2.-SECTOR: Producción de energia eldctrica.

3.-RESUMEN: Consiste el presente procedimiento en la obtención de energía eléctrica a partir de la ustión de combustibles sólidos, por un lado, mediant una máquina de combustión externa (turbina de vapor) y combustibles fluidos, por otro, mediante combustión intema (motor alternativo); combinando el ciclo térmico de la segunda móquina sobre la primera.

4.-ANTECEDENTES : Hasta la actualidad la obtencion de energía eléctrica se ha realizado combustionando energía primaria mediante máquinas térmicas para obtener energía mecánica y, posteriormente, energía eléctrica. El diagrama térmico sería el siguiente: Calor residual Energía Máquina Prirnaria _ 51 Energía mecánica + Las leyes termodinámicas establecen que en todo proceso de trabajo para la obtención de energía mecánica y, por ende, de energía eléctrica, tiene un rendimiento inferior a la unidad, es decir, que parte de la energía primaria invertida, tras el proceso, quedará en forma de calor residual. Además este trabajo se obtiene entre dos nivetes de temperatura, es decir, niveles térmicos, uno alto y, otro, más bajo.

La técnica se ha ocupado de aumentar al máximo el rendimiento de estos aparatos térmicos utitizando maquinaria cada vez mas sofisticada, obteniendo la maxima produccion de energía eléctrica con el mínimo consumo de energía primaria, es decir, minimizando el calor residual.

Las máquinas termicas se dividen en exotérmicas o de combustion extema y endotérmicas o de combustion interna. Las exotérmicas consisten básicamente en una caldera de combustion mas una turbina de vapor, generatmente y, las endotérmicas más utilizadas son la turbina de gas y el motor altemativo.

Posteriormente, la modema ingenieria observé que en determinados casos este calor residual quedaba todavía a un nivel térmico alto y, por tanto, se podia volver a aprovechar mediant la combinación del calor residual de la primera máquina sobre una segunda que funciona a un nivet térmico inferior, es decir, entre dos niveles de temperatura mas bajos, el ya conocido cido combinado.

Esta forma de obtener trabajo mecánico se ha realizado hasta la actualidad mediante la combustion de una sola fuente de energia primaria en fase fluida y el tipo de maquinaria empleado hasta la actualidad ha sido "turbina de gas"como máquina térmica a nivel alto y "turbina de vapor" como máquina que funciona con el calor residual de la primera, es decir, que funciona a un nivel térmico mis bajo, estableciendo así un ciclo combinado.

La turbina de gas tiene et inconveniente de obtener un rendimiento inferior al del motor alternativo, pero tiene la ventaja de que et calor residual la emite a una alta temperatura, en torno a los 600 °C, nivel térmico suficiente para generar vapor para mover una turbina de vapor, obteniendo, esta (intima, un buen rendimiento. Asti, la combinación de ambas, hace lograr un alto rendimiento sobre la energia primaria invertida.

El esquema de funcionamiento que se ha venido realizando hasta la actualidad, en combinacion de ciclos térmicos, sería et siguiente : Energia fase Turbina Calor Caldera de rt rmb fase fluida L Energia Turbina Cafor mecánira de vapor residual r E ! ectrtcidad Energfa mecánica r Etectricidad La combinación de cictos no se ha realizad hasta ta actualidad con"motor alternativo"+"turbina de vapor", ya que, pese al mayor rendimiento del motor, emite el calor residual en dos fases térmicas, una a nivel alto, en torno a los 400 °C y, otra, a nivel bajo, en torno a los 80 °C. En todo case, et nivel alto ya es inferior al de la "turbina de gas". A groso modo, estas dos paradas de calor tienen una masa energca equivatente, siendo aprovechable para una turbina de vapor, como mucho, la fase térmica a 400 °C, aunque inferior en rendimiento a la de turbina de gas", por ser inferior la temperatura y, en ningún caso aprovechable la fase a 90 °C, pues con ello no se puede producir vapor para la turbina. De tal modo, que la combinacion de estos dos ciclos es energéticamente inviable y, de ah, que no se haya utilizado en la práctica.

El esquema de funcionamiento seria el siguiente : Energía motor primaria alternativo Calor residual Calor residual fase fluida fase fluida a nivel alto a nivel bajo r Energfa Circuito mecánica Gases escape refrigeración Electricidad Caldera de Calor recuperacion residuat in de vapo Energia Energ! a mecánica r Efectricida Observes además que, la utilización de ciclos combinados se ha realizado siempre con una misma fuente de energía primaria en estado fluido.

5.-DESCRIPCI#N DE LA INVENCI#N : El sistema que se aporta como novedad consiste en la obtención de energía electrica mediante la ustión de combustibles sólidos, por una lado y, de combustibles fluids, por otro.

