WO2015189452A1 - Procedimiento y sistema de almacenamiento de energía - Google Patents

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Pedro Acisclo RODRÍGUEZ AUMENTE
José Ignacio NOGUEIRA GORIBA
Mathieu Legrand
Rubén VENTAS GARZÓN
María del Carmen RODRÍGUEZ HIDALGO
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Universidad Carlos III de Madrid
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Universidad Carlos III de Madrid
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    • Y02E60/16Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention pertains to the field of electrical energy storage systems intended, for example, to balance distribution networks, service isolated networks or soften the intermittent production of electricity generators based on renewable sources.
  • a first object of the present invention is a novel energy storage system based on the phenomenon of the sorption / desorption of a vapor in a sorbent.
  • a second object of the present invention is the energy storage process carried out by the previous system.
  • Electrochemical batteries are capable of storing electricity for a certain period of time in chemical form.
  • conventional electrochemical batteries have a number of drawbacks that prevent their widespread use for many applications, since they are expensive, have an excessively short duration, and present various operational problems when the size of the installation is large, among others.
  • the present invention solves the above problems, allowing to store electrical energy using low environmental impact materials, with a power density similar to those of current Lithium-ion batteries and allowing to use much larger sizes.
  • the invention can increase its storage capacity by taking advantage of residual, solar or geothermal heat.
  • An additional advantage is that its duration turns out to be much greater than electrochemical accumulators.
  • a first aspect of the invention is directed to a system for the storage of energy that essentially comprises the following elements: a) A first thermally insulated tank that houses a sorbent with physical and / or chemical affinity for a vapor, called sorbate for being the substance that is sipped by the sorbent.
  • the sorbent may be in a solid state, in which case the phenomenon of adsorption would occur, or in a liquid state, in which case the phenomenon of absorption would occur.
  • solid sorbents are zeolite, a silica gel or activated carbon.
  • liquid sorbents are water or a salt which, when dissolved in the substance constituting the vapor (sorbate) reaches the liquid state from a certain mass fraction of sorbate.
  • some examples are ammonia, water, hydrogen, ammonia, alcohol, acetone or a hydrocarbon.
  • a second thermally insulated tank that also houses a sorbent with affinity for said vapor. Normally, the sorbent of the second deposit is the same as that of the first deposit, although this does not necessarily have to be the case.
  • a compressor device connected between the first tank and the second tank to compress the steam by passing it from the first tank to the second tank in a phase of energy accumulation.
  • An expander device connected between the first tank and the second tank to expand the steam allowing its return from the second tank to the first tank in a phase of energy de-accumulation.
  • the compressor device drives the steam from the first tank to the second tank.
  • the steam sorbate
  • the steam (sorbate) is desorbed from the sorbent in the first tank, absorbing heat, and is sipped in the sorbent in the second tank with heat release. Because of this, there is a cooling in the first tank and a heating in the second tank that contribute to further increase the pressure difference that is created as a result of the action of the compressor device.
  • the compressor consumes work, which can come from an electrical supply by coupling it to an electric motor, or it can be a compressor device directly moved by electricity.
  • the energy is thus accumulated in the system for an indeterminate period of time that constitutes the so-called storage stage.
  • a decumulation stage is carried out where the expander allows the expansion of steam in its return from the second high pressure tank to the first low pressure tank, recovering a large part of the energy consumed by the compressor during the accumulation stage.
  • the work generated by the expander device at this stage of decumulation can be converted into electrical energy by coupling it to an electric generator, or it can be an expander device that integrates the work extracted from steam into electrical energy.
  • the compressor device and the expander device can be implemented as separate elements connected in parallel between the two tanks.
  • the expander device would be canceled during the accumulation stage, while during the decumulation stage it would be the compressor device that would cancel out.
  • the compressor device and the expander device consist of a single reversible device capable of acting alternatively as a compressor and also as an expander by means of a change.
  • the system of the present invention further comprises a means of heat exchange between the first tank and the second tank that can be activated and deactivated at will.
  • This heat exchange acts as a moderator that tends to reduce the pressure and temperature difference between the first tank and the second tank.
  • This heat exchange can also serve to avoid unwanted crystallization of the absorbent substance, if it is solid in its pure state, for example, a salt.
  • the heat exchange medium can be implemented in different ways.
  • the first tank and / or the second tank comprise a means for stirring steam.
