BE1019751A3

BE1019751A3 - Procede pour le stockage d'energie electrique sous forme d'energie potentielle.

Info

Publication number: BE1019751A3
Application number: BE2010/0466A
Authority: BE
Original assignee: Ipnesting Sprl
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-12-04

Description

PROCEDE POUR LE STOCKAGE D’ENERGIE ELECTRIQUE SOUS FORME D’ENERGIE

POTENTIELLE

Domaine de l’invention L’invention se rapporte à un procédé pour le stockage d’énergie électrique sous forme d’énergie potentielle par immersion d’un ballon flexible rempli d’un fluide à une profondeur donnée d’un bassin d’eau, ladite énergie potentielle ainsi stockée pouvant être restituée sous forme d’énergie électrique par l’actionnement d’un générateur activé par la remontée dudit ballon.

Arrière-plan technologique

La société d’aujourd’hui aurait beaucoup de mal à se passer d’énergie électrique. L’énergie électrique est produite par des procédés de combustion (gaz, charbon, pétrole, etc.), des procédés nucléaires (fission), par transformation de sources d’énergie naturelles (vent, hydraulique, solaire, géothermique, etc.). Il est souvent difficile de faire coïncider les cycles de production d’énergie électrique avec les cycles de demande d’utilisation de cette énergie. En particulier, le vent souffle quand il veut, le soleil ne brille que le jour, les lacs ne sont pas pleins toute l’année, et on n’arrête pas une centrale thermique ou nucléaire pendant la nuit ou les vacances, lorsque la demande est faible pour la remettre en marche le lendemain matin ou à la reprise lorsque la demande augmente.

Malheureusement, il est difficile de stocker de l’énergie électrique telle quelle, les batteries présentant une solution notoirement peu efficace à ce problème. Des solutions ont alors été proposées pour stocker de l’énergie sous différentes formes qu’il est alors facilement possible de retransformer en énergie électrique ultérieurement, lorsque le besoin se fait sentir. En particulier, plusieurs solutions ont été proposées pour transformer de manière réversible de l’énergie électrique en énergie potentielle, permettant ainsi le stockage de l’énergie électrique.

Par exemple, il existe une solution consistant à pomper de l’eau pour remplir un réservoir situé à une certaine altitude, pour ensuite forcer la chute de cette eau à travers des turbines lorsque le besoin en électricité augmente. Etrangement, cette opération au bilan énergétique négatif puisque bien plus d’énergie est nécessaire à pomper de l’eau pour l’amener à une certaine altitude qu’il n’est possible de récupérer à travers l’actionnement de turbinesn (rappelons qu’il s’agit ici d’une solution de stockage et non de production d’énergie), le bilan économique peut être positif, si le pompage a lieu pendant la nuit, quand le prix du kWh est plus bas et que les turbines sont actionnées pendant la journée, lorsque le prix du kWh augmente.

Plusieurs solutions de stockage d’énergie électrique sous forme d’énergie potentielle se basent sur l’immersion d’un ballon rigide ou non sous l’eau, dont la remontée par flottaison permet la production d’énergie électrique par l’activation d’un générateur. En particulier, W02005/010352 décrit un corps flottant, ou ballon rigide incompressible. Bien que l’utilisation d’un ballon incompressible ait l’avantage de maintenir un volume d’eau déplacée indépendant de la profondeur dudit ballon, il a l’énorme inconvénient que l’épaisseur des parois de ce ballon doit augmenter fortement avec sa capacité ainsi qu’avec la profondeur à laquelle on désire le descendre, ce qui a un impact négatif sur le coût de l’équipement nécessaire à atteindre une certaine capacité de stockage.

Dans le même ordre d’idée, DE10 2006 059 233 décrit un procédé de stockage, notamment d’énergie éolienne, comprenant l’immersion d’un corps rigide de densité inférieur à celui de l’eau, qui est avantageusement constitué d’une multitude de petits conteneurs métalliques creux, rangés sur un plateau. Cela permet de résoudre avantageusement le problème de l’épaisseur des parois des conteneurs nécessaire à assurer la stabilité géométrique des conteneurs en fonction de la capacité de ceux-ci, puisque pour augmenter la capacité totale du système, il suffit de rajouter un nombre correspondant de conteneurs dont la capacité est elle constante. Ce système est illustré dans ce document comme étant monté sur le pylône d’une éolienne, ce qui limite la profondeur d’immersion maximale des conteneurs.

