ES2919173T3 - Método de almacenamiento de energía - Google Patents

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Abstract

Un aparato de almacenamiento de energía que comprende un primer circuito fluídico que contiene un material de cambio de primera fase, el primer circuito fluídico que incluye un primer recipiente de almacenamiento y un primer expansor, y un segundo circuito fluídico que contiene un segundo material de cambio de fase que tiene un punto de ebullición mayor que un punto de ebullición Del primer material de cambio de fase, el segundo circuito fluídico que incluye un segundo recipiente de almacenamiento y un segundo expansor. El aparato de almacenamiento de energía comprende además una bomba de calor que tiene un intercambiador de calor del lado frío acoplado térmicamente al primer circuito fluídico y un intercambiador de calor lateral caliente acoplado térmicamente al segundo circuito fluídico. El aparato es operable en modo de carga, un modo de almacenamiento después del modo de carga y un modo de descarga después del modo de almacenamiento. En el modo de carga, la bomba de calor está energizada para enfriar el material de cambio de primera fase y calentar el material de cambio de segunda fase. En el modo de almacenamiento, el material de cambio de fase se almacena en el primer recipiente de almacenamiento y el material de cambio de segunda fase se almacena como un vapor presurizado en el segundo recipiente de almacenamiento. En el modo de descarga, el primer expansor se expande el material de cambio de primera fase vaporizado y/o el material de cambio de segunda fase vaporizado es expandido por el segundo expansor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de almacenamiento de energía
Esta invención se refiere a un método de almacenamiento de energía y, más particularmente, a un método de almacenamiento de energía que utiliza almacenamiento de energía térmica.
Antecedentes
En el campo de la generación de electricidad, a menudo hay un desajuste entre el suministro de electricidad y la demanda de electricidad en un momento dado.
Como un ejemplo, a menudo es más eficiente hacer funcionar las centrales eléctricas de forma continua en lugar de hacerlas funcionar de forma intermitente para satisfacer la demanda. Sin embargo, dado que la demanda de energía eléctrica fluctúa continuamente (particularmente durante la noche, cuando la demanda puede descender significativamente), el suministro de energía eléctrica de la central eléctrica puede exceder con frecuencia el nivel de demanda. Como otro ejemplo, los generadores de energía renovable a menudo producen niveles fluctuantes de energía debido a la naturaleza impredecible y cambiante de las fuentes renovables (por ejemplo, energía eólica, energía undimotriz, intensidad solar, etc.) y esta producción dependiente del tiempo rara vez coincide con la demanda. Por lo tanto, existe la necesidad de sistemas de almacenamiento de energía que puedan utilizarse para almacenar la energía producida por los generadores de electricidad (por ejemplo, cuando la demanda de dicha energía es baja) y, posteriormente, ser capaces de convertir la energía almacenada nuevamente en energía eléctrica (por ejemplo, cuando incrementa la demanda).
Se conocen varios sistemas de almacenamiento de energía y estos incluyen sistemas que convierten la energía eléctrica en energía térmica que posteriormente se almacena para su uso posterior.
Los sistemas de almacenamiento de energía pueden ser construidos y operados preferiblemente a bajos costes y, además, preferiblemente incurrir en bajas pérdidas de energía para que la energía descargada después del almacenamiento no sea significativamente inferior que la energía original introducida en el sistema.
El documento EP2653670 describe un sistema que tiene un almacenamiento de calor y un almacenamiento en frío, donde el almacenamiento de calor libera el calor almacenado a una línea en un circuito de descarga para un medio de trabajo. Las unidades están conectadas entre sí por la línea en el circuito de descarga.
Es un objeto de la presente invención proporcionar un aparato de almacenamiento de energía comercialmente viable.
Breve resumen de la divulgación
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un método de funcionamiento de un almacenamiento de energía como se define en la reivindicación 1, que comprende en particular:
proporcionar un aparato de almacenamiento de energía que comprende: un primer circuito fluídico que contiene un primer material con cambio de fase, el primer circuito fluídico que incluye un primer recipiente de almacenamiento y un primer expansor; un segundo circuito fluídico que contiene un segundo material con cambio de fase que tiene un punto de ebullición superior a un punto de ebullición del primer material con cambio de fase, el segundo circuito fluídico incluye un segundo recipiente de almacenamiento y un segundo expansor; y una bomba de calor que tiene un intercambiador de calor del lado frío acoplado térmicamente al primer circuito fluídico y un intercambiador de calor del lado caliente acoplado térmicamente al segundo circuito fluídico;
hacer funcionar el aparato de almacenamiento de energía en un modo de carga energizando la bomba de calor para enfriar el primer material con cambio de fase y calentar el segundo material con cambio de fase;
hacer funcionar el aparato de almacenamiento de energía en un modo de almacenamiento almacenando el primer material con cambio de fase en el primer recipiente de almacenamiento y almacenando el segundo material con cambio de fase como un vapor presurizado en el segundo recipiente de almacenamiento; y
hacer funcionar el aparato de almacenamiento de energía en un modo de descarga vaporizando el primer material con cambio de fase condensado y expandiendo el primer material con cambio de fase vaporizado en el primer expansor, y/o expandir el segundo material con cambio de fase vaporizado en el segundo expansor.
