ES3040391T3 - Generating electrical energy from hydrogen and oxygen - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo (1) y a un método para generar energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno, que comprende un motor de combustión (2), en particular una turbina de gas, un generador de vapor de recuperación de calor (4) conectado al conducto de gases de escape (3) del motor de combustión (2), en el que el generador de vapor de recuperación de calor (4) tiene solo una etapa de presión (5). Según la invención, se incluye un reactor de H2-O2 (6) al que se le introduce vapor (7) procedente del generador de vapor de recuperación de calor (4), agua (31), oxígeno (8) e hidrógeno (9). De esta forma, en el reactor de H2-O2 (6) se produce una reacción entre el oxígeno (8) y el hidrógeno (9) para formar vapor (10), durante la cual se evapora el agua (31) introducida. Además, se genera vapor adicional, el cual sobrecalentado (10) se introduce en una turbina de vapor (11). Un generador (12) conectado a la turbina de vapor (11) suministra energía eléctrica. Asimismo, se inyecta agua de alimentación a alta presión (14) desde el generador de vapor de recuperación de calor (4) al reactor de H2-O2 (6) a través de una línea (19) para controlar la reacción en el reactor de H2-O2 (6) de forma precisa y para ajustar la temperatura de salida del vapor. Reactor H2-O2. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Generación de energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un procedimiento para generar energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno.

Las centrales eléctricas convencionales queman combustibles fósiles como carbón o hidrocarburos, liberando dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. A nivel internacional, ya es un objetivo político sustituir las centrales eléctricas convencionales por centrales limpias, preferentemente sin CO<2>como producto de combustión y también libres de otras emisiones, como los óxidos de nitrógeno.

El hidrógeno (H<2>) es el foco de desarrollo porque la combustión del hidrógeno no produce dióxido de carbono (CO<2>) como producto de reacción. Sin embargo, que el hidrógeno se pueda considerar un combustible prácticamente neutro en CO<2>depende de cómo se produzca. El hidrógeno producido a través de electrólisis de agua utilizando electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables no produce emisiones de CO<2>y se conoce comúnmente como hidrógeno verde. En cualquier caso, la producción de hidrógeno neutro en CO<2>es compleja y costosa.

El hidrógeno también es necesario en escenarios alternativos, como la síntesis de amoníaco y la posterior producción de fertilizantes. La demanda de hidrógeno neutro en CO<2>es alta y seguirá creciendo en el futuro. Sin embargo, la oferta es escasa y seguirá siendo un bien escaso en el futuro. Una central eléctrica que utilice hidrógeno para generar energía eléctrica deberá ser altamente eficiente para operar de manera rentable.

Está previsto que en el futuro la energía eléctrica se genere principalmente a partir de fuentes renovables, como la solar y la eólica. En ese caso, las centrales eléctricas convencionales deberán utilizarse principalmente cuando las fuentes de energía renovables no estén disponibles en cantidades suficientes. Para una central eléctrica convencional, esto significa que el número de horas de funcionamiento posibles será muy limitado. Por consiguiente, este tipo de central eléctrica tendrá una demanda con costes de inversión específicos favorables.

Ya se conocen motores de combustión interna, como turbinas o motores de gas, en los que se quema hidrógeno o una mezcla de hidrógeno y gas natural con aire para generar electricidad. Estos motores de combustión interna también permiten conceptos de centrales eléctricas que aprovechan el calor de escape del motor de combustión interna mediante ciclos de vapor convencionales. Sin embargo, actualmente la eficiencia es menor en comparación con las centrales eléctricas de gas y vapor alimentadas exclusivamente con gas natural. La solicitud US2019/390577A1 revela un dispositivo que comprende un motor de combustión interna según el estado del arte.

También se conocen pilas de combustible que generan energía eléctrica mediante hidrógeno. Sin embargo, en la actualidad, las pilas de combustible significan costes de inversión específicos muy elevados en comparación con los motores de combustión interna. No se espera que esto cambie en el futuro. Resulta poco probable que la eficiencia comparativamente mayor en relación con los motores de combustión interna sea relevante en las centrales eléctricas conectadas a la red eléctrica, ya que las pocas horas de funcionamiento son insuficientes para ser económicamente viables.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo y un procedimiento para un concepto de generación de energía verde que combine una eficiencia muy alta con los mínimos costes de inversión, sea prácticamente libre de emisiones y se pueda implementar con flexibilidad.

El objeto de la invención, en referencia a un dispositivo, se consigue mediante las características de la reivindicación 1.

