La presente invención se refiere al campo de la generación de electricidad. Más concretamente, se dirige a un nuevo dispositivo para la generación de electricidad a partir de materiales explosivos.

Estado de la técnica anterior a la invención

La necesidad de ejecución y desarrollo de la invención está originada en la alta dependencia energética que se vive tanto en Europa como en España, conjuntamente a la previsión de fuertes incrementos en el coste energético por su indexación al precio del petróleo. La dependencia energética externa de España es mayor que la media de la Unión Europea. El grado de autoabastecimiento de energía primaria (relación entre producción interior y consumo total de energía) ha sido hasta el año 2010 del 23%, lo que supone que en España el 77% de la energía primaria consumida es importada del exterior.

En el momento actual existen muy diversas formas y tipos de generar electricidad, entre las que cabe mencionar las centrales térmicas, hidroeléctricas, nucleares, eólicas, fotovoltaicas , etc.

Tecnologías como la generación de energía mediante instalaciones termosolar o fotovoltaicas son costosas y solo sostenibles mediante primas o subvenciones a la producción, dado sus costes superiores a 20 c€/kWh.

Otras tecnologías como la producción eólica tiene limitaciones por normativa para su instalación en tierra, y su instalación en mar (offshore) tiene costes de producción superiores a los 15 c€/kWh.

Tecnologías como la energía nuclear con costes de 1 c€/kWh o el ciclo combinado con 3 c€/kWh son alternativas viables, aunque la generación de residuos radiactivos en la primera y la alta tasa de generación de C0 ₂ (0, 40 kg/k h) en la segunda limitarán en el futuro su implantación. Es por tanto objeto de esta invención presentar una nueva alternativa para la generación de electricidad, de una manera eficaz, sencilla y económica, ofreciendo la posibilidad de operar con una gran variedad de materiales explosivos, tanto sólidos como líquidos, como fuente de alimentación al sistema .

De este modo, la central de producción de electricidad objeto de la invención está basada en el aprovechamiento de la energía instantánea producida en la explosión generada para su transformación en agua presurizada y, finalmente, en electricidad.

En la literatura de patentes no se ha encontrado hasta el momento ninguna referencia en la que se describa la posibilidad de controlar y aprovechar la energía generada en una explosión para su transformación en agua a presión, y finalmente en electricidad, por lo que la presente invención supone una atractiva alternativa a las fuentes de producción de electricidad ya conocidas en el estado de la técnica.

Como antecedente más próximo a la presente invención cabe citar la solicitud internacional PCT/ES2010/070019, donde se describe un procedimiento para la generación de energía piroeléctrica a partir de la detonación controlada de al menos un material explosivo situado en el interior de al menos una cámara de explosión.

Descripción detallada de la invención

De este modo, es objeto de esta invención un nuevo dispositivo para la generación de electricidad a partir de agua presurizada y de al menos un material explosivo caracterizado por que comprende un pistón formado por una cámara de combustión y una cámara de generación de presión hidráulica. Dicho pistón permite aprovechar la energía de expansión de los gases formados durante la detonación de los materiales energéticos utilizados en el dispositivo. De manera particular, la cámara de combustión puede comprender al menos una válvula de entrada de material explosivo y una válvula de salida de gases, y se encuentra situada en uno de los extremos del pistón. En el extremo opuesto del pistón se encuentra preferentemente localizada la cámara de generación de presión hidráulica, la cual dispone de al menos una válvula de salida de caudal hidráulico y al menos una válvula de entrada de agua. A continuación de la cámara de generación de presión hidráulica se encuentra situado al menos un depósito presurizado conectado a al menos una turbina hidroeléctrica .

En una realización particular de la invención, la cámara de combustión puede comprender adicionalmente un circuito de refrigeración con objeto de controlar el aumento de temperatura generado durante la explosión.

Debido a la alta presión generada, la central podrá asimismo emplearse en procesos de osmosis inversa en plantas desalinizadoras .