  • the stirring of the steam in the first and / or the second tank can serve to respectively stimulate desorption / sorption in each of them, as well as to control the rate of heat transfer between the first tank and the second tank through the medium.
  • Heat exchange described above. Note that, if the sorbent is liquid, the steam agitation medium would not only circulate the steam but also the sorbent itself, encouraging the transfer of mass and heat. One possibility of causing this agitation may be the bubbling of steam into the liquid.
  • the system of the invention preferably comprises a means of providing heat to the second tank during the energy accumulation stage, during the static storage stage, or during the energy decumulation stage.
  • the contribution of heat helps to increase the pressure in the second tank, thus increasing the capacity for energy accumulation and even compensates for heat losses to the environment.
  • This heat can come from heat from some other process, from solar collectors or from geothermal sources, thus allowing the system of the invention to take advantage of surplus or unused energy in the form of residual heat.
  • Another preferred embodiment of the system of the invention intended to improve the efficiency of the invention comprises means for reducing, canceling or reversing the increase in steam temperature that occurs during compression. That is, the temperature increase during compression can be reduced to the point of achieving isothermal compression, or even until the temperature drops during compression. As a result, it is possible to reduce the work required for compression, thus obtaining an improvement in efficiency.
  • the active fluid for the absorption / desorption of the deposits will be only the steam itself, while if the sorbent is liquid, the fluid from the tanks may be the dissolution of the vapor itself in the liquid sorbent
  • a different liquid could also be used that is compatible and that is housed in one of the two tanks with that specific purpose In any case, this fluid absorbs at least a part of the increase in thermal energy as a result of compression, reducing compression work.
  • a second aspect of the present invention is directed to an energy storage process carried out by the system described.
  • This storage procedure basically comprises the following stages:
  • a stage of energy accumulation where a steam is compressed by passing it from a first thermally insulated tank that houses a sorbent with affinity for said steam to a second thermally insulated tank that houses a sorbent with affinity for steam.
  • the method further comprises exchanging heat between the first tank and the second tank in order to control its pressures and / or temperatures.
  • the method further comprises stirring the steam of the first tank and / or the second tank for the purpose, either of encouraging the sorption and / or desorption, or of controlling the heat transfer between the first tank and the Second deposit
  • the method further comprises providing heat to the second tank during the accumulation stage, during the static accumulation stage and / or during the de-accumulation stage to increase its energy storage capacity.
  • Another particular embodiment of the invention comprises the step of reducing, canceling or even reverse the increase in the temperature of the steam that occurs during compression to ensure that it is carried out with a smaller amount of work. As mentioned above, this can be done in several ways, such as directly cooling the steam before or during compression. Another option is to evacuate part of the heat generated during steam compression to the environment. A further option involves the aggregation of fluid from one of the two vapor deposits that is being compressed.
  • FIG. 1 shows a general scheme of the system of the present invention.
  • Figs. 2a and 2b respectively show a scheme of the accumulation stage and a scheme of the decumulation stage PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
  • Fig. 1 shows a diagram of the energy storage system (1) formed by a first tank (2) and a second tank (3). Both tanks are thermally insulated with the outside and with each other and contain a sorbent or mixture of sorbents with physical, chemical affinity or combination of both, by a vapor.
  • a solid state sorbent has been represented, although as mentioned above in this document it would also be possible for the sorbent to be in a liquid state or to evolve from a solid state to a liquid upon sipping the sorbate.
  • the tanks (2, 3) also house a certain amount of said steam. Initially it can be considered that both tanks (2, 3) are in a state of equilibrium with a part of free steam and another part of steam absorbed by the sorbent.
  • the two tanks (2, 3) are connected through a reversible compressor / expander device (4, 5), installed so that the direction of compression is directed to the second tank (3) and the direction of expansion is directed to the first deposit (2).
  • a reversible compressor / expander device (4, 5) installed so that the direction of compression is directed to the second tank (3) and the direction of expansion is directed to the first deposit (2).
  • Fig. 1 also shows a means (6) for exchanging heat between the first tank (2) and the second tank (3), which can be activated or deactivated voluntarily.
  • this heat exchange means (6) in this figure a closed circuit filled with a heat transfer fluid whose exchange capacity can be accelerated by driving it with a pump has been represented.
  • the heat exchanged by this heat exchange means (6) has been represented as
  • a means (8) of heat input to the second tank (3) has also been represented, which has been represented as a circuit through which a heat transfer fluid whose temperature is higher than that of the second tank (3) passes.
