FR2964693A1 - INSTALLATION OF ENERGY RESTITUTION - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne le domaine du stockage énergétique, et en particulier une installation de restitution d'énergie stockée sous forme de gaz sous haute pression comportant un réservoir (6) de stockage de gaz sous haute pression, un moteur pneumatique principal (30'), et interposés entre ceux-ci , un dispositif intermédiaire détendeur-compresseur (9) et un réservoir tampon (5). Le dispositif intermédiaire détendeur-compresseur (9) comporte à son tour un moteur pneumatique secondaire pour recevoir à haute pression ledit gaz du réservoir de stockage (6) et le détendre vers une pression intermédiaire égale ou supérieure à une pression d'admission du moteur pneumatique principal (30) de manière à en extraire un travail mécanique, et un compresseur secondaire, couplé mécaniquement audit moteur pneumatique secondaire, et apte à recevoir un gaz à pression inférieure à ladite pression intermédiaire, et le comprimer vers ladite pression intermédiaire. Le réservoir tampon (5) est relié au moteur pneumatique auxiliaire et au compresseur auxiliaire pour recevoir des deux du gaz à ladite pression intermédiaire, et au moteur pneumatique principal (30') pour lui fournir du gaz à ladite pression d'admission du moteur pneumatique principal. L'invention concerne aussi un procédé de restitution d'énergie stockée sous forme de gaz sous haute pression.The invention relates to the field of energy storage, and in particular an energy storage facility stored in the form of high-pressure gas comprising a reservoir (6) for storing gas under high pressure, a main pneumatic motor (30 '). and interposed therebetween an expander-compressor intermediate device (9) and a buffer tank (5). The expansion-compressor intermediate device (9) in turn comprises a secondary pneumatic motor for receiving said gas from the storage tank (6) at high pressure and releasing it to an intermediate pressure equal to or greater than an intake pressure of the pneumatic motor. primary (30) so as to extract a mechanical work, and a secondary compressor, mechanically coupled to said secondary pneumatic motor, and adapted to receive a gas at a lower pressure than said intermediate pressure, and compress it to said intermediate pressure. The buffer tank (5) is connected to the auxiliary air motor and the auxiliary compressor to receive two of the gas at said intermediate pressure, and the main air motor (30 ') to supply gas thereto at said air motor inlet pressure. main. The invention also relates to a method of restoring stored energy in the form of gas under high pressure.
Description
La présente invention concerne une installation et un procédé de restitution d'énergie stockée sous forme de gaz sous haute pression. The present invention relates to an installation and a method of restoring stored energy in the form of gas under high pressure.
On sait que, la demande d'énergie électrique fluctuant considérablement au cours d'une journée, le gestionnaire d'un réseau électrique public ajuste le réseau en faisant appel à des sources supplémentaires d'énergie électrique pour couvrir les pics de consommation ou en neutralisant des sources actives lorsque le réseau est suralimenté. Cette contrainte peut être locale sachant que certaines régions ne disposent pas de moyens de production suffisants et sont dépendantes d'autres régions, ce qui est le cas en France dans le Sud-est et en Bretagne. It is known that, as the demand for electrical energy fluctuates considerably over the course of a day, the manager of a public electricity grid adjusts the network by using additional sources of electrical energy to cover peaks in consumption or by neutralizing active sources when the network is supercharged. This constraint can be local, given that certain regions do not have sufficient means of production and are dependent on other regions, which is the case in France in the South-East and in Brittany.
Il est de ce fait extrêmement intéressant de pouvoir stocker les surcapacités d'énergie électrique du réseau produites pendant la nuit, et 15 de les restituer au réseau là où les besoins sont les plus importants. It is therefore extremely interesting to be able to store overcapacity of network electricity produced during the night, and to return them to the network where the needs are greatest.
On connaît, notamment par la demande de brevet français avec le numéro de publication FR 2 891 095 Al, une installation de restitution d'énergie stockée sous forme de gaz comprimé, dans lequel un réservoir de 20 stockage dudit gaz comprimé est connecté à un moteur pneumatique. Pour restituer l'énergie, un procédé de restitution est appliqué, dans lequel la détente du gaz entraîne le moteur pneumatique. It is known, particularly from the French patent application with the publication number FR 2 891 095 A1, an energy recovery facility stored in the form of a compressed gas, in which a storage tank for storing said compressed gas is connected to an engine. pneumatic. To restore the energy, a restitution process is applied, in which the expansion of the gas drives the pneumatic motor.
Dans le cadre de la présente invention, on entend « moteur 25 pneumatique » dans son sens le plus large, c'est-à-dire toute machine motrice, tel qu'une turbine ou un moteur à pistons, actionnée par l'expansion d'un fluide compressible, tel que l'air ou tout autre gaz. In the context of the present invention, the term "pneumatic motor" in its widest sense, that is to say any engine, such as a turbine or a piston engine, actuated by the expansion of a compressible fluid, such as air or any other gas.
Toutefois, pour des raisons de rendement, les moteurs pneumatiques, 30 notamment les turbines de détente, et les génératrices électriques qui pourraient y être couplées ont normalement des plages de fonctionnement limitées. Pour alimenter le moteur pneumatique en gaz comprimé avec une pression et un débit sensiblement constants sur de longues périodes de temps, il sera donc normalement nécessaire de stocker sous pression une masse de gaz très élevée par rapport au débit massique fourni au moteur pneumatique. Si le réservoir est directement relié au moteur pneumatique, de telle manière que le gaz soit fourni sous sensiblement la même pression que celle sous laquelle il est stocké, le volume de stockage devra donc aussi être très élevé. Bien que ceci puisse être réalisé dans certains cas, par exemple en utilisant des réservoirs souterrains, en particulier dans des mines de sel, ces grands volumes ne sont pas nécessairement disponibles aux endroits où l'on désire stocker l'énergie. However, for reasons of efficiency, the pneumatic motors, particularly the expansion turbines, and the electric generators that could be coupled thereto normally have limited operating ranges. In order to supply the pneumatic motor with compressed gas with a substantially constant pressure and flow rate over long periods of time, it will therefore normally be necessary to store under pressure a very high mass of gas with respect to the mass flow rate supplied to the pneumatic motor. If the reservoir is directly connected to the pneumatic motor, so that the gas is supplied at substantially the same pressure as that under which it is stored, the storage volume must therefore also be very high. Although this can be achieved in some cases, for example by using underground reservoirs, especially in salt mines, these large volumes are not necessarily available where energy storage is desired.
