ES3059365T3 - Plant for energy generation and storage - Google Patents

Abstract

Una planta (1) para el almacenamiento de energía comprende una carcasa (5) para el almacenamiento de un fluido de trabajo distinto del aire atmosférico, en fase gaseosa y en equilibrio de presión con la atmósfera; un tanque (9) para el almacenamiento de dicho fluido de trabajo en fase líquida o supercrítica con una temperatura cercana a la temperatura crítica; donde dicha temperatura crítica es cercana a la temperatura ambiente. La planta (1) está configurada para realizar una transformación termodinámica cíclica cerrada (TTC), primero en una dirección en una configuración de carga y luego en la dirección opuesta en una configuración de descarga, entre dicha carcasa (5) y dicho tanque (9); donde en la configuración de carga la planta (1) almacena calor y presión y en la configuración de descarga la planta genera energía. La planta (1) también está configurada para definir un circuito cerrado y realizar un ciclo termodinámico cerrado (CT) en el circuito cerrado con al menos una parte del fluido de trabajo, opcionalmente mientras la planta (1) se encuentra en la configuración de carga o en la configuración de descarga. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Planta para la generación y almacenamiento de energía

[0003] Campo del hallazgo

[0004] El objeto de la presente invención es una planta para la generación y almacenamiento de energía. Más precisamente, el objeto de la presente invención es un sistema capaz de absorber/utilizar energía, de mantener en el tiempo la energía almacenada y capaz de transformarla en energía mecánica para el accionamiento de una o varias máquinas accionadas y/o capaz de transformarla en energía eléctrica y reintroducirla en la red en momentos de demanda de dicha energía eléctrica, pero también de generar energía eléctrica a partir de una fuente de energía externa (por ejemplo: calor de recuperación/WHR, solar, hidrógeno (H2), biomasa, residuo, combustible fósil).

[0005] Más en detalle, la presente invención se refiere a un sistema de generación a partir de diversas fuentes y de almacenamiento de energía eléctrica en forma de energía potencial (presión) y energía térmica/termodinámica, mediante el accionamiento de un ciclo termodinámico y/o de una transformación termodinámica cíclica.

[0006] La presente invención se sitúa en el campo de los sistemas de generación a partir de diversas fuentes y de almacenamiento de energía de mediana y gran escala, tanto para aplicaciones terrestres como marítimas, normalmente con potencias que varían de cientos de kW a decenas de MW (por ejemplo, 20-25 MW), pero también de cientos de MW, y con capacidades de almacenamiento que varían de unos pocos cientos de kWh a cientos de MWh e incluso hasta varios GWh.

[0007] La presente invención puede situarse también en el campo de los sistemas de generación a partir de diversas fuentes y de almacenamiento de energía a pequeña escala, para aplicaciones domésticas y comerciales, tanto terrestres como marítimas, normalmente con potencias que varían de unos pocos kW a varios cientos de kW y con una capacidad de almacenamiento de unos pocos kWh a cientos de kWh.

[0008] Definiciones

[0009] En la presente descripción y en las reivindicaciones adjuntas, se hará referencia a las siguientes definiciones.

[0010] • Ciclo termodinámico (CT): transformación termodinámica de un punto X a un punto Y, donde X coincide con Y; el CT, a diferencia de la TTC (transformación termodinámica cíclica) mencionada a continuación, no tiene acumulaciones de masa (significativas para fines energéticos) dentro del ciclo, aunque la TTC funciona normalmente entre dos almacenamientos de fluidos de trabajo, uno inicial y otro final;

[0011] • Transformación termodinámica cíclica (TTC): transformación termodinámica de un punto X a un punto Y y de un punto Y a un punto X, sin pasar necesariamente por los mismos puntos intermedios;

[0012] • CT y/o TTC cerrados: sin intercambio de masa (significativo para fines energéticos) con la atmósfera;

[0013] • CT y/o TTC abiertos: con intercambio de masa (significativo a efectos energéticos) con la atmósfera.

[0014] Antecedentes del hallazgo

[0015] Recientemente, debido a la creciente difusión de los sistemas de producción de energía a partir de fuentes renovables y, en particular, de fuentes eólicas y fotovoltaicas, que se caracterizan por la variabilidad e imprevisibilidad de la producción, los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica han ido adquiriendo una importancia creciente. Junto con la necesidad antes mencionada, también existe una creciente necesidad de sistemas de generación y recuperación de energía a partir de fuentes no convencionales y no programables en ausencia de "almacenamiento de energía", tal como por ejemplo de una fuente solar termodinámica.

[0016] El documento público WO/2020/039416, a nombre del mismo Solicitante, ilustra una planta y un proceso de almacenamiento de energía. La planta comprende una carcasa para el almacenamiento de un fluido de trabajo distinto del aire atmosférico, en fase gaseosa y en equilibrio de presión con la atmósfera; un tanque para el almacenamiento de dicho fluido de trabajo en fase líquida o supercrítica con una temperatura cercana a la temperatura crítica, en el que dicha temperatura crítica es próxima a la temperatura ambiente. La planta está configurada para realizar una transformación termodinámica cíclica cerrada, primero en una dirección en una configuración de carga y después en una dirección opuesta en una configuración de descarga, entre la carcasa y el tanque.

[0017] En la configuración de carga la planta almacena calor y presión y en la configuración de descarga la planta genera energía.

[0018] Sumario

[0019] El Solicitante ha observado que el proceso y la planta descritos en el documento WO/2020/039416 se pueden mejorar aún más, en particular con referencia a la flexibilidad de los mismos.

[0020] El Solicitante ha observado también que el proceso puede ser mejorado hasta integrar y constituir un sistema de generación de energía mecánica/eléctrica a partir de fuentes no programables y a partir de otras fuentes.

[0021] En particular, el Solicitante ha sentido la necesidad de crear sistemas para generar energía mecánica/eléctrica que sean capaces de ajustar la energía absorbida y generada, en particular, la energía eléctrica que se intercambia con la red eléctrica de forma no proporcional a la entrada de energía, consiguiendo así un motor primario (o viceversa una bomba de calor) capaz de entregar una potencia no proporcional a la entrada de energía o mejor aún proporcional a dicha entrada pero compensada en el tiempo.

