Acumulador de calor de alta temperatura con calefacción por inducción y metal fundido y sistema de interconexión de acumuladores de calor.

Se proponen un acumulador de calor de alta temperatura y un sistema de interconexión de acumuladores de calor.

El acumulador de calor de alta temperatura según la invención tiene una temperatura de funcionamiento por encima de 700ºC. El acumulador de calor de alta temperatura 1 según la invención puede poner a disposición sin más vapor, sea vapor saturado o vapor sobrecalentado, con todos los parámetros necesarios para el funcionamiento de una central térmica convencional.

Acumulador de calor de alta temperatura con calefacción por inducción y metal fundido y sistema de interconexión de acumuladores de calor.

La invención se refiere a un acumulador de calor de alta temperatura con calefacción por inducción, un sistema de interconexión de acumuladores de calor y un procedimiento para el funcionamiento del acumulador de calor de alta temperatura y del sistema de interconexión de acumuladores de calor.

En relación con la invención se usa el término "acumulador" como sinónimo del término "acumulador de calor".

Cuando se acumula energía térmica en forma de calor a alta temperatura se pierde exergía en la carga y la descarga del acumulador de calor. 15

Esta pérdida de exergía se produce dado que el nivel de temperatura con el que se ha cargado el acumulador ya no se alcanza con la descarga del acumulador. La magnitud de este efecto depende de la tecnología de acumulación seleccionada, el medio (portador de calor) utilizado y el diseño de los intercambiadores de calor partícipes. 20

En los acumuladores térmicos utilizados y analizados hasta ahora para las centrales térmicas solares, la carga del material acumulador se realiza por transferencia de calor de un medio portador de calor (por ejemplo, vapor o aire o aceite térmico) al medio acumulador (por ejemplo, sal licuada u hormigón) . En este caso, condicionado por las pérdidas de la 25 transferencia de calor, la temperatura del material acumulador es menor que la temperatura del medio portador de calor que emite el calor. Durante la descarga del acumulador este proceso se realiza en la dirección opuesta. En este caso la temperatura baja otra vez por la transmisión de calor. A consecuencia de ello se originan pérdidas de exergía tanto en la carga como también en la descarga del acumulador 30

En las centrales térmicas se usa desde hace décadas un ciclo de agua - vapor. En este caso el rendimiento del ciclo depende entre otros de los parámetros del vapor (presión y temperatura) a la entrada de la turbina. Cuando así debido a las pérdidas de exergía en un acumulador de calor ya no se consiguen los parámetros de vapor a la entrada de la turbina disminuye la 35 potencia y el rendimiento de la turbina de vapor y por consiguiente también de la central.

Las centrales térmicas en la actualidad no sólo queman combustibles fósiles, sino que con frecuencia el vapor se genera con la ayuda de la radiación solar. En este caso se usan entre otros colectores de reflector parabólico u otros colectores solares de concentración. Para conseguir los parámetros de diseño del proceso de la turbina de vapor en una central solar térmica también con baja radiación solar, con frecuencia se instalan hornos suplementarios 5 como generadores de vapor separados o como hornos de refuerzo con combustibles fósiles.

En el documento DE 21 00 485 A1 se describe un evaporador operado con metal líquido para reactores de flujo rápido. En este caso con la ayuda de sodio líquido se genera vapor saturado para un proceso de la turbina de vapor. La temperatura de fusión del sodio se encuentra en 98 10 ºC. La temperatura de ebullición del sodio es de aproximadamente 880 ºC. La temperatura de vapor en un reactor de flujo rápido se encuentra entre 345 ºC y 545 ºC. La temperatura de vapor antes de la turbina de vapor es de 487 ºC, la presión de vapor se encuentra en 17, 7 MPa (Datos Superphenix I, Francia) . El evaporador está realizado como intercambiador de calor de haz de tubos que en el lado primario admite un metal líquido y debido a la transmisión de calor 15 evapora y sobrecalienta el agua en el lado secundario. El suministro de agua para la licuefacción del sodio tiene lugar en el reactor nuclear.

