WO2013124504A1 - Tecnología caes de ciclo combinado (ccc) - Google Patents

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Fernando Ruiz Del Olmo
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Prextor Systems, S.L.
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    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use
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    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to a system that has been specially designed to store energy through the compression of atmospheric air and its confinement in tanks or caverns, so that the overall yields obtained with current technology can be significantly improved and significantly reduce the volume requirements of tanks or caverns.
  • CAES technology consists of storing energy based on the storage of compressed atmospheric air.
  • a compressor is made, which compresses atmospheric air to a certain pressure, consuming the excess power of the power grid.
  • the resulting compressed air is stored in a natural cavern, abandoned mine or saline dome (it is not possible to use a pressure tank due to the enormous dimensions it must have and the high pressures it must withstand if it is intended to store significant amounts of energy).
  • shut-off valve To leave the energy stored until demand rises, simply leave the cavern closed by means of a shut-off valve. When the electricity network finally demands more energy, the valve is opened and the pressurized air is released, which is used to drive a turbine and generate electricity.
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) Economically than building reversible pumping plants, the most widespread large-scale energy storage system that exists today. But the big problem of CAES technology is the low yields that are achieved, which translates into a low viability of the exploitation of the plants. In fact, although it is a technology developed over thirty years ago, there are only two CAES plants operating in the world today.
  • thermodynamic cycle followed by atmospheric air (Brayton cycle)
  • thermodynamic cycle that is followed by an auxiliary fluid, which is enclosed in the same cavern within a membrane, and whose volume is varied, thus allowing the entry and exit of compressed atmospheric air in the cavern.
  • auxiliary fluid can be subjected that can be viable and that involve a significant variation in the volume of the auxiliary fluid.
  • two sections of a Rankine cycle can be followed to the auxiliary fluid, one during the process of compressing and entering air into the
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) cavern and the other during the process of air outlet and turbination, so that: the initial and final states of each of the sections are at the same pressure
  • the initial state during the process of compressing and entering air into the cave coincides with the final state during the process of emptying and turbinating the air, and is a very low density state, that is, superheated steam, saturated steam or steam wet with high title
  • the final state during the process of compression and entry of air into the cave coincides with the initial state during the process of emptying and turbinating the air, and is a very high density state, that is, subcooled liquid, saturated liquid or vapor wet with low title
  • the auxiliary fluid leaves the membrane, runs through its corresponding section of Rankine cycle, and re-enters the membrane, in a continuous process which causes the auxiliary fluid enclosed in the membrane to have a total decreasing / increasing volume, thus allowing air to enter the cave / moving into the air to leave the cave - during periods in which the air is left stored in the cave on the one hand and in which the cave is emptied of air on the other the auxiliary fluid is stored in the membrane in its final state corresponding to the stretch of Rankine cycle that previously traveled
  • the Rankine cycle followed by the auxiliary fluid can have multiple arrangements.
  • the cold focus of the Rankine cycle can be well placed at the temperature at which the auxiliary fluid is stored, so that the section that the auxiliary fluid will travel during the process of compressing and entering air into the tank or cavern is precisely the passage through the
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) condenser, or at a lower temperature, in order to optimize energy efficiency, although at the cost of having to perform turbine sections at times when there is plenty of electrical energy in the network (that is, during the compression and filling process of cave air).
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) Brayton to regasify and heat the auxiliary fluid and follow its Rankine cycle.
  • CAES Combined Cycle Technology or “CCC Technology”
  • CCC Technology multiple objectives are achieved: - optimize the energy efficiency of the plant, optimize the volume requirements of the tanks or caverns needed to store the air - expand the range of possible locations for CAES plants
  • the heat of the compressed air turbine exhaust gases can be used as a heat source for another additional Rankine cycle, operating with the auxiliary fluid itself or with other organic fluids.
  • the CCC technology has other additional advantages, which make it overcome in terms of the process of electricity generation contained therein to many other processes of electricity generation in general: because They are sized to withstand the pressures of work, allows to use the tanks or caverns to perform in them an additional heating of the compressed air and / or the auxiliary fluid at constant volume, that is, use the tanks or caverns as boilers, but with the large advantage over conventional boilers that resist working pressures and have sufficient volume to be able to perform constant volume heating in them, thus increasing energy efficiency in a spectacular way
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) Perform the process in reverse, storing the compressed air inside the membrane, leaving the auxiliary fluid outside the membrane, so that advantages can be achieved from the mechanical point of view, due to the different densities of the air and the auxiliary fluid, and of this same in its different states use an auxiliary cavern or tank to store the auxiliary fluid when it is in a liquid state, the auxiliary fluid also being enclosed in said auxiliary cavern or tank in a membrane, and existing in the outside the same air in the conditions in which it is stored in the tank or main cavern, in such a way that it is transferred to it during the filling of the tank or auxiliary cavern and is transferred in the opposite direction during the emptying, getting from this way to also maintain constant the pressure of the tank or auxiliary cavern at all times, and allowing a constant differentiated volume heating of the air and of!
