ES2969330T3 - Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica - Google Patents
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Abstract
El sistema según la invención comprende un pistón ponderado (30), que tiene la función de acumular energía potencial gravitacional levantándolo verticalmente dentro de un cilindro (10) con la pared de hormigón armado, lleno de agua, estando provisto el pistón (30). en el centro con una tubería de alta presión (20) que conduce agua a presión desde la base del cilindro hasta un sistema de generación de electricidad (50) mediante turbinas de impulso, descargándose el agua maquinada en el ciclo de producción de electricidad (50) nuevamente al cilindro (10), encima del pistón. Para el ciclo de absorción y almacenamiento de energía de una red eléctrica, el sistema también comprende un sistema de absorción de energía eléctrica (60) que toma el agua por encima del pistón (30) y la inserta en el canal de alta presión (20), bajo el pistón (30). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica
El sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica está destinado principalmente a operaciones de la red eléctrica, utilizándose para almacenar cantidades grandes/significativas de energía durante periodos de tiempo en los que la red tiene un exceso de producción de energía eléctrica, con el fin de suministrarla durante periodos de consumo de pico. El sistema proporciona almacenamiento de energía con riesgos y costes ambientales nulos durante su funcionamiento y está construido a partir de material que es reciclable al 100% al final de la vida útil del producto. Los costes ambientales iniciales (por ejemplo, huella de CO<2>) son ridículamente pequeños y no se utilizan materiales con un alto riesgo ambiental. El sistema puede actuar como amortiguador para que cualquier sistema de producción de energía verde almacene y proporcione un funcionamiento de la red eléctrica perfilado al 100% según el consumidor.
En el artículo "Energy storage systems, a solution for optimizing the operation of electricity networks to which intermittent renewable sources of various energy storage systems are connected", Boletín de AGIR, Suplemento 1/2015, se mencionan varias tecnologías para el almacenamiento de electricidad, entre ellas el llamado “Sistema de Almacenamiento Hidráulico por Bombeo (PHS)”. Consiste en una "estación de hidrobombeo", que almacena energía bombeando aguas residuales desde una balsa ubicada a la salida de las turbinas (tanque inferior, donde se recogen durante el funcionamiento de la central hidroeléctrica), en la balsa de aguas arriba (tanque superior), durante períodos o intervalos de tiempo en que el sistema produce un exceso de electricidad. Dichas centrales de hidrobombeo requieren de una balsa inferior de recogida de aguas residuales y utilizan conjuntos de turbina-generador reversibles, generalmente turbinas reversibles derivadas de Francis o Kaplan de manera que sean lo más eficientes posible, pero con la desventaja de volúmenes de agua muy grandes. El coste ambiental de estas tecnologías es extremadamente alto debido al severo impacto en el paisaje y ríos.
En el sitio http://www.gravitypower.net/technology-gravity-power-energy-storage/ se presenta un módulo de energía gravitacional (GPM-Módulo de Energía por Gravedad), que comprende un pistón muy grande, que se coloca en un pozo o mina profundo, lleno de agua, estando el pistón provisto de juntas deslizantes para evitar fugas a su alrededor, y una tubería de retorno vertical, situada fuera del pistón, que conecta la parte inferior del pistón a una turbina reversible de tipo Francis acoplada a una máquina eléctrica, situada a nivel del suelo. El pistón está realizado con hormigón o roca reforzada. El pozo se llena con agua una vez, en el inicio de las operaciones, y a continuación se cierra, y no se requiere agua adicional después de este llenado inicial. Cuando se produce electricidad, a medida que el pistón desciende, obliga al agua del pozo de almacenamiento a subir por la tubería de retorno y, a través de la turbina, a hacer girar una máquina eléctrica en modo generador. Cuando necesitamos almacenar energía, la máquina eléctrica se controla en modo motor siendo alimentada desde la red, y hace girar la misma turbina (reversible) en modo bomba para forzar el descenso del agua por la tubería de retorno, en la base del pozo, elevando el pistón. El módulo GPM se presenta solamente a nivel de idea, y el uso de tecnología reversible (grupo de turbina/generador reversible) tiene la desventaja de que, al estar limitada la presión (20-30 bares) tiene una baja eficiencia y requiere grandes volúmenes de agua por MWh almacenado.
