ES2981094T3 - Un aparato de almacenamiento térmico para un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido - Google Patents

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Cameron Lewis
Davin Young
Andrew Mcgillis
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Abstract

Un subsistema de almacenamiento térmico puede incluir al menos un primer depósito de almacenamiento dispuesto al menos parcialmente bajo tierra configurado para contener un líquido de almacenamiento térmico a una presión de almacenamiento que es mayor que la presión atmosférica. Un paso de líquido puede tener una entrada que se puede conectar a una fuente de líquido de almacenamiento térmico y que está configurado para transportar el líquido de almacenamiento térmico al depósito de líquido. Se puede proporcionar un primer intercambiador de calor en el paso de entrada de líquido y puede estar en comunicación fluida entre la primera etapa de compresión y el acumulador, por lo que se puede transferir energía térmica desde una corriente de gas comprimido que sale de un subsistema de compresor/expansor de gas al líquido de almacenamiento térmico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Un aparato de almacenamiento térmico para un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido
Campo de la divulgación
La presente divulgación se refiere generalmente al almacenamiento de energía de gas comprimido y, más particularmente, a un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido tal como, por ejemplo, uno que incluye un acumulador de almacenamiento de energía de aire comprimido sustancialmente isobárico, hidrostáticamente compensado, ubicado bajo tierra, el uso del mismo, así como un método de almacenamiento de gas comprimido. La presente divulgación también se refiere generalmente a un sistema y método para proporcionar un sistema para mantener un fluido calentado, tal como agua, en un estado líquido y a una presión que permite que el fluido acepte más calor para almacenar y liberar de lo que sería práctico en condiciones atmosféricas.
Antecedentes
El almacenamiento de electricidad es muy buscado, en vista de las disparidades de costes en las que se incurre cuando se consume energía eléctrica de una red eléctrica durante los períodos pico de uso, en comparación con los períodos de uso bajo. La adición de fuentes de energía renovables, que son inherentemente de naturaleza de suministro discontinuo o intermitente, aumenta la demanda de almacenamiento de energía eléctrica asequible en todo el mundo.
Por tanto, existe la necesidad de almacenar eficazmente la energía eléctrica producida en una red eléctrica o una fuente renovable durante un período no pico y proporcionarla a la red según la demanda. De manera adicional, en la medida en que se minimizan los costes de preparación de infraestructura y el impacto ambiental de implementar una infraestructura de este tipo, se mejora la utilidad y conveniencia de una solución dada.
De manera adicional, a medida que las redes se transforman y los operadores buscan almacenamiento además de las energías renovables para proporcionar potencia y eliminar las formas tradicionales de generación que también proporcionan estabilidad de red, tal como soporte de tensión, es altamente deseable un método de almacenamiento que ofrezca almacenamiento síncrono basado en inercia.
El documento GB2528449A es una solicitud de patente que describe un sistema de almacenamiento y recuperación de energía de aire comprimido. El sistema comprende una pluralidad de etapas de compresión, cada una accionada por un suministro externo de energía eléctrica proporcionada para comprimir aire, un intercambiador de calor configurado para eliminar calor del aire comprimido y una instalación de almacenamiento de energía de aire comprimido. Durante una fase de almacenamiento, el calor de compresión se elimina del flujo de aire comprimido mediante dos o más medios líquidos, almacenándose el calor en los medios líquidos usados para la transferencia de calor. Durante una fase de recuperación de energía, el calor se devuelve al aire por los mismos medios líquidos y los mismos intercambiadores de calor que los usados en la fase de almacenamiento. El aire comprimido recalentado se expande en al menos dos etapas separadas de expansión en las que se genera energía eléctrica.
Sumario
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de acuerdo con la reivindicación 1 en el presente documento.
El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido incluye un acumulador que tiene un interior configurado para contener gas comprimido cuando está en uso. Un subsistema compresor/expansor de gas está separado del acumulador e incluye al menos una primera etapa de compresión que tiene una entrada de gas y una salida de gas en comunicación fluida con el interior del acumulador para transportar gas comprimido al acumulador cuando está en un modo de carga y desde el acumulador cuando está en un modo de descarga. Un subsistema de almacenamiento térmico incluye al menos un primer depósito de almacenamiento dispuesto al menos parcialmente bajo tierra y configurado para contener un líquido de almacenamiento térmico a una presión de almacenamiento que es mayor que la presión atmosférica, un paso de líquido que tiene una entrada conectable a una fuente de líquido de almacenamiento térmico y configurado para transportar el líquido de almacenamiento térmico al depósito de líquido y un primer intercambiador de calor proporcionado en el paso de entrada de líquido y en comunicación fluida entre la primera etapa de compresión y el acumulador. Por lo que cuando el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en el modo de carga, la energía térmica se transfiere desde una corriente de gas comprimido que sale del subsistema compresor/expansor de gas al líquido de almacenamiento térmico.
El líquido de almacenamiento térmico puede calentarse a una temperatura de almacenamiento antes de entrar en el primer depósito de almacenamiento. La temperatura de almacenamiento está por debajo de una temperatura de ebullición del líquido de almacenamiento térmico cuando está a la presión de almacenamiento y es la temperatura de ebullición superior del líquido de almacenamiento térmico cuando está a presión atmosférica.
La temperatura de almacenamiento puede estar entre aproximadamente 150 grados Celsius y aproximadamente 350 grados Celsius.
Una capa de gas comprimido dentro del acumulador puede estar a una presión del acumulador y la presión de almacenamiento puede ser igual o mayor que la presión del acumulador.
La presión de almacenamiento puede estar entre aproximadamente el 100% y aproximadamente el 200 % de la presión del acumulador.
La presión de almacenamiento puede estar entre aproximadamente 20 bar y aproximadamente 60 bar.
El primer depósito de almacenamiento puede incluir una capa presurizada de gas de cobertura por encima del líquido de almacenamiento térmico.
El líquido de almacenamiento térmico puede aislarse de la capa de líquido dentro del acumulador para evitar la mezcla entre los mismos y que comprende además un paso de presurización de gas que conecta de manera fluida la capa de gas comprimido dentro del acumulador a la capa de gas de cobertura, por lo que presurizar el acumulador presuriza el primer depósito de almacenamiento.
Un regulador de flujo puede colocarse en el paso de presurización de gas y configurarse para permitir que el gas fluya desde el acumulador hasta el primer depósito de almacenamiento y para evitar el gas desde el primer depósito de almacenamiento hasta el acumulador, de modo que la presión de almacenamiento pueda ser mayor que la presión del acumulador.
Un sistema compresor de almacenamiento térmico puede configurarse para presurizar la capa de gas de cobertura a la presión de almacenamiento.
La capa de gas de cobertura puede formarse mediante la ebullición de una parte del líquido de almacenamiento térmico dentro del primer depósito de almacenamiento, por lo que la capa de gas de cobertura se presuriza a la presión de almacenamiento.
Un sistema de acondicionamiento térmico puede estar en comunicación fluida con la capa de gas de cobertura, el sistema de acondicionamiento térmico puede funcionar para reducir la temperatura de la capa de gas de cobertura. El primer depósito de almacenamiento puede estar dispuesto al menos parcialmente dentro del acumulador.
La fuente de líquido de almacenamiento térmico puede incluir un depósito fuente que contiene una cantidad del líquido de almacenamiento térmico a una temperatura fuente que es menor que la temperatura de almacenamiento.
El líquido de almacenamiento térmico dentro del depósito fuente puede estar a una presión fuente que es mayor que la presión atmosférica.
La presión fuente puede ser sustancialmente igual a la presión de almacenamiento.
El depósito fuente puede ser externo al primer depósito de almacenamiento.
El líquido de almacenamiento térmico en el primer depósito de almacenamiento puede aislarse de la cantidad de líquido de almacenamiento térmico en el depósito fuente para evitar la mezcla entre los mismos y el depósito fuente puede incluir una capa de gas de cobertura por encima de la cantidad de líquido de almacenamiento térmico y que comprende además un paso de gas de depósito que conecta de manera fluida la capa de gas de cobertura dentro del primer depósito de almacenamiento a la capa de gas de cobertura dentro del depósito fuente, por lo que el primer depósito de almacenamiento y el depósito fuente se mantienen a la misma presión.
El depósito fuente puede incluir una masa de agua.
El depósito fuente puede estar al menos parcialmente dispuesto dentro del acumulador.
El primer depósito de almacenamiento puede estar dispuesto al menos parcialmente bajo tierra.
El sistema compresor/expansor de gas puede incluir una segunda etapa de compresión aguas abajo de la primera etapa de compresión y el primer intercambiador de calor puede estar en comunicación fluida entre la primera etapa de compresión y la segunda etapa de compresión. El subsistema de almacenamiento térmico puede incluir un segundo intercambiador de calor en comunicación fluida entre la segunda etapa de compresión y el acumulador. La energía térmica puede transferirse entre la corriente de gas comprimido que sale de la segunda etapa de compresión y el líquido de almacenamiento térmico.
El sistema compresor/expansor de gas puede incluir una tercera etapa de compresión aguas abajo de la segunda etapa de compresión y el segundo intercambiador de calor puede estar en comunicación fluida entre la segunda etapa de compresión y la tercera etapa de compresión. El subsistema de almacenamiento térmico puede incluir un tercer intercambiador de calor en comunicación fluida entre la tercera etapa de compresión y el acumulador. La energía térmica puede transferirse entre la corriente de gas comprimido que sale de la tercera etapa de compresión y el líquido de almacenamiento térmico.
El primer depósito de líquido de almacenamiento puede incluir una única cámara que tiene una pared inferior de la cámara, una pared superior de la cámara, una pared lateral de la cámara que se extiende desde la misma y puede definir una configuración interior de la cámara para contener el líquido de almacenamiento térmico.
La cámara puede incluir una cavidad subterránea natural formada al menos parcialmente de roca natural.
Un revestimiento de almacenamiento puede cubrir al menos una parte de una superficie interior de la cámara.
El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en donde el primer depósito de almacenamiento comprende una cámara exterior que tiene una pared superior de la cámara, una pared inferior de la cámara, una pared lateral de la cámara que se extiende desde la misma y que define un interior de la cámara y al menos un primer tanque de líquido que tiene una pared inferior del tanque, una pared lateral del tanque que se extiende desde la misma y define un interior del tanque, estando el primer tanque de líquido dispuesto dentro del interior de la cámara y configurado para contener el líquido de almacenamiento térmico.
El interior del tanque puede estar en comunicación fluida con el interior de la cámara, por lo que una presión interna del tanque se iguala sustancialmente con una presión interna de la cámara.
Un extremo superior del tanque puede estar al menos parcialmente abierto para proporcionar la comunicación fluida con el interior de la cámara.
El tanque puede formarse al menos parcialmente a partir de al menos uno de hormigón y metal.
La pared inferior del tanque puede separarse por encima de la pared inferior de la cámara y puede colocarse una capa de aislamiento térmico inferior entre las mismas para inhibir la transferencia de calor desde la pared inferior del tanque a la pared inferior de la cámara.
La capa de aislamiento térmico inferior puede incluir al menos una de una capa de gas, una capa de material aislante y una capa de fluido de enfriamiento que fluye.
La pared lateral del tanque puede estar separada de la pared lateral de la cámara y una capa de aislamiento térmico de la pared lateral puede colocarse entre las mismas para inhibir la transferencia de calor desde la pared lateral del tanque a la pared lateral de la cámara.
La capa de aislamiento térmico de la pared lateral puede incluir al menos una de una capa de gas, una capa de material aislante y una capa de fluido de enfriamiento que fluye.
Una bomba de extracción puede estar en comunicación líquida con el líquido de almacenamiento térmico en el primer depósito de almacenamiento y puede ponerse en funcionamiento de manera selectiva para bombear el líquido de almacenamiento térmico a la temperatura de almacenamiento fuera del primer depósito de almacenamiento.
Una corriente de salida de gas se libera del acumulador, la energía térmica se transfiere desde el líquido de almacenamiento térmico bombeado fuera del primer depósito de almacenamiento a la corriente de salida de gas.
La corriente de salida de gas y el líquido de almacenamiento térmico bombeado fuera del primer depósito de almacenamiento pueden pasar a través del primer intercambiador de calor.
La bomba puede incluir una bomba de cavidad progresiva que tiene un rotor y un estátor complementario dispuestos dentro del primer depósito de almacenamiento. Un motor puede estar dispuesto fuera del primer depósito de almacenamiento y un árbol puede conectar de manera motriz el rotor al motor.
El motor puede disponerse sobre tierra.
El primer depósito de almacenamiento puede disponerse completamente bajo tierra.
Un sistema de enfriamiento de depósito puede configurarse para enfriar de manera selectiva la temperatura del líquido de almacenamiento térmico contenido en el primer depósito de almacenamiento, reduciendo de este modo la presión de almacenamiento dentro del primer depósito de almacenamiento.
El sistema de enfriamiento de depósito puede incluir una cantidad de un líquido de enfriamiento almacenado a una temperatura de enfriamiento que está por debajo de la temperatura de almacenamiento y puede ponerse en funcionamiento para introducir la cantidad de líquido de enfriamiento en el primer depósito de almacenamiento, diluyendo y reduciendo de este modo la temperatura del líquido de almacenamiento térmico contenido en el primer depósito de almacenamiento.
El sistema de enfriamiento de depósito puede incluir un aparato de drenaje accionable que se puede abrir para drenar al menos parte del líquido de almacenamiento térmico del primer depósito de almacenamiento en una cámara de enfriamiento que contiene una cantidad de un líquido de enfriamiento almacenado a una temperatura de enfriamiento que está por debajo de la temperatura de almacenamiento.
La cámara de enfriamiento puede estar dispuesta a una elevación más baja que el primer depósito de almacenamiento, por lo que cuando se abre el aparato de drenaje, el líquido de almacenamiento térmico fluye hacia la cámara de enfriamiento bajo la influencia de la gravedad.
El aparato de drenaje puede incluir una válvula de drenaje accionada por presión que se puede poner en funcionamiento para abrirse automáticamente cuando la presión de almacenamiento excede un umbral de presión de enfriamiento automático predeterminado.
El acumulador tiene una abertura primaria, una pared superior, una pared inferior y un interior del acumulador que contiene una capa del gas comprimido por encima de una capa de agua cuando está en uso y está limitado al menos parcialmente por la pared superior y la pared inferior.
Un pozo tiene un extremo inferior adyacente a la abertura primaria, un extremo superior separado del extremo inferior y una pared lateral del pozo que se extiende hacia arriba desde el extremo inferior hasta el extremo superior y que limita al menos parcialmente un interior del pozo para contener una cantidad de un líquido, pudiendo conectarse el pozo de manera fluida a una fuente/sumidero de líquido a través de un conducto de suministro de líquido.
Un tabique cubre la abertura primaria y puede separar el interior del acumulador del interior del pozo. El tabique tiene una superficie exterior en comunicación con el interior del pozo y una superficie interior opuesta en comunicación con el interior del acumulador.
Al menos una de la capa de gas comprimido y la capa de líquido se apoya contra y ejerce una fuerza del acumulador interna sobre la superficie interior del tabique y la cantidad de líquido dentro del pozo se apoya contra y ejerce una contrafuerza externa sobre la superficie exterior del tabique, por lo que una fuerza neta que actúa sobre el tabique mientras el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en uso es una diferencia entre la fuerza del acumulador y la contrafuerza y es menor que la fuerza del acumulador.
Cuando el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en el modo de descarga, el gas comprimido se desplaza desde el acumulador hasta el subsistema compresor/expansor de gas y puede extraerse al menos una parte del líquido de almacenamiento térmico a la temperatura de almacenamiento del primer depósito de almacenamiento y el subsistema de almacenamiento térmico se puede poner en funcionamiento de modo que la energía térmica se transfiera desde al menos la parte del líquido de almacenamiento térmico extraído del primer depósito de almacenamiento al gas comprimido que sale del acumulador, por lo que la temperatura del gas comprimido que sale del acumulador aumenta antes de que alcance el subsistema compresor/expansor de gas.
Cuando el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en un modo de descarga, el gas comprimido que se desplaza desde el acumulador al subsistema compresor/expansor de gas puede pasar a través del primer intercambiador de calor para recibir energía térmica del líquido de almacenamiento térmico.
