ES3058713T3 - Offshore wind turbine system for the large scale production of hydrogen - Google Patents

Offshore wind turbine system for the large scale production of hydrogen

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ES3058713T3
ES3058713T3 ES18808464T ES18808464T ES3058713T3 ES 3058713 T3 ES3058713 T3 ES 3058713T3 ES 18808464 T ES18808464 T ES 18808464T ES 18808464 T ES18808464 T ES 18808464T ES 3058713 T3 ES3058713 T3 ES 3058713T3
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Kevin Gary Kinsella
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Abstract

Un sistema de turbina eólica marina para la producción a gran escala de hidrógeno a partir de agua de mar incluye una torre flotante, un aerogenerador, una bomba de elevación, una unidad de desalinización, una unidad de electrólisis y un tubo ascendente de exportación. La torre flotante puede anclarse al lecho marino mediante un anclaje de succión para su despliegue en aguas profundas. La bomba de elevación, la unidad de desalinización y la unidad de electrólisis son alimentadas por el aerogenerador y están configuradas para bombear, desalinizar y dividir electrolíticamente el agua de mar, respectivamente. El hidrógeno generado por la unidad de electrólisis se suministra al tubo ascendente de exportación para su suministro a un colector o tubería que puede desplegarse en el lecho marino. Las unidades individuales del sistema pueden combinarse en un campo interconectado a uno o más de dichos colectores para ampliar la escala del sistema. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Sistema de turbina eólica en alta mar para la producción de hidrógeno a gran escala
[0003] La presente solicitud está dirigida a sistemas de turbina eólica y, más particularmente, a un sistema modular de turbina eólica en alta mar, que incorpora la electrólisis de agua marina para la producción y el suministro de hidrógeno a gran escala.
[0004] Antecedentes
[0005] A raíz del cambio climático mundial, los países e industrias buscan desarrollar fuentes "descarbonizadas" de combustibles para calefacción y transporte destinadas a su uso en sectores comerciales, domésticos y otros sectores de la economía. Actualmente, se están realizando importantes esfuerzos de investigación y desarrollo orientados a la producción de biocombustibles, donde cultivos especializados, ensilado o materiales leñosos de desecho se transforman en combustibles "neutros en carbono", tales como el etanol. Asimismo, se están destinando importantes esfuerzos de investigación y desarrollo a la producción de combustibles fósiles "reducidos en carbono", tales como el gas de síntesis y el denominado "hidrógeno azul", en los que materias primas, tales como el carbón, el petróleo, o, en este último caso, el metano, se reforman en combinación con tecnologías de captura de carbono para producir combustibles más ligeros, con menor contenido de carbono, tales como el metano o el hidrógeno, para su uso en redes de distribución de gas mejoradas y en un número creciente de vehículos alimentados con gas comprimido. Los esfuerzos de investigación y desarrollo también están explorando diversos métodos para la producción de "hidrógeno verde", es decir, hidrógeno generado a partir de la electrólisis del agua utilizando fuentes de energía libres de carbono, tales como la energía eólica, solar y mareomotriz, que, por supuesto, también podría utilizarse en redes mejoradas de distribución de gas y vehículos alimentados con gas comprimido. La producción de hidrógeno verde presenta la ventaja de ser neutra en carbono sin requerir la recogida, gestión y posterior eliminación de materiales agrícolas y residuos orgánicos necesarios para la producción de la mayoría de los demás combustibles neutros en carbono. La producción de hidrógeno verde también tiene la ventaja de ser neutra en carbono sin requerir el uso de tecnologías de captura de carbono para convertir el carbono contenido en un combustible fósil en materiales útiles o para concentrar el carbono eliminado del proceso para su confinamiento en reservorios subterráneos. Por lo tanto, se necesitan sistemas económicamente viables para la producción a gran escala de hidrógeno combustible verde.
[0006] El documento US20070145748A1 de la técnica anterior describe un sistema de generación de energía que comprende una turbina eólica en el que la base de la turbina eólica está montada en el lecho marino y en el que una unidad de electrólisis subacuática está unida a la base. Otro documento de la técnica anterior, el documento US7075189B2, describe un sistema de turbina eólica en alta mar en el que múltiples turbinas eólicas forman buques eólicos con una unidad de electrólisis subacuática. El documento NL2017797B1 describe un sistema en alta mar para convertir energía utilizando turbinas eólicas. Otros ejemplos de soluciones de la técnica anterior están disponibles en los documentos US 2003/168864 A1, US 8823198 B2 y US 2011/037264 A1.
