ITFI20130299A1

ITFI20130299A1 - "improvements in compressed-air-energy-storage (caes) systems and methods"

Info

Publication number: ITFI20130299A1
Application number: IT000299A
Authority: IT
Inventors: Bhaskara Kosamana; Kalyankumar Venkatachalam
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-17
Also published as: EP3084176B1; US20160326958A1; AU2014365015A1; CA2933289C; ES2895986T3; JP2017502645A; AU2014365015B2; CN106103941A; CA2933289A1; EP3084176A1; JP2021065088A; WO2015091329A1; CN112145296A; US10584634B2; JP7004792B2

Description

“MIGLIORAMENTI IN SISTEMI E METODI DI ACCUMULO DI ENERGIA AD ARIA COMPRESSA (CAES)”

Descrizione

CAMPO DELL'INVENZIONE

La presente descrizione riguarda i sistemi di accumulo di energia ad aria compressa, brevemente denominati anche sistemi CAES. La descrizione riguarda anche metodi per l'accumulo di energia e produzione di energia elettrica utilizzando sistemi CAES. Più specificamente l'invenzione riguarda cosiddetti sistemi CAES adiabatici (ACAES) anche denominati sistemi CAES adiabatici avanzati (AACAES).

DESCRIZIONE DELL'ARTE ANTERIORE

Impianti di potenza o sistemi CAES vengono comunemente usati come mezzi per ottimizzare lo sfruttamento di energia. Come noto agli esperti del ramo, l'energia elettrica richiesta dalla rete di distribuzione elettrica varia con picchi di potenza elettrica richiesta durante il giorno e una richiesta di potenza ridotta durante la notte. Grossi impianti di potenza a vapore o impianti di potenza ad energia rinnovabile producono una quantità di potenza che non può essere variata a volontà. Questo provoca un eccesso di potenza disponibile sulla rete di distribuzione elettrica durante la notte e una carenza di potenza durante le ore di picco. Piccoli impianti di potenza che utilizzano turbine a gas, soprattutto turbine a gas di derivazione aeronautica sono stati sviluppati allo scopo di coprire le richieste di potenza di picco. Questi impianti possono essere avviati e arrestati secondo le richieste di potenza variabile nelle 24 ore. Nonostante ciò, ulteriori misure debbono essere adottate allo scopo di immagazzinare l'energia in eccesso prodotta durante la notte e recuperare l'energia immagazzinata per aumentare la produzione di potenza elettrica durante le ore di picco.

Uno di questi mezzi usati a tale scopo è la tecnologia CAES. Questi sistemi tipicamente comprendono un treno di compressione che presenta uno o più compressori, che sono portati in rotazione da potenza elettrica dalla rete di distribuzione dell'energia elettrica durante la notte, cioè quando meno potenza è richiesta rispetto a quella disponibile sulla rete. Potenza in eccesso disponibile dalla rete viene così trasformata in energia di pressione dell'aria compressa immagazzinata.

L'aria compressa viene poi utilizzata durante il giorno per coprire le richiesta di potenza di picco dalla rete, espandendo l'aria compressa ad una pressione opportuna e bruciando una miscela area/combustibile in una camera di combustione per generare gas di combustione, i quali vengono espansi in una turbina per la generazione di potenza.

Allo scopo di ridurre l'impatto ambientale di questi impianti, sono stati sviluppati cosiddetti impianti di immagazzinaggio di energia ad aria compressa adiabatici o adiabatici avanzati (ACAES o AACAES). Sistemi ACAES o AACAES non fanno uso di combustibile fossile per convertire l'energia accumula in potenza elettrica. Piuttosto essi immagazzinano calore generato dal processo di compressione dell'aria e recuperano detto calore per aumentare la temperatura dell'aria prima dell'espansione dell'aria compressa attraverso uno o più espantori.

In Fig.1 è rappresentato schematicamente un impianto AACAES o ACAES dell'arte corrente. Il sistema ACAES è complessivamente contrassegnato con 100. Il sistema comprende un treno di compressori 101 che, nella forma esemplificativa illustrata in Fig.1, comprende tre compressori disposti in serie 103, 105, 107, aventi una linea di albero comune 109. Aria che entra nel primo compressore 103 all'ingresso 103I del compressore viene sequenzialmente compressa a valori di pressione crescenti ed infine alimentata all'uscita 107E dell'ultimo compressore 107. Fra almeno due compressori disposti in sequenza, nell'esempio fra il compressore 103 ed il compressore 105, è disposto un inter-refrigeratore 111. L'inter-refrigeratore è uno scambiatore di calore in cui aria parzialmente compressa alimentata dal compressore a monte viene raffreddata prima di entrare nel compressore successivo, cosicché il volume dell'aria che viene elaborata viene ridotto rimuovendo calore da essa. Il calore viene rimosso per mezzo di scambio termico con l'aria ambiente, acqua o qualunque altro mezzo di raffreddamento. Rimuovendo calore dall'aria parzialmente compressa la potenza meccanica richiesta per azionare il treno di compressori 101 viene ridotta.

L'aria compressa che esce dal treno di compressori in 107E fluisce attraverso una disposizione di accumulo di energia termica 113, in cui calore viene rimosso dal flusso di aria compressa e immagazzinato in un idoneo mezzo di accumulo di energia termica, ad esempio un mezzo solido di accumulo di calore quale una roccia, o un mezzo liquido di accumulo di calore quale un olio, acqua compressa o glicole.

In alcune forme di realizzazione note calore viene immagazzinato in un mezzo di accumulo di calore che è selezionato così da subire una trasformazione di fase da solido a liquido, così accumulando energia termica in forma di calore latente di liquefazione.

