ES2772813T3 - Mejoras en la recuperación de energía - Google Patents

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Abstract

Un sistema (10) que comprende: un tanque de almacenamiento criogénico (100) para almacenar criógeno; una bomba (200) en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico a alta presión; un evaporador (300) en comunicación fluida con la bomba para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba para formar un gas a alta presión; un aparato de recuperación de energía (350) que comprende un eje de transmisión (360) para transmitir energía mecánica; y una máquina eléctrica (600) acoplada mecánicamente al eje de transmisión del aparato de recuperación de energía para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía en energía eléctrica, en donde el sistema puede funcionar en: un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía es accionado por y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador; y un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía es accionado por la máquina eléctrica o por un motor eléctrico (5900).

Description

DESCRIPCIÓN
Mejoras en la recuperación de energía
Campo de la invención
La presente invención se refiere a sistemas y métodos de recuperación de energía, particularmente a sistemas y métodos de recuperación de energía criogénica.
Antecedentes de la invención.
Las redes (o redes de suministro) de transmisión y distribución de electricidad deben equilibrar la generación de electricidad con la demanda de los consumidores. En la actualidad, esto se logra normalmente modulando el lado de generación (lado de suministro) de la red encendiendo y apagando las centrales eléctricas y/o ejecutando continuamente algunas centrales eléctricas a carga casi completa para que la salida de energía pueda aumentarse o disminuirse como sea necesario ya sea reduciendo el punto de ajuste de la carga o sacando la planta de la red de suministro. El equilibrio general debe mantenerse en una base de segundo a segundo.
Las plantas de energía que típicamente funcionan de manera continua a carga casi completa para optimizar la eficiencia de producción de electricidad, en lugar de encenderse y apagarse, a veces se conocen como plantas de carga base. Estas típicamente implican un ciclo de vapor termodinámico. Los ejemplos típicos incluyen plantas nucleares, plantas de carbón y turbinas de gas de ciclo combinado, donde el ciclo de vapor se calienta usando el calor de escape de una turbina de gas de combustión. Tales plantas de vapor termodinámicas no se pueden encender y apagar rápidamente, ya que lleva mucho tiempo elevar la temperatura de la fuente de temperatura (reactor nuclear, horno, turbina de gas) y el ciclo del vapor. El tiempo total de arranque es típicamente de 45 minutos para una turbina de gas de ciclo combinado y varias horas para una planta nuclear o de carbón. Por lo tanto, estas plantas funcionan con una carga ligeramente más baja y pueden responder a un aumento en la demanda de electricidad elevando su punto de ajuste de carga. Como estas plantas ya están funcionando, dicha respuesta puede lograrse típicamente en unos pocos segundos.
Las plantas de energía que se encienden durante períodos cortos para satisfacer la demanda máxima a veces se denominan plantas de pico. Las plantas de pico están diseñadas para proporcionar una respuesta más rápida pero en detrimento de la eficiencia. Por lo tanto, equilibrar el lado de la oferta de la manera descrita anteriormente da como resultado una penalización en la eficiencia. A gran escala, estas son típicamente turbinas de gas de ciclo abierto, que queman gas en una turbina de gas similar a un motor a reacción. El aire se comprime con un compresor, se mezcla con gas inflamable y se quema en una cámara de combustión. El gas caliente a alta presión resultante se expande en una turbina para generar trabajo, que se convierte en energía eléctrica en un generador eléctrico. El escape caliente de la turbina se expulsa a la atmósfera, en lugar de usarse en turbinas de gas de ciclo cerrado, donde se usa para calentar un ciclo de vapor, que requiere tiempo para calentarse como se ha tratado anteriormente. Las plantas de turbinas de gas de ciclo abierto pueden arrancarse generalmente en unos 15 minutos. Esto está limitado principalmente por la necesidad de purgar la pila de escape de cualquier gas inflamable latente que pueda provocar una explosión y el requisito de calentar la turbina a su temperatura de funcionamiento de manera controlada para evitar choques térmicos rápidos. Por lo tanto, estas plantas se ponen en el circuito en previsión de la alta demanda de electricidad, para permitir el tiempo necesario para poner en marcha el sistema.
Actualmente hay disponible una amplia gama de plantas de pico basadas en varias tecnologías y que muestran, por tanto, diferentes duraciones de arranque. Estas plantas se pueden clasificar en dos clases principales:
sistemas de base no termodinámica (por ejemplo, baterías, plantas hidroeléctricas, volantes) y
sistemas de base termodinámica (por ejemplo, turbinas de gas de ciclo abierto (OCGT), almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES), almacenamiento de energía de aire líquido (LAES)).
En las plantas de pico hidroeléctricas (no termodinámicas), se permite que el agua fluya desde una altura a través de una turbina para impulsar un generador. Como la energía está simplemente incorporada en la energía potencial de la masa de agua mantenida en altura, es relativamente rápido iniciar la planta de energía simplemente abriendo una válvula y admitiendo agua en la turbina. En este caso, el tiempo de arranque está limitado por el tiempo necesario para que la turbina alcance la velocidad nominal y para que la velocidad se controle con precisión para que esté sincronizada con la red eléctrica antes de que el generador se acople a la red. Para reducir el tiempo requerido para reaccionar a una señal de salida de energía, las plantas hidroeléctricas pueden diseñarse para funcionar hasta la sincronización y luego permanecer acopladas a la red pero con el flujo de agua apagado. En este modo la turbina continúa girando y el generador funciona como un motor, estando acoplado a la red. Cuando se requiere energía, simplemente se abre una válvula para admitir agua en la turbina y generar energía. De esta manera, la planta puede cambiar de un estado de giro inactivo a exportación de energía nominal en menos de un minuto. Las centrales de pico hidroeléctricas ofrecen la ventaja adicional de emisiones benignas, pero requieren que se construyan características geográficas específicas, lo que limita su capacidad de despliegue.
Para combatir el calentamiento global, se está introduciendo en las redes un volumen creciente de capacidad de generación renovable intermitente, que incluye turbinas eólicas y colectores solares, y esto complica adicionalmente el equilibrio de las redes al crear incertidumbre en la disponibilidad de partes del lado de la generación; un problema que puede abordarse usando almacenamiento de energía.
Los dispositivos y sistemas de almacenamiento de energía típicamente tienen tres fases de funcionamiento: carga, almacenamiento y descarga. Los dispositivos de almacenamiento de energía típicamente generan energía (descarga) de forma muy intermitente cuando hay una escasez de capacidad de generación en la red de transmisión y distribución. Esto puede indicarse al operador del dispositivo de almacenamiento por un alto precio de la electricidad en el mercado de energía local o por una solicitud de la organización responsable del funcionamiento de la red para capacidad adicional. En algunos países, como el Reino Unido, el operador de la red celebra contratos para el suministro de reservas de respaldo a la red con operadores de plantas de energía con capacidad de arranque rápido. Tales contratos pueden cubrir meses o incluso años, pero típicamente el tiempo que el proveedor de energía estará funcionando (generando energía) es muy corto. Además, un dispositivo de almacenamiento puede proporcionar un servicio adicional al proporcionar carga adicional en momentos de exceso de suministro de energía a la red desde generadores renovables intermitentes. Las velocidades del viento son a menudo altas durante la noche cuando la demanda es baja. El operador de red debe hacer arreglos para una demanda adicional en la red para utilizar el exceso de suministro, a través de señales de precio de energía bajas o contratos específicos con los consumidores, o restringir el suministro de energía de otras estaciones o parques eólicos. En algunos casos, especialmente en los mercados donde los generadores eólicos tienen subsidios, el operador de la red tendrá que pagar a los operadores del parque eólico para que "apaguen" el parque eólico. Un dispositivo de almacenamiento ofrece al operador de red una carga adicional útil que puede usarse para equilibrar la red en tiempos de exceso de suministro.
Para que un sistema o dispositivo de almacenamiento sea comercialmente viable son importantes los siguientes factores: costo de capital por MW (capacidad de potencia), costo de capital por MWh (capacidad de energía), eficiencia del ciclo de ida y vuelta, vida útil con respecto al número de ciclos de carga y descarga que se puede esperar desde la inversión inicial y la velocidad de arranque. Para aplicaciones de escala de servicios públicos generalizadas, también es importante que el dispositivo de almacenamiento no tenga restricciones geográficas, es decir, que se pueda construir en cualquier lugar, en particular cerca de un punto de demanda alta o cerca de una fuente de intermitencia o un cuello de botella en la red de transmisión y distribución.
