ES3054871T3 - Gravimetric energy storage system and method - Google Patents

Abstract

Se propone un sistema para el almacenamiento gravitacional de energía bajo una capa de arcilla o lodolita, adecuado como barrera hidráulica (2) en un subsuelo bajo la superficie del terreno. El sistema comprende un volumen de separación bajo la barrera con una membrana plástica impermeable superior e inferior, y un borde alrededor de la separación, compuesto por un sólido consolidado hidráulicamente a partir de una suspensión formadora de membrana. También incluye un área subterránea por encima de la separación entre la barrera y la superficie del terreno que actúa gravitacionalmente sobre el volumen de separación, y un punto de acceso técnico (1) desde una superficie del terreno por encima de la barrera, a través del subsuelo, hasta la parte inferior de la barrera (2) en el volumen de separación. Se proporciona un revestimiento resistente a la tracción (3) que se extiende desde la superficie del terreno, al menos en la sección superior del punto de acceso. Además, se propone un método para la fabricación y el funcionamiento de dicho sistema. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Sistema y método de almacenamiento de energía gravitacional

[0003] La invención se refiere a un método para fabricar y operar un sistema de almacenamiento subterráneo de energía gravitacional según la reivindicación 1. Además, la invención se refiere al sistema y a una disposición que comprende varios de estos sistemas de almacenamiento subterráneo de energía gravitacional según las reivindicaciones 4 y 8, respectivamente, así como a un uso del sistema según la reivindicación 11.

[0004] Los dispositivos de almacenamiento de energía del tipo mencionado sirven para almacenar suministros de energía fluctuantes, por ejemplo, energía renovable, preferiblemente energía cinética o eléctrica. La energía existente, preferiblemente cinética, se convierte reversiblemente en una forma de energía almacenable, es decir, preferiblemente energía potencial, para poder reconvertirse en energía cinética, preferiblemente la forma original de energía, cuando sea necesario. La energía se convierte solo temporalmente en otra forma de energía almacenable.

[0005] Desde hace mucho tiempo se conocen las centrales hidroeléctricas de bombeo, en las que un medio de almacenamiento, generalmente agua, se bombea a un nivel superior en un embalse, como una presa, donde se almacena. La energía potencial almacenada en el embalse se puede aprovechar cuando sea necesario. Se puede convertir de nuevo en energía cinética descargando agua a través de una turbina, y de ahí en energía eléctrica mediante un generador. En este proceso se utilizan las llamadas turbinas-bomba, que constan de una turbomáquina que puede funcionar como turbina y como bomba, acoplada mecánicamente a una máquina eléctrica que se puede emplear como accionamiento para la bomba y como generador para la turbina. Dependiendo del estado de funcionamiento, las turbinas-bomba funcionan como bombas o como generadores. Sin embargo, estas centrales hidroeléctricas de bombeo requieren una topografía adecuada y una cantidad considerable de espacio, especialmente para los embalses.

[0006] Además, son comunes los sistemas de almacenamiento de energía, en donde un fluido compresible se comprime en una cavidad sellada, por ejemplo, subterránea, y, cuando se necesita, se convierte de nuevo en energía mediante una turbina u otra máquina de expansión, con o sin generador. De este modo, la energía se convierte reversiblemente en energía potencial almacenable, comprimida elásticamente, y se almacena temporalmente. Este diseño no requiere las limitaciones topográficas de una central de bombeo y, sobre todo, es móvil.

[0007] El documento DE 102010034757 A1 describe una tecnología conocida como almacenamiento por gravedad (“gravity storage”) para el almacenamiento de energía hidráulica. En este sistema, un cuerpo rocoso cilíndrico de roca se guía dentro de una apertura cilíndrica en la misma roca y se eleva mediante la inyección de un medio de almacenamiento hidráulico (almacenamiento de energía). La energía almacenada se recupera posteriormente descendiendo el medio de almacenamiento presurizado desde debajo del cuerpo rocoso, utilizando la bomba empleada para este fin como convertidor de energía. Se coloca un anillo de sellado entre el cuerpo rocoso y la apertura de la roca. Sin embargo, no se mencionan detalles cruciales para su implementación práctica, como la manera de evitar la fricción con el cuerpo sólido o la erupción durante el desplazamiento del cuerpo rocoso en la apertura de la roca durante la inyección.

[0008] La tecnología, denominada almacenamiento por gravedad (“gravity storage”), consiste en elevar hidráulicamente un cuerpo rocoso cilíndrico para almacenar energía y descenderla para generar energía, utilizando la bomba como generador. No explica cómo se evitará la erupción durante el proceso necesario de inyección, ni cómo se minimizará la fricción en la pared del cilindro, que reduce la eficiencia. Sin cementación, el cilindro resultante se desintegraría en el terreno. Con ello, se imposibilitaría cualquier uso posterior del terreno.

[0009] La patente de EE. UU. núm. US 2011/0113769 A1 describe un sistema de almacenamiento de energía particularmente adecuado para el almacenamiento intermedio de grandes cantidades de energía. Se propone un volumen de almacenamiento (normalmente de 160000 a 250000 m²) plano subterráneo, cercano a la superficie, que se llena con agua como medio de almacenamiento mediante una turbina. El subsuelo que cubre dicho volumen de almacenamiento genera presión interna en el volumen de almacenamiento; se especifica un espesor de subsuelo de 20 a 25 m sobre el volumen de almacenamiento. Este espesor puede aumentarse o modificarse añadiendo material de relleno. El volumen de almacenamiento se sella mediante una membrana inferior y otra superior; la membrana superior (por ejemplo, de polímero) es más ligera y la membraba inferior (por ejemplo, de hormigón) es más pesada que el medio de almacenamiento.

[0010] También en el documento EP 3692253 B1 se propone un sistema para almacenar energía y/o agua en el subsuelo. Consiste en colocar una membrana doble de poliuretano, soldada en sus bordes, en un área excavada y luego rellenar con el suelo excavado. Al bombear agua desde un estanque adyacente, preferiblemente ubicado debajo de la membrana doble, esta membrana doble forma un volumen de almacenamiento con forma de colchón, que eleva el subsuelo y, por lo tanto, la superficie del terreno que lo cubre, y desciende nuevamente cuando se descarga el medio de almacenamiento. Durante la descarga, el suelo sobre el volumen de almacenamiento se hunde, y la bomba actúa como generador. La capacidad y la eficiencia de este almacenamiento de energía gravitacional están limitadas por la profundidad y el ancho de excavación disponibles, así como por la posible inestabilidad del suelo sobre el colchón de agua. La bomba utilizada para llenar el medio de almacenamiento también funciona como generador. La capacidad y la eficiencia de este almacenamiento de energía gravitacional están limitadas por la profundidad y el ancho de excavación disponibles, así como por el hecho de que el suelo sobre el volumen de almacenamiento es inestable. Una membrana doble hecha de poliuretano es más fácil de controlar en comparación con las membranas de la patente de EE. UU. núm. US 2011/0113769 A1, pero menos robusta.

[0011] La tecnología propuesta por Aquanamic en la patente EP 3 692 253 B1 consiste en colocar una doble membrana de poliuretano, soldada en sus bordes, en un área excavada y luego rellenarla con la tierra extraída. Al bombear agua desde un estanque cercano, la doble membrana forma un colchón que eleva el suelo superior; al drenar el agua, este suelo desciende y la bomba actúa como generador. La capacidad y la eficiencia de este almacenamiento de energía gravitacional están limitadas por la profundidad y el ancho de excavación disponibles, así como por la posible inestabilidad del suelo sobre el colchón de agua. Una doble membrana de poliuretano es más controlable que la de la tecnología mencionada anteriormente, pero menos robusta. La energía se almacena de la misma manera que con el almacenamiento por gravedad y la tecnología mencionada, pero con Aquanamic, la capacidad está limitada por la profundidad de excavación y el terreno queda prácticamente inutilizable.

