Batería redox de vanadio que incorpora múltiples depósitos de electrolitos.

Batería de flujo redox de vanadio (100) que presenta un modo de volumen bajo y un modo de volumen completo,

que comprende:

un módulo de sistema (405), que comprende:

un primer depósito de anólito (52),

un primer depósito de católito (62), y

una célula (10), que comprende un compartimiento negativo (14) en comunicación fluídica con dicho primerdepósito de anólito y un compartimiento positivo (22) en comunicación fluídica con dicho primer depósito decatólito;

un segundo depósito de anólito (54) en comunicación fluídica con dicho primer depósito de anólito; yun segundo depósito de católito (64) dispuesto en comunicación fluídica con dicho primer depósito de católito,en la que, en el modo de volumen bajo, la batería de flujo redox de vanadio está configurada para aislarfluídicamente el contenido de dicho segundo depósito de anólito con respecto a dicho primer depósito de anólito y adicho compartimiento negativo, y para aislar fluídicamente el contenido de dicho segundo depósito de católito conrespecto a dicho primer depósito de católito y a dicho compartimiento positivo; y

en la que, en el modo de volumen completo, la batería de flujo redox de vanadio está configurada para:hacer circular el contenido de dicho segundo depósito de anólito y de dicho primer depósito de anólito a través deuna primera conexión de fluido de dicho segundo depósito de anólito hasta dicho primer depósito de anólito, y através de una segunda conexión de fluido de dicho segundo depósito de anólito hasta dicho compartimientonegativo, mientras que el anólito fluye desde dicho compartimiento negativo hacia el interior de dicho segundodepósito de anólito, y

hacer circular el contenido de dicho segundo depósito de católito y de dicho primer depósito de católito a travésde una primera conexión de fluido de dicho segundo depósito de católito hasta dicho primer depósito de católito;y a través de una segunda conexión de fluido de dicho segundo depósito de católito hasta dicho compartimientopositivo, mientras que el católito fluye desde dicho compartimiento positivo hacia el interior de dicho segundodepósito de católito.

Bateria redox de vanadio que incorpora multiples depositos de electrolitos.

Campo tecnico La presente invencion se refiere a sistemas y procedimientos para proporcionar una bateria de flujo redox de vanadio que pueda presentar un funcionamiento eficiente y una capacidad modular de expansion, de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas. La tecnica anterior representativa incluye el documento JP-9283169-A (Sumitomo et al.) . Breve descripcion de los dibujos

Los distintos aspectos y ventajas de la invencion se describen a titulo de ejemplo en la descripcion siguiente de varias formas de realizacion y de los dibujos adjuntos. Se debera entender que los dibujos adjuntos solo muestran las formas de realizacion tipicas y, como tales, no se deberan considerar limitativas del alcance de las reivindicaciones. Las formas de realizacion se describiran y explicaran con precision y detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es un diagrama de bloques de una forma de realizacion de un sistema de almacenaje de energia de bateria redox de vanadio segun las ensefanzas de la presente invencion; la figura 2 es un diagrama de bloques de una forma de realizacion de un sistema de almacenaje de energia de bateria redox de vanadio segun las ensefanzas de la presente invencion; la figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento de procesado para modificar la capacidad de un sistema de almacenaje de energia de bateria redox de vanadio segun las ensefanzas de la presente invencion; la figura 4 es una representacion de una forma de realizacion de un sistema de almacenaje de energia de bateria de flujo redox de vanadio segun las ensefanzas de la presente invencion; y la figura 5 es una forma de realizacion de un mecanismo de tapa que se podria utilizar para permitir el uso de un contenedor intermedio para materiales a granel como un segundo deposito de electrolito en la presente invencion. Descripcion detallada de las formas de realizacion preferidas Los sistemas de almacenaje de energia como las baterias recargables son una parte importante de los sistemas de energia electrica, particularmente los sistemas de energia electrica suministrados por generadores de turbina eolica, celulas fotovoltaicas, o similares. Los sistemas de almacenaje de energia tambien se pueden utilizar en: permitir aplicaciones en el arbitraje de energia, la compra-venta de energia durante las horas valle; sistemas de alimentacion ininterrumpida (SAl) ; proporcionar energia de reserva; o aplicaciones de calidad de energia en conjuncion con una fuente de energia principal.

