Sistema de almacenamiento de energía de batería redox (100, 200,

300) que comprende:una célula (12) que comprende un compartimento positivo (18) que presenta una solución positiva (24), uncompartimento negativo (14) que presenta una solución negativa (22), y una membrana (26) que separa loscompartimentos positivo y negativo;

un depósito positivo (46) en comunicación fluídica con el compartimento positivo (18) y que incluye una soluciónpositiva, definiendo el depósito positivo un espacio de ventilación positivo (64) para el gas positivo, que incluyeoxígeno;

un depósito negativo (28) en comunicación fluídica con el compartimento negativo (14) y que incluye unasolución negativa, definiendo el depósito negativo un espacio de ventilación negativo (66);una tubería de retorno (32) en comunicación fluídica con el compartimento negativo (22) y el depósito negativopara retornar la solución negativa de la célula al depósito negativo a través del espacio de ventilación negativo;caracterizado porque presentauna tubería de extracción de gas positivo (72) en comunicación fluídica con el espacio de ventilación positivo (64)y acoplada a la tubería de retorno (32) en una conexión (76), extrayendo así mediante sifón el gas positivo delespacio de ventilación positivo al interior del espacio de ventilación negativo y la solución negativa del depósitonegativo (28) barre el oxígeno.

Sistema de almacenamiento de batería de flujo redox inherentemente seguro.

Campo técnico

La presente invención se refiere a sistemas de almacenamiento de batería, un ejemplo de los cuales es un sistema de almacenamiento de batería redox de vanadio con características de seguridad perfeccionada.

Breve descripción de los dibujos

Las presentes formas de realización se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción y de las reivindicaciones adjuntas consideradas conjuntamente con los dibujos adjuntos. Debe apreciarse que los dibujos adjuntos ilustran únicamente formas de realización habituales y, por lo tanto, no deben considerarse limitativos del alcance de la invención. Las formas de realización se describen y explican de forma específica y detallada haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

la figura 1 es un diagrama de bloques de una forma de realización de un sistema de almacenamiento de energía de batería redox de vanadio;

la figura 2 es un diagrama de bloques de una forma de realización de una batería redox de vanadio con un sifón de tubería de retorno de electrolito negativo;

la figura 3 es un diagrama de bloques de una forma de realización de una batería redox de vanadio con un flujo principal de electrolito negativo para educir gas positivo; y

la figura 4 es un diagrama de bloques de una forma de realización de una batería redox de vanadio con una tubería de retroceso de electrolito negativo y un eductor para absorción.

Descripción detallada de las formas de realización preferidas

Debe apreciarse que los componentes de las formas de realización, tal como se describen e ilustran de modo general en las figuras de la presente memoria, pueden disponerse y diseñarse con una amplia variedad de configuraciones distintas. Por lo tanto, la siguiente descripción más detallada de diversas formas de realización, como se representan en las figuras, no tiene carácter limitativo del alcance de la invención, tal como se reivindica, sino que representa únicamente diversas formas de realización. Aunque en los dibujos se representan diversos aspectos de las formas de realización, los dibujos no han sido realizados necesariamente a escala, a no ser que se especifique lo contrario.

Las frases "conectado a", "acoplado a" y "en comunicación con" se refieren a cualquier forma de interacción entre dos o más entidades, incluyendo interacción mecánica, eléctrica, magnética, electromagnética, hidráulica y térmica. Dos componentes pueden acoplarse entre sí aunque no estén directamente en contacto mutuo. El término "contiguo" se refiere a elementos que se encuentran en contacto físico directo, aunque no necesariamente deben estar unidos entre sí.

Las recientes innovaciones tecnológicas y la siempre creciente demanda de consumo eléctrico han hecho plantear como una opción viable las plantas de energía solar y eólica. Los sistemas de almacenamiento de energía tales como baterías recargables son requisitos esenciales para sistemas de energía remota suministrada por generadores de turbina eólica o generadores fotovoltaicos. Los sistemas de almacenamiento de energía también son necesarios para permitir un arbitraje energético en la compra y venta de energía durante condiciones fuera de pico.