Il est bien sûr possible de diminuer le volume de stockage en augmentant la pression de stockage par rapport à la pression d'admission du moteur pneumatique. On installerait alors un détendeur entre le réservoir de stockage et le moteur pneumatique. Dans d'autres documents de l'état de la technique, on a souvent simplement pris en compte une détente isotherme entre la pression de stockage et la pression d'admission du moteur pneumatique, sans considérer aucune perte d'énergie. Toutefois, dans ce cas, l'énergie qui a été dépensée pour stocker le gaz à une très haute pression, supérieure à la pression nominale d'admission du moteur pneumatique, est en réalité perdue, sans être réutilisée au moment où on ramène la pression du gaz à cette pression nominale d'admission. Ainsi, le rendement énergétique est fortement affecté par un stockage de gaz à très haute pression. Par exemple, l'énergie interne d'un volume VI de gaz à 30 MPa est largement supérieure à celle d'un volume V2 de même masse de gaz à 2,1 MPa. Si l'on stocke, par exemple, 300 kg d'air à 30 MPa et que celui-ci est détendu à 2,1 MPa avant d'alimenter un moteur pneumatique, bute 1 "énergie potentiellement récupérable est celle de 300 kg d'air à 2,1 MPa, soit une perte d'énergie d'environ 5O% par rapport à celle stockée. It is of course possible to reduce the storage volume by increasing the storage pressure relative to the intake pressure of the air motor. An expansion valve would be installed between the storage tank and the air motor. In other documents of the state of the art, it has often simply taken into account an isothermal expansion between the storage pressure and the inlet pressure of the air motor, without considering any loss of energy. However, in this case, the energy that has been spent to store the gas at a very high pressure, higher than the nominal intake pressure of the air motor, is actually lost, without being reused when the pressure is brought back gas at this nominal inlet pressure. Thus, the energy efficiency is strongly affected by a very high pressure gas storage. For example, the internal energy of a volume VI of gas at 30 MPa is much greater than that of a volume V2 of the same mass of gas at 2.1 MPa. If, for example, 300 kg of air are stored at 30 MPa and this is expanded to 2.1 MPa before supplying a pneumatic motor, then 1 "potentially recoverable energy is that of 300 kg. air at 2.1 MPa, a loss of energy of about 50% compared to that stored.
La présente invention vise à proposer une installation et un procédé de restitution d'énergie stockée sous forme de gaz comprimé qui permette de s'affranchir de réservoirs de stockage de très grand volume, tout en maintenant un haut rendement énergétique. The present invention aims to propose an installation and a process for the return of stored energy in the form of a compressed gas that makes it possible to dispense with storage tanks of very large volume, while maintaining a high energy efficiency.
Dans une installation suivant au moins un mode de réalisation de la 10 présente invention, ce but est atteint grâce au fait que, entre le réservoir de stockage et le moteur pneumatique principal sont interposés un dispositif intermédiaire détendeur-compresseur et un réservoir tampon. Ledit dispositif intermédiaire détendeur-compresseur comporte un moteur pneumatique secondaire et un compresseur secondaire. Ledit moteur 15 pneumatique secondaire est apte à recevoir à haute pression ledit gaz du dispositif de stockage et à le détendre vers une pression intermédiaire égale ou supérieure à une pression d'admission du moteur pneumatique principal de manière à en extraire un travail mécanique. Ledit compresseur secondaire est apte à recevoir un gaz à une pression 20 inférieure à ladite pression intermédiaire, et à le comprimer vers ladite pression intermédiaire, et est couplé mécaniquement audit moteur pneumatique secondaire. Le réservoir tampon est relié, d'une part, au moteur pneumatique secondaire et au compresseur secondaire pour recevoir de ces derniers du gaz à ladite pression intermédiaire et, d'autre 25 part, au moteur pneumatique principal pour lui fournir du gaz à ladite pression d'admission du moteur pneumatique principal. In an installation according to at least one embodiment of the present invention, this object is achieved by virtue of the fact that between the storage tank and the main pneumatic motor are interposed an intermediate expander-compressor device and a buffer tank. Said compressor-expander intermediate device comprises a secondary pneumatic motor and a secondary compressor. Said secondary pneumatic motor is adapted to receive said gas from the storage device at high pressure and to release it to an intermediate pressure equal to or greater than an inlet pressure of the main pneumatic motor so as to extract a mechanical work therefrom. Said secondary compressor is adapted to receive a gas at a pressure lower than said intermediate pressure, and to compress it to said intermediate pressure, and is mechanically coupled to said secondary pneumatic motor. The buffer tank is connected, on the one hand, to the secondary pneumatic motor and the secondary compressor to receive therefrom gas at said intermediate pressure and, on the other hand, to the main pneumatic motor to supply gas thereto intake of the main pneumatic motor.
Grâce à ces dispositions, il est possible de récupérer une partie de l'énergie interne du gaz sous haute pression pour augmenter le débit de 30 gaz fourni au moteur pneumatique principal. On dugmente uns' la quantité d'énergie pouvant être récupérée par le moteur pneumatique principal, et le rendement de l'installation de restitution d'énergie s'en trouve nettement amélioré. Thanks to these arrangements, it is possible to recover some of the internal energy of the gas under high pressure to increase the gas flow rate supplied to the main pneumatic motor. The amount of energy that can be recovered by the main air motor is decreased, and the efficiency of the energy recovery facility is significantly improved.
Avantageusement, ledit gaz peut être de l'air, qui est une ressource facilement disponible, est relativement peu réactif, et peut être directement évacué à l'atmosphère après sa détente dans le moteur pneumatique principal. Advantageously, said gas can be air, which is a readily available resource, is relatively unreactive, and can be directly discharged to the atmosphere after expansion in the main air motor.
10 Lesdits moteurs pneumatiques principal et/ou secondaire peuvent en particulier comporter des turbines, avantageuses en termes de fiabilité, de haut rendement et de facilité de maintenance, mais, alternativement ou complémentairement aux turbines, des moteurs pneumatiques à pistons, mobiles en va-et-vient et/ou rotatifs, pourraient aussi être envisagés. 15 Avantageusement, ledit dispositif intermédiaire détendeur-compresseur peut comporter au moins un échangeur de chaleur entre lesdits moteur pneumatique et compresseur secondaires. Ainsi, la température du gaz détendu dans le moteur pneumatique secondaire peut être augmentée, et 20 celle du gaz comprimé dans le compresseur secondaire diminuée, augmentant ainsi le rendement de ce moteur et de ce compresseur. Said main and / or secondary pneumatic engines may in particular comprise turbines, which are advantageous in terms of reliability, high efficiency and ease of maintenance, but, alternatively or in addition to the turbines, pneumatic piston engines that are mobile and -vient and / or rotary, could also be considered. Advantageously, said compressor-expander intermediate device may comprise at least one heat exchanger between said secondary pneumatic motor and compressor. Thus, the temperature of the expanded gas in the secondary air motor can be increased, and that of the compressed gas in the secondary compressor decreased, thus increasing the efficiency of this engine and compressor.
Avantageusement, le compresseur secondaire peut être relié à un échappement du moteur pneumatique principal pour son alimentation en 25 gaz. De cette manière, le compresseur secondaire peut être alimenté en air sec et froid. Advantageously, the secondary compressor may be connected to an exhaust of the main pneumatic motor for its gas supply. In this way, the secondary compressor can be supplied with dry and cold air.