A partir de la literatura de patentes se conoce la invención CN 204061053 (U), titulada "Hydropower system for storage of wind energy" y publicada el 31 de diciembre de 2014. El sistema según la invención está compuesto por un pozo vertical primario, un segundo pozo vertical más profundo, ambos dispuestos en una zona marítima, una unidad de generación hidroeléctrica (grupo de turbina-generador), situada en la parte inferior del primer pozo vertical, y un grupo de bombas dispuestas en la parte inferior del segundo pozo vertical. Se inyecta agua marina en el primer pozo vertical en la unidad generadora hidroeléctrica que suministra el exceso de electricidad a través de una línea subterránea. Después de esto, el agua es conducida a través de una tubería en la base del segundo pozo vertical desde donde es bombeada a la superficie del suelo, en una balsa, por el grupo de bombas accionadas por una turbina eólica externa. Así, el agua del depósito almacena energía eólica en forma de energía potencial y a continuación la misma puede utilizarse para generar electricidad.
También es conocida la invención DE102011012261 (A1), publicada el 30 de agosto de 2012 y titulada "Electric power storing device for storage tank power plant, recovers potential energy generated by emptying tank into surrounding waters using pump devices under application of electric energy, during filling of tank" (Werner RAU). El dispositivo tiene un tanque lleno de agua sobre algún material de balasto (por ejemplo, grava, hormigón), estando dispuesto el tanque sobre un fondo marino. El tanque está conectado al aire externo a través de una tubería o manguera para permitir, sin compresiones, el intercambio de aire y la formación de una cámara de aire sobre el agua al vaciar el tanque. A través de una válvula de entrada, una turbina reversible acoplada a un motor/generador eléctrico, el agua o bien se alimenta al tanque desde el exterior o bien se bombea de vuelta al agua circundante desde el interior. La energía potencial generada al vaciar el tanque en aguas circundantes mediante dispositivos de bombeo hidráulicos o neumáticos bajo la aplicación de energía eléctrica, se recupera durante el llenado del tanque. La cantidad de agua que fluye se regula de modo que la potencia de la turbina reversible y del motor/generador eléctrico se adapte a los requisitos de la red eléctrica. La invención utiliza tecnología reversible (grupo de turbina/generador reversible) que tiene una baja eficiencia.
Además, también se conoce la invención US 2012/0049673, publicada el 1 de marzo de 2012, y titulada "Generator system for water tank" (Myung Hoe KOO). La invención proporciona un sistema generador que comprende un tanque de agua en forma de un cilindro que tiene una abertura superior y una abertura inferior; una pared divisoria dispuesta verticalmente en el tanque de agua y que divide el tanque de agua en una primera columna vertical y una segunda columna vertical, que se unen en las proximidades de la abertura inferior del tanque de agua. Cada una de las placas de cilindro está dispuesta y configurada para realizar un movimiento de pistón a través de la columna vertical correspondiente del tanque de agua, estando dichas placas de cilindro conectadas mediante una polea a través de un cable, y teniendo cada una de ellas una pluralidad de orificios unidireccionales para permitir que fluya agua solamente hacia abajo. Un motor eléctrico alimentado por un panel solar acciona la polea para elevar alternativamente la primera placa de cilindro o la segunda placa de cilindro; Un turbogenerador está dispuesto en la abertura inferior del tanque de agua y para generar electricidad con un flujo de agua generado por placas de cilindro que caen, proporcionándose una tubería de retorno, que tiene un extremo inferior dispuesto en la abertura inferior del tanque de agua y un extremo superior abierto a la abertura superior del tanque de agua, para devolver agua desde el turbogenerador al tanque de agua.
La eficiencia de la turbina se ve disminuida por la columna de agua en la tubería de retorno.
La descripción de la invención n.° DE 102007062672, autor Werner RAU, publicada el 13 de agosto de 2009, divulga un método y un dispositivo para generar y almacenar energía eléctrica. El método implica elevar un portamasas que comprende un contenedor que está lleno de materiales pesados (por ejemplo, piedras, hormigón, arena, hierro), y se eleva sobre un dispositivo de elevación hidráulico mediante un accionamiento eléctrico, tomándose de la red/tendido eléctrico la energía para accionar el motor eléctrico. Cuando se hace bajar, el peso del portamasas acciona una turbina, que está instalada en el flujo de retorno del fluido hidráulico, a través del dispositivo hidráulico, dicha turbina devuelve al tendido eléctrico la electricidad generada, a través de un generador de electricidad.
El problema técnico que resuelve la invención es la reducción del volumen de agua necesario por MWh almacenado en un sistema gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica, por lo tanto, una alta densidad de energía de almacenamiento por volumen construido.
El sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la invención comprende un gran pistón pesado, lastrado/cargado con bloques de material de alta densidad volumétrica de masa, fijados simétricamente sobre la superficie del pistón para una distribución uniforme de la masa, que tiene la función de acumular energía gravitacional potencial elevándolo verticalmente dentro de un cilindro con paredes de hormigón armado y camisa de acero de alta calidad, lleno de agua, guiándose el pistón sobre la pared vertical del cilindro a través de unas guías, y estando provisto, en el centro, de una abertura circular, en el eje del cilindro hay un canal de alta presión, que pasa a través del pistón y conduce el agua presurizada desde la base del cilindro hasta un sistema de generación de electricidad usando turbinas de impulsión, estando el canal de escape sellado en la parte superior y desaireado, descargándose el agua utilizada en el ciclo de producción de electricidad de vuelta al cilindro, por encima del pistón, a través de un canal de retorno a presión atmosférica, y para el ciclo de absorción y almacenamiento de energía proveniente de un tendido eléctrico, incluye también un sistema de bombas de alta presión y flujo variable, que toma el agua por encima del pistón, a través del canal de retorno, y la introduce en el canal de presión, por debajo del pistón, provocando que suba con lo cual se acumula energía.
En relación con la técnica anterior, el sistema de almacenamiento de electricidad de ciclo combinado hidráulico por gravedad según la invención tiene las siguientes ventajas:
- tiene un coste ambiental nulo y un riesgo ambiental nulo durante su funcionamiento. El sistema está cerrado por lo que no se intercambian sustancias con el medio ambiente y el fluido del interior (agua) es neutro para el medio ambiente en caso de fugas. En caso de fallo de las turbinas o bombas, no se libera aceite a agua que fluya libremente como en los sistemas PHS estándar. La construcción entra en competencia con un coste medio extremadamente bajo por MWh almacenado con una huella de carbono extremadamente baja de los materiales y equipos puestos en funcionamiento. Al final del ciclo de vida de la central todos los materiales del interior son reciclables al 100%.
- requiere una cantidad reducida de agua por MWh almacenado, reutilizándose el agua al 100% en un ciclo completamente cerrado.
- el sistema cuenta con equipos diferenciados de entrada y de salida por lo que puede dimensionarse desequilibrado para permitir una carga completa durante horas valle (de 2 a 6 horas o cuando hay energía verde disponible en exceso) y una descarga durante horas punta (de 6 a 18 horas cuando hay poca o ninguna energía verde disponible);
- el funcionamiento de la red está perfilado al 100% en cualquier sentido de funcionamiento - entrada o salida de energía eléctrica - adecuado para un uso proyectado al 100% de energía verde no controlable (es decir, eólica, solar, olas, etc.)
- permite la variación continua de la producción de energía eléctrica entre el 0 y el 100% de la capacidad de salida instalada pudiendo perfilar completamente a los consumidores de una red de distribución pequeña/mediana.
- permite la absorción continua de energía eléctrica entre el 0 y el 100% de la capacidad de entrada instalada pudiendo perfilar completamente la producción sobre una capacidad pequeña/mediana de generación de energía no controlable.
- permite un número teórico ilimitado de ciclos de carga-descarga solamente con costes de mantenimiento mecánico/eléctrico del equipo.
- permite el almacenamiento de energía a largo plazo, sin pérdidas durante el almacenamiento, plazo teóricamente ilimitado.
- permite la instalación de dichas unidades cerca de subestaciones de la red debido a su tamaño reducido y sin requisitos geofísicos especiales.
- permite la instalación de dichas unidades en áreas (urbanas) congestionadas gracias a que el área ocupada es extremadamente pequeña y el hecho de que la construcción sea completamente subterránea permite la reutilización de terreno de la superficie para otros fines y además con un impacto nulo sobre lugares de interés.
A continuación se proporciona una realización de la invención en relación con las figuras 1-6 que representan:
- figura 1, diagrama esquemático de un sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento eléctrico, según la invención;
- figura 2, detalle de diseño de la pared cilíndrica/balsa cilíndrica;
- figura 3, detalle del diseño del canal de presión;
- figura 4, detalle del diseño del pistón pesado;
- figura 5a, esquema de diseño de la pared de hormigón del cilindro;
- figura 5b, diseño del segmento de hormigón prefabricado del cilindro;
- figura 6, diseño del collar del cilindro.
El sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la invención funciona en un ciclo de absorción y almacenamiento de energía, durante los períodos o intervalos de tiempo en los que el tendido eléctrico al que está conectado produce un exceso de electricidad o cuando el operador de la unidad decide almacenar energía, y en un ciclo de producción de electricidad para el tendido eléctrico, durante periodos de consumo de pico o cuando el operador de la unidad decide extraer energía. El sistema también se puede utilizar para el almacenamiento a corto plazo o a largo plazo de energía renovable no controlable (eólica y/o solar) para su uso durante períodos de consumo de pico. El sistema también se puede configurar para proporcionar a una red pequeña-mediana una energía perfilada al 100% según el consumidor, independientemente de la fluctuación de generación de energía (con un dimensionamiento apropiado/calibración adecuada).
