ES2611357T3 - Dispositivo acumulador de energía con circuito de carga abierto para acumular exceso de energía eléctrica de temporada - Google Patents

Dispositivo acumulador de energía con circuito de carga abierto para acumular exceso de energía eléctrica de temporada Download PDF

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Abstract

Dispositivo acumulador de energía (1) para acumular energía térmica, con un circuito de carga (2) para un gas de trabajo (3), que comprende un condensador (4), un acumulador de calor (5) y una turbina de expansión (6), estando el condensador (4) y la turbina de expansión (6) dispuestos sobre un árbol (14) conjunto, y estando el condensador (4) unido por el lado de salida con la entrada de la turbina de expansión (6) por un primer conducto (7) para el gas de trabajo (3), y estando el acumulador de calor (5) conectado en el primer conducto (7), y estando el condensador (4) unido por el lado de entrada con un conducto (30) que está abierto con respecto a la atmósfera (A), y estando la turbina de expansión (6) unida por el lado de salida con un conducto (31) que está abierto con respecto a la atmósfera (A), de modo que está formado un circuito abierto respecto al aire ambiental, estando unida la turbina de expansión (6) por un conducto (33) para un gas caliente con un acumulador de calor (5), de modo que el gas de trabajo (3) de la turbina de expansión (6) se puede calentar por calor del acumulador de calor (5), caracterizado por que además está comprendido un circuito de descarga (9), en el que está conectado el acumulador de calor (5) y además una instalación de turbina de vapor (16) con un circuito de agua-vapor (41), pudiéndose generar por un intercambiador de calor un vapor para la expansión en la instalación de turbina de vapor (16).

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo acumulador de energla con circuito de carga abierto para acumular exceso de energla electrica de temporada
La necesidad de acumular energla surge particularmente de la proportion en constante crecimiento de instalaciones de centrales electricas del sector de las energlas renovables. A este respecto, el fin de la acumulacion de energla es aprovechar las centrales electricas con energlas renovables en las redes de transporte de corriente de tal manera que se pueda acceder, incluso con desfase temporal, a energlas renovables generadas, para ahorrar de esta manera recursos energeticos fosiles y, por lo tanto, emisiones de CO2.
El documento US 2010/0257862 A1 describe un principio de un dispositivo acumulador de energla conocido, en el que se usa una maquina de movimiento alternativo. De acuerdo con el documento US 5.436.508, aparte de esto se sabe que los dispositivos acumuladores de energla para acumular energla termica tambien pueden almacenar temporalmente sobrecapacidades al usar energla eolica para la production de corriente electrica.
El documento US 2011/0100010 desvela un dispositivo acumulador de energla para acumular energla termica de un gas de trabajo comprimido.
Los acumuladores de energla de este tipo transforman, al cargar el acumulador, la energla electrica en energla termica y acumulan la energla termica. Al descargar, la energla termica se vuelve a convertir en energla electrica.
Debido al lapso de tiempo que debe cubrir un acumulador de energla, es decir, el tiempo en el que la energla se acumula en o se extrae del acumulador de energla y la potencia que se debe acumular, hay exigencias correspondientemente altas a las dimensiones de acumuladores de energla termica. Ya tan solo debido al tamano constructivo, los acumuladores de energla termica, por tanto, pueden resultar muy caros en la adquisicion. Cuando para ello el acumulador de energla esta conformado de manera compleja o el medio acumulador de calor en si es caro en la adquisicion o laborioso en el funcionamiento, los costes de adquisicion y funcionamiento para un acumulador de energla termica pueden cuestionar rapidamente la rentabilidad de la acumulacion de energla.
Debido a la a menudo baja conductividad termica de los materiales acumuladores economicos, a menudo hay que concebir las superficies intercambiadoras de calor con un tamano muy grande. La gran cantidad y longitud de los tubos intercambiadores de calor a este respecto aumentan considerablemente los costes del intercambiador de calor, que ya no se pueden compensar ni siquiera por un material acumulador economico.
