EP2894386A2 - Systeme de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé dans un ensemble de tubes en surface - Google Patents

Systeme de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé dans un ensemble de tubes en surface Download PDF

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EP2894386A2
EP2894386A2 EP14306886.4A EP14306886A EP2894386A2 EP 2894386 A2 EP2894386 A2 EP 2894386A2 EP 14306886 A EP14306886 A EP 14306886A EP 2894386 A2 EP2894386 A2 EP 2894386A2
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EP
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tubes
compressed air
assembly
storage
storage system
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Christian Wittrisch
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F17C2270/05—Applications for industrial use
    • F17C2270/0581—Power plants

Definitions

  • the field of the present invention relates to the storage of energy by compressed air (CAES for "Compressed Air Energy Storage”).
  • CAES compressed Air Energy Storage
  • the invention relates to an optimized system for storing air.
  • the energy which can come from electricity from renewable sources in particular, and that it is desired to use at another time, can be stored in the form of compressed air.
  • the electricity produced in excess thus supplies one or more compressors whose purpose is to compress a given amount of air and store it in suitable tanks.
  • mini CAES semi-massive local storage of industrial compressed air, in artificial tanks (unlike existing geological storage in salt cavities), between 70 and 120 bar for volumes between 1000m 3 and 30 000m 3 installed on land, surface or sub-surface
  • the present invention relates to a system for storing energy in the form of compressed air, characterized in that it consists of an assembly of connected steel tubes to form a storage volume disposed on the surface, or in sub-surface said assembly being confined in a thermally insulating envelope.
  • the assembly may consist of lengths of straight tubes bundled in bundles and arranged in parallel.
  • the assembly may consist of at least one continuous tube wound in a coil.
  • the storage volume may include several assemblies confined in an environmental protection envelope and security.
  • the system may include means for heating or maintaining the heat of the stored compressed air.
  • the storage volume can be contained in a pit in the ground.
  • the high-pressure air for example between 70 and 120 bar, is stored in steel tubes, welded together and arranged horizontally in bundles on the surface or in semi-buried to benefit from a more stable medium in temperature and / or for aesthetic, environmental and safety reasons.
  • the steel tubes are preferably arranged horizontally for greater ease of assembly over a longer length and to reduce the number of end caps and connections between tubes.
  • These tubes can be externally protected against corrosion by polyolefin, polyethylene (PE), polypropylene (PP) and internally by epoxy coatings.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the tubes, in unitary element of 12-15 meters are assembled and welded preferentially on the storage site, with limited handling means.
  • the lengths can reach several tens of meters depending on the desired air volume and space on the storage site.
  • the lengths of tubes thus formed are arranged in parallel, then put into successive layers to form a "bundle" of, for example, 10 per row and 10 in height, or to reach a hundred tubes.
  • the lengths of tubes are connected together by pipes of appropriate diameter to connect them, in parallel or in series, to obtain the chosen storage volume.
  • a set of valves on these pipes makes it possible to isolate a length, or a set of tubes.
  • the "bundle” formed is preferably almost horizontal, with however a slight slope to facilitate the flow of condensate.
  • the tubes are preferably arranged horizontally rather than vertically. Horizontally, they allow to obtain a larger volume of storage with a minimum of connecting pipes and caps at the ends of the tubes, contrary to the vertical arrangement and partially buried, which implies that the tube length is limited to the depth of the pipe. excavation.
  • the multiplication of the vertical tubes increases the number of end caps, complicates the connection, and increases the costs of the installation.
  • the objective is to keep the heat of the compressed air in the storage tubes as long as possible.
  • the tank containing bundles of assembled straight pipes is thermally insulated from the outside environment to retain the heat of the compressed air introduced into the storage.
  • the figure 1 shows in section a bundle of tubes (1) parallel enclosed in a chamber (2) for thermal insulation, environmental and / or safe.
  • Additional heating of the air contained in horizontal straight tubes can be done from the inside or outside of the storage tube.
  • FIG. 1 Another variant is to use a heat exchanger composed of pipes (3) arranged in the space available between the compressed air storage tubes.
  • the tubes are preferably in metal-metal contact to facilitate the transfer of heat. by conduction.
  • the figure 2 shows another arrangement of parallel tubes and heat exchange conduits (3).
  • the heating or maintaining the temperature of the compressed air contained in the storage tube is obtained by the circulation of a hot fluid, steam or a coolant which exchanges, by thermal conductivity of the steel between the two types of tubes (compressed air tubes and hot fluid piping), heat with stored compressed air.
  • Another embodiment of the storage of compressed gas consists in forming steel tube coils, preferably, but not necessarily, on the site itself given their size: dimensions of the coils, weight, and handling means available.
  • the manufacture of the unitary coil can be obtained by winding, in plastic deformation of the steel tube, in successive layers on a drum with horizontal axis or vertical axis.
  • the axis of the coil is vertical.
  • a unitary storage coil with a maximum diameter of 15 m, a minimum diameter of 3 m and a width of 1.5 m, with a 6.625 "(16 cm) diameter tube, 6.4 mm thick, has a steel weight of 230 tonnes, one gas storage volume of 176 m 3, the volume of the cylinder constituted by such an elementary coil is 276 m 3 ( figure 3 ).
  • the figure 4 schematically shows a coil with a horizontal axis (6) and a coil with a vertical axis (7).
  • the coils are made from sections of 12-15m standard length steel tubes, assembled and welded to form a continuous tube which will then be bent in its plastic mode by means of pressure rollers (8) and wound on a specific drum. (9) to form an elementary coil, for example of volume 276 m 3 .
  • each coil element can be fabricated on the spot, circled and then returned to move from a vertical coil (with its horizontal axis) to a horizontal coil (with its vertical axis), then positioned, lowered and placed flat at the bottom of the tank (10) ( figure 4 ) previously built.
  • An excavation may be performed to contain the lower half of the drum to avoid a structure in height and facilitate the reeling of the continuous tube.
  • a gantry compatible with the loads and dimensions of the coil (example: external diameter 15m, height 3m, weight of the coil 230 tons) will allow the tilting, its movement and the descent of the coil in the tank.
  • the coil elements will thus be stacked on top of each other and connected by means of tubes with series or parallel connection.
  • the tubes for storing compressed air may be contiguous (11) (contiguous turns) or slightly spaced (12) a few centimeters between each tube to facilitate the heat exchange between the steel of the coil. tube and the coolant if the air is stored warm ( figure 5 ).

