Un método para convertir energía solar térmica obtenida en una primera región a energía de potencia motriz usada en una segunda región,

teniendo la segunda región una cantidad de radiación solar menor que la de la primera región, incluye: sintetizar amoníaco a partir de aire y agua usando, como fuente de energía, sólo la energía solar térmica adquirida en la primera región; transferir el amoníaco desde la primera región a la segunda región; y quemar el amoníaco en la segunda región de tal forma que se produzcan nitrógeno y agua, obteniendo de este modo la energía de potencia motriz.

Método para convertir energía solar térmica.

Campo técnico

El reciente calentamiento global se convierte en un problema cada vez más serio y llega a tener una posibilidad de amenazar la supervivencia humana en el futuro. La principal causa de ello es considerada el dióxido de carbono (CO₂) liberado a la atmósfera a partir de los combustibles fósiles que han sido usados en gran cantidad como fuente de energía en el siglo 20. Por consiguiente, se cree que no se permitirá el uso continuado de combustibles fósiles en un futuro próximo. Por otro lado, el aumento de la demanda de energía con el rápido crecimiento en los países llamados en desarrollo tales como China, India y Brasil lleva al temor de que el agotamiento de petróleo y gas natural, hasta ahora considerados inextinguibles, resulte una realidad.

Si esta situación continúa, como se espera totalmente también desde la reciente y repentina subida del precio del petróleo, los combustibles fósiles tales como el petróleo y el gas natural no podrán ser usados como fuente de energía barata dentro de veinte a treinta años. Consiguientemente, se ha solicitado encontrar una nueva fuente de energía y un nuevo combustible que ni emita dióxido de carbono, ni dependa del combustible fósil limitado.

Técnica anterior

Como energía alternativa para reemplazar la energía de combustibles fósiles tales como petróleo y gas natural, se están haciendo estudios actualmente sobre la energía del carbón, la energía de la biomasa, la energía nuclear, y la energía natural, tal como la energía eólica y la energía solar.

En el caso de usar energía del carbón como energía alternativa, se libera una gran cantidad de dióxido de carbono por la combustión del carbón y esto ya se ha dicho que resulta ser un problema. Para resolver este problema, se ha propuesto recoger el dióxido de carbono de la combustión del carbón y almacenar el dióxido de carbono recogido bajo tierra, y están siendo llevados a cabo numerosos proyectos de investigación con relación a este asunto. Sin embargo, el almacenamiento estable a largo plazo del dióxido de carbono no es seguro y también, los lugares adecuados para su almacenamiento están distribuidos de modo desigual. Además, el elevado coste requerido para la recuperación y transferencia del dióxido de carbono y la inyección del dióxido de carbono bajo tierra resultarán un problema. Además, la posibilidad de que la combustión de carbón genere un problema medioambiental debido a la generación de óxido de azufre (SO₄), humo y similares resultará también un problema.

La energía de la biomasa como energía alternativa, particularmente el biocombustible que principalmente comprende etanol, está atrayendo mucha atención. Sin embargo, es necesaria una gran cantidad de energía para la producción y concentración de etanol a partir de las plantas, y esto es a veces desventajoso desde el punto de vista de la eficiencia energética. Además, en el caso de usar maíz, soja, caña de azúcar o similares como materia prima para biocombustible, como estos son usados desde luego como comida y alimento, se incurre en una escalada del precio de comida y alimento. Por consiguiente, la biomasa no puede ser considerada como una fuente de energía sustancial excepto para regiones tales como Brasil.

El uso de energía nuclear como fuente de energía alternativa no se espera que tenga un progreso grande y mundial, debido a que no se ha encontrado una solución satisfactoria para el tratamiento de residuos radiactivos procedentes de las centrales nucleares y hay muchas opiniones contrarias basadas en el temor a la proliferación nuclear. En su lugar, el uso de energía nuclear como energía alternativa disminuirá a largo plazo con un aumento de la abolición de los reactores nucleares viejos.

Como se ha descrito antes, toda la energía del carbón, energía de la biomasa y energía nuclear no se puede decir que tengan éxito en la resolución de los problemas de sostenibilidad y la generación de dióxido de carbono que conduce al calentamiento global. Consiguientemente, la energía natural tal como energía eólica y energía solar es considerada es considerada como una fuente de energía ideal.

En relación al uso de energía eólica como energía alternativa, las centrales de generación de energía eólica se han extendido recientemente por todo el mundo. Sin embargo, los lugares adecuados que tienen un viento estable y sin peligro de tifones, huracanes, tormentas eléctricas o similares, o en los que el ruido generado desde un molino de viento no resulte un problema, son limitados. Por consiguiente, la energía eólica es insuficiente por sí misma, aunque sea un fuerte candidato para la energía alternativa.