El paso de hacer funcionar el aparato de almacenamiento de energía en el modo de carga puede incluir energizar la bomba de calor para condensar el primer material con cambio de fase. El paso de hacer funcionar el aparato de almacenamiento de energía en el modo de almacenamiento puede incluir almacenar el primer material con cambio de fase condensado como un líquido o un sólido en el primer recipiente de almacenamiento. El paso de hacer funcionar el aparato de almacenamiento de energía en el modo de carga puede incluir energizar la bomba de calor para vaporizar el segundo material con cambio de fase.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones de la invención se describen más adelante con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una representación esquemática de un aparato de almacenamiento de energía de acuerdo con una realización de la presente invención; y
La Figura 2 es una representación esquemática de un método de funcionamiento de un aparato de almacenamiento de energía de acuerdo con una realización de la presente invención.
Descripción detallada
Un aparato 10 de almacenamiento de energía de acuerdo con una realización de la presente invención se muestra esquemáticamente en la Figura 1. El aparato 10 de almacenamiento de energía incluye un primer circuito 12 fluídico, un segundo circuito 14 fluídico y una bomba 16 de calor.
El primer circuito 12 fluídico incluye un primer recipiente 20 de almacenamiento, un primer expansor 22 y un primer volumen 24 de vapor entre una salida del primer expansor 22 y una entrada del primer recipiente 20 de almacenamiento. El primer volumen 24 de vapor puede ser un recipiente específico colocado en el primer circuito 12 fluídico o puede ser simplemente un conducto que conecta la salida del primer expansor 22 con la entrada del primer recipiente 20 de almacenamiento.
De manera similar, el segundo circuito 14 fluídico incluye un segundo recipiente 28 de almacenamiento, un segundo expansor 30 y un segundo volumen 32 de vapor entre una salida del segundo expansor 30 y una entrada del segundo recipiente 28 de almacenamiento. El segundo volumen 32 de vapor puede ser un recipiente específico colocado en el primer circuito 14 fluídico o puede ser simplemente un conducto que conecta la salida del segundo expansor 30 con la entrada del segundo recipiente 28 de almacenamiento.
El primer expansor 22 y el segundo expansor 30 pueden ser cada uno cualquier aparato adecuado que sea capaz de expandir un gas para producir trabajo mecánico. En ciertas realizaciones, el primer expansor 22 y el segundo expansor 30, o cada uno de ellos, puede ser un generador expansor que expande un gas para producir trabajo mecánico que posteriormente se convierte en energía eléctrica. En otras realizaciones, el trabajo mecánico producido por uno o cada uno del primer expansor 22 y el segundo expansor 30 puede ser utilizado para otros fines (por ejemplo, accionar mecánicamente otro componente). Los ejemplos de expansores adecuados que pueden utilizarse de acuerdo con las realizaciones de la presente invención incluyen, pero no se limitan a, expansores de voluta, expansores de tornillo, turbinas, turboexpansores, turbinas Tesla, motores alternativos y pistones.
La bomba 16 de calor comprende un intercambiador 16a de calor del lado frío que está acoplado térmicamente al primer circuito 12 fluídico y un intercambiador 16b de calor del lado caliente que está acoplado térmicamente al segundo circuito 14 fluídico.
El primer circuito 12 fluídico contiene un primer material con cambio de fase, y el segundo circuito 14 fluídico contiene un segundo material con cambio de fase donde el punto de ebullición del segundo material con cambio de fase es superior a el punto de ebullición del primer material con cambio de fase para una presión dada. Los materiales con cambio de fase primero y segundo pueden ser cada uno un material que cambia de fase en respuesta a un cambio de temperatura y/o presión a medida que el material pasa a lo largo del respectivo circuito 12, 14 fluídico. En particular, en ciertas realizaciones, uno o ambos materiales con cambio de fase primero y segundo pueden estar en fase sólida, fase líquida o fase gaseosa en varias etapas alrededor del respectivo circuito 12, 14 fluídico. En otras realizaciones, uno o ambos materiales con cambio de fase primero y segundo pueden estar solo en fase líquida o fase gaseosa en varias etapas alrededor del respectivo circuito 12, 14 fluídico. Las propiedades adecuadas y deseables de los materiales con cambio de fase primero y segundo se analizan más adelante.