Otros aspectos y realizaciones se describen con más detalle a continuación.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirán las realizaciones con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura de referencia 1 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de un ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido compensado hidrostáticamente;
la figura de referencia 2 es una vista en planta superior de componentes de un mamparo para el subsistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de la figura 1;
la figura de referencia 3 es una vista en alzado lateral del mamparo de la figura 2;
la figura de referencia 4 es una vista en sección transversal lateral del mamparo de la figura 2, tomada a lo largo de la línea 4-4;
la figura 5 es una representación esquemática de componentes de un ejemplo de un subsistema compresor/expansor que se puede usar con cualquiera de los sistemas de almacenamiento de energía de gas comprimido, de acuerdo con una realización;
la figura 6 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido;
la figura 7 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido;
la figura 8 es una vista esquemática de componentes de un subsistema compresor/expansor para el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, de acuerdo con una realización;
la figura 9 es una vista esquemática de componentes de un subsistema compresor/expansor alternativo para un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, con múltiples etapas de compresión cada una asociada con una etapa respectiva de un subsistema de almacenamiento térmico;
la figura 10 es una vista esquemática de componentes de un subsistema compresor/expansor alternativo para un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, con múltiples etapas de expansión cada una asociada con una etapa respectiva de un subsistema de almacenamiento térmico;
la figura 11 es una vista esquemática de componentes de un subsistema compresor/expansor alternativo para un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, con pares de etapas de compresión y expansión cada una asociada con una etapa respectiva de un subsistema de almacenamiento térmico;
la figura 12 es una vista esquemática de componentes del subsistema compresor/expansor alternativo de la figura 11, que muestra el flujo de aire durante una fase de expansión (liberación) desde el almacenamiento a través de múltiples expansores y etapas respectivas de un subsistema de almacenamiento térmico;
la figura 13 es una vista esquemática de componentes del subsistema compresor/expansor alternativo de la figura 11, que muestra el flujo de aire durante una compresión (almacenamiento) desde el ambiente a través de múltiples compresores y etapas respectivas de un subsistema de almacenamiento térmico;
la figura 14 es una vista en sección de componentes de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, de acuerdo con una realización alternativa;
la figura de referencia 15 es una vista en sección de componentes de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido alternativo, de acuerdo con otra realización alternativa;
la figura 16 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido;
la figura 17 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de aún otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido;
la figura 18 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de aún otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido;
la figura 19 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de aún otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido;
la figura 20A es una vista en sección transversal esquemática de componentes de aún otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido;
la figura 20B es una vista ampliada de una parte del sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de la figura 20A;
la figura 21 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de aún otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido;
la figura 22 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de aún otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido; y
la figura 23 es una vista en sección transversal esquemática de componentes de aún otro ejemplo de un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido.
Descripción detallada
La energía producida por algunos tipos de fuentes de energía, tales como molinos de viento, paneles solares y similares, puede tender a producirse durante ciertos períodos (por ejemplo, cuando hace viento o sol, respectivamente) y no producirse durante otros períodos (si no hay viento, de noche, etc.). Sin embargo, la demanda de energía puede no coincidir siempre con los períodos de producción y puede ser útil almacenar la energía para su uso en un momento posterior. De manera similar, puede ser útil almacenar la energía generada usando generadores de energía convencionales (por ejemplo, centrales eléctricas de carbón, gas y/o nucleares) para ayudar a facilitar el almacenamiento de la energía generada durante períodos no pico (por ejemplo, períodos en los que el suministro de electricidad podría ser mayor que la demanda y/o cuando el coste de la electricidad es relativamente alto) y permiten que la energía se utilice durante los períodos pico (por ejemplo, cuando la demanda de electricidad puede ser igual o mayor que el suministro y/o cuando el coste de la electricidad es relativamente alto).
Como se describe en el presente documento, comprimir y almacenar un gas (tal como aire), usando un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido adecuado, es una forma de almacenar energía para su uso posterior. Por ejemplo, durante las horas no pico, se puede usar energía (es decir, electricidad) para accionar compresores y comprimir un volumen de gas a una presión relativamente alta deseada para su almacenamiento. El gas puede almacenarse a continuación a la presión relativamente alta dentro de cualquier contenedor o recipiente, tal como un acumulador adecuado. Para extraer la energía almacenada, el gas presurizado puede liberarse del acumulador y usarse para accionar cualquier aparato expansor adecuado o similar y, finalmente, usarse para accionar un generador o similares para producir electricidad. La cantidad de energía que se puede almacenar en un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido dado puede estar relacionada con la presión a la que se comprime/almacena el gas, facilitando generalmente un mayor almacenamiento de presión un mayor almacenamiento de energía. Sin embargo, contener gases a presiones relativamente altas en sistemas convencionales, tal como entre aproximadamente 45 y 150 atm, puede requerir contenedores de almacenamiento/recipientes a presión relativamente fuertes, especializados y, a menudo, relativamente costosos.
Haciendo referencia a la figura de referencia 1, un ejemplo de un sistema 10 de almacenamiento de energía de gas comprimido compensado hidrostáticamente, que puede usarse para comprimir, almacenar y liberar un gas, incluye un acumulador 12 que está ubicado bajo tierra (aunque en otra realización el acumulador puede ubicarse sobre tierra). En este ejemplo, el acumulador 12 sirve como una cámara para contener tanto gas comprimido como un líquido (tal como agua) y puede incluir cualquier tipo adecuado de recipiente a presión o tanque o, como en este ejemplo, puede ser una cueva o cámara bajo tierra que está dentro del suelo 200. En esta realización, el acumulador 12 está revestido, por ejemplo, usando hormigón, metal, plástico y combinaciones de los mismos o similares, para ayudar a hacerlo sustancialmente impermeable a gases y/o líquidos para ayudar a evitar la salida no deseada de gas o líquido desde dentro del interior 23. En otra realización, el acumulador es preferiblemente impermeable al gas y/o líquido sin requerir un revestimiento.
El acumulador 12 puede tener cualquier configuración adecuada y, en este ejemplo, incluye una pared superior 13 y una pared inferior 15 opuesta que están separadas entre sí por una altura 17 del acumulador. Las paredes superior e inferior 13 y 15 pueden tener cualquier configuración adecuada, incluyendo curvada, arqueada, en ángulo y similares y, en el ejemplo ilustrado, se muestran como superficies generalmente planas, que son generalmente paralelas a un plano 19 de referencia horizontal. El acumulador 12 también tiene una anchura del acumulador (no mostrada, medida en la página como se ilustra en la figura de referencia 1). Las paredes superior e inferior 13 y 15, junto con una o más paredes laterales 21, definen al menos parcialmente un interior 23 del acumulador 12, que tiene un volumen de acumulador. El acumulador 12 en una realización dada del sistema 10 puede dimensionarse basándose en una variedad de factores (por ejemplo, la cantidad de gas a almacenar, el espacio disponible en una ubicación dada, etc.) y puede, en algunos ejemplos, estar entre unos 1000 m3 y aproximadamente 2000000 m3 o más. Por ejemplo, en esta realización, el acumulador 12 contiene una capa de gas 14 comprimido almacenado encima de una capa de líquido 16, y su volumen (y, por tanto, capacidad) se puede seleccionar basándose en la cantidad de gas 14 que se almacenará, la duración del almacenamiento requerido para el sistema 10 y otros factores adecuados que pueden estar relacionados con la capacidad u otras características de una fuente de alimentación y/o carga de alimentación adecuada (véase fuente de alimentación/carga S/L en la figura 5) con la que se va a asociar el sistema 10. La fuente de alimentación/carga S/L puede ser, en algunos ejemplos, una red eléctrica, una fuente de alimentación (incluyendo fuentes renovables y opcionalmente no renovables) y similares.
Preferiblemente, el acumulador 12 puede colocarse bajo tierra o bajo el agua pero, como alternativa, puede estar al menos parcialmente por sobre tierra. Colocar el acumulador 12 dentro del suelo 200, como se muestra, puede permitir que el peso del suelo/terreno ayude a sostener/reforzar las paredes 13, 15 y 21 del acumulador 12 y ayude a resistir cualquier fuerza que actúe hacia fuera que se ejerza sobre las paredes 13, 15 y 21 del interior 23 del acumulador. Su profundidad en el suelo se establece de acuerdo con las presiones a las que se pone en funcionamiento de manera más eficiente el equipo de compresión/expansión que se va a usar.
El gas que se va a comprimir y almacenar en el acumulador 12 puede ser cualquier gas adecuado, incluyendo, aunque no de forma limitativa, aire, nitrógeno, gases nobles y combinaciones de los mismos y similares. El uso de aire puede ser preferible en algunas realizaciones, ya que puede introducirse una cantidad deseada de aire en el sistema desde el entorno ambiental circundante y el gas/aire que se libera desde dentro del acumulador 12 puede ventilarse de manera similar al entorno ambiental, opcionalmente sin requerir tratamiento adicional. En esta realización, el gas comprimido 14 es aire atmosférico comprimido y el líquido es agua.
Opcionalmente, para ayudar a proporcionar acceso al interior del acumulador 12, por ejemplo, para su uso durante la construcción del acumulador y/o para permitir el acceso para inspección y/o mantenimiento, el acumulador 12 puede incluir al menos una abertura que puede sellarse en una manera generalmente hermética al aire/gas cuando el sistema 10 está en uso. En este ejemplo, el acumulador 12 incluye una abertura primaria 27 que se proporciona en la pared superior 13. La abertura primaria 27 puede ser de cualquier tamaño adecuado y puede tener un área de sección transversal (tomada en el plano 19) que sea adecuada basándose en los requisitos específicos. En una realización, el área de sección transversal está entre aproximadamente 0,75 m2 y aproximadamente 80 m2, pero puede ser mayor o menor en una realización dada.
Cuando el sistema 10 está en uso, la abertura primaria 27 puede sellarse usando cualquier tipo adecuado de tabique que pueda funcionar como un miembro de sellado adecuado. En la realización de la figura de referencia 1, el sistema 10 incluye un tabique en forma de un mamparo 24 que cubre la abertura primaria 27. La figura 2 es una vista en planta superior de los componentes de esta realización de un mamparo 24 y las figuras 3 y 4 son vistas en alzado lateral y en sección transversal lateral, respectivamente, del mamparo 24. En este ejemplo, el mamparo 24 tiene un cuerpo principal 25 que incluye una superficie inferior 29 que está orientada hacia el interior 23 del acumulador 12 y, en una alternativa, está generalmente expuesto y en comunicación fluida con la capa 14 de gas comprimido, y una superficie 31 superior opuesta en un extremo superior del cuerpo 25 que está orientada hacia el interior 54. Una pestaña 26 se extiende en general lateralmente hacia fuera hacia el extremo inferior del mamparo, de modo que el extremo superior del mamparo 24 tiene una anchura superior 33 que puede estar entre aproximadamente 1 y 8 m y puede dimensionarse para encajar dentro de la abertura 27 y el extremo inferior del mamparo 24 tiene una anchura inferior 35 que es mayor que la anchura superior 33 y puede estar entre aproximadamente 1,2 m y aproximadamente 10 m, por ejemplo. En esta disposición, se define una superficie 26 de saliente orientada generalmente hacia arriba y se extiende alrededor de la periferia del mamparo 24. Cuando el mamparo 24 está en su lugar, como se muestra en la figura de referencia 1, la superficie 26 de saliente puede apoyarse en la superficie superior 13 del acumulador 12 y puede ayudar a resistir el movimiento ascendente del mamparo 24 a través de la abertura 27. El mamparo 24 puede fijarse a, y preferiblemente sellarse con, la pared superior 13 usando cualquier mecanismo adecuado para ayudar a sellar y encerrar el interior 23. En otras realizaciones, el mamparo 24 puede tener una configuración adecuada diferente.
El mamparo 24 puede fabricarsein situ,o puede fabricarse en unas instalaciones exteriores, y puede estar hecho de cualquier material adecuado, incluyendo hormigón, metal, plásticos, materiales compuestos y similares. En la realización ilustrada, el mamparo 24 está ensambladoin situen la interfaz entre el pozo 18 y el acumulador 12 de múltiples piezas de hormigón armado.
En la realización de la figura de referencia 1, la abertura primaria 27 se proporciona en la superficie superior 13 del acumulador 12. Como alternativa, en otras realizaciones, la abertura primaria 27 y cualquier tabique asociado pueden estar provistos, en diferentes partes, del acumulador 12, incluyendo, por ejemplo, en una pared lateral (tal como la pared lateral 21), en una superficie inferior (tal como la superficie inferior 15) u otra ubicación adecuada. La ubicación de la abertura primaria 27 y el tabique asociado se pueden seleccionar basándose en una variedad de factores que incluyen, por ejemplo, el terreno y las condiciones subterráneas, la disponibilidad de estructuras existentes (por ejemplo, si el sistema 10 se está adaptando a algunos espacios existentes, tales como minas, canteras, instalaciones de almacenamiento y similares), presiones operativas, configuraciones de pozo y similares. Por ejemplo, algunos aspectos de los sistemas 10 descritos en el presente documento pueden adaptarse a cámaras subterráneas preexistentes, que pueden haberse construido con aberturas en sus paredes laterales, suelos y similares. La utilización de algunas de estas formaciones existentes puede ayudar a facilitar la construcción y/o adaptación de las cámaras usadas en el sistema y puede reducir o eliminar la necesidad de formar aberturas adicionales en las superficies superiores de las cámaras. Reducir el número total de aberturas en el acumulador puede ayudar a facilitar el sellado y puede ayudar a reducir las posibilidades de fugas y similares.
Cuando la abertura primaria 27 se extiende a lo largo de la pared lateral 21 del acumulador 12, puede colocarse de modo que entre en contacto únicamente con la capa 14 de gas (es decir, hacia la parte superior del acumulador 12), entre en contacto únicamente con la capa 16 de líquido (es decir, sumergida dentro de la capa 16 de líquido y hacia la parte inferior del acumulador) y/o mediante una combinación tanto de la capa 14 de gas como de la capa 16 de líquido (es decir, parcialmente sumergida y parcialmente no sumergida en el líquido). La posición específica de la superficie libre de la capa 16 de líquido (es decir, la interfaz entre la capa 16 de líquido y la capa 14 de gas) puede cambiar mientras el sistema 10 está en uso a medida que se fuerza el gas (haciendo que la capa de líquido caiga) y/o se extrae del acumulador (permitiendo que el nivel de líquido aumente).
Como se ilustra en la representación esquemática de la figura 16, la abertura primaria 27 se proporciona en la pared lateral 15 del acumulador 12 y el mamparo 24 se coloca de modo que generalmente está parcialmente sumergido en la capa 16 de líquido y parcialmente expuesto a la capa 14 de gas cuando el sistema 10F está en uso. En este ejemplo, el conducto 22 de suministro de gas pasa a través del mamparo 24 y está dispuesto de modo que su extremo inferior 62 esté ubicado hacia la parte superior del acumulador 12 de modo que permanezca en comunicación con la capa 14 de gas, y aislado de manera fluida de la capa 16 de líquido, independientemente del nivel del líquido dentro del acumulador 12. Como alternativa, el conducto 22 de suministro de gas puede colocarse de modo que no pase a través del mamparo 24 cuando el sistema está configurado de esta manera. Un subsistema 120 de almacenamiento térmico, que incluye cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, puede usarse junto con un acumulador 12 que tiene esta disposición. Un ejemplo de un subsistema 120 de almacenamiento térmico adecuado se ilustra en la figura 16.
En las realizaciones de la figura de referencia 1 y la figura 16, el tabique incluye un mamparo 24 fabricado que se coloca para cubrir y, opcionalmente, sellar la abertura primaria 27 en el perímetro del acumulador. Como alternativa, en otras realizaciones, el tabique puede estar formado al menos parcialmente a partir de materiales naturales, tales como roca y similares. Por ejemplo, se puede formar un tabique adecuado dejando y/o dando forma a partes de roca natural para ayudar a formar al menos una parte del límite de presión entre el interior del acumulador y el pozo. Unas formaciones de este tipo pueden tratarse, recubrirse o modificarse de otro modo para ayudar a garantizar que sean suficientemente impermeables a los gases para poder resistir las diferencias de presión operativa deseadas entre el interior del acumulador y el pozo. Esto se puede hacer, en algunas realizaciones, excavando selectivamente el pozo 18 y el acumulador 12 de modo que una parte de la roca circundante generalmente no se perturbe durante la excavación y construcción del pozo 18 y el acumulador 12. Como alternativa, la roca u otro material de este tipo puede reintroducirse en una ubicación adecuada dentro del acumulador 12 y/o el pozo 18 después de que se haya excavado previamente. Esto puede ayudar a reducir la necesidad de fabricar un mamparo separado e instalarlo dentro del sistema 10. En disposiciones de esta naturaleza, la abertura primaria 27 puede formarse como una abertura en una pared lateral 21 del acumulador 12 o, como alternativa, un lado del acumulador 12 puede estar sustancialmente abierto de modo que la abertura primaria 27 se extienda sustancialmente a toda la altura 17 del acumulador y forme sustancialmente un lado completo del acumulador 12.
