ES3015444T3 - Hybrid compressed air energy storage system - Google Patents
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Abstract
Se proporciona un sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido. Un intercambiador de calor 114 extrae energía térmica del aire comprimido para generar aire comprimido enfriado, almacenado en un depósito de almacenamiento de aire 120, por ejemplo, una caverna. Un intercambiador de calor 124 transfiere la energía térmica generada por una fuente de energía térmica neutra en carbono 130 al aire comprimido enfriado, transportado desde el depósito 120, para generar aire comprimido calentado. Un expansor 140 reacciona únicamente al aire comprimido calentado por el intercambiador de calor 124 para producir energía y generar aire expandido. Al reaccionar únicamente al aire comprimido calentado por el intercambiador de calor 124, el expansor 140 reduce eficazmente la temperatura del aire expandido por el expansor 140. Por lo tanto, la transferencia de energía térmica desde los gases de escape expandidos recibidos por un recuperador 146 (utilizado para calentar el aire expandido por el primer expansor) reduce eficazmente el desperdicio de energía térmica en los gases de escape enfriados por el recuperador 146. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido
Antecedentes
Las realizaciones divulgadas están dirigidas a un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) y, más concretamente, a un sistema CAES híbrido que incorpora aspectos de un sistema CAES diabático y un sistema CAES adiabático integrado con una fuente de energía térmica neutra en carbono.
Los sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) almacenan el exceso de energía disponible en una red eléctrica durante los periodos de carga valle y, a su vez, suministran electricidad a la red eléctrica durante los periodos de carga máxima. Los sistemas CAES producen energía almacenada comprimiendo y almacenando un gas durante los periodos de carga valle y generan electricidad expandiendo el gas comprimido almacenado durante los periodos de carga máxima. US 2017/350318 A1 divulga un sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES). El sistema consta de un compresor accionado por un controlador, concretamente un motor eléctrico, que está acoplado a la red eléctrica. El aire comprimido por el compresor pasa por un primer intercambiador de calor que enfría el aire comprimido antes de introducirlo en una unidad de almacenamiento de aire en un modo de carga del CAES. El calor recuperado por el primer intercambiador de calor se almacena en un dispositivo de almacenamiento térmico haciendo circular un medio de transferencia de calor a través de conductos desde el primer intercambiador de calor hasta el dispositivo de almacenamiento térmico y viceversa. En un modo de generación de energía del CAES, el aire comprimido se libera de la unidad de almacenamiento de aire y se alimenta a través de un segundo intercambiador de calor que utiliza el calor almacenado del dispositivo de almacenamiento térmico para calentar el aire comprimido antes de alimentarlo a un primer expansor que, acoplándose a un generador eléctrico, produce electricidad.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 muestra un diagrama esquemático de una realización no limitante de un sistema S híbrido divulgado. La FIG. 2 muestra un diagrama esquemático de otra realización no limitante de un sistema S híbrido divulgado. La FIG. 3 muestra un diagrama esquemático de otra realización no limitante de un sistema S híbrido divulgado.
Descripción detallada de la invención
El presente inventor ha reconocido que el consumo de energía y las emisiones concomitantes de productos residuales se han convertido en una preocupación creciente en la industria de generación de energía. Una central eléctrica típica que utilice combustibles fósiles puede producir toneladas de productos residuales, como dióxido de carbono (CO2); un gas que absorbe fuertemente la radiación infrarroja de la luz solar, y que se cree que es responsable sustancial del calentamiento global de la atmósfera terrestre, también conocido como "efecto invernadero".
Las realizaciones divulgadas proponen un sistema CAES híbrido eficiente que mezcla un sistema CAES diabático y un sistema CAES adiabático integrado con una fuente de energía térmica neutra en carbono de acuerdo con la reivindicación 1 o, alternativamente, de acuerdo con la reivindicación 14 para mejorar la eficiencia global del sistema CAES híbrido (es decir, un sistema con una huella de carbono reducida), propiciando así el logro de la viabilidad económica y la sostenibilidad.
En la siguiente descripción detallada, se establecen numerosos detalles específicos para proporcionar una comprensión exhaustiva de dichas realizaciones. Sin embargo, los expertos en la materia comprenderán que las realizaciones divulgadas pueden practicarse sin estos detalles específicos y que la invención se define en las reivindicaciones anexas. En otros casos, los métodos, procedimientos y componentes, que serían bien comprendidos por un experto en la materia, no se han descrito en detalle para evitar explicaciones innecesarias y gravosas.
La FIG. 1 muestra un diagrama esquemático de una realización no limitante de un sistema CAES híbrido 100 divulgado. El sistema CAES híbrido 100 puede ser un sistema CAES híbrido adiabático-diabático que comprenda aspectos sinérgicos de un sistema CAES diabático y un sistema CAES adiabático integrado con una fuente de energía térmica neutra en carbono. El sistema CAES híbrido 100 puede incluir una o varias unidades de generación de energía adiabática 138 integradas con una o varias fuentes de energía térmica neutra en carbono.