Los sistemas de almacenaje de energia de bateria de flujo redox de vanadio (en adelante denominados "VRB-ESS") son ideales para su uso en estas aplicaciones debido a que pueden responder con rapidez a cargas cambiantes (tal como se requiere en los SAl y en las aplicaciones de calidad de energia) , y se pueden configurar de manera que presenten una gran capacidad (tal como se necesita en las aplicaciones de fuente de energia principal) . En la patente US n° 4.786.567 de Skyllas-Kazacos et al. se describe una bateria redox toda de vanadio. Un VRB-ESS tipicamente genera energia electrica haciendo pasar soluciones electroliticas de anolito y catolito a traves de una o mas celulas. Un VRB-ESS puede incluir cualquier cantidad y configuracion de celulas dependiendo de las demandas de energia instantanea del sistema. De forma similar, un VRB-ESS puede presentar varias 55 cantidades de solucion de electrolito disponibles dependiendo de las necesidades de capacidad energetica del sistema. La cantidad y la zona transversal de las celulas en el VRB-ESS puede determinar la cantidad de energia instantanea que el VRB-ESS es capaz de producir, y el volumen de soluciones electroliticas de anolito y catolito disponible para el VRB-ESS puede definir su capacidad de almacenaje y produccion de energia. Un VRB-ESS provisto de una pila de celulas se describe en la patente US n° 6.475.661 de Pellegri et al. Cuando actua como un SAl, o cualquier otra aplicacion de baja capacidad, seria deseable reducir la cantidad de solucion electrolitica que circula a traves del VRB-ESS. Esto es para minimizar perdidas de energia en el electrolito debidas a la autodescarga de electrolito y para reducir la perdida de energia para bombear la solucion de electrolito a traves del sistema. Sin embargo, en aplicaciones de alta capacidad (es decir, aplicaciones de energia principales) ,

puede resultar necesario incrementar la capacidad de almacenaje de energia del VRB-ESS proporcionando una solucion de electrolito adicional al VRB-ESS a traves de depositos de electrolito mayores. Ademas, incluso en una aplicacion de SAl de capacidad baja, dicho VRB-ESS puede requerir una capacidad de energia adicional en el caso de un fallo en la fuente de energia principal.

lncluso dentro de estos modos de baja capacidad y alta capacidad, varias aplicaciones de VRB-ESS pueden presentar necesidades de capacidad muy divergentes. Por ejemplo, un VRB-ESS utilizado como un SAl para una sola planta de un edificio de oficinas puede requerir significativamente menos capacidad que un VRB-ESS utilizado como un SAl para la totalidad del edificio o grupo de edificios. Asi, resulta dificil producir un VRB-ESS provisto de depositos de electrolito que puedan proporcionar de forma eficiente dichos requisitos de capacidad altamente variables. Esto es particularmente cierto en aplicaciones de SAl en las que resulta mas eficiente hacer funcionar el VRB-ESS utilizando un suministro de electrolito limitado, pero podria resultar necesario proporcionar una gran cantidad de electrolito por la posibilidad de un fallo a largo plazo en la fuente de energia principal.

La necesidad de atender requisitos de capacidad variables puede forzar a que los clientes utilicen un VRB-ESS que posea una capacidad significativamente mayor de lo necesario, lo que tiene como resultado un funcionamiento de baja eficiencia. De forma similar, un cliente limitado por un espacio restringido puede precisar comprar depositos de electrolito con un tamafo personalizado, lo que incrementa significativamente el coste del sistema. Ademas, incluso en aplicaciones de SAl con una capacidad muy elevada, es preferible hacer funcionar el VRB-ESS con tan poco electrolito como sea posible durante la operacion de espera, para mejorar la eficiencia y mantener la carga del electrolito no utilizado en caso de fallo en la fuente de energia principal.

