ES2711164T3 - Sistema y procedimiento de almacenamiento y de restitución de energía mediante gas comprimido - Google Patents
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Abstract
Sistema de almacenamiento y de restitución de energía mediante gas comprimido que comprende al menos un medio de compresión (12) de gas, al menos un medio de almacenamiento del gas comprimido (13), al menos un medio de expansión (14) de dicho gas comprimido para generar una energía, y al menos un medio de almacenamiento de calor (1), comprendiendo dicho medio de almacenamiento de calor (1) una disposición distribuida en niveles formada por al menos dos lechos fijos (2) de almacenamiento de calor, y al menos un medio (4,5) para formar una discontinuidad del gradiente térmico entre al menos dos lechos (2) adyacentes, caracterizado por que los dos lechos son lechos de partículas de almacenamiento de calor.
Description
DESCRIPCION
Sistema y procedimiento de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido
El campo de la presente invencion se refiere al almacenamiento de energfa mediante gas comprimido, en concreto aire (CAES del ingles "Compressed Air Energy Storage"). En particular, la presente invencion se refiere a un sistema AACAES (del ingles "Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage") en el que esta previsto el almacenamiento del gas y el almacenamiento del calor generado. Aun mas en particular, la invencion se refiere a un sistema de almacenamiento y de restitucion de energfa tal como se define en el preambulo de la reivindicacion 1 y tal como se divulga por el documento DE 102008033527 A1.
En un sistema de almacenamiento de energfa mediante aire comprimido (CAES), la energfa, que se desea utilizar posteriormente, se almacena en forma de aire comprimido. Para el almacenamiento, una energfa, en concreto electrica, acciona compresores de aire, y para el desalmacenamiento, el aire comprimido acciona turbinas, que pueden estar conectadas a un generador electrico. El rendimiento de esta solucion no es optimo porque una parte de la energfa del aire comprimido se encuentra en forma de calor, que no es utilizado. En efecto, en los procedimientos CAES, solo se utiliza la energfa mecanica del aire, es decir, que se rechaza todo el calor producido durante la compresion. A modo de ejemplo, se vuelve a calentar aire comprimido a 8 MPa (80 bar) durante la compresion hasta aproximadamente 423 K (es decir, aproximadamente 150 °C), pero se enfna antes del almacenamiento. Ademas, el rendimiento de un sistema CAES no es optimo, porque a continuacion el sistema tiene que calentar el aire almacenado para realizar la expansion del aire. En efecto, si el aire esta almacenado a 8 MPa (80 bar) y a temperatura ambiente y si se desea recuperar la energfa mediante una expansion, la descompresion del aire sigue, de nuevo, una curva isentropica, pero esta vez a partir de las condiciones iniciales de almacenamiento (aproximadamente 8 MPa y 300 K). El aire se enfna por tanto hasta temperaturas no realistas (83 K, es decir -191 °C). Por lo tanto hay que volver a calentarlo, lo que puede realizarse con ayuda de un quemador de gas, u otro carburante.
Existen diversas variantes actualmente a este sistema. Pueden citarse, concretamente, los sistemas y procedimientos:
• ACAES (del ingles "Adiabatic Compressed Air Energy Storage") en el que el aire se almacena a la temperatura debida a la compresion. No obstante, este tipo de sistema requiere un sistema de almacenamiento espedfico, voluminoso y costoso porque requiere un aislamiento termico por todo el volumen de almacenamiento del aire.
• AACAES (del ingles "Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage") en el que el aire se almacena a temperatura ambiente, y el calor debido a la compresion se almacena igualmente, por separado, en un sistema de almacenamiento de calor TES (del ingles "Thermal Energy Storage"). El calor almacenado en el TES se utiliza para calentar el aire antes de su expansion.
Una primera solucion concebida para el sistema de almacenamiento de calor TES es la utilizacion de un fluido caloportador que permita almacenar el calor procedente de la compresion para restituirlo al aire antes de la expansion por medio de intercambiadores de calor. Por ejemplo, la solicitud de patente EP 2447501 describe un sistema AACAES en el que circula aceite, utilizado como fluido caloportador, en circuito cerrado para intercambiar calor con el aire. Por otra parte, las solicitudes de patente EP 2530283 y WO 2011053411 describen un sistema AACAES, en el que los intercambios de calor se realizan mediante un fluido caloportador que circula en un circuito cerrado, comprendiendo el circuito cerrado un unico deposito de fluido caloportador.
No obstante, los sistemas descritos en estas solicitudes de patente requieren medios espedficos de almacenamiento y de circulacion del fluido caloportador. Ademas, para estos sistemas, se generan perdidas de carga importantes por los intercambiadores de calor utilizados.
Una segunda solucion concebida para el sistema de almacenamiento de calor TES se basa en un almacenamiento estatico del calor (sin desplazamiento del material de almacenamiento). En este caso, se requiere un buen mantenimiento del gradiente termico en los medios de almacenamiento de calor, ya que esto permite conservar una temperatura fna y una temperatura caliente constantes, y por tanto garantizar una mejor transferencia termica durante la carga y la descarga. Esto es particularmente importante por lo que respecta al mantenimiento de la eficacia del sistema en el transcurso de los diferentes ciclos de carga y descarga. Para atender a esta exigencia se han propuesto medios de almacenamiento de calor en solidos estaticos. Para obtener esta estratificacion termica con un almacenamiento de calor solido, puede utilizarse un almacenamiento de calor mediante lecho fijo de partfculas solidas a traves del cual pasa el fluido que ha de enfriarse. Sin embargo, en el transcurso de la carga y el apilado de partfculas, pueden aparecer heterogeneidades, responsables de una porosidad no uniforme, en el seno del lecho, lo que puede generar pasos preferentes de fluido, y por tanto conducir a un gradiente termico no homogeneo (presencia de zonas fnas y de zonas calientes en diferentes lugares del lecho). Este efecto, ademas, se ve acentuado en el transcurso del funcionamiento del sistema debido a dilataciones de las partfculas durante el paso del fluido caliente, que degradan enormemente los rendimientos de almacenamiento y de restitucion del calor.
La solicitud de patente FR 3014182 describe un sistema AACAES en el que el sistema de almacenamiento y de restitucion del calor comprende une pluralidad de medios de almacenamiento de calor distribuidos en niveles en la salida de cada nivel de compresion, teniendo cada medio de almacenamiento una temperature de almacenamiento de calor propia. Este sistema, si bien permite un control del gradiente termico satisfactorio, es, debido a la multiplicidad de medios de almacenamiento, relativamente costoso y presenta una operabilidad menor.
Para paliar estos inconvenientes, al tiempo que se permite dominar el gradiente termico, la presente invencion se refiere a un sistema y a un procedimiento de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido (por ejemplo de tipo AACAES, es decir que implica aire) en el que el medio de almacenamiento de calor esta formado por una disposicion distribuida en niveles de al menos dos lechos fijos de partfculas de almacenamiento de calor, y comprende al menos un medio para inducir al menos una discontinuidad del gradiente termico entre dos lechos adyacentes. Esta implementacion puede permitir una estratificacion termica controlada en el seno de dicho medio de almacenamiento de calor, y concretamente evitar la formacion de bolsas fnas que perjudiquen la eficacia del sistema. Ademas, este objetivo puede lograrse en el seno de un mismo y unico medio de almacenamiento de calor, lo que confiere al sistema segun la invencion una mejor operabilidad, y ello a un menor coste, con respecto a la tecnica anterior. De este modo, el sistema segun la invencion permite aumentar la eficacia global del almacenamiento y de la restitucion de energfa mediante gas comprimido.