  • the auxiliary fluid can be stored in two states at different pressures of the Rankine cycle that is followed, taking advantage of the existence of two tanks or caverns, being able for example to match the section to be traveled by the auxiliary fluid during the compression and entry of air into the tank or cavern with the passage through the condenser plus the pumping, thus consuming the energy in the pump in the periods in which there is a surplus of electrical energy in the network using the heat released in the condenser of the Rankine cycle as a source of heat for another additional Rankine cycle, that operates with the auxiliary fluid itself at other pressures or with water or other organic fluids
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) use the heat released in the Rankine cycle condenser as a heat source for another additional Rankine cycle, which operates with the auxiliary fluid itself at other pressures or with water or other organic fluids, and whose fluid is stored in a new tank or cavern thermally insulated auxiliary to be turbinated during times of strong demand in the mains store the heat released in the condenser of the Rankine cycle and / or the detached in the intermediate refrigerations of the compressors through a thermal storage system to be used later as source of heat preheating the air that leaves the cave prior to the turbination, regasifying the auxiliary fluid and / or for another additional Rankine cycle, operating with the auxiliary fluid itself at other pressures or with water or other organic fluids during the moments of strong demand in the electricity grid
  • Figure 1 shows a process diagram of one of the possible arrangements of a CCC technology plant with air storage in the same conditions of pressure and temperature in which the water is stored, and with a thermal storage system of the heat generated during atmospheric air compression
  • Figure 2.- Shows a scheme of the process of one of the
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) Possible arrangements of a CCC technology plant with adiabatic membranes and air storage at a higher temperature than the water is stored
  • FIG. 1 illustrates, by way of illustration and not limitation, a preferred embodiment of the invention, which consists of storing the power of the electricity network (1) by means of a CCC technology plant , in which, during periods in which there is an excess of electrical energy in the network to be stored, the electric motor (2) that rotates the compressor (3), which captures atmospheric air and compresses it adiabatically, is activated in one stage up to a pressure around 40 bar and the resulting temperature, around 550 ° C.
  • This compressed air is circulated through a heat exchanger (4), where heat is transferred to a heat storage system (5), for example by means of two storage tanks of molten salts at different temperatures, leaving the outlet under conditions of 250 ° C of temperature and a pressure equal to the vapor pressure of the water corresponding to said temperature (around 39.75 bar).
  • the air compression could also have been carried out in several stages, with intermediate cooling and heat transfer to the heat storage system (5).
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) which has been excavated by blasting hard rock, and whose walls are thermally insulated inside.
  • the artificial cavern was initially filled with water in a saturated steam state under the same conditions of pressure and temperature as the compressed air (250 ° C and around 39.75 bar).
  • a waterproof membrane (7) flexible and capable of withstanding working temperatures of 250 ° C, such as flexible teflon. This membrane is initially completely folded and leaving all the space in the water in a state of saturated steam that completely fills the artificial cavern, as explained.
  • the air enters the membrane it moves the water in a saturated vapor state, which leaves the artificial cavern and is circulated to the condenser (8), where it is liquefied at constant pressure and temperature, until it becomes saturated liquid under the same pressure and temperature conditions.
  • the condenser (8) can be cooled by a cooling tower (9), as it appears in Figure 1, or, given the high temperature at which it works, the heat released in it can be stored in the storage system of heat (5) or used as a heat source for an auxiliary Rankine cycle that operates with water at low temperatures or with an organic fluid.
  • the plant remains inactive until the demand for electrical energy in the network is of such magnitude that its start-up is required to generate electricity. Then, the water in a saturated liquid state is extracted from the cave, driving it in the pump (10) towards a heat exchanger (11) and a rear boiler (12) where the water is regasified and heated until it becomes a vapor state. high pressure and temperature conditions, to then pass it through a steam turbine (13), which drives an alternator (14) that generates electricity and returns it to the power grid (1).
  • the water is again at the exit of the steam turbine in a saturated steam state at about 39.75 bar and 250 ° C, being redirected back to the cavern.
  • the water in a saturated vapor state occupies much more volume than before, and is displacing the air that is enclosed in the membrane, which leaves the artificial cavern and is heated in a heat exchanger (15 ), which takes heat from the heat storage system (5), and subsequently in a boiler (16), to be finally turbined in the turbine (17), which could be the same machine as the compressor (3) running in in the opposite direction, and that activates the alternator (18), producing electrical energy and injecting it into the electrical network (1).
  • the exhaust gases of the turbine (17), which have an important thermal energy, are used first to regasify the auxiliary fluid and heat it through the heat exchanger (11), and then to send them to the outlet chimney ( 19), to store them in the thermal storage system (5) or to make hot focus in an auxiliary Rankine cycle that operates with water at low temperatures or with an organic fluid.
  • Figure 2 shows, for illustrative and non-limiting purposes, another preferred embodiment of the invention, which consists of storing the energy of the power grid (1) by means of a CCC technology plant, in which, during the periods in which there is an excess of electrical energy in the network to be stored, the electric motor (2) that rotates the compressor (3) is activated, which captures atmospheric air and compresses it adiabatically in one stage until a pressure around at 60 bar and the resulting temperature, around 650 ° C.
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) Compressed air is circulated to an artificial cavern (6), which has been excavated by blasting hard rock, and whose walls are thermally insulated inside.
  • the artificial cavern was initially filled with water in a saturated steam state at 60 bar and at the corresponding temperature so that this pressure is the vapor pressure of! water, that is, around 275 ° C.
  • a waterproof membrane (7) flexible, thermally insulating and capable of withstanding working temperatures of at least 650 ° C on the air side and 275 ° C on the water side, manufactured for example as a sandwich with a ceramic blanket inside and two flexible steel sheets outside. This membrane is initially completely folded and leaving all the space in the water in a saturated vapor state that fills the artificial cavern completely, as explained.
  • the air enters the membrane it moves the water in a saturated vapor state, which leaves the artificial cavern and is circulated to the condenser (8), where it is liquefied at constant pressure and temperature, until it becomes saturated liquid at 60 bar and 275 ° C.
  • the condenser (8) can be cooled by a cooling tower (9), as it appears in Figure 2, or, given the high temperature at which it works, the heat released in it can be stored in a storage system of heat or used as a heat source for an auxiliary Rankine cycle that operates with water at low temperatures or with an organic fluid.