  • This heat supply means (8) can be fed by a geothermal source, solar collectors or use heat from another process.
  • the heat contributed to the second tank (3) has been represented as Q 2 .
  • the operation of this system (1) has been schematically represented in Figs. 2a and 2b.
  • the accumulation stage shown in Fig. 2a comprises the operation of the reversible compressor / expander device (4, 5) in compression mode (4) to drive steam from the first tank (2) to the second tank.
  • the pressure and temperature in the first tank (2) decrease, while the pressure and temperature in the second tank (3) increase.
  • the concentration of sorbate in the first deposit (2) decreases and increases in the second deposit (3).
  • the heat transfer medium (6) can be activated if said increase, or the difference in pressure between both tanks (2, 3), is excessive, or if the concentration of sorbate in the solution is so low that may occur a crystallization of the sorbent or excessive viscosity of the solution. There would then be a heat exchange Q that would normally pass from the second tank (3), hotter, to the first tank (2), colder. Also optionally, the steam agitation means (7) of the first tank (2) and / or the second tank (3) can be operated. The circulation of steam in one or both tanks (2, 3) has the effect of both favoring the desorption / sorption process that is carried out inside it, and of favoring the heat exchange process in case it is being using the heat exchange medium (6).
  • the means (8) of heat input to the second tank (3) could be activated to maximize its energy storage capacity, providing a quantity of heat Q 2 to it .
  • the pressure and temperature in the second tank (3) would be much higher than in the first tank (2).
  • Both deposits (2, 3) would remain stationary in a stage called static state storage for as long as it was necessary to store the energy.
  • the stored energy could be increased by providing external heat to the second tank (3) by means of the device (8).
  • the compressor device (4) has consumed a job W
  • Fig. 2b schematically shows the decumulation stage.
  • the reversible compression / expansion device (4, 5) operates as an expander (5), allowing the return of steam that was confined in the second tank (3) at high pressure and temperature to the first tank ( 2) whose pressure and temperature at that time are much lower.
  • a W 2 job is produced, which can be recovered in the form of electrical energy if the expander (5) is connected to an electric generator (not shown).
  • the pressure drop that occurs during this stage in the second tank (3) can be recovered at least partially by adding external heat by means of the device (8). It is thus possible to store additional energy in thermal form that the system can convert into electricity through the expander.

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Abstract

La invención describe un sistema de almacenamiento de energía basado en el fenómeno de la sorción/desorción de un vapor en un sorbente que comprende: a) un primer depósito (2) aislado térmicamente que aloja un sorbente con afinidad por un vapor; b) un segundo depósito (3) aislado térmicamente que también aloja un sorbente con afinidad por dicho vapor; c) un dispositivo (4) compresor conectado entre el primer depósito (2) y el segundo depósito (3) para comprimir el vapor haciéndolo pasar del primer depósito (2) al segundo depósito (3) en una fase de acumulación de energía; y d) un dispositivo (5) expansor conectado entre el primer depósito (2) y el segundo depósito (3) para expandir el vapor permitiendo su retorno desde el segundo depósito (3) al primer depósito (2) en una fase de desacumulación de energía.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y sistema de almacenamiento de energía OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de los sistemas almacenamiento de energía eléctrica destinados, por ejemplo, a equilibrar redes de distribución, dar servicio a redes aisladas o suavizar la producción intermitente de generadores de electricidad basados en fuentes renovables.