Haciendo referencia a la figura 17, otra realización de un sistema 10G de almacenamiento de gas comprimido está configurada con un tabique que incluye un saliente 200A, identificado usando sombreado transversal en la figura 17, que está formado generalmente a partir del mismo material que el suelo circundante 200. En este ejemplo, el sistema 10G no necesita incluir un mamparo 24 fabricado por separado como se muestra en otras realizaciones. El sistema 10 en esta realización está configurado de modo que el conducto 22 de suministro de gas esté separado del saliente 200A y no se extienda a través del tabique. En su lugar, se puede proporcionar un pozo u orificio separado para alojar el conducto 22. Para ayudar a proporcionar una comunicación de líquido entre el interior del pozo 18 y la capa 16 de líquido, se puede proporcionar un conducto 40 de suministro de líquido para extenderse a través del saliente 200A o, como se ilustra, al menos parte del conducto 40 de suministro de líquido se puede proporcionar mediante un canal de flujo que pasa por debajo del saliente 200A y conecta de manera fluida el pozo 18 a la capa 16 de líquido y, en los extremos 64 y 66 del conducto 40 de suministro de líquido, pueden estar los extremos abiertos del paso.
Opcionalmente, en realizaciones de este tipo, el conducto 22 de suministro de gas puede estar dispuesto para pasar a través del tabique/saliente 200A como se ilustra en la figura 17. En esta disposición (y en la realización mostrada en la figura 16), el conducto 22 puede configurarse de modo que su extremo 62 se coloque hacia el lado superior del acumulador 12 para ayudar a evitar que la capa 16 de líquido alcance el extremo 62. Como alternativa, el conducto 22 de suministro de gas no necesita pasar a través del tabique, como se ilustra esquemáticamente usando líneas discontinuas para el conducto alternativo 22. Un subsistema 120 de almacenamiento térmico, que incluye cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, puede usarse junto con un acumulador 12 que tiene esta disposición. Un ejemplo de un subsistema 120 de almacenamiento térmico adecuado se ilustra en la figura 17.
Opcionalmente, el sistema 10G puede disponerse de modo que el conducto 22 de suministro de gas pase al menos parcialmente a través del conducto 40 de suministro de líquido. Esto puede ayudar a reducir el número de aberturas que deben proporcionarse en el tabique/saliente 200A. En la realización de la figura 17, se muestra otra disposición opcional del conducto 22 de suministro de gas usando líneas discontinuas y pasa a través del canal de flujo, desde el pozo 18 al interior del acumulador 12. En esta disposición, el conducto 22 de suministro de gas está anidado en, y pasa a través de, el conducto 40 de suministro de líquido y pasa por debajo del saliente 200A. Opcionalmente, una configuración en la que al menos parte del conducto 22 de suministro de gas se recibe dentro de una parte del conducto 40 de suministro de líquido también puede utilizarse en otras realizaciones del sistema 10 (incluidas las descritas e ilustradas en el presente documento), incluyendo aquellas en las que tanto el conducto 40 de suministro de líquido como el conducto 40 de suministro de gas pasan a través del tabique.
Cuando el acumulador 12 está en uso, al menos una de la capa 14 de gas presurizado y la capa 16 de líquido, o ambas, entran en contacto y ejercen presión sobre la superficie interior 29 del mamparo 24, lo que dará como resultado una fuerza del acumulador interna que actúa generalmente hacia fuera (hacia arriba en esta realización), representada por la flecha 41 en la figura de referencia 1, que actúa sobre el mamparo 24. La magnitud de la fuerza 41 del acumulador interna depende de la presión del gas 14 y del área de sección transversal (tomada en el plano 19) de la superficie inferior 29. Para un área de superficie inferior 29 dada, la magnitud de la fuerza 41 del acumulador interna puede variar generalmente de manera proporcional con la presión del gas 14.
Se aplica una fuerza que actúa hacia dentro (hacia abajo en esta realización) a la superficie exterior 31 del mamparo 24 para ayudar a compensar y/o contrarrestar la fuerza 41 del acumulador interna. La aplicación de una contrafuerza de esta naturaleza puede ayudar a reducir la fuerza neta que actúa sobre el mamparo 24 mientras el sistema 10 está en uso. Esto puede ayudar a facilitar el uso de un mamparo 24 con tolerancias de presión más bajas que las que se requerirían si el mamparo 24 tuviera que resistir toda la magnitud de la fuerza 41 del acumulador interna. Esto puede permitir que el mamparo 24 sea relativamente más pequeño, más ligero y menos costoso. Esta disposición también puede ayudar a reducir las posibilidades de que el mamparo 24 falle mientras el sistema 10 está en uso. Se puede crear una contrafuerza adecuada sometiendo la superficie superior 31 a un entorno presurizado, tal como un gas o líquido presurizado que está en contacto con la superficie superior 31, y calibrando la presión que actúa sobre la superficie superior 31 (basándose en el área de sección transversal de la superficie superior 31 y la presión que actúa sobre la superficie inferior 29) de modo que la contrafuerza resultante, mostrada por la flecha 46 en la figura de referencia 1, tenga una magnitud deseable. En algunas configuraciones, la magnitud de la contrafuerza 46 puede estar entre aproximadamente el 80 % y aproximadamente el 99 % de la fuerza 41 del acumulador interna y puede estar opcionalmente entre aproximadamente el 90 % y aproximadamente el 97 % y puede ser aproximadamente igual a la magnitud de la fuerza 41 del acumulador interna.
El sistema 10 incluye un pozo 18 que tiene un extremo inferior 43 que está en comunicación con la abertura 27 en la pared superior 13 del acumulador 12 y un extremo superior 48 que está separado del extremo inferior 43 por una altura 50 del pozo. Al menos una pared lateral 52 se extiende desde el extremo inferior 43 hasta el extremo superior 48 y define al menos parcialmente un interior 54 del pozo que tiene un volumen. En esta realización, el pozo 18 es generalmente lineal y se extiende a lo largo de un eje 51 del pozo generalmente vertical, pero puede tener otras configuraciones, tales como una disminución lineal o helicoidal, en otras realizaciones. El extremo superior 48 del pozo 18 puede estar abierto a la atmósfera A, como se muestra, o puede estar tapado, encerrado o sellado de otra manera. En esta realización, el pozo 18 es generalmente cilíndrico con un diámetro 56 de aproximadamente 3 metros y, en otras realizaciones, el diámetro 56 puede estar entre aproximadamente 2 m y aproximadamente 15 m o más, o puede estar entre aproximadamente 5m y 12 m o entre aproximadamente 2m y aproximadamente 5 m. En unas disposiciones de este tipo, el interior 52 del pozo 18 puede alojar aproximadamente 1000 - 150000 m3 de agua
En esta disposición, el mamparo 24 se coloca en la interfaz entre el pozo 18 y el acumulador 12 y la superficie exterior 31 (o al menos una parte de la misma) cierra y sella el extremo inferior 43 del pozo 18. Preferiblemente, los otros límites del pozo 18 (por ejemplo, la pared lateral 52) son generalmente impermeables a los líquidos, de modo que el interior 54 puede llenarse y generalmente puede retener una cantidad de un líquido, tal como agua 20. Un conducto 58 de suministro/abastecimiento de agua puede proporcionar una comunicación fluida entre el interior 54 del pozo 18 y una fuente/sumidero 150 de agua para permitir que el agua fluya hacia dentro o fuera del interior del pozo 18 según sea necesario cuando el sistema 10 está en uso. Opcionalmente, puede proporcionarse una válvula 59 de control de flujo (como se muestra en la figura de referencia 1) en el conducto 58 de suministro/abastecimiento de agua. La válvula 59 de control de flujo puede estar abierta mientras el sistema 10 está en uso para ayudar a facilitar el flujo de agua deseado entre el pozo 18 y la fuente/sumidero 150 de agua. Opcionalmente, la válvula 59 de control de flujo se puede cerrar para aislar de manera fluida el pozo 18 y la fuente/sumidero 150 de agua si se desea. Por ejemplo, la válvula 59 de control de flujo puede cerrarse para ayudar a facilitar el drenaje del interior 54 del pozo 18 para inspección, mantenimiento o similares.
La fuente/sumidero 150 de agua puede ser de cualquier naturaleza adecuada y puede incluir, por ejemplo, una conexión a un suministro o depósito de agua municipal, un depósito construido a propósito, un tanque de almacenamiento, una torre de agua y/o una masa de agua natural tal como un lago, río u océano, agua subterránea o un acuífero. En el ejemplo ilustrado, la fuente/sumidero 150 de agua se ilustra como un lago. Permitir que el agua fluya a través del conducto 58 puede ayudar a garantizar que se pueda mantener una cantidad suficiente de agua 20 con el pozo 18 y que el exceso de agua 20 se pueda drenar del pozo 18. El conducto 58 puede conectarse al pozo 18 en cualquier ubicación adecuada y, preferiblemente, está conectado hacia el extremo superior 48. Preferiblemente, el conducto 58 puede colocarse y configurarse de modo que el agua fluirá desde la fuente/sumidero 150 al pozo 18 por gravedad y no necesitará incluir bombas alimentadas externas u otro aparato de transporte. Aunque el conducto 58 se representa en las figuras como horizontal, puede ser no horizontal.
En este ejemplo, el agua 20 en el pozo 18 se apoya contra el exterior del mamparo 24 y, de este modo, se soporta encima del mamparo 24. La cantidad de presión que actúa sobre la superficie exterior 31 del mamparo 24 en este ejemplo variará con el volumen de agua 20 que se soporta, que para un diámetro 56 dado variará con la altura 50 de la columna de agua. En esta disposición, la magnitud de la contrafuerza 46 puede ser generalmente proporcional a la cantidad de agua 20 retenida en el pozo 18. Para aumentar la magnitud de la contrafuerza 46, se puede añadir más agua 20. Para reducir la magnitud de la contrafuerza 46, puede eliminarse el agua 20 del interior 54.
La capa de aire comprimido 14 almacenado subyacente al mamparo 24 sirve, junto con la técnica mediante la cual el mamparo 24 se fija de manera estable al entorno en el suelo, en una alternativa a la piedra circundante en el suelo en la interfaz entre el acumulador 12 y el pozo 18, para soportar el mamparo 24 y la cantidad de líquido contenido dentro del pozo 18.
La presión a la que la cantidad de agua 20 se apoya contra el mamparo 24 y puede mantenerse de modo que la magnitud de la contrafuerza 46 sea igual, o casi igual, a la magnitud de la fuerza 41 del acumulador interna ejercida por el gas comprimido en la capa 14 de gas comprimido almacenada en el acumulador 12. En la realización ilustrada, el sistema operativo 10 para mantener una diferencia de presión (es decir, la diferencia entre la presión del gas dentro del acumulador 12 y la presión hidrostática en el extremo inferior 43 del pozo 18) dentro de una cantidad umbral, una cantidad preferiblemente entre 0 y 4 bar, tal como 2 bar, actuando la fuerza neta resultante sobre el mamparo 24 (es decir, la diferencia entre la fuerza 41 del acumulador interna y la contrafuerza 46) puede mantenerse por debajo de un límite de fuerza neta umbral predeterminado. Mantener la diferencia de presión neta y la magnitud de fuerza neta relacionada por debajo de un límite de diferencia de presión neta umbral puede ayudar a reducir la necesidad de que el mamparo 24 sea muy grande y altamente reforzado y, por consiguiente, relativamente caro. En realizaciones alternativas, usar un mamparo 24 relativamente más fuerte y/o una técnica de instalación para fijar el mamparo 24 al acumulador 12 puede ayudar a resistir una presión y un diferencial de presión neta relativamente más altos, pero puede ser más caro de construir e instalar, siendo todas las demás cosas iguales. De manera adicional, la altura 17 del acumulador 12 puede ser importante para la diferencia de presión: si la altura 17 es de aproximadamente 10 metros, entonces la presión ascendente sobre el mamparo 24 será 1 bar más alta que la presión descendente sobre el mamparo 24 desde el agua 20 en el pozo 18.
Cada uno del pozo 18 y el acumulador 12 pueden formarse en el suelo 200 usando técnicas similares a las usadas para producir pozos de minas y otras estructuras subterráneas.
Para ayudar a mantener las fuerzas 41 y 46 hacia fuera y hacia dentro respectivamente sustancialmente iguales en el mamparo 24, el sistema 10 puede utilizarse para ayudar a mantener una diferencia deseada en las presiones del acumulador y del pozo que está por debajo de una cantidad umbral. Estas presiones pueden controlarse añadiendo o eliminando gas del acumulador 12 de la capa 14 de gas comprimido usando cualquier subsistema 100 compresor/expansor adecuado y el agua puede transportarse entre la capa 16 de líquido y el agua 20 en el pozo 18.
En esta realización, se proporciona un conducto 22 de gas para transportar aire comprimido entre la capa 14 de gas comprimido y el subsistema 100 compresor/expansor, que puede convertir energía de aire comprimido a y desde electricidad. De manera similar, un conducto 40 de líquido está configurado para transportar agua entre la capa 16 de líquido y el agua 20 en el pozo 18. Cada conducto 22 y 40 puede formarse a partir de cualquier material adecuado, incluyendo metal, plástico y similares.
En este ejemplo, el conducto 22 de gas tiene un extremo superior 60 que está conectado al subsistema 100 compresor/expansor y un extremo inferior 62 que está en comunicación con la capa 14 de gas. El conducto 22 de gas está, en este ejemplo, colocado dentro y se extiende dentro del pozo 18 y pasa a través del mamparo 24 para alcanzar la capa 14 de gas. Colocar el conducto 22 de gas dentro del pozo 18 puede eliminar la necesidad de perforar un segundo pozo y/o punto de acceso desde la superficie al acumulador 12. Esta posición también puede dejar el conducto 22 de gas generalmente expuesto para su inspección y mantenimiento, por ejemplo, usando un buzo o robot que pueda desplazarse a través del agua 20 dentro del pozo 18 y/o drenando parte o toda el agua del pozo 18. Como alternativa, como se muestra usando líneas discontinuas en la figura de referencia 1 y en la realización de la figura 17, el conducto 22 de gas puede ser externo al pozo 18. Colocar el conducto 22 de gas fuera del pozo 18 puede ayudar a facilitar la colocación remota del subsistema 100 compresor/expansor (es decir, no es necesario que esté cerca del pozo 18) y puede no requerir que el exterior del conducto 22 de gas (o su alojamiento) esté sumergido en agua. Esto también puede eliminar la necesidad de que el conducto 22 de gas pase a través del tabique que separa el acumulador 12 del pozo 18.
El conducto 40 de líquido está, en este ejemplo, configurado con un extremo inferior 64 que está sumergido en la capa 16 de agua mientras el sistema 10 está en uso y un extremo 66 superior remoto que está en comunicación con el interior 54 del pozo 18. En esta configuración, el conducto 40 de líquido puede facilitar el intercambio de líquido entre la capa 16 de líquido y el agua 20 en el pozo 18. Como se ilustra en la figura de referencia 1, el conducto 40 de líquido puede pasar a través del mamparo 24 (como se describe en el presente documento) o, como alternativa, como se muestra usando líneas discontinuas, puede configurarse para proporcionar comunicación entre la capa 16 de líquido y el agua 20, pero no pasa a través del mamparo 24.
