EP3164584A1 - Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur au moyen d'un echangeur radial - Google Patents

Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur au moyen d'un echangeur radial

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EP3164584A1
EP3164584A1 EP15733664.5A EP15733664A EP3164584A1 EP 3164584 A1 EP3164584 A1 EP 3164584A1 EP 15733664 A EP15733664 A EP 15733664A EP 3164584 A1 EP3164584 A1 EP 3164584A1
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EP
European Patent Office
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heat
beads
fluid
storage
heat storage
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Withdrawn
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EP15733664.5A
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Christophe POURIMA
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
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    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • CAES Compressed Air Energy Storage CAES Compressed Air Energy Storage
  • AACAES Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage
  • CAES compressed air energy storage system
  • energy which is to be used at another time, is stored as compressed air.
  • energy especially electrical, drives air compressors, and for destocking, the compressed air drives turbines, which can be connected to an electric generator.
  • the efficiency of this solution is not optimal because part of the energy of the compressed air is in the form of heat which is not used.
  • the CAES processes only the mechanical energy of the air is used, that is to say that all the heat produced during the compression is rejected.
  • the efficiency of a CAES system is not optimal, because the system requires heating the stored air to achieve the relaxation of the air.
  • the heat stored in the TES is used to heat the air before it is released.
  • Improvements in the AACAES systems have focused on the realization of the TES heat storage system by means of a fixed storage tank of heat storage material.
  • the patent application whose filing number is FR 13/61835 describes an AACAES system in which the heat storage system is made by a tank containing heat storage materials at different temperature levels.
  • FR 13/61835 describes an AACAES system in which the heat storage system is made by a tank containing heat storage materials at different temperature levels.
  • patent application EP 2447501 describes an AACAES system in which oil, used as heat transfer fluid circulates in closed circuit to exchange heat with air.
  • patent applications EP 2530283 and WO 201 105341 1 describe a system AACAES system, in which the heat exchanges are carried out by a coolant circulating in a closed circuit, the closed circuit comprising a single heat transfer fluid reservoir.
  • the invention relates to a system for storage and energy recovery by compressed gas comprising at least one gas compression means, means for storing said compressed gas, at least one expansion means for said compressed gas, exchange means heat between said compressed gas and heat storage beads, means for storing said heat storage beads, said heat exchange means being disposed at the outlet of said gas compression means and / or at the inlet of said gas expansion means.
  • Said heat exchange means comprise at least one radial exchanger, in which a first fluid and said heat storage beads circulate to exchange heat, said first fluid circulating within said radial exchanger by passing radially through means circulating said heat storage beads.
  • said radial exchanger comprises an annular space in which said heat storage balls circulate from the top to the bottom, said first fluid flowing from outside said annular space, through said annular space, towards the inside of said annular space .
  • said first fluid and said balls circulate countercurrent in said radial exchanger.
  • said first fluid is said compressed gas.
  • said first fluid is a secondary fluid exchanging heat with said compressed gas.
  • said system comprises at least two storage means for said heat storage beads, said heat storage beads circulating from a first storage means to a second storage means through at least one radial exchanger .
  • said storage and energy recovery system comprises a plurality of stepped gas compression means, a plurality of stepped expansion means, and a heat exchange means disposed between each stage of said compression means and / or said detent means.
  • said heat exchange means comprise a plurality of radial heat exchangers connected in series and / or in parallel.
  • said heat storage beads are incorporated in a heat transfer fluid.
  • said heat storage beads have a diameter of between 10 nm and 50 mm.
  • said heat storage beads are made of alumina, metal or by micro or nano capsules of phase change material, such as paraffins, metals or salts.
  • said beads can withstand temperatures between 20 and 700
  • the invention relates to a method for storing and recovering energy by compressed gas, in which the following steps are carried out:
  • the heat is exchanged between said gas and said heat storage beads by means of at least one radial exchanger, in which said heat storage beads are circulated and a first fluid, said first circulating fluid. in said radial exchanger passing radially through means for circulating said heat storage beads.
  • heat is exchanged between said gas and said heat storage beads by circulating said gas in said radial exchanger as the first fluid.
  • heat is exchanged between said gas and said heat storage beads by exchanging heat between said gas and a secondary fluid, and then exchanging heat between said secondary fluid and said heat storage beads by means of said heat exchanger radial, said secondary fluid being the first fluid.
  • said heat storage beads are circulated between two storage means for at least one heat exchange.
  • said heat storage beads are incorporated in a heat transfer fluid.
  • said heat storage beads have a diameter of between 10 nm and 50 mm.
  • said beads are made of aluminas, metals or by micro or nanocapsules of phase change material, such as paraffins, metals or salts.
  • said beads can withstand temperatures between 20 and 700
  • Figure 1 illustrates a radial exchanger
  • Figure 2 illustrates a parallel connection of two radial heat exchangers.
  • Figure 3 illustrates a series connection of two radial exchangers.
  • FIG. 4 illustrates a system for storage and energy recovery by compressed gas, according to a first embodiment of the invention, in energy storage operation.
  • FIG. 5 illustrates a system for storage and energy recovery by compressed gas, according to a second embodiment of the invention, in energy storage operation.
  • the present invention relates to a compressed gas energy storage and recovery system equipped with a heat storage means (AACAES).
  • AACAES heat storage means
  • At least one gas compression means (or compressor), preferably the system comprises a plurality of staged gas compression means, the gas compression means can be driven by a motor, in particular an electric motor,
  • the compressed gas storage means may be a reservoir, an underground cavity, or the like, ...
  • At least one gas expansion means (or expander) for relaxing the compressed gas and stored the system preferably comprises a plurality of gas expansion means staged, the gas expansion means can generate energy, including energy electric by means of a generator,
  • the heat exchange means comprise at least one radial exchanger, the heat exchanges between the gas and the heat storage beads may be direct or indirect (with or without an intermediate fluid),
  • TES heat storage beads
  • circuits for circulating the heat storage beads between the storage means of the heat storage beads via at least one radial heat exchanger are provided.
  • staged compression or expansion means are used when a plurality of compression or expansion means are successively mounted one after the other in series: the gas compressed or expanded at the outlet of the first compression or expansion means passes then in a second means of compression or relaxation and so on.
  • a compression or expansion stage is then called a compression or expansion means for the plurality of staged compression or expansion means.
  • a heat exchange means is disposed between each compression and / or expansion stage.
  • the number of compression stages and the number of expansion stages can be between 2 and 10, preferably between 3 and 5.
  • the number of compression stages is identical to the number of expansion stages.
  • the AACAES system according to the invention may contain a single compression means and a single means of relaxation.
  • the system according to the invention is suitable for any type of gas, especially for air.
  • the inlet air used for compression can be taken from the ambient air and the outlet air after the expansion can be released into the ambient air.
  • the system and the method are valid for any other gas.
  • the heat exchange means make it possible, during the storage of the compressed gas (compression), to recover a maximum of heat resulting from the compression of the gas leaving the compressors and to reduce the temperature of the gas before the following compression or before storage.