Un primer objeto de la presente invención es un novedoso sistema de almacenamiento de energía basado en el fenómeno de la sorción/desorción de un vapor en un sorbente. Un segundo objeto de la presente invención es el procedimiento de almacenamiento de energía que lleva a cabo el sistema anterior.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Almacenar energía, y más concretamente energía eléctrica, es un objetivo prioritario en muchos planes de investigación y es objeto de intensa actividad. En el contexto de una red de distribución eléctrica, interesa almacenar electricidad cuando el precio de venta o las necesidades de consumo bajan, e interesa distribuir la energía almacenada en caso contrario. Esto es especialmente interesante en redes eléctricas con una alta penetración de fuentes de energía renovables que presentan una gran variabilidad, como es el caso del sistema eléctrico español. Por otro lado, el almacenamiento de energía eléctrica también es de gran interés en el caso de redes aisladas para poder cubrir la demanda cuando la fuente de energía ha cesado o es insuficiente frente a la demanda. Actualmente, la solución más frecuentemente utilizada para el almacenamiento de energía eléctrica en este ámbito son las baterías electroquímicas, llamadas también acumuladores. Las baterías electroquímicas son capaces de almacenar durante un determinado período de tiempo electricidad en forma química. Sin embargo, las baterías electroquímicas convencionales presentan una serie de inconvenientes que impiden su uso generalizado para muchas aplicaciones, ya que son costosas, tienen una duración excesivamente corta, y presentan diversos problemas operativos cuando el tamaño de la instalación es grande, entre otros.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención resuelve los problemas anteriores, permitiendo almacenar energía eléctrica usando materiales de bajo impacto ambiental, con una densidad de potencia similar a las de las baterías de Litio-ion actuales y permitiendo utilizar tamaños mucho mayores. Además, la invención puede aumentar su capacidad de almacenamiento aprovechando calor residual, solar o geotérmico. Una ventaja adicional es que su duración resulta ser mucho mayor que los acumuladores electroquímicos.
Un primer aspecto de la invención está dirigido a un sistema para el almacenamiento de energía que fundamentalmente comprende los siguientes elementos: a) Un primer depósito aislado térmicamente que aloja un sorbente con afinidad física y/o química por un vapor, denominado sorbato por ser la sustancia que es sorbida por el sorbente.
El sorbente puede estar en estado sólido, en cuyo caso se produciría el fenómeno de la adsorción, o bien en estado líquido, en cuyo caso se produciría el fenómeno de la absorción. Ejemplos de sorbentes sólidos son la zeolita, un gel de sílice o carbón activado. Ejemplos de sorbentes líquidos son el agua o una sal que al ser disuelta en la sustancia que constituye el vapor (sorbato) alcanza el estado líquido a partir de una fracción másica de sorbato determinada.
En cuanto al vapor o sorbato, algunos ejemplos son amoníaco, agua, hidrógeno, amoníaco, alcohol, acetona o un hidrocarburo.
Por otro lado, con el objeto de simplificar la descripción en el presente documento se hablará siempre de manera general de sorción/desorción independientemente del estado físico del sorbente. b) Un segundo depósito aislado térmicamente que también aloja un sorbente con afinidad por dicho vapor. Normalmente, el sorbente del segundo depósito es el mismo que el del primer depósito, aunque ello no tiene que ser así necesariamente. c) Un dispositivo compresor conectado entre el primer depósito y el segundo depósito para comprimir el vapor haciéndolo pasar desde el primer depósito al segundo depósito en una fase de acumulación de energía. d) Un dispositivo expansor conectado entre el primer depósito y el segundo depósito para expandir el vapor permitiendo su retorno desde el segundo depósito al primer depósito en una fase de desacumulación de energía.
Durante la fase de acumulación de energía, el dispositivo compresor impulsa el vapor desde el primer depósito hacia el segundo depósito. Como consecuencia de esta transferencia de masa, se produce una disminución de la presión en el primer depósito y un aumento de la presión en el segundo depósito. En esta fase del proceso, el vapor (sorbato) es desorbido del sorbente en el primer depósito, absorbiendo calor, y es sorbido en el sorbente en el segundo depósito con liberación de calor. Debido a ello, se produce un enfriamiento en el primer depósito y un calentamiento en el segundo depósito que contribuyen a aumentar aún más la diferencia de presiones que se crea como consecuencia de la acción del dispositivo compresor. Como es evidente, durante esta fase de acumulación el compresor consume trabajo, el cual puede provenir de un suministro eléctrico mediante su acoplamiento a un motor eléctrico, o bien ser un dispositivo compresor directamente movido por la electricidad.
La energía queda así acumulada en el sistema durante un intervalo de tiempo de duración indeterminada que constituye la denominada etapa de almacenamiento. Cuando la energía vuelva a necesitarse, se lleva a cabo una etapa de desacumulación donde el dispositivo expansor permite la expansión del vapor en su retorno desde el segundo depósito a alta presión hacia el primer depósito a baja presión, recuperándose una gran parte de la energía consumida por el compresor durante la etapa de acumulación. El trabajo generado por el dispositivo expansor en esta etapa de desacumulación puede convertirse en energía eléctrica mediante su acoplamiento a un generador eléctrico, o bien puede ser un dispositivo expansor que de forma integrada convierte el trabajo extraído del vapor en energía eléctrica.