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) the water in a saturated vapor state has been completely transformed to saturated liquid, or until there is a demand in the electricity grid that makes it preferable to stop storing the energy. At this time, the inlet and outlet valves of the artificial cavern are closed, and the air and water stored in the cavern are left, with the CCC plant completely stopped, without consuming or generating electricity.
  • the plant remains inactive until the demand for electrical energy in the network is of such magnitude that its start-up is required to generate electricity. Then, the water in a saturated liquid state is extracted from the cave, driving it in the pump (10) towards a heat exchanger (11) and a rear boiler (12) where the water is regasified and heated until it becomes a vapor state. high pressure and temperature conditions, to then pass it through a steam turbine (13), which drives an alternator (14) that generates electricity and returns it to the power grid (1).
  • the water is again at the outlet of the steam turbine in a saturated steam state at about 60 bar and 275 ° C, being redirected back to the cavern.
  • the exhaust gases of the turbine (17), which have an important thermal energy, are used first to regasify the auxiliary fluid and heat it through the heat exchanger (11), and then to send them to the outlet chimney ( 19), to store them in a thermal storage system or to make hot focus in an auxiliary Rankine cycle that operates with water at low temperatures or with an organic fluid.
  • the work values in the real plants will depend on the real processes and the operating conditions that are admissible depending on the resistance of the tanks or caverns and the thermal insulation available.

Abstract

Se trata de un sistema que almacena energía en base a la compresión de aire atmosférico y su confinamiento en tanques ó cavernas, que combina el ciclo termodinámico seguido por el aire atmosférico (ciclo Brayton) con otro ciclo termodinámico que se hace seguir a un fluido auxiliar, que se encuentre encerrado en la caverna dentro de una membrana, y al que se hace seguir dos tramos de un ciclo Rankine, uno durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna y el otro durante el proceso de salida de aire y turbinado, aprovechándose el calor residual de los propios gases de escape de la turbina de aire comprimido como fuente de calor del ciclo Rankine del fluido auxiliar, y pudiéndose utilizar los tanques ó cavernas para realizar en ellos un calentamiento a volumen constante del aire comprimido y/o del fluido auxiliar.

Description

TECNOLOGÍA CAES DE CICLO COMBINADO (CCC)
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema que ha sido especialmente concebido para almacenar energía mediante la compresión de aire atmosférico y su confinamiento en tanques ó cavernas, de tal modo que se consigan mejorar de forma significativa los rendimientos globales obtenidos con la tecnología actual y se reduzcan de forma importante los requerimientos de volumen de los tanques ó cavernas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La tecnología CAES consiste en almacenar energía en base ai almacenamiento de aire atmosférico comprimido. Cuando existe un excedente de energía en la red eléctrica, se hace trabajar un compresor, que comprime aire atmosférico hasta una determinada presión, consumiendo la energía excedente de la red eléctrica. El aire comprimido resultante es almacenado en una caverna natural, mina abandonada ó domo salino (no es posible utilizar un tanque a presión debido a las enormes dimensiones que debe tener y a las elevadas presiones que debe soportar si se pretenden almacenar cantidades importantes de energía).
Para dejar almacenada la energía hasta que suba la demanda, simplemente basta con dejar cerrada la caverna mediante una válvula de corte. Cuando finalmente la red eléctrica demanda más energía, se abre la válvula y se da salida al aire a presión, que se utiliza para accionar una turbina y generar energía eléctrica.
Construir plantas con esta tecnología puede resultar mucho más viable
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) económicamente que construir centrales de bombeo reversible, el sistema de almacenamiento de energía a gran escala más extendido que existe en la actualidad. Pero el gran problema de la tecnología CAES son los bajos rendimientos que se consiguen alcanzar, lo que se traduce en una escasa viabilidad de la explotación de las plantas. De hecho, aunque es una tecnología desarrollada hace más de treinta años, tan sólo existen dos plantas CAES operando en el mundo en la actualidad.
Además, las enormes exigencias en cuanto a volumen de las cavernas y presiones a soportar reducen drásticamente el abanico de ubicaciones posibles para este tipo de plantas, quedando restringido, tal como se ha explicado, a lugares donde existan cavernas naturales, minas abandonadas ó domos salinos.
Es complicado encontrar cavernas naturales ó minas abandonadas que se encuentren disponibles, de manera que las dos plantas CAES que operan en la actualidad han sido construidas utilizando domos salinos. Esto conlleva una serie de problemas adicionales como son la imposibilidad de aislar térmicamente las cavernas (la excavación se realiza por disolución de las sales a través de un pozo de unos 600 m de profundidad), ó los elevados niveles de contaminación que presenta el aire al salir de la caverna.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La solución a estos inconvenientes consiste en combinar el ciclo termodinámico seguido por el aire atmosférico (ciclo Brayton) con otro ciclo termodinámico que se hace seguir a un fluido auxiliar, que se encuentre encerrado en la misma caverna dentro de una membrana, y cuyo volumen se haga variar, permitiendo así la entrada y salida de aire atmosférico comprimido en la caverna.
