Sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica y procedimiento para almacenar energía termoeléctrica.

Un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (22, 36) para convertir la electricidad en calor en unciclo de carga,

almacenar el calor, y para proporcionar energía térmica a una máquina termodinámica para convertirel calor de nuevo mediante la generación de electricidad en un ciclo de descarga, comprendiendo el sistema dealmacenamiento de energía termoeléctrica (22, 36):

un intercambiador de calor (30) que contiene un medio de almacenamiento térmico,

un circuito del fluido de trabajo para que circule un fluido de trabajo por el intercambiador de calor (30) para latransferencia de calor con el medio de almacenamiento térmico, donde, en una operación del sistema dealmacenamiento de energía termoeléctrica (22, 36), el fluido de trabajo fluye a través del circuito del fluido detrabajo, caracterizado por que el fluido de trabajo experimenta un proceso transcrítico, y dondeel fluido de trabajo está en un estado supercrítico al entrar en el intercambiador de calor (30) durante el ciclo decarga del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (36), y

el fluido de trabajo está en un estado supercrítico al salir del intercambiador de calor (30) durante el ciclo dedescarga del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (36).

Sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica y procedimiento para almacenar energía termoeléctrica Campo de la invención La presente invención se refiere a un sistema y a un procedimiento para almacenar energía eléctrica en forma de energía térmica en un almacenamiento de energía térmica.

Antecedentes de la invención Los generadores de carga de base, tales como las plantas generadoras nucleares y los generadores con fuentes de energía estocástica e intermitente, tales como las turbinas eólicas y los paneles solares, generan un exceso de potencia eléctrica durante momentos de baja demanda de potencia.

El documento DE 41 21 460 A1 desvela un sistema para almacenar calor, en particular procedente de una fuente de energía solar, para la subsiguiente operación de un motor a vapor.

Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica a gran escala son un medio de desviar este exceso de energía a momentos con picos de demanda y equilibrar de generación y el consumo de electricidad globales.

En una solicitud de patente previa, EP1577548, el solicitante ha descrito la idea de un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (TEES) . Un TEES convierte el exceso de electricidad en calor en un ciclo de carga, almacena el calor y convierte el calor de nuevo en electricidad en un ciclo de descarga, cuando sea necesario. Dicho sistema de almacenamiento de energía es robusto, compacto, independiente del sitio y adecuado para el almacenamiento de energía eléctrica en grandes cantidades. La energía térmica puede almacenarse en forma de calor sensible mediante un cambio en la temperatura o en forma de calor latente mediante un cambio de fase, o una combinación de ambos. El medio de almacenamiento del calor sensible puede ser un sólido, un líquido o un gas. El medio de almacenamiento del calor latente se produce mediante un cambio de fase, y puede implicar cualquiera de estas fases o una combinación de ellas, en serie o en paralelo.

El documento JP 63 253101 A también describe el concepto básico de almacenamiento de energía termoeléctrica.

La eficacia de ciclo completo de un sistema de almacenamiento de energía eléctrica puede definirse como el

porcentaje de energía eléctrica que puede ser descargada del almacenamiento en comparación con la energía eléctrica usada para cargar el almacenamiento, siempre que el estado del sistema de almacenamiento de energía después de la descarga vuelva a su condición inicial antes de cargar el almacenamiento. Es importante señalar que todas las tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica tienen inherentemente una eficacia de ciclo completo limitada. Por lo tanto, por cada unidad de energía eléctrica usada para cargar el almacenamiento, solo se recupera un cierto porcentaje como energía eléctrica tras la descarga. El resto de la energía eléctrica se pierde. Si, por ejemplo, el calor que se ha almacenado en un sistema TEES se proporciona a través de calentadores de resistencia, tiene una eficacia de ciclo completo de aproximadamente el 40%. La eficacia del almacenamiento de energía termoeléctrica es limitada por varias razones basadas en la segunda ley de la termodinámica. En primer lugar, la conversión del calor en trabajo mecánico en un motor de calor está limitada a la eficacia de Carnot. En segundo 45 lugar, el coeficiente de rendimiento de cualquier bomba de calor disminuye al aumentar la diferencia entre los niveles de temperatura de entrada y salida. En tercer lugar, cualquier flujo de calor procedente de un fluido de trabajo hacia un almacenamiento térmico y viceversa requiere una diferencia de temperatura para que se produzca. Este hecho degrada inevitablemente el nivel de temperatura y por lo tanto la capacidad del calor de realizar el trabajo.