Se cree que la energía solar es una energía natural más estable e intensiva como energía alternativa. Particularmente, hay extensos desiertos cerca del ecuador denominados el Cinturón del Sol del globo, y la energía solar ahí es casi inagotable. A este respecto, se ha asumido que puede obtenerse tanta energía como 7.000 GW mediante el uso de un pequeño porcentaje del área de los desiertos que se extienden en el área suroeste de los Estados Unidos de Norteamérica, y que la totalidad de la energía para todos los seres humanos puede ser suministrada mediante el uso de sólo un pequeño porcentaje del área de los desiertos de la Península Arábiga y del Norte de África.

De este modo, la energía solar es muy potente como energía alternativa, sin embargo, desde un punto de vista de uso práctico, se ha considerado necesariamente resolver los problemas de que (1) la densidad de energía de la energía solar es baja y (2) el almacenamiento y transferencia de energía solar son difíciles.

Como para el problema de que la densidad de energía de la energía solar es baja, se ha propuesto una resolución recogiendo la energía solar por medio de un colector masivo. Sin embargo, el almacenamiento y transporte de la energía solar son muy difíciles en particular cuando la distancia de transporte es larga y la cantidad de energía es grande.

La energía solar es convertida generalmente en energía eléctrica como energía secundaria directamente mediante una célula solar o indirectamente mediante una turbina de vapor o similar, y convertida así en una forma conveniente para uso y transporte. Cuando la energía solar es convertida en potencia eléctrica, la energía de la potencia eléctrica puede ser transferida a una línea de transmisión de potencia eléctrica, y por ello el problema de transferencia de energía es superado en principio. Sin embargo, en el caso en el que una central para obtener energía de potencia eléctrica a partir de energía solar es instalada en una región desértica rica en energía solar, una línea nueva de transmisión de potencia eléctrica de alta capacidad necesita ser construida y mantenida, pero esto es difícil en muchos casos. Además, se ha pensado que es muy difícil transferir la energía de potencia eléctrica obtenida a partir de energía solar, por ejemplo en una central en una región desértica a otro continente o isla a través del océano.

El almacenamiento de la energía eléctrica a veces resulta un problema. El desarrollo de una batería para almacenar energía eléctrica es un tema principal existente previamente y está siendo seguido en todo el mundo. Sin embargo, incluso la batería de iones de litio más avanzada no es satisfactoria con respecto al almacenamiento de una gran cantidad de energía eléctrica, y una batería en particular para una gran cantidad de energía eléctrica necesita ser desarrollada en términos de seguridad. También, en la central para obtener energía de potencia eléctrica a partir de energía solar, se requieren una unidad de almacenamiento térmico masivo, una caldera auxiliar y similar, así como la batería, en caso de que la generación de energía resulte difícil debido al mal tiempo o similar, y esto constituye un enrome coste de construcción.

También se han hecho estudios para convertir energía solar como la energía primaria a hidrógeno como la energía secundaria, y sintetizar amoníaco, metano o similares usando el hidrógeno obtenido como una materia prima (Publicación de Patente Japonesa Abierta Nº 2006-319291).

El hidrógeno está atrayendo la atención como energía limpia, pero de modo similar a la energía eléctrica, su almacenamiento es un problema fundamental. Para el suministro a una célula de combustible, se ha realizado recientemente...

1. Un método para convertir energía solar térmica obtenida en una primera región a energía de potencia motriz usada en una segunda región, teniendo la segunda región una cantidad de radiación solar menor que la de la primera región, que comprende: sintetizar amoníaco a partir de aire y agua usando, como fuente de energía, sólo la energía solar térmica adquirida en la primera región; transferir el amoníaco desde la primera región a la segunda región; y quemar el amoníaco en la segunda región de tal forma que se produzcan nitrógeno y agua, obteniendo por ello la energía de potencia motriz.

2. El método según la reivindicación 1ª, en el que en la operación de transferencia, el amoníaco es usado como un combustible para obtener al menos una parte de la energía eléctrica y/o potencia motriz necesaria para realizar la transferencia.

3. El método según la reivindicación 1ª o 2ª, en el que el nitrógeno y el agua producidos en la operación de combustión son liberados a la atmósfera y reutilizados como fuente de amoníaco en la operación de síntesis.

4. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 3ª, en el la energía de potencia motriz es adquirida usando un motor de combustión interna.

5. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que la operación de sintetizar el amoníaco comprende: (1) realizar una reacción para producir hidrógeno a partir de agua usando una parte de la energía solar térmica adquirida; y, (2) realizar una reacción para sintetizar amoníaco a partir del nitrógeno y del hidrógeno obtenidos en la operación (1), usando otra parte de la energía solar térmica adquirida.

6. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 5ª, en el que al menos una parte de la energía eléctrica y/o energía de potencia motriz necesaria para realizar la operación de síntesis es obtenida usando la energía solar térmica adquirida.

7. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 6ª, en el que al menos una parte de la energía eléctrica, energía de potencia motriz y/o calor necesario para realizar la operación de síntesis es obtenida usando el amoníaco sintetizado como un combustible.

8. El método según cualquiera de las reivindicaciones 5ª a 7ª, en el que en la operación (1), la reacción para producir hidrógeno a partir de agua es realizada usando la energía solar térmica adquirida directamente como una fuente de calor.

9. El método según la reivindicación 8ª, en el que al menos una parte de la energía solar térmica usada como una fuente de calor en la operación (1) es obtenida mediante un colector parabólico con forma de plato y/o un colector solar de tipo torre.

10. El método según la reivindicación 6ª o 7ª, en el que en la operación (1), la reacción para producir hidrógeno a partir de agua es realizada usando la energía eléctrica como una fuente de calor.

11. El método según la reivindicación 6ª o 7ª en el que en la operación (1), la reacción para producir hidrógeno a partir de agua es realizada electrolizando agua con el uso de la energía eléctrica.

12. El método según la reivindicación 10ª u 11ª en el que la energía solar térmica es adquirida por un colector parabólico de tipo artesa.

13. El método según cualquiera de las reivindicaciones 5ª a 12ª, en el que en la operación (2), el amoníaco es sintetizado a partir de nitrógeno e hidrógeno usando la energía solar térmica adquirida directamente como una fuente de calor y/o como una fuente de potencia motriz.

14. El método según la reivindicación 13ª, en el que la energía solar térmica usada como una fuente de calor en la operación (2) es obtenida por un colector parabólico de tipo artesa.

15. El método según cualquiera de las reivindicaciones 5ª a 7ª, en el que en la operación (1), la reacción para producir hidrógeno a partir de agua es realizada usando la energía solar térmica adquirida directamente como una fuente de calor; al menos una parte de la energía solar térmica usada como una fuente de calor en la operación (1) es obtenida por un colector parabólico con forma de plato y/o un colector solar de tipo torre; en la operación (2), la reacción para sintetizar amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno es realizada usando la energía solar térmica adquirida directamente como una fuente de calor y/o como una fuente de potencia motriz; y, la energía solar térmica usada como una fuente de calor en la operación (2) es obtenida por un colector parabólico de tipo artesa.

16. El método según la reivindicación 6ª o 7ª, en el que el nitrógeno es obtenido sometiendo el aire a una separación criogénica usando la energía eléctrica y/o la potencia motriz.

17. El método según cualquiera de las reivindicaciones 5ª a 15ª, en el que el nitrógeno es obtenido quemando el hidrógeno obtenido en la operación (1) para consumir el oxígeno del aire.

18. Un método para usar energía solar térmica obtenida en una primera región, como energía de potencia motriz usada en una segunda región, teniendo la segunda región una cantidad de radiación solar menor que la de la primera región, que comprende: sintetizar amoníaco a partir de aire y agua usando, como fuente de energía, sólo la energía solar térmica adquirida en la primera región; y, transferir el amoníaco a la segunda región con el fin de obtener energía de potencia motriz quemando el amoníaco de tal forma que se produzca nitrógeno y agua.

19. Un método para usar energía solar térmica obtenida en una primera región, como energía de potencia motriz usada en una segunda región, teniendo la segunda región una cantidad de radiación solar menor que la de la primera región, que comprende: recibir, en la segunda región, amoníaco sintetizado a partir de aire y agua usando, como fuente de energía, sólo la energía solar térmica adquirida en la primera región; y, quemar el amoníaco de tal modo que el nitrógeno y el agua sean producidos en la segunda región, obteniendo por ello energía de potencia motriz.

20. Un método para convertir energía solar térmica obtenida en una primera región en energía de potencia motriz usada en una segunda región, teniendo la segunda región una cantidad de radiación solar menor que la de la primera región, que comprende: recoger la luz solar para adquirir energía solar térmica por medio de un aparato de adquisición de energía solar térmica en la primera región; sintetizar amoníaco a partir de aire y agua usando, como fuente de energía, sólo la energía solar térmica adquirida por un aparato de síntesis de amoníaco en la primera región; licuar el amoníaco por medio de un aparato de licuación de amoníaco en la primera región; transferir el amoníaco licuado por medio de un aparato de transporte de amoníaco desde la primera región a la segunda región; y quemar el amoníaco por medio de un aparato de generación de energía de potencia motriz en la segunda región de tal modo que se produzca nitrógeno y agua, obteniendo por ello energía de potencia motriz.