ES3056924T3

ES3056924T3 - Heat pump having two thermal-energy storage and release systems

Info

Publication number: ES3056924T3
Application number: ES23710891T
Authority: ES
Inventors: Christophe Poncelet
Original assignee: Propellane SAS
Current assignee: Propellane SAS
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2026-02-25
Anticipated expiration: 2043-03-10
Also published as: EP4490449C0; CN119546910A; WO2023170300A1; EP4490449A1; EP4490449B1; US20250180303A1; JP2025509337A; KR20240163676A

Abstract

La invención se refiere a una bomba de calor, en la que: - al menos uno de los al menos dos sistemas de almacenamiento de energía térmica está configurado para almacenar energía térmica en forma de calor a una temperatura entre +100 °C y +800 °C, - al menos uno de los al menos dos sistemas de almacenamiento de energía térmica está configurado para almacenar energía térmica en forma de frío a una temperatura entre -100 °C y +150 °C; y - al menos un sistema de liberación de energía térmica está configurado para liberar calor y/o frío por separado o en paralelo a lo largo del tiempo, o - al menos un sistema de liberación de energía térmica está configurado para funcionar en un modo de liberación en paralelo que puede alternarse con un modo de funcionamiento de liberación separada de calor y/o frío a lo largo del tiempo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Bomba de calor con dos sistemas de almacenamiento y restitución de energía térmica

[0003] La invención se refiere a una bomba de calor eléctrica que comprende al menos dos sistemas de almacenamiento de energía térmica que permiten restituciones de energía térmica comprendidas entre - 100 °C y 800 °C, en particular, restituciones de energía térmica en forma de calor a una temperatura comprendida entre 100 °C y 800 °C y/o de frío a una temperatura comprendida entre - 100 °C y 150 °C, así como un procedimiento de suministro de dicha energía térmica mediante el uso de dicha bomba de calor. Por “frío” se entiende, en el contexto de la presente invención, un frío denominado “relativo”, en comparación con las temperaturas que intervienen en la producción de energía térmica en forma de calor.

[0004] Se han identificado cinco elementos básicos que intervienen en la realización de una descarbonización profunda del sistema energético:

[0005] 1. aprovechar al máximo la eficiencia energética para reducir las necesidades energéticas que deben satisfacerse; 2. descarbonizar el suministro eléctrico;

[0006] 3. la electrificación a escala de la economía para impulsar la electricidad limpia hacia otros sectores;

[0007] 4. utilizar combustibles sin carbono para las zonas restantes que no puedan electrificarse de manera eficaz;

[0008] 5. utilizar la captura, el uso y el almacenamiento de carbono (“CCUS”) y la eliminación de dióxido de carbono (“CDR”) en aquellas zonas en las que aún se necesitan combustibles fósiles y para lograr emisiones negativas.

[0009] Se observan numerosos esfuerzos, tanto en materia de inversión como de innovación, en estos ámbitos.

[0010] Las iniciativas en materia de eficiencia energética de la industria son, en particular:

[0011] - mejora e inversión en tecnologías que refuerzan la eficiencia energética, en particular, bombas de calor y grupos frigoríficos; y

[0012] - restituciones de energía denominada “residual”: uso de nuevo de bombas de calor, sistemas ORC (“Organic Rankine Cycle”, Ciclo Rankine Orgánico en español) o almacenamiento simple (es decir, una restitución con un rendimiento inferior a 1) de energía térmica.

[0013] La energía residual corresponde a la energía no recuperada (es decir, perdida si no se recupera) producida por los edificios y las industrias.

[0014] Los esfuerzos en materia de descarbonización de la red eléctrica y de necesidad de flexibilidad, en particular de almacenamiento, son, en particular:

[0015] - inversiones masivas en energías renovables (eólica, solar, mareomotriz, hidráulica). Sin embargo, la intermitencia de la mayoría de estos medios de producción conlleva una mayor necesidad de flexibilidad, es decir, una adaptación simultánea de la demanda y la producción de electricidad, por ejemplo:

[0016] - mediante el almacenamiento de electricidad o la activación de sistemas consumidores de electricidad en caso de exceso en la red; y

[0017] - mediante sistemas de restricción de cargas eléctricas (máquinas) o el uso de almacenamiento de electricidad en caso de déficit.

[0018] Es en este sector donde parece haber más inversión. Históricamente dominado por los sistemas de acumulación por bombeo [las centrales hidroeléctricas de bombeo también se denominan STEP (centrales de transferencia de energía por bombeo)] y, desde hace algunos años, por los sistemas de baterías de iones de litio a gran escala, el sector del almacenamiento de electricidad está viendo cómo surgen numerosas tecnologías nuevas.

[0019] En lo que respecta a la electrificación de los procesos industriales a alta temperatura, las necesidades y la producción de calor a alta temperatura y de frío rara vez se optimizan en la fase de diseño. Al ser la fabricación de equipos de producción de calor, altas y muy altas temperaturas (calderas, quemadores, hornos, vapor...) una especialidad en sí misma, y la fabricación de equipos de producción de frío, bajas y muy bajas temperaturas (grupos frigoríficos, refrigeración, criogenización...) otra especialidad en sí misma, se trata de industrias separadas. Esto responde a una lógica histórica y tecnológica, lo que explica la separación de ambos sectores y sus características específicas.

[0020] Sin embargo, las industrias finales llevan mucho tiempo integrando en sus prácticas y modelos de negocio la fiabilidad (es decir, la disponibilidad constante) y el bajo coste del calor industrial, en particular el gas y/o el fuelóleo, para sus necesidades por encima de los 100 °C. Con un coste en 2019 de alrededor de 50-55 € por MWh térmico de gas natural en Francia (ADEME, catálogo ref. 010895, enero de 2020, 51-85 € por MWh), así como en muchos otros países de Europa (para grandes instalaciones), es muy difícil para los industriales electrificar sus medios de producción de calor, ya que ello supondría un sobrecoste de aproximadamente el 50 % o más, o sustituirlos por medios de producción basados en energías renovables (de nuevo, sobrecostes, limitaciones técnicas y problemas de intermitencia).

[0021] Además, es interesante señalar que muchos sectores tienen procedimientos industriales que requieren:

[0022] - calor a alta temperatura (> 100-120 °C y hasta 400 °C); y

[0023] - frío/refrigeración (hasta -50 °C).

[0024] Por ejemplo, estas necesidades se encuentran especialmente en la industria:

[0025] - agroalimentaria [en particular, platos preparados, alimentos deshidratados, productos en polvo (leche, café...)]; - farmacéutica (polvos, pastillas...);

[0026] - química en su sentido más amplio (preparación, envasado y almacenamiento de productos), como los productos petroquímicos (gas y petróleo, plásticos, caucho), adhesivos, etc.; y

[0027] - algunos supermercados y grandes centros de restauración (en particular, la denominada comida rápida, del inglés “fast-foods”).

[0028] En este contexto, se conocen en el estado de la técnica algunos sistemas de bomba de calor para la calefacción y la refrigeración simultáneas.

[0029] Por ejemplo, DE102018221850A1 describe un sistema de bomba de calor que permite calentar y enfriar (entre -15 °C y 60 °C), con una bomba de calor líquido-líquido conectada por un lado a una fuente de calor y por otro lado a un disipador térmico que presenta, en particular, un acumulador de agua caliente.

[0030] JP2016211830A describe el uso de una bomba de calor que permite calentar y enfriar. Más concretamente, los intervalos de temperatura descritos están comprendidos entre 0 °C y aproximadamente 100 °C.

[0031] JP3037649B2 describe un sistema de aire acondicionado con deshumidificador, en el que se aumenta la eficiencia energética del sistema de aire acondicionado en su conjunto para reducir los costes de funcionamiento, al tiempo que se minimiza el consumo de energía durante el día y se minimiza la radiación térmica hacia el aire exterior durante la acumulación de calor nocturna.

[0032] Sin embargo, ninguno de estos sistemas permite una restitución simultánea o alternativa de calor a alta y/o muy alta temperatura y frío a baja y/o muy baja temperatura.

[0033] En el contexto específico de la industria de la fabricación y el suministro de electricidad, existen otros sistemas que permiten la acumulación de calor y de frío, posiblemente de forma simultánea. Los documentos de patente EP2220343, EP2574740, US-10.907.510, US-8.627.665 y US-20.140.223.910 pueden ilustrar este tipo de tecnología. Sin embargo, los dispositivos descritos en estos documentos son específicos de la industria de fabricación y suministro de electricidad, ya que están diseñados específicamente para el almacenamiento de electricidad y, por lo tanto, están dimensionados para funcionar en ciclos “que deben reequilibrarse en temperatura” después de una carga y una descarga. Por lo tanto, unos dispositivos de este tipo no pueden utilizarse como tales en otras industrias (en particular, las mencionadas anteriormente) ni siquiera para uso privado. US 2010/301614 A1 describe una bomba de calor según el preámbulo de la reivindicación 1.

[0034] Resumen de la invención

[0035] El objetivo de la presente invención es, por tanto, paliar los inconvenientes de la técnica anterior proponiendo una bomba de calor eléctrica, tal y como se define en la reivindicación 1, que comprende:

[0036] - al menos dos sistemas de almacenamiento de energía térmica, y

[0037] - al menos un sistema de restitución de energía térmica,

[0038] en donde:

[0039] - al menos uno de los sistemas de almacenamiento de energía térmica está configurado para almacenar energía térmica en forma de calor a una temperatura comprendida entre 100 °C y 800 °C,

[0040] - al menos uno de los sistemas de almacenamiento de energía térmica está configurado para almacenar energía térmica en forma de frío a una temperatura comprendida entre - 100 °C y 150 °C; y

[0041] - dicho al menos un sistema de restitución de energía térmica está configurado para restituir de forma separada o paralela a lo largo del tiempo el calor y/o el frío, o

[0042] - dicho al menos un sistema de restitución de energía térmica está configurado para un funcionamiento de una restitución paralela que puede alternarse con un funcionamiento de restitución separada a lo largo del tiempo del calor y/o del frío; estando la bomba de calor configurada para comprender un ciclo Brayton invertido (por ejemplo, sin cambio de fase) que funciona con un gas y comprendiendo un único turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa.

