WO2011104403A1 - Almacenamiento amortiguado de gases - Google Patents

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Fernando Ruiz Del Olmo
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Prextor Systems, S.L.
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Definitions

  • the present invention relates to a system that has been specially designed to store gases in an energy efficient manner.
  • gases are normally stored in pressure tanks or, when the volumes to be stored are very high, as in the case of natural gas regulation tanks or energy storage systems based on atmospheric air storage at pressure (the so-called CAES technology, Compressed Air Energy Storage), goes to its geological storage in natural caverns, abandoned mines or saline domes.
  • CAES technology Compressed Air Energy Storage
  • storage is carried out at a constant volume, increasing the pressure of the tank or cavern between two determined pressures. This supposes a significant loss of performance of the compressors and the turbines, and requires volumes of the tank or cavern much higher than those that would be necessary if the pressure remained constant.
  • Underwater gas tanks take advantage of the static pressure of seawater at a certain depth to avoid the need to build a reservoir of walls resistant to the air pressure inside. In addition, with them you can avoid the champagne effect easily by providing a separation surface between air and seawater, and you do not have to deal with the problem of particle dragging.
  • the cushioned gas storage system consists of placing one or more bags made of a flexible membrane inside the tank, which contain an auxiliary fluid that is in equilibrium of gas / liquid phases at the pressure and temperature at the interior. It is intended to store the gas.
  • the auxiliary fluid When the tank is empty of the gas to be stored, the auxiliary fluid is in the gas state, completely filling the inside of the tank.
  • the auxiliary fluid As the gas tank is filled, the auxiliary fluid is liquefied, remaining locked inside the corresponding bag or bags, but gradually decreasing its volume to make room for the gas entering the tank ( Figure 1).
  • the auxiliary fluid acts as a buffer, keeping the gas pressure to be stored constant during filling / emptying.
  • auxiliary fluid bag or bags must be provided with pressure relief valves, to ensure that they cannot explode or be damaged in case of depressurization of the tank for any unforeseen reason.
  • the tank can be either a pressure tank or, when it comes to high pressures and volumes, a natural cavern or abandoned mine.
  • a pressure tank or, when it comes to high pressures and volumes, a natural cavern or abandoned mine.
  • the necessary volume of the tank decreases very significantly, by operating at constant pressure, it is even possible to build artificial caverns, multiplying the places where there is a suitable geology for underground gas storage. It even opens up the possibility of taking advantage of the construction of buildings with deposits buried below their foundations, so that the foundation of the building acts as the upper closure of the deposit, withstanding the pressure thanks to its own weight.
  • the weight of a column of earth or rocks can be used, placing at its base a plate of steel sheet or other resistant material that acts as a closure.
  • a tank can be housed inside the cave containing the bag or bags.
  • the atmosphere outside the tank is maintained in this case at the operating pressure, so that the tank does not have to withstand high pressures, but guarantees that the inner membranes are not damaged when they expand.
  • this system also ensures that the gas is not contaminated with impurities in the cave.
  • Another way to prevent the gas from becoming contaminated with impurities in the cavern is to introduce the gas to be stored inside the bag or bags, and keep an atmosphere of the auxiliary fluid in equilibrium of gas / liquid phases outside.
  • CO2 is a gas especially suitable for this application, since at room temperature its vapor pressure is around 60 bar, which is an ideal pressure for the CAES technology and for many other industrial gas storage needs.
  • the use of CO2 as an auxiliary fluid in buffer gas storage systems has the additional advantage that said CO2 is contained permanent in the tank or storage cavern, so that its emission to the atmosphere is avoided.
  • the buffer gas storage system with CO2 can be used as an auxiliary fluid as a geological CO2 storage system, since only the volume of the cave must be adequately oversized , and allow a constant entry into the liquid CO2 membrane from any existing process for capturing power plants or any other industry. The result will be that over time there will be a permanent volume of liquid CO2 inside the membrane, which will grow as the CO2 is injected.
  • Figure 1. Shows, according to side elevation and sectional views, a sequence of explanatory images of the process of filling a pressure tank of a certain gas for storage, with the buffered storage system object of the invention.
  • Figure 2. Shows, according to side elevation and sectional views, a sequence of explanatory images of the process of emptying the gas stored in a pressure tank with the buffered storage system object of the invention.
  • Figure 3. Shows, according to a side elevation and sectional view, an energy storage system from the compression of the gaseous effluents of an industry, achievable thanks to the buffered gas storage, described below to preferred embodiment of the invention.
  • Buffered gas storage will undoubtedly improve the energy efficiency and volume requirements of gas storage tanks in many industrial processes, but it will also allow the development of new technologies related to different industrial processes.
  • a new energy storage technology will be described based on the advance that supposes the buffering of gases, as a preferred embodiment of the invention.
  • the system consists of storing energy based on the compression of industrial effluents and their buffered storage, using CO2 as an auxiliary fluid, and taking advantage of the system for geological storage.
  • An explanatory scheme of this new technology is presented in Figure 1, which can be described as hybridization technology for energy storage with the treatment of industrial gaseous effluents.
  • the gaseous effluents of an industry (2) are channeled through a conduit (3), instead of giving them out through the chimney (4). In this way the gaseous effluents are conducted to the compressor (5), which will compress them, usually in several stages with intermediate cooling, and from which they will condense gases such as SO2 (6) or NO2 (7), which will be conducted until storage or treatment.
  • the gases compressed in the last stage will be refrigerated at constant pressure in a heat exchanger (8), which will be designed in such a way that after passing through the same condense the CO2 (9) present in them, which will be taken inside of the membrane (10) of a damped storage system in a cavern (11) of the permanent gases (12) present in the industrial effluents (2), such as NO, CO and N2, which have remained in the gas state after The compression and cooling process.
  • a heat exchanger (8) which will be designed in such a way that after passing through the same condense the CO2 (9) present in them, which will be taken inside of the membrane (10) of a damped storage system in a cavern (11) of the permanent gases (12) present in the industrial effluents (2), such as NO, CO and N2, which have remained in the gas state after The compression and cooling process.
  • the CO2 (9) injected into the membrane (10) will be confined in its liquid state, assuming an increasing proportion of liquid CO2 during the filling and emptying of the cavern.
  • the inlet valve (13) is kept open to the cave, and the outlet valve (14) closed.
  • the permanent gases (12) are left confined inside the cavern (11) keeping the inlet (13) and outlet (14) valves closed.
  • the outlet valve (14) is opened, to proceed to the heating (15) and turbination (16) of the permanent gases (12) that had been confined inside the cavern ( 11), thereby producing electrical energy that is injected back into the power grid (1).

