Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos y su procedimiento de operación.

Sistema de almacenamiento de energía mediante la contención de fluidos en una pluralidad de recipientes a alta presión, que se cargan uno a uno, secuencialmente, cuando hay disponibilidad de energía a almacenar, empleando dicha energía excedente en comprimir el fluido de trabajo hasta la presión de diseño; recuperándose dicha energía en una máquina expansora que es atravesada por el fluido que se descarga del almacenamiento, lo cual se hace uniendo en paralelo todos los recipientes previamente cargados hasta la presión de diseño, con objeto de ir manteniendo lo más alta posible la presión remanente en el almacenamiento.

Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos y su procedimiento de operación.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo del almacenamiento de energía, fundamentalmente en el sector de las centrales de generación de energía eléctrica, o más genéricamente del sistema eléctrico en su conjunto, donde se producen situaciones en las que la oferta de energía excede a la demanda, y por ende convendría almacenarla; y por otro lado se producen puntas de demanda, en las cuales la oferta disponible difícilmente puede satisfacer la potencia demandada; lo cual se facilita usando medios de almacenamiento energético, como es el bombeo hidráulico; que es el más maduro y extendido de los medios de almacenamiento, al cual se pueden añadir otros métodos en el próximo futuro, entre los que destaca el almacenamiento de fluidos comprimidos a muy alta presión, de varios centenares de bares (varias decenas de MPa).

Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención

El problema genérico que se pretende resolver es hallar una configuración de almacenamiento y un procedimiento de gestión técnica del mismo, que maximice las prestaciones obtenidas del sistema de almacenamiento.

Dentro de ese objetivo, lo que específicamente se quiere resolver es que el almacenamiento de energía mecánica por compresión, almacene el fluido comprimido a la presión de diseño (también llamada nominal o de consigna) y que éste se descargue, a través de la máquina expansora correspondiente, manteniendo el nivel de presión en las descargas tan alto como sea posible, para que la citada máquina funcione lo más cerca posible de régimen nominal, que es el que corresponde a una presión de entrada igual al valor nominal.

En las invenciones y aplicaciones existentes, predomina el uso del aire como fluido de trabajo, por su alta compresibilidad, pero la invención aquí presentada es aplicable a cualquier fluido. Por otra parte, al necesitarse productos P•V (presión por volumen del recipiente de almacenamiento) considerablemente grandes, existe la convicción técnica muy extendida de que son necesarias cavernas subterráneas estancas, como las que han contenido gas natural, para disponer de una aplicación de alta potencia y energía. Tal es el ámbito de aplicación de la invención presentada en el documento US 2011236134 (A1). Sin embargo, no es habitual disponer de tales cavernas, y la solución más inmediata es recurrir a recipientes a presión para almacenar el fluido comprimido, de lo cual hay multitud de invenciones, y en particular las recogidas en WO 2011063071 A1, WO 2011056296 A2, US 2011219760 A1, y WO 2011054169 A1, estando dedicada esta última al almacenamiento de fluidos por encima del punto crítico, lo cual también es accesible en la invención aquí propuesta, si bien su configuración y modo de gestión técnica del almacenamiento no tiene nada que ver con ninguna de las invenciones señaladas.

Tampoco son precedentes de la invención las ideas expuestas en diversos documentos que tratan del mismo problema, a saber: una máquina compresora, que sirve para llenar un recipiente artificial o natural, pero por lo común artificial, del cual se descarga el fluido comprimido haciéndolo pasar por una máquina expansora, a menudo denominada turbina (siendo en este caso más cercana la morfología a una turbina de gas) y realizando este cometido con unas pautas pensadas para aprovechar el equipo disponible, como es el caso del aire comprimido adiabáticamente, lo cual se trata en la invención US 2011100583 A1, WO 2011053410 A1 y en la WO 2011056283 A2. Otras invenciones centradas en la misma tipología de instalación son la US 2011061385 A1, US 2011219760 A1, US 2011196542 A1, US 2011167814 A1, CA 2749975 A1, WO 2011076926 A2, WO 2011071609 A1, EP 2378100 A2 y JP 2011106333 A, pero ninguna de ellas aporta elementos constructivos ni de procedimiento de trabajo remotamente similares a los propuestos en esta invención. Tampoco se considera precedente la US 2011167813 A1, aunque contiene dos recipientes a presión, pero no una pluralidad de ellos, y no utilizados con el procedimiento propuesto en esta invención.