Es asimismo objeto de esta invención una central eléctrica caracterizada por que comprende al menos un dispositivo de generación de electricidad según ha sido anteriormente descrito. En una realización particular de la invención, la central puede comprender un conjunto de pistones, preferentemente 6, diseñados para actuar de forma secuencial para mantener una presión y caudal constante en el circuito hidráulico. De manera preferente, cada pistón puede realizar hasta 240 ciclos de generación por hora. De este modo, la capacidad de generación de energía es de 0,711 kWh por ciclo y pistón, por lo que la potencia que dispone cada pistón es de aproximadamente 171 kW.

Adicionalmente, la central puede comprender al menos una instalación de pre-tratamiento del material explosivo empleado como materia prima para, en función de su origen, realizar ajustes en sus parámetros para adecuar su combustión en la planta. Dicha instalación puede comprender al menos un recipiente, preferentemente un tanque con agitación, para la adición de al menos un aditivo al material energético. De manera preferida, la agitación será continua para asegurar una buena mezcla. El caudal de diseño de la alimentación será preferentemente de 0,6 m ³ /h.

Asimismo, la instalación o instalaciones de pre- tratamiento de la materia prima permitirá procesar in-situ materiales energéticos (p.e. nitrato amónico) para minimizar riesgos de transporte y almacenamiento, y para obtener una reducción de costes.

De manera general, la central podrá comprender a su vez electroválvulas para el control del cierre y apertura de los distintos circuitos que la componen.

Asimismo, en una realización preferida de la invención, la central podrá comprender al menos un controlador electrónico encargado de activar y regular las válvulas compensadoras de presión que abastecen las distintas conducciones de inyección de agua a presión de la planta.

La central descrita puede encontrarse ubicada bajo el agua, enterrada o en superficie. En una realización particular de la invención en la que la central se encuentre enterrada, podrá encontrarse situado en superficie al menos un compartimento para el almacenamiento de explosivos. De manera particular, este compartimento de almacenamiento de explosivos puede encontrarse conectado a la cámara de combustión mediante al menos una válvula de regulación del suministro del material explosivo. De este modo, es posible controlar la alimentación de dicho material explosivo, preferentemente de manera mecánica y automatizada, en función de la cantidad de agua presurizada que se desee generar.

Adicionalmente a la turbina hidroeléctrica, la central puede comprender al menos una torre de refrigeración, los cuales serán generalmente los únicos equipos de la planta situados en el exterior. No obstante, como se ha indicado anteriormente, la central será adecuada para trabajar tanto en superficie, como enterrada bajo tierra o bajo el agua.

Finalmente, la planta podrá incorporar a su vez un circuito de alimentación de agua externa para la refrigeración de todo el sistema y carga de agua a la cámara de generación de presión hidráulica.

A su vez, es objeto de esta invención un procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de agua presurizada y de al menos un material explosivo mediante el empleo de un dispositivo según ha sido anteriormente descrito. Dicho procedimiento se caracteriza por que comprende :

(a) alimentar un material explosivo a al menos una cámara de combustión que comprende una válvula de entrada de material explosivo y una válvula de salida de gases, estando dicha cámara de combustión localizada en uno de los extremos de un pistón, de modo que el extremo opuesto de dicho pistón dispone de una cámara de generación de presión hidráulica con al menos una válvula de salida de caudal hidráulico y al menos una válvula de entrada de agua;

(b) alimentar un volumen de agua a la cámara de generación de presión hidráulica;

(c) detonar del material explosivo, dando lugar a una presión de entre 25 y 250.000 bar y más preferentemente, entre

100 y 250.000 bar. Los gases producidos en la explosión se expansionan moviendo el émbolo del pistón y presurizando el agua localizada en la cámara de generación de presión hidráulica hasta una presión de trabajo preferentemente comprendida entre 10 y 1.000 bar;

(d) a continuación, la válvula de salida de caudal hidráulico se abre, generando un caudal hidráulico equivalente a la capacidad de la cámara de generación de presión hidráulica, donde dicho caudal hidráulico es enviado a al menos un depósito presurizado a una presión inferior, preferentemente de entre 5 y 300 bar;

(e) posteriormente, la válvula de salida de gases de la cámara de combustión se abre, liberando un caudal determinado de gases generados en la combustión, al mismo tiempo que la válvula de entrada de agua se abre y comienza a llenarse de nuevo la cámara de generación de presión hidráulica;

(f) asimismo, el agua procedente del depósito presurizado es inyectada a al menos una turbina hidroeléctrica a una presión superior a 1 bar y preferentemente comprendida entre 1 y 300 bar, generando electricidad. Una vez llena la cámara de generación de presión hidráulica puede comenzar de nuevo el proceso, dando lugar a un nuevo ciclo de generación.

