WO2016083654A1 - Planta híbrida solar-fósil de alto rendimiento - Google Patents

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WO2016083654A1
WO2016083654A1 PCT/ES2015/070863 ES2015070863W WO2016083654A1 WO 2016083654 A1 WO2016083654 A1 WO 2016083654A1 ES 2015070863 W ES2015070863 W ES 2015070863W WO 2016083654 A1 WO2016083654 A1 WO 2016083654A1
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heat transfer
transfer fluid
supercritical
fluid
cycle
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PCT/ES2015/070863
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Inventor
Cyrille GRELLIER
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/068—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having other power cycles, e.g. Stirling or transcritical, supercritical cycles; combined with other power sources, e.g. wind, gas or nuclear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/05—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly characterised by the type or source of heat, e.g. using nuclear or solar energy
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention belongs to the sector of hybrid plants that combine solar energy with natural gas to produce electricity. Specifically, in the field of hybrid plants that use, among others, supercritical CO2 and steam as turbine fluids.
  • the present invention relates to a high performance solar-fossil hybrid plant that has a closed main cycle in which the working fluid is supercritical C02, and a solar concentration plant that includes a solar receiver and a heat transfer fluid, using the heat transfer fluid to heat the supercritical C02 of the closed main cycle.
  • this refers to a solar-fossil hybrid plant which comprises a solar concentration plant and a closed main cycle in which the working fluid is supercritical CO2.
  • the solar concentration plant includes:
  • thermo energy storage means for storing the heat transfer fluid
  • This solar concentration plant is sized to heat at least one heat transfer fluid in sufficient quantity during daylight hours to allow both the uninterrupted daytime electrical production of the plant and the nightly electrical production required from storage.
  • the main closed supercritical CO2 cycle includes at least one turbine whose working fluid is supercritical CO2 and a combustion chamber to heat the supercritical CO2 by burning a fuel.
  • the closed supercritical CO2 main cycle is in thermal communication with the heat transfer fluid of the solar concentration plant, so that the heat transfer fluid heats the supercritical CO2 before it enters the combustion chamber;
  • the combustion chamber is designed to increase the temperature of the supercritical CO2 to the operating temperature of the turbine using heat from the combustion of the fuel, without the combustion exhaust gases and the supercritical CO2 being mixed. That is, the combustion chamber is designed to give the last temperature jump to the supercritical CO2 until it reaches the operating temperature of the turbine, without the combustion gases being mixed with the supercritical CO2 to be turbined.
  • the combustion chamber preferably has a first compartment with an inlet for fuel and an outlet for the exhaust gases from the combustion of the fuel, and a second compartment with a supercritical CO2 inlet and outlet in which the supercritical CO2 temperature, said first and second portions being sealed together so that there is no mixture between the combustion exhaust gases and the supercritical CO2 of the closed cycle.
  • the solar ratio (defined as the ratio of solar energy contributed / total energy contributed) is limited in existing solar-fossil hybrid plants due to the lower yield in the solar part of the cycle. This is avoided in the hybrid plant of the invention by compensating for the low yield of the solar part with a higher yield of the supercritical CO2 cycle.
  • the solar-fossil hybrid plant of the present invention it is possible to increase the solar proportion with respect to the current state of the art, maintaining an equivalent overall yield.
  • pollutant emissions from conventional Brayton cycles are reduced, and the overall cost of long-term energy production is reduced by fossil fuel savings.
  • heat transfer fluid is understood as any fluid that can be heated to temperatures above 200 ° C. It is preferably a fluid based on sodium, salts and / or metals. Preferably it has a working temperature higher than 327 ° C.
  • the performance of the solar-fossil hybrid plant with supercritical CO2 cycle is improved in a preferred embodiment in which the hybrid plant further comprises a secondary cycle with steam as a working fluid, in thermal communication with the exhaust gases from the combustion chamber of the closed supercritical CO2 main cycle. These gases heat the working fluid of the secondary cycle.
  • a CO2 recovery gas boiler is preferably used Supercritical in the secondary steam cycle.
  • the secondary cycle uses, in the recovery boiler, the exhaust gases of the combustion chamber of the closed main cycle as a source of thermal energy to preheat and evaporate the feed water.
  • the secondary cycle recovery boiler preferably includes at least one evaporator and a feed water preheater. The amount of saturated steam produced in the cycle depends on the energy contained in the exhaust gases of the closed main cycle.
  • the closed main cycle of supercritical C02 is in thermal communication with the first circuit of the first heat transfer fluid of the solar plant by means of a heat exchanger located upstream of the combustion chamber, so that said first heat transfer fluid heats the supercritical C02 before entering the combustion chamber.
  • the first heat transfer fluid may also be in thermal communication with the secondary steam cycle, so that the first heat transfer fluid supplies heat energy to the secondary steam cycle.
  • the plant comprises two heat transfer fluids, where the first heat transfer fluid is heated in the solar plant and the second heat transfer fluid is heated by the first heat transfer fluid by means of a heat exchanger in a second closed circuit.
  • the first heat transfer fluid preferably has a maximum working temperature higher than the second heat transfer fluid.
  • the second closed circuit with the second heat transfer fluid can also be in thermal communication with the closed main cycle of supercritical C02, for example, by means of a heat exchanger, in order to provide heat to the supercritical C02.
  • the second heat transfer fluid may be in thermal communication with the secondary steam cycle, so that the second heat transfer fluid supplies heat energy to the secondary steam cycle.
  • This embodiment in which the hybrid plant has two heat transfer fluids has the advantage of being able to have two fluids with different working temperatures and thus use a first heat transfer fluid of very high temperature that allows to increase the temperature of the working fluid before entering the combustion chamber, thanks to an increase in the heat input of the solar part to the closed main cycle. By using two different heat transfer fluids one can be compatible with the water in the secondary steam cycle - e.g.
  • a second salt-based heat transfer fluid - and the other can have a very high working temperature, a relatively high solidification temperature, and does not need to be compatible with water - e.g., a first sodium-potassium mixed heat transfer fluid or molten metal - in the closed main cycle.
  • the first heat transfer fluid preferably has a maximum working temperature between 650 ° C and 1 100 ° C and the second heat transfer fluid has a maximum work temperature between 550 ° C and 600 ° C
  • the thermal communication between the solar concentration plant and the steam cycle can be carried out by means of at least one superheater and / or a superheater of the secondary cycle: the heat transfer fluid (s) directly or indirectly provides the energy needed in the superheater and / or in the superheater to overheat and reheat the steam produced by the recovery boiler.
  • the heat transfer fluid directly or indirectly provides the energy needed in the superheater and / or in the superheater to overheat and reheat the steam produced by the recovery boiler.
  • a second aspect of the invention relates to a method for generating electrical energy by means of a closed supercritical CO2 main cycle that includes a turbine whose working fluid is supercritical CO2 and a combustion chamber for burning fuel, which comprises the following steps: heating at least one heat transfer fluid with energy from the sun;
  • a temperature increase is applied to the supercritical CO2 in a recuperator that recovers the excess heat of the non-supercritical CO2 leaving the turbine.
  • Figure 1 shows the scheme of a first possible realization of a solar-fossil hybrid plant that includes a supercritical CO2 cycle, a Rankine cycle and with a single heat transfer fluid.
  • Figure 2 shows the scheme of a second possible embodiment of a solar-fossil hybrid plant that includes a supercritical CO2 cycle, a Rankine cycle, with two heat transfer fluids.