El dispositivo conforme a la invención, para generar energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno comprende un motor de combustión interna, en particular, una turbina de gas y un generador de vapor de calor residual conectado al conducto de escape del motor de combustión interna, que presenta una sola etapa de presión, una turbina de vapor, un generador conectado a la turbina de vapor y un conducto. Según la invención, se proporciona además un reactor de H<2>- O<2>, al que se puede suministrar vapor desde el generador de vapor de calor residual, agua, oxígeno e hidrógeno, de modo que se puede lograr una reacción de oxígeno e hidrógeno que produce vapor de agua en el reactor de H<2>- O<2>, en donde el agua añadida se evapora, con lo que se puede generar vapor de agua adicional, en donde el vapor de agua altamente sobrecalentado resultante se suministra a la turbina de vapor y a través del generador conectado a la turbina de vapor se proporciona potencia eléctrica; en donde para el control selectivo de la reacción en el reactor de H2-O2 y el ajuste de la temperatura de salida de vapor del reactor de H2-O2, se puede inyectar agua de alimentación a alta presión (14) procedente del generador de vapor de calor residual en el reactor de H<2>-O<2>a través del conducto.

La invención se basa en la idea de utilizar una turbina o un motor de gas convencional y un generador de vapor de calor residual convencional. El motor de combustión interna puede alimentarse completamente con hidrógeno o en parte con hidrógeno y en parte gas natural. El generador de vapor de calor residual presenta una sola etapa de presión y, por lo tanto, un solo nivel de presión. Está diseñado para producir únicamente vapor moderadamente sobrecalentado o incluso vapor saturado.

Según la invención, también está previsto un reactor de H<2>-O<2>, que hace reaccionar hidrógeno y oxígeno en una atmósfera de vapor de agua proporcionada por el generador de vapor de calor residual. Esta reacción produce vapor de agua, el producto de la combustión. Esto significa que el producto de combustión y el medio circulante en el circuito de vapor de agua del generador de vapor de recuperación de calor son de la misma clase.

La presente invención reconoce de forma especial que una turbina de gas convencional y un generador de vapor de calor residual convencional, que suministra vapor ligeramente sobrecalentado a un nivel de presión se pueden usar junto con un reactor de H<2>-O<2>para producir vapor altamente sobrecalentado y que al mismo tiempo se puede aprovechar de forma ideal el calor de los gases de escape. El vapor producido por la reacción del hidrógeno y del oxígeno, a alta presión y temperatura, se introduce en el ciclo de vapor y se puede utilizar como medio circulante hasta el nivel definido en el condensador.

Cuando el gas natural se sustituye sólo parcialmente por hidrógeno como combustible, la invención permite utilizar el hidrógeno donde resulte más conveniente. Al utilizar hidrógeno en el ciclo de vapor, la eficiencia relacionada con el flujo másico de este combustible puede aumentar significativamente en comparación con su uso en una turbina de gas.

Durante el funcionamiento del reactor de H<2>-O<2>, hay que cuidar que la conversión, especialmente del hidrógeno y, en menor medida, del oxígeno sea lo más completa posible. El hidrógeno puede afectar negativamente las propiedades del material utilizado en la turbina de vapor mediante la fragilización por hidrógeno y provocar corrosión. Para garantizar la conversión más completa del hidrógeno, es preferible controlar el dispositivo para que exista un cierto exceso de oxígeno. Cualquier exceso de oxígeno se puede eliminar preferentemente mediante el sistema de vacío en el condensador del ciclo de vapor. De manera alternativa, el exceso de oxígeno también se puede eliminar con otras medidas, como desgasificadores de membrana, para evitar en gran medida que el oxígeno entre en otras áreas del ciclo de vapor. En particular, cuando se instala una línea de precalentamiento para agua de alimentación fría antes del generador de vapor de calor residual, también es necesario eliminar los gases no condensables del ciclo en esa zona.

Para un control selectivo de la reacción en el reactor de H<2>-O<2>, el agua de alimentación del generador de vapor de calor residual se puede inyectar en el reactor de H<2>-O<2>a través del conducto. Al inyectar agua de alimentación se puede influir específicamente en la reacción en el reactor de H<2>-O<2>. Esto permite, por ejemplo, evitar retrocesos y ajustar la temperatura del vapor a la salida del reactor. El agua de alimentación se inyecta en el reactor de H<2>-O<2>en un punto adecuado (por ejemplo, en las zonas de reacción de hidrógeno y oxígeno o en una sección de mezcla a la salida del reactor). El agua de alimentación es agua a alta presión procedente del generador de vapor de calor residual, preferentemente de la salida del economizador.

