ES2646289T3

ES2646289T3 - Acumulador de energía, instalación de central eléctrica con acumulador de energía y método para operar el mismo

Info

Publication number: ES2646289T3
Application number: ES16712331.4T
Authority: ES
Inventors: Alexander Schechner; Gerhard Ihle; Luis Deroi
Original assignee: Naturspeicher GmbH
Current assignee: Naturspeicher GmbH
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: CN107646067A; WO2016156321A1; DK3123094T3; DE102015104909B3; PL3123094T3; ZA201706869B; BR112017020960A2; EP3123094A1; JP2018514746A; EP3123094B1; CA2981395A1; US20180112930A1

Abstract

Acumulador de energía que presenta un intercambiador de calor (WTA) dispuesto de forma flotante en un embalse inferior (UB) configurado como un lago, el cual se puede llenar de agua (WA) mediante un primer conducto de alimentación (ZU1), en donde se puede suministrar agua (WA) desde el embalse inferior (UB) mediante un segundo conducto de alimentación (ZU2) y se puede suministrar refrigerante de una bomba de calor (WP) que atraviesa el intercambiador de calor mediante un tercer conducto de alimentación (ZU3), de manera que se puede extraer energía mediante el intercambiador de calor (WTA) a través del la formación de hielo del agua del embalse inferior o en forma de calor sensible desde el agua del embalse inferior y transmitirla a un consumidor para una liberación de calor y/o para una liberación de frío.

Description

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DESCRIPCION

Acumulador de energfa, instalacion de central electrica con acumulador de ene^a y metodo para operar el mismo

La presente invencion se refiere a un acumulador de energfa, a una instalacion de central electrica con un acumulador de energfa de ese tipo y a un metodo para operar el mismo.

Debido a las reservas cada vez mas escasas de fuentes energeticas fosiles, la utilizacion de fuentes de energfa regenerativas se ha intensificado en gran medida en los ultimos anos. Para las proximas decadas se pronostica tambien un aumento de la utilizacion de fuentes de energfa regenerativas, ya que, junto con el aumento de los precios de las materias primas, que hara que la utilizacion de fuentes de energfa fosiles no resulte rentable, en la polttica energetica se prestara tambien atencion a los efectos negativos sobre el clima mundial, asociados a la carga de la atmosfera con dioxido de carbono.

Se conocen del estado de la tecnica anterior diversas fuentes de energfa regenerativas, entre las cuales se encuentran, por ejemplo, el aprovechamiento de la radiacion solar, de la energfa eolica o de la biomasa. Sin embargo, en particular las dos primeras fuentes mencionadas se asocian a la desventaja conocida de que el aprovechamiento depende de factores externos, como la radiacion solar que disponible o el viento disponible presente, que no se corresponden, sin embargo, con el consumo de energfa efectivo. Se conocen varias posibilidades para remediar dicha situacion. En primer lugar, se mantienen preparadas centrales electricas que se pueden conectar rapidamente, por lo general, basadas en fuentes de energfa fosiles, que pueden compensar a corto plazo los desabastecimientos que se producen. En segundo lugar, estan teniendo lugar esfuerzos por crear acumuladores de energfa eficientes que almacenen de forma intermedia la energfa proveniente de fuentes de energfa regenerativas, de forma electrica o mecanica, y que, en caso necesario, puedan conducir dicha energfa hacia una red electrica.

En DE 10 2011 050 032 A1 se senala un ejemplo de la acumulacion mecanica de energfa. Para obtener corriente en instalaciones de energfa eolica y en instalaciones de llenado por bombeo se sugiere la combinacion de instalaciones de ese tipo de forma que, en el espacio interior de una torre de una o de varias instalaciones de energfa eolica, se disponga un recipiente acumulador de agua que sirva como deposito de agua superior de la instalacion de llenado por bombeo.

Se conoce de DE 2 926 610 A1 un acumulador para proporcionar la energfa de calor de entrada a un nivel de temperatura reducido para instalaciones de bombas de calor que absorban esa energfa y la liberen nuevamente a un nivel de temperatura mas elevado, en donde un embalse de agua se configura de manera que, a traves de inclinaciones de la pared y la superficie y armadura correspondiente, se pueda congelar su contenido de agua sin danar el embalse, y de manera que un sistema intercambiador de calor que se encuentra sobre el fondo del embalse o que se encuentra empotrado en el fondo del embalse permita conducir el calor de refrigeracion y de congelacion de ese embalse hacia el lado fno de una bomba de calor.

Ademas, se conoce de DE 10 2010 037 474 A1 un dispositivo de tanque de almacenaje para un sistema acumulador de energfa que comprende al menos un tanque de almacenaje y al menos un primer medio portador de calor, en donde el tanque de almacenaje presenta una carcasa que contiene un medio acumulador y al menos una primera disposicion de intercambiador de calor en contacto con el medio acumulador, en donde la, al menos, primera disposicion de intercambiador de calor presenta un primer medio portador de calor. Dentro de la carcasa se encuentra dispuesta al menos una segunda disposicion de intercambiador de calor con un segundo medio portador de calor, en donde el segundo medio portador de calor es esencialmente gaseoso.

Asf pues, existe en la tecnica la necesidad de un acumulador de energfa que pueda formar de manera sencilla una instalacion de generacion de energfa regenerativa y que tambien pueda complementar en particular una central electrica de llenado por bombeo.

Por ello, el objeto de la presente invencion consiste en crear un acumulador de energfa que pueda trabajar en combinacion con fuentes de energfa regenerativas y que pueda mejorar el rendimiento total de una instalacion de ese tipo.

