MD3927949T2

MD3927949T2 - Instalație și proces pentru înmagazinarea energiei electrice

Info

Publication number: MD3927949T2
Application number: MDE20211240T
Authority: MD
Inventors: Claudio Spadacini
Original assignee: Energy Dome S P A
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2023-08-31
Also published as: ZA202106394B; DOP2021000163A; CO2021011314A2; US20230072638A1; HUE061900T2; PL3927949T3; AU2019323828A1; IT201900002385A1; KR20210128438A; CA3129364A1; HRP20230441T1; EP3927949A2; JP7501537B2; PT3927949T; SI3927949T1; BR112021015317A2; JP2022520218A; CN113454313B; SG11202108485RA; RS64229B1

Abstract

O instalaţie de stocare a energiei (1) cuprinde o carcasă (5) pentru stocarea unui fluid de lucru, altul decât aerul atmosferic, în fază gazoasă şi în echilibru de presiune cu atmosfera; un rezervor (9) pentru stocarea respectivului fluid de lucru într-o fază lichidă sau supercritică cu o temperatură apropiată de temperatura critică; în care temperatura critică menţionată este apropiată de temperatura ambiantă. Instalaţia (1) este configurată să efectueze o transformare ciclică termodinamică închisă (TTC), mai întâi într-o direcţie într-o configuraţie de încărcare şi apoi în direcţia opusă într-o configuraţie de descărcare, între carcasa (5) menţionată şi rezervorul (9) menţionat; în care în configuraţia de încărcare instalaţia (1) stochează căldură şi presiune, iar în configuraţia de descărcare generează energie.

Description

Domeniul invenţiei

Obiectul prezentei invenţii este o instalaţie şi un proces pentru înmagazinarea energiei electrice. Mai precis, obiectul prezentei invenţii este un sistem capabil să absoarbă/utilizeze energie electrică de la o reţea sau un sistem atunci când se manifestă un exces de disponibilitate şi/sau deficit de consum, capabil să menţină în timp energia înmagazinată şi capabil să o transforme înapoi în energie electrică şi să o pună înapoi în reţea atunci când este cerută energia electrică menţionată. În detaliu, această invenţie se referă la un sistem de înmagazinare a energiei electrice sub formă de energie potenţială (presiune) şi energie termică/termodinamică. Prezenta invenţie este parte a sistemelor de înmagazinare a energiei la scară medie şi mare, atât pentru aplicaţii terestre cât şi marine, de obicei cu puteri de la sute de kW până la zeci de MW (de exemplu 20-25 MW), dar de asemenea sute de MW, şi cu capacitate de înmagazinare de la câteva sute de kWh, până la sute de MWh şi chiar până la mai mulţi GWh. Prezenta invenţie poate fi de asemenea amplasată în domeniul sistemelor de înmagazinare a energiei la scară mică, pentru aplicaţii domestice şi comerciale, atât terestre cât şi marine, de obicei cu puteri de la câţiva kW până la câteva sute de kW şi cu capacitate de înmagazinare de la câţiva kWh, până la sute de kWh.

Definiţii

Următoarele definiţii vor fi utilizate în prezenta descriere şi în revendicările însoţitoare.

• Ciclu termodinamic (CT): transformare termodinamică de la un punct X la un punct Y, unde X coincide cu Y; CT, spre deosebire de TTC (Transformare Ciclică Termodinamică) de mai jos, nu are acumulări de masă (semnificative în cazul energiei) în cadrul ciclului, pe când TTC de obicei lucrează între două înmagazinări de fluid de lucru, una iniţială şi cealaltă finală; • Transformare Ciclică Termodinamică (TTC): transformare termodinamică de la un punct X la un punct Y şi de la un punct Y la un punct X, fără să se treacă neapărat prin aceleaşi puncte intermediare; • CT şi/sau TTC închise: fără schimb de masă (semnificativ în cazul energiei) cu atmosfera; • CT şi/sau TTC deschise: cu schimb de masă (semnificativ în cazul energiei) cu atmosfera.

Fundamentele invenţiei

Recent, datorită răspândirii din ce în ce mai mari a sistemelor pentru producerea de energie din surse regenerabile şi în special din surse eoliene şi fotovoltaice, care sunt caracterizate prin variabilitatea şi impredictibilitatea producţiei, sistemele electrice de înmagazinare a energiei devin din ce în ce mai importante.

Sistemele de înmagazinare a energiei electrice pot efectua diverse funcţii fundamentale pentru reţele, atât izolate cât şi interconectate, incluzând reglarea frecvenţei/furnizării de inerţie dinamică, furnizarea de sisteme "cu creştere flexibilă", adică care permit pornirea de urgenţă a sistemelor de producţie, "comutarea energiei" din orele cu producţie mai mare şi mai puţină cerere la orele care, pe de altă parte, prezintă cerere mai mare şi/sau lipsa producţiei, compensaţii sezoniere, etc.

În plus faţă de sistemele care funcţionează în conformitate cu principiile electrochimice (baterii) care de obicei au costuri ridicate şi viaţă utilă limitată, mecanice (cu volant) adecvate doar pentru cantităţi mici de înmagazinat energie, sistemele actualmente în utilizare sau în dezvoltare sau altfel cunoscute includ următoarele.

Sistemele în principal în utilizare sunt sistemele hidroelectrice de înmagazinare prin pompare (HIDROCENTRALE CU POMPARE - PHS), care actualmente acoperă mai mult de 90% din capacitatea de înmagazinare instalată global. Aceste sisteme sunt adecvate pentru înmagazinare atât pe termen lung cât şi pe termen scurt, sunt destul de competitive în ceea ce priveşte costurile, dar au dezavantajul de a putea fi construite doar în locuri care au condiţii geomorfologice speciale. Sistemul PHS menţionat poate fi numărat printre sistemele de înmagazinare a energiei de formă potenţială şi în special gravitaţională. De asemenea sistemul dezvăluit în documentul GB 2518125 A este din familia sistemelor gravitaţionale.

Un al doilea sistem în utilizare este aşa numitul sistem CAES (Înmagazinare a Energiei cu Aer Comprimat), care este alcătuit dintr-o TTC deschisă care acumulează prin transformare în energie potenţială (presiune) şi (posibil) energie termică. Acest sistem CAES este cunoscut atât în configuraţia bazică (neadiabatică) cât şi în configuraţia AA-CAES mai avansată (CAES Adiabatică Avansată; vezi US 4,147,205 - Instalaţie de Înmagazinare cu Aer Comprimat). Aceste sisteme sunt adecvate atât pentru înmagazinare pe termen lung cât şi scurt, sunt destul de competitive în ceea ce priveşte costurile, sunt mai puţin eficiente decât sistemele PHS în ceea ce priveşte 'Randamentul în Circuit', şi ele au de asemenea dezavantajul de a putea fi construite doar în locuri cu condiţii geomorfologice speciale.

Sistemele CAES au de asemenea un dezavantaj suplimentar în aceea că presiunea rezervorului/cavităţii variază cu nivelul de încărcare al acesteia. Aceasta afectează atât randamentul TTC cât şi randamentul turbomaşinilor care o efectuează.

Sunt de asemenea cunoscute sisteme pentru a remedia absenţa cavităţilor subterane pentru sistemele CAES. În special, sunt cunoscute soluţii care caută să facă viabil economic să se înmagazineze energie în rezervoare supraterane, fără necesitatea cavităţilor subterane. În US2011/0204064 A1 este un exemplu de LIGHTSAIL unde sunt propuse rezervoare de construcţie specială pentru a încerca să se limiteze costurile rezervoarelor de înmagazinare supraterane care invers ar face costurile sistemelor CAES supraterane menţionate neprofitabile. Aceste soluţii aparţin de asemenea sistemelor care lucrează în conformitate cu o TTC deschisă.

Sunt de asemenea cunoscute sisteme care combină cele două sisteme anterioare (vezi US 7,663,255 B2), în care combinaţia dintre CAES şi PHS permite de asemenea sistemului CAES să funcţioneze la presiune de comprimare constantă. Şi aceste sisteme lucrează în conformitate cu o TTC deschisă.

Documentul 'Novel concept of compressed aer energy storage and thermos-electric energy storage' - THESE N.5525 (2012) - Ecole Polytechnique Federale de Lousanne, dezvăluie toate tipurile de sisteme CAES de înmagazinare a energiei. Printre altele sunt dezvăluite sistemele CAES diabatic, adiabatic, izotermic şi combinat cu PHS pentru a permite o presiune de comprimare constantă, acest sistem este numit CAES cu Presiune Constantă - combinat cu PHS. Şi acestea sunt sisteme care lucrează în conformitate cu o TTC deschisă.

Acelaşi document dezvăluie de asemenea aşa numita TEES (Înmagazinare a Energiei Termo-Electrice) propusă de ABB Corporate Research Center (vezi de asemenea EP 2532843 A1 şi EP 2698506 A1). Acesta este unul dintre sistemele care lucrează în conformitate cu un CT închis, şi poate fi numărat printre sistemele PHES. Sistemele PHES (înmagazinare electrică cu căldură pompată) sunt sistemele pentru înmagazinare a energiei electrice/mecanice prin convertirea sa în energie termică utilizând, de exemplu, CT Rankine, Brayton sau Kalina. În plus faţă de sistemele descrise mai sus care utilizează cicluri de CO2 transcritice şi supercritice sau alte cicluri de fluide şi prin urmare cicluri Rankine reversibile trans-supercritice, sunt cunoscute sistemele PHES cu ciclu Brayton, care utilizează de obicei Argon dar de asemenea aer (vezi Izoentropicele EP 2220343 B1 şi US 2010/0257862 A1 şi Laughlin US 2016/0298455 A1. Acesta este unul dintre sistemele care lucrează în conformitate cu un CT închis, şi poate fi numărat printre sistemele PHES).

Alt sistem care poate fi numărat printre sistemele PHES/TEES este sistemul Siemens - Gamesa (vezi US 2014/0223910 A1 şi US 8,991,183 B2 şi US 8,966,902 B2) care combină două cicluri diferite pentru faza de încărcare şi descărcare, şi în special furnizează un ciclu Brayton sau disipare simplă cu rezistenţe electrice pentru faza de încărcare a rezervorului de înmagazinare de căldură la temperatură înaltă şi un ciclu Rankine cu aburi pentru faza de descărcare/producţie de energie electrică. Acest tip de soluţie este unul dintre sistemele PHES. Este executat prin intermediul mai multor CT deschise şi/sau închise.

Ar trebui remarcat că toate sistemele PHES, de asemenea numite TEES, se bazează pe principiul unui ciclu termodinamic 'închis' şi reversibil. În funcţie de diferitele soluţii propuse, ele pot fi cicluri Rankine sau Brayton 'închise', dar în orice caz fluidul de lucru al motorului/pompei de căldură, care este aproape reversibil, efectuează transformări în conformitate cu un ciclu termodinamic 'închis' în care nu există acumulări intermediare dimensionate în conformitate cu capacitatea de înmagazinare cerută.

Toate sistemele CAES, de toate tipurile, sunt în schimb sisteme care execută transformări, mai întâi într-o direcţie şi apoi în cealaltă în conformitate cu un ciclu termodinamic 'deschis', adică, luând şi returnând aer în atmosferă.