Existen multitud de ciclos a los que puede ser sometido el fluido auxiliar que pueden ser viables y que supongan una variación importante del volumen del fluido auxiliar. Por ejemplo, se puede hacer seguir al fluido auxiliar dos tramos de un ciclo Rankine, uno durante el proceso de compresión y entrada de aire a la
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) caverna y el otro durante el proceso de salida de aire y turbinado, de tal manera que: los estados iniciales y finales de cada uno de los tramos se encuentren a la misma presión
- el estado inicial durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna coincida con el estado final durante el proceso de vaciado y turbinado del aire, y sea un estado de muy baja densidad, esto es, vapor sobrecalentado, vapor saturado ó vapor húmedo con título alto
- el estado final durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna coincida con el estado inicial durante el proceso de vaciado y turbinado del aire, y sea un estado de muy alta densidad, esto es, líquido subenfriado, líquido saturado ó vapor húmedo con titulo bajo
- durante los períodos en los que se produce la compresión y entrada / salida y turbinado del aire de la caverna el fluido auxiliar sale de la membrana, recorre su tramo de ciclo Rankine correspondiente, y vuelve a entrar en la membrana, en un proceso continuo que hace que eí fluido auxiliar encerrado en la membrana tenga un volumen total decreciente / creciente, consiguiéndose asi permitir la entrada de aire en la caverna / desplazar al aire para que salga de la caverna - durante los períodos en los que el aire se deja almacenado en la caverna por un lado y en los que la caverna se queda vacia de aire por otro el fluido auxiliar se encuentra almacenado en la membrana en su estado final correspondiente al tramo de ciclo Rankine que recorrió anteriormente
Según lo expuesto, el ciclo Rankine seguido por el fluido auxiliar puede tener múltiples disposiciones. A modo de ejemplos, el foco frío del ciclo Rankine se puede situar bien a la temperatura a la que se almacena el fluido auxiliar, con lo que el tramo que recorrerá el fluido auxiliar durante el proceso de compresión y entrada de aire en el tanque ó caverna es precisamente el paso por el
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) condensador, o bien a una temperatura menor, para conseguir optimizar el rendimiento energético, aunque a costa de tener que realizar tramos de turbinado en los momentos en los que sobra energía eléctrica en la red (es decir, durante el proceso de compresión y llenado de aire de la caverna).
Al coincidir las presiones de los estados iniciales y finales de ambos tramos del ciclo Rankine, e irse reduciendo gradualmente el volumen que ocupa el fluido auxiliar en la membrana durante el proceso de compresión y llenado de aire de la caverna y aunmentando durante el proceso de salida de aire y turbinado, las operaciones de llenado y vaciado de la caverna de aire se realizan a presión constante, lo que conlleva una mejora de los rendimientos de las turbinas y los compresores por un lado y una drástica reducción de los requerimientos de volumen de las cavernas por otro lado. Estas reducciones en los requerimientos de volumen de las cavernas se traducen en que va a resultar viable excavar las cavernas mediante voladura en roca dura, en lugar de tener que ir a excavaciones por disolución de sales en domos salinos. Este hecho, además de ampliar de una forma muy importante el abanico de ubicaciones posibles para las plantas CAES, va a permitir también por un lado que las plantas sean viables con potencias nominales mucho menores (la excavación por disolución de sales en domos salinos sólo resulta viable si se hace para grandes volúmenes), y por otro que las cavernas se puedan aislar térmicamente. Igualmente, incluso va a dejar de ser absolutamente impensable el utilizar tanques a presión en lugar de cavernas.
Así pues, va a ser posible realizar el almacenamiento del aire a temperaturas elevadas y utilizar agua ó fluidos orgánicos como fluido auxiliar, ya que, dado el proceso llevado a cabo en una planta CAES, mientras mayor sea la temperatura a la que se realice el almacenamiento del aire mayor será el rendimiento global del sistema. Además, esto permitirá utilizar focos fríos naturales para el condensador como el agua ó el aire atmosférico.
De este modo, el resultado es la combinación de un ciclo Brayton (el seguido por el aire) con un ciclo Rankine (el seguido por el fluido auxiliar). Esta disposición permite, además, la utilización del calor residual a la salida de la turbina del ciclo
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) Brayton para regasificar y calentar el fluido auxiliar y seguir su ciclo Rankine.
A todo este proceso, que constituye la base de la invención, lo hemos denominado "Tecnología CAES de Ciclo Combinado", o bien "Tecnología CCC", y, tal como se ha descrito, constituye un proceso con una eficiencia en todos los sentidos mucho mayor que la tecnología CAES convencional. Con la tecnología CCC se consiguen múltiples objetivos: - optimizar los rendimientos energéticos de la planta optimizar los requerimientos de volumen de los tanques ó cavernas necesarios para almacenar el aire - ampliar el rango de ubicaciones posibles para las plantas CAES
- posibilitar la operación a temperaturas elevadas
- trabajar con aire limpio de impurezas
La tecnología CCC abre las puertas a múltiples combinaciones posibles para conseguir optimizaciones más finas de los rendimientos energéticos. Por ejemplo, se puede utilizar el calor de los gases de salida de la turbina del aire comprimido como fuente de calor para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar o bien con otros fluidos orgánicos.
Por otro lado, y dados los avances tecnológicos que han sido desarrollados en cuanto a materiales para aislamientos térmicos, es posible fabricar membranas adiabáticas, que, además de ser flexibles y de separar el aire comprimido del fluido auxiliar, consigan mantener una diferencia de temperaturas entre ambos. Esto permitirá almacenar el aire a temperaturas incluso mayores que las del fluido auxiliar, y, por lo tanto, podrá llegarse a pensar en comprimirlo en una sola etapa, sin refrigeraciones intermedias, y almacenarlo a la propia temperatura que adquiere tras su compresión. Este proceso requiere un mayor aporte energético,
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) pero ello no supone ningún inconveniente porque este aporte energético se ha de realizar en los momentos en los que sobra energía en la red eléctrica y se requiere que sea almacenada, es decir, que en realidad este proceso lo que va a significar es que nuevamente se van a conseguir reducir de forma muy importante los requerimientos de volumen de los tanques ó cavernas, ya que la energía almacenada por unidad de volumen será mayor.
La gran ventaja de este proceso es que a la hora de turbinar el aire no va a ser necesario volverlo a calentar, consiguiéndose un incremento espectacular del rendimiento energético del sistema.
