ES2937788T3 - Sistema y procedimiento de almacenamiento y restitución de energía mediante gas comprimido, que comprende una capa mixta de hormigón pretensado - Google Patents

Sistema y procedimiento de almacenamiento y restitución de energía mediante gas comprimido, que comprende una capa mixta de hormigón pretensado Download PDF

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Abstract

- La invención se refiere a un recipiente para almacenar un fluido a presión como el aire comprimido. En particular, el recipiente tiene forma de al menos un tubo formado por una disposición de capas concéntricas (C1, C2, C3, C4), comprendiendo esta disposición, desde el interior hacia el exterior del tubo, una capa interior de hormigón (C1), una capa (C2) de acero de espesor E, al menos una capa (C3) formada por un rollo de alambres de acero (C3'') sobre una subcapa de hormigón (C3'), y una capa exterior (C4) para proteger dichos alambres de daños físicos y/o químicos, y en donde los alambres están sometidos a un pretensado de tracción circunferencial, estando dimensionado al menos el espesor E y/o el pretensado para soportar dicha presión. - La invención es especialmente aplicable al almacenamiento y recuperación de energía mediante aire comprimido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento de almacenamiento y restitución de energía mediante gas comprimido, que comprende una capa mixta de hormigón pretensado
El campo de la presente invención se refiere de manera general al almacenamiento de un fluido bajo presión, tal como el aire comprimido. En particular, la presente invención se refiere al campo del almacenamiento y de la restitución de energía mediante gas comprimido tal como el aire.
Un sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido (también denominado CAES, del inglés “Adiabatic Compressed Air Energy Storage”) tiene como objetivo almacenar energía en forma de aire comprimido, en vista a su uso posterior. Para el almacenamiento, la energía, en particular eléctrica, acciona compresores de aire, y para la restitución, el aire comprimido acciona turbinas, que pueden conectarse a un generador eléctrico.
Existen diferentes variantes de sistemas de almacenamiento de energía por aire comprimido, que tienen como objetivo, en particular, mejorar el rendimiento de tales sistemas. En particular, se pueden mencionar los sistemas y procedimientos:
• ACAES (del inglés “Adiabatic Compressed Air Energy Storage”) en el que el aire se almacena a la temperatura debida a la compresión.
• AACAES (del inglés “Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage”) en el que el aire se almacena a temperatura ambiente, y el calor debido a la compresión también se almacena, por separado, en un sistema de almacenamiento de calor TES (del inglés “Thermal Energy Storage”). En este caso, el calor almacenado en el TES se utiliza para calentar el aire antes de que se expanda.
En todos los casos, ya sea que el aire se almacene a temperatura ambiente o a cualquier otra temperatura, tal sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido requiere un tanque de almacenamiento del aire comprimido que sea al mismo tiempo al menos resistente a la presión de almacenamiento y hermético al gas almacenado. La resistencia a la presión es en particular un tema importante ya que las presiones de almacenamiento del aire comprimido son al menos iguales a 100 bares.
El almacenamiento de gas comprimido en tanques totalmente de acero es convencional. En efecto, el acero tiene propiedades al mismo tiempo de estanqueidad y de resistencia a la presión. Sin embargo, si la estanqueidad está asegurada a partir de grosores de acero bastante bajos (unos pocos mm), es necesario utilizar grosores de acero más importantes cuando se quiere almacenar un fluido bajo alta presión (es decir, una presión superior a los 100 bares, y preferentemente del orden de 125 bares). Por ejemplo, un tanque cilíndrico de 56” (1422,4 mm) de diámetro debe tener un grosor mínimo de 33,5 mm para resistir una presión interna de 125 bares (cálculo según la norma CODAP para un grado de acero X80).
Si un tanque completamente de acero es una solución técnica y económicamente ventajosa para volúmenes de gas a almacenar a alta presión, un tanque completamente de acero se vuelve impensable en el caso de almacenar grandes volúmenes de gas a alta presión. En efecto, debido al coste del acero, la rentabilidad económica del sistema se ve comprometida, pero también la concepción de tal tanque genera limitaciones de fabricación que son difíciles de satisfacer. En efecto, cuanto mayor sea el diámetro de un tanque de almacenamiento esférico o cilíndrico, mayor será el grosor necesario para soportar la presión. Para grandes volúmenes de almacenamiento, la fabricación y especialmente la soldadura de un elemento que tiene un grosor muy grande no siempre es factible. En este caso, el almacenamiento de un gran volumen se lleva a cabo por ensamblaje de varios elementos de menores dimensiones, unidos entre sí. Al tener dimensiones más pequeñas, estos elementos son técnicamente fabricables y, por lo tanto, se superan las limitaciones de fabricación. Sin embargo, la rentabilidad económica del sistema puede verse cuestionada por la cantidad de acero necesaria y los costes de ensamblaje.
También se conocen los siguientes documentos:
- WO 2004/001280 A1, que se refiere a un tanque para almacenar un fluido y a un método para construir este tanque;
- WO 2006/046872 A1, que se refiere a un tanque para almacenar un fluido criogénico;
- US 4271647 A, que se refiere a un tanque para almacenar un líquido tal como el agua.
Para superar estos inconvenientes, la presente invención se refiere a un tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión, tal como el aire comprimido, concebido en forma de un tubo formado una alternancia de capas hormigónacero con alambres de pretensado. En primer lugar, el almacenamiento en tubos permite evitar los problemas de fabricación explicados anteriormente. En segundo lugar, la concepción mixta del acero, del hormigón y de los alambres de pretensado permite usar mejor la capacidad mecánica de cada material y, por lo tanto, reduce el coste del sistema.