Para aumentar la potencia, también puede resultar ventajoso añadir agua de alimentación fría, que se toma aguas arriba del generador de vapor de calor residual. El agua de alimentación fría es especialmente ventajosa porque, dependiendo del diseño de la central eléctrica, por ejemplo, de los parámetros de vapor vivo requeridos, el calor residual de los gases de escape de la turbina de gas ya se ha utilizado de forma óptima y no se dispone de más calor, pero se requiere una potencia de turbina de vapor correspondientemente mayor. Aunque la adición de agua de alimentación fría tiene un impacto negativo en la eficiencia, se reconoce que esto reduce los costes específicos de inversión.

El generador de vapor de calor residual se puede diseñar, por ejemplo, de circulación natural o de paso único. Este último ofrece una mayor flexibilidad de la planta (por ejemplo, tiempos de arranque más cortos), en particular, a presiones de evaporación muy altas. Para aumentar la eficiencia de la planta, se pueden utilizar una o más tomas de la turbina de vapor para calentar el condensado o el agua de alimentación con vapor de baja calidad mediante intercambiadores de calor adecuados, lo que permite generar vapor de mayor calidad en el generador de vapor de calor residual y/o en el reactor de H<2>O<2>.

En un perfeccionamiento especial de la invención, aguas arriba del condensador se integra un atemperador diseñado como intercambiador de calor. El atemperador está conectado, en el lado primario, a la línea de vapor entre la turbina de vapor y un condensador aguas abajo de esta para la absorción de calor. Para la disipación del calor, el atemperador está conectado en el lado secundario al conducto que suministra agua de alimentación adicional no precalentada en el generador de vapor de calor residual al reactor de H2-O2. El atemperador es necesario cuando con el reactor de H<2>-O<2>se generan parámetros de vapor vivo muy altos, por ejemplo, de 1300 °C y 150 bar de presión. En la salida de la turbina de vapor, aún hay vapor muy sobrecalentado, que se enfría mediante el atemperador antes de condensarse en el condensador. Para presiones y temperaturas de vapor vivo muy elevadas, puede resultar ventajoso diseñar el generador de vapor de calor residual como una caldera de paso único en lugar de una caldera de circulación natural (tambor).

Preferentemente, la presión de evaporación en el generador de vapor de calor residual se ajusta sólo lo suficientemente alta para evitar la humedad en la salida de la turbina de vapor, en función de la temperatura del vapor vivo establecida a través de la reacción H<2>-O<2>. El sobrecalentamiento en el generador de vapor de calor residual se selecciona lo suficientemente alto como para garantizar un aprovechamiento óptimo del calor de escape sin etapas adicionales de presión en el evaporador. Debido que la prioridad es el aprovechamiento del calor de escape y, al mismo tiempo, implementar un concepto lo más simple y rentable posible, la presión de evaporación se selecciona en función de la temperatura del vapor vivo establecida mediante la reacción H<2>-O<2>lo suficientemente alta como para garantizar que, incluso sin recalentamiento a la salida de la turbina de vapor a la presión correspondiente del condensador, no se produzcan problemas de humedad que provoquen la erosión de los álabes.

Otra forma de ejecución ventajosa de la invención comprende además un recalentador de accionamiento eléctrico que está conectado aguas arriba del reactor de H<2>-O<2>y mediante el cual, cuando el reactor de H<2>-O<2>no está en funcionamiento, se puede aumentar la temperatura del vapor vivo tanto como para evitar la humedad en la salida de la turbina de vapor. En vista de la infraestructura de hidrógeno aún inadecuada y los posibles cuellos de botella en el suministro de hidrógeno, puede resultar ventajoso proporcionar una opción de este tipo en el ciclo que garantice el funcionamiento continuo del reactor de H<2>-O<2>incluso sin suministro de hidrógeno/oxígeno.

En un perfeccionamiento ventajoso de la invención, el generador de vapor de calor residual presenta superficies de calentamiento que conforman un primer evaporador y un segundo evaporador, y superficies de calentamiento que conforman un primer recalentador, en donde el primer recalentador está dispuesto entre las superficies de calentamiento del primer y del segundo evaporador, evitando así posibles retrasos en el arranque de la turbina de gas. Esto ofrece la ventaja de que la turbina de gas siempre puede arrancar con el gradiente completo, incluso cuando el generador de vapor de calor residual está despresurizado y el recalentador aún está seco y, por lo tanto, sin refrigerar.