  • FIG. 1 the scheme of a first possible preferred embodiment of a hybrid solar-fossil plant 100a according to the invention is shown.
  • This first preferred embodiment of the 100a solar-fossil hybrid plant includes a closed main cycle of supercritical C02 (Brayton), this being the working fluid or fluid to be turbined, a secondary steam cycle (Rankine), and a cycle corresponding to the heating of a heat transfer fluid from a solar concentration plant.
  • supercritical C02 Byton
  • Rankine secondary steam cycle
  • the C02 cycle is considered as the main cycle as it is the cycle in which the greatest amount of electrical energy is produced.
  • the Rankine cycle is considered secondary because it uses the energy not used in the main cycle to produce electricity.
  • the solar plant can be any type of concentration solar plant, for example, a tower or parabolic cylinder, which allows heating and storing a heat transfer fluid at high temperature. Temperatures above 450 ° C are considered high.
  • the solar application heat transfer fluid called high temperature has a maximum working temperature of between 550 ° C and 600 ° C. It can be, for example, a binary mixture of nitrate salts.
  • the solar concentration plant comprises a solar concentration receiver (20) for heating a high temperature heat transfer fluid. This heat transfer fluid is stored cold in a first cold tank (21). From the cold tank (21) it is sent to the solar receiver (20) in which it is heated by concentrating the solar radiation to its hot temperature, close to 567 ° C. Once the hot temperature is reached, the hot heat transfer fluid is stored in a second hot tank (22).
  • part of the fluid is pumped to a heat exchanger (15) of the closed main cycle of supercritical C02, with which it exchanges heat, and another part (as will be explained later) to a superheater (33) and superheaters (35), (36) of the secondary steam cycle.
  • the heat transfer fluid exits at a temperature close to its cold temperature, approximately 300 ° C, and is sent back directly to the first cold tank (21).
  • the main cycle of C02 comprises a supercritical C02 turbine (10), whose inlet conditions have been set at a working pressure of 300 bar, a working temperature of 1 150 ° C and a "pressure ratio" or pressure ratio of 60 (the “pressure ratio” is the turbine inlet pressure divided by the turbine outlet pressure), a compressor (1 1), a cooler (12), a pump (13), a recuperator (14 ), an exchanger (15), a combustion chamber (16) and a cooler (17).
  • the C02 is at point (A) at low pressure, approximately 5 bar, and at room temperature, about 20 ° C; it is compressed in a first compression stage in a compressor (1 1) until it reaches a pressure higher than its critical pressure, that is to say close to 80 bars.
  • This compression process heats the C02 to a temperature above 227 ° C (point B).
  • This compressor (1 1) of C02 is configured to compress the C02 until it acquires its supercritical properties.
  • the supercritical C02 is cooled in a cooler (12), which can be an air cooler, to a temperature not lower than its critical temperature and subsequently directed to the inlet of a pump (13).
  • a second pressurization stage is applied, where it reaches the working pressure of the turbine.
  • the supercritical CO2 is at a pressure of approximately 300 bar and a temperature slightly higher than the ambient temperature.
  • recuperator (14) First in a supercritical CO2-CO2 recuperator (14) or exchanger: it recovers the excess heat of the CO2 that leaves the turbine (10) (point G) to transmit it to the supercritical CO2 current that leaves the pump (13). At the exit of this recuperator (14) the temperature of the supercritical CO2 is approximately 227 ° C (point D).
  • the supercritical CO2 high temperature heat transfer fluid exchanger (15): the CO2 stream leaving the recuperator (14) is heated using the hot heat transfer fluid coming from the solar plant.
  • the supercritical CO2 outlet temperature after this exchanger (15) is close to the hot temperature of the heat transfer fluid, ie about 557 ° C (point
  • this combustion chamber (16) is fed with fossil energy, for example natural gas NG, and the thermal energy of natural gas combustion is supplied to supercritical CO2 to reach the conditions of turbine inlet (10), that is, a temperature of 1150 ° C (point
  • the supercritical CO2 is then introduced into the turbine (10) from which it leaves at about 5 bars and approximately 377 ° C (point G). At this point G the CO2 is no longer in its supercritical state.
  • This non-supercritical CO2 that leaves the turbine (10) is used in the recuperator (14) from which it leaves at a temperature as close as possible to room temperature after having given part of its energy to the CO2 current that leaves the pump (13).
  • the main cycle of supercritical C02 is closed by cooling this non-supercritical C02 current in a cooler (17) to the permissible inlet temperature of the compressor (1 1).
  • the combustion gases of natural gas leaving the combustion chamber (16) are sent directly to a recovery boiler (30) of the secondary steam cycle. It is a combustion chamber (16) in which the natural gas combustion gases are not mixed - which are those that are sent and used in the secondary steam cycle - with the supercritical C02 of the main work cycle. A thermal exchange takes place without mixing fluids.
  • the secondary steam cycle comprises a recovery boiler (30), a degasser (31) a feed pump (32), a superheater (33), a high pressure turbine (34), two superheaters (35 and 36), a low pressure turbine (37), a condenser (38) and a condensate pump (39).
  • the high working pressure has been set, in this example, at 90 bars, the low working pressure at 5.2 bars and the degasser pressure (31) at 2 bars.
  • the feed water is pumped from a degasser (31) to the recovery boiler (30) by means of a feed pump (32).
  • a feed pump (32) At the inlet (point H) of the recovery boiler (30) the water conditions are 90 bar and approximately 127 ° C.
  • the steam is then superheated in a superheater (33) thanks to the heat exchange with the heat transfer fluid of the solar plant, up to a temperature close to the hot temperature of the heat transfer fluid, that is, about 557 ° C (point K).
  • the steam is turbined in a high pressure turbine (34) from which it leaves at approximately 5.2 bar and 157 ° C (point L).
  • the outlet steam of the high pressure turbine (34) is reheated in two superheaters (35), (36), in the first superheater (36) the steam is heated thanks to the heat of the heat transfer fluid coming from the solar plant, while that in the second superheater (35) it is thanks to a mixture of fluid from the outlet of the first superheater (36) and from the outlet of the superheater (33), thus reaching the steam again a temperature close to the hot temperature of the fluid heat carrier, about 557 ° C (point M).
  • This superheated steam is turbined in a low pressure turbine (37), from which it leaves at the lowest possible pressure (point N), normally under vacuum conditions, before passing through a condenser (38) and back to the degasser ( 31) by driving a condensate pump (39).
  • the superheaters (35), (36) and the superheater (33) are connected such that the hot heat transfer fluid enters both the superheater (33) and the first superheater (36).
  • the second superheater (35) receives the mixture of the heat transfer fluid streams leaving the superheater (33) and the first superheater (36) at an intermediate temperature between 290 ° C and 565 ° C (point P).
  • the heat transfer fluid leaves the second superheater (35) at a temperature close to the cold (point Q) and is sent back to the second cold tank (21) of the solar plant.
  • the method for generating electrical energy comprises the following steps: heating at least one heat transfer fluid with energy from the sun;
  • FIG. 2 The scheme of a second possible embodiment of a solar-fossil hybrid plant 100b according to the invention is shown in Figure 2.
  • This second embodiment the 100b solar-fossil hybrid plant also includes a closed main cycle of supercritical C02 (Brayton), which is combined with a solar concentration plant with two heat transfer fluids and with a secondary steam cycle (Rankine). This plant works with two heat transfer fluids:
  • a first heat transfer fluid of very high temperature (hereinafter, fluid I) having a maximum working temperature between 650 ° C and 1100 ° C. It can be, for example, a molten metal, sodium or a mixture based on sodium.