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Abstract

El almacenamiento amortiguado de gases es un sistema que permite almacenar cualquier tipo de gas en cualquier tipo de tanque a presión ó caverna de tal forma que la presión se mantiene constante tanto durante el llenado como durante el vaciado, consiguiéndose de este modo optimizar los rendimientos energéticos de los procesos de llenado y vaciado del tanque a presión ó caverna, e incrementándose de forma importante la energía almacenada por unidad de volumen.

Description

ALMACENAMIENTO AMORTIGUADO DE GASES
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema que ha sido especialmente concebido para almacenar gases de una forma eficiente desde el punto de vista energético.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Existen multitud de procesos industriales en los que resulta necesario almacenar algún tipo de gas. El problema principal que existe para almacenarlos estriba en el elevado volumen que ocupan a la presión atmosférica, o bien en la exigencia en cuanto a resistencia de los materiales que se requiere para su almacenamiento a presiones elevadas.
En la actualidad, los gases se almacenan normalmente en tanques a presión ó, cuando los volúmenes a almacenar son muy elevados, como en el caso de depósitos de regulación de gas natural ó de sistemas de almacenamiento de energía en base al almacenamiento de aire atmosférico a presión (la denominada tecnología CAES, Compressed Air Energy Storage), se acude a su almacenamiento geológico en cavernas naturales, minas abandonadas ó domos salinos. En cualquiera de estos casos, el almacenamiento se realiza a volumen constante, incrementando la presión del tanque ó caverna entre dos presiones determinadas. Esto supone una pérdida importante de rendimiento de los compresores y de las turbinas, y requiere unos volúmenes del tanque ó caverna muy superiores a los que resultarían necesarios si la presión se mantuviese constante.
Son tales los beneficios que reporta la operación a presión constante que se han realizado extensas investigaciones sobre el almacenamiento de energía en base a la inyección de aire a presión en acuíferos para conseguir mantener la presión constante.
Sin embargo, esta tecnología presenta grandes incertidumbres sobre la viabilidad de conseguir mantener sellados los acuíferos, las posibilidades de disolución del aire en el agua (el denominado "efecto champagne") ó el arrastre de partículas que pueden dañar a las turbinas, y queda además limitada a trabajar con bajas presiones, lo que obliga a trabajar con grandes volúmenes y caudales de aire. De hecho, se han utilizado acuíferos en algunas ocasiones para almacenar gas natural, aunque está considerado el método menos viable para su almacenamiento bajo tierra.
También se ha llegado incluso a pensar en llenar una caverna de agua, sometida a una determinada presión estática, para conseguir mantener la presión constante durante la carga / descarga. Se está investigando intensamente esta posibilidad, aunque vuelven a surgir los interrogantes sobre la viabilidad de conseguir mantener sellada la caverna, los problemas derivados del "efecto champagne", que se incrementa si se pretende trabajar a presiones elevadas, ó el arrastre de partículas que pueden dañar a las turbinas. Además de estos inconvenientes, existe otro aún más grave, y es la dificultad de encontrar geologías apropiadas que permitan utilizar una diferencia de nivel lo suficientemente alta como para dotar al agua almacenada en la caverna de la presión estática requerida para la operación de la planta. Es más, aún cuando se pueda disponer de la altura suficiente para la columna de agua, será necesario construir una conducción adicional para el desplazamiento del agua durante la carga / descarga, que resultará de un diámetro muy importante, y hará prácticamente inviable este sistema.
Existe una tecnología que resuelve todos estos problemas, operando a presión constante, y evitando los inconvenientes descritos anteriormente. Se trata almacenar los gases en depósitos submarinos, sometidos a la presión estática de una determinada columna de agua, y dotados de un contrapeso para impedir la ascensión del gas por flotación.
Los depósitos submarinos de gas aprovechan la presión estática del agua de mar a una determinada profundidad para evitar la necesidad de construir un depósito de paredes resistentes a la presión del aire de su interior. Además, con ellas se puede evitar el efecto champagne fácilmente disponiendo una superficie de separación entre el aire y el agua de mar, y no tienen que lidiar con el problema del arrastre de partículas.
