2 DESCRIPCIÓN 1. TITULO DE LA INVENCIÓN. Sistema de almacenamiento de energía por depósitos sumergidos en agua. 2. OBJETO DE LA INVENCIÓN. El objeto de esta invención es el almacenamiento de energía mediante el empleo de depósitos sumergidos en 5 agua a profundidades elevadas, y sistemas de hidrogeneración y bombeo de agua. 3. SECTOR Y ESTADO DE LA TÉCNICA. El sector al que pertenece la presente invención es la de las instalaciones hidráulicas, concretamente al de los sistemas de almacenamiento por bombeo, que se emplean como sistemas almacenamiento energético, siendo la energía eléctrica la más habitualmente almacenada y/o generada. 10 En la actualidad se distinguen dos tipos de plantas de bombeo: las centrales hidroeléctricas reversibles que se basan en el bombeo entre dos embalses existentes aprovechando las centrales hidroeléctricas de sus instalaciones; y las plantas de bombeo puro, denominadas PHES (Pumped Hydro Energy Storage o almacenamiento hidroenergético por bombeo), en las que la instalación y al menos uno de los depósitos se construye expresamente para el almacenamiento. 15 El almacenamiento por bombeo es actualmente el mejor sistema de almacenamiento de energía eléctrica, tanto en cuanto a capacidad de almacenamiento y duración como en cuanto a rentabilidad, siendo además una tecnología madura. Previamente a la explicación de la invención se tratará de plantear las necesidades y problemas que se presentan en torno al estado actual de la técnica para las instalaciones de almacenamiento hidroenergético. 20 3.1. NECESIDADES DEL SISTEMA ELÉCTRICO. La energía eléctrica no puede ser fácilmente almacenada, por lo cual existen centros de control y despacho que tiene como misión que la energía se genere en el momento de ser consumida. Sin embargo, un sistema eléctrico con suficiente capacidad de almacenamiento conseguiría una distribución más eficiente al poder resolver cuatro necesidades fundamentales: 25 • Gestión valle-punta. La red eléctrica presenta fluctuaciones debido a los hábitos horarios de los consumidores y a que los equipos de generación no pueden pararse (caso de las nucleares) o no pueden responder de forma inmediata a las demandas de energía. Dichas fluctuaciones llevan a que en horas de baja demanda se pierda la energía generada y no consumida, y, a pesar de ello que deban mantenerse los equipos operativos para poder atender las demandas de horas punta. Un sistema de 30 almacenamiento bien dimensionado nos permitiría “guardar” la energía sobrante en los momentos “valle” para poder suministrarla en los momentos “punta”, reduciendo así las necesidades de equipos operativos y reduciendo las pérdidas y costes asociados. • Aislamiento de carga. Resulta imposible hacer cuadrar con absoluta perfección la producción con la demanda, por lo que ese desajuste debe ser controlado de alguna manera. Una cierta capacidad de 35 almacenamiento gestionaría esta circunstancia de manera óptima debido a la rápida disponibilidad de la energía que se tendría. • Control de frecuencia. Las imperfecciones e inestabilidades en la frecuencia eléctrica hacen que ésta deba ser controlada de forma detallada, para lo cual, disponer de energía almacenada en el momento adecuado y con capacidad de respuesta suficientemente rápida, nos ayudaría a solucionar dicho 40 problema. • Integración de renovables. Debido a que las renovables no producen cuando se les pide o se necesita, sino cuando disponen del recurso natural del que se nutren, surge la necesidad de almacenar la energía que éstas dan cuando la red no la necesita, para así poder usarla cuando la red lo exija. La creciente expansión de las renovables hace que esta necesidad sea de especial interés en la 45 actualidad. P20123016210-09-2013
3 4. EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN. La presente invención es un sistema de almacenamiento energético concebido para su empleo sumergido en el agua apoyado directa o indirectamente sobre el fondo de embalses, lagos o mares, generalmente a profundidades entre los 100 y los 400 m. Se puede considerar similar a las tradicionales plantas de bombeo puro, en las que el agua se bombea o turbina entre dos depósitos a diferente nivel, aunque en el caso de la presente 5 invención, el tanque de almacenamiento hace de depósito inferior, y el agua que rodea al tanque sería la correspondiente al depósito superior, siendo la presión de este agua, a la profundidad de trabajo del depósito, el equivalente a la presión originada por la diferencia de alturas entre los depósitos de dichas plantas de bombeo. Su funcionamiento se basa en la aportación de energía del agua al entrar a través de una turbina hidráulica en el deposito (1), previamente vaciado, la cual transmitirá su energía mecánica al dispositivo o dispositivos escogidos 10 a tal efecto (bomba hidráulica o neumática, generador eléctrico u otro), preferentemente un generador eléctrico (por su versatilidad y por su eficiencia para transportar dicha energía). En algunos casos el mismo conjunto turbina-generador