Alt procedeu cunoscut de înmagazinare a energiei este aşa numitul sistem LAES (Înmagazinare a Energiei cu Aer Lichid, vezi US2009/0282840 A1 şi GB 2 537 126 A). Procedeul LAES implică transformări în conformitate cu o transformare termodinamică 'deschisă', adică luând şi returnând aer în atmosferă. Pe deasupra, acest sistem lucrează la temperaturi criogenice, apropiate de -200°C, cu dificultăţi tehnice ridicate. Şi acesta aparţine sistemelor care lucrează în conformitate cu o TTC deschisă.

În 'Analysis of the exergy efficiency of a super-critical compressed carbon dioxide energy-storage system based on the orthogonal method' de Qing He, Yinping Hao, Hui Liu, Wenyi Liu, a fost de asemenea propusă utilizarea CO2 ca fluid de lucru pentru sisteme de înmagazinare a energiei. Sistemul propus (numit SC-CCES (Înmagazinare a Energiei cu Bioxid de Carbon Comprimat Super Critic), utilizează aşa cum a fost specificat "două acvifere saline ca rezervoare de înmagazinare". În acest sistem SC-CCES, CO2 de la alimentarea compresorului este trimis direct la rezervor fără interpunerea nici unui schimbător de căldură şi/sau sistem de înmagazinare a energiei termice. Pe deasupra, în timpul ciclului de descărcare, CO2 descărcat de la turbină se încălzeşte printr-un recuperator, aceleaşi CO2 intrând în turbină. Această soluţie aparţine sistemelor care lucrează în conformitate cu o TTC închisă, adică între două rezervoare închise.

De asemenea documentul 'Green Energy Storage: "The Potential Use of Compressed Liquid CO2 and Large Sub-Terrain Cavities to Help Maintain a Constant Electricity Supply" - Dalgaard JZ, vorbeşte (atât în titlu cât şi în rezumat, şi în corpul documentului) despre utilizarea de CO2 în cavităţi subterane.

Rezumat

Solicitantul a subliniat că sistemele actuale de înmagazinare a energiei electrică nu au caracteristici care să le permită să fie utilizate economic în diferite situaţii. În special, în unele cazuri (de exemplu PHS şi CAES) sistemele necesită situaţii geomorfologice foarte speciale care sunt dificil de găsit. În unele cazuri (de exemplu PHS) implementarea unor astfel de sisteme necesită fabricarea de rezervoare cu impact puternic asupra mediului.

În alte cazuri (AA-CAES) realizarea sistemelor de înmagazinare a energiei termice prezintă probleme care sunt dificil de rezolvat la cost redus şi, pe deasupra, există încă nevoia de a identifica cavităţi subterane adecvate. Cele de mai sus conduc de asemenea la dificultăţi în obţinerea unui Randament în Circuit (RTE) satisfăcător. În orice caz, problema lucrului cu presiuni variabile în rezervorul de înmagazinare rămâne, doar dacă sistemul CAES nu este combinat cu sistemul PHS, cu complicaţii evidente de costuri suplimentare şi de a identifica condiţiile geologice corecte.

Solicitantul a observat în plus că încercările de a construi Sistemele CAES de suprafaţă au întâlnit imposibilitatea practică de a construi rezervoare de înmagazinare cu aer presurizat la un cost competitiv pentru a face posibil să fie construite sistemele însele.

Solicitantul a observat în plus că încercările de a construi sisteme LAES nu au permis pe moment să se dezvolte sisteme viabile economic de asemenea din cauza problemelor inerente de lucru în condiţii criogenice. Problemele înmagazinării energiei criogenice în rezervoare cu strat dublu cu vid între straturi, şi alte dispozitive costisitoare, face tehnologia dificil de optimizat în ceea ce priveşte costurile. Solicitantul a observat în plus că încercările de a construi sisteme PHES cu cicluri Rankine aproape reversibile prezintă dificultăţi considerabile în obţinerea unui Randament în Circuit (RTE) satisfăcător (adică peste 60%) şi în acelaşi timp cu costuri rezonabile, RTE fiind legat de diferenţele de temperatură din utilaj. În mod similar, sistemele PHES pe baza ciclului Brayton trebuie să se confrunte cu faptul că aceste sisteme utilizează un compresor şi o turbină pentru fiecare ciclu, atât pentru încărcare cât şi pentru descărcare. Aceasta atrage după sine costuri de investiţie mai mari, dar de asemenea ireversibilitate mai mare care poate fi compensată pentru obţinerea de TEN mari doar prin menţinerea diferenţelor foarte mari de temperatură între înmagazinarea la cald şi la rece.

În acest context, solicitantul şi-a stabilit obiectivul de a proiecta şi implementa un proces şi o instalaţie de înmagazinare a energiei, adică un sistem de înmagazinare a energiei, care este:

▪ capabil să fie realizat în diferite situaţii geomorfologice, care nu necesită condiţii geografice sau teritoriale speciale pentru a fi realizat şi care poate în cele din urmă în anumite dimensiuni să fie de asemenea utilizat pentru aplicaţii marine/în larg;

▪ capabil să obţină RTE mare şi în orice caz mai mare de 70% şi până la 75% şi până chiar la 80% şi mai mult;

▪ capabil să lucreze cu presiuni reglabile ale rezervorului de înmagazinare, prin diverse sisteme descrise mai jos;

▪ simplu şi economic, de preferinţă cu ţinta de a avea un cost de construcţie de mai puţin de 100 USD/kWh şi, în special, care permite înmagazinarea sub presiune şi cu densitate de energie mare (în ceea ce priveşte m3 înmagazinare/kWhînmagazinat);

▪ capabil să îşi crească RTE utilizând variaţiile Temperaturii Ambiante;

▪ sigur şi prietenos cu mediul, de exemplu pentru că nu utilizează în special fluide periculoase;

▪ modular;

▪ compact;

▪ durabil sau având o viaţă utilă crescută de 30 ani;

▪ flexibil şi capabil să intre în funcţiune rapid;

▪ uşor şi economic de întreţinut;

▪ rezistent la coroziune (în special pentru aplicaţii marine);

▪ are niveluri reduse de vibraţii şi zgomot.

Solicitantul a descoperit că obiectivele de mai sus şi altele pot fi îndeplinite printr-un sistem de înmagazinare a energiei care funcţionează prin intermediul transformărilor ciclice termodinamice (TTC), mai întâi într-o direcţie şi apoi în direcţia opusă, între două acumulări ale unui fluid de lucru în două rezervoare distincte, dintre care unul (cel cu presiunea cea mai joasă) este atmosferic, dar care nu este aer atmosferic ci alt gaz în echilibru de presiune cu atmosfera. Acest sistem este de asemenea caracterizat prin faptul că el înmagazinează energie transformând fluidul de lucru dintr-o stare iniţială gazoasă/de vapori într-o stare finală lichidă sau supercritică cu o temperatură apropiată de temperatura critică (de exemplu de mai puţin de 1,2 ori temperatura critică în Kelvin, de preferinţă între de 0,5 şi 1,2 ori). Este de asemenea caracterizat prin faptul că, de preferinţă, această temperatură critică nu este departe de temperatura ambiantă, de preferinţă apropiată de temperatura ambiantă (de preferinţă între 0°C şi 200°C, mai preferabil între 0° şi 100°C).

Fluidul de lucru este de preferinţă bioxid de carbon (CO2), dar pentru a îmbunătăţi performanţa sistemului, de asemenea în raport cu condiţiile speciale de mediu în care funcţionează, un amestec de CO2 şi alte substanţe ar putea fi utilizat pentru a corecta temperatura critică Tc a fluidului. Alte fluide, cum ar fi SF6, N2O, etc. pot fi utilizate, întotdeauna pure sau amestecate cu altele.

În sistemul propus în această invenţie, este prezentă o înmagazinare a căldurii recuperate de la alimentarea unui compresor. Atât rezervorul de înaltă presiune cât şi cel de joasă presiune lucrează la presiuni constante sau în orice caz reglate în anumite "intervale" bine-definite, atunci când sistemul funcţionează atât în condiţii subcritice cât şi supercritice, posibil cu diferite strategii de control.

În special, obiectivele declarate şi altele sunt substanţial îndeplinite de o instalaţie şi un proces pentru înmagazinarea energiei de tipul revendicat în revendicările anexate şi/sau descris în următoarele aspecte.

Într-un aspect independent, prezenta invenţie se referă la o instalaţie de înmagazinare a energiei (sistem de înmagazinare a energiei).

De preferinţă, instalaţia cuprinde:

o carcasă care înmagazinează un fluid de lucru altul decât aer atmosferic, într-o fază gazoasă şi în echilibru de presiune cu atmosfera, în care carcasa menţionată este un balon de presiune sau are structura unui gazometru;

un rezervor care înmagazinează fluidul de lucru menţionat în fază lichidă sau supercritică cu o temperatură apropiată de temperatura critică (de exemplu mai puţin de 1,2 ori temperatura critică în Kelvin 0,5 - 1,2); în care temperatura critică menţionată este între 0°C şi 200°C, mai preferabil între 0°C şi 100°C, de preferinţă apropiată de temperatura ambiantă;

în care instalaţia este configurată pentru a executa o transformare termodinamică ciclică închisă (TTC), mai întâi într-o direcţie într-o configuraţie/fază de încărcare şi apoi în direcţia opusă într-o configuraţie/fază de descărcare, între carcasa menţionată şi rezervorul menţionat; în care în configuraţia de încărcare sistemul acumulează căldură şi presiune şi în configuraţia de descărcare el generează energie.

De preferinţă, fluidul de lucru are următoarele proprietăţi fizico-chimice: temperatura critică între 0°C şi 100°C, densitatea la 25°C între 0,5 şi 10 kg/m3, de preferinţă între 1 şi 2 kg/m3.

De preferinţă, fluidul de lucru este ales din grupul care include: CO2, SF6, N2O sau un amestec al acestora, sau chiar un amestec al aceloraşi cu alte componente care acţionează ca aditivi, de exemplu în principal pentru a modifica parametrii temperaturii critice a amestecului rezultat pentru a optimiza performanţa sistemului.