La bomba 16 de calor es energizable, por ejemplo, por energía eléctrica, a través de la entrada 18 de energía para enfriar el primer material con cambio de fase contenido en el primer volumen 24 de vapor y calentar el segundo material con cambio de fase en el segundo recipiente 28 de almacenamiento. Para lograr esto de manera óptima, el intercambiador 16a de calor del lado frío de la bomba 16 de calor puede estar acoplado térmicamente al primer volumen 24 de vapor y/o el intercambiador 16b de calor del lado caliente de la bomba 16 de calor puede estar acoplado térmicamente al segundo recipiente 28 de almacenamiento. A pesar de estar inicialmente en el primer volumen 24 de vapor, el primer material con cambio de fase puede estar en cualquier estado (es decir, sólido, líquido o gaseoso) cuando se energiza la bomba 16 de calor.
La Figura 2 muestra una representación esquemática de un método 38 de funcionamiento del aparato 10 de almacenamiento de energía de acuerdo con una realización de la presente invención. Como se ilustra en la Figura 2, el aparato 10 de almacenamiento de energía puede funcionar en tres modos distintos, a saber, un modo 40 de carga, un modo 42 de almacenamiento y un modo 44 de descarga. En ciertas realizaciones, el modo 42 de almacenamiento puede estar en funcionamiento durante un período de tiempo corto o incluso instantáneo, de tal modo que el aparato 10 de almacenamiento de energía puede funcionar efectivamente en el modo 44 de descarga inmediatamente después (o muy poco después) del modo 40 de carga.
En el modo 40 de carga, la bomba 16 de calor se energiza (introduciendo energía eléctrica a través de la entrada 18 de energía) enfriando así el primer material con cambio de fase en el primer volumen 24 de vapor. El primer material con cambio de fase enfriado puede fluir o desplazarse de otra manera al primer recipiente 20 de almacenamiento debido a la gravedad. Por ejemplo, el enfriamiento puede hacer que el primer material con cambio de fase se condense y/o se congele y se desplace hasta el primer recipiente 20 de almacenamiento. El calor extraído del primer material con cambio de fase por la bomba 16 de calor y el calor generado por la propia bomba 16 de calor hacen que el segundo material con cambio de fase en el segundo recipiente 28 de almacenamiento se vaporice (si inicialmente está en fase sólida o líquida) y se presurice el segundo recipiente 28 de almacenamiento. En un ejemplo donde el segundo material con cambio de fase ya está en fase gaseosa cuando se energiza la bomba 16 de calor, la energía térmica adicional proporcionada por la bomba 16 de calor servirá para incrementar la presión del segundo material con cambio de fase.
En el modo 42 de almacenamiento, el primer material con cambio de fase se almacena en el primer recipiente 20 de almacenamiento y el segundo material con cambio de fase presurizado y vaporizado (es decir, gaseoso) se almacena en el segundo recipiente 28 de almacenamiento. El modo 42 de almacenamiento puede mantenerse para proporcionar un almacén de energía cuando no se requiera. El primer recipiente 20 de almacenamiento y el segundo recipiente 28 de almacenamiento están preferiblemente (aunque no necesariamente) aislados para reducir las pérdidas térmicas (es decir, energía) cuando funcionan en el modo 42 de almacenamiento. De hecho, el nivel de aislamiento determinará en parte cuánto tiempo puede almacenar la energía el aparato 10 de almacenamiento de energía. El primer material con cambio de fase puede ser almacenado en el primer recipiente 20 de almacenamiento como líquido, como sólido o como gas presurizado. En ciertas realizaciones preferibles, el primer material con cambio de fase se condensa durante el modo 40 de carga y posteriormente se almacena como un líquido en el primer recipiente 20 de almacenamiento. En ciertas realizaciones, el primer recipiente 20 de almacenamiento se puede proporcionar con poco o ningún aislamiento (o de otro modo) de modo que el calor ambiental pueda calentar el primer material con cambio de fase durante la fase de almacenamiento. En tales realizaciones, el primer material con cambio de fase puede estar en o cerca de la presión de trabajo (para expansión) durante el modo 42 de almacenamiento.