Haciendo referencia a la figura 1, el sistema de almacenamiento de electricidad de ciclo combinado gravitacionalhidráulico consta de un cilindro recto 10 con paredes de hormigón armado y una camisa de acero de alta calidad para soportar altas presiones, que tiene en el eje un canal/tubería 20 de alta presión, en el cilindro hay un pistón móvil grande y pesado 30, que tiene la función de acumular energía gravitacional potencial elevándolo verticalmente dentro del cilindro 10, que se llena con agua por debajo y por encima del pistón. El pistón 30 está provisto, en el centro, de una abertura circular para permitir que el canal 20 de alta presión pase a través del pistón 30, teniendo dicho canal 20 de alta presión al menos un codo en el extremo superior. En el ciclo de absorción y almacenamiento de energía, el agua por encima del pistón 30 es bombeada a presión por el sistema 60 de entrada de energía a través del canal 20 de alta presión, debajo del pistón, provocando que el mismo suba con lo cual acumula energía potencial gravitacional, y en el ciclo de producción de electricidad, el agua presurizada de la base del cilindro 10 es conducida a través del canal 20 de alta presión hasta un sistema 50 de generación de electricidad, simultáneamente con el descenso del pistón 30 utilizando su energía potencial gravitacional. La presión en el canal de alta presión es constante independientemente de la posición del pistón 30, por lo que los sistemas de energía de entrada 60 y salida 70 pueden diseñarse con facilidad. El agua procesada en el ciclo de generación de electricidad se descarga de vuelta al cilindro 10, por encima del pistón 30, a través de un canal 25 de retorno a presión atmosférica, realizado en el nivel superior de llenado de agua del cilindro 10, y construido por debajo de la profundidad de congelación específica del área geográfica en la que se construye la balsa. Así, el agua del cilindro 10 se utiliza en un circuito cerrado, compensándose únicamente por las pérdidas por evaporación durante el funcionamiento del sistema y queda protegida de las heladas.
El cilindro 10 es una balsa cilíndrica recta de grandes dimensiones con un diámetro y una altura de decenas de metros, dependiendo de la capacidad de almacenamiento deseada. Se construye por debajo del nivel del suelo, mediante un método que se describe posteriormente. El cilindro 10 tiene paredes realizadas con hormigón prefabricado, en forma de segmentos huecos/de armazón cilíndricos prefabricados pretesados 12 (en la figura 5b se representa un ejemplo de dicho segmento de hormigón), postesándose dicho segmento de hormigón con cables de acero, estando provisto dicho cilindro 10, en la parte superior, de un collar cilíndrico 70 (mostrado en la figura 6), y, en la parte inferior, de una cúpula 40 posicionada al revés. El cilindro 10 está recubierto por dentro con una camisa 11 de acero de alta calidad. El cilindro 10 se llena de agua, estando el pistón 30 dentro de la masa de agua. El pistón 10 está cargado con pesos 31 realizados con bloques de material con alta densidad volumétrica de masa, fijados simétricamente en la superficie del pistón 30. Por encima del pistón 30 hay agua hasta el nivel superior del cilindro descrito estando en línea con la parte superior del canal 25 de retorno. Los pesos 31 se fijan simétricamente en la superficie del pistón, colocándose en el proceso de instalación, simultáneamente por pares en posiciones diametralmente opuestas con el objetivo de una distribución uniforme de la masa.
Axialmente, en el cilindro 10, se encuentra el canal 20 de alta presión, que conduce el agua a presión a un sistema 50 de generación de energía realizado con turbinas de impulsión, por ejemplo de tipo Pelton. El canal 20 de alta presión está provisto en su parte inferior de una entrada-salida 29 de agua, a través de la cual, dependiendo del ciclo de funcionamiento, se introduce o extrae agua de debajo del pistón. El canal 20 de alta presión está sellado en la parte superior y desaireado. El agua procesada en el sistema 50 de generación de electricidad se descarga de vuelta al cilindro 10 a través del canal 25 de retorno, estando el canal a presión atmosférica. Para introducir energía desde el exterior, el sistema 60 de entrada contiene un sistema de bombas de alta presión y flujo variable que toma el agua del canal 25 de retorno (por encima del pistón 30) y la introduce en el canal 20 de alta presión, siendo forzada por debajo del pistón 30 con lo cual lo eleva y se acumula energía potencial. Los dos circuitos de agua son totalmente independientes. El circuito de alta presión comienza en la base del cilindro y termina en las válvulas de acceso a la turbina, (que solo se abren en el ciclo de generación de energía) y en las válvulas de dirección a la salida de las bombas de alta presión, (que solo se abren en el ciclo de absorción y almacenamiento de energía).