El sistema y el procedimiento segun la invencion
De este modo, la presente invencion se refiere a un sistema de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido que comprende al menos un medio de compresion de gas, al menos un medio de almacenamiento del gas comprimido, al menos un medio de expansion de dicho gas comprimido para generar una energfa, y al menos un medio de almacenamiento de calor, caracterizado por que dicho medio de almacenamiento de calor comprende una disposicion distribuida en niveles formada por al menos dos lechos fijos de partfculas de almacenamiento de calor, y al menos un medio para formar una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos lechos adyacentes. Ventajosamente, dichos dos lechos fijos pueden estar separados por una pared permeable a dicho gas.
Segun un modo de implementacion de la invencion, uno de dichos medios de discontinuidad de dicho gradiente termico puede comprender una capa formada por un material termicamente aislante, separando dicha capa al menos dos de dichos lechos fijos.
Segun un modo de implementacion de la invencion, uno de dichos medios de discontinuidad de dicho gradiente termico puede estar formado por al menos dos de dichos lechos fijos que comprenden partfculas de material con cambio de fase.
Ventajosamente, dichos al menos dos lechos fijos pueden comprender partfculas de material con cambio de fase de temperatura de fusion diferente y pueden estar situados, cada uno, en la proximidad de uno de los extremos de dicho medio de intercambio de calor.
Preferentemente, dichos al menos dos lechos fijos pueden comprender partfculas de material con cambio de fase de temperatura de fusion diferente y pueden estar situados en la segunda posicion de dicha disposicion contando a partir de un extremo de dicho medio de intercambio de calor.
Segun un modo de implementacion de la invencion, un paso principalmente axial de dicho gas comprimido a traves de dichos lechos fijos puede ser inducido por medios de inyeccion y de extraccion de gas comprimido colocados axialmente con respecto a dicho medio de almacenamiento.
Ventajosamente, dicho medio de almacenamiento puede comprender medios de inyeccion y de extraccion de gas complementarios situados en al menos un nivel de dicha disposicion distribuida en niveles de lechos fijos de partfculas de almacenamiento.
Segun un modo de implementacion de la invencion, dichos medios de inyeccion y de extraccion de gas comprimido complementarios pueden comprender una rejilla de distribucion intercalada entre dichos lechos constitutivos de dicho nivel.
Ventajosamente, una capa formada por un material termicamente aislante puede acoplarse sobre una de las caras de dicha rejilla.
Ademas, la invencion se refiere a un procedimiento de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido, en el que se realizan las etapas siguientes:
a) se comprime un gas;
b) se enfna dicho gas comprimido mediante intercambio de calor en un medio de almacenamiento de calor; c) se almacena dicho gas enfriado;
d) se calienta dicho gas comprimido enfriado mediante restitucion del calor a dicho medio de almacenamiento de calor; y
e) se expande dicho gas comprimido calentado para generar una energfa,
caracterizado por que para almacenar y restituir el calor, dicho gas atraviesa dicho medio de almacenamiento de calor, comprendiendo dicho medio una disposicion distribuida en niveles formada por al menos dos lechos fijos de partfculas de almacenamiento de calor, y al menos un medio para formar una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos lechos adyacentes.
Segun un modo de implementacion de la invencion, se puede inyectar y extraer dicho gas en los extremos de dicho medio de almacenamiento de calor.
Ventajosamente, se puede inyectar y extraer dicho gas al nivel de al menos un lecho fijo intermedio.
Segun un modo de implementacion de la invencion, se pueden implementar las siguientes etapas:
i. se almacena el calor en una primera parte de dichos lechos fijos mediante un primer intercambio de calor con dicho gas;
ii. se almacena el calor en una segunda parte de dichos lechos fijos mediante un segundo intercambio de calor con dicho gas; y
iii. se restituye el calor de dicha primera y/o segunda parte mediante intercambio de calor con dicho gas.
Breve presentacion de las figuras
Otras caractensticas y ventajas del sistema y del procedimiento segun la invencion se desprenderan con la lectura de la descripcion que sigue de ejemplos no limitantes de realizaciones, haciendo referencia a las figuras adjuntas y que se describen a continuacion.
La figura 1 ilustra un sistema de almacenamiento y de recuperacion de energfa mediante gas comprimido segun la invencion.
Las figuras 2 y 3 ilustran un sistema de almacenamiento de calor segun un modo de realizacion de la invencion, respectivamente durante la carga y la descarga del medio de almacenamiento de calor. Las figuras 2 y 3 representan, ademas, los gradientes de temperatura en el seno del medio de almacenamiento de calor.
La figura 4 ilustra un sistema de almacenamiento de calor segun un modo de realizacion de la invencion, durante la carga del medio de almacenamiento de calor. La figura 4 representa, ademas, el gradiente de temperatura en el seno del medio de almacenamiento de calor.
La figura 5 ilustra un sistema de almacenamiento de calor segun un modo de realizacion de la invencion, durante la carga del medio de almacenamiento de calor.
La figura 6 ilustra un sistema de almacenamiento de calor segun un modo de realizacion de la invencion,
Las figuras 7a, 7b y 7c representan un medio de almacenamiento de calor segun un modo de realizacion de la invencion, respectivamente para tres cargas consecutivas. Las figuras 7a, 7b y 7c representan, ademas, los gradientes de temperatura en el seno del medio de almacenamiento de calor.
Las figuras 8a, 8b y 8c representan un medio de almacenamiento de calor segun un modo de realizacion de la invencion, respectivamente para tres descargas consecutivas. Las figuras 8a, 8b y 8c representan, ademas, los gradientes de temperatura en el seno del medio de almacenamiento de calor.
La figura 9 ilustra, esquematicamente, los gradientes de temperatura entre dos instantes en un medio de almacenamiento de calor segun el modo de realizacion de la figura 4.
Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion se refiere a un sistema de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido equipado con un medio de almacenamiento de calor (por ejemplo, de tipo AACAES). En esta implementacion, el gas a presion (a menudo, aire) se almacena fno. El sistema segun la invencion comprende:
- al menos un medio de compresion de gas (o compresor), y preferentemente varios medios de compresion de gas distribuidos en niveles. El medio de compresion de gas puede ser accionado por un motor, concretamente un motor electrico;
- al menos un medio de almacenamiento del gas comprimido (tambien llamado deposito) mediante el medio de compresion del gas. El medio de almacenamiento del gas comprimido puede ser un deposito natural (por ejemplo,
una cavidad subterranea) o no. El medio de almacenamiento del gas comprimido puede estar en la superficie o bajo el suelo. Ademas, puede estar formado por un unico volumen o por una pluralidad de volumenes conectados o no entre s^
- al menos un medio de expansion del gas (tambien llamado expansor o turbina), que permite expandir el gas comprimido y almacenado, y preferiblemente varios medios de expansion de gas distribuidos en niveles. El medio de expansion del gas permite generar una energfa, concretamente una energfa electrica por medio de un generador;
- al menos un medio de almacenamiento de calor, que permite el almacenamiento del calor procedente del gas comprimido durante la fase de almacenamiento de energfa, y que permite la restitucion del calor almacenado al gas comprimido durante la fase de la restitucion de energfa. Segun la invencion, el medio de almacenamiento de calor comprende una disposicion distribuida en niveles formada por al menos dos lechos fijos, estando formado cada lecho fijo por partfculas de almacenamiento de calor. Las partfculas que forman cada uno de los lechos fijos intercambian calor con el gas durante las fases de almacenamiento y de restitucion de energfa, almacenandose este calor en las partfculas entre estas dos fases. Se denomina lecho fijo a un conjunto de partfculas de almacenamiento de calor, en el que las partfculas estan inmoviles. Se denomina una disposicion de lechos distribuida en niveles, a lechos que estan superpuestos unos encima de otros. Segun la invencion, dicho medio de almacenamiento de calor comprende al menos un medio para formar una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos lechos adyacentes. Por gradiente termico discontinuo, se entiende un gradiente termico que presenta rupturas de pendiente, es decir que la derivada de la curva que representa la evolucion de la temperatura en el medio de almacenamiento de calor segun la invencion no puede derivarse de forma continua.
Se utilizan los terminos "medios de compresion distribuidos en niveles" (respectivamente "medios de expansion distribuidos en niveles"), cuando una pluralidad de medios de compresion (respectivamente de expansion) estan montados sucesivamente unos tras otros en serie: el gas comprimido (respectivamente expandido) en la salida del primer medio de compresion (respectivamente de expansion) pasa, a continuacion, a un segundo medio de compresion (respectivamente de expansion) y asf sucesivamente. Se denomina, entonces, un nivel de compresion o de expansion a un medio de compresion o de expansion de la pluralidad de medios de compresion o de expansion distribuidos en niveles. Ventajosamente, cuando el sistema comprende una pluralidad de niveles de compresion y/o de expansion, un medio de almacenamiento (de intercambio) de calor se dispone entre cada nivel de compresion y/o de expansion. De este modo, el gas comprimido se enfna entre cada compresion, lo que permite optimizar el rendimiento de la compresion siguiente, y el gas expandido se calienta entre cada expansion, lo que permite optimizar el rendimiento de la expansion siguiente. El numero de niveles de compresion y el numero de niveles de expansion pueden estar comprendidos entre 2 y 10, preferentemente entre 3 y 5. Preferentemente, el numero de niveles de compresion es identico al numero de niveles de expansion. De manera alternativa, el sistema de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido (por ejemplo de tipo AACAES) segun la invencion puede contener un solo medio de compresion y un solo medio de expansion.
Segun una variante de realizacion de la invencion, los medios de compresion, distribuidos o no en niveles, pueden ser reversibles, es decir que pueden funcionar a la vez para la compresion y para la expansion. De este modo, es posible limitar el numero de dispositivos utilizados en el sistema segun la invencion, lo que permite ahorrar peso y volumen en el sistema segun la invencion.
Segun una variante de realizacion, los medios de intercambio de calor utilizados entre los niveles de compresion pueden ser los utilizados entre los niveles de expansion.
El sistema segun la invencion esta adaptado para todo tipo de gas, concretamente para aire. En este caso, el aire en la entrada utilizado para la compresion puede tomarse del aire ambiente, y el aire en la salida tras la expansion puede ser soltado hacia el aire ambiente. En la siguiente descripcion, solo se describira la variante de realizacion con aire comprimido, y su aplicacion AACAES. No obstante, el sistema y el procedimiento son validos para cualquier otro gas.
Los medios de almacenamiento de calor permiten, durante el almacenamiento del gas comprimido (compresion), recuperar un maximo de calor procedente de la compresion del gas en la salida de los compresores, y disminuir la temperatura del gas antes del paso a la compresion siguiente o antes del almacenamiento del gas comprimido. Por ejemplo, el gas comprimido puede pasar de una temperatura superior a 150 °C (por ejemplo de aproximadamente 190 °C) a une temperatura inferior a 80 °C (por ejemplo de aproximadamente 50 °C). Los medios de almacenamiento de calor permiten, durante la restitucion de la energfa, restituir un maximo de calor almacenado aumentando la temperatura del gas antes del paso a la expansion siguiente. Por ejemplo, el gas puede pasar de una temperatura inferior a 80 °C (por ejemplo de aproximadamente 50 °C), a una temperatura superior a 150 °C (por ejemplo de aproximadamente 180 °C).
La figura 1 ilustra un ejemplo de realizacion no limitativo de un sistema de almacenamiento y de restitucion de la energfa mediante gas comprimido segun la invencion, tal como un sistema AACAES. En esta figura, las flechas de trazo continuo ilustran la circulacion del gas durante las etapas de compresion (almacenamiento de energfa), y las flechas de puntos ilustran la circulacion del gas durante las etapas de expansion (restitucion de energfa). Esta figura ilustra un sistema AACAES que comprende un solo nivel de compresion 12, un solo nivel de expansion 14 y un sistema de almacenamiento de calor 1. El sistema comprende un deposito de almacenamiento 13 del gas comprimido. El
sistema de almacenamiento de calor 1 esta intercalado entre el nivel de compresion/expansion 12 o 14 y el deposito de almacenamiento 13 del gas comprimido. De manera convencional, en la fase de almacenamiento de energfa (compresion), el aire se comprime inicialmente en el compresor 12, despues se enfna en el sistema de almacenamiento de calor 1. El gas comprimido y enfriado se almacena en el deposito 13. Las partfculas de almacenamiento de calor del sistema de almacenamiento de calor 1 estan calientes tras el enfriamiento del gas comprimido en la fase de compresion. Durante la restitucion de la energfa (expansion), el gas comprimido almacenado se calienta en el sistema de almacenamiento de calor 1. A continuacion, de manera convencional, el gas pasa a traves de uno o varios niveles de expansion 14 (un nivel segun el ejemplo ilustrado en figura 1).
El sistema segun la invencion no se limita al ejemplo de la figura 1. Otras configuraciones pueden concebirse: un numero diferente de niveles de compresion y/o de expansion, la utilizacion de medios reversibles que garanticen la compresion y la expansion, etc.
Segun la invencion, el medio de almacenamiento de calor comprende al menos un medio para formar una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos leches adyacentes. Una discontinuidad del gradiente termico en el seno del medio de almacenamiento permite limitar los movimientos de conveccion natural en el seno del medio de almacenamiento de calor, por lo que se evitan potencialmente generadores de zonas no homogeneas termicamente (formacion de bolsas fnas) que perjudican la eficacia del sistema. Asf pues, el medio de almacenamiento de calor del sistema de almacenamiento y de restitucion de la energfa mediante gas comprimido segun la invencion permite el control del gradiente termico, y ello, en el seno de un solo y mismo medio de almacenamiento de calor. De este modo, el sistema segun la invencion ofrece una buena operabilidad en funcionamiento asf como un coste ventajoso, al tiempo que permite un almacenamiento y una restitucion de energfa optimizados.
