ES2279658A1 - Procedimiento de generacion de electricidad a partir de energia termica solar y biomasa. - Google Patents
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Abstract
La invención consiste en un nuevo procedimiento de generación de electricidad a partir de energía térmica solar y biomasa empleando un ciclo de vapor de agua, que es aplicable a plantas de generación eléctrica híbridas sol-biomasa de pequeña o media potencia. La invención propuesta se caracteriza porque la caldera del ciclo de vapor se alimenta con un flujo de aire caliente obtenido a partir de la energía solar y con un flujo de aire caliente obtenido a partir de la energía térmica de la combustión de la biomasa, retornándose el aire de salida de la caldera a los sistemas de calentamiento de aire con energía solar y biomásica. El concepto propuesto se integra perfectamente con sistemas de captación de energía solar basados en el receptor volumétrico de aire, que recibe la radiación solar procedente de un campo de heliostatos. También puede aplicarse ventajosamente con sistemas de captación lineales (parabólicos, tipo fresnel, etc.) en los que un fluido térmico absorbe la energía térmica dela radiación solar.
Description
Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa.
La invención consiste en un nuevo procedimiento
de generación de electricidad a partir de energía térmica solar y
biomasa empleando un ciclo de vapor de agua, que es aplicable a
plantas de generación eléctrica híbridas sol-biomasa
de pequeña o media potencia.
La mayor parte de las plantas híbridas
existentes o propuestas de generación de electricidad utilizando
energía solar térmica y combustibles (renovables o fósiles) recurren
al ciclo térmico de vapor de agua para convertir la energía térmica
en energía mecánica. Para la aportación de la energía térmica de
ambas fuentes al ciclo de vapor se han propuesto diversas
alternativas, dependientes en gran medida del sistema de captación
de la energía solar. En el caso del único sistema de captación solar
comercial, el de colectores lineales parabólicos con fluido térmico
como absorbedor de energía, el combustible se ha empleado en
diversas formas, entre las que destacan la de aportar energía al
fluido térmico como alternativa o complemento de la aportación solar
y la de aportar energía directamente al ciclo de vapor, para
sobrecalentar el vapor a temperaturas superiores a las alcanzadas
con el fluido térmico. En aplicaciones propuestas con sistemas de
captación de torre central la opción más extendida es la de
receptor de vapor saturado empleando el combustible (en este caso
gas natural) en una turbina de gas y en la postcombustión de la
caldera de recuperación asociada a la misma, transfiriendo así
finalmente la energía del combustible al ciclo de vapor. En
aplicaciones propuestas con torre central y receptor volumétrico de
aire los gases de combustión obtenidos a partir del combustible
(biomasa u otros) alimentan directamente la caldera de vapor del
ciclo, y se opera con muy alta temperatura del aire caliente
generado en el receptor, por encima de 600°C.
Una patente existente relativa a plantas
híbridas sol-combustible es la n° DE19510006
(Hybrid powerstation steam-raiser unit), en la que
la energía solar térmica se emplea para calentar el aire de
combustión y el combustible de una caldera de combustión donde se
consume éste último para transferir su energía a un ciclo de
vapor.
Las plantas híbridas existentes o propuestas
presentan diversos inconvenientes, dependiendo de cada tipo, entre
los que pueden destacarse:
- \bullet
- Limitaciones en la participación solar de la planta (propuestas con receptor de vapor saturado o la de la patente citada)
- \bullet
- Dificultades para disponer de un importante nivel de almacenamiento térmico, lo que limita el factor de utilización solar anual (propuestas con receptor de vapor saturado o de fluido térmico).
- \bullet
- Dificultades para disponer de un almacenamiento térmico flexible, aplicable asimismo a la energía térmica procedente del combustible, lo que impide alcanzar potencia nominal de generación con una instalación de combustión parcialmente dimensionada (todas ellas)
- \bullet
- Reducción del rendimiento y de la disponibilidad en operación solar pura por las modificaciones de diseño requeridas para integrar la aportación del combustible y por el impacto del ensuciamiento de la caldera con los gases de combustión de la biomasa (propuestas con receptor volumétrico).
La invención propuesta, que soslaya los
inconvenientes expuestos, consiste en un procedimiento de generación
de electricidad a partir de energía térmica solar y biomasa,
empleando un ciclo de vapor de agua, caracterizado porque la caldera
del ciclo de vapor se alimenta con un flujo de aire caliente de
media temperatura obtenido a partir de la energía solar y con un
flujo de aire caliente obtenido a partir de la energía térmica de
la combustión de la biomasa, retornándose el aire de salida de la
caldera a los sistemas de calentamiento de aire con energía solar y
biomásica. Mediante dispositivos convencionales de regulación y
control de los flujos de aire (ventiladores, compuertas) y de las
aportaciones de energía solar y biomásica se puede alimentar la
caldera de vapor con aire caliente de origen solar o biomásico de
forma independiente o combinada, lo que permite regular la potencia
eléctrica generada, compensando periodos con baja o nula
disponibilidad de aire caliente de origen solar con el proveniente
de la biomasa.