El tanque de almacenamiento según la invención comprende, desde el interior hacia el exterior del tanque, una primera disposición formada por una capa de acero macizo entre dos capas de hormigón, siendo esta disposición seguida por al menos un enroscamiento de alambres de acero sometidos a un pretensado circunferencial en el sistema, destinado a compensar parte de la presión radial ejercida por el fluido almacenado. Una última capa de protección, que puede ser de hormigón, protege el tanque y en particular los alambres de acero enroscado. El enroscamiento de alambres de acero bajo tensión permite reducir las tensiones en servicio y por lo tanto el grosor de acero necesario para la capa de acero macizo.
Dispositivo y procedimiento según la invención.
De manera general, el objeto de la invención se refiere a un tanque para almacenar un fluido bajo presión tal como aire comprimido. En particular, dicho tanque tiene la forma de al menos un tubo formado por una disposición de capas concéntricas, comprendiendo dicha disposición, desde el interior hacia el exterior de dicho tubo, una capa interior formada por hormigón, una capa formada por acero de grosor E, al menos una capa formada por el enroscamiento de alambres de acero sobre una subcapa de hormigón, y una capa exterior destinada a proteger dichos alambres frente a daños físicos y/o químicos, y en el que dichos alambres están sometidos a un pretensado en tracción circunferencial, estando al menos dicho grosor E y/o dicho pretensado dimensionados de manera a resistir dicha presión.
Según una realización de la invención, el diámetro y la separación de dichos alambres de acero en una dirección axial de dicho tubo pueden ser función de dicho pretensado.
Ventajosamente, dicho tubo puede comprender una pluralidad de capas formadas por dicho enroscamiento de alambres de acero sobre dicha subcapa de hormigón, y en el que dichos pretensados en dichos enroscamientos pueden determinarse según la distancia radial de dichas capas a dicha pluralidad de capas.
Según una realización de la invención, dicha capa exterior puede ser de hormigón o de mortero.
Preferiblemente, dicha capa formada de acero puede corresponder a un tubo de acero de grado API X80.
Según una realización de la invención, dicho tanque puede estar formado por una pluralidad de dichos tubos, no estando dichos tubos unidos entre sí.
Ventajosamente, dicho tanque puede estar formado por una pluralidad de dichos tubos, estando dichos tubos unidos entre sí mediante soldadura o mediante una junta de estanqueidad de elastómero.
La invención se refiere también a un procedimiento de fabricación de un tanque para almacenar un fluido bajo presión tal como se ha descrito anteriormente, caracterizado por que, a partir de un tubo de acero macizo de grosor E y de una bobina de alambres de acero, se llevan a cabo al menos las siguientes etapas:
a) se forma una capa interior de hormigón en el interior de dicho tubo de acero;
b) se forma una subcapa de hormigón en el exterior de dicho tubo de acero;
c) se enroscan helicoidalmente dichos alambres de acero de dicha bobina sometiéndolos a un pretensado en tracción circunferencial;
d) se forma una capa exterior destinada a proteger dichos alambres de acero frente a daños físicos y/o químicos, siendo al menos dicho grosor E y/o dicho pretensado en función de dicha presión.
Según una realización del procedimiento de fabricación según la invención, se pueden repetir las etapas b) y c) descritas anteriormente de manera a formar una pluralidad de capas formadas por dicho enroscamiento de alambres de acero sobre una subcapa de hormigón.
Según una realización del procedimiento de fabricación según la invención, al menos dicha capa interior de hormigón y dicha subcapa de hormigón pueden estar formadas por centrifugación, o bien por moldeo y vibración.
La invención se refiere también a un sistema de almacenamiento y restitución de energía mediante gas comprimido que comprende al menos un medio de compresión de gas, al menos un tanque para almacenar un fluido bajo presión tal como se ha descrito anteriormente, al menos un medio para expandir dicho gas comprimido para generar energía, y al menos un medio de almacenamiento de calor.
La invención se refiere también a un procedimiento de almacenamiento y restitución de energía mediante gas comprimido, en el que se llevan a cabo las siguientes etapas:
- se comprime un gas;
- se enfría dicho gas comprimido por intercambio de calor en un medio de almacenamiento de calor;
- se almacena dicho gas enfriado en un tanque para almacenar un fluido bajo presión tal como se describe anteriormente;
- se calienta dicho gas comprimido enfriado por restitución del calor en dicho medio de almacenamiento de calor; y - se expande dicho gas comprimido calentado para generar energía.
Otras características y ventajas del procedimiento según la invención aparecerán a la lectura de la siguiente descripción de ejemplos no limitativos de realizaciones, con referencia a las figuras adjuntas y descritas a continuación. Breve presentación de las figuras.
- las Figuras 1a y 1b muestran secciones verticales, en vista tridimensional isométrica para la Figura 1a y un ángulo de vista de frente para la Figura 1 b, formadas a través de un ejemplo de realización del tanque según la invención que comprende una sola capa mixta de hormigón pretensado.
- las Figuras 2a y 2b muestran secciones verticales, en vista tridimensional isométrica para la Figura 2a y un ángulo de vista de frente para la Figura 2b, formadas a través de un ejemplo de realización del tanque según la invención que comprende dos capas mixtas de acero-hormigón bajo pretensión.
- la Figura 3 muestra un ejemplo de realización de un sistema de almacenamiento y restitución por gas comprimido según la invención que usa un tanque para almacenar un fluido bajo presión según la invención.
Descripción detallada de la invención
La presente invención se refiere a un tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión tal como el aire comprimido. Tal tanque puede usarse en particular en un sistema para almacenar y restituir energía por gas comprimido. De manera general, se denomina “presión de servicio” la presión a la que se prevé almacenar el fluido. Típicamente, en una aplicación de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido, esta presión de servicio es superior a 100 bares, y generalmente del orden de 125 bares.
El tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión según la invención tiene forma de al menos un tubo formado por una disposición de capas concéntricas. Según la invención, el tubo puede ser de forma cilíndrica de sección circular o bien de sección poligonal, tal como octogonal.
Según la invención, las capas concéntricas del tubo que forma el tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión se ordenan, desde el interior hacia el exterior de dicho tubo, de la siguiente manera:
- una capa interior formada por hormigón;
- una capa formada por acero de grosor E;
- al menos una capa formada por el enroscamiento de alambres de acero sobre una subcapa de hormigón, estando sometidos los alambres de acero a un pretensado en tracción circunferencial;
- una capa exterior destinada a proteger los alambres de acero frente a daños químicos y/o físicos.
Según la invención, la capa de acero de grosor E tiene una función múltiple: asegurar la estanqueidad del tanque según la invención, contribuir a la resistencia mecánica del conjunto a la presión de servicio (al menos superior a 100 bares, y del orden de 125 bares preferiblemente) pero también aumentar la ductilidad del conjunto. De manera a satisfacer las exigencias técnicas así expuestas y, en particular, de manera a contribuir a la resistencia mecánica del tanque a la presión de servicio, el grosor E de la capa de acero de una variante del tanque es de al menos 8 mm, preferiblemente al menos 10 mm. Según una realización de la invención, la capa de acero del tanque según la invención corresponde a un conducto de acero preexistente, como por ejemplo un conducto destinado al transporte de hidrocarburos a larga distancia, también denominado oleoducto. En efecto, los oleoductos se caracterizan por una excelente estanqueidad (numerosos controles mediante procedimientos ultrasonidos, rayos X y/o hidráulico), grosores de acero importantes (hasta unos pocos centímetros), así como diámetros relativamente grandes (hasta 60 pulgadas). Según una realización de la invención, se utiliza un tubo de acero de grado API X80.
Según la invención, la capa formada por un enroscamiento de alambres de acero sometidos a un pretensado circunferencial sobre una subcapa de hormigón, denominada en adelante “capa mixta de hormigón pretensado”, tiene como función disminuir la tensión circunferencial soportada por la capa de acero cuando el tanque según la invención se pone en servicio. La aplicación de un pretensado en tracción circunferencial permite por lo tanto dimensionar un tanque para el almacenamiento de un fluido bajo presión con un grosor E de acero menor que si no se aplicara ningún pretensado. Además, este pretensado somete a compresión la o las capas de hormigón que contribuirán a la resistencia del conjunto en la fase de servicio. En consecuencia, el tanque según la invención es más económico que un tanque totalmente de acero y, además, puede ser técnicamente realizable. Según una realización de la invención, el pretensado en tracción circunferencial se obtiene enroscando bajo tensión alambres de acero sobre la subcapa de hormigón.
Según la invención, la capa interior formada de hormigón tiene la función de proteger, por un lado, la cara interior de la capa formada en acero frente a los daños físicos y/o químicos (en particular la corrosión), evitar el colapso (o “collapse” en inglés) de esta misma capa (debido a los pretensados aplicados a los alambres de acero) y, de manera general, resistir a las tensiones inducidas por el fluido bajo presión.
Según la invención, la subcapa de hormigón permite separar la capa formada de acero de los propios alambres de acero. Esta subcapa pretensada también tiene una función en la resistencia mecánica del conjunto del tanque.
Según la invención, la capa exterior tiene por objeto preservar agresiones químicas (tipo corrosión) y/o físicas de los alambres de acero del tanque según la invención. Por lo tanto, esta capa exterior puede ser de hormigón, o bien de mortero o cualquier otro material protector frente a agresiones químicas y/o físicas.
Según la invención, al menos el pretensado en tracción circunferencial aplicado a los alambres de acero, o bien al menos el grosor E de la capa formada de acero, o bien al menos tanto el pretensado en tracción circunferencial aplicado a los alambres de acero como el grosor E de la capa formada de acero están predeterminados en función de al menos la presión de servicio. Según una realización de la invención, la presión de servicio es al menos igual a 100 bares, preferentemente 125 bares. De manera general, el dimensionamiento del tanque según la invención se lleva a cabo de tal forma que se evitan fenómenos perjudiciales tales como rotura, deformación plástica en el acero, macrofisuración del hormigón, etc., cuando el tanque según la invención se pone en servicio. Ventajosamente, los grosores de la subcapa de hormigón y de la capa interior de hormigón están dimensionados de manera a resistir a la compresión ejercida por los alambres de pretensado y de manera a participar en la resistencia de conjunto a la presión de servicio. El especialista conoce perfectamente los medios para realizar tal dimensionado, como por ejemplo con la ayuda del software Abaqus (Dassault Systems, Francia).
Según la invención, el dimensionamiento del tanque según la invención se puede llevar a cabo de la siguiente manera:
- bien el pretensado en tracción circunferencial está predeterminado: esto puede ocurrir, por ejemplo, si se usa, para fabricar el tanque según la invención, alambres de acero predefinidos, que tienen propiedades de resistencia mecánica predeterminadas. En este caso, el pretensado circunferencial es como máximo igual a la tensión máxima soportada por los alambres de acero considerados, ponderada por un coeficiente de seguridad comprendido entre 0 y 1, preferentemente 0,75. En este caso, el dimensionado del tanque según la invención consiste en determinar al menos el grosor E de la capa de acero que permite satisfacer la condición de resistencia mecánica a la presión de servicio, siendo por otro lado al menos fijado el pretensado en tracción circunferencial. Para ello, según una realización de la invención, se lleva a cabo el dimensionamiento de la capa de acero al menos de manera que la tensión de tracción en la capa de acero en fase de servicio sea la más cercana posible al límite autorizado para el acero utilizado, sin tampoco exceder este límite. El límite autorizado es función del límite elástico y/o del límite de ruptura del grado de acero utilizado, ponderados por coeficientes de seguridad comprendidos entre 0 y 1 (preferentemente 0,67 para el límite elástico). Preferentemente, el dimensionamiento de la capa de acero también tiene en cuenta el hecho de que la tensión de compresión que se produce en la capa de acero macizo durante la fase de aplicación del pretensado sea la mayor posible, con el fin de poder aprovechar al máximo la capacidad del acero en tensión durante la fase de servicio. Es bastante evidente que este pretensado no puede exceder sin embargo la tensión autorizada para el grado de acero. Ventajosamente, los grosores de la subcapa de hormigón y de la capa interior de hormigón están además dimensionados para resistir la compresión ejercida por los alambres de pretensado y de manera a participar en la resistencia de conjunto a la presión de servicio. El especialista conoce perfectamente los medios para realizar dicho dimensionado, como por ejemplo con la ayuda del software Abaqus (Dassault Systems, Francia).