El documento DE 28 51 197 A1 describe la integración de un sobrecalentamiento intermedio en un transformador de vapor que se hace funcionar con metal líquido. 20

La invención tiene el objetivo de proporcionar un acumulador de calor de alta temperatura que permita elevar, sin el uso de portadores de energía fósiles, el nivel de temperatura del vapor generado en la descarga del acumulador de nuevo al nivel de temperatura necesario para el funcionamiento de la central o incluso por encima. 25

Este objetivo se resuelve según la invención con un acumulador de calor de alta temperatura que comprende un crisol, una calefacción por inducción y una tubería para un portador de calor líquido y/o gaseoso (por ejemplo vapor de agua) , estando lleno el crisol al menos parcialmente con un medio acumulador eléctricamente conductor, calentando la calefacción por inducción el 30 medio acumulador en el estado que recibe corriente y discurriendo la tubería al menos parcialmente a través del medio acumulador.

Este acumulador de calor de alta temperatura según la invención presenta muchos paralelismos a los hornos de inducción, según se usan, por ejemplo, en fundiciones de 35 aluminio. Por ello están disponibles en el mercado muchos componentes, como por ejemplo, el crisol y la calefacción por inducción y están a disposición experiencias de funcionamiento de décadas que se pueden usar para el acumulador de calor de alta temperatura según la invención. Al contrario de en un horno de inducción el crisol no debe ser pivotable, dado que el medio acumulador situado en el crisol y presente en general en estado líquido no se debe cambiar. Además, a diferencia de los hornos de inducción convencionales está presente una 5 tubería que discurre al menos parcialmente a través del medio acumulador. Una peculiaridad del acumulador de calor de alta temperatura según la invención debe verse en que el suministro de calor durante la carga se realiza de otra manera que la evacuación de calor durante la descarga.

Durante el funcionamiento normal, es decir, cuando el medio acumulador está presente en estado líquido, entonces el medio acumulador se calienta con la calefacción por inducción. Este proceso también tiene lugar en un horno de inducción en la fusión y calentamiento del metal situado en el crisol.

Ya que el contenido de exergía de la energía eléctrica usada para el calentamiento del medio acumulador es casi o igual a 1, no existen restricciones termodinámicas respecto a la temperatura de funcionamiento del acumulador de calor de alta temperatura según la invención. Naturalmente se debe tener en cuenta que la temperatura del medio acumulador no es innecesariamente elevada y los componentes del acumulador de calor de alta temperatura, 20 como en particular el crisol y la tubería, no sufren daños por el sobrecalentamiento.

La descarga del acumulador de calor de alta temperatura según la invención se realiza porque en la tubería se conduce un portador de calor líquido o gaseoso. Éste será en general vapor que se introduce en el ciclo de agua - vapor de una central térmica. 25

Dado que el medio acumulador se puede calentar con la calefacción por inducción a una temperatura de, por ejemplo, 770 ºC, es posible sin más calentar el portador de calor (vapor de agua) que fluye en la tubería de una temperatura de entrada de, por ejemplo, 450 ºC a una temperatura de salida de 550 ºC ó 600 ºC. Por consiguiente es posible generar vapor 30 sobrecalentado que se le suministra luego directamente o después de una mezcla con vapor saturado de temperatura más baja a una turbina de vapor.

Ya que la carga del acumulador de alta temperatura según la invención se realiza con energía eléctrica y el medio acumulador tolera temperaturas muy elevadas, el acumulador de calor de 35 alta temperatura según la invención tiene una temperatura de funcionamiento muy elevada.

Puede ser claramente mayor que la temperatura del vapor a la entrada de la turbina. De este modo es posible llevar el vapor a la temperatura necesaria a la entrada de la turbina en la descarga del acumulador de calor de alta temperatura según la invención, de modo que sea posible un funcionamiento de la turbina con potencia óptima y rendimiento óptimo.

Ha resultado ser ventajoso con respecto a la seguridad y los costes que se use un metal fundido como medio acumulador.

El término "metal fundido" se selecciona por lo tanto ya que durante el funcionamiento normal el medio acumulador está presente en forma líquida. Como metal fundido son apropiados metales 10 puros o aleaciones de metales cuyos puntos de fusión se encuentren aproximadamente en el rango de 500 ºC o por encima de 600 ºC.

Por ejemplo, es posible usar una aleación de aluminio habitual en el mercado como metal fundido o medio acumulador. Aleaciones de aluminio semejantes tienen una temperatura de 15 fusión por encima de 600 ºC.

