ES2823808T3 - Procedimiento y dispositivo para el almacenamiento de energía en una solución alcalina - Google Patents

Abstract

Procedimiento para el almacenamiento de energía en una solución alcalina mediante desorción (1) de vapor de agua a partir de una solución alcalina pobre y mediante absorción (2) de vapor de agua en una solución alcalina rica, combinándose los circuitos de solución alcalina con circuitos de portadores de calor acuosos primarios y secundarios (1.4, 2.2), de manera que, - por una parte, el calor necesario para la desorción (1), procedente de un circuito de portador de calor primario (1.4), se transfiera (1.1) de forma recuperativa a la solución alcalina y el calor disipado se sustituya en el circuito de portador de calor mediante aportación recuperativa de calor y/o comprimiéndose (1.10) el vapor de agua (1.24) que se produce en la desorción de la solución alcalina e integrándose en el circuito de portador de calor mediante condensación (1.5) en el mismo o condensándose el valor de la desorción (1) con la finalidad de evaporar un elemento de trabajo de bombeo de calor externo, y, - por otra parte, de manera que el calor que se genera en la absorción se transfiera de la solución alcalina a un circuito de portador de calor secundario acuoso (2.2) y que el agua integrada en el portador de calor se elimine de nuevo del mismo mediante evaporación rápida (2.3) a través del vapor saturado, poniéndose a disposición el trabajo técnico necesario para la compresión (1.10) del vapor de desorción (1.24) mediante conversión de energía eléctrica y utilizándose la capacidad de trabajo técnico del vapor saturado de la evaporación rápida (2.3), que se genera durante la absorción (2), por medio de una máquina de expansión (7, 8) para la generación de energía eléctrica, extrayéndose el vapor necesario para la absorción (2) de una primera máquina de expansión (7), aportándose a la fase de proceso de absorción (2) e integrándose en la solución alcalina, y secándose (7.1) el vapor extraído de la máquina de expansión (7) antes de la aportación para la absorción (2) mediante transferencia de calor recuperativa.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y dispositivo para el almacenamiento de energía en una solución alcalina

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para el almacenamiento de energía en una solución alcalina, como hidróxidos metálicos o sales metálicas preferiblemente en forma de soluciones acuosas, especialmente en sosa cáustica, mediante desorción y absorción de vapor de agua.

El ámbito de aplicación de la invención es el almacenamiento de energía eléctrica y/o térmica en los sistemas de suministro de energía en los municipios, en el comercio, en la industria y en el transporte, con el propósito de equilibrar la oferta y la demanda de energía eléctrica y térmica, mediante la conversión de las centrales de vapor, de turbinas de gas y de motores y de las centrales combinadas eléctricas y de calefacción, así como de las centrales fotovoltaicas y eólicas en centrales eléctricas de acumulación o en centrales térmicas de acumulación.

La tarea principal del suministro de energía en el siglo XXI consiste en la sustitución de los combustibles fósiles y nucleares por la energía solar renovable. En el presente caso, el término "energía solar renovable" debe servir para distinguir entre los combustibles fósiles y los combustibles nucleares, dado que actualmente los combustibles nucleares reprocesados también se denominan en algunos casos energía "renovable". En la actualidad, las instalaciones más conocidas para convertir la energía solar renovable en energía eléctrica son las plantas de energía fotovoltaica, eólica e hidroeléctrica. En el marco de la presente aplicación, los términos energía solar renovable y energía renovable se utilizan como sinónimos en el sentido de la definición anterior. En el estado de la técnica, la realización de esta sustitución se ve dificultada por tecnologías insuficientes para el almacenamiento de energía, aunque existen numerosas soluciones y propuestas técnicas. La necesidad de almacenamiento de energía en la industria energética actual resulta del comportamiento de los consumidores de energía que, a pesar de todos los esfuerzos, no cambiará significativamente en el futuro. Hasta ahora, la tarea del almacenamiento de energía se ha resuelto principalmente mediante el almacenamiento de combustibles fósiles y nucleares antes de la conversión y aplicación de la energía y mediante procedimientos de conversión de energía que pueden controlarse en cuanto a su rendimiento y que pueden seguir el desarrollo de carga (también denominado perfil de carga o curva de carga) de los sistemas de suministro de energía, es decir, el curso temporal de la energía consumida (por ejemplo, de la energía eléctrica o gaseosa) durante un período de tiempo.

Por el contrario, los acumuladores de energía entre la conversión de combustibles fósiles y nucleares y los consumidores de energía, como las plantas de acumulación por bombeo, los acumuladores térmicos, así como los acumuladores y baterías eléctricas, son actualmente menos importantes. Dado que las futuras e importantes fuentes de energía de la industria de la energía solar renovable, como especialmente la radiación solar y la energía eólica, sólo están disponibles temporalmente y no pueden almacenarse, el futuro sistema de suministro de energía estará determinado por los métodos de almacenamiento previstos entre la conversión de la energía solar renovable y los consumidores de energía.

Sin embargo, también es necesario crear posibilidades para el almacenamiento de sobrecapacidades temporales en la economía energética convencional, es decir, en el sector energético operado con combustibles como el carbón, el gas, incluidos el gas natural y el biogás, o con combustibles nucleares.

En el estado de la técnica están disponibles procedimientos y tecnologías con este objetivo, especialmente en lo que respecta a los costes, el rendimiento y la disponibilidad, pero que no pueden cumplir satisfactoriamente la tarea.

La consecuencia es que se limita la expansión de la energía renovable y que tanto las centrales eléctricas convencionales, como también las centrales eólicas y fotovoltaicas se desconectan, aceptándose pérdidas económicas a fin de evitar sobrecargas de la red.

Por este motivo, con el documento EP 1987299 A0 se propuso un proceso cíclico reversible en el que mediante una bomba de calor se "mezcla" la exergía con la anergia para producir un calor sensible con un nivel calorífico para calefacción, almacenándose el mismo antes de que la exergía se agote de nuevo como consecuencia de un proceso de energía conforme a la demanda (es decir, según el desarrollo de la carga). La aplicación práctica ha demostrado que los compresores de bombas de calor y las máquinas de expansión disponibles sólo permiten un grado de recuperación de aproximadamente el 50%. Se espera una mejora a partir del desarrollo de turbomáquinas especiales.

Se obtienen resultados similares con los acumuladores de aire comprimido que en última instancia también almacenan calor sensible para que la caída de presión acumulada del aire pueda utilizarse eficazmente.

El motivo consiste en que, al almacenar calor sensible, además de la exergía también debe almacenarse la anergia, lo que tiene como consecuencia un trabajo de almacenamiento específicamente reducido y, por consiguiente, acumuladores de gran tamaño.

La forma óptima de almacenamiento de exergía puede lograrse mediante la conversión de la energía renovable en portadores de energía química, por ejemplo, hidrocarburos como el metano, la gasolina, el queroseno, el gasóleo y el aceite combustible, así como alcoholes como el metanol y el etanol, que son compatibles con la infraestructura ya existente, como se describe, por ejemplo, en el documento WO 2008/014854 A1. Por el contrario, el almacenamiento de energía renovable en forma de hidrógeno puro como solución general no resulta conveniente. El mismo requiere una nueva infraestructura con un bajo grado de recuperación. La unión química entre el hidrógeno y el carbono es en principio el método más eficaz para almacenar hidrógeno. Por ejemplo, en 1 m3 de gasóleo se unen de forma estable 1200 m3 de hidrógeno a presión ambiente y, según el documento WO 2008/014854 A1, los procedimientos de este tipo pueden alcanzar un grado de recuperación de hasta el 70%.

No obstante, la conversión de energía renovable en portadores de energía químicos y su almacenamiento con el propósito de utilizar estos combustibles para el encendido de procesos de energía conocidos por el estado de la técnica para la generación de electricidad con los rendimientos usuales de la tecnología, que dan lugar a rendimientos totales de recuperación de electricidad del 25 al 35%, no resulta apropiada. Teniendo en cuenta las pérdidas de energía de la red eléctrica, para este tipo de almacenamiento resulta la necesidad de poner a disposición de 5 a 10 MWh de energía renovable por cada MWh de energía eléctrica recuperada, lo que multiplica los costes de generación de electricidad en comparación con el uso directo de la electricidad.