Cuando se requiere energía de salida (por ejemplo, energía eléctrica), el aparato 10 de almacenamiento de energía puede funcionar en el modo 44 de descarga. En el modo 44 de descarga, el segundo material con cambio de fase gaseoso vaporizado almacenado en el segundo recipiente 28 de almacenamiento se libera a través del segundo expansor 30, haciendo que el segundo material con cambio de fase vaporizado se expanda y produzca trabajo mecánico en una segunda salida 34 de energía. La expansión del segundo material con cambio de fase reduce la presión y la temperatura del segundo material con cambio de fase, sin embargo, el segundo material con cambio de fase expandido puede permanecer en estado gaseoso. En ciertas realizaciones, y para ciertos expansores en particular, puede ser preferible evitar la condensación del segundo material con cambio de fase en el segundo expansor 30. De hecho, uno o ambos del primer material con cambio de fase y el segundo material con cambio de fase pueden seleccionarse de tal manera que permanezcan sobrecalentados a lo largo de una expansión isentrópica a través de sus respectivos expansores de tal modo que no se condensen.
Cuando el aparato 10 de almacenamiento de energía funciona en el modo 44 de descarga, el primer material con cambio de fase almacenado en el primer recipiente 20 de almacenamiento puede permitirse recibir energía térmica a través de una entrada 36 de energía térmica. Por ejemplo, si el primer material con cambio de fase se almacena en el primer recipiente 20 de almacenamiento en la fase sólida o líquida, la energía térmica recibida a través de la entrada 36 de energía térmica se puede utilizar para vaporizar el primer material con cambio de fase (u opcionalmente calentado como un líquido en saturación en el modo 42 de almacenamiento). Para evitar dudas, a lo largo de la presente especificación, el término "vaporizar" está dirigido a referirse a la transformación a la fase de vapor (es decir, gaseosa) a partir de un sólido (es decir, sublimación) o un líquido). Además de ser vaporizado, el primer material con cambio de fase puede ser sobrecalentado utilizando el ambiente u otras fuentes de calor. En otras realizaciones en las que el primer material con cambio de fase se almacena en el primer recipiente 20 de almacenamiento como vapor presurizado, la energía térmica recibida a través de la entrada 36 de energía térmica puede ser utilizada para incrementar la presión del primer material con cambio de fase. La entrada 36 de energía térmica puede ser cualquier característica o componente que permita la entrada de energía térmica en el primer material con cambio de fase. En la realización ilustrada en la Figura 1, se muestran dos posibilidades no limitantes. En un ejemplo mostrado en la Figura 1, la entrada de energía térmica incluye un primer acoplamiento 36a térmico que está dispuesto para transferir calor desde el segundo material con cambio de fase expandido que sale del segundo expansor 30 hacia el primer material con cambio de fase. En otro ejemplo mostrado en la Figura 1, la entrada 36 de energía térmica está configurada para transferir energía térmica a través de un segundo acoplamiento 36b térmico hacia el primer material con cambio de fase. El segundo acoplamiento 36b térmico puede ser utilizado para facilitar la entrada de energía térmica hacia el primer material con cambio de fase desde la energía térmica ambiental o cualquier otra fuente de energía térmica. Por ejemplo, el calor residual de una fuente externa puede ser utilizado para calentar el primer material con cambio de fase a través del segundo acoplamiento 36b térmico. El calor residual puede ser el denominado "calor residual de bajo grado" que puede ser un subproducto de un proceso industrial. Los ejemplos de fuentes de calor auxiliares que pueden calentar el primer material con cambio de fase (por ejemplo, a través del segundo acoplamiento 36b térmico) pueden incluir fuentes de aire ambiental, fuentes de agua ambiental (por ejemplo, salmuera, agua de mar, agua salobre, lagos, estanques, ríos, canales, acueductos), fuente terrestre, geotérmica, solar térmica, estanques solares, fuentes de calor biológicamente activas (digestores anaeróbicos, digestores aeróbicos, montones de compost, montones de estiércol, corrientes de aguas residuales, lodos de aguas residuales secundarias) calor residual de procesos industriales, calor residual de otras tecnologías de generación (CCGT, turbinas de vapor, etc.). En ciertas realizaciones de la invención, se puede utilizar uno o ambos del primer acoplamiento 36a térmico y el segundo acoplamiento 36b térmico, para facilitar el calentamiento del primer material con cambio de fase. Ciertos parámetros del primer material con cambio de fase incluyendo el punto de ebullición y la presión de vapor saturado a la temperatura de expansión (es decir, en el primer expansor 22) pueden determinar qué disposición puede ser la más efectiva.