Definiendo la eficiencia como la energía eléctrica recuperada dividida por la energía eléctrica invertida en el almacenamiento, las eficiencias actuales de los distintos métodos de almacenamiento de electricidad conocidos rondan el 80% para baterías (incluyendo el acondicionamiento eléctrico necesario y el ciclo completo), el 70% para el bombeo en centrales hidroeléctricas reversibles, y entre el 20% y el 50% para el hidrógeno como vector energético contando con su almacenamiento. El sistema propuesto es capaz de alcanzar eficiencias similares a los mejores, resultando por ello competitivo.
Por otro lado, al igual que ocurre con las baterías o acumuladores electroquímicos, el almacenamiento de energía en el sistema de la invención no es permanente. La transferencia de calor entre los depósitos y con el exterior va disminuyendo paulatinamente la energía almacenada, aunque nunca se llega a perder completamente debido a que en el segundo depósito hay vapor sorbido en mayor proporción que en el primer depósito, por lo que ejerce mayor presión. Para minimizar las pérdidas de energía, por tanto, será imprescindible dotar a ambos depósitos de un aislamiento térmico efectivo.
En el sistema de la invención, el dispositivo compresor y el dispositivo expansor pueden implementarse como elementos separados conectados en paralelo entre los dos depósitos. En ese caso, el dispositivo expansor estaría anulado durante la etapa de acumulación, mientras que durante la etapa de desacumulación sería el dispositivo compresor el que se anularía. Otra opción alternativa es que el dispositivo compresor y el dispositivo expansor estén constituidos por un único dispositivo de tipo reversible capaz de actuar de manera alternativa como compresor y también como expansor mediante un cambio.
En ocasiones, la presión en el segundo depósito puede aumentar en exceso, la presión en el primer depósito puede descender en exceso, o incluso la diferencia de presiones entre el primer depósito y el segundo depósito puede ser excesiva. Para solucionarlo, de acuerdo con una realización preferida el sistema de la presente invención comprende además un medio de intercambio de calor entre el primer depósito y el segundo depósito que puede activarse y desactivarse a voluntad. Este intercambio de calor actúa como moderador que tiende a disminuir la diferencia de presiones y de temperaturas entre el primer depósito y el segundo depósito. Este intercambio de calor puede servir también para evitar la cristalización indeseada de la sustancia absorbente, caso de ser ésta sólida en estado puro, por ejemplo, una sal. En principio, el medio de intercambio de calor puede implementarse de diferentes modos. Por ejemplo, puede comprender un área de contacto térmico entre el primer depósito y el segundo depósito activable a voluntad del operador del sistema, o bien otra opción es utilizar un circuito cerrado relleno con un fluido caloportador y en contacto térmico con el primer depósito y con el segundo depósito, el cual puede ser activado de forma voluntaria. Este fluido caloportador puede ser el fluido de cualquiera de ambos depósitos. En otra realización preferida de la invención, el primer depósito y/o el segundo depósito comprenden un medio de agitación del vapor. La agitación del vapor en el primer y/o el segundo depósito puede servir para incentivar respectivamente la desorción/sorción en cada uno de ellos, así como para controlar el ritmo de transferencia de calor entre el primer depósito y el segundo depósito a través del medio de intercambio de calor descrito más arriba. Nótese que, si el sorbente es líquido, el medio de agitación del vapor no sólo haría circular el vapor sino también el propio sorbente, incentivando la transferencia de masa y de calor. Una posibilidad de provocar esta agitación puede ser el burbujeo de vapor dentro del líquido.
Adicionalmente, el sistema de la invención preferentemente comprende un medio de aportación de calor al segundo depósito durante la etapa de acumulación de energía, durante la etapa de almacenamiento estático, o durante la etapa de desacumulación de energía. La aportación de calor contribuye a aumentar la presión en el segundo depósito, aumentando así la capacidad de acumulación de energía e incluso compensa las pérdidas de calor al ambiente. Este calor puede provenir de calor de algún otro proceso, de captadores solares o de fuentes geotérmicas, permitiendo así al sistema de la invención aprovechar energía sobrante o no utilizada en forma de calor residual. Otra realización preferida del sistema de la invención destinada a mejorar la eficiencia de la invención comprende un medio para reducir, anular o revertir el aumento de la temperatura del vapor que se produce durante la compresión. Es decir, puede reducirse el aumento de temperatura durante la compresión hasta el punto de conseguir una compresión isoterma, o incluso hasta lograr que la temperatura descienda durante la compresión. Como consecuencia, se consigue reducir el trabajo necesario para la compresión, obteniéndose por tanto una mejora de la eficiencia.