Los combustibles sólidos se queman en una caldera donde se produce vapor.

Este fluido es conducido hasta una turbina de vapor de condensactdn que genera energía mecánica y, posteriormente, eléctrical. El vapor se condensa a baja presion en el interior de un condensador y a baja temperatura, en tomo a los 45 OC.

Los combustibles fluidos se queman en el interior de un motor alternative, produciendo, igualmente, energía meccánica y, posteriormente, eléctrica.

La combinadon de ciclos térmicos la realizamos de la siguiente forma : 1) Por un lado, tenemos la fase térmica residuat a nivel alto que procede de los gases de escape del motor, que salen en tomo a los 400 °C. Estos gases son conducidos al interior de la caldera, los mezclamos con los gases de combustión del carburante sólido, con lo que conseguimos una transferencia termica del calor residual del motor, hacia el conjunto de combustion extema caldera-turbina, obteniendo, como consecuencia, un aumento de la producción de vapor de la caldera y, por tanto, de la producción de electricidad en la turbina de vapor.

2) Por otro lado, tenemos la fase termina a nivel bajo del motor en el circuito de refrigeración del motor a unos 90 °C., Es evident que con esta temperatura no se puede llevar el agua a ebullición pero, lo que hacemos es utlizarla para calentar el agua de entrada a la catdera, a la salida dot condensador que esta en tomo a los 45 °C. Por lo que, si hay transferencia térmica del calor proveniente de la refrigeración del motor hacia el circuito térmico de la caldera-turbina. Ello tiene como consecuencia inmediata, una disminución en extracción de vapor para precalentamiento del agua de entrada a la turbina, por lo que, esta, producirá mas energía eléctrica.

3) Del circuito de refrigeracion del motor suele sobrar una pequeña parte de energía térmica y, en nuestro case, la utilizamos para calentar el aire comburente de la caldera que suele estar en et ambient a unos 20 °C de media. Y esta es la tercera union térmica entre el calor residual del motor y el conjunto caldera- turbina. Esta transferencia térmica tiene como consecuencia una disminución de extracci6n de calor en la combustion del sólido de la aidera que producen calor a nivel alto, utilizándose el calor de los sólidos directamente para la producción de vapor, por lo que, el calor introducido en el aire comburente de la caldera se traduce en un aumento del rendimiento de la misma y, por tanto, de la producción de vapor y, consecuentemente, de electricidad en la turbina.

Así pues, hemos conseguido desarrollar un sistema en et que los bajos nivelez del calor residual de los motores alternatives comparados con la turbina de gas, pueden ser utilizados en un método de cicto combinado introduciéndolos en los correspondientes niveles térmicos equivalentes de la catdera-turbina y, dado que el rendimiento del "motor alternativo" es más alto que et de la "turbina de gas", si además se aprovecha la practica totalidad de su energía residual, es obvio que el rendimiento sobre la energía primaria fluida utilizada es superior al del conjunto convencional utilizado hasta la actualidad "turbina de gas-turbina de vapor".

De otro lado, podemos observa que se aumenta la viabilidad de la utilización de combustibles sólidos, tan mermados en los últimos tiempos, debido al coste de operación y al bajo rendimiento sobre la energía primaria sólida invertida.

Obsérvese, además, que como novedad se aporta la combustion de todo tipo de combustibles con este sistema, ya estsn en fase solda, líquida o gaseosa, mientras que con el sisterma tradicional "turbina de gas-turbina de vapor"no es posible la introducción de combustibles sólidos por métodos convencionales.

El ewquema del novedoso sistema de ciclo combinado, será el siguiente: Energía fase fluida Calor residual Calor residual fiase fluida a nivel alto a nivel bajo Energia I I mecánica mecanica l oircuito Gases escape refrigeración r Etectncidad Calefacción circuit de vapor Energie Caldera Calefacción circuito de agua primaria de vapor fase sólida Calefacción aire comburente Turbina Calor r Turb! na Cator de vapor residual fl, Energía mecánica r E ! ectrictdad 6.-DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACI#N PREFERIDA : Los combustibles sólidos tienen, como principal inconveniente, e ! coste de operacionysubajorendimiento. Si aplicamos el nuevo método de extraccion de energfa inventado, observamos como aumenta considerablemente el rendimiento y, por tanto, la rentabilidad, de una instalación conjunta de combustible sólido y fluido.

El sistema mas adecuado consistiría en una caldera de vapor donde se quema combustible sólido. El vapor se conduciría a una turbina de condensación y, como grupo de combustion interna, se utilizaría un motor atternativo de ciclo"OttQ".

7.- DESCRIPCION DE UN EJEMPLO : Las nuevas políticas energéticas conducen a la utilización de energías renovables siendo, la biomasa, la asignatura pendiente en este proceso.

