Almacenamiento de energía térmica de alta temperatura vinculado a la red eléctrica y mejora de planta solar concentrada.

Almacenamiento de energía térmica de alta temperatura vinculado a la red eléctrica y mejora de planta solar concentrada incluyendo sistemas de almacenamiento de energía térmica (TES) vinculados a la red,

sistemas de potencia solar concentrada (CSP) que presentan TES vinculados a la red y métodos de operación del mismo. Los sistemas TES vinculados a la red incluyen un material de almacenamiento de calor, un material de transferencia de calor en comunicación térmica con una fuente de flujo solar concentrado y un elemento de calentamiento eléctrico. Tanto el material de transferencia de calor como el elemento de calentamiento eléctrico están en comunicación térmica con el material de almacenamiento de calor. Tanto el material de transferencia de calor como el elemento de calentamiento eléctrico se pueden usar selectivamente para proporcionar medios alternativos y complementarios para almacenar energía térmica en el material de almacenamiento de calor.

Almacenamiento de energía térmica de alta temperatura vinculado a la red eléctrica y mejora de planta solar concentrada.

Solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos N° 61/557.292, presentada el 8 de noviembre 211, cuya solicitud se incorpora en la presente memoria por referencia en su totalidad.

Campo técnico

Las realizaciones descritas en la presente memoria se refieren a generación de electricidad de potencia solar concentrada. En particular, las realizaciones descritas se refieren a almacenamiento de energía térmica en una planta de generación CSP conectada a red.

Antecedentes

Los sistemas de Concentración de Potencia Solar (CSP) utilizan energía solar para accionar un ciclo de potencia térmica para la generación de electricidad. Las tecnologías CSP incluyen sistemas de colector cilindro-parabólico, lineal de Fresnel, de receptor central o "torre de potencia", y de plato/motor. Se ha dirigido un considerable interés en CSP por los estándares de portfolio de energías renovables aplicables a proveedores de energía en el suroeste de los Estados Unidos y las tarifas de inyección de energías renovables en España. Los sistemas CSP se despliegan típicamente como plantas de potencia grandes, centralizadas para aprovechar las economías de escala.

Se ha dirigido mucho trabajo reciente a mejorar la eficiencia total, coste y compatibilidad con la red de la generación CSP, a fin de competir más eficazmente con las fuentes de generación de energía no renovable. Por ejemplo, se conoce que se puede obtener un aumento global en la eficiencia de conversión con una planta de generación de combustibles fósiles y CSP combinada o híbrida. Ver por ejemplo, las Patentes de EE.UU. N° 7.845.172 y 7.331.178. La incorporación de una fuente de energía fósil en una planta CSP híbrida además puede mejorar la capacidad de gestión de la planta permitiendo que la salida generada sea ajustada más fácilmente a las necesidades que varían de las empresas de servicio público. No obstante, la tecnología CSP impulsada por gas se enfrenta a un número de retos, incluyendo la volatilidad del coste de suministro del gas natural, la tecnología de quemadores de gas relativamente complicada y los esquemas regulatorios que ofrecen incentivos para eliminar totalmente las emisiones de gases de efecto invernadero.

Una ventaja clave de ciertos sistemas CSP, en particular los colectores cilindro-parabólicos y las torres de potencia, es la capacidad de incorporar almacenamiento de energía térmica (TES) donde la energía térmica se almacena en y retira desde un medio de almacenamiento de calor adecuado. El TES es a menudo menos caro y más eficiente que el almacenamiento de energía eléctrica convencional tal como baterías. Además, el uso de TES permite a una planta CSP tener un factor de capacidad aumentado y proporcionar la capacidad despachar potencia a un operador de red según se necesita, para cubrir picos de demanda de alta energía tarde/noche u otros por ejemplo.

El TES a gran escala puede mitigar la variabilidad natural de las fuentes de energía renovable, incluyendo las plantas CSP, y conducen a una estabilidad aumentada de una red de empresa de servicio público que ofrece una contribución sustancial de fuentes renovables. Los sistemas TES convencionales se enfrentan a una gama de barreras técnicas y de mercado no obstante. Por ejemplo, los sistemas TES que presentan un medio de almacenamiento químico generalmente ofrecen un número insuficiente de ciclos y densidad de almacenamiento baja, mientras que se pueden aplicar otras tecnologías TES tales como aire comprimido solamente en un número limitado de ubicaciones geográficas.

Ciertos sistemas TES conocidos presentan el uso de materiales de cambio de fase como un medio de almacenamiento de energía térmica. Un beneficio de utilizar un material de cambio de fase como el medio de almacenamiento de energía térmica de un sistema TES es la alta densidad de energía realizada explotando el calor latente así como el calor sensible de un material TES de cambio de fase adecuado. Por lo tanto, en gran parte debido a esta capacidad de calor inherentemente grande, los sistemas TES basados en materiales de cambio de fase son de interés creciente para aplicación en plantas CSP.