Esto se puede hacer de diferentes formas. Por ejemplo, se puede conseguir directamente refrigerando el vapor, ya sea de manera continua o escalonada. Otra opción es evacuar al ambiente parte del calor generado durante la compresión del vapor. Una opción más implica la agregación de fluido de uno de los dos depósitos al vapor que se está comprimiendo, con el consiguiente efecto de reducción del trabajo de compresión. Nótese que, en caso de que el sorbente sea sólido, el fluido activo para la absorción/desorción de los depósitos será únicamente el propio vapor, mientras que si el sorbente es líquido el fluido de los depósitos podrá ser la propia disolución del vapor en el sorbente líquido. También podría utilizarse un líquido distinto que sea compatible y que esté alojado en uno de los dos depósitos con ese propósito específico. En cualquier caso, este fluido absorbe al menos una parte del aumento de energía térmica como consecuencia de la compresión, reduciendo el trabajo de compresión.
Un segundo aspecto de la presente invención está dirigido a un procedimiento de almacenamiento de energía llevado a cabo por el sistema descrito. Este procedimiento de almacenamiento comprende fundamentalmente las siguientes etapas:
1) Una etapa de acumulación de energía, donde se comprime un vapor haciéndolo pasar desde un primer depósito aislado térmicamente que aloja un sorbente con afinidad por dicho vapor hacia un segundo depósito aislado térmicamente que aloja un sorbente con afinidad por el vapor.
2) Una etapa de almacenamiento estático en que el sistema conserva la energía acumulada. Durante esta etapa puede añadirse calor al segundo depósito con el objeto de compensar las pérdidas de calor e incluso de aumentar la energía almacenada.
3) Una etapa de desacumulación de energía, donde se expande el vapor permitiendo su retorno desde el segundo depósito hacia el primer depósito.
En una realización preferida, el procedimiento además comprende intercambiar calor entre el primer depósito y el segundo depósito con el objeto de controlar sus presiones y/o temperaturas.
En otra realización preferida, el procedimiento además comprende agitar el vapor del primer depósito y/o del segundo depósito con el objeto, bien de incentivar la sorción y/o la desorción, o bien de controlar la transferencia de calor entre el primer depósito y el segundo depósito.
En otra realización preferida de la invención, el procedimiento comprende además aportar calor al segundo depósito durante la etapa de acumulación, durante la etapa de acumulación estática y/o durante la etapa de desacumulación para aumentar su capacidad de almacenamiento de energía.
Otra realización particular de la invención comprende el paso de reducir, anular o incluso revertir el aumento de la temperatura del vapor que se produce durante la compresión para conseguir que ésta se lleve a cabo con un menor aporte de trabajo. Como se ha mencionado anteriormente, ello se puede hacer de varias formas, como por ejemplo directamente refrigerando el vapor antes o durante la compresión. Otra opción es evacuar al ambiente parte del calor generado durante la compresión del vapor. Una opción más implica la agregación de fluido de uno de los dos depósitos al vapor que se está comprimiendo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Fig. 1 muestra un esquema general del sistema de la presente invención.
Las Figs. 2a y 2b muestran respectivamente un esquema de la etapa de acumulación y un esquema de la etapa de desacumulación REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación un ejemplo particular de la presente invención haciendo referencia a las figuras adjuntas donde se aprecian las distintas partes que componen el sistema (1) y se representan de manera simplificada las etapas principales del procedimiento.
La Fig. 1 muestra un esquema del sistema (1) de almacenamiento de energía formado por un primer depósito (2) y un segundo depósito (3). Ambos depósitos están aislados térmicamente con el exterior y entre sí y conteniendo un sorbente o mezcla de sorbentes con afinidad física, química o combinación de ambas, por un vapor. En este ejemplo concreto, se ha representado un sorbente en estado sólido, aunque como se ha mencionado más arriba en este documento también sería posible que el sorbente estuviese en estado líquido o que evolucione de estado sólido a líquido al sorber el sorbato. Los depósitos (2, 3) también alojan una determinada cantidad de dicho vapor. Inicialmente puede considerarse que ambos depósitos (2, 3) se encuentran en un estado de equilibrio con una parte de vapor libre y otra parte de vapor sorbido por el sorbente.