L'aria raffreddata viene infine alimentata attraverso un refrigeratore di sicurezza 115 e immagazzinata in un dispositivo di immagazzinamento di aria, ad esempio una caverna 117. Nello schema di Fig.1 sono indicati valori esemplificativi di pressione e temperatura del flusso di aria. Questi valori sono dati a scopo di esempio soltanto. L'aria che esce dal primo compressore 103 può avere una pressione di 7bar ed una temperatura di 250°C e viene raffreddata a 180°C nell'inter-refrigeratore 111 prima di entrare nel secondo compressore 105. La pressione dell'aria viene aumentata a 28bar dal secondo compressore 105 e raggiunge la temperatura di 450°C prima di essere elaborata dall'ultimo compressore 107 del treno di compressori 101, al cui lato di mandata l'aria può raggiungere una pressione di 65bar ed una temperatura di 650°C. Dopo il raffreddamento nell'unità di immagazzinamento di energia termica l'aria può avere una temperatura di 70°C e sostanzialmente la stessa pressione come al lato di ingresso dell'unità di immagazzinamento di energia termica, se la caduta di pressione attraverso detta unità di immagazzinamento di energia termica è trascurabile.

Il treno di compressori 101 può essere azionato da una macchina elettrica reversibile 119, che è collegabile selettivamente con la linea d'albero 109 attraverso un primo innesto 121. La macchina elettrica reversibile 119 funziona in un modo motore quando è disponibile potenza in eccesso dalla rete di distribuzione della potenza elettrica G. Ad esempio la macchina elettrica reversibile 119 può funzionare nel modo motore durante la notte, cosicché potenza elettrica dalla rete G viene convertita in potenza termica accumulata nell'unità di accumulo di energia termica e in energia di pressione accumulata in forma di aria compressa nel dispositivo di accumulo di aria compressa 117. Quando non vi è potenza disponibile dalla rete di distribuzione di potenza elettrica G, il primo innesto 121 può essere disimpegnato e la macchina elettrica reversibile può rimanere ferma. Se è richiesta potenza addizionale dalla rete di distribuzione di potenza elettrica G, la macchina elettrica reversibile 119 può essere commutata nel modo generatore e collegata, attraverso un secondo innesto 123, ad un espantore 125. Aria compressa dal dispositivo di accumulo di aria compressa 117 può quindi essere alimentata attraverso l'unità di accumulo di energia termica verso l'espantore 125. L'aria compressa dal dispositivo di accumulo di aria compressa 117 viene riscaldata ad esempio fino a 650°C nell'unità di accumulo di energia termica tramite scambio termico con il mezzo di accumulo di calore dell'unità di accumulo di energia termica 113. Aria compressa riscaldata viene espansa nell'espantore 125, che converte almeno parte della potenza disponibile nel flusso di aria compressa e riscaldata in potenza meccanica utile, che aziona la macchina elettrica reversibile 119, producendo così potenza elettrica che è infine iniettata nella rete di distribuzione di potenza elettrica G.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

L'efficienza di un sistema di accumulo di energia di aria compressa viene migliorata suddividendo la fase di compressione in una prima fase di compressione ed in una seconda fase di compressione. Quando il sistema CAES o ACAES viene fatto funzionare nel modo di compressione dell'aria, calore viene rimosso dall'aria parzialmente compressa dopo la prima fase di compressione e prima della seconda fase di compressione. Calore rimosso dall'aria parzialmente compressa viene accumulato in una unità di accumulo di energia termica, da cui energia termica viene recuperata quando il sistema CAES o ACAES viene fatto funzionare nella modalità di produzione di energia, ovvero di potenza.

L'inter-refrigerazione del flusso di aria fra due compressori esposti in sequenza può essere omessa e sostituita da una fase di rimozione ed accumulo di calore, cosicché più energia termica è disponibile per il successivo riutilizzo nel modo di produzione di energia del sistema CAES o ACAES.

Potenza richiesta per azionare il o i compressori disposti a valle dell'unità di accumulo di energia termica viene ridotta grazie all'aumentata densità dell'aria di ingresso. Il calore rimosso dall'aria parzialmente compressa viene accumulato nell'unità di accumulo di energia termica e sfruttato in modo utile quando il sistema è usato nella modalità di produzione di energia. La riduzione di temperatura dovuta alla rimozione di calore attraverso l'unità di accumulo di energia termica riduce anche la temperatura di picco nell'ultima disposizione di compressori.

In alcune configurazioni la potenza ridotta dell'aria che fluisce attraverso l'unità di accumulo di energia termica, a causa del fatto che detta unità è disposta a monte dell'ultimo stadio di compressione, può ridurre i costi dell'unità di accumulo di energia termica. Ad esempio, se viene previsto un sistema di regolazione della pressione quale una valvola di strozzamento fra il dispositivo di accumulo di aria compressa e l'ingresso dell'unità di accumulo di energia termica sul lato freddo, attraverso cui l'aria fluisce quando il sistema funziona nella modalità di produzione di potenza, la pressione dell'aria nell'unità di accumulo dell'energia termica sarà inferiore che nei sistemi secondo l'arte anteriore, sia nel modo di compressione dell'aria sia anche durante il modo di produzione di potenza. Ciò riduce i costi di produzione dell'unità di accumulo di energia termica.

In alcune forme di realizzazione può ancora essere previsto un interrefrigeratore, ad esempio fra compressori disposti sequenzialmente di una prima disposizione di compressori, in combinazione con l'unità di accumulo di energia termica disposta fra la prima disposizione di compressori ed una seconda disposizione di compressori.

Secondo alcune forme di realizzazione, quindi, l'oggetto qui descritto riguarda specificamente un sistema di accumulo di energia ad aria compressa comprendente: una prima disposizione di compressori per comprimere un flusso di aria; una unità di accumulo di energia termica, attraverso la quale aria compressa dalla prima disposizione di compressori scambia calore con un mezzo di accumulo di calore; un dispositivo di accumulo di aria compressa disposto e configurato per ricevere ed accumulare aria compressa dall'unità di accumulo dell'energia termica; almeno un espantore per produrre potenza utile dall'aria compressa riscaldata. Il sistema comprende inoltre un ulteriore disposizione di compressori disposta fra l'unità di accumulo di energia termica ed il dispositivo di accumulo di aria compressa. Il mezzo di accumulo di calore può essere qualunque dispositivo, sostanza, disposizione o simile, che è capace di accumulare e stoccare energia termica rimossa dal flusso di aria parzialmente compressa e fornire l'energia termica accumulata ad un flusso freddo di aria o simile.