A efectos de esta divulgación, las fuentes de energía térmica que son "neutras en carbono" durante su funcionamiento se denominarán fuentes de energía térmica "neutras en carbono". Algunos ejemplos no limitativos de fuentes de energía térmica neutras en carbono pueden ser la energía solar térmica, la geotérmica, las fuentes de energía térmica basadas en el calor residual, las fuentes de energía térmica basadas en el compostaje, etc. Se apreciará que algunas fuentes de energía térmica neutra en carbono, como las basadas en la energía solar, pueden ser intermitentes.
En una realización no limitante, el sistema CAES híbrido 100 puede incluir una o más unidades de compresor 102. Cada unidad de compresor 102 puede incluir uno o más controladores 106 y uno o más compresores 110. El controlador 106 puede alimentar o accionar el compresor 110 y puede estar acoplado al compresor 110 por uno o más ejes de transmisión 108. La unidad de compresor 102 puede recibir y comprimir un gas de proceso, como el aire, a través del conducto 104 y puede descargar un gas de proceso comprimido, como el aire comprimido, a través del conducto 112 durante los periodos de carga valle.
En uno o varios ejemplos, el compresor 110 puede recibir y comprimir aire ambiente a través del conducto 104 y puede descargar aire comprimido a través del conducto 112. El controlador 106 puede ser o incluir, entre otros, uno o varios motores eléctricos, una o varias turbinas o expansores, o una combinación de los mismos. El compresor 110 puede ser o incluir, entre otros, un compresor supersónico, un compresor centrífugo, un compresor de flujo axial, un compresor alternativo, un compresor de tornillo rotativo, un compresor de paletas rotativas, un compresor scroll o un compresor de diafragma.
Aunque una unidad de compresor 102 que contiene un controlador 106 y un compresor 110, se representa en la FIG. 1, se puede utilizar cualquier número de unidades de compresor 102 que contengan uno o más controladores 106 y uno o más compresores 110 en un tren de compresores, no mostrado, en el sistema CAES híbrido 100. Por ejemplo, el sistema CAES híbrido 100 puede incluir, entre otros, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 o más unidades de compresor 102 que contengan uno o más controladores 106 y uno o más compresores 110.
En una o más realizaciones, no mostradas, el sistema CAES híbrido 100 puede incluir un primer controlador que puede accionar un primer compresor, un segundo controlador que puede accionar un segundo compresor, un tercer controlador que puede accionar un tercer compresor y un cuarto controlador que puede accionar un cuarto compresor. En algunos ejemplos, cada par del controlador 106 y el compresor 110 puede estar dispuesto en conjunto en una carcasa herméticamente cerrada (no mostrada).
Sin limitación, uno o más compresores 110 pueden ser una o más unidades de compresor centrífugas DATUM. En otro ejemplo, uno o más compresores 110 pueden ser una o más unidades de compresor DATUM-S. En otro ejemplo, uno o más compresores 110 pueden ser una o más unidades de compresor STC-GV, cada una de las unidades de compresor de ejemplo anteriores está disponible comercialmente en Dresser-Rand, una empresa de Siemens.
Uno o más intercambiadores de calor 114 pueden recibir el aire comprimido a través del conducto 112 descargado por el compresor 110. El intercambiador de calor 114 puede extraer energía térmica del aire comprimido (por ejemplo, descargado al entorno fuera del sistema CAES híbrido 100) y puede descargar un aire comprimido enfriado a través del conducto 116.
Uno o varios depósitos de almacenamiento de aire 120 pueden recibir el aire comprimido enfriado a través del conducto 116 desde el intercambiador de calor 114. El aire comprimido enfriado puede almacenarse o mantenerse de otro modo con el depósito de almacenamiento de aire 120 como aire comprimido almacenado. En algunos ejemplos, el aire comprimido enfriado a través del conducto 116 puede fluir continuamente o transferirse de otro modo al depósito de almacenamiento de aire 120 y mantenerse como aire comprimido almacenado. En otros ejemplos, el aire comprimido enfriado a través del conducto 116 puede fluir de forma intermitente o transferirse de otro modo en diferentes momentos al depósito de almacenamiento de aire 120. Por lo tanto, el aire comprimido almacenado que se mantiene dentro del depósito de almacenamiento de aire 120 puede ser o incluir aire de un lote o de varios lotes.
Durante los periodos de carga valle, (por ejemplo, durante un modo de carga del sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido) una o más unidades de compresor 102 (por ejemplo, el tren de compresores) pueden comprimir aire y/o uno o más gases de proceso, y el aire comprimido o el gas de proceso pueden introducirse y almacenarse en el depósito de almacenamiento de aire 120. En algunos ejemplos no limitantes, el depósito de almacenamiento de aire 120 puede ser una o más cavernas (por ejemplo, cavernas subterráneas) o uno o más recipientes. El depósito de almacenamiento de aire 120 puede ser o incluir, entre otros, uno o más de los siguientes: una caverna de roca, una caverna de sal, un acuífero, una mina abandonada, un yacimiento de gas o petróleo agotado, un pozo, un contenedor, tanque o recipiente almacenado bajo el agua o el suelo, un contenedor, tanque o recipiente almacenado sobre, dentro o por encima del suelo.