- o bien el grosor E de la capa de acero ya está predeterminado: esto puede ocurrir, por ejemplo, debido a que se utiliza un tubo de acero preexistente de grosor E para fabricar el tanque según la invención. En este caso, el dimensionamiento del tanque según la invención consiste en determinar el pretensado en tracción circunferencial que permite satisfacer la condición de resistencia mecánica a la presión de servicio, para este grosor E de capa de acero. Según una realización de la invención, este dimensionamiento también tiene en cuenta los efectos de la aplicación del pretensado en las capas de hormigón, de manera que este pretensado es inferior a la resistencia máxima en compresión soportable por el hormigón, ponderada por un coeficiente de seguridad comprendido entre 0 y 1, preferentemente 0,75. Además, el grosor del hormigón debe ser suficiente para soportar la compresión en fase de servicio. En el caso en el que este grosor sea relativamente grande, aparte de la tensión circunferencial, las tensiones radial y axial pueden no ser despreciables. En este caso y sobre todo si se autoriza la tracción en el hormigón, se deben utilizar modelos de comportamiento no lineales 3D para el análisis y el dimensionado. El especialista conoce perfectamente los medios para realizar dicho dimensionado, como por ejemplo con la ayuda del software Abaqus (Dassault Systems, Francia).
- o bien se dimensionan al menos tanto el grosor E de la capa de acero como el pretensado en tracción circunferencial a aplicar a los alambres de acero: en este caso, existe una pluralidad de pares (grosor del acero E, pretensado en tracción circunferencial) que permiten satisfacer la condición de resistencia mecánica a la presión de servicio del tanque según la invención. Para escoger un par dado de entre la pluralidad de pares posibles, se puede añadir un criterio de selección basado en el coste total del tanque y/o un criterio basado en la factibilidad técnica, etc. Según una realización de la invención, se dimensiona el tanque de manera a aprovechar al máximo la resistencia de los alambres de acero en tracción, y esto, de manera a reducir al máximo el grosor E de la capa de acero macizo. A fin de generar un pretensado en compresión que permite dimensionar un tanque que tiene una capa de acero macizo de grosor E que satisfaga las limitaciones económicas y técnicas, el tanque según la invención comprende varias capas mixtas de hormigón pretensado. Según una alternativa que se puede combinar con el modo anterior, el tanque según la invención comprende un enroscamiento de alambres de acero cuyo diámetro y la separación entre ellos en sentido longitudinal (sin enroscamiento) permiten conseguir el pretensado requerido. Es bastante evidente que, según esta realización, los grosores de la subcapa de hormigón y de la capa interior de hormigón también están dimensionados de manera a resistir a la compresión ejercida por los alambres de pretensado. El especialista conoce perfectamente los medios para realizar tal dimensionado, como por ejemplo con la ayuda del software Abaqus (Dassault Systems, Francia).
Las figuras 1a y 1b muestran vistas en sección de un ejemplo no limitativo de un tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión según la invención que cumple las características descritas anteriormente. Así, este ejemplo de realización de la invención está formado por 4 capas concéntricas C1, C2, C3 y C4, correspondiendo la capa C2 a la capa de acero, estando esta última enmarcada por una capa interna de hormigón C1, rematada por una capa mixta C3 formada de una subcapa C3’ de hormigón y alambres de acero C3’’ enroscados alrededor de esta subcapa de hormigón C3’, estando los alambres de acero rematados por una capa exterior de protección C4. Así, este ejemplo de realización comprende una única capa mixta de hormigón pretensado.
Según una realización de la invención, el tanque de almacenamiento de fluido bajo presión comprende una pluralidad de capas mixtas de hormigón pretensado, siendo la más exterior de estas capas mixtas, según la invención, seguida de una capa exterior de protección frente a daños físicos y/o químicos. Esta pluralidad de capas mixtas de hormigón pretensado permite reducir el grosor de la capa de acero garantizando al mismo tiempo la resistencia mecánica del conjunto a la presión de servicio. El número de capas mixtas de hormigón pretensado se puede determinar mediante un dimensionamiento en función de datos geométricos y mecánicos (diámetro de los alambres de acero, paso de enroscamiento, pretensado aplicado, grosor de la subcapa de hormigón, etc.). El experto en la materia conoce perfectamente los medios para realizar tal dimensionado, como por ejemplo con el software Abaqus (Dassault Systemes, Francia).
Un ejemplo no limitativo de realización de un tanque según la invención que comprende dos capas mixtas de hormigón pretensado C3 se presenta en las Figuras 2a y 2b. Así, se puede observar en estas figuras que el enroscamiento de alambres de acero C3” más interior al tanque está incorporado entre dos subcapas de hormigón C3’, siendo el enroscamiento C3” de alambres de acero más exterior al tanque seguido por una capa exterior C4 de protección frente a daños físicos y/o químicos.