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Abstract

- La présente invention concerne un système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé, caractérisé en ce qu'il est constitué par un ensemble de tubes aciers (1), droits ou enroulés, assemblés pour former un volume de stockage disposé en surface, ou en sub-surface, l'assemblage étant enfermé dans une enveloppe isolante thermiquement (2).

Description

  • Le domaine de la présente invention concerne le stockage d'énergie par air comprimé (CAES pour "Compressed Air Energy Storage"). L'invention porte sur un système optimisé pour le stockage de l'air.
  • Dans ce système, l'énergie, pouvant provenir d'électricité issue de sources renouvelables notamment, et que l'on souhaite utiliser à un autre moment, peut être stockée sous forme d'air comprimé. L'électricité produite en excès alimente donc un, ou plusieurs compresseurs dont le but est de comprimer une quantité d'air donnée et de la stocker dans des réservoirs adaptés.
  • Il n'existe pas, à ce jour, de stockage local semi-massif d'air comprimé industriel, en réservoir artificiel (à la différence des stockages géologiques existants dans des cavités salines), entre 70 et 120 bars pour des volumes compris entre 1000m3 et 30 000m3 installés à terre, en surface ou sub-surface (ci-après désigné comme « mini CAES »).
  • Ainsi, la présente invention concerne un système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé, caractérisé en ce qu'il est constitué par un assemblage de tubes aciers connectés pour former un volume de stockage disposé en surface, ou en sub-surface, ledit assemblage étant confiné dans une enveloppe isolante thermiquement.
  • L'assemblage peut être constitué par des longueurs de tubes droits réunis en fagots et disposés en parallèle.
  • L'assemblage peut être constitué par au moins un tube continu enroulé en bobine.
  • Le volume de stockage peut comporter plusieurs assemblages confinés dans une enveloppe de protection environnementale et de sécurité.
  • Le système peut comporter des moyens de chauffage ou de maintien de la chaleur de l'air comprimé stocké.
  • Le volume de stockage peut être contenu dans une fosse aménagée dans le sol.
  • La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des modes de réalisations suivants, nullement limitatifs, et illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles :
    • la figure 1 illustre schématiquement et en coupe, un assemblage de tubes aciers droits « en fagot » dans une enveloppe isolante,
    • la figure 2 montre une disposition de conduites de chauffage et/ou de récupération de chaleur,
    • la figure 3 illustre un exemple de dimensionnement de bobine de stockage selon l'invention,
    • la figure 4 montre schématiquement les modes de réalisation de bobines à axe vertical et à axe horizontal et des dispositions d'assemblage de bobines.
    • la figure 5 illustre le principe de bobine de stockage pour air comprimé à température ambiante ou à température de compression.
  • L'air à haute pression, par exemple entre 70 et 120 bars est stocké dans des tubes en acier, assemblés par soudures et disposés horizontalement en fagots en surface ou en semi-enterré pour bénéficier d'un milieu plus stable en température et/ou pour des raisons d'esthétiques, d'environnement et de sécurité. Les tubes en acier sont de préférence disposés horizontalement pour une plus grande facilité d'assemblage sur une plus grande longueur et pour diminuer le nombre de bouchons d'extrémité et de raccordements entre tubes.
  • Pour réaliser ce système de stockage, il est possible d'utiliser des tubes pétroliers de type "sans soudure" (type tubage ou "casing" pétrolier) ou des tubes droits soudés avec soudures longitudinales ou en hélice utilisés pour les pipelines de gaz, dans la limite de leur pression de service.
  • Ces tubes peuvent être protégés contre la corrosion en extérieur par des revêtements de polyoléfine, polyéthylène (PE), polypropylène (PP) et en intérieur par des revêtements époxy.