Avantageusement, le moteur pneumatique secondaire peut comporter au moins un premier et un deuxième étage de détente installés en série. Ceci 30 per-let dn augmenter le rendement et la flexibilité. En particulier si une admission du deuxième étage de détente est reliée au réservoir de stockage via une dérivation qui court-circuite le premier étage de détente avec une vanne, il est possible, par l'ouverture de cette vanne, d'adapter le moteur pneumatique secondaire à une diminution de la pression de stockage en alimentant directement le deuxième étage de détente et en court-circuitant le premier. Advantageously, the secondary pneumatic motor may comprise at least a first and a second expansion stage installed in series. This increases efficiency and flexibility. In particular, if an inlet of the second expansion stage is connected to the storage tank via a bypass which bypasses the first expansion stage with a valve, it is possible, by opening this valve, to adapt the pneumatic motor. secondary to a decrease in storage pressure by directly feeding the second stage of relaxation and by shorting the first.
Avantageusement, le compresseur secondaire peut comporter au moins un premier et un deuxième étage de compression installés en série. Ceci 10 permet aussi d'en augmenter le rendement et la flexibilité. En particulier, si le moteur pneumatique secondaire comporte aussi un premier et un deuxième étage installés en série, et si le dispositif intermédiaire détendeur-compresseur comporte au moins un premier échangeur de chaleur entre lesdits premiers étages du compresseur secondaire et du 15 moteur pneumatique secondaire, la chaleur générée par le premier peut servir à réchauffer le gaz en aval du second, ce qui augmenterait le rendement de l'un et de l'autre. Encore plus avantageusement, ledit dispositif intermédiaire détendeur-compresseur peut alors comporter aussi au moins un deuxième échangeur de chaleur pour le réchauffement du 20 gaz en aval du deuxième étage du moteur pneumatique secondaire, par exemple avec une chaleur résiduelle, telle que celle produite par un générateur électrique mécaniquement couplé au moteur pneumatique principal, ou par un dispositif de climatisation. Advantageously, the secondary compressor may comprise at least a first and a second compression stage installed in series. This also makes it possible to increase its efficiency and flexibility. In particular, if the secondary pneumatic motor also comprises a first and a second stage installed in series, and if the intermediate device expander-compressor comprises at least a first heat exchanger between said first stages of the secondary compressor and the secondary pneumatic motor, the heat generated by the first can be used to heat the gas downstream of the second, which would increase the efficiency of both. Even more advantageously, said compressor-expander intermediate device may then also comprise at least one second heat exchanger for heating the gas downstream of the second stage of the secondary pneumatic motor, for example with a residual heat, such as that produced by a electric generator mechanically coupled to the main air motor, or by an air conditioning device.
25 Avantageusement, l'installation peut comporter au moins un échangeur de chaleur pour le réchauffement du gaz en amont d'au moins un étage de détente dudit moteur pneumatique principal. Cet échangeur de chaleur peut être relié à un circuit de refroidissement d'une installation produisant de la chaleur résiduelle, tel que, par exemple, un système de climatisation. 30 La chaleur basse température, 85°C par exemple, d'une telle source chaude adjacente est parfaitement exploitable, puisqu'elle possède un At moyen important entre la basse température du gaz et la température de la source chaude. L'énergie thermique apportée va produire un travail par expansion isobare de l'air comprimé, augmentant l'énergie cinétique de l'air comprimé en déplacement par augmentation de sa vitesse. L'énergie interne d'un gaz étant fonction de sa température, plus la température de la source chaude sera élevée, plus grande sera la variation positive d'énergie interne. Advantageously, the installation may comprise at least one heat exchanger for heating the gas upstream of at least one expansion stage of said main pneumatic motor. This heat exchanger can be connected to a cooling circuit of an installation producing residual heat, such as, for example, an air conditioning system. The low temperature heat, for example 85 ° C, of such an adjacent hot source is fully exploitable, since it has a significant mean A between the low temperature of the gas and the temperature of the hot source. The thermal energy provided will produce a job by isobaric expansion of the compressed air, increasing the kinetic energy of the compressed air moving by increasing its speed. The internal energy of a gas being a function of its temperature, the higher the temperature of the hot source, the greater the positive variation of internal energy.
10 Avantageusement, ledit moteur pneumatique principal peut comporter une pluralité d'étages d'expansion installés en série, ce qui permet aussi d'en augmenter le rendement et la flexibilité. L'utilisation de plusieurs étages permet d'exploiter plusieurs phases de détente, et la détente est ainsi exploitée dans toute son étendue. 15 La présente invention concerne également une installation de stockage et restitution d'énergie comportant une installation de restitution d'énergie telle que décrite ci-dessus, et un compresseur principal pour alimenter ledit réservoir de stockage en gaz sous haute pression. De cette manière, 20 cette installation de stockage et restitution d'énergie permet, par exemple, d'apporter, en cohérence avec les besoins d'un réseau électrique, des perfectionnements à des installations de stockage et de récupération d'énergie électrique, afin d'améliorer leur rendement moyen calculé en base à l'énergie électrique soutiré et celle réinjectée au réseau. Ainsi, par exemple, une régulation efficace de l'électricité produite par des aerogenerateurs devient possible. L'installation permet aussi de rivaliser avec les accumulateurs électriques, par exemple dans l'application de la technologie à une motorisation d'un véhicule. Advantageously, said main pneumatic motor may comprise a plurality of expansion stages installed in series, which also makes it possible to increase its efficiency and flexibility. The use of several floors allows to exploit several phases of relaxation, and the relaxation is thus exploited in all its extent. The present invention also relates to a storage and energy restoration installation comprising an energy recovery installation as described above, and a main compressor for supplying said storage tank with gas under high pressure. In this way, this energy storage and retrieval installation makes it possible, for example, to provide, in coherence with the needs of an electrical network, improvements to storage and electrical energy recovery installations, so that to improve their average efficiency calculated in base with the electrical energy withdrawn and that reinjected with the network. Thus, for example, efficient regulation of the electricity produced by aerogenerators becomes possible. The installation also makes it possible to compete with the electric accumulators, for example in the application of the technology to a motorization of a vehicle.
Avantageusement, l'installation peut comporter au moins un échangeur de chaleur pour refroidir ledit gaz en aval d'au moins un étage de compression dudit compresseur principal. Ceci permet de fuir une compression adiabatique pour approcher une compression isotherme, à meilleur rendement énergétique. Particulièrement avantageusement, ledit échangeur de chaleur peut être relié à un moteur de détente, tel que par exemple une turbine, pour l'actionner par la détente d'un fluide chauffé dans ledit échangeur de chaleur. En particulier, ce moteur peut être mécaniquement couplé audit compresseur principal. L'énergie de la chaleur évacuée du gaz en aval de l'au moins un étage de compression peut ainsi être partialement récupérée pour actionner le compresseur principal. En particulier, avec une pluralité d'étages de compression, associés chacun à un échangeur de chaleur en aval, lesdits échangeurs de chaleur peuvent être reliés à un circuit de cycle Rankine avec une turbine à vapeur. Si cette turbine à vapeur était mécaniquement couplée au compresseur, elle réduisait très significativement l'apport de puissance mécanique externe nécessaire pour actionner le compresseur. L'énergie mécanique extraite par cette turbine à vapeur peut être encore plus élevée si le circuit de cycle Rankine comprend un ou plusieurs échangeurs supplémentaires pour recevoir de la chaleur résiduelle de sources externes, telles que, par exemple, un système de climatisation. Advantageously, the installation may comprise at least one heat exchanger for cooling said gas downstream of at least one compression stage of said main compressor. This allows to escape an adiabatic compression to approach an isothermal compression, with better energy efficiency. Particularly advantageously, said heat exchanger can be connected to an expansion motor, such as for example a turbine, to actuate it by the expansion of a heated fluid in said heat exchanger. In particular, this motor can be mechanically coupled to said main compressor. The energy of the heat discharged from the gas downstream of the at least one compression stage can thus be partially recovered to operate the main compressor. In particular, with a plurality of compression stages, each associated with a downstream heat exchanger, said heat exchangers can be connected to a Rankine cycle circuit with a steam turbine. If this steam turbine was mechanically coupled to the compressor, it significantly reduced the external mechanical power input needed to drive the compressor. The mechanical energy extracted by this steam turbine can be even higher if the Rankine cycle circuit comprises one or more additional exchangers for receiving residual heat from external sources, such as, for example, an air conditioning system.