Probablemente el mejor método conocido de almacenamiento de exergía es la central de acumulación por bombeo que puede realizar un trabajo eléctrico de aproximadamente 1 kWh/m3 de agua por m3 de agua a una altura de caída de 400 m. Los inconvenientes de este método radican en que no siempre hay espacio para las centrales eléctricas de acumulación por bombeo, así como en los altos costes de explotación y las drásticas intervenciones en la naturaleza.

Este problema se soluciona con el documento EP 2067942 A2 mediante el aprovechamiento del cambio isotérmico en el estado agregado del dióxido de carbono a temperatura ambiente para la formación de una diferencia de presión con la presión ambiente. La ventaja de este método es la independencia de la ubicación. La desventaja es el elevado coste de material para el almacenamiento del agua bajo presión, en relación con la energía del agua almacenada, que también puede indicarse como 1 kWh/m3 de agua en caso de uso del calor ambiente para la evaporación y la condensación del dióxido de carbono.

El documento US 4,691,522 A describe variantes de un procedimiento de absorción para la generación de electricidad con la ayuda de un circuito de soluciones acuosas, cuya concentración se reduce cíclicamente mediante desorción del vapor de agua y se aumenta de nuevo a la concentración inicial mediante absorción del vapor de agua.

El documento US 5,419,145 A se refiere a la optimización de las sustancias activas para sistemas de refrigeración por sorción o instalaciones de bombas térmicas por medio de aditivos que deben aumentar la difusión de la temperatura de la sustancia activa y, por lo tanto, la absorción específica, por ejemplo, del vapor de agua, en el ciclo del proceso, así como los valores de transferencia de calor.

El documento US 2008/0053127 A1 se refiere a los sistemas de bombas de calor de vapor para el aumento de la presión del vapor de un generador de vapor con el fin de suministrar a un consumidor una presión de vapor estable mediante el retorno del vapor comprimido al generador de vapor a través de un controlador de masa.

El documento DE 102007006512 A1 se refiere a los procedimientos cíclicos sin emisiones y a los dispositivos para el almacenamiento de energía y/o para la conversión controlada de esta energía en trabajo, utilizándose para el almacenamiento de energía un sistema de equilibrio dinámico adecuado, cuyos componentes se pueden separar mediante un proceso Carnot.

El objetivo y la tarea de la invención son las centrales eléctricas de acumulación o las centrales térmicas de acumulación a las que se les aporta energía de forma cíclica con el propósito de cargar energéticamente sustancias almacenables que se almacenan de un modo materialmente modificado, que se retiran del acumulador conforme a las necesidades y que se devuelven a su estado original liberando energía, es decir, un proceso cíclico reversible. Estas sustancias deben ser capaces de almacenar energía con una alta densidad y una gran capacidad durante largos períodos de tiempo y el dispositivo debe poder realizarse utilizando equipos y materiales de trabajo conocidos en la industria, especialmente en la tecnología de las centrales eléctricas y de la industria química.

Por este motivo, la invención se refiere especialmente a un procedimiento y a un dispositivo para el almacenamiento de energía en una solución alcalina, con el objetivo de calificar la energía renovable, especialmente la energía procedente de centrales eólicas y plantas fotovoltaicas, para el suministro conforme a la demanda (es decir, de acuerdo con el desarrollo de la carga) de los consumidores, y/o también para el almacenamiento de sobrecapacidades temporales de la industria energética convencional, es decir, la industria energética que funciona con combustibles como el carbón, el gas, incluidos el gas natural y el biogás, o con combustibles nucleares, mediante la absorción y desorción de vapor de agua en o a partir de soluciones alcalinas, por ejemplo, la sosa cáustica, realizándose el acoplamiento de la energía eléctrica mediante accionamientos eléctricos para la compresión del vapor resultante de la desorción y llevándose a cabo la recuperación de la energía acoplada mediante el aprovechamiento del calor de absorción para una generación de vapor, por ejemplo, a través de una generación de agua caliente para una evaporación rápida y a través de una expansión del vapor rápido al nivel de presión de absorción.

La ventaja de la invención consiste en el almacenamiento de energía independiente de la ubicación con una alta densidad de energía, en comparación con el estado de la técnica, hasta una capacidad de trabajo que hasta ahora sólo se ha logrado con plantas de acumulación por bombeo de agua.

Según la invención, la tarea se resuelve combinando un circuito de solución alcalina con uno o varios circuitos de agua. En este caso, el procedimiento según la invención funciona preferiblemente mediante el acoplamiento y desacoplamiento de vapor de agua dentro o fuera de la solución alcalina, que se proporciona mediante acoplamiento de energía térmica y, si es necesario, mediante el trabajo técnico a través de la desorción de vapor de agua de la solución alcalina, liberándose de nuevo durante la absorción energía térmica o trabajo técnico, derivándose el trabajo técnico preferiblemente en forma de energía eléctrica.

En el sentido de la presente invención, como solución alcalina se consideran los compuestos que tienen la propiedad de absorber y desorber el agua (vapor) de forma reversible, como los hidróxidos metálicos o las sales metálicas preferiblemente en forma de soluciones acuosas, preferiblemente soluciones acuosas de tierra alcalina o soluciones de hidróxido metálico alcalino o soluciones de haluros, especialmente soluciones acuosas de hidróxido de sodio, hidróxido de potasio o bromuro de litio.

En el marco de la presente invención resulta fundamental que en un proceso cíclico alcalino (es decir, un proceso de sorción con soluciones alcalinas, especialmente hidróxidos metálicos/sales metálicas, preferiblemente sosa cáustica y (vapor de) agua) no se libera energía química como consecuencia de la conversión de materias, de manera que sólo la energía de enlace entre la solución alcalina, como el hidróxido metálico/sal metálica, y el agua esté disponible para el trabajo técnico. Esta energía de enlace, las temperaturas de ebullición isobárica y la eficiencia de Carnot aumentan con la concentración creciente de la solución alcalina. En el caso de las soluciones alcalinas, también resulta la posibilidad de transferir de forma recuperable el calor liberado mediante absorción en concentraciones más altas a una desorción en concentraciones más bajas o al agua, liberando así vapor de agua a una presión más alta con respecto a la absorción que puede utilizarse como vapor de absorción una vez realizado el trabajo técnico.

Las fases del proceso de desorción y absorción según la invención funcionan convenientemente de forma isobárica con temperaturas de ebullición deslizantes preestablecidas por los límites de concentración de la solución alcalina aportada y evacuada y por el nivel de presión elegido de la desorción y/o la absorción.

La diferencia de temperatura entre la temperatura de condensación del vapor de desorción y de la solución alcalina pobre durante la desorción es, por ejemplo, de 30 K a una presión de vapor de agua de 1 bar, con una concentración de solución alcalina suministrada de 0,40 kg NaOH/kg de solución alcalina, y de 95 K entre la solución alcalina evacuada con 0,74 kg NaOH/kg de solución alcalina. En el caso de la absorción, las relaciones de concentración de la solución alcalina suministrada y evacuada se invierten, pero la diferencia de temperatura es la misma.

Según la invención, la combinación se configura mediante la desorción cíclica de vapor de agua de un circuito de solución alcalina con una aportación recuperativa del calor de desorción a la solución alcalina desde un proceso cíclico de portador de calor, siendo el portador de calor preferido el agua a presión (proceso cíclico primario de agua), y mediante la absorción cíclica de vapor de agua en la solución alcalina con evacuación recuperativa del calor de absorción de la solución alcalina a un proceso de circuito de refrigeración, también preferiblemente con agua a presión, pero que se utiliza como refrigerante (proceso cíclico secundario del agua), disipándose de nuevo el calor de absorción absorbido por el refrigerante del proceso cíclico de agua mediante evaporación rápida de presión escalonada con el vapor rápido y aportándose el calor necesario para la desorción al proceso cíclico primario de agua directamente o de forma recuperativa por medio de la condensación del vapor de agua comprimido de presión escalonada de la desorción. Según la invención, en los circuitos de calefacción y refrigeración también pueden utilizarse como portadores de calor elementos de trabajo fluidos eléctricamente conductores, en los que se puede condensar el vapor de agua o en los que el agua se puede evaporar y cuya presión se puede aumentar y reducir por medio de los campos magnéticos.

Además, según la invención, el vapor de la evaporación rápida (en lo sucesivo: vapor rápido) se expande, liberándose el trabajo técnico, y aportándose a continuación al menos parcialmente a la solución alcalina como vapor de absorción.