[0043] La producción simultánea de ambos flujos (calor a alta temperatura y frío, generalmente negativo) permite alcanzar un mejor rendimiento energético y ofrecer a los industriales una solución de suministro de energía térmica reduciendo drásticamente las emisiones de CO<2>sin aumentar el coste de producción, e incluso reduciéndolo en función de los precios de las fuentes de energía disponibles a nivel local. Además, el uso de un único turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa permite aumentar la compacidad y la eficiencia de la bomba de calor, así como reducir su coste. Además, un turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa de este tipo funciona sin aceite, lo que evita cualquier contaminación o acidificación dentro del sistema. El uso de un único y mismo turbocompresor hace que solo haya un punto de funcionamiento (normalmente definido por el par caudal/tasa de compresión) para el par compresor/turbina en el circuito de circulación de gas, común para un ciclo de carga y descarga de la bomba de calor.

[0044] Por “único turbocompresor”, también denominado “única turbomáquina” se entiende, en el contexto de la presente invención, una única máquina que permite al mismo tiempo aumentar la presión del gas y reducir la presión del gas en otro punto del circuito. Además de los turbocompresores axiales de alta potencia, existen al menos dos tipos de turbocompresores radiales: los turbocompresores de pistón (más comúnmente llamados “compresores”) y los turbocompresores centrífugos. Los turbocompresores centrífugos tienen pocas piezas móviles en fricción, son relativamente eficientes desde el punto de vista energético y desplazan un mayor flujo de gas que los compresores recíprocos de tamaño similar. Los turbocompresores no pueden alcanzar una tasa de compresión tan alta como los compresores alternativos, siendo capaces estos últimos de alcanzar, en multietapa, una presión de 100 MPa.

[0045] Por “turbocompresor monoetapa” se entiende, en el contexto de la presente invención, un turbocompresor que incluye un único tren de compresión y expansión, es decir, una única estructura (o parte) de compresión, también denominada “compresor”, y una única estructura (o parte) de expansión, también denominada “turbina”.

[0046] Preferiblemente, el turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa presenta una tasa de compresión comprendida entre 1 y 5, definiéndose la tasa de compresión como la relación entre la presión de salida de la parte de compresor del turbocompresor y la presión de entrada de dicha parte de compresor. La elección de este intervalo de valores concreto para la tasa de compresión permite obtener un único punto de funcionamiento para el par compresor/turbina, especialmente adaptado para permitir tanto los ciclos de carga como los de descarga de la bomba de calor, con niveles de presión y temperaturas y caudales adecuados. En este intervalo de valores concreto, la bomba de calor mantiene además una gran eficiencia energética y un flujo de gas desplazado considerable.

[0047] Preferiblemente, la bomba de calor según la presente invención puede caracterizarse por que:

[0048] - al menos uno de los sistemas de almacenamiento de energía térmica está configurado para almacenar energía térmica a temperaturas comprendidas entre -50 °C y 100 °C, y/o

[0049] - al menos uno de los sistemas de almacenamiento de energía térmica está configurado para almacenar energía térmica a temperaturas comprendidas entre 150 °C y 500 °C, preferiblemente entre 200 °C y 400 °C.

[0050] Preferiblemente, la bomba de calor según la presente invención puede caracterizarse por que dichos al menos dos sistemas de almacenamiento de energía térmica están configurados para almacenar energía térmica en forma de calor y en forma de frío.

[0051] Preferiblemente, el gas utilizado en el ciclo Brayton invertido de la bomba de calor puede ser aire (es decir, aproximadamente un 20 % de oxígeno en aproximadamente un 80 % de nitrógeno), o un gas noble como el helio o el argón, o incluso una mezcla de estos gases.

[0052] El gas puede ser, alternativamente, un gas inerte como el nitrógeno.

[0053] Preferiblemente, el turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa produce una presión inferior o igual a 8 bares, preferiblemente comprendida entre 1 y 5 bares (lo que corresponde a dicha tasa de compresión comprendida entre 1 y 5, para un gas inicialmente a presión atmosférica).

[0054] Preferiblemente, la bomba de calor según la presente invención puede caracterizarse por que los diferentes elementos de funcionamiento de dicha bomba de calor están aislados en módulos, estando configurados dichos módulos para conectarse entre sí, por ejemplo, mediante conexiones físicas tales como válvulas (por ejemplo, controlables a distancia), tuberías de conexión y/o tubos.

[0055] Preferiblemente, la bomba de calor según la presente invención puede caracterizarse por estar configurada para acoplarse al menos a una fuente de calor natural y/o al menos a una fuente de calor artificial, como una caldera de gas, un horno de gas, calor de origen solar, un secador y/o una pérdida de calor de origen artificial.

[0056] Preferiblemente, la bomba de calor según la presente invención puede caracterizarse por estar configurada para acoplarse al menos a una fuente de calor artificial, en particular en escape, en pérdida o en salida de una fuente de calor artificial, como en escape, en pérdida o en salida de una caldera de gas, un horno de gas, un calor de origen solar o calor residual, un secador y/o una pérdida de calor de origen artificial.

[0057] Por “escape” se entiende, en el contexto de la presente invención, una última fase controlada de circulación de energía, por ejemplo en forma de vapor(es) o humo(s) caliente(s), procedente de una fuente de calor artificial.

[0058] Por “pérdida” se entiende, en el contexto de la presente invención, una privación útil de energía procedente de la fuente de calor artificial. Esta privación suele ser incontrolada, difícil de controlar o resultado de una mala gestión o configuración de la fuente de calor artificial.

[0059] Por “salida” de una fuente de calor se entiende, en el contexto de la presente invención, una salida canalizada y esperada de una fuente de calor, es decir, donde se espera recuperar la mayor parte de dicho calor (por ejemplo, condensados de vapor, a través del circuito de retorno de un proceso).

[0060] En una realización particular, la bomba de calor según la presente invención puede caracterizarse por estar configurada para conectarse a un circuito de calefacción y/o a un circuito de refrigeración. Preferiblemente, la bomba de calor según la presente invención puede caracterizarse por estar configurada para conectarse a un circuito primario de calefacción y/o a un circuito primario de refrigeración.

[0061] Preferiblemente, la bomba de calor según la presente invención puede caracterizarse por estar dimensionada para suministrar una energía comprendida entre 50 kWh y 5 MWh.

[0062] En una realización particular, la bomba de calor incluye cuatro sistemas de almacenamiento de energía térmica, dos sistemas de restitución de energía térmica, dos válvulas de tres vías y dos elementos de bombeo; estando un primer extremo de un primer sistema de almacenamiento de energía térmica conectado a un primer extremo de un segundo sistema de almacenamiento de energía térmica a través de una primera rama de circulación de gas; estando un primer extremo de un tercer sistema de almacenamiento de energía térmica conectado a un primer extremo de un cuarto sistema de almacenamiento de energía térmica a través de una segunda rama de circulación de gas; estando un primer sistema de restitución de energía térmica dispuesto para intercambiar energía térmica con la primera rama de circulación de gas, estando un segundo sistema de restitución de energía térmica dispuesto para intercambiar energía térmica con la segunda rama de circulación de gas; estando una primera válvula de tres vías conectada a un segundo extremo del primer sistema de almacenamiento de energía térmica, a un segundo extremo del segundo sistema de almacenamiento de energía térmica y a un segundo extremo del tercer sistema de almacenamiento de energía térmica; estando una segunda válvula de tres vías conectada al segundo extremo del segundo sistema de almacenamiento de energía térmica, al segundo extremo del tercer sistema de almacenamiento de energía térmica y a un segundo extremo del cuarto sistema de almacenamiento de energía térmica; conectando un primer elemento de bombeo el segundo extremo del segundo sistema de almacenamiento de energía térmica a la vía correspondiente de la primera válvula de tres vías; conectando un segundo elemento de bombeo el segundo extremo del tercer sistema de almacenamiento de energía térmica a la vía correspondiente de la segunda válvula de tres vías; estando la entrada de la parte de compresor del turbocompresor eléctrico conectada al primer extremo del primer sistema de almacenamiento de energía térmica en un primer punto de conexión en la primera rama de circulación de gas; estando la salida de la parte de compresor del turbocompresor eléctrico conectada al primer extremo del segundo sistema de almacenamiento de energía térmica en un segundo punto de conexión en la primera rama de circulación de gas; estando la entrada de la parte de turbina del turbocompresor eléctrico conectada al primer extremo del cuarto sistema de almacenamiento de energía térmica en un primer punto de conexión en la segunda rama de circulación de gas; estando la salida de la parte de turbina del turbocompresor eléctrico conectada al primer extremo del tercer sistema de almacenamiento de energía térmica en un segundo punto de conexión en la segunda rama de circulación de gas.

[0063] Esta realización particular permite obtener un orden de paso del gas por los diferentes sistemas de almacenamiento de energía térmica (y, por lo tanto, de las temperaturas implicadas) que no son los mismos según si la bomba de calor se encuentra en un ciclo de carga o de descarga (gracias al uso de válvulas y elementos de bombeo). Una configuración de este tipo permite comprimir el gas a partir de temperaturas potencialmente más altas y, por lo tanto, producir temperaturas más elevadas o producir la misma temperatura, pero con una tasa de compresión más baja. La bomba de calor según esta realización particular puede además producir calor y/o frío en un momento diferente al de su utilización, y permitir almacenar estos dos tipos de energía térmica. Gracias a la presencia de circuitos de restitución separados, la bomba de calor también puede proporcionar calor y/o frío de forma simultánea o independiente.

[0064] Según una variante preferida de esta realización particular, la bomba de calor incluye además una válvula de dos vías y tres válvulas antirretorno; estando la válvula de dos vías conectada a la primera rama de circulación de gas entre el primer punto de conexión y el segundo punto de conexión; estando una primera válvula antirretorno conectada entre la salida de la parte de compresor del turbocompresor eléctrico y el segundo punto de conexión de la primera rama de circulación de gas; estando una segunda válvula antirretorno conectada entre la salida de la parte de turbina del turbocompresor eléctrico y el segundo punto de conexión de la segunda rama de circulación de gas; estando una tercera válvula antirretorno conectada a la segunda rama de circulación de gas entre el primer punto de conexión y el segundo punto de conexión.