Dicho objeto se alcanzara a traves de las caractensticas de la reivindicacion 1. Otras variantes ventajosas de la invencion son objeto de las reivindicaciones dependientes. Estas se pueden combinar unas con otras de forma tecnologicamente conveniente. La descripcion, en particular en combinacion con el dibujo, caracteriza y especifica adicionalmente la invencion.

Segun la invencion, se proporciona un acumulador de energfa que presenta un intercambiador de calor que se encuentra dispuesto de forma flotante en un embalse inferior disenado a modo de lago que se puede llenar de agua mediante, preferentemente, un primer conducto de alimentacion, en donde se puede conducir agua desde el

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embalse inferior mediante un segundo conducto de alimentacion y refrigerante de una bomba de calor que atraviesa el intercambiador de calor mediante un tercer conducto de alimentacion en circuitos separados, de manera que se puede extraer ene^a desde el embalse inferior helando el agua del embalse inferior o en forma de calor sensible desde el agua del embalse inferior y transmitirla a un consumidor para la liberacion de calor y/o para la liberacion de fno.

Segun a ello, el acumulador de energfa se prepara sobre la superficie de un lago que se puede realizar, por ejemplo, como embalse inferior de un acumulador por bombeo. De este modo, se provee al embalse inferior de una posibilidad adicional de extraccion de energfa que se aprovecha en forma de calor latente. El calor latente se puede aprovechar formando hielo en el embalse inferior y se puede volver a liberar, por ejemplo, para calentar edificios, en el caso de un consumidor. De manera adicional, tambien se puede extraer el calor sensible que se encuentra presente en el agua del lago desde el embalse inferior. Para ello, el lago se puede llenar de agua, preferentemente, sin una entrada natural y mediante un primer conducto de alimentacion, de manera que la radiacion solar tenga como consecuencia un aumento de la temperatura del agua en el lago. La extraccion de energfa tiene lugar mediante una bomba de calor que, preferentemente, se abastece de energfa electrica desde una fuente de energfa regenerativa o neutral en cuanto al dioxido de carbono. En particular, la bomba de calor tambien se puede abastecer mediante un generador del acumulador por bombeo. De forma tfpica, el deshielo se produce debido a las condiciones ambientales predominantes, es decir, a la radiacion solar o a la temperatura de la atmosfera. En otras realizaciones tambien se puede prever provocar el derretimiento del hielo aprovechando el fno en el hielo, por ejemplo, para acondicionar el aire en primavera o en verano. Segun la invencion, el acumulador de calor propiamente dicho es el embalse inferior. De este modo, la formacion de hielo es una posibilidad para aprovechar el calor latente que proviene del acumulador de calor configurado como embalse inferior.

El acumulador de energfa presenta multiples posibilidades de utilizacion y modos de funcionamiento, de manera que, en funcion de la temperatura ambiente o de la radiacion solar, se influencia la energfa que se puede extraer desde el embalse inferior como calor sensible y, en funcion de la demanda de energfa condicionada por la epoca del ano o prevista, se puede llenar o vaciar el acumulador de energfa en el caso de un consumidor, en donde, en la extraccion, se puede seleccionar si se suministra calor sensible o latente al consumidor mediante la bomba de calor. Mediante la posibilidad de seleccion al extraer la energfa, se puede conseguir de este modo una adecuacion a las condiciones del lugar y a la demanda.

Preferentemente, el funcionamiento del acumulador de energfa en el ciclo de las estaciones tiene lugar de modo que, durante la entrada de energfa a traves de la radiacion solar, es decir, en latitudes septentrionales, de forma tfpica, desde la primavera hasta el otono, se produce una diferencia de temperatura. Debido a ello se reduce la potencia de radiacion de la superficie del embalse inferior mediante el enfriamiento del agua que se encuentra en su interior. La diferencia de temperatura con respecto a la temperatura ambiente se situa aproximadamente en el rango de 5 °C a 10 °C. Al final del otono, es decir, al disminuir el calentamiento a traves de la radiacion solar, comienza una fase de enfriamiento del agua en el embalse inferior a una temperatura de aproximadamente 0,5 °C para posibilitar una fase de transicion sin formacion de hielo. En la epoca invernal, la extraccion de energfa tiene lugar mediante la formacion de hielo en la superficie del embalse inferior. En ese caso, se puede alcanzar una generacion de calor continua sobre un volumen del hielo seleccionado lo suficientemente grande debido al elevado contenido energetico para la cristalizacion del agua a hielo. En los meses de primavera y hasta el principio del verano, el hielo se derrite en el intercambiador de calor, a la vez que tiene lugar una extraccion de energfa reducida, y la temperatura del agua aumenta nuevamente a traves de la radiacion solar. Un punto importante reside en el hecho de que la capa de hielo formada despues de la formacion de hielo puede aislar la superficie del agua del embalse inferior con respecto a la atmosfera en el caso de condiciones climaticas determinadas, de manera que, debido a ello, se reduce su potencia de radiacion.

Asf pues, el concepto descrito anteriormente se puede utilizar de manera ventajosa para abastecer hogares de energfa termica mediante un suministro de calor a distancia, en donde para, por ejemplo, de 2000 a 4000 hogares, se debenan disponer aproximadamente 40000 m3 de hielo, de manera que un lago seminatural estana lo suficientemente dimensionado como embalse inferior.

Segun una forma de realizacion de la invencion, el intercambiador de calor se forma mediante tubos que pueden ser atravesados por refrigerante.