GB2 213 535 décrit un procédé de stockage d’énergie utilisant un ballon flexible cette fois, qui est immergé jusqu’à une première profondeur donnée, où il est gonflé puis relâché afin qu’il active un générateur par sa montée par flottaison jusqu’à ce qu’il atteigne une deuxième profondeur où le ballon est dégonflé, ce qui permet de le faire descendre à nouveau jusqu’à sa première profondeur donnée et de générer ainsi du courant électrique par l’activation dans le sens inverse du générateur, et ainsi de suite. Ce procédé est toutefois limité en taille et profondeur maximale d’immersion, puisque le gonflage d’un ballon de grande capacité à des profondeurs importantes pose de sérieux problèmes techniques. En effet, les pertes de charge dans le tuyau ainsi que les pertes par dissipation de chaleur induites par la compression de l’air lors de chaque gonflage du ballon détériorent le rendement de l’installation.

Une solution alternative consisterait à descendre le ballon flexible déjà gonflé jusqu’à sa profondeur finale d’où on le libérerait lorsqu’un besoin en énergie électrique se ferait sentir afin que lors de sa remontée, il actionne un générateur. Cependant, si gonfler un ballon à la surface de l’eau résout le problème posé par la solution proposée dans CB2 21 3 535, cette alternative ne constitue pas un optimum en termes de capacité de stockage d’électricité électrique pour une profondeur, un volume de ballon et une puissance de générateur donnés.

Il existe donc plusieurs solutions de stockage d’énergie sous forme d’énergie potentielle profitant de la poussée d’Archimède exercée sur un corps immergé, mais chacune de ces solutions a ses limitations. En particulier, concernant les ballons flexibles, il existe deux contraintes contradictoires qui sont la difficulté d’injecter un grand volume de gaz dans un ballon à de grandes profondeurs et l'important travail nécessaire à descendre un ballon gonflé depuis la surface de l’eau jusqu’à sa profondeur finale.

La présente invention propose une solution à ces deux contraintes apparemment contradictoires et irréconciliables.

Résumé de l’invention

La présente invention est définie dans la revendication indépendante ci-jointe. Des variantes préférées sont définies dans les revendications dépendantes. En particulier, la présente invention concerne un procédé pour le stockage d’énergie électrique sous forme d’énergie potentielle comprenant les étapes suivantes : (a) Immerger au moins un ballon flexible non gonflé dans un bassin d’eau à une profondeur initiale, d,, à l’aide d’un câble tracté par un moteur électrique; (b) A la profondeur, d,, remplir le ballon d’une quantité donnée de fluide de densité inférieure à celle de l’eau du bassin ; (c) Descendre le ballon rempli dudit fluide jusqu’à une profondeur finale, df, en actionnant le moteur électrique, de préférence lors d’une période creuse en demande énergétique; (d) Maintenir le ballon rempli dudit fluide à la profondeur finale, df, afin de stocker le travail de descente du ballon sous forme d’énergie potentielle; (e) Lors d’un besoin en énergie électrique, lâcher le ballon et le laisser remonter par flottaison pas plus haut que la profondeur initiale, d·, actionnant ainsi un générateur capable de transformer l’énergie potentielle ainsi restituée en énergie électrique ; puis (f) Redescendre le ballon jusqu’à la profondeur finale, df, pour stocker une nouvelle quantité d’énergie potentielle; caractérisé en ce que le rapport entre les profondeurs finale et initiale, df / d, = e / K, où K est un facteur de correction compris entre 0,65 et 1,00, et e est le nombre de Neper (Napier’s number) = 2,71 83.

En particulier, il existe deux modes principaux de réalisation de la présente invention. Un premier mode où le moteur électrique est immergé, positionné sur le fond du bassin. Un deuxième mode où le moteur électrique est émergé avec le câble reliant le ballon au moteur par l’intermédiaire d’une poulie immergée, qui est positionnée sur le fond du bassin. Le premier mode est avantageux dans les cas où l’endroit choisi pour installer le ballon est éloigné d’une terre ou d’une plateforme, mais il a l’inconvénient que la manutention du moteur est peu commode, surtout si la profondeur du fond du bassin est importante. Le second mode a l’avantage de laisser un libre accès au moteur qui de plus n’est pas soumis aux conditions extrêmes d’immersion dans de l’eau salée dans le cas de la mer. Par contre, les lieux de grandes profondeurs situées près d’une côte sont plus limités.

