Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua.

Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua que comprende por lo menos un depósito (1),

uno o más hidrogeneradores, que podrían ser reversibles, y cero, una o más bombas, instalados en zonas habilitadas del depósito o estructuras resistentes independientes (2) acopladas al mismo. El depósito será vaciado por medio de las bombas o hidrogeneradores reversibles mediante energía exterior al sistema y la devolverá (salvo las perdidas) al accionarse el hidrogenerador impulsado por la entrada al depósito del agua exterior, con una mayor presión debida la profundidad de fondeo.

1. TITULO DE LA INVENCIÓN.

Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua.

2. OBJETO DE LA INVENCIÓN.

El objeto de esta invención es el almacenamiento de energía mediante el empleo de depósitos sumergidos en agua a profundidades elevadas, y sistemas de hidrogeneración y bombeo de agua.

3. SECTOR Y ESTADO DE LA TÉCNICA.

El sector al que pertenece la presente invención es la de las instalaciones hidráulicas, concretamente al de los sistemas de almacenamiento por bombeo, que se emplean como sistemas almacenamiento energético, siendo la energía eléctrica la más habitualmente almacenada y/o generada.

En la actualidad se distinguen dos tipos de plantas de bombeo: las centrales hidroeléctricas reversibles que se basan en el bombeo entre dos embalses existentes aprovechando las centrales hidroeléctricas de sus instalaciones; y las plantas de bombeo puro, denominadas PHES (Pumped Hydro Energy Storage o almacenamiento hidroenergético por bombeo) , en las que la instalación y al menos uno de los depósitos se construye expresamente para el almacenamiento.

El almacenamiento por bombeo es actualmente el mejor sistema de almacenamiento de energía eléctrica, tanto en cuanto a capacidad de almacenamiento y duración como en cuanto a rentabilidad, siendo además una tecnología madura.

Previamente a la explicación de la invención se tratará de plantear las necesidades y problemas que se 20 presentan en torno al estado actual de la técnica para las instalaciones de almacenamiento hidroenergético.

3.1. NECESIDADES DEL SISTEMA ELÉCTRICO.

La energía eléctrica no puede ser fácilmente almacenada, por lo cual existen centros de control y despacho que tiene como misión que la energía se genere en el momento de ser consumida. Sin embargo, un sistema eléctrico con suficiente capacidad de almacenamiento conseguiría una distribución más eficiente al poder

resolver cuatro necesidades fundamentales:

• Gestión valle-punta. La red eléctrica presenta fluctuaciones debido a los hábitos horarios de los consumidores y a que los equipos de generación no pueden pararse (caso de las nucleares) o no pueden responder de forma inmediata a las demandas de energía. Dichas fluctuaciones llevan a que en horas de baja demanda se pierda la energía generada y no consumida, y, a pesar de ello que deban mantenerse los equipos operativos para poder atender las demandas de horas punta. Un sistema de almacenamiento bien dimensionado nos permitiría “guardar” la energía sobrante en los momentos “valle” para poder suministrarla en los momentos “punta”, reduciendo así las necesidades de equipos operativos y reduciendo las pérdidas y costes asociados.

• Aislamiento de carga. Resulta imposible hacer cuadrar con absoluta perfección la producción con la demanda, por lo que ese desajuste debe ser controlado de alguna manera. Una cierta capacidad de almacenamiento gestionaría esta circunstancia de manera óptima debido a la rápida disponibilidad de la energía que se tendría.

• Control de frecuencia. Las imperfecciones e inestabilidades en la frecuencia eléctrica hacen que ésta deba ser controlada de forma detallada, para lo cual, disponer de energía almacenada en el momento adecuado y con capacidad de respuesta suficientemente rápida, nos ayudaría a solucionar dicho problema.