En comparacion con los elementos que se extienden sobre una superficie, el hecho de proporcionar el intercambiador de calor en forma de tubos ofrece la ventaja de que se puede seleccionar la ubicacion del punto de cristalizacion al inicio de la formacion de hielo posicionando la entrada de agua fna. Segun ello, se puede adecuar la formacion de hielo incipiente a las exigencias mecanicas del intercambiador de calor para, por ejemplo, evitar o reducir en gran medida tensiones mecanicas, en comparacion con una formacion de hielo no controlada.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, los tubos se disponen en forma de una espiral anular.

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Una espiral anular se puede adaptar en la forma y el tamano a la lmea de la orilla del embalse inferior realizado a modo de lago natural para poder aprovechar de forma conveniente la superficie del embalse inferior. En el caso de un embalse inferior circular o casi circular, la espiral anular se puede limitar mediante una lmea externa circular. Sin embargo, tambien son posibles lmeas externas elfpticas o rectangulares.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, los tubos dispuestos en forma de espiral anular se soportan mediante barras dispuestas de forma radial.

Un modo de proceder de este tipo posibilita una disposicion estable, pero economica en cuanto al material, de la espiral anular del intercambiador de calor. Esto tambien es importante debido a que el intercambiador de calor se dispone de forma flotante y movil sobre la superficie del agua, de manera que el intercambiador de calor, en el caso de modificaciones del nivel de agua, se expone a fuerzas variables, en donde el intercambiador de calor, por ejemplo, tambien debe resistir situaciones extremas, como una inundacion, en el caso de una crecida.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, el intercambiador de calor se rodea mediante una pared externa que rodea el intercambiador de calor a lo largo de su circunferencia externa en forma de separacion vertical, de manera que se forma un cuerpo anular.

Para separar el intercambiador de calor, con el hielo que eventualmente se encuentra presente dentro, del agua del embalse inferior, no se preve segun la invencion formar un volumen aislado, como sucede en los acumuladores de energfa conocidos que se basan en la cristalizacion de agua. Segun la invencion, se considera muy ventajoso dejar descubiertos el lado superior y el lado inferior del intercambiador de calor, como se explicara en detalle mas adelante.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, el cuerpo anular presenta un diametro de aproximadamente 50 m a 200 m, preferentemente, de aproximadamente 100 m.

El dimensionamiento segun este ejemplo de realizacion posibilita la formacion de varias decenas de miles de metros cubicos de hielo, lo cual posibilitana un abastecimiento para varios miles de viviendas. La energfa almacenada en ese volumen de hielo corresponde a un poder calofmco de algunos GWh. El dimensionamiento exacto, considerando las condiciones externas como la demanda de superficie, la demanda de energfa y la potencia electrica disponible para el funcionamiento de la bomba de calor, se puede seleccionar o adaptar de forma correspondiente.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, el intercambiador de calor se puede conectar a un fondo del embalse inferior mediante un elemento de anclaje.

De este modo se crea, preferentemente en el centro del intercambiador de calor una posibilidad de fijacion a lo largo de un anclaje a modo de un pilote inmovilizado en el fondo del embalse inferior, en donde el intercambiador de calor, en funcion del nivel del agua en el embalse inferior, se puede desplazar axialmente en el anclaje. El intercambiador de calor se puede sostener, de forma adicional o en lugar del anclaje a modo de pilote, mediante cables de sujecion pretensados de forma adecuada colocados preferentemente en los radios mencionados anteriormente o en la pared externa, en el fondo del embalse inferior o en el area del talud de la orilla. La pretension de los cables de sujecion, bien la ubicacion del intercambiador de calor en el anclaje a modo de pilote tambien se pueden regular mediante un controlador externo.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, en el intercambiador de calor se forma una capa de hielo radialmente desde el interior hacia el exterior, y, despues, aumenta eventualmente en su espesor.

La estabilidad del intercambiador de calor flotante aumenta a traves de la formacion radial desde el interior hacia el exterior, de manera que son necesarias pocas, o no es necesaria ninguna medida adicional costosa para equilibrar el intercambiador de calor durante la formacion de hielo en el embalse inferior. Para ello, el suministro del refrigerante tiene lugar desde la bomba de calor hacia el centro del intercambiador de calor. Por consiguiente, en primer lugar se produce la formacion radial de la capa de hielo para obtener una capa de hielo cerrada. A continuacion, el grosor de la capa de hielo aumenta por arriba y por debajo de los tubos del intercambiador de calor. De este modo, se preve la conformacion de la capa de hielo de hasta aproximadamente 1 m a cada lado de los tubos. Por una parte, la capa de hielo sirve para proporcionar un acumulador de fno para la refrigeracion en verano, para poder realizar una extraccion de fno. Sin embargo, como ya se ha descrito anteriormente, la formacion de hielo tambien es una posibilidad para la extraccion de calor desde el agua del embalse inferior.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, el intercambiador de calor presenta una entrada superior, mediante la cual el agua, al formarse hielo en el intercambiador de calor, puede introducirse en la capa de hielo producida, de manera que la capa de hielo se encuentra por debajo de la superficie del agua del embalse inferior.

