ES2942788A1 - Sistema de almacenamiento de energia electrica por gravedad - Google Patents

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Granados José Manuel Guerrero
Mahtani Kumar Vijay
Pajaron Pablo Rodriguez
Gaona Carlos Antonio Platero
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Abstract

Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad que comprende una masa, situada en el interior de un túnel, y desplazable de manera ascendente y descendente en el interior del túnel conectada a un subsistema de subida y bajada; caracterizado por que comprende, además, un subsistema de turbinado eólico, donde dicho subsistema de turbinado comprende: al menos una galería transitable por un flujo de aire en ambas direcciones, que conecta el túnel por el que se desplaza la masa con un aliviadero al exterior; al menos una turbina eólica bidireccional configurada para ser atravesada por el flujo de aire que transita la al menos una galería; y un generador, asociado a la al menos una turbina eólica bidireccional, configurada para generar energía eléctrica a partir de la turbina.

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR GRAVEDAD
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad con aprovechamiento energético con energía eólica en cavidades subterráneas, principalmente en minas subterráneas de pozo vertical donde su explotación ya ha sido cesada.
El sistema de la invención es particularmente relevante en sistemas eléctricos con alta integración de energía renovable donde los puntos de generación y demanda se vean desplazados entre sí. Además, la invención puede aprovechar infraestructuras ya construidas como son los pozos verticales y sus galerías horizontales de minas abandonadas para su instalación.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Disponer de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica es cada vez más importante debido a la alta inserción de generación por tecnologías renovables como son la energía eólica y solar. Con este tipo de sistemas, principalmente con la energía solar fotovoltaica, los picos de consumo en los sistemas eléctricos de potencia quedan desplazados de los picos de generación y por lo tanto se requiere de tecnologías que almacenen, o “retarden”, el pico de generación y lo desplacen al pico de consumo. Esto se realiza consumiendo energía cuando generación es superior a la demanda realizando un trabajo reversible que durante horas donde se requiera permita verter dicha energía almacenada a la red.
Son numerosos los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica entre los que el almacenamiento mediante hidrógeno verde, baterías electroquímicas y bombeo hidráulico son los más conocidos y utilizados. Sin embargo, otros tipos de tecnologías de almacenamiento como el de gravedad está empezando a ser empleado con dicho fin.
Los sistemas de almacenamiento por gravedad dejan bajar una masa una altura determinada generando energía eléctrica a partir de su energía potencial y almacenan dicha energía subiendo la masa a su punto de partida. Actualmente, existen soluciones, situadas al aire libre, que comprenden una base y al menos un brazo, dando lugar a una estructura en forma de grúa, donde se hace ascender y descender un conjunto de masas, aprovechando la energía cinética para la generación de energía eléctrica. Para lograr una generación de energía eléctrica aceptable, estas soluciones requieren un elevado volumen, como por ejemplo el sistema-grúa localizada en Arbedo-Castione que presenta una altura de 70 metros y seis brazos.
En este ámbito, son numerosas las invenciones que almacenan energía aprovechando la diferencia de potencial de una masa o cuerpo suspendido como puede observarse en la invención “GRAVITY ENERGY STORAGE AND GENERATING DEVICE” (US 2012/0085984 A1) donde se propone un sistema vertical soterrado de estas características; o en la invención “GRAVITY FIELD ENERGY STORAGE AND RECOVERY SYSTEM” (US 2016/0084236 A1) donde mediante el mismo proceso se propone su utilización con energía distribuida y aplicación por ejemplo en ascensores de viviendas.
En cuanto a almacenamiento a gran escala, en la invención “GRAVITATIONAL POTENCIAL ENERGY STORAGE” (WO 2014/131806 A2) se propone la introducción de una masa en un pozo soterrado accionado mediante cuatro cabestrantes acoplados cada uno a una máquina eléctrica que permiten la estabilidad de la masa en su subida y bajada del pozo. Otra opción se propone en la invención “HIGH ALTITUDE GRAVITY ENERGY STORAGE” (US 2015/0166165 A1), donde varias masas se suspenden mediante una edificación en superficie, lo que permite almacenar más energía potencial, pero requiere una mayor infraestructura además de más robusta.