El agua es un líquido incompresible y por tanto un agente ideal para transmitir energía potencial. La energía se almacena dentro del sistema a través de la posición vertical del pistón 30. Al estar el cilindro 10 lleno de agua por debajo y por encima del pistón, la presión en el canal 29 de alta presión será constante independientemente de la posición vertical del pistón 30. Para utilizar una pequeña cantidad de agua es necesario que el peso total del pistón 30 (junto con los pesos 31 de carga) sea alto; cuanto mayor sea el peso total del pistón 30, mayor será la presión hidrostática, por lo que mayor será la cantidad de energía almacenada en el sistema por metro cúbico de agua.
En una realización ejemplificativa, el cilindro 10 está construido por debajo del nivel del suelo con una profundidad h del orden de decenas de metros/entre 20-100 m y un diámetro D entre 10 y 75 m. El cilindro está realizado con segmentos prefabricados pretesados 12 de hormigón, unidos y postesados con cables 15 de acero, y está recubierto por dentro con una camisa 11 de acero de alta calidad. En la figura 2 se representa un detalle de la pared 10 del cilindro. En la cara interior de la pared vertical del cilindro hay una camisa 11 de acero de alta calidad, los segmentos de la camisa se fabricarán en fábrica, se instalarán, se soldarán y se rectificarán in situ, esto permitirá que el pistón 30 se deslice fácilmente y absorba la presión en las áreas de cizallamiento horizontal por la unión entre los segmentos prefabricados 12 de hormigón. La camisa de acero de alta calidad trabaja en combinación con los segmentos pretesados que se postesan también con cables de acero para absorber la tensión circunferencial en el cilindro 10. En la cara exterior de la pared vertical del cilindro se aplica una impermeabilización 19 que también sirve para permitir que el terreno absorba dilataciones y compresiones durante la construcción y el funcionamiento.
Para garantizar la integridad del sistema a altas presiones de funcionamiento con los menores costes de construcción posibles, los segmentos prefabricados 12 de hormigón pretesados se fabrican de forma controlada en una planta de fabricación, pretesándose antes de la colada y proporcionándoseles, en la parte que estará en el exterior del cilindro 10, orificios a través de los cuales se tirarán cables 15 de acero de alta calidad. Los mismos se postesarán in situ, después de la instalación, hasta la tensión circunferencial necesaria para el equilibrio, con la resistencia añadida de la camisa 11 de acero de alta calidad equivalente a la presión hidrostática obtenida a partir de la carga 31 de pesos del pistón 30, de modo que el hormigón de la pared funcionará solamente comprimido independientemente de la posición del pistón, con vistas a una eficiencia máxima. Asimismo, los segmentos prefabricados 12 de hormigón pretesados están provistos, en los bordes, desde la planta de fabricación, de unos lugares de acceso a unos elementos 72 de conexión para el ensamblaje entre ellos así como del hueco necesario para los dispositivos tensores de cables -orificios para cables. En la realización, dichos orificios para cables tienen la forma de orificios/canales paralelos toroidales internos hasta la longitud de los segmentos 12 de hormigón.
En la figura 5a se representa el diseño de ensamblaje de las unidades prefabricadas. Los elementos prefabricados -segmentos prefabricados 12 de hormigón pretesados se montan en su posición mediante elementos 72 de conexión retirables del tipo tornillo y tuerca. Los elementos prefabricados 12 se montarán de forma alternada (escalonados verticalmente) de modo que los orificios para cables tengan continuidad, como se describe en la figura 5a, pero también evitando líneas de unión continuas. En el pistón 30, la presión hidrostática debajo del mismo es muy alta (200-500 bar), y la de arriba es baja (0-10 bar), lo que conduce a una fuerza de cizallamiento circular consistente/significativa. Para absorberla, los segmentos prefabricados 12 de hormigón pretesados se ensamblan de manera alternada precisamente para evitar líneas de unión continuas y, por lo tanto, reducir la resistencia necesaria en las uniones (e implícitamente los costes). Para evitar la deformación de la camisa 11 de acero de alta calidad, después de la instalación y tensado de los cables 15 de acero de alta calidad, se sellarán in situ con hormigón de alta densidad los puntos de acceso a los elementos 72 de conexión y los elementos de estiramiento de los cables 15 y las uniones entre elementos.