El primer material con cambio de fase se calienta posteriormente hasta que alcanza una temperatura y presión objetivo y el vapor resultante se libera a través del primer expansor 22, causando que el primer material con cambio de fase vaporizado se expanda y produzca energía a una primera salida 26 de energía. En realizaciones donde el primer material con cambio de fase se almacena como un vapor presurizado, el primer material con cambio de fase vaporizado puede ser liberado a través del primer expansor 22 sin ningún calentamiento adicional. La expansión del primer material con cambio de fase en el primer expansor 22 reduce la presión y la temperatura del primer material con cambio de fase, sin embargo, el primer material con cambio de fase expandido puede permanecer en estado gaseoso. En ciertas realizaciones, y para ciertos expansores en particular, puede ser preferible evitar la condensación del primer material con cambio de fase en el primer expansor 22. Como se indicó anteriormente, cualquiera o ambos del primer material con cambio de fase y el segundo material con cambio de fase pueden seleccionarse de tal modo que permanezcan sobrecalentados a lo largo de una expansión isentrópica a través de sus respectivos expansores de tal modo que no se condensen.
En el modo 44 de descarga, uno o ambos del primero y segundo material con cambio de fase, pueden ser expandidos por el respectivo expansor. Es decir, el modo 44 de descarga puede funcionar independientemente en el primer circuito 12 fluídico o en el segundo circuito 14 fluídico, o en ambos del primero o segundo circuitos 12, 14 fluídicos simultáneamente.
Después de la expansión del primer material con cambio de fase y el segundo material con cambio de fase, el primer material con cambio de fase gaseoso puede estar (inicialmente, al menos) presente en el primer volumen 24 de vapor y el segundo material con cambio de fase gaseoso puede estar (inicialmente, al menos) presente en el segundo volumen 32 de vapor. Con el tiempo, el primer material con cambio de fase y el segundo material con cambio de fase pueden volver a la temperatura y presión ambiente. En ciertas realizaciones, el volumen 24 de vapor puede estar aislado ya que puede ser preferible que el modo 40 de carga comience cuando el primer material con cambio de fase esté lo más cerca posible de la condensación. Si el primer material con cambio de fase está por debajo de la temperatura ambiente al ser expandido (por ejemplo, al salir de un expansor), puede haber poca o ninguna ventaja en dejar que se caliente de nuevo al ambiente. En realizaciones donde el punto de ebullición del segundo material con cambio de fase es superior a las condiciones ambientales, el segundo material con cambio de fase se condensará posteriormente. En otras realizaciones, el segundo material con cambio de fase puede enfriarse activamente (por ejemplo, para provocar condensación). Este enfriamiento activo puede lograrse mediante el uso de una fuente de enfriamiento externa que puede ser un subproducto de un proceso industrial externo u otras fuentes de enfriamiento. Los ejemplos de fuentes auxiliares de calentamiento/enfriamiento pueden incluir fuentes de aire ambiental, fuentes de agua ambiental (por ejemplo, salmuera, agua de mar, agua salobre, lagos, estanques, ríos, canales, acueductos), fuentes subterráneas, geotérmicas, térmicas solares, estanques solares, fuentes de calor biológicamente activas (digestores anaeróbicos, digestores aeróbicos, montones de compost, montones de estiércol, corrientes de aguas residuales, lodos de aguas residuales secundarias) calor residual de procesos industriales, calor residual de otras tecnologías de generación (CCGT, turbinas de vapor, etc.). En ciertas realizaciones, el primer volumen 24 de vapor puede estar acoplado térmicamente al segundo volumen 32 de vapor para que el calor pueda ser transferido desde el segundo material con cambio de fase más caliente al primer material con cambio de fase, acelerando así el enfriamiento del segundo material con cambio de fase. El segundo material con cambio de fase enfriado, que puede ser gaseoso, condensado (es decir, líquido) o congelado (sólido), puede ser movido (por ejemplo, bajo gravedad u otros medios) al segundo recipiente 28 de almacenamiento para completar el ciclo de funcionamiento completo del aparato 10 de almacenamiento de energía. El aparato 10 de almacenamiento de energía puede funcionar de nuevo en el modo 40 de carga para repetir el ciclo.