L'espantore può comprendere un espantore di aria, in cui aria compressa e riscaldata viene espansa per produrre potenza meccanica. Un espantore può anche comprendere una turbina a gas, in cui gas di combustione vengono generati dalla combustione di aria compressa e riscaldata miscelata con combustibile. In generale, se non diversamente specificato, nel contesto della presente descrizione e delle allegate rivendicazioni, il termine espantore deve essere interpretato come una macchina atta a convertire almeno parte dell’energia termica e di pressione di un flusso di fluido comprimibile in energia meccanica utile tramite espansione di detto flusso.

In alcune forme di realizzazione, aria compressa riscaldata alimentata dall'unità di accumulo di energia termica durante la modalità di produzione di potenza del sistema CAES o ACAES può essere interamente espansa in almeno uno o più espantori, che convertono l'energia di pressione e termica del flusso di aria in energia meccanica utile senza l'uso di combustibile. L'energia meccanica utile può a sua volta essere convertita in energia elettrica da un generatore elettrico od una macchina elettrica reversibile. In questo caso il sistema CAES è un cosiddetto sistema CAES adiabatico o adiabatico avanzato (sistema ACAES o AACAES).

In altre forme di realizzazione combustibile può essere aggiunto al flusso di aria riscaldata e compressa, e la miscela combustibile e aria può essere incendiata per generare gas di combustione caldi e pressurizzati, che possono essere espansi in una o più turbine, per produrre potenza meccanica utile. Può essere prevista anche una combinazione di uno o più espantori di aria e una o più turbine a gas. Aria pressurizzata riscaldata può essere parzialmente espansa in uno o più espantori di aria e l'aria parzialmente espansa ancora calda può poi essere miscelata con un combustibile e incendiata per generare gas di combustione caldi e pressurizzati, che vengono espansi in una o più turbine a gas.

In entrambe le situazioni possono essere ottenuti vantaggi in termini di efficienza complessiva del sistema tramite la disposizione qui descritta.

Possono essere previste disposizioni di controllo e/o regolazione della pressione dell'aria, per regolare la pressione dell'aria all'ingresso dell'espantore. Ad esempio può essere usata una valvola di strozzamento, che controlla e mantiene la pressione dell'aria che esce dal dispositivo di accumulo di aria compressa entro un intervallo di pressioni, evitando eccessive fluttuazioni della pressione di mandata dell'aria, dovute a variazione di pressione nel dispositivo di accumulo dell'aria compressa.

Una disposizione aggiuntiva di rimozione di calore può essere disposta fra l'ulteriore disposizione di compressori ed il dispositivo di accumulo di aria compressa. La temperatura dell'aria viene ridotta e la densità dell'aria viene aumentata prima di accumulare l'aria compressa nel dispositivo di accumulo di aria compressa. In alcune forme di realizzazione l'addizionale disposizione di rimozione di calore può comprendere un refrigeratore di sicurezza. In alcune forme di realizzazione l'addizionale disposizione di rimozione del calore può essere configurata per un ulteriore accumulo di energia termica, cosicché il calore rimosso dall'aria compressa prima dell'accumulo nel dispositivo di accumulo di aria compressa può essere successivamente sfruttato in modo utile nella modalità di produzione di potenza del sistema. Aria compressa fredda può essere pre-riscaldata prima di fluire attraverso l'unità di accumulo di energia termica principale disposta a monte dell'ulteriore disposizione di compressori.

Secondo alcune forme di realizzazione, la prima disposizione di compressori comprende una pluralità di compressori disposti sequenzialmente, senza interefrigeratore disposto fra di essi. La seconda disposizione di compressori può comprendere uno o più compressori disposti sequenzialmente. Uno scambiatore di calore di sicurezza può essere disposto fra l'ultimo compressore e il dispositivo di accumulo di aria compressa.

In alcune forme di realizzazione può essere prevista una prima macchina elettrica per azionare la prima disposizione di compressori ed una seconda macchina elettrica può essere prevista per azionare l’ulteriore disposizione di compressori. Un dispositivo di manipolazione della velocità può essere previsto per una o per entrambe dette macchine elettriche.

In alcune forme di realizzazione, ad esempio, una scatola di ingranaggi può essere prevista fra la prima macchina elettrica e/o la seconda macchina elettrica, e almeno uno dei compressori della prima disposizione di compressori o dell'ulteriore disposizione di compressori.

In alcune forme di realizzazione un alimentatore a frequenza variabile può essere previsto per una o entrambe dette macchine elettriche, cosicché la velocità di rotazione di esse può essere modificata, ad esempio in funzione delle condizioni di funzionamento, quali la pressione di aspirazione di mandata.

In altre forme di realizzazione può essere usata una singola macchina elettrica per azionare in rotazione tutti i compressori del sistema. Opportune scatole di ingranaggi possono essere previste per modificare la velocità di rotazione dei compressori.

Almeno una delle macchine elettriche usate per azionare il o i compressori può essere una macchina elettrica reversibile, che può essere selettivamente collegata meccanicamente al od ai compressori o all'espantore. In altre forme di realizzazione macchine elettriche separate possono essere usate per azionare il o i compressori e per convertire energia meccanica generata dall'espantore, rispettivamente.

Secondo un ulteriore aspetto, la presente descrizione riguarda anche un metodo per il funzionamento di un sistema di accumulo di energia ad aria compressa comprendente le seguenti fasi:

comprimere parzialmente un flusso di aria ad una prima pressione; rimuovere calore dall'aria parzialmente compressa e accumulare energia termica; comprimere ulteriormente l'aria parzialmente compressa e raffreddata ad una seconda pressione;

accumulare l'aria ulteriormente compressa in un dispositivo di accumulo di aria compressa.