Se señala que muchos procesos industriales implican la provisión de energía térmica y el almacenamiento de la energía térmica. Algunos ejemplos son dispositivos refrigeración, bombas de calor, aire acondicionado y la industria de procesado. En las plantas de potencia térmica solar se proporciona calor, posiblemente se almacena, y se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, todas estas a aplicaciones son distintas de los sistemas TEES porque no se preocupan del calor con el propósito exclusivo de almacenar energía.

También se señala que el ciclo de carga de un sistema TEES también se denomina ciclo de bomba de calor, y el ciclo de descarga de un sistema TEES también se denomina ciclo de motor de calor. En el concepto del TEES se necesita transferir calor desde un fluido de trabajo caliente y a un medio de almacenamiento térmico durante el ciclo de una bomba de calor y de vuelta desde el medio de almacenamiento térmico hacía el fluido de trabajo durante el ciclo del motor de calor. Una bomba de calor requiere trabajo para mover la energía térmica desde una fuente fría hacia un disipador de calor más caliente. Dado que la cantidad de energía depositada en el lado caliente es mayor que el trabajo requerido por una cantidad igual de energía tomada desde el lado frío, una bomba de calor “multiplicará” el calor en comparación con una generación de calor por resistencia. La proporción entre la salida de calor y la entrada de trabajo se denomina coeficiente de rendimiento, y es un valor mayor de uno. De esta forma, el

uso de una bomba de calor aumentará la eficacia de ciclo completo de un sistema TEES.

Los ciclos termodinámicos elegidos para la carga y la descarga del TEES afectan a muchos aspectos prácticos del almacenamiento. Por ejemplo, la cantidad de almacenamiento de energía requerida para almacenar una cantidad dada de energía eléctrica durante la carga del TEES depende del nivel de temperatura del almacenamiento térmico, cuando se usa el entorno como disipador de calor para la descarga. Cuanto mayor sea la temperatura del

almacenamiento térmico con respecto al entorno, menor será la proporción relativa de la energía térmica almacenada no recuperable como trabajo eléctrico. Por lo tanto, cuando se emplea un ciclo de carga con una temperatura máxima relativamente baja, se necesita almacenar una cantidad de calor mayor para almacenar la misma cantidad de energía eléctrica en comparación con un ciclo de carga con una temperatura máxima relativamente mayor.

La Figura 1 ilustra los perfiles de temperatura de un sistema TEES conocido. La abscisa representa los cambios en la entalpía, la ordenada representa la temperatura, y las líneas de la gráfica son isobaras. La línea continua indica el perfil de temperatura del fluido del trabajo en un ciclo de carga convencional del TEES, y se muestran las etapas escalonadas de desupercalentamiento 10, condensación 12 y subenfriamiento 14 (de derecha a izquierda) . La línea punteada indica el perfil de temperatura del fluido de trabajo en un ciclo de descarga convencional del TEES, y se muestran las etapas escalonadas de precalentamiento 16, ebullición 18 y supercalentamiento 20 (de derecha a izquierda) . La línea recta discontinua diagonal indica el perfil de temperatura del medio de almacenamiento térmico en un ciclo convencional del TEES. El calor sólo fluye desde una temperatura mayor hacia una temperatura menor. Consecuentemente, el perfil característico del fluido de trabajo durante el enfriamiento en el ciclo de carga tiene que estar por encima del perfil característico del medio de almacenamiento térmico, que a su vez tiene que estar por encima del perfil característico del fluido de trabajo durante el calentamiento en el ciclo de descarga.