Hasta ahora se han conformado los intercambiadores de calor a base de materiales economicos principalmente en forma de un intercambio directo del caloportador, como por ejemplo aire, y del material acumulador, como por ejemplo arena o piedra, para sustituir intercambiadores de calor grandes. La tecnica de lecho fluidizado conocida en principio en la tecnica hasta ahora no se ha empleado en un orden de magnitudes que serla necesario para acumular en temporada el exceso de energla renovable. Un intercambio de calor directo ademas conlleva un manejo relativamente complicado con la sustancia solida, lo que para un acumulador grande no es rentable.
Como medio caloportador se usa un gas de trabajo, tal como por ejemplo aire. El gas de trabajo a este respecto puede conducirse opcionalmente en un circuito de carga cerrado o abierto o un circuito adicional.
Un circuito abierto siempre usa aire ambiental como gas de trabajo. Este se absorbe del entorno y al final del proceso tambien se vuelve a despedir a este, de modo que el entorno cierra el circuito abierto. Un circuito cerrado permite tambien el uso de otro gas de trabajo que no sea aire ambiental. Este gas de trabajo se conduce en el circuito cerrado. Ya que se omite una distension al entorno con ajuste simultaneo de la presion ambiental y de la temperatura ambiental, el gas de trabajo en caso de un circuito cerrado debe llevarse por un intercambiador de calor que permite una emision de calor del gas de trabajo al entorno. Ya que en un circuito cerrado tambien se puede usar aire deshumedecido u otros gases de trabajo, se puede prescindir de una conformation multietapa del condensador y de un separador de agua. Sin embargo, aqul es desventajoso el coste adicional para la adquisicion y el funcionamiento de un intercambiador de calor adicional detras de la turbina de expansion, o delante del condensador, para calentar el gas de trabajo a temperatura de trabajo para el condensador. Por lo tanto, el dispositivo acumulador de energla en el funcionamiento esta mermado en cuanto a eficiencia.
Como alternativa se puede prever que el circuito de carga para acumular la energla termica este configurado en el acumulador de calor como circuito abierto y que el condensador este estructurado en dos etapas, estando previsto entre las etapas un separador de agua para el gas de trabajo. A este respecto se tiene en cuenta que el aire ambiental contiene humedad atmosferica. Por una distension del gas de trabajo en una sola etapa puede ocurrir que se condense la humedad atmosferica debido al intenso enfriamiento del gas de trabajo por ejemplo a -100 °C y, en este caso, dane la turbina de expansion. Particularmente los alabes de la turbina se pueden danar de manera persistente por congelation. Una distension del gas de trabajo en dos etapas, sin embargo, hace posible separar agua
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condensada en un separador de agua tras la primera etapa, por ejemplo a 5 °C, de modo que en un enfriamiento posterior del gas de trabajo en la segunda etapa de turbina ya esta deshumedecido y se puede evitar o al menos disminuir una formacion de hielo. Sin embargo, aqul tambien son desventajosos los mayores costes para la adquisicion de un condensador multietapa y un separador de agua. Tambien una instalacion de este tipo en el funcionamiento esta mermada en cuanto a la eficiencia.
Es objetivo de la invencion indicar un dispositivo acumulador de energla economico para acumular energla termica a base de materiales acumuladores economicos, que presente una eficiencia mejorada. A este respecto hay que evitar particularmente las desventajas del estado de la tecnica. Ademas es objetivo de la invencion indicar un procedimiento por el que, con una eficiencia mejorada, se pueda acumular energla termica en materiales acumuladores economicos.
El objetivo de la invencion dirigido a un dispositivo se resuelve mediante las caracterlsticas de la reivindicacion 1.