El aumento de combustibles fósiles en una planta CSP híbrida es conocido para aumentar la eficiencia de generación CSP pero el aumento de combustibles fósiles típicamente no puede ayudar a equilibrar la generación y carga en una red que depende de fuentes renovables. Por ejemplo, los sistemas de aumento de combustibles fósiles no pueden asegurar que la capacidad de generación no excede la carga durante periodos muy ventosos o muy soleados cuando la red incluye generación accionada por viento o sol. Mientras que TES también puede aumentar la capacidad de gestión de la generación CSP, también típicamente no puede aumentar el equilibrio de carga y generación de una red. Las plantas de almacenamiento térmico grandes, de escala de empresa de servicio público podrían equilibrar una red pero las tecnologías de almacenamiento conocidas disminuyen la eficiencia y costes añadidos. Lo que se necesita, por lo tanto, es un medio para aumentar la

capacidad de gestión y eficiencia de generación CSP, mientras que aumenta el rendimiento de ciclo de potencia CSP y que ofrece un almacenamiento de energía a gran escala para equilibrar la carga y generación de una red que se basa en recursos renovables. Las realizaciones descritas en la presente memoria se dirigen a superar uno o más de los problemas tratados anteriormente.

Compendio de las realizaciones

Una realización descrita en la presente memoria es un sistema de almacenamiento de energía térmica (TES) vinculado a la red. El sistema TES vinculado a la red incluye un material de almacenamiento de calor, un material de transferencia de calor en comunicación térmica con una fuente de flujo solar concentrado y un elemento de calentamiento eléctrico. Tanto el material de transferencia de calor como el elemento de calentamiento eléctrico están en comunicación térmica con el material de almacenamiento de calor. Tanto el material de transferencia de calor como el elemento de calentamiento eléctrico proporcionan medios alternativos y complementarios para almacenar energía térmica en el material de almacenamiento de calor. En particular, el material de almacenamiento de calor se puede calentar de manera selectiva mediante intercambio de calor con el material de transferencia de calor y/o aplicando potencia eléctrica al elemento de calentamiento eléctrico.

El material de transferencia de calor puede ser un fluido de trabajo en comunicación térmica con un ciclo de potencia o un fluido de transferencia de calor (HTF) en comunicación térmica con el fluido de trabajo. El material de almacenamiento de calor puede ser cualquier material adecuado en cualquier fase. Ciertos materiales de almacenamiento de calor son materiales de cambio de fase que se someterán a un cambio de fase cuando el material de almacenamiento de calor se caliente a una temperatura de operación. Por ejemplo, el material de almacenamiento de calor puede ser una sal y el elemento de calentamiento eléctrico se implementaría entonces con un calentador resistivo en contacto térmico con la sal. En otro ejemplo representativo, el material de almacenamiento de calor puede ser un metal y el elemento de calentamiento eléctrico se podría implementar con un calentador de inducción.

Una realización alternativa descrita en la presente memoria es un sistema de potencia solar concentrada (CSP) que tiene un receptor solar configurado para calentar un material de transferencia de calor con flujo solar concentrado. Los sistemas CSP descritos también presentan un sistema TES vinculado a la red como se describió anteriormente y un ciclo de potencia en comunicación térmica con el material de transferencia de calor que proporciona la generación de potencia eléctrica. El sistema TES vinculado a la red de las realizaciones

CSP descritas se puede cargar con energía térmica desde cualquiera de los dos o ambos del material de transferencia de calor después de que ha sido calentado mediante flujo solar concentrado o los elementos de calentamiento eléctrico.

El todas las realizaciones CSP o TES vinculado a la red, se puede proporcionar energía de calor suplementaria al material de almacenamiento de calor desde el elemento de calentador eléctrico cuando el sistema TES está en un modo de carga o cuando el sistema TES está descargándose de otro modo. Según se usa en la presente memoria, el sistema TES se está cargando cuando se está calentando...

1. Un sistema de almacenamiento de energía térmica vinculado a la red que comprende: un material de almacenamiento de calor;

un material de transferencia de calor en comunicación térmica con una fuente de flujo solar concentrado y además en comunicación térmica con el material de almacenamiento de calor que proporciona selectivamente calor o frio al material de almacenamiento de calor a través del intercambio de calor con el material de transferencia de calor; y

un elemento de calentamiento eléctrico en comunicación térmica con el material de almacenamiento de calor que proporciona selectivamente calor al material de almacenamiento aplicando potencia eléctrica al elemento de calentamiento eléctrico.

2. El sistema de almacenamiento de energía térmica vinculado a la red de la reivindicación 1 en donde el material de transferencia de calor comprende al menos uno de un fluido de trabajo en comunicación térmica con un ciclo de potencia o un fluido de transferencia de calor en comunicación térmica con el fluido de trabajo.