De este modo, en una realización particular de la invención, la generación de electricidad se lleva a cabo mediante la acción de un conjunto de pistones, dentro de los cuales se produce la combustión de la materia prima utilizada. La expansión adiabática de los gases generados en la reacción genera un trabajo útil y la presión hidráulica para alimentar una serie de turbinas hidroeléctricas, generando asi energía eléctrica. El ciclo termodinámico que sigue es similar al de un motor de combustión de gasolina o ciclo de Otto.

En una realización preferida de la invención, el procedimiento puede comprender una etapa adicional de almacenamiento y recuperación del agua del proceso. Dicho almacenamiento puede llevarse a cabo en depósitos, y la recuperación puede comprender la utilización del agua en un circuito cerrado, de modo que una vez el agua haya sido utilizada, puede ser recuperada nuevamente en el procedimiento .

Como material explosivo puede emplearse cualquier material con capacidad de detonar, ya sea en forma líquida, sólida o gelatinosa, de modo que permita generar una energía útil en forma de expansión de gases que pueda ser convertida en energía eléctrica. De este modo, es posible emplear una gran variedad de materiales, entre los que se encuentran fertilizantes (nitrato de amonio, etc.), explosivos comerciales (Alnafo, Nagolita, Riodín, Amonita, etc.), otros materiales (ácido nítrico, amoniaco, etc.), así como materiales reciclados como por ejemplo materiales provenientes de programas de desmilitarización de explosivos o del reciclaje de materiales pirotécnicos usados en el sector de la automoción (airbags) , fuegos artificiales, bengalas de señalización náuticas, pretensores pirotécnicos, etc. De este modo, se consigue dar salida a un residuo peligroso del que se obtiene un aprovechamiento energético, así como un beneficio económico y ambiental. Asi por ejemplo, un kilogramo de una mezcla en peso de 91% de nitrato amónico, 4% de gasóleo y 5% de aluminio produce una presión de 7,2 GPa. Otros productos alcanzan 20,4 GPa de presión de detonación instantánea. No obstante, el tipo de material explosivo que se puede emplear como materia prima no es una característica limitativa de la invención, pudiéndose emplear cualquier tipo de material con capacidad de explosionar.

En una realización preferida de la invención, el procedimiento puede comprender una etapa de pre-tratamiento del combustible explosivo para conseguir su acondicionamiento, así como un post-tratamiento de los gases de combustión producidos. Estos tratamientos permiten minimizar la cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera y disminuir su temperatura de emisión. Asimismo, el calor residual producirá vapor, el cual puede ser introducido en una turbina de vapor, aumentando la capacidad de energía eléctrica producida.

De manera particular, la etapa de pre-tratamiento del combustible explosivo puede comprender la adición de aditivos, así como el secado y molienda del material explosivo previamente a su introducción en la cámara de combustión. A su vez, la etapa de post-tratamiento de los gases de combustión puede comprender una etapa de separación en al menos un separador ciclónico, de modo que los gases separados de las cenizas pueden ser introducidos en al menos una caldera de recuperación en la que se genera vapor y gases. Dicho vapor puede ser enviado en al menos una turbina para la generación adicional de electricidad, donde el vapor residual puede ser condensado y empleado en la propia caldera de recuperación. Por otra parte, los gases generados en la caldera de recuperación pueden ser tratados previamente a su envío a la atmósfera en un sistema de tratamiento como por ejemplo, al menos un filtro de carbón activo.

