Un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (10) para proporcionar energía térmica a una máquina termodinámica para la generación de electricidad,

que comprende; una unidad de almacenamiento caliente (12) que está en conexión con un intercambiador de calor (24, 30) y contiene un medio de almacenamiento térmico, un circuito de fluido de trabajo para la circulación de un fluido de trabajo a través del intercambiador de calor (24, 30) para la transferencia de calor con el medio de almacenamiento térmico y en el que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en un punto de entrada y uno de salida del intercambiador de calor (24, 30) es menor de 50ºC durante la transferencia de calor

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general al almacenamiento de energía eléctrica. Se refiere en particular al sistema y método para el almacenamiento de energía eléctrica en la forma de energía térmica en un almacenamiento de energía térmica.

Técnica antecedente

Los generadores de carga base tales como las plantas de energía nuclear y los generadores con fuentes de energía estocástica, intermitente tal como las turbinas eólicas y los paneles solares generan exceso de potencia eléctrica durante momentos de baja demanda de potencia. Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica a gran escala son un medio de desviar este exceso de energía a momentos de picos de demanda y equilibrar la generación y consumo global de electricidad.

En una solicitud de patente pionera EP1577548 el solicitante ha descrito la idea de un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (TEES, del inglés “Thermoelectric, Energy Storage”). Un TEES convierte el exceso de electricidad en calor, almacena el calor y convierte de nuevo el calor en electricidad, cuando es necesario. Tal sistema de almacenamiento de energía es robusto, compacto, independiente del emplazamiento y es adecuado para el almacenamiento de energía eléctrica en grandes cantidades. La energía térmica se puede almacenar en la forma de un calor sensible por medio de un cambio en la temperatura o en forma de calor latente por medio del cambio de fase o una combinación de ambos. El medio de almacenamiento para el calor sensible puede ser un sólido, líquido o un gas. El medio de almacenamiento para el calor latente tiene lugar por medio de un cambio de fase y puede involucrar cualquiera de estas fases o una combinación de ellas en serie o en paralelo.

Todas las tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica tienen inherentemente una eficiencia total limitada. Por ello, por cada unidad de energía eléctrica usada para cargar el almacenamiento, sólo un cierto porcentaje se recupera como energía eléctrica tras la descarga. El resto de energía eléctrica se pierde. Si, por ejemplo, el calor que se ha almacenado en un sistema TEES se proporciona a través de resistencias de calefacción, tiene aproximadamente un la eficiencia total del 40%. La eficiencia del almacenamiento de energía termoeléctrica está limitada por varias razones cuya raíz es la segunda ley de la termodinámica. En primer lugar, la conversión del calor en trabajo mecánico está limitada a la eficiencia de Carnot. En segundo lugar, el coeficiente de rendimiento de cualquier bomba de calor disminuye cuando aumenta la diferencia de temperatura entre el nivel de entrada y el nivel de salida. En tercer lugar, cualquier flujo de calor desde un fluido de trabajo a un almacenamiento térmico y viceversa requiere una diferencia de temperatura para que tenga lugar. Este hecho degrada inevitablemente los niveles de temperatura y por ello la capacidad del calor para realizar trabajo.

Ha de tenerse en cuenta que muchos procesos industriales involucran el suministro de energía térmica y el almacenamiento de energía térmica. Los ejemplos son los dispositivos de refrigeración, bombas de calor, aire acondicionado y la industria de procesos. En las plantas de energía solar térmica, se proporciona calor, posiblemente almacenado, y se convierte en energía eléctrica. Sin embargo todas estas aplicaciones son diferentes de los sistemas TEES debido a que no se implican con el calor con la finalidad exclusiva del almacenamiento de electricidad.

Es conocido en la técnica que se puede proporcionar calor a la unidad de almacenamiento térmico por medio de una bomba de calor. Por ejemplo, una máquina de Stirling (para referencia, véase la Patente de Estados Unidos 3080706, columna 2, líneas 22-30). También, la patente internacional WO 2007/134466 describe un sistema TEES que tiene una bomba de calor integrada.

Una bomba de calor requiere un trabajo para mover la energía térmica desde la fuente fría al sumidero de calor más caliente. Dado que la cantidad de energía depositada en el lado caliente es mayor que el trabajo requerido en una cantidad igual a la energía tomada desde el lado frío, una bomba de calor “multiplicará” el calor si se compara con la generación de calor resistivo. La relación de salida de calor al trabajo introducido se denomina coeficiente de rendimiento y es un valor mayor que uno. En esta forma, el uso de una bomba de calor aumentará la eficiencia de total del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica. La eficiencia total es la cantidad de electricidad proporcionada desde el almacenamiento dividida por la cantidad de electricidad proporcionada al almacenamiento.

La Patente US 4089744 describe un método de almacenamiento de energía térmica por medio de un bombeo de calor reversible. El exceso de producción eléctrica se almacena en forma de calor sensible utilizándola para elevar el nivel de temperatura de un fluido de almacenamiento de calor. En este esquema, la fuente térmica de bajo nivel es agua caliente almacenada, que también sirve como el fluido de trabajo en la bomba de calor y ciclos de turbina. Un análisis termodinámico, tal como el tipo de análisis mostrado en la Figura 6, muestra que la eficiencia de esquemas equivalentes al del documento US 4089744 está limitado a aproximadamente el 50%.