será diseñado para operar de forma reversible y se empleará, alternativamente, para el vaciado del depósito, mientras que en otros casos, se pueden disponer de sistemas para bombeo y turbinación diferenciados, o que existan sistemas de bombeo diferenciados y que además el sistema de turbinación sea 15 reversible para operar como apoyo a las bombas. Estos últimos casos resultan de interés cuando se desee simultanear ambos procesos, por ejemplo para emplear energía obtenida de fuentes renovables a cualquier hora del día, y cuando el generador no esté en uso y se disponga de energía exterior sobrante. Salvo construcción in situ, como puede ser el caso de los embalses, es preciso que el deposito tenga capacidad de flotación para desplazarlo desde su lugar de construcción al de fondeo. No obstante, una vez fondeado el 20 depósito debe tener el peso suficiente para que permanezca estable apoyado directa o indirectamente sobre el fondo, por lo tanto debe de disponer de espacios para acoger lastre. Pero por otra parte, si se desea reflotar el depósito, con el fin de cambiarlo de posición o para labores de mantenimiento, es conveniente que parte de dicho lastre pueda ser fácilmente removido, por lo que lo más aconsejable es que el depósito disponga de tanques de agua diferenciados que puedan bombearse con la propia instalación del depósito cuando se quiera 25 reflotarla. En el caso de que el sistema se conecte mediante cables eléctricos, por ejemplo a la red terrestre, estos deben de tener la suficiente longitud para su conexión y desconexión a flote. Para afrontar las labores de mantenimiento del sistema, dado el inconveniente de la inaccesibilidad del depósito, se plantean tres opciones o combinaciones de ellas: 30 • El reflotado de todo el sistema, lo cual es una opción cara y compleja no aconsejable salvo para mantenimientos complejos o con periodicidades altas. • El reflotado independiente de la caseta o casetas del generador y/o de las bombas, para lo cual tanto el depósito como las casetas deben estar diseñadas para permitirlo, mediante sistemas de guiado y acoplamiento además de sistemas de cierre estanco, todo lo cual supone una complejidad añadida al 35 sistema que lo encarece. • La instalación de una torre de acceso para aquellos casos en que la profundidad de fondeo no sea muy elevada, que podemos barajar en menos de 200 m. Esta opción exige una mejor estabilidad del depósito y la incorporación de accesos internos e instalaciones de habitabilidad y seguridad para los trabajadores. 4.1. VENTAJAS DE LA INVENCIÓN FRENTE A LOS SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO POR 40 BOMBEO PURO (PHES). En adición a las ventajas que antes citadas que ofrecen al sistema eléctrico los PHES podemos añadir las siguientes ventajas de la presente invención: • En general, mayor proximidad a los consumidores dado que 2/3 de la población están asentados en las zonas costeras, e igualmente ocurre con la industria que busca la costa para aprovechar la cercanía de 45 la población y las ventajas del transporte marítimo. • En general, mayor proximidad a las fuentes energéticas, dado que muchas se sitúan en la costa por su dependencia del suministro de combustibles por el mar. Por otra parte, las renovables marinas y mucha eólica terrestre se concentran también próximas a la costa. P20123016210-09-2013
4 • Mayor proximidad a las redes eléctricas existentes (reduciéndose los costes de inversión) y menores pérdidas en gastos de transporte debido a su proximidad a generadores y consumidores. • Instalaciones con ubicación más flexible, pues las PHES tienen una fuerte dependencia de la orografía del terreno que limita sus posibles ubicaciones. • Menor impacto ambiental que los depósitos terrestres y siendo un impacto fácilmente reversible. 5 • No tiene impacto sobre las aguas terrestres ni depende de su disponibilidad. • Posibilidad de reubicación. • Sistema escalable desde pequeñas plantas a almacenamientos de mediana capacidad por agregación. • Inversiones más controlables y menos dependientes de la ubicación, con una parte importante de costes fijos conocidos de antemano, lo cual facilita el desarrollo de nuevas instalaciones. 10 • Facilita el desarrollo de un almacenamiento distribuido dando soluciones en aquellas zonas costeras donde se necesitan y mejorando la gestión de la red. • Facilita el desarrollo de microrredes • Ofrece un coste competitivo frente a las PHES terrestres. • De amplia aplicación mundial (con mayor o menor rendimiento según la ubicación) presentando 15 especial interés en las numerosas islas alejadas de los continentes. 4.2. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA UNDIMOTRIZ. El empleo de los depósitos de almacenamiento conjuntamente con sistemas de bombeo accionados por la energía del oleaje ofrece importantes ventajas a la captura de la energía undimotriz: • Permite simplificar los dispositivos de captación pudiendo reducirlos a básicamente una boya y una 20 bomba alternativa de acción directa, pudiendo alcanzar un buen rendimiento en dicha transformación. • Permite almacenar la energía de bastantes horas, de forma que permita hacer una mejor gestión de la misma, eliminando fallos e interrupciones de la producción por falta del recurso natural, es decir, ofreciendo una energía bastante estable y uniforme. • Un mismo depósito, un generador y sus sistemas asociados puede dar servicio a múltiples captadores 25 de oleaje, lo cual supone un elevado ahorro de inversión. • En consecuencia, facilita o permite: o Instalaciones más alejadas de la costa o con profundidades de fondeo más elevadas que no resultan rentables sin el empleo de la presente invención. o Instalaciones submarinas o para operaciones en el subsuelo marino (extracción de gases, 30 hidrocarburos o bombeo de líquidos en general). o Reduce la complejidad de las instalaciones lo que implica una reducción de los mantenimientos. 4.3. ALMACENAMIENTO EN EMBALSES. Por diversas razones, en todos los embalses existe un volumen de agua de la parte inferior de la presa, denominando volumen muerto (6), que no se emplea para la generación eléctrica, dado que la aspiración de 35 el generador (5) se sitúa por encima del nivel de dicho volumen. Éste es un volumen considerable que llega a ser de más de un tercio de la capacidad del embalse, y que podría aprovecharse para la construcción de un depósito que le permita al embalse operar como una central reversible aprovechando parte de sus instalaciones y sin provocar un mayor impacto ambiental. P20123016210-09-2013
5 Así, en el caso de embalses de nueva construcción puede plantearse la construcción del depósito (1) de forma integrada con el embalse de modo que puedan compartir parte de la estructura y, tratándose de embalses con centrales hidroeléctricas a pie de presa (ver Figura 3), los equipos de generación/bombeo. La elaboración de un diseño de estructura conjunta entre presa y depósito puede mejorar la seguridad del embalse ya que la construcción del depósito puede ayudar a impermeabilizar el fondo del embalse y porque 5 la presión del agua sobre el mismo ayudaría a “anclar” la presa sobre el terreno. El sistema en conjunto será mucho más barato que construir la presa y la planta de bombeo por separado. 5. DESCRIPCIÓN DEL MODO DE REALIZACIÓN PREFERENTE. El sistema consta de una estructura que funciona a modo de depósito diseñada para resistir la presión exterior a la que está sometida en su lugar de fondeo. Se construirá preferentemente de hormigón armado por tener buena 10 resistencia a la compresión, bastante densidad, así como un tiempo y coste de construcción aceptables. El método de construcción preferentemente será el de hormigonado continuo por encofrado deslizante, para lo cual preferentemente se emplearán diques flotantes cajoneros, como los empleados en la construcción de cajones para los diques portuarios. En consecuencia, la forma adoptada por la estructura de hormigón será la de celdas de sección horizontal constante que se extienden verticalmente por el depósito. Preferentemente las 15 celdas serán de sección horizontal cuadrada, por su facilidad de ajustar los espesores de los muros divisorios en función de los requerimientos de resistencia exigidos por la profundidad de trabajo del depósito, exceptuando los muros exteriores que tendrán formas curvas (al menos en su cara interior) a fin de obtener el adecuado reparto de presiones hacia los muros interiores garantizando que todas las zonas trabajen a compresión. En general, las celdas estarán intercomunicadas entre si mediante aberturas, sin comprometer la resistencia del 20 conjunto, a fin de facilitar el flujo del agua en los procesos de llenado/vaciado con el caudal necesario para los requerimientos del sistema y de permitir el paso de trabajadores y equipamiento necesario durante la construcción o mantenimiento del depósito. En el caso de que las dimensiones horizontales del depósito excedan las del cajonero o de la instalación de construcción, la estructura se construirá por partes, divididas por planos verticales, para su posterior unión a flote 25 o en fondeo provisional, para lo cual se dejaran en la zona unión los extremos finales de las armaduras a la vista, con el fin de permitir su posterior unión. Una vez construido el cajón en el cajonero, hasta la altura final de las celdas, se procederá a la botadura del mismo para proceder a su equipamiento y al posterior hormigonado de la tapa superior del depósito, lo cual se realizará a flote o fondeado provisionalmente. 