En principio, también es ventajoso liberar el vapor generado por el reactor de H<2>-O<2>en una red de calefacción urbana. Para ello, la turbina de vapor debe estar equipada con tomas adecuadas o, eventualmente, estar diseñada como turbina de contrapresión.

El objeto de la invención, referido a un procedimiento, se logra mediante las características de la reivindicación 9. Las ventajas del dispositivo según la invención también se aplican al procedimiento.

El procedimiento conforme a la invención, para generar energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno comprende un motor de combustión interna, en particular, una turbina de gas y un generador de vapor de calor residual conectado al conducto de escape del motor de combustión interna, que presenta una sola etapa de presión, una turbina de vapor (11), un generador (12) conectado a la turbina de vapor y un conducto (19). Además, se proporciona un reactor de H<2>-O<2>, al que se alimenta vapor del generador de vapor de calor residual, agua, oxígeno e hidrógeno, de modo que el oxígeno y el hidrógeno reaccionan en el reactor H<2>-O<2>conformando vapor de agua, y se produce más vapor de agua por evaporación del agua inyectada, en donde el vapor de agua se alimenta a la turbina de vapor y se genera energía eléctrica mediante el generador conectado a la turbina de vapor, y la reacción en el reactor de H<2>-O<2>se controla preferentemente de manera selectiva inyectando agua de alimentación desde el generador de vapor de calor residual a través del conducto hacia el reactor de H<2>-O<2>.

Preferentemente, se utiliza agua de alimentación a alta presión desde la salida del economizador del generador de vapor de calor residual.

Para parámetros de vapor muy altos aguas abajo del reactor de H<2>-O<2>(p. ej., 150 bar y 1300 °C), se integra preferentemente un atemperador aguas arriba del condensador en el ciclo de vapor que está diseñado como un intercambiador de calor, conectado en el lado primario al conducto de vapor entre la turbina de vapor y un condensador aguas abajo de la turbina de vapor para absorber calor, y en el lado secundario a un conducto para liberar calor.

Otra ventaja es uno o más precalentadores de condensado/agua de alimentación, mediante los cuales se extrae vapor de agua de una o más tomas de la turbina de vapor y se alimenta a los precalentadores con fines de calefacción para aumentar la eficiencia.

La presión de evaporación en el generador de vapor de calor residual se ajusta preferentemente lo suficientemente alta para evitar la humedad en la salida de la turbina de vapor, incluso sin recalentamiento, dependiendo de la temperatura del vapor vivo establecida a través de la reacción H2-O2.

En un perfeccionamiento especial, está previsto además un recalentador de accionamiento eléctrico, que se conecta aguas arriba del reactor de H<2>-O<2>y mediante el cual se puede aumentar la temperatura del vapor vivo de ser necesario (el reactor de H<2>-O<2>no está en funcionamiento o sólo a potencia reducida) al punto de evitar la humedad en la salida de la turbina de vapor.

En una forma de ejecución especial de la invención, el generador de vapor de calor residual presenta superficies de calentamiento que conforman un primer evaporador y un segundo evaporador, y superficies de calentamiento que conforman un primer recalentador, en donde el primer recalentador está dispuesto entre las superficies de calentamiento del primer y del segundo evaporador, evitando así posibles retrasos en el arranque de la turbina de gas.

La presente invención presenta una serie de ventajas con respecto a una central eléctrica de ciclo combinado de gas y vapor (CCGT por sus siglas en inglés) convencional, que utiliza hidrógeno total o parcialmente como combustible para la turbina de gas: La eficiencia en general, y especialmente cuando el gas natural se sustituye sólo parcialmente por hidrógeno, es mayor que en una central eléctrica de ciclo combinado basada en la misma turbina de gas. Esto se debe a que:

- la presión y la temperatura del vapor vivo se pueden ajustar a niveles superiores a los que serían posibles con el nivel de temperatura de los gases de escape de la turbina de gas;

- el calor contenido en los gases de escape de la turbina de gas se aprovecha mejor, por lo que la temperatura de los gases de escape a la salida de la chimenea es menor;