Haciendo referencia a la figura 6, que representa un diseño propuesto del emplazamiento en la superficie del terreno (alrededor de la parte superior del futuro cilindro 10) se realiza una cimentación 71 en forma de un anillo circular dimensionado según las características geomorfológicas del terreno y las dimensiones del cilindro 10 y el peso futuro propuesto del pistón 30, incluidos los pesos 31. Por encima de la cimentación 71 se construirá in situ una losa 70 de hormigón armado denso que tiene continuidad hacia abajo con un cuello cilíndrico que tiene el mismo diámetro propuesto que el cilindro 10 y que también contiene elementos 72 de conexión necesarios para fijar/montar los segmentos prefabricados 12 de hormigón pretesados. La construcción se llevará a cabo excavando hacia abajo en etapas, dependiendo del tamaño de los segmentos prefabricados 12 de hormigón pretesados diseñados, para garantizar un fácil acceso desde la parte inferior de la excavación, con vistas a la instalación de los elementos prefabricados 12, la instalación de los cables 15, el montaje de la camisa 11 de acero de alta calidad. Una vez alcanzado el nivel mínimo (inferior) diseñado de la instalación, la cúpula invertida inferior 40 se reforzará con acero y se realizará el vertido de hormigón en el emplazamiento, proporcionando algunas orejetas 41 de sujeción conectadas a la armadura de acero de la cúpula inferior invertida y al canal 20 de alta presión para la entrada-salida 29 de agua, estando previstos espacios entre las orejetas 41 de sujeción para la circulación del agua. Las aletas de agarre deben garantizar la descarga de la fuerza ascendente aplicada por el canal 20 de alta presión hacia la armadura de la cúpula invertida inferior 40. La cúpula invertida está diseñada con el objetivo de proporcionar la cimentación necesaria para anclar el canal de alta presión utilizando el propio peso del sistema, con lo cual se reducen aún más los costes de construcción.
El canal 20 de alta presión está realizado con acero de alta calidad (por ejemplo, pero sin excluir otras variantes utilizables, acero 1.5423 según la EN 10027-2), que tiene un diámetro D entre 1-10 m y se fabrica en una instalación de fabricación en secciones de longitudes entre 3-12 m dependiendo de las restricciones de acceso al emplazamiento y los análisis de costes. Se fabrican los segmentos de acero y sus superficies se corrigen con tolerancias mejores que 1 mm, estando provistos, en los extremos, de bridas de unión para permitir un estriado mínimo expuesto a las juntas aislantes/retenes circulares 33 para agua del pistón. El detalle de la unión se representa en la figura 3, donde una sección superior 21 está ensamblada mediante una unión machihembrada 26 de precisión a una sección inferior 22, realizándose el agarre de fijación en el interior del canal de alta presión mediante bridas 27 correspondientes y elementos 25 de unión retirables, por ejemplo del tipo tornillo y tuerca. En la unión entre las secciones, la brida está provista de orificios, preferentemente semitoroidales, correspondientes a unas juntas 24 de goma, preferentemente toroidales.
En la figura 4 se muestra un diseño del pistón pesado 30. El pistón está realizado con acero, fabricado en una planta y montado in situ. El pistón 30 puede estar construido, por ejemplo, con segmentos de chapa de acero, que tienen la forma de un sector circular con la punta en el centro recortada, ensamblados para formar la forma diseñada. Este pistón 30 está sometido únicamente a una carga estática distribuida de manera uniforme, constituyendo prácticamente solo una membrana separadora entre dos zonas con diferencia de presión. Por lo tanto, para evitar la deformación del pistón, es suficiente una rejilla de soporte realizada con perfiles en T de acero. El pistón 30 está provisto de guías 35 de rodillos que tienen la función de guiar el pistón dentro del cilindro para garantizar la posición horizontal deseada del pistón mientras se mueve hacia arriba y hacia abajo. Las guías se realizan según cada caso en cuanto a número y tamaño, dependiendo de cada instalación. En un diseño propuesto ilustrado en la figura 4, las guías 35 de rodillos tienen la forma de triángulos rectangulares realizados con perfiles de acero, estando instaladas en la superficie superior del pistón 30. En el pistón 30 están instalados/fijados bloques de material con alta densidad volumétrica (31) de masa, fabricándose los bloques en una planta y aislándolos del contacto con el agua para evitar su degradación con el tiempo. Los bloques 31 se cargarán y descargarán del pistón (durante la instalación y posibles operaciones de mantenimiento) en un orden que evitará desequilibrar el pistón 30 para minimizar la resistencia requerida por las guías 35.
En la superficie inferior del pistón 30, en el borde inferior exterior hacia la camisa de acero del cilindro, como se muestra en la figura 4, se proporcionará una guía monolítica 36 de acero diseñada para descargar en gradiente la presión sobre una junta circular 32 de aislamiento hidráulico con respecto a la camisa 11 de acero del cilindro 10. También en la parte central en la que el pistón 30 se desplaza sobre el canal 20 de alta presión, se proporcionará una guía monolítica 37 de acero, diseñada para descargar en gradiente la presión sobre una junta circular 33 de aislamiento hidráulico hacia la pared exterior del canal 20 de alta presión.