Se trata de una tecnología de almacenamiento de gases ciertamente eficiente, y prueba de ello es que existen depósitos submarinos de gas natural y su desarrollo está creciendo de forma exponencial. Sin embargo, esta tecnología tiene una limitación importante, ya que obviamente las posibilidades de su utilización se reducen a zonas costeras para evitar la construcción de largas conducciones que impedirían su viabilidad, y además se requiere una batimetría adecuada de la zona en cuestión.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema de almacenamiento amortiguado de gases consiste en colocar en el interior del depósito una ó varias bolsas fabricadas con una membrana flexible, que en su interior contengan un fluido auxiliar que se encuentre en equilibrio de fases gas / líquido a la presión y temperatura a la que se pretende almacenar el gas.
Cuando el depósito se encuentra vacío del gas a almacenar, el fluido auxiliar se encuentra en estado gas, rellenando completamente el interior del depósito.
Conforme se va llenando el depósito de gas, el fluido auxiliar se va licuando, permaneciendo encerrado dentro de la bolsa ó bolsas correspondientes, pero disminuyendo gradualmente su volumen para dejar espacio al gas que entra al depósito (Figura 1).
De la misma forma, cuando el depósito se va vaciando de gas, el fluido auxiliar se va gasificando, permaneciendo encerrado dentro de la bolsa ó bolsas correspondientes, pero incrementando gradualmente su volumen y desplazando al gas que sale del depósito (Figura 2).
Es decir, que el fluido auxiliar actúa de amortiguador, manteniendo la presión del gas a almacenar constante durante el llenado / vaciado.
La bolsa ó bolsas de fluido auxiliar han de estar dotadas de unas válvulas de alivio de presión, para garantizar que no puedan explotar ó resultar dañadas en caso de despresurización del depósito por cualquier motivo imprevisto.
El depósito puede ser bien un tanque a presión o bien, cuando se trata dé presiones y volúmenes elevados, una caverna natural ó mina abandonada. En cualquier caso, como el volumen necesario del depósito disminuye de forma muy importante, por operar a presión constante, es posible incluso construir cavernas artificiales, multiplicando los lugares en los que se dispone de una geología adecuada para el almacenamiento subterráneo de gases. Se abre incluso la posibilidad de aprovechar la construcción de edificios con depósitos enterrados por debajo de sus cimientos, de tal forma que la cimentación del edificio actúe como cierre superior del depósito, aguantando la presión gracias a su propio peso. También, obviamente, se puede utilizar el peso de una columna de tierra ó rocas, colocando en su base una placa de chapa de acero u otro material resistente que actúe de cierre. Esto supone sin duda un gran avance para la generación distribuida de electricidad, ya que si se combina con un sistema de almacenamiento de energía adecuado, tal como la tecnología CAES con depósitos enterrados de aire a presión por debajo de los cimientos de los edificios, se puede llegar a un sistema autónomo de generación distribuida, lo que eliminaría la necesidad de las redes eléctricas de transporte y distribución, aumentando de forma considerable la eficiencia energética global del sistema eléctrico.
En todos los casos de almacenamiento subterráneo de gases, si se desea evitar que las membranas se dañen por rozamientos con la pared de la caverna al expandirse, se puede alojar un tanque en el interior de la caverna que contenga la bolsa ó bolsas. La atmósfera exterior al tanque se mantiene en este caso a la presión de operación, de tal modo que el tanque no tiene que soportar presiones elevadas, pero garantiza que no se dañen las membranas de su interior cuando se expanden. Además, este sistema también garantiza que el gas no se contamine con impurezas de la caverna.
Otra forma de evitar que el gas se contamine con impurezas de la caverna consiste en introducir el gas a almacenar dentro de la bolsa ó bolsas, y mantener en el exterior una atmósfera del fluido auxiliar en equilibrio de fases gas / líquido.