[0065] En otra realización particular, que constituye una mejora de la realización descrita anteriormente, la bomba de calor incluye además tres sistemas de restitución de energía térmica adicionales, cuatro válvulas de dos vías adicionales y cuatro válvulas de tres vías adicionales; estando un primer extremo de un primer sistema de restitución de energía térmica adicional conectado a un primer extremo del primer sistema de restitución de energía térmica a través de una primera válvula de dos vías; estando un segundo extremo del primer sistema de restitución de energía térmica adicional conectado a un segundo extremo del primer sistema de restitución de energía térmica a través de una segunda válvula de dos vías; estando un primer extremo de un segundo sistema de restitución de energía térmica adicional conectado a un primer extremo del segundo sistema de restitución de energía térmica a través de una tercera válvula de dos vías; estando un segundo extremo del segundo sistema de restitución de energía térmica adicional conectado a un segundo extremo del segundo sistema de restitución de energía térmica a través de una cuarta válvula de dos vías; estando un primer extremo de un tercer sistema de restitución de energía térmica adicional conectado al primer punto de conexión en la primera rama de circulación de gas; estando un segundo extremo del tercer sistema de restitución de energía térmica adicional conectado al segundo punto de conexión en la segunda rama de circulación de gas; estando una primera válvula de tres vías adicional conectada a la entrada de la parte de compresor del turbocompresor eléctrico, al primer punto de conexión en la primera rama de circulación de gas y al primer extremo del tercer sistema de restitución de energía térmica adicional; estando una segunda válvula de tres vías adicional conectada a la salida de la parte de compresor del turbocompresor eléctrico, al segundo punto de conexión en la primera rama de circulación de gas y a una de las vías de una tercera válvula de tres vías adicional a través de un primer conducto de gas; estando la tercera válvula de tres vías adicional conectada además a la entrada de la parte de turbina del turbocompresor eléctrico y al primer punto de conexión en la segunda rama de circulación de gas; estando una cuarta válvula de tres vías adicional conectada a la salida de la parte de turbina del turbocompresor eléctrico, al segundo punto de conexión en la segunda rama de circulación de gas y al segundo extremo del tercer sistema de restitución de energía térmica adicional a través de un segundo conducto de gas; estando los primeros y terceros sistemas de restitución de energía térmica adicionales dispuestos cada uno de manera que intercambien energía térmica con el primer conducto de gas; estando el segundo sistema de restitución de energía térmica adicional dispuesto de manera que intercambie energía térmica con el segundo conducto de gas.

[0066] Además de las ventajas relacionadas con la realización anterior (y expuestas anteriormente), esta realización particular de la bomba de calor es capaz de producir calor y frío de forma instantánea, al mismo tiempo que descarga calor y frío de los sistemas de almacenamiento de energía térmica. Esto resulta ventajoso porque permite añadir potencia instantánea al ciclo de descarga de la bomba de calor, por ejemplo, para hacer frente a un pico de demanda con un sobrecoste mínimo en equipamiento (tres sistemas de restitución de energía térmica adicionales). Esto evita tener que sobredimensionar el sistema (en particular, aumentando el tamaño de los sistemas de almacenamiento de energía térmica para almacenar más y/o aumentando el tamaño de la máquina, por ejemplo, para producir y almacenar más durante la noche).

[0067] Otro objeto de la presente invención se refiere a un procedimiento para suministrar energía térmica en forma de calor a una temperatura comprendida entre 100 °C y 800 °C y/o frío a una temperatura comprendida entre -100 °C y 150 °C, mediante el uso de una bomba de calor como la descrita anteriormente, que comprende las siguientes etapas:

[0068] (a) una etapa de ciclo de carga mediante compresión mecánica de al menos un gas, preferiblemente con una expansión mecánica de dicho al menos un gas;

[0069] (b) una etapa de ciclo de descarga sin compresión y/o expansión en la que la energía térmica se descarga a través de al menos un sistema de restitución de energía térmica, por ejemplo, a través de al menos una válvula, al menos un circulador (normalmente una bomba) y/o al menos un intercambiador térmico (es decir, un intercambiador de calor). En una realización particular, la etapa (a) es un ciclo de carga por compresión mecánica de al menos un vapor con, preferiblemente, una expansión mecánica de dicho al menos un vapor.

[0070] Preferiblemente, el procedimiento según la presente invención puede caracterizarse por que la etapa (b) de ciclo de descarga se realiza en paralelo a la etapa (a) de ciclo de carga.

[0071] El ciclo de descarga induce un flujo de fluido (como un gas caloportador) denominado “flujo de descarga”. Así, en una realización particular, el flujo de descarga puede dividirse en varios flujos de descarga denominados flujos de descarga divididos, cada uno de los cuales puede dirigirse a diferentes aplicaciones.

[0072] Por ejemplo, un flujo de descarga dividido puede dirigirse a un sistema de almacenamiento, tal como un sistema de almacenamiento secundario, que permita escalonar las temperaturas.

[0073] Definiciones

[0074] Por “bomba de calor” se entiende, en el contexto de la presente invención, un dispositivo que permite transferir energía térmica de un primer medio a un segundo medio de temperatura más alta, invirtiendo así el sentido natural espontáneo de la energía térmica. En concreto, existen bombas de calor denominadas de alta temperatura (“HT”), muy alta temperatura (“VHT”), baja temperatura (“LT”) o muy baja temperatura (“VLT”). Existen diferentes tipos de bombas de calor: una bomba de calor de compresión de vapor, una bomba de calor de efecto Peltier, una bomba de calor termoacústica, una bomba de calor termomagnética, una bomba de calor por absorción de gas y una bomba de calor denominada Stirling. Preferiblemente, una “bomba de calor” en el contexto de la presente invención es una bomba de calor eléctrica de tipo ciclo de aire (por ejemplo, ciclo de refrigeración por gas). Este procedimiento sigue un ciclo termodinámico Brayton invertido en el que un gas se comprime, se enfría a temperatura ambiente y luego se expande en una turbina, sin que se produzca ningún cambio de fase, lo que lo distingue de las bombas de calor de compresión de vapor (bombas de calor “clásicas”, denominadas “termodinámicas”) que suelen seguir un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, o una bomba de calor por absorción de gas.

[0075] Esta bomba de calor funciona recuperando calorías de un depósito de almacenamiento de baja presión denominado “frío”. A continuación, el gas se comprime en un compresor para aumentar su temperatura. En el contexto de la presente invención, este calor se almacena. Al mismo tiempo, el frío generado a la salida de la turbina (expansión) también se recupera y almacena.

[0076] Un ciclo Brayton impulsado en sentido inverso se denomina ciclo Brayton invertido. Su objetivo es trasladar el calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente, en lugar de producir trabajo. De conformidad con el segundo principio de la termodinámica, el calor no puede circular espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin que se realice un trabajo externo en el sistema. El calor puede circular de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente, pero solo cuando es forzado por un trabajo externo. Eso es exactamente lo que hacen los frigoríficos y las bombas de calor. Estos son accionados por motores eléctricos que necesitan un trabajo de su entorno para funcionar. Así, uno de los ciclos posibles es un ciclo Brayton invertido, que es similar al ciclo Brayton ordinario, pero que se acciona en sentido contrario, a través de una entrada de trabajo neta. Este ciclo también se conoce como ciclo de refrigeración por gas, ciclo de aire o ciclo de Bell Coleman. Este tipo de ciclo se utiliza en gran medida en aviones comerciales o trenes para sistemas de aire acondicionado que utilizan el aire de los compresores del motor. También se utiliza en gran medida en la industria del GNL (gas natural licuado), donde el ciclo inverso de Brayton más grande se utiliza para el subenfriamiento del GNL utilizando 86 MW de potencia procedente de un compresor accionado por una turbina de gas y un refrigerante de nitrógeno (fuente de estos conocimientos generales: “thermal-engineering.org”).

[0077] Por “alta temperatura” se entiende, en el contexto de la presente invención, un intervalo de temperaturas comprendido entre 60 y 100 °C, preferiblemente entre 70 y 95 °C. Este tipo de bomba de calor se puede encontrar en bombas de calor comerciales, incluidas las denominadas “de consumo”. Su rendimiento es tanto menor cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre la fuente fría y la fuente que se desea calentar.

[0078] Las temperaturas dadas en el contexto de la presente invención, salvo que se indique lo contrario, hacen referencia a la temperatura de 0 °C, es decir, la temperatura de solidificación del agua a una atmósfera al nivel del mar (es decir, 101325 Pa, lo que corresponde a una presión absoluta de 1 bar).

[0079] Por “muy alta temperatura”, en el contexto de la presente invención, se entiende un intervalo de temperaturas superior a 100 °C, por ejemplo, superior o igual a 150 °C, superior o igual a 200 °C, superior o igual a 300 °C, superior o igual a 400 °C. Así, una temperatura muy alta en el contexto de la presente invención puede comprender temperaturas comprendidas entre 150 y 500 °C, preferiblemente entre 150 y 400 °C, o incluso entre 250 y 350 °C.

[0080] Por “baja temperatura”, en el contexto de la presente invención, se entiende un intervalo de temperaturas comprendido entre -20 y 5 °C, preferiblemente entre -15 y -5 °C.

[0081] Por “muy baja temperatura”, en el contexto de la presente invención, se entiende un intervalo de temperaturas inferior a -20 °C, por ejemplo, inferior o igual a -30 °C, inferior o igual a -40 °C, inferior o igual a -50 °C, inferior o igual a 60 °C. Así, una muy baja temperatura en el contexto de la presente invención puede comprender temperaturas comprendidas entre -30 y -150 °C, preferiblemente entre -40 y -100 °C, o incluso entre -50 y -80 °C.

[0082] Por “sistemas de almacenamiento de energía térmica” se entiende, en el contexto de la presente invención, cualquier medio que permita conservar una cantidad de energía de naturaleza térmica para su uso posterior. La naturaleza térmica puede ser el calor y el frío. De hecho, el calor en sí mismo es una forma de energía. En el caso del frío almacenado, dado que una producción de frío requiere energía, almacenar frío equivale a almacenar energía.

[0083] Por “sistema de restitución de energía térmica” se entiende, en el contexto de la presente invención, un medio que permita producir energía térmica. Además, la expresión “sistemas de restitución de energía térmica configurados para” implica que los depósitos son intercambiables (uno puede utilizarse para calor y luego para frío en otras series de ciclos de carga y descarga).