Según la invención, resulta ventajoso, por una parte, cargar el vapor de agua con aerosoles de agua antes o después de la compresión mediante inyección de agua a una temperatura superior a la temperatura de condensación del vapor, de manera que el vapor esté disponible como vapor saturado seco antes o después de la compresión, y, por otra parte, secar el vapor rápido, presente como vapor húmedo después de la expansión, por medio de un calentamiento recuperativo con vapor rápido o de expansión, caracterizado por una temperatura de condensación que es al menos 2 K más alta, antes de su introducción en la solución alcalina como vapor de absorción.

La parte característica del procedimiento según la invención consiste en que la diferencia de entalpía específica media del vapor rápido es mayor que la del vapor de agua expulsado de la solución alcalina durante la desorción en el estado de vapor saturado (en adelante: de desorción), lo que tiene como consecuencia que el flujo másico del vapor de desorción es mayor que el vapor rápido seco disponible del proceso cíclico secundario del agua después de la expansión, por lo que este flujo másico de vapor rápido seco es insuficiente para la absorción cíclica y, por consiguiente, insuficiente para asegurar el balance de materias del proceso reversible de desorción/absorción.

De aquí surge la tarea de la invención de proponer medidas que incrementen el flujo másico de vapor de absorción, que aseguren el balance de materias del procedimiento y que sincronicen el balance de energía de los subprocesos.

Según la invención, esto se consigue utilizando más vapor de desorción del necesario para el calentamiento de la desorción o comprimiendo todo el vapor de desorción e integrándolo de forma escalonada en el circuito de agua de calefacción, condensándolo allí y calentando más masa de agua de la necesaria para el calentamiento de la desorción y aumentando la masa de agua del circuito de agua primario en la masa del vapor de desorción. Este exceso de agua caliente se descarga del circuito de agua primario, por ejemplo, en un acumulador por capas para agua a presión, y desde allí, conforme a la necesidades, se aporta adicionalmente a través del circuito de agua secundario a la evaporación rápida, de manera que durante la absorción se pueda separar un flujo másico de vapor del circuito de agua como vapor rápido que, después de la expansión que realiza su trabajo técnico y de la separación de condensado o del secado, aún corresponde al menos al flujo másico de vapor necesario para asegurar el balance de materias estequiométrico para la absorción en el circuito de solución alcalina reversible.

Gracias a la carga según la invención del vapor a comprimir o del vapor comprimido con aerosoles de agua se consigue que la potencia calorífica del vapor saturado después de la compresión sea más alta que el calor necesario del circuito de agua de calefacción de la fase de proceso de desorción, es decir, el calor necesario de la desorción en el circuito de solución alcalina acoplado. Esto vuelve a tener la consecuencia de que es preciso comprimir un flujo de masa más alto, comparado con el vapor de desorción, con el propósito de calentar el flujo de agua en el circuito de calentamiento de la desorción. Según la invención, esto se realiza ventajosamente inyectando agua del agua del circuito (alimentación de agua de calefacción) presente después de la inyección de vapor y/o del retorno de agua de calefacción, por lo que, al inyectar agua de alimentación más caliente en lugar de agua del retorno, la masa de vapor a comprimir y, por lo tanto, la potencia calorífica del vapor de la compresión de vapor (bomba de calor de vapor de agua) aumentan. El aumento del flujo másico de vapor de calefacción puede regularse mediante un control de la temperatura del agua de inyección, por ejemplo, mediante la adición de agua de alimentación al agua de retorno.

Según la invención, mediante la inyección de agua con una temperatura más alta que la temperatura del vapor saturado, el vapor a comprimir se carga con aerosoles de agua, de manera que, después de la compresión, el vapor esté disponible al menos como vapor saturado seco.

Dado que, de acuerdo con la tarea de la invención, el almacenamiento de energía, la desorción y la absorción no funcionan simultáneamente, sino con un retraso de tiempo con acumuladores intercalados para la solución alcalina y el agua, no es posible transferir al mismo tiempo la energía térmica, aportada al circuito de agua durante la desorción y no necesaria para la desorción, a la evaporación rápida que, según la invención, tiene lugar durante la absorción. Por este motivo, en los circuitos de agua de las fases de proceso de desorción y absorción se integra, según la invención, un acumulador por capas de agua de calefacción. Durante la desorción, el agua de calefacción del flujo de agua de circulación se aporta desde arriba a este acumulador a una temperatura superior a la temperatura de ebullición de la solución alcalina rica. Esta aportación desplaza la misma masa de agua del acumulador por capas a través de un desagüe colocado en el extremo inferior del acumulador por capas. Durante la absorción, esta masa de agua se aportaba desde abajo al acumulador por capas mediante la evaporación rápida de agua del circuito enfriada al menos a la temperatura de ebullición de la última fase rápida, con el objetivo de presionar a su vez hacia arriba la misma masa de agua de calefacción aportada durante la desorción fuera del acumulador por capas y aportarla a la evaporación rápida por medio del circuito de agua secundario.

El agua del circuito de refrigeración desplazada del acumulador por capas durante la desorción y enfriada mediante la evaporación rápida se utiliza según la invención para el precalentamiento recuperativo de la solución alcalina pobre a aportar a la desorción, aportándose el agua desplazada del acumulador por capas durante la absorción a la evaporación rápida a una temperatura superior a la del agua del circuito de refrigeración después de la primera fase de la evaporación rápida.

De aquí se deduce que resulta conveniente dividir los circuitos de agua de las fases de proceso de desorción y absorción en circuitos primarios y secundarios, enfriándose el agua en el circuito secundario de la fase del proceso de absorción mediante evaporación rápida, de manera que la temperatura del agua sea al menos 2 K inferior a la temperatura de ebullición de la solución alcalina pobre y pueda absorber completamente el calor de absorción, y calentándose el circuito de agua primario de la fase de proceso de desorción mediante inyección o condensación escalonadas del vapor comprimido al menos a una temperatura que sea al menos superior a la temperatura de ebullición de la solución alcalina rica.

En resumen: el circuito de agua secundario de la fase de proceso de desorción tiene la tarea de absorber el vapor de la desorción, de condensarlo y de calentar la desorción, y el de la fase de proceso de absorción tiene la tarea de absorber el calor de absorción y de asegurar una masa de vapor necesaria para la absorción mediante evaporación rápida, teniendo en cuenta la expansión que realiza el trabajo técnico posterior.

La expansión del vapor rápido que realiza el trabajo conduce a la zona de vapor húmedo. Desde el punto de vista termodinámico, resulta ventajoso eliminar la humedad del vapor antes de utilizar el vapor rápido expandido como vapor de absorción, lo que reduce el flujo másico del vapor de absorción, o bien secar o sobrecalentar el vapor húmedo mediante la aportación de calor de recuperación, por ejemplo, mediante la condensación del vapor de extracción a partir de la expansión del vapor con una temperatura de condensación al menos 1 K superior a la del vapor de absorción, o a partir de una absorción parcial del vapor rápido expandido. El sobrecalentamiento del vapor se lleva a cabo según la invención hasta una temperatura que permita una expansión del vapor hasta el vapor saturado seco.

Por consiguiente, el procedimiento según la invención se caracteriza por circuitos de solución alcalina y de agua acoplados material y energéticamente, de manera que sus balances de materias y de energía puedan ser equilibrados y cerrados.

Según la invención, el proceso cíclico de la solución alcalina se caracteriza por que

- la proporción de agua en la solución alcalina se ajusta de forma reversible mediante desorción y absorción cíclicas con vapor de agua al menos entre dos concentraciones, una más baja (solución alcalina pobre) y una más alta (solución alcalina rica), que caracterizan la temperatura de ebullición inferior y superior de la solución alcalina correspondiente a la concentración (mediante la energía de unión entre la solución alcalina, como el hidróxido metálico/sal metálica, y el agua),

- el calor necesario para la desorción se transfiere de forma recuperable desde un circuito de agua a la solución alcalina pobre, con lo que la temperatura del circuito de agua desciende al menos 1 K por encima de la temperatura de ebullición de la solución alcalina pobre, comprimiéndose el vapor de desorción producido en el proceso, ventajosamente en varias fases, y condensándose en el circuito de agua, mediante inyección en el circuito de agua o mediante inyección de agua del circuito en el vapor comprimido, elevando así la temperatura del circuito de agua al menos 1 K por encima de la temperatura de ebullición de la solución alcalina rica,

- el calor de absorción se transfiere de la solución alcalina al agua del circuito de refrigeración, calentando el mismo y enfriándose el circuito de agua calentado mediante evaporación rápida, ventajosamente en varias fases, formando vapor de agua a al menos 1 K por debajo de la temperatura de ebullición de la solución alcalina pobre, y obteniéndose al mismo tiempo el vapor necesario para la absorción del circuito de agua mediante evaporación rápida, teniendo en cuenta una posterior expansión de vapor que realiza su trabajo técnico.

