ES2895986T3

ES2895986T3 - Sistema y método de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES)

Info

Publication number: ES2895986T3
Application number: ES14814822T
Authority: ES
Inventors: Bhaskara Kosamana; Kalyan Kumar Venkatachalam
Original assignee: Nuovo Pignone SpA; Nuovo Pignone SRL
Current assignee: Nuovo Pignone SpA; Nuovo Pignone SRL
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2022-02-23
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: US20160326958A1; ITFI20130299A1; CN106103941A; CA2933289C; AU2014365015B2; EP3084176A1; JP7004792B2; JP2021065088A; JP2017502645A; CN112145296A; CA2933289A1; AU2014365015A1; WO2015091329A1; EP3084176B1; US10584634B2

Abstract

Un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que comprende: una primera disposición compresora (3) para comprimir una corriente de aire; una unidad (13) de almacenamiento de energía térmica, donde intercambia calor con un medio de acumulación de calor mediante el aire comprimido procedente de la primera disposición compresora (3); un dispositivo (17) de almacenamiento de aire dispuesto y configurado para recibir y acumular aire comprimido procedente de la unidad (13) de almacenamiento de energía térmica; al menos un turbina (21) de expansión, distinta de la primera disposición compresora (3) para recibir aire comprimido procedente del dispositivo (17) de almacenamiento de aire y producir energía útil a partir del mismo; en donde una disposición compresora adicional (15) distinta de la al menos un turbina (21) de expansión está situada entre dicha unidad (13) de almacenamiento de energía térmica y dicho dispositivo (17) de almacenamiento de aire; caracterizado por que la primera disposición compresora (3) comprende una pluralidad de trenes compresores (3A, 3B, 3C), comprendiendo cada tren compresor al menos un compresor (5A, 7A, 9A, 5B, 7B, 9B, 5C, 7C, 9C) y al menos una máquina eléctrica (23A, 23B, 23C) que acciona el/los compresor/es relevante/s para que roten; siendo al menos una de dichas máquinas eléctricas una máquina eléctrica reversible y funcionando como un generador eléctrico cuando el sistema funciona en modo de generación de energía eléctrica; y en donde una máquina eléctrica adicional (16) acciona dicha disposición compresora adicional (15) para que rote.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES)

Descripción

Campo de la invención

La presente descripción se refiere a sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido, también llamados sistemas CAES para abreviar. La descripción también se refiere a métodos de almacenamiento de energía y de producción de energía eléctrica utilizando sistemas CAES. Más concretamente, la invención se refiere a los denominados sistemas CAES adiabáticos (ACAES) denominados, también conocidos como sistemas CAES adiabáticos avanzados (AACAES).

Descripción de la técnica relacionada

En DE-10 2011 112280 A1 se describe una planta para almacenar energía por medio de aire comprimido. Para almacenar energía, se comprime aire ambiente y se introduce en un volumen de almacenamiento. A la hora de obtener energía del almacenamiento, se extrae aire comprimido del volumen de almacenamiento para realizar trabajo. En US-5491 969 A, US-2011/094231 A1, US-2012/085087 A1, CN 102 758 689 A y US-4 150 547 A1 se da a conocer el almacenamiento de energía de aire comprimido.

Las centrales eléctricas o sistemas CAES se utilizan habitualmente como medio para optimizar la explotación de energía. Como es conocido por los expertos en la técnica, la energía eléctrica requerida por la red de distribución eléctrica varía con los picos que experimenta la demanda de energía eléctrica durante el día y la menor demanda de energía por la noche. Las centrales de producción de energía de vapor de gran tamaño o las centrales de energía renovable producen una cantidad de energía, que no puede variarse a voluntad. Esto hace que haya un excedente de energía disponible en la red de distribución eléctrica por la noche y escasez de energía durante las horas punta. Para cubrir la demanda máxima de energía se han instalado pequeñas centrales eléctricas que utilizan turbinas de gas, especialmente turbinas de gas aeroderivadas. Estas centrales pueden encenderse y apagarse en función de los requerimientos de energía variables durante las 24 horas del día. A pesar de ello, deben tomarse medidas adicionales para poder almacenar el excedente de energía producido por la noche y recuperar la energía almacenada para poder así aumentar la producción de energía eléctrica durante las horas punta. Uno de los medios empleados para ese fin es la tecnología CAES. Estos sistemas incluyen por lo general un tren de compresión que cuenta con uno o más compresores, que son accionados por la energía eléctrica de la red por la noche, es decir, cuando se requiere menos energía de la que hay disponible en la red. Por lo tanto, el excedente de energía disponible de la red se transforma en energía de presión del aire comprimido almacenado.

El aire comprimido se aprovecha luego durante el día para cubrir la demanda máxima de energía de la red, al expandirse el aire comprimido hasta alcanzar una presión adecuada y quemarse una mezcla de aire-combustible en una cámara de combustión para generar gases de combustión, que se expanden en una turbina para generar energía.

Para reducir el impacto ambiental de estas centrales, se han desarrollado los denominados sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido adiabáticos o adiabáticos avanzados (ACAES o AACAES, respectivamente). Los sistemas ACAES o AACAES no utilizan combustible fósil para convertir la energía acumulada en energía eléctrica. En vez, almacenan el calor generado por el proceso de compresión de aire y recuperan dicho calor para aumentar la temperatura del aire antes de expandir el aire comprimido a través de una o más turbinas de expansión.