De preferinţă, instalaţia de înmagazinare a energiei cuprinde:

• un compresor şi un motor conectate mecanic între ele; • o turbină şi un generator conectate mecanic între ele; • carcasa menţionată fiind în exterior în contact cu atmosfera şi delimitând în interior un volum configurat pentru a conţine fluidul de lucru la presiune atmosferică sau presiune substanţial atmosferică, în care volumul menţionat este selectiv în comunicaţie cu o intrare a compresorului sau cu o ieşire a turbinei; • un schimbător de căldură primar (sau chiar o multitudine de schimbătoare de căldură primare care pot de asemenea să funcţioneze cu diferite fluide pe partea lor secundară) selectiv în comunicaţie fluidă cu o ieşire a compresorului sau cu o intrare a turbinei; • rezervorul menţionat în comunicaţie fluidă cu schimbătorul de căldură primar pentru a acumula fluidul de lucru; • un schimbător de căldură secundar activ funcţional între schimbătorul de căldură primar şi rezervor sau în rezervor. Această instalaţie este configurată pentru a funcţiona într-o configuraţie de încărcare sau de descărcare. În configuraţia de încărcare, carcasa este în comunicaţie fluidă cu intrarea compresorului şi schimbătorul de căldură primar este în comunicaţie fluidă cu ieşirea compresorului, turbina este în repaus, motorul funcţionează şi antrenează compresorul pentru a comprima fluidul de lucru care vine de la carcasă, schimbătorul de căldură primar lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură din fluidul de lucru comprimat, a îl răci şi a înmagazina energie termică, schimbătorul de căldură secundar lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură suplimentară din fluidul de lucru comprimat şi a înmagazina energie termică suplimentară, rezervorul primeşte şi înmagazinează fluidul de lucru comprimat şi răcit, în care fluidul de lucru înmagazinat în rezervor are o temperatură apropiată de propria sa temperatura critică (de exemplu între 0,5 şi 1,2 din temperatura critică în Kelvin). În configuraţia de descărcare, carcasa este în comunicaţie fluidă cu ieşirea turbinei şi schimbătorul de căldură primar este în comunicaţie fluidă cu intrarea turbinei, compresorul este în repaus, schimbătorul de căldură secundar lucrează ca un încălzitor pentru a elibera căldură la fluidul de lucru care vine de la rezervor, schimbătorul de căldură primar lucrează ca un încălzitor pentru a elibera căldură suplimentară la fluidul de lucru şi a îl încălzi, turbina este rotită de fluidul de lucru încălzit şi antrenează generatorul generând energie, fluidul de lucru revine în carcasă la presiune atmosferică sau substanţial atmosferică. Într-un aspect independent, prezenta invenţie se referă la un proces de înmagazinare a energiei, implementat opţional cu instalaţia în conformitate cu aspectul anterior sau în conformitate cu cel puţin unul dintre următoarele aspecte. De preferinţă, procesul cuprinde: executarea unei transformări ciclice termodinamice închise (TTC), mai întâi într-o direcţie într-o configuraţie/fază de încărcare şi apoi într-o direcţie opusă într-o configuraţie/fază de descărcare, între o carcasă pentru înmagazinarea unui fluid de lucru altul decât aer atmosferic, într-o fază gazoasă şi în echilibru de presiune cu atmosfera, şi un rezervor pentru înmagazinarea fluidului de lucru menţionat într-o fază lichidă sau supercritică cu o temperatură apropiată de temperatura critică (de exemplu între 0,5 şi 1,2 din temperatura critică în Kelvin); în care temperatura critică menţionată este apropiată de temperatura ambiantă, de preferinţă între 0°C şi 100°C, dar de asemenea până la 200°C; în care procesul acumulează căldură şi presiune în faza de încărcare şi generează energie în faza de descărcare. De preferinţă, fluidul de lucru menţionat are următoarele proprietăţi fizico-chimice: temperatura critică între 0°C şi 200°C, mai preferabil între 0°C şi 100°C, de preferinţă apropiată de temperatura ambiantă. De preferinţă, acest fluid de lucru este ales din grupul care include: CO2, SF6, N2O sau un amestec al acestora, sau chiar un amestec al aceloraşi cu alte componente care acţionează ca aditivi, de exemplu în principal pentru a modifica parametrii temperaturii critice a amestecului rezultat pentru a optimiza performanţa sistemului. De preferinţă, procesul cuprinde o fază de încărcare cu energie şi o fază de descărcare şi generare de energie. Faza de încărcare cuprinde: • comprimarea fluidului de lucru, care vine de la carcasa menţionată în exterior în contact cu atmosfera şi delimitând în interior un volum configurat pentru a conţine fluidul de lucru menţionat la presiune atmosferică sau substanţial atmosferică, absorbind energie; • injectarea fluidului de lucru comprimat printr-un schimbător de căldură primar (sau chiar o multitudine de schimbătoare de căldură primare care în cele din urmă funcţionează cu diferite fluide pe partea lor secundară) şi un schimbător de căldură secundar amplasat în serie pentru a aduce o temperatură a fluidului de lucru aproape de propria sa temperatura critică; în care schimbătorul de căldură primar lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură din fluidul de lucru comprimat, a îl răci şi a înmagazina energie termică, în care schimbătorul de căldură secundar lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură suplimentară din fluidul de lucru comprimat şi a înmagazina energie termică suplimentară; • acumularea fluidului de lucru răcit în rezervorul menţionat; în care schimbătorul de căldură secundar şi schimbătorul de căldură primar operează o transformare supercritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru menţionat este acumulat în faza supercritică în rezervor sau în care schimbătorul de căldură secundar şi schimbătorul de căldură primar operează o transformare subcritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru menţionat este acumulat în faza lichidă în rezervor (de preferinţă de asemenea cu scopul de a regla presiunea la o valoare relativ minimă/redusă). Faza de descărcare şi generare de putere cuprinde: • trecerea fluidului de lucru, care vine de la rezervor, prin schimbătorul de căldură secundar şi schimbătorul de căldură primar; în care schimbătorul de căldură secundar lucrează ca un încălzitor pentru a transfera căldură la fluidul de lucru care vine de la rezervor (de preferinţă de asemenea cu scopul de a regla presiunea la o valoare relativ mare/maximă), în care schimbătorul de căldură primar lucrează ca un încălzitor pentru a elibera căldură suplimentară la fluidul de lucru şi a îl încălzi; • trecerea fluidului de lucru încălzit printr-o turbină, în care turbina este rotită de fluidul de lucru încălzit şi antrenează un generator generând energie, în care fluidul de lucru se expandează şi se răceşte în turbină; • reinjectarea fluidului de lucru de la turbină în carcasă la presiune atmosferică sau substanţial atmosferică. Solicitantul a verificat că procesul şi aparatul în conformitate cu invenţia permit să se îndeplinească obiectivele stabilite. În special, solicitantul a verificat că invenţia permite înmagazinarea energiei în locuri fără caracteristici geomorfologice speciale, chiar pentru aplicaţii marine/în larg, într-un mod sigur şi cu impact redus asupra mediului. Solicitantul a verificat de asemenea că fabricarea şi întreţinerea ulterioară a unui aparat în conformitate cu invenţia sunt relativ ieftine. Solicitantul a verificat că invenţia permite obţinerea de RTE mare. Solicitantul a verificat de asemenea că invenţia permite să se opereze o înmagazinare a energiei cu posibilitatea de a regla presiunea în rezervoarele de înmagazinare, permiţând astfel o mai bună operabilitate a sistemului, un randament mai bun atât al turbomaşinii cât şi al sistemului în ceea ce priveşte RTE. Aspecte ale invenţiei sunt listate mai jos. Într-un aspect, schimbătorul de căldură primar este, sau este cuplat funcţional la, o înmagazinare termică (Înmagazinare a Energiei Termice - TES). Într-un aspect, primul rând de conducte se desfăşoară între carcasă şi intrarea compresorului şi între carcasă şi ieşirea turbinei pentru a conecta carcasa fluidului cu compresorul şi turbina. Într-un aspect, cel puţin o supapă este amplasată funcţional pe primul rând de conducte menţionat pentru a conecta fluidul alternativ cu carcasa compresorului sau turbina cu carcasa. Într-un aspect, al doilea rând de conducte se desfăşoară între intrarea turbinei şi schimbătorul de căldură primar şi între ieşirea compresorului şi schimbătorul de căldură primar pentru a pune în comunicaţie fluidă schimbătorul de căldură primar menţionat cu compresorul şi turbina menţionate. Într-un aspect, cel puţin o supapă este amplasată funcţional pe al doilea rând de conducte menţionat pentru a pune în comunicaţie fluidă compresorul cu schimbătorul de căldură primar sau schimbătorul de căldură primar cu turbina. Într-un aspect, al treilea rând de conducte se desfăşoară între schimbătorul de căldură primar şi schimbătorul de căldură secundar pentru a pune în comunicaţie fluidă schimbătorul de căldură primar menţionat cu schimbătorul de căldură secundar menţionat. Într-un aspect, un schimbător de căldură suplimentar este amplasat funcţional între carcasă şi compresor şi între carcasă şi turbină pentru a preîncălzi fluidul de lucru înainte de comprimarea în compresor, în configuraţia de încărcare, sau pentru a răci fluidul de lucru care vine de la turbină, în configuraţia de descărcare. Într-un aspect, schimbătorul de căldură suplimentar este asociat funcţional cu primul rând de conducte. Într-un aspect, schimbătorul de căldură suplimentar cuprinde un dispozitiv suplimentar de înmagazinare a energiei termice. Într-un aspect, în configuraţia de încărcare, schimbătorul de căldură suplimentar lucrează ca un încălzitor pentru a preîncălzi fluidul de lucru. Într-un aspect, în configuraţia de descărcare, schimbătorul de căldură suplimentar lucrează ca un răcitor pentru a răci fluidul de lucru şi a înmagazina energie termică suplimentară care este utilizată în configuraţia de încărcare pentru a preîncălzi fluidul de lucru menţionat. Într-un aspect, un răcitor este amplasat pe o ramificaţie a primului rând de conducte conectat la ieşirea turbinei. Într-un aspect, un schimbător de căldură suplimentar asociat funcţional cu o sursă de căldură suplimentară este interpus funcţional între turbină şi schimbătorul de căldură primar şi este configurat pentru a încălzi suplimentar fluidul de lucru în faza de descărcare înainte de a intra în turbină. Într-un aspect, în configuraţia de descărcare, sursa de căldură suplimentară furnizează căldură suplimentară fluidului de lucru. Într-un aspect, în faza de descărcare şi generare de energie, între schimbătorul de căldură primar şi turbină, este preconizat să se încălzească suplimentar fluidul de lucru prin intermediul unei surse de căldură suplimentare. Într-un aspect, sursa de căldură suplimentară este: o sursă solară (de exemplu câmp de celule solare) şi/sau recuperarea căldurii din deşeuri industriale (Recuperarea de Căldură din Deşeuri) şi/sau căldura evacuată de la turbinele pe gaz (GT). Într-un aspect, o temperatură la care fluidul de lucru este adus în faza de descărcare şi chiar înainte de a intra în turbină, prin intermediul sursei de căldură suplimentare şi schimbătorului de căldură suplimentar, este mai mare decât o temperatură a fluidului de lucru la sfârşitul comprimării în timpul fazei de încărcare. Într-un aspect, temperatura la care fluidul de lucru este adus prin intermediul sursei de căldură suplimentare şi schimbătorului de căldură suplimentar este mai mare de aproximativ 100°C, dar de asemenea 200°C sau 300°C sau 400°C în comparaţie cu temperatura fluidului de lucru la sfârşitul comprimării. Solicitantul a verificat că încălzirea suplimentară a fluidului de lucru de către sursa de căldură suplimentară permite să se crească considerabil Randamentul în Circuit (RTE). Într-un aspect, carcasa este deformabilă. Într-un aspect, carcasa este făcută din material flexibil, de preferinţă plastic, de exemplu ţesătură poliesterică acoperită cu PVC. Într-un aspect, motorul şi generatorul sunt elemente distincte, în care motorul este de preferinţă conectat permanent la compresor şi generatorul este de preferinţă conectat permanent la turbină. Într-un aspect, motorul şi generatorul sunt definite de un singur motor-generator. Într-un aspect, instalaţia cuprinde dispozitive de conectare, de preferinţă de tipul cu ambreiaj, între motorul-generator şi compresor şi de asemenea între motorul-generator şi turbină pentru a conecta mecanic şi alternativ motorul-generator la compresor sau la turbină. Într-un aspect, motorul-generator, compresorul şi turbina sunt dispuse pe o aceeaşi axă. Într-un aspect, comprimarea fluidului de lucru în compresor este adiabatică, cu răcire intermediară sau izotermă. Într-un aspect, expansiunea fluidului de lucru în turbină este adiabatică, cu încălzire intermediară sau izotermă. Într-un aspect, o înmagazinare termică auxiliară (Înmagazinare a Energiei Termice TES) este conectată la compresor şi la turbină. Într-un aspect, acumulatorul termic auxiliar este configurat pentru a realiza, în compresor şi în timpul fazei de încărcare, o comprimare cu răcire intermediară, cu una sau mai multe răciri intermediare. Într-un aspect, acumulatorul termic auxiliar este configurat pentru a efectua, în turbină şi în timpul fazei de descărcare, o expansiune cu încălzire intermediară, cu una sau mai multe încălziri intermediare. Într-un aspect, este preconizat să se efectueze o multitudine de răciri intermediare în faza de încărcare şi să se efectueze un număr mai mic de încălziri intermediare decât numărul de răciri intermediare utilizând căldura (acumulată în acumulatorul termic auxiliar) doar a unei părţi dintre răcirile intermediare. Într-un aspect, este preconizat să se efectueze o multitudine de răciri intermediare în faza de încărcare şi să se efectueze o singură încălzire intermediară în faza de descărcare utilizând doar căldura (acumulată în acumulatorul termic auxiliar) ultimei răciri intermediare. Solicitantul a verificat că combinaţia de încălzire suplimentară a fluidului de lucru de către sursa de căldură suplimentară împreună cu răcirile intermediare şi încălzirile intermediare menţionate mai sus permite să se crească Randamentul în Circuit (RTE) până la valori mai mari de 100%. Într-un aspect, schimbătorul de căldură primar este sau cuprinde un regenerator de căldură cu pat fix sau mobil. Într-un aspect, regeneratorul de căldură cu pat fix sau mobil cuprinde cel puţin o masă termică învăluită de fluidul de lucru. Într-un aspect, regeneratorul de căldură cu pat fix sau mobil cuprinde cel puţin o masă termică neînvăluită de fluidul de lucru, ci separată de el cu un perete, de obicei făcut din metal, care este capabil să conţină presiunea, şi prin urmare masa este la presiune atmosferică. Într-un aspect, masa termică cuprinde material incoerent, opţional pietriş sau metal sau bile ceramice. Într-un aspect, masa termică cuprinde material coerent, opţional ciment sau ceramică sau metal. Într-un aspect, schimbătorul de căldură primar cuprinde un circuit primar traversat de un fluid primar sau mai multe circuite primare traversate de mai multe fluide primare, opţional apă, ulei sau săruri. Într-un aspect, circuitul primar cuprinde o porţiune de schimb de căldură configurată pentru a schimba căldură cu fluidul de lucru. Într-un aspect, circuitul primar cuprinde cel puţin o cameră primară de înmagazinare, de preferinţă două camere de înmagazinare, pentru fluidul primar menţionat. Într-un aspect, circuitul primar cuprinde o cameră primară de înmagazinare caldă, pentru fluidul primar cald acumulat după scoaterea căldurii din fluidul de lucru în configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului, şi o cameră primară de înmagazinare rece, pentru fluidul primar rece acumulat după transferarea căldurii la fluidul de lucru în configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului. Într-un aspect, circuitul primar cuprinde un regenerator de căldură cu pat fix, care funcţionează de preferinţă la presiune atmosferică, care este învăluit de fluidul primar. Într-un aspect, schimbătorul de căldură secundar cuprinde un circuit secundar traversat de un fluid secundar, opţional aer sau apă. Într-un aspect, circuitul secundar cuprinde o porţiune de schimb de căldură configurată pentru a fi învăluită de fluidul de lucru. Într-un aspect, circuitul secundar cuprinde cel puţin o cameră de înmagazinare secundară pentru acest fluid secundar. Într-un aspect, circuitul secundar cuprinde o cameră de înmagazinare secundară caldă, pentru fluidul secundar cald acumulat după scoaterea căldurii din fluidul de lucru în configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului, şi o cameră de înmagazinare secundară rece, pentru fluidul secundar rece acumulat după eliberarea căldurii la fluidul de lucru în configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului. Într-un aspect, schimbătorul de căldură secundar este situat între schimbătorul de căldură primar şi rezervorul menţionat. Într-un aspect, schimbătorul de căldură secundar este integrat în rezervor. Într-un aspect, schimbătorul de căldură secundar este dotat cu sisteme pentru reglarea debitului şi/sau temperaturii fluidului secundar, de obicei apă sau aer, capabile să regleze presiunea în rezervoarele de înmagazinare în anumite limite, atunci când sistemul funcţionează în condiţii subcritice. Controlul temperaturii poate fi executat prin adăugarea de căldură din atmosferă sau scoaterea de căldură în atmosferă, de asemenea profitând de fluctuaţiile normale din temperatura ambiantă a aerului şi apei la momente diferite ale zilei. Într-un aspect, schimbătorul de căldură secundar este amplasat într-un bazin plin cu apă, alcătuit dintr-o cameră sau două camere. În schimbătorul de căldură secundar menţionat fluidul de lucru este condensat în timpul fazei de încărcare şi evaporat în faza de descărcare prin circularea apei, de preferinţă prin pompe submersibile. Cele două camere ale bazinului menţionat pot fi acoperite sau descoperite şi în comunicaţie sau nu cu mediul astfel încât camera din care apa este circulată pentru condensare în faza de încărcare este întotdeauna răcită de mediul înconjurător, pe când cea din care apa este circulată pentru evaporare în faza de descărcare este întotdeauna încălzită de mediul înconjurător şi posibil ţinută caldă prin acoperire. Într-un aspect, cele de mai sus pot fi susţinute în plus de sisteme de schimb speciale care absorb căldură sau eliberează căldură, într-un mod convectiv şi radiant cu mediul, toate pentru îmbunătăţirea RTE al sistemului. În acest mod este efectuată o reglare a presiunii atunci când sistemul funcţionează în condiţii subcritice. Într-un aspect, porţiunea de schimb de căldură a schimbătorului de căldură secundar este găzduită în interiorul rezervorului. Într-un aspect, circuitul secundar este configurat pentru a scoate căldură din fluidul de lucru, în configuraţia de încărcare, sau pentru a transfera căldură la fluidul de lucru, în configuraţia de descărcare, la o temperatură sub 100°C, opţional între 0°C şi 50°C, opţional la o temperatură apropiată de temperatura ambiantă. Într-un aspect, în configuraţia/faza de încărcare, deoarece schimbătorul de căldură secundar lucrează în condiţii apropiate de temperatura ambiantă, datorită faptului că fluidul are o temperatură critică apropiată de temperatura ambiantă, este posibil ca faza de scoatere a căldurii prin schimbătorul de căldură secundar să fie asistată de o fază de schimb direct sau indirect cu atmosfera. Într-un aspect, în configuraţia/faza de descărcare, deoarece schimbătorul de căldură secundar lucrează în condiţii apropiate de temperatura ambiantă, datorită faptului că fluidul are o temperatură critică apropiată de temperatura ambiantă, este posibil ca faza de alimentare a căldurii prin schimbătorul de căldură secundar să fie asistată de o fază de schimb direct sau indirect cu atmosfera. Într-un aspect, rezervorul este sferic sau substanţial sferic. Într-un aspect, rezervorul este cilindric sau substanţial cilindric. Într-un aspect, un perete exterior al rezervorului este făcut din metal. Într-un aspect, o temperatură a fluidului de lucru acumulat în rezervor este între 0°C şi 100°C. Într-un aspect, o presiune a fluidului de lucru acumulat în rezervor este între 10 bar şi 150 bar, de preferinţă între 10 bar şi 150 bar, de preferinţă între 50 şi 100 bar, de preferinţă între 65 şi 85 bar. Într-un aspect, un raport între o densitate a fluidului de lucru atunci când este conţinut în rezervor şi o densitate a fluidului de lucru atunci când este conţinut în carcasă este între 200 şi 500. Într-un aspect, schimbătorul de căldură secundar şi schimbătorul de căldură primar sunt configurate pentru a opera o transformare supercritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru menţionat este acumulat în rezervor în fază supercritică. Într-un aspect, este prevăzut să se scoată căldură din fluidul de lucru în schimbătorul de căldură primar până ce el este adus, într-un grafic T-S, la o temperatură peste temperatura critică şi peste clopotul lui Andrews. Într-un aspect, este prevăzut să se scoată căldură din fluidul de lucru în schimbătorul de căldură secundar aducându-l în faza supercritică şi făcându-l să urmărească porţiunea dreaptă a clopotului lui Andrews. Într-un aspect, rezervorul cuprinde o membrană de separare configurată pentru a separa în interior rezervorul într-o primă cameră cu volum variabil pentru fluidul de lucru în fază supercritică şi o a doua cameră cu volum variabil în comunicaţie fluidă cu un circuit de compensare conţinând un fluid necomprimabil, opţional apă. Într-un aspect, circuitul de compensare este configurat pentru a menţine o presiune substanţial constantă în fluidul de lucru supercritic conţinut în prima cameră cu volum variabil a rezervorului, sau cel puţin pentru a menţine presiunea fluidului de lucru întotdeauna peste o anumită valoare minimă. Într-un aspect, circuitul de compensare cuprinde un rezervor auxiliar pentru fluidul necomprimabil, opţional la presiune atmosferică, în comunicaţie fluidă cu a doua cameră cu volum variabil. Într-un aspect, circuitul de compensare cuprinde o turbină auxiliară conectată la un generator auxiliar şi configurată pentru a fi rotită de fluidul necomprimabil care vine de la a doua cameră cu volum variabil în configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului. Într-un aspect, energia de expansiune a lichidului (de obicei apă) din circuitul de compensare în faza de încărcare este între 1/100 şi 7/100 din energia de încărcare a sistemului de înmagazinare prin compresor. Într-un aspect, circuitul de compensare cuprinde o pompă conectată la un motor auxiliar şi configurată pentru a pompa fluidul necomprimabil din rezervorul auxiliar în a doua cameră cu volum variabil în configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului. Într-un aspect, energia de pompare a lichidului (de obicei apă) din circuitul de compensare în faza de descărcare este între 1/100 şi 7/100 din energia de descărcare a sistemului de înmagazinare prin turbină. Într-un aspect, schimbătorul de căldură secundar şi schimbătorul de căldură primar sunt configurate pentru a efectua o transformare subcritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru este acumulat în rezervor în fază lichidă. Într-un aspect, este prevăzut să se scoată căldură din fluidul de lucru în schimbătorul de căldură primar până ce el este adus la o temperatură sub temperatura critică într-un grafic T-S şi la un punct pe porţiunea stângă a clopotului lui Andrews. Într-un aspect, este prevăzut să se scoată căldură din fluidul de lucru în schimbătorul de căldură secundar trecându-l prin zona cu vapori saturaţi până ce el ajunge la faza lichidă. Elemente şi avantaje suplimentare vor apărea mai în detaliu în descrierea detaliată a variantelor preferate, dar nu exclusive, de realizare a unei instalaţii şi unui proces pentru înmagazinarea energiei în conformitate cu prezenta invenţie.