- el vapor producido por la reacción del hidrógeno y el oxígeno, a alta presión y temperatura, puede considerarse un medio circulante y, por lo tanto, se puede utilizar hasta el nivel definido en el condensador; - con un mayor contenido de hidrógeno en el gas combustible de la turbina de gas en comparación con el gas natural, la temperatura de combustión aún se debe reducir en la actualidad para controlar el retroceso, las emisiones de óxidos de nitrógeno, etc. La temperatura en el reactor, por el contrario, es significativamente inferior y también se puede controlar con gran precisión inyectando agua de alimentación, lo que significa que puede aprovecharse mejor el potencial de la combustión de hidrógeno;

- Con una sustitución sólo parcial del gas natural como combustible, el hidrógeno se utiliza donde es más útil. Al utilizar hidrógeno en el ciclo de vapor, la eficiencia relativa a este flujo másico de combustible supera el 50%, lo que es significativamente mayor que la eficiencia de las turbinas de gas.

De hecho, en comparación, la producción aumenta significativamente y puede incrementarse aún más sacrificando parcialmente la ventaja de eficiencia sobre la energía del ciclo combinado. Para mejorar los costes específicos, la potencia de la turbina de vapor puede más que duplicarse, superando así la cuota de potencia, dados los parámetros de vapor vivo que se alcanzan fácilmente hoy en día y una eficiencia aún similar a la de un ciclo combinado.

La mejora comparativa de la potencia y la eficiencia se consigue aproximadamente con los mismos costes, ya que el ahorro y el aumento están más o menos equilibrados. Esto se puede ilustrar en términos de ahorro de la siguiente manera:

- En el generador de vapor de calor residual, hecho de acero económico, sólo hay una etapa de presión (en lugar de varias, como suele ser el caso en las centrales de ciclo combinado CCGt ) y no hay superficies de calentamiento de alta temperatura costosas para recalentadores o recalentadores. Esto también elimina la necesidad de inyecciones finales e intermedias.

- Sólo hay un conducto de vapor vivo (en lugar de varios, como presentan las centrales de ciclo combinado, además, a menudo, de un recalentamiento en frío y en caliente) y un conducto de vapor vivo comparativamente frío (y, por lo tanto, de acero más barato) desde la caldera hasta el reactor de H<2>-O<2>, que se ubica preferentemente lo más cerca posible de la turbina de vapor para mantener lo más acotado posible el conducto de vapor vivo de alta temperatura necesaria aguas abajo.

- No se requiere una planta de tratamiento de agua desmineralizada para el suministro de agua de recirculación. Básicamente, esta central eléctrica con el correspondiente sistema de refrigeración, no sólo es una central sin agua, sino que incluso la produce.Esto aplica cuando el electrolizador, que produce hidrógeno y oxígeno y requiere agua como materia prima, no se opera in situ o cuando se utiliza hidrógeno azul en combinación con oxígeno extraído del aire.

Además del reactor de H2-O2 como elemento adicional, la invención requiere, eventualmente, modificaciones del turbogrupo de la turbina de vapor y de las bombas de circulación (aumento del flujo másico de vapor a alta presión), un sistema de alimentación de oxígeno y una ampliación del sistema de refrigeración.

La ampliación del sistema de refrigeración se puede compensar total o parcialmente en los condensadores de aire y en los sistemas de refrigeración de paso único con un tiempo de calentamiento limitado mediante la utilización integral de circuitos de derivación ecológica en la caldera, lo que es posible mediante el proceso de indentación, ya que durante el funcionamiento de derivación de vapor se puede disipar una gran cantidad de calor a través de los gases de escape, lo que, además, determina el diseño.

Otra ventaja es la flexibilidad significativamente mejorada en comparación con una central eléctrica de ciclo combinado. Esto se consigue, entre otras cosas, por lo siguiente:

- Debido a que la primera superficie de calentamiento expuesta a la corriente de escape caliente de la turbina de gas no es, como antes, una superficie de calentamiento del recalentador sin enfriar durante el arranque, sino una superficie de calentamiento del evaporador continuamente refrigerada, la turbina de gas puede arrancar con gradiente completo incluso con la caldera fría, lo que reduce el tiempo de arranque.

- Es posible apagar rápidamente la central eléctrica con una carga significativamente menor para la caldera, ya que la superficie de calentamiento del recalentador no está presente o se ubica preferentemente entre las superficies de calentamiento del evaporador. Esto evita el contacto con gases de escape/aire frío durante e directamente después de la parada, eliminando así el posible «enfriamiento» de la superficie de calentamiento del recalentador.