[0022] En tal contexto, el Solicitante se ha fijado como objetivo idear y conseguir una planta de generación y almacenamiento de energía que permita: liberar temporalmente la salida mecánica/eléctrica de la entrada de energía y/o ajustar la frecuencia de la red (tanto ajuste ultrarrápido como primario); llevando a cabo operaciones de intensificación rápida, operaciones de equilibrio, etc.

[0023] El solicitante ha descubierto que los objetivos indicados anteriormente y otros más pueden alcanzarse mediante un sistema de almacenamiento de energía que funciona mediante transformaciones termodinámicas cíclicas (TTC) de un fluido de trabajo, como el ilustrado en el documento WO/2020/039416, combinado con un ciclo termodinámico cerrado (CT) realizado con al menos una parte del mismo fluido de trabajo.

[0024] El sistema de almacenamiento de energía (TTC) funciona primero en una dirección y después en la dirección opuesta, entre los almacenamientos del fluido de trabajo en dos tanques separados, de los que uno (el de menor temperatura) es atmosférico, pero que no está constituido por aire atmosférico sino por otro gas en equilibrio de presión con la atmósfera. Dicho sistema se caracteriza también porque almacena la energía, transformando el fluido de trabajo de un estado gaseoso/vapor inicial a un estado líquido o supercrítico final con una temperatura cercana a la temperatura crítica (por ejemplo, menos de 1,2 veces la temperatura crítica en Kelvin, preferiblemente entre 0,5 y 1,2 veces). También se caracteriza porque dicha temperatura crítica preferiblemente no está alejada de la temperatura ambiente, preferiblemente cerca de la temperatura ambiente (preferiblemente entre 0 °C y 200 °C, más preferiblemente entre 0° y 100 °C).

[0025] El ciclo termodinámico cerrado (CT) puede ser subcrítico, supercrítico o transcrítico y se acciona con las mismas máquinas del sistema de Almacenamiento de Energía (TTC), que funcionan como motor primario (o como bomba de calor). En conjunto, el sistema es, por lo tanto, híbrido y funciona tanto como batería (TTC de Almacenamiento de Energía) y como motor primario/bomba de calor (CT).

[0026] El fluido de trabajo es preferiblemente dióxido de carbono (CO<2>), pero para mejorar el rendimiento del sistema, también en relación con las condiciones ambientales particulares donde funciona, se podría usar una mezcla de CO<2>y otras sustancias para corregir la temperatura crítica T<c>del fluido. Otros fluidos, tal como SF<6>, N<2>O, etc., se pueden utilizar, siempre puros o mezclados con otros. En el sistema propuesto, hay un almacenamiento de calor recuperado de la entrega de un compresor. Los tanques, tanto a alta como a baja presión, trabajan a presiones constantes o en todo caso ajustadas dentro de ciertos intervalos bien definidos, tanto cuando el sistema funciona en condiciones subcríticas como supercríticas, posiblemente con diferentes estrategias de ajuste.

[0027] En particular, los objetivos indicados anteriormente y todavía otros se logran sustancialmente mediante una planta para la generación y almacenamiento de energía del tipo reivindicados en las reivindicaciones adjuntas.

[0028] El Solicitante ha comprobado que la planta de acuerdo con la invención permite obtener los objetivos preestablecidos. En particular, el Solicitante ha comprobado que la invención permite gestionar la energía absorbida y almacenada, retornarla y generarla de forma flexible y eficaz.

[0029] Por ejemplo, la invención permite ajustar la frecuencia de la red; realizando las operaciones de intensificación rápida, Unidad de Reserva Rápida o Reserva de Control Rápido, reserva primaria, equilibrio, etc.

[0030] Por ejemplo, suponiendo que se acumula una cierta cantidad de fluido de trabajo en el tanque 9 y suponiendo un ciclo termodinámico cerrado (CT) con una eficiencia del 25 % con energía térmica adicional (proporcionada por el otro intercambiador de calor que recibe calor de la fuente de calor adicional) de 20 MW térmico, significa que la energía eléctrica neta del ciclo es igual a 5 MWe (resultado de una turbina de 13 MWe y un compresor de 8 MWe, restándose estos últimos a los generados por la turbina). En caso necesario, será posible apagar o en todo caso poner en condiciones de mínima absorción el compresor 3 y así dar servicio a la Unidad de Reserva Rápida 13MW aprovechando el fluido de trabajo almacenado en el tanque 9.

[0031] El Solicitante ha comprobado también que la invención permite el funcionamiento del almacenamiento de energía en lugares sin características geomorfológicas particulares, también para aplicaciones marítimas/off-shore, de forma segura y con un bajo impacto ambiental. El Solicitante ha comprobado también que la invención permite obtener RTE elevados.

[0032] El Solicitante ha verificado que previendo que las máquinas (turbina/turbinas y/o compresor/compresores) sean también giratorias, independiente del ciclo termodinámico cerrado (CT), se permite pasar muy rápidamente de la fase de carga a la de descarga, incluso en menos de 1 segundo y además el hecho de que las máquinas estén conectadas a la red permite proporcionar inercia a la red, permitiendo la venta de servicios de ajuste ultrarrápidos.

[0033] Otras características y ventajas serán más evidentes a partir de la descripción detallada de realizaciones preferidas pero no exclusivas de una planta para la generación y almacenamiento de energía de acuerdo con la presente invención.

[0034] Descripción de los dibujos

[0035] Tal descripción se establecerá a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, proporcionados solo como un ejemplo no limitativo, en los que:

[0036] ▪ la Figura 1 ilustra esquemáticamente una realización de una planta de generación y almacenamiento de energía de acuerdo con la presente invención en una configuración de funcionamiento;

[0037] ▪ la Figura 2 es un diagrama TS relativo a la configuración de funcionamiento de la Figura 1;

[0038] ▪ la Figura 3 ilustra la planta de la Figura 1 en una configuración de funcionamiento diferente;

[0039] ▪ la Figura 4 es un diagrama TS relativo a la configuración de funcionamiento de la Figura 3;

[0040] ▪ la Figura 5 ilustra una variante de realización de una planta de almacenamiento de energía de acuerdo con la presente invención;

[0041] ▪ las Figuras 6, 8 y 10 ilustran una variante de realización diferente de la planta en las respectivas configuraciones de funcionamientos;

[0042] ▪ las Figuras 7, 9 y 11 son diagramas TS relativos a las configuraciones de funcionamientos de las Figuras 6, 7 y 8;

[0043] ▪ la Figura 12 ilustra otra variante de realización de una planta de almacenamiento de energía de acuerdo con la presente invención;

[0044] ▪ la Figura 13 ilustra otro diagrama TS relativo a la invención;

[0045] ▪ la Figura 14 ilustra otra variante de realización de una planta de almacenamiento de energía de acuerdo con la presente invención;

[0046] ▪ la Figura 15 ilustra una variante de la planta de la Figura 3;

[0047] ▪ la Figura 16 es un diagrama TS relativo a la configuración de funcionamiento de la Figura 15.