[0007] Sumario
[0008] Se divulga un sistema de turbina eólica en alta mar para la producción de hidrógeno a gran escala a partir de agua marina. El sistema incluye una estructura de torre flotante, un generador de turbina eólica, una bomba elevadora, una unidad de desalinización, una unidad de electrólisis y un tubo ascendente de exportación. La estructura de la torre flotante puede fijarse al lecho marino mediante un ancla de succión para su despliegue en aguas profundas. La bomba elevadora, la unidad de desalinización y la unidad de electrólisis están alimentadas por la turbina eólica y configuradas para bombear, desalinizar y dividir electrolíticamente el agua marina, respectivamente. El hidrógeno generado por la unidad de electrólisis se suministra al tubo ascendente de exportación para su entrega en un colector o una tubería que se pueden desplegar en el lecho marino. El sistema es modular, en el sentido de que el sistema es esencialmente autónomo (con la excepción de la conexión del tubo ascendente de exportación a un colector o a una tubería) y autosuficiente (con la excepción del mantenimiento previsto), y que unidades individuales del sistema pueden combinarse en un campo interconectado a uno o más de tales colectores para aumentar la escala del sistema.Breve descripción de los dibujos
[0009] La Figura 1 es una ilustración de un aspecto ilustrativo del sistema divulgado.
[0010] La Figura 2 es un diagrama esquemático del sistema mostrado en la Figura 1.
[0011] La Figura 3 es una ilustración de una subestructura de torre alternativa y de la configuración de los elementos del sistema.
[0012] La Figura 4 es un diagrama esquemático del sistema mostrado en la Figura 1 interconectado a una tubería submarina La Figura 5 es un diagrama esquemático de una configuración alternativa del sistema interconectado a una red local de cables eléctricos submarinos y a una tubería submarina.
[0013] Descripción detallada
[0015] Como se muestra en la Figura 1, el presente sistema es un sistema de turbina eólica en alta mar para la producción de hidrógeno a partir de agua marina. El sistema 100 incluye una estructura de torre flotante 110 que soporta una turbina eólica 120. La estructura de torre flotante 110 puede adoptar una de varias formas, tratadas en mayor detalle más adelante. La estructura de torre flotante 110 puede fijarse al lecho marino mediante un cable de amarre 130 y un ancla de succión 132 o un sistema de tales cables de amarre y anclas de succión para su despliegue en aguas profundas, aunque se apreciará que la estructura de torre flotante 110 podría anclarse mediante cualquiera de un ancla de bloque, un ancla de gravedad, un ancla de tornillo o similar. La turbina eólica 120 está montada en una posición elevada sobre la estructura de la torre flotante 110, generalmente en un extremo proximal, aunque se apreciará que el generador de turbina eólica 120 puede ser uno de los múltiples generadores de turbina eólica distribuidos a lo largo de una longitud elevada de la torre flotante y/o por debajo de una parte más proximal de la estructura de la torre que puede tener instaladas balizas de aviso de navegación, una antena de telemetría y otros equipos de este tipo instalados en torres. La turbina eólica 120 puede estar configurada para una tasa de generación de potencia nominal de 5 a 15 MW, por ejemplo, 10 MW, y la torre correspondiente puede estar configurada para soportar un diámetro de rotor de 100 a 250 metros, con un diámetro del rotor que, por lo general, aumenta al aumentar la tasa de generación de energía. La estructura de torre flotante 110 puede tener una altura por encima de una línea de flotación de diseño predeterminada de 1,2 a 1,4 veces el diámetro del rotor del generador de turbina eólica 120.