El transporte y la instalacion de un VRB-ESS pueden requerir mucho tiempo y pueden resultar peligrosos para el usuario final. Las soluciones electroliticas utilizadas en los sistemas VRB-ESS se han clasificado por las Naciones Unidas (ONU) y el Departamento de transporte de los Estados Unidos (DoT) como materiales peligrosos. Como tal, las soluciones anolita y catolita utilizadas en los VRB-ESS se deben transportar hasta el lugar de instalacion del usuario final en un contenedor aprobado. Estos contenedores generalmente se denominan en la tecnica como contenedores intermedios para materiales a granel (en adelante denominados como lBC) . Dichos contenedores generalmente deben estar certificados para su uso con materiales peligrosos. Los lBC deben estar certificados para el transportede liquidos peligrosos de acuerdocon las regulaciones del DoTy/o de la ONU.Los procedimientosde certificacion para los lBC pueden resultar rigurosos, tipicamente requieren muchos meses de trabajo y cientos de horas de ensayos. La totalidad de los contenedores lBC se debe probar y certificar, incluyendo cualquier mecanismo de tapa en dicho lBC.

Debido a que las soluciones de electrolito de los VRB-ESS pueden suponer un riesgo sustancial para la salud al usuario final, seria deseable minimizar el contacto directo de dicho usuario final con el electrolito. En la mayoria de sistemas VRB-ESS, las soluciones de anolito y catolito se deben transferir desde el lBC utilizado para el transporte al deposito VRB-ESS. Esta transferencia puede resultar peligrosa para el usuario final y suponer el riesgo de permitir que el material potencialmente peligroso se derrame en el entorno. Sin embargo, dicha transferencia puede resultar necesaria debido a que el VRB-ESS puede no ser capaz de utilizar soluciones electroliticas albergadas en un contenedor lBC estandar. Ademas, la transferencia puede resultar necesaria debido a que el mecanismo de tapa de transporte certificado en el lBC no puede crear un sello aceptable para permitir el flujo seguro y fiable del electrolito hacia y desde el lBC.

La presente invencion da a conocer un sistema y un procedimiento para corregir muchos de dichos problemas. Se describe un VRB-ESS capaz de incorporar modularmente depositos de electrolito adicionales para incrementar la capacidad energetica del sistema. El VRB-ESS de la presente invencion funciona de manera eficiente... [Seguir leyendo]

REIvINDICaCIoNES

1. Bateria de flujo redox de vanadio (100) que presenta un modo de volumen bajo y un modo de volumen completo, que comprende:

un modulo de sistema (405) , que comprende:

un primer deposito de anolito (52) ,

un primer deposito de catolito (62) , y

una celula (10) , que comprende un compartimiento negativo (14) en comunicacion fluidica con dicho primer deposito de anolito y un compartimiento positivo (22) en comunicacion fluidica con dicho primer deposito de catolito;

un segundo deposito de anolito (54) en comunicacion fluidica con dicho primer deposito de anolito; y

un segundo deposito de catolito (64) dispuesto en comunicacion fluidica con dicho primer deposito de catolito,

en la que, en el modo de volumen bajo, la bateria de flujo redox de vanadio esta configurada para aislar fluidicamente el contenido de dicho segundo deposito de anolito con respecto a dicho primer deposito de anolito y a dicho compartimiento negativo, y para aislar fluidicamente el contenido de dicho segundo deposito de catolito con respecto a dicho primer deposito de catolito y a dicho compartimiento positivo; y

en la que, en el modo de volumen completo, la bateria de flujo redox de vanadio esta configurada para:

hacer circular el contenido de dicho segundo deposito de anolito y de dicho primer deposito de anolito a traves de una primera conexion de fluido de dicho segundo deposito de anolito hasta dicho primer deposito de anolito, y a traves de una segunda conexion de fluido de dicho segundo deposito de anolito hasta dicho compartimiento negativo, mientras que el anolito fluye desde dicho compartimiento negativo hacia el interior de dicho segundo deposito de anolito, y

hacer circular el contenido de dicho segundo deposito de catolito y de dicho primer deposito de catolito a traves de una primera conexion de fluido de dicho segundo deposito de catolito hasta dicho primer deposito de catolito; y a traves de una segunda conexion de fluido de dicho segundo deposito de catolito hasta dicho compartimiento positivo, mientras que el catolito fluye desde dicho compartimiento positivo hacia el interior de dicho segundo deposito de catolito.

2. Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 1, en la que dicha comunicacion fluidica entre dicho primer deposito de anolito (52) y dicho compartimiento negativo (14) comprende una primera conexion de suministro de anolito y una primera conexion de retorno de anolito (32) y en la que dicha comunicacion fluidica entre dicho primer deposito de catolito (62) y dicho compartimiento positivo (22) comprende una primera conexion de suministro de catolito y una primera conexion de retorno de catolito (36) .

3. Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 2, en la que dicha primera conexion de retorno de anolito (32) comprende una primera valvula de retorno de anolito (59) y en la que dicha primera conexion de retorno de catolito (36) comprende una primera valvula de retorno de catolito (69) .

4. Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 3, en la que dicha comunicacion fluidica ente dicho primer deposito de anolito (52) y dicho segundo deposito de anolito (54) comprende una segunda conexion de tuberia de suministro de anolito (31) y en la que dicha comunicacion fluidica entre dicho primer deposito de catolito

(62) y dicho segundo deposito de catolito (64) comprende una segunda conexion de tuberia de suministro de catolito (35) .

5. Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 4, en la que dicha segunda conexion de tuberia de suministro de anolito (31) y dicha segunda conexion de tuberia de suministro de catolito (35) estan compuestas de una seleccionada de entre el grupo constituido por tuberias de plastico reforzadas con malla, tuberias de caucho reforzadas de fibra, manguera de compuesto multicapas, tuberias de polietileno y tuberias de caucho reforzado.

6. Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 4, en la que dicha segunda conexion de tuberia de suministro de anolito (31) y dicha segunda conexion de tuberia de suministro de catolito (35) se autoventilan.

7. Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 1, en la que dicho segundo deposito de anolito (54) se autoventila y en la que dicho segundo deposito de catolito (64) se autoventila.

8. Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 1, en la que dicho segundo deposito de anolito (54)

comprende un contenedor intermedio para materiales a granel.

9. Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 1, en la que dicho segundo deposito de catolito (64) comprende un contenedor intermedio para materiales a granel.

10.Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 1, que tambien comprende:

una carcasa (406) , en la que dicho modulo de sistema (405) esta dispuesto en dicha carcasa, opcionalmente, en la que dicho segundo deposito de anolito (54) y dicho segundo deposito de catolito (64) estan dispuestos cada uno por lo menos a 5 metros de dicha carcasa (406) , comprendiendo tambien preferentemente una segunda bomba de anolito (51) en comunicacion fluidica con dicho segundo deposito de anolito (54) y dicho primer deposito de anolito (52) , dicha segunda bomba de anolito transfiriendo anolito desde dicho segundo deposito de anolito hasta dicho primer deposito de anolito y, preferentemente, comprendiendo tambien una segunda bomba de catolito (61) en comunicacion fluidica con dicho segundo deposito de catolito (64) y dicho primer deposito de catolito (62) , dicha segunda bomba de catolito transfiriendo catolito desde dicho segundo deposito de catolito hasta dicho primer deposito de catolito.