Descrierea desenelor

Această descriere va fi prezentată mai jos cu referire la desenele anexate, care sunt prevăzute în scop indicativ şi nelimitativ, în care:

▪ figura 1 arată schematic o variantă de realizare a unei instalaţii de înmagazinare a energiei în conformitate cu prezenta invenţie;

▪ figura 2 arată o variantă a instalaţiei din figura 1 ;

▪ figura 3 este un grafic T-S care arată un proces în conformitate cu prezenta invenţie implementat în instalaţiile din figura 1 sau 2;

▪ figura 4 arată o variantă suplimentară de realizare a unei instalaţii de înmagazinare a energiei în conformitate cu prezenta invenţie;

▪ figura 5 arată o variantă a instalaţiei din figura 4;

▪ figura 6 este un grafic T-S care arată un proces în conformitate cu prezenta invenţie implementat în instalaţiile din figura 4 sau 5;

▪ figura 7 este un grafic T-Q care arată o parte a procesului în conformitate cu prezenta invenţie implementată în instalaţiile din figura 4 sau 5;

▪ figurile 8, 9 şi 10 arată variante respective ale unei porţiuni a instalaţiei din figura 2;

▪ figurile 11 şi 12 arată variante respective ale unei porţiuni diferite a instalaţiilor din figurile 1, 2, 4 şi 5;

▪ figura 13 arată o variantă suplimentară de realizare a unei instalaţii de înmagazinare a energiei în conformitate cu prezenta invenţie.