Por tanto, un dispositivo acumulador de energla comprende para acumular energla termica un circuito de carga para un gas de trabajo, que comprende un condensador, un acumulador de calor y una turbina de expansion, estando el condensador y la turbina de expansion dispuestos sobre un arbol conjunto y estando el condensador unido por el lado de salida con la entrada de la turbina de expansion por un primer conducto para el gas de trabajo, y estando el acumulador de calor conectado en el primer conducto y estando el condensador unido en el lado de entrada con un conducto que esta abierto con respecto a la atmosfera, y estando la turbina de expansion unida en el lado de salida con el conducto que esta abierto con respecto a la atmosfera, de modo que se forma un circuito abierto respecto al aire ambiental. De acuerdo con la invencion, la turbina de expansion ahora esta conectada por un conducto para gas caliente con el acumulador de calor, de modo que el gas de trabajo se puede calentar en la turbina de expansion por calor del acumulador de calor. Este conducto, que particularmente no es identico al primer conducto, garantiza, que una corriente parcial del aire caliente tras el acumulador de calor se lleva a la turbina de expansion.
La desacumulacion de la energla acumulada tiene lugar por un circuito de vapor.
La parte esencial de la invencion es que una corriente parcial del aire caliente se lleva tras el acumulador de calor a la turbina de expansion para ser llevada analogamente como en turbinas de gas a los alabes de turbina para evitar problemas de congelation en el extremo frlo de la turbina de expansion.
Debido a la recuperation del calor de escape del compresor en el circuito de carga y la emision de aire de expansion frlo al ambiente se logra una eficiencia de bomba de calor claramente superior al 100 %. La recuperacion del calor de escape del compresor se hace posible ya que en el acumulador termico solo se usa calor de alta temperatura, por ejemplo >320 °C. El calor a nivel de temperatura menor se usa para el precalentamiento del aire ambiental en la entrada del compresor, por lo que se reduce el consumo de energla electrica de la compresion casi adiabatica y se hace posibles altas eficiencias de bomba de calor. El intercambio de calor en la recuperacion o bien puede tener lugar directamente en un intercambiador de calor aire-aire o por un circuito intermedio con un medio caloportador eficiente (por ejemplo, aceite termico).
En el caso mas simple, el circuito se compone como en un proceso Joule de una compresion y distension. La cantidad exacta de etapas de compresor y expansor con refrigeration intermedia del aire, sin embargo, se puede elegir libremente y tiene que optimizarse segun puntos de vista tecnico-economicos. El circuito de carga de aire sirve para la generation de calor de alta temperatura, que hace posible una reconduccion eficiente, pero tambien como alternativa se puede usar directamente, por ejemplo, para la generacion de calor a distancia. En el acumulador termico o de calor debido al potencial de eficiencia mas alto se prefiere un intercambio de temperatura directo con el aire a presion caliente (al cargar) y el agua/vapor (al descargar) con el material acumulador (admision directa).
La turbina de expansion ademas reduce la energla empleada para la condensation, estando dispuesta en el mismo arbol que el condensador, y apoyando esencialmente al condensador.
Ya que con temperaturas bajas el enfriamiento del gas de trabajo necesita superficies intercambiadoras de calor muy grandes, al prescindir del empleo de las bajas temperaturas tambien el acumulador de calor puede resultar mas economico, ya que el intercambiador de calor se puede dimensionar mas pequeno.
Resumiendo, por la medida de acuerdo con la invencion se logra un aumento considerable de la eficiencia de la acumulacion de energla. Ademas, el dispositivo acumulador de energla de acuerdo con la invencion es esencialmente mas economico en la adquisicion que un dispositivo acumulador de energla convencional, en el que el gas de trabajo casi en su totalidad se enfrla en el intercambiador de calor.
En un perfeccionamiento ventajoso de la invencion esta previsto un intercambiador de calor que por el lado principal esta conectado en el primer conducto para el gas de trabajo despues del acumulador de calor, y por el lado secundario esta conectado en el conducto que lleva al condensador, de modo que el calor del gas de trabajo se puede transmitir al aire ambiental aspirado en el conducto que lleva al condensador.
En otra conformacion ventajosa de la invencion esta previsto un primer calefactor adicional, que esta conectado en el primer conducto para gas de trabajo, antes de la turbina de expansion, de modo que el gas de trabajo se puede calentar antes de entrar en la turbina de expansion. La calefaccion adicional puede ocurrir de manera electrica. Por el calefactor adicional se puede realizar otro aumento de la eficiencia por un aumento de la temperatura de acumulacion 5 maxima delante del acumulador de calor. Como alternativa o adicionalmente a esto, en otro perfeccionamiento esta previsto un segundo calefactor adicional que esta conectado en el primer conducto antes del acumulador de calor, de modo que el gas de trabajo se puede calentar antes de entrar en el acumulador de calor. Por el segundo calefactor adicional se puede aumentar adicionalmente la capacidad de regulacion y la disponibilidad.
