérmico o una fuente de calor de desecho.
21. El método de la reivindicación 20, en donde la fuente de calor geotérmico incluye una reserva de roca seca y caliente o una reserva de agua caliente.
22. El método de la reivindicación 20, en donde la fuente de calor de desecho incluye agua de enfriamiento o vapor de desecho procedente de una estación de energía convencional.
23. El método de la reivindicación 22, en donde la estación de energía convencional incluye una estación de potencia alimentada con carbón, turba, aceite, gas u otro combustible fósil.
24. Un sistema para la generación de energía a partir de una fuente calorífica, dicho sistema incluyendo los siguientes elementos: un compresor para comprimir un fluido de trabajo para aumentar su temperatura; un primer intercambiador de calor susceptible de conectarse de manera fluida con dicho compresor y dicha fuente de calor para intercambiar calor entre dicho fluido de trabajo y dicha fuente de calor para supercalentar dicho fluido de trabajo; una turbina susceptible de conectarse de manera fluida con dicho primer intercambiador de calor para expandir dicho fluido de trabajo supercalentado para reducir de esta manera su temperatura; un segundo intercambiador de calor para condensar dicho fluido de trabajo para reducir adicionalmente su temperatura; dicho segundo intercambiador de calor siendo susceptible de conectarse de manera fluida con dicha turbina y dicho compresor; y un regenerador de calor, dicho regenerador de calor siendo susceptible de interconectarse de manera fluida entre dicho compresor y dicho primer intercambiador de calor para pre-calentar dicho fluido de trabajo antes de que ingrese a dicho primer intercambiador de calor, y siendo susceptible de interconectarse de manera fluida entre dicha turbina y dicho segundo intercambiador de calor para enfriar dicho fluido de trabajo después de salir de dicha turbina, en donde el fluido de trabajo que pasa entre dicho compresor y dicho primer intercambiador de calor intercambia calor con fluido de trabajo que pasa entre dicha turbina y dicho condensador, en donde el sistema trabaja en un ciclo termodinámico dentro de una región supercrítica por arriba del techo de saturación de dicho fluido de trabajo, y en donde dicho regenerador funciona bajo condiciones isoentálpicas para inducir un intercambio de calor continuo.
25. El sistema de la reivindicación 24, en donde el regenerador de calor incluye medios para controlar la temperatura dentro de dicho regenerador de calor para mantener dichas condiciones isoentálpicas.
26. El sistema de la reivindicación 25, en donde los medios para controlar la temperatura controlan la temperatura de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la turbina y el condensador.
27. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 26, en donde la temperatura en dicho regenerador de calor es tal que ? 0 , en donde Ah es la diferencia en entalpia entre el fluido de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la turbina y el condensador, y ?? es la diferencia en temperatura entre los fluidos de trabajo.
28. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 27, el cual además incluye medios para monitorear la temperatura dentro de dicho regenerador.
29. El sistema de acuerdo con la reivindicación 28, en donde los medios de monitoreo de temperatura incluyen uno o más termocoples ubicados dentro del regenerador.
30. El sistema de acuerdo con la reivindicación 28 o 30, en donde el regenerador incluye medios para controlar la presión de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador de calor y el fluido de trabajo que pasa entre la turbina y el condensador, en respuesta a dichos medios de monitoreo de la 5 temperatura, controlando de esta manera la temperatura de dicho cuando menos un fluido de trabajo.
31. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 27, en donde el regenerador de calor incluye medios para controlar la presión dentro del regenerador de calor para mantener dichas condiciones isoentálpicas. 10
32. El sistema de acuerdo con la reivindicación 31, en donde los medios para controlar la presión controlan la presión de cuando menos uno de los fluidos de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador calor y el fluido de trabajo que pasa entre la turbina y el condensador.
33. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 30 a 32, en 15 donde los medios para controlar la presión controlan la presión del fluido de trabajo que pasa entre el compresor y el primer intercambiador de calor.
34. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 30 a 32, en donde los medios para controlar la presión controlan la presión corriente arriba de dicho cuando menos un fluido de trabajo para inducir un cambio en la temperatura corriente 20 abajo.
35. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 30 a 34, en donde los medios para controlar la presión incluyen cuando menos una o más válvulas para controlar la presión de dicho cuando menos un fluido de trabajo.
36. El sistema de acuerdo con la reivindicación 35, en donde las válvulas son 25 válvulas de mariposa.
37. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 36, en donde la presión de trabajo es más que el punto crítico del fluido de trabajo.
38. El sistema de la reivindicación 37, en donde la presión es menor de 30 MPa.
39. El sistema de la reivindicación 38, en donde la presión es menor de 15 MPa. 30
40. El sistema de la reivindicación 39, en donde la presión está entre 8 y 12 MPa. I
41. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 40, en donde la temperatura de operación está entre 100 °C y 200 °C.
42. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 41, en donde el fluido de trabajo tiene una presión crítica de entre 3.3 MPa y 7.5 MPa.
43. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 42, en donde el fluido de trabajo tiene una temperatura crítica de entre 30 °C y 200 °C.
44. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 43, en donde el fluido de trabajo está compuesto por un solo componente.
45. El sistema de la reivindicación 44, en donde el fluido de trabajo se selecciona del grupo formado por dióxido de carbono, n-pentano (C5H12), HFC-245ca (CF2H-CF2-CFH2), HFC-245fa (CF3-CH2-CF2H), HFC- 134a (CH2F-CF3), refrigerante 125 y pentafluoroetano (F4CH2F).
46. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 43, en donde el fluido de trabajo es un fluido de trabajo de componentes múltiples.
47. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 46, en donde la fuente de calor incluye una fuente de calor geotérmico o una fuente de calor de desecho.
48. El sistema de la reivindicación 47, en donde la fuente de calor geotérmico incluye una reserva de roca seca y caliente o una reserva de agua caliente.
49. El sistema de la reivindicación 47, en donde la fuente de calor de desecho incluye agua de enfriamiento o vapor de desecho procedente de una estación de energía convencional.
50. El sistema de la reivindicación 49, en donde la estación de energía convencional incluye una estación de potencia alimentada con carbón, turba, aceite, gas u otro combustible fósil.