ES2569950T3 - Método y aparato para el almacenamiento y la redistribución de energía eléctrica - Google Patents

Método y aparato para el almacenamiento y la redistribución de energía eléctrica Download PDF

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Abstract

Método de almacenamiento y de redistribución de energía eléctrica que comprende las etapas de: producir hidrógeno y oxígeno a través de la electrólisis del agua en un electrolizador (1) que funciona a presión; recoger el hidrógeno y el oxígeno obtenidos de este modo en unos tanques presurizados (3, 5) respectivos; reconvertir en agua y energía eléctrica el hidrógeno y el oxígeno, a través de una reacción electroquímica de estos últimos en una celda de combustible (9) alimentada desde dichos tanques (3, 5), y caracterizado por el hecho de que en dicho electrolizador (1) y en dicha celda de combustible (9) se usa una misma fase líquida, y por el hecho de que el agua producida en dicha celda de combustible (9) por la etapa de reconversión de hidrógeno y de oxígeno, se recoge en la fase líquida respectiva y se transfiere junto con la fase líquida a dicho electrolizador (1) con el fin de someterse a electrólisis.

Description

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Metodo y aparato para el almacenamiento y la redistribucion de ene^a electrica
DESCRIPCION
Campo de aplicacion
En su aspecto mas general, la presente invencion se refiere a un metodo para el almacenamiento y la redistribucion de energfa electrica a traves de la produccion electrolftica de hidrogeno y de oxfgeno y la recombinacion subsiguiente en una celda de combustible adecuada, con una produccion de agua y de energfa electrica.
La invencion tambien se refiere a un aparato para realizar dicho metodo, del tipo que comprende un electrolizador de agua, unos tanques para el hidrogeno y el oxfgeno generados en dicho electrolizador y una celda de combustible alimentada desde dichos tanques.
Tecnica anterior
Los sistemas de almacenamiento y de redistribucion de energfa electrica usados en la actualidad se han propuesto como una alternativa a los incomodos acumuladores de plomo con el fin de garantizar un suministro de energfa adecuado para los usuarios prioritarios, o bien para formar un medio de almacenamiento de energfa valido entre las fuentes primarias discontinuas (energfa solar, energfa eolica) y los usuarios electricos con diagramas de adsorcion continua o que tienen de todos modos un diagrama de adsorcion que no esta de acuerdo con la disponibilidad de la energfa procedente de dicha fuentes.
Dichos sistemas de almacenamiento de la tecnica anterior estan basados esencialmente en un conjunto de aparatos y dispositivos, cada uno de los cuales forma una unidad de funcionamiento separada sustancialmente independiente con respecto a las otras unidades, con las que esta practicamente conectado y/o da servicio solo en la etapa del proyecto general.
De este modo, por ejemplo, un sistema de almacenamiento de energfa electrica del tipo mencionado comprende un electrolizador de agua que genera hidrogeno y oxfgeno y que puede funcionar a presion o a presion atmosferica, unos tanques presurizados, en los que el hidrogeno y, en su caso, el oxfgeno se almacenan a presion y una celda de combustible en la que tiene lugar una recombinacion electroqmmica de oxfgeno e hidrogeno, alimentados desde dichos tanques. Todos estos componentes, incluso si se asocian entre sf y se instalan con todos los numerosos accesorios funcionales respectivos en un unico recipiente con el fin de facilitar su transporte, siempre son unidades independientes, usadas de manera independiente para la electrolisis del agua, para la recogida de gas y para la reconversion del hidrogeno en energfa electrica y agua, respectivamente.
Ademas de la conocida complejidad estructural y funcional de los sistemas de almacenamiento de la tecnica anterior, las complicadas operaciones requeridas para su puesta en funcionamiento, debido, por ejemplo, a la necesidad de obtener de vez en cuando interconexiones adecuadas entre los componentes del sistema, a la necesidad de usar numerosos accesorios funcionales tales como bombas, compresores, reductores de presion y similares, tales sistemas tienen el inconveniente de una limitada flexibilidad de uso y de un rendimiento general no siempre satisfactorio.