[0048] Descripción detallada

[0049] Con referencia a las figuras adjuntas, el número de referencia 1 en general indica una planta de generación y almacenamiento de energía de acuerdo con la presente invención.

[0050] La planta 1 funciona, por ejemplo, con un fluido de trabajo distinto del aire atmosférico.

[0051] Por ejemplo, la planta 1 funciona con un fluido de trabajo elegido del grupo que comprende: dióxido de carbono CO<2>, hexafluoruro de azufre SF<6>, óxido nitroso N<2>O. En la siguiente descripción, el fluido de trabajo utilizado en combinación con la planta 1 descrita es dióxido de carbono CO<2>.

[0052] La planta 1 está configurada para realizar una transformación termodinámica cíclica cerrada (TTC), primero en una dirección en una configuración/fase de carga y después en una dirección opuesta en una configuración/fase de descarga, en la que en la configuración de carga la planta 1 almacena calor y presión y en la configuración de descarga la planta genera energía eléctrica y/o mecánica.

[0053] La planta 1 está configurada también para definir/delimitar un circuito cerrado y realizar un ciclo termodinámico cerrado (CT) en dicho circuito cerrado con al menos una parte del mismo fluido de trabajo, mientras también dicha planta 1 está en la configuración de carga o en la configuración de descarga.

[0054] Haciendo referencia a la Figura 1, la planta 1 comprende una turbina 2 y un compresor 3. El compresor 3 se ilustra esquemáticamente comprendiendo tres etapas. El compresor 3 está conectado a un motor 4a. La turbina 2 está conectada mecánicamente a un generador 4b y a una máquina accionada 300, representado esquemáticamente en la Figura 1 y diferente de un generador. La turbina 2 está conectada mecánicamente al generador 4b a la máquina accionada 300 por medio de una transmisión, por ejemplo, mediante dispositivos de conexión, por ejemplo, de tipo fricción, que permiten conectar y desconectar, por comandos, la turbina 2 a/del generador 4 y/o a/de la máquina accionada.

[0055] La planta 1 comprende una carcasa 5 definida preferiblemente por un globo de presión de material flexible, por ejemplo, de tejido de poliéster revestido de PVC. El globo de presión está dispuesto en la superficie y está externamente en contacto con el aire atmosférico. El globo de presión delimita, en su interior, un volumen configurado para contener el fluido de trabajo a presión atmosférica o presión sustancialmente atmosférica, es decir, en equilibrio de presión con la atmósfera. La carcasa 5 se puede realizar también como un gasómetro o cualquier otro sistema de almacenamiento de gas a baja o nula sobrepresión.

[0056] Un segundo tramo 6a de tuberías de entrega se extiende entre la carcasa 5 y una entrada 3a del compresor 3. Un tercer tramo 6b de tuberías de retorno se prolonga entre la carcasa 5 y una salida 2b de la turbina 2 para poner en comunicación fluida el volumen interno de la carcasa 5 con dicho compresor 3 y turbina 2. Una válvula o un sistema de válvulas sitúa funcionalmente tales tramos 6a, 6b para colocar alternativamente en comunicación fluida la carcasa 5 con la entrada 3a del compresor 3 o la salida 2b de la turbina 2 con la carcasa 5.

[0057] La planta 1 comprende un intercambiador de calor primario 7 que se puede colocar selectivamente en comunicación fluida con una salida 3b del compresor 3 o con una entrada 2a de la turbina 2.

[0058] Para tal fin, una segunda sección 8a de las tuberías de entrega se extiende entre la salida 3b del compresor 3 y el intercambiador de calor primario 7. Una segunda sección 8b de las tuberías de retorno se extiende entre el intercambiador de calor primario 7 y la entrada 2a de la turbina 2. Una válvula, o un sistema de válvulas, se sitúa funcionalmente en las secciones 8a, 8b para colocar alternativamente en comunicación fluida el intercambiador de calor primario 7 con la entrada 2a de la turbina 2 o la salida 3b del compresor 3 con el intercambiador de calor primario 7.

[0059] Un tanque 9 está en comunicación fluida con el intercambiador de calor primario 7 y está configurado para acumular el fluido de trabajo en fase líquida o supercrítica. El tanque 9 es preferiblemente de metal con una pared exterior de forma cilíndrica o esférica.

[0060] Un intercambiador de calor secundario 10 está funcionalmente activo entre el intercambiador de calor primario 7 y el tanque 9, o en dicho tanque 9, y está configurado para funcionar en el fluido de trabajo almacenado o en la fase de carga en el tanque 9.

[0061] De acuerdo con lo ilustrado en la realización de la Figura 1, el intercambiador de calor secundario 10 está integrado en el tanque 9 en el sentido de que tiene una porción de intercambio térmico 11 del mismo alojada dentro del tanque 9 y configurada para ser golpeada por el fluido de trabajo contenido en dicho tanque 9.

[0062] Un tercer tramo 12a de las tuberías de entrega y un primer tramo 12b de las tuberías de retorno se prolongan entre el intercambiador de calor primario 7 y el tanque 9 para poner en comunicación fluida dicho intercambiador de calor primario 7 con dicho tanque 9 y con dicho intercambiador de calor secundario 10.

[0063] Una válvula, o un sistema de válvulas, se sitúa operativamente en las secciones 12a, 12b para colocar alternativamente en comunicación fluida el compresor 3 con el intercambiador de calor primario 7 y con el tanque 9 o el intercambiador de calor primario 7 y el tanque 9 con la turbina 2.