  • a second high temperature heat transfer fluid (hereinafter, fluid II) having a maximum working temperature between 550 ° C and 600 ° C. It can be, for example, a binary mixture of nitrate salts.
  • the objective of the configuration of this second embodiment of the invention is to increase the temperature of the working fluid before entering the combustion chamber (16), thanks to an increase in the heat input of the solar part.
  • the need to use two heat transfer fluids arises as a result of the inconvenience of using a very high temperature fluid.
  • potentially usable very high temperature heat transfer fluids have these drawbacks:
  • Fluid I is a sodium-based mixture (for example sodium-potassium mixture) with a maximum working temperature close to 751 ° C.
  • the fluid II has a maximum working temperature between 550 ° C and 600 ° C and can be, for example, a binary mixture of nitrate salts.
  • Sodium (fluid base I) is very reactive and carries a high risk using it in exchangers with water or steam. However, it can be used in exchangers with C02.
  • the configuration shown in this second embodiment allows to benefit from the compatibility of nitrate salts (fluid II) with water in the secondary cycle, and the high working temperature of the sodium-potassium mixture (fluid I) in the cycle C02 closed main.
  • the very high temperature fluid I is the fluid heated by the solar plant.
  • the same turbine (10) is considered as that described in the embodiment of Figure 1, with the same pressure, temperature and "pressure ratio" working conditions.
  • the supercritical CO2 which is at a temperature close to 227 ° C (point D)
  • the supercritical CO2-heat transfer fluid exchangers to increase its temperature:
  • a supercritical fluid II-CO2 exchanger (15a): the CO2 stream is heated using the fluid II that comes from the tank 21_ll after passing through the exchanger (18).
  • the supercritical CO2 outlet temperature after this exchanger (15a) is close to the hot temperature of fluid II, that is, about 557 ° C (point R).
  • the CO2 passes through the combustion chamber (16) whose role is to provide the supercritical CO2 with the energy necessary to reach the turbine inlet conditions (10), that is, a temperature of 1150 ° C (point F).
  • the gases from the combustion chamber (16) are sent directly to the recovery boiler (30) of the secondary cycle.
  • the secondary cycle is identical in equipment and temperatures at each point to that described in the previous embodiment. However, the flow conditions in the steam cycle are different as the outlet temperature of the combustion chamber gases (16) is higher.
  • the heat transfer fluid used to superheat and reheat steam is fluid II that has been previously heated by fluid I.
  • the cold fluid I is stored in a first cold tank (21_l) of the solar plant.
  • the solar receiver (20) is pumped for heating to its hot temperature. Once the hot temperature is reached, in this case close to 751 ° C, the fluid I is stored in the second hot tank (22).
  • the fluid I is sent to the exchanger (15b) of the closed main cycle, from which it exits at a temperature higher than the hot temperature of the fluid II (point S).
  • an l-fluid II fluid exchanger (18) is sent to heat the fluid II to its working temperature.
  • the fluid I is stored in the first cold tank (21_l).
  • the fluid II is stored in a third cold tank (21_ll), from which it is pumped by means of a pump (24) to the l-fluid II fluid exchanger (18) to be heated.
  • a part of the fluid II is sent to the supercritical fluid exchanger (15a) II, from which it is sent back to the third cold tank (21_ll); another part is sent to the superheater (33) and to the superheaters (35), (36) of the secondary cycle, which operate under the same conditions as in the previous embodiment.
  • the method for generating electrical energy comprises the following steps: heating a first heat transfer fluid with energy from the sun;
  • the invention is not limited to the specific embodiments that have been described but also covers, for example, the variants that can be made by the average person skilled in the art (for example, in terms of the choice of materials, dimensions , components, configuration, etc.), within what follows from the claims.

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Abstract

La invención se refiere a una planta híbrida (100a, 100b) solar-fósil que comprende: una planta de concentración solar que incluye: al menos un primer circuito cerrado con un primer fluido caloportador; un receptor de energía solar (20) para calentar el primer fluido caloportador; y al menos un medio de almacenamiento (22) de energía térmica para almacenar el primer fluido caloportador; comprendiendo también la planta híbrida: un ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico que incluye al menos una turbina (10) cuyo fluido de trabajo es CO2 supercrítico y una cámara de combustión (16) para quemar un combustible, estando el ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico en comunicación térmica con el primer fluido caloportador de la planta de concentración solar. La cámara de combustión (16) está diseñada para incrementar una temperatura del CO2 supercrítico hasta una temperatura de operación de la turbina (10) utilizando calor procedente de la combustión del combustible, sin mezclarse los gases de escape de combustión con el CO2 supercrítico de trabajo.

Description

DESCRIPCIÓN
PLANTA HÍBRIDA SOLAR-FÓSIL DE ALTO RENDIMIENTO
Campo de la invención
La invención pertenece al sector de las plantas híbridas que combinan la energía solar con el gas natural para producir energía eléctrica. Concretamente, al campo de las plantas híbridas que usan, entre otros, CO2 supercrítico y vapor como fluidos para las turbinas.
Antecedentes de la invención
Es conocida la tecnología de plantas de ciclo combinado que usan una caldera de recuperación para aprovechar la energía contenida en los gases de escape de una turbina de gas. Normalmente, las calderas de recuperación se usan acopladas a un ciclo Brayton en ciclos combinados convencionales.
La tecnología de plantas de producción de energía eléctrica que usan CO2 supercrítico como fluido de trabajo (también denominado fluido a turbinar) está todavía poco usada pero sus ventajas son conocidas y existen publicaciones al respecto. Las soluciones que usan CO2 supercrítico como fluido de trabajo usan en la mayoría de los casos únicamente gas natural como fuente de calor. Un ejemplo de ello es el documento de patente US-2013/0213049 relativa a un sistema para la producción de energía eléctrica con alta eficiencia usando dióxido de carbono (CO2) como fluido de trabajo.
El uso de energía solar como fuente de calor para ciclos de CO2 supercrítico se menciona en algunos documentos de patente como, por ejemplo, US-2012/0216536, en el que se describe una planta solar que funciona con CO2 supercrítico como fluido caloportador. En este documento se describe la posibilidad de hibridación con un ciclo Rankine convencional, aprovechando el calor sobrante del ciclo Brayton para producir vapor. Una combinación de los dos métodos de aporte de calor descritos en los dos párrafos anteriores es la hibridación solar-fuel. El concepto de hibridación de plantas solar-fósil consiste en incorporar energía solar en ciclos que funcionan con energía fósil y que tienen un alto rendimiento energético. Este concepto se aplica a los ciclos de potencia de C02 en US 2013/01 18145, en la que se describe un sistema y método de generación de energía eléctrica con dióxido de carbono supercrítico calentado hibridando combustible fósil-energía solar. Esta patente describe un sistema que usa una combinación de energía fósil y solar para producir energía en un cyclo Brayton.
Por otra parte, el aprovechamiento de la energía proveniente del sol durante horas de radiación solar limitada o nula es también un proceso conocido y usado hoy en día en el sector termosolar; más específicamente en plantas termosolares con sistema de almacenamiento térmico. Un ejemplo de ello es la patente US-7299633, relativa a un concentrador solar con receptor de sales fundidas que incorpora almacenamiento térmico.