En la Fig. 1 se ha representado esquemáticamente un sistema ACAES o AACAES según la técnica actual. El sistema ACAES en su totalidad aparece marcado como 100. El sistema comprende un tren compresor 101 que, en la realización ilustrativa mostrada en la Fig. 1, comprende tres compresores 103, 105, 107 dispuestos en serie, que tienen una línea 109 de ejes común. El aire que entra en el primer compresor 103 a la entrada 1031 de compresor se comprime secuencialmente a valores de presión crecientes y finalmente se entrega a la salida 107E del último compresor 107. Entre al menos dos compresores secuencialmente dispuestos, en el ejemplo, entre el compresor 103 y el compresor 105, está dispuesto un enfriador intermedio 111. El enfriador intermedio es un intercambiador de calor en donde el aire parcialmente comprimido suministrado desde el compresor aguas arriba se enfría antes de entrar en el siguiente compresor, de manera que el volumen del aire que se está procesando se reduce al quitarle calor al mismo. El calor se elimina por medio de un intercambio de calor con el aire ambiente, con agua o con cualquier otro fluido frigorígeno. Al quitarle calor al aire parcialmente comprimido, se reduce la cantidad de energía mecánica requerida para accionar el tren compresor 101.

El aire comprimido que sale del tren compresor por 107E circula a través de una disposición 113 de almacenamiento de energía térmica, en donde al flujo de aire comprimido se le quita calor y este se almacena en un medio de almacenamiento de energía térmica adecuado, por ejemplo, un medio de almacenamiento de calor sólido, tal como roca, o un medio de almacenamiento de calor líquido, tal como aceite, agua comprimida o glicol. En algunas realizaciones conocidas, se almacena calor en un medio de almacenamiento de calor que se ha seleccionado para experimentar un cambio de fase de sólido a líquido, acumulando así energía térmica en forma de calor de licuefacción latente.

Finalmente, el aire enfriado se pasa por un enfriador 115 de seguridad y se almacena en un dispositivo de almacenamiento de aire, por ejemplo, una caverna 117. En el esquema de la Fig. 1 se indican valores de presión y de temperatura ilustrativos de la corriente de aire. Estos valores se dan solamente a modo de ejemplo. El aire que sale del primer compresor 103 puede tener un valor de presión de 7 bar y una temperatura de 250 °C y se enfría hasta 180 °C en el enfriador intermedio 111 antes de entrar en el segundo compresor 105. El segundo compresor 105 sube la presión de aire hasta 28 bar y el aire alcanza una temperatura de 450 °C antes de ser procesado por el último compresor 107, o tren compresor 101, en el lado de suministro, a raíz de lo cual el aire puede alcanzar una presión de 65 bar y una temperatura de 650 °C. Después de enfriarse en la unidad de almacenamiento de energía térmica, el aire puede tener una temperatura de 70 °C y prácticamente la misma presión que en el lado de entrada de la unidad de almacenamiento de energía térmica si la caída de presión a través de dicha unidad de almacenamiento de energía térmica es insignificante.

El tren compresor 101 puede ser accionado por una máquina eléctrica reversible 119 que se puede conectar selectivamente a la línea 109 de ejes a través de un primer embrague 121. La máquina eléctrica reversible 119 funciona en modo motor cuando hay un excedente de energía disponible de una red de distribución de energía eléctrica G. Por ejemplo, la máquina eléctrica reversible 119 puede funcionar en modo motor por la noche para que energía eléctrica procedente de la red G se convierta en energía térmica acumulada en la unidad de almacenamiento de energía térmica y en energía de presión almacenada en forma de aire comprimido en el dispositivo 117 de almacenamiento de aire comprimido. Cuando no hay energía disponible procedente de la red de distribución de energía eléctrica G, el primer embrague 121 puede desacoplarse y la máquina eléctrica reversible 119 puede permanecer en reposo.

Si se demanda más energía de la red de distribución de energía eléctrica G, la máquina eléctrica reversible 119 puede ponerse en modo generador y conectarse, a través de un segundo embrague 123, a una turbina 125 de expansión. Luego puede suministrase aire comprimido procedente del dispositivo 117 de almacenamiento de aire a la turbina 125 de expansión a través de la unidad de almacenamiento de energía térmica. El aire comprimido procedente de dispositivo 117 de almacenamiento de aire se calienta hasta por ejemplo 650 °C en la unidad de almacenamiento de energía térmica mediante el intercambio de calor con el medio de almacenamiento de calor de la unidad 113 de almacenamiento de energía térmica. El aire comprimido y calentado se expande en la turbina 125 de expansión, que convierte al menos parte de la energía disponible en el flujo de aire comprimido y calentado en energía mecánica útil, que acciona la máquina eléctrica reversible 119, produciendo así energía eléctrica que finalmente se inyecta en la red de distribución de energía eléctrica G.

Resumen de la invención

La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

El rendimiento de un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido se mejora al dividir la fase de compresión en un primer paso de compresión y un segundo paso de compresión. Cuando el sistema CAES se hace trabajar en modo de compresión de aire, se extrae calor del aire parcialmente comprimido después del primer paso de compresión y antes del segundo paso de compresión. El calor extraído del aire parcialmente comprimido se acumula en una unidad de almacenamiento de energía térmica, de la cual se recupera energía térmica cuando el sistema CAES se pone a trabajar en modo de producción de energía.

El enfriamiento intermedio de la corriente de aire entre dos compresores secuencialmente dispuestos puede omitirse y reemplazarse por una fase de extracción y almacenamiento de calor para que haya más energía térmica disponible para su reutilización posterior en el modo de producción de energía del sistema CAES.