[0016] Como se muestra de otro modo en la Figura 2, el sistema 100 incluye una bomba elevadora 140, una unidad de desalinización 150 y una unidad de electrólisis 160 alimentadas por la turbina eólica 120 y, en una primera realización, dispuestas en una parte de torre elevada 113 de la estructura de torre flotante 110. La bomba elevadora 140 está configurada para suministrar agua de mar a la unidad de desalinización 150, y la unidad de desalinización está configurada para suministrar agua marina desalinizada a la unidad de electrólisis 160. En algunos aspectos, como se muestra en la Figura 1, la estructura de torre 110 puede incluir una subestructura de largueros 112 y la bomba elevadora 140 y la unidad de desalinización 150 pueden estar dispuestas en el interior de la parte de torre elevada 113. En otros aspectos, la bomba elevadora 140 y la unidad de desalinización 150 pueden estar dispuestas en el exterior de la parte de torre elevada 113. La ubicación de la bomba elevadora 140 y de la unidad de desalinización 150 en el interior de la parte de torre elevada 113 puede permitir que el mantenimiento de estas unidades se realice en condiciones relativamente protegidas, mientras que la ubicación de la bomba elevadora 140 y de la unidad de desalinización 150 en el exterior de la parte de torre elevada 113 puede permitir una sustitución relativamente más sencilla de estas unidades en lugar de un mantenimientoin situ.
[0018] La unidad de desalinización 150 puede ser una unidad de desalinización térmica, aunque, como alternativa, puede ser una unidad de desalinización por ósmosis inversa, una unidad de desalinización por electrodiálisis, una unidad de desalinización por destilación de membrana o similares. La demanda de energía de la bomba elevadora 140 y de la unidad de desalinización 150 puede ser relativamente modesta en comparación con la demanda de energía de la unidad de electrólisis 160, de modo que el tipo de unidad de desalinización 150 puede seleccionarse en función de la fiabilidad y del período de mantenimiento, en lugar la eficiencia energética en sí misma. Por ejemplo, en una unidad 100 de 10 MW (turbina eólica 120 de 10 MW nominales y unidades de electrólisis 160 de 3x3 MW), la demanda de agua será de aproximadamente 2 m3 por hora, con una demanda de energía de la bomba y de desalinización térmica de aproximadamente el 1 % de la energía eléctrica máxima disponible.
[0020] La unidad de electrólisis 160 se dispone preferentemente en el exterior de la parte de torre elevada 113 por encima de la "zona de salpicadura", es decir, por encima de una altura de ola umbral predeterminada utilizada convencionalmente para las estructuras marítimas en las que se ha desplegado el sistema. Por ejemplo, se puede utilizar una altura umbral de 20 metros por encima de la línea de flotación de diseño para las estructuras marítimas desplegadas en el Mar del Norte. La ubicación de la unidad de electrólisis 160 en el exterior de la parte de torre elevada 113 puede impedir la acumulación de hidrógeno gaseoso hasta concentraciones explosivas en caso de fuga de la unidad de electrólisis 160 o del tubo ascendente de exportación 170, en comparación con la ubicación de la primera en el interior de la parte de torre elevada 113. Se apreciará que, en otros aspectos, la unidad de electrólisis 160 podría disponerse en el interior de la parte de torre elevada 113, sin embargo, esta colocación requeriría la ventilación de al menos la parte circundante de ese interior, así como la provisión de una evacuación o gestión de intrusión de agua a través de esta ventilación.
[0022] La unidad de electrólisis 160 puede ser una unidad de electrólisis de membrana polimérica con una demanda de energía de 1 a 5 MW, por ejemplo, de 3 MW, como se muestra en la Figura 1, aunque se apreciará que se pueden utilizar otros tipos de unidades de electrólisis con el sistema 100. La unidad de electrólisis 160 puede ser una de una pluralidad de unidades de electrólisis 160, por ejemplo, tres unidades 160 tal como se muestra, dispuestas de manera similar en la estructura de torre flotante 110 para permitir el escalado de la demanda de energía de la unidad de electrólisis a la energía realmente generada por la turbina eólica 120 en ese momento y/o para proporcionarle redundancia a la capacidad de generación de hidrógeno del sistema 100.