Por lo tanto, hay una necesidad de dispositivos y sistemas de almacenamiento de energía que sean respetuosos con el medio ambiente, no estén limitados geográficamente, tengan bajo costo de capital, sean económicamente viables y de respuesta rápida y sistemas y métodos para recuperar energía de estos dispositivos y sistemas de almacenamiento de energía.
La US 2015/0291007 A1 describe un sistema que comprende un sistema de motor criogénico y un sistema de refrigeración en donde el sistema de motor criogénico y el sistema de refrigeración están acoplados mecánicamente y/o térmicamente entre sí. El sistema de refrigeración es accionado por el sistema de motor criogénico y el sistema de motor criogénico mejora el enfriamiento del sistema de refrigeración.
Sumario de la invención
El almacenamiento de energía de aire líquido (LAES) permite el almacenamiento de energía usando un criógeno (como aire líquido o nitrógeno líquido) y la posterior recuperación de energía procesándolo termodinámicamente en un gas a alta presión capaz de impulsar un turboexpansor acoplado a un generador para generar electricidad. Por consiguiente un LAES emplea sustancias inofensivas (a diferencia de las baterías y OCGT), no está limitado geográficamente (a diferencia de las plantas hidroeléctricas) y ofrece una serie de ventajas en el mercado. En términos generales, un sistema LAES típicamente, en su fase de carga, utilizaría electricidad de bajo costo o excedente, en períodos de baja demanda o exceso de suministro de generadores renovables intermitentes, para licuar un fluido de trabajo como aire o nitrógeno durante una primera fase de licuefacción. Esto se almacena luego como un fluido criogénico en un tanque de almacenamiento durante una fase de almacenamiento, y posteriormente se bombea a alta presión en una bomba criogénica, se evapora y se usa para impulsar una turbina, que produce electricidad durante una descarga, o recuperación de energía, fase, en periodos de alta demanda o suministro insuficiente de generadores renovables intermitentes.
El LAES es un proceso termodinámico. De manera similar a otros procesos termodinámicos, la mayor parte del tiempo requerido para iniciar la fase de recuperación de energía lo lleva alcanzar la temperatura de funcionamiento (en particular para enfriar la bomba criogénica) y para hacer girar el turboexpansor a velocidad y controlar finamente su velocidad de rotación para sincronizar el generador a la red, el generador está acoplado mecánicamente al turboexpansor a través de un eje de transmisión. El tiempo de arranque tarda típicamente varios minutos.
El experto en la técnica conoce la velocidad de rotación a la que debe girar el generador para acoplarse electromagnéticamente a la red como velocidad sincrónica. Esta velocidad depende del número de polos magnéticos en el rotor del generador y de la frecuencia de la red, por ejemplo, 50 Hz en Europa y 60 Hz en los Estados Unidos. En lo sucesivo, la velocidad sincrónica también se usará en referencia a turboexpansores y etapas de expansión. El experto en la técnica comprenderá que esto no implica necesariamente la misma velocidad rotacional que el generador, ya que los turboexpansores o las etapas de expansión individuales que componen los turboexpansores pueden acoplarse al generador a través de una caja de engranajes, lo que significa que la velocidad de rotación correspondiente a la velocidad sincrónica del generador puede ser diferente. Se pretende, por lo tanto, que el término velocidad sincrónica en esta especificación signifique la velocidad de rotación del elemento del equipo de rotación en cuestión que se corresponde con el generador que se está sincronizando con la red.
Debe entenderse que un turboexpansor es una máquina de expansión rotatoria que comprende una o más etapas de expansión, cada una de las cuales comprende por lo menos una rueda de expansión localizada en una carcasa (etapas de expansión). Estas etapas de expansión pueden estar conectadas a un eje de transmisión común que gira a la misma velocidad (esto incluye múltiples ejes acoplados mecánicamente entre sí), o a múltiples ejes que rotan a diferentes velocidades y conectados a través de una caja de engranajes a por lo menos un eje de transmisión.
Una etapa de expansión puede compartir por lo menos uno de dichos múltiples ejes con por lo menos otra etapa de expansión. Por ejemplo, un turboexpansor puede comprender cuatro etapas de expansión dispuestas en dos ejes (dos etapas por eje) que rotan a una primera y una segunda velocidad y conectados a través de una caja de engranajes a un eje de transmisión que rota a una tercera velocidad. Las etapas de expansión pueden comprender más de una rueda en más de una carcasa respectiva, conectadas en paralelo en el flujo de gas.
Típicamente, el eje de transmisión está conectado a un generador eléctrico para convertir la energía mecánica en el eje de transmisión en energía eléctrica en los terminales eléctricos del generador.
Los presentes inventores han inventado ventajosamente un sistema y un método que reducen el tiempo requerido para iniciar la fase de recuperación de energía de un sistema LAES y exportar energía a la red. Esto es de gran beneficio dado que las redes eléctricas solo se volverán más volátiles con la introducción de una capacidad de generación renovable más intermitente.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de acuerdo con la reivindicación 1.
La provisión de un modo motorizado significa que el sistema puede reaccionar a una señal de inicio, por ejemplo, del operador de la red o del operador de la planta, de forma instantánea o casi instantánea (por ejemplo, tan solo unos segundos), dependiendo de la bomba criogénica empleada. Esto representa una mejora significativa sobre el estado de la técnica.
El sistema puede ser conmutable entre su modo motorizado y su modo de recuperación de energía. Opcionalmente, la bomba no suministra criógeno a alta presión al evaporador cuando el sistema está en modo motorizado. El sistema puede ser conmutable desde su modo motorizado a su modo de recuperación de energía introduciendo un suministro de criógeno a alta presión desde la bomba al evaporador.
La máquina eléctrica puede configurarse para funcionar como un generador y convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía en energía eléctrica cuando el sistema está en su modo de recuperación de energía. La máquina eléctrica puede configurarse para accionar el aparato de recuperación de energía cuando el aparato de recuperación de energía está en su modo motorizado. La máquina eléctrica puede configurarse para funcionar como un motor cuando el sistema está en su modo motorizado.
El sistema puede comprender además por lo menos una válvula configurada para aislar el aparato de recuperación de energía de la bomba y/o el evaporador cuando el sistema está en su modo motorizado.
La máquina eléctrica puede configurarse para acoplarse a una red eléctrica externa. La máquina eléctrica puede configurarse para suministrar energía eléctrica a la red eléctrica externa cuando el sistema está en modo de recuperación de energía. La máquina eléctrica puede configurarse para extraer energía de la red eléctrica externa para accionar el aparato de recuperación de energía cuando el sistema está en su modo motorizado. El sistema puede comprender además un interruptor eléctrico para acoplar y/o desacoplar la máquina eléctrica a/desde la red eléctrica.
El aparato de recuperación de energía puede accionarse a una primera velocidad predeterminada cuando el sistema está en su modo motorizado. El aparato de recuperación de energía puede accionarse a una segunda velocidad predeterminada cuando el sistema está en su modo de recuperación de energía. La primera velocidad determinada puede ser la misma que la segunda velocidad predeterminada. La primera y/o la segunda velocidad predeterminada puede ser una velocidad requerida para que la máquina eléctrica se sincronice con la red eléctrica.
Como es conocido en la técnica, para sistemas de gran capacidad que comprenden tanques de almacenamiento criogénico suficientemente grandes, la bomba criogénica puede estar localizada dentro del tanque criogénico, sumergida en criógeno, de tal manera que el criógeno circundante en el tanque la mantenga en estado frío. En los sistemas de pequeña capacidad que comprenden tanques criogénicos pequeños con espacio insuficiente para acomodar la bomba criogénica, la bomba criogénica está localizada fuera del tanque criogénico.
El sistema puede comprender además un primer medio de enfriamiento para enfriar la bomba. El primer medio de enfriamiento puede comprender un primer conducto para transportar criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico a la bomba. La bomba puede estar localizada dentro del tanque de almacenamiento criogénico para permitir que la bomba sea enfriada por el criógeno dentro del tanque de almacenamiento criogénico. Por lo tanto, el primer medio de enfriamiento puede comprender criógeno dentro del tanque de almacenamiento criogénico.