3. El sistema de almacenamiento de energía térmica vinculado a la red de la reivindicación

1 en donde el material de almacenamiento de calor es un material de cambio de fase que se someterá a un cambio de fase cuando el material de almacenamiento de calor se caliente a una temperatura de operación.

4. El sistema de almacenamiento de energía térmica vinculado a la red de la reivindicación

2 en donde el material de almacenamiento de calor comprende una sal y el elemento de calentamiento eléctrico comprende un calentador resistivo.

5. El sistema de almacenamiento de energía térmica vinculado a la red de la reivindicación 2 en donde el material de almacenamiento de calor comprende un metal y el elemento de calentamiento eléctrico comprende un calentador de inducción.

6. Un sistema de potencia solar concentrada que comprende:

un receptor solar configurado para calentar un material de transferencia de calor con flujo solar concentrado;

un sistema de almacenamiento de energía térmica vinculado a la red que comprende un material de almacenamiento de calor en comunicación térmica con el material de transferencia de calor y un elemento de calentamiento eléctrico en comunicación térmica con el material de almacenamiento de calor, por lo cual el material de almacenamiento de

calor se puede calentar a través de intercambio de calor con el material de transferencia de calor o a través de calentamiento proporcionado por el elemento de calentamiento eléctrico; y

un ciclo de potencia en comunicación térmica con el material de transferencia de calor que proporciona la generación de potencia eléctrica.

7. El sistema de potencia solar concentrada de la reivindicación 6 en donde el material de transferencia de calor comprende al menos uno de un fluido de trabajo en comunicación térmica con un ciclo de potencia o un fluido de transferencia de calor en comunicación térmica con el fluido de trabajo.

8. El sistema de potencia solar concentrada de la reivindicación 6 en donde el material de almacenamiento de calor es un material de cambio de fase que se someterá a un cambio de fase cuando el material de almacenamiento de calor se caliente a una temperatura de operación.

9. El sistema de potencia solar concentrada de la reivindicación 6 en donde el material de almacenamiento de calor comprende una sal y el elemento de calentamiento eléctrico comprende un calentador resistivo.

1. El sistema de potencia solar concentrada de la reivindicación 6 en donde el material de almacenamiento de calor comprende un metal y el elemento de calentamiento eléctrico comprende un calentador inductivo.

11. El sistema de potencia solar concentrada de la reivindicación 6 en donde el ciclo de potencia comprende una etapa de turbina de alta presión y una etapa de turbina de baja presión y en donde el sistema de almacenamiento de energía térmica vinculado a la red proporciona intercambio de calor con un fluido de trabajo de ciclo de potencia antes de la etapa de turbina de alta presión y antes de la etapa de turbina de baja presión.

12. El sistema de potencia solar concentrada de la reivindicación 6 en donde el sistema de almacenamiento de energía térmica vinculado a la red proporciona el almacenamiento térmico de energía eléctrica generada en una ubicación remota del receptor solar.

13. Un método para operar una planta de potencia solar concentrada que comprende:

calentar un material de transferencia de calor con flujo solar concentrado;

calentar un material de almacenamiento de calor a través de intercambio de calor con el material de transferencia de calor;

calentar el material de almacenamiento de calor con un elemento de calentamiento eléctrico; y

proporcionar energía a un fluido de trabajo de un ciclo de generación de potencia mediante intercambio de calor entre el fluido de trabajo y el material de almacenamiento de calor.

14. El método de la reivindicación 13 en donde el material de transferencia de calor y el fluido de trabajo son el mismo material.

15. El método de la reivindicación 13 en donde el material de transferencia de calor comprende un fluido de transferencia de calor en comunicación térmica con el fluido de trabajo.

16. El método de la reivindicación 13 que además comprende:

calentar el material de almacenamiento de calor a una primera temperatura de operación a través de intercambio de calor con el material de transferencia de calor; y

calentar el material de almacenamiento de calor a una segunda temperatura de operación mayor que la primera temperatura de operación con el elemento de calentamiento eléctrico.

17. El método de la reivindicación 13 que además comprende calentar el material de transferencia de calor a la segunda temperatura de operación a través de intercambio de calor con el material de almacenamiento de calor.

18. El método de la reivindicación 13 en donde el material de almacenamiento de calor comprende una sal y el elemento de calentamiento eléctrico comprende un calentador resistivo.

19. El método de la reivindicación 13 en donde el material de almacenamiento de calor comprende un metal y el elemento de calentamiento eléctrico comprende un calentador de inducción.

2. El método de la reivindicación 13 que además comprende proporcionar el almacenamiento térmico de energía eléctrica generado en una ubicación remota desde el receptor solar calentando el material de almacenamiento de calor con el elemento de calentamiento eléctrico.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

ESPAÑA

N.° solicitud: 214952

Fecha de presentación de la solicitud: 6.11.212 Fecha de prioridad: 8-11 -211

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

© IntCI.: F3G6/6 (26.1)

F28D2/2 (26.1)

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