[0084] Por “restituir de forma separada o paralela a lo largo del tiempo” se entiende, en el contexto de la presente invención, la producción separada o paralela a lo largo del tiempo de energía térmica procedente de al menos dos sistemas de almacenamiento diferentes. La producción por separado permite así suministrar en primer lugar energía térmica procedente de al menos un primer sistema de almacenamiento y, a continuación, energía térmica procedente de al menos un segundo sistema de almacenamiento. La producción paralela permite suministrar al mismo tiempo energía térmica procedente de al menos un primer sistema de almacenamiento y energía térmica procedente de al menos un segundo sistema de almacenamiento.

[0085] Por “módulo” se entiende, en el contexto de la presente invención, un elemento que puede yuxtaponerse o incluso combinarse con uno o varios otros, que pueden ser de la misma naturaleza o complementarios al primero.

[0086] Por “fuente de calor natural” se entiende, en el contexto de la presente invención, una energía térmica procedente de fuentes sin intervención humana, como, por ejemplo, fuentes geotérmicas o hidráulicas (lagos, mares, ríos, etc.). Por “fuente de calor artificial” se entiende, en el contexto de la presente invención, una energía térmica procedente de una intervención humana, como un horno, una caldera, equipos tales como aire acondicionado, compresores, máquinas, generadores, un procedimiento residencial, comercial, terciario, industrial y/o informático, energía procedente de un sistema solar térmico o incluso un calor residual.

[0087] Por “ciclo de carga” se entiende, en el contexto de la presente invención, una serie de eventos que pueden ser recurrentes, es decir, un ciclo, que permite la producción de energía térmica que se distribuye de forma instantánea o se almacena en forma de energía térmica.

[0088] Por “gas” se entiende, en el contexto de la presente invención, cualquier cuerpo en estado gaseoso. Por lo tanto, un gas también incluye un vapor, que resulta de la evaporación de un líquido (a cualquier temperatura).

[0089] Por “expansión mecánica” se entiende, en el contexto de la presente invención, una expansión de gas inicialmente comprimido a través de una turbina.

[0090] Por “ciclo de descarga” se entiende, en el contexto de la presente invención, la función inversa a la de un ciclo de carga, es decir, que permite la liberación de la energía térmica almacenada en sistemas de almacenamiento.

[0091] Por “intercambiador de calor” se entiende, en el contexto de la presente invención, un dispositivo que permite transferir energía térmica de un fluido a otro sin mezclarlos. Por lo tanto, se trata de un “fluido vector”, es decir, un fluido tal y como se define anteriormente, que permite trasladar la energía térmica de un lugar a otro.

[0092] A modo de ejemplo, existen intercambiadores de calor líquido/líquido, gas/líquido o gas/gas, como intercambiadores de placas o intercambiadores de tubos o tubos calandrados, que pueden utilizarse en el marco de la presente invención. Existen numerosos proveedores de este tipo de intercambiadores de calor, tales como los de la empresa Alfa-Laval<®>.

[0093] Descripción detallada

[0094] El objeto de la presente invención permite adaptar, mejorar y combinar al mismo tiempo:

[0095] - una tecnología probada para aumentar su eficacia y adaptarla a las necesidades de los procesos térmicos (calefacción y refrigeración),

[0096] - turbomáquinas eléctricas especiales (turbocompresores eléctricos), cuyo régimen puede controlarse (mediante la regulación del caudal/velocidad de rotación y la tasa de compresión), por ejemplo, mediante el uso de una electrónica de potencia y un software,

[0097] - almacenamiento térmico (refrigeración y calor, separados) para añadir flexibilidad al sistema y aumentar el interés de la solución para un industrial.

[0098] Así, el objeto de la presente invención puede comprender uno o varios sensores que, combinados con el uso de un software (y sus algoritmos), permiten controlar la bomba de calor según la presente invención.

[0099] Además, el objeto de la presente invención aporta varios elementos innovadores clave en términos de tecnología y funcionalidades:

[0100] - producción eléctrica de calor a alta temperatura (> 150 °C y hasta 500-800 °C) y de frío industrial (hasta -50 °C) con un COP (coeficiente de rendimiento) de 1,5 o más,

[0101] - uso de un refrigerante (como aire o argón) con un GWP (“Global Warming Potential) de 0 (GWP es el acrónimo inglés de “potencial de calentamiento global”);

[0102] - almacenamiento de energía de alta densidad en forma térmica de esta energía producida o calentada/enfriada: calor (> 150 °C) y frío industrial (hasta -50 °C) en el mismo módulo, capaz de conservar la energía durante varias horas, incluso algunos días.

[0103] Es posible colocar los diferentes elementos constitutivos (turbocompresor eléctrico, motor, sistema de almacenamiento, etc.) de la bomba de calor según la presente invención en uno o varios módulos o submódulos que pueden combinarse o integrarse entre sí; el conjunto puede incluirse en un contenedor (por ejemplo, contenedores estándar denominados “de 20 pies” o “de 40 pies”, es decir, de aproximadamente 6 metros o 12 metros) o colocarse sobre un bastidor.

[0104] Los módulos o submódulos tal como se definen anteriormente pueden combinarse con otros módulos o submódulos similares según las necesidades.

[0105] Es posible integrar y revalorizar los flujos de energía residual o solar térmica con el conjunto de estos módulos y/o submódulos, por ejemplo, añadiendo uno o varios intercambiadores térmicos. De este modo, el objeto de la presente invención también permite elevar el nivel de temperatura de la energía térmica residual o solar recuperada, almacenarla y restituirla según el uso deseado.

[0106] De este modo, en una realización particular, los diferentes elementos funcionales de la bomba de calor según la presente invención pueden aislarse en módulos. De este modo, un sistema modular permite adaptar fácilmente la bomba de calor a la disposición física del lugar donde se va a instalar. De hecho, la modularidad permite adaptar la bomba de calor a la producción in situ, por ejemplo, aumentando o reduciendo la capacidad de producción (potencia) o de almacenamiento (energía) de energía térmica. Además, la modularidad permite realizar variaciones de montaje originales. Por ejemplo, la modularidad puede permitir insertar varios sistemas de almacenamiento para obtener una diversidad de temperaturas, ya sea en la entrada (recuperación de energía residual con diferentes niveles de temperatura y/o variaciones de temperatura) y/o en la salida (producción de energía térmica a una determinada temperatura y/o con necesidades variables de temperatura).

[0107] Además, puede ser ventajoso instalar sistemas de raíles y/o bastidores (“skids” en inglés) para facilitar la modularidad. En una realización particular, los módulos que comprenden los diferentes elementos se adaptan para su desplazamiento en contenedores.

[0108] La recombinación de los módulos permite limitar el número de variantes de módulos y, por lo tanto, optimizar el coste de los sistemas, al tiempo que se puede satisfacer un mayor número de necesidades diferentes.

[0109] Además, el almacenamiento de energía térmica según la presente invención puede realizarse mediante la instalación en sistemas de almacenamiento, tales como depósitos (por ejemplo, los mencionados anteriormente), de elementos que permiten, durante una fase de carga, absorber y almacenar la energía térmica, por ejemplo, apilando en diferentes niveles bloques de tamaño reducido (en comparación con dichos depósitos). Estos bloques pueden adoptar la forma de grava, ladrillos refractarios, piezas de cerámica, piezas de cemento, piezas de roca (por ejemplo, volcánica o granítica) o incluso zeolitas.

[0110] De forma alternativa, el apilamiento en diferentes niveles puede adoptar la forma de cápsulas que contienen PCM (materiales de cambio de fase) clásicos, como ciertas arenas (por ejemplo, sales fundidas, “molten salt” en inglés), en particular KNO<3>- 60 % NaNO<3>o NaCl/MgCl<2>(57/43) utilizadas desde hace más de 20 años en centrales CSP (“Concentrated Solar Power”, es decir, energía termosolar de concentración en español) parafina, CaCl<2>6H<2>O. Todos estos materiales y elementos se utilizan en gran medida desde hace muchos años en diversos ámbitos y sistemas, y también están muy bien documentados en numerosas revistas y publicaciones, por citar solo un ejemplo en el documento “State-of-the-Art Review”: “Insulation and Thermal Storage Materials”, 2013 (Eclipse, Cambridge Architectural Research Limited).

[0111] Por supuesto, esa misma energía térmica (menos las pérdidas térmicas inherentes al sistema) se restituirá en la descarga.

[0112] Este aspecto de almacenamiento es beneficioso para el buen funcionamiento de la invención.

[0113] Los depósitos y los conductos se aislarán térmicamente con materiales aislantes clásicos, como la lana de roca u otros aislantes estándar.

[0114] La bomba de calor según la presente invención comprende así al menos dos ciclos, uno denominado de carga y otro denominado de descarga.

[0115] Por ejemplo, un ciclo de carga puede comprender:

[0116] - una compresión del fluido (es decir, el gas) entre 1 y 5 bares (partiendo de 1 bar con una tasa de compresión comprendida entre 1 y 5) (y, por lo tanto, por ejemplo, calentado a 150-300 °C en el caso de que el gas sea aire) en el compresor;

[0117] - una descarga del calor del fluido en el material/elemento de almacenamiento en un primer depósito;

[0118] - una expansión en la turbina de aire comprimido, que se ha enfriado durante su paso por el primer depósito, pero sigue estando bajo presión;

[0119] - Recalentamiento en un segundo depósito de aire muy frío (entre -100 y 10) y a presión muy reducida debido a la expansión por la turbina (y, por lo tanto, “transmisión del frío”).

[0120] - el aire frío “calentado” vuelve hacia el compresor;

[0121] - el ciclo se repite hasta que los depósitos estén llenos (información dada por sensores y/o por la parada del turbocompresor eléctrico controlado por el sistema).

[0122] Por ejemplo, un ciclo de descarga puede comprender:

[0123] - circuladores instalados en el bucle externo de cada uno de los depósitos (distribución) que transfieren la energía de los depósitos hacia los intercambiadores de calor montados en los bucles de proceso del cliente;

[0124] - a la salida del intercambiador, el bucle de distribución recupera el retorno del proceso de cliente.