En cuanto a la selección del fluido auxiliar del interior de la membrana, el CO2 es un gas especialmente adecuado para esta aplicación, ya que a temperatura ambiente su presión de vapor se encuentra en torno a los 60 bar, que es una presión idónea para la tecnología CAES y para otras muchas de las necesidades industriales de almacenamiento de gases. Además, la utilización de CO2 como fluido auxiliar en sistemas de almacenamiento amortiguado de gases presenta la ventaja adicional de que dicho CO2 queda recluido de forma permanente en el tanque ó caverna de almacenamiento, de modo que se evita su emisión a la atmósfera. Es más, cuando se trata de cavernas de grandes dimensiones, se puede utilizar el sistema de almacenamiento amortiguado de gases con CO2 como fluido auxiliar como sistema de almacenamiento geológico de CO2, ya que tan sólo hay que sobredimensionar de forma adecuada el volumen de la caverna, y permitir una entrada constante al interior de la membrana de CO2 líquido procedente de cualquier proceso existente para su captura de centrales eléctricas ó de cualquier otra industria. El resultado será que con el tiempo irá existiendo un volumen permanente de CO2 líquido en el interior de la membrana, que irá creciendo conforme se va inyectando el CO2.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra, según vistas en alzado lateral y en sección, una secuencia de imágenes explicativas del proceso de llenado de un tanque a presión de un determinado gas para su almacenamiento, con el sistema de almacenamiento amortiguado objeto de la invención. La figura 2.- Muestra, según vistas en alzado lateral y en sección, una secuencia de imágenes explicativas del proceso de vaciado del gas almacenado en un tanque a presión con el sistema de almacenamiento amortiguado objeto de la invención.
La figura 3.- Muestra, según una vista en alzado lateral y en sección, un sistema de almacenamiento de energía a partir de la compresión de los efluentes gaseosos de una industria, realizable gracias al almacenamiento amortiguado de gases, que se describe a continuación a modo de realización preferente de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
El almacenamiento amortiguado de gases va a mejorar sin duda alguna los rendimientos energéticos y las necesidades de volumen de los tanques de almacenamiento de gases en multitud de procesos industriales, pero además va a permitir desarrollar nuevas tecnologías referentes a diferentes procesos industriales. A continuación se va a describir una nueva tecnología de almacenamiento de energía basada en el avance que supone el almacenamiento amortiguado de gases, a modo de realización preferente de la invención.
El sistema consiste en almacenar energía en base a la compresión de efluentes industriales y a su almacenamiento amortiguado, utilizando CO2 como fluido auxiliar, y aprovechando el sistema para su almacenamiento geológico. En la Figura 1 se presenta un esquema explicativo de esta nueva tecnología, que se puede calificar de tecnología de hibridación del almacenamiento de energía con el tratamiento de efluentes gaseosos industriales.
Cuando se quiere consumir energía de la red eléctrica (1) para ser almacenada, los efluentes gaseosos de una industria (2) son canalizados por una conducción (3), en lugar de darles salida por la chimenea (4). De este modo los efluentes gaseosos son conducidos hasta el compresor (5), que los comprimirá, normalmente en varias etapas con refrigeraciones intermedias, y de las que irán condensando gases como el SO2 (6) ó el NO2 (7), que serán conducidos hasta su almacenamiento ó tratamiento.
Los gases comprimidos en la última etapa serán refrigerados a presión constante en un intercambiador de calor (8), que se diseñará de tal forma que tras el paso por el mismo condense el CO2 (9) presente en los mismos, que será conducido al interior de la membrana (10) de un sistema de almacenamiento amortiguado en una caverna (11) de los gases permanentes (12) presentes en los efluentes industriales (2), tales como el NO, CO y N2, que han permanecido en estado gas tras el proceso de compresión y enfriamiento.
El CO2 (9) inyectado en la membrana (10) quedará confinado en estado líquido en la misma, suponiendo una proporción cada vez mayor de CO2 líquido durante los procesos de llenado y vaciado de la caverna. Durante el proceso de llenado se mantiene abierta la válvula (13) de entrada a la caverna, y cerrada la válvula (14) de salida.
Para almacenar la energía empleada en comprimirlos, los gases permanentes (12) se dejan confinados en el interior de la caverna (11) manteniendo cerradas las válvulas de entrada (13) y salida (14).
Cuando la red eléctrica (1) demanda energía, se abre la válvula de salida (14), para proceder al calentamiento (15) y turbinado (16) de los gases permanentes (12) que habían sido confinados en el interior de la caverna (11), produciendo de este modo energía eléctrica que se inyecta de nuevo a la red eléctrica (1).