  • the compressed gas may pass from a temperature above 150 ° C, for example about 190 ° C to a temperature below 80 ° C, for example about 50 ° C.
  • the heat exchange means make it possible, during the restitution of the energy, to restore a maximum of stored heat by increasing the temperature of the gas before passing to the next expansion.
  • the gas may pass from a temperature below 80 ° C, for example about 50 ° C, to a temperature above 150 ° C, for example about 180 ° C.
  • the heat exchange means comprise at least one radial exchanger for the heat exchange, direct or indirect between the gas and the heat storage beads.
  • a fluid and heat storage beads (or two fluids) circulate in countercurrent or co-current.
  • a first fluid flows from bottom to top of the exchanger and the balls (or the second fluid) flows from top to bottom.
  • the first fluid has a radial movement.
  • the first fluid passes radially through the circulation space of the balls (or the second fluid), from the periphery of the radial exchanger to the center of the radial exchanger.
  • the first fluid passes radially through the circulation space of the balls (or the second fluid), from the center of the radial exchanger to the periphery of the radial exchanger. It is during the passage of the first fluid in the circulation space of the balls (or the second fluid) that the heat exchange is performed.
  • the circulation space of the balls (or the second fluid) may be an annular space, that is to say substantially tubular.
  • the geometry of the radial exchanger makes it possible to have flow speeds through the balls (or the second fluid) lower than a conventional fixed bed and thus makes it possible to reduce the pressure drops, which makes it possible to increase the efficiency of the heat exchange and a fortiori the performance of the AACAES system. It is clarified that the terms "first" and "second” are used here without implying any notion of order, quantity, or importance, but these terms are used to distinguish one element from another.
  • the circulation space of the balls may consist of several vertical tubes arranged around the axis of the exchanger so as to contain the fluid and have a large exchange surface.
  • the second fluid corresponds to the balls.
  • the first fluid corresponds to the gas.
  • the heat exchange between the gas and the balls is indirect, that is to say for a heat exchange between the gas and the balls by means of at least one intermediate fluid, the radial exchanger allows an exchange of heat between the intermediate fluid and the balls, the first fluid then corresponds to the intermediate fluid.
  • FIG. 1 is a non-limiting example of a radial exchanger 3 according to a non-limiting embodiment of the invention.
  • the radial exchanger 3 is arranged vertically and comprises an annular space 31, of tubular shape, located between the periphery and the center of the radial exchanger 3.
  • the balls (or second fluid) F2 circulate in the annular space by gravity of top to bottom.
  • the radial exchanger 3 may comprise two inputs and two outputs of the balls (or second fluid) F2.
  • the lower part of the radial exchanger 3 comprises an inlet of the first fluid F1
  • the upper part of the radial exchanger 3 comprises an outlet of the first fluid F1.
  • the first fluid F1 is directed towards the periphery of the radial exchanger 3, then circulates radially from the periphery to the center of the radial exchanger 3 while passing through the annular space 31 .
  • the circulation space of the balls is of tubular, but parallelepipedal or any other similar form.
  • the heat exchange means comprise several radial cascade exchangers (in series), so that the outlet temperature of the balls (or the fluid) F2 is as close as possible to the inlet temperature. air or F1 fluid.
  • FIG. 3 illustrates a configuration of two radial heat exchangers 3 connected in series. The first fluid F1 circulates within the first radial exchanger 3 and then within the second radial exchanger 3, the outlet of the first radial exchanger 3 being connected to the inlet of the second radial exchanger 3. The circulation of the first fluid F1 in each exchanger radial is identical to that described with reference to FIG. The balls (or the second fluid F2) circulate separately in the two radial exchangers 3.
  • the heat storage beads circulate between two ball storage means and pass through at least one radial exchanger.
  • the ball storage means comprise at least one hot ball storage tank, called hot balloon and a cold ball tank, called cold balloon.
  • the hot balloon stores the heat from the heat exchange during compression and the cold balloon stores the heat transfer fluid cooled during expansion.
  • the balls circulate from the cold balloon, pass through at least one radial exchanger, and are then stored in the hot balloon.
  • the balls circulate from the hot flask, pass through at least one radial exchanger, and are stored in the cold flask.
  • hot and cold balloons have no direct connection; to pass from one to the other the balls pass systematically through a radial exchanger.
  • the heat storage beads are small elements capable of storing and returning heat.
  • the heat storage beads have a large heat capacity and more specifically a high energy density (or storage capacity) expressed in MJ / m 3 .
  • the balls may be substantially spherical and have a diameter of a few tens of nanometers to a few tens of millimeters depending on their nature, preferably, the diameter of the balls is between 10 nm and 50 mm, in particular between 50 and 10 mm ⁇ .
  • the balls according to the invention are made of materials that can be used in temperature ranges between 20 ° C and 700 ° C.
  • the beads used may be made by aluminas or metal or by encapsulated phase change materials (PCM) or not encapsulated in the operating temperature range.
  • PCM phase change materials can be of different types, among which:
  • metals for example magnesium, aluminum, copper, antimony, etc.
  • the heat storage beads can store a greater amount of heat than a heat transfer fluid alone, therefore the necessary volume of heat storage beads is less than the volume required for a conventional heat transfer fluid. Thus, it is possible to reduce the storage volumes of the TES.
  • the choice of the nature of the balls depends on the temperature range in which it is used, which is directly related to the compression configuration (number of stages and compression ratio) and compressed air storage pressure of the TES .
  • the balls can be transferred from a cold storage tank to a hot storage tank via a pump, in particular a pneumatic pump.
  • the pump can also be used for suspending the balls in the balloons.
  • the beads can be transferred from the hot storage tank to the cold storage tank via a pump.
  • the pump can be the same as that used when storing compressed air.
  • the heat exchange between the air and the balls or the heat transfer fluid comprising the balls is direct: the air exchanges the heat directly with the balls or coolant comprising the balls without intermediate fluid.
  • a radial exchanger allowing a transfer of heat between the air and the balls, the balls circulate between two balloons through all the radial exchangers.
  • the flow of balls is divided into parallel branches. Each parallel branch comprises a single radial exchanger. The direction of movement of the balls is the same in all branches. This embodiment makes it possible to limit the number of ball storage balloons to two.
  • FIG. 4 shows an AACAES system according to a nonlimiting example of the first embodiment of the invention, for the operation of storing energy (ie by air compression).
  • the AACAES system according to the invention comprises four compression stages made by air compressors 2 which successively compress the air taken from the ambient air 1. Between each compression stage is disposed a radial heat exchanger 3, in which the compressed air and heated (by compression) is cooled by the passage of balls. At the outlet of the last compression stage, the compressed air is stored in a compressed air storage means 4.
  • the balls circulate from a cold storage tank 5 by means of a pneumatic system (not shown) to a hot storage tank 6 passing through the four radial heat exchangers 3 by means of four parallel circuit branches.
  • the AACAES system For the operation of restitution of the energy, ie by expansion of air (not shown), the AACAES system according to this first embodiment of the invention comprises four expansion stages carried out by expansion means which successively relax the compressed air contained in the compressed air storage means. Between each expansion stage is disposed a radial heat exchanger, in which the air cooled by the trigger is heated by the balls. At the outlet of the last stage of relaxation, the relaxed air is released into the ambient environment.