En esta disposición, a medida que se transfiere más gas a la capa 14 de gas durante un ciclo de acumulación, y su presión aumenta, en esta alternativa ligeramente, el agua en la capa 16 de agua puede desplazarse y forzarse hacia arriba a través del conducto 40 de líquido hacia el pozo 18 contra la presión del agua 20 en el pozo 18. Más particularmente, el agua puede fluir preferiblemente con libertad desde la parte inferior del acumulador 12 y hacia el pozo 18 y, finalmente, puede intercambiarse con la fuente/sumidero 150 de agua, a través de un conducto 58 de abastecimiento. Como alternativa, se puede proporcionar cualquier tipo adecuado de dispositivo de limitación o regulación de flujo (tal como una bomba, válvula, placa de orificio y similares) en el conducto 40 de agua. Cuando se elimina el gas de la capa 14 de gas, el agua puede forzarse desde el pozo 18, a través del conducto 40 de agua, para rellenar la capa 16 de agua. El flujo a través del conducto 58 de abastecimiento puede ayudar a garantizar que se pueda mantener una cantidad deseada de agua 20 dentro del pozo 18 a medida que el agua se fuerza dentro y fuera de la capa 16 de agua, ya que el exceso de agua 20 puede drenarse y el agua de reposición puede suministrarse al pozo 18. Esta disposición puede permitir que las presiones en el acumulador 12 y el pozo 18 se reequilibren automáticamente al menos parcialmente a medida que se fuerza el gas en el acumulador 12.
Preferiblemente, el extremo inferior 64 del conducto 40 de líquido se coloca de modo que esté y generalmente permanezca sumergido en la capa 16 de líquido mientras el sistema 10 está en uso, y no está en comunicación directa con la capa 14 de gas. En el ejemplo ilustrado, la pared inferior 15 es plana y es generalmente horizontal (paralela al plano 19 u opcionalmente dispuesta para tener una pendiente máxima de entre aproximadamente el 0,01 % y aproximadamente el 1 % y, opcionalmente, entre aproximadamente el 0,5% y aproximadamente el 1 %, desde la horizontal) y el extremo inferior 64 del conducto 40 de líquido se coloca cerca de la pared inferior 15. Si la pared inferior 15 no es plana o no es generalmente horizontal, el extremo inferior 64 del conducto 40 de líquido se ubica preferiblemente en un punto relativamente bajo del acumulador 12 para ayudar a reducir las posibilidades de que el extremo inferior 64 quede expuesto a la capa 14 de gas.
De manera similar, para ayudar a facilitar la extracción de gas de la capa de gas, el extremo inferior 62 del conducto 22 de gas se ubica preferiblemente cerca de la pared superior 13 o en un punto relativamente alto en el interior 23 del acumulador 12. Esto puede ayudar a reducir el atrapamiento de material de cualquier gas en el acumulador 12. Por ejemplo, si la pared superior 13 estuviera orientada en una pendiente, el punto en el que el conducto 22 de gas interactúa con la capa de gas (es decir, su extremo inferior 62) debería estar en un punto alto en el acumulador 12, para ayudar a evitar una retención significativa de gas.
La figura 5 es una vista esquemática de componentes del subsistema 100 compresor/expansor para el sistema 10 de almacenamiento de energía de gas comprimido descrito en el presente documento, de acuerdo con una realización. En este ejemplo, el subsistema 100 compresor/expansor incluye un compresor 112 de una o múltiples etapas, accionado por un motor 110 que se alimenta, en una alternativa, usando electricidad de una red eléctrica o por una fuente de energía renovable o similar, y opcionalmente controlado usando un controlador 118 adecuado. El compresor 112 está accionado por el motor 110 durante una etapa de acumulación de operación, y aspira aire atmosférico A, comprime el aire y lo fuerza hacia abajo en el conducto 22 de gas para su almacenamiento en el acumulador 12 (a través del subsistema 120 de almacenamiento térmico (véase la figura 6, por ejemplo) en realizaciones que incluyen el mismo). El subsistema 100 compresor/expansor también incluye un expansor 116 accionado por aire comprimido que sale del conducto 22 de gas durante una etapa de expansión de operación y, a su vez, que acciona el generador 114 para generar electricidad. Después de accionar el expansor 116, el aire expandido se transporta para salir a la atmósfera A. Aunque se muestran como aparatos separados, el compresor 112 y el expansor 116 pueden formar parte de un aparato común, al igual que un aparato de motor/generador híbrido. Opcionalmente, el motor y el generador pueden proporcionarse en una sola máquina.
El aire que entra o sale del subsistema 100 compresor/expansor puede acondicionarse antes de su entrada o salida. Por ejemplo, el aire que sale o entra en el subsistema 100 compresor/expansor puede calentarse y/o enfriarse para reducir los impactos ambientales no deseados o para hacer que el aire esté a una temperatura adecuada para un intervalo operativo eficiente de una etapa particular del compresor 112 o expansor 116.
El controlador 118 pone en funcionamiento el subsistema 100 compresor/expansor para conmutar entre las etapas de acumulación y expansión según sea necesario, incluyendo válvulas operativas para evitar o permitir la liberación de aire comprimido del conducto 22 de gas bajo demanda.
Opcionalmente, el mamparo 24 puede incluir una o más aberturas u otras estructuras adecuadas para alojar el conducto 22 de gas, el conducto 40 de líquido y otros conductos de este tipo, de modo que los conductos pasen a través del mamparo 24 para entrar en el interior 23 del acumulador 12. Pasar los conductos y otras estructuras de este tipo a través del mamparo 24 puede eliminar la necesidad de hacer pozos/perforaciones adicionales para llegar al acumulador 12 y puede reducir el número de aberturas individuales requeridas en la pared superior 13. Haciendo referencia a las figuras 2 a 4, extendiéndose a través del cuerpo principal 25 hay una primera abertura 28 para alojar el paso del conducto 22 de gas desde la parte superior del mamparo 24 en el pozo 18 a través de la capa 14 de gas dentro del acumulador 12. El conducto 22 de gas está preferiblemente sellado a/dentro de la primera abertura 28 para minimizar, y preferiblemente evitar, fugas u otra liberación incontrolada de gas comprimido dentro del acumulador 12 en el pozo 18 o agua 20 dentro del pozo 18 en el acumulador 12. También se extiende a través del mamparo 24 una segunda abertura 32 para alojar el paso del conducto 40 de líquido desde encima del mamparo 24 en el pozo 18 a través de la capa 16 de líquido dentro del acumulador 12. El conducto 40 de líquido está sellado dentro de la segunda abertura 32 para minimizar, y preferiblemente evitar, la liberación incontrolada de gas comprimido dentro del acumulador 12 en el pozo 18 o agua 20 dentro del pozo 18 en el acumulador 12 (excepto a través del conducto 40).
En esta realización, se proporciona una galería 30 de acceso que se puede abrir y volver a sellar para permitir el acceso de mantenimiento por parte del personal de mantenimiento al interior del acumulador 12, para su inspección y limpieza. Esto se haría cerrando la válvula 59 de control de flujo (figura de referencia 1) y vaciando el pozo 18 del líquido 20 y vaciando el acumulador 12 de gas comprimido para permitir de este modo que se abra la galería 30 de acceso y que el personal pase de un lado a otro. En cuanto al mamparo 24, son posibles variaciones. Por ejemplo, en una realización alternativa, el mamparo 24 solo puede tener una primera y segunda aberturas 28, 32, pero no una galería 30 de acceso. En una realización alternativa, el mamparo 24 puede incluir una galería 30 de acceso, pero no es necesario que contenga una primera y segunda aberturas 28, 32 y los conductos 22 y 40 no pasan a través del mamparo 24. En aún otra realización alternativa, el mamparo 24 no contiene galería de acceso ni aberturas, de modo que la comunicación fluida con el acumulador 12 no pase a través del mamparo 24. Opcionalmente, también se puede proporcionar una galería de acceso o similar en otros tipos de tabiques, que incluyen, por ejemplo, el saliente 200A como se muestra en la realización de la figura 17.
Opcionalmente, algunas realizaciones del sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido pueden incluir un subsistema de almacenamiento térmico que puede usarse para absorber calor del gas comprimido que se está dirigiendo al acumulador 12 (es decir, aguas abajo del compresor 112), secuestrar al menos una parte de la energía térmica durante un período y luego, opcionalmente, liberar al menos una parte del calor secuestrado de vuelta al gas que se está extrayendo/liberando del acumulador 12 (es decir, aguas arriba del expansor 116). En ejemplos de este tipo, el gas puede salir del subsistema 100 compresor/expansor, después de comprimirse, a una temperatura de salida de entre aproximadamente 180 °C y aproximadamente 300 °C y puede ser enfriado por el subsistema de almacenamiento térmico a una temperatura del acumulador que es menor que la temperatura de salida y puede estar entre aproximadamente 30 °C y aproximadamente 60 °C en algunos ejemplos.
La figura 6 es una vista esquemática de componentes de un sistema 10A de almacenamiento de energía de gas comprimido, de acuerdo con una realización alternativa. El sistema 10A de almacenamiento de energía de gas comprimido es como los sistemas 10 de almacenamiento de energía de gas comprimido, con la adición de un subsistema 120 de almacenamiento térmico que se proporciona en la trayectoria de flujo de gas entre el subsistema 100 compresor/expansor y el acumulador 12. En este ejemplo, el conducto 22 de gas que transporta el gas comprimido entre la capa 14 de gas comprimido y el subsistema 100 compresor/expansor incluye una parte superior 22A que se extiende entre el subsistema 100 compresor/expansor y el subsistema 120 de almacenamiento térmico, y una parte inferior 22B que se extiende entre el subsistema 120 de almacenamiento térmico y el acumulador 12.
El subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir cualquier tipo adecuado de aparato de almacenamiento térmico, incluyendo, por ejemplo, aparatos de almacenamiento latente y/o sensible. El aparato o aparatos de almacenamiento térmico pueden configurarse como aparato o aparatos de almacenamiento de una sola etapa, dos etapas y/o múltiples etapas. De manera similar, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir uno o más intercambiadores de calor (para transferir energía térmica dentro y/o fuera del subsistema 120 de almacenamiento térmico) y uno o más aparatos de almacenamiento (que incluyen, por ejemplo, depósitos de almacenamiento para contener fluidos de almacenamiento térmico y similares). Cualquiera de los aparatos de almacenamiento térmico puede estar separado o cerca de su intercambiador de calor asociado y también puede incorporar el intercambiador de calor asociado en un único aparato compuesto (es decir, en el que el intercambiador de calor está integrado dentro del depósito de almacenamiento).
El subsistema 120 de almacenamiento térmico, o partes del mismo, puede ubicarse en cualquier ubicación adecuada, incluyendo sobre tierra, bajo tierra, dentro del pozo 18, dentro del acumulador 12 y similares. Opcionalmente, las partes del subsistema 120 de almacenamiento térmico pueden estar separadas entre sí y ubicadas en diferentes ubicaciones. Por ejemplo, un intercambiador de calor usado en un subsistema 120 de almacenamiento térmico puede estar separado de (pero conectado de manera fluida a) un aparato de almacenamiento correspondiente. En ejemplos de este tipo, el aparato o aparatos de almacenamiento pueden estar ubicados relativamente profundos dentro del suelo, mientras que el intercambiador de calor puede ser relativamente menos profundo y/o puede proporcionarse sobre tierra para ayudar a facilitar el acceso, etc.
En la realización ilustrada, sustancialmente el subsistema 120 de almacenamiento térmico está ubicado bajo tierra, lo que puede ayudar a reducir el uso de terrenos sobre tierra y puede ayudar a facilitar el uso del peso de la tierra/roca para ayudar a contener la presión en el depósito de almacenamiento. Es decir, la presión que actúa hacia fuera dentro del depósito de almacenamiento puede equilibrarse sustancialmente por las fuerzas que actúan hacia dentro ejercidas por la tierra y la roca que rodea el primer depósito. En algunos ejemplos, si se proporciona un revestimiento u otro tipo de recipiente en el depósito de almacenamiento, unas estructuras de este tipo pueden soportar parte de la carga de presión, pero preferiblemente están aguantadas y/o soportadas por la tierra/roca circundante. Esto puede ayudar a facilitar la presurización del depósito de almacenamiento a las presiones de almacenamiento deseadas, sin la necesidad de proporcionar un recipiente a presión fabricado que sea capaz de resistir toda la diferencia de presión. En este ejemplo, el subsistema 120 de almacenamiento térmico también emplea múltiples etapas que incluyen, por ejemplo, múltiples etapas de almacenamiento térmico sensible y/o latente, tales como etapas que tienen uno o más materiales de cambio de fase y/o agua presurizada u otro fluido de transferencia de calor dispuesto en una cascada. Se observará que, si se pone en funcionamiento el sistema para ciclos parciales de almacenamiento/recuperación, los tamaños de las etapas pueden dimensionarse de acuerdo con los ciclos de tiempo de los materiales de cambio de fase de modo que los cambios de fase, que tardan tiempo, tengan lugar efectivamente dentro de los ciclos de tiempo requeridos.
En general, a medida que el subsistema 100 compresor/expansor comprime gas durante un ciclo de acumulación y se transporta para su almacenamiento hacia el acumulador 12, el calor del gas comprimido puede extraerse del gas comprimido y entrar en el subsistema 120 de almacenamiento térmico para un almacenamiento de calor sensible y/o latente. De esta forma, al menos una parte de la energía térmica se ahorra para su uso futuro en lugar de, por ejemplo, lixiviarse del gas comprimido en agua 20 o en la capa 16 de líquido y, en consecuencia, perderse sustancialmente (es decir, no recuperarse por el sistema 10).
De manera similar, durante un ciclo de expansión a medida que se libera gas del acumulador 12 hacia el subsistema 100 compresor/expansor, puede pasar opcionalmente a través del subsistema 120 de almacenamiento térmico para reabsorber al menos parte de la energía térmica almacenada en su camino hacia la etapa de expansión del subsistema 100 compresor/expansor. Ventajosamente, el gas comprimido, calentado en consecuencia, puede alcanzar el subsistema 100 compresor/expansor a una temperatura deseada (una temperatura de expansión, que es preferiblemente más cálida/más alta que la temperatura del acumulador), y puede estar dentro de aproximadamente 10 °C y aproximadamente 60 °C de la temperatura de salida en algunos ejemplos, que pueden ayudar a permitir que el expansor funcione dentro de su intervalo o intervalos de temperatura operativa relativamente eficientes, en lugar de tener que funcionar fuera del intervalo con gas comprimido más frío.
En algunas realizaciones, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede emplear al menos un material de cambio de fase, preferiblemente múltiples materiales de cambio de fase, múltiples etapas y materiales que pueden seleccionarse de acuerdo con la clasificación de temperatura que permite la captura del calor latente. Generalmente, el calor del material de cambio de fase puede ser útil para almacenar calor de aproximadamente 150 grados Celsius y más. El material se fija en su ubicación y el aire comprimido que se va a almacenar o expandir se hace fluir a través del material. En realizaciones que usan múltiples materiales de cambio de fase en cascada, cada material de cambio de fase diferente representa una etapa de almacenamiento, de modo que un primer tipo de material de cambio de fase puede cambiar de fase almacenando de este modo el calor a entre 200 y 250 grados Celsius, un segundo tipo de material de cambio de fase puede cambiar de fase almacenando de este modo el calor entre 175 y 200 grados Celsius y un tercer tipo de material de cambio de fase puede cambiar de fase almacenando de este modo el calor entre 150 y 175 grados Celsius. Un ejemplo de un material de cambio de fase que puede usarse con algunas realizaciones del sistema incluye una mezcla eutéctica de nitrato de sodio y nitrato de potasio o la sal de transferencia de calor HITEC® fabricada por Coastal Chemical Co. de Houston, Texas.
En realizaciones del subsistema 120 de almacenamiento térmico que emplean almacenamiento de calor sensible, puede emplearse agua presurizada o cualquier otro fluido/líquido y/o refrigerante de almacenamiento térmico adecuado como el medio de almacenamiento de calor sensible. Opcionalmente, tales sistemas pueden configurarse de modo que el líquido de almacenamiento térmico permanezca líquido mientras el sistema está en uso y no experimenta un cambio de fase significativo (es decir, no hierve para convertirse en un gas). Por ejemplo, unos líquidos de almacenamiento térmico de este tipo (por ejemplo, agua) pueden presurizarse y mantenerse a una presión operativa que sea suficiente para mantener generalmente el agua en su fase líquida durante el proceso de absorción de calor a medida que aumenta su temperatura. Opcionalmente, el agua presurizada puede pasar a través de un intercambiador de calor o series de intercambiadores de calor para capturar y devolver el calor hacia y desde la corriente de gas que está saliendo del acumulador, a través del conducto 22. Generalmente, el almacenamiento de calor sensible puede ser útil para almacenar calor a temperaturas de 100 grados Celsius y superiores. Presurizar el agua en estos sistemas puede ayudar a facilitar el calentamiento del agua a temperaturas muy por encima de 100 grados Celsius (aumentando de este modo su capacidad total de almacenamiento de energía) sin hervir.