  • Les tubes, en élément unitaire de 12-15 mètres sont assemblés et soudés préférentiellement sur le site de stockage, avec des moyens de manutention limités.
  • Les longueurs peuvent atteindre, plusieurs dizaines de mètres en fonction du volume d'air souhaité et de la place sur le site de stockage. Les longueurs de tubes ainsi constitués sont disposées parallèles, puis mis en couches successives pour constituer un "fagot" de, par exemple, 10 par rangée et 10 en hauteur, soit pour atteindre une centaine de tubes.
  • Les longueurs de tubes sont raccordées entre elles par des canalisations de diamètre approprié pour les mettre en communication, en parallèle ou en série, afin d'obtenir le volume de stockage choisi. Un jeu de vanne sur ces canalisations permet d'isoler une longueur, ou un ensemble de tubes.
  • Le "fagot" constitué est de préférence quasi-horizontal, avec cependant une légère pente pour faciliter l'écoulement des condensats.
  • Les tubes sont de préférence disposés horizontalement plutôt que verticalement. Horizontalement, ils permettent d'obtenir un plus important volume de stockage avec un minimum de conduites de raccordement et de bouchons aux extrémités des tubes, contrairement à la disposition verticale et partiellement enterrés, qui implique que la longueur de tube soit limitée à la profondeur de l'excavation. La multiplication des tubes verticaux augmente le nombre de bouchons d'extrémités, complique le raccordement, et augmente les couts de l'installation.
    • Exemple d'ordre de grandeur:
  • Pour un tube de diamètre extérieur de 20" (0.508m) de diamètre intérieur 0.485m, longueur 10 m, fagot de 10 x 10 = 100 tubes. Le poids est de 137 tonnes pour un volume d'air comprimé de 185 m3, ce qui donne un ratio m3 d'air /poids acier de 1,348, ou le ratio de 0,742 tonnes d'acier/m3 stocké. Ce calcul ne prend pas en compte les embouts d'extrémités des tubes et les moyens de raccordements entre eux. Pour cette raison la règle de "un kilo d'acier pour un litre d'air comprimé stocké" peut être appliquée.
  • Dans une variante selon l'invention, si l'air stocké est chaud (chaleur issue de la phase de compression), l'objectif est de conserver le plus longtemps possible la chaleur de l'air comprimé dans les tubes de stockage. Pour cela, la cuve contenant les fagots de tubes droits assemblés est thermiquement isolée du milieu extérieur pour conserver la chaleur de l'air comprimé introduit dans le stockage. La figure 1 montre en coupe un fagot constitué de tubes (1) parallèles enfermés dans une enceinte (2) pour l'isolation thermique, environnementale et/ ou sécuritaire.
  • Un chauffage complémentaire de l'air, contenu dans des tubes droits horizontaux peut se faire par l'intérieur ou par l'extérieur du tube de stockage.
  • Il y a la possibilité de disposer, dans chaque tube de stockage, un tube dit "insert" rempli d'un matériau de stockage de chaleur. Cependant avec ce système, il y aura une diminution du volume d'air stocké égale au volume des tubes de stockage de chaleur ou tubes de réchauffage.
  • Une autre variante est d'utiliser un échangeur de chaleur composé de conduites (3) disposés dans l'espace disponible entre les tubes de stockage d'air comprimé, Les tubes sont de préférence en contact métal-métal pour faciliter le transfert de la chaleur par conduction. La figure 2 montre une autre disposition des tubes parallèles et des conduites d'échange de chaleur (3).
  • Le chauffage ou le maintien en température de l'air comprimé contenu dans le tube de stockage est obtenu par la circulation d'un fluide chaud, de la vapeur ou un liquide caloporteur qui échange, par conductivité thermique de l'acier entre les deux types de tubes (tubes d'air comprimé et canalisation de fluide chaud), de la chaleur avec l'air comprimé stocké.
  • Un autre mode de réalisation du stockage de gaz comprimé consiste à former des bobines de tubes en acier, de préférence, mais pas nécessairement, sur le site même compte tenu de leur encombrement: dimensions des bobines, poids, et des moyens de manutention disponibles.