  • the balls circulate from the hot storage tank by means of a pneumatic system to the cold storage tank by passing through the four heat exchangers by means of four parallel circuit branches.
  • the hot storage tank contains the hot balls that were used to cool the compressed air during compression.
  • the ball storage means comprise two storage tanks (a hot balloon and a cold balloon) for each compression or expansion stage.
  • the balls circulate between these two storage tanks through a single radial heat exchanger (that of the stage considered).
  • This embodiment makes it possible to limit the size of the heat transfer fluid storage flasks, since the volume of heat transfer fluid to be stored is reduced because the heat transfer fluid passes only in a single heat exchanger.
  • the exchange of heat between the air and the balls or the coolant comprising the balls is indirect: the air exchanges the heat with the balls by means of at least one fluid intermediate, said secondary fluid.
  • the intermediate fluid may be of different types: molten salts (for example NaN0 2 , NaN0 3 , KN0 2 ...), oil, water depending on the temperature levels and pressure of the secondary circuit.
  • molten salts for example NaN0 2 , NaN0 3 , KN0 2
  • oil water depending on the temperature levels and pressure of the secondary circuit.
  • the intermediate fluid further exchanges heat with the balls by means of at least one radial exchanger.
  • the storage means for the balls comprise two storage flasks for the coolant (a hot flask and a cold flask).
  • the balls circulate between these two storage tanks through the radial exchanger.
  • FIG. 5 shows an AACAES system according to a nonlimiting example of the second embodiment of the invention, for the operation of storing energy (ie by air compression).
  • the AACAES system according to the invention comprises four compression stages made by air compressors 2 which compress successively the air taken from the ambient air 1. Between each compression stage is disposed a heat exchanger 7, in which compressed air and heated (by compression) is cooled by the secondary fluid. At the outlet of the last compression stage, the compressed air is stored in a compressed air storage means 4.
  • the system comprises a closed circuit for circulating the secondary fluid, this circuit comprises a radial exchanger 3 for cooling the secondary fluid with the balls.
  • the secondary fluid circulates in a closed circuit through all the exchangers 7 by parallel branches and in the radial exchanger 3.
  • the circulation of the secondary fluid is implemented by means of a pump 8.
  • the balls are heated in order to store the heat resulting from the compression of the gas.
  • the hot and cold ball storage balls are not shown.
  • the AACAES system for the operation of restitution of the energy, ie by expansion of air (not represented), the AACAES system according to this second embodiment of the invention comprises four stages of relaxation realized by means of relaxation which successively relax the compressed air contained in the compressed air storage means. Between each expansion stage is disposed a heat exchanger, in which the compressed air is heated by the secondary fluid. At the outlet of the last stage of relaxation, the relaxed air is released into the ambient environment.
  • the system comprises a closed circuit for circulating the secondary fluid, this circuit comprises a radial exchanger for heating the secondary fluid with the balls.
  • the secondary fluid circulates in a closed circuit through all the exchangers by parallel branches and in the radial exchanger.
  • the circulation of the secondary fluid is implemented by means of a pump.
  • the beads restore the heat stored in the hot flask during compression.
  • the use of beads of heat storage material makes it possible to operate at different cycle times, that is to say that the AACAES system can continue to operate even if the storage cycle time of the air and the cycle time of destocking of the air are different.
  • the system according to the invention allows flexibility and simplicity of operation; the regulation is done with the outlet temperature on the compressed air side, and the system requires a pump, two storage tanks and heat exchangers.
  • the present invention also relates to a method for storage and recovery by compressed gas, wherein the following steps are carried out:
  • a gas is compressed, in particular by means of an air compressor
  • the heated compressed gas is expanded to generate energy, for example by means of a turbine to generate electrical energy.
  • the heat storage beads are stored so as to store the heat resulting from the compression.
  • the heat is exchanged between the gas and the heat storage beads by means of at least one radial exchanger, in which a first fluid is circulated and the balls are countercurrent, the first fluid flowing from below. at the top of the radial exchanger passing radially through the ball circulation means.
  • the method according to the invention can be implemented by the system according to the invention, in particular the radial exchanger and the heat storage beads may be as described above.
  • the method comprises several successive compression steps, by means of air compressors placed in series.
  • the steps a) and b) are repeated for each compression step.
  • the method comprises several successive expansion steps, by means of expansion placed in series.
  • steps d) and e) are repeated for each relaxation step.
  • the balls are circulated between two storage flasks, the balls being used for all the stages of heat exchange with the compressed gas by means of several exchangers. radial.
  • the balls are distributed in parallel branches which each comprise at least one radial exchanger.
  • the heat is exchanged between the gas and the heat storage beads by means of an intermediate fluid, said secondary fluid.
  • the heat of the secondary fluid is exchanged with the balls by means of a radial exchanger.
  • the balls are circulated between two storage tanks, through the radial exchanger.
  • the secondary fluid is distributed in parallel branches which each comprises a heat exchanger with the gas.

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Abstract

La présente invention concerne un système et un procédé AACAES dans lequel des billes permettent de stocker de la chaleur. Les échanges de chaleur sont réalisés au moyen d'au moins un échangeur de chaleur radial (3), dans lequel les billes et un premier fluide (F1) circulent, le premier fluide (F1) passant radialement au travers des moyens de circulation (31) des billes.

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE STOCKAGE ET DE RECUPERATION D'ENERGIE PAR GAZ COMPRIME AVEC STOCKAGE DE LA CHALEUR AU MOYEN D'UN ECHANGEUR
RADIAL Le domaine de la présente invention concerne le stockage d'énergie par air comprimé
(CAES de l'anglais « Compressed Air Energy Storage »). En particulier, la présente invention concerne un système AACAES (de l'anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel est prévu le stockage de l'air et le stockage de la chaleur générée.
Dans un système de stockage d'énergie par air comprimé (CAES), l'énergie, que l'on souhaite utiliser à un autre moment, est stockée sous forme d'air comprimé. Pour le stockage, une énergie, notamment électrique, entraîne des compresseurs d'air, et pour le déstockage, l'air comprimé entraîne des turbines, qui peuvent être reliées à une génératrice électrique. Le rendement de cette solution n'est pas optimal car une partie de l'énergie de l'air comprimé se retrouve sous forme de chaleur qui n'est pas utilisée. En effet, dans les procédés CAES, on n'utilise que l'énergie mécanique de l'air, c'est-à-dire qu'on rejette toute la chaleur produite lors de la compression. De plus, le rendement d'un système CAES n'est pas optimal, car le système nécessite de chauffer l'air stocké pour réaliser la détente de l'air. En effet, à titre d'exemple, si l'air est stocké à 8 MPa (80 bar) et à température ambiante et si l'on désire récupérer l'énergie par une détente, la décompression de l'air suivra à nouveau une courbe isentropique, mais cette fois à partir des conditions initiales de stockage (environ 8 MPa et 300 K). L'air se refroidit donc jusqu'à des températures non réalistes (83 K soit - 191 °C). Il est donc nécessaire de le réchauffer, ce qui peut se faire à l'aide d'un brûleur à gaz, ou autre carburant. Plusieurs variantes existent actuellement à ce système. On peut citer notamment les systèmes et procédés :
• ACAES (de l'anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à la température due à la compression. Toutefois, ce type de système nécessite un système de stockage spécifique volumineux et coûteux.