[0012] Los sistemas de almacenamiento de energía integrados en el subsuelo mencionados requieren un sellado exhaustivo del volumen de almacenamiento presurizado en un almacenamiento con respecto al subsuelo circundante. Las membranas y los medios de sellado presentados están diseñados para aplicarse manualmentein situy deben ser reparables o reemplazables en caso de daños. Por consiguiente, la accesibilidad limita la profundidad de instalación económicamente viable del volumen de almacenamiento. Esta profundidad limitada también implica que el llenado y/o descarga del volumen de almacenamiento provoca el ascenso o descenso de la superficie del terreno sobre el volumen de almacenamiento, lo que la inutiliza para otros fines o desarrollos. La escasa profundidad de cobertura también implica una eficiencia energética relativamente baja, relacionada con la posible acumulación de plástico en extensas zonas.

[0013] Además, el documento EP 2464819 B1 da a conocer un método para almacenar energía. Consiste en fracturar una sección del subsuelo, preferiblemente una formación rocosa, mediante la inyección de agua y la adición de resina sintética, que se adhiere a las superficies de fractura, preferiblemente en los extremos de la fractura, se endurece y forma una membrana impermeable. Esto crea un volumen de almacenamiento resistente a la presión que posteriormente puede utilizarse como almacén de fluido a presión para el almacenamiento intermedio de energía. El método presupone la deformabilidad elástica del subsuelo, lo que permitiría altas eficiencias de hasta el 70-75 %. Sin embargo, la roca se comporta de forma mayoritariamente inelástica durante la fractura hidráulica, y la fuga de fluido no se puede prevenir únicamente con la adición de resina sintética, especialmente con la inyección y descarga alternadas del fluido. Además, los cambios de presión repetidos dentro del sistema de almacenamiento provocan la degradación plástica de la resina sintética endurecida, lo que conlleva fracturas y desgaste, y finalmente, fugas en el volumen de almacenamiento.

[0014] La tecnología mencionada consiste en fracturar una sección del subsuelo mediante la inyección de agua y la adición de resina. La empresa afirma una eficiencia del 70 al 75 %, partiendo de la premisa de que la roca se comporta de forma mayoritariamente elástica. En realidad, la roca se comporta de forma mayoritariamente inelástica durante la fractura hidráulica, y las erupciones de fluido no se pueden prevenir añadiendo resina (por sí sola), especialmente con la inyección y extracción alternadas del fluido.

[0015] En base a esto, un objeto de la invención es proponer un método para la fabricación y el funcionamiento de un sistema subterráneo de almacenamiento de energía gravitacional que también proporcione mayores volúmenes de almacenamiento para almacenamiento intermedio, pero que no presente las limitaciones antes mencionadas.

[0016] Otro objetivo consiste en proponer un sistema adecuado para el proceso, así como una disposición de varios de estos sistemas para el almacenamiento de energía gravitacional en el subsuelo, debajo de la superficie del terreno.

[0017] Los objetivos se resuelven mediante un método, un sistema, una disposición y un uso con las características descritas en las reivindicaciones primera, cuarta, octava y undécima de la patente, respectivamente. Las reivindicaciones dependientes relacionadas con estas describen configuraciones ventajosas.

[0018] Para resolver el objetivo, se propone un sistema de almacenamiento de energía gravitacional basado en el siguiente enfoque resolutivo: para el almacenamiento de energía gravitacional, se inyecta primero una suspensión de partículas sólidas expansivas a través de un acceso cercano a la superficie del terreno sellado de manera resistente a la tracción y un obturador bajo una capa continua de arcilla o lutita. Se forma una doble membrana alrededor del espacio resultante mediante consolidación hidráulica, la cual se sella en frío en la franja perimetral por reducción de presión. Tras retirar el obturador, se bombea agua al espacio por primera vez, elevando el suelo superior mientras se forma una membrana plástica en el borde de la perforación. La posterior descarga de agua provoca el hundimiento del suelo, y la consiguiente reducción de su energía potencial se convierte en energía eléctrica, de forma similar a una central hidroeléctrica de bombeo. Varios ciclos de este tipo compactan las zonas de suelo suelto y despresurizan las zonas rocosas. En ciclos posteriores con una amplitud suficientemente baja, el subsuelo se comporta predominantemente de forma elástica, mientras que las deformaciones del suelo en la superficie de terreno no afectan a su función ecológica y/o técnica. El radio del espacio se limita para evitar la inestabilidad del suelo superior durante la elevación hidráulica. Varias membranas están dispuestas una al lado de la otra, de tal manera que los pilares terrestres entre ellas no se levanten en conjunto.

[0019] Específicamente, el diseño preferido es la fabricación y operación de un sistema para el almacenamiento subterráneo de energía gravitacional, que abarque al menos algunas de las siguientes características:

[0020] (1) selección de una capa adecuada de arcilla o lutita en el subsuelo como barrera hidráulica,

[0021] (2) excavación de un acceso desde la superficie del terreno hasta la parte inferior de la barrera según (1), (3) inserción de un revestimiento resistente a la tracción anular del acceso según (2) desde la superficie del terreno hasta una sección superior del acceso, y soporte del subsuelo mediante una torta de filtración de una suspensión de partículas sólidas expansibles,

[0022] (4) colocación de un obturador en el acceso según (2) dentro de la barrera según (1), tensado del obturador contra la barrera y sujeción del obturador con una polea,

[0023] (5) inyección de una suspensión de partículas sólidas expansibles a través del obturador, que se eleva en el proceso, según (4) bajo la barrera según (1), de manera que se forma un espacio aproximadamente radialmente simétrico,

[0024] (6) control de la expansión del espacio según (5) mediante presión y cantidad de suspensión, así como mediante sísmica de refracción,

[0025] (7) producción de una membrana en la parte superior e inferior del espacio mediante consolidación hidráulica durante su fabricación según (5),

[0026] (8) soldadura en frío de las membranas superior e inferior según (7) a lo largo de una franja perimetral anular reduciendo temporalmente la presión de suspensión,

[0027] (9) retirada del obturador según (4), inserción de una bomba y un motor eléctrico en la pared extendida hacia arriba según (3) y su cierre excepto por un acceso para agua y electricidad,

[0028] (10) construcción o reutilización de un depósito de agua en o cerca de la superficie del terreno por encima del espacio según (5),

[0029] (11) bombeo de agua en el acceso según (2) de manera que la torta de filtración según (3) se compacte en una membrana, y que el espacio se ensanche y el subsuelo (posiblemente con depósitos de agua según (10)) se eleve por encima de él, sin que el borde según (8) se abra,

[0030] (12) descarga de agua por el espacio de tal manera que la energía gravitacional del suelo superior disminuya nuevamente, mientras que la bomba actúa como una turbina y su motor como un generador, suministra energía a la red eléctrica,

[0031] (13) compactación de zonas de subsuelo suelto mediante bombeo y descarga repetidos según (11) y (12), (14) bombeo y descarga según (11) y (12) en el caso de subsuelo rocoso en un paso de peregrino para limitar la actividad sísmica asociada,

[0032] (15) elevación y descenso repetidos según (11) y (12) después de la entrada según (13) y/o (14) con cambios de altura tan pequeños que no se restrinja la funcionalidad ecológica y/o técnica del terreno o de las construcciones, y de tal manera que la pérdida de energía en el subsuelo sea insignificante,

[0033] (16) disposición de varios sistemas según (1) a (15) adyacentes, de manera que los espacios no estén conectados hidráulicamente entre sí, y de manera que queden pilares terrestres entre ellos que no se eleven ni se bajen en conjunto,

[0034] (17) disposición de pilares terrestres alargados según (16) bajo cursos de agua que atraviesan el terreno. En una forma de realización preferida, se describe un método para fabricar y operar un sistema subterráneo de almacenamiento de energía gravitacional, que comprende los siguientes pasos de método:

[0035] a) Selección de una capa de arcilla o lutita en el subsuelo adecuada como barrera hidráulica. Preferiblemente, la barrera se extiende bidimensionalmente de forma horizontal y/o plana en el subsuelo.