Los aluminios fundidos generados en las fundiciones en hornos...

1. Acumulador de calor de alta temperatura (1) que comprende un crisol (3) , una calefacción por inducción (5) y una tubería (7) para un portador de calor líquido y/o gaseoso, en el que el crisol (3) está lleno al menos parcialmente con un medio acumulador (9) conductor eléctrico, en 5 el que la calefacción por inducción (5) calienta el medio acumulador (9) en el estado que recibe corriente y en el que la tubería (7) discurre al menos parcialmente a través del medio acumulador (9) .

2. Acumulador de calor de alta temperatura (1) según la reivindicación 1, caracterizado 10 porque el medio acumulador (9) es un metal fundido.

3. Acumulador de calor de alta temperatura (1) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el medio acumulador (9) tiene una temperatura de fusión de más de 500 ºC, preferiblemente de más de 600 ºC. 15

4. Acumulador de calor de alta temperatura (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio acumulador (9) es líquido a una temperatura de 700 ºC.

5. Acumulador de calor de alta temperatura (1) según una de las reivindicaciones anteriores, 20 caracterizado porque la carga del acumulador de calor de alta temperatura (1) mediante la calefacción por inducción (5) y la descarga del acumulador de calor de alta temperatura (1) mediante el portador de calor que fluye en la tubería (7) se realizan de forma temporalmente distanciada o simultánea.

6. Acumulador de calor de alta temperatura (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta un aislamiento térmico.

7. Acumulador de calor de alta temperatura (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la tubería (7) está integrado un intercambiador de calor (10) , y 30 porque el intercambiador de calor (10) transfiere calor del medio acumulador (9) al vapor que fluye en la tubería (7) .

8. Acumulador de calor de alta temperatura (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es un horno de fusión por inducción modificado. 35

9. Sistema de interconexión de acumuladores de calor que comprende un primer acumulador de calor (15) y un segundo acumulador de calor (1) , en el que el primer acumulador de calor (15) se carga y/o descarga mediante un portador de calor líquido o gaseoso, y en el que a continuación al menos un flujo parcial del portador de calor fluye a través del segundo acumulador de calor (1) y de este modo se calienta aun más. 5

10. Sistema de interconexión de acumuladores de calor según la reivindicación 9, caracterizado porque el segundo acumulador de calor (1) es un acumulador de calor de alta temperatura según una de las reivindicaciones 1 a 8.

11. Sistema de interconexión de acumuladores de calor según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque al segundo acumulador de calor (1) se le suministra un flujo parcial del portador de calor a través de válvulas (19, 21) controlables y se sobrecalienta.

12. Sistema de interconexión de acumuladores de calor según una de las reivindicaciones 9 a 15 11, caracterizado porque el flujo parcial sobrecalentado del portador de calor se mezcla en una estación de mezclado (23) con el flujo restante del portador de calor.

13. Sistema de interconexión de acumuladores de calor según una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque el primer acumulador de calor (15) tiene una temperatura de 20 funcionamiento más baja que el segundo acumulador de calor (1) .

14. Procedimiento para el funcionamiento de un sistema de interconexión de acumuladores de calor según una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque el primer acumulador de calor (15) se carga y/o descarga mediante un portador de calor líquido y/o gaseoso, porque el 25 segundo acumulador de calor (1) se carga mediante energía eléctrica, y porque el segundo acumulador de calor (1) se descarga mediante un portador de calor líquido o gaseoso.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque para la carga del segundo acumulador de calor (1) se carga energía eléctrica generada de forma regenerativa 30 y/o energía eléctrica negociada en el mercado al contado.

16. Procedimiento según la reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque la potencia de la calefacción por inducción (5) del segundo acumulador de calor (1) se aumenta o disminuye para poner a disposición la energía de regulación para la red de interconexión. 35

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque se disponen varios segundos acumuladores de calor (1) en serie y/o en paralelo.

18. Procedimiento según la reivindicación 17, caracterizado porque las temperaturas de funcionamiento de los segundos acumuladores de calor (1) son diferentes unas de otras.

19. Procedimiento según la reivindicación 17 ó 18, caracterizado porque los segundos acumuladores de calor (1) presentan diferentes metales fundidos.