Como se indicó anteriormente, puede ser aplicado calentamiento o enfriamiento adicional al primer circuito 12 de calor fluídico y/o al segundo circuito 14 de calor fluídico. En particular, puede ser aplicado calentamiento o enfriamiento adicional de fuentes externas (por ejemplo, de procesos industriales externos) a cualquiera uno o más del primer recipiente 20 de almacenamiento, el segundo recipiente 28 de almacenamiento, el primer volumen 24 de vapor y el segundo volumen 32 de vapor.
Cada uno del primer circuito 12 fluídico y el segundo circuito 14 fluídico es un circuito fluídico cerrado de tal manera que el primer material con cambio de fase no está conectado fluidamente al segundo material con cambio de fase. Sin embargo, como se señaló anteriormente, se permite la transferencia térmica entre el primer circuito 12 fluídico y el segundo circuito 14 fluídico (por ejemplo, a través de la bomba 16 de calor y el acoplamiento 36a térmico opcional).
Uno o ambos del primer recipiente 20 de almacenamiento o el segundo recipiente 28 de almacenamiento, pueden estar configurados para cambiar de volumen (por ejemplo, como un gasómetro) para mantener cualquier material con cambio de primera fase o material con cambio de segunda fase, respectivamente, a una presión sustancialmente constante. En otras realizaciones, uno o ambos del primer recipiente 20 de almacenamiento o el segundo recipiente 28 de almacenamiento, pueden estar configurados de otro modo para mantener el primer material con cambio de fase o el segundo material con cambio de fase a una presión constante cuando ingresa al primer expansor 22 o al segundo expansor 30, respectivamente. Por ejemplo, uno o ambos del primer recipiente de almacenamiento 20 y el segundo recipiente de almacenamiento 28, pueden estar presurizados para lograr dicho efecto.
Se puede utilizar cualquier material adecuado para el primer material con cambio de fase y el segundo material con cambio de fase siempre que el segundo material con cambio de fase tenga un punto de ebullición más alto que el primer material con cambio de fase a una presión determinada (que esté dentro del rango de presiones de trabajo de la presente invención). El lector experto apreciará que puede haber presiones fuera de las presiones de trabajo de la presente invención (por ejemplo, presiones muy bajas) en las que el segundo material con cambio de fase puede no tener un punto de ebullición más alto que el primer material con cambio de fase. Sin embargo, las referencias a los puntos de ebullición de uno o ambos del primero y segundo materiales con cambio de fase a lo largo de la presente especificación deben entenderse referidas a los puntos de ebullición a una presión dentro del rango de presión de trabajo de la presente invención.
En ciertas realizaciones, el primer material con cambio de fase y el segundo material con cambio de fase pueden seleccionarse de modo que el aparato 10 pueda funcionar a temperaturas y presiones que puedan permitir que el aparato 10 se construya con materiales de bajo coste. En ciertas realizaciones, el primer material con cambio de fase puede ser el mismo material que el segundo material con cambio de fase siempre que las presiones del primer circuito 12 fluídico y el segundo circuito 14 fluídico se controlen activamente. En ciertas realizaciones, la temperatura de funcionamiento del aparato 10 puede estar dentro del rango de -150°C a 150°C. En ciertas realizaciones, la presión de funcionamiento del aparato 10 puede ser inferior a 25 bares.
En ciertas realizaciones, el primer material con cambio de fase puede tener un punto de ebullición inferior a 50°C o 40°C. En tales realizaciones, el primer material con cambio de fase puede ser vaporizado a temperatura ambiente (por ejemplo, donde la "temperatura ambiente" se considera entre -20°C y 50°C o entre 10°C y 40°C). En ciertas realizaciones, el punto de ebullición del primer material con cambio de fase puede estar suficientemente por debajo de la temperatura ambiente de tal modo que a temperatura ambiente el primer material con cambio de fase tenga una presión de vapor superior a 1 bar e inferior a 25 bar. Tales realizaciones pueden permitir el uso de materiales de bajo coste para la construcción del aparato 10.
El primer material con cambio de fase puede tener un punto de ebullición que está por debajo (posiblemente significativamente por debajo) de la temperatura ambiente. En ciertas realizaciones, el primer material con cambio de fase tiene un punto de ebullición inferior a 25°C a 1 bar, o inferior a 20°C a 1 bar, o inferior a 0°C a 1 bar, o inferior a -10°C a 1 bar.