[0064] La planta 1 comprende también un intercambiador de calor adicional 13 interpuesto funcionalmente entre la turbina 2 y la carcasa 5 y un otro intercambiador de calor 220 que recibe calor de una fuente de calor adicional 230. El otro intercambiador de calor 220 está situado en el segundo tramo 8b de las tuberías de suministro, entre la entrada 2a de la turbina 2 y el intercambiador de calor primario 7. La fuente de calor adicional 230 es, como un ejemplo no limitativo, una fuente solar (por ejemplo, un campo solar), recuperación industrial de calor residual (Recuperación de Calor Residual), calor de escape de la turbina de gas, etc.

[0065] Las tuberías de entrega de la misma comprenden el primer, segundo y tercer tramos respectivos 6a, 8a, 12a. Por lo tanto, las tuberías de retorno comprenden el primer, segundo y tercer tramos respectivos 12b, 8b, 6b.

[0066] Un primer conducto de derivación 310 está configurado para conectar la salida del compresor 3 con el otro intercambiador de calor 220 y derivar el primer intercambiador de calor 7 y el tanque 9. El primer conducto de derivación 310 conecta el segundo tramo 8a de las tuberías de entrega con el segundo tramo 8b de las tuberías de retorno y está provisto de una primera válvula respectiva 311.

[0067] Un segundo conducto de derivación 320 está configurado para conectar la salida 2b de la turbina 2 con la entrada 3a del compresor 3 y derivar la carcasa 5. El segundo conducto de derivación 320 conecta el primer tramo 6a de las tuberías de entrega con el tercer tramo 6b de las tuberías de retorno y está provisto de una segunda válvula respectiva 321.

[0068] El primer y el segundo conductos de derivación 310, 320 son capaces de delimitar el circuito cerrado que comprende el compresor 3, la turbina 2, el intercambiador de calor adicional 13 y el otro intercambiador de calor 220.

[0069] La planta 1 comprende también una unidad de control, no ilustrada, conectada funcionalmente a los diferentes elementos de la propia planta 1 y configurada/programada para gestionar el funcionamiento de la misma.

[0070] La planta 1 está configurada para funcionar en una configuración de carga o en una configuración de descarga, es decir, para ejecutar un proceso que comprende una fase de carga de energía y una fase de descarga y generación de energía.

[0071] La planta 1 está configurada también para realizar el ciclo termodinámico cerrado (CT) en el circuito cerrado, por ejemplo, un ciclo Brayton.

[0072] La configuración ilustrada en la Figura 1 es una configuración/fase de carga con ciclo termodinámico cerrado (CT) simultáneo.

[0073] La planta 1 parte de un primer estado en el que el fluido de trabajo (CO<2>) en forma gaseosa está todo contenido en la carcasa 5 a presión atmosférica o sustancialmente a presión atmosférica y a una temperatura sustancialmente igual a la temperatura ambiente (punto A del diagrama TS de la Figura 2). La carcasa 5, mediante el sistema de válvulas, se pone en comunicación con la entrada 3a del compresor 3. De forma adicional, mediante el sistema de válvulas, el intercambiador de calor primario 7 se coloca en comunicación fluida con la salida 3b del compresor 3. El motor 4 acciona el compresor 3 para comprimir el fluido de trabajo procedente de la carcasa 5. El fluido de trabajo se comprime en el compresor 3 mediante una compresión inter-enfriada y se calienta (de A a B del diagrama T-S de la Figura 2). Mediante el control de las válvulas, Una parte del fluido de trabajo (por ejemplo, el 70 %) se dirige hacia el intercambiador de calor primario 7 y otra parte (por ejemplo, el 30 %) fluye a través del primer conducto de derivación 310 y fluye hacia el otro intercambiador de calor 220.

[0074] El intercambiador de calor primario 7 funciona como un enfriador para eliminar el calor del fluido de trabajo comprimido, Enfriarlo (punto C del diagrama T-S de la Figura 2) y almacenar la energía térmica extraída de dicho fluido de trabajo. En el punto C, El fluido de trabajo se encuentra a una temperatura inferior a la temperatura crítica de dicho fluido y en un punto de la parte derecha de la curva de Andrews o ligeramente fuera de la curva en condiciones de sobrecalentamiento ligero. La compresión antes mencionada puede ser adiabática, Inter-enfriada o isotérmica. En las variantes de realización, no ilustradas en detalle, se prevé eliminar el calor del fluido de trabajo en el intercambiador primario 7 hasta llevarlo, en un diagrama T-S, a una temperatura superior a la temperatura crítica y por encima de la curva de Andrews.

[0075] El fluido de trabajo entra al tanque 9 donde se encuentra el intercambiador de calor secundario 10, que en esta configuración funciona como enfriador, Elimina más calor del fluido de trabajo y almacena más energía térmica. El fluido de trabajo atraviesa la zona de vapor saturado hasta llegar a la fase líquida (punto D del diagrama T-S de la Figura 2). El tanque 9 almacena por tanto el fluido de trabajo en fase líquida a una temperatura inferior a una temperatura crítica Tc del mismo. En este segundo estado, el fluido de trabajo (CO<2>, Tc = 31 °C) en forma líquida, por ejemplo, a 20 °C, Está completamente contenido en el tanque 9. El intercambiador de calor secundario 10 y el intercambiador de calor primario 9 están, por lo tanto, configurados para funcionar una transformación subcrítica del fluido de trabajo de forma tal que dicho fluido de trabajo se acumule en el tanque 9 en fase líquida.

[0076] En las variantes de realización, no ilustradas en detalle, se prevé eliminar el calor del fluido de trabajo en el intercambiador de calor secundario 10, llevarlo a la fase supercrítica y haciéndolo seguir la parte derecha de la curva de Andrews.

[0077] La parte del fluido de trabajo (30 %) que funciona de acuerdo con el ciclo termodinámico cerrado (CT) se calienta en el otro intercambiador de calor 220 (hasta el punto E del diagrama T-S de la Figura 2), Entra después en la turbina 2 donde se expande y enfría (hasta el punto F del diagrama T-S de la Figura 2). La turbina 2 transforma la energía del fluido de trabajo en energía eléctrica mediante el generador 4b y/o en energía mecánica en la máquina accionada 300. A continuación, la parte del fluido de trabajo se enfría en el intercambiador de calor adicional 13 (y se devuelve al punto A del diagrama T-S de la Figura 2), Atraviesa el segundo conducto de derivación 320 y se vuelve a introducir en el compresor 3 para iniciar de nuevo el ciclo termodinámico cerrado (CT).

