Aparato para el almacenamiento de la energía generada por una fuente de energía eléctrica primaria y para la regeneración de electricidad a partir de la energía almacenada,

cuyo aparato comprende:

un electrolizador activado por la fuente de energía eléctrica primaria para disociar agua en hidrógeno y oxígeno y que se caracteriza porque incluye:

un sistema de recogida de gases que comprende:

una primera columna de gas-agua conectada al electrolizador para formar un primer circuito de flujo a través del cual el hidrógeno producido en el electrolizador pasa a la primera columna de gas-agua y fuerza al agua de la primera columna de gas-agua a entrar en el electrolizador.

una segunda columna de gas-agua conectada al electrolizador para formar un segundo circuito de flujo a través del cual el oxígeno producido en el electrolizador pasa a la segunda columna de gas-agua y fuerza al agua de la segunda columna de gas-agua a entrar en el electrolizador; y un sistema de almacenamiento de gases que puede ser conectado para recibir y almacenar el hidrógeno del primer circuito de flujo y el oxígeno del segundo circuito de flujo.

un convertidor de hidrógeno en electricidad que puede ser conectado para recibir al menos el hidrógeno del sistema de almacenamiento de gases y generar electricidad a partir del mismo; y un sistema de válvulas que mantienen la presión del hidrógeno presente en el primer circuito de flujo y la presión del oxígeno presente en el segundo circuito de flujo a una presión predeterminada igual a o superior a 6.895 KPa (1.000 psi) mediante el control del flujo de hidrógeno desde el primer circuito de flujo y del oxígeno desde el segundo circuito de flujo al sistema de almacenamiento de gases.

Aparato y procedimiento de almacenamiento de energía a base de hidrógeno ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la invención Esta invención se refiere al almacenamiento de energía para un uso futuro y, más concretamente, a un aparato y a un método para la conversión de energía eléctrica durante los periodos valle de baja demanda en hidrógeno y oxígeno que se almacenan para volverlos a convertir posteriormente en energía eléctrica durante los periodos pico de alta demanda. También se refiere a un sistema y método tal que funciona a una presión alta autogenerada para la conversión eficiente de energía y el almacenamiento de los gases.

Información sobre los antecedentes Las compañías de suministro de electricidad tienen una gran capacidad instalada para satisfacer los picos de demanda y el margen de seguridad requerido. La mayor parte del tiempo, sobre todo por las noches y los fines de semana, sólo es necesaria una fracción de esa capacidad para satisfacer la demanda nominal. De hecho, algunas de las unidades con una capacidad generadora pico sólo funcionan unas pocas horas al año. Además, las compañías de suministro de electricidad compran bloques de energía pico en base a una compra obligatoria para garantizar la energía suficiente durante los periodos de alta demanda, por ejemplo, durante las olas de calor a mediados de verano. En algunos casos, los cuellos de botella en el sistema de transmisión complican la tarea de suministrar energía donde se necesita en los periodos de demanda pico.

Además de los problemas asociados con satisfacer económicamente la demanda pico, las compañías de suministro de electricidad se han esforzado por mejorar el rendimiento a través de la nivelación de la carga para que algunos de sus equipos funcionen a la máxima eficiencia. En la Patente Estadounidense Nº 6.093.306 se describe un complejo sistema para reducir las emisiones y proporcionar una nivelación de la carga a las centrales eléctricas de combustibles fósiles. Con el proceso se genera hidrógeno a través de la electrólisis del agua durante los periodos valle para su uso en una célula de combustible de la central eléctrica parar generar electricidad durante los periodos pico, que se añade al rendimiento de la planta. Aunque esto permite que la central eléctrica de combustible fósil funcione de una manera más eficaz y más limpia, no ofrece ninguna solución a los problemas de constricción o de demanda pico de la transmisión.

También se ha propuesto la utilización de fuentes de energía renovables, tales como la energía solar y la eólica, para generar gas de hidrógeno que, después, se utiliza para generar electricidad en células de combustible durante periodos en los que la luz solar o el viento no son posibles o son insuficientes para producir electricidad. Un ejemplo de tal sistema se muestra en la EP-A-0 829 912, en la que se describe una unidad de demostración en la que se utiliza una célula solar para proporcionar electricidad a un electrolizador para producir hidrógeno. El hidrógeno es llevado a través de un sistema de distribución de gas a una presión ligeramente mayor que la presión atmosférica que es suficiente para llevar el hidrógeno a través del sistema de distribución hasta el interior de un depósito de hidrógeno que está conectado a una célula de combustible. El electrolito presente en el electrolizador se reabastece durante los periodos en los que no se produce hidrógeno desde un segundo depósito que está abierto a la atmósfera a través de un tubo de ventilación. Una vez más, ninguno de estos enfoques soluciona los problemas de restricción de la transmisión o de demanda pico.