Se establece que un factor de irreversibilidad termodinámica es la transferencia de calor entre grandes diferencias de temperatura. En la Figura 1 puede observarse que durante la parte de condensación 12 del perfil de carga y

durante la parte de ebullición 18 del perfil de descarga, la temperatura del fluido de trabajo permanece constante. Esto conduce a una diferencia de temperatura máxima relativamente grande, indicada como 4Tmax, entre el medio de almacenamiento térmico y el fluido de trabajo (tanto en carga como en descarga) , reduciendo así la eficacia de ciclo completo. Con objeto de minimizar esta diferencia de temperatura máxima, podrían construirse intercambiadores de calor relativamente grandes o pueden usarse materiales de cambio de fase para el almacenamiento térmico. Problemáticamente, estas soluciones dan como resultado un elevado coste de capital y por lo tanto generalmente no son prácticas.

Por lo tanto, hay una necesidad de proporcionar un almacenamiento de energía termoeléctrica eficaz con una elevada eficacia de ciclo completo, minimizando a la vez el área de los intercambiadores de calor y la cantidad de medio de almacenamiento térmico requerido,... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (22, 36) para convertir la electricidad en calor en un ciclo de carga, almacenar el calor, y para proporcionar energía térmica a una máquina termodinámica para convertir

el calor de nuevo mediante la generación de electricidad en un ciclo de descarga, comprendiendo el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (22, 36) :

un intercambiador de calor (30) que contiene un medio de almacenamiento térmico, un circuito del fluido de trabajo para que circule un fluido de trabajo por el intercambiador de calor (30) para la

transferencia de calor con el medio de almacenamiento térmico, donde, en una operación del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (22, 36) , el fluido de trabajo fluye a través del circuito del fluido de trabajo, caracterizado por que el fluido de trabajo experimenta un proceso transcrítico, y donde el fluido de trabajo está en un estado supercrítico al entrar en el intercambiador de calor (30) durante el ciclo de carga del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (36) , y

el fluido de trabajo está en un estado supercrítico al salir del intercambiador de calor (30) durante el ciclo de descarga del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (36) .

2. El sistema según la reivindicación 1, donde, cuando el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (22)

está funcionando, el fluido de trabajo experimenta un enfriamiento transcrítico en el intercambiador de calor (30) 20 durante el ciclo de carga.

3. El sistema según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde, cuando el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (22) está funcionando, el fluido de trabajo experimenta un calentamiento transcrítico en el intercambiador de calor (30) durante el ciclo de descarga.

4. El sistema según una de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende adicionalmente; un expansor (24) posicionado en el circuito del fluido de trabajo para la recuperación de energía desde el fluido de trabajo durante el ciclo de carga, donde la energía recuperada es suministrada a un compresor (28) en el circuito del fluido de trabajo para comprimir el fluido de trabajo hasta un estado supercrítico.

5. Un procedimiento para almacenar energía termoeléctrica en un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica, que comprende; la circulación de un fluido de trabajo por el intercambiador de calor para intercambiar el calor con un medio de almacenamiento térmico, y transferir el calor al medio de almacenamiento térmico en un proceso transcrítico, caracterizado por que la etapa de transferencia de calor comprende el enfriamiento transcrítico del fluido de trabajo durante un ciclo de carga del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica.

6. El procedimiento según la reivindicación 5, donde la etapa de transferencia del calor comprende el calentamiento transcrítico del fluido de trabajo durante un ciclo de descarga del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica.

7. El procedimiento según cualquiera de la reivindicación 5 hasta la reivindicación 6, que comprende adicionalmente la etapa de; modificar los parámetros del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica para asegurar que se minimiza la diferencia de temperatura máxima (ΔTmax) entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico durante la carga y la descarga.