Segun un modo de implementacion de la invencion, el medio de almacenamiento de calor tiene una forma sustancialmente cilmdrica. Por ejemplo el medio de almacenamiento de calor tiene la forma de una columna, que puede estar posicionada, por ejemplo, en vertical, correspondiendo el eje de la columna al eje vertical. Segun un modo de implementacion de la invencion, los lechos fijos de partfculas del medio de almacenamiento de calor estan superpuestos segun ele je de revolucion del medio de almacenamiento de calor.
Segun un modo de implementacion de la invencion, el medio de almacenamiento de calor comprende medios de inyeccion y de extraccion de gas comprimido colocadas perpendicularmente a la direccion de la estratificacion inducida por la superposicion de lechos fijos de partfculas. De este modo, el flujo de gas comprimido atraviesa la disposicion distribuida en niveles de lechos fijos segun una direccion principalmente axial con respecto a esta disposicion distribuida en niveles. Segun este modo de realizacion, el flujo de gas comprimido atraviesa los lechos fijos sucesivamente, unos tras otros, y, al comprender el medio de almacenamiento de calor segun la invencion al menos un medio para formar una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos lechos adyacentes, se induce una estratificacion termica en el seno del medio de almacenamiento (con al menos una discontinuidad del gradiente termico), siendo la temperatura relativamente homogenea en una direccion radial con respecto al apilado de los lechos.
Segun un modo de implementacion de la invencion, un lecho fijo comprende una pared permeable al gas, tal como una rejilla, y un apilado de partfculas de almacenamiento de calor sobre esta pared. Una disposicion distribuida en niveles de tales lechos fijos facilita aguas arriba la carga homogenea de solido granulado, y tiende a permitir una mejor homogeneidad radial de la temperatura, indispensable para el buen funcionamiento del sistema. Este modo de realizacion puede combinarse, de manera ventajosa y no limitativa, con los modos de realizacion que se ofrecen a continuacion en la descripcion que sigue.
Las figuras ilustrativas de modos de realizacion de la presente invencion se expondran a continuacion de manera no limitativa y no exhaustiva segun un medio de almacenamiento de calor que tiene la forma de una columna, estando los lechos fijos de partfculas del medio de almacenamiento de calor superpuestos segun el eje de revolucion de la columna, y comprendiendo el medio de almacenamiento de calor medios de inyeccion y de extraccion de gas perpendiculares a la estratificacion inducida por el apilado de lechos fijos.
Segun un modo de implementacion de la invencion, una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos lechos adyacentes se obtiene separando dichos lechos fijos por una capa que comprende un material termicamente aislante, a traves de los cuales puede circular el gas. El material aislante puede ser cualquier material de conductividad termica muy baja conocido por el experto en la tecnica. Segun un modo de implementacion en el que los lechos fijos comprenden una pared permeable al gas, entre tales lechos fijos se intercala una capa exenta de partfculas solidas (rellena de aire por ejemplo, siendo el aire el material termicamente aislante). Las capas de aislante termico permiten limitar la difusion de la temperatura de un lecho fijo de partfculas a otro. La utilizacion de capas termicamente aislantes permite asf la obtencion de una estratificacion termica (gradiente termico discontinuo) en el seno del medio de almacenamiento de calor y una mejor redistribucion del gas. Por otra parte, el hecho de separar los lechos fijos mediante capas de aislante termico (con, ademas, una pared impermeable en el caso de una capa aislante exenta de solido) permite un mejor reparto de las partfculas solidas en el medio de almacenamiento y, de este modo, limitar las heterogeneidades hidrodinamicas y termicas que perjudican la eficacia del sistema.
Segun un modo de implementacion de la invencion, una capa que comprende un material termicamente aislante se intercala entre cada lecho fijo de partfculas que forman el medio de almacenamiento de calor. El gradiente termico en el seno del medio de almacenamiento de calor segun la invencion es, por tanto, un gradiente termico por intervalos, lo que permite un aprovechamiento optimo del sistema de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido segun la invencion.
Las figuras 2 y 3 ilustran un ejemplo de realizacion del medio de almacenamiento de calor 1 del sistema de almacenamiento y de restitucion de la energfa mediante gas comprimido, en el caso de la fase de almacenamiento (tambien llamada en adelante "carga"; figura 2) y en el caso de la fase de restitucion (tambien llamada en adelante "descarga"; figura 3). Segun esta variante del sistema segun la invencion, el medio de almacenamiento de calor 1 tiene la forma de una columna y esta constituido por cinco lechos fijos 2 de partfculas 3 dispuestos uno encima de otros, estando cada lecho separado de los lechos adyacentes por una capa de aislante termico 4. Las figuras 2 y 3 presentan igualmente la direccion del flujo de gas comprimido, imprimido por medios de inyeccion y de extraccion de gas comprimido 7 colocados perpendicularmente a la direccion de la estratificacion inducida por los dos lechos fijos de partfculas. Concretamente, las flechas oscuras representan la direccion principal del gas caliente mientras que las flechas claras representan la direccion principal del gas fno. Durante la carga del medio de almacenamiento de calor 1, ilustrada en la figura 3, el gas caliente GC (en la salida de los medios de compresion del gas) es inyectado por el extremo superior de la columna 1. De este modo, la disposicion del medio de almacenamiento de calor segun la invencion impone una circulacion del gas comprimido en el sentido axial con respecto a los lechos fijos, es decir que el fluido que ha de volver a calentarse o enfriarse circula, de un lecho a otro, en una direccion perpendicular al apilado de los lechos fijos que forman el medio de almacenamiento de calor, en el presente caso en la direccion axial del medio de almacenamiento de calor (en este caso de la columna). Durante la descarga del medio de almacenamiento de calor 1, ilustrada en la figura 3, el gas fno GF (en la salida de los medios de almacenamiento del gas comprimido o de un nivel de expansion) es inyectado por el extremo inferior de la columna 1. El gas fno GF atraviesa axialmente los lechos fijos 2, unos tras otros. Despues, el gas caliente GC es extrafdo de la columna 1 por la parte superior para ser dirigido hacia los medios de expansion del sistema segun la invencion. A tftulo ilustrativo, la evolucion de la curva de temperaturas T en el seno del medio de almacenamiento segun este modo de realizacion esta representada artificialmente en estas figuras en trazo continuo. Puede observarse que el gradiente termico presenta bastantes discontinuidades, de un lecho a otro, siendo inducidas las discontinuidades por las capas de aislante termico intercaladas entre dos lechos fijos adyacentes.
Segun otro modo de implementacion, una discontinuidad del gradiente termico entre dos lechos fijos adyacentes se obtiene utilizando partfculas que contienen un material con cambio de fase (MCP) caracterizado por temperaturas de fusion diferentes para cada uno de los lechos fijos de partfculas en cuestion. La utilizacion de materiales con cambio de fase con temperaturas de fusion diferentes para los lechos fijos del medio de almacenamiento de calor permite inducir un gradiente termico por intervalos en el medio de almacenamiento, y, de este modo, limitar los fenomenos de difusion termica de un lecho fijo de partfculas a otro durante las fases de almacenamiento. Otra ventaja de estos materiales reside en el hecho de que permiten una reduccion del volumen de la cuba, permitiendo almacenar una gran cantidad de energfa en forma de calor latente. Un compromiso entre eficacia y coste puede encontrarse igualmente al mezclar MCP y materiales de almacenamiento por calor sensible en un mismo lecho. Entre los materiales con cambio de fase, pueden utilizarse los materiales siguientes: parafinas, cuya temperatura de fusion es inferior a 130 °C, sales que se funden a temperaturas superiores a 300 °C, asf como mezclas (eutecticas) que permiten disponer de una gran variedad de temperaturas de fusion.