• Integración de renovables. Debido a que las renovables no producen cuando se les pide o se necesita, sino cuando disponen del recurso natural del que se nutren, surge la necesidad de almacenar la energía que éstas dan cuando la red no la necesita, para así poder usarla cuando la red lo exija. La 45 creciente expansión de las renovables hace que esta necesidad sea de especial interés en la actualidad.

4. EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN.

La presente invención es un sistema de almacenamiento energético concebido para su empleo sumergido en el agua apoyado directa o indirectamente sobre el fondo de embalses, lagos o mares, generalmente a profundidades entre los 100 y los 400 m. Se puede considerar similar a las tradicionales plantas de bombeo puro,

en las que el agua se bombea o turbina entre dos depósitos a diferente nivel, aunque en el caso de la presente invención, el tanque de almacenamiento hace de depósito inferior, y el agua que rodea al tanque sería la correspondiente al depósito superior, siendo la presión de este agua, a la profundidad de trabajo del depósito, el equivalente a la presión originada por la diferencia de alturas entre los depósitos de dichas plantas de bombeo.

Su funcionamiento se basa en la aportación de energía del agua al entrar a través de una turbina hidráulica en el

deposito (1) , previamente vaciado, la cual transmitirá su energía mecánica al dispositivo o dispositivos escogidos a tal efecto (bomba hidráulica o neumática, generador eléctrico u otro) , preferentemente un generador eléctrico (por su versatilidad y por su eficiencia para transportar dicha energía) . En algunos casos el mismo conjunto turbina-generador será diseñado para operar de forma reversible y se empleará, alternativamente, para el vaciado del depósito, mientras que en otros casos, se pueden disponer de sistemas para bombeo y turbinación diferenciados, o que existan sistemas de bombeo diferenciados y que además el sistema de turbinación sea reversible para operar como apoyo a las bombas. Estos últimos casos resultan de interés cuando se desee simultanear ambos procesos, por ejemplo para emplear energía obtenida de fuentes renovables a cualquier hora del día, y cuando el generador no esté en uso y se disponga de energía exterior sobrante.

Salvo construcción in situ, como puede ser el caso de los embalses, es preciso que el deposito tenga capacidad

de flotación para desplazarlo desde su lugar de construcción al de fondeo. No obstante, una vez fondeado el depósito debe tener el peso suficiente para que permanezca estable apoyado directa o indirectamente sobre el fondo, por lo tanto debe de disponer de espacios para acoger lastre. Pero por otra parte, si se desea reflotar el depósito, con el fin de cambiarlo de posición o para labores de mantenimiento, es conveniente que parte de dicho lastre pueda ser fácilmente removido, por lo que lo más aconsejable es que el depósito disponga de tanques de agua diferenciados que puedan bombearse con la propia instalación del depósito cuando se quiera reflotarla.

En el caso de que el sistema se conecte mediante cables eléctricos, por ejemplo a la red terrestre, estos deben de tener la suficiente longitud para su conexión y desconexión a flote.

Para afrontar las labores de mantenimiento del sistema, dado el inconveniente de la inaccesibilidad del depósito, 30 se plantean tres opciones o combinaciones de ellas:

• El reflotado de todo el sistema, lo cual es una opción cara y compleja no aconsejable salvo para mantenimientos complejos o con periodicidades altas.

• El reflotado independiente de la caseta o casetas del generador y/o de las bombas, para lo cual tanto el depósito como las casetas deben estar diseñadas para permitirlo, mediante sistemas de guiado y

acoplamiento además de sistemas de cierre estanco, todo lo cual supone una complejidad añadida al sistema que lo encarece.

• La instalación de una torre de acceso para aquellos casos en que la profundidad de fondeo no sea muy elevada, que podemos barajar en menos de 200 m. Esta opción exige una mejor estabilidad del depósito y la incorporación de accesos internos e instalaciones de habitabilidad y seguridad para los trabajadores.

4.1. VENTAJAS DE LA INVENCIÓN FRENTE A LOS SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO POR BOMBEO PURO (PHES) .