El sistema 60 de entrada (absorción) de energía eléctrica es distinto del sistema 50 de generación (producción) de energía eléctrica. Esto permite el uso de equipos eléctricos e hidráulicos optimizados y altamente eficientes. La producción de energía eléctrica se realiza con turbinas de impulsión, por ejemplo con turbinas Pelton, lo que garantiza un bajo consumo de agua, por lo que el sistema puede aumentar la cantidad de energía almacenada por metro cúbico de agua. El sistema también se puede dimensionar desequilibrado en el sentido de que permita niveles de entrada completamente diferentes con respecto a los niveles de salida (por ejemplo, carga completa durante horas valle y descarga durante horas punta).
El sistema 50 de generación de energía puede contener una o más turbinas Pelton conectadas a generadores de energía eléctrica. El sistema 50 de generación de energía eléctrica puede ser un sistema Pelton clásico con regulación de flujo, es decir con una variación de producción de energía eléctrica continua entre el 0 y el 100% de la capacidad instalada a través del control lineal de las válvulas de admisión en las turbinas. El sistema 60 de entrada (absorción) de energía contiene varias bombas de alta presión para poder absorber una cantidad ajustable de energía y obtener una alta eficiencia, el conjunto de bombas contiene solo una o dos con flujo variable, siendo el resto con flujo y presión fijos, por lo que es más económico, más eficiente y con menos mantenimiento. El diseño del sistema 60 de entrada de energía maximiza la eficiencia de transferencia de energía mediante el uso de motores eléctricos síncronos de potencia fija para pasos de potencia fijos y motores eléctricos de potencia variable para valores lineales ajustables.
Para absorber electricidad continuamente de forma controlada, por ejemplo en el caso de un parque eólico, el sistema (60) de absorción de energía eléctrica (sistema de entrada) está provisto de varias bombas de presión constante y flujo constante acopladas a motores eléctricos con potencia nominal fija y sin elementos de ajuste, tienen un coste bajo, un mantenimiento bajo y una eficiencia alta. Para ajustar continuamente en el intervalo 0-100% se utilizarán una o dos bombas con presión constante, pero con flujo variable con motores eléctricos acoplados provistos de un sistema de control de potencia utilizado. Estos sistemas variables tendrán una capacidad unitaria, en comparación con sistemas fijos del 150% para permitir que un controlador ajuste continuamente la absorción de energía independientemente de la dirección y velocidad de variación de la potencia requerida que se deba absorber.
Dado que la presente invención se ha descrito también con referencia a una realización preferida, debe entenderse que resultarán evidentes muchas alternativas, modificaciones y variaciones para aquellos expertos en la técnica. En consecuencia, se pretende incluir todas aquellas alternativas, correcciones y variantes que se sitúen dentro del alcance de la invención, según se establece en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (9)
1. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica que comprende un pistón pesado (30), que está colocado en un tanque en forma de cilindro (10), lleno de agua, estando provisto el pistón de juntas deslizantes para evitar fugas a su alrededor, y una tubería de retorno vertical, que conecta el flujo de agua desde la parte inferior del tanque a una turbina acoplada a una máquina eléctrica, ubicada a nivel del suelo, por lo que el pistón (30) se lastra con bloques de material de alta densidad volumétrica (31) de masa fijados simétricamente en la superficie del pistón para una distribución uniforme de la masa, que tiene la función de acumular energía gravitacional potencial elevándolo verticalmente dentro del cilindro (10) con paredes de hormigón armado y que tiene la cara interior cubierta por una camisa (11) de acero, estando guiado el pistón (30) sobre la pared del cilindro (10) mediante guías (35) de rodillos, y estando provisto, en el centro, de una abertura circular, estando situado en el eje del cilindro un canal (20) de alta presión, estando provisto dicho pistón (30) de juntas aislantes (32, 33), tanto con respecto a dicha camisa (11) de acero del cilindro (10) como con respecto a dicho canal (20) de alta presión que pasa por el centro del pistón (30) y que conduce el agua presurizada desde la base del cilindro hasta un sistema (50) de generación de energía eléctrica usando turbinas de agua de impulsión, estando el canal (20) de alta presión sellado en su parte superior así como desaireado, descargándose el agua utilizada en el proceso de producción de electricidad por el sistema (50) de generación de energía eléctrica de vuelta al cilindro (10), por encima del pistón (30) a través de un canal (25) de retorno a presión atmosférica, y para el ciclo de entrada y almacenamiento de energía eléctrica proveniente de un tendido eléctrico, comprende además un sistema (60) de entrada de energía eléctrica que comprende bombas de alta presión con flujo fijo y variable, que toma el agua desde por encima del pistón (30), a través del canal (25) de retorno, y la introduce en el canal (20) de alta presión, por debajo del pistón (30), provocando que el pistón (30) suba.
2. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación 1, en donde el cilindro (10) es una balsa cilíndrica grande del orden de metros o decenas de metros, dependiendo de la capacidad de almacenamiento deseada, construida por debajo del nivel del suelo, que tiene la pared construida uniendo segmentos prefabricados de hormigón, en forma de segmentos (12) de armazón cilíndricos provistos de orificios para cables, estando dichos segmentos (12) de hormigón montados en su posición mediante elementos (72) de conexión retirables y estando postesados con unos cables (15) de acero, estando provisto el cilindro (10), en la parte superior, de una losa (70) de hormigón denso armado con acero que continúa hacia abajo con un collar cilíndrico que tiene el mismo diámetro que el cilindro (10) y que descansa sobre una cimentación (71), y en la parte inferior con una cúpula invertida (40), estando revestida la pared del cilindro, por el interior, con una camisa (11) de acero de alta calidad realizada con segmentos de camisa cilíndricos, permitiendo que el pistón (30) se deslice con facilidad, y, por el exterior, con una impermeabilización (19) que tiene la función de permitir que el terreno absorba las dilataciones y compresiones durante el funcionamiento así como la protección de la construcción contra el agua del terreno.
3. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación 2, en donde el cilindro (10) está provisto de aletas (41) de sujeción para el canal (20) de presión, que también constituyen una salida (29) de agua, proporcionándose entre las aletas (41) espacios para la circulación del agua.
4. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación 1, en donde el pistón (30) está realizado con acero, mecanizado en fábrica y montado in situ, habiéndose montado en la superficie superior, los bloques (31), mecanizados en fábrica y aislados del contacto con agua, y teniendo las guías (35) de rodillos la función de garantizar su posición horizontal, y en la superficie inferior del pistón (30), en su borde, se proporciona una guía monolítica (36) de acero, que descarga la presión sobre una junta circular (32) de aislamiento hidráulico en un gradiente con respecto a la camisa (11) de acero del cilindro (10), y proporcionándose, en la parte central en la que el pistón (30) se interseca con el canal (20) de presión, guías monolíticas (37) de acero para garantizar la descarga de la presión en gradiente sobre otra junta circular (33) de aislamiento hidráulico con respecto a la pared exterior del canal (20) de presión.
5. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación 1, en donde el canal (20) de alta presión es una tubería cilíndrica con al menos un codo en el extremo superior, realizada con acero de alta calidad, que está fabricada en secciones (21, 22) y que está provista, en los extremos, de bridas (27) de unión para permitir un estriado mínimo expuesto a los retenes circulares (33) para agua, del pistón, donde una sección superior (21) está ensamblada mediante una unión machihembrada (26) de precisión a una sección inferior (22), realizándose el agarre de fijación en el interior del canal de alta presión mediante bridas (27) y elementos (25) de unión retirables correspondientes, en la unión entre las secciones, estando provista la brida de orificios, correspondientes a unas juntas (24) de goma.
6. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación 1, en donde el pistón (30) está provisto de una guía monolítica (36) de acero que está diseñada para descargar en gradiente la presión sobre una junta circular (32) de aislamiento hidráulico con respecto a la camisa (11) de acero del cilindro (10).
7. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación 1, en donde el pistón (30) está provisto de una guía monolítica (37) de acero que está diseñada para descargar en gradiente la presión sobre una junta circular (33) de aislamiento hidráulico con respecto a la pared exterior del canal (20) de alta presión.
8. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación 1, en donde el sistema (60) de entrada de energía eléctrica con el objetivo de una potencia de entrada ajustable en el intervalo de 0-100% está provisto de una pluralidad de bombas de presión constante y de flujo constante accionadas mediante motores eléctricos con una potencia nominal fija y sin ajuste de potencia/velocidad, y para el ajuste continuo en el intervalo 0-100% utilizará una o más bombas con presión constante, pero con flujo variable accionadas mediante motores eléctricos provistos de un ajuste por control de potencia/velocidad.
9. Sistema combinado gravitacional-hidráulico de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación 1, en donde el sistema (50) de generación de electricidad con el objetivo de una potencia de salida ajustable en el intervalo de 0-100% comprende una o más turbinas Pelton conectadas a generadores eléctricos, cada una de ellas con control de flujo en el intervalo 0-100%.
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