[0036] b) Perforación de un acceso (técnico) desde la superficie del terreno hasta la parte inferior de la barrera. El acceso es preferiblemente una perforación desde la superficie del terreno a través del subsuelo y la barrera mediante una herramienta de perforación geológica profunda y preferiblemente tiene una sección transversal circular. La perforación del acceso se realiza preferiblemente utilizando una suspensión que contiene partículas sólidas expansibles, penetrando la suspensión en el acceso y, por lo tanto, alcanzando las paredes del acceso, donde moja el material del subsuelo circundante, penetra al menos superficialmente y forma una torta de filtración con las partículas sólidas, que después se consolida hidráulicamente formando una membrana en la pared del acceso. La membrana es preferiblemente deformable plásticamente, lo que significa que, en principio, se tolera cierto grado de flexibilidad del subsuelo bajo presión sin que la membrana se rompa. Las partículas sólidas expansibles preferidas son preferiblemente minerales expansibles y se caracterizan por su capacidad para absorber y descargar agua, aumentando o disminuyendo así su densidad y volumen con un contenido de agua variable.

[0037] c) Instalación de un revestimiento resistente a la tracción anular del acceso desde la superficie del terreno hasta la sección superior del acceso y soporte del subsuelo mediante una torta de filtración (mencionada) compuesta de una suspensión, preferiblemente de partículas sólidas expansibles. El revestimiento resistente a la tracción anular es preferiblemente un tramo de tubería que se inserta en el acceso en su totalidad o en segmentos interconectados y es capaz de soportar la sobrepresión interna hacia el exterior. Esto es particularmente necesario en la sección superior del acceso, ya que el subsuelo en esa zona, debido a su menor distancia de la superficie del terreno, suele estar menos compactado que en las zonas más profundas del subsuelo y, por lo tanto, presenta una mayor deformación ante las presiones y fuerzas aplicadas. A mayor deformación, mayor es el riesgo de que una membrana consolidada no pueda soportarla y se rompa. En cambio, se espera una menor deformación en el subsuelo más compactado y profundo situado por encima de la barrera; para ello, la membrana mencionada, consolidada hidráulicamente a partir de la torta de filtración mencionada, es suficiente. Por lo tanto, la pared del acceso en la zona subterránea entre la superficie del terreno y la barrera se divide preferiblemente en dos secciones: una sección superior con un revestimiento resistente a la tracción anular y una sección inferior con la membrana consolidada mencionada. Tanto el revestimiento como la membrana son preferiblemente impermeables a los fluidos, o al menos impermeables.

[0038] d) Inserción de un obturador en el acceso dentro de la barrera (es decir, en la perforación a través de la barrera), tensado del obturador contra la barrera y fijación del obturador con una polea. El término “obturador” también se refiere a cualquier otro elemento de sellado con al menos una apertura para una línea de inyección, donde la línea de inyección queda sellada dentro del obturador, o bien, el acceso y el espacio forman la propia línea de inyección. El obturador se inserta en una perforación y se puede tensar para sellar contra la pared de la perforación.

[0039] e) Inyección de una suspensión, preferiblemente de partículas sólidas expansibles, a través del obturador situado debajo de la barrera, de manera que se forme un espacio aproximadamente radialmente simétrico y el obturador se eleve dentro de la barrera, formando una membrana en la parte superior e inferior del espacio por consolidación hidráulica (como se describió anteriormente). Al aumentar la presión y la cantidad de suspensión, el volumen del espacio y, por lo tanto, la extensión del espacio, aumentan.

[0040] f) Control de la extensión del espacio en e) mediante la medición y la monitorización de la presión y el volumen de la suspensión, así como mediante sísmica de refracción. Preferiblemente, se propone monitorizar la formación y la extensión del espacio midiendo el caudal de la bomba, la elevación del obturador y/o el tamaño del volumen del espacio.

[0041] g) Soldadura en frío de las membranas superior e inferior a lo largo de una franja perimetral anular durante una reducción temporal de la presión de la suspensión. Una reducción o interrupción del suministro o la presión de la suspensión interrumpe la expansión del espacio. En particular, la membrana en la franja perimetral circunferencial aún no está completamente consolidada debido a la extensión de grietas que se produjo justo antes de este punto, por lo que esencialmente cabe esperar fugas y un mayor flujo local de la suspensión dentro del volumen del espacio. La interrupción del proceso conlleva esencialmente la reorganización de las partículas sólidas ya depositadas de la suspensión, lo que da lugar a la formación de torta de filtración, su consolidación y, en consecuencia, la soldadura en frío y una conexión cada vez más estable entre las membranas superior e inferior en la franja perimetral que rodea el volumen del espacio.

[0042] h) Retirada del obturador del acceso. Esto se realiza cuando las membranas y la soldadura en frío son lo suficientemente estables para la posterior inserción de agua en el sistema en lugar de la suspensión mencionada y el espacio entre las membranas es impermeable hacia el exterior.

[0043] Los pasos del método mencionados anteriormente a) a h), preferiblemente en la cronología ilustrada, sirven para generar el volumen de espacio y su revestimiento estanco con una membrana consolidada hidráulicamente, compuesta de partículas sólidas en suspensión. Por lo tanto, la suspensión es una suspensión formadora de membrana cuyo componente sólido consiste preferiblemente en partículas de un mineral expansible y/o incluye un aditivo que promueve la geoformación.

[0044] Los siguientes pasos del método sirven preferiblemente para la puesta en marcha del sistema, en donde la inyección inicial de agua se realiza de forma lenta y bajo condiciones controladas, de manera que la superficie superior de la doble membrana y su borde no se expandan aún más debido a la consolidación hidráulica de los sólidos en suspensión que permanecen en el espacio. Esta inyección inicial de agua en el espacio se realiza a paso de peregrino, es decir, en varias etapas de carga acumulativa con interrupciones y descargas intermedias, mediante las cuales el subsuelo sobre la barrera se compacta a medida que aumenta la altura de carga y adquiere una deformabilidad elástica creciente. El subsuelo sobre la barrera consiste preferiblemente en una formación rocosa, lo que también favorece la deformabilidad elástica del subsuelo.