11.Bateria de flujo redoxde vanadio segun la reivindicacion 1, en la que dicho modulo de sistema (405) tambien comprende un controlador de sistema (80) , en la que opcionalmente dicho controlador de sistema (80) esta acoplado de forma comunicativa a dicha primera valvula de retorno de anolito (59) y dicha primera valvula de retorno de catolito (69) .

12.Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 4, en la que dicho segundo deposito de anolito (54) se encuentra en comunicacion fluidica con dicho compartimiento negativo (14) y en la que dicho segundo deposito de catolito (64) se encuentra en comunicacion fluidica con dicho compartimiento positivo (22) .

13.Bateriadeflujo redoxde vanadiosegunlareivindicacion12, enla que dicha comunicacion fluidicaentre dicho segundo deposito de anolito (54) y dicho compartimiento negativo (14) comprende una segunda conexion de tuberia de retorno de anolito (33) y en la que dicha comunicacion fluidica entre dicho segundo deposito de catolito (64) y dicho compartimiento positivo (22) comprende una segunda conexion de tuberia de retorno de catolito (37) .

14.Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 13, que tambien comprende una bomba de anolito (50) en comunicacion fluidica con dicho primer deposito de anolito (52) y dicho compartimiento negativo (14) y una bomba de catolito (60) en comunicacion fluidica con dicho primer deposito de catolito (62) y dicho compartimiento positivo (22) .

15.Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 14, en la que cuando dicha primera valvula de retorno de anolito (59) se encuentra en una posicion cerrada, se evita que el anolito que fluye desde dicho compartimiento negativo (14) fluya hacia el interior de dicho primer deposito de anolito (52) , fluyendo en su lugar en dicho segundo deposito de anolito (54) , provocando dicho flujo que el anolito en el interior de dicho segundo deposito de anolito fluya hacia el interior de dicho primer deposito de anolito a traves de la segunda conexion de tuberia de suministro de anolito (31) .

16.Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 15, en la que dicho flujo en dicho segundo deposito de anolito (54) crea una condicion de sobreflujo en dicho segundo deposito de anolito y en la que dicha condicion de sobreflujo hace que el anolito fluya desde dicho segundo deposito de anolito al interior de dicho primer deposito de anolito (52) .

17.Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 14, en la que, cuando dicha primera valvula de retorno de catolito (69) se encuentra en una posicion cerrada, se evita que el catolito que fluye desde dicho compartimiento positivo (22) fluya hacia el interior de dicho primer deposito de catolito (62) , fluyendo en su lugar en el interior de dicho segundo deposito de catolito (64) , provocando dicho flujo que el catolito del interior de dicho segundo deposito de catolito fluya hacia el interior de dicho primer deposito de catolito a traves de la segunda conexion de tuberia de suministro de catolito (35) ,

en la que, opcionalmente, dicho flujo en dicho segundo deposito de catolito (64) crea una condicion de sobreflujo en dicho segundo deposito de catolito y en la que dicha condicion de sobreflujo hace que el catolito fluya desde dicho segundo deposito de catolito al interior de dicho primer deposito de catolito (62) .

18.Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 14, en la que, cuando dicha primera valvula de retorno de anolito (59) se encuentra en una posicion abierta, el anolito (16) fluye desde dicho compartimiento negativo (14) al interior de dicho primer deposito de anolito (52) y en la que se evita que dicho flujo de anolito fluya hacia el interior de dicho segundo deposito de anolito (54) .

19.Bateria de flujo redox de vanadio segun la reivindicacion 14, en la que, cuando dicha primera valvula de retorno de catolito (69) se encuentra en una posicion abierta, el catolito (24) fluye desde dicho compartimiento positivo (22)

al interior de dicho primer deposito de catolito (62) y en la que se evita que dicho flujo de catolito fluya en dicho segundo deposito de catolito (64) .