[0078] En las realizaciones ilustradas en las Figuras 1 y 3, el intercambiador de calor adicional 13 se coloca en el tercer tramo 6b de las tuberías de retorno y funciona después en el ciclo termodinámico cerrado (CT), Pero no funciona sobre el fluido de trabajo que está almacenado en la configuración/fase de carga.

[0079] Cuando la fase de carga haya terminado y el 70 % del fluido de trabajo se haya acumulado en el tanque 9, el ciclo termodinámico cerrado (CT) con el 30 % restante puede continuar todavía, Debido al calor proporcionado a la fuente de calor adicional 230.

[0080] La configuración ilustrada en la Figura 3 es una configuración/fase de descarga con ciclo termodinámico cerrado (CT) simultáneo.

[0081] La planta 1 parte del segundo estado (punto G del diagrama T-S de la Figura 4). La carcasa 5, mediante el sistema de válvulas, Se pone en comunicación con la salida 2b de la turbina 2. De forma adicional, mediante el sistema de válvulas, El intercambiador de calor primario 7 se coloca en comunicación fluida con la entrada 2a de la turbina 2.

[0082] El intercambiador de calor secundario 10 funciona como calentador y transfiere parte del calor, almacenado previamente en la configuración de carga, Al fluido de trabajo en el tanque 9. El fluido de trabajo atraviesa la zona de vapor saturado hasta llegar a la fase de vapor (punto H del diagrama T-S de la Figura 4). El fluido de trabajo atraviesa el intercambiador de calor primario 7 que ahora funciona como calentador y transfiere más calor, almacenado previamente en la configuración de carga, Al fluido de trabajo y lo calienta (punto I del diagrama T-S de la Figura 4). El fluido de trabajo atraviesa después el otro intercambiador de calor 220 (que recibe calor de una fuente de calor adicional 230) y se calienta más (hasta el punto L del diagrama T-S de la Figura 4).

[0083] El fluido de trabajo calentado entra en la turbina 2, Se expande y se enfría (punto M del diagrama T-S de la Figura 4) y determina el giro de la turbina 2. El generador 4b acoplado a la turbina 2 y la máquina accionada 300 son girados por la turbina 2 accionada por el fluido de trabajo en expansión. La expansión del fluido de trabajo en la turbina puede ser adiabática, inter-calentada o isotérmica.

[0084] El fluido de trabajo que sale de la turbina 2 se enfría en el intercambiador de calor adicional 13 (punto N del diagrama T-S de la Figura 4). El intercambiador de calor adicional 13 (situado en el tercer tramo 6b de las tuberías de retorno) trabaja en ciclo termodinámico cerrado (CT) y funciona también sobre el fluido de trabajo que se descarga en la configuración/fase de descarga. En otras variantes de realización, no ilustradas en detalle, Se prevé que el intercambiador de calor adicional 13 se coloque en el primer tramo 6a de las tuberías de entrega o tanto en el primer tramo 6a de las tuberías de entrega como/o en el tercer tramo 6b de las tuberías de retorno.

[0085] En este punto, mediante el control de las válvulas, Una parte del fluido de trabajo (por ejemplo, el 70 %) se dirige hacia la carcasa 5 y retorna a la carcasa 5 a presión atmosférica o presión sustancialmente atmosférica. Otra parte (por ejemplo, el 30 %) fluye a través del segundo conducto de derivación 320 y se envía nuevamente al compresor 2 y luego a través del primer conducto de derivación 310, Para ejecutar nuevamente el ciclo termodinámico cerrado (CT). Cuando finaliza la fase de descarga y el 70 % del fluido de trabajo se acumula en la carcasa 5, el ciclo termodinámico cerrado (CT) con el 30 % restante puede continuar todavía, Debido al calor suministrado a la fuente de calor adicional 230.

[0086] Por ejemplo, Una temperatura del fluido de trabajo (CO<2>) almacenada en el tanque 9 es de 24 °C y la presión del fluido de trabajo almacenado en el tanque 9 es de 65 bar. La densidad del CO<2>a 25 °C y a la presión atmosférica es de aproximadamente 1,8 kg/m<3>. La densidad del CO<2>en el tanque 9 es de aproximadamente 730 kg/m<3>. La relación entre la densidad del fluido de trabajo cuando está contenido en el tanque 9 en las condiciones antes indicadas y la densidad del mismo fluido de trabajo cuando está contenido en la carcasa 5 en condiciones atmosféricas es, por lo tanto, de aproximadamente 400. Sobre tal asunto, se observa que si en lugar del CO<2>uno utiliza aire atmosférico almacenado a 65 bar y 24 °C en el tanque 9, Su densidad sería solo de 78 kg/m<3>y el volumen del tanque 9 que sería teóricamente necesario sería unas diez veces mayor.

[0087] El intercambiador de calor primario 7 puede ser un regenerador de calor de lecho fijo que comprenda una masa térmica constituida, por ejemplo, Por esferas de metal. En la configuración/fase de carga, la masa térmica es golpeada por el fluido de trabajo caliente y comprimida, lo que transfiere calor a las esferas de metal, Que acumulan energía térmica. En la configuración/fase de descarga, la masa térmica es golpeada por el fluido de trabajo frío, Lo que absorbe el calor de las esferas metálicas y se calienta. En una variante no ilustrada, El regenerador de calor puede ser también de tipo lecho móvil. El intercambiador de calor primario 7 es, por lo tanto, un acumulador térmico (Almacenamiento de Energía Térmica AET). En lugar del regenerador de calor de lecho fijo, otros tipos pueden estar presentes, como los ilustrados en el documento público WO/2020/039416, a nombre del mismo Solicitante.

[0088] También hay diferentes tipos de intercambiador de calor secundario 10, por ejemplo, ilustrados en el documento público WO/2020/039416, a nombre del mismo Solicitante.

[0089] La Figura 5 ilustra una variante de la planta 1. Aquí, los principales elementos comunes a la Figura 1 son visibles, es decir, la turbina 2, el compresor 3, el motor 4a, el generador 4b, la máquina accionada 300, la carcasa 5, el intercambiador de calor primario 7 (almacenamiento térmico AET), el tanque 9, el intercambiador de calor secundario 10, el otro intercambiador de calor 220, el intercambiador de calor adicional 13.