Los presentes inventores se han dado cuenta de que, a diferencia de los sistemas de generación de energía termodinámica tradicionales, el proceso LAES puede configurarse para permitir que ciertos pasos en el arranque de un sistema criogénico se realicen en previsión de la recuperación de energía al permitir que el sistema funcione durante períodos prolongados sin exportar energía a la red y sin el consumo de cantidades significativas de fluido de trabajo de criógeno, y la pérdida de la energía incorporada dentro de él. Además, la disponibilidad de aire líquido en el tanque de almacenamiento criogénico mientras la planta LAES está en modo motorizado significa que la bomba criogénica también puede enfriarse en previsión de recuperación de energía. Una vez que la bomba criogénica se enfría a la temperatura de funcionamiento, siempre que esté bien aislada, el consumo de aire líquido para mantener esa temperatura es muy bajo; por lo tanto, La bomba criogénica puede mantenerse en estado frío durante largos períodos de tiempo. Estar en modo motorizado mientras se mantiene la bomba en un estado enfriado permite la reducción del tiempo necesario para arrancar el aparato de recuperación de energía en respuesta a una señal para generar energía.
Alternativa o adicionalmente, el sistema puede comprender además un segundo medio de enfriamiento para enfriar el aparato de recuperación de energía. El segundo medio de enfriamiento puede comprender un conducto para transportar criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico al aparato de recuperación de energía.
Por lo tanto, el segundo medio de enfriamiento puede usarse para evitar que la temperatura del aparato de recuperación de energía aumente por encima de una temperatura umbral (por ejemplo, su temperatura máxima de funcionamiento). Puede hacerse que la temperatura del aparato de recuperación de energía aumente porque la energía disipada en el aparato de recuperación de energía (por ejemplo, mediante cojinetes en el aparato de recuperación de energía) y la fricción aerodinámica está en forma de calor.
El aparato de recuperación de energía puede comprender uno o más turboexpansores, o una pluralidad de turboexpansores. Cada turboexpansor puede comprender una etapa de expansión, una o más etapas de expansión, o una pluralidad de etapas de expansión. Cada etapa de expansión puede comprender una rueda de expansión, una o más ruedas de expansión, o una pluralidad de ruedas de expansión. Uno o más turboexpansores pueden tener todas sus etapas de expansión conectadas al eje de transmisión. Cada etapa de expansión puede estar conectada al eje de transmisión.
Estas etapas de expansión pueden estar conectadas a un eje de transmisión común que rota a la misma velocidad (esto incluye múltiples ejes acoplados mecánicamente), o a múltiples ejes que rotan a diferentes velocidades y conectados a través de una caja de engranajes con por lo menos un eje de transmisión.
Como se ha tratado anteriormente, un turboexpansor puede ser una máquina de expansión rotatoria que comprende una o más etapas de expansión, cada una de las cuales comprende por lo menos una rueda de expansión localizada en una carcasa (etapas de expansión). Estas etapas de expansión pueden estar conectadas a un eje de transmisión común que rota a la misma velocidad (esto incluye múltiples ejes acoplados mecánicamente), o a múltiples ejes que rotan a diferentes velocidades y conectados a través de una caja de engranajes con por lo menos un eje de transmisión.
Una etapa de expansión puede compartir por lo menos uno de dichos ejes múltiples con por lo menos otra etapa de expansión. Por ejemplo, un turboexpansor puede comprender cuatro etapas de expansión dispuestas en dos ejes (dos etapas por eje) que rotan a una primera y una segunda velocidad y conectadas a través de una caja de engranajes a un eje de transmisión que rota a una tercera velocidad. Las etapas de expansión pueden comprender más de una rueda en más de una carcasa respectiva, conectadas en paralelo en el flujo de gas. Las disposiciones anteriores son conocidas en el técnica de la generación de energía.
Por ejemplo, como se muestra en figuras 1-6, el aparato de recuperación de energía puede comprender un turboexpansor con cuatro etapas de expansión, todas dispuestas en el mismo eje de transmisión conectado al generador.
El sistema puede comprender además un intercambiador de calor configurado para transferir energía térmica caliente al gas a alta presión antes de que el gas a alta presión se expanda en el aparato de recuperación de energía. Para los propósitos de la invención, la energía térmica caliente se refiere a la energía incrustada dentro de un fluido a una temperatura entre 80 y 300° C. El sistema puede comprender uno o más intercambiadores de calor configurados para transferir energía térmica caliente a gas a alta presión antes de que el gas a alta presión se expanda en uno o más turboexpansores o en una o más etapas de expansión. La energía térmica caliente puede transferirse al gas a alta presión mediante un intercambiador de calor antes de que el gas se expanda en cada turboexpansor o en cada etapa de expansión.
El sistema puede comprender además un conducto de derivación entre una salida de una etapa de expansión en sentido descendente y un intercambiador de calor o una etapa de expansión en sentido ascendente para permitir, cuando el sistema está en modo motorizado, el flujo de gas frío o caliente desde la etapa de expansión en sentido descendente hacia el intercambiador de calor o etapa de expansión en sentido ascendente. El conducto de derivación puede comprender una válvula de derivación para controlar el flujo de gas a través del conducto de derivación.
El sistema puede comprender además un motor eléctrico para accionar el aparato de recuperación de energía cuando el sistema está en modo motorizado.
El sistema puede ser conmutable entre un modo inactivo y el modo motorizado.
Opcionalmente, en el modo inactivo, el aparato de recuperación de energía no se acciona en absoluto. En otras palabras, opcionalmente, en el modo inactivo, no hay gas a alta presión suministrado por el evaporador y no hay una máquina eléctrica acoplada a la red eléctrica (interruptor eléctrico apagado). Opcionalmente, no hay gas a alta presión suministrado por el evaporador y no hay máquina eléctrica acoplada a la red eléctrica y cualquier motor eléctrico pequeño conectado al eje de transmisión del aparato de recuperación de energía se apaga cuando el sistema está en modo inactivo.
El criógeno puede comprender aire líquido o nitrógeno líquido. El sistema puede comprender además un escape en comunicación fluida con el aparato de recuperación de energía.
Un método de acuerdo con la invención se describe en la reivindicación 26.
Los términos "alta presión" y "baja presión" son bien entendidos en la técnica, y el experto en la técnica comprenderá lo que significan estos términos en el contexto de la presente invención. Por ejemplo, el gas a alta presión puede ser gas que se usa para accionar el aparato de recuperación de energía cuando el sistema está en su modo de recuperación de energía. El gas a baja presión (y/o el criógeno de baja presión) puede ser gas (y/o criógeno) que se usa con propósitos distintos al accionamiento del aparato de recuperación de energía, por ejemplo, para enfriar componentes, como el evaporador y/o la bomba y/o Aparato de recuperación de energía, cuando el sistema está en modo motorizado.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención se describirá ahora con referencia a los dibujos acompañantes, en los que:
Fig. 1 muestra un primer sistema de acuerdo con una realización de la invención;
Fig. 2 muestra un segundo sistema de acuerdo con una realización de la invención;
Fig. 3 muestra un tercer sistema de acuerdo con una realización de la invención;
Fig. 4 muestra un cuarto sistema de acuerdo con una realización de la invención;
Fig. 5 muestra un quinto sistema de acuerdo con una realización de la invención;
Fig. 6 muestra un sexto sistema de acuerdo con una realización de la invención; y
Fig. 7 muestra un séptimo sistema de acuerdo con una realización de la invención.
Descripción detallada de los dibujos
La Fig. 1 muestra un sistema 10 según la presente invención. El sistema 10 comprende un tanque de almacenamiento criogénico 100 para almacenar criógeno, una bomba criogénica 200 en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico 100 para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico 100 a alta presión, un evaporador 300 en comunicación fluida con la bomba 200 para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba 200 para formar un gas a alta presión, un aparato de recuperación de energía 350 que comprende un eje de transmisión 360 para transmitir energía mecánica, y una máquina eléctrica 600 acoplada mecánicamente al eje de transmisión 360 del aparato de recuperación de energía 350 para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía 350 en energía eléctrica. La máquina eléctrica 600 está configurada para acoplarse a una red eléctrica externa a través de un interruptor eléctrico 700, y está construida, y provista con el sistema de control necesario, como es conocido en la técnica, para permitirle funcionar o como un motor o como un generador, importando o exportando energía de/a la red, respectivamente.
El sistema 10 puede funcionar en un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía 350 es accionado y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador 300, y un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía 350 es accionado por un medio de accionamiento distinto del gas a alta presión suministrado por el evaporador 300. La bomba 200 no suministra criógeno a alta presión cuando el sistema está en su modo motorizado, y el sistema 10 se puede cambiar de su modo motorizado a su modo de recuperación de energía introduciendo un suministro de criógeno a alta presión desde la bomba 200. Esto se explicará con más detalle a continuación.