[0045] El método antes mencionado se caracteriza además por los siguientes pasos del método posteriores (preferiblemente en el orden que se indica a continuación):

[0046] i) inserción de una turbina de bombeo (turbina apta como bomba y como turbina motriz) con una máquina eléctrica (que puede utilizarse como generador o motor eléctrico) a través del acceso sobre o dentro del revestimiento resistente a la tracción anular, de modo que el acceso ascendente sea estanco a los fluidos excepto para una línea de suministro de agua,

[0047] j) construcción o reutilización de un depósito de agua en la superficie del terreno o cerca de ella, por encima del espacio, así como

[0048] k) arranque del sistema, incluyendo

[0049] • bombeo de agua hacia el acceso y el espacio, compactando la torta de filtración en una membrana, ensanchando el espacio y elevando el subsuelo por encima del espacio, almacenando así energía gravitacional (energía potencial) en el subsuelo por encima del espacio sin que se abra la franja perimetral anular,

[0050] • descarga de agua del espacio a través del acceso mediante la turbina de bombeo, en la cual la energía gravitacional almacenada se convierte en energía eléctrica mediante el agua que se descarga (y, por lo tanto, mediante un descenso de la zona subterránea que descansa sobre el volumen del espacio), así como

[0051] • compactación del subsuelo por encima del espacio mediante el bombeo y descarga repetidos de agua según las características del método i) y ii).

[0052] Una repetición óptima del proceso de bombeo, conforme a la característica del método k) mencionada anteriormente, reduce las variaciones de la elevación del terreno en cada ciclo de bombeo y descarga. Preferiblemente, la repetición se lleva a cabo hasta que las variaciones de elevación en la superficie del terreno sean tan pequeñas que no se vea afectada la funcionalidad ecológica y/o técnica del terreno o de las construcciones, y la pérdida de energía en el subsuelo sea insignificante.

[0053] Al igual que con el bombeo inicial, el método también incluye básicamente un único o varios bombeos y descargas durante el paso de peregrino, lo que resulta en una mayor compactación del subsuelo movido, en particular el área del subsuelo por encima de la extensión lateral del espacio.

[0054] Además, el método incluye preferiblemente el funcionamiento del sistema para el almacenamiento gravitacional de energía bajo una capa de arcilla o lutita, adecuada como barrera hidráulica en un subsuelo por debajo de la superficie del terreno, en el que el agua del depósito de agua mencionado (por ejemplo, un lago) se bombea al volumen del espacio mediante la bomba, turbina o turbina de bombeo mencionadas para el almacenamiento de energía (ciclo de almacenamiento) y, para la descarga de energía (ciclo de descarga), el agua se descarga preferiblemente del volumen del espacio de vuelta al volumen del espacio mediante la turbina de bombeo. Durante el ciclo de almacenamiento, la turbina de bombeo actúa como bomba y el generador como motor para accionar la bomba. Durante el ciclo de descarga, la turbina de bombeo actúa como turbina, transfiriendo su energía mecánica al generador para su conversión en energía eléctrica.

[0055] Una descripción alternativa del método de fabricación y operación de un sistema para el almacenamiento gravitacional de energía en un volumen de espacio en el subsuelo comprende preferiblemente los siguientes pasos del método:

[0056] • suministro de una capa de arcilla o lutita adecuada como barrera hidráulica en el subsuelo, una herramienta de perforación, un revestimiento resistente a la tracción anular y un obturador con una línea de inyección que lo atraviesa,

[0057] • perforación de un acceso técnico desde la superficie del terreno por encima de la barrera, a través del subsuelo, hasta la parte inferior de la barrera con la herramienta de perforación,

[0058] • instalación del revestimiento resistente a la tracción anular a partir de la superficie del terreno, al menos en la sección más superior del acceso,

[0059] • inserción del obturador en el acceso dentro de la barrera y su tensado contra la barrera,

[0060] • inyección de una suspensión a través de la línea de inyección a través del obturador debajo de la barrera, con lo cual el obturador se eleva, formando un espacio aproximadamente radialmente simétrico debajo de la barrera,

[0061] • bombeo adicional de la suspensión formadora de membrana hacia el espacio que se expande lateralmente, mediante el cual el sólido suspendido forma una torta de filtración con el sustrato adyacente, que, a través de la consolidación hidráulica del sólido suspendido en el espacio, forma una membrana plástica impermeable en la parte superior e inferior del espacio, así como

[0062] • interrupción o estrangulamiento del bombeo, que detiene la expansión adicional del espacio y la formación de un borde plástico impermeable en el espacio mediante la formación de una torta de filtración y la consolidación hidráulica adicional de los sólidos suspendidos que permanecen en el espacio.

[0063] Preferiblemente, el método incluye la posterior retirada del obturador del acceso.

[0064] El método antes mencionado se caracteriza preferiblemente porque la excavación del acceso se realiza con la ayuda de una suspensión formadora de membrana, donde la suspensión entra en el acceso, formándose de manera aún más preferible una membrana plástica impermeable en la pared del acceso debajo del revestimiento resistente anular a la tracción mediante la formación de una torta de filtración y la posterior consolidación hidráulica del sólido suspendido.

[0065] Una variante del método preferida se caracteriza porque se crea o reutiliza al menos un almacenamiento intermedio para agua por encima o verticalmente por encima del espacio y está conectado al acceso mediante bombas o turbinas o al menos una turbina de bombeo (que puede utilizarse como bomba y como turbina). Una variante de método preferida para la posterior puesta en marcha del sistema se caracteriza porque el bombeo inicial de agua se realiza de forma lenta y controlada, porque la superficie superior en expansión de la doble membrana y su borde no se expanden más debido a la consolidación hidráulica de los sólidos suspendidos que quedan en el espacio, y además, preferiblemente, el bombeo inicial se realiza en un paso de peregrino, mediante el cual el subsuelo por encima de la barrera se compacta y, por lo tanto, se vuelve predominantemente deformable elásticamente.

[0066] Además, para resolver el objetivo se propone un sistema para el almacenamiento gravitacional de energía bajo una capa de arcilla o lutita adecuada como barrera hidráulica en un subsuelo bajo la superficie del terreno que preferiblemente, pero no necesariamente, sea producible, accesible y/u operable según el método antes mencionado.

[0067] El sistema comprende un volumen de espacio bajo la barrera, delimitado por una membrana plástica impermeable superior e inferior, así como un borde alrededor del espacio (franja perimetral anular) de un sólido consolidado hidráulicamente a partir de una suspensión formadora de membrana. Preferiblemente, el espacio linda hacia arriba directamente con la barrera. Además, se dispone una zona subterránea sobre la barrera, que termina por arriba en una superficie del terreno. Por consiguiente, el sistema incluye una zona subterránea sobre el espacio entre la barrera y la superficie del terreno que ejerce una influencia gravitacional sobre el volumen de espacio. La extensión lateral de la zona subterránea corresponde preferiblemente, como mínimo, a la extensión lateral del espacio. Preferiblemente, el espacio está completamente cubierto por la zona subterránea. El sistema también incluye un acceso (técnico) desde una superficie del terreno sobre la barrera, a través de la zona subterránea, hasta la parte inferior de la barrera y el volumen de espacio, donde se dispone un revestimiento resistente a la tracción anular que se extiende desde la superficie del terreno, al menos en la sección más superior del acceso.

[0068] Una suspensión formadora de membrana es una suspensión con partículas sólidas en suspensión adecuadas para formar una torta de filtración en una pared contra un subsuelo, que se consolida hidráulicamente y se convierte en una membrana.