La présente invention concerne aussi un procédé de restitution d'énergie stockée sous forme de gaz sous haute pression, ledit procédé comportant les étapes suivantes : une détente d'un premier débit de gaz, contenant du gaz sous haute pression, vers une pression intermédiaire une compression d'un deuylerne débit de gaz, contenant du ga: sous pression inférieure à ladite pression intermédiaire, vers ladite pression intel méciialie, cette compression du deu,leme débit et,iwt au moins partiellement actionnée par un travail extrait de ladite détente du premier débit , un stockage tampon de gaz sous ladite pression intermédiaire provenant desdits premier et deuxième débits et une détente d'un troisième débit de gaz, provenant dudit stockage tampon, de manière à en extraire un travail mécanique. The present invention also relates to a method of restoring energy stored in the form of gas under high pressure, said method comprising the following steps: an expansion of a first gas flow, containing gas under high pressure, to an intermediate pressure a compression of a gas flow rate, containing ga: under pressure lower than said intermediate pressure, to said intel mechaniial pressure, this compression of the second flow and, iwt at least partially actuated by a work extracted from said trigger of the first flow rate, a gas buffer storage under said intermediate pressure from said first and second flow rates and an expansion of a third gas flow, from said buffer storage, so as to extract a mechanical work.
Grâce à ces dispositions, il est possible de récupérer une partie de l'énergie interne du premier débit de gaz pour augmenter le troisième 10 débit de gaz et l'énergie pouvant être récupérée dans sa détente. Thanks to these arrangements, it is possible to recover a portion of the internal energy of the first gas flow to increase the third gas flow and the energy that can be recovered in its expansion.
Avantageusement, ledit procédé de restitution peut aussi comporter un échange de chaleur entre ledit premier débit de gaz après au moins une partie de sa détente vers ladite pression intermédiaire et ledit deuxième 15 débit de gaz après au moins une partie de sa compression vers ladite pression intermédiaire. Ainsi, la température du premier débit de gaz peut être augmentée, et celle deuxième débit de gaz diminuée, augmentant ainsi le rendement tant de la détente que de la compression. Advantageously, said restitution process may also comprise a heat exchange between said first gas flow rate after at least a portion of its expansion towards said intermediate pressure and said second gas flow rate after at least a portion of its compression towards said intermediate pressure . Thus, the temperature of the first gas flow can be increased, and the second gas flow rate decreased, thus increasing the performance of both the trigger and the compression.
20 Avantageusement, ledit deuxième débit de gaz peut être extrait dudit troisième débit après sa détente. Ainsi, le gaz dudit deuxième débit peut être parfait et froid. Advantageously, said second gas flow can be extracted from said third flow after expansion. Thus, the gas of said second flow can be perfect and cold.
Avantageusement, avant au moins une étape de la détente dudit troisième 25 débit de gaz, ledit premier débit de gaz peut être réchauffé, en particulier par une chaleur résiduelle d'un autre processus. Ainsi, l'énergie récupérée dans ladite détente du troisième débit de gaz peut être augmentée. Encore plus avantageusement, si la détente dudit troisième débit de gaz comporte plusieurs étapes, ledit troisième débit de gaz peut être ainsi réchauffé avant chaque étape de détente, permettant ainsi d'approcher une détente isotherme. Advantageously, before at least one step of the expansion of said third gas flow, said first gas flow may be reheated, in particular by a residual heat of another process. Thus, the energy recovered in said expansion of the third gas flow can be increased. Even more advantageously, if the expansion of said third gas flow comprises several steps, said third flow of gas can be warmed up before each expansion step, thus allowing an isothermal expansion to be approached.
La présente divulgation concerne aussi un procédé de stockage d'énergie sous forme de gaz sous haute pression, ledit procédé comportant : une compression d'un premier débit de gaz vers une haute pression ; un stockage à haute pression de ce premier débit de gaz. The present disclosure also relates to a high pressure gas energy storage method, said method comprising: compressing a first gas flow to a high pressure; high pressure storage of this first gas flow.
Selon la présente invention, ce procédé de stockage peut ensuite être 10 suivi du procédé de restitution décrit ci-dessus. According to the present invention, this storage method can then be followed by the restitution method described above.
Avantageusement, après au moins une étape de ladite compression du premier débit de gaz, ledit premier débit de gaz peut être refroidi, en particulier par un fluide biphasique qui est ensuite détendu pour en 15 extraire de l'énergie mécanique suivant un cycle de Rankine. Cette énergie mécanique peut être réutilisée dans la compression dudit premier débit de gaz. Encore plus avantageusement, si la compression dudit premier débit de gaz comporte plusieurs étapes, ledit premier débit de gaz peut être ainsi refroidi après chaque étape de compression, permettant ainsi 20 d'approcher une compression isotherme. Advantageously, after at least one step of said compression of the first gas flow, said first gas flow can be cooled, in particular by a biphasic fluid which is then expanded to extract mechanical energy in a Rankine cycle. This mechanical energy can be reused in the compression of said first gas flow. Even more advantageously, if the compression of said first gas flow comprises a plurality of steps, said first gas flow can be thus cooled after each compression step, thus making it possible to approach isothermal compression.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux 25 dessins annexés sur lesquels : The invention will be better understood and its advantages will appear better on reading the detailed description which follows, of an embodiment shown by way of non-limiting example. The description refers to the accompanying drawings in which:
La figure 1 présente schématiquement un mode de réalisation d'une installation de stockage d'énergie sous forme de gaz sous haute pression. Figure 1 schematically shows an embodiment of an energy storage facility in the form of gas under high pressure.
La figure 2 présente schématiquement un mode de réalisation d'une installation de restitution d'énergie stockée sous forme de gaz sous haute pression. Figure 2 schematically shows an embodiment of an energy recovery facility stored as a gas under high pressure.
La figure 3 présente un mode de réalisation d'un dispositif intermédiaire détendeur-compresseur. FIG. 3 shows an embodiment of an intermediate expander-compressor device.