Descrierea detaliată

Cu referire la figurile anexate, cu numărul de referinţă 1 a fost indicată global o instalaţie pentru înmagazinarea de energie (înmagazinare a energiei) în conformitate cu prezenta invenţie.

Instalaţia 1, de exemplu, funcţionează cu un fluid de lucru altul decât aer atmosferic. De exemplu, instalaţia 1 funcţionează cu un fluid de lucru ales din grupul care include: bioxid de carbon CO2, hexafluorură de sulf SF6, protoxid de azot N2O. În descrierea următoare, fluidul de lucru utilizat în combinaţie cu instalaţia descrisă 1 este bioxid de carbon CO2.

Instalaţia 1 este configurată pentru a efectua o transformare termodinamică ciclică închisă (TTC), mai întâi într-o direcţie într-o configuraţie/fază de încărcare şi apoi în direcţia opusă într-o configuraţie/fază de descărcare, în care instalaţia 1 înmagazinează căldură şi presiune în configuraţia de încărcare şi generează energie electrică în configuraţia de descărcare.

Cu referire la figura 1, instalaţia 1 cuprinde o turbină 2 şi un compresor 3 conectate mecanic la un arbore al unui singur motor-generator 4. Motorul-generator 4, compresorul 3 şi turbina 2 sunt dispuse pe o aceeaşi axă. Un arbore al turbinei 2 este cuplat la un capăt al arborelui motorului-generator 4 prin intermediul dispozitivelor de conectare, de exemplu de tipul cu ambreiaj, care fac posibil să se conecteze şi să se deconecteze, la comandă, turbina 2 la şi de la motorul-generator 4. În mod similar, un arbore al compresorului 3 este cuplat la un capăt opus al arborelui motorului-generator 4 prin intermediul dispozitivelor de conectare, de exemplu de tipul cu ambreiaj, care permit compresorului 3 să fie conectat la şi deconectat de la motorul-generator 4 la comandă. În alte variante de realizare nearătate aici, motorul este conectat ferm la compresor 3 şi generatorul este conectat ferm la turbină 2. Într-un astfel de caz, motorul este conectat permanent la compresor 3 şi generatorul este conectat permanent la turbină 2.

Instalaţia 1 cuprinde o carcasă 5 de preferinţă definită de un balon de presiune făcut din material flexibil, de exemplu ţesătură poliesterică acoperită cu PVC. Balonul de presiune este amplasat pe suprafaţa pământului şi este în exterior în contact cu aerul atmosferic. Balonul de presiune delimitează în interior un volum configurat pentru a conţine fluidul de lucru la presiune atmosferică sau presiune substanţial atmosferică, adică în echilibru de presiune cu atmosfera. Carcasa 5 poate fi de asemenea proiectată ca un gazometru sau orice alt sistem de înmagazinare a gazului cu suprapresiune joasă sau fără suprapresiune.

Primul rând de conducte 6 se desfăşoară între carcasă 5 şi o intrare 3a a compresorului 3 şi între carcasă 5 şi o ieşire 2b a turbinei 2 pentru a conecta volumul interior al carcasei 5 cu compresorul 3 şi turbina 2 menţionate. O supapă sau un sistem de supape, neilustrat, poate fi amplasat funcţional pe primul rând de conducte 6 pentru a pune în comunicaţie fluidă alternativ carcasa 5 cu intrarea 3a a compresorului 3 sau ieşirea 2b a turbinei 2 cu carcasa 5.

Instalaţia 1 cuprinde un schimbător de căldură primar 7 care poate fi pus selectiv în comunicaţie fluidă cu o ieşire 3b a compresorului 3 sau cu o intrare 2a a turbinei 2. În acest scop, al doilea rând de conducte 8 se desfăşoară între intrarea 2a a turbinei 2 şi schimbătorul de căldură primar 7 şi între ieşirea 3b a compresorului 3 şi schimbătorul de căldură primar 7. O supapă sau un sistem de supape, neilustrat, este situat funcţional pe al doilea rând de conducte 8 pentru a conecta schimbătorul de căldură primar 7 cu intrarea 2a a turbinei 2 sau ieşirea 3b a compresorului 3 cu schimbătorul de căldură primar 7. Într-o variantă preferată de realizare, există doar o supapă sau sistem de supape situat pe al doilea rând de conducte 8.

Un rezervor 9 este în comunicaţie fluidă cu schimbătorul de căldură primar 7 şi este configurat pentru a înmagazina fluidul de lucru în fază lichidă sau supercritică.

Rezervorul 9 este de preferinţă făcut din metal cu un perete exterior sferic.

Un schimbător de căldură secundar 10 este activ funcţional între schimbătorul de căldură primar 7 şi rezervor 9, sau în rezervorul 9 menţionat, şi este configurat pentru a opera asupra fluidului de lucru acumulat sau în faza de acumulare în rezervor 9. În conformitate cu ceea ce este arătat în varianta de realizare din figura 1, schimbătorul de căldură secundar 10 este integrat în rezervor 9 în sensul că el are propria sa porţiune de schimb de căldură 11 găzduită în interiorul rezervorului 9 şi configurată pentru a fi atinsă de fluidul de lucru conţinut în rezervorul 9 menţionat. Al treilea rând de conducte 12 se desfăşoară între schimbătorul de căldură primar 7 şi rezervor 9 pentru a pune în comunicaţie fluidă schimbătorul de căldură primar 7 menţionat cu rezervorul 9 menţionat şi cu schimbătorul de căldură secundar 10 menţionat.

În reprezentarea schematică din figura 1, instalaţia 1 poate cuprinde de asemenea un schimbător de căldură suplimentar 13 amplasat funcţional între carcasă 5 şi compresor 2 şi între carcasă 5 şi turbină 2 şi posibil un răcitor 13a poziţionat pe o ramificaţie a primului rând de conducte 6 conectat la ieşirea 2b a turbinei 2.

Instalaţia 1 cuprinde de asemenea o unitate de comandă, nearătată, conectată funcţional la diferite elemente ale aceleiaşi instalaţii 1 şi configurată/programată să îi gestioneze funcţionarea.

Instalaţia 1 este configurată pentru a funcţiona într-o configuraţie de încărcare sau într-o configuraţie de descărcare sau pentru a efectua un proces cuprinzând o fază de încărcare cu energie şi o fază de descărcare şi generare de energie.

În configuraţia de încărcare, instalaţia 1 porneşte dintr-o primă stare în care fluidul de lucru (CO2) în formă gazoasă este conţinut în totalitate în carcasă 5 la presiune atmosferică sau presiune substanţial atmosferică şi la o temperatură substanţial egală cu temperatura ambiantă (punctul A din graficul T-S din figura 3). Carcasa 5, prin sistemul de supape, este conectată la intrarea 3a a compresorului 3 pe când comunicaţia cu ieşirea 2b a turbinei 2 este blocată. În plus, prin intermediul sistemului de supape, schimbătorul de căldură primar 7 este în comunicaţie fluidă cu ieşirea 3b a compresorului 3 şi comunicaţia cu intrarea 2a a turbinei 2 este blocată. Motorul-generator 4 este cuplat doar la compresor 3 şi este decuplat de la turbină 2 (care este în repaus) şi lucrează ca motor pentru a antrena compresorul 3 astfel încât să comprime fluidul de lucru care vine din carcasă 5. Înainte de a intra în compresor 3, fluidul de lucru trece prin schimbătorul de căldură suplimentar 13 care acţionează ca un încălzitor pentru a preîncălzi fluidul de lucru (punctul B din graficul T-S din figura 3). Fluidul de lucru este apoi comprimat în compresor 3 şi se încălzeşte (punctul C din graficul T-S din figura 3). Fluidul de lucru curge apoi prin schimbătorul de căldură primar 7 care lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură din fluidul de lucru comprimat, a îl răci (punctul D din graficul T-S din Figura 3) şi a înmagazina energia termică scoasă din fluidul de lucru. În punctul D fluidul de lucru este la o temperatură mai joasă decât temperatura critică a fluidului de lucru şi la un punct de pe latura stângă a clopotului lui Andrews sau puţin în afara clopotului în condiţii de uşoară supraîncălzire. Această comprimare poate fi adiabatică, cu răcire intermediară sau izotermă. Fluidul de lucru intră în rezervor 9 unde schimbătorul de căldură secundar 10, care în această configuraţie lucrează ca un răcitor, scoate căldura suplimentară din fluidul de lucru şi acumulează energie termică suplimentară. Fluidul de lucru trece prin zona cu vapori saturaţi până ce ajunge în fază lichidă (punctul E din graficul T-S din Figura 3). Rezervorul 9 prin urmare acumulează fluidul de lucru în faza lichidă la o temperatură mai joasă decât propria sa temperatura critică Tc. În această a doua stare, fluidul de lucru (CO2, Tc = 31 °C) în formă lichidă, de exemplu la 20°C, este conţinut în totalitate în rezervor 9. Schimbătorul de căldură secundar 10 şi schimbătorul de căldură primar 9 sunt prin urmare configurate pentru a efectua o transformare subcritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru este acumulat în rezervor 9 în fază lichidă.

În configuraţia de descărcare, instalaţia 1 porneşte din a doua stare (punctul F din graficul T-S din figura 3). Carcasa 5, prin sistemul de supape, este pusă în comunicaţie cu ieşirea 2b a turbinei 2 pe când comunicaţia cu intrarea 3a a compresorului 3 este blocată. În plus, prin intermediul sistemului de supape, schimbătorul de căldură primar 7 este în comunicaţie fluidă cu intrarea 2a a turbinei 2 şi comunicaţia cu ieşirea 3b a compresorului 3 este blocată. Motorul-generator 4 este cuplat doar la turbină 2 şi este decuplat de la compresor 3 (care este în repaus) şi lucrează ca un generator antrenat în rotaţie de turbina 2 antrenată prin expansiunea fluidului de lucru.