La estimación del funcionamiento de una central de potencia nominal de IMW es de una producción de 8.100 MWh/año para un consumo de 2.291 Toneladas/año de material explosivo/combustible, con una emisión de 0,099 kg C0 ₂ /kWh. Gracias al novedoso dispositivo objeto de esta invención, es posible alcanzar rendimientos superiores al 90% en las turbinas de la instalación. Ello es debido a que al producirse la explosión en contacto con el agua, ésta se presuriza y se envía directamente hacia las turbinas, evitando pérdidas por rozamiento. Asimismo, al producirse la explosión se liberan gases que son enviados y tratados preferentemente en filtros de limpieza, donde pueden quedar totalmente descontaminados. Tras su limpieza, los gases pueden desprenderse de nuevo a la atmósfera, de modo que el funcionamiento del sistema presenta un nivel prácticamente nulo de contaminación y es capaz de operar en todo momento con combustibles respetuosos con el medio ambiente.

De este modo, la central objeto de la presente invención consigue mantener costes de generación bajos y una generación de C0 ₂ menor que otras tecnologías (cuatro veces menor que una planta de ciclo combinado) , siendo una alternativa ante un escenario futuro de altos costes energéticos .

Una ventaja adicional de la central objeto de la invención es el hecho de componerse de piezas modulares, lo cual hace posible que la instalación de la misma pueda llevarse a cabo en cualquier emplazamiento, si bien será especialmente preferido, por motivos económicos, su emplazamiento en zonas próximas al mar, ríos, embalses, etc. Asimismo, dicha presentación en piezas modulares hará posible que se lleven a cabo rápidos y efectivos reemplazos y reparaciones de las piezas que así lo requieran.

Otras ventajas que de manera adicional ofrece la presente invención son las que se resumen a continuación:

En primer lugar, por las características que la definen, así como por su gran sencillez, la planta presenta un carácter itinerante, pudiéndose así emplear, por ejemplo, en zonas aisladas o emplazamientos de bajo suministro de electricidad;

Asimismo, ofrece la ventaja de ser una de las únicas fuentes disponibles de manera inmediata para la obtención de electricidad, basándose en una tecnología de turbinas W

9 hidráulicas. Ello es especialmente ventajoso en aquellos periodos en los que el consumo energético se dispara como ocurre por ejemplo en verano, asi como en horas punta en las que se requiera un suministro extra de energía. Así, en comparación con otras fuentes energéticas como las centrales térmicas, las cuales requieren habitualmente al menos 4 días para entrar en funcionamiento, la planta objeto de esta invención ofrece una disponibilidad inmediata de producir electricidad, únicamente comparable a la energía de las centrales hidroeléctricas tradicionales;

Adicionalmente, una de las ventajas fundamentales de la invención consiste en la posibilidad de no tener que desarrollar grandes redes eléctricas para su distribución a los puntos de consumo, de modo que la electricidad será distribuida a los puntos en los que sea requerida en función de las necesidades de electricidad de cada momento;

Finalmente, es de resaltar el carácter ecológico de la invención, al tratarse de una fuente de energía limpia, no contaminante, con una emisión de gases dentro de normativa medioambiental y una baja generación de CO ₂ por kWh generado. Es asimismo ventajoso la posibilidad que ofrece de operar con cualquier tipo de materiales energéticos (nitrato amónico, pirotécnicos, explosivos,...), tanto sólidos como líquidos, evitando así la dependencia de materias primas derivadas del petróleo.

Si bien la descripción anterior se ha centrado en una realización en la que se emplea agua presurizada, en otras realizaciones de la invención podría utilizarse cualquier otro tipo de fluido, como por ejemplo gases, de modo que el gas presurizado generado podría emplearse en turbinas de aire comprimido .

Breve descripción de las figuras

Con objeto de lograr una mejor comprensión de la invención, acompañando a la presente memoria se presentan las siguientes figuras:

La figura 1 muestra una vista en detalle de un pistón del dispositivo de la invención que comprende una cámara de combustión, un émbolo y una cámara de generación de presión hidráulica;

La figura 2 representa una vista tridimensional de un conjunto de pistones según se ha detallado en la figura 1;

La figura 3 representa una vista de la central de generación eléctrica objeto de la invención.