- La zona de alta temperatura (reactor de H<2>-O<2>, entrada de la turbina de vapor, incluyendo válvulas, tuberías de conexión) es limitada en espacio y, por lo tanto, es particularmente adecuada para mantener el calor durante la parada mediante esteras calefactoras. De esta manera, la turbina de vapor se puede poner en marcha muy pronto y resulta útil que la temperatura del vapor vivo que entra en la turbina de vapor se pueda regular óptimamente a través del reactor de H<2>-O<2>.

- La posibilidad de ajustar la temperatura a través del reactor de H<2>-O<2>y controlar la cantidad de agua inyectada en el mismo ofrecen otras opciones de control de carga muy rápidas (también en lo referido a la sobrecarga).

En general, el componente de vapor, que anteriormente reaccionaba con cierta lentitud, se vuelve tan rápido como la turbina de gas y puede contribuir a aumentar la producción de la central eléctrica incluso sin ella. Esta circunstancia también puede tener un efecto muy positivo, sobre todo en el caso de la reconversión, ya que la elección de un proceso abierto con turbina de gas se justificaba en un principio por la flexibilidad que ofrece.

Otra ventaja importante de este concepto en comparación con las turbinas de gas alimentadas total o parcialmente con hidrógeno y las centrales eléctricas de ciclo combinado basadas en ellas con un ciclo de vapor convencional, así como con todos los demás procesos que queman hidrógeno con oxígeno atmosférico, consiste en que el agua producida durante la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno no se pierde en la atmósfera, lo que permite que este valioso recurso hídrico esté disponible para su posterior uso, especialmente en épocas de escasez hídrica. Otra ventaja respecto de los procesos antes mencionados que utilizan oxígeno atmosférico para la combustión del hidrógeno consiste en que, debido a la ausencia de nitrógeno, no se producen óxidos de nitrógeno ni se liberan a la atmósfera.

A continuación, la presente invención se describe en detalle mediante figuras. Las figuras muestran:

Figura 1: un dispositivo para generar energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno según la invención.

Figura 2: conjunto de diferentes perfeccionamientos del dispositivo según la invención.

Figura 3: un perfeccionamiento del dispositivo según la invención con precalentadores separados.

Figura 4: un perfeccionamiento del dispositivo según la invención con un generador de vapor continuo.

La figura 1 muestra el dispositivo 1 conforme a la invención para generar energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno. El dispositivo comprende una turbina de gas 2, un generador de vapor de calor residual 4 conectado al conducto de escape 3 de la turbina de gas, un reactor de H2-O26 y una turbina de vapor 11. La turbina de gas 2 y el generador de vapor de calor residual 4 son componentes convencionales. La turbina de gas 2 puede funcionar completamente con hidrógeno o en parte con hidrógeno y en parte con gas natural. El generador de vapor de calor residual 4 está diseñado para presentar una sola etapa de presión 5 y para suministrar vapor ligeramente sobrecalentado. El vapor 7 del generador de vapor de calor residual 4, el oxígeno 8, el hidrógeno 9 y el agua 31 pueden alimentarse al reactor de H<2>-O<2>6 a través de conductos separados.

El reactor de H<2>-O<2>está diseñado para lograr una reacción del oxígeno 8 y del hidrógeno 9 para la generación de vapor 10. Esta reacción produce vapor, producto de la combustión. El vapor 10 está altamente sobrecalentado (en donde se establece una temperatura de vapor admisible mediante la adición de vapor 7 y agua 31) y se alimenta a la turbina de vapor 11 a través de un conducto de vapor 10. La turbina de vapor 11 está conectada a un generador 12, que puede proporcionar energía eléctrica. El vapor producido por la reacción del hidrógeno y del oxígeno, a alta presión y temperatura, se introduce así en el ciclo de vapor y se puede utilizar como medio de circulación hasta el nivel definido en el condensador. Un mejor aprovechamiento del calor permite reducir la temperatura de los gases de combustión a la salida de la chimenea. Al utilizar hidrógeno en el ciclo de vapor, la eficiencia relacionada con el flujo másico de este combustible puede aumentar significativamente en comparación con su uso en la turbina de gas.

La figura 2 muestra varios perfeccionamientos del dispositivo según la invención. Estos perfeccionamientos se pueden implementar combinados o por separado.

Para controlar selectivamente la reacción y aumentar la potencia en el reactor de H<2>-O<2>6, el agua de alimentación 13 del generador de vapor de recuperación de calor 4 se inyecta en el reactor de H<2>-O<2>6 a través de un conducto 19. El agua de alimentación 13 puede ser agua de alimentación a alta presión 14, que se toma ventajosamente de la salida del economizador 15 del generador de vapor de recuperación de calor 4.