Por ello, hay una necesidad de proporcionar un almacenamiento de energía termoeléctrica eficiente que tenga una eficiencia total, preferiblemente, mayor del 55%.

Descripción de la invención

Es un objetivo de la invención proporcionar un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica para la conversión de energía eléctrica en energía térmica a ser almacenada y convertida de nuevo en energía eléctrica con una eficiencia total mejorada. Este objetivo se consigue mediante el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica de acuerdo con la reivindicación 1 y un método de acuerdo con la reivindicación 7. Las realizaciones preferidas son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica que comprende una unidad de almacenamiento caliente que está en conexión con un intercambiador de calor y contiene un medio de almacenamiento térmico, un circuito de fluido de trabajo para la circulación de un fluido de trabajo a través del intercambiador de calor para la transferencia de calor con el medio de almacenamiento térmico en el que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en la unidad de almacenamiento caliente se minimiza durante la transferencia de calor.

Cuando el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica está en un ciclo de carga (o “bomba de calor”), la máquina termodinámica incluye una turbina y cuando el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica está en un ciclo de descarga (o de “turbina”), la máquina termodinámica incluye un compresor.

Preferiblemente, la unidad de almacenamiento caliente comprende al menos dos unidades de almacenamiento caliente, cada una de las unidades de almacenamiento caliente está en conexión con un intercambiador de calor y contiene un medio de almacenamiento térmico.

En una realización preferida, el intercambiador de calor o intercambiadores de calor son comunes tanto al ciclo de carga como al ciclo de descarga. Sin embargo, es también posible que haya intercambiadores de calor separados para los ciclos de carga y descarga. Preferiblemente se conectan hidráulicamente dos o más intercambiadores de calor utilizados en serie.

Adicionalmente, el medio de almacenamiento térmico puede ser un líquido y el caudal del medio de almacenamiento térmico se puede modificar de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente se minimice durante la transferencia de calor.

El medio de almacenamiento térmico de la presente invención puede ser un sólido o un líquido. La realización particular ilustrada en las Figuras 3 y 4 de la descripción adjunta muestra una versión en la que el medio de almacenamiento térmico es un líquido.

En una realización preferida, se utiliza un único circuito de fluido de trabajo que contiene un único tipo de fluido de trabajo tanto para el ciclo de carga como el de descarga. Sin embargo, es posible también que haya circuitos... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (10) para proporcionar energía térmica a una máquina termodinámica para la generación de electricidad, que comprende;

una unidad de almacenamiento caliente (12) que está en conexión con un intercambiador de calor (24, 30) y contiene un medio de almacenamiento térmico, un circuito de fluido de trabajo para la circulación de un fluido de trabajo a través del intercambiador de calor (24, 30) para la transferencia de calor con el medio de almacenamiento térmico y en el que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en un punto de entrada y uno de salida del intercambiador de calor (24, 30) es menor de 50ºC durante la transferencia de calor.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la unidad de almacenamiento caliente comprende al menos dos unidades de almacenamiento caliente (x, y, z), cada unidad de almacenamiento caliente está en conexión con el intercambiador de calor (36, 38, 40) y contiene un medio de almacenamiento térmico.

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el medio de almacenamiento térmico es un líquido y el caudal del medio de almacenamiento térmico se modifica de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente (x, y, z) sea menor de 50ºC durante la transferencia de calor.

4. El sistema de acuerdo con una cualquiera de la reivindicación 1 a la reivindicación 3, en el que la temperatura del medio de almacenamiento térmico en los puntos de entrada y salida de cada intercambiador de calor conectado (36, 38, 40) se modifica de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente (x, y, z) sea menor de 50ºC durante la transferencia de calor.

5. El sistema de acuerdo con cualquiera de la reivindicación 1 a la reivindicación 4, en el que al menos una de las unidades de almacenamiento caliente contiene un tipo diferente de medio de almacenamiento térmico de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente (x, y, z) sea menor de 50ºC durante la transferencia de calor.

6. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente (x, y, z) es menor de 50ºC durante la transferencia de calor.

7. Un método para el almacenamiento de energía termoeléctrica en un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica, que comprende:

la carga de una unidad de almacenamiento caliente (12, x, y, z) mediante el suministro de calor por medio de un intercambiador de calor (24, 30, 36, 38, 40) a un medio de almacenamiento térmico mediante la comprensión de un fluido de trabajo, la descarga de la unidad de almacenamiento caliente (12, x, y, z) mediante la expansión del fluido de trabajo calentado a través del intercambiador de calor desde el medio de almacenamiento térmico a través de una máquina termodinámica (32) y la modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico para asegurar que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en un punto de entrada y uno de salida del intercambiador de calor es menor de 50ºC durante la carga y la descarga.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la etapa de la modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico comprende la modificación del caudal del medio de almacenamiento térmico.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el que la etapa de la modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico comprende la modificación de la temperatura inicial y la temperatura final del medio de almacenamiento térmico.

10. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que la etapa de la modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico comprende la modificación del tipo de medio de almacenamiento térmico.