[0090] En tal variante, el intercambiador de calor secundario 10 se interpone entre el intercambiador de calor primario 7 y el tanque 9, Es decir, no está integrado en el tanque 9. El intercambiador de calor secundario 10 está alineado sobre el tercer tramo 12a de las tuberías de entrega y sobre el primer tramo 12b de las tuberías de retorno.

[0091] El intercambiador de calor secundario 10 ilustrado en la Figura 5 comprende un circuito secundario 20 atravesado por un fluido secundario, Por ejemplo, agua. El circuito secundario 20 tiene una porción de intercambio térmico 11 que es golpeada por el fluido de trabajo que atraviesa el tercer tramo 12a de las tuberías de entrega y el primer tramo 12b de las tuberías de retorno y está configurada para intercambiar calor con el fluido de trabajo.

[0092] El circuito secundario 20 comprende una cámara de almacenamiento secundaria 200, para el fluido secundario caliente acumulado después de haber eliminado el calor del fluido de trabajo en la configuración/fase de carga del aparato/proceso y para el fluido secundario frío acumulado después de haber transferido el calor al fluido de trabajo en la configuración/fase de descarga del aparato/ proceso. La cámara de almacenamiento secundaria 200 mencionada anteriormente está acoplada también a un radiador 23 provisto de uno o más ventiladores 24 colocados en un conducto de recirculación que, por ejemplo, enfría el fluido secundario durante la noche y lo calienta durante el día. La cámara de almacenamiento secundaria 200 mencionada anteriormente está conectada también, por medio de un circuito respectivo 210, al intercambiador de calor adicional 13 y a los enfriadores intermedios 322 acoplados al compresor 3. La planta 1 comprende también un recuperador 400 funcionalmente activo entre el intercambiador de calor primario 7 y el otro intercambiador de calor 220 y entre la salida de la turbina 2 y el intercambiador de calor adicional 13. Por lo tanto, el recuperador 400 está acoplado funcionalmente al segundo y al tercer tramos 8b, 6b de las tuberías de retorno y permite accionar un ciclo termodinámico cerrado recuperativo (CT).

[0093] Las Figuras 6 – 11 ilustran otra variante de la planta 1 y del proceso de acuerdo con la presente invención. A diferencia de la planta 1 y del proceso de las Figuras 1 – 4, La planta 1 de esta variante permite accionar el ciclo termodinámico cerrado (CT) con presiones inferiores y superiores respectivamente diferentes de las presiones máxima y mínima de la transformación termodinámica cíclica (TTC) en la configuración/fase de carga y en la configuración/fase de descarga. En particular, La presión superior es inferior que la presión máxima de la transformación termodinámica cíclica (TTC) en la configuración/fase de carga. La presión inferior es superior que la presión mínima de la transformación termodinámica cíclica (TTC) en la configuración/fase de descarga, Preferiblemente superior a la presión atmosférica.

[0094] Para tal fin, la planta 1 comprende un compresor adicional 3', Una turbina adicional 2' y un intercambiador de calor adicional primario 7'. De forma adicional, el motor 4a y el generador 4b están definidos por un solo motor generador 4 conectado por medio de transmisiones respectivas al compresor 3, al compresor adicional 3', a la turbina 2, A la turbina adicional 2'. Dispositivos de conexión, por ejemplo, de tipo de fricción, Se interponen entre el motor generador 4 y la turbina 2 y la turbina adicional 2' y entre el motor generador 4 y el compresor 3 y el compresor adicional 3' y están configurados para conectar y desconectar, por comandos, dichas máquinas giratorias a/del motor generador 4. El intercambiador de calor adicional primario 7' está situado entre el intercambiador de calor primario 7 y el intercambiador de calor secundario 10 o, en otras palabras, funciona en el tercer tramo 12a de las tuberías de entrega y en el primer tramo 12b de las tuberías de retorno. Además, el intercambiador de calor adicional primario 7' puede ser un almacenamiento térmico (Almacenamiento de Energía Térmica AET).

[0095] El compresor adicional 3' está situado entre el intercambiador de calor primario 7 y el intercambiador de calor secundario 10, es decir, funciona en el tercer tramo 12a de las tuberías de entrega y en el primer tramo 12b de las tuberías de retorno. El intercambiador de calor primario 7 está en comunicación fluida con una entrada 3'a del compresor adicional 3' mientras que una salida 3'b del compresor adicional 3 está en comunicación fluida con el intercambiador de calor adicional primario 7'.

[0096] La turbina adicional 2' está situada entre el intercambiador de calor primario 7 y el intercambiador de calor secundario 10, Es decir, el intercambiador de calor adicional primario 7' está en comunicación fluida con una entrada 2'a de la turbina adicional 2' mientras que una salida 2'b de la turbina adicional 2' está en comunicación fluida con el intercambiador de calor primario 7.

[0097] En esta realización, a través del intercambiador de calor primario 7, solo pasa una tubería 500 o pasa una pluralidad de tuberías que realizan tanto la función de entrega, cuando la planta 1 está en la configuración/fase de carga, como la función de retorno, Cuando la planta 1 está en configuración/fase de descarga. El segundo tramo 8a de las tuberías de entrega y el segundo tramo 8b de las tuberías de retorno están conectados entre sí y con la tubería única 500 en un lado del intercambiador primario 7. El tercer tramo 12a de las tuberías de entrega y el primer tramo 12b de las tuberías de retorno están conectados entre sí y con la tubería única 500 en el otro lado del intercambiador primario 7. De forma adicional, El primer tramo 6a de las tuberías de entrega y el tercer tramo 6b de las tuberías de retorno se unen en un conducto único 600 conectado a la carcasa 5.

[0098] Un intercambiador de calor adicional 13' está situado en dicho conducto único 600. El circuito cerrado está definido por el primer tramo 6a de las tuberías de entrega, por el segundo tramo 8a de las tuberías de entrega, Por el segundo tramo 8b de las tuberías de retorno y por el tercer tramo 6b de las tuberías de retorno. El circuito cerrado comprende o atraviesa: el compresor 3, el otro intercambiador de calor 220, La turbina 2 y el intercambiador de calor adicional 13. En la configuración/fase de carga, se prevé comprimir el fluido de trabajo tanto en el compresor 3 como en el compresor adicional 3' e introducir el fluido de trabajo comprimido a través del intercambiador de calor primario 7, El intercambiador de calor adicional primario 7' y el intercambiador de calor secundario 10 (Figuras 8 y 9).