El aparato de recuperación de energía 350 comprende cuatro intercambiadores de calor 401, 402, 403 y 404, y un turboexpansor que comprende cuatro etapas de expansión 501, 502, 503 y 504. El sistema 10 también comprende una pila de escape 800 en comunicación fluida con el aparato de recuperación de energía, y válvulas 110, 111, 112, 115 y 116, cuyo propósito se explicará a continuación.
El sistema 10 también comprende una conexión (por ejemplo, un conducto) entre un espacio superior del tanque criogénico 100 y una entrada del intercambiador de calor 401 a través de la válvula 115, y una ventilación en sentido descendente de la etapa de expansión final 504 a través de una válvula 116.
Durante el funcionamiento "normal" del sistema 10 (es decir, en el modo de recuperación de energía), el criógeno líquido (típicamente aire líquido o nitrógeno líquido) se extrae del tanque criogénico 100, bombeado a alta presión, por ejemplo de 50 a 250 bar, con bomba criogénica 200 y se evapora en el evaporador 300 para producir un gas a alta presión y a temperatura cercana a la ambiente, por ejemplo, de -20 a 30° C. El frío recuperado del criógeno en el evaporador 300 puede almacenarse en una cámara frigorífica (no mostrada) y luego usarse para ayudar al enfriamiento en un licuador de aire.
El gas a alta presión se sobrecalienta luego en el intercambiador de calor 401 usando calor ambiente o calor residual (correspondiente a una temperatura comprendida entre 80 y 300° C) de un proceso térmico separado, por ejemplo, un proceso térmico separado que se produce en un sistema co-localizado con un sistema LAES y externo a dicho sistema LAES, como plantas de energía, plantas de fabricación (por ejemplo, acerías, etc.) y centros de datos. El calor residual usado para sobrecalentar el gas a alta presión también puede ser generado por el propio sistema LAES o por el sistema LAES y el sistema co-localizado con dicho sistema LAES y externo a dicho sistema LAES.
Por ejemplo, el gas a alta presión sobrecalentado se expande luego de 140 bar a presión cercana a la ambiente en las cuatro etapas de expansión 501, 502, 503, 504. Entre cada etapa de expansión, el gas se recalienta en los intercambiadores de calor 402 a 404. Las cuatro etapas de expansión 501, 502, 503, 504 se acoplan mecánicamente a la máquina eléctrica 600 a través del eje de transmisión 360. La máquina eléctrica 600 está configurada para actuar como generador cuando el sistema está en el modo de recuperación de energía y convierte el trabajo mecánico en la rotación del eje de transmisión 360 en energía eléctrica.
El experto en la técnica reconocerá que la presente invención no está limitada a cuatro etapas de expansión, y que la elección del número de etapas de expansión y sus relaciones de presión es un compromiso entre la eficiencia y el costo del sistema.
No es el propósito de esta descripción describir con detalle la puesta en marcha del sistema (es decir, desde un modo de reposo o inactivo), que puede ser implementado por un experto en la técnica. Sin embargo, las fases principales pueden describirse de la siguiente manera:
1. Enfriamiento de la bomba criogénica 200 de manera controlada a su temperatura de funcionamiento; 2. Giro del aparato de recuperación de energía 350 (por ejemplo, turboexpansores) a una velocidad de funcionamiento cercana a la nominal;
3. Control excelente de la velocidad de rotación del rotor de la máquina eléctrica 600 a la velocidad sincrónica mediante el control del flujo de gas a través del aparato de recuperación de energía 350;
4. Cierre del interruptor 700 para acoplar electromagnéticamente el rotor de la máquina eléctrica 600 a la red eléctrica;
5. Encender el aparato de recuperación de energía 350 para aumentar la energía exportada a la red al valor requerido.
El paso 1 lleva generalmente entre 3 o 4 horas, dependiendo del tamaño y el tipo de bomba empleada, a medida que la bomba se enfría desde la temperatura cercana a la ambiente a su temperatura de funcionamiento (típicamente alrededor de la temperatura de saturación del aire líquido a presión cercana al ambiente; por ejemplo -170° C) de una manera controlada para evitar el choque térmico. La bomba se enfría admitiendo un flujo controlado de aire líquido en la bomba. A medida que se enfría la bomba, se produce gas de ebullición a partir del aire líquido que puede o transportarse de vuelta al espacio superior del tanque de almacenamiento criogénico, o ventilarse a la atmósfera. La cantidad de aire líquido consumido en este proceso es pequeña.
Los pasos 2 a 4 pueden llevar entre 2 y 5 minutos debido a la inercia en el aparato de recuperación de energía y los ejes de la máquina eléctrica y el tiempo requerido para lograr la velocidad sincrónica con la precisión requerida. Esto puede lograrse:
• Controlando la velocidad de la bomba criogénica; o,
• Haciendo funcionar la bomba criogénica a baja velocidad y controlando el flujo a través de por lo menos una etapa de expansión usando medios de control de flujo como álabes de guía de entrada o una válvula de control; o,
• Usando la presión en el espacio superior del tanque criogénico para suministrar el criógeno y controlando el flujo a través de por lo menos una etapa de expansión usando medios de control de flujo.
El paso 5 generalmente lleva varias decenas de segundos, correspondientes al tiempo requerido para hacer girar la bomba criogénica a su velocidad de funcionamiento requerida.
Esta descripción describe el funcionamiento de un sistema que usa una máquina eléctrica que actúa como un generador sincrónico, en donde el generador funciona a velocidad sincrónica. La invención también es aplicable a generadores asíncronos, que funcionan a una velocidad ligeramente superior a la velocidad sincrónica con la red. Los generadores asíncronos también pueden funcionar como motores a una velocidad ligeramente inferior a la velocidad sincrónica. Un experto en la técnica reconocerá que la invención ofrece las mismas ventajas al reducir el tiempo requerido para alcanzar la velocidad de funcionamiento.
Los presentes inventores se han dado cuenta de que, a diferencia de los sistemas de generación de energía termodinámica tradicionales, el proceso LAES puede configurarse para permitir que se realicen los pasos 2 a 4 en anticipación de la recuperación de energía permitiendo que el sistema funcione durante períodos prolongados sin exportar energía a la red y sin consumo de cantidades significativas de fluido de trabajo de criógeno, y la pérdida de la energía incorporada en él. Además, la disponibilidad de aire líquido en los tanques de almacenamiento criogénico mientras la planta de LAES está en un estado motorizado pero cargado (el tanque de almacenamiento criogénico está lleno de criógeno) significa que el paso 1 también puede realizarse en anticipación de la recuperación de energía. Una vez que la bomba criogénica se enfría a la temperatura de funcionamiento, siempre que esté bien aislada, el consumo de aire líquido para mantener esa temperatura es muy bajo; por lo tanto, La bomba criogénica se puede mantener en estado enfriado durante períodos de tiempo prolongados. Esto permite que la bomba se mantenga en un estado enfriado y, por lo tanto, hace que valga la pena, eliminando el tiempo requerido para los pasos 2 a 4 en respuesta a una señal para generar energía.
Por consiguiente, el sistema 10 de la Figura 1 puede funcionar en modo motorizado o en modo de recuperación de energía.
En el modo motorizado, la máquina eléctrica 600 está sincronizada y acoplada electromagnéticamente con la red eléctrica y la bomba criogénica 200 se detiene pero se mantiene en estado refrigerado. En otras palabras, el sistema 10 se ha movido a través de los pasos 1 a 4 de la secuencia de arranque descrita anteriormente, pero la bomba criogénica 200 ha sido, o ha permanecido, detenida (dependiendo del método mencionado anteriormente para lograr la sincronización). Como la bomba criogénica 200 no mantiene diferencial de presión a través de las etapas de expansión 501, 502, 503, 504, el aparato de recuperación de energía (por ejemplo, turboexpansor) no está produciendo trabajo. A medida que la máquina eléctrica 600 se sincroniza con la red, funciona como un motor y gira el eje de transmisión 360 del aparato de recuperación de energía 350. La energía requerida para hacer girar el eje de transmisión 360 y accionar el aparato de recuperación de energía 350 se corresponde solo a la energía disipada como fricción en los cojinetes y/o caja de engranajes del aparato de recuperación de energía 350 y la fricción aerodinámica (en lo sucesivo, fricción), y es pequeña en relación con la salida de energía del aparato de recuperación de energía en modo de recuperación de energía. Se requiere una pequeña carga adicional para hacer circular el aceite lubricante en los cojinetes del aparato de recuperación de energía 350. La carga total para hacer girar el eje de transmisión representa típicamente menos del 1-3% de la potencia nominal del sistema.