Segun un modo de implementacion de la invencion, se coloca al menos un lecho fijo con partfculas MCP en la proximidad de la entrada del medio de almacenamiento de calor y/o un lecho fijo con partfculas MCP en la proximidad de la salida del medio de almacenamiento de calor. Por entrada del medio de almacenamiento de calor se entiende el lugar por el que se introduce el gas comprimido caliente en dicho medio, y se denomina salida del medio de almacenamiento de calor al lugar por el que sale el gas comprimido caliente de dicho medio. Observese que la entrada y la salida del medio de almacenamiento de calor pueden variar en el transcurso del funcionamiento del sistema de almacenamiento de energfa mediante gas comprimido segun la invencion. Esta configuracion permite sacar provecho de las ventajas de los MCP para controlar el gradiente termico y reducir el volumen de solido al tiempo que se disminuye el coste global, siendo los MCP mayoritariamente mas economicos que los materiales por calor sensible. Para esta variante, las temperaturas de fusion de los dos materiales con cambio de fase se eligen de manera que se asegure un cierto nivel de temperatura del aire fno hacia el almacenamiento (lado fno) y del aire caliente hacia la turbina del AACAES (lado caliente). Opcionalmente, un lecho fijo de partfculas de material de almacenamiento por calor sensible puede colocarse antes del nivel del lecho fijo de m Cp en el lado caliente, y/o despues del nivel del lecho fijo de MCP en el lado fno, con vistas a absorber eventuales variaciones de la temperatura de entrada del medio de almacenamiento de calor (salida del compresor durante la carga, salida del almacenamiento de aire comprimido durante la descarga). En cualquier momento, los niveles de MCP contienen un frente de cambio de fase, con un cierto porcentaje de la masa en el estado solido y el resto en el estado lfquido.
De este modo, para este modo de realizacion, la temperatura en un material MCP que se encuentra a la temperature del cambio de fase se mantiene constante durante el intercambio termico, mientras se produce el cambio de fase (intercambio de calor latente). La principal ventaja de este modo de realizacion es, por tanto, asegurar una temperatura constante de entrada y de salida del sistema de almacenamiento de calor, que no vane con los ciclos si la cantidad de MCP esta correctamente dimensionada (es necesario que hayan 2 fases solido/lfquido en todo momento para asegurarse de mantener la T constante). De este modo, la ventaja principal de este modo de realizacion es la mejora del control del gradiente termico.
La temperatura de fusion del MCP en el lado caliente puede estar comprendida entre 50 y 500 °C, mas preferentemente entre 100 y 400 °C, y de manera aun mas preferente entre 100 y 350 °C. La temperatura de fusion del MCP en el lado fno esta comprendida entre 0 y 500 °C, mas preferentemente entre 5 y 200, y de manera aun mas preferente entre 10 y 100 °C.
Un ejemplo de este modo de realizacion se presenta en la figura 4. En este ejemplo, el medio de almacenamiento de calor 1 tiene la forma de una columna, situandose el lado caliente (respectivamente fno) arriba (respectivamente abajo) de la columna, y esta formado por seis lechos fijos 2 de partfculas, estando formados dos de estos lechos 2 por partfculas MCP 5, y estando formados los otros cuatro lechos 2 por partfculas por calor sensible 3. Segun este ejemplo no limitativo de implementacion de la invencion, los lechos fijos de partfculas MCP 5 estan colocados en la segunda posicion con respecto a la entrada y la salida del gas comprimido del medio de almacenamiento de calor. Durante la fase carga representada en la figura 4, el gas caliente GC (en la salida de los medios de compresion) se inyecta por el extremo superior de la columna 1. El gas caliente atraviesa axialmente los lechos fijos 2 pasando sucesivamente de uno a otro. Despues, el gas enfriado GF es extrafdo de la columna 1 por la parte inferior para ser almacenado en los medios de almacenamiento del gas comprimido del sistema AACAES o bien para ser inyectado a una nueva etapa de compresion. Durante la descarga (no representada) del medio de almacenamiento de calor 1, el gas recorre el camino inverso (entrada del gas fno por abajo y salida del gas caliente por arriba). Los lechos de partfculas MCP 5 asf colocados permiten concretamente garantizar un buen mantenimiento en el tiempo de los intervalos termicos en la entrada y la salida del medio de almacenamiento de calor. A tttulo ilustrativo, la evolucion de la curva de temperaturas T en el seno del medio de almacenamiento segun este modo de realizacion esta representada artificialmente en esta figura en trazo continuo. Puede observarse que el gradiente termico presenta bastantes discontinuidades, de un lecho a otro, debido a la utilizacion de MPC que tiene temperaturas de fusion diferentes de un lecho a otro.
Segun un modo particular de implementacion de la invencion, cada uno de los lechos fijos de partfculas del medio de almacenamiento comprende partfculas que contienen un material con cambio de fase (MCP) caracterizado por temperaturas de fusion diferentes. Las temperaturas de fusion de los diferentes materiales con cambio de fase se eligen con vista a asegurar un gradiente de temperaturas predeterminado en el lecho de multiples niveles. Las desviaciones de temperatura en el interior de cada lecho con respecto a la media del lecho considerado son por tanto muy reducidas, y el gradiente termico es por tanto un gradiente termico por intervalos, estando cada intervalo diferenciado muy claramente del vecino, lo que permite un dominio muy bueno del gradiente de temperatura en el seno del medio de almacenamiento de calor. Opcionalmente, una capa de material de almacenamiento por calor sensible puede colocarse antes del primer nivel de MCP en el lado caliente, y/o despues del ultimo nivel de MCP en el lado fno, con vista a absorber eventuales variaciones de la temperatura de entrada del TES (salida del compresor durante la carga, salida del almacenamiento de aire comprimido o de un nivel de expansion durante la descarga).