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En el caso de que se encuentre disponible una capa de hielo, este modo de proceder posibilita crear en esta una carga adicional, de manera que el intercambiador de calor descienda en el embalse inferior y la capa de hielo llegue a situarse por debajo de la superficie del agua del embalse inferior. Gracias a ello se logra que, a pesar de la presencia de una capa de hielo, la temperatura del agua en el embalse inferior no se mantenga innecesariamente reducida tambien en el caso de radiacion solar, sino que mas bien pueda aumentar, ya que la radiacion solar es absorbida en el area de la superficie del agua al aumentar la temperatura del agua proxima a la superficie, de manera que solo tiene lugar una entrada de energfa reducida hacia la capa de hielo.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, se dispone una capa de aislamiento entre la capa de hielo y el agua fna que puede ser suministrada.

Gracias a ello tiene lugar una separacion de la capa de hielo con respecto al entorno, lo que reduce en particular el intercambio de calor, de manera que la capa de hielo se mantiene durante mas tiempo.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, se puede conformar un colchon de aire por debajo de la capa de hielo y sobre el lado de la capa de hielo apartado de la superficie del agua.

Gracias a ello tiene lugar una separacion de la capa de hielo con respecto al agua del embalse inferior, lo que reduce en particular el intercambio de calor, de manera que la capa de hielo se mantiene durante mas tiempo.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, se pueden conformar varias capas de hielo independientes unas de otras, situadas unas sobre las otras.

De este modo se puede conformar un volumen mayor de la capa de hielo, en donde las capas de hielo individuales tambien sirven como portadores de energfa de forma aislada y se pueden utilizar de forma separada, segun sea necesario por parte de los consumidores para el abastecimiento con un sistema de energfa urbana. Ademas, en un sistema de varias capas, la capa superior puede representar una especie de "formacion de hielo rapida". Es decir, en la capa superior se puede formar rapidamente un hielo de capa delgada. Esta puede formarse a aproximadamente hasta 10 cm a cada lado del tubo de refrigeracion. Esta capa puede cubrir picos de potencia, o bien puede emplearse para aislar el embalse inferior con respecto a la atmosfera. La idea consiste en que se forme una capa de hielo en la formacion de hielo rapida, por ejemplo, durante la noche, para aislar el embalse inferior con respecto a la atmosfera, mientras que durante el dfa se bombee agua sobre el hielo para absorber la radiacion solar, derritiendo la capa de hielo delgada. Por consiguiente, la formacion de hielo rapida, en el caso de un balance energetico positivo (por ejemplo, durante el dfa) debe servir como colector solar y, en el caso de un balance energetico negativo (por ejemplo, en una noche fna), puede servir como aislamiento. De este modo, durante el dfa puede obtenerse rapidamente agua "tibia" en el colector, alcanzando una eficiencia elevada en la bomba de calor. Durante la noche se pierde menos energfa hacia la atmosfera a traves del aislamiento.

Segun otra forma de realizacion de la invencion, se separan capas de hielo directamente contiguas a traves de capas de aislamiento.

Gracias a ello tiene lugar una separacion de la capa de hielo con respecto al ambiente, lo que reduce en particular el intercambio de calor, de manera que la capa de hielo se mantiene durante mas tiempo.

Ademas, se senala una instalacion de central electrica que comprende un embalse inferior que se puede llenar de agua de una central electrica de llenado por bombeo, en donde el embalse inferior se encuentra conectado a una bomba mediante un primer conducto de alimentacion y conectado a un deposito superior mediante un conducto de alimentacion que puede conectarse con el primer conducto de alimentacion y que atraviesa la central electrica de llenado por bombeo, en donde el embalse inferior esta provisto de un acumulador de energfa como el descrito anteriormente.

Este modo de proceder contribuye a un balance energetico claramente mejorado, ya que, ademas de la acumulacion en la central de llenado por bombeo, se efectua tambien una acumulacion de energfa en el embalse inferior ya presente de todas formas para la central de llenado por bombeo. De este modo, la potencia requerida del acumulador de energfa se produce mediante la central de llenado por bombeo.

Segun una forma de realizacion, el deposito superior forma parte de una central de energfa eolica, en donde la bomba se puede accionar mediante energfa electrica generada por la central de energfa eolica para bombear agua desde el embalse inferior hacia el deposito superior.

En particular, la potencia variable de la instalacion de energfa eolica debido a condiciones variables del viento se puede compensar hasta cierto punto mediante la central de llenado por bombeo, de manera que la central de llenado por bombeo puede emitir potencia en epocas de poco viento y, en el caso de una potencia excedente de la central de llenado por bombeo, puede almacenar energfa.

Este modo de proceder contribuye a un balance energetico claramente mejorado, ya que, ademas de la acumulacion de la potencia variable de la instalacion de energfa eolica en la central de llenado por bombeo, tambien se efectua una acumulacion de energfa en el embalse inferior ya presente de todas formas para la central de llenado por bombeo. De este modo, la potencia requerida del acumulador de energfa se produce mediante la central de llenado 5 por bombeo.

Por ultimo, se senala un metodo para operar un acumulador de energfa de ese tipo, en donde la bomba de calor se controla en funcion de la temperatura ambiente, de la radiacion solar y de la temperatura del agua, de manera que la capa de hielo en el intercambiador de calor se forma cuando no se puede obtener energfa a partir de la temperatura del agua del embalse inferior.

10 Ademas, segun una forma de realizacion del metodo se puede llevar a cabo un descenso de la capa de hielo mediante una carga de agua para proteger la capa de hielo de la radiacion solar.

Controlando la carga de agua mediante el conducto de alimentacion superior, se puede reducir el efecto de la radiacion solar en la capa de hielo. Debido a ello, se puede reducir la radiacion solar mediante el agua, puesto que el hielo reflejana en gran parte la radiacion solar. De este modo aumenta considerablemente la cantidad de energfa 15 irradiada hacia el embalse inferior en comparacion con una situacion con una capa de hielo que flota encima.