El uso de un sistema de almacenamiento en plantas solares de producción de electricidad que funcionan con C02 supercrítico como fluido de trabajo se describe en las patentes US-2012/0216536 y US-7685820. En la patente US-20125/0216536 el almacenamiento térmico se realiza almacenando directamente el C02 caliente en estado supercrítico. En la patente US-7685820, el sistema descrito utiliza sales fundidas como medio de almacenamiento térmico y fluido caloportador para transmitir energía a un ciclo Brayton de C02 supercrítico.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a una planta híbrida solar-fósil de alto rendimiento que tiene un ciclo principal cerrado en el que el fluido de trabajo es C02 supercrítico, y una planta de concentración solar que incluye un receptor solar y un fluido caloportador, utilizándose el fluido caloportador para calentar el C02 supercrítico del ciclo principal cerrado.
Según un primer aspecto de la invención, ésta se refiere a un planta híbrida solar-fósil que comprende una planta de concentración solar y un ciclo principal cerrado en el que el fluido de trabajo es CO2 supercrítico.
La planta de concentración solar incluye:
- al menos un primer circuito cerrado con al menos un fluido caloportador;
- un receptor de energía solar para calentar el fluido caloportador; y
- al menos un medio de almacenamiento de energía térmica para almacenar el fluido caloportador.
Esta planta de concentración solar se dimensiona para calentar durante las horas de sol al menos un fluido caloportador en cantidad suficiente para permitir tanto la producción eléctrica diurna no interrumpida de la planta como la producción eléctrica nocturna requerida a partir del almacenamiento.
El ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico incluye al menos una turbina cuyo fluido de trabajo es CO2 supercrítico y una cámara de combustión para calentar el CO2 supercrítico quemando un combustible. De acuerdo con la invención:
el ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico está en comunicación térmica con el fluido caloportador de la planta de concentración solar, de forma que dicho fluido caloportador calienta el CO2 supercrítico antes de que éste entre en la cámara de combustión; y
- la cámara de combustión está diseñada para incrementar la temperatura del CO2 supercrítico hasta la temperatura de operación de la turbina utilizando calor procedente de la combustión del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustión y el CO2 supercrítico de trabajo. Es decir, la cámara de combustión está diseñada para dar el último salto de temperatura al CO2 supercrítico hasta que alcance la temperatura de operación de la turbina, sin que se mezclen los gases de combustión con el CO2 supercrítico a turbinar. Para ello, preferiblemente la cámara de combustión tiene un primer compartimento con una entrada para combustible y una salida para los gases de escape de la combustión del combustible, y un segundo compartimento con una entrada y una salida de CO2 supercrítico en la cual se incrementa la temperatura del CO2 supercrítico, siendo dichas primera y segunda porciones estancas entre sí de forma que no hay mezcla entre los gases de escape de combustión y el CO2 supercrítico del ciclo cerrado.
La proporción solar (definida como el ratio de energía solar aportada/ energía total aportada) está limitada en las plantas híbridas solar-fósil existentes debido al rendimiento más bajo en la parte solar del ciclo. Esto se evita en la planta híbrida de la invención compensando el bajo rendimiento de la parte solar con un rendimiento más alto del ciclo de CO2 supercrítico. De esta forma, mediante la planta híbrida solar-fósil de la presente invención se consigue incrementar la proporción solar respecto al estado del arte actual, manteniendo un rendimiento global equivalente. Asimismo, se reducen las emisiones contaminantes de los ciclos Brayton convencionales, y se reduce el coste general de producción de energía a largo plazo mediante ahorro de combustible fósil.
En este contexto se entiende por fluido caloportador cualquier fluido que pueda calentarse a temperaturas superiores a 200 °C Preferiblemente es un fluido a base de sodio, sales y/o metales. Preferiblemente tiene una temperatura de trabajo superior a 327 °C.
Adicionalmente, el rendimiento de la planta híbrida solar-fósil con ciclo de CO2 supercrítico se mejora en una realización preferida en la que la planta híbrida comprende además un ciclo secundario con vapor como fluido de trabajo, en comunicación térmica con los gases de escape procedentes de la cámara de combustión del ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico. Estos gases calientan el fluido de trabajo del ciclo secundario.
Se utiliza preferiblemente una caldera de recuperación de gases del ciclo de CO2 supercrítico en el ciclo secundario de vapor. En esta realización preferida el ciclo secundario aprovecha, en la caldera de recuperación, los gases de escape de la cámara de combustión del ciclo principal cerrado como fuente de energía térmica para precalentar y evaporar el agua de alimentación. La caldera de recuperación del ciclo secundario preferiblemente incluye al menos un evaporador y un precalentador de agua de alimentación. La cantidad de vapor saturado producida en el ciclo depende de la energía contenida en los gases de escape del ciclo principal cerrado.
Según una realización preferida, el ciclo principal cerrado de C02 supercrítico está en comunicación térmica con el primer circuito del primer fluido caloportador de la planta solar mediante un intercambiador de calor situado aguas arriba de la cámara de combustión, de forma que dicho primer fluido caloportador calienta el C02 supercrítico antes de entrar en cámara de combustión. En este caso, el primer fluido caloportador puede estar también en comunicación térmica con el ciclo secundario de vapor, de forma que el primer fluido caloportador suministra energía en forma de calor al ciclo secundario de vapor.
De acuerdo con otra realización preferida la planta comprende dos fluidos caloportadores, donde el primer fluido caloportador es calentado en la planta solar y el segundo fluido caloportador es calentado por el primer fluido caloportador mediante un intercambiador de calor en un segundo circuito cerrado. En tal caso, el primer fluido caloportador preferiblemente tiene una temperatura máxima de trabajo superior al segundo fluido caloportador.
El segundo circuito cerrado con el segundo fluido caloportador también puede estar en comunicación térmica con el ciclo principal cerrado de C02 supercrítico, mediante por ej., un intercambiador de calor, para así aportar calor al C02 supercrítico. En esta segunda realización el segundo fluido caloportador puede estar en comunicación térmica con el ciclo secundario de vapor, de forma que el segundo fluido caloportador suministra energía en forma de calor al ciclo secundario de vapor. Esta realización en la que la planta híbrida tiene dos fluidos caloportadores, tiene la ventaja de poder tener dos fluidos con diferentes temperaturas de trabajo y utilizar así un primer fluido caloportador de muy alta temperatura que permite aumentar la temperatura del fluido de trabajo antes de entrar a la cámara de combustión, gracias a un aumento del aporte de calor de la parte solar al ciclo principal cerrado. Al usar dos fluidos caloportadores diferentes uno puede ser compatible con el agua del ciclo secundario de vapor -por ej. un segundo fluido caloportador a base de sales- y el otro puede tener una muy alta temperatura de trabajo, una temperatura de solidificación relativamente alta, y no necesita ser compatible con el agua -por ej., un primer fluido caloportador mezcla de sodio-potasio o metal fundido- en el ciclo principal cerrado.
En esta realización el primer fluido caloportador preferiblemente tiene una temperatura máxima de trabajo entre 650 °C y 1 100 °C Y el segundo fluido caloportador tiene una temperatura máxima de trabajo entre 550 °C y 600 °C
La comunicación térmica entre la planta de concentración solar y el ciclo de vapor puede llevarse a cabo mediante al menos un sobrecalentador y/o un recalentador del ciclo secundario: el o los fluidos caloportadores aportan, directa o indirectamente, la energía necesaria en el sobrecalentador y/o en el recalentador para sobrecalentar y recalentar el vapor producido por la caldera de recuperación.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método para generar energía eléctrica mediante un ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico que incluye una turbina cuyo fluido de trabajo es CO2 supercrítico y una cámara de combustión para quemar combustible, que comprende los siguientes pasos: calentar al menos un fluido caloportador con energía procedente del sol;
transportar el fluido caloportador caliente hasta el ciclo principal cerrado de
CO2;
calentar el CO2 supercrítico mediante el fluido caloportador caliente antes de entrar en la cámara de combustión; introducir el CO2 supercrítico calentado por el fluido caloportador en una cámara de combustión para incrementar la temperatura del CO2 supercrítico hasta una temperatura de operación de la turbina utilizando calor procedente de la combustión del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustión con el CO2 supercrítico de trabajo; y
- generar energía eléctrica haciendo pasar el CO2 supercrítico calentado en la cámara de combustión por la turbina.