Schimbătorul de căldură secundar 10 lucrează ca un încălzitor şi transferă o parte din căldura acumulată anterior în configuraţia de încărcare la fluidul de lucru din rezervor 9. Fluidul de lucru trece prin zona de vapori saturaţi până ce ajunge la faza de vapori (punctul G din graficul T-S din Figura 3). Fluidul de lucru trece prin schimbătorul de căldură primar 7 care lucrează acum ca un încălzitor şi eliberează căldură suplimentară, acumulată anterior în configuraţia de încărcare, la fluidul de lucru şi îl încălzeşte (punctul H din graficul T-S din figura 3).

Fluidul de lucru încălzit intră în turbină 2, se expandează şi se răceşte (punctul I din graficul T-S din figura 3) şi provoacă rotaţia turbinei 2. Turbina 2, rotită de fluidul de lucru încălzit, antrenează motorul-generator 4, care lucrează ca un generator şi generează energie electrică. Expansiunea fluidului de lucru în turbină poate fi adiabatică, cu încălzire intermediară sau izotermă.

Fluidul de lucru care vine de la turbină 2 este răcit în schimbătorul de căldură suplimentar 13 (punctul J din graficul T-S din figura 3) şi revine în carcasă 5 la presiune atmosferică sau substanţial atmosferică. În această fază schimbătorul de căldură suplimentar 13 înmagazinează energie termică suplimentară într-un dispozitiv suplimentar respectiv de înmagazinare a energiei termice, care va fi utilizată în următoarea fază de încărcare pentru a preîncălzi fluidul de lucru.

În transformarea ilustrată în figura 3, circuitul secundar 20 este configurat pentru a scoate căldură din fluidul de lucru, în configuraţia de încărcare, sau pentru a transfera căldură la fluidul de lucru, în configuraţia de descărcare, la o temperatură apropiată de temperatura ambiantă, de exemplu, de aproximativ 20°C.

Atât în configuraţia/faza de încărcare cât şi în cea de descărcare, deoarece schimbătorul de căldură secundar 10 funcţionează în condiţii apropiate de temperatura ambiantă, datorită faptului că fluidul are o temperatura critică apropiată de temperatura ambiantă, este posibil ca faza de scoatere a căldurii şi/sau faza de alimentare a căldurii de către schimbătorul de căldură secundar să fie asistate de o fază de schimb direct sau indirect cu atmosfera.

De exemplu, o temperatură a unui fluid de lucru (CO2) acumulat în rezervorul 9 este 24°C şi o presiune a unui fluid de lucru acumulat în rezervorul 9 este 65 bar. Densitatea CO2 la 25°C şi presiune atmosferică este aproximativ 1,8 kg/m3. Densitatea de CO2 în rezervor 9 este aproximativ 730 kg/m3. Raportul între densitatea fluidului de lucru atunci când este conţinut în rezervor 9 în condiţiile indicate şi densitatea aceluiaşi fluid de lucru atunci când este conţinut în carcasă 5 în condiţii atmosferice este prin urmare aproximativ 400. Ar trebui remarcat în această privinţă că dacă în loc de CO2 ar fi fost utilizat aer atmosferic înmagazinat la 65 bar şi 24°C în rezervor 9, densitatea sa ar fi doar 78 kg/m3 şi volumul rezervorului 9 necesar teoretic ar fi aproximativ de zece ori mai mare.

De exemplu, pentru o instalaţie 1 în conformitate cu invenţia capabilă să înmagazineze 100 MWh de energie, volumul balonului de presiune este aproximativ 400.000 m3 pe când volumul rezervorului este aproximativ 1.000 m3.

Varianta din figura 2 arată un tip de schimbător de căldură primar 7, adică un regenerator de căldură cu pat fix cuprinzând o masă termică 14 constând, de exemplu, din bile metalice. În configuraţia/faza de încărcare, masa termică 14 este învăluită de fluidul de lucru cald, comprimat, care transferă căldură la bilele metalice care înmagazinează energie termică. În configuraţia/faza de descărcare, masa termică 14 este învăluită de fluidul de lucru rece, care absoarbe căldură de la bilele metalice şi se încălzeşte. Într-o variantă nearătată, regeneratorul de căldură poate fi de asemenea de tipul cu pat mobil. Schimbătorul de căldură primar 7 este prin urmare o înmagazinare termică (Înmagazinare de Energie Termică TES). În schimbul regeneratorului de căldură cu pat fix arătat în figura 2, pot fi utilizate alte tipuri de regenerator de căldură.

De exemplu, un posibil schimbător de căldură primar 7 este arătat în figura 11. Aşa cum este arătat în Figura 11, schimbătorul de căldură primar 7 cuprinde un circuit primar 15 traversat de un fluid primar, cum ar fi apă, ulei sau săruri. Circuitul primar 15 cuprinde o porţiune de schimb de căldură 16 configurată pentru a schimba căldură cu fluidul de lucru. De exemplu, în varianta schematică de realizare ilustrată mai sus, o secţiune a celui de-al doilea rând 8 de conducte prin care curge fluidul de lucru trece prin secţiunea de schimb de căldură 16, astfel încât fluidul primar atinge secţiunea menţionată. Circuitul primar 15 cuprinde o cameră primară de înmagazinare caldă 17, pentru fluidul primar cald acumulat după scoaterea căldurii din fluidul de lucru în configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului, şi o cameră primară de înmagazinare rece 18, pentru fluidul primar rece acumulat după transferarea căldurii la fluidul de lucru în configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului. Porţiunea de schimb de căldură 16 este amplasată între camera primară de înmagazinare caldă 17 şi camera primară de înmagazinare rece 18. În configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului, fluidul primar curge din camera primară de înmagazinare rece 18 în camera primară de înmagazinare caldă 17, scoţând căldură din fluidul de lucru. În configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului, fluidul primar curge din camera primară de înmagazinare caldă 17 la camera primară de înmagazinare rece 18 eliberând căldură din fluidul de lucru.

Un schimbător de căldură primar 7 diferit posibil este arătat în figura 12. În conformitate cu ceea ce este ilustrat în figura 12, circuitul primar 15 al schimbătorului de căldură primar 7 cuprinde o porţiune de schimb de căldură 16 definită de o secţiune a circuitului primar 15 care este învăluită de fluidul de lucru care trece prin al doilea rând de conducte 8. Circuitul primar 15 cuprinde de asemenea un regenerator de căldură cu pat fix 19, care funcţionează de preferinţă la presiune atmosferică şi de preferinţă similar cu cel descris mai sus, care este învăluit de fluidul primar.

Varianta din figura 2 nu este dotată cu schimbătorul de căldură suplimentar 13 astfel încât graficul T-S corespondent, neilustrat, nu arată, în raport cu graficul din figura 3, punctele B şi J.

Varianta din Figura 2 are de asemenea o structură specială a schimbătorului de căldură secundar 10. Schimbătorul de căldură secundar 10 arătat include un circuit secundar 20 traversat de un fluid secundar, cum ar fi aer sau apă. Circuitul secundar 20, în plus faţă de porţiunea de schimb de căldură 11 găzduită în interiorul rezervorului 9, cuprinde o cameră secundară de înmagazinare caldă 21, pentru fluidul secundar cald acumulat după scoaterea căldurii din fluidul de lucru în configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului, şi o cameră secundară de înmagazinare rece 22, pentru fluidul secundar rece acumulat după eliberarea căldurii la fluidul de lucru în configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului. Camerele 21, 22 menţionate mai sus sunt de asemenea conectate între ele, în plus faţă de porţiunea de schimb de căldură 11 menţionată mai sus, printr-un radiator 23 dotat cu ventilatoare 24 şi cu canale de recirculare care răceşte fluidul secundar în timpul nopţii şi îl încălzeşte în timpul zilei.

Figurile 8, 9 şi 10 arată alte variante de schimbător de căldură secundar 10 asociat cu rezervorul 9.

În Figura 8, circuitul secundar 20, în plus faţă de porţiunea de schimb de căldură 11, este dotat cu o porţiune de schimb de căldură suplimentară 25 prin care schimbă căldură cu, de exemplu, aer sau apă de mare.

În Figura 9, circuitul secundar 20 este dotat cu un rezervor secundar 26 cu apă/gheaţă sau alt sistem în două faze conectat funcţional la un frigorifer auxiliar 27.

În Figura 10, circuitul secundar 20 este situat într-un bazin plin cu apă alcătuit din mai multe camere 28a, 28b, 28c. Varianta de realizare ilustrată în figura 10 arată o cameră 28a pentru înmagazinarea apei calde, o cameră 28b pentru înmagazinarea apei reci şi o cameră 28c în comunicaţie fluidă cu celelalte şi care găzduieşte o parte a circuitului secundar 20. Fluidul secundar din circuitul secundar 20 este răcit sau încălzit de apa din bazin. Fluidul de lucru este condensat în faza de încărcare şi evaporat în faza de descărcare de apa circulată în mod adecvat, de preferinţă prin pompe submersibile şi prin fluidul secundar. Camerele 28 ale bazinului menţionat pot fi acoperite sau neacoperite şi în comunicaţie sau nu cu mediul astfel încât camera din care este circulată apa pentru condensare în timpul încărcării este întotdeauna răcită de mediul înconjurător, prin panouri 29 adecvate, pe când cea din care apa este circulată pentru evaporare în timpul descărcării este întotdeauna încălzită de mediul înconjurător şi posibil ţinută caldă de un capac. Cele de mai sus pot fi în plus susţinute de sisteme de schimb speciale care absorb căldură sau eliberează căldură, atât prin convecţie cât şi prin radiaţie, cu mediul, toate pentru a îmbunătăţi RTE al sistemului.

Variantele de realizare din figurile 4 şi 5 diferă structural de ceea ce a fost deja descris deoarece schimbătorul de căldură secundar 10 este amplasat între schimbătorul de căldură primar 7 şi rezervor 9, adică nu este integrat în rezervor 9. Schimbătorul de căldură secundar 10 este în linie pe al treilea rând de conducte 12. Figura 4 ilustrează schematic un schimbător de căldură secundar 10 generic. Figura 5 arată un exemplu schematic de proiectare a schimbătorului de căldură secundar 10.

Schimbătorul de căldură secundar 10 arătat în figura 5 cuprinde un circuit secundar 20 traversat de un fluid secundar, de exemplu apă. Circuitul secundar 20 are o porţiune de schimb de căldură 11 care este învăluită de fluidul de lucru care trece prin al treilea rând de conducte 12 şi este configurată pentru a schimba căldură cu fluidul de lucru.

Circuitul secundar 20 din figura 5 cuprinde o cameră secundară de înmagazinare caldă 21, pentru fluidul secundar cald acumulat după scoaterea căldurii din fluidul de lucru în configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului, şi o cameră secundară de înmagazinare rece 22, pentru fluidul secundar rece acumulat după eliberarea căldurii la fluidul de lucru în configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului.

Porţiunea de schimb de căldură 11 este situată între camera secundară de înmagazinare caldă 21 şi camera secundară de înmagazinare rece 22. În configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului, fluidul secundar curge din camera secundară de înmagazinare rece 22 la camera secundară de înmagazinare caldă 21, scoţând căldură din fluidul de lucru. În configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului, fluidul secundar curge din camera secundară de înmagazinare caldă 21 la camera secundară de înmagazinare rece 21, eliberând căldură din fluidul de lucru. Circuitul secundar 20 cuprinde de asemenea una sau mai multe camere de înmagazinare secundare intermediare 30 pentru a regla/varia debitul fluidului secundar în porţiunea de schimb de căldură 11 şi variaţia de temperatură a fluidului de lucru schimbând căldură cu acest fluid secundar. Figura 5 arată două camere de înmagazinare secundare intermediare 30.