La energía requerida para accionar los compresores se reduce con respecto a las disposiciones de la técnica actual.

En algunas realizaciones, todavía puede proporcionarse un enfriador intermedio, p. ej., entre compresores subsiguientemente dispuestos de una primera disposición compresora, en combinación con una unidad de almacenamiento de energía térmica dispuesta entre la primera disposición compresora y una segunda disposición compresora.

Por lo tanto, según algunas realizaciones, el objeto descrito en la presente descripción se refiere específicamente a un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que comprende: una primera disposición compresora para comprimir una corriente de aire; una unidad de almacenamiento de energía térmica, a través del cual aire comprimido procedente de la primera disposición compresora intercambia calor con un medio de acumulación de calor; un dispositivo de almacenamiento de aire dispuesto y configurado para recibir y acumular aire comprimido procedente de la unidad de almacenamiento de energía térmica; al menos una turbina de expansión para producir energía útil a partir del aire comprimido y calentado. El sistema comprende además una disposición compresora adicional situada entre la unidad de almacenamiento de energía térmica y el dispositivo de almacenamiento de aire. El medio de acumulación de calor puede ser cualquier dispositivo, sustancia, disposición o similar que sea capaz de acumular y almacenar energía térmica extraída del flujo de aire parcialmente comprimido y suministrar la energía térmica acumulada a una corriente de aire frío o similar. La turbina de expansión puede comprender una turbina de expansión de aire, en donde el aire comprimido y calentado se expande para producir energía mecánica. Una turbina de expansión también puede comprender una turbina de gas, en donde los gases de combustión generados por la combustión de aire comprimido y calentado mezclado con combustible. En general, salvo que se indique lo contrario, en el contexto de la presente descripción y de las reivindicaciones adjuntas, el término turbina de expansión se interpretará que quiere decir una máquina capaz de convertir al menos parte de la energía térmica y de presión de un flujo de fluido comprimible en energía mecánica útil mediante la expansión de dicho flujo.

En algunas realizaciones, el aire comprimido y calentado suministrado por la unidad de almacenamiento de energía térmica durante el modo de operación productor de energía del sistema CAES puede expandirse completamente en al menos una o más turbinas de expansión, que convierten la energía térmica y de presión del flujo de aire en energía mecánica útil sin el uso de combustible. La energía mecánica útil puede a su vez ser convertida en energía eléctrica por un generador eléctrico o una máquina eléctrica reversible. En este caso, el sistema CAES es un denominado sistema CAES adiabático o adiabático avanzado (sistema ACAES o AACAES, respectivamente).

En otras realizaciones, puede añadirse combustible a la corriente de aire comprimido y calentado, y la mezcla de aire y combustible puede encenderse para generar gases de combustión calientes y presurizados, que pueden expandirse en una o más turbinas para producir energía mecánica útil. También puede preverse una combinación de una o más turbinas de expansión de aire y una o más turbinas de gas. En la/s turbina/s de expansión de aire puede expandirse parcialmente aire caliente y presurizado, y el aire parcialmente expandido y todavía caliente puede mezclarse después con un combustible y encenderse para generar gases de combustión calientes y presurizados, que se expanden en una o más turbinas de gas.

En ambas situaciones pueden obtenerse ventajas en términos del rendimiento general del sistema mediante la disposición descrita en la presente descripción.

Según algunas realizaciones, la primera disposición compresora comprende una pluralidad de compresores secuencialmente dispuestos, sin ningún enfriador intermedio dispuesto entre los mismos. La segunda disposición compresora puede comprender uno o más compresores secuencialmente dispuestos. Entre el último compresor y el dispositivo de almacenamiento de aire comprimido puede disponerse un intercambiador de calor de seguridad. Se proporciona una primera máquina eléctrica para accionar la primera disposición compresora y se proporciona una segunda máquina eléctrica para accionar la disposición compresora adicional. Puede proporcionarse un dispositivo de manipulación de la velocidad para una de dichas máquinas eléctricas o para ambas.

Por ejemplo, en algunas realizaciones se puede proporcionar una caja de engranajes entre la primera máquina eléctrica y/o la segunda máquina eléctrica y al menos uno de los compresores de la primera disposición compresora o de la disposición compresora adicional.

En algunas realizaciones, puede proporcionarse un variador de frecuencia para una o ambas de dichas máquinas eléctricas para que pueda cambiarse la velocidad de rotación de las mismas, p. ej., dependiendo de las condiciones de funcionamiento, tales como la presión de aspiración y la de suministro.

En otras realizaciones que no forman parte de la presente invención puede usarse una sola máquina eléctrica para accionar todos los compresores del sistema hasta que se pongan a rotar. Puede proporcionarse una o varias cajas de engranajes adecuadas para modificar la velocidad de rotación de los compresores.

Al menos una de las máquinas eléctricas empleadas para accionar el/los primer/os compresor/es es una máquina eléctrica reversible, que puede conectarse de manera selectivamente accionable al/a los compresor/es o a la turbina de expansión. En otras realizaciones, pueden utilizarse máquinas eléctricas independientes para accionar respectivamente el /los compresor/es y convertir la energía mecánica generada por la turbina de expansión.

Según otro aspecto, la presente descripción también se refiere a un método para hacer funcionar un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que comprende los siguientes pasos:

comprimir parcialmente un flujo de aire a una primera presión;

quitarle calor al aire parcialmente comprimido y almacenar energía térmica;

comprimir aún más el aire parcialmente comprimido y enfriado a una segunda presión;

almacenar el aire aún más comprimido en un dispositivo de almacenamiento de aire.