· AACAES (de l'anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à température ambiante et la chaleur due à la compression est également stockée dans un système de stockage de la chaleur TES (de l'anglais « Thermal
Energy Storage »). La chaleur stockée dans le TES est utilisée pour chauffer l'air avant sa détente. Des perfectionnements des systèmes AACAES ont porté sur la réalisation du système de stockage de chaleur TES au moyen d'un réservoir fixe de matériau de stockage de la chaleur. Par exemple, la demande de brevet dont le numéro de dépôt est FR 13/61835 décrit un système AACAES dans lequel le système de stockage de chaleur est réalisé par un réservoir contenant des matériaux de stockage de chaleur à différents niveaux de température. Toutefois, pour ces systèmes de stockage de chaleur TES statique (sans mouvement du matériau de stockage de la chaleur), il est nécessaire de gérer le gradient thermique entre deux cycles, ce qui rend le système complexe.
Une autre solution envisagée pour le système de stockage de chaleur TES est l'utilisation d'un fluide caloporteur permettant de stocker la chaleur issue de la compression pour la restituer à l'air avant la détente au moyen d'échangeurs de chaleur. Par exemple, la demande de brevet EP 2447501 décrit un système AACAES dans lequel de l'huile, utilisée en tant que fluide caloporteur, circule en circuit fermé pour échanger de la chaleur avec l'air. Par ailleurs, les demandes de brevet EP 2530283 et WO 201 105341 1 décrivent un système un système AACAES, dans lequel les échanges de chaleur sont réalisés par un fluide caloporteur circulant dans un circuit fermé, le circuit fermé comprenant un unique réservoir de fluide caloporteur.
Toutefois, les systèmes décrits dans ces demandes de brevet nécessitent des volumes de stockage importants à cause du fluide caloporteur utilisé, et/ou du fait que le fluide caloporteur soit stocké dans un unique réservoir et/ou à cause de l'agencement des circuits de circulation du fluide caloporteur. De plus, pour ces systèmes, des pertes de charge importantes sont générées par les échangeurs de chaleur utilisés.
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne un système et un procédé AACAES dans lequel le stockage de chaleur est mis en œuvre par un fluide caloporteur et dans lequel l'échange de chaleur entre le gaz comprimé et le fluide caloporteur est réalisé au moyen d'un échangeur de chaleur radial. Un tel échangeur radial permet de limiter les pertes de charge. De plus, selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide caloporteur comporte des billes de stockage de la chaleur pour réduire le volume de stockage de la chaleur, du fait de la capacité de stockage importante de telles billes.
Le système et le procédé selon l'invention
L'invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, des moyens de stockage dudit gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé, des moyens d'échange de chaleur entre ledit gaz comprimé et des billes de stockage de la chaleur, des moyens de stockage desdites billes de stockage de la chaleur, lesdits moyens d'échange de chaleur étant disposés en sortie dudit moyen de compression de gaz et/ou en entrée dudit moyen de détente de gaz. Lesdits moyens d'échange de chaleur comportent au moins un échangeur radial, dans lequel un premier fluide et lesdites billes de stockage de la chaleur circulent pour échanger de la chaleur, ledit premier fluide circulant au sein dudit échangeur radial en passant radialement au travers de moyens de circulation desdites billes de stockage de la chaleur.
Avantageusement, ledit échangeur radial comporte un espace annulaire dans lequel circulent lesdites billes de stockage de la chaleur du haut vers le bas, ledit premier fluide circulant depuis l'extérieur dudit espace annulaire, au travers dudit espace annulaire, vers l'intérieur dudit espace annulaire.
Selon un aspect de l'invention, ledit premier fluide et lesdites billes circulent à contre- courant dans ledit échangeur radial.
Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit premier fluide est ledit gaz comprimé.
Alternativement, ledit premier fluide est un fluide secondaire échangeant la chaleur avec ledit gaz comprimé.
De préférence, ledit système comporte au moins deux moyens de stockage desdites billes de stockage de la chaleur, lesdites billes de stockage de la chaleur circulant d'un premier moyen de stockage vers un deuxième moyen de stockage au travers d'au moins un échangeur radial.
Selon une caractéristique de l'invention, ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte plusieurs moyens de compression du gaz étagés, plusieurs moyens de détente étagés, et un moyen d'échange de chaleur disposé entre chaque étage desdits moyens de compression et/ou desdits moyens de détente.
De manière avantageuse, lesdits moyens d'échange de chaleur comportent plusieurs échangeurs radiaux montés en série et/ou en parallèle.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdites billes de stockage de la chaleur sont incorporées dans un fluide caloporteur.
De préférence, lesdites billes de stockage de chaleur ont un diamètre compris entre 10 nm et 50 mm.
Avantageusement, lesdites billes de stockage de la chaleur sont réalisées en alumine, en métal ou par des micro ou nano capsules de matériau à changement de phase, tels que des paraffines, des métaux ou des sels.
De plus, lesdites billes peuvent résister à des températures comprises entre 20 et 700
°C. En outre, l'invention concerne un procédé de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz ;
b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur avec des billes de stockage de la chaleur ;
c) on stocke ledit gaz comprimé refroidi ;
d) on chauffe ledit gaz comprimé stocké par échange de chaleur avec lesdites billes de stockage de la chaleur ; et
e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, et
dans lequel on stocke lesdites billes de stockage de la chaleur. Pour ce procédé, on échange la chaleur entre ledit gaz et lesdites billes de stockage de la chaleur au moyen d'au moins un échangeur radial, dans lequel on fait circuler lesdites billes de stockage de la chaleur et un premier fluide, ledit premier fluide circulant au sein dudit échangeur radial en passant radialement au travers de moyens de circulation desdites billes de stockage de la chaleur.
Selon une variante de réalisation de l'invention, on échange la chaleur entre ledit gaz et lesdites billes de stockage de la chaleur en faisait circuler dans ledit échangeur radial ledit gaz en tant que premier fluide.
Alternativement, on échange la chaleur entre ledit gaz et lesdites billes de stockage de la chaleur en échangeant la chaleur entre ledit gaz et un fluide secondaire, puis en échangeant la chaleur entre ledit fluide secondaire et lesdites billes de stockage de la chaleur au moyen dudit échangeur radial, ledit fluide secondaire étant le premier fluide.
Selon un aspect de l'invention, on fait circuler lesdites billes de stockage de la chaleur entre deux moyens de stockage pour au moins un échange de chaleur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdites billes de stockage de la chaleur sont incorporées dans un fluide caloporteur.
Avantageusement, lesdites billes de stockage de chaleur ont un diamètre compris entre 10 nm et 50 mm.
De préférence, lesdites billes sont réalisées en alumines, en métaux ou par des micro ou nanocapsules de matériau à changement de phase, tels que des paraffines, des métaux ou des sels.