Dans le cadre de la présente invention, un bassin d'eau est tout volume d'eau présentant une profondeur suffisamment importante, en particulier un lac, naturel ou artificiel, la mer, un fjord, etc. La profondeur initiale, d., selon la présente invention est de préférence de l’ordre de 75 à 600 m et la profondeur finale, df, de l’ordre de 200 à 1500 m; la profondeur zéro étant à la surface de l'eau. Le ballon est conçu pour contenir de préférence de 10 000 à 50 000 m3 d’un fluide tel que de l’air ou tout autre gaz. Il est de préférence, constitué principalement de matériaux élastomères et est avantageusement contenu dans une structure à mailles, telle qu’un filet métallique, reliée à une extrémité du câble.

Brève description des figures

Ces aspects ainsi que d’autres aspects de l’invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l’invention, référence étant faite aux figures, dans lesquelles :

Fig.l est une représentation schématique d’un premier mode de réalisation de la présente invention dans lequel le moteur est immergé.

Fig.2 : est une représentation schématique d’un deuxième mode de réalisation de la présente invention dans lequel le moteur est émergé.

Description détaillée de modes de réalisation particuliers

Comme illustré aux Figures 1 et 2, le procédé de la présente invention nécessite l’utilisation d’un dispositif particulier comprenant notamment au moins un ballon (1) flexible et gonflable par injection par un tube (14) d’un fluide, par exemple un gaz comme de l’air, de l’azote, ou tout autre gaz de densité inférieure à celle de l’eau. Le ballon (1) est attaché à une extrémité d’un câble (3) relié à un moteur (2) qui peut agir comme générateur. Le moteur/générateur (2) est soit immergé, par exemple posé sur le fond (10) du bassin comme présenté sur la Figure 1, soit émergé comme illustré à la Figure 2. Dans ce dernier cas une poulie (5) de retour immergée permet au moteur (2) émergé de tracter le ballon verts le fond du bassin. L'axe du moteur/générateur (2) est relié à une bobine (4) qui permet d'enrouler/dérouler le câble (3) selon que le ballon (1) est tiré vers le bas sous l'action du moteur (2) ou remonte par flottation actionnant ainsi le générateur (2).

Dans le procédé de la présente invention, le ballon (1) dégonflé est tout d'abord immergé jusqu'à une profondeur initiale, d,, où un volume, V,, d'un fluide de densité inférieure à celle de l'eau est injecté dans le ballon par l'intermédiaire du tube (14), qui peut être déconnecté une fois le ballon gonflé. Ensuite le moteur est actionné et le ballon gonflé est tiré vers le bas jusqu'à la profondeur finale, df. La profondeur finale, df, est préférablement, mais pas nécessairement, pratiquement au fond (10) du bassin d'eau afin de profiter du maximum de profondeur et ainsi accumuler le maximum d'énergie potentielle disponible dans le bassin d'eau utilisé. Dans certains cas, il peut cependant être préférable de ne pas descendre le ballon (1) jusqu'au fond d'un bassin d'eau particulier, par exemple si celui-ci est trop profond, ou s'il est soumis à des courants trop importants. Le ballon (1) est alors bloqué à sa profondeur finale, df, jusqu'à ce que de l'énergie électrique soit désirée, par exemple en cas de demande exceptionnelle suite à des conditions météorologiques et thermiques exceptionnelles, ou dans le cas d'une chute de vent dans un réseau alimenté principalement par des éoliennes. En relâchant le ballon (1) celui-ci va remonter par flottaison, tirant derrière lui le câble (3) qui actionne ainsi le générateur (2) qui peut alors alimenter un réseau électrique par des moyens bien connus de l'homme du métier et qui n'ont pas d'influence sur la présente invention. On ne permet pas au ballon (1) de remonter plus haut que sa profondeur initiale, d·, d'où il sera redescendu jusqu'à sa profondeur finale, df, par actionnement du moteur (2). Si la détermination de la profondeur finale, df, dépend du bassin d'eau particulier choisi et, comme on l'a vu plus haut, est préférablement situé proche du fond (10) dudit bassin, sauf cas particuliers, dont certains exemples ont été cités, la détermination de la profondeur initiale, d,, optimale est loin d'être évidente.