Los dos depósitos (2, 3) están conectados a través de un dispositivo reversible compresor/expansor (4, 5), instalado de manera que el sentido de la compresión se dirige al segundo depósito (3) y el sentido de la expansión se dirige al primer depósito (2). Nótese que, como se ha descrito más arriba, sería posible también utilizar dos dispositivos separados e instalados en paralelo entre ambos depósitos (2, 3): un dispositivo compresor (4) para realizar la compresión y un dispositivo expansor (5) para realizar la expansión.
La Fig. 1 también muestra un medio (6) de intercambio de calor entre el primer depósito (2) y el segundo depósito (3), que se puede activar o desactivar voluntariamente. Aunque con anterioridad en este documento se han descrito diferentes posibilidades de implementación para este medio (6) de intercambio de calor, en esta figura se ha representado un circuito cerrado lleno con un fluido caloportador cuya capacidad de intercambio puede acelerarse impulsándolo con una bomba. El calor intercambiado por este medio (6) de intercambio de calor se ha representado como
Unos medios (7) de agitación de vapor en forma de palas agitadoras se han dispuesto en el interior de cada depósito (2, 3), aunque puede estar instalado en uno solo de ellos, para forzar la circulación del vapor y así favorecer tanto los fenómenos de sorción/desorción que se producen en su interior como el intercambio de calor que se lleva a cabo a través del medio (6) de intercambio de calor.
También se ha representado un medio (8) de aportación de calor al segundo depósito (3), que se ha representado como un circuito por cuyo interior pasa un fluido caloportador cuya temperatura es mayor que la del segundo depósito (3). Este medio (8) de aportación de calor puede estar alimentado por una fuente geotérmica, unos captadores solares o emplear calor proveniente de otro proceso. El calor aportado al segundo depósito (3) se ha representado como Q2. El funcionamiento de este sistema (1) se ha representado de manera esquemática en las Figs. 2a y 2b. La etapa de acumulación representada en la Fig. 2a comprende el accionamiento del dispositivo reversible compresor/expansor (4, 5) en modo de compresión (4) para impulsar vapor desde el primer depósito (2) al segundo depósito. Como consecuencia, la presión y la temperatura en el primer depósito (2) disminuyen, mientras que la presión y la temperatura en el segundo depósito (3) aumentan. Simultáneamente la concentración de sorbato en el primer depósito (2) disminuye y aumenta en el segundo depósito (3).
Opcionalmente, se puede accionar el medio (6) de transferencia de calor en caso de que dicho aumento, o la diferencia de presiones entre ambos depósitos (2, 3), sea excesiva, o bien que la concentración de sorbato en la disolución sea tan baja que pueda producirse una cristalización del sorbente o una viscosidad excesiva de la disolución. Se produciría entonces un intercambio de calor Q que en condiciones normales pasaría del segundo depósito (3), más caliente, al primer depósito (2), más frío. También opcionalmente, se pueden accionar los medios (7) de agitación de vapor del primer depósito (2) y/o del segundo depósito (3). La circulación del vapor en uno o ambos depósitos (2, 3) tiene el efecto tanto de favorecer el proceso de desorción/sorción que se lleva a cabo en su interior, como de favorecer el proceso de intercambio de calor en caso de que se esté utilizando el medio (6) de intercambio de calor.