Opcionalmente, en algunas realizaciones, un subsistema 120 de almacenamiento térmico puede combinar tanto etapas de almacenamiento de calor latente como sensible y puede usar materiales de cambio de fase con múltiples etapas o una sola etapa. Preferiblemente, particularmente para materiales de cambio de fase, el controlador 118 puede ajustar el número de etapas a través de las que se transporta el aire durante la compresión y la expansión. Esto puede ayudar al sistema 10 a adaptar su programa de almacenamiento y liberación térmica para que coincida con las condiciones operativas deseadas y/o requeridas.
Opcionalmente, al menos parte del conducto 22 de gas puede ser externo al pozo 18 para que no se sumerja en el agua 20 que se mantiene en el pozo 18. En algunas realizaciones preferidas, la corriente de gas comprimido transferirá su energía térmica al sistema 120 de almacenamiento térmico (por ejemplo, pasando a través de los intercambiadores 635 de calor descritos en el presente documento) antes de que el gas comprimido se desplace bajo tierra. Es decir, algunas partes del subsistema 120 de almacenamiento térmico y al menos la parte del conducto de gas que se extiende entre el subsistema 100 compresor/expansor y el subsistema 120 de almacenamiento térmico pueden proporcionarse sobre tierra, ya que puede ser generalmente deseable en algunas realizaciones transferir tanto exceso de calor del gas al subsistema 120 de almacenamiento térmico y reducir la probabilidad de que el calor se transfiera/pierda en el agua 20, el suelo u otros posibles disipadores de calor a lo largo del conducto 22 de gas. Se pueden aplicar consideraciones similares durante la etapa de expansión, ya que puede ser deseable que el gas calentado se desplace desde el subsistema 120 de almacenamiento térmico al subsistema 100 compresor/expansor a una temperatura deseada y reducir mientras el calor perdido en tránsito.
Haciendo referencia a la figura 18, un ejemplo del subsistema 120 de almacenamiento térmico que puede usarse para transferir energía térmica de la corriente de gas comprimido que se desplaza entre el subsistema 100 compresor/expansor de gas y el acumulador 12 está configurado para almacenar energía térmica en un líquido 600 de almacenamiento térmico. Opcionalmente, el líquido 600 de almacenamiento térmico puede presurizarse en el subsistema 120 de almacenamiento térmico a una presión de almacenamiento que es más alta que la presión atmosférica y puede ser opcionalmente generalmente igual o mayor que la presión del acumulador. Armonizar la presión de almacenamiento en el subsistema 120 de almacenamiento térmico y el acumulador 12 puede ayudar a facilitar configuraciones en las que hay al menos alguna comunicación fluida entre el subsistema 120 de almacenamiento térmico y el acumulador 12 (incluyendo las descritas en el presente documento). En algunos ejemplos, la presión de almacenamiento puede estar entre aproximadamente el 100 % y aproximadamente el 200 % de la presión del acumulador.
Presurizar el líquido 600 de almacenamiento térmico de esta manera puede permitir que el líquido 600 de almacenamiento térmico se caliente a temperaturas relativamente más altas (es decir, almacene relativamente más energía térmica y en un grado más valioso) sin hervir, en comparación con el mismo líquido a presión atmosférica. Es<decir, el líquido>600<de almacenamiento térmico puede presurizarse a una presión de almacenamiento y calentarse a>una temperatura de almacenamiento térmico de modo que el líquido 600 de almacenamiento térmico se mantenga como un líquido mientras el sistema está en uso (lo que puede ayudar a reducir la pérdida de energía a través del cambio de fase del líquido de almacenamiento térmico). En las realizaciones ilustradas, la temperatura de almacenamiento puede estar entre aproximadamente 150 y aproximadamente 500 grados Celsius, y preferiblemente puede estar entre aproximadamente 150 y 350 grados Celsius. La temperatura de almacenamiento está preferiblemente por debajo de una temperatura de ebullición del líquido 600 de almacenamiento térmico cuando está a la presión de almacenamiento, pero puede ser, y en algunos casos será preferiblemente, la temperatura de ebullición superior del líquido 600 de almacenamiento térmico si estuviera a presión atmosférica. En este ejemplo, el líquido 600 de almacenamiento térmico puede ser agua pero, en otras realizaciones, pueden ser fluidos de transferencia/almacenamiento de calor de ingeniería, refrigerantes, aceites y similares. Cuando está suficientemente presurizada, el agua puede calentarse a una temperatura de almacenamiento de aproximadamente 250 grados Celsius sin hervir, mientras que el agua a esa temperatura herviría a presión atmosférica.
Opcionalmente, el líquido 600 de almacenamiento térmico puede hacerse circular a través de un intercambiador de calor adecuado para recibir calor de la corriente de gas comprimido que se desplaza a través del conducto 22 de suministro de gas (aguas abajo del subsistema 100 compresor/expansor). El líquido 600 de almacenamiento térmico calentado puede recogerse y almacenarse en un depósito de almacenamiento adecuado (o más de un depósito de almacenamiento) que puede retener el líquido 600 de almacenamiento térmico calentado y puede presurizarse a una presión de almacenamiento que es mayor que la presión atmosférica (y puede estar entre aproximadamente 10 y 60 bar, puede estar entre aproximadamente 30 y 45 bar y entre aproximadamente 20 y 26 bar).
El depósito de almacenamiento puede ser cualquier tipo adecuado de estructura, incluyendo una cámara/cavidad subterránea (por ejemplo, formada dentro del terreno circundante 200) o un tanque fabricado, contenedor, una combinación de un tanque fabricado y cámara/cavidad subterránea o similares. Si está configurada para incluir una cámara subterránea, la cámara puede revestirse opcionalmente para ayudar a proporcionar un nivel deseado de impermeabilidad a líquidos y gases y/o aislamiento térmico. Por ejemplo, las cámaras subterráneas pueden estar revestidas al menos parcialmente con hormigón, polímeros, caucho, plásticos, geotextiles, materiales compuestos, metal y similares. Configurar el depósito de almacenamiento para que sea al menos parcialmente, y preferiblemente al menos sustancialmente, impermeable puede ayudar a facilitar la presurización del depósito de almacenamiento como se describe en el presente documento. Los tanques fabricados pueden formarse a partir de cualquier material adecuado, incluyendo hormigón, metal, plástico, vidrio, cerámica, materiales compuestos y similares. Opcionalmente, el tanque fabricado puede incluir hormigón que está reforzado usando metal, plástico reforzado con fibra, cerámica, vidrio o similares, lo que puede ayudar a reducir la diferencia de expansión térmica entre el hormigón y el material de refuerzo.
Haciendo referencia aún a la figura 18, en esta realización el depósito 610 de almacenamiento del subsistema 120 de almacenamiento térmico incluye una cámara 615 que está colocada bajo tierra, a una profundidad 660 del depósito. Preferiblemente, la profundidad 660 del depósito es menor que la profundidad del acumulador 12, que en este ejemplo corresponde a la altura 50 del pozo. Opcionalmente, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede configurarse de modo que la profundidad 660 del depósito sea al menos aproximadamente 1/3 de la profundidad del acumulador/altura 50 del pozo o más. Por ejemplo, si el acumulador 12 está a una profundidad de aproximadamente 300 m, la profundidad 660 del depósito es preferiblemente de aproximadamente 100 m o más. Por ejemplo, hacer que la profundidad 660 del depósito sea menor que la profundidad 50 del acumulador puede ayudar a facilitar que una altura de succión positiva neta suficiente esté disponible para las bombas de transferencia de fluido y otros equipos utilizados para bombear el líquido 600 de almacenamiento térmico a través del subsistema 120 de almacenamiento térmico (por ejemplo, entre el depósito 606 fuente y el depósito 610 de almacenamiento). Esto puede permitir que las bombas de transferencia se coloquen convenientemente sobre tierra y puede ayudar a reducir las posibilidades de que se produzca una cavitación dañina.
La profundidad 660 del depósito que es al menos 1/3 de la profundidad 50 del acumulador 12 también puede permitir una estabilidad de roca relativamente mayor de la caverna de almacenamiento térmico subterráneo, tal como la cámara 615. El gradiente geostático, que proporciona un límite superior de presión dentro de las cavernas de roca subterráneas, es normalmente aproximadamente 2 , 5 - 3 veces el gradiente hidrostático. Dado este criterio de estabilidad de la roca, la profundidad 660 del depósito más superficial puede ser aproximadamente tres veces menor que la profundidad del acumulador en algunas realizaciones, tal como cuando la presión de almacenamiento es generalmente igual que la presión del acumulador.
En este ejemplo, la cámara 615 es una única cámara que tiene un interior 616 de la cámara que está definido al menos parcialmente por una pared inferior 620 de la cámara, una pared superior 651 de la cámara y una pared lateral 621 de la cámara. La cámara 615 está conectada a un extremo de un paso 630 de entrada de líquido (tal como una tubería u otro conducto adecuado) por lo que el líquido 600 de almacenamiento térmico puede transferirse dentro y/o fuera de la cámara 615. Además de la capa de líquido 600 de almacenamiento térmico, una capa de gas 602 de cobertura está contenida en la cámara 615 y se superpone al líquido 600 de almacenamiento térmico. Al igual que la disposición usada para el acumulador 12, la capa de gas 602 de cobertura puede presurizarse usando cualquier mecanismo adecuado para ayudar a presurizar el interior de la cámara 615 y ayudar de este modo a presurizar el líquido 600 de almacenamiento térmico. El gas de cobertura puede ser cualquier gas adecuado, incluyendo aire, nitrógeno, vapor de líquido de almacenamiento térmico, un gas inerte y similares. Opcionalmente, al menos las partes subterráneas del paso 630 de entrada de líquido (es decir, las partes que se extienden entre el intercambiador 635 de calor y el depósito 610 de almacenamiento) pueden aislarse (tal como mediante un manguito de vacío o material de aislamiento) para ayudar a reducir la transferencia de calor entre el fluido de almacenamiento térmico y el suelo circundante.
Cuando el subsistema 120 de almacenamiento térmico está en uso, se puede proporcionar un suministro de líquido de almacenamiento térmico desde cualquier fuente 605 de líquido de almacenamiento térmico adecuada. La fuente de líquido de almacenamiento térmico se puede mantener a una presión fuente que puede ser la misma que la presión de almacenamiento o puede ser diferente de la presión de almacenamiento. Por ejemplo, la fuente de líquido de almacenamiento térmico puede estar aproximadamente a presión atmosférica, lo que puede reducir la necesidad de proporcionar un recipiente a presión relativamente fuerte para la fuente de líquido de almacenamiento térmico. Como alternativa, la fuente de líquido de almacenamiento térmico puede estar presurizada. La fuente de líquido de almacenamiento térmico también se puede mantener a una temperatura fuente que es más baja y, opcionalmente, sustancialmente más baja que la temperatura de almacenamiento. Por ejemplo, la fuente de líquido de almacenamiento térmico puede estar a temperaturas de entre aproximadamente 2 y aproximadamente 100 grados Celsius y puede estar entre aproximadamente 4 y aproximadamente 50 grados Celsius. El aumento de la diferencia de temperatura entre el líquido de almacenamiento térmico entrante desde la fuente y la temperatura de almacenamiento puede ayudar a aumentar la cantidad de calor y/o energía térmica que se puede almacenar en el subsistema 120 de almacenamiento térmico.
La fuente 605 de líquido de almacenamiento térmico puede tener cualquier configuración adecuada y puede tener la misma construcción que un depósito de almacenamiento asociado o puede tener una configuración diferente. Por ejemplo, en la realización de la figura 18, la fuente 605 de líquido de almacenamiento térmico incluye un depósito 606 fuente que está configurado en la misma cámara subterránea que la cámara 615 de almacenamiento de fluido térmico. En esta disposición, se puede proporcionar un sistema de bucle cerrado, que incluye el depósito 610 de almacenamiento y el depósito 606 fuente. Como alternativa, como se muestra en la realización de la figura 19, la fuente 605 de líquido de almacenamiento térmico puede incluir un depósito 606 fuente que está configurado como un recipiente sobre tierra y opcionalmente no necesita presurizarse sustancialmente por encima de la presión atmosférica. En otras realizaciones, la fuente 605 de líquido térmico puede incluir una masa de agua tal como el lago 150, agua 20 del pozo 18, líquido de la capa 16 de líquido en el acumulador 12 (o de cualquier otra parte del sistema general 10), agua de un suministro de agua municipal u otras fuentes de este tipo y combinaciones de los mismos.
En la realización de la figura 18, el depósito 606 fuente y el depósito 610 de almacenamiento son adyacentes entre sí y son partes de una cámara subterránea generalmente común. Esto puede ayudar a simplificar la construcción del subsistema 120 de almacenamiento térmico ya que una excavación de una única cámara puede proporcionar espacio tanto para el depósito 606 fuente como para el depósito 610 de almacenamiento. Esto también puede ayudar a simplificar las tuberías y las válvulas entre el depósito 606 fuente y el depósito 610 de almacenamiento.
En algunos ejemplos, los interiores del depósito 610 de almacenamiento y el depósito 606 fuente pueden estar sustancialmente aislados de manera fluida entre sí, de modo que ni el gas ni el líquido pueden pasar fácil/libremente entre los depósitos 606 y 610. En la figura 19, se muestra un ejemplo de un subsistema 120 que tiene esta disposición.
Como alternativa, como se ilustra en la figura 18, los interiores del depósito 610 de almacenamiento y el depósito 606 fuente pueden estar en comunicación de flujo de gas entre sí, tal como proporcionando el paso 626 de intercambio de gas que puede conectar la capa de gas 602 de cobertura con una capa del gas 608 de cobertura en el depósito 606 fuente. El paso 626 de intercambio de gas puede configurarse para permitir un flujo de gas bidireccional libre entre el depósito 610 de almacenamiento y el depósito 606 fuente o puede configurarse para permitir únicamente un flujo de gas unidireccional (en cualquier dirección). Proporcionar un flujo libre de gas entre el depósito 610 de almacenamiento y el depósito 606 fuente puede ayudar a igualar automáticamente las presiones dentro del depósito 610 de almacenamiento y el depósito 606 fuente. Preferentemente, cuando se dispone de esta manera, el interior del depósito 610 de almacenamiento permanece al menos parcialmente aislado del interior del depósito 606 fuente durante el funcionamiento normal para inhibir, y preferiblemente evitar, la mezcla del gas 602 de cobertura relativamente caliente asociado con el líquido 600 de almacenamiento térmico en el depósito 610 de almacenamiento con el gas 608 de cobertura relativamente más frío asociado con el líquido de almacenamiento térmico en el depósito 606 fuente. En este ejemplo, el depósito 610 de almacenamiento y el depósito 606 fuente comparten una pared lateral común, que puede funcionar como una barrera aislante 625 para evitar la mezcla de líquido entre los depósitos. Esta pared lateral común puede estar aislada para evitar la transferencia de calor no deseada desde el líquido 600 de almacenamiento térmico relativamente caliente en el depósito 610 de almacenamiento al líquido de almacenamiento térmico relativamente más frío en el depósito 606 fuente.
Cuando el sistema 10H de almacenamiento de energía de gas comprimido está en un modo de carga, el gas comprimido se dirige al acumulador 12 y el líquido 600 de almacenamiento térmico puede extraerse de la fuente 605 de líquido de almacenamiento térmico, pasando a través de un lado de un intercambiador 635 de calor adecuado (incluyendo una o más etapas de intercambiador de calor) para recibir energía térmica de la corriente de gas comprimido que sale del subsistema 100 compresor/expansor y luego se transporta/bombea a través del paso 630 de entrada de líquido y al depósito 610 de almacenamiento para su almacenamiento a la presión de almacenamiento.
Cuando el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en un modo de almacenamiento, el gas comprimido no fluye ni hacia dentro ni hacia fuera del acumulador 12 ni a través del intercambiador 635 de calor y el líquido 600 de almacenamiento térmico no necesita circular a través del intercambiador 635 de calor.
Cuando el sistema 10H de almacenamiento de energía de gas comprimido está en un modo de descarga, el gas comprimido que se transfiere desde el acumulador 12 y al subsistema 100 compresor/expansor para su expansión y el líquido 600 de almacenamiento térmico puede extraerse del depósito 610 de almacenamiento, pasar a través de un lado de un intercambiador 635 de calor adecuado (que incluye una o más etapas de intercambiador de calor) para transferir energía térmica desde el líquido de almacenamiento térmico a la corriente de gas comprimido para ayudar a aumentar la temperatura de la corriente de gas antes de que entre en el subsistema 100 compresor/expansor. Opcionalmente, el fluido de almacenamiento térmico se puede transportar/bombear a continuación al depósito 606 fuente para su almacenamiento.