Claims

R E I V I N D I C A C I O E S
I a.- El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, que consiste en almacenar el gas en un tanque a presión en cuyo interior contiene una ó varias bolsas fabricadas con una membrana flexible, que en su interior contienen un fluido auxiliar que se encuentra en equilibrio de fases gas / líquido a la presión y temperatura a la que se pretende almacenar el gas, de tal modo que conforme se va llenando / vaciando el depósito de gas, el fluido auxiliar se va licuando / gasificando, permaneciendo encerrado dentro de la bolsa ó bolsas correspondientes, pero disminuyendo / incrementando gradualmente su volumen para dejar espacio al gas que entra al depósito / permitir su salida, de tal modo que las operaciones de llenado / vaciado se realizan a presión constante, y estando la bolsa ó bolsas de fluido auxiliar dotadas de válvulas de alivio de presión
2 a .- El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicación 1 , caracterizado por utilizar una caverna natural, mina abandonada ó caverna ó pozo artificial en lugar del tanque a presión para el almacenamiento del gas.
3a.- El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicación 2, caracterizado por utilizar edificios ó una columna de tierra ó rocas como cierre superior, aguantando la presión gracias al peso del propio edificio ó columna de tierra ó rocas.
4a.- El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicación 2, caracterizado por alojar un tanque en el interior de la caverna que contenga la bolsa ó bolsas, manteniendo la atmósfera exterior al tanque a la presión de operación.
5a.- El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por cambiar los espacios del gas a almacenar y del fluido auxiliar, esto es, alojar el gas a almacenar dentro de la bolsa ó bolsas de membrana flexible, y el fluido auxiliar en el interior del tanque ó caverna.
6a.- El sistema de almacenamiento amortiguado de gases, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por utilizar CO2 como fluido auxiliar, ya que a temperatura ambiente su presión de vapor se encuentra en torno a los 60 bar, que es una presión idónea para la tecnología CAES y para otras muchas de las necesidades industriales de almacenamiento de gases, y de esta forma el CO2 queda recluido de forma permanente en el tanque ó caverna de almacenamiento, de modo que se evita su emisión a la atmósfera.
PCT/ES2011/000054 2010-02-25 2011-02-24 Almacenamiento amortiguado de gases WO2011104403A1 (es)

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