Un ejemplo de realizacion de un modo de implementacion de la invencion de este tipo se presenta en la figura 5. En este ejemplo, el medio de almacenamiento de calor 1 tiene la forma de una columna, situandose el lado caliente (respectivamente fno) arriba (respectivamente abajo) de la columna, y esta formado por seis lechos fijos 2 de partfculas MCP 5. Las partfculas MCP 5 de cada lecho fijo 2 poseen una temperatura de fusion diferente T1, T2, T3, T4, T5 y T6, con T6<T5<T4<T3<T2<T1, estando el lecho fijo con los MCP que tienen la temperatura de fusion T1 en el lado caliente (inyeccion/extraccion del gas caliente GC), y estando el lecho fijo con los m Cp que tienen la temperatura de fusion T6 en el lado fno (inyeccion/extraccion del gas fno GF). Durante la fase carga representada en la figura 5, el gas caliente GC (en la salida de los medios de compresion) se inyecta por el extremo superior de la columna 1. El gas caliente atraviesa axialmente los lechos fijos 2 pasando sucesivamente de uno a otro. Despues, el gas enfriado GF es extrafdo de la columna 1 por la parte inferior para ser almacenado en los medios de almacenamiento del gas comprimido del sistema AACAES o bien para ser inyectado a una nueva etapa de compresion. Durante la descarga (no representada) del medio de almacenamiento de calor 1, el gas recorre el camino inverso (entrada del gas fno por abajo y salida del gas caliente por arriba). La ventaja principal de distribuir en niveles los MCP es un mayor dominio del gradiente termico, y por tanto un mayor dominio de las temperaturas de entrada/salida del medio de almacenamiento en el transcurso de los ciclos de carga/descarga.
Segun un modo de implementacion de la invencion, el medio de almacenamiento de calor del sistema de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido segun la invencion puede comprender, a la vez, uno o varios lechos fijos de partfculas MCP y una o varias capas que comprenden un material termicamente aislante, pudiendo estar un lecho fijo que comprende partfculas MCP, por ejemplo, separado de otro lecho fijo, con MCP o no, mediante una capa de aislante termico. Estos dos medios de mantenimiento de una temperatura homogenea en el seno de los lechos fijos, al tiempo que permiten discontinuidades del gradiente termico, utilizados en combinacion, permiten optimizar el dominio del gradiente termico de temperaturas en el seno del medio de almacenamiento de calor.
El intervalo de temperatures en el que puede funcionar el medio de almacenamiento de calor esta comprendido entre 0° y 500 °C, mas preferentemente entre 100 y 400 °C, y de manera aun mas preferente entre 100 y 350 °C. Los niveles de temperature dependen, a la vez, del procedimiento completo y del tipo de material utilizado para las partfculas de los lechos fijos del medio de almacenamiento de calor.
En las configuraciones anteriormente descritas, los medios de inyeccion y de extraccion del gas estan previstos en los extremos del medio de almacenamiento de calor. Como variante, pueden estar previstos medios complementarios de inyeccion y de extraccion del gas en niveles intermedios del medio de almacenamiento de calor. De este modo, el sistema de la presente invencion puede estar dotado de puntos de inyeccion y de extraccion complementarios en cada nivel (en cada lecho fijo), que permiten controlar, de manera ventajosa, el caudal de fluido que atraviesa cada nivel. Esta variante de realizacion es compatible con todas las configuraciones concebibles anteriormente descritas del medio de almacenamiento de calor.
Una ventaja de esta realizacion es que el sistema de inyeccion/extraccion por nivel permite reducir las perdidas de carga en el sistema y controlar mejor el gradiente de temperaturas en el lecho fijo. En efecto, las inyecciones/extracciones lo mas cerca posible del gradiente termico permiten limitar las perdidas de carga (reduciendose el numero de lechos atravesados) al tiempo que se conservan buenos rendimientos de transferencia termica. Asf pues, y en funcion de la altura del gradiente termico con respecto a la altura del lecho, puede obtenerse una disminucion muy importante de la perdida de carga. Para esta realizacion, el gradiente termico es discontinuo entre los lechos fijos individualizados situados entre los medios complementarios de inyeccion y de extraccion utilizados, es decir los lechos fijos que almacenan o restituyen calor.
Segun un modo de implementacion de la invencion, los medios de inyeccion y de extraccion complementarios del medio de almacenamiento de calor comprenden una rejilla de distribucion que se intercalara entre dos lechos fijos de partfculas. Observese que el flujo de gas comprimido inducido por estos medios de inyeccion y de extraccion complementarios comprende una componente radial local (al nivel de la rejilla y alrededor de la rejilla), pero el flujo de gas comprimido a traves de los lechos de la disposicion distribuida en niveles se mantiene, pese a todo, principalmente axial. Preferentemente, una capa de aislante termico esta acoplada a una de las caras de la rejilla, a fin de limitar los intercambios termicos entre los lechos entre los cuales esta acoplada la rejilla de distribucion. La figura 6 presenta un ejemplo no limitativo de implementacion de un medio de almacenamiento 1 que comprende medios de inyeccion y de extraccion complementarios que comprenden una rejilla 6, asf como una capa de aislante termico 4, insertados entre cada nivel de lechos fijos 2 de partfculas.
En las figuras 7a, 7b a 7c estan ilustradas (de manera no limitativa) tres fases consecutivas de carga de un sistema de almacenamiento de calor que tiene la forma de una columna, situandose el lado caliente (respectivamente fno) arriba (respectivamente abajo) de la columna, y constituido por siete niveles de lechos fijos de partfculas. El medio de almacenamiento de este modo de realizacion comprende medios principales de inyeccion (flechas oscuras) y extraccion (flechas claras) 7, y, ademas, medios complementarios de inyeccion (flechas oscuras) y de extraccion (flechas claras) 8 instalados en cada nivel, intercalados con una capa de aislante termico. El gradiente de temperaturas T axial, al comienzo de cada una de estas fases, esta representado artificialmente en el lecho de multiples niveles mediante un trazo continuo. Durante la primera fase de carga (figura 7a), el gas caliente GC se inyecta por arriba y se distribuye por uno o varios niveles (el numero de niveles puede variar en funcion del caudal por ejemplo). Segun este ejemplo, la carga se realiza en tres niveles (figura 7a) al mismo tiempo, es decir que el fluido caliente atraviesa tres etapas antes de salir del medio de almacenamiento de calor por un primer medio de extraccion complementario situado entre los lechos tercero y cuarto. Cuando se alcanza la temperatura de carga en estos niveles, la inyeccion se realiza por un medio complementario 8 directamente en uno de los niveles inferiores (figuras 7b y 7c). De este modo, la carga de un sistema de este tipo puede realizarse de forma secuencial, por nivel, o grupo de niveles, desde la entrada hacia la salida, lo que permite limitar las perdidas de carga ya que el gas no atraviesa el conjunto de dicho lecho de partfculas.
Para esta variante de realizacion, el proceso de descarga puede realizarse igualmente de forma secuencial, por grupo de niveles desde abajo del medio de almacenamiento hacia arriba. Durante esta fase, la descarga puede realizarse igualmente en un numero de niveles diferente, tal como se ilustra en las figuras 8a a 8c donde la descarga se realiza por grupos de cinco o cuatro niveles.
La figura 9a ilustra un ejemplo de un ciclo de utilizacion de un sistema AACAES. Esta figura corresponde a la variacion de la temperatura del gas en la entrada por el lado caliente Tin, fluido del medio de almacenamiento de calor. El ciclo de utilizacion comprende una primera fase de carga CH (almacenamiento de energfa) entre los instantes t0 y t1, despues una segunda fase de almacenamiento ST (almacenamiento de energfa) entre los instantes t1 y t2, despues una fase de descarga DE (restitucion de la energfa) entre los instantes t2 y t3, y una fase de espera AT entre los instantes t3 y t0.