La energla termica puede ser exceso de energla de temporada de una central electrica con energlas renovables.
10 Como material acumulador para el acumulador de calor del proceso de intercambio de calor son especialmente adecuados materiales porosos, arena, grava, piedra, hormigon, agua o solucion salina.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo acumulador de energla (1) para acumular energla termica, con un circuito de carga (2) para un gas de trabajo (3), que comprende un condensador (4), un acumulador de calor (5) y una turbina de expansion (6), estando el condensador (4) y la turbina de expansion (6) dispuestos sobre un arbol (14) conjunto, y estando el condensador (4) unido por el lado de salida con la entrada de la turbina de expansion (6) por un primer conducto (7) para el gas de trabajo (3), y estando el acumulador de calor (5) conectado en el primer conducto (7), y estando el condensador (4) unido por el lado de entrada con un conducto (30) que esta abierto con respecto a la atmosfera (A), y estando la turbina de expansion (6) unida por el lado de salida con un conducto (31) que esta abierto con respecto a la atmosfera (A), de modo que esta formado un circuito abierto respecto al aire ambiental, estando unida la turbina de expansion (6) por un conducto (33) para un gas caliente con un acumulador de calor (5), de modo que el gas de trabajo (3) de la turbina de expansion (6) se puede calentar por calor del acumulador de calor (5), caracterizado por que ademas esta comprendido un circuito de descarga (9), en el que esta conectado el acumulador de calor (5) y ademas una instalacion de turbina de vapor (16) con un circuito de agua-vapor (41), pudiendose generar por un intercambiador de calor un vapor para la expansion en la instalacion de turbina de vapor (16).
  2. 2. Dispositivo acumulador de energla (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el conducto (33), que en particular no es identico al primer conducto (7), garantiza que una corriente parcial del aire caliente tras el acumulador de calor se lleva a la turbina de expansion.
  3. 3. Dispositivo acumulador de energla (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que esta previsto un intercambiador de calor (34), que por el lado principal esta conectado en el primer conducto (7) despues del acumulador de calor (5), y por el lado secundario esta conectado en el primer conducto (30), de modo que se puede transmitir el calor desde el gas de trabajo (3) en el primer conducto (7) al aire ambiental absorbido en el conducto (30).
  4. 4. Dispositivo acumulador de energla (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que esta previsto un primer calefactor adicional (35), que esta conectado en el primer conducto (7) antes de la turbina de expansion (6), de modo que el gas de trabajo (3) se puede calentar antes de entrar en la turbina de expansion (6).
  5. 5. Dispositivo acumulador de energla (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que esta previsto un segundo calefactor adicional (36), que esta conectado en el primer conducto (7) antes del acumulador de calor (5), de modo que el gas de trabajo (3) se puede calentar antes de entrar en el acumulador de calor (5).
  6. 6. Dispositivo acumulador de energla (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el intercambiador de calor esta conectado en el circuito de agua-vapor (41) de la instalacion de turbina de vapor (16), de modo que el vapor directamente se puede generar en el intercambiador de calor.
  7. 7. Dispositivo acumulador de energla (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado por que esta previsto un generador de vapor de calor de escape (40), que esta unido por el lado principal por un circuito (45) para aire caliente con el acumulador de calor (5), y por el lado secundario con el circuito de agua-vapor (41) de la instalacion de turbinas de vapor (16).
  8. 8. Dispositivo acumulador de energla (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material acumulador del acumulador de calor (5) son materiales porosos, arena, grava, piedra, hormigon, agua o solucion salina.
  9. 9. Dispositivo acumulador de energla (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el uso en una central electrica, que funciona con energlas renovables, para acumular exceso de energla electrica de temporada.
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