Por tanto, aún pueden introducirse mejoras en la configuración y el funcionamiento de sistemas para la generación y distribución de energía eléctrica.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Según la invención, la energía eléctrica generada por una fuente de energía eléctrica primaria es transmitida a un lugar específico alejado de una estación generadora de una compañía eléctrica donde es almacenada a base de utilizarla para disociar agua en hidrógeno y oxígeno que son almacenados para convertir posteriormente al menos el hidrógeno en electricidad generada localmente en un convertidor de hidrógeno en electricidad. La electricidad generada en la compañía eléctrica es transportada a un lugar específico, por ejemplo, el emplazamiento de un usuario, una subestación o una línea de distribución durante los periodos valle y los gases almacenados se utilizan para producir la electricidad generada localmente durante los periodos pico. De este modo, la energía de bajo coste generada por la compañía eléctrica durante los periodos de baja demanda puede ser convertida en energía eléctrica de mayor valor durante los periodos pico. Además, los efectos adversos de constricción en el sistema de transmisión se mejoran reduciendo la capacidad de transmisión requerida durante los periodos de demanda pico. Esta ventaja puede mejorarse transportando la energía generada en la compañía eléctrica durante los periodos de baja demanda a una pluralidad de lugares distribuidos específicos alejados de la estación generadora de la compañía eléctrica. Además, mediante la generación distribuida utilizando el gas almacenado, se mitigan los efectos de las interrupciones en la transmisión como, por ejemplo, los causados por las tormentas.

En otro aspecto de la invención, el aparato que genera la energía eléctrica diferida comprende un electrolizador que es activado por la fuente de energía eléctrica primaria para disociar agua en hidrógeno y oxígeno y un sistema de recogida de gases que incluye una primera columna de gas-agua conectada al electrolizador para formar un primer circuito de flujo a través del cual el hidrógeno producido en electrolizador pasa a la primera columna de gas-agua y fuerza al agua de la primera columna de gas-agua a entrar en el electrolizador. Este sistema de recogida de gases incluye además una segunda columna de gas-agua conectada al electrolizador para formar un segundo circuito de flujo a través del cual el oxígeno producido en el electrolizador pasa a la segunda columna de gas-agua y fuerza al agua de la segunda columna de gas-agua a entrar en el electrolizador. Un sistema de almacenamiento de gases almacena el hidrógeno del primer circuito de flujo y el oxígeno del segundo circuito de flujo. Un convertidor de hidrógeno en electricidad, como una célula de combustible o un generador accionado por un motor de combustión, convierte de nuevo el hidrógeno almacenado en electricidad utilizando bien el oxígeno almacenado o el oxígeno ambiental. En el último caso, el oxígeno recogido puede ser utilizado o vendido para otros fines. Un sistema de válvulas mantiene la presión del hidrógeno y del oxígeno a una presión determinada superior a unos 6.895 KPa (1.000 psi) a base de controlar el flujo de hidrógeno del primer circuito de flujo y el de oxígeno del segundo circuito de flujo hasta el sistema de almacenamiento de gases. De este modo, el aparato funciona a alta presión sin resultar necesaria la presencia de un equipo de presurización adicional para la conversión eficaz y el almacenamiento de los gases. Esta presión se puede regular para que sea de unos 17.237-34.474 KPa (2.500-5.000 psi) con el aparato del ejemplo funcionando a unos 20.684 KPa (3.000 psi) .