Las invenciones que proponen la utilización de este sistema de almacenamiento mediante la utilización de túneles presentan inconvenientes adicionales, ya que estas masas se ven frenadas por el aire que va comprimiendo o expandiendo la masa a su paso por el túnel.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene como objetivo subsanar las deficiencias presentadas en el estado de la técnica anterior.
Para ello, una realización de la invención se refiere a un sistema de almacenamiento de energía eléctrica mediante tecnología de gravedad con aprovechamiento energético mediante energía eólica.
El sistema de almacenamiento de energía comprende una masa, situada en el interior de un túnel, por el que se desplaza de manera ascendente y descendente conectada a un subsistema de subida y bajada.
El subsistema de subida y bajada comprende uno o varios cabestrantes accionados por una o varias máquinas eléctricas. Estas máquinas eléctricas generan energía eléctrica si la masa baja y demandan energía para almacenarla en forma de energía potencial subiendo de nuevo la masa. Alternativamente, el subsistema de subida y bajada puede presentar una configuración equivalente, de modo que se capacita el movimiento ascendente y descendente de la masa a lo largo del túnel.
Según la presente invención, la definición de túnel incluye, por ejemplo, un pozo subterráneo, preferiblemente vertical, siendo el punto de cota 0 coincidente con la superficie terrestre. En esta realización, la masa realiza un desplazamiento ascendente y descendente en el interior del pozo. Sin embargo, como se mencionó inicialmente, la masa se ve frenada por el aire que va comprimiendo o expandiendo la masa a su paso por el pozo.
Ante este inconveniente, el sistema de almacenamiento de energía eléctrica comprende, adicionalmente, un subsistema de turbinado eólico de modo que la masa puede desplazarse óptimamente en el pozo, sin interacción con el aire presente en el túnel, y adicionalmente se logra obtener energía eléctrica para ser almacenada. El subsistema de turbinado comprende al menos una galería. Cada galería presenta un aliviadero, en forma de abertura, que conecta la galería con el exterior, de modo que permiten la convección del aire en el interior de dichas galerías. El subsistema de turbinado comprende, además, al menos una turbina eólica bidireccional. Dicha turbina se sitúa, preferiblemente, en el interior de cada galería, donde se presenta una gran eficiencia. Sin embargo, la turbina se puede encontrar también situada en el exterior, de manera posterior al aliviadero de las galerías, donde la instalación de este subsistema es más sencilla. En este sentido, en una realización de un pozo subterráneo, la turbina se ubicaría en la superficie terrestre, sin necesidad de ser introducida bajo tierra.
Por tanto, el subsistema de turbinado está configurado para turbinar bidireccionalmente un flujo de aire. Dicho flujo de aire es el flujo producido por el movimiento de la masa al desplazarse, de tal forma que el aire que circula por diferencia de presión en dicho movimiento es empleado, tanto en la bajada de la masa como en la subida, para generar energía eléctrica por medio de una turbina bidireccional y un generador.
En una realización preferente, la energía eléctrica extraída por la circulación del aire cuando se mueve la masa puede ser o volcada a la red o almacenada en forma de energía potencial inyectando dicha energía en las máquinas eléctricas superiores que sujetan los cabestrantes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Se describen aquí de forma breve una serie de figuras, de ejemplos no limitativos, que ayudan a comprender mejor la invención:
La figura 1 muestra una realización de la invención donde se muestra un sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad y aprovechamiento eólico subterráneo con un subsistema de turbinado que comprende tres niveles de galerías, donde la masa se encuentra suspendida en la cota máxima de un pozo vertical.
La figura 2 muestra una realización de la invención donde se muestra un sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad y aprovechamiento eólico subterráneo con un subsistema de turbinado que comprende tres niveles de galerías, donde la masa se encuentra en un punto intermedio de un pozo vertical durante un desplazamiento descendente, generando energía eléctrica.
La figura 3 muestra una realización de la invención donde se muestra un sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad y aprovechamiento eólico subterráneo con un subsistema de turbinado que comprende tres niveles de galerías, donde la masa se encuentra en un punto intermedio de un pozo vertical y durante un desplazamiento ascendente, demandando energía eléctrica de la red.