Segun otra forma de realizacion del metodo, el acumulador de energfa puede presentar una estructura de varias capas, en donde la capa mas proxima a la superficie del agua se emplea primero para formar una capa de hielo preferentemente delgada.

Segun ello, en un sistema de varias capas, la capa superior puede representar una especie de "formacion de hielo 20 rapida". Es decir, se puede formar rapidamente una capa delgada de hielo en la capa superior. Esta puede formarse a aproximadamente hasta 10 cm a cada lado del tubo de refrigeracion. Dicha capa puede cubrir picos de potencia, pero tambien puede emplearse para aislar el embalse inferior con respecto a la atmosfera. La idea es que se forme una capa de hielo en la formacion de hielo rapida, por ejemplo, durante la noche, para aislar el embalse inferior con respecto a la atmosfera, mientras que se bombee agua sobre el hielo durante el dfa para absorber la radiacion solar 25 y derretir la capa de hielo delgada. Por consiguiente, en el caso de un balance energetico positivo (por ejemplo, durante el dfa), la formacion de hielo rapida debe servir como colector solar, y, en el caso de un balance energetico negativo (por ejemplo, en una noche fna), puede servir como aislamiento. De este modo, durante el dfa se puede obtener rapidamente agua "tibia" en el colector y, con ello, alcanzar una eficiencia elevada en la bomba de calor. Durante la noche, se pierde menos energfa hacia la atmosfera a traves del aislamiento.

30 A continuacion, se explican en mayor detalle ejemplos de realizacion mediante los dibujos. Las figuras muestran:

Figura 1: una representacion esquematica de una instalacion de central electrica segun la invencion para la realizacion de la invencion,

Figura 2: un acumulador de energfa segun la invencion en una representacion esquematica,

Figura 3: un intercambiador de calor como componente de un acumulador de energfa segun la invencion, como 35 un producto semiacabado, en una vista lateral en perspectiva,

Figura 4: el intercambiador de calor de la forma de realizacion segun la Figura 3 en una vista lateral,

Figura 5: el intercambiador de calor de la forma de realizacion segun la Figura 3 en otra vista lateral,

Figura 6: el intercambiador de calor de la forma de realizacion segun la Figura 3 en otra vista lateral y

Figura 7: el intercambiador de calor de la forma de realizacion segun la Figura 3 en otra vista lateral.

40 En las figuras, los componentes identicos o que actuan funcionalmente del mismo modo estan provistos de los mismos signos de referencia.

En lo sucesivo, en la Figura 1 se muestra una primera forma de realizacion de la invencion. En la Figura 1, se representa de forma esquematica una instalacion de central electrica que comprende una o varias instalaciones de energfa eolica WKA. Las instalaciones de energfa eolica WKA se encuentran dispuestas sobre una cresta de una 45 montana, por ejemplo, sobre un valle o un sitio similar. Debajo de las instalaciones de energfa eolica WKA se encuentra una central electrica de llenado por bombeo KR, en donde la central electrica de llenado por bombeo KR se encuentra conectada a un deposito superior OR de las instalaciones de energfa eolica WKA mediante un conducto de alimentacion LT. El deposito superior se puede realizar, por ejemplo, a modo de embalse disponiendo

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las instalaciones de energfa eolica individuales de manera que el deposito superior OR forme una base de la instalacion de ene^a eolica WKA. En otras formas de realizacion, el deposito superior OR se puede integrar en un poste de la instalacion de energfa eolica WKA o se puede realizar como un acumulador separado, de forma contigua con respecto a la instalacion de energfa eolica WKA.

Ademas, la central electrica de llenado por bombeo KR presenta un generador GE conectado al conducto de alimentacion LT que se configura de manera que el agua que se conduce desde el deposito superior OR hacia un embalse inferior Ub mediante el conducto de alimentacion LT, a traves del generador Ge, se puede transformar en potencia electrica. En la direccion opuesta, se puede bombear agua desde el embalse inferior UG hacia el deposito superior mediante un primer conducto de alimentacion ZU1 y una bomba PU. El generador GE se conecta a una red electrica SN de manera se puede suministrar la energfa electrica generada.

Ademas, la central electrica de llenado por bombeo KR presenta una capa de hielo EI en el embalse inferior UB, la cual, como se explicara con mas detalle a continuacion, se dispone sobre la superficie del embalse inferior UB llenado de agua Wa, tal como se indica a traves de la flecha pF. El embalse inferior UB llenado de agua WA se conecta a una bomba de calor WP mediante un segundo conducto de alimentacion ZU2.

En otras realizaciones, el embalse inferior UB tambien se puede realizar sin una central electrica de llenado por bombeo KR, es decir, por ejemplo, como lago o, en general, como agua superficial.

Se puede suministrar un refrigerante para formar la capa de hielo EI mediante un tercer conducto de alimentacion ZU3, igualmente mediante la bomba de calor WP, hacia un intercambiador de calor WTA dispuesto en el embalse inferior UB. La bomba de calor WP genera calor que se puede suministrar a una pluralidad de consumidores VR en forma de un sistema de energfa urbana a traves de la extraccion de calor sensible desde el agua WA del embalse inferior UB o a traves de la extraccion de calor latente desde la capa de hielo EI en el embalse inferior UB.