Preferentemente, antes de calentar el CO2 supercrítico con al menos un fluido caloportador, se aplica un incremento de temperatura al CO2 supercrítico en un recuperador que recupera el calor sobrante del CO2 no supercrítico que sale de la turbina.
Los diferentes aspectos y realizaciones de la invención definidos en los párrafos anteriores pueden combinarse entre sí, siempre y cuando sean compatibles.
Otras ventajas y características adicionales de la invención serán evidentes de la descripción detallada que sigue y serán particularmente señaladas en las reivindicaciones adjuntas. Breve descripción de las figuras
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción un juego de figuras en el que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra el esquema de una primera posible realización de una planta híbrida solar-fósil que incluye un ciclo de CO2 supercrítico, un ciclo Rankine y con un único fluido caloportador.
La figura 2 muestra el esquema de una segunda posible realización de una planta híbrida solar-fósil que incluye un ciclo de CO2 supercrítico, un ciclo Rankine, con dos fluidos caloportadores.
Se incluyen a continuación los componentes de la invención:
100a Primera realización de la planta híbrida solar-fósil
10 Turbina de C02
1 1 Compresor
12 Enfriador
13 Bomba del ciclo cerrado de C02
14 Recuperador
15 Intercambiador
15a Primer intercambiador de la segunda realización preferente de la invención
15b Segundo intercambiador de la segunda realización preferente de la invención
16 Cámara de combustión
17 Enfriador
18 Intercambiador
20 Receptor solar
21 Tanque frío
21 1 Primer tanque frío de la segunda realización de la invención
21 11 Segundo tanque frío de la segunda realización de la invención
22 Tanque caliente
23 Bomba de la planta solar
24 Bomba de impulsión del segundo fluido de la segunda realización de la invención
30 Caldera de recuperación
31 Desgasificador
32 Bomba de alimentación del ciclo secundario de vapor
33 Sobrecalentador
34 Turbina de alta presión
35 Segundo recalentador de la segunda realización preferente de la invención
36 Primer recalentador de la segunda realización preferente de la invención
37 Turbina de baja presión
38 Condensador
39 Bomba de condensado 100b Segunda realización de la planta híbrida solar-fósil Descripción de un modo de realización de la invención
En la presente descripción se explica en detalle posibles configuraciones, no limitantes, de la invención así como su funcionamiento. La descripción omite y/o simplifica algunos aspectos ya conocidos en el sector para no complicar la descripción de la planta híbrida que aquí nos interesa.
En la Figura 1 se muestra el esquema de una primera posible realización preferente de una planta híbrida 100a solar-fósil según la invención.
Esta primera realización preferente de la planta híbrida 100a solar-fósil incluye un ciclo principal cerrado de C02 supercrítico (Brayton) siendo éste el fluido de trabajo o fluido a turbinar, un ciclo secundario de vapor (Rankine), y un ciclo correspondiente al calentamiento de un fluido caloportador por parte de una planta de concentración solar.
Se considera el ciclo de C02 como ciclo principal al ser el ciclo en el cual se produce la mayor cantidad de energía eléctrica. Se considera el ciclo Rankine como secundario porque aprovecha la energía no usada en el ciclo principal para producir energía eléctrica.
La planta solar puede ser cualquier tipo de planta solar de concentración, por ejemplo, de torre o de cilindros parabólicos, que permita calentar y almacenar un fluido caloportador, a alta temperatura. Se consideran como altas las temperaturas superiores a 450 °C.
En esta primera realización preferente de la invención el fluido caloportador de aplicación solar denominado de alta temperatura tiene una temperatura máxima de trabajo que asciende a entre 550 °C y 600 °C. Puede ser, por ejemplo, una mezcla binaria de sales de nitrato. La planta de concentración solar comprende un receptor (20) de concentración solar para calentar un fluido caloportador de alta temperatura. Este fluido caloportador se almacena frío en un primer tanque (21 ) frío. Del tanque (21 ) frío se manda al receptor solar (20) en el cual se calienta mediante concentración de la radiación solar hasta su temperatura caliente, cercana a 567 °C. Una vez alcanzada la temperatura caliente, el fluido caloportador caliente se almacena en un segundo tanque (22) caliente. Desde el segundo tanque (22) caliente se bombea mediante una bomba (23) parte del fluido a un intercambiador (15) del ciclo principal cerrado de C02 supercrítico, con el que intercambia calor, y otra parte (como se explicará más adelante) a un sobrecalentador (33) y a unos recalentadores (35), (36) del ciclo secundario de vapor. Tras el intercambiador (15) del ciclo principal cerrado, el fluido caloportador sale a una temperatura cercana a su temperatura fría, aproximadamente 300 °C, y se envía de vuelta directamente al primer tanque (21 ) frió.
El ciclo principal de C02 comprende una turbina de C02 supercrítico (10), cuyas condiciones de entrada se han fijado a una presión de trabajo de 300 bares, una temperatura de trabajo de 1 150 °C y un "pressure ratio" o ratio de presión de 60 (el "pressure ratio" es la presión de entrada a la turbina dividida por la presión de salida de la turbina), un compresor (1 1 ), un enfriador (12), una bomba (13), un recuperador (14), un intercambiador (15), una cámara de combustión (16) y un enfriador (17).
En el ciclo principal cerrado, el C02 está en el punto (A) a baja presión, aproximadamente 5 bares, y a temperatura ambiente, unos 20 °C; se comprime en una primera etapa de compresión en un compresor (1 1 ) hasta alcanzar una presión superior a su presión crítica, es decir cercana a 80 bares. Este proceso de compresión calienta el C02 a una temperatura superior a 227 °C (punto B). Este compresor (1 1 ) de C02 está configurado para comprimir el C02 hasta que adquiera sus propiedades supercríticas.
A continuación, el C02 supercrítico se enfría en un enfriador (12), que puede ser un enfriador con aire, hasta una temperatura no inferior a su temperatura crítica para posteriormente dirigirse a la entrada de una bomba (13). En esta bomba (13) se le aplica una segunda etapa de presurización, donde alcanza la presión de trabajo de la turbina. A la salida de la bomba (13) (punto C), el CO2 supercrítico está a una presión de aproximadamente 300 bares y una temperatura poco superior a la temperatura ambiente.
A continuación se aplican varios incrementos de temperatura al CO2 supercrítico:
Primero en un recuperador (14) o intercambiador de CO2-CO2 supercrítico: recupera el calor sobrante del CO2 que sale de la turbina (10) (punto G) para transmitírselo a la corriente de CO2 supercrítico que sale de la bomba (13). A la salida de este recuperador (14) la temperatura del CO2 supercrítico es de aproximadamente 227 °C (punto D).