Para pasar del modo inactivo (donde el aparato de recuperación de energía 350 y la máquina eléctrica 600 son estacionarios) al modo motorizado, los pasos 1 a 4 se llevan a cabo normalmente. Se usa una pequeña cantidad de criógeno para sincronizar la máquina eléctrica 600 con la red.
Cuando se alcanza el paso 4, el flujo de criógeno a través del aparato de recuperación de energía 350 se baja y el aparato de recuperación de energía 350 continúa funcionando a una velocidad sincrónica accionada por la máquina eléctrica motorizada 600.
Para pasar del modo motorizado al modo de recuperación de energía, se inicia la bomba criogénica 200, elevando la presión y el flujo de criógeno para que el aparato de recuperación de energía 350 se cargue y comience a producir trabajo. A medida que el trabajo producido por el aparato de recuperación de energía 350 excede la energía requerida para girar el eje de salida 360, la máquina eléctrica 600 comienza a exportar energía a la red, operando como un generador. Una vez enfriada, la bomba criogénica 200 es capaz de girar a la velocidad nominal en un intervalo de tiempo comprendido entre unos pocos segundos y un minuto, dependiendo de su tipo. Por lo tanto, el tiempo requerido para la transición del modo motorizado a un punto de ajuste de energía en el modo de recuperación de energía puede ser tan pequeño como de unos pocos segundos.
Por lo tanto, el sistema 10 es capaz de reaccionar a una señal de inicio, por ejemplo, de un operador de red o de un operador de planta, en tan solo unos segundos, dependiendo de la bomba criogénica empleada. Esto representa una mejora significativa sobre el estado de la técnica.
Con referencia a la Fig. 1, en modo motorizado, las válvulas 111 y 112 están cerradas para aislar las etapas de expansión 501, 502, 503, 504 y los intercambiadores de calor 401, 402, 403, 404 de la bomba criogénica 200 y el evaporador 300 y para evitar que cualquier aire de la atmósfera cargado de humedad entre en contacto con el aparato de recuperación de energía 350. La válvula 110 está abierta para que el aire líquido sea admitido en la bomba criogénica 200 y el gas de ebullición en la bomba 200 sea transportado al espacio superior del tanque criogénico 100. La bomba criogénica 200 se mantiene en estado frío cerca de su temperatura de funcionamiento y se permite que las etapas de expansión 501, 502, 503, 504 giren, accionadas por la máquina eléctrica de motorización 600, que está sincronizada y acoplada a la red.
La potencia disipada en los cojinetes del aparato de recuperación de energía 350 y la fricción aerodinámica es en forma de calor. Aunque pequeño, con el tiempo esto hará que la temperatura del aparato de recuperación de energía 350 aumente. Esto es útil para mantener el aparato de recuperación de energía 350 en un estado cálido para reducir el choque térmico en los componentes al pasar al modo de recuperación de energía desde el modo motorizado. Sin embargo, puede hacer que la temperatura se eleve por encima de la temperatura de funcionamiento máxima del aparato de recuperación de energía 350. Se evita que la temperatura suba por encima de la temperatura de funcionamiento máxima del aparato de recuperación de energía 350 introduciendo un pequeño flujo de gas frío (por ejemplo, gas de ebullición) a través de la válvula 115, que está en comunicación con el espacio superior del tanque criogénico 100. La válvula 116 permite que se libere el gas que es desplazado por el gas frío introducido a través de la válvula 115. La válvula 116 puede ser una válvula de control para mantener una temperatura deseada en la parte del sistema que comprende los cuatro intercambiadores de calor 401, 402, 403, 404 y el aparato de recuperación de energía 350: la temperatura debe ser lo suficientemente alta como para evitar el choque térmico (cuando se cambia del modo de recuperación de energía al modo motorizado) y lo suficientemente baja como para evitar la degradación física del equipo. La presión dentro de la parte del sistema que comprende los cuatro intercambiadores de calor 401, 402, 403, 404 debe mantenerse a una presión ambiental superior para ayudar a evitar la entrada de humedad en la parte del sistema. La válvula 115 puede ser una válvula de control para mantener una presión deseada dentro del aparato de recuperación de energía 350. Las válvulas 115 y 116 pueden funcionar juntas para mantener el aparato de recuperación de energía 350 dentro de un intervalo de temperatura y/o presión deseado.
Cuando se recibe una señal de recuperación de energía, ya sea del operador de la planta o remotamente, se abren las válvulas 111 y 112, se cierran las válvulas 115 y 116 y se inicia la bomba criogénica 200. El sistema ahora está en modo de recuperación de energía. La presión de descarga de la bomba criogénica 200 se controla para lograr la salida de energía requerida. A medida que el aparato de recuperación de energía 350 se carga con gas de trabajo a alta presión, la energía aumenta y la máquina eléctrica 600 pasa de motorización a generación (es decir, de importar a exportar energía). El tiempo requerido para arrancar la bomba 200 y alcanzar un punto de ajuste de energía está determinado por la pendiente de rampa de la bomba 200. Típicamente, la pendiente de la bomba nominal puede lograrse en tan poco como unos pocos segundos, dependiendo del tipo de bomba criogénica. Por lo tanto, el tiempo necesario para pasar del modo motorizado, donde el sistema 10 está consumiendo una cantidad muy pequeña de electricidad de la red y una cantidad muy pequeña de aire líquido del tanque de almacenamiento 100, al modo de recuperación de energía, donde el sistema 10 está produciendo electricidad para la red, puede ser tan poco como unos pocos segundos.
Una ventaja adicional puede derivarse de operar el sistema 10 en modo motorizado, ya que la máquina eléctrica, incluso funcionando como un motor, puede controlarse para absorber o suministrar energía reactiva mediante el ajuste de la excitación del bobinado de campo, de manera similar a un condensador sincrónico. Esto puede usarse para contribuir al control del voltaje local en la red. Además, el giro del aparato de recuperación de energía 350 y los ejes de la máquina eléctrica 600 contribuye con la inercia a la red, que contribuye a la amortiguación de las desviaciones de frecuencia en la forma de onda eléctrica.
Algunos elementos del equipo son sensibles al choque térmico. El experto en la técnica entenderá que esto significa un cambio rápido de temperatura que induce una rápida expansión o contracción que da como resultado una distorsión del material del componente, lo que puede contribuir a la fatiga del componente y problemas con la interacción no intencional temporal de diferentes componentes. Por lo tanto, es necesario en algunos casos limitar la tasa de cambio de temperatura en ciertos elementos del equipo para reducir el choque térmico. La Figura 2 muestra un sistema 20 que logra esto.
El sistema 20 es idéntico al sistema 10, y funciona como se ha descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1, excepto que se proporciona una conexión adicional entre la tubería en sentido descendente del evaporador 2300 y el espacio superior del tanque. El sistema 20 comprende un tanque de almacenamiento criogénico 2100 para almacenar criógeno, una bomba criogénica 2200 en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico 2100 para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico 2100 a alta presión, un evaporador 2300 en comunicación fluida con la bomba 2200 para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba 2200 para formar un gas a alta presión, un aparato de recuperación de energía 2350 que comprende un eje de transmisión 2360 para transmitir energía mecánica, y una máquina eléctrica 2600 acoplada mecánicamente al eje de transmisión 2360 del aparato de recuperación de energía 2350 para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía 2350 en energía eléctrica. La máquina eléctrica 2600 está configurada para acoplarse a una red eléctrica externa a través de un interruptor eléctrico 2700, y está construida, y provista con el sistema de control necesario, como se conoce en la técnica, para permitirla funcionar o como un motor o como un generador, importando o exportando energía de la red respectivamente.
Al igual que el sistema 10, el sistema 20 funciona en un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía 2350 es accionado por y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador 2300, y un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía 2350 es accionado por un medio de accionamiento distinto del gas a alta presión suministrado por el evaporador 2300. La bomba 2200 no suministra criógeno a alta presión cuando el sistema está en su modo motorizado, y el sistema 20 se puede conmutar de su modo motorizado a su modo de recuperación de energía introduciendo un suministro de criógeno a alta presión desde la bomba 2200, como se ha descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1.