La bomba de calor WP requiere potencia electrica que, por ejemplo, se puede proporcionar desde el generador GE. La bomba de calor WP se encuentra preferentemente dentro de la central electrica de llenado por bombeo KR o dispuesta de forma directamente contigua con respecto a esta. La bomba PU se abastece ventajosamente mediante la potencia electrica emitida desde las instalaciones de energfa eolica WKA.

El embalse inferior UB forma un acumulador de energfa EN junto con la capa de hielo EI y con el agua WA que se encuentra presente en el embalse inferior UB, junto con la bomba de calor WP.

En la Figura 2 se muestra esquematicamente el acumulador de energfa EN, en donde, segun la Figura 2 se representan particularmente en detalle los flujos de lfquido individuales entre los diferentes componentes.

El embalse inferior UB forma un componente de la central electrica de llenado por bombeo KR mediante el primer conducto de alimentacion ZU1. De esta forma, se puede suministrar agua al embalse inferior UB o extraerla del embalse inferior UB mediante el primer conducto de alimentacion ZU1 para ser conducida hacia el deposito superior OR mediante la bomba PU. Ademas, se suministra agua WA del embalse inferior UB hacia la bomba de calor WP mediante el segundo conducto de alimentacion ZU2. El suministro se identifica como ZU2-H en la Figura 2. El conducto de retorno que abandona de forma refrigerada el agua WA contenida en el embalse inferior UB, por lo general, despues de atravesar la bomba de calor WP, se identifica con la referencia ZO2-R en la Figura 2. Por una parte, el agua refrigerada puede volver a llegar al embalse inferior UB mediante el conducto de alimentacion ZU2-R'. Ademas, se puede suministrar el agua refrigerada al intercambiador de calor WTA mediante el conducto de alimentacion superior ZL.

En un circuito que funciona de forma separada de la bomba de calor WP, se suministra lfquido refrigerante hacia el intercambiador de calor WTA mediante la tercera lmea de entrada ZU3. El lfquido refrigerante llega al intercambiador de calor WTA mediante el conducto de alimentacion identificado con la referencia ZU3-H; el conducto de retorno se identifica con la referencia ZU3-R en la Figura 2. Como ya se ha mencionado, la bomba de calor WP se abastece ventajosamente de potencia electrica mediante el generador GE. La bomba de calor WP libera calor a los consumidores VR para el sistema de calefaccion urbana FW, como se ha explicado en relacion con la Figura 1.

A continuacion se describe una posible forma de realizacion del intercambiador de calor WTA haciendo referencia a la Figura 3. El intercambiador de calor WTA se dispone de forma flotante sobre el embalse inferior UB llenado de agua WA y comprende tubos RO que se disponen en forma de espiral anular. El intercambiador de calor WTA se limita hacia el exterior mediante una pared externa AW que rodea el intercambiador de calor WTA a lo largo de su circunferencia externa. Los tubos RO, asf como la pared externa AW, se sostienen mediante radios SRC dispuestos de forma radial. El conducto de alimentacion superior ZL se dispone por encima de los tubos RO en la pared externa AW.

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En la Figura 3 se senala ademas la posicion del suministro de Kquido de refrigeracion mediante el tercer conducto de alimentacion ZO3-H. Introduciendo el lfquido de refrigeracion en el punto central de los tubos RO dispuestos en forma de espiral anular se puede refrigerar el agua WA que se encuentra en el embalse inferior UB, de manera que se puede formar la capa de hielo EI alrededor de los tubos RO. De este modo, la formacion de hielo tiene lugar radialmente desde el interior hacia el exterior, lo que aumenta en particular la estabilidad del intercambiador de calor WTA que flota en el embalse inferior UB. Mediante la duracion del conducto de alimentacion, asf como mediante la temperatura del lfquido de refrigeracion, se puede controlar el grosor de la capa de hielo en el intercambiador de calor WTA.

La forma de realizacion del intercambiador de calor WTA mostrada en la Figura 3 se representa nuevamente en una vista lateral en la Figura 4. La vista lateral segun la Figura 4 tiene lugar a lo largo de un corte radial que se extiende a traves del centro del intercambiador de calor WTA. Puede observarse que el suministro del tercer conducto de alimentacion ZU3-H se dispone cerca del centro del intercambiador de calor WTA. El conducto de retorno, es decir, el tercer conducto de alimentacion ZU3-R, se encuentra mas cercano a la pared externa AW.

El conducto de alimentacion superior ZL se dispone encima de la espiral anular RS. La pared externa AW se realiza de forma que la espiral anular RS se cubre completamente respecto a su altura, de manera que por encima de la espiral anular RS y por debajo de la espiral anular RS se crean subareas individuales que igualmente forman parte del intercambiador de calor WTA. En la subarea que se encuentra debajo de la espiral anular RS se puede conducir aire hacia el intercambiador de calor WTA mediante un suministro de aire LZ, lo cual se explicara a continuacion.

Para posibilitar una disposicion flotante del intercambiador de calor WTA en el embalse inferior UB, se proporciona un anclaje a modo de pilote (no representado en la Figura 4) que se fija con su extremo inferior en un fondo del embalse inferior UB. El intercambiador de calor WTA se puede desplazar de forma axial A lo largo de dicho anclaje a modo de pilote, dependiendo del nivel de agua, en el embalse inferior UB. Esto se muestra esquematicamente en la Figura 4 a traves de un punto de fijacion BS que se une al anclaje a modo de pilote mediante los medios de union moviles adecuados. En lugar del anclaje a modo de pilote, o bien de forma adicional al anclaje a modo de pilote, el intercambiador de calor WTA se puede unir al fondo del embalse inferior UB mediante cables de sujecion pretensados adecuadamente (no mostrado en la Figura 4). Los cables de sujecion pueden tambien se pueden inmovilizar en el area de la orilla del embalse inferior UB.

