ES2368239A1 - Almacenamiento amortiguador de gases. - Google Patents

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Abstract

El almacenamiento amortiguado de gases es un sistema que permite almacenar cualquier tipo de gas en cualquier tipo de tanque a presión o caverna de tal forma que la presión se mantiene constante tanto durante el llenado como durante el vaciado, consiguiéndose de este modo optimizar los rendimientos energéticos de los procesos de llenado y vaciado del tanque a presión o caverna, e incrementándose de forma importante la energía almacenada por unidad de volumen.

Description

Almacenamiento amortiguado de gases.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un sistema que ha sido especialmente concebido para almacenar gases de una forma eficiente desde el punto de vista energético.
Antecedentes de la invención
Existen multitud de procesos industriales en los que resulta necesario almacenar algún tipo de gas. El problema principal que existe para almacenarlos estriba en el elevado volumen que ocupan a la presión atmosférica, o bien en la exigencia en cuanto a resistencia de los materiales que se requiere para su almacenamiento a presiones elevadas.
En la actualidad, los gases se almacenan normalmente en tanques a presión ó, cuando los volúmenes a almacenar son muy elevados, como en el caso de depósitos de regulación de gas natural ó de sistemas de almacenamiento de energía en base al almacenamiento de aire atmosférico a presión (la denominada tecnología CAES, Compressed Air Energy Storage), se acude a su almacenamiento geológico en cavernas naturales, minas abandonadas ó domos salinos.
En cualquiera de estos casos, el almacenamiento se realiza a volumen constante, incrementando la presión del tanque ó caverna entre dos presiones determinadas. Esto supone una pérdida importante de rendimiento de los compresores y de las turbinas, y requiere unos volúmenes del tanque ó caverna muy superiores a los que resultarían necesarios si la presión se mantuviese constante.
Son tales los beneficios que reporta la operación a presión constante que se han realizado extensas investigaciones sobre el almacenamiento de energía en base a la inyección de aire a presión en acuíferos para conseguir mantener la presión constante.
Sin embargo, esta tecnología presenta grandes incertidumbres sobre la viabilidad de conseguir mantener sellados los acuíferos, las posibilidades de disolución del aire en el agua (el denominado "efecto champagne") ó el arrastre de partículas que pueden dañar a las turbinas, y queda además limitada a trabajar con bajas presiones, lo que obliga a trabajar con grandes volúmenes y caudales de aire. De hecho, se han utilizado acuíferos en algunas ocasiones para almacenar gas natural, aunque está considerado el método menos viable para su almacenamiento bajo tierra.
También se ha llegado incluso a pensar en llenar una caverna de agua, sometida a una determinada presión estática, para conseguir mantener la presión constante durante la carga/descarga. Se está investigando intensamente esta posibilidad, aunque vuelven a surgir los interrogantes sobre la viabilidad de conseguir mantener sellada la caverna, los problemas derivados del "efecto champagne", que se incrementa si se pretende trabajar a presiones elevadas, ó el arrastre de partículas que pueden dañar a las turbinas. Además de estos inconvenientes, existe otro aún más grave, y es la dificultad de encontrar geologías apropiadas que permitan utilizar una diferencia de nivel lo suficientemente alta como para dotar al agua almacenada en la caverna de la presión estática requerida para la operación de la planta. Es más, aún cuando se pueda disponer de la altura suficiente para la columna de agua, será necesario construir una conducción adicional para el desplazamiento del agua durante la carga/descarga, que resultará de un diámetro muy importante, y hará prácticamente inviable este sistema.
Existe una tecnología que resuelve todos estos problemas, operando a presión constante, y evitando los inconvenientes descritos anteriormente. Se trata almacenar los gases en depósitos submarinos, sometidos a la presión estática de una determinada columna de agua, y dotados de un contrapeso para impedir la ascensión del gas por flotación.
Los depósitos submarinos de gas aprovechan la presión estática del agua de mar a una determinada profundidad para evitar la necesidad de construir un depósito de paredes resistentes a la presión del aire de su interior. Además, con ellas se puede evitar el efecto champagne fácilmente disponiendo una superficie de separación entre el aire y el agua de mar, y no tienen que lidiar con el problema del arrastre de partículas.
Se trata de una tecnología de almacenamiento de gases ciertamente eficiente, y prueba de ello es que existen depósitos submarinos de gas natural y su desarrollo está creciendo de forma exponencial.
Sin embargo, esta tecnología tiene una limitación importante, ya que obviamente las posibilidades de su utilización se reducen a zonas costeras para evitar la construcción de largas conducciones que impedirían su viabilidad, y además se requiere una batimetría adecuada de la zona en cuestión.
Descripción de la invención
El sistema de almacenamiento amortiguado de gases consiste en colocar en el interior del depósito una ó varias bolsas fabricadas con una membrana flexible, que en su interior contengan un fluido auxiliar que se encuentre en equilibrio de fases gas/líquido a la presión y temperatura a la que se pretende almacenar el gas.
Cuando el depósito se encuentra vacío del gas a almacenar, el fluido auxiliar se encuentra en estado gas, rellenando completamente el interior del depósito.
Conforme se va llenando el depósito de gas, el fluido auxiliar se va licuando, permaneciendo encerrado dentro de la bolsa ó bolsas correspondientes, pero disminuyendo gradualmente su volumen para dejar espacio al gas que entra al depósito (Figura 1).
De la misma forma, cuando el depósito se va vaciando de gas, el fluido auxiliar se va gasificando, permaneciendo encerrado dentro de la bolsa ó bolsas correspondientes, pero incrementando gradualmente su volumen y desplazando al gas que sale del depósito (Figura 2).
Es decir, que el fluido auxiliar actúa de amortiguador, manteniendo la presión del gas a almacenar constante durante el llenado/vaciado.
La bolsa ó bolsas de fluido auxiliar han de estar dotadas de unas válvulas de alivio de presión, para garantizar que no puedan explotar ó resultar dañadas en caso de despresurización del depósito por cualquier motivo imprevisto.