De aquí resulta que, según la invención, el circuito de agua primario y el circuito de agua secundario y el circuito de solución alcalina se acoplan mediante un acumulador por capas de agua de calefacción y mediante un acumulador de cámara (también llamado acumulador de producto), que funciona preferiblemente bajo presión ambiental, para las soluciones alcalinas pobre y rica, así como para el agua, caracterizándose los mismos, por una parte, por

- la disipación recuperativa del calor sensible del circuito de calentamiento de agua de la fase de proceso de desorción al circuito de solución alcalina con el fin de desorber el vapor de agua de la solución alcalina,

- por el calentamiento del circuito de calentamiento de agua de la desorción mediante condensación del vapor de agua, aumentado mediante la compresión de vapor de agua con presión aumentada y su integración en el circuito de agua primario de la desorción del circuito de solución alcalina, o mediante condensación del vapor externo o del calor externo,

- por la carga de un acumulador por capas de agua mediante la aportación desde arriba de agua del circuito de agua de la desorción, que no es necesaria para calentar la desorción y calentada mediante condensación de vapor, desplazándose y descargándose simultáneamente del acumulador por capas de agua hacia abajo agua enfriada mediante evaporación rápida del circuito de refrigeración de agua de la absorción,

- por el enfriamiento del agua desplazada del acumulador por capas de agua durante la desorción mediante la transferencia de calor recuperativa de su calor sensible a la solución alcalina pobre que fluye hacia la desorción y mediante el almacenamiento del agua enfriada en un acumulador de producto, y

por otra parte, caracterizados por

- el calentamiento recuperativo del agua en el circuito de refrigeración de la absorción mediante la transferencia a la solución alcalina del calor sensible de la absorción del vapor de agua,

- por el enfriamiento del agua del circuito de refrigeración de la absorción y del agua de calefacción de la fase de proceso de desorción aportada desde el acumulador por capas de agua integrado mediante la generación de vapor rápido de una o varias fases y la evacuación desde abajo del agua enfriada mediante evaporación rápida, que no es necesaria para enfriar la fase de proceso de absorción, al acumulador por capas de agua, desplazándose hacia arriba el mismo flujo másico de agua de calefacción desde el acumulador por capas y aportándose a la evaporación rápida,

- por el desacoplamiento del trabajo técnico mediante la expansión del vapor rápido al nivel de presión de la absorción y por la puesta a disposición del flujo másico de vapor de agua necesario para la absorción cíclica al nivel del flujo másico de vapor de desorción,

- por la conversión del vapor rápido, a aportar a la absorción, del estado de vapor húmedo al estado de vapor saturado seco o del vapor sobrecalentado mediante el calentamiento recuperativo a través del circuito de agua, y por una absorción parcial del vapor rápido, con una presión más alta que la del vapor de absorción, del vapor de extracción o por la aportación de calor externo.

Los balances de materias y de energía tanto de los circuitos de agua según la invención, como también del circuito de solución alcalina deben corresponder a un proceso cíclico térmico materialmente cerrado en el que el acoplamiento de la energía se lleva a cabo mediante un proceso de bombeo de calor de vapor de agua y mediante el desacoplamiento de la energía por medio de un proceso de energía de vapor de agua, suministrando el circuito de solución alcalina el elemento de trabajo para el proceso de bombeo de calor en forma de vapor de desorción y suministrando el circuito de agua el vapor de agua necesario para la absorción.

El procedimiento según la invención también se caracteriza por que la compresión del vapor de desorción tiene lugar en al menos dos pasos. El primer paso sirve para elevar la presión de vapor hasta al menos una presión de ebullición que corresponde a la de la temperatura de ebullición inferior del circuito de solución alcalina, mientras que en el segundo paso de la compresión la presión de vapor se eleva hasta la presión de ebullición que está por encima de la misma y que corresponde al menos a la temperatura de ebullición superior de la solución alcalina.

Por lo tanto, el procedimiento se caracteriza por tres niveles de temperatura que definen según la invención el control del proceso. Éstos son la temperatura de condensación del vapor de desorción, así como la temperatura de ebullición inferior y superior de la solución alcalina dependientes de la concentración y de la presión del vapor.

Según la invención, los circuitos de agua pasan por al menos dos etapas de presión, determinándose las etapas de presión del circuito de agua primario mediante las etapas de presión de la inyección de vapor y determinándose las etapas de presión del circuito de agua secundario mediante las de la evaporación rápida, así como las temperaturas de ebullición de la solución alcalina. La temperatura de ebullición superior en el circuito de agua primario debe ser más alta que la temperatura de ebullición de la solución alcalina rica.

El aumento escalonado de la presión según la invención en el proceso cíclico de agua primario permite entre el agua de retorno y el agua de alimentación

- una compresión preferiblemente escalonada del vapor de desorción, comprimiéndose en el primer paso la presión del vapor que corresponde al menos a la temperatura de ebullición más baja de la solución alcalina y,

- por consiguiente, la inyección escalonada según la invención de agua del retorno de agua y de la alimentación de agua con el propósito de aumentar el flujo másico de vapor y de reducir el esfuerzo de compresión.

Según la invención, en relación con el desacoplamiento de energía del procedimiento resulta característico que el agua del circuito de agua, calentada durante la absorción junto con el agua almacenada durante la desorción, se somete a una evaporación rápida de una o varias fases, expandiéndose el vapor rápido así formado con una calidad de vapor saturado en una o más fases liberando el trabajo técnico. Dado que esta expansión, que realiza el trabajo, siempre conduce a la zona de vapor húmedo del vapor y que la conversión de energía tiene como consecuencia no sólo pérdidas de superficie del dispositivo, sino también pérdidas de exergía y, por lo tanto, un aumento de la entropía, durante la expansión del vapor según la invención se produce, además del vapor condensado, un flujo parcial de vapor que puede expandirse ventajosamente bajo la presión de ebullición de la solución alcalina, por lo que no resulta adecuado para la puesta a disposición como vapor de absorción pero pudiendo incorporarse a la solución alcalina en un absorbedor de calor de calefacción con una disipación de calor o pudiendo condensarse a temperatura ambiente. El condensado de vapor así generado debe aportarse de nuevo al circuito de agua.

De aquí resulta la siguiente tarea que, según la invención, se resuelve expandiendo el vapor saturado de la evaporación rápida en varias fases a la presión de ebullición de la absorción y aportándolo a la misma, mientras que el vapor restante se expande a la temperatura ambiente en una expansión posterior y se condensa o se aporta a un uso externo, por ejemplo, el suministro de calor de calefacción, devolviéndose su condensado al circuito de agua. El retorno del condensado puede, según la invención, reemplazarse por una aportación de agua externa.

Según la invención, una parte de la solución alcalina rica generada cíclicamente mediante desorción también debe cargarse con vapor de agua externo, especialmente con vapor rápido procedente del enfriamiento de agua de refrigeración y residual, así como agua de mar, el calor de absorción debe disiparse de forma recuperativa como calor de calefacción y el agua suministrada con estos vapores debe descargarse del procedimiento y aportarse a un uso externo, por ejemplo, un tratamiento de agua potable.

El alto grado de recuperación pretendido de la energía acoplada requiere, teniendo en cuenta el estado sólido de la solución alcalina, el almacenamiento de la solución alcalina pobre y de la solución alcalina rica a bajas temperaturas, preferiblemente a temperatura ambiente o superior. La temperatura de almacenamiento depende especialmente de la capacidad de transporte, es decir, de la viscosidad dinámica de la solución alcalina. Por ejemplo, resulta conveniente almacenar la sosa cáustica rica a temperaturas superiores a unos 60°C, preferiblemente no inferiores a unos 70°C, a fin de garantizar una capacidad de transporte (capacidad de bombeo) suficiente. Según la invención, esto se asegura mediante la transferencia recuperativa del calor sensible de la solución alcalina que sale de la desorción o de la absorción a la solución alcalina que fluye hacia ésta, integrándose el circuito de agua en este intercambio de calor recuperativo para garantizar el balance térmico.