El método comprende además los pasos de: calentar el aire comprimido y enfriado mediante energía térmica almacenada; y expandir el aire comprimido calentado en al menos una turbina de expansión y producir energía útil a partir del mismo.

Las características y realizaciones se desvelan a continuación y se explican además en las reivindicaciones adjuntas, que forman parte integrante de la presente descripción. La breve descripción anterior explica características de las diversas realizaciones de la presente invención con el fin de que la siguiente descripción detallada pueda entenderse mejor y de que las presentes contribuciones a la técnica puedan apreciarse mejor. Evidentemente, hay otras características de la invención que se describirán a continuación y que se explicarán en las reivindicaciones adjuntas. En este sentido, antes de explicar diversas realizaciones de la invención en detalle, se entiende que las diversas realizaciones de la invención no se limitan en su aplicación a los detalles de la construcción y a las disposiciones de los componentes explicados en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. La invención es susceptible de otras realizaciones y de practicarse y llevarse a cabo de diversas maneras. Además, se entenderá que la fraseología y terminología empleadas en este documento tienen fines descriptivos y no se interpretarán como limitativas.

Como tal, los expertos en la técnica apreciarán que la concepción, en la que se basa la divulgación, puede utilizarse fácilmente como base para diseñar otras estructuras, métodos y/o sistemas para llevar a cabo los diversos objetos de la presente invención. Por lo tanto, es importante considerar que las reivindicaciones incluyen estas estructuras equivalentes, siempre que las mismas no se aparten del alcance de la presente invención.

Breve descripción de los dibujos

Una apreciación más completa de las realizaciones desveladas de la invención y muchas de sus ventajas relacionadas se obtendrá fácilmente a medida que la misma se entienda mejor por referencia a la siguiente descripción detallada al considerarse en relación con los dibujos adjuntos, en donde:

La Fig. 1 ilustra esquemáticamente un sistema ACAES o AACAES según la técnica actual;

la Fig. 2 ilustra esquemáticamente un sistema ACAES según la presente descripción;

las Figs. 3, 4 y 5 ilustran esquemáticamente tres realizaciones ilustrativas de los trenes compresores empleados en el sistema ACAES según la presente descripción.

Descripción detallada de realizaciones de la invención

La siguiente descripción detallada de las realizaciones ejemplares se refiere a los dibujos adjuntos. Los mismos números de referencia en diferentes dibujos identifican elementos idénticos o similares. De manera adicional, los dibujos no están necesariamente dibujados a escala. Además, la siguiente descripción detallada no limita la invención. En lugar de ello, el alcance de la invención queda definido por las reivindicaciones adjuntas.

En la memoria descriptiva, las referencias a “una realización” o “algunas realizaciones” significan que el elemento, estructura o característica particular descritos en relación con una realización están incluidos en al menos una realización del objeto descrito. Por lo tanto, la utilización de la expresión “en una realización” o “en algunas realizaciones” en varias partes de la memoria descriptiva no se refiere necesariamente a la misma realización o realizaciones. Además, los elementos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier forma adecuada en una o más realizaciones.

En la siguiente descripción se describirán realizaciones del objeto en relación con sistemas ACAES o AACAES. Debe entenderse, sin embargo, que las ventajas aportadas por el objeto descrito en la presente memoria pueden también obtenerse cuando se utiliza en un sistema CAES donde el aire comprimido se expande parcialmente y se mezcla posteriormente con combustible para producir gases de combustión comprimidos que se expanden en una turbina de gas para producir energía útil adicional.

Haciendo referencia a la Fig. 2, en ella se muestra esquemáticamente una realización ilustrativa de un sistema ACAES según la presente descripción, pero que no entra dentro del alcance de la invención reivindicada, el cual aparece marcado como 1 en su totalidad. El sistema ACAES 1 puede comprender un compresor o un tren compresor 3 que comprime aire ambiente utilizando un excedente de energía eléctrica disponible procedente de una red de distribución de energía eléctrica G.

En algunas realizaciones, el tren compresor 3 comprende una pluralidad de compresores secuencialmente dispuestos 5, 7 y 9. En otras realizaciones, no mostradas, puede proporcionarse un solo compresor. En otras realizaciones más, tal como se analizará más adelante, puede proporcionarse más de un tren compresor 3 en paralelo para procesar un mayor flujo de aire.

Los compresores 5, 7 y 9 pueden estar conectados por una sola línea 11 de ejes.

El primer compresor 5 aspira aire ambiente, lo procesa y comprime hasta un primer valor de presión y luego lo suministra al segundo compresor 7 sin un enfriamiento intermedio. El segundo compresor 7 procesa la corriente de aire hasta un segundo valor de presión y entrega la corriente de aire comprimido a la entrada del tercer compresor 9 sin un enfriamiento intermedio. En el tren puede proporcionarse un número diferente de compresores, por ejemplo, dos o más de tres compresores o etapas de compresor. En cualquier caso, preferiblemente no se proporciona ningún enfriador intermedio entre compresores secuencialmente dispuestos del tren compresor 3.

En la Fig. 2 se indican los valores de presión y de temperatura ilustrativos en el lado de aspiración y en el lado de suministro de cada compresor 5, 7 y 9. Se entenderá que estos valores son meramente ilustrativos y que no limitan el alcance de la presente descripción.