Según la presente invención, se presenta un aparato de almacenamiento de energía, cuyo aparato comprende: un electrolizador activado por la fuente de energía eléctrica primaria para disociar agua en hidrógeno y oxígeno y que se caracteriza porque incluye un sistema de recogida de gases que consta de: una primera columna de gas-agua conectada al electrolizador para formar un primer circuito de flujo a través del cual el hidrógeno producido en el electrolizador pasa a la primera columna de gas-agua y fuerza al agua de la primera columna de gas-agua a entrar en el electrolizador; una segunda columna de gas-agua conectada al electrolizador para formar un segundo circuito de flujo a través del cual el oxígeno producido en el electrolizador pasa al interior de la segunda columna de gas-agua y fuerza al agua de la segunda columna de gas-agua a entrar en el electrolizador; y un sistema de almacenamiento de gases que puede conectarse para recibir y almacenar el hidrógeno del primer circuito de fluyo y el oxígeno del segundo circuito de flujo; un convertidor de hidrógeno en electricidad que puede ser conectado para recibir al menos el hidrógeno del sistema de almacenamiento de gases y generar electricidad a partir del mismo; y un sistema de válvulas para mantener la... [Seguir leyendo]

1.Aparato para el almacenamiento de la energía generada por una fuente de energía eléctrica primaria y para la regeneración de electricidad a partir de la energía almacenada, cuyo aparato comprende:

un electrolizador activado por la fuente de energía eléctrica primaria para disociar agua en hidrógeno y oxígeno y que se caracteriza porque incluye:

un sistema de recogida de gases que comprende:

una primera columna de gas-agua conectada al electrolizador para formar un primer circuito de flujo a través del cual el hidrógeno producido en el electrolizador pasa a la primera columna de gas-agua y fuerza al agua de la primera columna de gas-agua a entrar en el electrolizador.

una segunda columna de gas-agua conectada al electrolizador para formar un segundo circuito de flujo a través del cual el oxígeno producido en el electrolizador pasa a la segunda columna de gas-agua y fuerza al agua de la segunda columna de gas-agua a entrar en el electrolizador; y un sistema de almacenamiento de gases que puede ser conectado para recibir y almacenar el hidrógeno del primer circuito de flujo y el oxígeno del segundo circuito de flujo.

un convertidor de hidrógeno en electricidad que puede ser conectado para recibir al menos el hidrógeno del sistema de almacenamiento de gases y generar electricidad a partir del mismo; y un sistema de válvulas que mantienen la presión del hidrógeno presente en el primer circuito de flujo y la presión del oxígeno presente en el segundo circuito de flujo a una presión predeterminada igual a o superior a 6.895 KPa (1.000 psi) mediante el control del flujo de hidrógeno desde el primer circuito de flujo y del oxígeno desde el segundo circuito de flujo al sistema de almacenamiento de gases.

2.El aparato de la Reivindicación 1 en donde el sistema de válvulas mantiene la presión en el primer circuito de flujo y en el segundo circuito de flujo a 17.237-34.474 KPa (2.500 - 5.000 psi) .

3.El aparato de la Reivindicación 1 en donde el sistema de válvulas mantiene la presión en el primer circuito de flujo y en el segundo circuito de flujo a 20.684 KPa (3.000 psi) .

4.El aparato de la Reivindicación 1 en donde el sistema de recogida de gases comprende una primera columna de gasagua adicional que forma un primer circuito adicional a través del cual el hidrógeno del electrolizador entra en la primera columna de gas-agua adicional para forzar al agua de la primera columna gas-agua adicional a entrar en el electrolizador, una segunda columna de gas-agua adicional que forma un segundo circuito de flujo adicional a través del cual el oxígeno pasa del electrolizador al interior de la segunda columna de gas-agua para forzar al agua de la segunda columna de gas-agua a entrar en el electrolizador, y el sistema de válvulas incluye las válvulas que conectan alternativamente las columnas de gas-agua primera y segunda al electrolizador y, a continuación, la primera columna de gas-agua adicional y la segunda columna de gas-agua adicional al electrolizador.

5. El aparato de la Reivindicación 1 en donde el sistema de almacenamiento de gases comprende un depósito de almacenamiento de hidrógeno por lo menos y un depósito de almacenamiento de oxígeno por lo menos.

6.El aparato de la Reivindicación 4 en donde el volumen del depósito de almacenamiento de hidrógeno que hay por lo menos es el doble que el volumen del depósito de almacenamiento de oxígeno que hay por lo menos.

7.El aparato de la Reivindicación 6 en donde el depósito de almacenamiento de hidrógeno que hay por lo menos comprende una pluralidad de depósitos de almacenamiento de hidrógeno y el depósito de almacenamiento de oxígeno que hay por lo menos comprende una pluralidad de depósitos de almacenamiento de oxígeno.