Los esquemas basados en esta invención pueden
incorporar adicionalmente un almacenamiento de energía térmica de
elementos sólidos estáticos, que puede cargarse asimismo con aire
caliente de origen solar o biomásico, de forma independiente o
simultánea, y generar aire caliente para alimentar el generador de
vapor durante su proceso de descarga. Mediante dispositivos
convencionales de regulación y control de los flujos de aire
(ventiladores, compuertas) y de las aportaciones de energía solar y
biomásica se puede alimentar el generador de vapor con aire
caliente de origen solar o biomásico o del almacenamiento térmico,
de forma independiente o combinando dos de las fuentes o las tres,
lo que confiere al concepto una altísima flexibilidad operacional.
El poder cargar asimismo el almacenamiento, si conviene, con el
aire caliente de origen biomásico, permite poder instalar un
sistema de generación de aire caliente a partir de biomasa de tamaño
limitado y utilizarlo durante muchas horas o todo el día para
cargar el almacenamiento y descargar éste durante un corto periodo
de tiempo para generar una potencia eléctrica superior a la
correspondiente al dimensionamiento del sistema de biomasa o,
incluso, potencia nominal. El poder disponer con este concepto de un
sistema de almacenamiento de alta capacidad permite diseñar plantas
con múltiplos solares importantes, que, en combinación con el apoyo
biomásico, conduce a poder ofrecer potencia de generación
garantizada simultáneamente con altas tasas de participación
solar.
El concepto propuesto se integra perfectamente
con sistemas de captación de energía solar basados en el receptor
volumétrico de aire, que recibe la radiación solar procedente de un
campo de heliostatos. En este caso el aire de salida de la caldera
del ciclo de vapor se recircula al receptor, en el que se genera
directamente el flujo de aire caliente de origen solar. El nivel
térmico del aire caliente se limita a temperaturas inferiores a
600°C, preferentemente a valores del orden de 450°C, para no
perjudicar el rendimiento del receptor y permitir la utilización de
materiales de bajo coste. Dado que el aire de salida de caldera
tiene un cierto nivel térmico que no conviene desaprovechar a
efectos de alcanzar altos rendimientos de la planta, conviene que
el receptor volumétrico tenga un alto rendimiento de recirculación,
por lo que puede ser conveniente recurrir a un diseño del receptor
volumétrico de tipo cavidad.
También es posible el empleo de receptores con
captadores del tipo tubería caliente (heat pipe), que pueden
indistintamente ser planos o de cavidad.
No obstante lo anterior, el concepto propuesto
también puede aplicarse ventajosamente con sistemas de captación
lineales (parabólicos, tipo fresnel, etc.) en los que un fluido
térmico absorbe la energía térmica de la radiación solar. En este
caso el flujo de aire caliente se obtendría mediante un cambiador de
calor alimentado por el fluido térmico procedente del campo de
concentradores lineales, recirculándose a este cambiador el aire de
salida de la caldera de vapor. El nivel térmico del aire caliente
se limita aún más en este caso, a valores compatibles con el fluido
térmico, del orden de 400°C.
En el caso de aplicación con receptor
volumétrico de aire puede recurrirse a la solución habitual, con un
solo campo de heliostatos y un solo receptor, o a una solución
novedosa consistente en dividir el sistema de captación, empleando
dos o más campos de menor tamaño, cada uno con su receptor
asociado, con objeto de tratar de optimizar el rendimiento del
campo, de adaptarlo mejor al terreno o de moludarizar su diseño
para reducir costes. En este último caso cada receptor dispondría
preferentemente de su propio almacenamiento térmico de elementos
sólidos estáticos, mientras que en principio sería normalmente más
favorable disponer de una única caldera, a la que se conducirían
los correspondientes conductos de aire caliente y de retorno desde
cada receptor, así como de un generador único de aire caliente a
partir de biomasa. No obstante también podrían adoptarse otras
disposiciones de los diversos componentes si se demostraran sus
ventajas, como la de instalar una caldera de vapor en cada receptor.