Las figuras 9b y 9c representan la evolucion temporal del perfil axial (es dedr, a lo largo del eje de revolucion del medio de almacenamiento de calor, siendo h la distancia tomada a lo largo de este eje) de la temperatura T en los lechos fijos, durante las fases de carga y descarga para el ciclo de utilizacion de la figura 9a. Para este ejemplo, el medio de almacenamiento de calor corresponde al modo de realizacion de la figura 4, para el cual el medio de almacenamiento de calor comprende dos lechos fijos con MCP, teniendo cada lecho fijo de MCP una temperatura de fusion diferente y estando colocado en la proximidad (en la segunda posicion) de los extremos del medio de almacenamiento de calor. En estas figuras, los trazos verticales delimitan los lechos fijos que comprenden las partfculas MCP. La figura 9b corresponde a la fase de carga CH de la figura 9a, y la figura 9c corresponde a la fase de descarga DE de la figura 9a.
En la figura 9a, se indica que al comienzo del ciclo (en t0), el lecho fijo con las partfculas MCP1 en el lado caliente del medio de almacenamiento de calor contiene un 50 % de la masa en el estado solido y un 50 % en el estado lfquido. Durante la carga, el gas caliente atraviesa el medio de almacenamiento de calor volviendo a entrar por el lado caliente. La fraccion de lfquido aumenta, entrando calor latente almacenado en el nivel con MCP1. La temperatura se mantiene constante (e igual a la temperatura de fusion del MCP1). Al final de la carga, un 90 % del MCP1 se encuentra en el estado lfquido.
El gradiente de temperatura se establece en la parte del TES que esta rellena de material de almacenamiento por calor sensible.
En el lado fno, el nivel de MCP2 contiene inicialmente un 10 % de lfquido y un 90 % de solido. Durante la carga, su temperatura se mantiene constante (e igual a la temperatura de fusion del MCP2). Al final de la carga, un 50 % del MCP2 se encuentra en el estado lfquido.
El proceso se invierte durante la fase de descarga entre t2 y t3. En la figura 9c, se observa que el fluido fno vuelve a entrar por el lado fno y se vuelve a calentar, absorbiendo calor latente en el nivel MCP2 y disminuyendo la proporcion del lfquido en este nivel (que pasa de nuevo del 50 % al 10 %). La temperatura se mantiene siempre constante (e igual a la temperatura de fusion del MCP2).
Un nuevo gradiente de temperatura se establece en la parte del TES que esta rellena de material de almacenamiento por calor sensible.
En el lado caliente, en el nivel de MCP1 la cantidad de lfquido disminuye con el paso del fluido y pasa del 90 % al 50 %, conservando su temperatura siempre constante (e igual a la temperatura de fusion del MCP1).
La presente invencion se refiere, igualmente, a un procedimiento de almacenamiento y de restitucion mediante gas comprimido, en el que se realizan las etapas siguientes:
a) se comprime un gas, concretamente por medio de un compresor;
b) se enfna el gas comprimido mediante intercambio de calor, en particular en un medio de almacenamiento de calor;
c) se almacena el gas comprimido enfriado, concretamente mediante un medio de almacenamiento de gas comprimido;
d) se calienta el gas comprimido almacenado, mediante intercambio de calor, en el medio de almacenamiento de calor; y
e) se expande el gas comprimido calentado para generar una energfa, por ejemplo por medio de una turbina para generar una energfa electrica.
Segun la invencion, el medio de almacenamiento de calor comprende al menos dos lechos fijos de partfculas de almacenamiento de calor y al menos un medio para formar una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos lechos adyacentes. Esta disposicion en multiples niveles de lechos fijos de partfculas combinada con medios de discontinuidad del gradiente termico permite crear una estratificacion termica en el seno del medio de almacenamiento, pero tambien controlar mejor la porosidad en cada uno de los lechos, y por tanto evitar la formacion de bolsas fnas que perjudican la eficacia del sistema. De este modo, el almacenamiento y la restitucion de energfa se optimizan.
De acuerdo con un aspecto de la invencion, el procedimiento comprende varias etapas de compresion sucesivas, por medio de compresores colocados en serie, tambien llamadas compresiones distribuidas en niveles. En este caso, se reiteran las etapas a) y b) para cada nivel de compresion. De este modo, el gas se comprime y se enfna varias veces.
Segun una caractenstica de la invencion, el procedimiento comprende varias etapas de expansion sucesivas, mediante medios de expansion colocados en serie, tambien llamadas expansiones distribuidas en niveles. En este caso, se reiteran las etapas d) y e) para cada nivel de expansion. De este modo, el gas se calienta y expande varias veces.
La etapa a) se refiere a la compresion de un gas, por ejemplo aire. Concretamente puede tratarse de aire tomado del medio ambiente.
La etapa b) permite enfriar el gas comprimido tras cada etapa de compresion, lo que permite optimizar el rendimiento de la compresion siguiente y/o el almacenamiento de energfa. Los medios de almacenamiento de calor permiten, durante el almacenamiento del gas comprimido (compresion), recuperar un maximo de calor procedente de la compresion del gas en la salida de los compresores y disminuir la temperatura del gas antes del paso a la compresion siguiente o antes del almacenamiento. Por ejemplo, el gas comprimido puede pasar de una temperatura superior a 150 °C, por ejemplo de aproximadamente 190 °C a una temperatura inferior a 80 °C, por ejemplo de aproximadamente 50 °C.
La etapa c) puede realizarse en el seno de un medio de almacenamiento del gas comprimido, que puede ser un deposito natural o no (por ejemplo una cavidad subterranea). El medio de almacenamiento del gas comprimido puede estar en la superficie o bajo el suelo. Ademas, puede estar formado por un unico volumen o por una pluralidad de volumenes conectados o no entre s t Durante el almacenamiento, se cierra el medio de almacenamiento del gas comprimido.
El gas comprimido queda almacenado hasta el momento en el que se desee recuperar la energfa almacenada. La etapa d) y las siguientes se realizan en el momento en el que se desee recuperar la energfa almacenada.
La etapa d) permite calentar el aire comprimido antes de cada expansion, lo que permite optimizar el rendimiento de la expansion siguiente. Para la etapa d), pueden utilizarse las partfculas de almacenamiento de calor que han servido para el enfriamiento durante la etapa b). Los medios de almacenamiento de calor permiten, durante la restitucion de la energfa, restituir un maximo de calor almacenado aumentando la temperatura del gas antes del paso a la expansion siguiente. Por ejemplo, el gas puede pasar de una temperatura inferior a 80 °C, por ejemplo de aproximadamente 50 °C, a una temperatura superior a l50 °C, por ejemplo de aproximadamente 180 °C.
Durante la etapa e), el gas comprimido se expande. La expansion del gas comprimido permite generar una energfa. Esta expansion puede realizarse por medio de una turbina que genera una energfa electrica. Si el gas es aire, el aire expandido puede evacuarse hacia el medio ambiente.