El depósito puede ser bien un tanque a presión o bien, cuando se trata de presiones y volúmenes elevados, una caverna natural ó mina abandonada. En cualquier caso, como el volumen necesario del depósito disminuye de forma muy importante, por operar a presión constante, es posible incluso construir cavernas artificiales, multiplicando los lugares en los que se dispone de una geología adecuada para el almacenamiento subterráneo de gases. Se abre incluso la posibilidad de aprovechar la construcción de edificios con depósitos enterrados por debajo de sus cimientos, de tal forma que la cimentación del edificio actúe como cierre superior del depósito, aguantando la presión gracias a su propio peso. También, obviamente, se puede utilizar el peso de una columna de tierra ó rocas, colocando en su base una placa de chapa de acero u otro material resistente que actúe de cierre. Esto supone sin duda un gran avance para la generación distribuida de electricidad, ya que si se combina con un sistema de almacenamiento de energía adecuado, tal como la tecnología CAES con depósitos enterrados de aire a presión por debajo de los cimientos de los edificios, se puede llegar a un sistema autónomo de generación distribuida, lo que eliminaría la necesidad de las redes eléctricas de transporte y distribución, aumentando de forma considerable la eficiencia energética global del sistema
eléctrico.
En todos los casos de almacenamiento subterráneo de gases, si se desea evitar que las membranas se dañen por rozamientos con la pared de la caverna al expandirse, se puede alojar un tanque en el interior de la caverna que contenga la bolsa ó bolsas. La atmósfera exterior al tanque se mantiene en este caso a la presión de operación, de tal modo que el tanque no tiene que soportar presiones elevadas, pero garantiza que no se dañen las membranas de su interior cuando se expanden. Además, este sistema también garantiza que el gas no se contamine con impurezas de la caverna.
Otra forma de evitar que el gas se contamine con impurezas de la caverna consiste en introducir el gas a almacenar dentro de la bolsa ó bolsas, y mantener en el exterior una atmósfera del fluido auxiliar en equilibrio de fases gas/líquido.
En cuanto a la selección del fluido auxiliar del interior de la membrana, el CO_{2} es un gas especialmente adecuado para esta aplicación, ya que a temperatura ambiente su presión de vapor se encuentra en torno a los 60 bar, que es una presión idónea para la tecnología CAES y para otras muchas de las necesidades industriales de almacenamiento de gases. Además, la utilización de CO_{2} como fluido auxiliar en sistemas de almacenamiento amortiguado de gases presenta la ventaja adicional de que dicho CO_{2} queda recluido de forma permanente en el tanque ó caverna de almacenamiento, de modo que se evita su emisión a la atmósfera. Es más, cuando se trata de cavernas de grandes dimensiones, se puede utilizar el sistema de almacenamiento amortiguado de gases con CO_{2} como fluido auxiliar como sistema de almacenamiento geológico de CO_{2}, ya que tan sólo hay que sobredimensionar de forma adecuada el volumen de la caverna, y permitir una entrada constante al interior de la membrana de CO_{2} líquido procedente de cualquier proceso existente para su captura de centrales eléctricas ó de cualquier otra industria. El resultado será que con el tiempo irá existiendo un volumen permanente de CO_{2} líquido en el interior de la membrana, que irá creciendo conforme se va inyectando el CO_{2}.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra, según vistas en alzado lateral y en sección, una secuencia de imágenes explicativas del proceso de llenado de un tanque a presión de un determinado gas para su almacenamiento, con el sistema de almacenamiento amortiguado objeto de la invención.
La figura 2.- Muestra, según vistas en alzado lateral y en sección, una secuencia de imágenes explicativas del proceso de vaciado del gas almacenado en un tanque a presión con el sistema de almacenamiento amortiguado objeto de la invención.
La figura 3.- Muestra, según una vista en alzado lateral y en sección, un sistema de almacenamiento de energía a partir de la compresión de los efluentes gaseosos de una industria, realizable gracias al almacenamiento amortiguado de gases, que se describe a continuación a modo de realización preferente de la invención.
Realización preferente de la invención
El almacenamiento amortiguado de gases va a mejorar sin duda alguna los rendimientos energéticos y las necesidades de volumen de los tanques de almacenamiento de gases en multitud de procesos industriales, pero además va a permitir desarrollar nuevas tecnologías referentes a diferentes procesos industriales. A continuación se va a describir una nueva tecnología de almacenamiento de energía basada en el avance que supone el almacenamiento amortiguado de gases, a modo de realización preferente de la invención.
El sistema consiste en almacenar energía en base a la compresión de efluentes industriales y a su almacenamiento amortiguado, utilizando CO_{2} como fluido auxiliar, y aprovechando el sistema para su almacenamiento geológico.
En la Figura 1 se presenta un esquema explicativo de esta nueva tecnología, que se puede calificar de tecnología de hibridación del almacenamiento de energía con el tratamiento de efluentes gaseosos industria-
les.
Cuando se quiere consumir energía de la red eléctrica (1) para ser almacenada, los efluentes gaseosos de una industria (2) son canalizados por una conducción (3), en lugar de darles salida por la chimenea (4). De este modo los efluentes gaseosos son conducidos hasta el compresor (5), que los comprimirá, normalmente en varias etapas con refrigeraciones intermedias, y de las que irán condensando gases como el SO_{2} (6) ó el NO_{2} (7), que serán conducidos hasta su almacenamiento ó tratamiento.
Los gases comprimidos en la última etapa serán refrigerados a presión constante en un intercambiador de calor (8), que se diseñará de tal forma que tras el paso por el mismo condense el CO_{2} (9) presente en los mismos, que será conducido al interior de la membrana (10) de un sistema de almacenamiento amortiguado en una caverna (11) de los gases permanentes (12) presentes en los efluentes industriales (2), tales como el NO, CO y N_{2}, que han permanecido en estado gas tras el proceso de compresión y enfriamiento.
El CO_{2} (9) inyectado en la membrana (10) quedará confinado en estado líquido en la misma, suponiendo una proporción cada vez mayor de CO_{2} líquido durante los procesos de llenado y vaciado de la caverna.
Durante el proceso de llenado se mantiene abierta la válvula (13) de entrada a la caverna, y cerrada la válvula (14) de salida.
Para almacenar la energía empleada en comprimirlos, los gases permanentes (12) se dejan confinados en el interior de la caverna (11) manteniendo cerradas las válvulas de entrada (13) y salida (14).
Cuando la red eléctrica (1) demanda energía, se abre la válvula de salida (14), para proceder al calentamiento (15) y turbinado (16) de los gases permanentes (12) que habían sido confinados en el interior de la caverna (11), produciendo de este modo energía eléctrica que se inyecta de nuevo a la red eléctrica (1).