[0125] Por lo tanto, en este ciclo no se utiliza compresión ni expansión, solo se utilizan circuladores y/o bombas. Los sistemas de distribución de energía fría y caliente son independientes, por lo que la descarga puede realizarse al mismo tiempo o de forma alterna. La descarga se detiene si se alcanza la demanda del cliente o si los depósitos están vacíos (de nuevo, la información dada por los sensores provoca la parada de los circuladores por el sistema de control).

[0126] Breve descripción de los dibujos

[0127] A continuación se describirán, a modo de ejemplos no limitativos, formas de ejecución de la presente invención, haciendo referencia a las figuras adjuntas en las que:

[0128] [Figura 1] representa en perspectiva una bomba de calor según la presente invención sobre bastidor;

[0129] [Figura 2] es un esquema conceptual que representa un ciclo de carga de una bomba de calor según la presente invención;

[0130] [Figura 3] es un esquema conceptual que representa un ciclo de descarga de una bomba de calor según la presente invención;

[0131] [Figura 4] es una representación esquemática conceptual de una bomba de calor según la presente invención, vista desde arriba;

[0132] [Figura 5] es una representación esquemática conceptual de una bomba de calor según la presente invención, vista desde arriba, en la que dicha bomba de calor está conectada a una fuente de energía residual;

[0133] [Figura 6] es una representación esquemática conceptual de una bomba de calor según la presente invención, vista desde arriba, en la que dicha bomba de calor está conectada a dos sistemas de almacenamiento de energía térmica adicionales;

[0134] [Figura 7] representa en perspectiva una bomba de calor según la presente invención en un contenedor;

[0135] [Figura 8] es un esquema conceptual que representa una realización particular de una bomba de calor según la presente invención, en un ciclo de carga de la bomba de calor, comprendiendo la bomba de calor cuatro sistemas de almacenamiento de energía térmica;

[0136] [Figura 9] es una representación esquemática simplificada de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de la [Figura 8];

[0137] [Figura 10] es un esquema conceptual de la bomba de calor de la [Figura 8], en un ciclo de descarga de la bomba de calor;

[0138] [Figura 11] es una representación esquemática simplificada de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de la [Figura 10]; y

[0139] [Figura 12] es un esquema conceptual que representa otra realización particular de una bomba de calor según la presente invención, en un ciclo de carga de la bomba de calor, comprendiendo la bomba de calor cuatro sistemas de almacenamiento de energía térmica;

[0140] [Figura 13] es una representación esquemática simplificada de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de la [Figura 12];

[0141] [Figura 14] es un esquema conceptual de la bomba de calor de la [Figura 12], en un ciclo de descarga de la bomba de calor; y

[0142] [Figura 15] es una representación esquemática simplificada de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de la [Figura 14].

[0143] En referencia a la [Figura 1], donde se representa en perspectiva una bomba de calor según la presente invención sobre un bastidor 15, se puede observar un compresor 1 y una turbina 2 conectados entre sí por un enlace eléctrico 13 y/o mecánico, accionado por un motor eléctrico 3. El compresor y la turbina están conectados mediante unos tubos 10 a un primer sistema 4 de almacenamiento, por un lado, y a un segundo sistema 5 de almacenamiento, por otro, estableciendo así un bucle entre el compresor 1, la turbina 2, el primer sistema 4 de almacenamiento y el segundo sistema 5 de almacenamiento. El compresor 1 y la turbina 2 forman un único turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa.

[0144] La [Figura 2] es una representación esquemática de la bomba de calor de la [Figura 1], conectada a unos sistemas 6 de restitución de la energía térmica, representada aquí en un ciclo de carga. El primer sistema 4 de almacenamiento y el segundo sistema 5 de almacenamiento están conectados respectivamente a un sistema 6 de restitución de la energía térmica que permite suministrar calor o frío a un sistema 7 de cliente. El sentido del flujo representado por las flechas 8 implica aquí que la energía térmica en forma de calor se concentra en el segundo sistema 5 de almacenamiento, mientras que la energía térmica en forma de frío se concentra en el primer sistema 4 de almacenamiento. El almacenamiento de energía térmica fría se realiza a baja presión. Entonces, puede crearse un gradiente de temperaturas en el primer sistema 4 de almacenamiento y en el segundo sistema 5 de almacenamiento, de modo que, teóricamente, Q1 tiene una temperatura más alta (es decir, más caliente) que Q2, y Q3 tiene una temperatura más baja (es decir, más fría) que Q4. En la [Figura 2] no se representa ninguna descarga.

[0145] En referencia a la [Figura 3], el esquema de montaje idéntico al representado en la [Figura 2] se muestra aquí en un ciclo de descarga. Al descargar la energía térmica almacenada en el primer sistema 4 de almacenamiento y el segundo sistema 5 de almacenamiento hacia dos sistemas 6 de restitución de energía térmica, es posible suministrar calor y frío a los sistemas 7 de cliente. En la [Figura 3], el segundo sistema 5 de almacenamiento se enfría por esta descarga y, por lo tanto, se puede crear un gradiente de temperaturas de tal manera que, teóricamente, Q6 tiene una temperatura más baja (es decir, más fría) que Q5. De manera similar, se puede crear un gradiente de temperaturas en el primer sistema 4 de almacenamiento, de modo que, teóricamente, Q8 tiene una temperatura más alta (es decir, más caliente) que Q7. En las figuras 2 y 3, se aprecia claramente que los ciclos de carga y descarga pueden funcionar en paralelo.

[0146] La [Figura 4] es una representación vista desde arriba del esquema de montaje según las figuras 2 y 3. El compresor 1, la turbina 2 y el motor 3 y su grupo de potencia (eléctrico), así como las posibles conexiones estándar, se reúnen en un grupo 9 denominado “de trabajo”. El grupo 9 de trabajo, el primer sistema 4 de almacenamiento, el segundo sistema 5 de almacenamiento y los tubos 10 constituyen un primer conjunto 14 de bomba de calor según la presente invención.

[0147] La [Figura 5] es una representación vista desde arriba de un esquema de montaje que incluye los elementos de la [Figura 4] y que, además, presenta una fuente 11 de energía residual (o energía térmica de origen natural o solar) que permite un aporte de energía térmica representado por la flecha 12. Se puede aplicar cualquier medio para capturar esta energía residual (por ejemplo, un intercambiador de calor conectado al circuito 10 de tuberías del conjunto 14 de bomba de calor según la presente invención). Es posible colocar una entrada de energía térmica entre el sistema 5 de almacenamiento y la turbina del grupo 9 de trabajo, y/o entre el sistema 4 de almacenamiento y el (turbo)compresor del grupo 9 de trabajo.

[0148] La [Figura 6] representa un conjunto 14 de bomba de calor según la presente invención que comprende dos sistemas 4A y 5A de almacenamiento de energía térmica y un grupo 9 de trabajo. Un conjunto 15 que comprende dos sistemas 4B y 5B de almacenamiento de energía térmica está conectado al conjunto 14 de bomba de calor según la presente invención. El grupo 9 de trabajo está conectado por duplicado a cada sistema 4A, 4B, 5A y 5B de almacenamiento. Además, el sistema 4A de almacenamiento de energía térmica está conectado mediante un tubo 10 al sistema 4B de almacenamiento de energía térmica. El sistema 5A de almacenamiento de energía térmica está conectado mediante un tubo 10 al sistema 5B de almacenamiento de energía térmica.

[0149] En las figuras 4, 5 et 6, los intercambiadores 6 están colocados en el exterior de los conjuntos 14, 15. También es posible que los intercambiadores de calor se coloquen en los conjuntos 14 y 15.

[0150] Desde un punto de vista concreto, los conjuntos 14 y 15 de las figuras 4, 5 y 6 pueden ser contenedores.

[0151] La [Figura 7] es una representación en perspectiva de la bomba de calor de la [Figura 1] insertada en un contenedor 14. La [Figura 8] es un esquema conceptual que representa una realización particular de una bomba de calor según la presente invención, en un ciclo de carga de la bomba de calor. En esta realización particular, además del turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa 1, 2, la bomba de calor incluye cuatro sistemas 16A-16D de almacenamiento de energía térmica, dos sistemas 18A, 18B de restitución de energía térmica, dos válvulas 20A, 20B de tres vías, dos elementos 22A, 22B de bombeo, una válvula 24 de dos vías y tres válvulas 26A-26C antirretorno. Un primer extremo 16A1 de un primer sistema 16A de almacenamiento de energía térmica está conectado a un primer extremo 16B1 de un segundo sistema 16B de almacenamiento de energía térmica a través de una primera rama 28A de circulación de gas. Un primer extremo 16C1 de un tercer sistema 16C de almacenamiento de energía térmica está conectado a un primer extremo 16D1 de un cuarto sistema 16D de almacenamiento de energía térmica a través de una segunda rama 28B de circulación de gas.

[0152] Un primer sistema 18A de restitución de energía térmica (preferiblemente un intercambiador de calor) está dispuesto de manera que intercambia energía térmica con la primera rama 28A de circulación de gas. Un segundo sistema 18B de restitución de energía térmica (preferiblemente un intercambiador de calor) está dispuesto de manera que intercambia energía térmica con la segunda rama 28B de circulación de gas. Una primera válvula 20A de tres vías está conectada a un segundo extremo 16A2 del primer sistema 16A de almacenamiento de energía térmica, a un segundo extremo 16B2 del segundo sistema 16B de almacenamiento de energía térmica y a un segundo extremo 16C2 del tercer sistema 16C de almacenamiento de energía térmica. Una segunda válvula 20B de tres vías está conectada al segundo extremo 16B2 del segundo sistema 16B de almacenamiento de energía térmica, al segundo extremo 16C2 del tercer sistema 16C de almacenamiento de energía térmica y a un segundo extremo 16D2 del cuarto sistema 16D de almacenamiento de energía térmica.

