Acumulador de calor de gran volumen para la acumulación adiabática de aire comprimido con fines de almacenamiento de energía,

caracterizado porque consta de dos cápsulas (1, 7 y 3, 4, 9) enchufadas una dentro de otra, las cuales poseen sustancialmente la forma de un tubo vertical con casquetes redondeados en los extremos,

en donde el casquete exterior (1, 7) representa una cápsula de presión que absorbe con seguridad presiones de hasta al menos 65 bares, y la cápsula interior (3, 4, 9) es una cápsula resistente al calor que aguanta con seguridad temperaturas de hasta al menos 650ºC y en la que se encuentran los elementos acumuladores de calor (2),

en donde la envolvente (1, 7) de la cápsula exterior está constituida en su mayor parte por hormigón pretensado (11, 10) y el lado interior de la envolvente es refrigerado por tubos de refrigeración (6) al menos en las proximidades a zonas calientes de la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor,

en donde se encuentra aire o un material de aislamiento con fuerte contenido de aire en el espacio intermedio (5) entre la cápsula exterior (1, 7) y la cápsula interior (3, 4, 9),

en donde los elementos acumuladores de calor (2) están apilados sobre un techo intermedio (8) dentro de la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor,

en donde se encuentra dentro de la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor, en la zona situada por debajo del techo intermedio (8), una zona de entrada y salida para aire desde el acumulador de aire comprimido subterráneo, y

en donde se encuentra dentro de la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor, en la zona situada por encima de la pila de los elementos acumuladores de calor (2), una zona de entrada y salida para aire desde el compresor o hacia la instalación de obtención de energía

Acumulador de calor para la acumulación adiabática de aire comprimido con fines de almacenamiento de energía.

Campo técnico

La invención concierne a la acumulación de calor para recalentar aire comprimido durante su extracción de un acumulador de aire comprimido subterráneo de gran tamaño a fin de compensar el enfriamiento durante la expansión del gas comprimido antes del paso por la turbina con fines de obtención de energía.

Estado de la técnica

Las centrales acumuladoras por bombeo en las que se bombea agua a gran altura en caso de un exceso de energía eléctrica y se la lanza desde allí, en caso de demanda de energía, hacia un trayecto en pendiente por medio de turbinas, y su energía potencial previamente acumulada, que se presenta al final del trayecto en pendiente en forma de energía cinética, es reconvertida allí de nuevo parcialmente en energía eléctrica, son conocidas en múltiples formas y son usuales en regiones montañosas. En terreno llano estas centrales acumuladoras por bombeo serían posibles solamente como obras de ingeniería extremadamente grandes y caras. Por tanto, en todo el mundo se recorre con unos pocos acumuladores de aire comprimidos subterráneos (por ejemplo, cavernas de sal) un camino diferente para la acumulación temporal de energía en terreno llano, en el que se comprime aire con energía eléctrica producida temporalmente en exceso y luego se le guarda en un acumulador subterráneo grande hermético al gas para que, en caso de un consumo de energía eléctrica temporalmente más alto, sea reconvertido de nuevo en energía eléctrica por extracción y circulación a través de una turbina.

Al comprimir el aire, éste se calienta. (Para una compresión sin intercambio de calor, como la que se presenta aproximadamente en el corto momento de la compresión, puesto que el tiempo no es suficiente para un intercambio de calor, se cumplen para la presión p, el volumen V y la temperatura T las ecuaciones de estado adiabáticas p.V^? = const y T^?.p^1-? = const, en donde el coeficiente adiabático ? se define como ? = C_p/c_v, o sea, la relación de la capacidad calorífica molar a presión constante y a volumen constante, respectivamente).

Si se bombea este aire calentado hacia adentro de la caverna, dicho aire se enfría allí al menos parcialmente hasta la extracción del mismo.

Si este aire enfriado circula nuevamente por la turbina durante su extracción y se dilata con ello (también adiabáticamente), dicho aire se enfría entonces fuertemente y se producen formaciones de hielo no deseadas.

Por tanto, para impedir esto se calienta de nuevo artificialmente el aire antes de la entrada en la turbina, lo que se efectúa hasta ahora quemando carburantes fósiles, con lo que se influye negativamente sobre el equilibrio medioambiental.