El procedimiento según la invención permite un funcionamiento de la absorción y de la desorción a diferentes presiones. Sin embargo, si se trabaja en el rango de presión negativa, parece ventajoso, a fin de evitar el vacío del vapor de agua en los circuitos de agua, transferir el calor de condensación del vapor de desorción a un proceso de bombeo de calor con un elemento de trabajo externo, como el dióxido de carbono, el dióxido de azufre o similar, y transferir el calor para la desorción de estos elementos de trabajo directamente a la solución alcalina, al circuito de agua o a otro portador de calor. Lo mismo se aplica análogamente a la absorción.

Según la invención, el trabajo técnico necesario para la compresión del vapor de desorción se proporciona mediante la conversión de energía eléctrica, la capacidad de trabajo técnico del vapor saturado de la evaporación rápida, que se produce durante la absorción, se utiliza para la generación de energía eléctrica a través de una máquina de expansión, el vapor necesario para la absorción se toma de una primera máquina de expansión, se aporta a la fase de proceso de absorción y se incorpora a la solución alcalina, y el vapor tomado de la máquina de expansión se seca mediante transferencia de calor recuperativa antes de su aportación para la absorción.

De acuerdo con una forma de realización, la máquina de expansión es una turbina de vapor de la que se extrae el vapor necesario para la absorción, aportándose el mismo de nuevo a la solución alcalina. El vapor tomado de la turbina se seca según la invención mediante transferencia de calor recuperativa antes de su aportación para la absorción.

Conforme a otra forma de realización preferida, el vapor no necesario para la absorción se expande en una turbina de vapor de baja presión y se condensa a temperatura ambiente mediante la disipación recuperativa de su calor de condensación.

Según la invención, preferiblemente una parte del vapor rápido se absorbe en la solución alcalina rica a una presión más alta que la del vapor de absorción, utilizándose el calor de absorción para el sobrecalentamiento del vapor saturado de la evaporación rápida o sobrecalentándose el vapor saturado de la evaporación rápida mediante la aportación recuperativa de calor de un circuito de agua.

Otra forma de realización preferida se configura de manera que el calor se extraiga del procedimiento en forma de vapor de desorción o de vapor de la evaporación rápida o en forma de agua de alimentación o de retorno y se aporte para su utilización externa, compensándose una eventual pérdida de agua con agua externa.

Según la invención, para la absorción también se utiliza preferiblemente el vapor de una evaporación externa de agua, aportándose el agua así suministrada al procedimiento como condensado para su utilización externa.

Otra forma de realización preferida se configura de manera que el vapor de la desorción no se comprima directamente, sino que se condense con el fin de evaporar un elemento externo de trabajo de una bomba de calor.

El dispositivo según la invención o el sistema según la invención para el almacenamiento de energía se caracteriza por que al menos un reactor para la desorción y para la absorción de vapor de agua a partir de o en la solución alcalina es atravesado por un circuito de agua a presión, enfriándose allí de forma recuperativa durante la desorción hasta aproximadamente la temperatura inferior de ebullición de la solución alcalina y calentándose de nuevo de forma recuperativa durante la absorción hasta aproximadamente la temperatura superior de ebullición. Esto también se aplica a los circuitos de agua divididos, pudiendo tener en tal caso las temperaturas de ebullición superior e inferior de la solución alcalina diferentes niveles en dependencia de la presión de desorción o de absorción.

Otra característica del dispositivo según la invención/del sistema según la invención consiste en que el acoplamiento de la energía eléctrica se realiza mediante compresión en una o varias fases del vapor de desorción antes de su introducción en el circuito de agua a presión, donde se condensa. En el primer paso de la compresión de varias fases del vapor de desorción, que eleva el nivel de presión del vapor de desorción a partir de la presión de vapor de la desorción por encima de la presión correspondiente a la temperatura de ebullición de la solución alcalina pobre y a partir de la presión del circuito de agua a presión, se inyecta agua del circuito de agua a presión con el propósito de enfriar el vapor y de aumentar el flujo másico de vapor, mientras que a partir de la segunda fase de la compresión de varias fases, la presión de vapor se eleva con la última fase de compresión por encima de la presión correspondiente a la temperatura de ebullición de la solución alcalina rica.

Según la invención, el calentamiento del circuito de agua en un calentamiento directo de agua se realiza progresivamente mediante la introducción de vapor comprimido o mediante la inyección de agua del circuito en el vapor comprimido. Para ello, la presión en el circuito de agua a presión se incrementa progresivamente de acuerdo con la presión de vapor disponible. El aumento progresivo de la temperatura del circuito de agua a presión mediante la introducción y la condensación de vapor de agua da lugar a que el agua de inyección tomada del circuito de agua a presión se devuelva al circuito de agua a presión, de manera que la masa del agua en el circuito de agua a presión sólo aumente teóricamente en la masa del vapor de desorción.

Sin embargo, los cálculos de los balances de materias y de energía han demostrado que el agua del circuito de la desorción no siempre puede absorber el calor de condensación del vapor de desorción comprimido. Según la invención, en tal caso el agua enfriada se extrae del acumulador por capas desde abajo en la evaporación rápida del circuito de agua secundario y se aporta al circuito de agua primario.

Según la invención, la absorción del calor de absorción en el circuito de agua es posible, sometiendo su agua a una evaporación rápida de presión escalonada que proporciona un flujo másico de vapor que corresponde al menos al del vapor de desorción, llevándose a cabo el último paso de la evaporación rápida bajo una presión que corresponde a la temperatura de ebullición de la solución alcalina pobre. Por consiguiente, después de la última fase de evaporación rápida es necesario aumentar de nuevo la presión en el circuito de agua a presión hasta una presión que corresponda al menos a la temperatura de ebullición de la solución alcalina rica o a la presión en el acumulador por capas de agua.

En resumen resulta que el circuito de agua necesario para el calentamiento de la desorción isobárica (circuito de calefacción o circuito de agua primario) se ajusta, como es habitual en el caso del precalentamiento del agua de alimentación en las centrales eléctricas, mediante la introducción de vapor de agua con presión aumentada, proporcionado por la bomba de calor de vapor de agua, en el agua de circuito o mediante la inyección de agua de circuito en condensadores de vapor de presión escalonada, lo que según la invención permite para la configuración del dispositivo el uso de equipos conocidos por el estado de la técnica en las centrales eléctricas. La disipación del calor de la absorción isobárica en el circuito de agua utilizado (circuito de refrigeración o circuito de agua secundario) con evaporación rápida escalonada, que se enfría evacuando el vapor rápido a una turbina de vapor y que finalmente se regenera a través de la absorción del calor de absorción al nivel de temperatura, también permite en la configuración del dispositivo el uso de equipos conocidos por el estado de la técnica.

La turbina de vapor expande el flujo másico proporcionalmente más alto del vapor rápido aportado hasta el nivel de presión de la absorción, liberando el trabajo técnico, aportando este vapor expandido al reactor como vapor de absorción, donde se incorpora a la solución alcalina rica formando la solución alcalina pobre y evacuándose del reactor con la solución alcalina pobre. El vapor de contrapresión de la turbina, no necesario para la absorción, se aporta a una expansión continua que realiza el trabajo técnico y, a continuación, a una condensación de vapor o a un absorbedor que proporciona calor de calefacción.

Así, el dispositivo según la invención/sistema según la invención incluyen, por una parte, módulos que se componen de

- compresores de vapor de varias fases con inyección de agua,

- calentamiento de varias fases del agua de circuito mediante inyección de vapor comprimido o inyección de agua en los condensadores de vapor,

- recuperadores para el calentamiento o el enfriamiento,

- reactores para la carga y descarga de solución alcalina con o de vapor de agua,

- máquinas de expansión de varias fases,

- acumuladores de producto para solución alcalina pobre, así como para solución alcalina rica y agua, que están conectados al módulo a través de recuperadores que transfieren indirectamente el calor sensible de los flujos de material que salen del reactor a los flujos de material que entran en el reactor.

Del balance energético del procedimiento según la invención resulta que para calentar la desorción sólo es preciso comprimir una parte del vapor de desorción. De aquí resulta la posibilidad de evacuar la otra parte del vapor de desorción para usos externos como, por ejemplo, el suministro de calor y de agua caliente municipal, lo que, no obstante, requeriría como reacción la aportación de vapor externo durante la absorción.