A continuación en el intercambiador (15) de fluido caloportador de alta temperatura-CO2 supercrítico: la corriente de CO2 que sale del recuperador (14) se calienta usando el fluido caloportador caliente proveniente de la planta solar. La temperatura de salida del CO2 supercrítico después de este intercambiador (15) es cercana a la temperatura caliente del fluido caloportador, es decir unos 557 °C (punto
E) .
Finalmente en una cámara de combustión (16): esta cámara de combustión (16) se alimenta con energía fósil, por ejemplo gas natural NG, y la energía térmica de la combustión del gas natural se aporta al CO2 supercrítico para que alcance las condiciones de entrada de la turbina (10), es decir, una temperatura de 1150 °C (punto
F) . En la cámara de combustión (16) no se mezclan los gases combustión del gas natural con el CO2 supercrítico a turbinar.
El CO2 supercrítico se introduce entonces en la turbina (10) de la cual sale a unos 5 bares y aproximadamente 377 °C (punto G). En este punto G el CO2 ya no se encuentra en su estado supercrítico.
Este CO2 no supercrítico que sale de la turbina (10) se utiliza en el recuperador (14) del cual sale a una temperatura la más cercana posible a la temperatura ambiente tras haber cedido parte de su energía a la corriente de CO2 que sale de la bomba (13). El ciclo principal de C02 supercrítico se cierra enfriando esta corriente de C02 no supercrítico en un enfriador (17) hasta la temperatura admisible de entrada del compresor (1 1 ).
Además, y para un mejor rendimiento de la planta híbrida de la invención, los gases de combustión del gas natural que salen de la cámara de combustión (16) se mandan directamente a una caldera de recuperación (30) del ciclo secundario de vapor. Se trata de una cámara de combustión (16) en la que no se mezclan los gases de combustión del gas natural -que son los que se envían y utilizan en el ciclo secundario de vapor- con el C02 supercrítico del ciclo principal de trabajo. Se produce un intercambio térmico sin haber mezcla de fluidos.
El ciclo secundario de vapor comprende una caldera de recuperación (30), un desgasificador (31 ) una bomba de alimentación (32), un sobrecalentador (33), una turbina de alta presión (34), dos recalentadores (35 y 36), una turbina de baja presión (37), un condensador (38) y una bomba de condensado (39).
Por otra parte, en el ciclo secundario de vapor, la presión alta de trabajo se ha fijado, en este ejemplo, a 90 bares, la presión baja de trabajo a 5,2 bares y la presión del desgasificador (31 ) a 2 bares.
El agua de alimentación se bombea desde un desgasificador (31 ) hasta la caldera de recuperación (30) por medio de una bomba de alimentación (32). A la entrada (punto H) de la caldera de recuperación (30) las condiciones del agua son de 90 bares y aproximadamente 127 °C.
De la caldera de recuperación (30) sale vapor saturado a 90 bares y unos 307 °C (punto J). Los gases de la caldera, por su parte, se liberan a la atmosfera a la temperatura más baja admisible.
A continuación, el vapor se sobrecalienta en un sobrecalentador (33) gracias al intercambio de calor con el fluido caloportador de la planta solar, hasta una temperatura cercana a la temperatura caliente del fluido caloportador, es decir, unos 557 °C (punto K). El vapor se turbina en una turbina (34) de alta presión de la cual sale a aproximadamente 5,2 bares y 157 °C (punto L). El vapor de salida de la turbina (34) de alta presión se recalienta en dos recalentadores (35), (36), en el primer recalentador (36) el vapor es calentado gracias al calor del fluido caloportador proveniente de la planta solar, mientras que en el segundo recalentador (35) es gracias a una mezcla de fluido proveniente de la salida del primer recalentador (36) y de la salida del sobrecalentador (33), alcanzando así el vapor de nuevo una temperatura cercana a la temperatura caliente del fluido caloportador, unos 557 °C (punto M). Este vapor recalentado se turbina en una turbina (37) de baja presión, de la cual sale a la menor presión posible (punto N), normalmente en condiciones de vacío, antes de pasar por un condensador (38) y de vuelta al desgasificador (31 ) mediante impulsión de una bomba de condensado (39).
En el ciclo secundario, los recalentadores (35), (36) y el sobrecalentador (33) están conectados de tal forma que el fluido caloportador caliente entra tanto al sobrecalentador (33) como al primer recalentador (36). El segundo recalentador (35) recibe la mezcla de las corrientes de fluido caloportador que salen del sobrecalentador (33) y del primer recalentador (36) a una temperatura intermedia comprendida entre 290 °C y 565 °C (punto P). El fluido caloportador sale del segundo recalentador (35) a una temperatura cercana a la fría (punto Q) y se manda de vuelta al segundo tanque (21 ) frío de la planta solar.
En esta primera configuración de la presente invención, se estima un aporte solar global de aproximadamente 38,5% por una eficiencia global de la planta de aproximadamente 53%, lo que significa una mejora considerable respecto al estado del arte.
Además, se consigue reducir el consumo de energía fósil y las emisiones contaminantes correspondientes reemplazando parte del aporte de la energía fósil necesaria para el funcionamiento de las plantas de producción eléctrica con energía solar. El método para generar energía eléctrica según esta primera realización preferente de la invención comprende los siguientes pasos: calentar al menos un fluido caloportador con energía procedente del sol;
transportar el fluido caloportador caliente hasta el ciclo principal cerrado de
CO2;
incrementar la temperatura al CO2 supercrítico en un recuperador (14) que recupera el calor sobrante del CO2 no supercrítico que sale de la turbina (10)
calentar el CO2 supercrítico mediante el fluido caloportador caliente antes de entrar en la cámara de combustión (16).
introducir el CO2 supercrítico calentado por el fluido caloportador en una cámara de combustión (16) para incrementar la temperatura del CO2 supercrítico hasta una temperatura de operación de la turbina (10) superior a 1127°C utilizando calor procedente de la combustión del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustión con el CO2 supercrítico de trabajo; y
generar energía eléctrica haciendo pasar el CO2 supercrítico calentado en la cámara de combustión (16) por la turbina (10); y,
enviar los gases de combustión generados en la cámara de combustión (16) preferiblemente a una caldera de recuperación (30) para incrementar la temperatura de un fluido de trabajo de un ciclo secundario, siendo el fluido de trabajo del ciclo secundario preferiblemente vapor.
En este ciclo secundario: alimentar agua bombeándola desde un desgasificador (31 ) hasta la caldera de recuperación (30) de la que sale vapor saturado;
sobrecalentar este vapor saturado con al menos un fluido caloportador;
turbinar este vapor sobrecalentado en una turbina (34) de alta presión;
recalentar el vapor de salida de la turbina de alta presión (34) mediante al menos un fluido caloportador; y
turbinar este vapor recalentado en una turbina (37) de baja presión
enviar el vapor a la salida de la turbina (37) de baja presión a un condensador (38) y de ahí al desgasificador (31 ). En la Figura 2 se muestra el esquema de una segunda posible realización de una planta híbrida 100b solar-fósil según la invención. Esta segunda realización la planta híbrida 100b solar-fósil incluye también un ciclo principal cerrado de C02 supercrítico (Brayton), que se combina con una planta de concentración solar con dos fluidos caloportadores y con un ciclo secundario de vapor (Rankine). Esta planta funciona con dos fluidos caloportadores:
Un primer fluido caloportador de muy alta temperatura (en adelante, fluido I) que tiene una temperatura máxima de trabajo entre 650 °C y 1100 °C. Puede ser, por ejemplo, un metal fundido, sodio o una mezcla a base de sodio.
