Procedimiento e instalación para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables.

Procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables que comprende una etapa de conversión de la radiación solar directa en energía térmica a través de un fluido térmico que es calentado al circular por los tubos absorbentes de unos captadores solares de un circuito primario; una etapa de intercambio de calor entre el fluido térmico del circuito primario y el agua de un circuito secundario para generar vapor de agua; y una etapa de turbinado donde el vapor generado en la etapa anterior acciona un turbo-alternador, generándose de este modo energía eléctrica, en el que el vapor generado en la etapa de intercambio de calor, previamente a la etapa de turbinado, es sobrecalentado en una etapa de sobrecalentamiento con el calor producto de la combustión de un gas de síntesis obtenido mediante la gasificación de biomasa

Procedimiento e instalación para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables.

Sector técnico de la invención

La invención se refiere a un procedimiento y a una instalación para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables, y en particular a partir de energía de origen solar y de biomasa; que abarca desde la captación de energía solar y su conversión en energía térmica hasta el posterior turbinado del vapor generado para la generación de energía eléctrica.

Antecedentes de la invención

Entre las diferentes modalidades de instalaciones eléctricas termosolares, las plantas con colectores cilíndrico-parabólicos son las que cuentan actualmente con una mayor experiencia comercial. Este tipo de plantas comprenden un campo solar compuesto generalmente por filas paralelas de colectores cilindro parabólicos que convierten la radiación solar directa en energía térmica por calentamiento de un fluido calefactor, tal como un aceite sintético, que circula por los tubos absorbentes de los colectores solares en un circuito primario. El fluido calefactor calentado es posteriormente enviado a un grupo de intercambiadores de calor fluido/agua mediante el cual se vaporiza el agua de un circuito secundario obteniéndose un vapor sobrecalentado utilizado posteriormente para accionar una turbina de vapor y generar energía eléctrica.

La baja temperatura del vapor sobrecalentado obtenido en este tipo de instalaciones origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina, lo que es contraproducente y acorta la vida útil de la maquinaria. Este problema se soluciona haciendo uso de un recalentamiento, en donde el vapor sobrecalentado procedente de los intercambiadores de calor se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para volver a ser recalentado con el calor residual del fluido térmico a la salida de los intercambiadores o mediante otra una fuente energética. Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presión del condensador. Evidentemente, el ciclo con recalentamiento complica y encarece notablemente la instalación.

Con el objetivo de alcanzar mayores temperaturas de vapor sobrecalentado a la salida de los intercambiadores, existe la tendencia de utilizar aceites sintéticos que trabajan a temperaturas elevadas sin cambiar de fase, es decir sin vaporizar, de modo que pueda transferirse mayor cantidad de energía al agua del circuito secundario en el grupo intercambiador de calor y por lo tanto sobrecalentar el vapor a mayor temperatura. A pesar de esto, las temperaturas no son lo suficientemente elevadas para prescindir de la sección de recalentamiento antes mencionada. Además, esta solución padece de varios inconvenientes entre los que destacan el hecho de que el fluido térmico debe mantenerse a una presión superior a la presión atmosférica, para evitar su vaporización antes de alcanzar las temperaturas de trabajo deseadas, y de que los aceites sintéticos empleados a tal efecto tienen un punto de congelación también elevado. Debido a estos inconvenientes, las instalaciones deben incorporar equipos y sistemas para aumentar y mantener la presión en el circuito primario así como dispositivos de seguridad para calentar las conducciones y evitar la congelación de los aceites térmicos cuando la temperatura ambiental desciende por debajo del punto de congelación de dichos aceites térmicos. A modo de ejemplo, la temperatura habitual de congelación de los aceites utilizados en este tipo de instalaciones es de 10ºC, fácilmente alcanzable en períodos de invierno en instalaciones situadas tanto en climas continentales como en climas prelitorales o litorales en países europeos.

Una alternativa existente para prescindir del recalentamiento es la de utilizar dispositivos auxiliares como complemento del campo solar, tales como calderas de gas, para aumentar la temperatura del vapor obtenido en los intercambiadores. No obstante, la utilización de combustibles de origen no renovable puede resultar un problema en aquellas zonas que no disponen de estos recursos energéticos, habiéndose de habilitar medios para el transporte del combustible, además de que representa un mayor impacto medioambiental, por ejemplo en concepto de emisiones, e implica dar la espalda a una creciente sensibilización en la mejora de la sostenibilidad del actual modelo energético mundial. Por otro lado, las instalaciones que emplean recursos no renovables pueden dejar de resultar competitivas en aquellos mercados energéticos que priman las plantas que utilizan exclusivamente fuentes de energía renovables para la generación de energía eléctrica con incentivos fiscales o ayudas económicas de otro tipo.

Si bien existen centrales termoeléctricas mixtas solar-biomasa que combinan instalaciones termosolares, de aprovechamiento calorífico de la energía solar, con tecnologías de utilización de la biomasa para la generación de electricidad y como suplemento de la energía solar, hasta la fecha tan sólo se han obtenido éxitos relativos en centrales más bien experimentales híbridas que combinan instalaciones solares con receptores volumétricos de aire o con receptores de vapor saturado. En este último caso el vapor saturado producido directamente en el receptor solar es mezclado en el ebullidor de la cámara de combustión de biomasa. Los inconvenientes que presentan este tipo de centrales están relacionados con la obtención de una contribución solar significativa y en cómo resolver los transitorios solares dada la relativamente alta inercia del quemador de biomasa.

Se hace notar pues la falta de un procedimiento y una instalación termosolar para la generación de energía eléctrica suficientemente suplementada o complementada con otra fuente energética, de origen renovable, cuyo rendimiento mejore el de las actuales centrales o instalaciones híbridas.