Il metodo può comprendere inoltre le fasi di: riscaldare l'aria compressa e raffreddata attraverso energia termica accumulata; ed espandere aria compressa riscaldata in almeno un espantore e produrre energia utile con essa.

Caratteristiche forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinché i contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dell’invenzione che verranno descritte più avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciò, prima di illustrare diverse forme di realizzazione dell’invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dell’invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.

Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione può essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. E’ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dall’ambito della presente invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui:

Fig.1 schematicamente illustra un sistema AACAES o ACAES secondo l'arte corrente; la

Fig.2 illustra schematicamente un sistema ACAES secondo la presente descrizione; le

Figg.3, 4 e 5 illustrano schematicamente tre forme di realizzazione esemplificative dei treni di compressori usati in sistemi ACAES secondo la presente descrizione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME DI REALIZZAZIONE DELL'INVENZIONE

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano elementi uguali o simili. Inoltre, i disegni non sono necessariamente in scala. Ancora, la descrizione dettagliata che segue non limita l’invenzione. Piuttosto, l’ambito dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni accluse.

Il riferimento in tutta la descrizione a “una forma di realizzazione” o “la forma di realizzazione” o “alcune forme di realizzazione” significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione è compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione” o “nella forma di realizzazione” o “in alcune forme di realizzazione” in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.

Nella descrizione che segue forme di realizzazione dell'oggetto qui descritto saranno illustrate in relazione a sistemi ACAES o AACAES. Si deve peraltro comprendere che vantaggi forniti dall'oggetto qui descritto possono essere ottenuti anche usandolo in un sistema CAES, nel quale aria compressa viene parzialmente espansa e successivamente miscelata con combustibile per produrre gas di combustione compressi, che vengono espansi in una turbina a gas per produrre ulteriore potenza utile.

Con riferimento alla Fig.2, una forma di realizzazione esemplificativa di un sistema ACAES secondo la presente descrizione è rappresentato schematicamente e indicato complessivamente con 1. Il sistema ACAES 1 può comprendere un compressore o treno di compressori 3, che comprime aria ambiente usando potenza elettrica in eccesso disponibile da una rete di distribuzione di potenza elettrica G.

In alcune forme di realizzazione il treno di compressori 3 comprende una pluralità di compressori disposti in sequenza 5, 7 e 9. In altre forme di realizzazione, non mostrate, può essere previsto un singolo compressore. In ancora ulteriori forme di realizzazione, come verrà descritto più avanti, possono essere previsti più di un treno di compressori 3 in parallelo, per elaborare una maggiore portata di aria.

I compressori 5, 7 e 9 possono essere collegati ad una singola linea d'albero 11.

Aria ambiente viene aspirata dal primo compressore 5, elaborata e compressa fino ad un primo valore di pressione e quindi mandata al secondo compressore 7 senza inter-refrigerazione. Il secondo compressore 7 elabora il flusso d'aria fino ad un secondo valore di pressione e alimenta il flusso di aria compressa all'ingresso del terzo compressore 9 senza inter-refrigerazione intermedia. Può essere previsto nel treno un differente numero di compressori, ad esempio due o più di tre compressori o stadi di compressore. In ogni modo, preferibilmente non viene previsto alcun interrefrigeratore fra compressori sequenzialmente disposti nel treno di compressori 3.

Valori esemplificativi di pressione e temperatura al lato di ingresso e di mandata di ciascun compressore 5, 7 e 9 sono indicati in Fig.2. Questi valori devono essere intesi come meramente esemplificativi e non limitano l'ambito della presente descrizione.

Aria in ingresso può avere una temperatura di 15°C ed una pressione di 1bar (assoluto) ed in alcune forme di realizzazione uscirà dal primo compressore 5 a 250°C ed una pressione ad esempio di circa 7 bar. Le condizioni di ingresso dell'aria sul lato di aspirazione del secondo compressore 7 sono sostanzialmente le stesse del lato di mandata del primo compressore 5. Aria che esce dal secondo compressore 7 può avere una pressione attorno a 26-27 bar, ad esempio 26,8 bar, e una temperatura attorno a 500-550°C, ad esempio 534°C. Nell'ultimo compressore 9 la pressione dell'aria è aumentata fino ad attorno 40-45 bar, ad esempio attorno a 42,5 bar ed il flusso di aria avrà una temperatura attorno a 600-680°C, ad esempio attorno a circa 650°C.

Il sistema ACAES 1 comprende inoltre una unità di accumulo di energia termica 13 attraverso la quale fluisce il flusso di aria compressa alimentato dal treno di compressori 3. L'unità di accumulo di energia termica 13 può contenere un mezzo di accumulo di calore, ad esempio un mezzo di accumulo di calore solido o liquido, o un mezzo di accumulo di calore che subisce una trasformazione di fase, ad esempio da solido a liquido, così accumulando calore latente di liquefazione.

L'aria è alimentata al lato di uscita dell'unità di accumulo di energia termica 13 sostanzialmente alla stessa pressione raggiunta al lato di mandata dell'ultimo compressore 9 od una pressione leggermente più bassa, a causa della perdita di pressione attraverso l'unità di accumulo di energia termica 13. A causa del calore rimosso dal flusso di aria compressa, la temperatura dell'aria alimentata dall'unità di accumulo di energia termica 13 è sostanzialmente inferiore rispetto alla temperatura sul lato di mandata del compressore 9. In via meramente esemplificativa il flusso di aria che esce dall'unità di accumulo di energia termica 13 può avere una temperatura attorno a 70-90°C, ad esempio circa 80°C ed una pressione attorno a 40-45 bar, ad esempio cieca 42 bar.