A continuacion, se explicara en detalle el funcionamiento del intercambiador de calor WTA mediante un primer ejemplo de realizacion.

En la Figura 5 se muestra nuevamente el intercambiador de calor WTA en el embalse inferior UB llenado de agua WA. Suministrando el refrigerante se forma la capa de hielo EI a lo largo de los tubos RO, la cual se limita hacia fuera mediante la pared externa AW. El calor latente se puede aprovechar mediante la formacion de hielo en el embalse inferior en forma de la capa de hielo EI, y se puede volver a liberar mediante el intercambiador de calor WTA para, por ejemplo, calentar edificios en el caso de un consumidor. Para poder conservar la capa de hielo EI en el caso de la radiacion solar, se bombea agua WA a la superficie de la capa de hielo EI mediante la entrada superior ZL, preferentemente, mediante el retorno de agua fna ZU2-R, de manera que el peso del intercambiador de calor WTA se incrementa. Por consiguiente, la capa de hielo EI desciende por debajo de la superficie del agua WA en el embalse inferior UB y la capa de agua WA dispuesta sobre la capa de hielo EI impide que la radiacion solar incida directamente sobre la capa de hielo EI. Segun ello, la capa de hielo EI se separa de un aire ambiente UL, de manera que la radiacion solar es absorbida mediante el agua en el embalse inferior UB. Debido a ello aumenta la cantidad de energfa irradiada, ya que, de lo contrario, la radiacion solar se reflejana en su mayor parte debido al hielo.

En la Figura 6 se continua con el concepto presentado en la Figura 5, en donde se dispone una capa de aislamiento IS entre la capa de agua WA que llega al intercambiador de calor WTA mediante la entrada superior ZL y la capa de hielo EI, la cual contribuye a otra mejora con respecto a la separacion del aire del entorno UL.

En la Figura 7 se muestra una forma de realizacion alternativa en la que se considera particularmente el aislamiento respecto al agua WA en el embalse inferior UB. Mediante el suministro de aire LZ se puede configurar un colchon de aire LT debajo de la capa de hielo EI que actua como aislamiento respecto al agua WA del embalse inferior UB.

No obstante, las formas de realizacion explicadas en relacion con las Figuras 5 a 7 tambien se pueden combinar, de manera que se puede, por ejemplo, conformar tanto una capa de aislamiento SI, como un colchon de aire LP. Ademas, se pueden extender los tubos RO del intercambiador de calor WTA en varios planos, de manera que se configuren varias capas de hielo EI situadas unas sobre otras de forma paralela en un intercambiador de calor WTA. Las capas de hielo EI dispuestas de forma contigua de modo individual se pueden aislar unas con respecto a otras mediante capas de aislamiento, de forma similar a la capa de aislamiento IS de la Figura 6. Asimismo, en el caso de una estructura de varias capas, cada capa puede estar provista de un suministro propio de refrigerante, de modo que cada capa se puede controlar independientemente de la otra. De este modo, en particular la capa superior puede formar un nivel de formacion de hielo rapida. Ademas, en la capa superior puede formarse rapidamente un

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hielo de capa delgada. Esta se puede formar a aproximadamente hasta 10 cm a cada lado del tubo de refrigeracion. Dicha capa puede cubrir picos de potencia, o bien puede emplearse para aislar el embalse inferior con respecto a la atmosfera. La idea es que se forme una capa de hielo en la formacion de hielo rapida, por ejemplo, durante la noche, para aislar el embalse inferior respecto a la atmosfera, mientras que se bombee agua sobre el hielo durante el dfa para absorber la radiacion solar y derretir la capa de hielo delgada. Por consiguiente, la formacion de hielo rapida debe servir como colector solar en el caso de un balance energetico positivo (por ejemplo, durante el dfa), y como aislamiento en el caso de un balance energetico negativo (por ejemplo, en una noche fna). De este modo, durante el dfa puede se puede obtener rapidamente agua "tibia" en el colector y alcanzar una eficiencia elevada en la bomba de calor. Durante la noche, se pierde menos energfa hacia la atmosfera mediante el aislamiento.

El funcionamiento del acumulador de energfa EN en el ciclo de las estaciones tiene lugar de modo que se produce una diferencia de temperatura a traves de la radiacion solar durante la entrada de calor, es decir, en latitudes septentrionales usualmente desde la primavera hasta el otono. Debido a ello se reduce la potencia de radiacion de la superficie del embalse inferior UB mediante el enfriamiento del agua WA que se encuentra en el mismo. La diferencia de temperatura del aire del entorno UL respecto a la temperatura ambiente se situa aproximadamente en el rango de 5°C a 10°C.

Al final del otono, es decir, al disminuir el calentamiento a traves de la radiacion solar, comienza una fase de enfriamiento del agua WA en el embalse inferior UB a una temperatura de aproximadamente 0,5 °C para posibilitar una fase de trancision sin formacion de hielo.

En la epoca invernal, la extraccion de energfa tiene lugar a traves de la formacion de hielo en la superficie del embalse inferior UB, es decir, mediante la capa de hielo EI en el intercambiador de calor WTA. De este modo, con la bomba de calor WP puede alcanzarse una generacion de calor continua mediante el intercambiador de calor WTA mediante un volumen de la capa de hielo EI seleccionado lo suficientemente grande, debido al elevado contenido de energfa para la cristalizacion de agua WA para formar hielo en la capa de hielo EI.