En ciertas realizaciones, el segundo material con cambio de fase puede tener una temperatura de condensación inferior a 50°C o 40°C. En dichas realizaciones, el segundo material con cambio de fase puede ser condensado a temperatura ambiente (por ejemplo, donde la "temperatura ambiente" se considera entre -20°C y 50°C o entre 10°C y 40°C). En ciertas realizaciones, el segundo material con cambio de fase puede ser un vapor a la presión de funcionamiento del aparato 10. Por ejemplo, a una temperatura de funcionamiento inferior a 150°C, el segundo material con cambio de fase se puede seleccionar para ser uno que tenga una presión de vapor superior a 1 bar e inferior a 25 bar. Tales realizaciones pueden permitir el uso de materiales de bajo coste para la construcción del aparato 10.
El segundo material con cambio de fase puede tener un punto de ebullición que esté por encima (y posiblemente significativamente por encima) de la temperatura ambiente. En ciertas realizaciones, el segundo material con cambio de fase tiene un punto de ebullición superior a 20°C a 1 bar, o superior a 25°C a 1 bar, o superior a 30°C a 1 bar. En ciertas realizaciones, puede ser preferible que la diferencia entre la temperatura de condensación del segundo material con cambio de fase y el punto de ebullición del primer material con cambio de fase sea pequeña. Por ejemplo, en ciertas realizaciones, la diferencia entre la temperatura de condensación del segundo material con cambio de fase y el punto de ebullición del primer material con cambio de fase puede ser inferior a 200°C, y en ciertas realizaciones puede estar entre 10°C y 200°C.
Asumiendo la máxima eficiencia teórica, el coeficiente de rendimiento (CoP) de la bomba 16 de calor puede definirse como:
CoP Calentamiento _ T CaNente/ (Ti e n t e -TFrío)'
dónde TFrío y Tcaiiente son las temperaturas objetivo de los depósitos frío y caliente, respectivamente (es decir, el primer material con cambio de fase y el segundo material con cambio de fase, respectivamente). En un ejemplo donde TFrío = 244°K (-29°C) y Tcaiiente = 358°K (85°C), CoP calentamiento = 3.140. En ciertas realizaciones, el valor de CoP calentamiento es preferiblemente lo más alto posible, y el primer material con cambio de fase y el segundo material con cambio de fase pueden ser seleccionados para lograr un alto valor de CoPcaientamiento. Los aparatos de almacenamiento de energía de acuerdo con las realizaciones de la presente invención pueden ofrecer un medio comercialmente viable para almacenar energía cuando la demanda de energía (tal como la energía eléctrica) puede ser baja, donde se puede incurrir en pérdidas aceptablemente bajas entre la carga del aparato y la descarga del aparato. Los aparatos de almacenamiento de energía de acuerdo con las realizaciones de la presente invención pueden funcionar a temperaturas bajas o moderadas en contraste con los sistemas de temperatura muy alta o muy baja que se encuentran en la técnica anterior. Además, los aparatos de almacenamiento de energía de acuerdo con las realizaciones de la presente invención pueden funcionar utilizando pequeñas diferencias de temperatura en contraste con las disposiciones de la técnica anterior. En consecuencia, los aparatos de almacenamiento de energía de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente invención pueden ser producidos utilizando en gran medida equipos estándar y económicos. Los aparatos de almacenamiento de energía de acuerdo con las realizaciones de la presente invención son escalables de tal manera que pueden ser utilizados para almacenamiento de energía a gran o pequeña escala, recuperación de calor residual y recuperación de calor residual de bajo grado. Los aparatos de almacenamiento de energía de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente invención pueden ser particularmente adecuados para operar en el modo 44 de descarga una o dos veces por día.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones de esta especificación, las palabras "comprenden" y "contienen" y las variaciones de ellas significan "incluyendo, pero no limitado a", y no pretenden (ni excluyen) excluir otras fracciones, aditivos, componentes, números enteros o pasos. A lo largo de la descripción y las reivindicaciones de esta especificación, el singular abarca el plural a menos que el contexto requiera lo contrario. En particular, cuando se usa el artículo indefinido, debe entenderse que la especificación contempla tanto la pluralidad como la singularidad, a menos que el contexto requiera lo contrario.