La figure 1 illustre un mode de réalisation d'une installation de stockage d'énergie permettant la conversion d'énergie électrique en air comprimé 10 sous haute pression dans un réservoir de stockage. Figure 1 illustrates an embodiment of an energy storage facility for converting electrical energy into compressed air at high pressure in a storage tank.
Dans la transformation de l'énergie électrique en air comprimé, un minimum d'énergie est dépensé par une compression isotherme, celle-ci étant toutefois théorique. On s'en approchera, dans l'installation illustrée, 15 en fuyant une compression adiabatique, en partie inévitable, par une compression polytropique à trois étages et refroidissement intermédiaire. In the transformation of electrical energy into compressed air, a minimum of energy is spent by isothermal compression, which is however theoretical. In the illustrated installation, it will be approached by fleeing an adiabatic compression, in part inevitable, by a polytropic compression with three stages and intermediate cooling.
Cette installation comporte un circuit d'air avec un compresseur 30 ayant un premier étage 12, un deuxième étage 11, et un troisième étage 10 20 reliés en série dans le circuit d'air et solidaires mécaniquement d'un même arbre moteur 21 couplé à un moteur électrique 8 alimenté par un réseau électrique triphasique 3. Dans le circuit d'air sont aussi placés, directement en aval de chaque étage de compresseur 12, 11, 10, des échangeurs de chaleur 15, 14, 13 permettant un échange de chaleur entre l'air du circuit 25 d'air et un fluide d'un premier circuit secondaire 17. Le circuit d'air débouche, à travers une vanne 4, dans un réservoir 6 de stockage d'air sous haute pression, This installation comprises an air circuit with a compressor 30 having a first stage 12, a second stage 11, and a third stage 10 connected in series in the air circuit and mechanically integral with the same motor shaft 21 coupled to an electric motor 8 powered by a three-phase electrical network 3. In the air circuit are also placed, directly downstream of each compressor stage 12, 11, 10, heat exchangers 15, 14, 13 for heat exchange between the air of the air circuit 25 and a fluid of a first secondary circuit 17. The air circuit opens, through a valve 4, into a tank 6 for storing air under high pressure,
Le circuit secondaire 17 est un circuit à fluide diphasique comportant une pompe 28 pour alimenter en liquide un diviseur 22 dans lequel le circuit secondaire 17 se divise en trois branches parallèles, chacune passant par un des échangeurs 15, 14, 13, lesquels sont aptes à évaporer, partiellement ou totalement, le débit de liquide de chaque branche avec la chaleur dégagée par l'air comprimé. Le circuit secondaire 17 comporte aussi un noeud 23, dans lequel les trois branches parallèles du circuit secondaire se réunissent, et, en aval de celui-ci, un échangeur 24 en communication avec une source de chaleur 1, qui peut être une installation adjacente produisant de la chaleur résiduelle, telle qu'une installation de climatisation ou un moteur électrique, est apte à finaliser l'évaporation du fluide diphasique, et une turbine à vapeur 27, également solidaire de l'arbre moteur 21. Finalement, en aval de la turbine à vapeur 27 et en amont de la pompe 28, le circuit secondaire comporte un condenseur 29 relié à une source froide 25. The secondary circuit 17 is a two-phase fluid circuit comprising a pump 28 for supplying liquid to a divider 22 in which the secondary circuit 17 is divided into three parallel branches, each passing through one of the exchangers 15, 14, 13, which are adapted to evaporate, partially or totally, the flow of liquid from each branch with the heat released by the compressed air. The secondary circuit 17 also comprises a node 23, in which the three parallel branches of the secondary circuit meet, and, downstream thereof, an exchanger 24 in communication with a heat source 1, which can be an adjacent installation producing residual heat, such as an air conditioning system or an electric motor, is capable of finalizing the evaporation of the two-phase fluid, and a steam turbine 27, also integral with the drive shaft 21. Finally, downstream of the steam turbine 27 and upstream of the pump 28, the secondary circuit comprises a condenser 29 connected to a cold source 25.
Le procédé de stockage d'énergie avec cette installation s'opère comme suit : The energy storage process with this installation is as follows:
L'air extérieur 26 est comprimé par le premier étage 12, de manière adiabatique réversible, d'une pression po (normalement une pression atmosphérique d'environ 0,1 MPa) à la pression pi, qui peut être, par exemple, 0,87 MPa. A la sortie du premier étage 12, l'air, qui d'une température initiale To modérée (normalement une température ambiante d'environ 24°C) est passé à une température Tl élevée (p.ex. environ 270°C), est refroidi par l'échangeur 15 de manière isobare réversible pour descendre à une température T2 plus basse, puis introduit et comprimé par le deuxième étage 11, de manière adiabatique réversible, de la pression pl à une pression p2 supérieure (p.ex. environ 7,2 MPa). L'air, dont la température monte à nouveau, dans ce deuxième étage 11, jusqu'à une température est encore refroidi de manière isobare par l'écndrigeu 14 jusqu'à une température TI, puis introduit et comprimé p le troisième étage 10, de manière adiabatique réversible, de la pression P2 à une pression p3 encore supérieure (p.ex. environ 28,0 MPa). A la sortie du troisième étage 10, l'air comprimé, dont la température est encore montée jusqu'à une température T5 plus élevée que T4, est refroidi par l'échangeur 13 jusqu'à une température T6, et alimente le réservoir 6 à travers la vanne 4. The outside air 26 is compressed by the first stage 12, adiabatically reversible, a pressure po (normally an atmospheric pressure of about 0.1 MPa) at the pressure pi, which can be, for example, 0, 87 MPa. At the outlet of the first stage 12, the air, which has a moderate initial temperature T0 (normally an ambient temperature of about 24 ° C), has been raised to a high temperature Tl (eg about 270 ° C), is cooled by the exchanger 15 isobar reversibly to lower to a lower temperature T2, and then introduced and compressed by the second stage 11, adiabatically reversible, the pressure pl at a higher pressure p2 (eg about 7.2 MPa). The air, whose temperature rises again, in this second stage 11, to a temperature is still isobarically cooled by the deflector 14 to a temperature TI, then introduced and compressed p the third stage 10, adiabatically reversible, pressure P2 at a still higher pressure p3 (eg about 28.0 MPa). At the outlet of the third stage 10, the compressed air, the temperature of which is still raised to a temperature T5 higher than T4, is cooled by the exchanger 13 to a temperature T6, and supplies the reservoir 6 with through the valve 4.