El aire de entrada puede estar a una temperatura de 150C y a una presión de 1 bar (absoluta) y, en algunas realizaciones, saldrá del primer compresor 5 a 250 °C y a una presión de, p. ej., aproximadamente 7 bar. Las condiciones de entrada de aire en el lado de aspiración del segundo compresor 7 son sustancialmente las mismas que en el lado de suministro del primer compresor 5. El aire que sale del segundo compresor 7 puede tener una presión de alrededor de 26-27 bar, p. ej., 26,8 bar, y a una temperatura de alrededor de 500-550 °C, por ejemplo, 534 °C. En el último compresor 9, la presión de aire se incrementa hasta aproximadamente 40-45 bar, p. ej., aproximadamente 42,5 bar, y el aire tendrá una temperatura de alrededor de 600-680 °C, p. ej., aproximadamente 650 °C.

El sistema ACAES 1 comprende además una unidad 13 de almacenamiento de energía térmica a través de la cual circula la corriente de aire comprimido suministrada por el tren compresor 3. La unidad 13 de almacenamiento de energía térmica puede contener un medio de almacenamiento térmico, por ejemplo, un medio de almacenamiento térmico sólido o líquido o un medio de almacenamiento térmico que experimenta un cambio de fase, p. ej., de sólido a líquido, acumulando así el calor de licuefacción latente.

El aire se entrega en un lado de salida de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica a sustancialmente la misma presión alcanzada en el lado de suministro del último compresor 9 o a una presión ligeramente menor, debido a la caída de presión a lo largo de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica. Debido a la extracción de calor del flujo de aire comprimido, la temperatura del aire suministrado por la unidad 13 de almacenamiento de entrada térmica es sustancialmente menor que la temperatura en el lado de suministro del compresor 9. A modo de ejemplo únicamente, el flujo de aire que sale de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica puede tener una temperatura de alrededor de 70-90 0C, p. ej., aproximadamente 80 °C, y a una presión de alrededor de 40-45 bar, p. ej., aproximadamente 42 bar.

Aguas abajo de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica se proporciona una disposición compresora adicional 15. En la representación esquemática de la Fig. 2, la disposición compresora adicional 15 está accionada por un motor eléctrico 16 aparte. El aire que sale de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica es aspirado por la disposición compresora adicional 15 y suministrado a un dispositivo de almacenamiento de aire, tal como una caverna o similar, que se muestra esquemáticamente como 17.

En algunas realizaciones, entre el lado de suministro de la disposición compresora adicional 15 y el dispositivo 17 de almacenamiento de aire puede disponerse un enfriador 19 de seguridad.

En la Fig. 2 se indican los valores de presión y de temperatura ilustrativos de la corriente de aire suministrada por la disposición compresora adicional 15. En algunas realizaciones se puede alcanzar una presión de alrededor de 60-70 bar, p. ej., aproximadamente 65 bar, mientras que la temperatura del aire puede aumentarse hasta alrededor de 110-1300C, p. ej., aproximadamente 1200C, en el lado de suministro de la disposición compresora adicional 15. Después de enfriarse en el enfriador 19 de seguridad, el flujo de aire tendrá una temperatura de alrededor de 40-60 0C, p. ej., aproximadamente 50 °C.

El sistema AACAES 1 de la Fig. 2 comprende además al menos una turbina 21 de expansión, en donde el aire comprimido y calentado puede expandirse para producir energía mecánica útil durante el día. La turbina 21 de expansión puede ponerse en comunicación continua con el dispositivo 17 de almacenamiento de aire a través de un conducto 31 de aire comprimido.

En algunas realizaciones, una sola máquina eléctrica reversible 23 puede acoplarse selectivamente a la línea 11 de ejes del tren compresor 3 y a un eje 25 de la turbina 21 de expansión. Puede proporcionarse un primer embrague 27 para conectar la máquina eléctrica reversible 23 a la línea 11 de ejes. Puede proporcionarse una segunda disposición 29 de embrague para conectar accionablemente la turbina 21 de expansión a la máquina eléctrica reversible 23.

El sistema AACAES 1 descrito hasta ahora funciona de la siguiente manera.

Si hay un excedente de energía eléctrica disponible de la red de distribución de energía eléctrica G, la máquina eléctrica reversible 23 se pone en modo motor y se hace funcionar para accionar el tren compresor 3 acoplando el primer embrague 27. También se utiliza energía eléctrica procedente de la red G para accionar el motor 16. Por lo tanto, el aire ambiente es comprimido secuencialmente por los primer, segundo y tercer compresores 5, 7 y 9 del tren compresor 3 y es suministrado a través de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica, donde el calor se extrae del flujo de aire comprimido. El aire enfriado que sale de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica se comprime más en la disposición compresora adicional 15, se enfría en el enfriador 19 de seguridad y se almacena a alta presión en el dispositivo 17 de almacenamiento de aire.

Cuando se haya alcanzado la presión máxima en el dispositivo 17 de almacenamiento de aire y/o si no hay energía disponible de la red de distribución de energía eléctrica G, la máquina eléctrica reversible 23 y el motor eléctrico 16 se detendrán y podrá desacoplarse el primer embrague 27 .