Según una variante de realización de la invención en la que el tanque de almacenamiento de fluido bajo presión comprende una pluralidad de capas mixtas de hormigón pretensado, teniendo cada una de las capas de esta pluralidad de capas su propio pretensado. Ventajosamente, el pretensado aplicado a una capa dada se determina en función de la distancia radial de esta capa.
Según una realización de la invención, el tanque según la invención está formado por una pluralidad de tubos, pudiendo esta pluralidad de tubos ser en particular necesaria cuando los volúmenes de fluido bajo presión a almacenar son importantes y que un solo tubo es insuficiente para almacenar tal volumen. Los tubos de la pluralidad de tubos que forman el tanque según la invención pueden o no estar unidos entre sí por un medio de unión. Los medios de unión pueden ser por ejemplo soldadura o una junta de estanqueidad elastomérica, pudiendo ser esta última corredera, deslizante, rodante, etc.
La invención se refiere también a un procedimiento para fabricar un tanque para almacenar un fluido bajo presión. El procedimiento de fabricación según la invención requiere disponer de al menos un tubo de acero de grosor E y de una bobina de alambres de acero. El procedimiento según la invención comprende al menos las siguientes etapas:
a) se forma una capa de hormigón en el interior del tubo de acero;
b) se forma una subcapa de hormigón en el exterior de este tubo de acero;
c) se enroscan helicoidalmente los alambres de acero de la bobina sometiéndolos a un pretensado en tracción circunferencial;
d) se forma una capa exterior destinada a proteger los alambres de acero frente a daños físicos y/o químicos.
Por otro lado, según la invención, el procedimiento puede comprender una etapa previa de dimensionado del grosor E y/o del pretensado en función de al menos la presión de servicio. Según una realización de la invención, la presión de servicio es al menos igual a 100 bares, preferentemente 125 bares.
Según una variante de realización de la invención, se repiten las etapas b) y c) del procedimiento según la invención descritas anteriormente de manera a constituir una pluralidad de capas formadas por un enroscamiento de alambres de acero sobre una subcapa de hormigón, también denominada capas mixtas de hormigón pretensado. Esta variante del procedimiento es necesaria cuando una sola capa mixta de hormigón pretensado no puede proporcionar el nivel de pretensado determinado por el dimensionamiento. Esto puede permitir contribuir a la fabricación de un tanque según la invención cuya capa de acero tiene un grosor E realista, económica y técnicamente, garantizando al mismo tiempo la integridad mecánica del tanque en su conjunto. El número de capas mixtas de acero-hormigón bajo pretensado se puede predeterminar mediante el dimensionamiento, por ejemplo, con el software Abaqus (Dassault Systemes, Francia).
Según una realización de la invención, al menos la capa interior de hormigón, y la o las subcapas de hormigón de la o las capas mixtas de hormigón pretensado se forman por centrifugación, o bien por moldeo y vibración.
La invención se refiere también a un sistema de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido que comprende al menos un medio de compresión de gas, al menos un tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión tal como se ha descrito anteriormente, al menos un medio de almacenamiento de calor, y al menos un medio de expansión del gas comprimido para generar energía.
Así, el tanque para almacenar un fluido bajo presión del sistema de almacenamiento y de restitución de energía por gas comprimido según la invención comprende al menos un tubo formado por una disposición de capas concéntricas, estando ordenadas las capas concéntricas, desde el interior hacia el exterior del tubo, de la siguiente manera:
- una capa interior formada por hormigón;
- una capa formada por acero de grosor E;
- al menos una capa formada por el enroscamiento de alambres de acero sobre una subcapa de hormigón, estando sometidos los alambres de acero a un pretensado en tracción circunferencial;
- una capa exterior destinada a proteger los alambres de acero frente a daños químicos y/o físicos.
Además, al menos el pretensado en tracción circunferencial aplicado a los alambres de acero, o bien al menos el grosor E de la capa formada de acero, o bien al menos tanto el pretensado en tracción circunferencial aplicado a los alambres de acero como el grosor E de la capa formada de acero están predeterminados en función de al menos la presión de servicio. Según una realización de la invención, la presión de servicio es al menos igual a 100 bares, preferentemente 125 bares.
Así, el sistema de almacenamiento y de restitución de energía por gas comprimido comprende un tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión que permite reducir, con respecto a un tanque totalmente de acero, las cantidades de acero necesarias, así como las limitaciones técnicas a satisfacer. El sistema de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido según la invención es así económica y técnicamente viable.
Preferentemente, el gas comprimido del sistema de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido es aire. Los medios de compresión de gas (o compresor) pueden ser accionados por un motor, en particular un motor eléctrico. Los medios de expansión de gas (también llamados expansor o turbina) permiten expandir el gas comprimido y almacenado, y por lo tanto generar energía, en particular energía eléctrica por medio de un generador. Los medios de almacenamiento de calor, que permiten almacenar el calor procedente del gas comprimido durante la fase de almacenamiento de energía, y que permiten la restitución del calor almacenado al gas comprimido durante la fase de restitución de energía, se colocan preferentemente a la salida de los medios de compresión y a la entrada de los medios de expansión. Según una realización de la invención, el medio de almacenamiento de calor comprende partículas sólidas de almacenamiento de calor. Estas partículas sólidas intercambian calor con el gas durante las fases de almacenamiento y restitución de energía, siendo almacenado este calor en las partículas entre estas dos fases.
Según una realización de la invención, el sistema según la invención comprende una pluralidad de medios de compresión (respectivamente de expansión) montados sucesivamente uno tras otro en serie (se habla entonces de medios de compresión escalonados): el gas comprimido (respectivamente expandido) a la salida del primer medio de compresión (respectivamente de expansión) pasa después en un segundo medio de compresión (respectivamente de expansión) y así sucesivamente.