[0024] La propia unidad de electrólisis 160 puede estar configurada para generar hidrógeno a presiones de hasta 40 bares. Como alternativa, el sistema puede incluir una bomba de refuerzo (no mostrada) que extrae hidrógeno de la unidad de electrólisis 160 y entrega hidrógeno en un tubo ascendente de exportación 170. El tubo ascendente de exportación 170 puede fabricarse con un material compuesto flexible para permitir un movimiento relativo entre la torre flotante 110 y un colector 200 desplegado en el lecho marino. El colector 200 puede estar conectado a una tubería 210 (tal como se muestra en la Figura 4) que comprende una tubería colectora para una red de distribución de hidrógeno, tal como una tubería que discurre hasta una instalación de almacenamiento en alta mar o en tierra, por ejemplo, hasta una instalación de almacenamiento en cavidades salinas o hasta una red de distribución de gas en tierra. En sistemas en los que la unidad de sistema 100, la tubería 210 y un punto de entrada a una red de distribución de gas en tierra están controlados por la misma entidad o cooperativa, la tubería 210 se puede operar de forma selectiva o controlable para proporcionar una capacidad sustancial de almacenamiento "empaquetamiento de línea" (line-pack) del hidrógeno generado por la unidad de sistema 100 dentro de la propia tubería 210. Se apreciará que el tubo ascendente de exportación 170 puede conectarse a una tubería 210 sin un colector 200, aunque se prefiere un colector 200 para que la unidad de sistema 100 mostrada en la Figura 1 pueda ser una de una pluralidad de unidades 100 combinadas en un campo interconectado a uno o más de tales colectores 200 a fin de aumentar la escala de la producción de hidrógeno.
[0026] En otra realización, mostrada en la Figura 3, la torre flotante 110 puede incluir una subestructura semisumergible 114 que comprende al menos tres columnas 116 interconectadas por un bastidor proximal 118 y una placa horizontal opuesta, sumergida (no mostrada). La turbina eólica 120 se puede montar en la torre flotante 110 por encima de una de las columnas 116. La bomba elevadora 140 y la unidad de desalinización 150 pueden disponerse en otra de las columnas 116, y se apreciará que en algunos aspectos la unidad de desalinización 150 puede proporcionarse como una unidad precintada o en contenedores que se fija a una parte superior de la columna 116 respectiva, lo cual puede permitir la sustitución de la unidad de desalinización 150 en lugar de un mantenimientoin situ. La unidad de electrólisis 160 puede disponerse en otra más de las columnas 116, y de nuevo se apreciará que en algunas realizaciones la unidad de electrólisis 160 puede proporcionarse como una unidad precintada o en contenedores que se fija a una parte superior de la columna 116 respectiva, permitiendo potencialmente la sustitución de la unidad de electrólisis 160 en lugar de un mantenimientoin situ.
[0028] En una configuración alternativa, indicadas en la Figura 5, la estructura de torre flotante 110 y el generador de turbina eólica 120 pueden suministrar energía a un cable eléctrico submarino local (no conectado a una red eléctrica nacional o regional), 220, de alcance relativamente corto, conectado a una plataforma separada flotante o de anclaje directo 300. La plataforma 300 puede ser un buque, una barcaza o el denominado "sistema de producción flotante", o una instalación de plataforma en alta mar. La plataforma, en lugar de la estructura de torre flotante 110, incluye la bomba elevadora 140, la unidad de desalinización 150 y la unidad de electrólisis 160. La plataforma 300 incluye también el tubo ascendente de exportación 170, si es flotante o de anclaje directo, u otra conexión convencional a la tubería 210, si es de anclaje directo. La configuración alternativa puede proporcionar algunas ventajas de escala al concentrar la capacidad de generación eléctrica de múltiples estructuras de torres flotantes 110 y generadores de turbina eólica 120 en una plataforma 300 para la generación de hidrógeno, pero esas ventajas se contraponen a la modularidad del sistema que se muestra en las Figuras 1 y 4 y a otras ventajas asociadas.