A valle dell'unità di accumulo di energia termica 13 è prevista una ulteriore disposizione di compressori 15. Nella rappresentazione schematica della Fig.2 l’ulteriore disposizione di compressori 15 è azionata da un motore elettrico separato 16. Aria che esce dall'unità di accumulo di energia termica 13 viene aspirata dall'ulteriore disposizione di compressori 15 e alimentata ad un dispositivo di accumulo di aria compressa, quale una caverna o simile, schematicamente mostrata in 17.

In alcune forme di realizzazione un refrigeratore di sicurezza 19 può essere disposto tra il lato di mandata dell'ulteriore disposizione di compressori 15 e il dispositivo di accumulo di aria compressa 17.

Valori esemplificativi di pressione e temperatura del flusso di aria alimentato dall'ulteriore disposizione di compressori 15 sono indicati in Fig.2. In alcune forme di realizzazione può essere raggiunta una pressione attorno a 60-70 bar, ad esempio circa 65 bar, mentre la temperatura dell'aria può essere aumentata intorno a 110-130°C, ad esempio circa 120°C sul lato di mandata dell'ulteriore disposizione di compressori 15. Dopo il raffreddamento nel refrigeratore di sicurezza 19 il flusso di aria avrà una temperatura attorno a 40-60°C, ad esempio circa 50°C.

In alcune forme di realizzazione può essere usata una ulteriore unità di accumulo di energia termica in combinazione o in sostituzione del refrigeratore di sicurezza 19. Energia termica addizionale rimossa dal flusso di aria prima dell'accumulo nel dispositivo di accumulo di aria compressa 17 potrebbe così venire accumulata per impiego durante la modalità di produzione di potenza.

Il sistema ACAES 1 della Fig.2 comprende inoltre almeno un espantore 21, in cui aria compressa riscaldata può espandersi per produrre potenza meccanica utile durante il giorno. L'espantore 21 può essere posto in comunicazione di flusso attraverso condotti di aria compressa 18 e 31 con il dispositivo di accumulo di aria compressa 17.

In Fig.2 la pressione dell'aria all'ingresso dell'espantore è circa la stessa della pressione dell'aria sul lato di mandata sul lato caldo dell'unità di accumulo di energia termica 13, cioè attorno a 65 bar in entrambi i casi. Si deve tuttavia comprendere che in alcune configurazioni la pressione dell'aria sul lato di uscita del dispositivo di accumulo dell'aria compressa 17 è inferiore rispetto alla pressione di mandata di aria sul lato di mandata della ulteriore disposizione di compressori 15. Ad esempio la pressione dell'aria all'uscita del dispositivo di accumulo di aria compressa 17 nella modalità di produzione di potenza può essere attorno a 55 bar all'inizio dello scarico e può ridursi a valori ancora inferiori a seguito dello svuotamento del dispositivo di accumulo di aria compressa 17.

In alcune forme di realizzazione una disposizione di controllo della pressione dell'aria, quale una valvola di strozzamento o un pre-espantore può essere disposta lungo il condotto di aria compressa 18 a monte dell'unità di accumulo dell'energia termica. La disposizione di controllo della pressione dell'aria può essere configurata per controllare e regolare la pressione dell'aria all'ingresso dell'espantore 21. Disponendo la disposizione di controllo della pressione dell'aria a monte dell'unità di ac cumulo dell'energia termica 13 viene ridotta la pressione di funzionamento di detta unità, ciò rendendo la progettazione dell'unità di accumulo dell'energia termica meno critica e meno costosa.

In alcune forme di realizzazione una singola macchina elettrica reversibile 23 può essere impegnata selettivamente alla linea d'albero 11 del treno di compressori 3 e ad un albero 25 dell'espantore 21. Un primo innesto 27 può essere previsto per collegare la macchina elettrica reversibile 23 alla linea d'albero 11. Un secondo innesto 29 può essere previsto per collegare meccanicamente l'espantore 21 alla macchina elettrica reversibile 23.

Il sistema ACAES 1 descritto sin qui opera come segue.

Se potenza elettrica in eccesso è disponibile dalla rete di distribuzione della potenza elettrica G, la macchina elettrica reversibile 23 viene commutata nella modalità motore e viene fatta funzionare per azionare il treno di compressori 3 impegnando il primo innesto 27. Potenza elettrica dalla rete G viene usata anche per azionare il motore 16. Pertanto aria ambiente viene sequenzialmente compressa dal primo, secondo e terzo compressore 5, 7, 9 del treno di compressori 3 e alimentata attraverso l'unità di accumulo di energia termica 13, dove calore viene rimosso dal flusso di aria compressa. Aria raffreddata che esce dall'unità di accumulo di energia termica 13 viene ulteriormente compressa nell'ulteriore disposizione di compressori 15 raffreddata nel refrigeratore di sicurezza 19 e accumulata ad elevata pressione nel dispositivo di accumulo di aria compressa 17.

Quando è stata raggiunta la massima pressione nel dispositivo di accumulo di aria compressa 17 e/o se non è più disponibile potenza dalla rete di distribuzione di potenza elettrica G, la macchina elettrica reversibile 23 ed il motore elettrico 16 vengono fermati e il primo innesto 27 viene disimpegnato.

Se viene richiesta potenza supplementare dalla rete di distribuzione elettrica G, energia di pressione disponibile nel dispositivo di accumulo di aria compressa 17 ed energia termica disponibile nell'unità di accumulo di energia termica 13 possono essere usate per produrre energia elettrica. La macchina elettrica reversibile 23 può essere commutata nella modalità generatore e l'innesto 29 può essere impegnato. Aria compressa dal dispositivo di accumulo di aria compressa 17 fluisce attraverso l'unità di accumulo di energia termica 13, viene scaldata sfruttando l'energia termica accumulata nell'unità di accumulo di energia termica 13 e viene infine alimentata all'espantore 21. Una linea di alimentazione di aria compressa 18 può essere prevista per alimentare aria compressa dal dispositivo di accumulo di aria compressa 17 all'unità di accumulo di energia termica 13.