8.El aparato de la Reivindicación 1 en donde el convertidor de hidrógeno en electricidad comprende una célula de combustible.

9.El aparato de la Reivindicación 8 en donde la célula de combustible recibe el oxígeno procedente del sistema de almacenamiento de gases así como el hidrógeno para su uso en la generación de electricidad.

10.El aparato de la Reivindicación 1 en donde el convertidor de hidrógeno en electricidad es un generador accionado por un motor de combustión.

11.El aparato de la Reivindicación 10 en donde el generador accionado por un motor de combustión recibe el oxígeno procedente del sistema de almacenamiento de gases así como el hidrógeno para su uso en la generación de electricidad.

12.Un método para el suministro de electricidad a un lugar predeterminado alejado de la estación generadora de la compañía eléctrica, cuyo método consiste en los pasos de:

generar electricidad generada en la compañía eléctrica en la estación generadora de la compañía eléctrica tanto durante los periodos de baja demanda como de alta demanda;

transmitir la electricidad generada en la compañía eléctrica desde la estación generadora de la compañía eléctrica al lugar predeterminado;

disociar el agua presente en el lugar predeterminado en hidrógeno y oxígeno utilizando la electricidad generada en la compañía eléctrica durante los periodos de menor demanda;

que se caracteriza por el hecho de:

llevar a cabo el paso de disociación en un electrolizador; utilizar el hidrógeno y el oxígeno para introducir el agua en el electrolizador;

regular la presión del hidrógeno y del oxígeno generados por el electrolizador a una presión de 6.895 KPa (1000 psi) por lo menos a base de extraer y almacenar el hidrógeno y el oxígeno en un sistema de almacenamiento presente en el lugar predeterminado;

en donde la utilización del hidrógeno y del oxígeno para inyectar agua en el electrolizador consiste en dirigir el hidrógeno presente en un primer circuito de flujo desde el electrolizador hasta una primera columna de gas-agua desde la cual el agua es forzada por el hidrógeno a entrar en el electrolizador y dirigir el oxígeno presente en el segundo circuito de flujo desde el electrolizador hasta una segunda columna de gas-agua desde la cual el agua el forzada por el oxígeno a entrar en el electrolizador;

almacenar el hidrógeno y el oxígeno en el lugar predeterminado; y llevar al menos el hidrógeno almacenado a un convertidor de hidrógeno en electricidad en el lugar predeterminado durante los periodos de alta demanda para generar electricidad generada localmente.

13.El método de la Reivindicación 12 en donde el paso de transmitir la electricidad generada en la compañía eléctrica consiste en transmitir la electricidad generada en la compañía eléctrica a través de un sistema de transmisión suministrando electricidad a lugares adicionales además de al lugar predeterminado y con una capacidad de transmisión insuficiente para satisfacer los requisitos de electricidad en el lugar predeterminado y en los lugares adicionales durante periodos de alta demanda, siendo la electricidad generada localmente, con la electricidad disponible en el lugar predeterminad, generada por la compañía eléctrica, suficiente para satisfacer los requisitos de electricidad en el lugar predeterminado durante los periodos de alta demanda.

14.El método de la Reivindicación 12 en donde el paso de transmitir la electricidad generada en la compañía eléctrica consiste en transmitir la electricidad generada en la compañía eléctrica a través de un sistema de transmisión hasta el lugar predeterminado y hasta otros lugares adicionales, en donde la disociación del agua en el lugar predeterminado y el almacenamiento del hidrógeno y del oxígeno se llevan a cabo durante los periodos valle y en donde la electricidad generada localmente se genera en el convertidor de hidrógeno en electricidad utilizando al menos el hidrógeno almacenado y es suministrada durante los periodos pico.

15.El método de la Reivindicación 12 en donde la electricidad generada en la compañía eléctrica es transmitida a una pluralidad de lugares distribuidos predeterminados donde es utilizada para disociar agua en hidrógeno y oxígeno que son almacenados y el menos el hidrógeno se utiliza posteriormente para generar electricidad generada localmente.

16.El método de la Reivindicación 12 en donde para generar la electricidad generada localmente se utiliza una célula de combustible como convertidor de hidrógeno en electricidad.

17.El método de la Reivindicación 12 en donde el oxígeno almacenado así como el hidrógeno almacenado se utilizan en la célula de combustible para generar la electricidad generada localmente.