[0099] En la configuración/fase de descarga, se prevé expandir el fluido de trabajo en la turbina 2 y en la turbina adicional 2' e introducir el fluido de trabajo procedente del tanque a través del intercambiador de calor secundario 10, El intercambiador de calor adicional primario 7' y el intercambiador de calor primario 7 (Figuras 10 y 11).

[0100] Por lo tanto, el compresor adicional 3' y la turbina adicional 2' no forman parte del circuito cerrado ni/o del ciclo termodinámico cerrado (CT, Figuras 6 y 7).

[0101] La Figura 12 ilustra otra variante, similar a la de la Figura 5 pero, como con la planta de las Figuras 6-11, Tal configuración permite accionar el ciclo termodinámico cerrado (CT) con presiones inferiores y superiores respectivamente diferentes de las presiones máxima y mínima de la transformación termodinámica cíclica (TTC) en la configuración/fase de carga y en la configuración/fase de descarga. En la Figura 13 se ilustra un diagrama T-S relativo a tales transformaciones. A diferencia de la Figura 5, En el primer tramo 12b de las tuberías de retorno se coloca una turbina auxiliar 2' y en el tercer tramo 12a de las tuberías de entrega se coloca un compresor auxiliar 3'. Un intercambiador de calor adicional primario 7' funciona tanto en el primer tramo 12b de las tuberías de retorno como en el tercer tramo 12a de las tuberías de entrega.

[0102] La Figura 14 ilustra otra variante en la que el ciclo termodinámico cerrado (CT) es el de una bomba de calor. El compresor 3 no se inter-enfría mientras que la turbina 2 es multietapa y tiene múltiples inter-calentamientos (recalentamientos). El calor generado se libera a través del otro intercambiador de calor 220 a un usuario.

[0103] La Figura 15 ilustra una variante de la planta de la Figura 3 en la configuración/fase de descarga con ciclo termodinámico cerrado (CT) simultáneo.

[0104] Con respecto a lo descrito con referencia a la Figura 3, la planta de la Figura 15 comprende también una bomba 25 dispuesta en el primer tramo 12b de las tuberías de retorno, es decir, entre el intercambiador de calor secundario 10 y el intercambiador de calor primario 7. La función de la bomba 25 es la de aumentar la presión en la configuración/fase de descarga (de G a G', como se ilustra en la Figura 16) extrayendo el fluido de trabajo líquido del tanque 9 y enviándolo a una presión superior, incluso supercrítica, para tener un mayor gradiente de expansión. De esta forma, se aumenta el trabajo específico del ciclo y esto permite reducir el tamaño de los tanques de almacenamiento dada la misma energía almacenada.

[0105] La planta de la Figura 16 también ilustra el inter-calentamiento antes mencionado que funciona entre etapas de la turbina 2 por un circuito de inter-calentamiento 26 (ilustrado en la Figura 15). El circuito de inter-calentamiento 26 conecta la turbina 2 con el otro intercambiador de calor 220. En esta realización, en la configuración/fase de descarga, el fluido de trabajo en expansión en la turbina 2 (de L' a L'' y después de L''' a M' en la Figura 16) se calienta (de L'' a L''' en Figura 16) a aproximadamente la mitad de la expansión por el calor de la fuente de calor adicional 230. El intercalentamiento (recalentamiento) hasta aproximadamente la mitad de la expansión sirve para aumentar el trabajo específico dentro del ciclo. Esto permite también reducir el tamaño de los tanques de almacenamiento dada la misma energía almacenada.

[0106] Como se puede observar en esta realización, la parte fluida que funciona en el ciclo termodinámico cerrado (CT) sigue la trayectoria I-H-G del diagrama T-S también en la configuración/fase de descarga (ilustrada en la Figura 16). En otras variantes, no ilustradas en las Figuras, la planta 1 puede comprender alternativamente la bomba 25 o el circuito de inter-calentamiento 26.

[0107] Lista de elementos

[0108] 1 planta de almacenamiento de energía

[0109] 2 turbina

[0110] 2' turbina adicional

[0111] 2a entrada de turbina

[0112] 2b salida de turbina

[0113] 3 compresor

[0114] 3' compresor adicional

[0115] 3a entrada del compresor

[0116] 3b salida del compresor

[0117] 4 motor generador

[0118] 4a motor

[0119] 4b generador

[0120] 5 carcasa

[0121] 6a primer tramo de tuberías de entrega

[0122] 6b tercer tramo de tuberías de retorno

[0123] 7 intercambiador de calor primario

[0124] 7' intercambiador de calor adicional primario

[0125] 8a segundo tramo de tuberías de entrega

[0126] 8b segundo tramo de tuberías de retorno

[0127] 9 tanque

[0128] intercambiador de calor secundario

[0129] porción de intercambio térmico del intercambiador de calor secundario a tuberías de entrega del tercer tramo

[0130] b tuberías de retorno del primer tramo

[0131] intercambiador de calor adicional

[0132] ' intercambiador de calor auxiliar adicional

[0133] circuito secundario

[0134] radiador

[0135] ventiladores

[0136] bomba

[0137] circuito de inter-calentamiento

[0138] 0 cámara de almacenamiento secundaria

[0139] 0 circuito del intercambiador de calor adicional

[0140] 0 otro intercambiador de calor

[0141] 0 fuente de calor adicional

[0142] 0 máquina accionada

[0143] 0 primer conducto de derivación

[0144] 1 primera válvula

[0145] 0 segundo conducto de derivación

[0146] 1 segunda válvula

[0147] 2 enfriadores intermedios

[0148] 0 recuperador

[0149] 0 tubería única

[0150] 0 conducto único

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

1. Planta de generación y almacenamiento de energía, que comprende:

un fluido de trabajo distinto del aire atmosférico;

una carcasa (5) configurada para almacenar el fluido de trabajo en fase gaseosa y en equilibrio de presión con la atmósfera;