Variantele de realizare din Figurile 4 şi 5 diferă structural de ceea ce a fost deja descris de asemenea deoarece rezervorul 9 cuprinde o membrană de separare 31 configurată pentru a separa în interior rezervorul 9 într-o primă cameră cu volum variabil 32 pentru fluidul de lucru în fază supercritică şi într-o a doua cameră cu volum variabil 33 în comunicaţie fluidă cu un circuit de compensare 34 conţinând apă. Circuitul de compensare 34 este configurat pentru a menţine o presiune substanţial constantă în fluidul de lucru supercritic care vine de la schimbătorul de căldură secundar 20 şi este conţinut în prima cameră cu volum variabil 32 a rezervorului 9.

Circuitul de compensare 34 cuprinde un rezervor auxiliar 35 pentru apă la presiune atmosferică, care este în comunicaţie fluidă, prin conducte adecvate, cu o porţiune inferioară a rezervorului 9 şi cu a doua cameră cu volum variabil 33. O turbină auxiliară 36 are o intrare în comunicaţie cu a doua cameră cu volum variabil 33 şi o ieşire conectată la rezervorul auxiliar 35. Turbina auxiliară 36 este conectată la un generator auxiliar 37 şi este configurată pentru a fi rotită de apa care vine de la a doua cameră cu volum variabil 33 în configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului. O pompă 38 are o intrare în comunicaţie cu rezervorul auxiliar 35 şi o ieşire conectată la a doua cameră cu volum variabil 33. Pompa 38 este conectată la un motor auxiliar 39 şi este configurată pentru a pompa apă din rezervorul auxiliar 35 în a doua cameră cu volum variabil 33 în configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului. Figura 6 arată graficul T-S pentru variantele de realizare din Figurile 4 şi 5.

Figura 7 arată graficul T-Q referitor la o parte a transformării termodinamice executate de varianta de realizare din figura 5.

Schimbătorul de căldură secundar 10 şi schimbătorul de căldură primar 7 din variantele de realizare din Figurile 4 şi 5 sunt configurate să opereze o transformare supercritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru menţionat este acumulat în rezervorul în fază supercritică. De fapt, spre deosebire de ceea ce este arătat în Figura 3, schimbătorul de căldură primar 7 scoate căldură din fluidul de lucru până la a îl aduce (punctul D din figura 6) la o temperatură mai mare de temperatura critică şi peste clopotul lui Andrews. Ulterior, schimbătorul de căldură secundar 10 aduce fluidul de lucru în fază supercritică (punctul E) făcându-l să urmărească latura dreaptă a clopotului lui Andrews. Figura 7 arată descreşterea de temperatură de la punctul D la punctul E al fluidului de lucru în timpul fazei de încărcare şi creşterea corespondentă de temperatură a fluidului secundar de lucru al schimbătorului de căldură secundar 10 din figura 5 (punctele U, V, W, Z). Aceeaşi Figură 7 ilustrează de asemenea creşterea de temperatură de la punctul F la punctul G a fluidului de lucru în timpul fazei de descărcare şi descreşterea corespondentă a temperaturii fluidului secundar de lucru al schimbătorului de căldură secundar 10 din figura 5 (punctele Z, W, V, U).

De exemplu, o temperatură a unui fluid de lucru (CO2) acumulat în fază supercritică în rezervor 9 este 25°C şi o presiune a unui fluid de lucru acumulat în fază supercritică în rezervor 9 este 100 bar. Densitatea CO2 la 25°C şi presiune atmosferică este aproximativ 1,8 kg/m3. Densitatea CO2 în rezervor 9 este aproximativ 815 kg/m3. Raportul între densitatea fluidului de lucru atunci când este conţinut în rezervor 9 în condiţiile indicate şi densitatea aceluiaşi fluid de lucru atunci când este conţinut în carcasă 5 în condiţii atmosferice este prin urmare aproximativ 450.

Ar trebui remarcat că structura schimbătorului de căldură secundar din figura 10 poate fi de asemenea adoptată în varianta de realizare din Figurile 4 şi 5.

În plus, schimbătorul de căldură secundar poate fi dotat cu sisteme de control al debitului şi/sau temperaturii pentru fluidul secundar, de obicei apă sau aer, capabile să regleze presiunea în rezervoarele de înmagazinare între anumite limite, atunci când sistemul funcţionează în condiţii subcritice. Controlul temperaturii poate, de exemplu, să fie executat prin adăugarea căldurii din atmosferă sau scoaterea căldurii în atmosferă, profitând de asemenea de fluctuaţiile normale în temperatura ambiantă ale aerului şi apei la diferite momente ale zilei.

În variantele ilustrate de realizare utilizând CO2 ca fluid de lucru, un sistem de deshidratare a CO2, un dezumidificator, de exemplu cu zeoliţi, este de asemenea de preferinţă prezent pentru a evita potenţiala formare a acidului carbonic în circuit.

Figura 13 arată o variantă suplimentară a instalaţiei 1. Ea arată elementele principale comune cu Figura 1, adică turbina 2, compresorul 3, motorul generator 4, carcasa 5, schimbătorul de căldură primar 7 (înmagazinare termică TES), rezervorul 9 şi schimbătorul de căldură secundar 10. Instalaţia 1 arătată aici cuprinde de asemenea schimbătorul de căldură suplimentar 13. Ca în varianta de realizare arătată în Figura 4, schimbătorul de căldură secundar 10 este situat între schimbătorul de căldură primar 7 şi rezervor 9, adică nu este integrat în rezervor 9. Similar cu instalaţia arătată în Figura 2, schimbătorul de căldură secundar 10 cuprinde un circuit secundar 20 traversat de un fluid secundar, de exemplu apă. Circuitul secundar 20, în plus faţă de porţiunea de schimb de căldură 11 cuprinde o cameră de înmagazinare secundară 200, pentru fluidul secundar cald acumulat după scoaterea căldurii din fluidul de lucru în configuraţia/faza de încărcare a aparatului/procesului şi pentru fluidul secundar rece acumulat după eliberarea căldurii la fluidul de lucru în configuraţia/faza de descărcare a aparatului/procesului. Camera de înmagazinare secundară 200 menţionată mai sus este de asemenea combinată cu un radiator 23 dotat cu unul sau mai multe ventilatoare 24 amplasate pe un canal de recirculare care, de exemplu, răceşte fluidul secundar în timpul nopţii şi îl încălzeşte în timpul zilei. Camera de înmagazinare secundară 200 menţionată mai sus este de asemenea conectată la schimbătorul de căldură suplimentar 13 prin intermediul unui circuit 210 corespondent.

În această variantă de realizare, instalaţia 1 cuprinde de asemenea cel puţin un schimbător de căldură suplimentar 220 care primeşte căldură de la o sursă de căldură suplimentară 230. Schimbătorul de căldură suplimentar 220 este situat pe a doua conductă 8, între intrarea 2a a turbinei 2 şi schimbătorul de căldură primar 7. Sursa de căldură suplimentară 230 este, de exemplu dar nu exclusiv, o sursă solară (de exemplu câmp de celule solare), căldura reziduală care provine din recuperarea industrială (Recuperarea de Căldură din Deşeuri), căldura evacuată de la turbinele pe gaz, etc. Sursa de căldură suplimentară 230 furnizează căldură suplimentară în timpul fazei de descărcare. Temperatura la care fluidul de lucru este adus în timpul fazei de descărcare şi chiar înainte de a intra în turbină 2, prin intermediul sursei de căldură suplimentare 230 şi schimbătorului de căldură suplimentar 220, este mai mare decât temperatura fluidului de lucru care este obţinută la sfârşitul comprimării în timpul fazei de încărcare. De exemplu, temperatura la care fluidul de lucru este adus de sursa de căldură suplimentară 230 şi schimbătorul de căldură suplimentar 220 este aproximativ 100°C dar de asemenea 200°C sau 300°C sau 400°C mai mare decât temperatura fluidului de lucru la sfârşitul comprimării.

Instalaţia 1 este de asemenea dotată cu o înmagazinare termică auxiliară 240 (Înmagazinarea Energiei Termice TES) conectată, prin circuite adecvate, la compresor 2 şi turbină 2 pentru a obţine, în compresor 3 (în timpul fazei de încărcare), o comprimare cu răcire intermediară (cu una sau mai multe răciri intermediare) şi pentru a obţine, în turbină 2 (în timpul fazei de descărcare), o expansiune cu încălzire intermediară (cu una sau mai multe încălziri intermediare). Căldura acumulată în acumulatorul de căldură auxiliar 240 în timpul comprimării cu răcire intermediară este utilizată în întregime sau în parte pentru a obţine expansiunea cu încălzire intermediară.

Într-o variantă de realizare a procesului efectuat cu instalaţia din figura 13, este prevăzut să nu se execute răciri intermediare în faza de încărcare şi să nu se execute încălziri intermediare în faza de descărcare şi să se asigure căldură suplimentară în faza de descărcare prin sursa de căldură suplimentară 230 şi schimbătorul de căldură suplimentar 220.

În variante ale procesului efectuat cu instalaţia din figura 13, este prevăzut să se facă una sau mai multe răciri intermediare în faza de încărcare şi un număr egal de încălziri intermediare în faza de descărcare, în plus faţă de furnizarea de căldură suplimentară în faza de descărcare prin sursa de căldură suplimentară 230 şi schimbătorul de căldură suplimentar 220.

Într-o variantă suplimentară de realizare a procesului efectuat cu instalaţia din figura 13, este prevăzut să se execute un număr de răciri intermediare în faza de încărcare şi să se execute o singură răcire intermediară în faza de descărcare utilizând doar căldura (acumulată în acumulatorul termic auxiliar 240) ultimei răciri intermediare, în plus faţă de încălzirea cu căldura suplimentară prin sursa de căldură suplimentară 230 şi schimbătorul de căldură suplimentar 220. Căldura înmagazinată în înmagazinarea de căldură auxiliară 240 şi care vine de la restul răcirilor intermediare poate fi utilizată în alte scopuri, de exemplu pentru cogenerare.