Por tanto, se ha propuesto ya transferir el calor producido durante la compresión del aire a un acumulador de calor y transferir nuevamente este calor del acumulador de presión al gas durante la extracción de gas, con lo que el gas se acumularía formalmente de manera diabática y no se tendría que gastar energía extraña para calentar el gas. No se conoce hasta ahora un acumulador de calor que pueda conseguir esto a plena satisfacción con las grandes dimensiones requeridas. En el documento DE-A-3 545 622 se ha revelado un acumulador de calor que presenta las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Problema de la invención

El problema de la invención consiste en indicar un acumulador de calor que esté en condiciones de absorber, con un gran caudal de gas y una alta presión (hasta aproximadamente 65 bares), altas temperaturas (hasta aproximadamente 650ºC) provenientes del gas bombeado hacia el acumulador de presión y retransferir también nuevamente estas temperaturas al gas extraído del acumulador de presión subterráneo. El sistema deberá trabajar adibáticamente en buena aproximación, es decir que, en el caso óptimo, no se deberá tener que gastar energía adicional para realizar un calentamiento de gas.

Exposición de la invención

El problema se resuelve con las características indicadas en la parte caracterizadora de la reivindicación 1.

Características esenciales de la invención son:

- El acumulador de gas/intercambiador de calor es un recipiente resistente a la presión, cuya envoltura (1, 7) aguanta con seguridad presiones en el rango de 65 bares. Presenta al menos una tubería de alimentación (12) para el aire comprimido caliente y al menos una tubería (13) de evacuación del aire enfriado desde el intercambiador de calor hacia el acumulador de presión subterráneo. Además, presenta al menos una tubería (13) de entrada desde el acumulador de presión subterráneo en el acumulador de calor, la cual puede ser idéntica también a la tubería (13) de evacuación desde el acumulador de calor hacia el acumulador de presión, así como una tubería (12) para evacuar hacia la turbina el aire recalentado en el acumulador de calor.

- La envolvente de hormigón (1) está constituida en gran parte por hormigón pretensado altamente resistente. El pretensado se efectúa en direcciones horizontal y vertical, preferiblemente por medio de miembros tensores (11, 10) de fibras de carbón.

- En la zona superior del recipiente (1) resistente a la presión está integrado un casquete de acero (7). Éste es desmontable, con lo que el interior del acumulador de calor es más fácilmente accesible para montaje, carga y mantenimiento. Al menos el casquete de acero (7) del acumulador de calor se encuentra por encima del terreno, mientras que el resto puede estar hundido en el suelo.

- La envolvente de hormigón (1) y el casquete de acero (7) pueden estar térmicamente aislados con respecto al entorno por medio de un material calorifugante (16).

- Una capa térmicamente aislante (4) protegida por una capa (3) resistente al calor separa el material acumulador de calor (2) respecto del hormigón (1) más sensible al calor. Además, entre la capa térmicamente aislante y la envolvente de hormigón (1)/casquete de acero (7) se encuentra preferiblemente todavía, en caso de que la capa térmicamente aislante no actúe ella misma en forma térmicamente aislante en grado suficiente, una capa térmicamente aislante (5), preferiblemente de aire.

- A causa de la variación de su volumen al cambiar la temperatura, el material acumulador de calor (2) no tiene preferiblemente ningún contacto directo con la capa (3) resistente al calor, o bien están presentes unos espacios vacíos entre los distintos elementos (2) que actúan compensando la dilatación.

- El material acumulador de calor (2) está situado preferiblemente sobre un techo (8), preferiblemente de hormigón, que descansa sobre montantes (18).

- En el interior de la envolvente de hormigón (1), discurre un circuito de refrigeración (6) para refrigerar la superficie interior de la envolvente.

Las figuras muestran de manera más detallada una posible forma de realización:

La figura 1 muestra una sección transversal a través de un acumulador de calor según la invención en "forma de cápsula medicinal", cuya parte preponderante se encuentra en este caso sobre el suelo, estando la parte inferior (el redondeamiento de la cápsula) empotrada en un fundamento 17 de hormigón. La altura total de la cápsula del acumulador de calor asciende a 43 m, de los que 35 m están sobre el suelo.

