Un sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) que abarca calentamiento directo.

El sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido incluye un compresor para comprimir aire ambiental, un depósito de almacenamiento de aire y un sistema de almacenamiento de energía térmica. El depósito de almacenamiento de aire está adaptado para almacenar aire comprimido del compresor. El sistema de almacenamiento de energía térmica está adaptado para suministrar calor al sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido de manera que el aire comprimido se calienta para aumentar la producción de trabajo del aire comprimido. El sistema de almacenamiento de energía térmica se calienta usando electricidad fuera de hora punta.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

(CAES) que abarca calentamiento directo. Se usa energía

(TES)

Los sistemas CAES amortiguan desequilibrios entre la generación de energía y el uso de energía (actúan como generador o carga) , así como proporcionan la capacidad de almacenar energía eléctrica económica o no deseada. Los sistemas CAES almacenan esta energía mediante la compresión de aire. Durante la producción de energía el aire en expansión se calienta para aumentar la producción de energía, para usar de manera más eficaz el aire almacenado, y para evitar requisitos

Los sistemas CAES adiabáticos o sin combustible están volviéndose cada vez más atractivos debido al elevado coste de

de carga completa o próximo al diseño de centrales térmicas en el sistema.

Los problemas y las desventajas con diversos enfoques adiabáticos se centran en la idoneidad y la rentabilidad de las diversas fuentes de calor. Para niveles de producción de energía y temperaturas de expansión aceptables, varias fuentes de calor sólo pueden usarse para un calentamiento inicial o complementario. Éstas incluyen bombas de calor, fuentes geotérmicas y calor de compresión procedente de grupos de compresores industriales convencionales. Todas estas fuentes están limitadas a temperaturas inferiores a aproximadamente 500°F.

Por ejemplo, las fuentes geotérmicas están en el intervalo de 200 a 400°F, con algunas excepciones geográficas, el calor de compresión procedente de grupos de compresores industriales convencionales está en el intervalo de 200 a 500°F, y las bombas de calor industriales a alta temperatura están limitadas a temperaturas de aproximadamente 400°F con una desviación de baja temperatura en esta temperatura de salida, lo que significa que no pueden bombear calor desde la temperatura ambiente hasta 400°F. Esto es resultado de propiedades de refrigeración y limitaciones termodinámicas fundamentales. En cuanto al rendimiento, con una temperatura de salida elevada, las bombas de calor tienen fundamentalmente un bajo coeficiente de rendimiento, normalmente inferior a 1, 5 a 400°F.

Puede proporcionarse calentamiento primario por fuentes tales como calentamiento térmico solar (750°F) o grupos de compresión a alta temperatura actualmente en desarrollo

(objetivos de diseño de 750 a 1200°F) Los sistemas térmicos solares son atractivos desde el punto de vista medioambiental pero son relativamente caros. Los sistemas de compresión a alta temperatura tienen varios problemas de desarrollo. El desarrollo de compresores convencionales busca mejorar la eficacia principalmente reduciendo las temperaturas de flujo

de aire. En cambio, los diseños de CAES de compresión a alta temperatura (HTCCAES) tienen el objetivo contrario, y los ciclos y el funcionamiento a alta temperatura conducen a esfuerzo térmico sustancial y problemas de durabilidad que no se han tratado adecuadamente.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Estos y otros inconvenientes de la técnica anterior se tratan por la presente invención, que proporciona un sistema CAES adiabático de calentamiento directo y rentable.

Según un aspecto de la presente invención, un sistema de almacenamiento de energía incluye un compresor para comprimir aire ambiental; un depósito de almacenamiento de aire adaptado para almacenar aire comprimido del compresor; y un sistema de almacenamiento de energía térmica adaptado para suministrar calor al sistema de almacenamiento de energía de manera que el aire comprimido se calienta para aumentar la producción de trabajo del aire comprimido.

Según otro aspecto de la presente invención, un sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido incluye un compresor para comprimir aire ambiental; un depósito de almacenamiento de aire adaptado para almacenar aire comprimido del compresor; y un sistema de almacenamiento de energía térmica adaptado para suministrar calor al sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido de manera que el aire comprimido se calienta para aumentar la producción de trabajo del aire comprimido. El sistema de almacenamiento de energía térmica se calienta usando electricidad fuera de hora punta.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

El contenido que se considera como la invención puede entenderse mejor mediante referencia a la siguiente descripción tomada junto con las figuras de dibujo adjuntas en las que:

la figura 1 muestra un sistema CAES de calentamiento directo según una realización de la invención; la figura 2 muestra a un sistema de calentamiento TES según una realización de la invención; y la figura 3 muestra un sistema CAES de calentamiento directo según una realización de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Haciendo referencia a los dibujos, en la figura 1 se ilustra un sistema de almacenamiento de energía a granel a modo de ejemplo según la presente invención y se muestra generalmente con el número de referencia 10. El sistema 10 de almacenamiento de energía a granel es un sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) que puede usarse en aplicaciones tales como integración eólica, arbitraje, nivelación de la carga, reserva disponible y ciclo de trabajo de funcionamiento gradual. El sistema 10 CAES obtiene una tasa de calor nula con calentamiento directo de un sistema 11 de almacenamiento de energía térmica (TES) usando energía eléctrica fuera de hora punta, o cualquiera de coste relativamente bajo. El calentamiento directo proporciona una alta retención de energía y eficacia en comparación con otras opciones de calentamiento. La energía eléctrica se usa tanto para la compresión de aire como para el calentamiento de un material TES, tal como sal fundida, contenida en el sistema 11 TES. El calentamiento complementario del material TES también puede obtenerse a partir de otras fuentes tales como fuentes geotérmica, térmica solar y de biomasa con emisiones de dióxido de carbono netas bajas o nulas.