18.El método de la Reivindicación 12 en donde para generar la electricidad generada localmente se utiliza un generador accionado por un motor de combustión como convertidor de hidrógeno en electricidad.

19.El método de la Reivindicación 18 en donde el oxígeno almacenado así como el hidrógeno almacenado se utilizan en el generador accionado por un motor de combustión para generar la electricidad generada localmente.

20.El método de la Reivindicación 12 en donde al menos el hidrógeno almacenado es suministrado al convertidor de hidrógeno en electricidad presente en el lugar predeterminado incluso si se produce una interrupción de la transmisión de la electricidad generada en la compañía eléctrica al lugar predeterminado.

21.El método de la Reivindicación 12 que incluye el paso de regular la presión del hidrógeno y del oxígeno producidos en el electrolizador a una presión de 17.237-34.474 KPa (2.500-5, 000 psi) .

22.El método de la Reivindicación 21 que incluye el paso de regular la presión del hidrógeno y del oxígeno producidos en el electrolizador a una presión de 20.684 KPa (3.000 psi) .

23.El método de la Reivindicación 12 en donde la utilización del hidrógeno y del oxígeno para inyectar agua en el electrolizador consiste en formar un primer circuito adicional a través del cual el hidrógeno es dirigido desde el electrolizador hasta una primera columna de gas-agua adicional desde la cual el agua es forzada por el hidrógeno en el electrolizador, proporcionando un segundo circuito adicional en el cual el oxígeno es dirigido desde el electrolizador a una segunda columna de gas-agua adicional desde la cual el agua es forzada por el oxígeno a entrar en el electrolizador y, alternativamente, conectar el primer y el segundo circuitos de flujo al electrolizador mientras se cargan de agua las columnas adicionales primera y segunda y, a continuación, conectar al electrolizador los circuitos de flujo adicionales primero y segundo mientras se cargan de agua las columnas de gas-agua adicionales primera y segunda.

24.El método de la Reivindicación 23 en donde el almacenamiento del hidrógeno y del oxígeno en un sistema de almacenamiento consiste en:

rellenar alternativamente una sucesión de depósitos de hidrógeno con el hidrógeno procedente de una de las columnas de gas-agua primera y primera adicional utilizando la presión de 6.895 KPa (1.000 psi) por lo menos generada en el electrolizador y rellenar una sucesión de depósitos de oxígeno de oxígeno desde una de las columnas de gas-agua segunda y segunda adicional correspondiente utilizando la presión de 6.895 KPa (1, 000 psi) por lo menos generada en el electrolizador despresurizando al mismo tiempo y rellenando de agua la otra columna de entre las columnas de gas-agua primera y primera adicional y la otra columna correspondiente de entre las columnas de gas-agua segunda y segunda adicional y rellenar después la sucesión de depósitos de hidrógeno con el hidrógeno procedente de la otra columna de entre las columnas de gas-agua primera y primera adicional utilizando una presión de 6.895 KPa (1.000 psi) por lo menos generada en el electrolizador y rellenar la sucesión de depósitos de oxígeno con la otra columna correspondiente de entre las columnas de gas-agua segunda y segunda adicional utilizando la presión de 6.895 KPa (1.000 psi) generada en el electrolizador despresurizando al mismo tiempo y rellenando de agua la columna de entre las columnas de gasagua primera y primera adicional y las columnas correspondientes de entre las columnas de gas-agua segunda y segunda adicional.

25.El método de la Reivindicación 24 en donde la presión en el electrolizador se regula a 17.237-34.474 KPa (2.500

5.000 psi) .

26.El método de la Reivindicación 24 en donde la presión en el electrolizador se regula a 20.684 KPa (3.000 psi) .

27.El método de la Reivindicación 20 en donde para generar la electricidad se utiliza una célula de combustible como convertidor de hidrógeno en electricidad.

28.El método de la Reivindicación 27 en donde la célula de combustible utiliza el oxígeno del sistema de almacenamiento así como el hidrógeno para generar electricidad.

29.El método de la Reivindicación 20 en donde para generar electricidad se utiliza un generador accionado por un motor de combustión como convertidor de hidrógeno en electricidad.

30.El método de la Reivindicación 29 en donde el motor de combustión utiliza el oxígeno además del hidrógeno del sistema de almacenamiento para generar electricidad.