Durante los periodos de carga máxima, (por ejemplo, durante el modo de generación de energía eléctrica) el aire comprimido almacenado en el depósito de almacenamiento de aire 120 puede extraerse del depósito de almacenamiento de aire 120 a través del conducto 122 para ser calentado por el intercambiador de calor 124. El intercambiador de calor 124 está acoplado, por ejemplo a través del conducto 134, a una fuente de energía térmica neutra en carbono 130 para transferir la energía térmica generada por la fuente de energía térmica 130 al aire comprimido refrigerado que, durante el modo de generación de energía eléctrica, es calentado por el intercambiador de calor 124 para producir el aire comprimido calentado a través del conducto 126, utilizado para alimentar uno o varios expansores 140. El expansor 140 puede recibir el aire comprimido calentado descargado del intercambiador de calor 124. El expansor 140 puede estar dispuesto para funcionar en un primer rango de presión.
En determinadas aplicaciones, como las que pueden implicar una fuente de energía térmica intermitente 130, puede utilizarse un dispositivo de almacenamiento térmico 135 para almacenar energía térmica durante los periodos de funcionamiento intermitente de la fuente de energía térmica intermitente. Por ejemplo, en caso de que la fuente de energía térmica 130 sea solar, el dispositivo de almacenamiento térmico 135 se utilizaría para, por ejemplo, almacenar energía térmica para utilizarla por la noche o durante días nublados.
En caso de que no haya suficiente calor disponible de la fuente de energía térmica 130 (y/o del dispositivo de almacenamiento térmico 135) para satisfacer la demanda, existen dos técnicas alternativas no limitantes que podrían utilizarse opcionalmente para satisfacer la demanda. En una técnica opcional se puede acoplar un generador térmico auxiliar, tal puede obtenerse de un controlador (por ejemplo, un motor eléctrico) dispuesto para convertir la energía de rotación en energía térmica; o puede obtenerse de (por ejemplo, un quemador de conducto) que permitiría el uso de calefacción de gas natural para los periodos relativamente cortos en los que el calor de la fuente de energía térmica 130 puede no estar disponible. En este último escenario, el sistema CAES híbrido 100 se comportaría como un sistema diabético durante esos periodos cortos, y las emisiones de carbono se aproximarían a las de un sistema CAES diabético tradicional en base a lbm CO2 / MW-hora.
En otra técnica opcional, se puede incluir un sistema de derivación/estrangulamiento que "durante los periodos relativamente cortos en los que el calor de la fuente de energía térmica 130 puede no estar disponible, permitiría desviar el aire comprimido almacenado del depósito de almacenamiento de aire 120 alrededor de la unidad de generación de energía 138 que no funciona, para suministrar aire, a una presión adecuada, a la unidad de generación de energía 138 diabética. Esta técnica alternativa opcional reduciría la cantidad de energía generada por el sistema CAES híbrido 100 durante esos periodos cortos, y las emisiones de carbono se aproximarían a las de un sistema CAES diabético tradicional sobre la base de lbm CO2 / MW-hora.
Sin limitación, el primer rango de presión para el funcionamiento del expansor 140 se selecciona para adaptarse a los niveles de presión del aire comprimido enfriado almacenado en el depósito de almacenamiento de aire 120. Sin limitación, dependiendo de factores como las características estructurales del depósito de almacenamiento de aire 120, la profundidad del depósito de almacenamiento de aire 120, etc., en ciertas aplicaciones no limitantes el nivel de presión del aire comprimido refrigerado almacenado en el depósito de almacenamiento de aire 120 podría ser tan alto como aproximadamente 172,37 - 186,16 bar (2500-2700 psi). En otras aplicaciones no limitantes, el nivel de presión del aire comprimido refrigerado almacenado en el depósito de almacenamiento de aire 120 puede ser relativamente inferior, como por ejemplo del orden de aproximadamente 51,71 - 103,42 bares (750-1500 psi).
En la primera aplicación ilustrada, un tren de expansores puede estar formado por tres expansores para pasar de los niveles de presión que pueden ser tan altos como 172,37 - 186,16 bar (2500-2700 psi) a niveles de presión aproximados o iguales a la presión atmosférica estándar. En esta aplicación, el expansor 140 sería un expansor de presión relativamente més alta en comparación con los otros dos expansores del tren de expansores. En la segunda aplicación, el tren expansor puede estar formado por sólo dos expansores para pasar de niveles de presión que pueden ser del orden de aproximadamente 51,71 - 103,42 bar (750-1500 psi) a niveles de presión aproximados o iguales a la presión atmosférica esténdar.
El expansor 140 puede expandir el aire comprimido calentado y puede descargar un aire expandido a través del conducto 144. En algunos ejemplos, la energía térmica transferida desde la fuente de energía térmica neutra en carbono 130 puede ser la única energía térmica utilizada para calentar o aumentar de otro modo la temperatura del aire comprimido calentado expandido por el expansor 140.
El expansor 140 puede generar o producir de otro modo energía debido a la expansión del aire comprimido calentado. En uno o varios ejemplos, el expansor 140 puede producir electricidad alimentando uno o varios generadores eléctricos 142 acoplados al mismo mediante uno o varios érboles de transmisión 141. El generador eléctrico 142 puede generar electricidad y cargar o transferir de otro modo la electricidad generada a una red eléctrica 103 a través del conducto 143 durante los periodos de méxima carga. En uno o més ejemplos, al menos una porción de la electricidad generada puede transferirse desde la red eléctrica 103 a través del conducto 105 a uno o més controladores 106, como se muestra, o puede transferirse directamente desde el generador eléctrico 142 a uno o més controladores 106 u otros dispositivos eléctricos, no mostrados. En otros ejemplos, no mostrados, el expansor 140 puede acoplarse y alimentar o accionar de otro modo una o varias bombas, uno o varios compresores y/o piezas de otros equipos de proceso.