Si la red de distribución de energía eléctrica G necesita energía suplementaria, habrá energía de presión disponible en el dispositivo 17 de almacenamiento de aire y habrá energía térmica disponible en la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica, la máquina eléctrica reversible 23 podrá ponerse en modo generador y podrá acoplarse el embrague 29. El aire comprimido procedente del dispositivo 17 de almacenamiento de aire circula a través de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica, se calienta aprovechando la energía térmica acumulada en la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica y, finalmente, se suministra a la turbina 21 de expansión. Puede proporcionarse una línea 18 de suministro de aire comprimido para suministrar aire comprimido del dispositivo 17 de almacenamiento de aire a la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica.

La turbina 21 de expansión convierte energía procedente del flujo de aire comprimido y calentado en energía mecánica disponible en el eje 25 que, a través del embrague 29, acciona la máquina eléctrica reversible 23, que está funcionando en modo generador, para que la energía mecánica finalmente se convierta en energía eléctrica y se inyecte en la red de distribución de energía eléctrica G.

En otras realizaciones, no mostradas, pueden proporcionarse dos máquinas eléctricas diferentes para accionar el tren compresor 3 y para convertir la energía mecánica de la turbina 21 de expansión en energía eléctrica útil. En ese caso, pueden omitirse los embrague 27 y 29. A la línea 11 de ejes puede conectarse establemente una primera máquina eléctrica que funciona continuamente en modo motor y al eje 25 de la turbina 21 de expansión puede conectarse establemente una segunda máquina eléctrica que funciona continuamente en modo generador.

La Fig. 3 ilustra esquemáticamente más detalles de una realización posible de las disposiciones compresoras del sistema ACAES 1 de la Fig. 2; esta realización no entra dentro del alcance de la invención reivindicada. Los mismos números de referencia indican componentes iguales a los ilustrados en la Fig. 2.

En la realización ilustrada en la Fig. 3, se proporciona un dispositivo de manipulación de velocidad, p. ej., una caja 35 de engranajes, entre la máquina eléctrica reversible 23 y la línea 11 de ejes. La caja 35 de engranajes proporciona la relación de transmisión correcta entre la máquina eléctrica 23 y la línea 11 de ejes.

En algunas realizaciones, tal y como se muestra a modo de ejemplo en la Fig. 3, el motor eléctrico 16 que acciona la disposición compresora adicional 15 puede dotarse de un variador 37 de frecuencia, que puede modificar la frecuencia de corriente alterna de la red de distribución de energía eléctrica G para que la velocidad de rotación del motor eléctrico 16 y, por tanto, la velocidad de rotación de la disposición compresora adicional 15 puedan ajustarse para que estén dentro de un rango bastante amplio según las condiciones de funcionamiento del sistema.

En otras realizaciones, no mostradas, la máquina eléctrica reversible 23 también puede estar impulsada por un variador de frecuencia. En algunas realizaciones puede omitirse la caja de engranajes u otro dispositivo 35 de manipulación de velocidad.

En las realizaciones ilustrativas de las Figs. 2 y 3, la disposición compresora adicional 15 está accionada por un motor eléctrico 16 aparte, distinto de la máquina eléctrica reversible 23 que acciona el tren compresor 3. Sin embargo, esto no es obligatorio y no debe considerarse como una característica limitante de la presente descripción.

A modo de ejemplo, en la Fig. 4 se muestra otra realización que no entra dentro del alcance de la invención reivindicada, en donde se emplea una sola máquina eléctrica para accionar todo el conjunto de compresores, a saber, los compresores 5, 7 y 9 que forman el tren compresor 3, así como la disposición compresora adicional 15. En la realización ilustrativa de la Fig- 4 se proporciona una máquina eléctrica reversible 23 a tal fin y el motor eléctrico 16 puede omitirse. Puede proporcionarse una disposición de doble embrague comprendida del primer embrague 27 y el segundo embrague 29 para conectar selectivamente la máquina eléctrica reversible 23 a la disposición compresora 3, 15 y a la turbina 21 de expansión. En otras realizaciones, tal y como se mencionó anteriormente, la máquina eléctrica 23 puede hacerse funcionar en modo motor solamente y puede utilizarse para accionar los compresores, mientras que un generador eléctrico aparte está conectado a la turbina 21 de expansión para convertir la energía mecánica generada por la turbina 21 de expansión en energía eléctrica. En ese caso, se omitiría el embrague 29. También podría omitirse el embrague 27, y el motor 23 podría estar conectado permanentemente a la línea de ejes de los compresores.

Además, con referencia a la Fig. 4, en algunas realizaciones se puede proporcionar una primera caja de engranajes, u otro dispositivo 35 de manipulación de velocidad, entre la máquina eléctrica 23 y el tren compresor 3. En algunas realizaciones se puede proporcionar una caja de engranajes adicional, u otro dispositivo 36 de manipulación de velocidad, entre el tren compresor 3 y la disposición compresora adicional 15. De esta manera, el tren compresor 3 puede rotar a una velocidad de rotación distinta de la velocidad de rotación de la disposición compresora adicional 15.

En otras realizaciones, no mostradas, el motor 23 o la máquina eléctrica reversible 23 pueden accionarse a través de un variador de frecuencia, tal como el variador de frecuencia 37 mostrado en la Fig. 3. Esto permitiría modificar la velocidad de rotación de la máquina eléctrica reversible o del motor 23 según fuese necesario dentro de un rango bastante amplio. Podrían omitirse una o ambas cajas 25 y 37 de engranajes. En algunas realizaciones, la máquina eléctrica reversible 23 puede ser accionada por un variador 37 de frecuencia a una velocidad correspondiente a la velocidad de rotación del tren compresor 3, mientras que se conserva la caja 36 de engranajes para que la disposición compresora adicional 15 pueda accionarse a una velocidad de rotación distinta de la velocidad de rotación de la máquina eléctrica 23 y del tren compresor 3.