En otra opción más, se podría accionar el medio (8) de aportación de calor al segundo depósito (3) para maximizar su capacidad de almacenamiento de energía, aportando al mismo una cantidad de calor Q2. En cualquier caso, en el estado final la presión y temperatura en el segundo depósito (3) serían mucho mayores que en el primer depósito (2). Ambos depósitos (2, 3) quedarían estacionarios en una etapa denominada de almacenamiento estático estado durante el tiempo que fuese necesario almacenar la energía. Opcionalmente, durante esta etapa se podría aumentar la energía almacenada aportando calor externo al segundo depósito (3) mediante el dispositivo (8). Durante la etapa de acumulación de energía, el dispositivo compresor (4) ha consumido un trabajo W
La Fig. 2b muestra esquemáticamente la etapa de desacumulación. En este caso, el dispositivo reversible de compresión/expansión (4, 5) funciona a modo de expansor (5), permitiendo el retorno del vapor que estaba confinado en el segundo depósito (3) a alta presión y temperatura hacia el primer depósito (2) cuya presión y temperatura en ese momento son mucho menores. En ese proceso de retorno, se produce un trabajo W2, que puede recuperarse en forma de energía eléctrica si se conecta el expansor (5) a un generador eléctrico (no mostrado). Además, puede recuperarse al menos parcialmente la caída de presión que se produce durante esta etapa en el segundo depósito (3) agregando calor externo mediante el dispositivo (8). Se consigue así almacenar energía adicional en forma térmica que el sistema puede convertir en electricidad por medio del expansor.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema (1) de almacenamiento de energía, caracterizado porque comprende:
- un primer depósito (2) aislado térmicamente que aloja un sorbente con afinidad por un vapor;
- un segundo depósito (3) aislado térmicamente que también aloja un sorbente con afinidad por dicho vapor;
- un dispositivo (4) compresor conectado entre el primer depósito (2) y el segundo depósito (3) para comprimir el vapor haciéndolo pasar del primer depósito (2) al segundo depósito (3) en una fase de acumulación de energía; y
- un dispositivo (5) expansor conectado entre el primer depósito (2) y el segundo depósito (3) para expandir el vapor permitiendo su retorno desde el segundo depósito (3) al primer depósito (2) en una fase de desacumulación de energía.
2. Sistema (1) de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 1 , que además comprende un medio (6) de intercambio de calor entre el primer depósito (2) y el segundo depósito (3), que puede activarse y desactivarse a voluntad.
3. Sistema (1) de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 2, donde el medio (6) de intercambio de calor comprende un circuito cerrado relleno con un fluido caloportador y en contacto térmico con el primer depósito (2) y con el segundo depósito (3).
4. Sistema (1) de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 2, donde el medio (6) de intercambio de calor comprende un área de contacto térmico entre el primer depósito (2) y el segundo depósito (3).
5. Sistema (1) de almacenamiento de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer depósito (2) y/o el segundo depósito (3) comprenden un medio (7) de agitación del vapor.
6. Sistema (1) de almacenamiento de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el dispositivo (4) compresor y el dispositivo (5) expansor están constituidos por un único dispositivo de tipo reversible.
7. Sistema (1) de almacenamiento de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un medio (8) de aportación de calor al segundo depósito (3) que se puede activar y desactivar a voluntad.
8. Sistema (1) de almacenamiento de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un medio para reducir, anular o revertir el aumento de la temperatura del vapor durante la compresión.
9. Sistema (1) de almacenamiento de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sorbente se elige entre agua, una sal, zeolita, gel de sílice y carbón activado, y el vapor se elige de entre amoníaco, agua, hidrógeno, alcohol, acetona y un hidrocarburo.
10. Procedimiento de almacenamiento de energía llevado a cabo por el sistema (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- una etapa de acumulación de energía, donde se comprime un vapor haciéndolo pasar desde un primer depósito (2) aislado térmicamente que aloja un sorbente con afinidad por dicho vapor hacia un segundo depósito (3) aislado térmicamente que aloja un sorbente con afinidad por el vapor.
- una etapa de almacenamiento estático de la energía acumulada; y
- una etapa de desacumulación de energía, donde se expande el vapor permitiendo su retorno desde el segundo depósito (3) hacia el primer depósito (2).
11. Procedimiento de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 10, que además comprende intercambiar calor entre el primer depósito (2) y el segundo depósito (3) con el objeto de controlar sus presiones y/o temperaturas.
12. Procedimiento de almacenamiento de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-11 , que además comprende agitar el vapor del primer depósito (2) y/o del segundo depósito (3) con el objeto de incentivar la sorción y/o la desorción o de controlar la transferencia de calor entre el primer depósito (2) y el segundo (3) depósito.
13. Procedimiento de almacenamiento de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-12, que además comprende aportar calor al segundo depósito (3) durante la etapa de acumulación, durante la etapa de almacenamiento estático y/o durante la etapa de desacumulación para aumentar su capacidad de almacenamiento de energía.
14. Procedimiento de almacenamiento de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-13, que además comprende reducir, anular o revertir el aumento de temperatura del vapor que se produce durante la compresión.
15. Procedimiento de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende refrigerar el vapor.
16. Procedimiento de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende evacuar calor al ambiente.
17. Procedimiento de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende agregar fluido de uno de los depósitos (2, 3) al vapor que se comprime.
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