20.Bateria de flujo redoxde vanadio segun la reivindicacion 15, en la que dicha segunda conexion de tuberia de suministro de anolito (31) esta conectada de forma fluida a una parte superior de dicho segundo deposito de anolito (54) y en la que dicha segunda conexion de tuberia de retorno de anolito (33) esta conectada fluidicamente a una parte superior de dicho segundo deposito de anolito,

en la que, opcionalmente, dicha segunda conexion de tuberia de suministro de anolito (31) y dicha segunda conexion de tuberia de retorno de anolito (33) estan dispuestas por encima de un nivel de fluido de dicha celula (10) .

21.Bateria de flujo redoxde vanadio segun la reivindicacion 15, en la que dicha segunda conexion de tuberia de suministro de catolito (35) esta conectada de forma fluida a una parte superior de dicho segundo deposito de catolito (64) y en la que dicha segunda conexion de tuberia de retorno de catolito (37) esta conectada fluidicamente a una parte superior de dicho segundo deposito de catolito,

en la que, opcionalmente, dicha segunda conexion de tuberia de suministro de catolito (35) y dicha segunda conexion de tuberia de retorno de catolito (37) estan dispuestas por encima de un nivel de fluido de dicha celula (10) .

22.Procedimiento para modificar de manera adaptativa la capacidad de una bateria de flujo redox de vanadio, comprendiendo dicho procedimiento:

proporcionar una bateria de flujo redox de vanadio provista de una celula (10) que comprende un compartimiento negativo (14) en comunicacion fluidica con un primer deposito de anolito (52) y un compartimiento positivo (22) en comunicacion fluidica con un primer deposito de catolito (62) y configurada de manera que funcione en un modo de volumen bajo y en un modo de volumen completo;

monitorizar (310) una propiedad electroquimica de dicha celula;

detectar una primera condicion electroquimica dentro de dicha celula;

detectar una segunda condicion electroquimica dentro de dicha celula;

configurar (334) dicha bateria de flujo redox de vanadio para que funcione en dicho modo de volumen completo en respuesta a la deteccion de dicha primera condicion, en la que, en el modo de volumen completo, dicha bateria de flujo redox de vanadio esta configurada para:

hacer circular el contenido de dicho segundo deposito de anolito (54) en comunicacion fluidica con dicho primer deposito de anolito y dicho primer deposito de anolito a traves de una primera conexion de fluido de dicho segundo deposito de anolito hasta dicho primer deposito de anolito, y a traves de una segunda conexion de fluido de dicho segundo deposito de anolito hasta dicho compartimiento negativo, mientras que el anolito fluye desde dicho compartimiento negativo hacia el interior de dicho segundo deposito de anolito, y

hacer circular el contenido de dicho segundo deposito de catolito (64) en comunicacion fluidica con dicho primer deposito de catolito y dicho primer deposito de catolito a traves una primera conexion de fluido de dicho segundo deposito de catolito hasta dicho primer deposito de catolito, y a traves de una segunda conexion de fluido de dicho segundo deposito de catolito hasta dicho compartimiento positivo, mientras que el catolito fluye desde dicho compartimiento positivo hacia el interior de dicho segundo deposito de catolito; y

configurar (344) dicha bateria de flujo de redox de vanadio para que funcione en dicho modo de volumen bajo en respuesta a la deteccion de dicha segunda condicion, pudiendo dicha configuracion (334, 344) opcionalmente responder a una sefal generada externamente, en la que, en el modo de volumen bajo, dicha bateria de flujo redox de vanadio esta configurada para aislar fluidicamente el contenido de dicho segundo deposito de anolito con respecto a dicho primer deposito de anolito y a dicho compartimiento negativo, y para aislar fluidicamente el contenido de dicho segundo deposito de catolito con respecto a dicho primer deposito de catolito y a dicho compartimiento positivo.

23.Procedimiento segun la reivindicacion 22, enelque dichapropiedadelectroquimicacorrespondeaunatension generada por dicha celula, una corriente electrica generada por dicha celula, una corriente electrica recibida por dicha celula o un nivel de carga de una solucion electrolitica en el interior de dicha celula.