Según una variante de realización de la invención, los medios de compresión, escalonados o no, pueden ser reversibles, es decir, pueden funcionar tanto para la compresión como para la expansión. Así, es posible limitar el número de dispositivos utilizados en el sistema según la invención, lo que permite un ahorro de peso y de volumen del sistema según la invención.
El tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión usado en el sistema de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido según la invención puede ser superficial o subterráneo. Además, puede estar formado, tal como se ha descrito anteriormente, de un único volumen, en forma de tubo formado por capas concéntricas, o bien de una pluralidad de tales tubos unidos entre sí o no.
El sistema según la invención está adaptado para cualquier tipo de gas, en particular aire. En este caso, el aire de entrada utilizado para la compresión se puede tomar del aire ambiente, y el aire de salida después de la expansión se puede liberar en el aire ambiente.
Los medios de almacenamiento de calor permiten, durante el almacenamiento del gas comprimido (compresión), recuperar un máximo de calor resultante de la compresión del gas a la salida de los compresores, y disminuir la temperatura del gas antes de pasar a la compresión siguiente o antes de almacenar el gas comprimido. Por ejemplo, el gas comprimido puede pasar de una temperatura superior a 150°C (por ejemplo, aproximadamente 190°C) a una temperatura inferior a 80°C (por ejemplo, aproximadamente 50°C). Los medios de almacenamiento de calor permiten, durante la restitución de la energía, restituir un máximo de calor almacenado aumentando la temperatura del gas antes de pasar a la siguiente expansión. Por ejemplo, el gas puede pasar de una temperatura inferior a 80°C (por ejemplo, aproximadamente 50°C), a una temperatura superior a 150°C (por ejemplo, aproximadamente 180°C).
La Figura 3 ilustra un ejemplo no limitativo de un sistema de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido según la invención, que comprende un medio de compresión de gas 1, un medio de almacenamiento de calor 2, un tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión 3 según la invención y un medio de expansión de gas 4. En esta figura, las flechas con líneas continuas ilustran la circulación del gas durante las etapas de compresión (almacenamiento de energía), y las flechas con líneas discontinuas ilustran la circulación del gas durante las etapas de expansión (restitución de energía). El sistema de almacenamiento de calor 2 está interpuesto entre el medio de compresión/expansión 1 o 4 y el tanque 3 según la invención. Clásicamente, en la fase de almacenamiento de energía (compresión), el aire se comprime primero en el compresor 1, después se enfría en el sistema de almacenamiento de calor 2. El gas comprimido y enfriado se almacena en el tanque 3 según la invención. El sistema de almacenamiento de calor 2 acumula calor durante el enfriamiento del gas comprimido en la fase de compresión. Durante la recuperación de energía (expansión), el gas comprimido almacenado en el tanque 3 según la invención se calienta en el sistema de almacenamiento de calor 2. Después, de manera convencional, el gas pasa a través de un medio de expansión 4.
El sistema de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido según la invención no se limita al ejemplo de la Figura 3. Pueden considerarse otras configuraciones: varios escalonados de compresión y/o expansión, uso de medios reversibles que aseguran la compresión y la expansión, etc.
La presente invención se refiere también a un procedimiento de almacenamiento y restitución por gas comprimido, en el que se llevan a cabo las siguientes etapas:
a) se comprime un gas, en particular por medio de un compresor;
b) se enfría el gas comprimido por intercambio de calor, en particular en un medio de almacenamiento de calor;
c) se almacena el gas comprimido enfriado, en particular por un tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión según la invención;
d) se calienta el gas comprimido almacenado, por intercambio de calor, en los medios de almacenamiento de calor; y
e) se expande el gas comprimido calentado para generar energía, por ejemplo por medio de una turbina para generar energía eléctrica.
Así, el tanque para almacenar un fluido bajo presión del procedimiento de almacenamiento y restitución por gas comprimido según la invención comprende al menos un tubo formado por una disposición de capas concéntricas, estando ordenadas las capas concéntricas, desde el interior hacia el exterior del tubo, de la siguiente manera:
- una capa interior formada por hormigón;
- una capa formada por acero de grosor E;
- al menos una capa formada por un enroscamiento de alambres de acero sobre una subcapa de hormigón, estando sometidos los alambres de acero a un pretensado en tracción circunferencial;
- una capa exterior destinada a proteger los alambres de acero frente a daños químicos y/o físicos. Además, al menos el pretensado en tracción circunferencial aplicado a los alambres de acero, o bien el grosor E de la capa formada de acero, o bien tanto el pretensado en tracción circunferencial aplicado a los alambres de acero como el grosor E de la capa formada de acero están predeterminados en función de al menos la presión de servicio. Según una realización de la invención, la presión de servicio es al menos igual a 100 bares, preferentemente 125 bares. Así, el procedimiento de almacenamiento y restitución por gas comprimido según la invención se lleva a cabo por medio de un tanque para almacenar un fluido bajo presión que permite reducir, con respecto a un tanque completamente de acero, las cantidades de acero necesarias, así como las limitaciones técnicas a satisfacer. El procedimiento de almacenamiento y restitución por gas comprimido según la invención es así económica y técnicamente viable.
Según un aspecto de la invención, el procedimiento de almacenamiento y restitución por gas comprimido comprende varias etapas de compresión sucesivas, mediante compresores colocados en serie, también denominadas compresiones escalonadas. En este caso, se repiten las etapas a) y b) para cada escalón de compresión. Así, el gas se comprime y se enfría varias veces.
Según una característica de la invención, el procedimiento de almacenamiento y restitución por gas comprimido comprende varias etapas de expansión sucesivas, mediante medios de expansión dispuestos en serie, también denominadas expansiones escalonadas. En este caso, se repiten las etapas d) y e) para cada escalón de expansión. Así, el gas se calienta y se expande varias veces.