El hecho de realizar la compresión y el turbinado en una etapa permite además poder utilizar la misma máquina para realizar ambas funciones, al igual que en las centrales de bombeo reversible.
Pero es que, además de todas las ventajas que han sido expuestas, la tecnología CCC cuenta con otras ventajas adicionales, que la hacen superar en cuanto al proceso de generación eléctrica en ella contenido a muchos otros procesos de generación eléctrica en general: debido a que están dimensionados para soportar las presiones de trabajo, permite utilizar los tanques ó cavernas para realizar en ellos un calentamiento adicional del aire comprimido y/o del fluido auxiliar a volumen constante, es decir, utilizar los tanques ó cavernas como calderas, pero con la gran ventaja frente a las calderas convencionales de que resisten las presiones de trabajo y tienen el volumen suficiente como para poder realizar el calentamiento a volumen constante en ellas, incrementándose de esta forma el rendimiento energético de una forma espectacular
- es perfectamente hibridable con las energías renovables e incluso con la energía nuclear
Existen otras disposiciones interesantes para la tecnología CCC:
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) realizar el proceso a la inversa, almacenando el aire comprimido en el interior de la membrana, quedando el fluido auxiliar en el exterior de la membrana, con lo que pueden conseguirse ventajas desde el punto de vista mecánico, debido a las diferentes densidades del aire y el fluido auxiliar, y de éste mismo en sus diferentes estados utilizar un tanque ó caverna auxiliar para almacenar el fluido auxiliar cuando se encuentra en estado líquido, estando el fluido auxiliar encerrado también en dicho tanque ó caverna auxiliar en una membrana, y existiendo en el exterior de la misma aire en las condiciones en las que se almacena en el tanque ó caverna principal, de tal modo que se traspasa a la misma durante el llenado del tanque ó caverna auxiliar y se traspasa en sentido opuesto durante el vaciado, consiguiéndose de esta manera mantener también constante la presión del tanque ó caverna auxiliar en todo momento, y permitiéndose un calentamiento a volumen constante diferenciado del aire y de! fluido auxiliar durante el período en que el aire está almacenado en la caverna, esto es, durante el período previo a su extracción y turbinado en el caso anterior de trabajar con un tanque ó caverna auxiliar, se pueden realizar los almacenamientos del fluido auxiliar en dos estados a presiones diferentes del ciclo Rankine que se le hace seguir, aprovechando la existencia de dos tanques ó cavernas, pudiéndose por ejemplo hacer coincidir el tramo a recorrer por el fluido auxiliar durante la compresión y entrada de aire al tanque ó caverna con el paso por el condensador más el bombeo, consumiendo de esta forma la energía en la bomba en los períodos en los que existe un excedente de energía eléctrica en la red utilizar el calor desprendido en el condensador del ciclo Rankine como fuente de calor para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar a otras presiones o bien con agua u otros fluidos orgánicos
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) utilizar el calor desprendido en el condensador del ciclo Rankine como fuente de calor para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar a otras presiones o bien con agua u otros fluidos orgánicos, y cuyo fluido sea almacenado en un nuevo tanque ó caverna auxiliar aislado térmicamente para ser turbinado durante los momentos de fuerte demanda en la red eléctrica almacenar el calor desprendido en el condensador del ciclo Rankine y/o el desprendido en las refrigeraciones intermedias de los compresores mediante un sistema de almacenamiento térmico para poder ser utilizado posteriormente como fuente de calor precalentar el aire que sale de la caverna de forma previa al turbinado, regasificar el fluido auxiliar y/o para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar a otras presiones o bien con agua u otros fluidos orgánicos durante los momentos de fuerte demanda en la red eléctrica
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se aportan dos figuras en las que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra un esquema del proceso de una de las disposiciones posibles de una planta de tecnología CCC con almacenamiento del aire en las mismas condiciones de presión y temperatura en las que se almacena el agua, y con un sistema de almacenamiento térmico del calor generado durante la compresión del aire atmosférico
La figura 2.- Muestra un esquema del proceso de una de las
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) disposiciones posibles de una planta de tecnología CCC con membranas adiabáticas y almacenamiento del aire a temperatura superior de la que se almacena el agua
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación van a ser expuestos dos modos de realización preferente de la invención, pues ambas disposiciones pueden tener una importante proyección en el mercado:
MODO 1: Funcionamiento con equilibrio de temperaturas En la Figura 1 se representa, con carácter ilustrativo y no limitativo, un modo de realización preferente de la invención, que consiste en almacenar la energía de la red eléctrica (1 ) mediante una planta de tecnología CCC, en la que, durante los períodos en los que existe un excendente de energía eléctrica en la red que se desea almacenar, se acciona el motor eléctrico (2) que hace girar al compresor (3), que capta aire atmosférico y lo comprime adiabáticamente en una etapa hasta una presión en torno a 40 bar y a la temperatura resultante, en torno a los 550 °C.
Este aire comprimido se hace circular por un intercambiador de calor (4), donde cede calor a un sistema de almacenamiento de calor (5), por ejemplo mediante dos tanques de almacenamiento de sales fundidas a diferentes temperaturas, quedando a la salida en unas condiciones de 250 °C de temperatura y una presión igual a la presión de vapor del agua correspondiente a dicha temperatura (en torno a 39,75 bar). La compresión del aire podría haber sido realizada igualmente en varias etapas, con refrigeraciones intermedias y traspasos de calor al sistema de almacenamiento de calor (5).
Posteriormente el aire comprimido es circulado hasta una caverna artificial (6),
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) que ha sido excavada mediante la voladura de roca dura, y cuyas paredes se encuentran aisladas térmicamente por el interior. La caverna artificial se encontraba llena inicialmente de agua en estado de vapor saturado en las mismas condiciones de presión y temperatura que las que tiene el aire comprimido (250 °C y en torno a 39,75 bar).