De plus, lesdites billes peuvent résister à des températures comprises entre 20 et 700
°C. Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 illustre un échangeur radial.
La figure 2 illustre un montage en parallèle de deux échangeurs radiaux.
La figure 3 illustre un montage en série de deux échangeurs radiaux.
La figure 4 illustre un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, selon un premier mode de réalisation de l'invention, en fonctionnement de stockage d'énergie.
La figure 5 illustre un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, en fonctionnement de stockage d'énergie.
Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé équipé d'un moyen de stockage de la chaleur (AACAES). Le système selon l'invention comporte :
- au moins un moyen de compression de gaz (ou compresseur), de préférence le système comporte plusieurs moyens de compression de gaz étagés, le moyen de compression de gaz peut être entraîné par un moteur, notamment un moteur électrique,
- au moins un moyen de stockage du gaz comprimé par le moyen de compression du gaz, le moyen de stockage du gaz comprimé peut être un réservoir, une cavité souterraine, ou équivalent,...
- au moins un moyen de détente du gaz (ou détendeur) permettant de détendre le gaz comprimé et stocké, le système comporte de préférence plusieurs moyens de détente de gaz étagés, le moyen de détente du gaz permet de générer une énergie, notamment une énergie électrique au moyen d'un générateur,
- des moyens d'échange de chaleur, entre le gaz comprimé et des billes de stockage de la chaleur (pouvant être incorporées dans un fluide caloporteur) pour refroidir le gaz comprimé en sortie du moyen de compression de gaz et/ou pour chauffer le gaz comprimé en entrée du moyen de détente du gaz, les moyens d'échange de chaleur comportent au moins un échangeur radial, les échanges de chaleur entre le gaz et les billes de stockage de la chaleur peuvent être directs ou indirects (avec ou sans fluide intermédiaire),
- des moyens de stockage des billes de stockage de la chaleur (TES),
- des circuits de circulation des billes de stockage de la chaleur entre les moyens de stockage des billes de stockage de la chaleur en passant par au moins un échangeur radial de chaleur.
On utilise les termes « moyens de compression ou de détente étagés », lorsque une pluralité de moyens de compression ou détente sont montés successivement les uns après les autres en série : le gaz comprimé ou détendu en sortie du premier moyen de compression ou de détente passe ensuite dans un deuxième moyen de compression ou de détente et ainsi de suite. On appelle alors un étage de compression ou de détente, un moyen de compression ou de détente de la pluralité de moyens de compression ou de détente étagés. Avantageusement, lorsque le système comporte une pluralité d'étages de compression et/ou de détente, un moyen d'échange de chaleur est disposé entre chaque étage de compression et/ou de détente. Ainsi, l'air comprimé est refroidi entre chaque compression, ce qui permet d'optimiser le rendement de la compression suivante, et l'air détendu est chauffé entre chaque détente, ce qui permet d'optimiser le rendement de la détente suivante. Le nombre d'étages de compression et le nombre d'étages de détente peuvent être compris entre 2 et 10, de préférence entre 3 et 5. De préférence, le nombre d'étages de compression est identique au nombre d'étages de détente. Alternativement, le système AACAES selon l'invention peut contenir un seul moyen de compression et un seul moyen de détente.
Le système selon l'invention est adapté à tout type de gaz, notamment pour l'air. Dans ce cas, l'air en entrée utilisé pour la compression peut être prélevé de l'air ambiant et l'air en sortie après la détente peut être relâché dans l'air ambiant. Dans la suite de la description, seule la variante de réalisation avec de l'air comprimé sera décrite, toutefois, le système et le procédé sont valables pour tout autre gaz.
Les moyens d'échange de chaleur permettent, lors du stockage du gaz comprimé (compression), de récupérer un maximum de chaleur issue de la compression du gaz en sortie des compresseurs et de diminuer la température du gaz avant le passage à la compression suivante ou avant le stockage. Par exemple, le gaz comprimé peut passer d'une température supérieure à 150 °C, par exemple environ 190 °C à une température inférieure à 80 °C, par exemple environ 50 °C. Les moyens d'échange de chaleur permettent lors de la restitution de l'énergie de restituer un maximum de chaleur stockée en augmentant la température du gaz avant le passage à la détente suivante. Par exemple, le gaz peut passer d'une température inférieure à 80 °C, par exemple environ 50 °C, à une température supérieure à 150 °C, par exemple environ 180 °C. Selon l'invention, les moyens d'échange de chaleur comportent au moins un échangeur radial pour l'échange de chaleur, direct ou indirect entre le gaz et les billes de stockage de la chaleur. Dans un échangeur de chaleur radial, un fluide et des billes de stockage de la chaleur (ou deux fluides), circulent à contre-courant ou à co-courant.. Dans un échangeur radial disposé verticalement, un premier fluide circule de bas en haut de l'échangeur et les billes (ou le deuxième fluide) circule de haut en bas. De plus, le premier fluide a un mouvement radial. Selon un exemple de réalisation, le premier fluide passe radialement au travers de l'espace de circulation des billes (ou du deuxième fluide), depuis la périphérie de l'échangeur radial vers le centre de l'échangeur radial. Selon un autre exemple de réalisation, le premier fluide passe radialement au travers de l'espace de circulation des billes (ou du deuxième fluide), depuis le centre de l'échangeur radial vers la périphérie de l'échangeur radial. C'est lors du passage du premier fluide dans l'espace de circulation des billes (ou du deuxième fluide) que l'échange de chaleur est réalisé.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'espace de circulation des billes (ou du deuxième fluide) peut être un espace annulaire, c'est-à-dire de forme sensiblement tubulaire. La géométrie de l'échangeur radial permet d'avoir des vitesses d'écoulement à travers les billes (ou du deuxième fluide) plus faible qu'un lit fixe classique et permet donc de réduire les pertes de charge, ce qui permet d'augmenter l'efficacité de l'échange de chaleur et a fortiori les performances du système AACAES. Il est précisé que les termes « premier » et « deuxième » sont utilisés ici sans impliquer aucune notion d'ordre, de quantité ou d'importance, mais ces termes sont utilisés pour distinguer un élément d'un autre.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'espace de circulation des billes peut être constitué de plusieurs tubes verticaux disposés autour de l'axe de l'échangeur de façon à contenir le fluide et avoir une surface d'échange importante.
De préférence, le deuxième fluide correspond aux billes. Lorsque l'échange de chaleur entre le gaz et les billes est direct, le premier fluide correspond au gaz. Lorsque l'échange de chaleur entre le gaz et les billes est indirect, c'est-à-dire pour un échange de chaleur entre le gaz et les billes au moyen d'au moins un fluide intermédiaire, l'échangeur radial permet un échange de chaleur entre le fluide intermédiaire et les billes, le premier fluide correspond alors au fluide intermédiaire.