En los meses de primavera hasta la primera parte del verano, el hielo de la capa de hielo EI se derrite en el intercambiador de calor WTA, al mismo tiempo que se reduce aun mas la extraccion de energfa, donde la temperatura del agua WA en el embalse inferior UB aumenta nuevamente a traves de la radiacion solar.

El concepto descrito anteriormente puede utilizarse de manera ventajosa para el abastecimiento domestico de energfa termica mediante un suministro de calor a distancia, en donde, por ejemplo, para 2000 hasta 4000 hogares debena disponerse de aproximadamente 40000 m3 de hielo, de manera que un lago seminatural estana lo suficientemente dimensionado como embalse inferior UB.

En epocas de temperaturas ambiente elevadas, el hielo existente de la capa de hielo EI tambien se puede utilizar para la refrigeracion en el caso de los consumidores VR.

Las caractensticas senaladas anteriormente y en las reivindicaciones, asf como aquellas que se desprenden de las ilustraciones se pueden realizar de forma ventajosa tanto de forma individual como en una combinacion diferente. La invencion no se limita a los ejemplos de realizacion descritos, sino que puede modificarse en todo tipo de formas dentro del marco de las habilidades especializadas.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Acumulador de ene^a que presenta un intercambiador de calor (WTA) dispuesto de forma flotante en un embalse inferior (UB) configurado como un lago, el cual se puede llenar de agua (WA) mediante un primer conducto de alimentacion (ZU1), en donde se puede suministrar agua (WA) desde el embalse inferior (UB) mediante un segundo conducto de alimentacion (ZU2) y se puede suministrar refrigerante de una bomba de calor (WP) que atraviesa el intercambiador de calor mediante un tercer conducto de alimentacion (ZU3), de manera que se puede extraer energfa mediante el intercambiador de calor (WTA) a traves del la formacion de hielo del agua del embalse inferior o en forma de calor sensible desde el agua del embalse inferior y transmitirla a un consumidor para una liberacion de calor y/o para una liberacion de fno.
2. Acumulador de energfa segun la reivindicacion 1, en donde el intercambiador de calor esta formado por tubos en los que puede circular refrigerante, en donde los tubos se disponen preferentemente en forma de espiral anular.
3. Acumulador de energfa segun la reivindicacion 2, donde las barras dispuestas de forma radial soportan los tubos dispuestos en forma de espiral anular.
4. Acumulador de energfa segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el intercambiador de calor se rodea de una pared externa que rodea el intercambiador de calor a lo largo de su circunferencia externa en forma de una separacion vertical, de modo que se forma un cuerpo anular.
5. Acumulador de energfa segun la reivindicacion 4, en donde el cuerpo anular presenta un diametro de aproximadamente 50 m a 200 m, preferentemente, de aproximadamente 100 m.
6. Acumulador de energfa segun una de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el intercambiador de calor se puede unir a un fondo del embalse inferior mediante un elemento de anclaje.
7. Acumulador de energfa segun una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde una capa de hielo se conforma radialmente desde el interior hacia el exterior en el intercambiador de calor y, despues, su espesor aumenta eventualmente.
8. Acumulador de energfa segun una de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el intercambiador de calor presenta una entrada superior mediante la cual se puede introducir agua en la capa de hielo producida en el caso de una formacion de hielo en el intercambiador de calor, de manera que la capa de hielo se encuentre por debajo de la superficie del agua del embalse inferior.
9. Acumulador de energfa segun la reivindicacion 8, en donde se dispone una capa de aislamiento entre la capa de hielo y el agua fria que se puede suministrar.
10. Acumulador de energfa segun la reivindicacion 8 o 9, en donde se puede conformar un colchon de aire debajo de la capa de hielo y sobre el lado de la capa de hielo apartado de la superficie del agua.
11. Acumulador de energfa segun una de las reivindicaciones 7 a 10, en donde se pueden conformar varias capas de hielo que se situan unas sobre otras, en donde las capas de hielo directamente contiguas se separan preferentemente mediante capas de aislamiento.
12. Instalacion de central electrica con un acumulador de energfa segun una de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende un embalse inferior de una central electrica de llenado por bombeo que se puede llenar de agua, en donde el embalse inferior se une a una bomba mediante un primer conducto de alimentacion y se une a un deposito superior mediante un conducto que atraviesa la central electrica de llenado por bombeo y que se puede unir al primer conducto de alimentacion, en donde el embalse inferior forma parte de un acumulador de energfa segun una de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Instalacion de central electrica segun la reivindicacion 12, en donde el deposito superior forma parte de una instalacion de energfa eolica, en donde la bomba se puede accionar mediante energfa electrica generada por la instalacion de energfa eolica para bombear agua desde el embalse inferior hacia el deposito superior.
14. Metodo para operar un acumulador de energfa segun una de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la bomba de calor se controla en funcion de la temperatura ambiente, de la radiacion solar y de la temperatura del agua de manera que la capa de hielo en el intercambiador de calor se forma cuando no se puede obtener energfa a partir de la temperatura del agua del embalse inferior, en donde, preferentemente, se puede llevar a cabo un descenso de la capa de hielo a traves de la carga de agua.
15. Metodo segun la reivindicacion 14, en donde el acumulador de ene^a presenta una estructura de varias capas, en donde la capa situada mas proxima a la superficie del agua se emplea en primer lugar para formar una capa de hielo preferentemente delgada.