En la entrada de aire a la caverna artificial existe una membrana impermeable (7), flexible y capaz de resistir temperaturas de trabajo de 250 °C, como por ejemplo de teflón flexible. Esta membrana se encuentra inicialmente completamente plegada y dejando todo el espacio al agua en estado de vapor saturado que rellena la caverna artificial por completo, tal como se ha explicado.
Conforme va entrando el aire en la membrana, ésta va desplazando al agua en estado de vapor saturado, que va saliendo de la caverna artificial y va siendo circulada hacia el condensador (8), donde es licuada a presión y temperatura constantes, hasta convertirse en líquido saturado en las mismas condiciones de presión y temperatura. El condensador (8) puede ser refrigerado por una torre de refrigeración (9), como aparece en la Figura 1 , o bien, dada la elevada temperatura a la que trabaja, el calor desprendido en el mismo puede ser almacenado en el sistema de almacenamiento de calor (5) o utilizado como fuente de calor para un ciclo Rankine auxiliar que opere con agua a bajas temperaturas ó con un fluido orgánico.
El agua en estado líquido saturado es reconducida nuevamente hacia la caverna artificial, compartiendo espacio con el agua en estado vapor saturado restante, pero ocupando mucho menor espacio que cuando se encontraba en estado de vapor saturado, y permitiendo de esta forma que la membrana se vaya llenando del aire a 250 °C y en torno a 39,75 bar proveniente de los compresores. El proceso continúa hasta que la membrana se llena completamente de aire y el agua en estado de vapor saturado se ha transformado completamente a líquido saturado, o bien hasta que exista una demanda en la red eléctrica que haga preferible dejar de almacenar la energía. En este momento se procede a cerrar las válvulas de entrada y salida de la caverna artificial, y se dejan el aire y el agua almacenados en la caverna, con la planta CCC totalmente parada, sin consumir ni
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) generar energía eléctrica.
La planta se mantiene inactiva hasta que la demanda de energía eléctrica en la red sea de tal magnitud que se requiera su puesta en marcha para generar energía eléctrica. Entonces se comienza a extraer el agua en estado líquido saturado de la caverna, impulsándola en la bomba (10) hacia un intercambiador de calor (11 ) y una caldera posterior (12) donde el agua es regasificada y calentada hasta convertirla en estado vapor en unas condiciones elevadas de presión y temperatura, para hacerla pasar entonces por una turbina de vapor (13), que acciona un alternador (14) que genera energía eléctrica y la devuelve a la red eléctrica (1).
El agua se encuentra de nuevo a la salida de la turbina de vapor en estado vapor saturado a unos 39,75 bar y 250 °C, siendo reconducida nuevamente hacía la caverna.
Al entrar nuevamente en la caverna, el agua en estado vapor saturado ocupa mucho más volumen que antes, y va desplazando al aire que se encuentra encerrado en la membrana, que va saliendo de la caverna artificial y siendo calentado en un intercambiador de calor (15), que toma el calor del sistema de almacenamiento de calor (5), y posteriormente en una caldera (16), para ser finalmente turbinado en la turbina (17), que podría ser la misma máquina que el compresor (3) funcionando en sentido inverso, y que acciona el alternador (18), produciendo energía eléctrica e inyectándola en la red eléctrica (1).
Los gases de escape de la turbina (17), que poseen una energía térmica importante, son utilizados en primer lugar para regasificar el fluido auxiliar y calentarlo a través del intercambiador de calor (11), y posteriormente para enviarlos a la chimenea de salida (19), para almacenarlos en el sistema de almacenamiento térmico (5) ó para hacer de foco caliente en un ciclo Rankine auxiliar que opere con agua a bajas temperaturas ó con un fluido orgánico.
Este proceso continúa hasta que se produzca una caída en la demanda de la red eléctrica que justifique la parada ó hasta que la caverna artificial se vacíe completamente de aire y se encuentre completamente llena de agua en estado
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) vapor saturado.
A partir de aquí, nuevamente se procede a cerrar las válvulas de entrada y salida de la caverna artificial y la planta se mantiene inactiva hasta que se produzca un excedente de energía eléctrica en la red que haga necesario almacenarla, comenzándose a realizar de nuevo el ciclo completo descrito, y repitiéndose todo este proceso indefinidamente.
Aquí se ha supuesto, a modo de ejemplo, el trabajo con lámina de teflón flexible a 250 °C y a una presión en torno a 39,75 bar, que es la presión de vapor del agua a esa temperatura. Pero perfectamente se pueden utilizar otros materiales, como las láminas de acero flexibles, que son capaces de operar a temperaturas mucho mayores, siendo también impermeables al aire y al vapor de agua y siendo también flexibles. Así pues, es perfectamente posible reproducir otros modos de realización preferente de la invención siguiendo un proceso similar pero operando a mayores temperaturas y a la presión de vapor correspondiente del agua a dichas temperaturas.
Tal como ha sido explicado en el apartado "Descripción de la Invención", a mayores presión y temperatura de trabajo mayores serán los rendimientos globales obtenidos, y estas condiciones máximas de presión y temperatura vendrán determinadas por la resistencia de los tanques ó cavernas, por los materiales empleados y por los aislamientos térmicos disponibles en cada momento.