[0153] Un primer elemento 22A de bombeo (normalmente una bomba) conecta el segundo extremo 16B2 del segundo sistema 16B de almacenamiento de energía térmica a la vía correspondiente 20A1 de la primera válvula 20A de tres vías. Otra vía 20A2 de la primera válvula 20A de tres vías está conectada al segundo extremo 16A2 del primer sistema 16A de almacenamiento de energía térmica, y la última vía 20A3 de la primera válvula 20A de tres vías está conectada al segundo extremo 16C2 del tercer sistema 16C de almacenamiento de energía térmica. Un segundo elemento 22B de bombeo (normalmente una bomba) conecta el segundo extremo 16C2 del tercer sistema 16C de almacenamiento de energía térmica a la vía correspondiente 20B1 de la segunda válvula 20B de tres vías. Otra vía 20B2 de la segunda válvula 20B de tres vías está conectada al segundo extremo 16D2 del cuarto sistema 16D de almacenamiento de energía térmica, y la última vía 20B3 de la segunda válvula 20B de tres vías está conectada al segundo extremo 16B2 del segundo sistema 16B de almacenamiento de energía térmica.

[0154] La entrada 1E de la parte de compresor 1 del turbocompresor eléctrico está conectada al primer extremo 16A1 del primer sistema 16A de almacenamiento de energía térmica en un primer punto 30A de conexión en la primera rama 28A de circulación de gas. La salida 1S de la parte de compresor 1 del turbocompresor eléctrico está conectada al primer extremo 16B1 del segundo sistema 16B de almacenamiento de energía térmica en un segundo punto 30B de conexión en la primera rama 28A de circulación de gas. La entrada 2E de la parte de turbina 2 del turbocompresor eléctrico está conectada al primer extremo 16D1 del cuarto sistema 16D de almacenamiento de energía térmica en un primer punto 32A de conexión en la segunda rama 28B de circulación de gas. La salida 2S de la parte de turbina 2 del turbocompresor eléctrico está conectada al primer extremo 16C1 del tercer sistema 16C de almacenamiento de energía térmica en un segundo punto 32B de conexión en la segunda rama 28B de circulación de gas.

[0155] La válvula 24 de dos vías está conectada a la primera rama 28A de circulación de gas entre el primer punto 30A de conexión y el segundo punto 30B de conexión. Una primera válvula antirretorno 26A está conectada entre la salida 1S de la parte de compresor 1 del turbocompresor eléctrico y el segundo punto 30B de conexión de la primera rama 28A de circulación de gas. Una segunda válvula antirretorno 26B está conectada entre la salida 2S de la parte de turbina 2 del turbocompresor eléctrico y el segundo punto 32B de conexión de la segunda rama 28B de circulación de gas. Una tercera válvula antirretorno 26C está conectada a la segunda rama 28B de circulación de gas entre el primer punto 32A de conexión y el segundo punto 32B de conexión.

[0156] El funcionamiento de la bomba de calor según esta realización particular se ilustra en las figuras 8 y 9, cuando la bomba se encuentra en un ciclo de carga. El sentido del flujo representado por las flechas 34 implica aquí que la energía térmica en forma de calor se concentra en el segundo sistema 16B de almacenamiento (tras haber sido extraída del primer sistema 16A de almacenamiento y comprimida en el compresor 1), mientras que la energía térmica en forma de frío se concentra en el tercer sistema 16C de almacenamiento (después de haber sido extraída del cuarto sistema 16D de almacenamiento y luego expandida en la turbina 2). El almacenamiento de energía térmica fría se realiza a baja presión (normalmente alrededor de un bar en valor absoluto cuando el gas utilizado es aire), mientras que el almacenamiento de energía térmica caliente se realiza a alta presión (normalmente entre uno y cinco bares en valor absoluto cuando el gas utilizado es aire). La extracción de energía térmica fría se realiza a alta presión, mientras que la extracción de energía térmica caliente se realiza a baja presión. Los gradientes de temperatura que se crean en el segundo y tercer sistema 16B, 16C de almacenamiento hacen que la energía térmica se transfiera desde el segundo sistema 16B de almacenamiento al cuarto sistema 16D de almacenamiento, por un lado, y desde el tercer sistema 16C de almacenamiento al primer sistema 16A de almacenamiento, por otro lado.

[0157] El funcionamiento de la bomba de calor según esta realización particular se ilustra en las figuras 10 y 11, cuando la bomba se encuentra en un ciclo de descarga. Al descargar la energía térmica almacenada en el segundo sistema 16B de almacenamiento y en el tercer sistema 16C de almacenamiento hacia los dos sistemas 18A, 18B de restitución de energía térmica, es posible suministrar calor y frío a los sistemas de cliente. De este modo, se establece un primer bucle 38 entre el primer sistema 16A de almacenamiento y el segundo sistema 16B de almacenamiento, por un lado, y un segundo bucle 40 entre el tercer sistema 16C de almacenamiento y el cuarto sistema 16D de almacenamiento, por otro lado. En el primer bucle 38 (en el que se pone en marcha el primer elemento 22A de bombeo y la bomba de calor suministra calor al primer sistema 18A de restitución de energía térmica), el segundo sistema 16B de almacenamiento se enfría por la descarga y, por lo tanto, se crea un gradiente de temperatura que hace circular el gas en el sentido del flujo representado por las flechas 41. En el segundo bucle 40 (en el que se pone en marcha el segundo elemento 22B de bombeo y la bomba de calor suministra frío al segundo sistema 18B de restitución de energía térmica), el tercer sistema 16C de almacenamiento se calienta por la descarga y, por lo tanto, se crea un gradiente de temperatura que hace circular el gas en el sentido del flujo representado por las flechas 42.

[0158] Esta realización particular de la bomba de calor ilustrada en las figuras 8 a 11 permite “intercambiar” el orden de circulación del gas en los sistemas 16A, 16D de almacenamiento primero y cuarto durante la operación de descarga con respecto a la operación de carga, y esto sin desplazar físicamente los sistemas 16A-16D de almacenamiento. Esta operación tiene la ventaja de evitar la introducción de diferencias térmicas demasiado importantes (choques térmicos) que alterarían el establecimiento de las termoclinas en los sistemas 16A-16D de almacenamiento de energía térmica y, por lo tanto, serían perjudiciales para el rendimiento del almacenamiento térmico y de la aplicación en general.

[0159] A continuación se indican, a título de ejemplo, valores indicativos de temperatura, no limitativos, para la realización particular de la bomba de calor ilustrada en las figuras 8 a 11:

[0160] - el primer extremo 16A1 del primer sistema 16A de almacenamiento presenta, por ejemplo, una temperatura sustancialmente igual a 60 °C, y el segundo extremo 16A2 del primer sistema 16A de almacenamiento presenta una temperatura sustancialmente igual a 80 °C;

[0161] - el primer extremo 16B1 del segundo sistema 16B de almacenamiento presenta, por ejemplo, una temperatura sustancialmente igual a 210 °C, y el segundo extremo 16B2 del segundo sistema 16B de almacenamiento presenta una temperatura sensiblemente igual a 80 °C;

[0162] - el primer extremo 16C1 del tercer sistema 16C de almacenamiento presenta, por ejemplo, una temperatura sustancialmente igual a -30 °C, y el segundo extremo 16C2 del tercer sistema 16C de almacenamiento presenta una temperatura sustancialmente igual a 80 °C;

[0163] - el primer extremo 16D1 del cuarto sistema 16D de almacenamiento presenta, por ejemplo, una temperatura sustancialmente igual a 20 °C, y el segundo extremo 16D2 del cuarto sistema 16D de almacenamiento una temperatura sustancialmente igual a 80 °C;

[0164] - el fluido que circula por el primer sistema 18A de restitución de energía térmica entra en dicho sistema 18A con una temperatura, por ejemplo, sustancialmente igual a 20 °C y sale de dicho sistema 18A con una temperatura, por ejemplo, sustancialmente igual a 200 °C;

[0165] - el fluido que circula por el segundo sistema 18B de restitución de energía térmica entra en dicho sistema 18B con una temperatura, por ejemplo, sustancialmente igual a 25 °C y sale de dicho sistema 18B con una temperatura, por ejemplo, sustancialmente igual a -25 °C.

[0166] La0 [Figura 12] es un esquema conceptual que representa una realización particular de una bomba de calor según la presente invención, en un ciclo de carga de la bomba de calor. De manera análoga a la realización anterior descrita con referencia a las figuras 8 a 11, la bomba de calor según esta realización particular incluye un turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa 1, 2, cuatro sistemas 16A-16D de almacenamiento de energía térmica, dos sistemas 18A, 18B de restitución de energía térmica, dos válvulas 20A, 20B de tres vías, dos elementos 22A, 22B de bombeo, una válvula 24 de dos vías y tres válvulas antirretorno 26A-26C (todas ellas conectadas de la misma manera que en la realización anterior). A excepción del turbocompresor 1, 2 y los dos sistemas 18A, 18B de restitución de energía térmica, los demás elementos mencionados anteriormente no se muestran en la [Figura 12] por motivos de claridad. La bomba de calor incluye además tres sistemas 44A-44C de restitución de energía térmica adicionales, cuatro válvulas 46A-46D de dos vías adicionales y cuatro válvulas 48A-48D de tres vías adicionales, así como cuatro elementos 49A-49D de bombeo adicionales. Esta realización particular de las figuras 12 a 15 constituye, por lo tanto, una mejora de la realización anterior descrita en referencia a las figuras 8 a 11. En las figuras 12 a 15, los elementos descritos con las mismas referencias numéricas que los de las figuras 8 a 11 son idénticos a estos últimos y, por lo tanto, no se describirán con más detalle a continuación.

[0168] Como se ilustra en la [Figura 12] un primer extremo 44A1 de un primer sistema 44A de restitución de energía térmica adicional está conectado a un primer extremo 18A1 del primer sistema 18A de restitución de energía térmica a través de una primera y una segunda válvulas 46A, 46B de dos vías adicionales. Un segundo extremo 44A2 del primer sistema 44A de restitución de energía térmica adicional está conectado a un segundo extremo 18A2 del primer sistema 18A de restitución de energía térmica. Un primer extremo 44B1 de un segundo sistema 44B de restitución de energía térmica adicional está conectado a un primer extremo 18B1 del segundo sistema 18B de restitución de energía térmica. Un segundo extremo 44B2 del segundo sistema 44B de restitución de energía térmica adicional está conectado a un segundo extremo 18B2 del segundo sistema 18B de restitución de energía térmica a través de una tercera y una cuarta válvulas 46C, 46D de dos vías adicionales. Un primer extremo 44C1 de un tercer sistema 44C de restitución de energía térmica adicional está conectado al primer punto 30A de conexión en la primera rama 28A de circulación de gas; y un segundo extremo 44C2 del tercer sistema 44C de restitución de energía térmica adicional está conectado al segundo punto 32B de conexión en la segunda rama 28B de circulación de gas.