[0069] Preferiblemente, pero a más tardar después de una puesta en marcha, la zona subterránea se compacta en comparación con el estado anterior a la fabricación del sistema y es predominantemente deformable elásticamente, es decir, el componente elástico de una deformación de la zona subterránea durante el funcionamiento del sistema supera un componente plástico en esta deformación.

[0070] Además, el sistema comprende preferiblemente al menos un almacenamiento intermedio de agua situado por encima o verticalmente por encima del volumen de espacio. Este almacenamiento intermedio, o al menos uno de ellos, se conecta al acceso técnico mediante bombas o turbinas (por ejemplo, la turbina de bombeo mencionada anteriormente). Una configuración preferida ofrece conexiones directas desde cada almacenamiento intermedio a las bombas o turbinas, las cuales pueden accionarse individualmente o en grupos según sea necesario. Si el al menos un almacenamiento intermedio se ubica total o parcialmente en la superficie del terreno y/o en el subsuelo, ejerciendo una influencia gravitacional sobre el volumen de espacio, de manera que su nivel sube o baja con la variación del nivel de llenado del volumen de almacenamiento, también puede utilizarse ventajosamente para el almacenamiento adicional de energía gravitacional.

[0071] Además, se propone una disposición que comprende al menos dos sistemas adyacentes del tipo mencionado, caracterizada por la ubicación de pilares terrestres entre los volúmenes de espacio de los sistemas, lejos de las zonas subterráneas donde actúa la gravedad. Preferiblemente, los volúmenes de espacio están separados y no conectados hidráulicamente, de modo que los pilares terrestres permanecen entre ellos.

[0072] En el marco de la solicitud, los pilares terrestres son las zonas del subsuelo situadas por encima entre dos espacios; a diferencia de las zonas del subsuelo mencionadas anteriormente sobre los espacios no suben ni bajan por su efecto. Por lo tanto, no sirven para almacenar energía gravitatoria.

[0073] Una configuración contempla pilares terrestres alargados lateralmente, es decir, zonas de pilares terrestres que preferiblemente se extienden en línea recta o al menos siguen una ruta a través de la superficie del terreno. Se propone que esta ruta se ubique a lo largo de un curso de agua y que los sistemas se ubiquen correspondientemente junto a la ruta para garantizar la separación funcional deseada de un almacenamiento de energía gravitacional en la disposición, o incluso de sistemas individuales dentro de la misma, con respecto al curso de agua mediante separación espacial.

[0074] La creación de perforaciones (accesos) y espacios, que están sellados de manera impermeable mediante una membrana (de tipo ceroso) mediante la inyección de una suspensión preferiblemente formadora de membrana (tixotrópica) es un método aún no utilizado en ingeniería geotécnica ni en ingeniería de yacimientos. También es novedoso su uso como almacenamiento de energía sin excavación, lo que resulta en una deformación mínima del subsuelo, de modo que prácticamente no se disipa energía y la funcionalidad de la superficie terrestre no se ve afectada.

[0075] La invención se explica con mayor detalle mediante ejemplos de realización (formas de realización preferidas), las figuras siguientes y descripciones. Todas las características mostradas y sus combinaciones no se limitan a estos ejemplos de realización ni a sus configuraciones. Por el contrario, se consideran representativas de otras configuraciones posibles que no se muestran explícitamente como ejemplos de realización. Se muestra en las

[0076] Fig.1a y b una representación esquemática de una forma de realización de una disposición de un sistema con una capa continua de arcilla como barrera (grupo de casos 1),

[0077] Fig.2a y b una representación esquemática de una forma de realización de una disposición de un sistema con una capa de arcilla con fallas como barrera (grupo de casos 2), así como

[0078] Fig.3a y b una representación esquemática de una forma de realización de una disposición de un sistema con una capa de arcilla con rocas de cobertura como barrera (grupo de casos 3).

[0079] A continuación, se describen la fabricación y el funcionamiento para tres grupos de casos definidos geológicamente. Los datos numéricos representan órdenes de magnitud y los dibujos se han simplificado. Posteriormente se explican los requisitos generales, las combinaciones y las excepciones.

[0080] Grupo de casos 1: capa de arcilla continua (véanse las Fig.1a y b)

[0081] En las cuencas sedimentarias, particularmente a profundidades de entre 100 m y 200 m, se encuentran capas horizontales continuas de arcilla de aproximadamente 0,2 m a 1,5 m de espesor, que se extienden a lo largo de 1 km a 10 km, cuyos afloramientos a lo largo de las fallas son menores que el espesor de la capa debido a la mínima deformación tectónica. Las partículas de arcilla no se atraen entre sí en agua libre de sal, por lo que la arcilla, consolidada por la sobrecarga y el paso del tiempo, carece de cohesión efectiva, se desintegra en suspensión tras la expansión al quedar expuesta bajo el agua. En la minería a cielo abierto, especialmente para la extracción de lignito, estas capas de arcilla actúan como sello para la fosa drenada, protegiéndola de la presión del agua subterránea, mientras que el nivel freático en la zona circundante se mantiene cercano a la superficie del terreno. El relleno posterior es suelto y está en gran parte saturado de agua; dependiendo del volumen extraído y del nivel freático, pueden quedar depresiones con lagos residuales.

[0083] Para fabricar un sistema de almacenamiento (Fig. 1a y b) se realizan perforaciones 1 (= accesos) hasta una capa 2 de arcilla adecuada (= barrera). La tubería 3 de revestimiento (revestimiento resistente a la tracción anular) alcanza una profundidad máxima de aproximadamente 1/10 de la capa de arcilla para evitar que el suelo (= subsuelo) circundante colapse y se desplace radialmente debido a la sobrepresión resultante. Debajo, una torta de filtración de suspensión de arcilla tixotrópica sostiene el suelo. Si las sustancias disueltas en el agua subterránea inhiben la formación de gel, se añade un aditivo gelificante a la suspensión. Finalmente, un obturador 4 de sellado (véase la Fig. 1b) empuja la suspensión bajo la capa de arcilla con una sobrepresión tan elevada, que se eleva ligeramente junto con el obturador y el suelo superior (barrera y zona de subsuelo sobre la barrera). Esto crea un espacio 5 lenticular de unos pocos centímetros de altura. En sus lados superior e inferior, se forma una membrana cerosa de unos pocos milímetros de espesor mediante consolidación hidráulica (similar a la ingeniería de procesos con suspensiones no tixotrópicas), que es más firme que la torta de filtración en el borde de la perforación, pero viscoplástica y no quebradiza. La membrana se forma primero en las zonas particularmente permeables de la capa de arcilla subyacente debido a la fuerza del flujo que actúa sobre las partículas minerales en suspensión, luego en las zonas menos permeables y, finalmente, y de forma más delgada, en la parte inferior de la capa de arcilla.

[0085] El borde horizontal del espacio es aproximadamente circular en cada etapa intermedia de su formación. El volumen del espacio es igual al de la suspensión inyectada hasta el momento, y su altura central está determinada por la elevación medida del obturador. La masa de mineral arcilloso necesaria para formar una membrana impermeable es, en cada etapa intermedia, el producto de la superficie del espacio y la masa mineral fija por unidad de área. Esta última, así como los tiempos necesarios para la consolidación hidráulica, se obtienen mediante ensayos de laboratorio. Con base en estos resultados, se logra un radio de espacio de dos a tres veces la profundidad de la capa de arcilla mediante el contenido mineral de la suspensión, así como los volúmenes, presiones y duraciones de bombeo.