En amont de la pompe 28, le fluide du circuit secondaire 17, par exemple de l'eau, est à une basse pression (p.ex. environ 0,04 MPa) et son état 10 est sensiblement à 100% liquide à une température T'1 de, par exemple, 24°C. Le liquide est amené à une pression p'2 supérieure (p.ex. environ 4,1 MPa) par la pompe 28, et son débit divisé en trois branches par un diviseur 22 pour alimenter en parallèle les échangeurs 13, 14 et 15 qui forment les évaporateurs d'un cycle de Rankine dans ce circuit secondaire 15 17. Les échangeurs 13, 14 et 15 réalisent une échange thermique entre l'air comprimé et le fluide du circuit secondaire et opèrent une double fonction, refroidir l'air en aval de chaque étage de compression 12,11 et 10 et chauffer à une température T'2 plus élevée le fluide du circuit secondaire 17 à la pression p'2 imposée par la pompe 28. Ce fluide est 20 ensuite chauffé par l'échangeur 24 à une température T'3 encore supérieure (p.ex. environ 252°C). Upstream of the pump 28, the fluid of the secondary circuit 17, for example water, is at a low pressure (eg about 0.04 MPa) and its state is substantially 100% liquid at a temperature T'1 of, for example, 24 ° C. The liquid is brought to a higher pressure p'2 (eg about 4.1 MPa) by the pump 28, and its flow divided into three branches by a divider 22 to supply the heat exchangers 13, 14 and 15 in parallel. form the evaporators of a Rankine cycle in this secondary circuit 17. The exchangers 13, 14 and 15 perform a heat exchange between the compressed air and the secondary circuit fluid and operate a dual function, cooling downstream air of each compression stage 12, 11 and 10 and heating at a higher temperature T'2 the fluid of the secondary circuit 17 to the pressure p'2 imposed by the pump 28. This fluid is then heated by the exchanger 24 to a still higher temperature T'3 (eg about 252 ° C).
L'échauffement produit par l'échange thermique issu des compressions de l'air comprimé et de la source de chaleur 1 assure l'évaporation du fluide 25 moteur. La phase vapeur, à la température T'3 et à la pression p'2 est alors admise en entrée de la turbine 27. The heating produced by the heat exchange resulting from the compressions of the compressed air and the heat source 1 ensures the evaporation of the motor fluid. The vapor phase at the temperature T'3 and at the pressure p'2 is then admitted at the inlet of the turbine 27.
A la sortie de la turbine 27, la température de la vapeur d'eau est descendue à une température intermédiaire T'4 (p.ex. environ 75°C) et, à 30 la pression p'1 imposée par le condenseur 29, son état est diphas1qué. At the outlet of the turbine 27, the temperature of the water vapor is lowered to an intermediate temperature T'4 (eg about 75 ° C.) and, at the pressure p'1 imposed by the condenser 29, its state is diphasic.
Le condenseur 29, refroidi par la source froide 25, qui peut être l'air ambiant ou une rivière et l'échangeur 29, fait condenser à sensiblement 100% le mélange air/vapeur sortant de la turbine 27, le ramenant à la température initiale T'1 à laquelle cette eau est à nouveau alimentée à la pompe 28. The condenser 29, cooled by the cold source 25, which may be the ambient air or a river and the exchanger 29, substantially condensed the air / vapor mixture leaving the turbine 27, bringing it back to the initial temperature. T'1 at which this water is again fed to the pump 28.
La chaleur produite par la source de chaleur 1 et par les étages de compression 12,11 et 10 de l'air comprimé est ainsi convertie en travail 10 mécanique par la turbine 27 qui entraîne l'arbre moteur 21. Le travail de la turbine 27 diminue ainsi significativement la consommation électrique du moteur 8. The heat generated by the heat source 1 and the compression stages 12, 11 and 10 of the compressed air is thus converted into mechanical work by the turbine 27 which drives the motor shaft 21. The work of the turbine 27 significantly reduces the electrical consumption of the motor 8.
La figure 2 illustre un mode de réalisation d'une installation de restitution 15 d'énergie stockée sous forme d'air comprimé sous haute pression. FIG. 2 illustrates an embodiment of an energy storage facility 15 stored in the form of compressed air under high pressure.
Cette installation comporte le réservoir 6 d'air comprimé sous haute pression de l'installation précédente, et un circuit d'air comprimé, relié au réservoir d'air 6 à travers une vanne 4', et comportant un dispositif 20 intermédiaire détendeur-compresseur 9, et, en aval dudit dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9, un réservoir tampon 5, un régulateur de débit 7, et un moteur pneumatique 30' ayant un premier étage 10', un deuxième étage 11', et un troisième étage 12' reliés en série dans le circuit d'air et solidaires mécaniquement d'un même arbre moteur 25 21' couplé à un générateur électrique 8' alimentant le réseau électrique triphasique 3. Dans ce circuit d'air sont aussi placés, directement en amont de chaque étage de détente 10', 11', 12', des échangeurs de chaleur 13', 14', 15' permettant un échange de chaleur entre l'air du circuit d'air et un fluide d'un deuxième circuit secondaire 17'. 0 Le deuxième circuit secondaire 17', dans lequel les échangeurs de chaleur 13', 14' et 15' sont arrangés en parallèle entre un diviseur 22' et un noeud 23', est en communication avec la source de chaleur 1. This installation comprises the tank 6 of compressed air under high pressure of the previous installation, and a compressed air circuit, connected to the air tank 6 through a valve 4 ', and comprising an intermediate device 20 expander-compressor 9, and, downstream of said compressor-expander intermediate device 9, a buffer tank 5, a flow regulator 7, and a pneumatic motor 30 'having a first stage 10', a second stage 11 ', and a third stage 12' connected in series in the air circuit and mechanically secured to the same motor shaft 25 21 'coupled to an electric generator 8' supplying the three-phase electrical network 3. In this air circuit are also placed directly upstream of each expansion stage 10 ', 11', 12 ', heat exchangers 13', 14 ', 15' allowing a heat exchange between the air of the air circuit and a fluid of a second secondary circuit 17 '. The second secondary circuit 17 ', in which the heat exchangers 13', 14 'and 15' are arranged in parallel between a divider 22 'and a node 23', is in communication with the heat source 1.
En aval du troisième étage 12', le circuit d'air se divise en deux branches, dont une branche 19 d'échappement traversant un autre échangeur de chaleur 18, et une branche 16 de retour au dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9. L'échangeur de chaleur 18 peut, par exemple, être connecté à un circuit de réfrigérant 45 d'une installation de climatisation, possiblement, dans le mode de réalisation illustré, celle qui constitue la source de chaleur 1, afin d'en réduire encore plus la température. Downstream of the third stage 12 ', the air circuit is divided into two branches, including an exhaust branch 19 passing through another heat exchanger 18, and a branch 16 back to the compressor-expander device 9. The Heat exchanger 18 may, for example, be connected to a refrigerant circuit 45 of an air conditioning system, possibly in the illustrated embodiment, the one which constitutes the source of heat 1, in order to further reduce its temperature. temperature.
Le dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9 est illustré plus en détail sur la figure 3, et comporte un moteur pneumatique secondaire avec un premier et un deuxième étage de détente 36, 37, et un compresseur secondaire avec un premier et un deuxième étage de détente 38, 39. Les deux étages d'expansion 36, 37 et les deux étages de compression 38, 39 sont tous de type à vis et solidaires d'un même arbre moteur 35, soutenu par des paliers 45 dans un carter 47 commun aux deux étages d'expansion 36, 37 et aux deux étages de compression 38, 39. Ce carter 47 est divisé en quatre compartiments successifs 48,49,44 et 51 pour, respectivement, le premier étage de détente 36, le premier étage de compression 38, le deuxième étage de détente 37, et le deuxième étage de compression 39. The expansion-compressor intermediate device 9 is illustrated in more detail in FIG. 3, and comprises a secondary pneumatic motor with a first and a second expansion stage 36, 37, and a secondary compressor with a first and a second expansion stage. 39. The two stages of expansion 36, 37 and the two stages of compression 38, 39 are all screw type and integral with the same drive shaft 35, supported by bearings 45 in a housing 47 common to both floors 36, 37 and two compression stages 38, 39. This housing 47 is divided into four successive compartments 48,49,44 and 51 for, respectively, the first expansion stage 36, the first compression stage 38, the second expansion stage 37, and the second compression stage 39.