[0170] Una primera válvula 48A de tres vías adicional está conectada a la entrada 1E de la parte de compresor 1 del turbocompresor eléctrico, al primer punto 30A de conexión en la primera rama 28A de circulación de gas y al primer extremo 44C1 del tercer sistema 44C de restitución de energía térmica adicional. Una segunda válvula 48B de tres vías adicional está conectada a la salida 1S de la parte de compresor 1 del turbocompresor eléctrico, al segundo punto 30B de conexión en la primera rama 28A de circulación de gas y a una de las vías 48C1 de una tercera válvula 48C de tres vías adicional a través de un primer conducto 50A de gas. La tercera válvula 48C de tres vías adicional está conectada además a la entrada 2E de la parte de turbina 2 del turbocompresor eléctrico y al primer punto 32A de conexión en la segunda rama 28B de circulación de gas. Una cuarta válvula 48D de tres vías adicional está conectada a la salida 2S de la parte de turbina 2 del turbocompresor eléctrico, al segundo punto 32B de conexión en la segunda rama 28B de circulación de gas y al segundo extremo 44C2 del tercer sistema 44C de restitución de energía térmica adicional a través de un segundo conducto 50B de gas.

[0172] El primer y tercer sistema 44A, 44C de restitución de energía térmica adicionales están dispuestos cada uno de manera que intercambien energía térmica con el primer conducto 50A de gas. El segundo sistema 44B de restitución de energía térmica adicional está dispuesto de manera que intercambie energía térmica con el segundo conducto 50B de gas.

[0174] Un primer elemento 49A de bombeo adicional (normalmente una bomba) conecta el segundo extremo 44A2 del primer sistema 44A de restitución adicional a la salida “caliente” 56 del conjunto formado por el primer sistema 18A de restitución y el primer sistema 44A de restitución adicional. Un segundo elemento 49B de bombeo adicional (normalmente una bomba) conecta el segundo extremo 18A2 del primer sistema 18A de restitución en la salida “caliente” 56 del conjunto formado por el primer sistema 18A de restitución y el primer sistema 44A de restitución adicional. Un tercer elemento 49C de bombeo adicional (normalmente una bomba) conecta el primer extremo 44B1 del segundo sistema 44B de restitución adicional a la salida “fría” 58 del conjunto formado por el segundo sistema 18B de restitución y el segundo sistema 44B de restitución adicional. Un cuarto elemento 49D de bombeo adicional (normalmente una bomba) conecta el primer extremo 18B1 del segundo sistema 18B de restitución a la salida “fría” 58 del conjunto formado por el segundo sistema 18B de restitución y el segundo sistema 44B de restitución adicional.

[0175] El funcionamiento de la bomba de calor según esta realización concreta se ilustra en las figuras 12 y 13, cuando la bomba se encuentra en un ciclo de carga. Cuando se encuentra en un ciclo de carga, la bomba de calor funciona de manera similar a la realización anterior descrita con referencia a las figuras 8 a 11. En otras palabras, la energía térmica en forma de calor se concentra en el segundo sistema 16B de almacenamiento (tras haber sido extraída del primer sistema 16A de almacenamiento y comprimida en el compresor 1), mientras que la energía térmica en forma de frío se concentra en el tercer sistema 16C de almacenamiento (después de haber sido extraída del cuarto sistema 16D de almacenamiento y luego expandida en la turbina 2).

[0177] El funcionamiento de la bomba de calor según esta realización particular se ilustra en las figuras 14 y 15, cuando la bomba se encuentra en un ciclo de descarga. Durante la descarga de la bomba de calor, es posible suministrar calor y frío a los sistemas de cliente, al tiempo que se continúa en paralelo un ciclo de carga de los sistemas 16B y 16C de almacenamiento segundo y tercero. De hecho, como se ilustra en la [Figura 15], se establecen dos bucles 52A, 52B de restitución de calor, por un lado (correspondientes a una restitución de calor realizada hacia el primer sistema 18A de restitución y hacia el primer sistema 44A de restitución adicional), y dos bucles 54A, 54B de restitución de frío por otro lado (correspondientes a una restitución de frío realizada hacia el segundo sistema 18B de restitución y hacia el segundo sistema 44B de restitución adicional). Para cada circuito de restitución (caliente por un lado y frío por otro), cada bucle 52A y 54A, respectivamente, puede funcionar independientemente del otro bucle 52B y 54B, respectivamente, en paralelo con este último o bien individualmente.

[0178] En el primer bucle 52A del circuito de restitución de calor (en el que se ponen en marcha el primer elemento 22A de bombeo y el segundo elemento 49B de bombeo adicional, estableciéndose este bucle 52A entre el primer sistema 16A de almacenamiento y el segundo sistema 16B de almacenamiento), el gas circula en el sentido del flujo representado por las flechas 60. En el segundo bucle 52B del circuito de restitución de calor (en el que se pone en marcha el primer elemento 49A de bombeo adicional

[0179] - estableciéndose este bucle 52B a nivel de la parte de compresor 1 del turbocompresor eléctrico, con energía instantánea producida por el turbocompresor 1, 2 y circulando, en particular, por el primer conducto 50A de gas), el gas circula en el sentido del flujo representado por las flechas 62. En el primer bucle 54A del circuito de restitución de frío (en el que se ponen en marcha el segundo elemento 22B de bombeo y el cuarto elemento 49D de bombeo adicional, estableciéndose este bucle 54A entre el tercer sistema 16C de almacenamiento y el cuarto sistema 16D de almacenamiento), el gas circula en el sentido del flujo representado por las flechas 64. En el segundo bucle 54B del circuito de restitución de frío (en el que se pone en marcha el tercer elemento 49C de bombeo adicional; estableciéndose este bucle 54B a nivel de la parte de turbina 2 del turbocompresor eléctrico, con energía instantánea producida por el turbocompresor 1, 2 y circulando, en particular, por el segundo conducto 50B de gas), el gas circula en el sentido del flujo representado por las flechas 66.

[0180] Además de las ventajas relacionadas con la realización anterior (y expuestas anteriormente), esta realización particular de la bomba de calor, tal y como se ilustra en las figuras 12 a 15, es capaz de producir calor y frío de forma instantánea, al mismo tiempo que descarga calor y frío de los sistemas de almacenamiento de energía térmica. Esto es ventajoso porque permite añadir potencia instantánea (procedente del turbocompresor eléctrico 1, 2) a la energía almacenada previamente y que, por lo tanto, se restituye en paralelo a la energía producida de forma instantánea, por ejemplo, para hacer frente a un pico de demanda con un sobrecoste mínimo en equipamiento (tres sistemas 44A-44C de restitución de energía térmica adicionales). De hecho, en esta realización particular ilustrada en las figuras 12 a 15, la descarga de la bomba de calor puede realizarse:

[0181] ● ya sea suministrando únicamente la energía instantánea producida por el turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa 1, 2;

[0182] ● ya sea suministrando al mismo tiempo la energía almacenada de los sistemas de almacenamiento de energía térmica y la del turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa (es decir, con una descarga de la energía producida durante la carga anterior añadida a la de la potencia instantánea producida por el turbocompresor).

[0183] Esto evita, por ejemplo, tener que sobredimensionar el sistema (en particular, aumentando el tamaño de los sistemas de almacenamiento de energía térmica para almacenar más y/o aumentando el tamaño de la máquina, por ejemplo, para producir más por la noche).

[0184] Ejemplos

[0185] Las figuras adjuntas pueden reproducirse utilizando las piezas que se describen a continuación.

[0186] 1. Turbocompresor eléctrico y turbina

[0187] La turbina y el compresor eléctrico se combinan en una sola turbomáquina, que es un turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa.

[0188] Por ejemplo, se puede utilizar uno de los turbocompresores siguientes:

[0189] - Garrett “Electric Turbo Compressor (with recovery turbine) for Fuel Cell Electric Vehicles”

[0190] - Fisher EMTCT-120k Air / EMTCT-90k Air: Electric Micro Turbo compressor with turbine for energy recovery or similar - BorgWarner eTurbo

[0191] - IHI Fuel Cell Turbocharger

[0192] - Liebherr - Electrical compressor with turbine (ETC) 25kW y 55kW

[0193] - Mitsubishi<®>electric turbo-chargers

[0194] - Holset<®>electric turbochargers (part of Cummins)

[0195] 2. Sistema de almacenamiento: depósitos

[0196] Los depósitos metálicos, tales como los tanques cilíndricos metálicos estándar (de acero o acero inoxidable) de diferentes tamaños, pueden aislarse térmicamente y son capaces de contener aire comprimido a una presión de hasta 10 bares, entre 0,5 y 10 m3, o incluso más.

[0197] Hay varias decenas de fabricantes en todo el mundo. Las siguientes empresas, por ejemplo, venden depósitos que pueden ser adecuados:

[0198] - Herpasa<®>; “depósitos con aislamiento térmico”

[0199] - EMI air comprimé<®>; ver por ejemplo P 265 GH - EN10028-2; P 275 NH - EN10028-3; P 265 GH - EN10028-2; o también el depósito P 275 NH - EN10028-3

[0200] - Kaeser Compresseurs<®>;

[0201] - Colibris Compression<®>; ver por ejemplo el depósito Pauchard vertical galvanizado 2000L BP RTCABJA000

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Bomba de calor eléctrica, que comprende:

- al menos dos sistemas (4, 5; 16A-16D) de almacenamiento de energía térmica, y

- al menos un sistema (6; 18A, 18B) de restitución de energía térmica , en donde:

- al menos uno de los sistemas (5; 16B) de almacenamiento de energía térmica está configurado para almacenar energía térmica en forma de calor a una temperatura comprendida entre 100 °C y 800 °C, - al menos uno de los sistemas de almacenamiento de energía térmica (4; 16C) está configurado para almacenar energía térmica en forma de frío a una temperatura comprendida entre - 100 °C y 150 °C; y - dicho al menos un sistema de restitución de energía térmica (6; 18A, 18B) está configurado para restituir de forma separada o paralela a lo largo del tiempo el calor y/o el frío, o

- dicho al menos un sistema de restitución de energía térmica (6; 18A, 18B) está configurado para un funcionamiento de una restitución paralela que puede alternarse con un funcionamiento de restitución separada a lo largo del tiempo del calor y/o del frío; estando la bomba de calor configurada para comprender un ciclo Brayton invertido que funciona con un gas;

caracterizada por quela bomba de calor comprende un único turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa (1, 2).