Relación de referencias en las figuras:

1. Pistón;

2. Cámara de combustión;

3. Émbolo;

4. Cámara de generación de presión hidráulica;

5. Depósito presurizado;

6. Turbina hidroeléctrica;

7. Ciclón;

8. Tanque de agitación;

9. Tambor secador;

10. Molino de bolas;

11. Depósito de almacenamiento de cenizas;

12. Caldera de recuperación;

13. Turbina de vapor;

14. Condensador;

15. Filtro de carbón activo.

Descripción detallada de la invención

A continuación se describe una realización preferida de la invención, con carácter ilustrativo y no limitante de la misma, y en referencia a las figuras que acompañan a esta descripción.

En este ejemplo de realización particular de la invención, la carga de material explosivo (nitrato amónico) a cada pistón (1) fue de 200 g por ciclo, siendo el número de ciclos por hora igual a 240. De manera previa a la alimentación al pistón del nitrato amónico, éste fue sometido a una etapa de pre-tratamiento en un tanque de agitación (8) , un tambor secador (9) y un molino de bolas (10) rotatorio. En el tanque de agitación (8) se introdujo por un lado el nitrato de amonio y por otro una serie de aditivos para dotar al nitrato de las características adecuadas. La agitación fue continua para asegurar una buena mezcla, y el caudal de diseño de la alimentación de 0,6 m ³ /h. El equipo elegido fue un tanque de agitación de alta eficiencia con impulsor simple Quiansheng modelo XB12.

A su vez, el método de calentamiento en el tambor secador (9) fue por contacto indirecto a través de la pared del cilindro, que se calienta por el paso de los gases. Las partículas atraviesan una sección relativamente corta, a medida que se deslizan, mientras su humedad disminuye de la misma manera en que descienden.

Finalmente, las partículas fueron sometidas a molienda en el molino de bolas (10) hasta obtener un tamaño de partícula inferior a 95 mm, siendo el tamaño medio de partícula de 50 mm. En este equipo, el flujo fue de 0,28 Tn/hora de fertilizante .

En la siguiente tabla se recogen las características del nitrato de amonio utilizado como materia prima en la central :

Asimismo, el nitrato amónico utilizado presentaba un contenido de carbón superior al 10%.

En la siguiente tabla se muestran las características más importantes del nitrato de amonio como explosivo:

Velocidad Volumen

Densidad Balance Presión

Composición detonación de gases

(kg/m ³ ) de 0 ₂ (Gpa)

(m/s) d/kg) 95% nitrato

de amonio

750 -1,4% 6, 62 5353 981 5% aceite

mineral

Los pistones (1) fueron diseñados para disponer de una cámara de combustión (2) con un rango de presiones de 20 a 150 bares y una cámara de generación de presión hidráulica (4) con un rango de presiones de 20 a 80 bares.

La turbina hidroeléctrica seleccionada fue una turbina Francis modelo FHE 500-08 con posición horizontal del eje.

En el diseño de la instalación se tuvo en cuenta que los gases emitidos contienen algunas sustancias nocivas para el medio ambiente y aunque la concentración a la que salen está por debajo de los limites de la normativa, se diseñaron una serie de tratamientos con objeto de disminuir los contaminantes emitidos a la atmósfera y aprovechar el calor de los gases de salida de la cámara de combustión.

Con el fin de minimizar los daños medioambientales, se dispuso de un ciclón (7) para la separación de partículas, concretamente un colector centrífugo con entrada de aire tangencial al cuerpo del cilindro tipo ciclón. Puesto que los gases tienen una temperatura alta, el separador ciclón (7) tiene que tener la capacidad de funcionar con altas temperaturas. Las cenizas separadas fueron almacenadas en un depósito de almacenamiento de cenizas (11) .

Asimismo, los gases enfriados son conducidos hasta un filtro de carbón activo (15) para eliminar el amoniaco y óxidos de nitrógeno que contiene la corriente de los gases. El carbón activo, en sus diversas variedades, posee una gran superficie específica y tiene la propiedad de fijar moléculas gaseosas perjudiciales u olorosas. Una vez que los gases son tratados son expulsados a la atmósfera. El equipo de carbón activo elegido fue del tipo PROTECT VENTSORB 70.