Las ventajas de la invención resultan del uso de elementos de trabajo en forma de solución alcalina y agua y de equipos procedentes de la tecnología de las centrales eléctricas y de la construcción de plantas químicas para el almacenamiento y la recuperación, independientes de la ubicación, de energía en forma de energía eléctrica y calor, preferiblemente de energía renovable y, por consiguiente, en la calificación de la energía renovable, procedente especialmente de los aerogeneradores y de las plantas fotovoltaicas, para el suministro conforme a la demanda. La invención resulta especialmente adecuada para la expansión posterior de la energía renovable y para la reducción de sobrecapacidades, es decir, para el almacenamiento de sobrecapacidades temporales en la conversión de energía convencional de carbón, petróleo, gas y energía nuclear.

La invención se explica mediante el siguiente ejemplo, sin limitarse, sin embargo, a las formas de realización descritas en especial. A no ser que se indique lo contrario o que del contexto resulte forzosamente otra cosa, los porcentajes se refieren al peso, en caso de duda al peso total de la mezcla.

La invención también se refiere a todas las combinaciones de configuraciones y diseños preferidos, a menos que se excluyan mutuamente. Las indicaciones "más o menos" o "aproximadamente" en combinación con una indicación numérica significan que se incluyen al menos un 10% de valores superiores o inferiores o un 5% de valores superiores o inferiores y, en cualquier caso, un 1% de valores superiores o inferiores.

Ejemplo de realización

El procedimiento según la invención y el dispositivo correspondiente se describen a continuación a modo de ejemplo con la ayuda de la figura 1 en el ejemplo de una sosa cáustica (NaOH):

La base para la descripción es una estimación matemática del balance de materias y energético a lo largo de un ciclo de desorción/absorción (Z) en el rango de concentración de una solución alcalina pobre con x¹ = 0,40 hasta una solución alcalina rica con x² = 0,74 kg NaOH/kg de solución alcalina. Con respecto a 1 kg de NaOH esto significa que, en un ciclo, 2,50 kg de solución alcalina pobre se descompone en 1,15 kg de vapor y en 1,35 kg de solución alcalina pobre mediante la aportación recuperativa de calor, y viceversa, que 2,50 kg de solución alcalina pobre se produce mediante la absorción de 1,15 kg de agua en 1,35 kg de solución alcalina rica, disipándose el calor de absorción. En el ejemplo, la presión de ebullición de la solución alcalina está fijada en 1 bar, lo que corresponde a una temperatura de vapor saturado de 100°C. En caso de un funcionamiento isobárico, resultan la temperatura de ebullición de la solución alcalina pobre de 130°C y la temperatura de la solución alcalina rica de 195°C. La temperatura de vapor saturado del vapor de agua y las temperaturas de ebullición de la solución alcalina limitan principalmente los cambios de estado del proceso de bombeo de calor, así como del proceso de energía según la invención.

La desorción y absorción cíclicas se llevan a cabo isobáricamente en dos fases de proceso separadas, la fase de proceso de desorción y la fase de proceso de absorción. El reactor de desorción (1) está equipado con un recuperador (1.1) por el que fluye el agua para el calentamiento de la solución alcalina y con otro recuperador (1.3) por el que fluye la solución alcalina rica para el enfriamiento interno de la solución alcalina rica caliente, que se acumula en el fondo de decantación (1.2) del reactor de desorción (1), de 195°C a 132°C.

El reactor de absorción (2) de la fase de proceso de absorción está dotado de un recuperador (2.1), por el que también fluye el agua, que aporta el calor de absorción a través de un circuito de refrigeración de agua (2.2) a una evaporación rápida de una o varias fases (2.3). Además, en el reactor de absorción (2) se encuentra un recuperador (2.4), a través del cual la solución alcalina rica fluye, para el calentamiento interno de la solución alcalina rica aportada al reactor, a aproximadamente su temperatura de ebullición (2.5) por debajo de la presión de vapor ajustada para la absorción isobárica.

El funcionamiento de desorción y absorción, independiente del tiempo, es posible gracias a la disposición de un acumulador por capas de agua caliente (3) y de un acumulador de producto (4) para la solución alcalina pobre, así como para la solución alcalina rica y el agua.

Esta disposición permite el siguiente modo de funcionamiento:

El agua del circuito de agua de calefacción (1.4), enfriada en el reactor de desorción (1), se reduce, después de la reducción de su presión, a la presión de la primera inyección de vapor (1.5), lo que permite inyectar una parte del vapor de desorción (1.5) comprimido en la primera fase de compresión (1.10), en el ejemplo 0,225 kg de vapor de agua/Z.

El vapor de desorción (1.24) se enfría al estado de vapor saturado antes de su compresión en (1.10) mediante la inyección de agua caliente de la alimentación de agua de calefacción (1.15) del circuito de agua de calefacción (1.4), para lo cual se inyectan 0,038 kg/Z de agua, cargándose a continuación con aerosoles de vapor, que se generan al inyectar el agua caliente en el vapor de desorción (1.16), de acuerdo con una humedad de vapor que mediante la aportación del trabajo de compresión en (1.10) da lugar al estado de vapor saturado del vapor de desorción comprimido (1.5). La inyección del vapor (1.5) en el agua de circuito de presión reducida (1.4) eleva la temperatura del agua de circuito hasta la temperatura de condensación del vapor de inyección (1.5).

Acto seguido, la presión del vapor se eleva mediante por una compresión posterior (1.11 a 1.14) y el agua en el circuito de agua de calefacción (1.4) aumenta hasta respectivamente el nivel de presión que permite inyecciones adicionales (1.6 a 1.9) de vapor en el circuito de agua de calefacción (1.4). En el ejemplo, las etapas de presión en el circuito de agua de calefacción (1.4) y del vapor de inyección (1.5 a 1.9) se caracterizan por las siguientes presiones, 4,2 - 6,2 -8,5 - 11,5 - 15,0 bar. Con la última fase de la inyección de vapor (1.9), la alimentación del circuito de agua de calefacción (1.25) alcanza una temperatura de 197°C.

Los flujos másicos de la alimentación del circuito de agua caliente se aportan repartidos como sigue, 9,0 kg/Z se aportan al recuperador (1.1) del reactor de desorción como agua de calefacción. 0,24 kg/Z se inyectan escalonadamente en el vapor de desorción comprimido con evaporación rápida parcial antes de las fases de compresión (1.10 a 1.14). Mediante esta inyección se ajusta la humedad del vapor antes de estas fases de compresión a 0,12 - 0,08 - 0,03 - 0,02 - 0,025 kg de agua/kg de vapor saturado. Con este modo de funcionamiento, el flujo másico de agua en el circuito de agua de calefacción (1.4) aumenta en 1,89 kg/Z, de los cuales 0,24 kg/Z se utilizan para las inyecciones de agua, incluido el enfriamiento de vapor (1.17). Por consiguiente, en caso de un funcionamiento adiabático de la compresión de vapor, resulta en el ejemplo un excedente de agua de calefacción (3.1) de 1,65 kg/Z que se aporta desde arriba al acumulador por capas de agua caliente (3). Como consecuencia, la misma masa de agua de circuito enfriada (3.2) del circuito de refrigeración de la fase de proceso de absorción se descarga desde el fondo del acumulador por capas de agua de calefacción (3). De este agua (3.2) descargada del acumulador por capas de agua caliente se aportan, a través de (1.21), 0,5 kg/Z al flujo de retorno del circuito de agua de calefacción (1.4) y, por lo tanto, a la inyección de vapor escalonada. La masa de agua residual (1.22) de 1,15 kg/Z correspondiente al flujo másico del vapor de desorción (1.24), que corresponde al condensado del vapor de desorción, se utiliza para el precalentamiento recuperativo (5.2) de un flujo parcial de la solución alcalina pobre (5) a aportar a la desorción que se extrae del acumulador de producto (4) a 65°C aproximadamente, con lo que el flujo másico de agua (1.23) se enfría por debajo de los 70°C antes de su aportación al acumulador de producto (4).