La etapa a) se refiere a la compresión de un gas, por ejemplo aire. Se trata en particular de aire tomado del medioambiente.
La etapa b) permite enfriar el gas comprimido después de cada etapa de compresión, lo que permite optimizar el rendimiento de la siguiente compresión y/o el almacenamiento de energía. Los medios de almacenamiento de calor permiten, durante el almacenamiento del gas comprimido (compresión), recuperar un máximo de calor resultante de la compresión del gas a la salida de los compresores y disminuir la temperatura del gas antes de pasar a la próxima compresión o antes del almacenamiento. Por ejemplo, el gas comprimido puede pasar de una temperatura superior a 150°C, por ejemplo, aproximadamente 190°C, a una temperatura inferior a 80°C, por ejemplo, aproximadamente 50°C. La etapa c) se lleva a cabo mediante un tanque según la invención tal como se ha descrito anteriormente, que puede colocarse en superficie o bajo tierra. Además, puede estar formado por un único volumen o por una pluralidad de volúmenes unidos entre sí o no. Durante el almacenamiento, se cierra el tanque según la invención.
El gas comprimido se almacena hasta el momento en el que se desea recuperar la energía almacenada. La etapa d) y las siguientes se llevan a cabo en el momento en el que se desea recuperar la energía almacenada.
La etapa d) permite calentar el aire comprimido antes de cada expansión, lo que permite optimizar el rendimiento de la expansión siguiente. Para la etapa d), se pueden usar las partículas de almacenamiento de calor que sirvieron para enfriar durante la etapa b). Los medios de almacenamiento de calor permiten, durante la restitución de la energía, restituir un máximo de calor almacenado aumentando la temperatura del gas antes de pasar a la expansión siguiente. Por ejemplo, el gas puede pasar de una temperatura inferior a 80°C, por ejemplo, aproximadamente 50°C, a una temperatura superior a 150°C, por ejemplo, aproximadamente 180°C.
Durante la etapa e), el gas comprimido se expande. La expansión del gas comprimido permite generar energía. Esta expansión se puede llevar a cabo por medio de una turbina que genera energía eléctrica. Si el gas es aire, el aire expandido se puede evacuar al medioambiente.
El procedimiento de almacenamiento y restitución por gas comprimido y el sistema de almacenamiento y restitución por gas comprimido según la invención se pueden usar para el almacenamiento de una energía intermitente, tal como la energía eólica o solar, a fin de poder utilizar esta energía en el momento deseado.
Ejemplo de realización
Las características y ventajas del procedimiento según la invención aparecerán más claramente con la lectura del ejemplo de aplicación siguiente.
En este ejemplo, el objetivo es dimensionar un tanque de almacenamiento de gas que cumpla con las siguientes limitaciones técnicas:
- Volumen de almacenamiento: 5700 m3
- Presión máxima de servicio: 125 bares
- Grado de acero: X80 (límite elástico = 550 MPa, límite a la rotura = 625 MPa)
- Tensión máxima admisible establecida para el acero = Min
Figure imgf000010_0001
= 260 MPa
Un primer tanque R1 que corresponde a una realización del tanque según la invención se dimensiona según las limitaciones técnicas definidas anteriormente, con la ayuda del software Abaqus (Dassault Systemes, Francia). Las principales características del tanque R1 se dan a continuación:
- Grosor de la capa de acero: 8 mm
- Diámetro exterior de la capa de acero: 1422,4 mm
- Diámetros interior/exterior de la capa mixta de hormigón-acero = 1300 mm /1800 mm
- Diámetro de los alambres de pretensado: 10 mm
- Paso de enroscamiento de alambre de acero: 20 mm
- Pretensado aplicado: 1300 MPa
- Longitud total del tanque: 4294 m
- Masa del tubo de acero: 1198 t
- Masa de los alambres de acero: 707 t
- Masa de las capas de hormigón: 12180 t
Las tensiones circunferenciales en las primeras cuatro capas del tanque R1 (siendo las capas referenciadas como en la Figura 1a) se presentan en la Tabla 1, en el caso en el que no se almacene ningún fluido bajo presión (caso denominado “fuera de servicio”; columna 2 de la Tabla 1) y en el caso en el que el fluido bajo una presión de 125 bares está almacenado en el tanque (caso denominado “en servicio” ; columna 3 de la Tabla 1). Según esta tabla se puede observar que las tensiones circunferenciales en la capa de acero C2 están, en servicio, por debajo de la tensión máxima admisible para esta misma capa. Además, el pretensado en compresión, fuera de servicio, en esta capa está lejos del límite autorizado.
El pretensado de compresión generado en las capas de hormigón C1 y C3’ es de 19 MPa y 16 MPa respectivamente. Así, se constata que es suficiente un grado de hormigón con una resistencia a la compresión de 35 MPa.
Debido a la deformación elástica instantánea del conjunto, el pretensado en tracción en los alambres de acero fuera de servicio es menor que el pretensado inicial aplicado. El valor de tensión en servicio está dentro del límite autorizado para alambres de pretensado.
Por lo tanto, la presente invención, mediante la adición de alambres de acero enroscados bajo un pretensado en tracción circunferencial bien dimensionado, permite realizar tanques de almacenamiento de un fluido bajo presión que tienen grosores de acero realistas (8 mm en el presente caso), al mismo tiempo que satisface las limitaciones de seguridad.
Tabla 1
Figure imgf000010_0002
A título ilustrativo, se concibe un segundo tanque R2, idéntico al tanque R1, con la excepción del grosor de la capa de acero que es, en el caso de R2, de grosor E igual a 2 mm. Las tensiones circunferenciales en las primeras cuatro capas del tanque R2 se presentan en la Tabla 2, en el caso en el que no se almacene ningún fluido bajo presión (caso denominado “fuera de servicio”; columna 2 de la Tabla 2) y en el caso en el que el fluido bajo presión de 125 bares se almacena en el tanque (caso denominado “en servicio”; columna 3 de la Tabla 2).