MODO 2: Funcionamiento con membranas adiabáticas
En la Figura 2 se representa, con carácter ilustrativo y no limitativo, otro modo de realización preferente de la invención, que consiste en almacenar la energía de la red eléctrica (1 ) mediante una planta de tecnología CCC, en la que, durante los períodos en los que existe un excendente de energía eléctrica en la red que se desea almacenar, se acciona el motor eléctrico (2) que hace girar al compresor (3), que capta aire atmosférico y lo comprime adiabáticamente en una etapa hasta una presión en torno a 60 bar y a la temperatura resultante, en torno a los 650 °C.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) El aire comprimido es circulado hasta una caverna artificial (6), que ha sido excavada mediante la voladura de roca dura, y cuyas paredes se encuentran aisladas térmicamente por el interior. La caverna artificial se encontraba llena inicialmente de agua en estado de vapor saturado a 60 bar y a la temperatura correspondiente para que dicha presión sea la presión de vapor de! agua, es decir, en torno a unos 275 °C.
En la entrada de aire a la caverna artificial existe una membrana impermeable (7), flexible, aislante térmicamente y capaz de resistir temperaturas de trabajo de al menos 650 °C por el lado del aire y 275 °C por el lado del agua, fabricada por ejemplo a modo de sándwich con una manta cerámica en el interior y sendas láminas de acero flexibles en el exterior. Esta membrana se encuentra inicialmente completamente plegada y dejando todo el espacio al agua en estado de vapor saturado que rellena la caverna artificial por completo, taf como se ha explicado.
Conforme va entrando el aire en la membrana, ésta va desplazando al agua en estado de vapor saturado, que va saliendo de la caverna artificial y va siendo circulada hacia el condensador (8), donde es licuada a presión y temperatura constantes, hasta convertirse en líquido saturado a 60 bar y 275 °C. El condensador (8) puede ser refrigerado por una torre de refrigeración (9), como aparece en la Figura 2, o bien, dada la elevada temperatura a la que trabaja, el calor desprendido en el mismo puede ser almacenado en un sistema de almacenamiento de calor o utilizado como fuente de calor para un ciclo Rankine auxiliar que opere con agua a bajas temperaturas ó con un fluido orgánico.
El agua en estado líquido saturado es reconducida nuevamente hacia la caverna artificial, compartiendo espacio con el agua en estado vapor saturado restante, pero ocupando mucho menor espacio que cuando se encontraba en estado de vapor saturado, y permitiendo de esta forma que la membrana se vaya llenando del aire a 60 bar y 650 °C proveniente del compresor (3).
El proceso continúa hasta que la membrana se llena completamente de aire y
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) el agua en estado de vapor saturado se ha transformado completamente a líquido saturado, o bien hasta que exista una demanda en la red eléctrica que haga preferible dejar de almacenar la energía. En este momento se procede a cerrar las válvulas de entrada y salida de la caverna artificial, y se dejan el aire y el agua almacenados en la caverna, con la planta CCC totalmente parada, sin consumir ni generar energía eléctrica.
La planta se mantiene inactiva hasta que la demanda de energía eléctrica en la red sea de tal magnitud que se requiera su puesta en marcha para generar energía eléctrica. Entonces se comienza a extraer el agua en estado líquido saturado de la caverna, impulsándola en la bomba (10) hacia un intercambiador de calor (11) y una caldera posterior (12) donde el agua es regasificada y calentada hasta convertirla en estado vapor en unas condiciones elevadas de presión y temperatura, para hacerla pasar entonces por una turbina de vapor (13), que acciona un alternador (14) que genera energía eléctrica y la devuelve a la red eléctrica (1 ).
El agua se encuentra de nuevo a la salida de la turbina de vapor en estado vapor saturado a unos 60 bar y 275 °C, siendo reconducida nuevamente hacia la caverna.
Al entrar nuevamente en la caverna, el agua en estado vapor saturado ocupa mucho más volumen que antes, y va desplazando al aire que se encuentra encerrado en la membrana, que va saliendo de la caverna artificial y siendo calentado en la caldera (16) y turbinado en la turbina (17), que bien podría ser el compresor (3) funcionando en sentido inverso, y accionando el alternador (18) y produciendo energía eléctrica que se inyecta en la red eléctrica (1).
Los gases de escape de la turbina (17), que poseen una energía térmica importante, son utilizados en primer lugar para regasificar el fluido auxiliar y calentarlo a través del intercambiador de calor (11 ), y posteriormente para enviarlos a la chimenea de salida (19), para almacenarlos en un sistema de almacenamiento térmico ó para hacer de foco caliente en un ciclo Rankine auxiliar que opere con agua a bajas temperaturas ó con un fluido orgánico.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) Este proceso continúa hasta que se produzca una caída en la demanda de la red eléctrica que justifique la parada ó hasta que la caverna artificial se vacíe completamente de aire y se encuentre completamente llena de agua en estado vapor saturado.
A partir de aquí, nuevamente se procede a cerrar las válvulas de entrada y salida de la caverna artificial y la planta se mantiene inactiva hasta que se produzca un excedente de energía eléctrica en la red que haga necesario almacenarla, comenzándose a realizar de nuevo el ciclo completo descrito, y repitiéndose todo este proceso indefinidamente.
Los valores indicados de presiones y temperaturas en ambos modos de realización preferente de la invención que han sido expuestos son aproximados y meramente orientativos, pues han sido calculados de forma aproximada, suponiendo procesos ideales y sin tener en cuenta pérdidas.
Los valores de trabajo en las plantas reales dependerán de los procesos reales y de las condiciones de operación que resulten admisibles en función de la resistencia de los tanques ó cavernas y de los aislamientos térmicos disponibles.