La figure 1 est un exemple non limitatif d'échangeur radial 3 selon un exemple non limitatif de réalisation de l'invention. L'échangeur radial 3 est disposé verticalement et comporte un espace annulaire 31 , de forme tubulaire, situé entre la périphérie et le centre de l'échangeur radial 3. Les billes (ou deuxième fluide) F2 circulent dans l'espace annulaire par gravité de haut en bas. Tel qu'illustré, l'échangeur radial 3 peut comprendre deux entrées et deux sorties des billes (ou deuxième fluide) F2. La partie inférieure de l'échangeur radial 3 comprend une entrée du premier fluide F1 , et la partie supérieure de l'échangeur radial 3 comprend une sortie du premier fluide F1 . Au sein de l'échangeur radial 3, le premier fluide F1 est dirigée vers la périphérie de l'échangeur radial 3, puis circule radialement depuis la périphérie vers le centre de l'échangeur radial 3 en passant au travers de l'espace annulaire 31 .
L'échangeur radial est particulièrement adapté à l'utilisation de billes seules sans fluide caloporteur dont le déplacement dans l'échangeur radial se fait par gravité et le déplacement entre les ballons et l'échangeur se fait par des moyens pneumatiques (utilisation de l'air). Dans ce cas, l'interface que constitue l'espace annulaire 31 de circulation des billes entre l'air comprimé et les billes est une grille de forme annulaire qui retient le déplacement des billes vers le centre de l'échangeur.
Selon une variante de réalisation, l'espace de circulation des billes n'est de forme tubulaire, mais parallélépipédique ou de toute autre forme analogue.
Si le fluide F2 est un fluide caloporteur dans lequel sont incorporées des billes, l'espace de circulation des billes 31 peut être constitué de plusieurs tubes verticaux disposés autour de l'axe de l'échangeur de façon à contenir le fluide et avoir une surface d'échange importante.
Selon une variante de réalisation, les moyens d'échange de chaleur comportent plusieurs échangeurs radiaux en parallèle, notamment pour le cas où le débit d'air à chauffer ou refroidir est important. La figure 2 illustre une configuration de deux échangeurs radiaux 3 montés en parallèle. Le flux du premier fluide F1 est séparé en deux, de manière à diviser le débit, chaque portion du flux du premier fluide F1 circule dans un échangeur radial 3, conformément à ce qui a été décrit en relation avec la figure 1 . Les flux du premier fluide en sortie des échangeurs radiaux sont mélangés. Les billes (ou deuxième fluide) F2 circulent séparément dans les deux échangeurs radiaux 3.
Selon une autre variante de réalisation, les moyens d'échange de chaleur comportent plusieurs échangeurs radiaux en cascade (en série), afin que la température de sortie des billes (ou le fluide) F2 se rapproche le plus possible de la température d'entrée de l'air ou du fluide F1 . La figure 3 illustre une configuration de deux échangeurs radiaux 3 montés en série. Le premier fluide F1 circule au sein du premier échangeur radial 3, puis au sein du deuxième échangeur radial 3, la sortie du premier échangeur radial 3 étant relié à l'entrée du deuxième échangeur radial 3. La circulation du premier fluide F1 dans chaque échangeur radial est identique à ce qui a été décrit en relation avec la figure 1 . Les billes (ou le deuxième fluide F2) circulent séparément dans les deux échangeurs radiaux 3.
Afin d'associer les avantages de ces deux variantes, une configuration avec des échangeurs radiaux en série et en parallèle peut être envisagée. Avantageusement, les billes de stockage de chaleur circulent entre deux moyens de stockage des billes et passent au travers d'au moins un échangeur radial. Ainsi, les moyens de stockage des billes comportent au moins un réservoir de stockage de billes chaud, appelé ballon chaud et un réservoir de billes froid, appelé ballon froid. Le ballon chaud stocke la chaleur issue des échanges de chaleur lors de la compression et le ballon froid stocke le fluide caloporteur refroidi lors de la détente. Pour le refroidissement de l'air comprimé (stockage de l'énergie), les billes circulent depuis le ballon froid, passent par au moins un échangeur radial, puis sont stockées dans le ballon chaud. Pour le réchauffement de l'air (restitution de l'énergie), les billes circulent depuis le ballon chaud, passent par au moins un échangeur radial, puis sont stockées dans le ballon froid. Selon l'invention, les ballons chaud et froid n'ont pas de liaison directe ; pour passer de l'un à l'autre les billes passent systématiquement par un échangeur radial.
Cet agencement des moyens de stockage des billes avec un ballon froid et un ballon chaud permet un stockage séparé du fluide caloporteur froid et du fluide caloporteur chaud, ce qui permet un stockage efficace de l'énergie calorifique, avec un minimum de pertes.
Les billes de stockage de chaleur sont des éléments de petites dimensions aptes à emmagasiner et à restituer la chaleur. Les billes de stockage de la chaleur présentent une capacité calorifique importante et plus précisément une densité énergétique (ou capacité de stockage) importante exprimée en MJ/m3. Les billes peuvent être sensiblement sphériques et avoir un diamètre de quelques dizaines de nanomètre à quelques dizaines de millimètre en fonction de sa nature, de préférence, le diamètre des billes est compris entre 10 nm et 50 mm, en particulier entre 50 μηι et 10 mm. Les billes selon l'invention sont réalisées en matériaux pouvant être utilisés dans des plages de température comprises entre 20°C et 700°C. Les billes utilisées peuvent être réalisées par des alumines ou en métal ou par des matériaux à changement de phase encapsulés (PCM de l'anglais « Phase Change Material ») ou non encapsulés dans la plage de température opératoire. La nature des matériaux à changement de phase PCM peut être de différents types, parmi lesquels :
- les sels (avec une capacité de stockage comprise entre 300 à 1000 MJ/m3) : par exemple NaCI, NaN03, KN03,
- les métaux (avec une capacité de stockage comprise entre 100 à 2000 MJ/m3) : par exemple magnésium, aluminium , cuivre, antimoine,...
Les billes de stockage de chaleur permettent d'emmagasiner une quantité de chaleur plus importante qu'un fluide caloporteur seul, par conséquent le volume nécessaire de billes de stockage de la chaleur est inférieur au volume nécessaire pour un fluide caloporteur classique. Ainsi, il est possible de réduire les volumes de stockage du TES. Le choix de la nature des billes dépend du domaine de température dans lequel il est utilisé, ce qui est directement lié à la configuration de la compression (nombre d'étages et taux de compression) et pression de stockage de l'air comprimé du TES. Lors du stockage de l'air comprimé, les billes peuvent être transférées d'un ballon de stockage froid vers un ballon de stockage chaud via une pompe, notamment une pompe pneumatique. La pompe peut servir également à la mise en suspension des billes dans les ballons. Lors de la phase de restitution de l'énergie, les billes peuvent être transférées du ballon de stockage chaud vers le ballon de stockage froid via une pompe. La pompe peut être la même que celle utilisée lors du stockage de l'air comprimé.