Uno o més recuperadores 146 pueden recibir el aire expandido a través del conducto 144, calentar el aire expandido y descargar un aire expandido calentado a través del conducto 148. El recuperador 146 también puede recibir un gas de escape expandido a través del conducto 184, enfriar el gas de escape expandido y descargar un gas de escape enfriado a través del conducto 186. Por ejemplo, el gas de escape enfriado puede ventilarse o liberarse de otro modo a la atmósfera ambiente. La energía térmica del gas de escape expandido a través del conducto 184 puede ser transferida por el recuperador 146 al aire expandido a través del conducto 144 para producir el aire expandido calentado a través del conducto 148.
Aunque no se muestra, el recuperador 146 puede incluir una porción de enfriamiento y una porción de calentamiento. El recuperador 146 puede transferir energía térmica de la porción de enfriamiento a la porción de calentamiento. Más concretamente, el recuperador 146 puede transferir energía térmica de fluidos o gases calentados contenidos en la porción de enfriamiento a otros fluidos o gases contenidos en la porción de calentamiento. El recuperador 146 puede estar configurado para transferir energía térmica del gas de escape expandido al aire expandido calentado. Por ejemplo, la porción de enfriamiento del recuperador 146 puede recibir el gas de escape expandido a través del conducto 184 y descargar el gas de escape enfriado a través del conducto 186, y la porción de calentamiento del recuperador 146 puede recibir el primer aire expandido a través del conducto 144 y puede descargar el aire expandido calentado a través del conducto 148.
En una o más realizaciones, el expansor 140 puede estar acoplado fluidamente y dispuesto entre el intercambiador de calor 124 y el recuperador 146, como, por ejemplo, aguas abajo del intercambiador de calor 124 y aguas arriba del recuperador 146. El expansor 140 puede utilizarse para aumentar la cantidad de energía térmica (calor de compresión) que es recuperada como electricidad por el generador eléctrico 142 y puede utilizarse para reducir la temperatura del aire expandido descargado del expansor 140.
Una ventaja técnica de las realizaciones divulgadas puede conceptualizarse del siguiente modo: cuanta menos energía térmica contenga el aire expandido introducido en el recuperador 146 a través del conducto 144, más energía térmica podrá transferirse desde el gas de escape expandido del conducto 184 al aire expandido calentado del conducto 148 por el recuperador 146. Al aumentar la transferencia de energía térmica del gas de escape expandido a través del conducto 184 por el recuperador 146, se perdería menos energía térmica o se descargaría de otro modo con el gas de escape enfriado a través del conducto 186 fuera del sistema CAES híbrido 100.
El sistema CAES híbrido 100 puede incluir una o más unidades de generación de energía diabática 170. La disposición del expansor 140 entre el intercambiador de calor 124 y el recuperador 146 permite conectar entre sí las porciones adiabática y diabática del sistema conservando las ventajas técnicas de cualquier porción y evitando los perjuicios concomitantes, creando así un sistema híbrido eficaz y respetuoso con el medio ambiente.
Cada una de las unidades de generación de energía 170 puede incluir una o más cámaras de combustión 172, uno o más expansores 180 y uno o más generadores eléctricos 182. En esta realización, el expansor 180 puede estar dispuesto para funcionar en un segundo rango de presión, que es inferior al primer rango de presión del expansor 140. Como se ha indicado anteriormente, en esta realización, el tren de expansores puede estar formado por los expansores 140 y 180 (es decir, sólo dos expansores), lo que resulta eficaz para pasar de niveles de presión que pueden ser del orden de aproximadamente 51,71 - 103,42 bares (750 psi-1500 psi) (por ejemplo, por el expansor 140) a un nivel de presión aproximado o igual a la presión atmosférica estándar (por ejemplo, por el expansor 180).
El aire expandido calentado a través del conducto 148 puede transferirse a la cámara de combustión 172. Uno o más combustibles, agua, vapor, una o más fuentes de oxígeno, aditivos o cualquier mezcla de los mismos pueden añadirse o transferirse de otro modo a la cámara de combustión 172 a través del conducto 174 y combinarse con el aire expandido calentado en la cámara de combustión 172 para producir la mezcla de combustible. Alternativamente, en otra realización, uno o más combustibles, agua, vapor, fuentes de oxígeno (por ejemplo, O2), y/o aditivos pueden combinarse y mezclarse con el aire expandido calentado dentro del conducto 148 para producir la mezcla de combustible aguas arriba de la cámara de combustión 172 (no mostrada). La mezcla de combustible que contiene el aire expandido calentado puede quemarse dentro de la cámara de combustión 172 para producir un gas de escape. Los combustibles ilustrativos pueden ser o incluir, entre otros, uno o más combustibles de hidrocarburos (por ejemplo, alcanos, alquenos, alquinos o alcoholes), gas hidrógeno, gas de síntesis o cualquier combinación de los mismos. Los combustibles de hidrocarburos ilustrativos pueden ser o incluir, entre otros, metano, etano, acetileno, propano, butano, gasolina, queroseno, gasóleo, combustoleo, biodiésel, metanol, etanol o cualquier mezcla de los mismos.