En ambos modos de realización se ha supuesto que se trabaja con agua en estados vapor y líquido saturado, aunque se pueden diseñar los sistemas para trabajar en zonas de vapor húmedo, vapor sobrecalentado ó líquido subenfriado.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26)

Claims

R E I V I N D 1 C A C I O N E S
1a.- La tecnología CAES (es decir, tecnología para almacenar energía en base al almacenamiento de aire atmosférico comprimido en una caverna) de ciclo combinado, caracterizada por combinar el ciclo termodinámico seguido por el aire atmosférico (ciclo Brayton) con otro ciclo termodinámico que se hace seguir a un fluido auxiliar, que se encuentre encerrado en la misma caverna dentro de una membrana, y cuyo volumen se haga variar, permitiendo asi la entrada y salida de aire atmosférico comprimido en la caverna
2a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación 1, caracterizada por que en la misma se haga seguir al fluido auxiliar dos tramos de un ciclo Rankine, uno durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna y el otro durante el proceso de salida de aire y turbinado, de tal manera que: los estados iniciales y finales de cada uno de los tramos se encuentren a la misma presión - el estado inicial durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna coincida con el estado final durante el proceso de vaciado y turbinado del aire, y sea un estado de muy baja densidad, esto es, vapor sobrecalentado, vapor saturado ó vapor húmedo con título alto el estado final durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna coincida con el estado inicial durante el proceso de vaciado y turbinado del aire, y sea un estado de muy alta densidad, esto es, líquido subenfríado, líquido saturado ó vapor húmedo con título bajo - durante los períodos en los que se produce ta compresión y entrada / salida y turbinado del aire de la caverna el fluido auxiliar sale de la membrana, recorre su tramo de ciclo Rankine correspondiente, y vuelve a entrar en la membrana, en un proceso continuo que hace que el fluido auxiliar encerrado en la membrana tenga un volumen total
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) decreciente / creciente, consiguiéndose asi permitir la entrada de aire en el tanque ó caverna / desplazar al aire para que salga del tanque ó caverna - durante los periodos en los que el aire se deja almacenado en el tanque ó caverna por un lado y en los que la caverna se queda vacía de aire por otro el fluido auxiliar se encuentra almacenado en la membrana en su estado final correspondiente al tramo de ciclo Rankine que recorrió anteriormente
3a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en ella el foco frío del ciclo Rankine se sitúa a la temperatura a la que se almacena el fluido auxiliar 4a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en ella el foco frío del ciclo Rankine se sitúa a una temperatura menor de la temperatura a la que se almacena el fluido auxiliar
5a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por disponer aislamientos térmicos en el interior del tanque ó caverna, de tal modo que el almacenamiento del aire y del fluido auxiliar puede ser realizado a temperaturas elevadas
6a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por utilizar el calor de los gases de salida de la turbina del aire comprimido como fuente de calor para regasifícar y calentar el fluido auxiliar y hacerlo seguir su ciclo Rankine
7a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por utilizar el calor de los gases de salida de la turbina del aire comprimido como fuente de calor para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar o bien con otros fluidos orgánicos
8a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por disponer de membranas adiabáticas, que además de
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) ser flexibles y separar el aire comprimido del fluido auxiliar consiguen mantener una diferencia de temperaturas entre ambos
9a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación 8, caracterizada por disponer de membranas adiabáticas fabricadas a modo de sandwich, con una manta de material aislante térmico en el interior y sendas láminas de material impermeable, flexible y resistente a las temperaturas de operación en el exterior 10a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones 8 y 9, caracterizada por realizar la compresión del aire en una sóla etapa, sin refrigeraciones intermedias, y almacenarlo a la propia temperatura que adquiere tras su compresión 11a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación
9, caracterizada por utilizar la misma máquina como compresor y como turbina del aire, cambiando el sentido de giro del rotor
12a - La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por realizar un calentamiento del aire comprimido y/o del fluido auxiliar a volumen constante dentro de los tanques ó cavernas, es decir, utilizar los tanques ó cavernas como calderas
13a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por almacenar el aire comprimido en el interior de la membrana, quedando el fluido auxiliar en el exterior de la membrana
14a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por utilizar un tanque ó caverna auxiliar para almacenar el fluido auxiliar cuando se encuentra en estado líquido, estando el fluido auxiliar encerrado también en dicho tanque ó caverna auxiliar en una membrana, y existiendo en el exterior de la misma aire en las condiciones en las que se almacena en el tanque ó caverna principal, de tal modo que se traspasa a la misma durante el llenado del tanque ó caverna auxiliar y se traspasa en sentido opuesto durante el vaciado, consiguiéndose de esta manera mantener también
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) constante la presión del tanque ó caverna auxiliar en todo momento, y permitiéndose un calentamiento a volumen constante diferenciado del aire y del fluido auxiliar durante el período en que el aire está almacenado en la caverna, esto es, durante el período previo a su extracción y turbinado
15a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación 14, caracterizada por realizar los almacenamientos del fluido auxiliar en dos estados a presiones diferentes del ciclo Rankine que se le hace seguir, aprovechando la existencia de dos tanques ó cavernas
16a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por utilizar el calor desprendido en el condensador como fuente de calor para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar o bien con otros fluidos orgánicos
17a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación 16, caracterizada por almacenar el fluido del ciclo Rankine adicional en un nuevo tanque ó caverna auxiliar aislado térmicamente para ser turbinado durante los momentos de fuerte demanda en la red eléctrica
18a.- La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por almacenar el calor desprendido en el condensador del ciclo Rankine y/o el desprendido en las refrigeraciones intermedias de los compresores y/o el residual del aire tras ser turbinado y aprovechado para otros usos mediante un sistema de almacenamiento térmico para poder ser utilizado posteriormente como fuente de calor precalentar el aire que sale de la caverna de forma previa al turbinado, regasificar el fluido auxiliar y/o para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliara otras presiones o bien con agua u otros fluidos orgánicos durante los momentos de fuerte demanda en la red eléctrica
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26)
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