La Fig. 5 ilustra una realización de las disposiciones compresoras, según la invención reivindicada, que puede emplearse en el sistema ACAES 1 de la Fig. 2.

En esta realización se proporcionan tres trenes compresores diferentes 3A, 3B y 3C. Cada tren compresor 3A, 3B o 3C puede consistir en una pluralidad de compresores, por ejemplo, tres compresores. En la Fig. 5, el tren compresor 3A comprende unos compresores 5A, 7A y 9A; el tren compresor 3B comprende unos compresores 5B, 7B y 9B; el tren compresor 3C comprende unos compresores 5C, 7C y 9C. Los tres trenes compresores pueden disponerse en paralelo, es decir, el lado de suministro de los compresores 9A, 9B y 9C más aguas abajo pueden conectarse entre sí para suministrar una sola corriente de aire comprimido a través de la unidad 13 de almacenamiento de energía térmica.

Cada tren compresor 3A, 3B y 3C comprende un motor eléctrico o una máquina eléctrica reversible 23A, 23B y 23C, respectivamente. Puede proporcionarse un embrague 27A, 27B y 27C para conectar cada motor eléctrico o máquina eléctrica reversible 23A-23C a la respectiva línea 11A, 11B de ejes y 11 C del respectivo tren compresor 3A-3C.

En algunas realizaciones, pueden proporcionarse cajas de engranajes u otros dispositivos 35A, 35B y 35C de manipulación de velocidad entre cada motor eléctrico o máquina eléctrica reversible 23A-23C y la línea 11A-11C de ejes respectiva de cada tren compresor 3A-3C.

Una, dos o todas las máquinas eléctricas reversibles 23A-23C pueden conectarse selectivamente a través de los respectivos segundos embragues 29A-29C a unas respectivas turbinas de expansión (no mostradas) similares a la turbina 21 de expansión.

En otras realizaciones, las máquinas eléctricas 23A-23C pueden hacerse funcionar solamente en modo motor, y uno o más generadores eléctricos pueden conectarse a una o más turbinas de expansión a efectos de conversión de energía. En algunas realizaciones se pueden proporcionar una sola turbina de expansión y un solo generador para procesar el aire comprimido caliente y producir energía mecánica útil a partir del mismo.

En otras realizaciones, no mostradas, las máquinas eléctricas 23A, 23B y 23C pueden ser accionadas por un variador de frecuencia para ajustar su velocidad de rotación según las condiciones de funcionamiento.

Una única disposición compresora adicional 15, que a su vez puede incluir un único compresor o un tren compresor, se combina con los tres trenes compresores 3A-3C. Al igual que en la realización de la Fig. 3, se proporciona un motor eléctrico 16 aparte para accionar la disposición compresora adicional 15. En algunas realizaciones, el motor eléctrico 16 puede ser accionado por un variador de frecuencia, tal y como ya se ha descrito en relación con la Fig. 3.

Las novedosas disposiciones descritas anteriormente mejoran el rendimiento total del sistema ACAES con respecto a sistemas similares de la técnica actual. Más concretamente, tal y como se explicará mediante el siguiente ejemplo, en las mismas condiciones de flujo de aire y si se alcanza la misma temperatura del medio de almacenamiento de energía térmica y la misma presión de aire en el dispositivo de almacenamiento de aire, el consumo total de energía de un sistema según la presente descripción es menor que el consumo de energía del sistema según la técnica actual.

Ejemplo:

La ventaja en términos de rendimiento global del sistema puede apreciarse mejor comparando el rendimiento de un sistema AACAES según la Fig. 1 (estado de la técnica) con el rendimiento de un sistema según la Fig. 2 en el que se utiliza la misma turbomaquinaria.

Un sistema ACAES según la Fig. 1 que utiliza los siguientes compresores:

compresor 103: Compresor axial de 6 etapas

compresor 105: MCL 805

compresor 107: BCL605

con un flujo de aire de 101.5 Kg/s necesitará una potencia de 75,87 MW en el punto medio de compresión, es decir, un punto medio entre el comienzo de la compresión y el final de la compresión; correspondiendo dicho punto con el punto de diseño de los compresores usados. Cabe señalarse que mientras el sistema ACAES está funcionando en la fase de compresión, la presión de descarga de cada compresor varía desde el valor inicial hasta un valor final, correspondiendo a una condición en la que se ha alcanzado la presión máxima en la caverna 17.

En un sistema según la Fig. 2 en el que se emplean los siguientes compresores:

compresor 5: Compresor axial de 6 etapas

compresor 7: MCL 805

compresor 9: BCL603

compresor 15: BCL351

con un flujo de aire de 101,5 Kg/s necesitará una potencia de 73,17 MW en el punto medio de compresión.

Por lo tanto, el sistema según la presente descripción tiene un consumo que es 2,7 bar menor que el del sistema de la técnica anterior. Además, se elimina el enfriador 111 intermedio de aire/aire, lo que reduce el coste del sistema y el espacio ocupado por el mismo.