En este caso, si se empleara un ciclo con recalentamiento de vapor,
el recalentamiento individual conduciría a elevadas pérdidas de
carga por lo que podría ser más conveniente centralizar el
recalentamiento del vapor en la caldera del receptor más próximo a
la turbina de vapor. Tampoco puede descartarse en este caso de
división de los campos de captación, para evitar los conductos de
aire o la multiplicidad de calderas, la utilización de un
transmisor intermedio de calor (fluido térmico) entre el aire
caliente generado en los receptores y el vapor, en cuyo caso el
generador de aire caliente con biomasa podría sustituirse asimismo
por un calentador de fluido térmico con biomasa.
El flujo de aire caliente de origen biomásico se
puede obtener mediante tecnología convencional, por ejemplo con un
cambiador tubular alimentado por gases de combustión de la biomasa
o por gases de combustión de un gas de síntesis generado a partir
de la gasificación de la biomasa, entre otras posibilidades. El aire
de salida de la caldera de vapor se recircularía a la entrada de
dicho cambiador. La energía residual de los gases de combustión
puede recuperarse asimismo de forma convencional, dentro del propio
sistema (calentamiento del aire de combustión, precalentamiento de
condensado, etc.) o fuera de él (cogeneración, calefacción,
etc.)
Otra posibilidad interesante consiste en emplear
un combustible de origen biomásico (gas de síntesis, biogás,
alcohol, etc.) o incluso gas natural en una máquina de combustión
interna o en una célula de combustible y emplear el calor residual
de estos equipos para generar el flujo de aire caliente, que sería
de origen biomásico salvo en el caso de empleo de gas natural.
También podría utilizarse directamente en el proceso el flujo de
gases calientes exhaustado por dichos equipos, si su limpieza
hiciera innecesario utilizar aire limpio como vector intermedio.
Como tres ejemplos posibles de aplicación de la
invención propuesta se describen a continuación dos esquemas,
representados en las Figuras 1, 2 y 3. Los dos primeros sólo se
diferencian en el sistema de captación solar, de torre central y
receptor volumétrico de aire en la Figura 1 y de colectores
lineales parabólicos con fluido térmico en la Figura 2. El de la
Figura 3, incorpora, en lugar de un apoyo con biomasa, un apoyo con
la energía residual de los gases de escape de una turbina de
gas.
En la Figura 1 puede apreciarse como la
radiación solar concentrada por el campo de heliostatos (1) en el
receptor volumétrico (3) emplazado en una torre central (2) sirve
para calentar un flujo recirculado de aire a presión prácticamente
atmosférica (4), con lo que se genera un flujo de aire caliente
(5), que en condiciones de sol nominal se bifurca hacia el
almacenamiento térmico (6) y hacia la caldera de vapor (11). Un
generador de aire caliente (7) a partir de la combustión de biomasa
(8) con aire (9) permite generar un caudal adicional de aire
caliente que también se aporta a la caldera de vapor (11). Los
gases de combustión de escape (10) se evacuan, pudiendo utilizarse
de diversas formas conocidas. La planta puede diseñarse para que
con radiación solar nominal este generador de aire caliente con
biomasa esté también en marcha, a carga parcial o total, o parado,
mediante un adecuado dimensionamiento del ciclo de vapor. Los
elementos de regulación y control indicados, ventiladores (21) y
compuertas (22), permiten regular los caudales de aire e incluso el
sentido de circulación en el caso del almacenamiento térmico. En
este ejemplo se ha supuesto un ciclo de vapor con recalentamiento
intermedio, sin perjuicio de que pueda emplearse asimismo un ciclo
simple de vapor de agua o cualquier otro ciclo de vapor. El vapor
de alta presión sobrecalentado (12) generado en la caldera (11) se
conduce al cuerpo de alta presión de la turbina de vapor (13),
donde se expande a una presión intermedia, a la que se recalienta en
caldera, conduciéndose a continuación el vapor al cuerpo de baja de
la turbina (14). Ambos cuerpos de turbina se muestran conectados a
un alternador eléctrico (16) a través de un reductor (15). El vapor
exhaustado por la turbina se conduce a un condensador (18) para su
condensación con agua de refrigeración y el condensado se bombea
mediante una bomba de condensado (19) al desaireador (17), que
recibe vapor de la línea de presión intermedia. Desde el desaireador
se bombea el agua de alimentación a la caldera (11) mediante la
bomba de alimentación (20).