Cuando el sistema 10I de almacenamiento de energía de gas comprimido está en modo de carga, el líquido 600 de almacenamiento térmico recibe energía térmica del gas comprimido y se transporta al depósito 610 de almacenamiento y mientras el sistema 10I de almacenamiento térmico está en modo de descarga, el líquido 600 de almacenamiento se extrae del depósito 600 de almacenamiento y transfiere energía térmica al gas comprimido que sale del acumulador 12 (preferiblemente antes de que alcance el subsistema 100 compresor/expansor).
El líquido 600 de almacenamiento térmico puede transportarse a través de las diversas partes del subsistema 120 de almacenamiento térmico usando cualquier combinación adecuada de bombas, válvulas, mecanismos de control de flujo y similares. Opcionalmente, puede proporcionarse una bomba de extracción en comunicación fluida con el depósito 610 de almacenamiento, y opcionalmente anidada al menos parcialmente dentro de este, para ayudar a bombear el líquido 600 de almacenamiento térmico desde el depósito 610 de almacenamiento hasta la superficie. Una bomba de este tipo puede ser una bomba de tipo sumergible y/o puede configurarse de modo que la bomba y su motor de accionamiento estén ubicados dentro del depósito 610 de almacenamiento. Como alternativa, la bomba puede configurarse como una bomba de cavidad progresiva que tiene un conjunto 668 de estátor y rotor (que incluye un rotor recibido de manera giratoria dentro de un estátor) proporcionado en el depósito 610 de almacenamiento y colocado para estar al menos parcialmente sumergido en el líquido 600 de almacenamiento térmico, un motor 670 que está separado del conjunto 668 de estátor y rotor (en la superficie en este ejemplo) y un árbol 672 de accionamiento que se extiende entre ellos. En este ejemplo, el árbol 672 de accionamiento está anidado dentro del paso 630 de entrada de líquido que se extiende hasta el depósito 610 de almacenamiento, pero como alternativa puede estar en otras ubicaciones.
Opcionalmente, para ayudar a presurizar el depósito 610 de almacenamiento, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir cualquier tipo adecuado de sistema de presurización y puede incluir un sistema de compresor de almacenamiento térmico que puede ayudar a presurizar la capa de gas 602 de cobertura en el depósito de almacenamiento. Esto puede incluir un compresor 664 de almacenamiento térmico, como se muestra en las figuras 18 y 19, por ejemplo, que está en comunicación fluida con la capa 602 de gas de cobertura. El propio compresor puede estar en la superficie y puede estar conectado a la capa 602 de gas de cobertura mediante un conducto 666 de gas de compresor que puede estar separado o al menos parcialmente integrado con el paso 630 de entrada de líquido. Opcionalmente, el compresor 664 puede configurarse para elevar la presión de la capa 602 de gas de cobertura desde la presión atmosférica hasta la presión de almacenamiento. El compresor 664 y cualquier otro aspecto del subsistema 120 de almacenamiento térmico pueden controlarse automáticamente, al menos parcialmente, por el controlador 118. Aunque se muestra como un compresor 664 separado, la presión para el depósito 610 de almacenamiento puede estar proporcionada, al menos parcialmente, por el subsistema 100 compresor/expansor.
Opcionalmente, como se muestra en los ejemplos de las figuras 19 y 21, la capa 602 de gas de cobertura puede estar en comunicación fluida con la capa 14 de gas comprimido en el acumulador 12, por ejemplo, a través del paso 626 de intercambio de gas. En ejemplos de este tipo, presionar el acumulador 12 también puede provocar la presurización simultánea del depósito 610 de almacenamiento y elevar la presión de la capa 602 de gas de cobertura a la presión del acumulador. En las realizaciones en las que el depósito 610 de almacenamiento se va a presurizar a la misma presión que el acumulador, esta puede ser una presurización suficiente del depósito 610 de almacenamiento.
Como alternativa, si la presión de almacenamiento va a ser más alta que la presión del acumulador, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir una válvula, un dispositivo de control de flujo unidireccional u otro dispositivo de limitación de flujo de este tipo que pueda permitir que el gas se mueva desde el acumulador 12 al interior del depósito 610 de almacenamiento para presurizar el depósito 610 de almacenamiento a la presión del acumulador y pueda evitar que el gas que se desplaza escape desde el depósito 610 de almacenamiento al acumulador 12. Esto puede permitir que el depósito 610 de almacenamiento esté al menos parcialmente presurizado por la capa 14 de gas del acumulador 12, y luego aislado y presurizado además usando un sistema de presurización adecuado (tal como el compresor 664).
En otras realizaciones, el depósito 610 de almacenamiento y la capa 602 de gas de cobertura en el mismo pueden presurizarse usando otros medios, incluyendo otros mecanismos de compresión mecánica, y pueden ser opcionalmente al menos parcialmente autopresurizables. Es decir, el depósito 610 de almacenamiento puede comenzar a una presión relativamente baja y, a medida que el líquido 600 de almacenamiento térmico se calienta, una parte relativamente pequeña del líquido 600 de almacenamiento térmico puede hervir y convertirse en una fase de vapor. El vapor puede formar entonces al menos parte de la capa 602 de gas de cobertura y puede aumentar la presión dentro del depósito 610 de almacenamiento a una presión generalmente de equilibrio de modo que se inhiba la ebullición adicional, a una temperatura dada. A medida que la temperatura del líquido 600 de almacenamiento térmico continúa aumentando, cantidades adicionales del líquido 600 de almacenamiento térmico pueden convertirse en fase de vapor aumentando de este modo la presión general del depósito 610 de almacenamiento y alcanzando un nuevo equilibrio con la fase líquida. Esto puede ser suficiente para presurizar el depósito 610 de almacenamiento a la presión de almacenamiento o el subsistema 120 también puede incluir uno o más sistemas de presurización adicionales, incluyendo cualquiera de los descritos en el presente documento.
En el ejemplo de la figura 19, la fuente 605 de líquido de almacenamiento térmico, p. ej., el depósito 606 fuente está ubicado sobre tierra y el depósito 610 de almacenamiento está ubicado bajo tierra y es adyacente al acumulador 12. En esta disposición, la profundidad del depósito 610 de almacenamiento es la misma que la profundidad del acumulador 12. Para mantener el líquido 600 de almacenamiento térmico separado de la capa 16 de líquido, hay una barrera aislante 625. Opcionalmente, el interior 616 de la cámara puede estar cubierto al menos parcialmente en un revestimiento 617 de almacenamiento que es, de manera preferible, sustancialmente impermeable al vapor y al líquido a la presión de almacenamiento.
En esta realización, la barrera aislante 625 incluye un paso 626 de intercambio de gas que permite que la capa presurizada de gas 602 de cobertura se comunique con la capa 14 de gas dentro del acumulador 12, lo que permite la mezcla del gas 602 y la capa 14 de gas que permite que el depósito 610 de almacenamiento esté al menos parcialmente presurizado cuando el acumulador 12 está presurizado. Opcionalmente, la comunicación fluida a través del paso 626 de intercambio de gas puede controlarse direccionalmente por un regulador 628 de flujo (por ejemplo, una válvula antirretorno) de modo que, por ejemplo, la capa presurizada de gas 602 de cobertura no pueda entrar en el acumulador 12 a través del paso 626 de intercambio de gas, pero el gas 14 del acumulador 12 pueda entrar en la cámara 615 del depósito 610 de almacenamiento permitiendo que el gas 14 en el acumulador presurice inicialmente el primer depósito 610 de almacenamiento. Esto puede permitir que el depósito 610 de almacenamiento esté al menos parcialmente presurizado por la capa 14 de gas del acumulador 12, y luego aislado y presurizado además usando un sistema de presurización adecuado (tal como el compresor 664).
En esta realización, el paso 630 de entrada de líquido incluye un paso 629 de entrada de líquido superior y un paso 631 de entrada de líquido inferior. Cuando el sistema 10I de almacenamiento de energía comprimida está en un modo de carga, el paso 629 de entrada de líquido superior transporta el líquido 600 de almacenamiento térmico desde el depósito 606 fuente a un primer intercambiador 635 de calor donde se calienta a una temperatura de almacenamiento (por debajo de una temperatura de ebullición del líquido de almacenamiento térmico cuando está a la presión de almacenamiento y es la temperatura de ebullición superior del líquido de almacenamiento térmico cuando está a presión atmosférica) antes de que el paso 631 de entrada de líquido inferior transporte el líquido de almacenamiento térmico calentado a una temperatura de almacenamiento al primer depósito 610 de almacenamiento. Solo para mayor certeza, el fluido 600 de almacenamiento térmico en el depósito 606 fuente está a una temperatura fuente que es menor que la temperatura de almacenamiento descrita anteriormente. Se puede usar una configuración análoga en otras realizaciones.
Cuando el sistema 10I de almacenamiento de energía de gas comprimido está en un modo de descarga, el gas comprimido se transfiere desde el acumulador 12 y al subsistema 100 compresor/expansor para su expansión y el líquido 600 de almacenamiento térmico puede extraerse del depósito 610 de almacenamiento, pasar a través de un lado de un intercambiador 635 de calor adecuado (que incluye una o más etapas de intercambiador de calor) para transferir energía térmica desde el líquido de almacenamiento térmico a la corriente de gas comprimido para ayudar a aumentar la temperatura de la corriente de gas antes de que entre en el subsistema 100 compresor/expansor, como se ilustra por la flecha 632. Opcionalmente, el fluido de almacenamiento térmico puede transportarse/bombearse luego al interior del depósito 606 fuente para su almacenamiento.
Opcionalmente, en algunas realizaciones, el depósito 610 de almacenamiento puede incluir una cámara exterior o parte de cubierta que está configurada para resistir la presurización deseada descrita en el presente documento y al menos una cámara interior que está configurada para recibir y retener el líquido de almacenamiento térmico calentado y, opcionalmente, puede incluir dos o más cámaras interiores dentro de una cámara exterior común. En algunos ejemplos, el interior de la cámara interior puede estar en comunicación fluida con el interior de la cámara exterior. Esto puede permitir que la cámara interior retenga el fluido de transferencia térmica sin tener que ser un recipiente que soporta presión o llevar de otra manera una diferencia de presión sustancial a través del límite de la cámara interior. Por ejemplo, la cámara exterior puede ser una cámara formada en el suelo. Una cámara de este tipo puede ser lo suficientemente fuerte como para resistir las presiones operativas previstas del sistema 120 de almacenamiento térmico, pero puede no ser la configuración preferida para contactar directamente y retener el fluido de almacenamiento térmico. Para ayudar a proporcionar el almacenamiento de líquido deseado, una cámara interior en forma de un tanque u otro recipiente de retención de líquido puede colocarse dentro de la cámara exterior. El líquido de almacenamiento térmico calentado puede almacenarse entonces en el tanque, bajo una capa de gas de cobertura asociada. El extremo superior del tanque puede estar al menos parcialmente abierto, de modo que la capa de gas de cobertura en la cámara interior esté en comunicación y, por lo tanto, esté a la misma presión que la capa de gas de cobertura de la cámara exterior. En esta disposición, el tanque interior no necesita soportar una carga de presión sustancial (simplemente la presión hidrostática ejercida por la cantidad de líquido de almacenamiento térmico en el tanque) y, por lo tanto, puede ser de construcción relativamente ligera, en comparación con un recipiente que soporta presión que se requeriría para resistir la presión de almacenamiento. En algunos ejemplos, pueden colocarse dos o más tanques separados dentro de una cámara exterior común y pueden mantenerse a una presión común de esta manera.
Haciendo referencia a las figuras 20A y 20B, en este ejemplo, el depósito 610 de almacenamiento incluye una cámara exterior 615 que tiene un interior 616 de la cámara que está definido al menos parcialmente por una pared inferior 620 de la cámara, una pared superior 651 de la cámara y una pared lateral 621 de la cámara. Una cámara interior incluye un tanque 684, que está dispuesto dentro del interior 616 de la cámara e incluye una pared inferior 686 del tanque y una pared lateral 688 de tanque que juntas ayudan a definir un interior 690 de tanque. El líquido 600 de almacenamiento térmico y la capa de gas 602 de cobertura están contenidos dentro del tanque 684. El extremo superior del tanque 684 está abierto en este ejemplo, proporcionando una comunicación fluida entre el interior 616 de la cámara y la capa 602 de gas de cobertura. El tanque 684 puede estar hecho de cualquier material adecuado, incluyendo, por ejemplo, metal, hormigón, plástico, vidrio, cerámica, materiales compuestos y combinaciones de los mismos. El tanque 684 es preferiblemente impermeable a los líquidos, pero no necesita ser impermeable al vapor.
En esta disposición, la presión de almacenamiento está soportada por las paredes 620, 651 y 621 relativamente fuertes de la cámara exterior 615 y, opcionalmente, el tanque 684 no necesita ser lo suficientemente fuerte para resistir la presión de almacenamiento total.
Opcionalmente, la pared 686 inferior del tanque puede estar separada por encima de la pared 620 inferior de la cámara por una altura 692 de desplazamiento. De la misma manera, la pared 688 lateral del tanque puede estar separada hacia dentro de la pared lateral 621 de la cámara por una distancia 694 de desplazamiento. Esto puede ayudar a proporcionar aislamiento térmico del tanque 684 rodeándolo con gas y puede permitir que el tanque 684 tenga una forma deseada que puede ser diferente de la forma/contorno de la pared inferior 620 de la cámara y la pared lateral 621 de la cámara. La altura y distancia 692 y 694 de desplazamiento pueden ser cualquier distancia adecuada y pueden estar entre 10 cm y aproximadamente 10 m o más.
Opcionalmente, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede configurarse para proporcionar al menos algún grado de aislamiento térmico entre el líquido 600 de almacenamiento térmico calentado en el primer depósito 610 y el entorno circundante. Por ejemplo, si el depósito 610 de almacenamiento está configurado como una cámara subterránea en la que el líquido 600 de almacenamiento térmico está en contacto con las paredes de la cámara (es decir, la roca circundante), el calor puede transferirse desde el líquido 600 de almacenamiento térmico al suelo/roca circundante. Proporcionar aislamiento térmico puede ayudar a reducir la cantidad de calor que se escapa del líquido 600 de almacenamiento térmico mientras se almacena. Esto puede ayudar a evitar que se desarrollen tensiones térmicas en la roca y, de este modo, ayudar a mejorar la estabilidad de la caverna. De manera similar, esto también puede ayudar a mejorar la eficiencia general del subsistema 120 de almacenamiento térmico y/o el sistema 10. Preferiblemente, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir al menos una capa de aislamiento térmico, que puede incluir una o más capas de material aislante físico (tal como fibra de vidrio, plástico, material refractario, cerámica y similares) y/o una o más capas de gas y/o una o más capas de vacío entre el líquido de almacenamiento térmico a alta temperatura en el depósito de almacenamiento y el entorno ambiental.
Para ayudar a proporcionar un aislamiento térmico de este tipo, las paredes de la cámara (por ejemplo, la pared inferior 620 y la pared lateral 621) en las realizaciones descritas pueden estar provistas de una capa de material aislante. Como alternativa, o además de un aislamiento de este tipo, las realizaciones que utilizan una cámara interior separada, tal como el tanque 684 en la realización de las figuras 20A y 20B, pueden configurarse para incluir huecos 696 debido a las distancias 692 y 694 de desplazamiento en las que puede acumularse el aire o cualquier otro gas adecuado. Unos espacios de aire de este tipo pueden funcionar como capas de gas aislantes de pared inferior y pared lateral, como contacto directo, y la transferencia de calor conductiva asociada, entre las paredes 686 y 688 de tanque y las paredes 620 y 621 de la cámara se elimina sustancialmente. Unas realizaciones de este tipo también pueden utilizar una o más capas de material aislante físico en las diversas paredes de la cámara interior 684.
Opcionalmente, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir un sistema de enfriamiento de depósito que puede ponerse en funcionamiento de manera selectiva para reducir la temperatura del depósito 610 de almacenamiento. El sistema de enfriamiento del depósito puede controlarse al menos parcialmente de manera automática por el controlador 118 (o controlador análogo) basándose en las características del subsistema 120 de almacenamiento térmico, tales como temperaturas y/o presiones dentro del depósito de almacenamiento que están por encima de un umbral superior predeterminado.