La envolvente de hormigón 1 tiene un grosor de 2 m y consiste en acero C80/95 altamente resistente que está pretensado en direcciones vertical y horizontal por unos miembros tensores 10, 11 de fibra de carbón.

En su extremo superior el acumulador de calor está cerrado por un casquete de acero 7 de veinte centímetros de espesor, el cual está fijado en forma soltable a un anillo de acero 15 anclado en la envolvente de hormigón 1.

Esto se representa de manera más detallada en la figura 2.

En su lado exterior situado sobre el suelo el acumulador de calor está rodeado por un revestimiento de calorifugación 16 de 50 cm de espesor. Por consiguiente, en la zona del casquete de acero 7 de solamente de 20 cm de espesor el aislamiento tiene un grosor de 2,30 m. Dentro de la cápsula de presión exterior 1, 7 se encuentra, a una distancia 5 de 30 cm, que está llena de aire o de un material aislante de fuerte contenido de aire, una cápsula 3, 4, 8, 9, 18...

1. Acumulador de calor de gran volumen para la acumulación adiabática de aire comprimido con fines de almacenamiento de energía,

caracterizado porque consta de dos cápsulas (1, 7 y 3, 4, 9) enchufadas una dentro de otra, las cuales poseen sustancialmente la forma de un tubo vertical con casquetes redondeados en los extremos,

en donde el casquete exterior (1, 7) representa una cápsula de presión que absorbe con seguridad presiones de hasta al menos 65 bares, y la cápsula interior (3, 4, 9) es una cápsula resistente al calor que aguanta con seguridad temperaturas de hasta al menos 650ºC y en la que se encuentran los elementos acumuladores de calor (2),

en donde la envolvente (1, 7) de la cápsula exterior está constituida en su mayor parte por hormigón pretensado (11, 10) y el lado interior de la envolvente es refrigerado por tubos de refrigeración (6) al menos en las proximidades a zonas calientes de la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor,

en donde se encuentra aire o un material de aislamiento con fuerte contenido de aire en el espacio intermedio (5) entre la cápsula exterior (1, 7) y la cápsula interior (3, 4, 9),

en donde los elementos acumuladores de calor (2) están apilados sobre un techo intermedio (8) dentro de la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor,

en donde se encuentra dentro de la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor, en la zona situada por debajo del techo intermedio (8), una zona de entrada y salida para aire desde el acumulador de aire comprimido subterráneo, y

en donde se encuentra dentro de la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor, en la zona situada por encima de la pila de los elementos acumuladores de calor (2), una zona de entrada y salida para aire desde el compresor o hacia la instalación de obtención de energía.

2. Acumulador de calor según la reivindicación 1, caracterizado porque la cápsula de presión (1, 7) está realizada como un casquete de acero (7) en la zona superior y está fijada de forma soltable a la envolvente de hormigón (1) de la cápsula de presión (1, 7).

3. Acumulador de calor según al menos una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la envolvente de hormigón (1) de la cápsula de presión (1, 7) consiste en hormigón pretensado vertical y horizontalmente con miembros tensores (10, 11) de fibras de carbón.

4. Acumulador de calor según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el techo intermedio (8) sobre el cual descansan los elementos acumuladores de calor (2) consiste en hormigón resistente al calor y está soportado por unos montantes (18) que se poyan sobre el fondo (9) de la cápsula situada debajo de ellos, la cual a su vez está apoyada ella misma con montantes sobre el fondo de la cápsula de presión (1, 7).

5. Acumulador de calor según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la cápsula (3, 4, 9) resistente al calor está constituida, en la zona situada por encima del techo intermedio (8), por al menos dos capas (3, 4), a saber, una capa interior (3) de hormigón resistente al calor y una capa exterior (4) de hormigón poroso, o porque dicha cápsula consiste en una única capa de hormigón poroso resistente al calor.

6. Acumulador de calor según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los elementos acumuladores de calor (2) presentan ranuras y lengüetas o prolongaciones y cavidades con funciones comparables, encajan con éstas uno dentro de otro y están así situados también de forma indesplazable a pesar de las variaciones constantes de la temperatura.

7. Acumulador de calor según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la cápsula de presión (1, 7) está rodeada exteriormente con una capa (16) de aislamiento térmico al menos en las zonas que entran en relación interiormente con aire caliente.