El aparato de recuperación de energía 2350 comprende cuatro intercambiadores de calor 2401, 2402, 2403 y 2404, y un turboexpansor que comprende cuatro etapas de expansión 2501, 2502, 2503 y 2504. El sistema 20 también comprende una pila de escape 2800 en comunicación fluida con el aparato de recuperación de energía, y las válvulas 2110, 2111, 2112, 2115 y 2116.
El evaporador 2300 puede diseñarse para resistir el choque térmico a medida que se le suministra el criógeno frío y se calienta hasta cerca de la temperatura ambiente. Sin embargo, puede ser preferible, por ejemplo, para reducir el costo del sistema 20, usar un evaporador que no pueda soportar choques térmicos rápidos, y mantenerlo a temperatura fría de la misma manera que la bomba criogénica 2200. En el sistema 20 conmutado en modo motorizado, se puede permitir un poco de criógeno a baja presión a través de la bomba criogénica estática 2200 al evaporador 2300 para mantener a ambos en un estado enfriado. La ebullición producida a medida que se enfría el evaporador 2300, y mediante la entrada de calor en el evaporador 2300, se transporta de vuelta al espacio superior del tanque 2100 (alternativamente, puede expulsarse a la atmósfera).
En la Figura 3 se muestra un tercer sistema 30. Es idéntico al sistema 10 y funciona como se ha descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1 y la Fig. 2, excepto que se proporciona una conexión adicional entre la descarga de la etapa de expansión 3504 y la entrada del intercambiador de calor 3401 a través de una válvula de derivación 3113.
El sistema 30 comprende un tanque de almacenamiento criogénico 3100 para almacenar criógeno, una bomba criogénica 3200 en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico 3100 para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico 3100 a alta presión, un evaporador 3300 en comunicación fluida con la bomba 3200 para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba 3200 para formar un gas a alta presión, un aparato de recuperación de energía 3350 que comprende un eje de transmisión 3360 para transmitir energía mecánica, y una máquina eléctrica 3600 acoplada mecánicamente al eje de transmisión 3360 del aparato de recuperación de energía 3350 para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía 3350 en energía eléctrica. La máquina eléctrica 3600 está configurada para acoplarse a una red eléctrica externa a través de un interruptor eléctrico 3700, y está construida, y provista con el sistema de control necesario, como se conoce en la técnica, para permitirle funcionar o como un motor o como un generador, importando o exportando energía de la red respectivamente.
Al igual que los sistemas 10 y 20, el sistema 30 funciona en un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía 3350 es accionado por y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador 3300, y un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía 3350 es accionado por un medio de accionamiento distinto del gas a alta presión suministrado por el evaporador 3300. La bomba 3200 no suministra criógeno a alta presión cuando el sistema está en su modo motorizado, y el sistema 30 se puede cambiar de su modo motorizado a su modo de recuperación de energía mediante la introducción de un suministro de criógeno a alta presión desde la bomba 3200, como se ha descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1.
El aparato de recuperación de energía 3350 comprende cuatro intercambiadores de calor 3401, 3402, 3403 y 3404, y un expansor (por ejemplo, un turboexpansor o una turbina) que comprende cuatro etapas de expansión 3501, 3502, 3503 y 3504. El sistema 30 también comprende una pila de escape 3800 en comunicación fluida con el aparato de recuperación de energía y las válvulas 3110, 3111, 3112, 3113, 3115 y 3116.
Durante el funcionamiento normal (modo de recuperación de energía), el sistema 30 funciona de manera idéntica al sistema 10 y la válvula 3113 está cerrada.
En modo motorizado, el sistema 30 funciona de manera idéntica al primer sistema 10 y la válvula de derivación 3113 está abierta y se suministra calor a por lo menos uno de los intercambiadores de calor 3401 a 3404, por ejemplo a una temperatura comprendida entre 80 y 300° C. El diferencial de presión provocado por la rotación del aparato de recuperación de energía 3350 provoca un pequeño flujo de recirculación a través de la conexión de derivación. El calor disipado en los cojinetes y en el aparato de recuperación de energía 3350 debido a la fricción aerodinámica se transfiere al flujo de recirculación alrededor del circuito de derivación.
Cuando se recibe una señal de recuperación de energía, ya sea del operador de la planta o de manera remota, se abren las válvulas 3111 y 3112, se cierran las válvulas 3115 y 3116 y la válvula de derivación 3113 y se inicia la bomba criogénica 3200. El sistema 30 está ahora en el modo de recuperación de energía.
Este sistema 30 ofrece la ventaja particular de mantener todos los componentes en el circuito de derivación en un estado calentado. De nuevo, la temperatura puede controlarse introduciendo gas frío a través de la válvula 3115.
Como la energía disipada en el aparato de recuperación de energía durante el modo motorizado es baja, puede llevar un tiempo alcanzar la temperatura de funcionamiento deseada. El tiempo necesario puede reducirse introduciendo calor en por lo menos uno de los intercambiadores de calor hasta alcanzar la temperatura requerida. Alternativamente, si la tasa de disipación de calor del aparato de recuperación de energía no es suficiente, puede proporcionarse calor continuamente en el intercambiador de calor durante el modo motorizado.
El calor proporcionado puede ser de la misma fuente de calor residual que se usa para recalentar en el modo de recuperación de energía. Si esa fuente de calor residual no está continuamente disponible, puede usarse un almacén térmico para almacenar el calor cuando esté disponible y suministrar calor al circuito derivado cuando la fuente de calor residual no esté disponible. El almacén térmico puede usarse para suministrar calor durante la recuperación de energía, o puede ser un pequeño almacén térmico con suficiente capacidad para suministrar calor al sistema solo durante el modo motorizado.
En un sistema LAES completo (incluyendo los sistemas que usan nitrógeno líquido), los sistemas de recuperación de energía que se muestran en las Figs. 1 a 3 pueden formar parte de un sistema LAES más grande que también comprende un licuador de aire para suministrar aire líquido al tanque criogénico. El experto en la técnica reconocerá que el sistema de recuperación de energía puede funcionar en modo motorizado independientemente del funcionamiento del licuador de aire, ya que no interactúa con la fuente de criógeno en el tanque.
En la Fig. 4 se muestra un cuarto sistema 40. Es idéntico al sistema 30, excepto que también está provisto con una conexión adicional entre el tanque criogénico 4100 y la bomba criogénica 4200 a través de la válvula 4114.
El sistema 40 comprende un tanque de almacenamiento criogénico 4100 para almacenar criógeno, una bomba criogénica 4200 en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico 4100 para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico 4100 a una presión alta, un evaporador 4300 en comunicación fluida con la bomba 4200 para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba 4200 para formar un gas a alta presión, un aparato de recuperación de energía 4350 que comprende un eje de transmisión 4360 para transmitir energía mecánica, y una máquina eléctrica 4600 acoplada mecánicamente al eje de transmisión 4360 del aparato de recuperación de energía 4350 para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía 4350 en energía eléctrica. La máquina eléctrica 4600 está configurada para acoplarse a una red eléctrica externa a través de un interruptor eléctrico 4700, y está construida, y provista con el sistema de control necesario, como se conoce en la técnica, para permitirle funcionar o como un motor o como un generador, importando o exportando energía de la red respectivamente.
Al igual que los sistemas 10, 20 y 30, el sistema 40 funciona en un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía 4350 es accionado por y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador 4300, y un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía 4350 es accionado por un medio de accionamiento distinto del gas a alta presión suministrado por el evaporador 4300. La bomba 4200 no suministra criógeno a alta presión cuando el sistema está en su modo motorizado, y el sistema 40 puede conmutarse desde su modo motorizado a su modo de recuperación de energía introduciendo un suministro de criógeno a alta presión desde la bomba 4200, como se ha descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1.
El aparato de recuperación de energía 4350 comprende cuatro intercambiadores de calor 4401, 4402, 4403 y 4404, y un turboexpansor que comprende cuatro etapas de expansión 4501, 4502, 4503 y 4504. El sistema 40 también comprende una pila de escape 4800 en comunicación fluida con el aparato de recuperación de energía, y las válvulas 4110, 4111, 4112, 4113, 4114, 4115 y 4116.
Durante el enfriamiento de la bomba y durante el modo motorizado, la válvula de aislamiento 4110 permanece cerrada y se admite aire líquido en la bomba 4200 a través de la válvula 4114. Esto permite que se use una tubería de menor diámetro, que puede limitar el flujo. Además, si se requiere un control exacto del flujo, puede usarse una válvula de control pequeña 4114, y la válvula de diámetro grande 4110 puede ser una válvula de aislamiento más simple sin control de posición exacta. Esto puede reducir los costes.