En adición a las ventajas que antes citadas que ofrecen al sistema eléctrico los PHES podemos añadir las siguientes ventajas de la presente invención:

• En general, mayor proximidad a los consumidores dado que 2/3 de la población están asentados en las 45 zonas costeras, e igualmente ocurre con la industria que busca la costa para aprovechar la cercanía de la población y las ventajas del transporte marítimo.

• En general, mayor proximidad a las fuentes energéticas, dado que muchas se sitúan en la costa por su dependencia del suministro de combustibles por el mar. Por otra parte, las renovables marinas y mucha eólica terrestre se concentran también próximas a la costa.

• Mayor proximidad a las redes eléctricas existentes (reduciéndose los costes de inversión) y menores pérdidas en gastos de transporte debido a su proximidad a generadores y consumidores.

• Instalaciones...

1. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua que comprende por lo menos un depósito (1) , uno o más hidrogeneradores, que podrían ser reversibles, y cero, una o más bombas. Dicho sistema está caracterizado por:

• El depósito será vaciado por medio de las bombas o hidrogeneradores reversibles mediante la energía exterior y la devolverá (salvo las perdidas) al accionarse el hidrogenerador impulsado por la entrada al depósito del agua exterior, con una mayor presión frente al interior del mismo debido la profundidad de fondeo.

• El depósito será una estructura estanca y resistente, preferentemente de hormigón armado, diseñada para resistir la presión del agua exterior a su profundidad de fondeo y estará apoyada directa o indirectamente sobre el fondo.

• El depósito dispondrá de cavidades para relleno con lastre a fin de fondear de forma estable el depósito. Al menos parte del lastre será líquido y sus cavidades dispondrán de tubos y válvulas para su llenado /vaciado a fin de poder fondear/reflotar el depósito.

• El depósito dispondrá de ubicaciones específicas para la conexión de hidrogeneradores y bombas, así como para el equipamiento complementario para el funcionamiento de éstos. Hasta estas ubicaciones llegarán los tubos para las operaciones de llenado y vaciado del depósito, los elementos de accionamiento asociados a las válvulas de dichos tubos y conectores a sensores de presión o nivel del depósito.

2. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque hidrogeneradores, bombas y su equipamiento complementario estarán instaladas en el interior de la estructura del depósito.

3. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua, según la reivindicación 1ª y 2ª, caracterizado por disponer de pasillos de comunicación entre las ubicaciones de hidrogeneradores, bombas y su equipamiento complementario, y con una torre de acceso desde la superficie del agua, construida preferentemente en hormigón armado, con posibilidad de desagüe al depósito, y dotada de los sistemas de habilitación, acceso y elevación dimensionados para el mantenimiento del sistema.

4. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque hidrogeneradores, bombas y su equipamiento complementario estarán instalados en estructuras resistentes independientes, que denominaremos “casetas” (2) , acopladas al depósito (1) reflotables para su mantenimiento, garantizando la estanqueidad de las partes mediante cierres en los elementos de interconexión, tanto cuando están acopladas como desacopladas, y dispondrán de sistemas para guiado y agilización del acoplamiento.

5. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua, según la reivindicación 1ª,

caracterizado por estar ubicado al pie de un embalse (en su zona interior) conectado con su sistema hidroeléctrico a fin de poder operar como una central hidroeléctrica reversible.

6. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua, según las reivindicaciones 2ª, 3ª

o 4ª caracterizado por que el hidrogenerador o hidrogeneradores son de tipo eléctrico.

7. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua, según la reivindicación 6ª, 40 caracterizados por que el sistema estará conectado a la red eléctrica general en tierra.

8. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua, según las reivindicaciones 2ª, 3ª, 4ª, 6ª o 7ª, caracterizado por disponer de sistemas de bombeo mediante energía mecánica undimotriz.

Figura 1 Figura 2

Figura 3