El procedimiento segun la invencion puede implementarse mediante el sistema segun una cualquiera de las variantes de la invencion anteriormente descritas (solas o en combinacion). El procedimiento segun la invencion puede comprender, en concreto, una etapa de almacenamiento y/o de restitucion del calor que comprende una o varias de las caractensticas siguientes:
• un intercambio de calor en una pluralidad de lechos fijos,
• una circulacion del gas axial de un lecho a otro
• una inyeccion y una extraccion del gas por los extremos del medio de almacenamiento de calor y/o en niveles intermedios,
• las partfculas de almacenamiento de calor pueden ser partfculas de material con cambio de fase, estas partfculas MCP pueden estar colocadas en lechos fijos situados en la proximidad de los extremos del medio de almacenamiento de calor,
• una circulacion del gas caliente desde la parte superior hacia la parte inferior de la columna, o a la inversa desde la parte inferior hacia la parte superior de la columna...
Segun una variante de realizacion del procedimiento, la carga y la descarga del medio de almacenamiento de calor pueden ser secuenciales. En particular, para el modo de realizacion, para el cual se inyecta y/o se extrae el gas en niveles intermedios (figuras 7 y 8), el procedimiento puede comprender las etapas siguientes:
i) se almacena el calor en una primera parte de los lechos fijos mediante un primer intercambio de calor con dicho gas, por ejemplo con los lechos fijos superiores del medio de almacenamiento de calor, inyectandose el gas caliente en el medio de almacenamiento de calor mediante medios de inyeccion y de extraccion situados en la parte superior del medio de almacenamiento de calor, extrayendose el gas fno del medio de almacenamiento de calor mediante medios de inyeccion y de extraccion situados en un nivel intermedio del medio de almacenamiento de calor; ii) se almacena el calor en una segunda parte de los lechos fijos mediante un segundo intercambio de calor con dicho gas, por ejemplo con los lechos fijos inferiores del medio de almacenamiento de calor, inyectandose el gas caliente en el medio de almacenamiento de calor mediante medios de inyeccion y de extraccion situados en la parte intermedia del medio de almacenamiento de calor, y extrayendose el gas fno del medio de almacenamiento de calor mediante medios de inyeccion y de extraccion situados en un nivel intermedio, o en la parte inferior del medio de almacenamiento de calor; y
iii) se restituye el calor de dicha primera y/o segunda parte mediante intercambio de calor con dicho gas, inyectandose el gas fno en el medio de almacenamiento de calor mediante medios de inyeccion y de extraccion situados en la parte inferior del medio de almacenamiento de calor, y extrayendose el gas caliente del medio de almacenamiento de calor mediante medios de inyeccion y de extraccion situados en un nivel intermedio, o en la parte superior del medio de almacenamiento de calor.
Este modo de realizacion permite limitar las perdidas de carga en el seno del medio de almacenamiento de calor.
Ventajosamente, las etapas i) e ii) pueden repetirse para otras partes de los lechos fijos del medio de almacenamiento de calor.
Segun una variante, puede restituirse el calor para solamente una parte de los lechos fijos del medio de almacenamiento de calor.
El procedimiento y el sistema segun la invencion pueden utilizarse para el almacenamiento de una energfa intermitente, tal como la energfa eolica o solar, con el fin de poder utilizar esta energfa en el momento deseado.
Claims (14)
1. Sistema de almacenamiento y de restitucion de e n e ^a mediante gas comprimido que comprende al menos un medio de compresion (12) de gas, al menos un medio de almacenamiento del gas comprimido (13), al menos un medio de expansion (14) de dicho gas comprimido para generar una energfa, y al menos un medio de almacenamiento de calor (1), comprendiendo dicho medio de almacenamiento de calor (1) una disposicion distribuida en niveles formada por al menos dos lechos fijos (2) de almacenamiento de calor, y al menos un medio (4,5) para formar una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos lechos (2) adyacentes, caracterizado por que los dos lechos son lechos de partfculas de almacenamiento de calor.
2. Sistema segun la reivindicacion 1, en el que dichos dos lechos fijos (2) estan separados por una pared permeable a dicho gas.
3. Sistema segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que uno de dichos medios de discontinuidad de dicho gradiente termico comprende una capa formada por un material termicamente aislante (4), separando dicha capa al menos dos de dichos lechos fijos (2).
4. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que uno de dichos medios de discontinuidad de dicho gradiente termico esta formado por al menos dos de dichos lechos fijos (2) que comprenden partfculas de material con cambio de fase (5).
5. Sistema segun la reivindicacion 4, en el que al menos dos de dichos lechos fijos (2) comprenden partfculas de material con cambio de fase (5) de temperatura de fusion diferente y estan situados cada uno en la proximidad de uno de los extremos de dicho medio de intercambio de calor (1).
6. Sistema segun la reivindicacion 4, en el que al menos dos de dichos lechos fijos (2) comprenden partfculas de material con cambio de fase (5) de temperatura de fusion diferente y estan situados en la segunda posicion de dicha disposicion contando a partir de un extremo de dicho medio de intercambio de calor (1).
7. Sistema segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que un paso principalmente axial de dicho gas comprimido a traves de dichos lechos fijos (2) es inducido por medios de inyeccion y de extraccion de gas comprimido (7) colocados perpendicularmente a dicha disposicion distribuida en niveles de dichos lechos (2).
8. Sistema segun la reivindicacion 7, en el que dicho medio de almacenamiento (1) comprende medios de inyeccion y de extraccion de gas complementarios (6) situados en al menos un nivel de dicha disposicion distribuida en niveles de lechos fijos (2) de partfculas de almacenamiento.
9. Sistema segun la reivindicacion 8, en el que dichos medios de inyeccion y de extraccion de gas comprimido complementarios (6) comprenden una rejilla de distribucion intercalada entre dichos lechos constitutivos (2) de dicho nivel.
10. Sistema segun la reivindicacion 9, en el que una capa formada por un material termicamente aislante (4) esta acoplada sobre una de las caras de dicha rejilla.
11. Procedimiento de almacenamiento y de restitucion de energfa mediante gas comprimido, utilizando un sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que se realizan las etapas siguientes:
a) se comprime un gas;
b) se enfna dicho gas comprimido mediante intercambio de calor en un medio de almacenamiento de calor (1); c) se almacena dicho gas enfriado;
d) se calienta dicho gas comprimido enfriado mediante restitucion del calor a dicho medio de almacenamiento de calor (1); y
e) se expande dicho gas comprimido calentado para generar una energfa,
caracterizado por que para almacenar y restituir el calor, dicho gas atraviesa dicho medio de almacenamiento de calor, comprendiendo dicho medio una disposicion distribuida en niveles formada por al menos dos lechos fijos (2) de partfculas de almacenamiento de calor, y al menos un medio (4,5) para formar una discontinuidad del gradiente termico entre al menos dos lechos adyacentes.
12. Procedimiento segun la reivindicacion 11, en el que se inyecta y se extrae dicho gas por los extremos de dicho medio de almacenamiento de calor.
13. Procedimiento segun la reivindicacion 11, en el que se inyecta y se extrae dicho gas al nivel de al menos un lecho fijo intermedio.
14. Procedimiento segun la reivindicacion 12, en el que se implementan las etapas siguientes:
i) se almacena el calor en una primera parte de dichos lechos fijos mediante un primer intercambio de calor con dicho gas;
ii) se almacena el calor en una segunda parte de dichos lechos fijos mediante un segundo intercambio de calor con dicho gas; y
iii) se restituye el calor de dicha primera y/o segunda parte mediante intercambio de calor con dicho gas.
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