Dentro del campo específico que se ha delimitado, de una instalación que tiene un almacenamiento de fluido comprimido, con una máquina impulsora o compresora para llenarlo, y con una máquina expansora para efectuar un trabajo cuando se liberara del recipiente el fluido comprimido, la invención hace referencia al almacenamiento en sí, a la estructuración de sus componentes, y a la gestión técnica de los flujos de fluido, tanto en la carga como en la descarga.

Procede añadir que en este sector de la técnica se denomina máquina compresora a aquella que absorbe por su boca de admisión una corriente de un fluido, la cual impulsa a mayor presión por su boca de descarga, lo cual ejecuta merced a la potencia externa que se le aplica; siendo una máquina expansora aquella que produce una potencia mecánica, generalmente aplicada a un eje (que particularmente puede estar conectado a un generador eléctrico), gracias a que absorbe por su boca de admisión una corriente de un fluido, la cual eyecta a menor presión por su boca de descarga.

Descripción de la invención

El dispositivo descrito en la presente invención comprende una pluralidad de recipientes herméticos, de tamaño y forma cualesquiera, aunque particularmente se señale como canónica, dentro de la resistencia de materiales, la forma cilíndrica alargada, rematada en sus extremos por sendos casquetes hemisféricos o torisféricos, y en todo caso contando cada recipiente con una tubería de carga y otra de descarga, dotadas cada una de dichas tuberías con al menos una válvula de tipo todo/nada o apertura/cierre, que se llaman válvulas de carga cuando están en una tubería de carga, y válvulas de descarga si están en una tubería de descarga, teniendo todas las válvulas posibilidad de paso de fluido en una sola dirección, estando todas las tuberías de llenado o carga de los recipientes, que al menos son una por recipiente, conectadas al conducto o tubería de impulsión de una máquina compresora que toma el fluido de un depósito, natural o artificial, a baja presión; y estando todas las tuberías de vaciado o descarga de los recipientes, que al menos son una por recipiente, conectadas al conducto o tubería de admisión de una máquina expansora que descarga el fluido en dicho depósito, natural o artificial, a baja presión; quedando configurada una pluralidad de circuitos en paralelo por los que puede fluir el fluido de trabajo desde la impulsión de la máquina compresora a la admisión de la máquina expansora, consistiendo cada circuito en el ramal o tubería de carga a cada recipiente, seguido del recipiente en sí, seguido del ramal o tubería de descarga de cada recipiente; y habiendo en el conducto de impulsión de la máquina compresora una válvula general de ese conducto, y habiendo asimismo, en el conducto de admisión de la máquina expansora, otra válvula general; y actuando dichos circuitos, parcial o totalmente, como conductos reales de paso del fluido según el estado de apertura/cierre de sus válvulas.

La posición abierta/cerrada de cada válvula queda determinada bien por una acción de control programada en un sistema de mando de apertura/cierre a través del relé correspondiente, bien por una decisión del operador de la planta desde su puesto de mando, en función de las lecturas de los manómetros; existiendo dicho sistema de mando y dicho puesto de mando como conjunto de sensores y relés comunicados por cable o por señales electromagnéticas inalámbricas, a través de los cuales se activa la apertura o cierre de cada válvula, según procedimiento de operación consignado más adelante como parte de la invención.

Eventualmente, una sola máquina puede funcionar reversiblemente, según gire en un sentido o en el otro, como compresora o expansora, quedando sin embargo unívocamente definidos el conducto de impulsión cuando funciona como máquina compresora, y el conducto de admisión cuando funciona como máquina expansora.

Una variante es que se use un fluido natural como fluido de trabajo, entendiendo por fluidos naturales los que se encuentran abundantemente en la naturaleza, como son el aire y el agua, en cuyo caso, en vez de usar un depósito de baja presión para cerrar el circuito, se use directamente la atmósfera, en el caso del aire, o una masa o corriente voluminosa de agua, en el caso del agua, actuando así en circuito abierto por el lado de baja presión.

La invención...

1. Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos, ubicado en una planta de generación de energía eléctrica dotada de una máquina compresora (2) del fluido de trabajo del almacenamiento, y de una máquina expansora (15), o de una sola máquina reversible (21) que ejerza alternativamente ambas funciones fluido-mecánicas, más un depósito, natural o artificial, de baja presión (4) donde se acumula el fluido de trabajo cuando se descarga del almacenamiento, caracterizado por que el almacenamiento comprende:

una pluralidad de recipientes herméticos (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e) contando cada recipiente con una tubería de carga (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e) y otra tubería de descarga (13, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e), dotadas cada una de dichas tuberías (3, 3a, ... 3e, 13, 13a, ..., 13e) con al menos una válvula (10, 10a, ..., 10e, 12, 12a, ..., 12e) de tipo todo/nada o apertura/cierre, que se llaman válvulas de carga cuando están en una tubería de carga, y válvulas de descarga si están en una tubería de descarga, teniendo todas las válvulas posibilidad de paso de fluido en una sola dirección;