Los sistemas de almacenamiento de energía de batería redox de vanadio (en adelante "VBR-ESS") , como el que se representa en la figura 1, han recibido una atención favorable porque prometen ser económicos y poseen muchas características que proporcionan una vida larga, un diseño flexible, una elevada fiabilidad y costes de funcionamiento y mantenimiento reducidos. Un VBR-ESS puede comprender células que contienen soluciones negativas y positivas separadas por una membrana. Un VBR-ESS también puede contar con un sistema de bombeo de flujos para pasar las soluciones negativas y positivas a través de las células.

Un VBR-ESS puede comprender diversas células, dependiendo de la cantidad de energía eléctrica que deba almacenarse, y puede estar limitado únicamente por la ubicación geográfica, es decir, el tamaño del área de almacenamiento. El VBR-ESS puede presentar un riesgo potencial, ya que las baterías redox de vanadio pueden generar oxígeno e hidrógeno simultáneamente. El riesgo radica en que el oxígeno puede ser producido por reacciones del electrodo en el electrodo positivo, y el hidrógeno puede ser producido por el electrodo negativo y por reacciones del electrolito negativo en un espacio muy reducido y por lo menos parcialmente compartido. Mediciones experimentales han encontrado composiciones gaseosas en el espacio vacío sobre el electrolito dentro de los límites explosivos de una mezcla de oxígeno-hidrógeno.

Si los gases de ventilación de los electrolitos positivo y negativos se mezclan, es posible que durante el funcionamiento normal, y especialmente durante un funcionamiento alterado, se genere una mezcla de gas explosiva. Por lo tanto, es deseable que estos gases sean ventilados separadamente. No obstante, en aras de la simplicidad de funcionamiento y de la economía de construcción, es deseable permitir que los espacios de ventilación de los depósitos positivo y negativo se comuniquen. En particular, simplifica el reequilibrio y minimiza el consumo de un gas inerte que podría utilizarse para llenar el espacio vacío sobre las superficies de líquido.

El documento WO 89/05363 da a conocer un sistema de almacenamiento de energía de batería redox según los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 6.

A partir de los requisitos contradictorios mencionados en el diseño de los VBR-ESS, es deseable disponer de un diseño con características de seguridad perfeccionadas que permita que se mezclen los contenidos de los espacios de ventilación positivo y negativo y simultáneamente garantice la seguridad de funcionamiento. Esto puede conseguirse eliminando suficiente cantidad de oxígeno del gas de ventilación positivo y manteniendo todo el gas de ventilación a una presión baja pero positiva. Entonces la mezcla gaseosa resulta segura por dos razones: (1) insuficiencia de oxígeno para alimentar una explosión; y (2) la presión positiva hace que el hidrógeno fluya hacia el ambiente exterior, a través de alguna especie de sellado que lo separa de dicho ambiente. Los detalles de por lo menos tres formas de realización de la puesta en práctica de este sistema de descarga, que se mencionan únicamente a título de ejemplo, se describirán conjuntamente con las figuras 2 a 4.

La figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de almacenamiento de energía de batería redox de vanadio ("VBR-ESS" o "sistema") 100. El sistema 100 comprende una pluralidad de células 12 cada una de las cuales puede presentar un compartimento negativo 14 con un electrodo negativo 16 y un compartimento positivo 18 con un electrodo positivo 20. Los electrodos adecuados incluyen cualquier número de componentes conocidos en la técnica y pueden comprender electrodos fabricados según las instrucciones de la patente US nº 5.665.212. El compartimento negativo 14 puede comprender una solución 22 en comunicación eléctrica con el electrodo negativo

16. La solución 22 puede ser un electrolito que contenga iones redox especificados que se encuentren en estado reducido y se oxiden durante el proceso de descarga de la célula 12, o que se encuentren en estado oxidado y se reduzcan durante el proceso de carga de la célula 12, o que sean una mezcla de estos último iones reducidos y iones que se reducirán. A título de ejemplo, en el VBR-ESS 100, la reacción redox de carga-descarga que tiene lugar en el electrodo negativo 16 en la solución 22 puede representarse por la ecuación 1.1:

V2+ V3+

+ e- Ec. 1.1

El compartimento positivo 18 contiene una solución 24 en comunicación eléctrica con el electrodo positivo 20. La solución 24 puede ser un electrolito que contenga iones redox especificados en estado oxidado que se reducirán durante el proceso de descarga de la célula 12, o que se encuentran en estado reducido y se oxidarán durante el proceso de carga de la célula 12, o que sean una mezcla de estos iones oxidados y iones que se oxidarán. A título de ejemplo, en un VBR-ESS 100, la reacción redox de carga-descarga que tiene lugar en el electrodo positivo 20 en la solución positiva 24 puede representarse de forma sencilla mediante la ecuación 1.2:

V4+ V5+

1. Sistema de almacenamiento de energía de batería redox (100, 200, 300) que comprende:

una célula (12) que comprende un compartimento positivo (18) que presenta una solución positiva (24) , un compartimento negativo (14) que presenta una solución negativa (22) , y una membrana (26) que separa los compartimentos positivo y negativo;

un depósito positivo (46) en comunicación fluídica con el compartimento positivo (18) y que incluye una solución positiva, definiendo el depósito positivo un espacio de ventilación positivo (64) para el gas positivo, que incluye oxígeno;

un depósito negativo (28) en comunicación fluídica con el compartimento negativo (14) y que incluye una solución negativa, definiendo el depósito negativo un espacio de ventilación negativo (66) ;

una tubería de retorno (32) en comunicación fluídica con el compartimento negativo (22) y el depósito negativo para retornar la solución negativa de la célula al depósito negativo a través del espacio de ventilación negativo;

caracterizado porque presenta

una tubería de extracción de gas positivo (72) en comunicación fluídica con el espacio de ventilación positivo (64) y acoplada a la tubería de retorno (32) en una conexión (76) , extrayendo así mediante sifón el gas positivo del espacio de ventilación positivo al interior del espacio de ventilación negativo y la solución negativa del depósito negativo (28) barre el oxígeno.

2. Sistema de almacenamiento según la reivindicación 1, que comprende además una tubería de equilibrado (74) en comunicación fluídica con los espacios de ventilación de gas positivo y negativo (64, 66) para recircular el gas positivo despojado de oxígeno del espacio de ventilación negativo al espacio de ventilación positivo.

3. Sistema de almacenamiento según la reivindicación 1, que comprende además:

una bomba positiva (54) para bombear la solución positiva (24) a través del compartimento positivo (18) ; y una bomba negativa (36) para bombear la solución negativa (22) a través del compartimento negativo (14) .

4. Sistema de almacenamiento según la reivindicación 1, que comprende además un eductor (78) acoplado a la conexión (76) de la tubería de retorno (32) y la tubería de extracción de gas positivo (72) , actuando la solución negativa (22) de la tubería de retorno como líquido móvil, arrastrando el eductor el gas positivo del espacio de ventilación positivo (64) y mezclando el gas positivo con la solución negativa, absorbiendo así el oxígeno del gas positivo.

5. Sistema de almacenamiento según la reivindicación 1, en el que la célula (12) comprende una pluralidad de células, comprendiendo cada célula:

un electrodo positivo (20) en comunicación con la solución positiva (24) ; y 45 un electrodo negativo (16) en comunicación con la solución negativa (22) .

6. Sistema de almacenamiento de energía de batería redox (400) que comprende:

una célula (12) que comprende un compartimento positivo (18) que presenta una solución positiva (24) , un compartimento negativo (14) que presenta una solución negativa (22) , y una membrana (26) que separa los compartimentos positivo y negativo;

una tubería de alimentación positiva (48) acoplada al compartimento positivo (18) para transportar la solución positiva;

55 un depósito positivo (46) acoplado a la tubería positiva (48) y que presenta una solución positiva, presentando el depósito positivo un espacio de ventilación positivo (64) para el gas positivo, que incluye oxígeno;

una tubería de alimentación negativa (30) acoplada al compartimento negativo (14) para transportar la solución negativa;

un depósito negativo (28) acoplado a la tubería negativa (30) y que presenta una solución negativa, presentando el depósito negativo un espacio de ventilación negativo (66) para el gas negativo;

65 caracterizado porque presenta

un eductor (78)

una tubería de retroceso (80) acoplada a la tubería negativa y al depósito negativo para recircular parcialmente la solución negativa, estando el eductor acoplado a la tubería de retroceso, actuando la solución negativa (22) de la 5 tubería de retroceso como líquido móvil; y

un tubería de extracción de gas positivo (72) en comunicación fluídica con el espacio de ventilación positivo (64) y acoplada al eductor (78) , arrastrando el eductor el gas positivo del espacio de ventilación positivo y mezclándolo en la solución negativa de la tubería de retroceso (80) , absorbiendo así el oxígeno del gas positivo.