El balance de materias de la fase de proceso de desorción se cierra por medio de la extracción de un total de 2,50 kg de solución alcalina pobre/Z (5) del acumulador de producto (4). Las partes de la solución alcalina pobre se precalientan en el recuperador (5.2) mediante el condensado (1.23) y en el recuperador (5.1) mediante la solución alcalina rica (1.27), que fluye del recuperador (1.3), a una temperatura de mezcla de 127°C (1.26). Después del recuperador (5.1), la temperatura de la solución alcalina rica (5.3) es de aproximadamente 70°C.

Mediante el intercambio del calor sensible del flujo másico de la solución alcalina rica (1.27), que sale del reactor de desorción, y del agua del acumulador por capas de agua de calefacción (1.19), la entrada de calor a través del recuperador (1.1) en el reactor de desorción se reduce a 2.560 kJ/Z. En caso de una diferencia de temperatura entre la alimentación y el retorno del agua de calefacción de 65 K, se calcula un flujo másico de agua de calefacción (1.4), que fluye a través del recuperador (1.1), de 9 kg/Z.

El circuito de agua de calefacción (1.4) según la invención fluye a través del recuperador (1.1) de abajo arriba con el propósito de calentar la desorción, enfriándose su temperatura de 197°C a 132°C. Para la desorción, la solución alcalina pobre precalentada (1.26) se pulveriza en el reactor desde arriba a una temperatura de hasta 127°C, mientras que la solución alcalina rica caliente a 195°C, que se produce mediante la aportación de calor del circuito de agua, se extrae del fondo de decantación del reactor a través del recuperador (1.3) a una temperatura de 132°C y, después de una posterior evacuación recuperadora del calor sensible en (5.1), se aporta al acumulador de producto (4).

Por lo tanto, el balance térmico de la desorción se determina, además de mediante la aportación de calor por el circuito de agua, mediante la entrada de calor a través de la solución alcalina pobre y mediante la descarga de calor a través de la solución alcalina rica, así como del vapor de desorción.

Con las condiciones descritas se requiere un esfuerzo de compresión adiabático de en total aproximadamente 500 kJ/Z para la compresión del vapor enfriado mediante inyección de agua (1.15) y transformado en el estado de vapor húmedo mediante la inyección de agua (1.16) antes de las fases de compresión.

La realización de la fase de proceso de absorción (2) comienza con la aportación del condensado de vapor (4.1), almacenado en el acumulador de producto (4), y de la solución alcalina rica (4.3) al reactor de absorción (2). Ambos flujos de materia se precalientan a 128°C en los recuperadores (6.1 y 6.2) por medio de la solución alcalina rica (2.6) que sale del reactor de absorción (2). El condensado de vapor así precalentado se aporta desde abajo al acumulador por capas de agua de calefacción (3). La solución alcalina rica precalentada llega al recuperador interno de la absorción (2.4) donde se precalienta de nuevo a 192°C antes de pulverizarse (2.5) sobre las superficies del recuperador (2.1).

Mediante la aportación de 1,15 kg de vapor de absorción seco de 1 bar (2.11) al reactor de absorción (2), se establecen las condiciones para la conversión de la solución alcalina rica en solución alcalina pobre disipándose el calor de absorción a través de los recuperadores (2.1 y 2.4). La capacidad de enfriamiento del recuperador (2.1) asciende a aproximadamente 2400 kJ/Z, a partir de los cuales se calcula un flujo másico de agua de refrigeración (2.2) de 8,60 kg/Z con una diferencia de temperatura de 64 K entre la alimentación de agua de refrigeración (2.8) y el retorno de agua de refrigeración (2.9).

Adicionalmente al condensado de vapor precalentado del recuperador (6.1), el agua (2.12) que no se necesita para el circuito de refrigeración (2.8) y que se enfría a 128°C mediante evaporación rápida (2.12), así como los condensados (7.4) se aportan al acumulador por capas de agua de calefacción (3). El flujo másico total del agua aportada desde abajo al acumulador por capas de agua de calefacción (3) corresponde a la masa de agua del proceso de desorción, aportada a través de (3.1), que, debido a la aportación del agua enfriada (3.3) al acumulador por capas de agua de calefacción, se desplaza desde el mismo y se mezcla con el agua de retorno (2.9) del circuito de agua de refrigeración para su absorción.

Por lo tanto, para la evaporación rápida se dispone en total de una masa de agua de 10,25 kg/Z. Mediante la evaporación rápida de cuatro fases (2.3) se pueden generar, a partir de este flujo másico de agua, 1,303 kg de vapor saturado de las etapas de presión 10,0 - 7,0 - 4,2 - 2,5 bar. Cuando estos vapores rápidos se expanden en la máquina de expansión (7) a 1 bar, este vapor puede realizar un trabajo técnico de aproximadamente 360 kJ/Z.

Dado que el vapor rápido está disponible después de la expansión a 1 bar con una humedad de vapor de aproximadamente 0,09 kg/kg, en el ejemplo, el vapor de la turbina de expansión (7) se extrae a aproximadamente 1,1 bar y se condensa en el recuperador (7.1) con el fin de secar el vapor de contrapresión (7.3) necesario como vapor de absorción. El vapor de contrapresión restante (7,2) se expande a temperatura ambiente en una turbina de expansión adicional (8) y se condensa en el condensador (8.2).

En este modo de flujo a flujo, el procedimiento según la invención alcanza en condiciones adiabáticas un grado de recuperación de flujo de aproximadamente el 77%. Mediante el aumento del número de fases rápidas es posible aumentar la eficiencia por encima del 80% incluso en condiciones de compresión y expansión isentrópicas.

Alternativamente a esta expansión del vapor de contrapresión (7.2) hasta la temperatura ambiente, en el ejemplo la expansión puede completarse a una contrapresión más alta, por ejemplo, de 0,1 bar, y el vapor de contrapresión puede aportarse a un absorbedor de calor (8.1) en el que se convierte con la solución alcalina rica (9.1) en solución alcalina pobre (6), evacuándose el calor de absorción a un disipador térmico (8.4) con una temperatura de alimentación de 110°C suficiente para el suministro de calor a distancia. De este modo, el calor con hasta 2400 kJ/kg de vapor de contrapresión se puede desacoplar del proceso de absorción y el grado de recuperación de energía puede aumentarse a más del 90% mediante el modo de calentamiento de energía.

Los parámetros técnico económicos posibles en el uso industrial dependen en gran medida de la calidad de las máquinas para la compresión y la expansión.

En resumen, la invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para el almacenamiento de energía en una solución alcalina con el fin de calificar la energía renovable, especialmente la energía procedente de aerogeneradores y plantas fotovoltaicas, para el suministro conforme a la demanda de los consumidores y/o para el almacenamiento de las sobrecapacidades temporales de la industria energética convencional mediante la absorción y desorción de vapor de agua en o a partir de soluciones alcalinas, por ejemplo, sosa cáustica, realizándose el acoplamiento de la energía eléctrica mediante accionamientos eléctricos para la compresión del vapor de la desorción y llevándose a cabo la recuperación de la energía acoplada mediante el uso del calor de absorción para el calentamiento y la evaporación rápida, así como la expansión del vapor rápido, que realiza el trabajo técnico, hasta el nivel de presión de absorción. La ventaja de la invención consiste en el almacenamiento, independiente de la ubicación, de la energía con una alta densidad de energía en comparación con el estado de la técnica hasta una capacidad de trabajo que hasta ahora sólo se ha logrado mediante centrales de acumulación por bombeo de agua.