estando todas las tuberías de llenado o carga (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e) de los recipientes (1, 1a, ..., 1e), que al menos son una por recipiente, conectadas al conducto o tubería de impulsión (33, 23) de una máquina compresora (2, 21) que toma el fluido de un depósito, natural o artificial, a baja presión (4);

y estando todas las tuberías de vaciado o descarga (13, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e) de los recipientes (1, 1a, ..., 1e), que al menos son una por recipiente, conectadas al conducto o tubería de admisión (34, 28) de una máquina expansora (15, 21) que descarga el fluido en dicho depósito, natural o artificial, a baja presión (4);

quedando configurada una pluralidad de circuitos en paralelo por los que puede fluir el fluido de trabajo desde la impulsión (33, 23) de la máquina compresora (2, 21) a la admisión (34, 28) de la máquina expansora (15, 21), consistiendo cada circuito en el ramal o tubería de carga (3, 3a, ..., 3e) a cada recipiente (1, 1a, ... 1e), seguido del recipiente en sí, seguido del ramal o tubería de descarga (13, 13a, ... 13e) de cada recipiente, y actuando dichos circuitos, parcial o totalmente, como conductos reales de paso del fluido según el estado de apertura/cierre de sus válvulas;

habiendo en el conducto de impulsión (33, 23) de la máquina compresora (2, 21) una válvula general (9) de ese conducto, y habiendo asimismo, en el conducto de admisión (34, 28) de la máquina expansora (15, 21), otra válvula general (14).

2. Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos, según reivindicación primera, caracterizado por que una sola máquina (21) puede funcionar reversiblemente, según gire en un sentido o en el otro, como compresora o expansora, quedando unívocamente definidos el conducto de impulsión (23) cuando funciona como máquina compresora, y el conducto de admisión (28) cuando funciona como máquina expansora.

3. Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos, según la reivindicación primera, caracterizado por que una variante de funcionamiento es usar un fluido natural como fluido de trabajo, entendiendo por fluidos naturales los que se encuentran abundantemente en la naturaleza, como son el aire y el agua, en cuyo caso, en vez de usar un depósito de baja presión para cerrar el circuito, se usa directamente la atmósfera, en el caso del aire, o una masa o corriente voluminosa de agua, en el caso del agua, actuando así en circuito abierto (7, 17) por el lado de baja presión.

4. Procedimiento de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos, que emplea un dispositivo de almacenamiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el procedimiento de operación del almacenamiento, en carga y descarga, aplicado bien automáticamente, bien manualmente, establece que todas las válvulas han de estar cerradas, menos las que se consignan a continuación, que han de estar abiertas, según el modo en que se esté operando, de carga del almacenamiento de energía, o de descarga de éste, prescribiéndose que

- en el modo de carga, en el cual funciona la máquina compresora (2, 21), está abierta la válvula (6) de su admisión desde el depósito de baja presión (4), o eventualmente la válvula de aportación (8) de un fluido natural, si éste es el usado como fluido de trabajo, y está abierta la válvula general (9) del conducto de impulsión (33) de la máquina (2, 21), y una válvula de carga (10c) de un recipiente (1c), seleccionado por ser el que tenía mayor presión, por debajo de la de consigna, en el momento de iniciarse esa etapa de carga del almacenamiento, que termina cuando la presión en el interior de dicho recipiente (1c) iguala a la nominal o de consigna, cerrándose en ese momento dicha válvula (10c) que se encontraba abierta, y abriéndose la válvula de carga del recipiente que en ese momento tenga la mayor presión, por debajo de la de consigna, iniciándose así una nueva etapa de carga;

- y en el modo de descarga del almacenamiento, en el cual funciona la máquina expansora (15, 21), está abierta la válvula (20) de su descarga hacia el depósito de baja presión (4), o eventualmente la válvula de descarga (18) de un fluido natural, si éste es el usado como fluido de trabajo, y está abierta la válvula general (14) del conducto de admisión (34, 28) de la máquina (15, 21), y están asimismo abiertas todas las válvulas de descarga (12, 12a, 12b) de todos los recipientes (1, 1a, 1b) que tuvieran la presión de consigna en el momento de iniciarse esa fase de descarga del almacenamiento, que termina cuando la presión en el interior de dichos recipientes es insuficiente para hacer funcionar a la máquina expansora (15, 21) en su mínimo técnico, o bien termina cuando finaliza la demanda puntual de energía que estaba siendo satisfecha por el almacenamiento.