Selon une variante de réalisation de l'invention, les billes de stockage de chaleur sont incorporées dans un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur peut être de différentes natures : sels fondus (par exemple NaN02, NaN03, KN02...), huile, air, eau,... de façon à ce qu'il soit facile à mettre en œuvre d'un point de vue échange thermique et hydraulique en fonction du type de billes utilisées ainsi que du type d'échangeur installé.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'échange de chaleur entre l'air et les billes ou le fluide caloporteur comprenant les billes est direct : l'air échange la chaleur directement avec les billes ou fluide caloporteur comprenant les billes sans fluide intermédiaire. Ainsi, entre chaque étage de compression et/ou de détente est inséré un échangeur radial permettant un transfert de chaleur entre l'air et les billes, les billes circulent entre deux ballons en passant par tous les échangeurs radiaux. Le flux de billes est divisé dans des branches parallèles. Chaque branche parallèle comporte un unique échangeur radial. Le sens de circulation des billes est le même dans toutes les branches. Ce mode de réalisation permet de limiter le nombre de ballons de stockage de billes à deux.
La figure 4 présente un système AACAES selon un exemple non limitatif du premier mode de réalisation de l'invention, pour le fonctionnement de stockage de l'énergie (i.e. par compression d'air). Tel qu'illustré, le système AACAES selon l'invention comporte quatre étages de compression réalisés par des compresseurs d'air 2 qui compriment successivement l'air prélevé de l'air ambiant 1 . Entre chaque étage de compression est disposé un échangeur radial de chaleur 3, au sein duquel l'air comprimé et chauffé (par la compression) est refroidi par le passage de billes. En sortie du dernier étage de compression, l'air comprimé est stocké dans un moyen de stockage d'air comprimé 4. Pour le mode de fonctionnement en compression, les billes circulent depuis un ballon de stockage froid 5 au moyen d'un système pneumatique (non représentée) vers un ballon de stockage chaud 6 en passant au travers des quatre échangeurs radiaux de chaleur 3 au moyen de quatre branches de circuit en parallèle. Pour le fonctionnement de restitution de l'énergie, i.e. par détente d'air (non représenté), le système AACAES selon ce premier mode de réalisation de l'invention comporte quatre étages de détente réalisés par des moyens de détente qui détendent successivement l'air comprimé contenu dans le moyen de stockage de l'air comprimé. Entre chaque étage de détente est disposé un échangeur de chaleur radial, au sein duquel l'air refroidi par la détente est chauffé par les billes. En sortie du dernier étage de détente, l'air détendu est libéré dans le milieu ambiant. Pour le mode de fonctionnement en détente, les billes circulent depuis le ballon de stockage chaud au moyen d'un système pneumatique vers le ballon de stockage froid en passant au travers des quatre échangeurs de chaleur au moyen de quatre branches de circuit en parallèle. Le ballon de stockage chaud contient les billes chaudes qui ont servi à refroidir l'air comprimé lors de la compression.
Selon une alternative non représentée de ce premier mode de réalisation, les moyens de stockage des billes comportent deux ballons de stockage (un ballon chaud et un ballon froid) pour chaque étage de compression ou de détente. Les billes circulent entre ces deux ballons de stockage en passant par un seul échangeur radial de chaleur (celui de l'étage considéré). Ce mode de réalisation permet de limiter la taille des ballons de stockage du fluide caloporteur, car le volume de fluide caloporteur à stocker est réduit du fait que le fluide caloporteur ne passe que dans un seul échangeur de chaleur. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'échange de chaleur entre l'air et les billes ou le fluide caloporteur comprenant les billes est indirect : l'air échange la chaleur avec les billes au moyen d'au moins un fluide intermédiaire, dit fluide secondaire. Le fluide intermédiaire peut être peut être de différentes natures : sels fondus (par exemple NaN02, NaN03, KN02...), huile, eau en fonction des niveaux de température et pression du circuit secondaire. Ainsi, entre chaque étage de compression et/ou de détente est inséré un échangeur de chaleur entre l'air comprimé et le fluide secondaire. Le fluide secondaire échange en outre de la chaleur avec les billes au moyen d'au moins un échangeur radial. Les moyens de stockage des billes comportent deux ballons de stockage du fluide caloporteur (un ballon chaud et un ballon froid). Les billes circulent entre ces deux ballons de stockage en passant par l'échangeur radial. Ce mode de réalisation permet d'être plus flexible, la régulation du débit lors des démarrages peut être effectuée avec la variation de débit du fluide secondaire cascadé sur le débit de billes et permet également d'avoir un échangeur radial basse pression.
La figure 5 présente un système AACAES selon un exemple non limitatif du deuxième mode de réalisation de l'invention, pour le fonctionnement de stockage de l'énergie (i.e. par compression d'air). Tel qu'illustré, le système AACAES selon l'invention comporte quatre étages de compression réalisés par des compresseurs d'air 2 qui compriment successivement l'air prélevé de l'air ambiant 1 . Entre chaque étage de compression est disposé un échangeur de chaleur 7, au sein duquel l'air comprimé et chauffé (par la compression) est refroidi par le fluide secondaire. En sortie du dernier étage de compression, l'air comprimé est stocké dans un moyen de stockage d'air comprimé 4. Le système comporte un circuit fermé de circulation du fluide secondaire, ce circuit comprend un échangeur radial 3 afin de refroidir le fluide secondaire avec les billes. Ainsi, le fluide secondaire circule dans une circuit fermé au travers de tous les échangeurs 7 par des branches parallèles et dans l'échangeur radial 3. La circulation du fluide secondaire est mise en œuvre au moyen d'une pompe 8. Ainsi, les billes sont chauffées afin de stocker la chaleur issue de la compression du gaz. Sur cette figure, les ballons chaud et froid de stockage des billes ne sont pas représentés.
Pour le fonctionnement de restitution de l'énergie, i.e. par détente d'air (non représenté), le système AACAES selon ce deuxième mode de réalisation de l'invention comporte quatre étages de détente réalisés par des moyens de détente qui détendent successivement l'air comprimé contenu dans le moyen de stockage de l'air comprimé. Entre chaque étage de détente est disposé un échangeur de chaleur, au sein duquel l'air comprimé est chauffé par le fluide secondaire. En sortie du dernier étage de détente, l'air détendu est libéré dans le milieu ambiant. Le système comporte un circuit fermé de circulation du fluide secondaire, ce circuit comprend un échangeur radial afin de chauffer le fluide secondaire avec les billes. Ainsi, le fluide secondaire circule dans une circuit fermé au travers de tous les échangeurs par des branches parallèles et dans l'échangeur radial. La circulation du fluide secondaire est mise en œuvre au moyen d'une pompe. Ainsi, les billes restituent la chaleur stockée dans le ballon chaud lors de la compression. L'utilisation de billes en matériau de stockage de chaleur permet de pouvoir opérer à des temps de cycles différents, c'est-à-dire que le système AACAES peut continuer à fonctionner même si le temps de cycle de stockage de l'air et le temps de cycle de déstockage de l'air sont différents. De plus, le système selon l'invention permet une flexibilité et une simplicité opératoire ; la régulation se fait avec la température de sortie côté air comprimé, et le système nécessite une pompe, deux ballons de stockage et des échangeurs de chaleur.