Explicación de la invención

El procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables objeto de la invención es de los que comprenden una etapa de conversión de la radiación solar directa en energía térmica a través de un fluido térmico que es calentado al circular por los tubos absorbentes de unos captadores solares de un circuito primario; una etapa de intercambio de calor entre el fluido térmico del circuito primario y el agua de un circuito secundario para generar vapor de agua; y una etapa de turbinado donde el vapor generado en la etapa anterior acciona un turbo-alternador, generándose de este modo energía eléctrica.

En esencia, el procedimiento se caracteriza porque el vapor generado en la etapa de intercambio de calor, previamente a la etapa de turbinado, es sobrecalentado en una etapa de sobrecalentamiento con el calor producto de la combustión de un gas de síntesis obtenido mediante la gasificación de biomasa.

Según otra característica de la invención, el fluido térmico del circuito primario se mantiene en estado líquido y la temperatura de trabajo de dicho fluido térmico está comprendida entre -35ºC y 350ºC.

De acuerdo con otra característica de la invención, la presión de trabajo en el circuito primario es igual a la presión atmosférica.

En una realización preferida, el procedimiento comprende una etapa de desgasificación del agua condensada del circuito secundario a la salida de la etapa de turbinado en la que el calor residual de la combustión del gas de síntesis utilizado en la etapa de sobrecalentamiento es empleado para precalentar el agua condensada del circuito secundario antes de ser sometida a la citada etapa de desgasificación.

Según otra característica de la invención, la temperatura del vapor sobrecalentado obtenido de la etapa de sobrecalentamiento está comprendida entre 380 y 500ºC y su presión está comprendida entre 35 y 100 bar.

Según otro aspecto de la invención, también se da a conocer una instalación para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables que comprende un grupo de captadores solares provistos de unos tubos absorbentes que convierten la radiación solar directa en energía térmica por calentamiento de un fluido térmico que circula por los citados tubos absorbentes de los captadores solares en un circuito primario; un sistema de generación de vapor que comprende un evaporador en el que se vaporiza el agua de un circuito secundario por transferencia rencia de calor del fluido térmico del circuito primario; y un turbo-alternador para la generación de energía eléctrica a partir del vapor generado.

En...

1. Procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables que comprende

una etapa de conversión (1) de la radiación solar directa en energía térmica a través de un fluido (2) térmico que es calentado al circular por los tubos absorbentes (32) de unos captadores solares (31) de un circuito primario (3);

una etapa de intercambio (4) de calor entre el fluido térmico del circuito primario y el agua (5) de un circuito secundario (6) para generar vapor (7) de agua; y

una etapa de turbinado (8) donde el vapor generado en la etapa anterior acciona un turbo-alternador (9), generándose de este modo energía eléctrica,

caracterizado porque el vapor generado en la etapa de intercambio de calor, previamente a la etapa de turbinado, es sobrecalentado en una etapa de sobre-calentamiento (10) con el calor producto de la combustión de un gas de síntesis (11) obtenido mediante la gasificación de biomasa (15).

2. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque el fluido (2) térmico del circuito primario (3) se mantiene en estado líquido y porque la temperatura de trabajo de dicho fluido térmico está comprendida entre -35ºC y 350ºC.

3. Procedimiento según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión de trabajo en el circuito primario (3) es igual a la presión atmosférica.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una etapa de desgasificación (12) del agua condensada (5') del circuito secundario (6) a la salida de la etapa de turbinado (8), en la que el calor residual de la combustión del gas de síntesis (11) utilizado en la etapa de sobrecalentamiento (10) es empleado para precalentar dicha agua condensada previamente a su desgasificación.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la temperatura del vapor (7) sobrecalentado en la etapa de sobrecalentamiento (10) está comprendida entre 380 y 500ºC y su presión está comprendida entre 35 y 100 bar.

6. Instalación (30) para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables que comprende:

un grupo de captadores solares (31), provistos de unos tubos absorbentes (32), que convierten la radiación solar directa en energía térmica por calentamiento de un fluido (2) térmico que circula por los citados tubos absorbentes de los capta- dores solares en un circuito primario (3),

un sistema de generación de vapor (33) que comprende un evaporador (34) en el que se vaporiza el agua (5) de un circuito secundario (6) por transferencia de calor del fluido térmico del circuito primario, y

un turbo-alternador (9) para la generación de energía eléctrica a partir del vapor generado,

caracterizada porque comprende además una unidad de gasificación (35) de biomasa y una unidad de sobrecalentamiento (36) en la que se aumenta la temperatura del vapor (7) generado en el sistema de generación de vapor, previamente a su introducción en el turbo-alternador, por transferencia de calor mediante la combustión de gas de síntesis (11) obtenido en la unidad de gasificación de biomasa.

7. Instalación según la reivindicación anterior, caracterizada porque comprende un desaireador (14) o desgasificador del agua condensada (5') del circuito secundario (6) a la salida del turbo-alternador (9), y porque comprende además unos medios para calentar dicha agua previamente a su desgasificación en el desaireador que comprenden un precalentador (37) de agua que recupera el calor residual de la combustión del gas de síntesis (11) empleado en la unidad de sobrecalentamiento (36).

8. Instalación según las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizada porque los captadores solares (31) son colectores cilindro-parabólicos.

9. Instalación según las reivindicaciones 6 a 8, caracterizada porque el fluido (2) térmico que circula por el circuito primario (6) es una mezcla de dibenciltoluenos isómeros, y preferentemente Marlotherm S.