El sistema de enfriamiento de depósito puede incluir cualquier tipo de sistema de enfriamiento de circuito cerrado, incluidos intercambiadores de calor y similares. También se puede poner en funcionamiento para introducir líquido relativamente frío en el depósito 610 de almacenamiento para mezclarlo directamente con el líquido 600 de almacenamiento térmico o sobre la cámara exterior o las paredes de la cámara interior para proporcionar enfriamiento superficial y/o se puede poner en funcionamiento para drenar al menos parte del líquido 600 de almacenamiento térmico caliente del depósito 610 de almacenamiento a una cámara de enfriamiento/mezcla secundaria. Proporcionar una mezcla y/o drenaje directo de líquido desde dentro del depósito 610 de almacenamiento puede proporcionar un enfriamiento relativamente rápido y puede ser muy adecuado para el enfriamiento en condiciones de sobrecalentamiento/sobrepresurización de emergencia. Opcionalmente, el sistema de enfriamiento de depósito para el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir una cantidad de líquido de enfriamiento que se almacena a una temperatura de enfriamiento (que es inferior a la temperatura de almacenamiento y puede ser similar o igual a la temperatura fuente) en una cámara de enfriamiento. El líquido de enfriamiento puede ser el mismo que el líquido 600 de almacenamiento térmico o puede ser un líquido diferente. La cámara de enfriamiento puede ser la misma que el depósito de almacenamiento o la cámara de salida o puede ser la misma que el depósito fuente o puede ser una cámara diferente. Opcionalmente, el sistema de enfriamiento de depósito para el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir un sistema de circulación de gas que transporta el gas 602 de cobertura a un intercambiador de calor que agota una parte de la energía térmica contenida con el gas de cobertura al entorno, tal como un enfriador aéreo.
Haciendo referencia a la figura 21, las realizaciones de un sistema de enfriamiento de depósito están configuradas de modo que el depósito 606 fuente funcione como una cámara 674 de enfriamiento y contiene líquido de almacenamiento térmico adicional (aún no calentado por el intercambiador 635 de calor) que funciona como el líquido de enfriamiento. Se proporciona una bomba 676 a lo largo de un conducto 678 de líquido de enfriamiento (que también puede incluir una válvula 680 u otro equipo) para introducir al menos parte del líquido de enfriamiento de la cámara 674 de enfriamiento en el depósito 610 de almacenamiento, diluyendo y reduciendo de este modo la temperatura del líquido 600 de almacenamiento térmico en el depósito 610 de almacenamiento. Como alternativa, podría proporcionarse una válvula de drenaje accionada por presión de apertura automática que está configurada para abrirse en una condición establecida (posiblemente presión) en lugar de, o además de, la bomba 676. Si la presión dentro del depósito 610 de almacenamiento superó un umbral de presión de enfriamiento automático predeterminado, la válvula de drenaje puede abrirse automáticamente y permitir que el líquido de almacenamiento térmico calentado salga precipitadamente del depósito 610 de almacenamiento y, preferiblemente, se mezcle con el líquido de enfriamiento. En el ejemplo de la figura 22, la cámara 606 fuente funciona como una cámara 674 de enfriamiento y la capa 16 de agua que funciona como el líquido de enfriamiento. En este ejemplo, se proporciona un conducto 678 de líquido de enfriamiento como un conducto que pasa a través de la barrera aislante 625 que se puede abrir para permitir la mezcla entre el líquido 600 de almacenamiento térmico calentado en el depósito 610 de almacenamiento y la cámara 606 fuente, que está a una temperatura sustancialmente más baja. Este flujo puede ser unidireccional o bidireccional. En la realización de la figura 19, se proporciona un conducto 678 de líquido de enfriamiento como un conducto que pasa a través de la barrera aislante 625 que se puede abrir para permitir la mezcla entre el líquido 600 de almacenamiento térmico calentado en el depósito 610 de almacenamiento y la capa 16 de agua en el acumulador, que está a una temperatura sustancialmente más baja.
Haciendo referencia a las figuras 20A y 20B, en otra realización, el sistema de enfriamiento de depósito para el subsistema 120 de almacenamiento térmico incluye un aparato 682 de drenaje que está en comunicación con el depósito 610 de almacenamiento y, en este ejemplo, se proporciona como un drenaje en la pared lateral 686 del tanque 684 y se puede abrir de manera selectiva para drenar al menos parte del líquido 600 de almacenamiento térmico del primer depósito 610 de almacenamiento. El líquido 600 de almacenamiento térmico drenado puede dirigirse a cualquier sumidero/drenaje adecuado y, en la realización de la figura 20A, se dirige a una cámara de enfriamiento que se proporciona por el depósito 605 fuente y contiene una cantidad de un líquido de enfriamiento almacenado a una temperatura de enfriamiento que está por debajo de la temperatura de almacenamiento, que en este ejemplo es fluido de almacenamiento térmico sin calentar a la temperatura fuente. Preferiblemente, la cámara de enfriamiento puede ubicarse a una elevación más baja que el depósito 610 de almacenamiento, de modo que el líquido 600 de almacenamiento térmico pueda fluir desde el depósito 610 de almacenamiento hacia la cámara de enfriamiento bajo la influencia de la gravedad y, opcionalmente, sin la necesidad de una bomba u otro mecanismo de transporte. Esto puede ayudar a facilitar el funcionamiento del sistema de enfriamiento del depósito y puede permitir que el líquido 600 de almacenamiento térmico se drene incluso si no hay energía eléctrica disponible.
La figura 22 ilustra una realización alternativa de un subsistema 120 de almacenamiento térmico en el que tanto el depósito 610 de almacenamiento como el depósito 606 fuente son adyacentes y al acumulador 12. El intercambiador 635 de calor está separado del acumulador 12 y puede proporcionarse preferiblemente sobre tierra.
La figura 23 ilustra una realización alternativa de un subsistema 120 de almacenamiento térmico en el que tanto el depósito 610 de almacenamiento como el depósito 606 fuente están separados entre sí y del acumulador 12, y ambos están colocados bajo tierra. En esta disposición, el depósito 610 de almacenamiento es adyacente al pozo 18 y está por encima del acumulador 12. Un conducto 626 de paso de gas en este ejemplo se extiende desde el acumulador 12 hasta el depósito 610 de almacenamiento para proporcionar una comunicación fluida entre la capa 14 de gas y la capa 602 de gas de cobertura.
La figura 7 es una representación esquemática de un sistema 10B de almacenamiento de energía de gas comprimido, de acuerdo con una realización alternativa. El sistema 10B de almacenamiento de energía de gas comprimido es similar a los otros sistemas de almacenamiento de energía de gas comprimido descritos en el presente documento, pero está configurado de modo que la parte superior 22A del conducto 22 de gas que transporta gas comprimido entre el subsistema 120 de almacenamiento térmico y el subsistema 100 compresor/expansor se extiende a través del suelo 200 y no a través del pozo 18 y el agua 20. Son posibles variaciones adicionales.
De manera adicional, aunque en las realizaciones ilustradas el subsistema 120 de almacenamiento térmico recibe gas comprimido desde el subsistema 100 compresor/expansor, o proporciona gas comprimido a este, son posibles alternativas en las que el almacenamiento térmico está más estrechamente integrado con múltiples etapas del compresor 112 y múltiples etapas del expansor 116 para almacenar energía térmica entre etapas. Esto se puede hacer para permitir que las piezas de equipo en las etapas aguas abajo del compresor 112 y el expansor 116 reciban y manejen gas comprimido a una temperatura que esté dentro de sus intervalos de funcionamiento más eficientes. Esto puede ayudar a facilitar la transferencia y/o almacenamiento de calor en dos o más etapas en el proceso, lo que puede ayudar a mejorar la eficiencia del sistema.
Haciendo referencia a la figura 8, opcionalmente, una "camisa" aislante 125 (mostrada en líneas discontinuas para no ocluir partes del subsistema 120 de almacenamiento térmico) puede envolverse alrededor de una parte del subsistema 120 de almacenamiento térmico para proporcionar algo de aislamiento térmico entre el líquido 20 en el pozo 18 y el subsistema 120 de almacenamiento térmico para promover de este modo una rápida estratificación de calor, lo que puede ayudar a aumentar el rendimiento de un sistema de almacenamiento de calor PCM. Como se ha descrito anteriormente, el aire A del subsistema 100 compresor/expansor que entra del entorno puede acondicionarse para convertirse en aire A' antes de su entrada al compresor 112 haciendo pasar el aire a través del subsistema 120 de almacenamiento térmico de este modo para hacer que el aire A' esté a una temperatura adecuada para un intervalo de funcionamiento eficiente de una etapa particular del compresor 112.
Opcionalmente, el controlador 118 también puede configurarse para cambiar la condición del subsistema 120 de almacenamiento térmico para cambiar la naturaleza del calor que se intercambia entre el aire que llega a través del subsistema 120 de almacenamiento térmico al compresor 112 y el material de almacenamiento térmico en el subsistema 120 de almacenamiento térmico o para cambiar la ruta del aire al compresor 112 para que no pase a través del subsistema 120 de almacenamiento térmico. La figura 9 es una vista esquemática de componentes de un subsistema 100 compresor/expansor alternativo para un sistema 10 de almacenamiento de energía de gas comprimido, con múltiples etapas de compresión y cada una está asociada con un intercambiador de calor respectivo de un subsistema 120 de almacenamiento térmico. En particular, cuando se pone en funcionamiento en modo de carga, el aire entrante del ambiente A se transporta primero, opcionalmente a través de un intercambiador de calor para modificar la temperatura del aire entrante, al compresor 112a accionado por el motor 110a para una primera etapa de compresión. En este ejemplo, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede incluir dos o más intercambiadores 635 de calor que pueden proporcionarse entre las diferentes etapas de compresión. Después de la primera etapa de compresión, el aire A se transporta entonces a través de un primer intercambiador 635a de calor de un subsistema 120 de almacenamiento térmico para transferir calor del aire A al líquido 600 de almacenamiento térmico, para acondicionarlo de este modo para que sea aire A' que luego se transporta al compresor 112b accionado por el motor 110b para una segunda etapa de compresión. Después de la segunda etapa de compresión, el aire A' se transporta a continuación a través de cualquier intercambiador de calor adicional del subsistema 120 de almacenamiento térmico, tal como el segundo intercambiador 635b de calor del subsistema 120 de almacenamiento térmico para transferir calor desde el aire A" al líquido 600 de almacenamiento térmico. Un último intercambiador de calor del subsistema 120 de almacenamiento térmico se representa en este ejemplo como el intercambiador 635x de calor que transfiere calores del aire Am al líquido 600 de almacenamiento térmico. Siguiendo esta xa etapa de compresión y almacenamiento térmico, el aire Am se transporta hacia abajo al acumulador 12 como se ha descrito anteriormente con respecto a otras realizaciones. Opcionalmente, el calor almacenado en el subsistema 120 de almacenamiento térmico en el modo de carga puede almacenarse completamente para reincorporarse al aire que se libera cuando el almacenamiento de energía de gas comprimido funciona en un modo de descarga, pero puede emplearse en cierta capacidad o cantidad para algunos otros fines del sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, tal como ayudar a regular la temperatura de otro subsistema o poner en funcionamiento herramientas e instrumentos neumáticos, entre otros usos. Cabe señalar que, aunque en la figura 6 se muestran tres etapas de compresión con respectivas etapas de almacenamiento térmico, un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de acuerdo con esta realización puede tener solo dos, o más de tres, etapas de compresión con respectivas etapas de almacenamiento térmico. De manera adicional, en realizaciones alternativas, una etapa dada de compresión no siempre está seguida necesariamente por una etapa de almacenamiento térmico. De manera adicional, en realizaciones alternativas, el aire entrante que aún no se ha comprimido en el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido puede pasar primero a través de un subsistema de almacenamiento térmico o etapa del mismo para reducir o aumentar su contenido de calor antes de entrar en un compresor, en lugar de un intercambiador de calor que podría disipar el calor del sistema.
La figura 10 es una vista esquemática de componentes de un subsistema compresor/expansor alternativo para un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, con múltiples etapas de expansión cada una asociada con un intercambiador de calor respectivo de un subsistema 120 de almacenamiento térmico. En particular, durante una fase de expansión (liberación), el aire comprimido A liberado del acumulador 12 se transporta primero a través de un primer intercambiador 635a de un subsistema 120 de almacenamiento térmico para transferir calor desde el líquido 600 de almacenamiento térmico al aire que se transporta para acondicionarse de este modo como el aire A'. El aire A' se presenta a un primer expansor 116a que acciona un generador 114a para una primera etapa de expansión. Después de la primera etapa de expansión, el aire A' se transporta a través de un segundo intercambiador 635b para transferir el calor almacenado desde el líquido 600 de almacenamiento térmico al aire que se transporta de este modo para que se acondicione para que sea aire A", que luego se transporta al expansor 116b que acciona el generador 114b para una segunda etapa de expansión. Después de la segunda etapa de expansión, el aire A" se transporta a través de cualquier etapa adicional del subsistema 120 de almacenamiento térmico. Un último intercambiador del subsistema 120 de almacenamiento térmico se representa en este ejemplo como el intercambiador 635x que transfiere el calor almacenado al aire comprimido que se transporta a través de la etapa 635x de expansión para acondicionarse de este modo para ser aire Am. Siguiendo esta xa etapa de expansión y liberación de calor del almacenamiento térmico, el aire Am se transporta a la atmósfera ambiente A como se ha descrito anteriormente con respecto a otras realizaciones. El calor almacenado en el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede haberse almacenado a partir del aire entrante que se comprime durante una fase de almacenamiento del sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, pero como alternativa o en alguna combinación puede haberse almacenado durante el funcionamiento de otro aspecto o subsistema del sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, tal como durante la regulación de temperatura de otro subsistema o durante un proceso de calentamiento eléctrico. Cabe señalar que, aunque en la figura 10 se muestran tres etapas de expansión con respectivas etapas de almacenamiento térmico, un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de acuerdo con esta realización puede tener solo dos o más de tres etapas de expansión con respectivas etapas de almacenamiento térmico. De manera adicional, en realizaciones alternativas, una etapa dada de expansión no siempre está necesariamente precedida en la cadena de procesamiento por una etapa de liberación de calor del almacenamiento térmico.
La figura 11 es una vista esquemática de componentes de un subsistema compresor/expansor alternativo para un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido, con pares de etapas de compresión y expansión cada una asociada con un intercambiador respectivo del subsistema 120 de almacenamiento térmico. En esta realización, se usa un intercambiador dado del subsistema 120 de almacenamiento térmico durante las etapas tanto de compresión como de expansión, dirigiendo el aire que se transporta al acumulador 12 a través del subsistema 120 de almacenamiento térmico para eliminar el calor del aire antes de una etapa posterior de compresión o antes del almacenamiento y encaminar el aire que se transporta fuera del acumulador 12 a través del subsistema 120 de almacenamiento térmico para agregar calor al aire después de la liberación del acumulador o después de una etapa de expansión. En cierto sentido, por lo tanto, pares de etapas de compresión y expansión comparten un intercambiador 635a, 635b y 635x de calor y el flujo de aire se controla usando válvulas V, como se muestra en la figura. Esta realización puede ser útil cuando el "mismo" calor almacenado del aire comprimido que se transporta hacia el acumulador 12 durante una fase de almacenamiento se va a liberar en el aire que se libera del acumulador 12 durante una fase de liberación.
La figura 12 es una vista esquemática de los componentes del subsistema compresor/expansor alternativo de la figura 11, que muestra el flujo de aire durante una fase de expansión (liberación) desde el almacenamiento a través de múltiples etapas de expansión y múltiples intercambiadores de calor respectivos del subsistema 120 de almacenamiento térmico. En esta fase, a través del control de las válvulas V, el flujo de aire se dirige a través de múltiples etapas de expansión de una manera similar a la que se muestra en la figura 10. Las líneas discontinuas muestran múltiples etapas de compresión a las que se evita el flujo de aire durante una fase de expansión mediante el control de las válvulas V.
La figura 13 es una vista esquemática de los componentes del subsistema compresor/expansor alternativo de la figura 11, que muestra el flujo de aire durante una fase de compresión (almacenamiento) desde el ambiente A a través de múltiples etapas de compresor y múltiples intercambiadores de calor respectivos del subsistema 120 de almacenamiento térmico. En esta fase, a través del control de las válvulas V, el flujo de aire se dirige a través de múltiples etapas de compresión de una manera similar a la que se muestra en las figuras 1 y 12. Las líneas discontinuas muestran múltiples etapas de expansión a las que se evita el flujo de aire durante la fase de expansión mediante el control de las válvulas V.