  • La fabrication de la bobine unitaire peut être obtenue par enroulement, en déformation plastique du tube en acier, en couches successives sur un touret à axe horizontal ou à axe vertical.
  • De préférence, l'axe de la bobine est vertical.
    • Exemple d'ordre de grandeur:
  • Une bobine unitaire de stockage de diamètre maximum 15 m, diamètre minimum 3m, de largeur 1,5m, avec un tube de diamètre 6.625" (16 cm), épaisseur 6,4 mm, a un poids d'acier de 230 tonnes, un volume de stockage de gaz de 176 m3. Le volume du cylindre constitué par une telle bobine élémentaire est de 276 m3 (figure 3).
  • La figure 4 montre schématiquement une bobine à axe horizontal (6) et une bobine à axe vertical (7).
  • Les bobines sont fabriquées à partir de tronçons de tubes standards en acier de longueur unitaire 12-15m, assemblés et soudés pour constituer un tube continu qui sera ensuite cintré dans son mode plastique au moyen de galets presseurs (8) et enroulé sur un touret spécifique (9) pour constituer une bobine élémentaire, par exemple de volume 276 m3.
  • Plusieurs bobines unitaires peuvent être superposées puis interconnectées par des conduites pour constituer un volume de stockage dans une cuve (figure 4).
  • La dimension de la bobine fabriquée et donc son poids est directement dépendant de la capacité de levage sur le site du mini CAES. Chaque élément de bobine peut être fabriquée sur place, cerclée puis retournée pour passer d'une bobine verticale (avec son axe horizontal) à une bobine horizontale (avec son axe vertical), puis positionnée, descendue et posée à plat au fond de la cuve (10) (figure 4) préalablement construite.
  • Une excavation pourra être réalisée pour contenir la moitié basse du touret pour éviter une structure en hauteur et faciliter la mise en bobine du tube continu.
  • Un portique compatible avec les charges et dimensions de la bobine (exemple: diamètre extérieur 15m, hauteur 3m, poids de la bobine 230 tonnes) permettra le basculement, son déplacement et la descente de la bobine dans la cuve.
  • Il sera possible de fabriquer des éléments de bobine de hauteur plus réduite (par exemple 2 m) tout en conservant un diamètre extérieur acceptable (par exemple 15 m) pour maintenir le volume linéaire et pour réduire la masse de l'élément fabriqué.
  • Les éléments de bobines seront ainsi empilées les unes sur les autres et raccordés au moyen de tubes avec mise en série ou parallèles.
  • Les tubes de stockage de l'air comprimé peuvent être, à la construction de la bobine, jointifs (11) (spires jointives) ou légèrement espacés (12) de quelques centimètres entre chaque tubes pour faciliter les échanges de chaleur entre l'acier du tube et le fluide caloporteur si l'air est stocké chaud (figure 5).

Claims (6)

  1. Système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé, caractérisé en ce qu'il est constitué par un assemblage de tubes aciers (1) connectés pour former un volume de stockage disposé en surface, ou en sub-surface, ledit assemblage étant confiné dans une enveloppe (2) isolante thermiquement.
  2. Système de stockage selon la revendication 1, dans lequel ledit assemblage est constitué par des longueurs de tubes droits réunis en fagots et disposés en parallèle.
  3. Système de stockage selon la revendication 1, dans lequel ledit assemblage est constitué par au moins un tube continu enroulé en bobine.
  4. Système de stockage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit volume de stockage comporte plusieurs assemblages confinés dans une enveloppe de protection environnementale et de sécurité.
  5. Système de stockage selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens de chauffage ou de maintien de la chaleur de l'air comprimé stocké.
  6. Système de stockage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit volume de stockage est contenu dans une fosse aménagée dans le sol.
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