Le compartiment 48 du premier étage de détente 36 et le compartiment 49 du premier étage de compression 38 sont en communication par des passages supérieur b et inférieur c, et remplis d'un fluide caloporteur pouvant circuler par runvectioil de marlàc à for mer un eeriutigeur de chaleur entre les deux compartiments 48,49. Le compartiment 44 du deuxième étage de détente 37 est en communication avec un circuit 20 de fluide caloporteur permettant d'utiliser le froid générée par la détente de l'air dans le deuxième étage de détente 37 pour refroidir un autre dispositif, tel que le générateur électrique 8', comme illustré dans la figure 2, ou une autre installation, telle qu'une installation de climatisation. The compartment 48 of the first expansion stage 36 and the compartment 49 of the first compression stage 38 are in communication through upper passages b and lower c, and filled with a heat-transfer fluid that can circulate through a flow of water to a water heater. heat between the two compartments 48,49. The compartment 44 of the second expansion stage 37 is in communication with a heat transfer fluid circuit 20 making it possible to use the cold generated by the expansion of the air in the second expansion stage 37 to cool another device, such as the generator 8 ', as illustrated in Figure 2, or another installation, such as an air conditioning installation.
Dans le circuit d'air, la vanne 4' est en communication avec l'admission du premier étage de détente 36, et, à travers une soupape de dérivation 42 et une soupape anti-retour 41, aussi avec l'admission du deuxième étage de détente 37. L'échappement du premier étage de détente 36 est en communication avec l'admission du deuxième étage de détente 37 à travers des serpentins d'échange de chaleur, situés dans des parties hautes des compartiments 48,49 et à travers un régulateur de pression 40 permettant de réguler la pression d'admission du deuxième étage de détente à une pression p4 (p.ex. environ 9,0 MPa). In the air circuit, the valve 4 'is in communication with the inlet of the first expansion stage 36, and, through a bypass valve 42 and a check valve 41, also with the admission of the second stage 37. The exhaust of the first expansion stage 36 is in communication with the inlet of the second expansion stage 37 through heat exchange coils, located in the upper parts of the compartments 48, 49 and through a pressure regulator 40 for regulating the inlet pressure of the second expansion stage at a pressure p4 (eg about 9.0 MPa).
Le premier étage de détente 36 est dimensionné pour travailler de la pression p3 du réservoir de stockage 6, jusqu'à la pression p4 régulée par le régulateur de pression 40. Le deuxième étage de détente 37 est dimensionné pour travailler de p4 à une pression p5 (p.ex. environ 2,1 MPa), qui est celle du réservoir tampon 5. L'échappement du deuxième étage de détente 37 est en communication, à travers un serpentin d'échange de chaleur situé dans le compartiment 44 du deuxième étage de détente 37, et une soupape anti-retour 34 pour imposer la pression ps, avec le réservoir tampon 5. The first expansion stage 36 is sized to work from the pressure p3 of the storage tank 6, up to the pressure p4 regulated by the pressure regulator 40. The second expansion stage 37 is sized to work from p4 to a pressure p5 (eg about 2.1 MPa), which is that of the buffer tank 5. The exhaust of the second expansion stage 37 is in communication, through a heat exchange coil located in the compartment 44 of the second stage 37, and a check valve 34 to impose the pressure ps, with the buffer tank 5.
La branche 16 du circuit d'air, mettant en communication l'échappement du troisième étage 12' du moteur pneumatique 30' avec l'admission du premier étage de compression 38 à travers un serpentin d'échange de chaleur situé dans la partie basse du compartiment 48 du premier étage de détente 36, comporte un robinet régulateur 31 piloté par un contrôleur 43 connecté à un capteur 32 de régime de l'arbre moteur 35 pour imposer un régime nominal de vitesse de rotation, par exemple d'environ 250 000 tours/minute, une telle vitesse permettant de dimensionner le dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9 en minimisant son encombrement, ce qui est très utile en particulier dans le cas ou l'installation serait appliquée à un véhicule. The branch 16 of the air circuit, putting into communication the exhaust of the third stage 12 'of the air motor 30' with the admission of the first compression stage 38 through a heat exchange coil located in the lower part of the compartment 48 of the first expansion stage 36, comprises a control valve 31 controlled by a controller 43 connected to a speed sensor 32 of the motor shaft 35 to impose a nominal speed of rotation, for example about 250 000 revolutions / minute, such a speed to size the device expander-compressor compressor 9 minimizing its size, which is very useful especially in the case where the installation would be applied to a vehicle.
L'échappement du premier étage de compression 38 est en communication, à travers un régulateur de pression 50 pour imposer une pression de sortie p7 (p.ex. environ 0,26 MPa), et des serpentins situés dans des parties basses des compartiments 49 et 44, avec l'admission du deuxième étage de compression 39. L'échappement du deuxième étage de compression 39 est en communication, à travers une soupape antiretour 33 pour imposer la pression p5, avec le réservoir tampon 5, en parallèle avec l'échappement du deuxième étage de détente 37. The exhaust of the first compression stage 38 is in communication, through a pressure regulator 50 to impose an outlet pressure p7 (eg about 0.26 MPa), and coils located in the lower parts of the compartments 49. and 44, with the admission of the second compression stage 39. The exhaust of the second compression stage 39 is in communication, through a check valve 33 to impose the pressure p5, with the buffer tank 5, in parallel with the exhaust of second stage of relaxation 37.
Le premier étage de compression 38 est dimensionné pour travailler de la pression p6 de l'échappement du moteur pneumatique 30, jusqu'à la pression p7 régulée par le régulateur de pression 50. Le deuxième étage de compression 39 est dimensionné pour travailler de p7 à P51 la pression du réservoir tampon 5. The first compression stage 38 is dimensioned to work from the pressure p6 of the exhaust of the pneumatic motor 30, up to the pressure p7 regulated by the pressure regulator 50. The second compression stage 39 is sized to work from p7 to P51 the pressure of the buffer tank 5.
Le cycle complet de détente de l'air comprimé du réservoir de stockage 6 s'opère dans le cas illustré comme suit. The complete cycle of expansion of the compressed air of the storage tank 6 takes place in the case illustrated as follows.
Un premier débit d'air, extrait du réservoir de stockage 6, est détendu vers la pression p5 du réservoir tampon 5 à travers les étages d'expansion 36, 37 du dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9, cette pression étant la pression constante d'alimentation du moteur pneumatique 30' comportant les trois étages d'expansion 101,11' et 12' et relié par l'arbre moteur 21' à la génératrice 8'. A first air flow, extracted from the storage tank 6, is expanded towards the pressure p5 of the buffer tank 5 through the expansion stages 36, 37 of the compressor-expander intermediate device 9, this pressure being the constant pressure of supplying the pneumatic motor 30 'comprising the three expansion stages 101, 11' and 12 'and connected by the drive shaft 21' to the generator 8 '.
