Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas y dispositivo empleado,

en donde se utiliza un fluido de una fuente térmica de baja-media temperatura, y en donde la central eléctrica con múltiples fuentes térmicas incluye una turbina o equipo de expansión que trabaja con un fluido motor orgánico, que comprende el precalentamiento del fluido motor orgánico usando el fluido de la fuente térmica de baja-media temperatura y además provee más calor desde una fuente térmica adicional para vaporizar el fluido motor que se suministra a la turbina o equipo de expansión. El dispositivo empleado comprende un intercambiador de calor adecuado para el precalentamiento de un fluido motor orgánico con un fluido geotérmico de baja-media temperatura, y medios de captación de energía solar adecuados para proporcionar calor directa o indirectamente al fluido motor orgánico precalentado para calentar o vaporizar el fluido motor.

Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas y dispositivo empleado.

Sector de la técnica

La presente invención se relaciona con el uso eficiente de fluidos como fuente de calor sensible con temperatura media-baja en conjunto con fuentes térmicas con temperaturas relativamente altas. Más en particular, la invención se relaciona con un método y un sistema novedosos para usar fluidos y/o líquidos geotérmicos con temperaturas bajas y medias, desde pozos geotérmicos, o alternativamente corrientes térmicas industriales en desuso, al hacer uso de estas fuentes junto con la energía solar.

Estado de la técnica

La explotación económica de fuentes térmicas, sin combustibles fósiles y sin fuentes nucleares, para la generación de energía depende de la cantidad del calor disponible, su temperatura y el tamaño de la central eléctrica que puede justificar sus costos de construcción así como también sus costos de operación. Con relación a esto, cuanto menor sea la temperatura de la fuente de energía, mayor será la carga térmica (y por consiguiente mayores serán los intercambiadores de calor) requeridos para una salida de energía dada. Como consecuencia, el costo de la central eléctrica por kW será mayor. En el caso de la energía geotérmica por ejemplo, los campos geotérmicos que comprenden pozos que producen fluido geotérmico de baja temperatura no pueden ser explotados eficiente y económicamente para operar las centrales eléctricas, ya que cuanto menor sea la entalpía del fluido, más costosa se volverá la central eléctrica para una capacidad dada. Debido a esto, los pozos geotérmicos cuyos costos de perforación son sustanciales, generalmente no se explotan con estos fluidos geotérmicos. Además, la temperatura del fluido geotérmico producido por la operación de los pozos geotérmicos puede caer después de algunos años de operación originando una reducción del rendimiento de la central eléctrica geotérmica así como también una posible disminución de la utilidad eléctrica.

La mayoría de las fuentes térmicas con temperatura baja están en forma de calor sensible, el cual se utiliza con mayor eficiencia para el calentamiento previo en las centrales eléctricas con ciclo Rankine. Su uso para vaporizar el fluido motor a temperatura constante en el ciclo de energía no es efectivo (véase la Fig. 1). Con respecto a esto, los fluidos orgánicos requieren menor calentamiento previo que el agua/vapor y de esta forma utilizar con mayor efectividad el calor sensible.

Como consecuencia a esto, no pueden utilizarse efectivamente fluidos con fuentes térmicas de baja temperatura.

En lo que se refiere a plantas de energía solar, su costo depende en gran medida del coste del colector solar o el tamaño del colector solar por kW. Además, a fin de que las plantas de energía solar proporcionen energía continua, necesitan usar un almacenamiento costoso (que requiere de captadores solares de calentamiento líquido adicionales) y/o combustible fósil.

Algunos métodos se han vislumbrado hasta ahora para explotar la baja carga térmica y así la baja introducción desde las fuentes geotérmicas en una forma más eficiente. Las patentes US 4,578,953 y 4,700,543, de Krieger, y Moritz, cuyas enseñanzas se incorporan en la presente invención como referencia, describen una pluralidad de centrales eléctricas independientes con ciclo Rankine cerrado, cada una de estas centrales tiene un vaporizador, operado al aplicar en serie un medio o fluido de la fuente de temperatura media o baja a los vaporizadores de las centrales eléctricas para producir fluidos con fuente térmica agotada. Se proporciona un precalentador a cada vaporizador; y se aplica el fluido de la fuente térmica agotada a todos los precalentadores en paralelo. El fluido de la fuente térmica agotada sirve de esta forma para calentar el fluido de operación a la temperatura de evaporación, mientras que el fluido de la fuente térmica aplicado a los vaporizares suministra el calor latente de vaporización al fluido de operación de la central eléctrica.