Se pretende que la cuarta realización muestre un método alternativo para mantener la bomba en el estado enfriado. Un experto en la técnica comprenderá que otras disposiciones adecuadas que usan el principio expuesto en la Fig. 4 también pueden lograr esto.
La Fig. 5 muestra un quinto sistema 50 que es el mismo que el sistema 40 pero con la adición de un motor adicional 5900, como un pequeño motor eléctrico, conectado a las cuatro etapas de expansión a través de un eje.
El sistema 50 comprende un tanque de almacenamiento criogénico 5100 para almacenar criógeno, una bomba criogénica 5200 en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico 5100 para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico 5100 a alta presión, un evaporador 5300 en comunicación fluida con la bomba 5200 para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba 5200 para formar un gas a alta presión, un aparato de recuperación de energía 5350 que comprende un eje de transmisión 5360 para transmitir energía mecánica, y una máquina eléctrica 5600 acoplada mecánicamente al eje de transmisión 5360 del aparato de recuperación de energía 5350 para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía 5350 en energía eléctrica. La máquina eléctrica 5600 está configurada para acoplarse a una red eléctrica externa a través de un interruptor eléctrico 5700, y está construida, y provista con el sistema de control necesario, como se conoce en la técnica, para permitirle funcionar o como un motor o como un generador, importando o exportando energía de la red respectivamente.
Al igual que los sistemas 10, 20, 30 y 40, el sistema 50 puede funcionar en un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía 5350 es accionado por y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador 5300, y un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía 5350 es accionado por un medio de accionamiento distinto del gas a alta presión suministrado por el evaporador 5300. La bomba 5200 no suministra criógeno a alta presión cuando el sistema está en su modo motorizado, y el sistema 50 puede conmutarse desde su modo motorizado a su modo de recuperación de energía introduciendo un suministro de criógeno a alta presión desde la bomba 5200, como se ha descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1.
El aparato de recuperación de energía 5350 comprende cuatro intercambiadores de calor 5401, 5402, 5403 y 5404, y un turboexpansor que comprende cuatro etapas de expansión 5501, 5502, 5503 y 5504. El sistema 50 también comprende una pila de escape 5800 en comunicación fluida con el aparato de recuperación de energía, y las válvulas 5110, 5111, 5112, 5113, 5114, 5115 y 5116.
En el modo motorizado, el pequeño motor eléctrico 5900 hace girar las cuatro etapas de expansión 5501, 5502, 5503, 5504 del aparato de recuperación de energía 5350 y la máquina eléctrica 5600 hasta que alcanzan su velocidad sincrónica y la máquina eléctrica 5600 está acoplada a la red. Posteriormente, el pequeño motor eléctrico 5900 transfiere la responsabilidad de accionar las cuatro etapas de expansión 5501, 5502, 5503, 5504 del aparato de recuperación de energía 5350 a la máquina eléctrica 5600.
La pequeña cantidad de energía requerida para alimentar el pequeño motor eléctrico 5900 puede ser preferible a la pequeña cantidad de criógeno requerida para llevar el aparato de recuperación de energía 5350 y la máquina eléctrica 5600 a sus velocidades sincrónicas en los sistemas 10, 20, 30, 40.
La Fig. 6 muestra un sexto sistema 60 que es el mismo que el sistema 50, excepto que no se proporciona conexión entre el espacio superior del tanque criogénico 6100 y el intercambiador de calor 6401 a través de la válvula 5115. En cambio, se permite que fluya una pequeña cantidad de gas frío de la bomba a través de la válvula 6111 hacia las cuatro etapas de expansión.
El sistema 60 comprende un tanque de almacenamiento criogénico 6100 para almacenar criógeno, una bomba criogénica 6200 en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico 6100 para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico 6100 a alta presión, un evaporador 6300 en comunicación fluida con la bomba 6200 para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba 6200 para formar un gas a alta presión, un aparato de recuperación de energía 6350 que comprende un eje de transmisión 6360 para transmitir energía mecánica, y una máquina eléctrica 6600 acoplada mecánicamente al eje de transmisión 6360 del aparato de recuperación de energía 6350 para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía 6350 en energía eléctrica. La máquina eléctrica 6600 está configurada para acoplarse a una red eléctrica externa a través de un interruptor eléctrico 6700, y está construida, y provista con el sistema de control necesario, como se conoce en la técnica, para permitirle funcionar o como un motor o como un generador, importando o exportando energía de la red respectivamente.
Al igual que los sistemas 10, 20, 30, 40 y 50, el sistema 60 puede funcionar en un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía 6350 es accionado por y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador 6300, y un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía 6350 es accionado por un medio de accionamiento distinto del gas a alta presión suministrado por el evaporador 6300. La bomba 6200 no suministra criógeno a alta presión cuando el sistema está en su modo motorizado, y el sistema 60 puede conmutarse de su modo motorizado a su modo de recuperación de energía introduciendo un suministro de criógeno a alta presión desde la bomba 6200, como se ha descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1.
El aparato de recuperación de energía 6350 comprende cuatro intercambiadores de calor 6401, 6402, 6403 y 6404, y un turboexpansor que comprende cuatro etapas de expansión 6501, 6502, 6503 y 6504. El sistema 60 también comprende una pila de escape 6800 en comunicación fluida con el aparato de recuperación de energía, y las válvulas 6110, 6111, 6112, 6113, 6114 y 6116.
La disposición mostrada en la Fig. 6 elimina la válvula 5115 (en comparación con la Fig. 5), que podría fallar durante el modo de recuperación de energía, exponiendo el tanque criogénico 6100 a la alta presión producida por la bomba criogénica 6200.
Los términos "alta presión" y "baja presión" se entienden bien en la técnica, y el experto en la técnica comprenderá lo que se entiende por estos términos en el contexto de la presente invención. Por ejemplo, el gas a alta presión puede ser gas que se usa para accionar el aparato de recuperación de energía cuando el sistema está en su modo de recuperación de energía. El gas a baja presión (y/o el criógeno a baja presión) puede ser gas (y/o criógeno) que se usa con propósitos distintos al accionamiento del aparato de recuperación de energía, por ejemplo, para enfriar componentes, como el evaporador y/o la bomba y/o el aparato de recuperación de energía, cuando el sistema está en modo motorizado.
Como se ha mencionado anteriormente, el paso 5 (encendido del aparato de recuperación de energía 350 para aumentar la energía exportada a la red al valor requerido) típicamente lleva varias decenas de segundos, correspondientes al tiempo requerido para hacer girar la bomba criogénica a su velocidad de funcionamiento requerida para que el aparato de recuperación de energía suministre el nivel de energía eléctrica requerido por el operador de la red a la red eléctrica externa.
Los presentes inventores han descubierto además una manera elegante de eliminar el paso 5 del tiempo de respuesta para poder exportar instantáneamente energía en respuesta a las órdenes del operador de la red. Para hacerlo, un subsistema de batería eléctrica 80 puede integrarse dentro de cualquiera de los sistemas 10, 20, 30, 40, 50 o 60.
La Figura 7 representa la integración del subsistema de batería eléctrica 80 dentro del sistema 10. De la misma manera, el subsistema de batería eléctrica 80 podría integrarse dentro del sistema 20, 30, 40, 50 o 60. En aras de la claridad, parte de el sistema 10 se representa en la figura 7. El interruptor eléctrico que se muestra en las figuras 1 a 6 y que se usa para acoplar eléctricamente el generador eléctrico a la red eléctrica externa es referido como el primer interruptor eléctrico. El subsistema de batería eléctrica 80 comprende una batería 8920 acoplada eléctricamente a través de un inversor 8910 (es decir, un rectificador) y un interruptor 8900 a la red eléctrica.
Debe recordarse que los terminales del generador eléctrico 600 se acoplan a la red eléctrica a través del interruptor 700.
Durante cualquiera del modo inactivo o motorizado, la batería 8920 puede cargarse bajo el control del inversor 8910. En modo inactivo, el interruptor 700 está abierto y el generador eléctrico 600 no está acoplado a la red eléctrica. En el modo motorizado, el generador eléctrico 600 está acoplado sincrónicamente a la red eléctrica a través del interruptor 700, que está cerrado.