[0030] En particular, haciendo referencia a las Figuras 1 y 4, el sistema 100 proporciona una solución escalable que se puede utilizar para construir progresivamente explotaciones en aguas profundas a gran escala sin el coste de los conmutadores/transformadores de alta tensión y las pérdidas de energía asociadas a la transmisión eléctrica a través de cables submarinos, en particular, cables de larga distancia hacia instalaciones en tierra. La utilización de estructuras torres flotantes 110 también permite ampliar la generación de energía eólica más allá de la costa, en zonas de fuertes vientos que no son visibles desde tierra. La distribución de las unidades de electrólisis 160 en estructuras de torres flotantes 110 reduce el riesgo y el coste de los activos en comparación con la concentración en un número menor de plataformas en alta mar o en una instalación en tierra, y también, permite que la salmuera procedente de las unidades de desalinización 150 asociadas se descargue sobre una amplia área con el fin de minimizar el posible impacto medioambiental.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES
1. Un sistema de turbina eólica (100) para la producción a gran escala de hidrógeno a partir de agua marina, comprendiendo el sistema (100): una estructura de torre flotante (110) que soporta un generador de turbina eólica (120); una bomba elevadora (140); una unidad de desalinización (150); en donde la bomba elevadora (140) y la unidad de desalinización (150) están dispuestas en el interior de la parte de torre elevada (113); una unidad de electrólisis (160); y un tubo ascendente de exportación (170); en donde la bomba elevadora (140), la unidad de desalinización (150) y la unidad de electrólisis (160) están alimentadas por la turbina eólica (120), estando la bomba elevadora (140) configurada para suministrar agua marina a la unidad de desalinización (150) y estando la unidad de desalinización (150) configurada para suministrar agua marina desalinizada a la unidad de electrólisis (160); y en donde la estructura de torre flotante (110) incluye una subestructura de largueros (112) y una parte de torre elevada (113), y la unidad de electrólisis (160) se dispone en el exterior de la parte de torre elevada (113); y en donde la unidad de electrólisis (160) está configurada para proporcionar hidrógeno generado a partir de agua marina dividida electrolíticamente en el tubo ascendente de exportación (170) para su conducción hasta un colector (200) o una tubería (210).
2. El sistema (100) de la reivindicación 1, en donde la torre flotante (110) se fija al lecho marino mediante un ancla de succión (132) y un cable de amarre (130) que conecta la torre flotante (110) al ancla de succión (132).
3. El sistema (100) de cualquier reivindicación anterior, en donde la unidad de electrólisis (160) está dispuesta por encima de una altura de ola umbral predeterminada.
4. El sistema (100) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de electrólisis (160) es una de una pluralidad de unidades de electrólisis (160) dispuestas de manera similar en el exterior de la parte de torre elevada (113).
5. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 4, en donde la bomba elevadora (140) y la unidad de desalinización (150) están dispuestas en el exterior de la parte de torre elevada (113).
6. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde la estructura de torre flotante (110) incluye una subestructura semisumergible (114) que comprende al menos tres columnas (116) interconectadas por un bastidor proximal (118) y una placa horizontal sumergida opuesta.
7. El sistema (100) de la reivindicación 6, en donde el generador de turbina eólica (120) está montado en la torre flotante (110) por encima de una de las columnas (116), y la bomba elevadora (140) y la unidad de desalinización (150) están dispuestas en otra de las columnas (116).
8. El sistema (100) de la reivindicación 7, en donde la unidad de desalinización (150) es una unidad precintada o en contenedores que se fija a una parte superior de una columna (116).
9. El sistema (100) de la reivindicación 7 u 8, en donde la unidad de electrólisis (160) está dispuesta en otra más de las columnas (116).
10. El sistema (100) de la reivindicación 9, en donde la unidad de electrólisis (160) es una unidad precintada o en contenedores que se fija a una parte superior de una columna (116).
11. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la estructura de torre flotante (110), el generador de turbina eólica (120), la bomba elevadora (140), la unidad de desalinización (150), la unidad de electrólisis (160) y el tubo ascendente de exportación (170) comprenden una unidad de sistema, y una pluralidad de tales unidades de sistema están interconectadas a través de sus respectivos tubos ascendentes de exportación (170) a un colector desplegado en el lecho marino.
12. El sistema (100) de la reivindicación 11, en donde el colector está conectado a una tubería (210), y la tubería (210) está configurada para ser operable de manera selectiva o controlable a fin de proporcionar capacidad de almacenamiento "empaquetamiento de línea" para el hidrógeno generado por la pluralidad de unidades del sistema dentro de la tubería (210).
13. El sistema (100) de la reivindicación 1, en donde la estructura de la torre flotante (110) y el generador de turbina eólica (120) están conectados mediante una red local de cables eléctricos (220) a una plataforma flotante o de anclaje directo (300), y en donde la bomba elevadora (140), la unidad de desalinización (150), la unidad de electrólisis (160) y el tubo ascendente de exportación (170) están dispuestos en la plataforma flotante o de anclaje directo (300).
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