En la Figura 2 puede apreciarse como la
radiación solar concentrada por el campo de colectores lineales
parabólicos (23) sirve para calentar un fluido térmico (24) que se
conduce a un calentador de aire (25), en el que se calienta un flujo
recirculado de aire a presión prácticamente atmosférica (4), con lo
que se genera un flujo de aire caliente (5). Tras el proceso de
cesión de calor en el calentador de aire (25) el fluido térmico
relativamente frío (26) se conduce a un tanque de expansión (27) y
desde éste se bombea mediante la bomba de recirculación (28) al
campo de colectores lineales parabólicos (23), completándose así el
circuito del fluido térmico. El resto de la instalación representada
como ejemplo en esta Figura 2 coincide exactamente con la parte
correspondiente de la Figura 1.
En la Figura 3 puede apreciarse como los gases
de escape (31) de la turbina de gas (29) se mezclan con el flujo de
gases calientes (5) procedente de calentador de gases (25), antes de
la entrada del flujo mezcla de gases en la caldera de vapor (11).
La turbina de gas (29) opera con aire atmosférico (32) y consume gas
natural (30). Una parte del flujo de gases de salida de la caldera
(11) se deriva mediante un ventilador (21) al ambiente, para
equilibrar el circuito de gases. En este caso todo el circuito de
transmisión y almacenamiento de energía térmica operaría con gases
calientes en lugar de aire caliente. Todos los puntos restantes
coinciden con los de la Figura 2, con dicha
salvedad.
salvedad.
Claims (12)
1. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa, empleando un ciclo de
vapor de agua, caracterizado porque la caldera del ciclo se
alimenta con un flujo de aire caliente de media temperatura,
inferior a 600°C, obtenido a partir de la energía solar y con un
flujo de aire caliente obtenido a partir de la energía térmica de
la combustión de la biomasa, retornándose el aire de salida de la
caldera a los sistemas de calentamiento de aire con energía solar y
biomásica.
2. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con la
reivindicación 1ª caracterizado porque se dispone de
dispositivos de regulación y control para poder alimentar la caldera
de vapor con aire caliente de origen solar o biomásico de forma
independiente o combinada.
3. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con la
reivindicación 1ª caracterizado porque se dispone
adicionalmente de un almacenamiento de energía térmica de elementos
sólidos estáticos, que puede cargarse con aire caliente de origen
solar o biomásico, de forma independiente o simultánea, y generar
aire caliente para alimentar la caldera de vapor.
4. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con las
reivindicaciones 1ª y 3ª caracterizado porque se dispone de
dispositivos de regulación y control para poder alimentar la caldera
de vapor con aire caliente de origen solar o biomásico o del
almacenamiento térmico, de forma independiente o combinando dos de
las fuentes o las tres.
5. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con la
reivindicación 1ª caracterizado porque el flujo de aire
caliente de origen solar se obtiene mediante un receptor volumétrico
de aire que recibe la radiación solar procedente de un campo de
heliostatos.
6. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con la
reivindicación 5ª caracterizado porque el receptor
volumétrico es de tipo cavidad.
7. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con la
reivindicación 1ª caracterizado porque el flujo de aire
caliente de origen solar se obtiene mediante un cambiador de calor
alimentado por fluido térmico procedente de un campo de
concentradores lineales.
8. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con la
reivindicación 5ª caracterizado porque el sistema de
captación se compone de más de un campo de heliostatos con sus
correspondientes receptores centrales.
9. Procedimiento de generación de electricidad a
partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con la
reivindicación 8ª caracterizado porque cada receptor tiene
asociado su correspondiente equipo de almacenamiento térmico.
10. Procedimiento de generación de electricidad
a partir de energía térmica solar y biomasa de acuerdo con las
reivindicaciones 8ª ó 9ª caracterizado porque los flujos de
aire caliente y de retorno de cada receptor y/o almacenamiento
térmico se conducen a una caldera de vapor única.
11. Procedimiento de generación de la
electricidad a partir de energía térmica solar y energía térmica
residual empleando un ciclo de vapor de agua, caracterizado
porque la caldera del ciclo se alimenta con un flujo de gas caliente
de media temperatura, inferior a 600°C, obtenido a partir de la
energía solar y con un flujo de gas caliente residual exhaustado
por un equipo de generación eléctrica a partir de combustible,
retornándose una parte del flujo mezcla de salida de la caldera al
sistema de calentamiento de gas con energía solar y evacuándose el
resto a la atmósfera.
12. Procedimiento de generación de la
electricidad a partir de energía térmica solar y energía térmica
residual, empleando un ciclo de vapor de agua, caracterizado
porque la caldera del ciclo se alimenta con un flujo de aire
caliente de media temperatura, inferior a 600°C, obtenido a partir
de la energía solar y con un flujo de aire caliente generado en un
cambiador exhaustado por un equipo de generación eléctrica a partir
de combustible, retornándose el aire de salida de la caldera a los
sistemas de calentamiento de aire con energía solar y residual.
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Cited By (6)
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