Se han hecho intentos en el pasado por combinar la energía geotérmica y solar, pero sin enfocar el problema de optimización de las características específicas de las respectivas fuentes térmicas. Por ejemplo, el documento US 3,950,949 revela un método de operación de una máquina con ciclo de vapor en donde un fluido evaporable se hace circular en un circuito cerrado a través de una primera fuente térmica, una segunda fuente térmica, una máquina de expansión de vapor, un condensador, y de regreso a la primera fuente térmica. El método de operación comprende los pasos del calentamiento del fluido en la primera fuente térmica con una temperatura relativamente baja para vaporizar, al menos, la principal porción del fluido, sobrecalentar el fluido en una segunda fuente térmica a una temperatura T, proveer el fluido a la máquina de expansión de vapor para producir energía y después expulsar el fluido expandido desde la máquina a una temperatura T₂ que es mayor que a la temperatura T. Esta solución describe la combinación del calor geotérmico y el calor solar en una forma que no es eficiente, ya que el propósito es el sobrecalentamiento del fluido en circulación. Actualmente, no se ha hecho ninguna aplicación práctica de este método.

Otro intento por integrar la energía geotérmica y solar se describe en el documento US 4,099,381 donde el transporte de energía y el sistema de conversión se provee para conducir la energía geotérmica sobre amplias distancias evitando la pérdida de calor mediante el uso de la energía solar, a fin de permitir la conversión eficiente de energía geotérmica en una estación central de energía térmica. Sin embargo, el sistema descrito en esta patente no es práctico y es costoso y, además, se diseñó para prevenir la perdida de la energía geotérmica existente, y no para explotar la energía geotérmica con baja entalpía que de otra forma quedaría sin explotar.

Un objetivo de la presente invención es el proveer un método para explotar el fluido geotérmico con baja-media temperatura producida en los pozos geotérmicos a fin de que puede lograrse su explotación económica.

Otro objetivo de la invención es el proveer un método para explotar este fluido geotérmico con calidad baja-media producido en los pozos geotérmicos al combinarlos con el uso de la energía solar en una forma eficiente y económica.

Otro objetivo de la invención es el proveer un sistema que permita que el método de la invención se realice.

Otros objetivos y ventajas de la invención se volverán aparentes conforme avance la descripción.

Objeto de la invención

De acuerdo con la presente invención, se provee un método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas que utiliza un fluido como fuente térmica de baja-media temperatura, en donde la central eléctrica con múltiples fuentes térmicas incluye una turbina o equipo de expansión que trabaja con un fluido motor orgánico, que comprende el precalentamiento del fluido motor orgánico que usa el fluido de la fuente térmica de baja-media temperatura y además provee más calor desde una fuente térmica adicional para vaporizar el fluido motor que se suministra a la turbina o equipo de expansión.

Además, en una modalidad de la presente invención, se proporciona un dispositivo que comprende un intercambiador de calor adecuado para el precalentamiento de un fluido motor orgánico con un fluido geotérmico de baja-media temperatura, y unos medios de captación de energía solar adecuados para proporcionar calor directa o indirectamente al fluido motor orgánico precalentado para calentar o vaporizar el fluido motor.

Además, en otra modalidad de la presente invención, se proporciona un dispositivo que comprende un intercambiador de calor adecuado para precalentar un fluido motor orgánico con corrientes térmicas industriales no utilizadas de baja-media temperatura, y otros medios de captación de la energía solar adecuados para proporcionar calor directa o indirectamente al fluido motor orgánico precaliente para calentar y vaporizar, así como, para sobrecalentar el fluido motor.

Por todo ello la presente invención permite la implementación de centrales eléctricas económicas en diferentes lugares, donde el uso sólo del calor sensible con bajas temperaturas o calor solar por separado no pueden justificarse. Esto es debido al muy alto costo de...

1. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, que utiliza un fluido de una fuente térmica de baja-media temperatura, caracterizado porque la central eléctrica con múltiples fuentes térmicas incluye una turbina que trabaja por medio de un fluido motor orgánico, y en donde el método comprende precalentar el fluido motor orgánico utilizando el fluido de la fuente térmica de baja-media temperatura y después proporcionar calor desde una fuente térmica adicional para vaporizar el fluido motor que se suministra a la turbina.

2. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido motor se evapora utilizando energía solar concentrada.

3. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque previo a la evaporación, una parte de la energía solar se usa para incrementar la temperatura del fluido motor y después se evapora.

4. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque si la cantidad de energía solar suministrada al fluido motor disminuye temporalmente, el fluido motor se evapora por medio de una reducción correspondiente de la presión en un evaporador.

5. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido de la fuente térmica de baja-media temperatura es un líquido geotérmico.

6. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido de la fuente térmica de baja-media temperatura es una corriente térmica industrial en desuso.

7. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura del fluido de la fuente térmica de baja-media temperatura está en el intervalo de 70º-200ºC.

8. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la energía solar se concentra utilizando un colector solar de concentración.

9. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el paso de concentrar la energía solar que utiliza un colector solar de concentración se realiza usando un concentrador con depresión parabólica.

10. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el paso de concentrar la energía solar que utiliza un colector solar de concentración se realiza usando un concentrador Fresnel.

11. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido motor se selecciona del isopentano, n-pentano, butano, propano, hexano, fluido aromático sustituido con alquilo, una mezcla de isómeros de un fluido aromático alquilado y dodecano.

12. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido motor intercambia calor con el fluido de la fuente de calor de baja-media temperatura para producir el fluido motor precalentado.

13. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido motor que se ha precalentado por el fluido de la fuente de calor de baja-media temperatura se calienta por medio de un intercambiador de calor con un aceite térmico que se calienta por medio de la energía solar para proveer calor para vaporizar el fluido motor.

14. Método para operar una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido motor precalentado se calienta directamente aun más por medio de energía solar, para proporcionar calor al fluido motor a fin de que se evapore el fluido motor por evaporación instantánea.

15. Dispositivo para la operación de una central eléctrica con múltiples fuentes térmicas que utiliza un fluido de la fuente térmica de baja-media temperatura, caracterizado porque comprende un intercambiador de calor adecuado para precalentar un fluido motor con un fluido geotérmico de baja-media temperatura, y medios de captación de energía solar adecuados para directa o indirectamente proporcionar calor a un fluido motor para calentar y evaporar el fluido motor, en donde el fluido motor opera una central eléctrica separada con ciclo superior para producir energía a partir de la energía solar.

16. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque el condensador de la central eléctrica separada con ciclo superior opera como un condensador/precalentador para precalentar el fluido motor.

17. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque la porción del fluido motor evaporado en la central eléctrica separada con ciclo superior, que se evapora con el calor de los medios de captación de energía solar, se suministra a un evaporador de una porción inferior de la central eléctrica con múltiples fuentes térmicas operado por un fluido motor orgánico para producir fluido motor orgánico evaporado.

18. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque la otra porción del fluido motor evaporado en la central eléctrica separada con ciclo superior, que se evapora con el calor de los medios de captación de energía solar, se suministra a una turbina para producir energía.

19. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque el fluido motor que opera la central eléctrica separada con ciclo superior comprende agua.

20. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizado porque comprende un recalentador para recalentar el vapor expandido que sale de una turbina de vapor en la central eléctrica separada con ciclo superior usando el fluido geotérmico.

21. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 20, caracterizado porque además comprende otra turbina de vapor para expandir el vapor expandido recalentado suministrado a la otra turbina de vapor desde el recalentador.

22. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende un evaporador para evaporar el fluido motor precalentado utilizando el calor contenido en el fluido geotérmico.

23. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizado porque el fluido motor precalentado comprende un fluido motor precalentado orgánico y además comprende una turbina de fluido motor orgánico para producir energía en la central eléctrica con ciclo inferior.

24. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende un evaporador al cual se suministra fluido motor precalentado desde el condensador/precalentador para producir fluido motor evaporado utilizando el calor del fluido geotérmico.

25. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque el fluido motor evaporado producido que utiliza calor del fluido geotérmico comprende un fluido motor orgánico que se suministra a una turbina de fluido motor orgánico de una central eléctrica con ciclo inferior para producir energía.

26. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 25, caracterizado porque el intercambiador de calor adecuado para precalentar un fluido motor con un fluido geotérmico de baja-media temperatura comprende un precalentador en la central eléctrica separada con ciclo superior para precalentar el fluido motor que es agua previo a su suministro a los medios de captación de energía solar adecuados para proporcionar directa o indirectamente calor a un fluido motor al calentar o evaporar el fluido motor.

27. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 23, caracterizado porque el fluido motor orgánico de la central eléctrica con ciclo inferior se selecciona del isopentano, n-pentano, butano, propano, hexano.

28. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 25, caracterizado porque el fluido motor orgánico de la central eléctrica con ciclo inferior se selecciona del isopentano, n-pentano, butano, propano, hexano.

29. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque los medios de captación de energía solar comprenden un colector solar.

30. Dispositivo, de acuerdo con la reivindicación 29, caracterizado porque el colector solar comprende un concentrador solar.