Tal como se muestra, el sistema 10 CAES incluye un grupo 12 de compresores para comprimir aire ambiental. El grupo 12 de compresores se alimenta mediante electricidad fuera de hora punta y comprime el aire ambiental hasta una presión de almacenamiento y funcionamiento deseada. Entonces se almacena el aire comprimido en un depósito 13 de almacenamiento de

aire, tal como una cueva subterránea. Durante periodos de demanda, el aire comprimido en el depósito 13 de almacenamiento de aire se libera al interior del recuperador 17 en el que se precalienta. Con el fin de aumentar la eficacia, el recuperador 17 usa calor de gases de escape del expansor 19 a baja presión para precalentar el aire comprimido del depósito 13 de almacenamiento de aire y para introducir el aire comprimido precalentado en el intercambiador...

Sistema de almacenamiento de energía, que comprende:

(a) un compresor para comprimir aire ambiental;

(b) un depósito de almacenamiento de aire adaptado para almacenar aire comprimido del compresor; y

(e) un sistema de almacenamiento de energía térmica adaptado para suministrar calor al sistema de almacenamiento de energía de manera que el aire comprimido se calienta para aumentar la producción de trabajo del aire comprimido.

Sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, que incluye además un expansor a baja presión adaptado para expandir el aire comprimido para producir trabajo. Sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, que incluye además un expansor a alta presión adaptado para expandir el aire comprimido para producir trabajo. Sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, que incluye además un recuperador adaptado para recibir aire comprimido del depósito de almacenamiento de aire y precalentar el aire comprimido. Sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, que ineluye además un intercambiador de calor a alta presión adaptado para recibir calor del sistema de almacenamiento de energía térmica y añadir calor al aire comprimido. Sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, que ineluye además un intercambiador de calor a baja presión adaptado para recibir calor del sistema de almacenamiento de energía térmica y añadir calor al aire comprimido. Sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, en el que se usa electricidad fuera de

hora punta para proporcionar calentamiento directo al sistema de almacenamiento de energía térmica.

8. Sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, en el que el sistema de almacenamiento de energía térmica incluye al menos un calentador de flujo de aire alimentado por electricidad fuera de hora punta para proporcionar calor al sistema de almacenamiento de energía térmica.

9. Sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, en el que el sistema de almacenamiento de energía térmica incluye un lecho de material seleccionado del grupo que consiste en sales fundidas, aceites térmicos, lechos cerámicos y lechos de rocas o piedrecillas.

10. Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido, que comprende:

(a) un compresor para comprimir aire ambiental;

(b) un depósito de almacenamiento de aire adaptado para almacenar aire comprimido del compresor; y

(e) un sistema de almacenamiento de energía térmica adaptado para suministrar calor al sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido de manera que el aire comprimido se calienta para aumentar la producción de trabajo del aire comprimido, en el que el sistema de almacenamiento de energía térmica se calienta usando electricidad fuera de hora punta.

11. Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 10, que incluye además:

(a) un recuperador adaptado para recibir aire comprimido del depósito de almacenamiento de aire y precalentar el aire comprimido;

(b) un expansor a alta presión adaptado para recibir el aire comprimido precalentado del recuperador y expandir el aire comprimido para producir trabajo; y

12.

13.

14.

15.

(e) un expansor a baja presión adaptado para recibir aire comprimido expandido del expansor a alta presión y expandir adicionalmente el aire comprimido para producir trabajo.

Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 11, en el que el recuperador recibe al menos una parte del aire comprimido expandido del expansor a baja presión para precalentar el aire comprimido del depósito de almacenamiento de aire. Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 10, que incluye además:

(a) un intercambiador de calor a alta presión adaptado para recibir calor del sistema de almacenamiento de energía térmica y añadir calor a aire comprimido del depósito de almacenamiento de aire;

(b) un expansor a alta presión adaptado para recibir aire comprimido calentado del intercambiador de calor a alta presión y expandir el aire comprimido calentado para producir trabajo;

(e) un intercambiador de calor a baja presión adaptado para recibir calor del sistema de almacenamiento de energía térmica y añadir calor al aire comprimido expandido del expansor a alta presión; y

( d) un expansor a baja presión adaptado para recibir aire comprimido calentado del intercambiador de calor a baja presión y expandir adicionalmente el aire comprimido calentado para producir trabajo.

Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 13, que incluye además un recuperador para recibir aire comprimido del depósito de almacenamiento de aire y precalentar el aire comprimido antes de recibir el aire comprimido por el intercambiador de calor a alta presión. Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 10, que incluye además:

16.

17.

18.

19.

(a) un expansor a alta presión adaptado para recibir aire comprimido del depósito de almacenamiento de aire y expandir el aire comprimido, suministrándose el aire comprimido expandido al sistema de almacenamiento de energía térmica en el que se calienta el aire comprimido expandido; y

(b) un expansor a baja presión adaptado para recibir aire comprimido calentado del sistema de almacenamiento de energía térmica y expandir el aire comprimido calentado para producir trabajo.

Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 10, en el que el sistema de almacenamiento de energía térmica incluye:

(a) una estructura de contención adaptada para contener un material de almacenamiento de energía térmica; y

(b) al menos un calentador de flujo de aire adaptado para proporcionar calor al material de almacenamiento de energía térmica.

Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 16, en el que la estructura de contención está revestida o aislada por el interior con un material aislante. Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 16, en el que el al menos un calentador de flujo de aire proporciona calentamiento externo al material de almacenamiento de energía térmica. Sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido según la reivindicación 16, en el que el al menos un calentador de flujo de aire se selecciona del grupo que consiste en un calentador de pantalla, elemento de calentamiento y un calentador por plasma.