Para aumentar aún más la eficiencia, también se proporciona un precalentador de condensado 20 en la figura 2, que se conecta aguas arriba del generador de vapor de calor residual 4 para precalentar el agua de alimentación 13. El precalentador de condensado 20 se calienta con vapor tomado de una o más tomas 21 en la turbina de vapor 11.

Para poder aumentar la temperatura del vapor vivo cuando sea necesario (por ejemplo, cuando el reactor de H<2>-O<2>está fuera de servicio) de tal manera que se evite la humedad en la salida de la turbina de vapor 11, en la figura 2 también se proporciona un recalentador 22 de accionamiento eléctrico, que está conectado aguas arriba del reactor de H<2>-O<2>6. El recalentador 22, de accionamiento eléctrico, permite garantizar el funcionamiento continuo del reactor de H<2>-O<2>incluso sin suministro de hidrógeno/oxígeno.

Para evitar posibles retrasos durante el arranque de la turbina de gas 2, en la figura 2 se incluye un recalentador 27, dispuesto entre las superficies de calentamiento 23 del primer evaporador 25 y el segundo evaporador 26. Esto ofrece la ventaja de que la turbina de gas 2 siempre puede arrancar con el gradiente completo, incluso cuando el generador de vapor de calor residual 4 está despresurizado y el recalentador 27 aún está seco y, por lo tanto, sin refrigerar.

La Figura 3 se basa en la ejecución conforme a la invención según la figura 1. La Figura 3 muestra un perfeccionamiento del dispositivo conforme a la invención con precalentadores 30 separados conectados a las tomas de la turbina de vapor 11.

La Figura 4 se basa en gran medida en la figura 1. La figura 4 muestra un perfeccionamiento del dispositivo conforme a la invención con un generador de vapor de paso único 16 y un atemperador 17. Para presiones y temperaturas de vapor vivo muy elevadas, resulta ventajoso diseñar el generador de vapor de calor residual 4 como una caldera de paso único en lugar de una caldera de circulación natural (tambor). El atemperador 17 está diseñado como un intercambiador de calor 18 que, para la absorción de energía, se conecta en el lado primario al conducto de vapor 10, entre la turbina de vapor 11 y un condensador 24 aguas abajo de la turbina 11 y para la disipación de calor, se conecta en el lado secundario al conducto 19 para suministrar agua de alimentación desde el generador de vapor de calor residual 4 al reactor de H2-O26. El atemperador 17 es necesario cuando con el reactor de H<2>-O<2>6 se generan parámetros de vapor vivo muy elevados, como de 1300 °C y 150 bares de presión. A la salida de la turbina de vapor 11 aún hay vapor muy sobrecalentado, que se enfría mediante el atemperador 17 antes de condensarse en el condensador 24.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (1) para generar energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno, que comprende un motor de combustión interna (2), en particular, una turbina de gas, un generador de vapor de calor residual (4) conectado al conducto de gas escape (3) del motor de combustión interna (2), en donde el generador de vapor de calor residual (4) presenta solo una etapa de presión (5), una turbina de vapor (11), un generador (12) conectado a la turbina de vapor (11), y un conductor (19); caracterizado porque además se proporciona un reactor de H2-O2 (6), al que se suministra vapor (7) desde el generador de vapor de calor residual (4), agua (31), oxígeno (8) e hidrógeno (9); de modo que en el reactor de H<2>-O<2>(6), con el suministro de vapor (7), se logra una reacción de oxígeno (8) e hidrógeno (9) que produce vapor de agua (10) en donde el agua añadida (31) se evapora, en donde se genera vapor de agua adicional; en donde el vapor de agua altamente sobrecalentado (10) resultante se suministra a la turbina de vapor (11) y a través del generador (12) conectado a la turbina de vapor (11) se proporciona potencia eléctrica; en donde para el control selectivo de la reacción en el reactor de H<2>-O<2>(6) y el ajuste de la temperatura de salida del vapor el reactor de H<2>-O<2>, se puede inyectar agua de alimentación a alta presión (14) procedente del generador de vapor de recuperación de calor (4) en el reactor de H<2>-O<2>(6) a través del conducto (19).

2. Dispositivo (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque se proporciona además un atemperador (17), diseñado como intercambiador de calor (18), que está conectado en el lado primario al conducto de vapor (10) entre la turbina de vapor (11) y un condensador (24) conectado aguas abajo de la turbina de vapor (11), y, en el lado secundario al conducto (19).

3. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque además, está previsto un precalentador de condensado (20) que está conectado aguas arriba del generador de vapor de calor residual (4) para precalentar el agua de alimentación (13), en donde para aumentar la eficiencia, se puede tomar vapor de uno o más tomas (21) en la turbina de vapor (11) y alimentar al precalentador de condensado (20).

4. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la presión de evaporación en el generador de vapor de calor residual (4) se ajusta lo suficientemente alta para evitar la humedad en la salida de la turbina de vapor (11), dependiendo de la temperatura del vapor vivo ajustada a través de la reacción H<2>-O<2>, incluso sin recalentamiento intermedio.

5. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque también está previsto un recalentador (22) de accionamiento eléctrico, que está conectado aguas arriba del reactor de H<2>-O<2>(6), y mediante el cual se puede aumentar la temperatura del vapor vivo cuando el reactor de H<2>-O<2>no está en funcionamiento, de modo que se evita la humedad en la salida de la turbina de vapor (11).

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el generador de vapor de calor residual (4) presenta superficies de calentamiento (23) que conforman un primer evaporador (25) y un segundo evaporador (26), y superficies de calentamiento (23) que conforman un primer recalentador (27), en donde el primer recalentador (27) está dispuesto entre las superficies de calentamiento (23) del primer evaporador (25) y del segundo evaporador (26), de modo que se evita un potencial de retardo en el arranque de la turbina de gas (2).

7. Procedimiento para generar energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno, que comprende un motor de combustión interna (2), en particular, una turbina de gas, un generador de vapor de calor residual (4) conectado al conducto de escape (3) del motor de combustión interna (2), que presenta sólo una etapa de presión (5), una turbina de vapor (11), un generador (12) conectado a la turbina de vapor, y un conductor (19);

en donde se dispone además un reactor de H<2>-O<2>(6), al que se suministra vapor (7) procedente del generador de vapor de calor residual (4), agua (31), oxígeno (8) e hidrógeno (9), de modo que en el reactor de H<2>-O<2>(6) el oxígeno (8) y el hidrógeno (9) reaccionan para conformar vapor de agua (10), y se produce más vapor de agua por evaporación del agua inyectada (31), en donde el vapor de agua se suministra a la turbina de vapor (11), y se genera energía eléctrica mediante el generador (12) conectado a la turbina de vapor (11); y la reacción en el reactor de H<2>-O<2>(6) y la temperatura del vapor a la salida del reactor de H<2>-O<2>(6) se controlan selectivamente inyectando como agua (31), agua de alimentación a alta presión (14) desde el generador de vapor de calor residual (4) en el reactor de H<2>-O<2>(6) a través del conducto (19).

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en donde el circuito de vapor comprende un atemperador (17), diseñado como intercambiador de calor (18), que está conectado en el lado primario al conducto de vapor entre la turbina de vapor (11) y un condensador (24) conectado aguas abajo de la turbina de vapor (11) para absorber calor, y está conectado en el lado secundario al conducto (13) para liberar calor.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 ó 8, que comprende además un precalentador de condensado (20) que está conectado aguas arriba del generador de vapor de calor residual (4) y es precalentado por el agua de alimentación (13), en donde, para aumentar la eficiencia, se toma vapor de una o más tomas (21) en la turbina de vapor (11) y se alimenta al precalentador de condensado (20).

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 9, en donde la presión de evaporación en el generador de vapor de calor residual (4) se ajusta tan alta que, en función de la temperatura del vapor vivo ajustada a través de la reacción H2-O2, se evita la humedad en la salida de la turbina de vapor (11), incluso sin recalentamiento.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 10, que comprende además un recalentador (22) de accionamiento eléctrico que está conectado aguas arriba del reactor de H<2>-O<2>(6) y mediante el cual se puede aumentar la temperatura del vapor vivo cuando el recalentador (22) no está en funcionamiento hasta el punto de evitar la humedad en la salida de la turbina de vapor (11).

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 11, en donde el generador de vapor de calor residual (4) presenta superficies de calentamiento que conforman un primer evaporador (25) y un segundo evaporador (26), y superficies de calentamiento (23) que conforman un primer recalentador (27), en donde el primer recalentador (27) está dispuesto entre las superficies de calentamiento (23) del primer evaporador (25) y del segundo evaporador (26), de modo que se evita un potencial de retardo en el arranque de la turbina de gas (2).