[0087] Al llegar al borde del espacio, las membranas superior e inferior se sueldan en frío formando una tira anular. Para ello, se reduce la presión de suspensión de forma gradual y suficiente para asegurar que el componente de gel de las membranas prensadas se desplace hacia el espacio y que el agua intersticial sea expulsada verticalmente de la zona de contacto menos consolidada. Las presiones requeridas y su duración se determinan mediante ensayos y cálculos de laboratorio.

[0089] Tras retirar el obturador, la tubería de revestimiento se conecta a una bomba 6 (véase la Fig. 1a, correspondiente a una turbina de bombeo) y se bombea agua a través de ella. La sobrepresión necesaria para la producción y el uso de la doble membrana evita el desplazamiento radial del suelo por la tubería de revestimiento cerca de la superficie. Debido a la sobrepresión y con un flujo de agua controlado, la altura del espacio lenticular aumenta inicialmente entre 1 m y 2 m. Incluso en el borde de la perforación con arena o arcilla, la torta de filtración forma una membrana cerosa que, en particular, previene el reblandecimiento y la erosión de la capa de arcilla en la perforación. Durante la expansión hidráulica de la doble membrana que encierra el espacio, su borde soldado en frío no se desgarra porque la tensión no aumenta en esa zona debido a la relajación causada por la lenta expansión, y porque las zonas de la membrana que se vuelven más permeables debido al estiramiento se sellan por consolidación de los componentes de la suspensión.

[0091] El espacio mantiene su forma lenticular debido a la continua cizalladura del suelo sobre su borde, lo que impide la formación de un escalón. Incluso durante los posteriores vaciados y rellenados del espacio con agua, la deformación de la membrana viscoelástica es tan pequeña y lenta que no se desgarra y, por lo tanto, permanece sellada. Tras el vaciado, las secciones superior e inferior de la membrana que se tocan no se adhieren entre sí debido a que se mantiene la sobrepresión. En cada operación hidráulica de elevación y descenso, durante la cual la bomba y el motor en la perforación (perforación 1) se convierten temporalmente en turbina y generador, parte de la energía que se va a almacenar se disipa en el subsuelo. Tras algunos ciclos de arranque, esta proporción se mantiene por debajo del 1 %, de modo que se optimizan los radios, separaciones y cambios de elevación del espacio. Estanques 7 existentes o creados (= depósito de agua, véase la Fig. 1a) sirven como almacenamiento intermedio para el agua bombeada. En la medida en que se encuentran por encima de la doble membrana (el par de membranas situado en la parte superior e inferior del espacio), suben y bajan junto con el suelo (subsuelo con barrera) que se encuentra encima.

[0093] Se crea un sistema de almacenamiento combinado (= planta) a partir de varias perforaciones dispuestas en una cuadrícula (no necesariamente cuadrada), cuyas dimensiones se aproximan al diámetro del espacio circular en la grieta base. Esto deja pilares terrestres entre las membranas dobles que no se elevan ni se hunden durante el funcionamiento del sistema de almacenamiento, manteniendo así un equilibrio estable en la zona subterránea elevada. El levantamiento y el hundimiento causados por el funcionamiento del sistema de almacenamiento se limitan para garantizar que las deformaciones del suelo en la superficie terrestre no afecten su función. Las zonas de suelo inicialmente sueltas (en el subsuelo) se compactan mediante cizallamiento cíclico durante la perforación, lo que las hace aptas para la construcción sin interrumpir el flujo de agua subterránea. Los estanques sirven como depósitos de agua operativos, mientras que los cursos de agua sobre pilares terrestres largos interconectados no se elevan ni se hunden.

[0095] Por ejemplo, con un campo de 2 km de largo y ancho, una capa de arcilla a una profundidad de 100 m y una elevación promedio de hasta 1,5 m, se obtiene una capacidad de almacenamiento de aproximadamente 7 x 10<8>kNm, o aproximadamente 1500 MWh (a precios de mercado en otoño de 2022, al menos 150000 euros). Esto es suficiente como almacenamiento de reserva para periodos de viento débil proveniente de unos 50 aerogeneradores, cada uno con una potencia media de 1 MW, en condiciones de viento promedio.

[0096] Grupo de casos 2: capa de arcilla con fallas (véanse las Fig.2a y b)

[0098] En las cuencas sedimentarias, las capas de arcilla ubicadas a mayor profundidad que las del grupo de casos 1 pueden presentar dislocaciones mayores que su espesor debido a la remodelación tectónica a lo largo de fallas. El cizallamiento local transforma la arcilla en las fallas en depósitos arcillosos, cuyo espesor es aproximadamente 1/6 del de la capa de arcilla. Cuando la dislocación supera entre ocho y diez veces el espesor de la capa de arcilla, se forman espacios rellenos de arena o grava en los depósitos arcillosos. Sin ellos, las capas de arcilla suficientemente gruesas y continuas con depósitos arcillosos son adecuadas para el sellado de aguas subterráneas durante la excavaciónin situen minería a cielo abierto. Esto puede provocar un ligero levantamiento del suelo entre la capa de arcilla y el fondo de la mina, y raramente la erupción de agua, lodo arcilloso y gas a lo largo de una falla con un depósito arcilloso defectuoso. Las fallas que contienen depósitos arcillosos y limo subdividen el subsuelo en compartimentos hidráulicos, cuya disposición fractal solo puede determinarse aproximadamente mediante exploración.

[0100] Para fabricar un sistema de almacenamiento (Fig. 2a y b) se realizan perforaciones 1 (= acceso) en compartimentos hasta las secciones 8 de la capa de arcilla adecuadas (cada una de las cuales forma una barrera) entre fallas 9. Al igual que en el grupo de casos 1, se les aplica una tubería de revestimiento hasta una profundidad máxima de aproximadamente 1/10 de la capa de arcilla. Tras insertar un obturador, se inyecta con sobrepresión una suspensión tixotrópica de mineral de arcilla expansiva en agua (con aditivo geoformador si es necesario) bajo la capa de arcilla, creando un espacio debajo de ella. Con una sobrepresión correspondiente a la mayor profundidad que en el grupo de casos 1, se forman membranas cerosas alrededor del espacio en expansión, las cuales, a pesar de su mayor resistencia al igual que en el grupo de casos, son viscoplásticas. En un depósito 10 arcilloso se evita la expansión del espacio 5, observándose también bandas de arcilla más delgadas dentro de la zona de la falla 9. En los espacios rellenos de arena de un depósito arcilloso resultante de grandes dislocaciones, la extensión del espacio se ve bloqueada por la formación de una membrana, ya que el crecimiento del espacio ya no está guiado por una capa de arcilla.

[0102] Debido a la distribución fractal espacial de fallas con depósitos arcillosos, los espacios resultantes ya no son circulares como en el grupo de casos 1, sino poligonales circulares. Sin embargo, tras retirar el obturador y conectar la bomba 6 (correspondientemente una turbina de bombeo) se forma una membrana cerosa en la tubería de revestimiento mediante el bombeo de agua al borde de la perforación, lo que protege el depósito arcilloso, en particular, del reblandecimiento y la erosión. La soldadura en frío del borde de la membrana (= borde circunferencial) se realiza como en el grupo de casos 1, incluso donde está inclinado en depósito arcilloso. El espaciamiento de las perforaciones resulta inicialmente de compartimentos determinados hidrogeológicamente (simplificados en las Fig. 2a y b). Si el ancho de los grupos de perforaciones supera aproximadamente dos o tres veces la profundidad de la capa de arcilla, se deben colocar pilares terrestres entre membranas dobles para mantener la estabilidad del suelo durante la elevación hidráulica. Al igual que en el grupo de casos 1, se utiliza un estanque 7 (= depósito de agua) para este fin como depósito superior durante el almacenamiento y, con una disposición óptima de las perforaciones y una elevación adecuada, la disipación de energía en el suelo se mantiene por debajo del 1 % del componente gravitacional por ciclo. Con elevaciones suficientemente pequeñas, la deformación del terreno causada por el almacenamiento no afecta la funcionalidad del terreno.