REFERENCIAS NUMÉRICAS DE LAS FIGURAS
(1) Red eléctrica
(2) Máquina eléctrica asociada al cabestrante
(3) Cabestrante
(4) Masa
(5) Superficie
(6) Pozo
(7) Galería
(8) Dirección de movimiento de la masa
(9) Dirección de movimiento del aire
(10) Turbina eólica bidireccional
(11) Generador
(12) Aliviadero de galería
(13) Cableado a red desde turbina
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Se procede a continuación a realizar una descripción detallada de las figuras enumeradas previamente y que guardan relación con posibles realizaciones no limitativas de la invención.
La figura 1 muestra una realización de la invención donde se muestra un sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad y aprovechamiento eólico subterráneo con un subsistema de turbinado que comprende tres niveles de galerías, donde la masa se encuentra suspendida en la cota máxima de un pozo vertical.
En este ejemplo no limitativo de la invención al menos una máquina eléctrica (2), conectada a la red eléctrica (1) o a sistemas de electrónica de potencia que hagan un accionamiento de velocidad variable, sostiene una masa (4) dentro de un pozo (6) vertical, gracias a un cabestrante (3) de longitud igual a la del pozo vertical (6). Dicha máquina eléctrica (2) está configurada para proporcionar una doble función. Por un lado, la máquina eléctrica genera energía eléctrica durante el descenso de la masa (4) y, por otro lado, actúa como motor de la masa (4) durante el ascenso.
A diferencia con otras soluciones existentes, el presente sistema genera una mejora de la eficiencia y el aprovechamiento energético al comprender una masa desplazable a lo largo de un túnel o pozo (6) y, adicionalmente, un subsistema de turbinado. El subsistema de turbinado se encuentra conectado al túnel del sistema a través de al menos una galería (7). Cada galería (7) comprende un aliviadero (12) que conecta el subsistema de turbinado con el exterior. Adicionalmente, el subsistema de turbinado comprende al menos una turbina (10) eólica bidireccional, que es atravesada por el flujo de aire generado por el desplazamiento de la masa (4) en su ascenso y descenso a lo largo del túnel.
Como se muestra en la Figura 1, las galerías (7) presentes en el sistema pueden estar distribuidas a lo largo del túnel o pozo (6), preferiblemente vertical, a diferentes niveles de altura. Es decir, el presente sistema puede comprender un primer nivel de al menos una galería (7), seguido de un segundo nivel de al menos una galería (7), según la dirección de descenso de la masa (4).
Un ejemplo de este tipo de configuración es un pozo (6) subterráneo, como el obtenido de una mina abandonada de su explotación que dispone de galerías (7) horizontales a diferentes niveles.
Así, en una realización particular, como la mostrada en la Figura 1, el subsistema de turbinado comprende tres niveles de dos galerías (7) horizontales, con un conjunto de turbinas (10) en el interior de cada galería (7), tras lo cual se sitúa el aliviadero (12), preferiblemente vertical, que comunica la galería (7) con la superficie (5).
Las turbinas (10) eólicas bidireccionales son capaces de turbinar el flujo de aire en ambas direcciones, unidas dichas turbinas (10) a un generador (11) con conexión a la red eléctrica (1). Esta configuración presenta una elevada generación de energía eléctrica, al estar las turbinas (10) situadas en el interior de la galería (7). Opcionalmente, el subsistema de turbinado comprende una turbina central, situada en la parte superior o boca del pozo (6) que puede estar conectada a la red eléctrica (1) a través de un generador (11). Adicionalmente, los generadores (11) pueden estar configurados para actuar como motores, de modo equivalente a la máquina eléctrica (2).
Para asegurar el flujo de aire, cada galería (7) presenta al menos un aliviadero (12) que conecta el subsistema con el exterior. En una realización preferente, el aliviadero (12) es un conducto pequeño, situado de manera vertical, en los extremos de galería (7).