L'espantore 21 converte potenza dal flusso di aria compressa e riscaldata in potenza meccanica disponibile sull'albero 25 che, attraverso l'innesto 29, aziona la macchina elettrica reversibile 23, che funziona nella modalità generatore, cosicché potenza meccanica, viene infine convertita in potenza elettrica e iniettata nella rete di distribuzione di potenza elettrica G.

In altre forme di realizzazione, non mostrate, due macchine elettriche differenti possono essere previste per azionare il treno di compressori 3 e per convertire potenza meccanica dall'espantore 21 in potenza elettrica utile, rispettivamente. In questo caso gli innesti 27 e 29 possono essere omessi. Una prima macchina elettrica continuativamente funzionante nella modalità motore può essere stabilmente collegata alla linea di albero 11, e una seconda macchina elettrica, continuativamente operante nella modalità generatore, può essere stabilmente collegata all'albero 25 dell'espantore 21.

Come notato sopra, combustibile può essere aggiunto al flusso di aria compressa e la miscela aria-combustibile può essere incendiata per generare gas di combustione compressi caldi, che possono essere espansi nell'espantore.

In alcune forme di realizzazione, non mostrate, aria calda pressurizzata può essere espansa in un espantore ad un valore di pressione intermedio e successivamente combustibile può essere aggiunto al flusso di aria parzialmente espansa. La miscela aria-combustibile viene incendiata ed i gas di combustione così generati possono essere ulteriormente espansi in una turbina a gas. Uno o più generatori elettrici possono essere meccanicamente azionati dall'espantore e dalla turbina a gas, per convertire la potenza meccanica generata da essi in potenza elettrica.

Come sopra menzionato, una ulteriore unità di accumulo di energia termica può essere disposta fra il lato di mandata dell'ulteriore disposizione di compressori 15 e il dispositivo di accumulo di aria compressa 17, in aggiunta al refrigeratore di sicurezza 19 o in sostituzione di esso. In questo caso energia termica accumulata durante la modalità di compressione dell'aria può essere usata per preriscaldare l'aria prima di fluire attraverso l’unità di accumulo di energia termica 13. Si può così raggiungere una temperatura dell'aria superiore all'ingresso dell'espantore 21.

La Fig.3 illustra schematicamente più dettagli circa una possibile forma di realizzazione della disposizione di compressori del sistema ACAES 1 della Fig.2. Gli stessi numeri di riferimento indicano gli stessi componenti illustrati in Fig.2.

Nella forma di realizzazione illustrata in Fig.3, un dispositivo di manipolazione della velocità, ad esempio una scatola di ingranaggi 35, è previsto fra la macchina elettrica reversibile 23 e la linea d'albero 11. La scatola di ingranaggi 35 fornisce il corretto rapporto di trasmissione fra macchina elettrica 23 e linea d'albero 11.

In alcune forme di realizzazione, come mostrato esemplificativamente in Fig.3, il motore elettrico 16 che aziona l'ulteriore disposizione di compressori 15 può essere provvisto di un alimentatore a frequenza variabile 37, che può modificare la frequenza della corrente alternata dalla rete di distribuzione della potenza elettrica G, cosicché la velocità di rotazione del motore elettrico 16 e quindi la velocità di rotazione dell'ulteriore disposizione di compressori 15 può essere regolata entro un intervallo relativamente ampio secondo le condizioni operative del sistema.

In altre forme di realizzazione, non mostrate, anche la macchina elettrica reversibile 23 può essere alimentata da un alimentatore a frequenza variabile. In alcune forme di realizzazione la scatola di. ingranaggi od altro dispositivo di manipolazione della velocità 35 può essere omesso.

Nelle forme di realizzazione esemplificative delle Figg.2 e 3 l'ulteriore disposizione di compressori 15 è azionata da un motore elettrico separato 16, differente dalla macchina elettrica reversibile 23 che aziona il treno di compressori 3. Questo, tuttavia, non è obbligatorio e non deve considerarsi come una caratteristica limitativa della presente invenzione.

A titolo di esempio, in Fig.4 è mostrata una ulteriore forma di realizzazione, in cui una singola macchina elettrica è usata per azionare l'intera serie di compressori, cioè i compressori 5, 7 e 9 formanti il treno di compressori 3 nonché l'ulteriore disposizione di compressori 15. Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.4 a tale scopo è prevista una macchina elettrica reversibile 23 e il motore elettrico 16 può essere omesso. Una disposizione a doppio innesto comprendente il primo innesto 27 ed il secondo innesto 29 può essere prevista per collegare selettivamente la macchina elettrica reversibile 23 alle disposizioni di compressori 3, 15 e all'espantore 21, rispettivamente.

In altre forme di realizzazione, come sopra menzionato, la macchina elettrica 23 può essere fatta funzionare soltanto in modalità motore e può essere usata per azionare i compressori, mentre un generatore elettrico separato è collegato all'espantore 21 per convertire la potenza meccanica generata dall'espantore 21 in potenza elettrica. In quel caso l'innesto 29 verrebbe omesso. Anche l'innesto 27 potrebbe essere omesso ed il motore 23 potrebbe essere permanentemente collegato alla linea d'albero dei compressori.

Riferendosi ancora alla Fig.4, in alcune forme di realizzazione una prima scatola di ingranaggi, od altro dispositivo manipolatore della velocità 35, può essere previsto fra la macchina elettrica 23 ed il treno di compressori 3. In alcune forme di realizzazione una ulteriore scatola di ingranaggi od altro dispositivo manipolatore di velocità 36 può essere previsto fra il treno di compressori 3 e l'ulteriore disposizione di compressori 15. In questo modo il treno di compressori 3 può ruotare ad una velocità di rotazione differente dalla velocità di rotazione dell'ulteriore disposizione di compressori 15.