un tanque (9) configurado para almacenar dicho fluido de trabajo en fase líquida o supercrítica con una temperatura cercana a la temperatura crítica; en donde dicha temperatura crítica es cercana a la temperatura ambiente, preferiblemente entre 0 °C y 100 °C;

un compresor (3) y un motor conectados mecánicamente entre sí;

una turbina (2) y un generador (4b) y/o una máquina accionada (300) conectados mecánicamente entre sí; en donde dicha carcasa (5) está externamente en contacto con la atmósfera y delimita, en el interior de la misma, un volumen configurado para contener el fluido de trabajo a presión atmosférica o presión sustancialmente atmosférica, en donde dicho volumen está selectivamente en comunicación fluida con una entrada (3a) del compresor (3) o con una salida (2b) de la turbina (2);

un intercambiador de calor primario (7) selectivamente en comunicación fluida con una salida (3b) del compresor (3) o con una entrada (2a) de la turbina (2); en donde dicho tanque (9) está en comunicación fluida con el intercambiador de calor primario (7) para acumular el fluido de trabajo;

un intercambiador de calor secundario (10) funcionalmente activo entre el intercambiador de calor primario (7) y el tanque (9) o en dicho tanque (9);

un intercambiador de calor adicional (13) interpuesto funcionalmente entre la carcasa (5) y el compresor (3) y/o entre la carcasa (5) y la turbina (2);

un intercambiador de calor (220) adicional interpuesto funcionalmente entre la turbina (2) y el intercambiador de calor primario (7);

en donde la planta está configurada para realizar una transformación termodinámica cíclica cerrada (TTC), primero en una dirección en una configuración de carga y después en una dirección opuesta en una configuración de descarga, entre dicha carcasa (5) y dicho tanque (9); en donde en la configuración de carga la planta almacena calor y presión y en la configuración de descarga la planta genera energía;

en donde, en la configuración de carga, la carcasa (5) está en comunicación fluida con la entrada (3a) del compresor (3) y el intercambiador de calor primario (7) está en comunicación fluida con la salida (3b) del compresor (3), la turbina (2) está en reposo, el motor (4a) está funcionando y acciona el compresor (3) para comprimir el fluido de trabajo procedente de la carcasa (5), el intercambiador de calor primario (7) funciona como un enfriador para eliminar el calor del fluido de trabajo comprimido, lo enfría y almacena energía térmica, el intercambiador de calor secundario (10) funciona como un enfriador para eliminar más calor del fluido de trabajo comprimido y almacenar más energía térmica, el tanque (9) recibe y almacena el fluido de trabajo comprimido y enfriado, en donde el fluido de trabajo almacenado en el tanque (9) tiene una temperatura cercana a su propia temperatura crítica;

en donde, en la configuración de descarga, la carcasa (5) está en comunicación fluida con la salida (2b) de la turbina (2) y el intercambiador de calor primario (7) está en comunicación fluida con la entrada (2a) de la turbina (2), el compresor (3) está en reposo, el intercambiador de calor secundario (10) funciona como calentador para ceder calor al fluido de trabajo procedente del tanque (9), el intercambiador de calor primario (7) funciona como un calentador para ceder más calor al fluido de trabajo y calentarlo, la turbina (2) es girada por el fluido de trabajo calentado y acciona el generador (4b) y/o la máquina accionada (300), generando energía, el fluido de trabajo retorna a la carcasa (5) a la presión atmosférica o sustancialmente atmosférica;

caracterizada por que la planta está configurada además para definir un circuito cerrado y realizar un ciclo termodinámico cerrado (CT) en dicho circuito cerrado con al menos parte de dicho fluido de trabajo, opcionalmente mientras dicha planta (1) se encuentra en la configuración de carga o en la configuración de descarga;

en donde, en dicho circuito cerrado, la salida (3b) del compresor (3) está en comunicación fluida con el otro intercambiador de calor (220), la salida (2b) de la turbina (2) está en comunicación fluida con la entrada (3a) del compresor (3) y dicho intercambiador de calor adicional (13) está interpuesto funcionalmente entre la salida (2b) de la turbina (2) y la entrada (3a) del compresor (3);

en donde la planta comprende:

un primer conducto de derivación (310) que comprende una primera válvula respectiva (311), en donde el primer conducto de derivación (310) está configurado para conectar la salida (3b) del compresor (3) con el otro intercambiador de calor (220) y para derivar el intercambiador de calor primario (7) y el tanque (9); un segundo conducto de derivación (320) que comprende una segunda válvula respectiva (321), en donde el segundo conducto de derivación (320) está configurado para conectar la salida (2b) de la turbina (2) a la entrada (3a) del compresor (3) y para derivar la carcasa (5).

2. Planta de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el fluido de trabajo tiene las siguientes propiedades físicoquímicas: temperatura crítica entre 0 °C y 200 °C, densidad a 25 °C entre 0,5 kg/m<3>y 10 kg/m<3>; y/o se elige preferiblemente del grupo que comprende: CO<2>, SF<6>, N<2>O.

3. Planta de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde la carcasa (5) es un globo de presión.

4. Planta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la primera válvula (311) y la segunda válvula (321) se pueden regular para ajustar un flujo de fluido de trabajo en el ciclo termodinámico cerrado (CT).

5. Planta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende un recuperador (400) funcionalmente activo entre el intercambiador de calor primario (7) y el otro intercambiador de calor (220) y entre la salida (2b) de la turbina (2) y el intercambiador de calor adicional (13).

6. Planta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el compresor (3) es multietapa e interenfriado.

7. Planta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el otro intercambiador de calor (220) está en conexión fluida con al menos una etapa de la turbina (2) para calentar dicha turbina (2).

8. Planta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde se coloca una bomba (25) entre el intercambiador de calor secundario (10) y el intercambiador de calor primario (7) y está configurada para aumentar la presión en la configuración de descarga.

9. Planta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende tuberías de entrega extendidas desde la carcasa (5) hasta el tanque (9) y tuberías de retorno extendidas desde el tanque (9) hasta la carcasa (5), en donde el primer conducto de derivación (310) conecta las tuberías de entrega con las tuberías de retorno cerca del intercambiador de calor primario (7) y el segundo conducto de derivación (320) conecta las tuberías de entrega con las tuberías de retorno cerca de la carcasa (5).