Una vez quemada la mezcla de combustible, la cámara de combustión 172 puede descargar el gas de escape a través del conducto 176 que se transfiere al expansor 180. El expansor 180 puede recibir y expandir el gas de escape a través del conducto 176 descargado por la cámara de combustión 172. El expansor 180 puede expandir los gases de escape para generar o producir energía de otro modo. En uno o varios ejemplos, el expansor 180 puede producir electricidad alimentando o accionando uno o varios generadores eléctricos 182 acoplados al mismo mediante uno o varios ejes de transmisión 181. El generador eléctrico 182 puede generar electricidad y cargar o transferir de otro modo la electricidad generada a la red eléctrica 103 a través del conducto 101 durante los periodos de máxima carga. En otros ejemplos, el expansor 180 puede estar acoplado a una o varias bombas, uno o varios compresores, otros equipos rotativos y/u otros componentes que pueden estar contenidos en el sistema CAES híbrido 100 o en otros sistemas (no mostrados).
El expansor 180 puede descargar un gas de escape expandido a través del conducto 184. El gas de escape expandido puede tener una temperatura comprendida entre aproximadamente 316°C (600°F) y aproximadamente 649°C (1.200°F). El recuperador 146 puede recibir y enfriar el gas de escape expandido a través del conducto 184 y puede descargar el gas de escape enfriado a través del conducto 186. Por ejemplo, el gas de escape enfriado puede descargarse en la atmósfera ambiente o transferirse a otros componentes contenidos en el sistema CAES híbrido 100 u otros sistemas (no mostrados). En una realización no limitante, el gas de escape enfriado puede tener una temperatura comprendida entre aproximadamente 100°C (212°F) y aproximadamente 288°C (550°F). En otra realización no limitante, el gas de escape enfriado puede tener una temperatura comprendida entre aproximadamente 149°C (300°F) y aproximadamente 260°C (500°F).
La FIG. 2 representa un diagrama esquemático de un sistema CAES híbrido ilustrativo 200 que puede incluir una o más unidades de generación de energía diabática 250 acopladas de forma fluida y dispuestas entre el recuperador 146 y la unidad de generación de energía diabática 170, como, por ejemplo, aguas abajo del recuperador 146 y aguas arriba de la unidad de generación de energía diabática 170.
La FIG. 3 representa un diagrama esquemático de un sistema CAES híbrido ilustrativo 300 que puede incluir una o más unidades de generación de energía 350 dispuestas aguas abajo del recuperador 146 y aguas arriba de la unidad de generación de energía 170. Cada sistema CAES híbrido 200, 300 puede ser un sistema CAES híbrido adiabático-diabático que puede tener aspectos de un sistema CAES adiabático y de un sistema CAES diabático. Los sistemas CAES híbridos 200, 300 o porciones de los mismos representados en las FIGS. 2 y 3, respectivamente, y el sistema CAES híbrido 100 o porciones del mismo representados en la FIG. 1 comparten muchos componentes comunes. Debe tenerse en cuenta que los números semejantes mostrados en las FIGs. y discutidos en la presente representan componentes semejantes a lo largo de las múltiples realizaciones divulgadas en la presente.
Cada una de las unidades de generación de energía diabática 250, 350 puede incluir uno o más expansores 160 y uno o más generadores eléctricos 162, como se representa en las FIGs. 2 y Figura 3. El expansor 160 puede ser o incluir uno o más expansores de alta presión (HP). Como se ha indicado anteriormente, en esta realización, el tren de expansores puede estar formado por los expansores 140, 160 y 180 (es decir, tres expansores), lo que resulta eficaz para pasar de niveles de presión que pueden ser tan altos como 172,37 - 186,16 bares (2500-2700 psi) (por el expansor 140) a un nivel de presión intermedio (por el expansor 160) y a un nivel de presión aproximado o igual a la presión atmosférica estándar (por el expansor 180).
La unidad de generación de energía diabática 350, representada en la FIG. 3, también puede incluir una o más cámaras de combustión 152 acopladas fluidamente y dispuestas entre el recuperador 146 y el expansor 160, como, por ejemplo, aguas abajo del recuperador 146 y aguas arriba del expansor 160.
Se apreciará que las cámaras de combustión podrían ser de combustión directa, como se muestra en el esquema, o de combustión indirecta, en las que la combustión externa produce calor que luego se conduce al fluido de trabajo (por ejemplo, aire). Se contempla que esta característica sea una implementación opcional en la cámara de combustión 152 de la FIG. 3, pero no descarta que, en función de las necesidades de una aplicación determinada, pueda aplicarse opcionalmente en otras cámaras de combustión.
En una o más realizaciones, como se representa en la FIG. 2, el expansor 160 puede recibir a través del conducto 148 uno o varios gases de proceso expandidos calentados, como el aire expandido calentado, descargado por el recuperador 146. El expansor 160 puede expandir el gas o aire de proceso expandido calentado para generar o producir energía de otro modo y puede descargar uno o más gases de proceso expandidos, como el aire expandido, a través del conducto 164.