[0104] Por ejemplo, con una elevación media de 2 m y una profundidad media de la capa de arcilla de 500 m, un campo de 2 km de largo y ancho resulta en una capacidad de almacenamiento de aproximadamente 3 x 10<10>kNm (valor de mercado en 2022 de al menos 2,5 millones de euros). Esta batería subterránea es suficiente como reserva de energía para aproximadamente 500 aerogeneradores con una capacidad de aproximadamente 1 MW cada uno en condiciones de viento promedio.

[0106] Grupo de casos 3: rocas de cobertura (véanse las Fig.3a y b)

[0107] El gas natural se acumula en arenisca bajo capas de lutita a profundidades de aproximadamente 3 km a 5 km, siempre que las fallas (que, junto con los depósitos arcillosos y debido a la fracturación de los granos, contienen partículas más finas) atrapen el gas a medida que asciende hacia las rocas de cobertura. Dado que el gas natural se acumula en compartimentos confinados hidráulicamente por fallas, se extrae de estos yacimientos mediante múltiples perforaciones. Tras el cierre de las perforaciones de producción, pequeñas cantidades de gas permanecen bajo la roca de cobertura.

[0108] Para fabricar un sistema de almacenamiento (Fig.3a y b) la perforación 1 se reactiva o se realiza de nuevo en compartimentos entre fallas 9 hasta la roca 12 de cobertura. Una suspensión tixotrópica de mineral de arcilla expansivo (con un aditivo gelificante si es necesario) no solo sostiene la pared de la perforación, sino que también impulsa la turbina de la perforadora y extrae los recortes de perforación (técnica estándar). Se instala una tubería de revestimiento en la roca no consolidada superior hasta una profundidad máxima de aproximadamente 1/10 de la capa de arcilla. Tras insertar un obturador, se inyecta la suspensión tixotrópica de arcilla desde cada perforación a una sobrepresión lo suficientemente alta como para crear espacios con un ligero levantamiento de la roca de cobertura, que quedan encerrados por una membrana cerosa de mineral de arcilla. El gas 11 residual a sobrepresión favorece la formación del espacio. A pesar de los depósitos 10 arcillosos, el espacio tiene forma aproximadamente lenticular y su borde lateral es poligonal circular.

[0109] Tras retirar el obturador y conectar la tubería de revestimiento a las bombas 6, se bombea agua al espacio, de tal manera que la capa de lutita se eleva aproximadamente entre 1 y 2 m. Este proceso también crea una membrana cerosa (y, por lo tanto, dúctil) en el borde de la perforación, lo que evita el debilitamiento hidráulico de la cobertura en el paso de la lutita. Durante la elevación inicial, se descarga gas residual y puede producirse una actividad sísmica moderada debido a la deformación de la zona elevada. Su magnitud puede reducirse mediante elevaciones de paso de peregrino. Durante la fase de descenso, el agua del espacio acciona las bombas como turbinas y los motores funcionan como generadores. Con cada ciclo, se disipa parte de la energía en el subsuelo, pero esta pérdida se mantiene por debajo del 2 % aproximadamente después de unos pocos ciclos de arranque con una configuración óptima. No se requieren pilares entre los espacios siempre que el radio del área subterránea elevada temporalmente sea menor que dos o tres veces la profundidad de la capa de lutita. Un estanque sirve como depósito de agua superior. La deformación de la superficie del terreno causada por el funcionamiento del sistema de almacenamiento es tan pequeña, dado que el ancho es aproximadamente 1000 veces mayor, cuando la amplitud se limita a aproximadamente 1 m a 2 m, que los edificios y los cursos de agua no se ven afectados.

[0110] Por ejemplo, con una elevación promedio de hasta 2 m de una capa de lutita de 4 km de profundidad, un campo de 2 km de largo y ancho tiene una capacidad de almacenamiento de aproximadamente 10<12>kNm (valor de mercado en otoño de 2022 de al menos 50 millones de euros), lo que es suficiente como reserva para alrededor de 1000 aerogeneradores marinos con una potencia media de 10 MW en buenas condiciones de viento. Requisitos, combinaciones y excepciones

[0111] La tecnología descrita en la invención requiere una exploración, planificación y monitorización exhaustivas. Esto incluye la localización sísmica de la capa de arcilla o lutita y sus fallas. Además, permite visualizar el espacio, ya que las ondas de corte no se propagan a través de ella y las ondas de presión se propagan más lentamente que por encima y por debajo. Si bien la membrana cerosa no se desgarra al deformarse por la ampliación y contracción repetidas del espacio, es posible repararla mediante suspensión si las pérdidas por filtración registradas así lo indican.

[0112] También se encuentran capas de lutita adecuadas a menor profundidad que en el grupo de casos 3 y, al igual que las capas de arcilla del grupo de casos 1, pueden presentar mayores dislocaciones y depósitos arcillosos. Se puede producir una doble membrana de minerales de arcilla expansivos, consolidados hidráulicamente, en diversas combinaciones a partir de los tres grupos de casos, y utilizarla para el almacenamiento de energía. (El levantamiento de las tierras planas no es un factor). Mediante pilares terrestres para su estabilización, las dobles membranas adyacentes se expanden y contraen de manera que las deformaciones de la superficie del terreno se mantengan suficientemente pequeñas. Al igual que en los grupos de casos 1 y 2, los estanques funcionan como depósitos de agua operativos que pueden elevarse y descender en conjunto, mientras que el agua que fluye permanece a su nivel actual sobre los pilares terrestres alargados.

[0113] A pesar de la presencia de depósitos arcillosos, la tecnología requiere capas de arcilla o lutita suficientemente continuas. Las pequeñas discontinuidades en los depósitos arcillosos o resultantes de perforaciones previas se rellenan o se limitan intencionalmente durante el proceso de fracturación, pero los restos de socavaciones y los límites de antiguos cuerpos de agua no son adecuados. Las extensas bolsas de gas debajo de las rocas de cobertura deben vaciarse previamente. Los sitios con petróleo sobre las bolsas de gas no son adecuados, al igual que aquellos con tectónica muy activa y/o vulcanismo frío.

[0114] Beneficios económicos

[0115] En Alemania, el consumo anual de energía eléctrica ronda los 110 THW. Al precio actual de al menos 300 € por MWh, esto equivale a un gasto mínimo de 30000 millones de euros. Las centrales nucleares, que aún aportan cerca del 5 %, tienen previsto su desmantelamiento para la primavera de 2023; las de lignito, para 2035; y las de la margen izquierda del Rin, para 2030. La demanda eléctrica, incluida la de los vehículos eléctricos, se cubrirá entonces con energía eólica y fotovoltaica, que actualmente solo pueden generar el doble de la producción necesaria durante periodos de fuertes vientos y sol. El almacenamiento de entre 5 y 10 TWh, necesario debido a las fluctuaciones del viento y la radiación solar, se realizará mediante hidrógeno. Esto resultará prácticamente inviable para la gran mayoría de las aplicaciones, ya que su eficiencia es inferior al 30 %, la presión necesaria de 100 bares requiere enormes contenedores y las fugas de los contenedores y las tuberías producirían gas de mezcla de hidrógeno con oxígeno.