Lista de referencias

1 Reactor de desorción

(1.1) Recuperador de desorción/Recuperador de calefacción

(1.2) Fondo de decantación del reactor de desorción

(1.3) Recuperador enfriamiento de solución alcalina

(1.4) Circuito de agua de calefacción (circuito de agua primario)

(1.5) 1. Inyección de vapor

(1.6) 2. Inyección de vapor

(1.7) 3. Inyección de vapor

(1.8) 4. Inyección de vapor

(1.9) 5. Inyección de vapor

(1.10) 1. Fase de compresión

(1.11) 2. Fase de compresión

(1.12) 3. Fase de compresión

(1.13) 4. Fase de compresión

(1.14) 5. Fase de compresión

(1.15) 1. Inyección de agua/Refrigeración de vapor

(1.16) 2. Inyección de agua

(1.17) 3. Inyección de agua

(1.18) 4. Inyección de agua

(1.19) 5. Inyección de agua

(1.20) 6. Inyección de agua

(1.21) Aportación de agua de balance

(1.22) Condensado para el almacenamiento de producto

(1.23) Condensado enfriado para el almacenamiento de producto

(1.24) Vapor de desorción

(1.25) Alimentación de agua de calefacción

(1.26) Aportación de la solución alcalina pobre al desorbedor

(1.27) Evacuación de la solución alcalina rica del desorbedor

(2) Reactor de absorción

(2.1) Recuperador de refrigeración

(2.2) Circuito de refrigeración de agua (circuito de agua secundario)

(2.3) Evaporación rápida escalonada

(2.4) Recuperador interno en absorción para el calentamiento de la solución alcalina rica

(2.5) Aportación de solución alcalina rica

(2.6) Desagüe de solución alcalina pobre

(2.8) Alimentación de agua de refrigeración

(2.9) Retorno de agua de refrigeración

(2.10) Aportación del agua enfriada de la evaporación rápida al acumulador por capas de agua caliente (2.11) Vapor de absorción seco

(3) Acumulador por capas de agua caliente

(3.1) Excedente de agua del circuito de agua primario

(3.2) Evacuación de agua de desplazamiento del acumulador por capas de agua

(3.3) Aportación del excedente de agua del circuito de agua secundario

(3.4) Evacuación del agua de desplazamiento del acumulador por capas de agua

(4) Acumulador de producto de tres cámaras para la solución alcalina pobre, la solución alcalina rica y el agua enfriadas

(4.1) Cámara de almacenamiento de agua

(4.2) Cámara de almacenamiento para solución alcalina pobre

(4.3) Cámara de almacenamiento para solución alcalina rica

(5) Aportación de solución alcalina pobre para la desorción

(5.1) Recuperador de precalentamiento para el 1er flujo parcial de solución alcalina pobre contra solución alcalina rica

(5.2) Recuperador de precalentamiento para el 2° flujo parcial de solución alcalina pobre contra agua

(5.3) Solución alcalina rica refrigerada para el acumulador de producto

(6) Solución alcalina pobre enfriada para el acumulador de producto

(6.1) Recuperador de precalentamiento para agua a través del 1er flujo parcial de solución alcalina pobre (6.2) Recuperador de precalentamiento para solución alcalina rica a través del 2° flujo parcial de solución alcalina pobre

(7) Máquina de expansión

(7.1) Secado del vapor de contrapresión necesario como vapor de absorción

(7.2) Exceso de 1 bar de vapor de contrapresión

(7.3) Vapor de absorción en estado de vapor húmedo

(7.4) Condensado de secado

(8) Máquina de expansión de baja presión con generador eléctrico

(8.1) Absorbedor de calor de calefacción

(8.2) Condensador/Torre de refrigeración

(8.3) Vapor de extracción para el absorbedor de calefacción

(8.4) Disipador térmico

(9) Extracción de solución alcalina rica (70°C) del acumulador de producto

(9.1) Solución alcalina rica precalentada

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para el almacenamiento de energía en una solución alcalina mediante desorción (1) de vapor de agua a partir de una solución alcalina pobre y mediante absorción (2) de vapor de agua en una solución alcalina rica, combinándose los circuitos de solución alcalina con circuitos de portadores de calor acuosos primarios y secundarios (1.4, 2.2), de manera que,

- por una parte, el calor necesario para la desorción (1), procedente de un circuito de portador de calor primario (1.4), se transfiera (1.1) de forma recuperativa a la solución alcalina y el calor disipado se sustituya en el circuito de portador de calor mediante aportación recuperativa de calor y/o comprimiéndose (1.10) el vapor de agua (1.24) que se produce en la desorción de la solución alcalina e integrándose en el circuito de portador de calor mediante condensación (1.5) en el mismo o condensándose el valor de la desorción (1) con la finalidad de evaporar un elemento de trabajo de bombeo de calor externo, y,

- por otra parte, de manera que el calor que se genera en la absorción se transfiera de la solución alcalina a un circuito de portador de calor secundario acuoso (2.2) y que el agua integrada en el portador de calor se elimine de nuevo del mismo mediante evaporación rápida (2.3) a través del vapor saturado,

poniéndose a disposición el trabajo técnico necesario para la compresión (1.10) del vapor de desorción (1.24) mediante conversión de energía eléctrica y utilizándose la capacidad de trabajo técnico del vapor saturado de la evaporación rápida (2.3), que se genera durante la absorción (2), por medio de una máquina de expansión (7, 8) para la generación de energía eléctrica, extrayéndose el vapor necesario para la absorción (2) de una primera máquina de expansión (7), aportándose a la fase de proceso de absorción (2) e integrándose en la solución alcalina, y secándose (7.1) el vapor extraído de la máquina de expansión (7) antes de la aportación para la absorción (2) mediante transferencia de calor recuperativa.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, teniendo lugar la absorción (2) y la desorción (1) entre dos concentraciones de la solución alcalina que caracterizan tanto la solución alcalina pobre y la solución alcalina rica, como también la temperatura de ebullición inferior y superior de la solución alcalina, y que también limitan la temperatura de alimentación y de retorno de los circuitos de portador de calor primario y secundario (1.4, 2.2).

3. Procedimiento según la reivindicación 1 y 2, comprimiéndose en varias fases (1.10 - 1.14) el vapor de agua liberado mediante desorción (1), extrayéndose agua de un circuito de portador de calor primario (1.4) e inyectándose (1.15 -1.20) en el vapor sobrecalentado de la desorción (1) antes de la primera fase de compresión (1.10) y después de cada fase de compresión posterior, de manera que el vapor respectivo se enfríe a la temperatura de vapor saturado o se transforme mediante inyección de agua, antes de la compresión, en vapor húmedo con una humedad de vapor que, por medio de la posterior compresión, da lugar al estado de vapor saturado seco del vapor comprimido.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, poniéndose a disposición el trabajo técnico necesario para la compresión del vapor de desorción (1.24) mediante la conversión de energía eléctrica a través de motores eléctricos o bombas magnéticas y utilizándose la capacidad de trabajo técnico del vapor saturado, que se genera durante la absorción de la evaporación rápida (2.3), para la generación de energía eléctrica por medio de una máquina de expansión mecánica o electromagnética (7, 8).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, expandiéndose además el vapor no necesario para la absorción en una turbina de baja presión u otra máquina de expansión (8) y condensándose (8.2) a temperatura ambiente mediante la disipación recuperativa de su calor de condensación.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, absorbiéndose una parte del vapor rápido en la solución alcalina rica (2.5) y utilizándose el calor de absorción para el sobrecalentamiento del vapor saturado de la otra parte del vapor de la evaporación rápida o sobrecalentándose el vapor saturado de la evaporación rápida mediante la aportación recuperativa de calor de un circuito de agua o de un calor externo.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, integrándose entre el circuito de portador de calor primario y secundario (1.4, 2.2) un acumulador por capas de portador de calor (3).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, llevándose a cabo la integración del vapor de desorción (1.24) en el circuito de portador de calor primario (1.4) mediante condensación y extrayéndose del mismo el agua así suministrada y aportándose a un acumulador por capas de portador de calor (3).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 u 8, extrayéndose de nuevo el agua del acumulador por capas (3) y transfiriendo de forma recuperativa (5.1), después de la desorción de la solución alcalina rica presente (1.27), su calor sensible a la solución alcalina pobre (1.26) que fluye hacia la desorción.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 9, aportándose la solución alcalina rica enfriada de forma recuperativa a la desorción (5.3) y aportándose el agua enfriada (1.23) a un acumulador de cámara (4) del que se extraen de nuevo en una medida necesaria para la absorción (2) y que se precalientan (6.1,6.2) mediante la solución alcalina pobre (2.6) que sale de la absorción, aportándose la solución alcalina rica (9.1) directamente a la absorción y aportándose el agua como masa de desplazamiento (3.3) al acumulador por capas (3).

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, extrayéndose del procedimiento calor en forma de vapor de desorción (1.24) o de vapor de la evaporación rápida (2.3) o en forma de un portador de calor de la alimentación o del retorno de los circuitos de portador de calor (1.25, 2.8, 2.9) o aportándose para su utilización externa como calor de absorción (8.1) y compensándose una eventual pérdida de agua con agua externa (1.21).

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, utilizándose para la absorción (2) también vapor de una fuente externa o de una evaporación rápida externa de agua y aportándose el agua, así suministrada al procedimiento, como consensado a un uso externo, especialmente un tratamiento de agua potable.