In altre forme di realizzazione, non mostrate, il motore 23 o la macchina elettrica reversibile 23 possono essere alimentati da un alimentatore a frequenza variabile come l'alimentatore a frequenza variabile 37 mostrato in Fig.3. Questo consentirebbe di modificare la velocità di rotazione della macchina elettrica reversibile o del motore 23 secondo le esigenze entro un intervallo piuttosto ampio. Una o entrambe le scatole di ingranaggi 35, 36 potrebbero essere omesse. In alcune forme di realizzazione la macchina elettrica reversibile 23 può essere azionata da un alimentatore a frequenza variabile 37 ad una velocità corrispondente alla velocità di rotazione del treno di compressori 3, mentre viene mantenuta la scatola di ingranaggi 36 cosicché l'ulteriore disposizione di compressori 15 può essere azionata ad una velocità di rotazione differente dalla velocità di rotazione della macchina elettrica 23 e del treno di compressori 3.

La Fig.5 illustra una ulteriore forma di realizzazione delle disposizioni di compressori che possono essere usate nel sistema ACAES 1 della Fig.2.

In questa forma di realizzazione sono previsti tre differenti treni di compressori 3A, 3B e 3C. Ciascun treno di compressori 3A, 3B e 3C può comprendere una pluralità di compressori, ad esempio tre compressori. In Fig.5 il treno di compressori 3A comprende compressori 5A, 7A e 9A; il treno di compressori 3B comprende compressori 5B, 7B e 9B; il treno di compressori 3C comprende compressori 5C, 7C e 9C. I tre treni di compressori possono essere disposti in parallelo, cioè i lati di mandata dei compressori più a valle 9A, 9B, 9C possono essere collegati l'uno all'altro per alimentare un singolo flusso di aria compressa attraverso una unità di accumulo di aria compressa 13.

Ciascun treno di compressori 3A, 3B e 3C può comprendere un motore elettrico od una macchina elettrica reversibile 23A, 23B e 23C rispettivamente. Un innesto 27A, 27B e 27C può essere previsto per collegare ciascun motore elettrico o macchina elettrica reversibile 23A-23C alla rispettiva linea d'albero 11A, 11B, 11C del rispettivo treno di compressori 3A-3C.

In alcune forme di realizzazione, rispettive scatole di ingranaggi od altri dispositivi di manipolazione della velocità 35A, 35B, 35C possono essere previsti fra ciascun motore elettrico o macchina elettrica reversibile 23A-23C e la rispettiva linea d'albero 11A-11C di ciascun treno di compressori 3A-3C.

Una, due o tutte le macchine elettriche reversibili 23A-23C possono essere collegate selettivamente attraverso rispettivi secondo innesti 29A-29C a rispettivi espantori (non mostrati) simili all’espantore 21.

In altre forme di realizzazione, le macchine elettriche 23A-23C possono essere fatte funzionare soltanto in modalità motore, e uno o più generatori possono essere collegati ad uno o più espantori per scopi di conversione di potenza. In alcune forme di realizzazione un singolo espantore ed un singolo generatore possono essere previsti per elaborare l'aria calda compressa e produrre potenza meccanica utile da essa.

In ulteriori forme di realizzazione, non mostrate, le macchine elettriche 23A, 23B e 23C possono essere azionate da un alimentatore a frequenza variabile per regolare la loro velocità di rotazione secondo le condizioni di funzionamento.

Una singola ulteriore disposizione di compressori 15, che a sua volta può comprendere un singolo compressore od un treno di compressori, può essere combinata con i tre treni di compressori 3A-3C. In alcune forme di realizzazione, analogamente alla forma di realizzazione della Fig.3, un motore elettrico separato 16 può essere previsto per azionare l’ulteriore disposizione di compressori 15. In alcune forme di realizzazione, il motore elettrico 16 può essere azionato da un alimentatore a frequenza variabile come già descritto in relazione alla Fig.3.

Le nuove disposizioni qui descritte migliorano l'efficienza totale del sistema ACAES rispetto a sistemi simili dell'arte corrente. Più specificamente, come verrà mostrato dal seguente esempio, nelle stesse condizioni di portata e raggiungendo la stessa temperatura del mezzo di accumulo di energia termica e la stessa pressione dell'aria nel sistema di accumulo di aria compressa, il consumo totale di potenza in un sistema secondo la presente descrizione è inferiore rispetto al consumo di potenza di un sistema secondo l'arte corrente.

Esempio:

Il vantaggio in termini di efficienza complessiva del sistema può essere meglio apprezzato confrontando l'efficienza di un sistema ACAES secondo la Fig.1 (stato dell'arte) con l'efficienza di un sistema secondo la Fig.2 usando le stesse turbomacchine.

Un sistema ACAES come dalla Fig.1 utilizzante i seguenti compressori: compressori 103: compressore assiale a 6 stadi

compressore 105: MCL 805

compressore 107: BCL 605

con una portata di 101,5 kg/s richiede una potenza di 75,87 MW ad una compressione intermedia, cioè ad un punto intermedio fra l'inizio della compressione e il termine della compressione, detto punto corrispondendo al punto di progetto dei compressori utilizzati. Si deve notare che mentre il sistema ACAES funziona nella fase di compressione, le pressioni di mandata di ciascun compressore variano da un valore iniziale ad un valore finale, corrispondente ad una condizione in cui viene raggiunta la massima pressione nella caverna 17.

In un sistema secondo la Fig.2, usando i seguenti compressori: compressore 5: compressore assiale a 6 stadi

compressore 7: MCL 805

compressore 9: BCL 605

compressore 15: BCL 351

con una portata di 101,5 kg/s richiederà una potenza di 73,17 MW a metà compressione.

Pertanto il sistema secondo la presente descrizione ha un consumo che è di 2,7 MW inferiore rispetto al sistema dell'arte precedente. Inoltre l'inter-refrigeratore aria/aria 111 viene rimosso, così riducendo il costo del sistema ed il suo ingombro in pianta.

Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.

Claims

“MIGLIORAMENTI IN SISTEMI E METODI DI ACCUMULO DI ENERGIA AD ARIA COMPRESSA (CAES)” Rivendicazioni 1. Un sistema di accumulo di energia ad aria compressa comprendente: una prima disposizione di compressori per comprimere un flusso di aria; una unità di accumulo di energia termica, attraverso cui aria compressa dalla prima disposizione di compressori scambia calore con un mezzo di accumulo di calore; un dispositivo di accumulo di aria compressa disposto e configurato per ricevere e accumulare aria compressa dall'unità di accumulo di energia termica; almeno un espantore per ricevere aria compressa dal dispositivo di accumulo di aria compressa e produrre potenza utile da essa; in cui un ulteriore disposizione di compressori è posizionata tra detta unità di accumulo di energia termica e detto dispositivo di accumulo di aria compressa.
2. Il sistema della rivendicazione 1, in cui un condotto di alimentazione di aria compressa collega il dispositivo di accumulo di aria compressa a detto almeno un espantore, detto condotto di alimentazione di aria compressa essendo in rapporto di scambio termico con l'unità di accumulo di energia termica, cosicché aria compressa dal dispositivo di accumulo di aria compressa riceve calore dal mezzo di accumulo di calore prima di entrare nell'espantore.
3. Il sistema della rivendicazione 1, 2 o 3, in cui un refrigeratore di sicurezza è disposto fra l'ulteriore disposizione di compressori ed il dispositivo di accumulo di aria compressa.
4. Il sistema di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui una prima macchina elettrica è prevista per azionare detta prima disposizione di compressori ed una seconda macchina elettrica è prevista per azionare detta ulteriore disposizione di compressori.
5. Il sistema della rivendicazione 4, in cui detta prima macchina elettrica è una macchina elettrica reversibile disposta e configurata per funzionare da generatore durante una modalità di produzione di potenza elettrica; ed in cui una disposi zione di innesto è prevista per collegare meccanicamente la prima macchina elettrica selettivamente alla prima disposizione di compressori e a detto almeno un espantore.
6. Il sistema della rivendicazione 5, in cui un dispositivo di manipolazione della velocità è disposto fra la prima macchina elettrica e la prima disposizione di compressori.
7. Il sistema della rivendicazione 5 o 6, in cui la prima disposizione di compressori comprende una pluralità di compressori disposti sequenzialmente lungo una linea d'albero comune, azionata in rotazione da detta prima macchina elettrica.
8. Il sistema della rivendicazione 5, 6 o 7, comprendente inoltre un alimentatore a frequenza variabile che controlla detta seconda macchina elettrica ad una velocità variabile.
9. Il sistema di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima disposizione di compressori comprende una pluralità di treni di compressori, ciascun treno di compressori comprendendo almeno un compressore ed almeno una macchina elettrica che aziona in rotazione il od i rispettivi compressori; almeno una di dette macchine elettriche essendo una macchina elettrica reversibile e funzionando come generatore elettrico quando il sistema funziona in una modalità di produzione di potenza elettrica; ed in cui una ulteriore macchina elettrica aziona detto ulteriore disposizione di compressori in rotazione.
10. Il sistema della rivendicazione 9, in cui ciascun treno di compressori comprende almeno un dispositivo di manipolazione della velocità disposto fra la rispettiva macchina elettrica ed una linea d'albero che aziona in rotazione i compressori del rispettivo treno di compressori.
11. Il sistema di una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, in cui detta prima disposizione di compressori e detta ulteriore disposizione di compressori sono azionate in rotazione da una macchina elettrica singola.
12. Il sistema della rivendicazione 11, in cui un primo dispositivo di manipolazione della velocità è disposto fra la singola macchina elettrica e la prima disposizione di compressori.
13. Il sistema della rivendicazione 12, in cui un secondo dispositivo di manipolazione della velocità è disposto fra la singola macchina elettrica e l'ulteriore disposizione di compressori.
14. Il sistema della rivendicazione 11, 12 o 13, in cui la singola macchina elettrica è disposta ad una estremità di un albero comuna della prima disposizione di compressori, e l'ulteriore disposizione di compressori è disposta all'altra estremità di detto albero comune della prima disposizione di compressori.
15. Il sistema della rivendicazione 14, in cui un primo dispositivo manipolatore della velocità è disposto fra la macchina elettrica e detta una estremità dell'albero comune ed un secondo dispositivo manipolatore della velocità è disposto fra l'altra estremità dell'albero comune e l'ulteriore disposizione di compressori.
16. Il sistema di una qualsiasi delle rivendicazioni 11 a 15, in cui detta macchina elettrica singola è una macchina elettrica reversibile, configurata e disposta per funzionare selettivamente da motore elettrico e da generatore elettrico, ed in cui è prevista una disposizione di innesto per collegare detta singola macchina elettrica selettivamente alla prima disposizione di compressori o a detto almeno un espantore.
17. Un metodo per il funzionamento di un sistema di accumulo di energia ad aria compressa comprendente le seguenti fasi: comprimere un flusso di aria tramite una prima disposizione di compressori ad una prima pressione; far fluire aria compressa a detta prima pressione attraverso una unità di accumulo di energia termica per rimuovere calore dall'aria compressa e accumulare energia termica in detta unità di accumulo di energia termica; comprimere ulteriormente aria compressa e raffreddata dalla unità di accumulo di energia termica ad un secondo valore di pressione; accumulare l'aria ulteriormente compressa in un dispositivo di accumulo di aria compressa
18. Il metodo della rivendicazione 17, comprendente inoltre le fasi di alimentare aria compressa dal dispositivo di accumulo di aria compressa attraverso detta unità di accumulo di energia termica e riscaldare detta aria compressa per mezzo di energia termica da detta unità di accumulo di energia termica; ed espandere detta aria compressa e riscaldata in almeno un espantore e produrre potenza utile da essa.