Le procédé de la présente invention résout le problème du faible rendement lié à l’injection d’un gaz dans un ballon flexible situé à une profondeur, df, importante et celui de la maximisation de la capacité de stockage électrique liée à la descente d'un ballon gonflé d'un volume, V, de ce gaz à une grande profondeur, df. La présente invention est basée sur la détermination de la profondeur, d., optimale à laquelle le ballon peut être gonflé d’un volume, V,, de gaz qui permette de minimiser le travail de la descente du ballon gonflé jusqu’à la profondeur finale, df.

La force, F, exercée par la poussée d’Archimède sur le ballon peut être approximée à F = p x V x g, où p est la densité de l’eau, V est le volume du ballon, et g = 9,81 m/s2 est l’accélération de la pesanteur (la densité du gaz présent dans lé ballon est négligée face à la densité de l’eau. On peut exprimer le volume de gaz dans le ballon par la loi des gaz parfaits, V = n x RxT / P, où R= 8,31 J mol-' K-' est la constante des gaz parfaits et où P est la pression qui est égale à: P=Pa + pxgxd, avec d, la profondeur et Pa, la pression atmosphérique qui peut être négligée par rapport à la pression hydrostatique. En introduisant le volume ainsi exprimé dans l’expression de la force, on obtient, F = nxRxT / d. Comme PxV= n x R x T est une constante pour les gaz parfaits, on peut exprimer la force comme F = P, x V, / d = p x g x dix V, / d. En intégrant cette expression de la force sur la profondeur, d, d’immersion entre d·, et df, on obtient le travail, W, nécessaire à tirer le ballon gonflé de la profondeur initiale, d,, à la profondeur finale, df : W = p x g x d, x V, (In df - In di) dont le minimum peut être déterminé en égalisant à zéro la dérivée par rapport à di, 6W / 6dj = 0 si et seulement si In d, = In df- 1, d’où on obtient la relation entre la profondeur initiale et profondeur finale requérant le minimum de travail pour descendre le ballon, df / d, = e, où e = 2,71 83 est le nombre de Neper.

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Un certain nombre d’hypothèses simplificatrices ont été faites pour arriver à cette élégante et simple relation. Par exemple, le poids du ballon (1) lui-même, du câble (3) et le cas échéant de la structure à mailles (6) contenant le ballon n’ont pas été pris en compte dans ce calcul. Il a donc été nécessaire d’introduire dans cette expression un facteur de correction, K, compris entre 0,65 et 1,00, la relation entre les profondeurs finales et initiales optimale est donc exprimée comme : df / d. = K e, avec K = 0,65 à 1,00. La valeur de K peut facilement être déterminée approximativement en comparant le poids de la structure elle-même avec les différentes forces et pressions mises en jeu dans les équations présentées ci-dessus. La valeur de K peut également être déterminée plus précisément par un calcul numérique par exemple basé sur une modélisation par éléments finis du système.

Afin de répartir la force importante de flottaison sur l'ensemble de la surface du ballon ainsi que préserver la géométrie du ballon, celui-ci est avantageusement contenu dans une structure à mailles (6), de préférence un filet métallique. Une extrémité du câble (3) est de préférence fixé à cette structure. De plus, selon la taille du ballon (1), plusieurs câbles plus fins peuvent être préférables à un câble unique plus épais.

Le moteur (2) tel que représenté à la Figure 1 ou la poulie (5) telle que représenté à la Figure 2 sont maintenus en position sur le fond (10) du bassin par l’intermédiaire d’une plaque ou dalle (11) en béton à laquelle le moteur (2) ou la poulie (5) sont fixés, ladite plaque (11) en béton étant posée sur le fond (10) du bassin, avantageusement par l’intermédiaire d’au moins un sac (12) de sable ou autre matériau granulé auquel la plaque (11) est fixée.