Aunque las realizaciones descritas del objeto descrito en la presente descripción se han mostrado en los dibujos y se han descrito anteriormente en su totalidad con particularidad y en detalle en relación con diversas realizaciones ilustrativas, resultará evidente para los expertos en la técnica que son posibles numerosas modificaciones, cambios y omisiones sin apartarse sustancialmente de las nuevas enseñanzas, de los principios y de los conceptos descritos en la presente descripción, ni de las ventajas del objeto descrito en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que comprende: una primera disposición compresora (3) para comprimir una corriente de aire; una unidad (13) de almacenamiento de energía térmica, donde intercambia calor con un medio de acumulación de calor mediante el aire comprimido procedente de la primera disposición compresora (3); un dispositivo (17) de almacenamiento de aire dispuesto y configurado para recibir y acumular aire comprimido procedente de la unidad (13) de almacenamiento de energía térmica; al menos un turbina (21) de expansión, distinta de la primera disposición compresora (3) para recibir aire comprimido procedente del dispositivo (17) de almacenamiento de aire y producir energía útil a partir del mismo; en donde una disposición compresora adicional (15) distinta de la al menos un turbina (21) de expansión está situada entre dicha unidad (13) de almacenamiento de energía térmica y dicho dispositivo (17) de almacenamiento de aire;

caracterizado por que la primera disposición compresora (3) comprende una pluralidad de trenes compresores (3A, 3B, 3C), comprendiendo cada tren compresor al menos un compresor (5A, 7A, 9A, 5B, 7B, 9B, 5C, 7C, 9C) y al menos una máquina eléctrica (23A, 23B, 23C) que acciona el/los compresor/es relevante/s para que roten; siendo al menos una de dichas máquinas eléctricas una máquina eléctrica reversible y funcionando como un generador eléctrico cuando el sistema funciona en modo de generación de energía eléctrica; y en donde una máquina eléctrica adicional (16) acciona dicha disposición compresora adicional (15) para que rote.
2. El sistema de la reivindicación 1, en donde un conducto de suministro de aire comprimido conecta el dispositivo (17) de almacenamiento de aire con dicha al menos una turbina (21) de expansión, estando dicho conducto de suministro de aire comprimido en relación de intercambio de calor con la unidad (13) de almacenamiento de energía térmica, de manera que el aire comprimido procedente del dispositivo (17) de almacenamiento de aire recibe calor del medio de acumulación de calor antes de entrar en la turbina (21) de expansión.
3. El sistema de la reivindicación 1 o 2, que comprende además: una cámara de combustión dispuesta para recibir aire parcialmente expandido de dicha al menos una turbina (21) de expansión y un combustible y para producir gases de combustión comprimidos; y una turbina de gas que recibe dichos gases de combustión y dispuesta para expandir dichos gases de combustión y producir energía útil con los mismos.
4. El sistema de la reivindicación 1, 2 o 3, en donde un enfriador de seguridad está dispuesto entre la disposición compresora adicional (15) y el dispositivo (17) de almacenamiento de aire.
5. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera disposición compresora (3) comprende una pluralidad de compresores secuencialmente dispuestos (5, 7, 9), sin un enfriador intermedio dispuesto entre los mismos.
6. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se proporciona una disposición (27, 29) de embrague para conectar de manera mecánicamente selectiva la primera máquina eléctrica (23) a la primera disposición compresora (3) y a dicha al menos una turbina (21) de expansión.
7. El sistema de la reivindicación 6, en donde un dispositivo (35) de manipulación de velocidad está dispuesto entre la primera máquina eléctrica (23) y la primera disposición compresora (3).
8. El sistema de la reivindicación 6 o 7, que comprende además un variador (37) de frecuencia que controla dicha segunda máquina eléctrica (16) a una velocidad variable.
9. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada tren compresor (3A, 3B, 3C) comprende al menos un dispositivo (35A, 35B, 35C) de manipulación de velocidad dispuesto entre la máquina eléctrica pertinente y una línea de ejes que acciona los compresores del tren compresor pertinente para que roten.
10. El sistema de la reivindicación 9, en donde un segundo dispositivo de manipulación de velocidad está dispuesto entre la única máquina eléctrica (16) y la disposición compresora adicional (15).
11. Un método para hacer funcionar un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que comprende los siguientes pasos:

comprimir una corriente de aire por medio de una primera disposición compresora (3) a una primera presión;

hacer circular aire comprimido a dicha primera presión a través de una unidad (13) de almacenamiento de energía térmica para extraer calor del aire comprimido y almacenar energía térmica en dicha unidad de almacenamiento de energía térmica;

comprimir aún más el aire comprimido y enfriado procedente de la unidad (13) de almacenamiento de energía térmica a una segunda presión;

almacenar el aire aún más comprimido en un dispositivo (17) de almacenamiento de aire; suministrar aire comprimido procedente del dispositivo (17) de almacenamiento de aire a través de la unidad (13) de almacenamiento de energía térmica y calentar el aire comprimido por medio de energía térmica procedente de la unidad (13) de almacenamiento de energía térmica y expandir el aire comprimido calentado en al menos una turbina (21) de expansión distinta de la primera disposición compresora (3) y producir energía útil a partir del mismo;

caracterizado por que la primera disposición compresora (3) comprende una pluralidad de trenes compresores (3A, 3B, 3C), comprendiendo cada tren compresor al menos un compresor (5A, 7A, 9A, 5B, 7B, 9B, 5C, 7C, 9C) y al menos una máquina eléctrica (23A, 23B, 23C) que acciona el/los compresor/es relevante/s para que roten; siendo al menos una de dichas máquinas eléctricas una máquina eléctrica reversible y funcionando como un generador eléctrico cuando el sistema funciona en modo de generación de energía eléctrica; y en donde una máquina eléctrica adicional (16) acciona dicha disposición compresora adicional (15) para que rote.