Tabla 2
Figure imgf000011_0001
Se puede observar que, en el caso de ausencia de tensiones relacionadas a la presión del gas almacenado (columna 2 de la Tabla 2), la disminución del grosor del acero (con respecto a R1) no cambia las tensiones de manera significativa. Esto se debe a que en este caso el hormigón (de las capas C1 y C3’) tiene un papel muy importante en la compresión. Sin embargo, en la fase de servicio (columna 3 de la Tabla 2), se observa que las tensiones son mucho más elevadas en el acero (capa C2) y en los alambres de pretensado (capa C3”). Estas tensiones no son admisibles y el sistema no mantiene correctamente la presión interna.
También a título ilustrativo, se dimensiona un tanque R3, esta vez formado por una sola capa de acero. Fijando un diámetro exterior del tubo de acero igual a 56” (1422,4 mm), dimensión clásica de un oleoducto de tipo X80 en particular, se obtienen las siguientes características a partir de un cálculo clásico según la norma CODAP, basado en las ecuaciones de RDM (RDM para Resistencia de los Materiales):
- Grosor del acero: 33,5 mm
- Longitud total de los tubos: 3950 m
- Masa total de acero: 4533 t
Se constata, comparando las características del tanque R1 con las del tanque R3, que la masa total de acero es mucho más importante para el tanque completamente de acero R3 que para el tanque R1 según la invención. Sabiendo que el precio de una tonelada de hormigón es muy inferior al del acero (del orden de 1/20 por ejemplo), el tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión según la invención, para la adición de capas de hormigón a una capa de acero, y de un pretensado aplicado durante el enroscamiento de los alambres de acero, es más económico, garantizando al mismo tiempo la estanqueidad y la resistencia mecánica a las presiones en servicio consideradas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Tanque para almacenar un fluido bajo presión tal como aire comprimido, caracterizado por que dicho tanque se presenta en la forma de al menos un tubo formado por una disposición de capas concéntricas (C1, C2, C3, C4), comprendiendo dicha disposición, desde el interior hacia el exterior de dicho tubo, una capa interna formada por hormigón (C1), una capa formada por acero de grosor E (C2), al menos una capa (C3) formada por un enroscamiento de alambres de acero (C3”) sobre una subcapa de hormigón (C3’), y una capa exterior (C4) destinada a proteger dichos alambres frente a daños físicos y/o químicos, y en el que dichos alambres están sometidos a un pretensado en tracción circunferencial, estando dimensionado al menos dicho grosor E y/o dicho pretensado de tal manera que resiste a una presión de servicio superior a 100 bares.
2. Tanque según la reivindicación 1, en el que el diámetro y la separación de dichos alambres de acero en una dirección axial de dicho tubo dependen de dicho pretensado.
3. Tanque según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho tubo comprende una pluralidad de capas (C3) formadas por dicho enroscamiento de alambres de acero (C3”) sobre dicha subcapa de hormigón (C3’), y en el que se determinan dichos pretensados en dichos enroscamientos según la distancia radial de dichas capas de dicha pluralidad de capas.
4. Tanque según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha capa exterior (C4) es de hormigón o de mortero.
5. Tanque según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha capa formada por acero (C2) corresponde a un tubo de acero de grado API X80.
6. Tanque según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho tanque está formado por una pluralidad de dichos tubos, no estando dichos tubos unidos entre sí.
7. Tanque según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho tanque está formado por una pluralidad de dichos tubos, estando unidos entre sí dichos tubos mediante soldadura o mediante una junta de estanqueidad de elastómero.
8. Procedimiento de fabricación de un tanque para almacenar un fluido a presión según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, a partir de un tubo de acero macizo de grosor E y de una bobina de alambre de acero, se lleva a cabo al menos las siguientes etapas:
a) se forma una capa interna de hormigón en el interior de dicho tubo de acero;
b) se forma una subcapa de hormigón en el exterior de dicho tubo de acero;
c) se enroscan helicoidalmente dichos alambres de acero de dicha bobina, sometiéndolos a un pretensado en tracción circunferencial;
d) se forma una capa externa destinada a proteger dichos alambres de acero frente a daños físicos y/o químicos, dependiendo al menos dicho grosor E y/o dicho de una presión de servicio superior a 100 bares.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que se repiten las etapas b) y c) de manera a formar una pluralidad de capas (C3) formadas por dicho enroscamiento de alambres de acero (C3”) sobre una subcapa de hormigón (C3’).
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 y 9, en el que al menos dicha capa interna de hormigón y dicha subcapa de hormigón están formadas por centrifugación o bien por moldeo y vibración.
11. Sistema de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido que comprende al menos un medio de compresión de gas (1), al menos un tanque de almacenamiento de un fluido bajo presión (3) según una de las reivindicaciones 1 a 7, al menos un medio de expansión (4) de dicho gas comprimido para generar energía, y al menos un medio para almacenar calor (2).
12. Procedimiento de almacenamiento y restitución de energía por gas comprimido, en el que se llevan a cabo las siguientes etapas:
a) se comprime un gas;
b) se enfría dicho gas comprimido por intercambio de calor en un medio de almacenamiento de calor (1); c) se almacena dicho gas enfriado en un tanque para almacenar un fluido bajo presión según una de las reivindicaciones 1 a 7;
d) se calienta dicho gas comprimido enfriado mediante la restitución del calor en dicho medio de almacenamiento de calor (1); y
e) se expande dicho gas comprimido calentado para generar energía.
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