30 El equipamiento básico estará adaptado para su operación a las presiones de trabajo habituales en la zona de fondeo del depósito y serán por lo menos: • Varios tubos de aspiración/llenado distribuidos por el depósito, cada uno equipado de una válvula de cierre con su transmisión para accionamiento desde la zona de la caseta o casetas de los generadores, de forma que se pueda realizar el vaciado/llenado por uno u otro en función de la posición de nivel del deposito u 35 otras circunstancias. • En el caso de que se instalen unidades de bombeo adicionales también se dispondrá de los tubos de aspiración distribuidos por el depósito, cada uno equipado de una válvula de cierre y su transmisión para accionamiento desde la zona de la caseta correspondiente a la unidad de bombeo. • Válvulas de apertura de los tanques de lastre líquido, para su llenado/vaciado, y su transmisión para 40 accionamiento desde la zona de la caseta del generador. • Sensores de nivel y presión de los tanques de lastre líquido y de varios puntos del depósito en general, y su conexión con la zona de la caseta del generador. La unidad o unidades de generación eléctrica estarán básicamente desarrolladas en base a la tecnología existente para las centrales hidroeléctricas (minihidráulica) la cual es una tecnología madura que no es el motivo 45 de la presente invención. Dicha unidad de generación puede ser reversible y actuar alternativamente como sistema de bombeo. En su relación con el depósito, podrán ser: P20123016210-09-2013
6 • Internas, cuando el depósito tiene un volumen equipado y destinado a dicha misión, que será aplicable en depósitos con reflotado para mantenimiento o en depósitos con chimenea de acceso. • Externas, cuando la unidad de generación se comparte para otros usos, por ejemplo en el caso de depósitos para embalses • Acoplable, cuando la unidad de generación se instala en el interior de una estructura o “caseta” adicional 5 que podrá acoplarse/desacoplarse del depósito y ser reflotada/fondeada con fines de mantenimiento, para lo cual tanto la caseta como el depósito estarán adaptados para resistir las condiciones de presión por separado, y equipados con sistemas de guiado que faciliten el acoplamiento/desacoplamiento con garantías de éxito. El acoplamiento permitirá el accionamiento de las válvulas y el uso de los sensores del depósito desde la caseta. 10 El depósito también podrá dotarse de unidades de bombeo adicionales con la tecnología deseada y pueden ser internas o acoplables de forma similar a lo mencionado para las unidades de generación. 5.1. Torre de acceso. En los casos que la profundidad de trabajo lo haga viable se podrá instalar una torre de acceso que aflore unos metros sobre el nivel del agua y que esté dotada de mecanismos de elevación para personal y 15 repuestos. La torre sería elaborada preferentemente por tramos, con hormigón armado y espesor variable según la profundidad de su ubicación, y protegidos contra la acción del ambiente marino, especialmente el tramo que accede a la superficie que está más afectado por el oleaje. Su diámetro será fijado principalmente en función de las dimensiones de los repuestos a manejar. 20 Dado que los depósitos no tendrán necesariamente que estar en un plano horizontal, se deberán tener en cuenta la necesidad de elaborar piezas de acoplamiento adaptadas a cada uno de los depósitos a fin de buscar una adecuada verticalidad de la torre. Tanto la torre como el depósito irán provistos de elementos de enganche que permitan atirantar la torre para ayudar a soportar las acciones del mar. La zona de conexión sobre el depósito deberá disponer de escotilla estanca de acceso al depósito y un 25 registro con válvula para poder vaciar el interior de la chimenea hacia el interior del depósito. No obstante, los depósitos a los que se les instale la torre deberán tener unos pasillos de acceso a las casetas de bombas y generadores, con sus correspondientes escotillas estancas de acceso. Además, si las visitas son frecuentes podría ser conveniente la instalación de sistemas de habitabilidad y seguridad interiores. 30 6. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS. Para completar la descripción que se está realizando, y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, unas figuras con carácter ilustrativo y no limitativo. La Figura 1 muestra una vista en perspectiva del depósito, con casetas acopladas para generadores y bombas, 35 según la realización preferente de la presente invención, en la que podemos distinguir las siguientes partes: • (1) Depósito. • (2) Estructuras para caseta de generadores y/o bombas. La Figura 2 muestra una vista en perspectiva de la parte inferior de una sección horizontal bajo la tapa del depósito, según la realización preferente de la presente invención. 40 La Figura 3 muestra una sección esquemática de la instalación de un depósito según la presente invención como complemento a un embalse hidroeléctrico con central a pie de presa, en el que podemos distinguir las siguientes partes: P20123016210-09-2013
7 • (1) Depósito. • (10) Caseta de máquinas de la central hidroeléctrica. • (3) Dique o presa. • (4) Volumen útil de agua. • (5) Canastilla de aspiración del generador. 5 • (6) Volumen muerto de agua. • (7) Tubo de conexión del generador reversible con el embalse para aspiración en generación o para descarga en bombeo. • (8) Tubo de conexión del generador reversible con el deposito para descarga en generación o para aspiración en bombeo. 10 • (9) Tubo de descarga al exterior para generación (sin ciclo de bombeo). P20123016210-09-2013