El problema subyacente de la presente invencion es el de proporcionar una nueva manera de funcionamiento para obtener sistemas de almacenamiento y de redistribucion de energfa electrica, que permita superar los inconvenientes de la tecnica anterior, con especial referencia al rendimiento general de todo el sistema, su eficiencia operativa, asf como al de los componentes individuales del mismo, la compacidad del aparato usado, su flexibilidad de uso y por ultimo, pero no menos importante, su facilidad de transporte.
Sumario de la invencion
La idea tecnica para resolver el problema mencionado anteriormente es la de usar el agua producida por la etapa de reconversion de hidrogeno dentro de la celda de combustible para la etapa de electrolisis.
Sobre la base de esta idea, el problema tecnico mencionado anteriormente se resuelve de acuerdo con la invencion mediante un metodo de almacenamiento y de redistribucion de energfa electrica que comprende las etapas de: producir hidrogeno y oxfgeno a traves de la electrolisis del agua en un electrolizador que funciona a presion; recoger el hidrogeno y el oxfgeno obtenidos de este modo en unos tanques presurizados respectivos; reconvertir en agua y energfa electrica el hidrogeno y el oxfgeno, a traves de un reaccion electroqmmica de estos ultimos en una celda de combustible alimentada desde dichos tanques, y caracterizado por el hecho de que en dicho electrolizador y en dicha celda de combustible se usa una misma fase lfquida, y por el hecho de que el agua producida en dicha celda de combustible por la etapa de reconversion de hidrogeno y de oxfgeno, se recoge en la fase lfquida respectiva y se
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transfiere junto con la fase Ifquida a dicho electrolizador con el fin de someterse a electrolisis.
De manera ventajosa, dicha reconversion de hidrogeno y de oxfgeno en dicha celda de combustible se realiza a presion.
Preferentemente, dicho electrolizador esta en comunicacion directa con dichos tanques, a los que se envfan directamente el hidrogeno y el oxfgeno obtenidos a traves de la electrolisis del agua, y dichos tanques estan en comunicacion directa con dicha celda de combustible.
Breve descripcion de los dibujos
Las caractensticas y las ventajas del metodo de la presente invencion seran mas evidentes a partir de la siguiente descripcion de un ejemplo para realizar el mismo con referencia a un aparato para el almacenamiento y la redistribucion de energfa electrica mostrado esquematicamente de una manera indicativa y no limitante en la unica figura 1 del dibujo adjunto.
Descripcion detallada
Con referencia a la figura mencionada anteriormente 1, un aparato para el almacenamiento y la redistribucion de energfa electrica de acuerdo con el metodo de la presente invencion comprende un electrolizador 1, fabricado de una pluralidad de celdas electroltticas 1a, dispuesto como un paquete y alimentado, de una manera conocida per se, con una corriente electrica directa, proporcionada por una fuente de alimentacion no mostrada.
Las celdas 1a de dicho electrolizador se llenan de o se atraviesan por una “fase lfquida” que proporciona el agua para el proceso de electrolisis que se pretende realizar. Dicha fase lfquida puede ser una solucion alcalina o acida, o puede ser simplemente agua.
El electrolizador 1 esta estructurado con el fin de funcionar a presion y esta directamente en comunicacion de fluidos, a traves de un conducto 2, con un tanque presurizado 3 para la recogida y el almacenamiento de hidrogeno y, a traves de un conducto 4, con un tanque presurizado 5, para la recogida y el almacenamiento de oxfgeno.
El hidrogeno y el oxfgeno, generados en el electrolizador 1 en una cantidad proporcional a la corriente directa que fluye a traves de las celdas 1a, fluye directamente hacia los tanques 3, 5, respectivamente, que son por lo tanto una parte integrante del propio electrolizador. La parte de la fase lfquida posiblemente arrastrada por el hidrogeno y el oxfgeno fluye en los tanques respectivos, se separa en las partes inferiores de los mismos y se recicla en el electrolizador 1, a traves de un conducto 6, despues de haberse enfriado o calentado previamente a traves de un intercambiador de calor 7.