Lista elementelor

1 instalaţie de înmagazinare a energiei 2 turbină 2a intrare a turbinei 2b ieşire a turbinei 3 compresor 3a intrare a compresorului 3b ieşire a compresorului 4 motor-generator 5 carcasă 6 primul rând de conducte 7 schimbător de căldură primar 8 al doilea rând de conducte 9 rezervor 10 schimbător de căldură secundar 11 porţiune de schimb de căldură a schimbătorului de căldură secundar 12 al treilea rând de conducte 13 schimbător de căldură suplimentar 13a răcitor 14 masă termică 15 circuit primar 16 porţiune de schimb de căldură a circuitului primar 17 cameră primară de înmagazinare caldă 18 cameră primară de înmagazinare rece 19 regenerator de căldură cu pat fix 20 circuit secundar 21 cameră secundară de înmagazinare caldă 22 cameră secundară de înmagazinare rece 23 radiator 24 ventilatoare 25 porţiune de schimb de căldură suplimentară 26 rezervor secundar 27 frigorifer auxiliar

28a, 28b, 28c camere ale bazinului de apă

29 panouri 30 camere de înmagazinare secundare intermediare 31 membrană de separare 32 primă cameră cu volum variabil 33 a doua cameră cu volum variabil 34 circuit de compensare 35 rezervor auxiliar 36 turbină auxiliară 37 generator auxiliar 38 pompă 39 motor auxiliar 200 cameră de înmagazinare secundară 210 circuit de schimbător de căldură suplimentar 220 schimbător de căldură suplimentar 230 sursă de căldură suplimentară 240 înmagazinare termică auxiliară

Claims

1. Instalaţie de înmagazinare a energiei, cuprinzând:

o carcasă (5) care înmagazinează un fluid de lucru altul decât aer atmosferic, într-o fază gazoasă şi în echilibru de presiune cu atmosfera, în care carcasa (5) menţionată este un balon de presiune sau are structura unui gazometru;

un rezervor (9) care înmagazinează fluidul de lucru menţionat în fază lichidă sau supercritică cu o temperatură apropiată de temperatura critică; în care temperatura critică menţionată este apropiată de temperatura ambiantă;

în care instalaţia este configurată pentru a efectua o transformare termodinamică ciclică închisă (TTC), mai întâi într-o direcţie într-o configuraţie de încărcare şi apoi într-o direcţie opusă într-o configuraţie de descărcare, între carcasa (5) menţionată şi rezervorul (9) menţionat; în care în configuraţia de încărcare instalaţia înmagazinează căldură şi presiune şi în configuraţia de descărcare generează energie.

2. Instalaţie în conformitate cu revendicarea 1, în care fluidul de lucru are următoarele proprietăţi fizico-chimice: temperatura critică între 0°C şi 200°C, densitatea la 25°C între 0,5 kg/m3and 10 kg/m3; şi/sau este ales din grupul care include: CO2, SF6, N2O.

3. Instalaţie în conformitate cu revendicarea 1 sau 2, cuprinzând:

- un compresor (3) şi un motor conectate mecanic între ele;

- o turbină (2) şi un generator conectate mecanic între ele;

- carcasa (5) menţionată fiind în exterior în contact cu atmosfera şi delimitând în interior un volum configurat pentru a conţine fluidul de lucru la presiune atmosferică sau presiune substanţial atmosferică, în care volumul menţionat este selectiv în comunicaţie fluidă cu o intrare (3a) a compresorului (3) sau cu o ieşire (2b) a turbinei (2);

- un schimbător de căldură primar (7) selectiv în comunicaţie fluidă cu o ieşire (3b) a compresorului (3) sau cu o intrare (2a) a turbinei (2);

- rezervorul (9) menţionat fiind în comunicaţie fluidă cu schimbătorul de căldură primar (7) pentru a acumula fluidul de lucru;

- un schimbător de căldură secundar (10) activ funcţional între schimbătorul de căldură primar (7) şi rezervor (9) sau în rezervorul (9) menţionat;

instalaţia menţionată fiind configurată pentru a funcţiona în configuraţia de încărcare sau în configuraţia de descărcare;

în care, în configuraţia de încărcare, carcasa (5) este în comunicaţie fluidă cu intrarea (3a) compresorului (3) şi schimbătorul de căldură primar (7) este în comunicaţie fluidă cu ieşirea (3b) compresorului (3), turbina (2) este în repaus, motorul funcţionează şi antrenează compresorul (3) pentru a comprima fluidul de lucru care vine de la carcasă (5), schimbătorul de căldură primar (7) lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură din fluidul de lucru comprimat, a îl răci şi a înmagazina energie termică, schimbătorul de căldură secundar (10) lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură suplimentară din fluidul de lucru comprimat şi a înmagazina energie termică suplimentară, rezervorul (9) primeşte şi înmagazinează fluidul de lucru comprimat şi răcit, în care fluidul de lucru înmagazinat în rezervor (9) are o temperatură apropiată de propria sa temperatura critică;

în care, în configuraţia de descărcare, carcasa (5) este în comunicaţie fluidă cu ieşirea (2b) turbinei (2) şi schimbătorul de căldură primar (7) este în comunicaţie fluidă cu intrarea (2a) turbinei (2), compresorul (3) este în repaus, schimbătorul de căldură secundar (10) lucrează ca un încălzitor pentru a elibera căldură la fluidul de lucru care vine de la rezervor (9), schimbătorul de căldură primar (7) lucrează ca un încălzitor pentru a elibera căldură suplimentară la fluidul de lucru şi a îl încălzi, turbina (2) este rotită de fluidul de lucru încălzit şi antrenează generatorul generând energie, fluidul de lucru revenind în carcasă (5) la presiune atmosferică sau substanţial atmosferică.

4. Instalaţie în conformitate cu revendicarea 3, cuprinzând un schimbător de căldură suplimentar (13) amplasat funcţional între carcasă (5) şi compresor (3) şi între carcasă (5) şi turbină (2) pentru a preîncălzi fluidul de lucru înainte de comprimarea în compresor (3), în configuraţia de înmagazinare, sau pentru a răci fluidul de lucru de la turbină (2), în configuraţia de descărcare.

5. Instalaţie în conformitate cu una dintre revendicările de mai sus 3 sau 4, în care motorul şi generatorul sunt elemente separate; sau în care motorul şi generatorul sunt definite de un singur motor-generator (4) şi instalaţia cuprinde dispozitive de conectare între motorul-generator (4) menţionat şi compresor (3) şi turbină (2) pentru a conecta mecanic şi alternativ motorul-generator (4) la compresor (3) sau la turbină (2).

6. Instalaţie în conformitate cu una dintre revendicările de mai sus 3, 4 sau 5, în care schimbătorul de căldură secundar (10) şi schimbătorul de căldură primar (7) sunt configurate să opereze o transformare supercritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru menţionat este acumulat în rezervor (9) în fază supercritică.

7. Instalaţie în conformitate cu revendicarea precedentă, în care rezervorul (9) cuprinde o membrană de separare (31) configurată pentru a separa în interior rezervorul (9) într-o primă cameră cu volum variabil (32) pentru fluidul de lucru în fază supercritică şi într-o a doua cameră cu volum variabil (33) în comunicaţie fluidă cu un circuit de compensare (34) conţinând un fluid necomprimabil.

8. Instalaţie în conformitate cu una dintre revendicările de mai sus de la 3 la 5, în care schimbătorul de căldură secundar (10) şi schimbătorul de căldură primar (7) sunt configurate pentru a opera o transformare subcritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru este acumulat în rezervor (9) în fază lichidă.

9. Instalaţie în conformitate cu una dintre revendicările de mai sus 3 la 8, în care schimbătorul de căldură primar (7) este un regenerator de căldură cu pat fix sau mobil sau cuprinde un circuit primar de apă, ulei sau sare (15) cu cel puţin o cameră primară de înmagazinare (17, 18).

10. Instalaţie în conformitate cu una dintre revendicările de mai sus de la 3 la 9, în care schimbătorul de căldură secundar (10) cuprinde un circuit secundar de aer sau apă (20) cu cel puţin o cameră de înmagazinare secundară (21, 22) şi este configurat pentru a scoate căldură din fluidul de lucru, în configuraţia de încărcare, sau pentru a transfera căldură la fluidul de lucru, în configuraţia de descărcare, la o temperatură sub 100°C.

11. Proces pentru înmagazinare a energiei, cuprinzând:

executarea unei transformări ciclice termodinamice închise (TTC), mai întâi într-o direcţie într-o configuraţie/fază de încărcare şi apoi într-o direcţie opusă într-o configuraţie/fază de descărcare, între o carcasă (5) pentru înmagazinarea unui fluid de lucru diferit de aerul atmosferic, într-o fază gazoasă şi în echilibru de presiune cu atmosfera, şi un rezervor (9) pentru înmagazinarea fluidului de lucru menţionat într-o fază lichidă sau supercritică cu o temperatură apropiată de temperatura critică; în care temperatura critică menţionată este apropiată de temperatura ambiantă; în care, în faza de încărcare, procesul acumulează căldură şi presiune şi, în faza de descărcare, generează energie.

12. Proces în conformitate cu revendicarea 11, în care faza de încărcare cuprinde:

- comprimarea fluidului de lucru menţionat, care vine de la carcasa (5) menţionată în exterior în contact cu atmosfera şi delimitând în interior un volum configurat pentru a conţine fluidul de lucru la presiune atmosferică sau substanţial atmosferică, absorbind energie;

- injectarea fluidului de lucru comprimat printr-un schimbător de căldură primar (7) şi un schimbător de căldură secundar (10) amplasate în serie pentru a aduce o temperatură a fluidului de lucru apropiată de propria sa temperatura critică; în care schimbătorul de căldură primar (7) lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură din fluidul de lucru comprimat, a îl răci şi a înmagazina energie termică, în care schimbătorul de căldură secundar (10) lucrează ca un răcitor pentru a scoate căldură suplimentară din fluidul de lucru comprimat şi a înmagazina energie termică suplimentară;

- acumularea fluidului de lucru răcit în rezervorul (9) menţionat; în care schimbătorul de căldură secundar (10) şi schimbătorul de căldură primar (7) execută o transformare supercritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru menţionat este acumulat în rezervor (9) în fază supercritică sau în care schimbătorul de căldură secundar (10) şi schimbătorul de căldură primar (7) execută o transformare subcritică a fluidului de lucru astfel încât fluidul de lucru menţionat este acumulat în rezervor (9) în fază lichidă; în care o temperatură a fluidului de lucru acumulat în rezervor (9) este între 0°C şi 100°C şi în care o presiune a fluidului de lucru acumulat în rezervor (9) este între 10 bar şi 150 bar.

13. Proces în conformitate cu revendicarea 11 sau 12, în care fluidul de lucru menţionat are următoarele proprietăţi fizico-chimice: temperatura critică între 0°C şi 200°C, densitatea la 25°C între 0,5 kg/m3and 10 kg/m3; şi/sau este ales din grupul care include: CO2, SF6, N2O.

14. Proces în conformitate cu revendicarea 12 sau 13, în care faza de descărcare şi generare de energie cuprinde:

- trecerea fluidului de lucru din rezervor (9) prin schimbătorul de căldură secundar (10) şi schimbătorul de căldură primar (7); în care schimbătorul de căldură secundar (10) lucrează ca un încălzitor pentru a transfera căldură la fluidul de lucru care vine de la rezervor (9), în care schimbătorul de căldură primar (7) lucrează ca un încălzitor pentru a transfera căldură suplimentară la fluidul de lucru şi a îl încălzi;

- trecerea fluidului de lucru încălzit printr-o turbină (2), în care turbina (2) este rotită de fluidul de lucru încălzit şi antrenează generatorul generând energie, în care fluidul de lucru se expandează şi se răceşte în turbină (2);

- reinjectarea fluidului de lucru care vine de la turbină (2) în carcasă (5) la presiune atmosferică sau substanţial atmosferică.

15. Proces în conformitate cu revendicarea 14, în care în faza de descărcare şi generare de energie, între schimbătorul de căldură primar (7) şi turbină (2), este prevăzut să se încălzească suplimentar fluidul de lucru printr-o sursă de căldură suplimentară (230).