[0116] La energía gravitacional de un cuerpo terrestre con un peso de 10 kN/m<3>con una flotabilidad negativa, un ancho y una longitud de 2 km y una profundidad de 200 m, disminuye aproximadamente 3 x 10<11>kNm cuando se eleva un promedio de 2 m. Esto corresponde aproximadamente a 90 MWh y podría ser suficiente como reserva para un aerogenerador con 50 rotores de 1 MW. Los costes de almacenamiento aumentan un máximo de alrededor del 10 % debido a la instalación y el funcionamiento de la batería geotérmica, ya que hay aproximadamente 50 ciclos semanales y 2 estacionales al año, y el sistema de almacenamiento sufre un desgaste mínimo (o, como mucho, un desgaste fácilmente corregible).

[0117] Para aerogeneradores de mayor tamaño, con rotores que producen entre 1 y 10 MW de media en condiciones de viento favorables, se requieren sistemas de almacenamiento de mayor capacidad, para lo que las zonas recuperadas de antiguas minas a cielo abierto o antiguos yacimientos de gas son especialmente adecuadas, al igual que las zonas pobladas, debido al mínimo impacto en el suelo. Las pérdidas de energía disipativa son menores que en las centrales hidroeléctricas de bombeo. Los costes por unidad de energía al año son inferiores a los de las centrales hidroeléctricas de bombeo debido a su instalación y mantenimiento menos complejos. Si bien en Alemania, por ejemplo, resulta difícil encontrar emplazamientos adecuados para ellas, los terrenos sin urbanizar o poco urbanizados en cuencas sedimentarias con capas de arcilla o lutita son suficientes para cubrir las necesidades de almacenamiento previstas tras la transición hacia una economía energética respetuosa con el clima. Esto también se aplica a la mayoría de los demás países, salvo a las regiones tectónicamente activas y/o montañosas.

[0118] Lista de signos de referencia:

[0119] 1 Perforación, acceso

[0120] 2 Capa de arcilla, barrera

[0121] 3 Tubería de revestimiento, revestimiento resistente a la tracción anular

[0122] 4 Obturador

[0123] 5 Espacio

[0124] 6 Bomba, turbina de bombeo

[0125] 7 Estanque, depósito de agua

[0126] 8 Sección de capa de arcilla

[0127] 9 Falla

[0128] 10 Depósito arcilloso

[0129] 11 Gas residual

[0130] 12 Roca de cobertura

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

1. Método para producir y operar un sistema de almacenamiento subterráneo de energía gravitacional, caracterizado por los siguientes pasos del método:

a) selección de una capa de arcilla o lutita en el subsuelo adecuada como barrera hidráulica,

b) excavación de un pozo de acceso desde la superficie del terreno hasta la parte inferior de la barrera, c) inserción de un revestimiento resistente a la tracción anular del acceso desde la superficie del terreno hasta una sección superior del acceso, y sujeción del subsuelo mediante una torta de filtración consistente en una suspensión de partículas sólidas expansibles,

d) inserción de un obturador en el acceso dentro de la barrera, tensado del obturador contra la barrera y acoplamiento de una polea al obturador,

e) inyección de una suspensión de partículas sólidas expansibles a través del obturador debajo de la barrera, de manera que se forme un espacio aproximadamente radialmente simétrico y el obturador se eleve en la barrera, formando una membrana en la parte superior e inferior del espacio mediante consolidación hidráulica, f) control de la expansión del espacio en e) mediante la medición y comprobación de la presión y la cantidad de la suspensión y mediante refracción sísmica,

g) soldadura en frío de las membranas superior e inferior a lo largo de una franja perimetral en forma de anillo con reducción temporal de la presión de suspensión,

h) retirada del obturador del acceso,

i) inserción de una turbina de bombeo con una máquina eléctrica a través del acceso sobre o dentro del revestimiento resistente a la tracción anular, estando el acceso sellado en la parte superior de forma hermética a los fluidos, excepto por una línea de suministro de agua,

j) creación o reutilización de un depósito de agua en la superficie del terreno o cerca de ella, por encima del espacio, y

k) puesta en marcha del sistema, que implica

i) bombeo de agua a través de la bomba hacia el acceso y el espacio, de modo que la torta de filtración se comprima en una membrana, el espacio se ensanche y el subsuelo por encima del espacio se eleve, almacenando así energía gravitacional en el subsuelo por encima del espacio sin que se abran las franjas perimetrales anulares,

ii) descarga de agua del espacio a través del acceso mediante la turbina de bombeo, convirtiendo así la energía gravitacional almacenada en energía eléctrica a través del agua descargada y

iii) compactación del subsuelo por encima del espacio repitiendo el bombeo y la descarga de agua varias veces según las características del método i) y ii).

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que el bombeo y la descarga se realizan en pasos de peregrino durante la fase de arranque.

3. Método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el proceso de arranque según la característica del método k) se repite hasta que se produzcan cambios de altura tan pequeños en la superficie del terreno que no se restrinja la funcionalidad ecológica y/o técnica del terreno o de las construcciones y la pérdida de energía en el subsuelo se reduzca al mínimo.

4. Sistema para el almacenamiento gravitacional de energía bajo una capa de arcilla o lutita adecuada como barrera (2) hidráulica en un subsuelo bajo la superficie del terreno, producido y operado mediante un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende:

a) un volumen (5) de espacio debajo de la barrera con una membrana plástica impermeable superior e inferior y un borde alrededor del espacio hecho de un material sólido consolidado hidráulicamente que consiste en una suspensión formadora de membrana,

b) una zona del subsuelo que actúa gravitacionalmente sobre el volumen del espacio situado por encima del espacio entre la barrera y la superficie del terreno, y

c) un acceso (1) técnico desde una superficie del terreno por encima de la barrera a través del subsuelo hasta la parte inferior de la barrera (2) hacia el volumen del espacio, en donde se proporciona un revestimiento (3) resistente a la tracción anular a partir de la superficie del terreno al menos en la parte más superior del acceso.

5. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado por que la zona del subsuelo está compactada y es deformable elásticamente en gran medida.

6. Sistema según la reivindicación 4 o 5, que comprende, además:

d) al menos un almacenamiento (7) intermedio para el agua que se encuentre por encima o verticalmente por encima del volumen (5) del espacio y

e) bombas (6) o turbinas entre el acceso técnico y al menos un almacenamiento intermedio.

7. Sistema según la reivindicación 6, caracterizado por que el al menos un almacenamiento (7) intermedio está dispuesto en la superficie del terreno y/o en la zona del subsuelo actuando gravitacionalmente sobre el volumen (5) del espacio.

8. Disposición que comprende al menos dos sistemas adyacentes según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizada por que se disponen pilares terrestres entre los volúmenes del espacio de los sistemas, lejos de las zonas del subsuelo donde actúa la gravedad.

9. Disposición según la reivindicación 8, caracterizada por que los volúmenes de espacio no están conectados hidráulicamente entre sí y entre ellos se disponen pilares terrestres que no se elevan ni se descienden en conjunto.

10. Disposición según la reivindicación 8 o 9, caracterizada por que los pilares terrestres están alargados lateralmente y dispuestos bajo un curso de agua.

11. Utilización de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7 para llevar a cabo una operación según un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.