Una celda de combustible 9 tiene unos compartimentos anodicos (no mostrados), directamente en comunicacion de fluidos con el tanque presurizado 3, a traves de un conducto 8, con el fin de alimentarse directamente con hidrogeno. Los compartimentos catodicos (no mostrados, tampoco) de dicha celda 9 estan directamente en comunicacion de fluidos con el tanque presurizado 5 a traves de un conducto 10, con el fin de alimentarse directamente con oxfgeno. Incluso dicha celda de combustible 9 se llena de o se atraviesa por una “fase lfquida” respectiva, necesaria para la conversion electroqmmica del hidrogeno y el oxfgeno con el fin de producir agua y energfa electrica.
La cantidad de hidrogeno consumido para dicha reconversion depende del requisito instantaneo de la celda de combustible 9, en terminos de la energfa electrica a dispensar a un usuario corriente abajo de la misma. Un pequeno flujo de hidrogeno se descarga de la celda de combustible 9, a traves de un conducto 13, un separador 12 y un conducto 11. Sobre la parte inferior del separador 12, se recoge la parte de la fase lfquida posiblemente arrastrada por dicho flujo de hidrogeno procedente de dicha celda.
Incluso el exceso de oxfgeno se descarga de la celda de combustible 9, a traves de un conducto 16, despues de haber pasado previamente a traves de un conducto 4 y un separador 15.
Las partes de la fase lfquida de la celda de combustible 9, recogidas en los separadores 12 y 15, se reciclan en la propia celda de combustible a traves de los conductos 18, 18a, por medio de una bomba 17, despues de haber pasado previamente a traves de un intercambiador de calor 19, con el fin de eliminar el excesivo calor generado en dicha celda.
De acuerdo con una primera caractenstica del metodo de acuerdo con la presente invencion, en el electrolizador 1 y en la celda de combustible 9, se usa una misma fase lfquida. De manera ventajosa, una fase lfquida consiste en agua o unas soluciones acuosas de electrolitos, entre los que se prefieren los alcalis fuertes, e incluso mas preferentemente una solucion acuosa de hidroxido de potasio.
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Esto permite la realizacion de una segunda caractenstica de dicho metodo, que consiste en que el agua producida en la celda de combustible 9, como consecuencia de la reaccion electroqmmica entre el hidrogeno y el oxfgeno, se transfiera al electrolizador 1, donde se usa para producir hidrogeno y oxfgeno.
De hecho, esta tarea se realiza por la fase lfquida habitual que, en la celda de combustible, recoge el agua producida por la reaccion electroqmmica mencionada anteriormente, agua que a continuacion se pasa al electrolizador 1 mediante la bomba 17 a traves de los separadores 12, 15 y los conductos 18 y 20. En particular, corriente abajo de la bomba 17, la fase lfquida separada en los tanques 3 y 5 se anade de manera ventajosa a dicha fase lfquida que transporta el agua producida en la celda 9, formando de este modo un solo flujo acuoso que se alimenta a dicho electrolizador.
A traves de un conducto 21, el agua se introduce en el tanque 3 solo para compensar las perdidas asociadas con los flujos de hidrogeno y de oxfgeno descargados por el conducto 11 y 16.
La realizacion de las caractensticas funcionales del metodo de acuerdo con la presente invencion, es decir, una unica fase lfquida para los dos procesos electroqmmicos, el uso en el proceso de electrolisis del agua producida en la celda de combustible, la comunicacion directa entre el electrolizador y los tanques de almacenamiento de hidrogeno y de oxfgeno, la comunicacion directa entre dichos tanques y la celda de combustible, la comunicacion directa entre dicha celda de combustible y el electrolizador, permite obtener una unidad operativa para el almacenamiento y la redistribucion de energfa electrica, que es especialmente compacta y eficaz, individualmente controlable, de gran flexibilidad de uso, facil de transportar, con un reducido numero de componentes y, por lo tanto, de costes de fabricacion reducidos.
Mas ventajas reconocidas, tales como, por ejemplo, una eficiencia de celda de combustible mejorada y un sistema de control integrado para todo el aparato, se derivan de la posibilidad, prevista e implementada por la presente invencion, de fabricar tambien dicha celda para funcionar a presion, en particular, a una presion ligeramente menor que la del electrolizador y la de los tanques 3, 5.