En uno o varios ejemplos, el expansor 160 puede producir electricidad alimentando o accionando uno o varios generadores eléctricos 162 acoplados al mismo mediante uno o varios ejes de transmisión 161. El generador eléctrico 162 puede generar electricidad y cargar o transferir de otro modo la electricidad generada a la red eléctrica 103 a través del conducto 101 durante los periodos de máxima carga. En otros ejemplos, el expansor 160 puede estar acoplado a una o varias bombas, uno o varios compresores, otros equipos rotativos y/u otros componentes que pueden estar contenidos en los sistemas CAES híbridos 200, 300 o en otros sistemas (no mostrados).
En otras realizaciones, como se representa en la FIG. 3, la cámara de combustión 152 puede recibir uno o varios gases de proceso expandidos calentados, como aire expandido calentado, a través del conducto 148 descargado por el recuperador 146. La cámara de combustión 152 puede descargar un gas de escape que puede ser recibido por el expansor 160 a través del conducto 156. El expansor 160 puede expandir el gas de escape u otro gas de proceso expandido para generar o producir energía de otro modo y puede descargar uno o más gases de escape expandidos a través del conducto 164.
El aire expandido calentado puede transferirse a la cámara de combustión 152 a través del conducto 148. Uno o varios combustibles, agua, vapor, una o varias fuentes de oxígeno, aditivos o cualquier mezcla de los mismos pueden añadirse o transferirse de otro modo a la cámara de combustión 152 a través del conducto 154 y combinarse con el aire expandido calentado en la cámara de combustión 152 para producir la mezcla de combustible. Alternativamente, en otra realización, uno o más combustibles, agua, vapor, fuentes de oxígeno (por ejemplo, O2), y/o aditivos pueden combinarse y mezclarse con el aire expandido calentado dentro del conducto 148 para producir la mezcla de combustible aguas arriba de la cámara de combustión 152 (no mostrada). La mezcla de combustible que contiene el aire expandido calentado puede quemarse dentro de la cámara de combustión 152 para producir un gas de escape. Los combustibles ilustrativos pueden ser o incluir, entre otros, uno o más combustibles de hidrocarburos (por ejemplo, alcanos, alquenos, alquinos o alcoholes), gas hidrógeno, gas de síntesis o cualquier combinación de los mismos. Los combustibles de hidrocarburos ilustrativos pueden ser o incluir, entre otros, metano, etano, acetileno, propano, butano, gasolina, queroseno, gasóleo, combustoleo, biodiésel, metanol, etanol o cualquier mezcla de los mismos.
Una vez quemada la mezcla de combustible, la cámara de combustión 152 puede descargar los gases de escape que se transfieren al expansor 160 a través del conducto 156. El gas de proceso expandido puede transferirse a una o más cámaras de combustión 172 a través del conducto 164 y quemarse como se ha comentado y descrito anteriormente. El gas de proceso expandido puede ser o incluir, entre otros, aire, gas de escape, fluido de trabajo o cualquier mezcla de los mismos. En uno o más ejemplos, el gas de proceso expandido puede ser o incluir aire expandido y puede descargarse de la unidad de generación de energía 250 a través del conducto 164. En otros ejemplos, el gas de proceso expandido puede ser o incluir gas de escape expandido y puede descargarse de la unidad de generación de energía 350 a través del conducto 164.
Se apreciará que cada una de las realizaciones representadas en las FIGs. 1 a 3 pueden aplicarse opcionalmente de formas alternativas. Por ejemplo, en la FIG. 1, se ilustra el expansor 140 acoplado al generador eléctrico de accionamiento 142 y el expansor 180 acoplado al generador eléctrico de accionamiento 182. Una implementación alternativa sería acoplar los expansores 140 y 180 para accionar un generador eléctrico común, ya sea mediante una disposición de un solo eje o de varios ejes.
Del mismo modo, en las FIGs. 2 y 3, se ilustra el expansor 140 acoplado al generador eléctrico de accionamiento 142, el expansor 160 acoplado al generador eléctrico de accionamiento 162 y el expansor 180 acoplado al generador eléctrico de accionamiento 182. Una implementación alternativa consistiría en acoplar los expansores 140, 160 y 180 para accionar un generador eléctrico común, ya sea mediante una disposición de un solo eje o de varios ejes.
Se apreciará que en la FIG. 1, el controlador 106, el generador eléctrico 142 y el generador eléctrico 182 pueden estar formados por una o varias máquinas individuales. Por ejemplo, el controlador 106, el generador eléctrico 142 y el generador eléctrico 182 pueden comprender una única máquina electromotriz que integre las funcionalidades de motorización y generación con embragues para acoplar o desacoplar adecuadamente las máquinas asociadas. Del mismo modo, en las FIGs. 2 y 3, el controlador 106, el generador eléctrico 142, el generador eléctrico 162 y el generador eléctrico 182 pueden estar formados por una o varias máquinas individuales.
Un ejemplo de disposición de motor/generador de doble extremo conectado a dos compresores en el lado motor y a dos expansores en el lado generador puede ser el siguiente:
compresor - engranaje - compresor - engranaje - embrague -- motor/generador -- embrague - engranaje - expansor - engranaje - expansor
Aunque las realizaciones de la presente divulgación se han divulgado de forma ejemplar, será evidente para los expertos en la materia que se pueden hacer muchas modificaciones, adiciones y supresiones en la misma sin apartarse del alcance de la invención, como se establece en las reivindicaciones siguientes.