Como se muestra en la figura 1, en uso, la masa (4) decae desde la cota máxima (0 m) del pozo (6) volcando energía eléctrica a la red eléctrica (1). La dirección de la masa durante el descenso es señalada mediante el vector de dirección de masa (8) mientras que la dirección de movimiento del aire generado durante este desplazamiento es señalada mediante el vector de dirección de viento (9). Consecuentemente, el viento es bombeado desde el pozo hacia el aliviadero (12) que conecta con la superficie (5) una vez atravesada las turbinas (10) presentes en cada galería (7). La energía eléctrica del subsistema de turbinado es generada en las máquinas eléctricas de turbina (11) asociadas a las turbinas (10) y llevadas a la red mediante cables (13).
La figura 2 muestra una realización de la invención donde se muestra un sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad y aprovechamiento eólico subterráneo con un subsistema de turbinado que comprende tres niveles de galerías, donde la masa se encuentra en un punto intermedio de un pozo vertical durante un desplazamiento descendente, generando energía eléctrica.
Se muestra un instante posterior, cuando la masa ha bajado un intervalo de longitud “x” superando el primer nivel de galerías (7). En este caso el volumen dejado atrás por la masa (4) queda en subpresión invirtiéndose el flujo de aire de la galería (7) del primer nivel, mientras que las otras dos galerías mantienen el flujo de aire de la posición descrita en la figura 1.
Una vez la masa (4) llega al final y el almacenamiento queda vaciado por completo, se produce la carga del sistema de almacenamiento, para ello la masa (4) asciende hasta cota 0 m.
En la figura 3 muestra una realización de la invención donde se muestra un sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad y aprovechamiento eólico subterráneo con un subsistema de turbinado que comprende tres niveles de galerías, donde la masa se encuentra en un punto intermedio de un pozo vertical y durante un desplazamiento ascendente, demandando energía eléctrica de la red.
En este caso, al describir el ascenso de la masa (4), la zona de subpresión es el volumen por debajo de la masa, por lo que el flujo de aire se invierte en las galerías de niveles inferiores mientras que la parte superior del pozo (6) vertical se va comprimiendo. En este caso, el primer nivel de galerías (7) vuelve a tener el sentido entrante a la galería.
Opcionalmente, el sistema puede comprender una turbina central, situada en la boca del pozo, también conectada a través de un generador (11) a la red eléctrica (1). Dicha turbina central mantiene el flujo de aire igual al vector dirección de la masa (8).
En una realización alternativa, la al menos una turbina (10) del subsistema de turbinado puede situarse a ras de la superficie (5), a continuación de la salida del aliviadero (12). Esta realización disminuye los costes de instalación, si bien se produce una reducción en la eficiencia de recuperación de energía con tecnología eólica.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Si stema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad que comprende una masa (4), situada en el interior de un túnel, y desplazable de manera ascendente y descendente en el interior del túnel conectada a un subsistema de subida y bajada;
    caracterizado por que comprende, además, un subsistema de turbinado eólico, donde dicho subsistema de turbinado comprende:
    - al menos una galería (7) transitable por un flujo de aire en ambas direcciones, que conecta el túnel por el que se desplaza la masa (4) con un aliviadero (12) al exterior;
    - al menos una turbina (10) eólica bidireccional configurada para ser atravesada por el flujo de aire que transita la al menos una galería (7); y
    - un generador (11), asociado a la al menos una turbina (10) eólica bidireccional, configurada para generar energía eléctrica a partir de la turbina (10).
  2. 2. - Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad según la reivindicación 1, donde el subsistema de subida y bajada comprende uno o varios cabestrantes, accionados por una o varias máquinas eléctricas de cabestrante (2).
  3. 3. - Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde las galerías (7) son horizontales.
  4. 4. - Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el sistema comprende al menos dos niveles de galerías (7).
  5. 5. - Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la al menos una turbina (10) se sitúa en el interior de la galería (7).
  6. 6. - Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la al menos una turbina (10) se sitúa en la salida del aliviadero (12) de la galería (7).
  7. 7. - Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el túnel es un pozo (6) subterráneo.
  8. 8. - Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad según la reivindicación 7, donde el pozo (6) subterráneo es un pozo vertical.
  9. 9. - Sistema de almacenamiento de energía eléctrica por gravedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el sistema comprende, además, una turbina central situada en la boca del túnel.
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