La biomasa, al igual que el resto de combustibles sólidos tiene, como inconveniente principal en la extracción de energia, el coste de operación y su bajo rendimiento, obligando a los gobiernos a fomenta dicha utilización a base de primas y subvenciones, a fin de hacerviabte su operativ.

Un ejemplo adecuado sería la instalación de una central térmica en la cual se utilizaría biomasa como combustible principal y gas natural como combustible secundario.

La maquinaria principal de la instatación sería : Una caldera de 22 790 KWt de potencia de consumo, de 23 685 Kg/h de produccion de vapor, que se alimenta de biomasa.

Una turbina de condensación para 23 685 Kg/h de vapor, que produce 4 804 KWe de potencia eléctrica.

Un motor alternativo de ciclo "Otto", que se alimenta de gas natural, de 3 700 KWe de potencia electrical de 9 003 KWt de potencia de consumo.

Este conjunto consumiría un 70 % de energía en biomasa y un 30 % de gas natural, medido por su P. C. I.

Pues bien, de los 22 790 KWt que necesita consumir la caldera para la correspondiente producción de vapor asociada a esta potencia, 1 783 KWt procederían de los gases de escape del motor, 1 583 KWt procederían del circuito de refrigeración de este aparato para calentar et agua de entrada a la cardera y 199 KWt procederian también del circuito de refrigeración del motor para la calefacci6n del aire comburente de la caldera. Con lo cual, el consumo de biomasa de la caldera bajaría de 22 790 KWt, a: Pbiomasa = 22 790 - 1 783 - 1 583 - 199 = 19 225 KWt Visto desde et lado det motor, de los 9 003 KWt invertidos en energía primaria, 3 700 KWe son obtenidos en forma de energía eléctrica, si los surnames a las potencias residuals aprovechadas en el lado de la caldera tenemos un aprovechamiento global sobre la energía primaria invertida en forma de gas natural de: Amotor = 3 700 + 1 783 + 1 583 + 199 = 7 265 KW Visto el planteamiento bajo la perspectiva del aprovechamiento eléctrico tenemos que los 4 804 KWe producidos por la trbina, proceden de los 22 790 KWt que se introduce en la cardera. Si repartimos la production etectrica de este turbogrupo sobre cada uno de las fuentes terminas, tenemos : Potencia FUENTE térmica % invertida Combustible sólido PCI 19 225 KWt 84.4 Gases de escape del moto # calefacción circuito de 1 783 KWt 7.8 vapor de la caldera Circuito refrigeración del motor # calefacción circuito de 1 583 KWt 6.9 agua de la caldera Circuit refrigeración del motor # calefacción aire 199 KWt 0.9 comburente de la caldera Suman 22 790 KWt 100 Así pues, la proporción de energy eléctrica obtenida en el turbogrupo por, cada uno de los conceptos anteriores, serfa : Potencia FUENTE eléctrica % extrada Potencia eléctrica de la turbina 4 804 KWe 100 Combustible sólido PCI 4 055 KWe 84.4 Gases de escape del motor # calefacción circuito de 375 Owe 7.8 vapor de la catdera Circuito refrigeración del motor # calefacción circuito de 331 KWe 6.9 agua de la caldeira Circuito refrigeración del motor # calefacción aire 43 Owe 0.9 comburente de la cardera Lo cual quiere decir que la energia eléctrica producida en la turbina de vapor, como consecuencia de la combinacion de ciclos, es.

Pcombinado = 375 + 331 + 43 = 749 KWe Sería más correcto decir que esta potencia elécrica procede de la energía primaria invertida en forma de gas natural.

Es decir, que la potencia eléctrica total producida por et gas natural seria Pgas natural = 3 700 + 749 = 4 449 KWe Si la energia primaria invertida es de 9 003 KWt, tenemos que el rendimiento eléctrico es el siguiente : 9003. 9/3#100 = 49.4 % Un ciclo combinado convencional (turbina de gas-turbina de vapor) fundonando con el mismo combustible y la misma cantidad, no superaría, en el mejor de los cases, el 42 % de rendimiento y, por supuesto, con mucha mas inversion.

8.-CONCLUSIONES : La ventaja principal del sistema descrito estiba en ei alto rendimiento eléctrico obtenido al asociar la combustion de carburantes fluidos a los solidos mediant este nuevo sistema de "ciclo combinado"descrito, a través de maquinarias convencionales ; muy superior al rendimiento obtenido en ciclos combinados"turbina de gas-turbina de vapor", sin recurrir a sistemas complejos como los procedimientos de pirólisis, digestión anaerobia, gasificación, etc. y, todo ello, a un menor coste de inversión en bienes de equipo.