Pueden realizarse muchas modificaciones y variaciones de la invencion concebida de este modo, estando todas comprendidas entre los conocimientos de un experto en la materia y, como tal, comprendidas dentro del alcance del concepto inventivo definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (10)

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo de almacenamiento y de redistribucion de ene^a electrica que comprende las etapas de: producir hidrogeno y oxfgeno a traves de la electrolisis del agua en un electrolizador (1) que funciona a presion; recoger el hidrogeno y el oxfgeno obtenidos de este modo en unos tanques presurizados (3, 5) respectivos; reconvertir en agua y energfa electrica el hidrogeno y el oxfgeno, a traves de una reaccion electroqmmica de estos ultimos en una celda de combustible (9) alimentada desde dichos tanques (3, 5), y caracterizado por el hecho de que en dicho electrolizador (1) y en dicha celda de combustible (9) se usa una misma fase lfquida, y por el hecho de que el agua producida en dicha celda de combustible (9) por la etapa de reconversion de hidrogeno y de oxfgeno, se recoge en la fase lfquida respectiva y se transfiere junto con la fase lfquida a dicho electrolizador (1) con el fin de someterse a electrolisis.
  2. 2. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que dicha reconversion de hidrogeno y de oxfgeno en dicha celda de combustible (9) se realiza a presion.
  3. 3. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, caracterizado por que la presion de funcionamiento de dicha celda de combustible (9) es ligeramente menor que la de dicho electrolizador (1).
  4. 4. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que dicho electrolizador (1) esta en comunicacion directa con dichos tanques (3, 5), a los que se envfan directamente el hidrogeno y el oxfgeno obtenidos a traves de la electrolisis del agua, y dichos tanques (3, 5) estan en comunicacion directa con dicha celda de combustible (9), alimentandose directamente el hidrogeno a los compartimentos anodicos de la misma y el oxfgeno a los compartimentos catodicos de los misma, respectivamente.
  5. 5. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 4, caracterizado por que las partes de la fase lfquida de dicho electrolizador (1) arrastradas a dichos tanques (3, 5) por el hidrogeno y el oxfgeno, respectivamente, se separan y se recogen en los propios tanques y se reciclan en dicho electrolizador (1), despues de haberse enfriado previamente en un intercambiador de calor adecuado (7).
  6. 6. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 4, caracterizado por que el hidrogeno y el oxfgeno alimentados en exceso a dicha celda de combustible (9) se descargan de la propia celda, por lo que las partes de la fase lfquida, posiblemente arrastradas en el hidrogeno y el oxfgeno, se separan previamente, reciclandose dichas partes parcialmente en dicha celda (9) y parcialmente en dicho electrolizador (1), despues de haberse enfriado o calentado previamente en los intercambiadores de calor respectivos (9, 7).
  7. 7. Metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicha fase lfquida consiste en una solucion acuosa alcalina.
  8. 8. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 7, caracterizado por que dicha fase lfquida consiste en agua o soluciones acuosas de electrolitos, entre los que hay preferentemente alcalis fuertes.
  9. 9. Aparato para el almacenamiento y la redistribucion de electrica energfa de acuerdo con el metodo de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un electrolizador de agua (1) provisto de una fase lfquida respectiva y que funciona a una presion predeterminada, unos tanques presurizados (3, 5) en comunicacion directa de fluidos con dicho electrolizador (1) con el fin de recibir directamente del mismo flujos de hidrogeno y de oxfgeno, respectivamente, una celda de combustible (9), provista de una fase lfquida respectiva y que funciona a una presion predeterminada, teniendo dicha celda (9) unos compartimentos anodico y catodico en comunicacion directa de fluidos con dichos tanques de hidrogeno y de oxfgeno (3, 5), respectivamente, y en comunicacion directa de fluidos con dicho electrolizador (1), siendo identicas las fases lfquidas de dicho electrolizador (1) y de dicha celda (9).
  10. 10. Aparato de acuerdo con la reivindicacion 9, caracterizado por que dichos electrolizador (1), celda de combustible (9) y tanques (3, 5) redprocamente interconectados de manera directa forman una unidad controlable de manera individual.
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