Una vez que la batería 8920 está suficientemente cargada, el interruptor 8900 puede o permanecer cerrado (ya que la carga es controlada por el inversor) o abrirse. El interruptor 8900 típicamente permanecerá cerrado para permitir que el inversor controle rápidamente la carga y descarga de la batería, y habitualmente se abrirá para mantenimiento, como se conoce en la técnica.
Cuando está en modo motorizado y se recibe una señal para exportar energía, el sistema 10 pasa al modo de recuperación de energía. La bomba criogénica 200 aumenta a plena potencia y el generador exporta energía eléctrica a la red eléctrica (paso 5). Simultáneamente, el inversor 8910 controla la batería 8920 para que se descargue instantáneamente. El inversor 8910 controla la energía exportada por la batería 8920 de tal manera que la energía total exportada por la red eléctrica alcanza el punto de ajuste requerido. A medida que la bomba criogénica 200 aumenta al punto de ajuste requerido, la energía exportada por la batería se reduce de tal manera que se mantiene el punto de ajuste.
Una persona experta en la técnica reconocerá que para alcanzar instantáneamente un punto de ajuste tan alto como la salida máxima del generador, la batería debe dimensionarse con la misma potencia nominal que el generador.
Una ventaja del subsistema de batería eléctrica 80 es que el sistema puede responder a las señales de exportación de energía a una velocidad casi instantánea de una batería; sin embargo, se mantienen las ventajas del sistema criogénico. La batería solo necesita ser relativamente pequeña, ya que solo se requiere que funcione durante el corto período requerido para aumentar la bomba criogénica.
La presente invención se ha descrito con anterioridad en forma de ejemplo con referencia a los dibujos acompañantes, que representan cada uno una única realización de la invención. Se entenderá que existen muchas realizaciones diferentes de la invención, y que todas estas realizaciones caen dentro del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones siguientes.

Claims (26)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema (10) que comprende:
un tanque de almacenamiento criogénico (100) para almacenar criógeno;
una bomba (200) en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico a alta presión;
un evaporador (300) en comunicación fluida con la bomba para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba para formar un gas a alta presión;
un aparato de recuperación de energía (350) que comprende un eje de transmisión (360) para transmitir energía mecánica; y
una máquina eléctrica (600) acoplada mecánicamente al eje de transmisión del aparato de recuperación de energía para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía en energía eléctrica,
en donde el sistema puede funcionar en:
un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía es accionado por y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador; y
un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía es accionado por la máquina eléctrica o por un motor eléctrico (5900).
2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el sistema puede conmutarse entre su modo motorizado y su modo de recuperación de energía.
3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la bomba no suministra criógeno a alta presión al evaporador cuando el sistema está en su modo motorizado.
4. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema puede conmutarse desde su modo motorizado a su modo de recuperación de energía introduciendo un suministro de criógeno a alta presión desde la bomba al evaporador.
5. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la máquina eléctrica está configurada para funcionar como un generador y convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía en energía eléctrica cuando el sistema está en su modo de recuperación de energía.
6. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la máquina eléctrica está configurada para funcionar como un motor cuando el sistema está en su modo motorizado.
7. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además por lo menos una válvula (111, 112) configurada para aislar el aparato de recuperación de energía de la bomba y/o el evaporador cuando el sistema está en su modo motorizado.
8. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la máquina eléctrica está configurada para acoplarse a una red eléctrica externa, y opcionalmente en el que la máquina eléctrica está configurada para suministrar energía eléctrica a la red eléctrica externa cuando el sistema está en su modo de recuperación de energía.
9. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la máquina eléctrica está configurada para extraer energía de la red eléctrica externa para accionar el aparato de recuperación de energía cuando el sistema está en su modo motorizado.
10. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, que comprende además un interruptor eléctrico (700) para acoplar y/o desacoplar la máquina eléctrica a/de la red eléctrica.
11. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el aparato de recuperación de energía se acciona a una primera velocidad predeterminada cuando el sistema está en su modo motorizado, y opcionalmente en el que el aparato de recuperación de energía se acciona a una segunda velocidad predeterminada cuando el sistema está en su modo de recuperación de energía, y además opcionalmente en el que la primera velocidad predeterminada es la misma que la segunda velocidad predeterminada.
12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en el que la primera velocidad predeterminada y/o la segunda velocidad predeterminada es una velocidad requerida para que la máquina eléctrica se sincronice con la red eléctrica.
13. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un primer medio de enfriamiento para enfriar la bomba, y opcionalmente en el que la bomba está localizada dentro del tanque de almacenamiento criogénico para permitir que la bomba sea enfriada por el criógeno dentro del tanque de almacenamiento criogénico, y además opcionalmente en el que el primer medio de enfriamiento comprende criógeno dentro del tanque de almacenamiento criogénico.
14. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 13, en el que el primer medio de enfriamiento comprende un primer conducto para transportar criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico a la bomba.
15. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 14, que comprende además un segundo medio de enfriamiento para enfriar el aparato de recuperación de energía, y opcionalmente en donde el segundo medio de enfriamiento comprende un segundo conducto para transportar criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico al aparato de recuperación de energía.
16. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el aparato de recuperación de energía comprende uno o una pluralidad de turboexpansores, y opcionalmente en el que cada turboexpansor comprende una o más etapas de expansión, y además opcionalmente en el que el aparato de recuperación de energía comprende una o más ruedas de expansión.
17. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 16, en el que uno o más turboexpansores tienen todos sus etapas de expansión conectadas al eje de transmisión.
18. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16 a 17, en el que cada etapa de expansión está conectada al eje de transmisión.
19. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un intercambiador de calor configurado para transferir energía térmica caliente al gas antes de que el gas se expanda en el aparato de recuperación de energía.
20. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, que comprende uno o más intercambiadores de calor configurados para transferir energía térmica caliente al gas antes de que el gas se expanda en uno o más turboexpansores o en una o más etapas de expansión, y opcionalmente en donde la energía térmica caliente se transfiere al gas mediante un intercambiador de calor antes de que el gas se expanda en cada etapa de expansión.
21. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, que comprende además un conducto de derivación entre una salida de una etapa de expansión en sentido descendente y un intercambiador de calor en sentido ascendente o una etapa de expansión para permitir el flujo de gas frío o caliente desde la etapa de expansión en sentido descendente al intercambiador de calor o la etapa de expansión en sentido ascendente, y opcionalmente en donde el conducto de derivación está configurado para funcionar solo cuando el sistema está en su modo motorizado, y además opcionalmente en donde el conducto de derivación comprende una válvula de derivación para controlar el flujo de gas a través del conducto de derivación.
22. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema puede conmutarse entre un modo inactivo y el modo motorizado, y opcionalmente en donde el aparato de recuperación de energía no se acciona cuando el sistema está en su modo inactivo, y opcionalmente en donde la máquina eléctrica no está acoplada a la red eléctrica cuando el sistema está en modo inactivo, y opcionalmente en donde el evaporador no suministra gas a alta presión al aparato de recuperación de energía cuando el sistema está en modo inactivo, y opcionalmente en donde el motor eléctrico está apagado cuando el sistema está en modo inactivo.
23. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el criógeno comprende aire líquido o nitrógeno líquido.
24. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un escape en comunicación fluida con el aparato de recuperación de energía.
25. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para transportar criógeno a baja presión desde el tanque de almacenamiento criogénico a través de la bomba hasta el evaporador cuando el sistema está en su modo motorizado para mantener la bomba y el evaporador en un estado enfriado.
26. Un método que comprende:
proporcionar un tanque de almacenamiento criogénico para almacenar criógeno;
proporcionar una bomba en comunicación fluida con el tanque de almacenamiento criogénico para bombear criógeno desde el tanque de almacenamiento criogénico a alta presión;
proporcionar un evaporador en comunicación fluida con la bomba para evaporar el criógeno a alta presión de la bomba para formar un gas a alta presión;
proporcionar un aparato de recuperación de energía que comprende un eje de transmisión para transmitir energía mecánica;
proporcionar una máquina eléctrica acoplada mecánicamente al eje de transmisión del aparato de recuperación de energía para convertir la energía mecánica recuperada por el aparato de recuperación de energía en energía eléctrica, y seleccionar uno de:
un modo de recuperación de energía en el que el aparato de recuperación de energía es accionado por y recupera energía mecánica del gas a alta presión suministrado por el evaporador; y
un modo motorizado en el que el aparato de recuperación de energía es accionado por una máquina eléctrica o un motor eléctrico.
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