Tecnología caes de ciclo combinado (CCC).

Tecnología CAES de ciclo combinado (CCC).

Se trata de un sistema que almacena energía en base a la compresión de aire atmosférico y su confinamiento en tanques o cavernas,

que combina el ciclo termodinámico seguido por el aire atmosférico (ciclo Brayton) con otro ciclo termodinámico que se hace seguir a un fluido auxiliar, que se encuentre encerrado en la caverna dentro de una membrana, y al que se hace seguir dos tramos de un ciclo Rankine, uno durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna y el otro durante el proceso de salida de aire y turbinado, aprovechándose el calor residual de los propios gases de escape de la turbina de aire comprimido como fuente de calor del ciclo Rankine del fluido auxiliar, y pudiéndose utilizar los tanques o cavernas para realizar en ellos un calentamiento a volumen constante del aire comprimido y/o del fluido auxiliar.

TECNOLOGÍA CAES DE CICLO COMBINADO (CCC) DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema que ha sido especialmente concebido para almacenar energía mediante la compresión de aire atmosférico y su confinamiento en tanques ó cavernas, de tal modo que se consigan mejorar de forma significativa los rendimientos globales obtenidos con la tecnología actual y se reduzcan de forma importante los requerimientos de volumen de los tanques ó cavernas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La tecnología CAES consiste en almacenar energía en base al almacenamiento de aire atmosférico comprimido. Cuando existe un excedente de energía en la red eléctrica, se hace trabajar un compresor, que comprime aire atmosférico hasta una determinada presión, consumiendo la energía excedente de la red eléctrica. El aire comprimido resultante es almacenado en una caverna natural, mina abandonada ó domo salino (no es posible utilizar un tanque a presión debido a las enormes dimensiones que debe tener y a las elevadas presiones que debe soportar si se pretenden almacenar cantidades importantes de energía) .

Para dejar almacenada la energía hasta que suba la demanda, simplemente basta con dejar cerrada la caverna mediante una válvula de corte. Cuando finalmente la red eléctrica demanda más energía, se abre la válvula y se da salida al aire a presión, que se utiliza para accionar una turbina y generar energía eléctrica.

Construir plantas con esta tecnología puede resultar mucho más viable económicamente que construir centrales de bombeo reversible, el sistema de almacenamiento de energía a gran escala más extendido que existe en la actualidad. Pero el gran problema de la tecnología CAES son los bajos rendimientos que se consiguen alcanzar, lo que se traduce en una escasa viabilidad de la explotación de las plantas. De hecho, aunque es una tecnología desarrollada hace más de treinta años, tan sólo existen dos plantas CAES operando en el mundo en la actualidad.

Además, las enormes exigencias en cuanto a volumen de las cavernas y presiones a soportar reducen drásticamente el abanico de ubicaciones posibles para este tipo de plantas, quedando restringido, tal como se ha explicado, a lugares donde existan cavernas naturales, minas abandonadas ó domos salinos.

Es complicado encontrar cavernas naturales ó minas abandonadas que se encuentren disponibles, de manera que las dos plantas CAES que operan en la actualidad han sido construídas utilizando domos salinos. Esto conlleva una serie de problemas adicionales como son la imposibilidad de aislar térmicamente las cavernas (la excavación se realiza por disolución de las sales a través de un pozo de unos 600 m de profundidad) , ó los elevados niveles de contaminación que presenta el aire al salir de la caverna.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La solución a estos inconvenientes consiste en combinar el ciclo termodinámico seguido por el aire atmosférico (ciclo Brayton) con otro ciclo termodinámico que se hace seguir a un fluido auxiliar, que se encuentre encerrado en la misma caverna dentro de una membrana, y cuyo volumen se haga variar, permitiendo así la entrada y salida de aire atmosférico comprimido en la caverna.

Existen multitud de ciclos a los que puede ser sometido el fluido auxiliar que pueden ser viables y que supongan una variación importante del volumen del fluido auxiliar. Por ejemplo, se puede hacer seguir al fluido auxiliar dos tramos de un ciclo Rankine, uno durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna y el otro durante el proceso de salida de aire y turbinado, de tal manera

que:

los estados iniciales y finales de cada uno de los tramos se encuentren a la misma presión el estado inicial durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna coincida con el estado final durante el proceso de vaciado y turbinado del aire, y sea un estado de muy baja densidad, esto es, vapor sobrecalentado, vapor saturado ó vapor húmedo con título alto el estado final durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna coincida con el estado inicial durante el proceso de vaciado y turbinado del aire, y sea un estado de muy alta densidad, esto es, líquido subenfriado, líquido saturado ó vapor húmedo con título bajo durante los períodos en los que se produce la compresión y entrada I salida y turbinado del aire de la caverna el fluido auxiliar sale de la membrana, recorre su tramo de ciclo Rankine correspondiente, y vuelve a entrar en la membrana, en un proceso continuo que hace que el fluido auxiliar encerrado en la membrana tenga un volumen total decreciente I creciente, consiguiéndose así permitir la entrada de aire en la caverna I desplazar al aire para que salga de la caverna durante los períodos en los que el aire se deja almacenado en la caverna por un lado y en los que la caverna se queda vacía de aire por otro el fluido auxiliar se encuentra almacenado en la membrana en su estado final correspondiente al tramo de ciclo Rankine que recorrió anteriormente Según lo expuesto, el ciclo Rankine seguido por el fluido auxiliar puede tener múltiples disposiciones. A modo de ejemplos, el foco frío del ciclo Rankine se puede situar bien a la temperatura a la que se almacena el fluido auxiliar, con lo que el tramo que recorrerá el fluido auxiliar durante el proceso de compresión y entrada de aire en el tanque ó caverna es precisamente el paso por el condensador, o bien a una temperatura menor, para conseguir optimizar el rendimiento energético, aunque a costa de tener que realizar tramos de turbinado en los momentos en los que sobra energía eléctrica en la red (es decir, durante el proceso de compresión y llenado de aire de la caverna) .

Al coincidir las presiones de los estados iniciales y finales de ambos tramos del ciclo Rankine, e irse reduciendo gradualmente el volumen que ocupa el fluido auxiliar en la membrana durante el proceso de compresión y llenado de aire de la caverna y aunmentando durante el proceso de salida de aire y turbinado, las operaciones de llenado y vaciado de la caverna de aire se realizan a presión constante, lo que conlleva una mejora de los rendimientos de las turbinas y los compresores por un lado y una drástica reducción de los requerimientos de volumen de las cavernas por otro lado.

Estas reducciones en los requerimientos de volumen de las cavernas se traducen en que va a resultar viable excavar las cavernas mediante voladura en roca dura, en lugar de tener que ir a excavaciones por disolución de sales en domos salinos. Este hecho, además de ampliar de una forma muy importante el abanico de ubicaciones posibles para las plantas CAES, va a permitir también por un lado que las plantas sean viables con potencias nominales mucho menores (la excavación por disolución de sales en domos salinos sólo resulta viable si se hace para grandes volúmenes) , y por otro que las cavernas se puedan aislar térmicamente. Igualmente, incluso va a dejar de ser absolutamente impensable el utilizar tanques a presión en lugar de cavernas.

Así pues, va a ser posible realizar el almacenamiento del aire a temperaturas elevadas y utilizar agua ó fluidos orgánicos como fluido auxiliar, ya que, dado el proceso llevado a cabo en una planta CAES, mientras mayor sea la temperatura a la que se realice el almacenamiento del aire mayor será el rendimiento global del sistema. Además, esto permitirá utilizar focos fríos naturales para el condensador como el agua ó el aire atmosférico.

De este modo, el resultado es la combinación de un ciclo Brayton (el seguido por el aire) con un ciclo Rankine (el seguido por el fluido auxiliar) . Esta disposición permite, además, la utilización del calor residual a la salida de la turbina del ciclo Brayton para regasificar y calentar el fluido auxiliar y seguir su ciclo Rankine.

A todo este proceso, que constituye la base de la invención, lo hemos denominado "Tecnología CAES de Ciclo Combinado", o bien "Tecnología CCC", y, tal como se ha descrito, constituye un proceso con una eficiencia en todos los sentidos mucho mayor que la tecnología CAES convencional. Con la tecnología CCC se consiguen múltiples objetivos:

optimizar los rendimientos energéticos de la planta optimizar los requerimientos de volumen de los tanques ó cavernas necesarios para almacenar el aire ampliar el rango de ubicaciones posibles para las plantas CAES

posibilitar la operación a temperaturas elevadas trabajar con aire limpio de impurezas La tecnología CCC abre las puertas a múltiples combinaciones posibles para conseguir optimizaciones más finas de los rendimientos energéticos. Por ejemplo, se puede utilizar el calor de los gases de salida de la turbina del aire comprimido...

1a._ La tecnología CAES (es decir, tecnología para almacenar energía en base al almacenamiento de aire atmosférico comprimido en una caverna) de ciclo combinado, caracterizada por combinar el ciclo termodinámico seguido por el aire atmosférico (ciclo Brayton) con otro ciclo termodinámico que se hace seguir a un fluido auxiliar, que se encuentre encerrado en la misma caverna dentro de una membrana, y cuyo volumen se haga variar, permitiendo así la entrada y salida de aire atmosférico comprimido en la caverna 2a._ La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación 1, caracterizada por que en la misma se haga seguir al fluido auxiliar dos tramos de un ciclo Rankine, uno durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna y el otro durante el proceso de salida de aire y turbinado, de tal manera que:

los estados iniciales y finales de cada uno de los tramos se encuentren a la misma presión el estado inicial durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna coincida con el estado final durante el proceso de vaciado y turbinado del aire, y sea un estado de muy baja densidad, esto es, vapor sobrecalentado, vapor saturado ó vapor húmedo con título alto el estado final durante el proceso de compresión y entrada de aire a la caverna coincida con el estado inicial durante el proceso de vaciado y turbinado del aire, y sea un estado de muy alta densidad, esto es, líquido subenfriado, líquido saturado ó vapor húmedo con título bajo durante los períodos en los que se produce la compresión y entrada / salida y turbinado del aire de la caverna el fluido auxiliar sale de la membrana, recorre su tramo de ciclo Rankine correspondiente, y vuelve a entrar en la membrana, en un proceso continuo que hace que el fluido auxiliar encerrado en la membrana tenga un volumen total decreciente / creciente, consiguiéndose así permitir la entrada de aire en el tanque ó caverna / desplazar al aire para que salga del tanque ó caverna durante los períodos en los que el aire se deja almacenado en el tanque ó caverna por un lado y en los que la caverna se queda vacía de aire por otro el fluido auxiliar se encuentra almacenado en la membrana en su estado final correspondiente al tramo de ciclo Rankine que recorrió anteriormente 38._ La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en ella el foco frío del ciclo Rankine se sitúa a la temperatura a la que se almacena el fluido auxiliar

48._ La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en ella el foco frío del ciclo Rankine se sitúa a una temperatura menor de la temperatura a la que se almacena el fluido auxiliar

58._ La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por disponer aislamientos térmicos en el interior del tanque ó caverna, de tal modo que el almacenamiento del aire y del fluido auxiliar puede ser realizado a temperaturas elevadas 68._ La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por utilizar el calor de los gases de salida de la turbina del aire comprimido como fuente de calor para regasificar y calentar el fluido auxiliar y hacerlo seguir su ciclo Rankine 78._ La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por utilizar el calor de los gases de salida de la turbina del aire comprimido como fuente de calor para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar o bien con otros fluidos orgánicos 88._ La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por disponer de membranas adiabáticas, que además de ser flexibles y separar el aire comprimido del fluido auxiliar consiguen mantener

una diferencia de temperaturas entre ambos ga._ La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación 8, caracterizada por disponer de membranas adiabáticas fabricadas a modo de sándwich, con una manta de material aislante térmico en el interior y sendas láminas de material impermeable, flexible y resistente a las temperaturas de operación en el exterior

La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones 8 Y g, caracterizada por realizar la compresión del aire en una sóla etapa, sin refrigeraciones intermedias, y almacenarlo a la propia temperatura que adquiere tras su compresión 11 a. La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación g, caracterizada por utilizar la misma máquina como compresor y como turbina del aire, cambiando el sentido de giro del rotor

La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por realizar un calentamiento del aire comprimido y/o del fluido auxiliar a volumen constante dentro de los tanques ó cavernas, es decir, utilizar los tanques ó cavernas como calderas La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por almacenar el aire comprimido en el interior de la membrana, quedando el fluido auxiliar en el exterior de la membrana 14a. La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por utilizar un tanque ó caverna auxiliar para almacenar el fluido auxiliar cuando se encuentra en estado líquido, estando el fluido auxiliar encerrado también en dicho tanque ó caverna auxiliar en una membrana, y existiendo en el exterior de la misma aire en las condiciones en las que se almacena en el tanque ó caverna principal, de tal modo que se traspasa a la misma durante el llenado del tanque ó caverna auxiliar y se traspasa. en sentido opuesto durante el vaciado, consiguiéndose de esta manera mantener también constante la presión del tanque ó caverna auxiliar en todo momento, y permitiéndose un calentamiento a volumen constante diferenciado del aire y del fluido auxiliar durante el período en que el aire está almacenado en la caverna, esto es, durante el período previo a su extracción y turbinado 158. La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación 14, caracterizada por realizar los almacenamientos del fluido auxiliar en dos estados a presiones diferentes del ciclo Rankine que se le hace seguir, aprovechando la existencia de dos tanques ó cavernas La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por utilizar el calor desprendido en el condensador como fuente de calor para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar o bien con otros fluidos orgánicos 178. La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicación 16, caracterizada por almacenar el fluido del ciclo Rankine adicional en un nuevo tanque ó caverna auxiliar aislado térmicamente para ser turbinado durante los momentos de fuerte demanda en la red eléctrica La tecnología CAES de ciclo combinado, según reivindicaciones anteriores, caracterizada por almacenar el calor desprendido en el condensador del ciclo Rankine y/o el desprendido en las refrigeraciones intermedias de los compresores y/o el residual del aire tras ser turbinado y aprovechado para otros usos mediante un sistema de almacenamiento térmico para poder ser utilizado posteriormente como fuente de calor precalentar el aire que sale de la caverna de forma previa al turbinado, regasificar el fluido auxiliar y/o para otro ciclo Rankine adicional, que opere con el propio fluido auxiliar a otras presiones o bien con agua u otros fluidos orgánicos durante los momentos de fuerte demanda en la red eléctrica I

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