2. Bomba de calor según la reivindicación 1caracterizada por queel turbocompresor eléctrico centrífugo monoetapa (1,2) presenta una tasa de compresión comprendida entre 1 y 5, definiéndose la tasa de compresión como la relación entre la presión de salida de la parte de compresor (1) del turbocompresor y la presión de entrada de dicha parte de compresor (1).

3. Bomba de calor según la reivindicación 1 o 2caracterizada por que:

- al menos uno de los sistemas de almacenamiento de energía térmica (4; 16C) está configurado para almacenar energía térmica a temperaturas comprendidas entre -50 °C y 100 °C, y/o

- al menos uno de los sistemas de almacenamiento de energía térmica (5; 16B) está configurado para almacenar energía térmica a temperaturas comprendidas entre 150 °C y 500 °C, preferiblemente entre 200 °C y 400 °C.

4. Bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriorescaracterizada por quedichos al menos dos sistemas (4, 5; 16A-16D) de almacenamiento de energía térmica están configurados para almacenar energía térmica en forma de calor y en forma de frío.

5. Bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriorescaracterizada por quelos diferentes elementos de funcionamiento de dicha bomba de calor están aislados en módulos, estando configurados dichos módulos para conectarse entre sí, por ejemplo, mediante conexiones físicas tales como válvulas, tuberías de conexión y/o tubos.

6. Bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriorescaracterizada porestar configurada para acoplarse al menos a una fuente de calor natural y/o al menos a una fuente de calor artificial, como una caldera de gas, un horno de gas, calor de origen solar o calor residual (11), un secador y/o una pérdida de calor de origen artificial.

7. Bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriorescaracterizada por queel gas utilizado en el ciclo de Brayton invertido de la bomba de calor es aire, o un gas noble de tipo helio o argón, o incluso una mezcla de estos gases.

8. Bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriorescaracterizada por quela bomba de calor incluye cuatro sistemas (16A-16D) de almacenamiento de energía térmica, dos sistemas (18A, 18B) de restitución de energía térmica, dos válvulas (20A, 20B) de tres vías y dos elementos (22A, 22B) de bombeo; estando un primer extremo (16A1) de un primer sistema (16A) de almacenamiento de energía térmica conectado a un primer extremo (16B1) de un segundo sistema (16B) de almacenamiento de energía térmica a través de una primera rama (28A) de circulación de gas; estando un primer extremo (16C1) de un tercer sistema (16C) de almacenamiento de energía térmica conectado a un primer extremo (16D1) de un cuarto sistema (16D) de almacenamiento de energía térmica a través de una segunda rama (28B) de circulación de gas; estando un primer sistema (18A) de restitución de energía térmica dispuesto para intercambiar energía

térmica con la primera rama (28A) de circulación de gas, estando un segundo sistema (18B) de restitución de energía térmica dispuesto para intercambiar energía térmica con la segunda rama (28B) de circulación de gas; estando una primera válvula (20A) de tres vías conectada a un segundo extremo (16A2) del primer sistema (16A) de almacenamiento de energía térmica, a un segundo extremo (16B2) del segundo sistema (16B) de almacenamiento de energía térmica y a un segundo extremo (16C2) del tercer sistema (16C) de almacenamiento de energía térmica; estando una segunda válvula (20B) de tres vías conectada al segundo extremo (16B2) del segundo sistema (16B) de almacenamiento de energía térmica, al segundo extremo (16C2) del tercer sistema (16C) de almacenamiento de energía térmica y a un segundo extremo (16D2) del cuarto sistema (16D) de almacenamiento de energía térmica; conectando un primer elemento (22A) de bombeo el segundo extremo (16B2) del segundo sistema (16B) de almacenamiento de energía térmica con la vía correspondiente (20A1) de la primera válvula (20A) de tres vías; un segundo elemento (22B) de bombeo conectando el segundo extremo (16C2) del tercer sistema (16C) de almacenamiento de energía térmica con la vía correspondiente (20B1) de la segunda válvula (20B) de tres vías; estando la entrada (1E) de la parte de compresor (1) del turbocompresor eléctrico conectada al primer extremo (16A1) del primer sistema (16A) de almacenamiento de energía térmica en un primer punto (30A) de conexión en la primera rama (28A) de circulación de gas; estando la salida (1S) de la parte de compresor (1) del turbocompresor eléctrico conectada al primer extremo (16B1) del segundo sistema (16B) de almacenamiento de energía térmica en un segundo punto (30B) de conexión en la primera rama (28A) de circulación de gas; estando la entrada (2E) de la parte de turbina (2) del turbocompresor eléctrico conectada al primer extremo (16D1) del cuarto sistema (16D) de almacenamiento de energía térmica en un primer punto (32A) de conexión en la segunda rama (28B) de circulación de gas; estando la salida (2S) de la parte de turbina (2) del turbocompresor eléctrico conectada al primer extremo (16C1) del tercer sistema (16C) de almacenamiento de energía térmica en un segundo punto (32B) de conexión en la segunda rama (28B) de circulación de gas.

9. Bomba de calor según la reivindicación anterior,caracterizada por quela bomba de calor incluye además una válvula (24) de dos vías y tres válvulas antirretorno (26A, 26B, 26C); estando la válvula (24) de dos vías conectada a la primera rama (28A) de circulación de gas entre el primer punto (30A) de conexión y el segundo punto (30B) de conexión; estando una primera válvula antirretorno (26A) conectada entre la salida (1S) de la parte de compresor (1) del turbocompresor eléctrico y el segundo punto (30B) de conexión de la primera rama (28A) de circulación de gas; estando una segunda válvula antirretorno (26B) conectada entre la salida (2S) de la parte de turbina (2) del turbocompresor eléctrico y el segundo punto (32B) de conexión de la segunda rama (28B) de circulación de gas; estando una tercera válvula antirretorno (26C) conectada a la segunda rama (28B) de circulación de gas entre el primer punto (32A) de conexión y el segundo punto (32B) de conexión.

10. Bomba de calor según la reivindicación 8 o 9,caracterizada por quela bomba de calor incluye además tres sistemas (44A-44C) de restitución de energía térmica adicionales, cuatro válvulas (46A-46D) de dos vías adicionales y cuatro válvulas (48A-48D) de tres vías adicionales; estando un primer extremo (44A1) de un primer sistema (44A) de restitución de energía térmica adicional conectado a un primer extremo (18A1) del primer sistema (18A) de restitución de energía térmica a través de una primera y una segunda válvulas (46A, 46B) de dos vías; estando un segundo extremo (44A2) del primer sistema (44A) de restitución de energía térmica adicional conectado a un segundo extremo (18A2) del primer sistema (18A) de restitución de energía térmica; estando un primer extremo (44B1) de un segundo sistema (44B) de restitución de energía térmica adicional conectado a un primer extremo (18B1) del segundo sistema (18B) de restitución de energía térmica; estando un segundo extremo (44B2) del segundo sistema (44B) de restitución de energía térmica adicional conectado a un segundo extremo (18B2) del segundo sistema (18B) de restitución de energía térmica a través de una tercera y una cuarta válvulas (46C, 46D) de dos vías; estando un primer extremo (44C1) de un tercer sistema (44C) de restitución de energía térmica adicional conectado al primer punto (30A) de conexión en la primera rama (28A) de circulación de gas; estando un segundo extremo (44C2) del tercer sistema (44C) de restitución de energía térmica adicional conectado al segundo punto (32B) de conexión en la segunda rama (28B) de circulación de gas; estando una primera válvula (48A) de tres vías adicional conectada a la entrada (1E) de la parte de compresor (1) del turbocompresor eléctrico, al primer punto (30A) de conexión en la primera rama (28A) de circulación de gas y al primer extremo (44C1) del tercer sistema (44C) de restitución de energía térmica adicional; estando una segunda válvula (48B) de tres vías adicional conectada a la salida (1S) de la parte de compresor (1) del turbocompresor eléctrico, al segundo punto (30B) de conexión en la primera rama (28A) de circulación de gas y a una de las vías (48C1) de una tercera válvula (48C) de tres vías adicional a través de un primer conducto (50A) de gas; estando la tercera válvula (48C) de tres vías adicional conectada además a la entrada (2E) de la parte de turbina (2) del turbocompresor eléctrico y al primer punto (32A) de conexión en la segunda rama (28B) de circulación de gas; estando una cuarta válvula (48D) de tres vías adicional conectada a la salida (2S) de la parte de turbina (2) del turbocompresor eléctrico, al segundo punto (32B) de conexión en la segunda rama (28B) de circulación de gas y al segundo extremo (44C2) del tercer sistema (44C) de restitución de energía térmica adicional a través de un segundo conducto (50B) de gas; estando los primeros y terceros sistemas (44A, 44C) de restitución de energía térmica adicionales dispuestos cada uno de manera que intercambien energía térmica con el primer conducto (50A) de gas; estando el segundo sistema (44B) de restitución de energía térmica adicional dispuesto de manera que intercambia energía térmica con el segundo conducto (50B) de gas.

11. Procedimiento de suministro de energía térmica en forma de calor a una temperatura comprendida entre 100 °C y 800 °C y/o de frío a una temperatura comprendida entre -100 °C y 150 °C, mediante el uso de una bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 10, que comprende las siguientes etapas:

(a) una etapa de ciclo de carga mediante compresión mecánica de al menos un gas, preferiblemente con una expansión mecánica de dicho al menos un gas; y

(b) una etapa de ciclo de descarga sin compresión y/o expansión en la que la energía térmica se descarga a través de al menos un sistema de restitución de energía térmica, por ejemplo, a través de al menos una válvula, al menos un circulador y/o al menos un intercambiador térmico.

12. Procedimiento según la reivindicación 11caracterizado por quela etapa (b) de ciclo de descarga se realiza en paralelo a la etapa (a) de ciclo de carga.