7. Sistema de almacenamiento según la reivindicación 6, que comprende además:

una bomba positiva (54) para bombear la solución positiva (24) a través del compartimento positivo (18) ; y una bomba negativa (36) para bombear la solución negativa (22) a través del compartimento negativo (14) .

8. Sistema de almacenamiento según la reivindicación 6, que comprende una tubería de equilibrado (74) en comunicación fluídica con los espacios de ventilación positivo y negativo (64, 66) , para retornar el gas positivo despojado de oxígeno del espacio de ventilación negativo al espacio de ventilación positivo.

9. Sistema de almacenamiento según la reivindicación 6, en el que la solución negativa y la mezcla de gas positiva que salen del eductor (78) fluyen al interior del espacio de ventilación negativo (66) y son barridas además por la solución negativa del depósito negativo (28) .

10. Sistema de almacenamiento según la reivindicación 6, en el que la célula (12) comprende una pluralidad de 25 células, comprendiendo cada célula:

un electrodo positivo (20) en comunicación con la solución positiva (24) ; y un electrodo negativo (16) en comunicación con la solución negativa (22) .

11. Procedimiento para mejorar un sistema de almacenamiento de energía de batería redox, que comprende:

proporcionar una célula de batería (12) que comprende un compartimento positivo (18) que presenta una solución positiva (24) , un compartimento negativo (14) que presenta una solución negativa (22) , y una membrana

(26) que separa los compartimentos positivo y negativo;

conectar la célula con un depósito positivo (46) que presenta una solución positiva y un espacio de ventilación de gas positivo (64) , estando el depósito positivo en comunicación fluídica con el compartimento positivo (18) ;

conectar la célula con un depósito negativo (28) que presenta una solución negativa y un espacio de ventilación de gas negativo (66) , estando el depósito negativo en comunicación fluídica con el compartimento negativo (14) ;

retornar la solución negativa del compartimento negativo al depósito negativo a través de la tubería de retorno (32) ; y

45 extraer el gas positivo rico en oxígeno del espacio de ventilación positivo (64) a través de una tubería de extracción de gas positivo (72) conectada con la tubería de retorno, extrayendo la solución negativa de retorno mediante sifón el gas positivo por la tubería de extracción de gas positivo en el interior del espacio de ventilación negativo (66) en el que la solución negativa del depósito negativo barre el oxígeno.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, que comprende además el retorno del gas empobrecido en el oxígeno del espacio de ventilación negativo (66) al espacio de ventilación positivo (64) a través de una tubería de equilibrado (74) .

13. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que el gas positivo rico en oxígeno es extraído del espacio de

55 ventilación positivo (64) con un eductor (78) acoplado a la conexión (76) de las tuberías de retorno (32) y extracción de gas positivo (72) , actuando la solución negativa (22) de la tubería de retorno como líquido móvil, arrastrado así el eductor el gas positivo del espacio de ventilación positivo y mezclando el gas positivo con la solución negativa, absorbiendo así el oxígeno del gas positivo.

14. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que la tubería de extracción de gas positivo (72) forma una conexión con una tubería de retroceso (80) que está acoplada entre una tubería de alimentación negativa (30) y el depósito negativo (28) , estando asimismo la tubería de alimentación negativa acoplada al depósito negativo, y en el que se acopla un eductor (78) a la conexión de las tuberías de retorno y de extracción de gas positivo, siendo así el oxígeno del gas positivo arrastrado del espacio de ventilación positivo (64) absorbido por la solución negativa que

65 actúa como líquido móvil a través del eductor.

15. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que la célula comprende una pluralidad de células, comprendiendo además cada célula:

un electrodo positivo (20) en comunicación con la solución positiva (24) ; y 5 un electrodo negativo (16) en comunicación con la solución negativa (22) .

16. Procedimiento según la reivindicación 11, que comprende además:

bombear la solución positiva a través del compartimento positivo (18) con una bomba positiva (54) ; y 10 bombear la solución negativa (22) a través del compartimento negativo (14) con una bomba negativa (36) .