- Un segundo fluido caloportador de alta temperatura (en adelante, fluido II) que tiene una temperatura máxima de trabajo entre 550 °C y 600 °C. Puede ser, por ejemplo, una mezcla binaria de sales de nitrato.
El objetivo de la configuración de esta segunda realización de la invención es aumentar la temperatura del fluido de trabajo antes de entrar en la cámara de combustión (16), gracias a un aumento del aporte de calor de la parte solar. La necesidad de emplear dos fluidos caloportadores surge a raíz de los inconvenientes que presenta el uso de un fluido de muy alta temperatura. En la actualidad, los fluidos caloportadores de muy alta temperatura potencialmente utilizables presentan estos inconvenientes:
La mayoría de los metales tienen una temperatura de congelación demasiado alta impidiendo su uso en los intercambiadores de baja temperatura. - El sodio o las mezclas con base de sodio presentan riesgos de explosión e incendio en presencia de agua impidiendo su uso en intercambiadores de ciclos Rankine. La configuración mostrada en la Figura 2 es especialmente ventajosa porque permite usar un fluido caloportador de muy alta temperatura únicamente en los intercambiadores en los cuales su uso no presenta riesgo de congelación ni de explosión. De acuerdo con esta realización de la invención, de los dos fluidos caloportadores sólo el fluido I de muy alta temperatura se calienta en la planta solar y se almacena en el primer tanque (22) caliente. Este fluido I se usa directamente como fluido de intercambio de calor en los intercambiadores en los que no existen riesgos, y se usa también para calentar el fluido II de alta temperatura de manera que éste sea el fluido caloportador en los intercambiadores en los cuales el uso del fluido I no es posible.
El intercambio fluido caloportador de muy alta temperatura (fluido l)-fluido caloportador de alta temperatura (fluido II) se hace en un intercambiador de calor.
A continuación se explica en detalle esta segunda posible realización de la planta híbrida solar-fósil de la invención. (A igualdad de elementos que en la realización mostrada en la Figura 1 , se utiliza la misma referencia numérica en esta Figura 2).
El fluido I es una mezcla con base de sodio (por ejemplo mezcla de sodio-potasio) con una temperatura máxima de trabajo cercana a los 751 °C. El fluido II tiene una temperatura máxima de trabajo entre 550 °C y 600 °C y puede ser, por ejemplo, una mezcla binaria de sales de nitrato.
El sodio (base del fluido I) es muy reactivo y conlleva un alto riesgo usarlo en intercambiadores con agua o vapor. Sin embargo, puede usarse en intercambiadores con C02. La configuración mostrada en esta segunda realización permite beneficiarse de la compatibilidad de las sales de nitrato (fluido II) con el agua en el ciclo secundario, y de la alta temperatura de trabajo de la mezcla de sodio-potasio (fluido I) en el ciclo principal cerrado de C02.
En esta segunda realización preferente, el fluido I de muy alta temperatura, es el fluido calentado por la planta solar. En el ciclo principal cerrado de CO2, se considera la misma turbina (10) que la descrita en la realización de la figura 1 , con las mismas condiciones de presión, temperatura y "pressure ratio" de trabajo.
El ciclo desde la entrada a la turbina (10) hasta la salida del recuperador (14) o intercambiador de CO2-CO2 supercrítico es también idéntico al descrito anteriormente.
Sin embargo, en esta realización, a la salida del recuperador (14) el CO2 supercrítico, que está a una temperatura cercana a 227 °C (punto D), se manda a dos intercambiadores de fluido caloportador-CO2 supercrítico para aumentar su temperatura:
- Un intercambiador (15a) de fluido II-CO2 supercrítico: la corriente de CO2 se calienta usando el fluido II que proviene del tanque 21_ll tras pasar por intercambiador (18). La temperatura de salida del CO2 supercrítico después de este intercambiador (15a) es cercana a la temperatura caliente del fluido II, es decir, unos 557 °C (punto R).
- Un intercambiador (15b) de fluido I-CO2 supercrítico: en este intercambiador (15b) se aprovecha la muy alta temperatura del fluido I, proveniente de la planta solar, para calentar el CO2 hasta una temperatura cercana a los 746 °C (punto E) antes de su entrada a la cámara de combustión (16).
Al salir de este intercambiador (15b), el CO2 pasa por la cámara de combustión (16) cuyo rol es aportar al CO2 supercrítico la energía necesaria para que alcance las condiciones de entrada de la turbina (10), es decir, una temperatura de 1150 °C (punto F). Los gases de la cámara de combustión (16) se mandan directamente a la caldera de recuperación (30) del ciclo secundario.
El ciclo secundario es idéntico en equipos y temperaturas en cada punto al descrito en la realización anterior. Sin embargo, las condiciones de caudal en el ciclo de vapor son diferentes al ser mayor la temperatura de salida de los gases de la cámara de combustión (16). El fluido caloportador usado para sobrecalentar y recalentar el vapor es el fluido II que ha sido previamente calentado por el fluido I.
Al igual que en la realización anterior, el fluido I frío se almacena en un primer tanque frío (21_l) de la planta solar. Se bombea al receptor solar (20) para su calentamiento hasta su temperatura caliente. Una vez alcanzada la temperatura caliente, en este caso cercana a los 751 °C, el fluido I se almacena en el segundo tanque (22) caliente.
Desde este segundo tanque (22) caliente el fluido I se manda al intercambiador (15b) del ciclo principal cerrado, del cual sale a una temperatura superior a la temperatura caliente del fluido II (punto S). A continuación se manda un intercambiador (18) de fluido l-fluido II para calentar el fluido II hasta su temperatura de trabajo. Al salir de este intercambiador (18) el fluido I se almacena en el primer tanque frío (21_l).
Por otra parte, el fluido II se almacena en un tercer tanque (21_ll) frío, desde el cual se bombea mediante una bomba (24) al intercambiador (18) de fluido l-fluido II para ser calentado. A la salida de este intercambiador (punto T): una parte del fluido II se manda al intercambiador (15a) de fluido II-C02 supercrítico, desde el cual se vuelve a mandar al tercer tanque (21_ll) frío; otra parte se manda al sobrecalentador (33) y a los recalentadores (35), (36) del ciclo secundario, que operan en las mismas condiciones que en la realización anterior.
El método para generar energía eléctrica según esta segunda realización preferente de la invención comprende los siguientes pasos: calentar un primer fluido caloportador con energía procedente del sol;
calentar un segundo fluido caloportador a partir del primer fluido caloportador en un intercambiador de calor (18)
transportar el primer fluido caloportador caliente hasta el ciclo principal cerrado de C02;
incrementar la temperatura al C02 supercrítico en un recuperador (14) que recupera el calor sobrante del C02 que sale de la turbina (10);
calentar el C02 supercrítico mediante un segundo fluido caloportador caliente antes de entrar en la cámara de combustión (16) en un primer intercambiador de calor (15a); - calentar el C02 supercrítico mediante un primer fluido caloportador caliente mediante un segundo intercambiador de calor (15b) antes de entrar en la cámara de combustión;
introducir el C02 supercrítico calentado en una cámara de combustión (16) para incrementar la temperatura del C02 supercrítico hasta una temperatura de operación de la turbina (10) superior a 1 127°C utilizando calor procedente de la combustión del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustión con el C02 supercrítico de trabajo;
generar energía eléctrica haciendo pasar el C02 supercrítico calentado en la cámara de combustión (16) por la turbina (10); y,
enviar los gases de combustión generados en la cámara de combustión (16) preferiblemente a una caldera de recuperación (30) para incrementar la temperatura de un fluido de trabajo de un ciclo secundario, siendo el fluido de trabajo del ciclo secundario preferiblemente vapor.