Claims (6)

1. El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, que consiste en almacenar el gas en un tanque a presión en cuyo interior contiene una ó varias bolsas fabricadas con una membrana flexible, que en su interior contienen un fluido auxiliar que se encuentra en equilibrio de fases gas/líquido a la presión y temperatura a la que se pretende almacenar el gas, de tal modo que conforme se va llenando/vaciando el depósito de gas, el fluido auxiliar se va licuando/gasificando, permaneciendo encerrado dentro de la bolsa ó bolsas correspondientes, pero disminuyendo/incrementando gradualmente su volumen para dejar espacio al gas que entra al depósito/permitir su salida, de tal modo que las operaciones de llenado/vaciado se realizan a presión constante, y estando la bolsa ó bolsas de fluido auxiliar dotadas de válvulas de alivio de presión.
2. El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicación 1, caracterizado por utilizar una caverna natural, mina abandonada ó caverna ó pozo artificial en lugar del tanque a presión para el almacenamiento del gas.
3. El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicación 2, caracterizado por utilizar edificios ó una columna de tierra ó rocas como cierre superior, aguantando la presión gracias al peso del propio edificio ó columna de tierra ó rocas.
4. El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicación 2, caracterizado por alojar un tanque en el interior de la caverna que contenga la bolsa ó bolsas, manteniendo la atmósfera exterior al tanque a la presión de operación.
5. El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por cambiar los espacios del gas a almacenar y del fluido auxiliar, esto es, alojar el gas a almacenar dentro de la bolsa ó bolsas de membrana flexible, y el fluido auxiliar en el interior del tanque ó
caverna.
6. El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por utilizar CO_{2} como fluido auxiliar, ya que a temperatura ambiente su presión de vapor se encuentra en torno a los 60 bar, que es una presión idónea para la tecnología CAES y para otras muchas de las necesidades industriales de almacenamiento de gases, y de esta forma el CO_{2} queda recluido de forma permanente en el tanque ó caverna de almacenamiento, de modo que se evita su emisión a la atmósfera.
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