Las representaciones, números enteros, características, compuestos, fracciones químicas o grupos descritos en conjunción con un aspecto particular, realización o ejemplo de la invención debe entenderse que son aplicables a cualquier otro aspecto, realización o ejemplo descrito en este documento a menos que sea incompatible con el mismo. Todas las características divulgadas en esta especificación (incluidas cualquier reivindicaciones, resumen y dibujos que lo acompañen), y/o todos los pasos de cualquier método o proceso así divulgado, pueden combinarse en cualquier combinación, excepto combinaciones donde al menos algunas de dichas características y/o pasos son mutuamente excluyentes. La invención no se limita a los detalles de cualquiera de las realizaciones anteriores.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método de funcionamiento de un aparato de almacenamiento de energía, que comprende:
(i) proporcionar un aparato (10) de almacenamiento de energía que comprende: un primer circuito (12) fluídico que contiene un primer material con cambio de fase, el primer circuito (12) fluídico que incluye un primer recipiente (20) de almacenamiento y un primer expansor (22);
un segundo circuito (14) fluídico que contiene un segundo material con cambio de fase que tiene un punto de ebullición superior a el punto de ebullición del primer material con cambio de fase, el segundo circuito (14) fluídico que incluye un segundo recipiente (28) de almacenamiento y un segundo expansor (30); y
una bomba (16) de calor que tiene un intercambiador (16a) de calor del lado frío acoplado térmicamente al primer circuito (12) fluídico y un intercambiador (16b) de calor del lado caliente acoplado térmicamente al segundo circuito (14) fluídico caracterizado por los pasos de:
(ii) hacer funcionar el aparato (10) de almacenamiento de energía en un modo de carga energizando la bomba (16) de calor para enfriar el primer material con cambio de fase y calentar el segundo material con cambio de fase;
(iii) hacer funcionar el aparato (10) de almacenamiento de energía en un modo de almacenamiento almacenando el primer material con cambio de fase en el primer recipiente (20) de almacenamiento y almacenando el segundo material con cambio de fase como vapor presurizado en el segundo recipiente (28) de almacenamiento; y
(iv) hacer funcionar el aparato (10) de almacenamiento de energía en un modo de descarga mediante la vaporización del primer material con cambio de fase condensado y expandiendo el primer material con cambio de fase vaporizado en el primer expansor (22), y/o expandiendo el segundo material con cambio de fase vaporizado en el segundo expansor (30).
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde en el modo de descarga y/o modo de almacenamiento, el primer material con cambio de fase se calienta mediante energía térmica ambiental u otras fuentes de calor auxiliares.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el modo de descarga y/o el modo de almacenamiento del primer material con cambio de fase se vaporiza mediante energía térmica ambiental u otras fuentes de calor auxiliares.
4. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el aparato de almacenamiento de energía comprende además un acoplamiento (36a) térmico dispuesto para transferir calor desde el segundo material con cambio de fase expandido al primer material con cambio de fase y hacer que el primer material con cambio de fase se vaporice o se caliente más.
5. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde en el modo de carga, la bomba (16) de calor se energiza para condensar el primer material con cambio de fase y, opcionalmente, en donde en el modo de almacenamiento el primer material con cambio de fase condensado se almacena como un líquido o un sólido.
6. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el primer material con cambio de fase tiene un punto de ebullición inferior a 50°C a 1 bar, o inferior a 40°C a 1 bar; opcionalmente donde el primer material con cambio de fase tiene un punto de ebullición inferior a 0°C a 1 bar o inferior a -10°C a 1 bar.
7. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el segundo material con cambio de fase tiene un punto de ebullición inferior a 50°C a 1 bar, o inferior a 40°C a 1 bar.
8. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el segundo material con cambio de fase tiene un punto de ebullición superior a 20°C a 1 bar.
9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el segundo material con cambio de fase tiene un punto de ebullición superior a 25°C a 1 bar, opcionalmente en donde el segundo material con cambio de fase tiene un punto de ebullición superior a 30°C a 1 bar.
10. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el primer recipiente (20) de almacenamiento está configurado para cambiar el volumen con el fin de mantener el primer material con cambio de fase a una presión sustancialmente constante.
11. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el segundo recipiente (28) de almacenamiento está configurado para cambiar el volumen con el fin de mantener el segundo material con cambio de fase a una presión sustancialmente constante.
12. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde uno o cada uno del primer expansor (22) y el segundo expansor (30) comprende un generador de expansor.
13. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el paso de hacer funcionar el aparato (10) de almacenamiento de energía en el modo de carga incluye energizar la bomba (16) de calor para condensar el primer material con cambio de fase.
14. El método de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el paso de hacer funcionar el aparato (10) de almacenamiento de energía en el modo de almacenamiento incluye almacenar el primer material con cambio de fase condensado como un líquido o un sólido en el primer recipiente (20) de almacenamiento.
15. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el paso de hacer funcionar el aparato (10) de almacenamiento de energía en el modo de carga incluye energizar la bomba (16) de calor para vaporizar el segundo material con cambio de fase.
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