Lie moteur/générateur (2) est avantageusement un moteur sans contact, de préférence du type donnant un couple élevé à faibles vitesses de rotation. En effet la remontée du ballon ne se fait généralement qu'à faibles vitesses, de l'ordre de 0,2 m/s et ce type de moteurs/générateurs est donc particulièrement bien adapté.

Selon la présente invention, un ou plusieurs ballons (1) peuvent être reliés à un moteur (2) et chaque ballon (1) peut être rempli d'un volume d'un gaz, Vj, de l'ordre de 10 000 à 50 000 m3, de préférence de 1 5 000 à 30 000 m3 à la profondeur, di, qui est de l’ordre de 75 à 600 m. Le ou les ballons sont alors descendus jusqu'à leur profondeur finale, df, de l’ordre de 200 à 1500 m. Le Tableau 1 donne des exemples de localisations possibles pour l'application de la présente invention.

Tableau 1 ; exemples de régions où la présente invention peut être appliquée.

Claims

1. Procédé pour le stockage d’énergie électrique sous forme d’énergie potentielle comprenant les étapes suivantes : (a) Immerger au moins un ballon (1) flexible non gonflé dans un bassin d’eau à une profondeur initiale, dt, à l’aide d’un câble (3) tracté par un moteur électrique (2); (b) A la profondeur, d., remplir le ballon (1) d’une quantité donnée de fluide de densité inférieure à celle de l’eau du bassin ; (c) Descendre le ballon (1) rempli dudit fluide jusqu’à une profondeur finale, df, en actionnant le moteur électrique, de préférence lors d’une période creuse en demande énergétique; (d) Maintenir le ballon (1) rempli dudit fluide à la profondeur finale, df, afin de stocker le travail de descente du ballon sous forme d’énergie potentielle; (e) Lors d’un besoin en énergie électrique, lâcher le ballon (1) et le laisser remonter par flottaison pas plus haut que la profondeur initiale, d., actionnant ainsi un générateur (2) capable de transformer l’énergie potentielle ainsi restituée en énergie électrique ; puis (f) Redescendre le ballon jusqu’à la profondeur finale, df, pour stocker une nouvelle quantité d’énergie potentielle; caractérisé en ce que le rapport entre les profondeurs finale et initiale, df / d, = e / K, où K est un facteur de correction compris entre 0,65 et 1,00, et e est le nombre de Neper 2,71 83.

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le moteur électrique (2) est immergé, positionné sur le fond (10) du bassin.

3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le moteur électrique (2) est émergé et le câble (3) relie le ballon (1) au moteur (2) par l’intermédiaire d’une poulie (5) immergée, qui est positionnée sur le fond (10) du bassin.

4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ballon (1) est constitué principalement de matériaux élastomères.

5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ballon (1) est contenu dans une structure à mailles (6) reliée à une extrémité du câble (3).

6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur (2) tel que défini à la revendication 2 ou la poulie (5) telle que définie à la revendication3 sont maintenus en position sur le fond (10) du bassin par l’intermédiaire d’une plaque (11) en béton à laquelle le moteur (2) ou la poulie (5) sont fixés, ladite plaque (11) en béton étant posée sur le fond (10) du bassin, avantageusement par l’intermédiaire d’au moins un sac (12) de sable ou autre matériau granulé auquel la plaque (11) est fixée.

7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur (2) est un moteur à aimants permanents, de préférence du type donnant un couple élevé à faibles vitesses de rotation.

8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la profondeur initiale, di, est de l’ordre de 75 à 600 m et la profondeur finale, df, est de l’ordre de 200 à 1 500 m

9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le volume de fluide injecté dans le ballon (1) à la profondeur initiale, di, est de l’ordre de 10 000 à 50 000 m3.

10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le remplissage du ballon (1) à l’étape (b) se fait par l’intermédiaire d’un tuyau (14) connecté à une valve placée de préférence sur la partie supérieure du ballon, ledit tuyau (14) étant déconnecté une fois la quantité désirée de fluide a été injectée dans le ballon, et avant la descente du ballon jusqu’à la profondeur finale, df, telle que définie à l’étape (c), ledit tuyau pouvant être reconnecté au cas où il serait désiré de modifier le volume de fluide présent dans le ballon.

11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel plusieurs ballons flexibles (1) sont reliés au moteur (2).