Claims (18)
1. Un sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido (100), que comprende:
un compresor (110) que responde a un controlador (106) para generar un aire comprimido durante un modo de carga del sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido (100);
un primer intercambiador de calor (114) configurado para recibir el aire comprimido por el compresor (110), extraer energía térmica del aire comprimido por el compresor (110), y generar un aire comprimido enfriado, en el que el aire comprimido enfriado por el primer intercambiador de calor (114) se transporta a un depósito de almacenamiento de aire (120) para su almacenamiento;
una fuente de energía térmica neutra en carbono (130); un segundo intercambiador de calor (124) acoplado a la fuente de energía térmica neutra en carbono (130) configurado para transferir la energía térmica suministrada por la fuente de energía térmica neutra en carbono (130) al aire comprimido enfriado que, durante un modo de generación de energía eléctrica del sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido (100), se transporta desde el depósito de almacenamiento de aire (120) hasta el segundo intercambiador de calor (124) para generar un aire comprimido calentado;
un primer expansor (140) que responde únicamente al aire comprimido calentado por el segundo intercambiador de calor (124) configurado para producir energía y generar un aire expandido;
un recuperador (146) dispuesto aguas abajo del primer expansor (140) configurado para recibir el aire expandido por el primer expansor (140) y establecer una transferencia térmica entre el aire expandido recibido y un gas de escape expandido recibido por el recuperador (146), la transferencia térmica por el recuperador (146) eficaz para transferir energía térmica del gas de escape expandido recibido para calentar el aire expandido por el primer expansor (140) y a su vez enfriar el gas de escape expandido recibido para generar un gas de escape enfriado; una primera cámara de combustión (152, 172) dispuesta para recibir el aire expandido calentado por el recuperador (146) y generar un gas de escape; y
un segundo expansor (160, 180) que responde a los gases de escape por la primera cámara de combustión (152, 172) para producir más energía, siendo el segundo expansor (160, 180) la fuente de los gases de escape expandidos recibidos por el recuperador (146),
donde el primer expansor (140) que responde únicamente al aire comprimido calentado por el segundo intercambiador de calor (124) es eficaz para reducir una temperatura del aire expandido por el primer expansor (140), y por lo tanto la transferencia de energía térmica del gas de escape expandido recibido para calentar el aire expandido por el primer expansor (140) es eficaz para reducir el desperdicio de energía térmica en el gas de escape enfriado por el recuperador (146).
2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer expansor (140) está dispuesto para funcionar en un primer rango de presión, en el que el primer expansor (140) está acoplado para accionar un primer generador eléctrico (142).
3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el segundo expansor (160, 180) está dispuesto para funcionar en un segundo rango de presión, que es inferior al primer rango de presión, en el que el segundo expansor (160,180) está acoplado para accionar un segundo generador eléctrico (162, 182).
4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer expansor (140) está dispuesto para funcionar en un primer rango de presión, y el segundo expansor (160, 180) está dispuesto para funcionar en un segundo rango de presión, que es inferior al primer rango de presión, en el que el primer expansor (140) y el segundo expansor (160, 180) están acoplados cada uno para accionar un generador eléctrico común.
5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el primer rango de presión se ajusta a los niveles de presión del aire comprimido enfriado almacenado en el depósito de almacenamiento de aire (120) y el segundo rango de presión se ajusta a la presión atmosférica ambiente.
6. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde la transferencia térmica por el recuperador (146) es eficaz para que el gas de escape enfriado por el recuperador (146) comprenda una temperatura en un rango de aproximadamente 100°C (212°F ) a aproximadamente 288°C (550°F ).
7. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde la primera cámara de combustión (172) está dispuesta para quemar una mezcla de combustible que comprende el aire expandido calentado por el recuperador (146) y un combustible de hidrocarburo.
8. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende además un tercer expansor (160, 180) acoplado fluidamente entre el recuperador (146) y la primera cámara de combustión (162, 172), en el que el tercer expansor (160, 180) está configurado para recibir y expandir el aire expandido calentado por el recuperador (146).
9. El sistema de acuerdo con las reivindicaciones 2, 3 y 8 o las reivindicaciones 4 y 8, en donde el tercer expansor (160, 180) está dispuesto para funcionar en un tercer rango de presión, que se encuentra entre el primer rango de presión y el segundo rango de presión, en el que el tercer expansor (160, 180) está acoplado para accionar un
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tercer generador eléctrico (162, 182).
10. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1, 4 - 7, en donde el primer expansor (140) está dispuesto para funcionar en un primer rango de presión, y el segundo expansor (160, 180) está dispuesto para funcionar en un segundo rango de presión, que es inferior al primer rango de presión, y que comprende además un tercer expansor (160, 180) dispuesto para funcionar en un tercer rango de presión, que está entre el primer rango de presión y el segundo rango de presión, en el que el primer expansor (140), el segundo expansor (160, 180) y el tercer expansor (160, 180) están acoplados cada uno para accionar un generador eléctrico común.
11. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 - 10, que comprende además una segunda cámara de combustión (152, 172) acoplada fluidamente entre el recuperador (146) y el tercer expansor (160, 180).
12. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 11, en donde el controlador (106) comprende un motor eléctrico y/o el depósito de almacenamiento de aire comprende una caverna subterránea.
13. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 12, en donde el recuperador (146) comprende una porción de enfriamiento y una porción de calentamiento y está dispuesto para transferir energía térmica entre la porción de enfriamiento y la porción de calentamiento, en el que la porción de enfriamiento está dispuesta para recibir el gas de escape expandido por el segundo expansor (180) y generar el gas de escape enfriado, y en el que la porción de calentamiento está configurada para recibir el aire expandido por el primer expansor (140) y generar el aire expandido calentado.
14. Un sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido (300), que comprende:
a. un compresor (110) que responde a un controlador (106) para generar un aire comprimido durante un modo de carga del sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido (300);
b. un primer intercambiador de calor (114) configurado para recibir el aire comprimido por el compresor (110), extraer energía térmica del aire comprimido por el compresor (110), y generar un aire comprimido enfriado, en el que el aire comprimido enfriado por el primer intercambiador de calor (114) se transporta a un depósito de almacenamiento de aire (120) para su almacenamiento;
c. una fuente de energía térmica neutra en carbono (130);
d. un segundo intercambiador de calor (124) acoplado a la fuente de energía térmica neutra en carbono (130) configurado para transferir la energía térmica suministrada por la fuente de energía térmica neutra en carbono (130) al aire comprimido enfriado que, durante un modo de generación de energía eléctrica del sistema híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido (300), se transporta desde el depósito de almacenamiento de aire (120) hasta el segundo intercambiador de calor (124) para generar un aire comprimido calentado;
e. un primer expansor (140) que responde únicamente al aire comprimido calentado por el segundo intercambiador de calor (124) configurado para producir energía y generar un aire expandido;
f. un recuperador (146) dispuesto aguas abajo del primer expansor (140) configurado para recibir el aire expandido por el primer expansor (140) y establecer una transferencia térmica entre el aire expandido recibido y un segundo gas de escape expandido recibido por el recuperador (146), la transferencia térmica por el recuperador (146) eficaz para transferir energía térmica del segundo gas de escape expandido recibido para calentar el aire expandido por el primer expansor (140) y a su vez enfriar el segundo gas de escape expandido recibido para generar un gas de escape enfriado;
g. una primera cámara de combustión (152, 172) dispuesta para recibir el aire expandido calentado por el recuperador (146), quemar una primera mezcla de combustible que incluya el aire expandido calentado por el recuperador (146) y generar un primer gas de escape;
h. un segundo expansor (160, 180) que responde al primer gas de escape de la primera cámara de combustión (152, 172) configurado para producir más energía y generar un primer gas de escape expandido;
i. una segunda cámara de combustión (152, 172) dispuesta para recibir el primer gas de escape expandido por el segundo expansor (160, 180), quemar una segunda mezcla de combustible que incluya el primer gas de escape expandido por el segundo expansor (160, 180) y generar un segundo gas de escape; y
j. un tercer expansor (160, 180) que responde al segundo gas de escape por la segunda cámara de combustión (152, 172) configurado para producir aún más energía, siendo el tercer expansor (160, 180) la fuente del segundo gas de escape expandido recibido por el recuperador (146),
donde el primer expansor (140) que responde únicamente al aire comprimido calentado por el segundo intercambiador de calor (124) es eficaz para reducir una temperatura del aire expandido por el primer expansor (140), y por lo tanto la transferencia de energía térmica del segundo gas de escape expandido recibido para calentar el aire expandido por el primer expansor (140) es eficaz para reducir el desperdicio de energía térmica en el gas de escape enfriado por el recuperador (146).
15. El sistema de acuerdo con la reivindicación 14, en donde el primer expansor (140) está dispuesto para funcionar en un primer rango de presión, el segundo expansor (160, 180) está dispuesto para funcionar en un segundo rango de presión y el tercer expansor (160, 180) está dispuesto para funcionar en un tercer rango de presión, en el que el primer rango de presión comprende valores de presión superiores en relación con los valores de presión del tercer rango de presión, y en el que el segundo rango de presión comprende valores de presión comprendidos entre los respectivos valores de presión del primer y tercer rangos de presión.
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16. El sistema de acuerdo con la reivindicación 14 o 15, en donde el primer rango de presión se ajusta a los niveles de presión del aire comprimido enfriado almacenado en el depósito de almacenamiento de aire (120) y el tercer rango de presión se ajusta a la presión atmosférica ambiente.
17. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 - 11 o 14 - 16, en donde el primero, segundo y tercer expansores (140, 160, 180) están acoplados respectivamente para accionar generadores eléctricos respectivos (142, 162, 182), o en el que el primero, segundo y tercer expansores (140, 160, 180) están acoplados respectivamente para accionar un generador eléctrico común.
18. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 17, en donde la fuente de energía térmica neutra en carbono (130)
se selecciona del grupo formado por una fuente de energía térmica solar, una fuente de energía geotérmica, una fuente de energía térmica basada en el calor residual, una fuente de energía térmica basada en el compostaje; o bien
la fuente de energía térmica neutra en carbono es una fuente de energía térmica intermitente, y comprende además un dispositivo de almacenamiento térmico para almacenar energía térmica durante los periodos de funcionamiento intermitente de la fuente de energía térmica.
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