La figura 14 es una vista en sección de componentes de un sistema 10C de almacenamiento de energía de gas comprimido alternativo, de acuerdo con una realización. En esta realización, el sistema 10C de almacenamiento de energía de gas comprimido es similar a las otras realizaciones de los sistemas de almacenamiento de energía de gas comprimido descritos en el presente documento. Sin embargo, en esta realización, el subsistema 120 de almacenamiento térmico (que incluye cualquiera de las variaciones adecuadas descritas en el presente documento, incluyendo un depósito 610 de almacenamiento, depósito 606 fuente y equipo relacionado) está ubicado dentro del acumulador 12 y puede estar al menos parcialmente inmerso dentro del gas comprimido en la capa 14 de gas comprimido. El subsistema 120 de almacenamiento térmico puede colocarse dentro del acumulador 12 durante la construcción a través de la abertura 27 que se bloquea posteriormente con el mamparo 24 antes de llenar el pozo 18 con líquido 20. Por tanto, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede diseñarse para permitir que la construcción, el aislamiento, etc. se complete antes de la colocación dentro del acumulador 12 y/o se construya en componentes fácilmente ensamblados dentro del acumulador 12. Esto permite que las unidades estén altamente aisladas y de calidad controlada en su construcción, lo que permite que el subsistema 120 de almacenamiento térmico sea generalmente independiente del acumulador 12, con la excepción de un soporte de anclaje (no mostrado).
Opcionalmente, se puede proporcionar una válvula 130 de regulación asociada con el interior del subsistema 120 de almacenamiento térmico y configurarse para abrirse si la presión dentro del subsistema 120 de almacenamiento térmico se vuelve mayor que la diferencia de presión diseñada entre su interior y la presión de la capa 14 de gas comprimido en el acumulador 12 circundante. La presión dentro del subsistema 120 de almacenamiento térmico puede mantenerse a un nivel particular para el funcionamiento preferido del material latente o sensible. Por ejemplo, el agua calentada como material sensible puede mantenerse a una presión particular para mantener el fluido térmico en su estado líquido a la temperatura de almacenamiento. La válvula 130 de regulación puede abrirse para permitir que el gas presurizado en el interior escape al acumulador 12 y puede cerrarse una vez que la diferencia de presión se ha reducido lo suficiente como para alcanzar un nivel designado. En una realización alternativa, una válvula de regulación de este tipo puede proporcionar una comunicación fluida entre el interior del subsistema 120 de almacenamiento térmico y el ambiente A en la superficie para permitir de este modo que el gas escape al ambiente en lugar de al acumulador 12. Mientras que el subsistema 120 de almacenamiento térmico se muestra completamente inmerso en la capa 14 de gas comprimido, los subsistemas 120 de almacenamiento térmico alternativos pueden configurarse para estar inmersos parcial o totalmente dentro de la capa 16 de líquido. En algunos ejemplos, solo una parte del subsistema 120 de almacenamiento térmico, tal como el depósito 610 de almacenamiento, puede anidarse al menos parcialmente dentro del acumulador 12, y otras partes, tales como los intercambiadores de calor y el depósito 606 fuente, pueden estar separadas del acumulador 12.
La figura de referencia 15 es una vista en sección de componentes de un sistema 10D de almacenamiento de energía de gas comprimido alternativo, de acuerdo con otra realización alternativa. En esta realización, el sistema 10D de almacenamiento de gas de energía comprimido incluye un tipo diferente de acumulador 12D que no está compensado hidrostáticamente y puede ser una caverna de sal, una formación geológica existente o artificial. Es decir, el acumulador 12D está configurado para contener gas comprimido pero no necesita incluir una capa de líquido o estar asociado con un pozo que contiene agua. Este es otro tipo de acumulador que puede usarse, en algunas realizaciones, en lugar de los acumuladores 12 usados con respecto a otras realizaciones de los sistemas de almacenamiento de energía de gas comprimido descritos en el presente documento. Los aspectos de los subsistemas 120 de almacenamiento térmico descritos en esta realización pueden usarse junto con los sistemas de almacenamiento de energía de gas comprimido compensados hidrostáticamente descritos y los aspectos de los subsistemas 120 de almacenamiento térmico representados en otras realizaciones pueden utilizarse con acumuladores similares al acumulador 12D. En esta realización, el sistema 10D de almacenamiento de energía de gas comprimido es similar a los sistemas de almacenamiento de energía de gas comprimido descritos anteriormente. Sin embargo, el subsistema 120 de almacenamiento térmico está ubicado dentro de una cámara 140 presurizada isobárica dentro del suelo 200 que puede mantenerse a la misma presión que el acumulador 12 o una presión que es sustancialmente similar a la presión del acumulador u opcionalmente a una presión que es menor o mayor que la presión del acumulador. Opcionalmente, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede colocarse dentro de la cámara presurizada 140 durante la construcción a través de una abertura que se bloquea posteriormente para que la cámara 140 pueda presurizarse a una presión de trabajo que es, preferiblemente, mayor que la presión atmosférica. Por tanto, el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede diseñarse para permitir que la construcción, el aislamiento, etc. se complete antes de la colocación dentro de la cámara 140 y/o se construya en componentes fácilmente ensamblados dentro de la cámara 140. Esto permite que las unidades estén altamente aisladas y de calidad controlada en su construcción, lo que permite que el subsistema 120 de almacenamiento térmico sea generalmente independiente de la cámara 140, con la excepción de un soporte de anclaje (no mostrado). Se proporciona una válvula 130 de regulación asociada con el interior del subsistema 120 de almacenamiento térmico y se configura para abrirse si la presión dentro del subsistema 120 de almacenamiento térmico se vuelve mayor que la diferencia de presión diseñada entre el interior y la cámara 140 presurizada circundante. Puede requerirse que la presión dentro del subsistema 120 de almacenamiento térmico se mantenga a un nivel particular para el funcionamiento óptimo del material latente o sensible. Por ejemplo, puede requerirse que el agua calentada como material sensible se mantenga a una presión particular para mantener el fluido térmico en su estado líquido a la temperatura de almacenamiento. La válvula 130 de regulación se abre para permitir que el gas presurizado en el interior escape a la cámara 140 presurizada y se cierra una vez que la diferencia de presión se reduce lo suficiente como para alcanzar un nivel designado. En una realización alternativa, una válvula 130 de regulación de este tipo puede proporcionar una comunicación fluida entre el interior del subsistema 120 de almacenamiento térmico y el ambiente A en la superficie para permitir de este modo que el gas escape al ambiente en lugar de a la cámara 140 presurizada.
Ubicar el subsistema 120 de almacenamiento térmico por encima del acumulador 12 y, por tanto, físicamente más cerca del subsistema 100 de compresión/expansión, puede ayudar a reducir la longitud de tubería requerida, lo que puede ayudar a reducir los costos de tubería, instalación y mantenimiento, así como reducción de requisitos de potencia de transferencia de fluido.
Aunque la realización del sistema 10D de almacenamiento de energía de gas comprimido incluye una cámara 140 presurizada isobárica, son posibles alternativas en las que la cámara 140 no es estrictamente isobárica. De manera adicional, en realizaciones alternativas, la cámara 140 presurizada puede estar en comunicación fluida con la capa 14 de gas y, por tanto, puede servir como un área de almacenamiento para el gas comprimido que se comprime por el subsistema 100 compresor/expansor junto con el acumulador 12. De esta forma, la presión del gas en el que está sumergido el subsistema 120 de almacenamiento térmico puede mantenerse a través de las mismas expansiones y compresiones de gas que se transportan hacia y desde el acumulador 12.
Opcionalmente, cualquiera de los subsistemas 120 de almacenamiento térmico descritos en el presente documento puede incluir un sistema de acondicionamiento térmico que puede usarse para regular la temperatura de la capa de gas 602 de cobertura en el depósito 610 de almacenamiento y/o en el depósito 606 fuente. Por ejemplo, el sistema de acondicionamiento térmico puede incluir un enfriador de ventilador, intercambiador de calor, serpentines de evaporador u otro equipo de este tipo para que pueda usarse para reducir opcionalmente (o, como alternativa, aumentar) la temperatura de la capa de gas 602 de cobertura cuando el subsistema 120 de almacenamiento térmico está en uso.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido que comprende:
a) un acumulador (12) que tiene un interior (23) configurado para contener gas comprimido (14) cuando está en uso;
b) un subsistema (100) compresor/expansor de gas separado del acumulador (12) y que comprende al menos una primera etapa de compresión que tiene una entrada de gas y una salida de gas en comunicación fluida con el interior (23) del acumulador para transportar gas comprimido (14) al acumulador (12) cuando está en un modo de carga y desde el acumulador (12) cuando está en un modo de descarga;
c) un subsistema (120) de almacenamiento térmico que comprende:
i. al menos un primer depósito (610) de almacenamiento dispuesto al menos parcialmente bajo tierra y configurado para contener un líquido (600) de almacenamiento térmico a una presión de almacenamiento que es mayor que la presión atmosférica;
ii. un paso de líquido que tiene una entrada (630) que se puede conectar a una fuente (605) de líquido de almacenamiento térmico y configurado para transportar el líquido (600) de almacenamiento térmico al primer depósito (610) de almacenamiento;
iii. un primer intercambiador (635) de calor proporcionado en el paso (630) de entrada de líquido y en comunicación fluida entre la primera etapa de compresión y el acumulador (12),
por lo que cuando el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en el modo de carga, la energía térmica se transfiere desde una corriente de gas comprimido que sale del subsistema (100) compresor/expansor de gas al líquido (600) de almacenamiento térmico;
caracterizado por que el acumulador (12) tiene una abertura primaria (27), una pared superior (13), una pared inferior (15) y un interior (23) del acumulador que contiene una capa del gas comprimido (14) por encima de una capa de líquido (16) cuando está en uso y que está limitado al menos parcialmente por la pared superior (13) y la pared inferior (15) y que comprende, además:
a) un pozo (18) que tiene un extremo inferior (43) adyacente a la abertura primaria (27), un extremo superior (48) separado del extremo inferior (43) y una pared lateral (52) del pozo que se extiende hacia arriba desde el extremo inferior (43) al extremo superior (48) y limitando al menos parcialmente un interior (54) del pozo para contener una cantidad de un líquido (20), pudiendo conectarse el pozo (18) de manera fluida a una fuente/sumidero (150) de líquido a través de un conducto (40) de suministro de líquido; y
b) un tabique (200A) que cubre la abertura primaria (27) y que separa el interior (23) del acumulador del interior (54) del pozo, teniendo el tabique (200A) una superficie exterior en comunicación con el interior (54) del pozo y una superficie interior opuesta en comunicación con el interior (23) del acumulador;
en donde, cuando está en uso, al menos una de la capa de gas comprimido (14) y la capa de líquido (16) se apoya contra y ejerce una fuerza (41) del acumulador interna sobre la superficie interior del tabique (200A) y la cantidad de líquido dentro del pozo (18) se apoya contra y ejerce una contrafuerza (46) externa sobre la superficie exterior del tabique (200A), por lo que una fuerza neta que actúa sobre el tabique mientras el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en uso es una diferencia entre la fuerza (41) del acumulador y la contrafuerza (46) y es menor que la fuerza (41) del acumulador.
2. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de la reivindicación 1, en donde el líquido (600) de almacenamiento térmico se calienta a una temperatura de almacenamiento antes de entrar en el primer depósito (610) de almacenamiento, en donde la temperatura de almacenamiento está por debajo de una temperatura de ebullición del líquido (600) de almacenamiento térmico cuando está a la presión de almacenamiento y es la temperatura de ebullición superior del líquido (600) de almacenamiento térmico cuando está a presión atmosférica.
3. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde el primer depósito (610) de almacenamiento comprende una capa presurizada de gas de cobertura por encima del líquido (600) de almacenamiento térmico.
4. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de la reivindicación 3, en donde la capa de gas de cobertura se forma por la ebullición de una parte del líquido (600) de almacenamiento térmico dentro del primer depósito (610) de almacenamiento por lo que la capa de gas de cobertura se presuriza a la presión de almacenamiento.
5. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la fuente (605) de líquido de almacenamiento térmico comprende un depósito fuente que contiene una cantidad del líquido (600) de almacenamiento térmico a una temperatura fuente que es menor que la temperatura de almacenamiento.
6. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el subsistema (100) compresor/expansor de gas comprende una segunda etapa de compresión aguas abajo de la primera etapa de compresión y el primer intercambiador de calor es una comunicación fluida entre la primera etapa de compresión y la segunda etapa de compresión y el subsistema (120) de almacenamiento térmico comprende además un segundo intercambiador de calor en comunicación fluida entre la segunda etapa de compresión y el acumulador (12), por lo que la energía térmica se transfiere entre la corriente de gas comprimido que sale de la segunda etapa de compresión y el líquido (600) de almacenamiento térmico.
7. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de la reivindicación 6, en donde el subsistema (100) compresor/expansor de gas comprende una tercera etapa de compresión aguas abajo de la segunda etapa de compresión y el segundo intercambiador de calor está en comunicación fluida entre la segunda etapa de compresión y la tercera etapa de compresión, y el subsistema (120) de almacenamiento térmico comprende además un tercer intercambiador de calor en comunicación fluida entre la tercera etapa de compresión y el acumulador (12), por lo que la energía térmica se transfiere entre la corriente de gas comprimido que sale de la tercera etapa de compresión y el líquido (600) de almacenamiento térmico.
8. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el primer depósito (610) de líquido de almacenamiento comprende una única cámara (615) que tiene una pared inferior de la cámara, una pared superior de la cámara, una pared lateral de la cámara que se extiende desde la misma y que define una configuración interior de la cámara para contener el líquido (600) de almacenamiento térmico.
9. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de la reivindicación 8, en donde la cámara (615) incluye una cavidad subterránea natural formada al menos parcialmente de roca natural.
10. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de la reivindicación 9, que comprende además un revestimiento (617) de almacenamiento que cubre al menos una parte de una superficie interior de la cámara.
11. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende además una bomba de extracción en comunicación líquida con el líquido (600) de almacenamiento térmico en el primer depósito (610) de almacenamiento y que puede ponerse en funcionamiento de manera seleccionable para bombear el líquido (600) de almacenamiento térmico a la temperatura de almacenamiento fuera del primer depósito (610) de almacenamiento y en donde cuando se libera una corriente de salida de gas del acumulador (12), la energía térmica se transfiere desde el líquido (600) de almacenamiento térmico bombeado fuera del primer depósito (610) de almacenamiento en la corriente de salida de gas.
12. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de la reivindicación 11, en donde la corriente de salida de gas y el líquido (600) de almacenamiento térmico bombeado fuera del primer depósito (610) de almacenamiento pueden pasar a través del primer intercambiador (635) de calor.
13. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde el primer depósito (610) de almacenamiento se dispone totalmente bajo tierra.
14. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende además un sistema de enfriamiento de depósito para enfriar de manera selectiva la temperatura del líquido (600) de almacenamiento térmico contenido en el primer depósito (610) de almacenamiento, reduciendo de este modo la presión de almacenamiento dentro el primer depósito (610) de almacenamiento.
15. El sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en donde cuando el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en el modo de descarga, el gas comprimido se desplaza desde el acumulador (12) hasta el subsistema (100) compresor/expansor de gas y se extrae al menos una parte del líquido (600) de almacenamiento térmico a la temperatura de almacenamiento del primer depósito (610) de almacenamiento y el subsistema (120) de almacenamiento térmico se puede poner en funcionamiento de modo que la energía térmica se transfiera desde al menos la parte del líquido (600) de almacenamiento térmico extraído del primer depósito (610) de almacenamiento al gas comprimido que sale del acumulador (12), por lo que la temperatura del gas comprimido que sale del acumulador (12) aumenta antes de que alcance el subsistema (100) compresor/expansor de gas.
16. El sistema de energía de gas comprimido de la reivindicación 15, en donde cuando el sistema de almacenamiento de energía de gas comprimido está en un modo de descarga, el gas comprimido que se desplaza desde el acumulador (12) al subsistema (100) compresor/expansor de gas pasa a través del primer intercambiador de calor para recibir energía térmica del líquido (600) de almacenamiento térmico.
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