La présente invention concerne également un procédé de stockage et de récupération par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz, notamment au moyen d'un compresseur d'air ;
b) on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur avec des billes de stockage de la chaleur, en particulier au moyen d'un échangeur de chaleur ; c) on stocke le gaz comprimé refroidi, notamment par un moyen de stockage de gaz comprimé ;
d) on chauffe le gaz comprimé stocké par échange de chaleur avec les billes de stockage de la chaleur chauffées lors de l'étape b) ; et
e) on détend le gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, par exemple au moyen d'une turbine pour générer une énergie électrique.
Selon l'invention, on stocke les billes de stockage de la chaleur de manière à stocker la chaleur issue de la compression. De plus, on échange la chaleur entre le gaz et les billes de stockage de la chaleur au moyen d'au moins un échangeur radial, dans lequel on fait circuler un premier fluide et les billes à contre-courant, le premier fluide circulant de bas en haut de l'échangeur radial en passant radialement au travers des moyens de circulation des billes.
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre par le système selon l'invention, en particulier l'échangeur radial et les billes de stockage de la chaleur peuvent être tels que décrits précédemment.
Selon un aspect de l'invention, le procédé comporte plusieurs étapes de compression successives, au moyen de compresseurs d'air placés en série. Dans ce cas, on réitère les étapes a) et b) pour chaque étape de compression.
Selon une caractéristique de l'invention, le procédé comporte plusieurs étapes de détente successives, par des moyens de détente placés en série. Dans ce cas, on réitère les étapes d) et e) pour chaque étape de détente.
Selon le premier mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 4, on fait circuler les billes entre deux ballons de stockage, les billes étant utilisées pour toutes les étapes d'échange de chaleur avec le gaz comprimé au moyen de plusieurs échangeurs radiaux. Les billes sont distribuées dans des branches parallèles qui comportent chacune au moins un seul échangeur radial.
Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 5, pour chaque étape d'échange de chaleur, on échange la chaleur entre le gaz et les billes de stockage de la chaleur au moyen d'un fluide intermédiaire, dit fluide secondaire. Puis, on échange la chaleur du fluide secondaire avec les billes au moyen d'un échangeur radial. Pour ce mode de réalisation, on fait circuler les billes entre deux ballons de stockage, au travers de l'échangeur radial. Le fluide secondaire est distribué dans des branches parallèles qui comporte chacune un échangeur de chaleur avec le gaz.

Claims

Revendications
1 ) Système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz (2), des moyens de stockage dudit gaz comprimé (4), au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé (9), des moyens d'échange de chaleur entre ledit gaz comprimé et des billes de stockage de la chaleur, des moyens de stockage desdites billes de stockage de la chaleur (5, 6), lesdits moyens d'échange de chaleur étant disposés en sortie dudit moyen de compression de gaz (2) et/ou en entrée dudit moyen de détente de gaz (9), caractérisé en ce que lesdits moyens d'échange de chaleur comportent au moins un échangeur radial (3), dans lequel un premier fluide (F1 ) et lesdites billes de stockage de la chaleur circulent pour échanger de la chaleur, ledit premier fluide (F1 ) circulant au sein dudit échangeur radial (3) en passant radialement au travers de moyens de circulation desdites billes de stockage de la chaleur (F2). 2) Système selon la revendication 1 , dans lequel ledit échangeur radial comporte un espace annulaire (31 ) dans lequel circulent lesdites billes de stockage de la chaleur (F2) du haut vers le bas, ledit premier fluide (F1 ) circulant depuis l'extérieur dudit espace annulaire (31 ), au travers dudit espace annulaire (31 ), vers l'intérieur dudit espace annulaire (31 ). 3) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit premier fluide (F1 ) et lesdites billes circulent à contre-courant dans ledit échangeur radial (3).
4) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit premier fluide (F1 ) est ledit gaz comprimé.
5) Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit premier fluide (F1 ) est un fluide secondaire échangeant la chaleur avec ledit gaz comprimé.
6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système comporte au moins deux moyens de stockage (5, 6) desdites billes de stockage de la chaleur, lesdites billes de stockage de la chaleur circulant d'un premier moyen de stockage (5, 6) vers un deuxième moyen de stockage (6, 5) au travers d'au moins un échangeur radial (3). 7) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte plusieurs moyens de compression du gaz (2) étagés, plusieurs moyens de détente (9) étagés, et un moyen d'échange de chaleur disposé entre chaque étage desdits moyens de compression (2) et/ou desdits moyens de détente (9).
8) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens d'échange de chaleur comportent plusieurs échangeurs radiaux (3) montés en série et/ou en parallèle.
9) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites billes de stockage de la chaleur sont incorporées dans un fluide caloporteur.
10) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites billes de stockage de chaleur ont un diamètre compris entre 10 nm et 50 mm.
1 1 ) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites billes de stockage de la chaleur sont réalisées en alumine, en métal ou par des micro ou nano capsules de matériau à changement de phase, tels que des paraffines, des métaux ou des sels.
12) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites billes résistent à des températures comprises entre 20 et 700 °C.
13) Procédé de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz ;
b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur avec des billes de stockage de la chaleur ;
c) on stocke ledit gaz comprimé refroidi ;
d) on chauffe ledit gaz comprimé stocké par échange de chaleur avec lesdites billes de stockage de la chaleur ; et
e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, et
dans lequel on stocke lesdites billes de stockage de la chaleur, caractérisé en ce qu'on échange la chaleur entre ledit gaz et lesdites billes de stockage de la chaleur au moyen d'au moins un échangeur radial (3), dans lequel on fait circuler lesdites billes de stockage de la chaleur et un premier fluide (F1 ), ledit premier fluide (F1 ) circulant au sein dudit échangeur radial (3) en passant radialement au travers de moyens de circulation desdites billes de stockage de la chaleur (F2). 14) Procédé selon la revendication 13, dans lequel on échange la chaleur entre ledit gaz et lesdites billes de stockage de la chaleur en faisait circuler dans ledit échangeur radial (3) ledit gaz en tant que premier fluide (F1 ). 15) Procédé selon la revendication 13, dans lequel on échange la chaleur entre ledit gaz et lesdites billes de stockage de la chaleur en échangeant la chaleur entre ledit gaz et un fluide secondaire, puis en échangeant la chaleur entre ledit fluide secondaire et lesdites billes de stockage de la chaleur au moyen dudit échangeur radial (3), ledit fluide secondaire étant le premier fluide (F1 ).
16) Procédé selon l'une des revendications 13 à 15, dans lequel on fait circuler lesdites billes de stockage de la chaleur entre deux moyens de stockage (5, 6) pour au moins un échange de chaleur. 17) Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel lesdites billes de stockage de la chaleur sont incorporées dans un fluide caloporteur.
18) Procédé selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel lesdites billes de stockage de chaleur ont un diamètre compris entre 10 nm et 50 mm.
19) Procédé selon l'une des revendications 13 à 18, dans lequel lesdites billes sont réalisées en alumines, en métaux ou par des micro ou nanocapsules de matériau à changement de phase, tels que des paraffines, des métaux ou des sels. 20) Procédé selon l'une des revendications 13 à 19, dans lequel lesdites billes résistent à des températures comprises entre 20 et 700 °C.
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