En este ciclo secundario: alimentar agua bombeándola desde un desgasificador (31 ) hasta la caldera de recuperación (30) de la que sale vapor saturado;
sobrecalentar este vapor saturado con el segundo fluido caloportador;
turbinar este vapor sobrecalentado en una turbina (34) de alta presión;
recalentar el vapor de salida de la turbina (34) de alta presión mediante al menos un recalentador (35), a partir del segundo fluido caloportador; y
- turbinar este vapor recalentado en una turbina (37) de baja presión
- enviar el vapor a la salida de la turbina (37) de baja presión a un condensador y de ahí al desgasificador(31 )
En este texto, la palabra "comprende" y sus variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Planta híbrida (100a, 100b) solar-fósil que comprende:
- una planta de concentración solar que incluye:
- al menos un primer circuito cerrado con al menos un fluido caloportador;
- un receptor de energía solar (20) para calentar al menos un fluido caloportador; y
- al menos un medio de almacenamiento (22) de energía térmica para almacenar el fluido caloportador;
comprendiendo la planta híbrida:
un ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico que incluye al menos una turbina (10) cuyo fluido de trabajo es CO2 supercrítico y una cámara de combustión (16) para quemar un combustible, estando el ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico en comunicación térmica con el primer fluido caloportador de la planta de concentración solar; estando la planta híbrida caracterizada por que - la cámara de combustión (16) está diseñada para incrementar una temperatura del CO2 supercrítico hasta una temperatura de operación de la turbina (10) utilizando calor procedente de la combustión del combustible, sin mezclarse los gases de escape de combustión con el CO2 supercrítico de trabajo.
2. Planta según la reivindicación 1 , que además comprende un ciclo secundario cuyo fluido de trabajo es vapor calentado por los gases de combustión producidos en la cámara de combustión(16).
3. Planta según reivindicación 2, en la que el vapor del ciclo secundario está calentado por los gases de combustión producidos en la cámara de combustión (16) mediante una caldera de recuperación (30).
4. Planta según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en la que el ciclo cerrado de C02 supercrítico está en comunicación térmica con el circuito del fluido caloportador de la planta solar mediante un intercambiador de calor (15) situado antes de la cámara de combustión (16).
5. Planta según cualquiera de la reivindicaciones 2-4, en la que el fluido caloportador está también en comunicación térmica con el ciclo secundario de vapor.
6. Planta según la reivindicación 5, en la que el fluido caloportador está en comunicación térmica con el ciclo secundario mediante al menos un sobrecalentador (33) y/o al menos un recalentador (35, 36) de dicho ciclo secundario.
7. Planta según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en la que el fluido caloportador tiene una temperatura de trabajo superior a 327°C.
8. Planta según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende dos fluidos caloportadores donde el primer fluido caloportador es el fluido calentado por la planta solar y el segundo fluido caloportador es calentado por el primer fluido caloportador en al menos un segundo circuito cerrado.
9. Planta según la reivindicación 8, en la que el primer fluido caloportador tiene una temperatura máxima de trabajo superior al segundo fluido caloportador.
10. Planta según cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en la que el segundo fluido caloportador está en comunicación térmica con el ciclo principal cerrado de C02 supercrítico.
1 1. Planta según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, en la que la que el segundo fluido caloportador está en comunicación térmica con el ciclo secundario de vapor.
12. Planta según cualquiera de las reivindicaciones 8-1 1 , en la que dicho primer fluido caloportador tiene una temperatura máxima de trabajo entre 650°C y 1 100 °C y dicho segundo fluido caloportador tiene una temperatura máxima de trabajo de entre 550°C y 600°C .
13. Planta según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en la que al menos un fluido caloportador está compuesto a base de sodio, sales y/o metales.
14. Planta según cualquiera de las reivindicaciones 1 -13, en la que la cámara de combustión (16) tiene un primer compartimento con una entrada para combustible y una salida para gases de escape de la combustión del combustible, y un segundo compartimento con una entrada y una salida de CO2 supercrítico para incrementar la temperatura del CO2 supercrítico, siendo dichos primer y segundo compartimentos estancos entre sí de forma que no hay mezcla entre los gases de escape de combustión y el CO2 supercrítico de trabajo.
15. Método para generar energía eléctrica mediante un ciclo principal cerrado de CO2 supercrítico que incluye una turbina (10) cuyo fluido de trabajo es CO2 supercrítico y una cámara de combustión (16) para quemar combustible, que comprende: calentar al menos un fluido caloportador con energía procedente del sol;
transportar el fluido caloportador caliente hasta el ciclo principal cerrado;
calentar el CO2 supercrítico mediante el fluido caloportador caliente antes de entrar en la cámara de combustión (16);
caracterizado por que el método incluye además:
introducir el CO2 supercrítico calentado por el fluido caloportador en la cámara de combustión (16) para incrementar la temperatura del CO2 supercrítico hasta una temperatura de operación de la turbina (10) utilizando calor procedente de la combustión del combustible, sin que se mezclen los gases de escape de combustión con el CO2 supercrítico de trabajo;
generar energía eléctrica haciendo pasar el CO2 supercrítico calentado en la cámara de combustión (16) por la turbina (10).
16. Método según las reivindicación 15, en el que antes de calentar el CO2 supercrítico con al menos un fluido caloportador, se aplica un incremento de temperatura al CO2 supercrítico en un recuperador (14) que recupera el calor sobrante del CO2 no supercrítico que sale de la turbina (10).
17. Método según cualquiera de las reivindicaciones 15-16, en el que los gases de combustión generados en la cámara de combustión (16) se mandan a una caldera de recuperación (30) para incrementar la temperatura de un fluido de trabajo de un ciclo secundario.
18. Método según la reivindicación 17, en el que el fluido de trabajo del ciclo secundario es vapor.
19. Método según cualquiera de las reivindicaciones 17-18, en el que el ciclo secundario comprende:
alimentar agua bombeándola desde un desgasificador (31 ) hasta la caldera de recuperación (30) de la que sale vapor saturado;
sobrecalentar este vapor saturado con al menos un fluido caloportador;
- turbinar este vapor sobrecalentado en una turbina (34) de alta presión;
recalentar el vapor de salida de la turbina (34) de alta presión mediante al menos un fluido caloportador; y
turbinar este vapor recalentado en una turbina (37) de baja presión
20. Método según cualquiera de las reivindicaciones 15-19, en el que la planta comprende dos fluidos caloportadores utilizándose un primer fluido caloportador para calentar un segundo fluido caloportador, teniendo el primer fluido caloportador una temperatura máxima de trabajo superior a la del segundo fluido caloportador.
21. Método según reivindicación 20, en el que el segundo fluido caloportador calienta el C02 supercrítico del ciclo principal en un intercambiador (15a) antes de que el C02 supercrítico sea calentado por el primer fluido caloportador en un intercambiador (15b)
22. Método según cualquiera de las reivindicaciones 20-21 , en el que el segundo fluido caloportador calienta el fluido de trabajo del ciclo secundario.
23. Método según cualquiera de las reivindicaciones 20-23 en el que el segundo fluido caloportador se almacena en un tanque frío (21_ll) antes de ser calentado por el primer fluido caloportador en un intercambiador (18)
24. Método según cualquiera de las reivindicaciones 15-23, en el que el C02 supercrítico calentado entra en la turbina (10) a una temperatura superior a 1 127 °C.
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