Los gases producidos en la cámara de combustión (2) salen a una temperatura de unos 250°C. Es posible aprovechar dicha temperatura para producir vapor que sirva de alimentación a una turbina de vapor prediseñada. El equipo seleccionado para ello es una caldera de recuperación (12) . Con esto se consigue además disminuir la temperatura de emisión de los gases a la atmósfera.

La caldera de vapor seleccionada es una caldera de recuperación Viessman mixta modelo 200 RW/RS con quemador convencional y dos pasos de gases y la turbina de vapor (13) elegida fue una turbina de gas Siemens modelo SST-100, de carcasa simple, y con reductor para accionamiento de generador .

A continuación se resumen los principales datos cuantitativos de la central:

^• Volumen de gases: 981 1/kg;

Presión de explosión: 55.000 bar;

Coeficiente isentrópico gases: 1,33;

^• Carga materia prima: 200 g/pistón/ciclo;

^• N° ciclos por pistón: 240 ciclos/hora;

^• Caudal hidráulico generado: 1,1 m ³ /s;

Presión hidráulica: 10 bares;

Salto hidráulico equivalente: 100 metros

Para el cálculo del la energía generada se ha supuesto que los gases se expanden en la cámara de combustión de un volumen inicial de 12.600 cm ³ hasta un volumen final de 42.000 cm ³ con un factor de expansión de 200. El trabajo útil generado por los gases en expansión se ha calculado suponiendo una expansión isentrópica de los mismos, adiabática y sin variación de entropía. Esta hipótesis de cálculo es correcta dada la velocidad de expansión después de la detonación del combustible.

Este trabajo útil se utilizará para presurizar el circuito hidráulico a unas presiones de 10 bares, generando un caudal medio de 1,1 m ³ /s. Se supone una eficiencia del conjunto de alternador-turbina del 90%.

El trabajo útil generado estaría entorno a los 13.000 kJ/kg, generando una energía aprovechable para la carga de combustible utilizada (por ciclo y por pistón) de 0,71 kWh. Siendo la energía generada por hora por la central (6 pistones 240 ciclos/hora) de 1 M h, la producción anual estaría en valores próximos a 8,15 GWh (con la hipótesis de disponibilidad del 93%) . En la siguiente tabla se especifica las estimaciones de consumos y emisiones principales de la planta, estableciéndose un circuito cerrado de reutilización del agua, de tal forma que el consumo real sólo es debido a pérdidas o a evaporaciones:

Haciendo una comparativa con otras tecnologías, se puede apreciar como la contaminación por gases de efecto invernadero (C0 ₂ ) para la central de la invención es aproximadamente el 10% de los gramos emitidos por kWh la central de carbón térmica y del 29% de los gramos emitidos por kWh de la central de ciclo combinado y que es la que menor nivel de misiones de dióxido de carbono produce:

NOx COV s CO N ₂ 0

Tecnología C0 ₂ so ₂

(g/kwh) (g/kWh) (g/kWh) (g/kWh) (g/kWh) (g/kWh)

Carbón Central

909, 00 12, 60

térmica 4, 10 0, 10 0, 17 0,45 convencional

Fuelóleo

Central

727,00 8,00 2, 600 0, 10

térmica 0, 16 0, 42 convencional

Gas natural

Central

482, 00 0, 01 1, 00 0, 01

térmica 0, 19 0, 19 convencional

Carbón Central

de lecho 884, 00 0,84 0, 42 n.d. n.d. n.d. fluidificado

Gas natural

Central de

345, 00 0, 00 0,27

ciclo — — 0, 13 combinado

CENTRAL de la

99,00

INVENCIÓN — 0,065 — 0,986 — Además se observa que mientras el resto emite compuestos de azufre, la central de la invención no presenta este tipo de emisión, lo mismo que ocurre para emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV's) y de óxido nitroso (N ₂ 0) . Estos datos indican que la combustión del nitrato representa una ventaja medioambiental frente a otras fuentes de energía actuales .