Un deuxième débit d'air, extrait de l'échappement du moteur pneumatique 30 à travers la branche 16 du circuit d'air à la pression p6, est comprimé vers la pression p5 du réservoir tampon 5 à travers les étages de compression 38 et 39 du dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9, le travail nécessaire à la compression du deuxième débit étant apporté par la détente du premier débit. La somme des premier et deuxième débits correspond sensiblement à un troisième débit d'air fourni au moteur pneumatique 30 à travers le réservoir tampon 5. A second air flow, extracted from the exhaust of the pneumatic motor 30 through the branch 16 of the air circuit at the pressure p6, is compressed towards the pressure p5 of the buffer tank 5 through the compression stages 38 and 39 of the compressor-expander intermediate device 9, the work required to compress the second flow rate being provided by the expansion of the first flow. The sum of the first and second flow rates substantially corresponds to a third air flow supplied to the air motor 30 through the buffer tank 5.
Dans le dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9, la pression d'admission du premier étage de détente 36 descend graduellement de p3 à p4 au fur et à mesure que la pression dans le réservoir de stockage 6 diminue. Quand la pression d'admission de ce premier étage de détente atteint approximativement p4, son alimentation est dérivée directement au deuxième étage de détente 37 par l'ouverture de la soupape 42. Quand la pression au réservoir de stockage 6 est entre p4 et ps, seul le deuxième étage de détente 37 produit du travail pour entraîner les deux étages de compression 38 et 39. Au fur et à mesure du temps, la pression de stockage diminue, et la puissance des étages d'expansion 36,37 aussi. Pour cette raison, le deuxième débit sera diminué au fil du déstockage pour adapter le travail Wd fournit par la détente du premier débit au travail Wd de la compression du deuxième débit avec Wd + W = O. Pour cela, le capteur de régime d'arbre 32 informe le contrôleur électronique 43 de la baisse de régime et réduit le deuxième débit en pilotant le robinet de régulation 31 pour maintenir le régime nominal d'environ 250 000 tours/minute de l'arbre 35. In the expansion device-compressor compressor 9, the inlet pressure of the first expansion stage 36 decreases gradually from p3 to p4 as the pressure in the storage tank 6 decreases. When the inlet pressure of this first expansion stage reaches approximately p4, its supply is derived directly to the second expansion stage 37 by the opening of the valve 42. When the pressure at the storage tank 6 is between p4 and ps, only the second expansion stage 37 produces work to drive the two compression stages 38 and 39. As time goes by, the storage pressure decreases, and the power of the expansion stages 36, 37 also. For this reason, the second rate will be decreased over the destocking to adapt the work Wd provided by the expansion of the first flow Wd work compression of the second flow with Wd + W = 0. For this, the speed sensor of shaft 32 informs the electronic controller 43 of the low speed and reduces the second flow by controlling the control valve 31 to maintain the nominal speed of about 250 000 revolutions / minute of the shaft 35.
L'air, qui entre dans le premier étage de détente 36 à une température modérée T7, normalement proche d'une température ambiante d'environ 24°C, sort de celui-ci à une très basse température T8 (p.ex. environ - 30°C). Il est alors réchauffé jusqu'à une température T9 par le fluide caloporteur provenant du compartiment 49 à travers le passage b et traversant la tuyauterie d'échappement en serpentin située dans la partie supérieur du compartiment 48. Le fluide caloporteur fortement refroidi traverse ensuite la tuyauterie en serpentin logée en bas du compartiment 48 et alimentant le premier étage de compression 38. The air, which enters the first expansion stage 36 at a moderate temperature T7, normally close to an ambient temperature of about 24 ° C, leaves it at a very low temperature T8 (e.g. - 30 ° C). It is then heated to a temperature T9 by the heat transfer fluid from the compartment 49 through the passage b and through the serpentine exhaust pipe located in the upper part of the compartment 48. The heat-cooled heat transfer fluid then passes through the pipework. coil located at the bottom of the compartment 48 and feeding the first compression stage 38.
Le rendement du premier étage de compression 38 est excellent du fait d'une température Tio également très basse en admission (p.ex. d'environ -4°C). Pour des raisons de rendement, la pression P6 est imposée en sortie du premier étage de compression 38 par le régulateur de pression 50. L'air à l'échappement du premier étage de compression 38 est d'abord à une température Tll relativement élevée (p.ex. environ 80°C), et est ensuite refroidi par le fluide caloporteur froid provenant du compartiment 48 par le passage c. Le fluide caloporteur ainsi chauffé et plus léger remontera pour retourner au compartiment 48 par le passage b, la circulation du fluide caloporteur se faisant ainsi par le principe de convection. Ainsi, dans le haut des compartiments 48 et 49, le fluide caloporteur chaud traversant les serpentins en amont de l'admission d'air du deuxième étage de détente 37 permet de réchauffer l'air avant sa seconde détente. The efficiency of the first compression stage 38 is excellent because of a temperature Tio also very low in admission (eg about -4 ° C). For reasons of efficiency, the pressure P6 is imposed at the output of the first compression stage 38 by the pressure regulator 50. The exhaust air of the first compression stage 38 is firstly at a relatively high temperature T11 ( eg about 80 ° C), and is then cooled by the cold heat transfer fluid from compartment 48 through passage c. The heat transfer fluid thus heated and lighter will go back to the compartment 48 through the passage b, the circulation of heat transfer fluid thus being done by the principle of convection. Thus, in the top of the compartments 48 and 49, the hot heat transfer fluid through the coils upstream of the air intake of the second expansion stage 37 is used to heat the air before its second expansion.
Le deuxième étage de détente 37 étant logé dans le compartiment 44, traversé par un fluide caloporteur, le froid généré par la détente du premier débit d'air dans ce deuxième étage de détente 37 peut participer au refroidissement de, par eiernple, un système de climatisation ou un générateur électrique, tout en récupérant cette chaleur pour augmenter le travail pouvant être extrait de ce premier débit d'air dans le moteur pneumatique 30' en aval. Le deuxième débit d'air, arrivant en admission du deuxième étage de compression 39 traverse également ce compartiment 44, ce qui permet de continuer à refroidir le deuxième air débit d'air jusqu'à une température T12 avant sa deuxième compression. La pression de l'air à l'échappement de la turbine 37 est contrôlée par la soupape anti-retour 34. The second expansion stage 37 being housed in the compartment 44, through which a coolant passes, the cold generated by the expansion of the first air flow in this second expansion stage 37 may participate in the cooling of, for example, a cooling system. air conditioning or an electric generator, while recovering this heat to increase the work that can be extracted from the first air flow in the pneumatic motor 30 'downstream. The second air flow, arriving at the inlet of the second compression stage 39 also passes through this compartment 44, which makes it possible to continue to cool the second air air flow to a temperature T12 before its second compression. The air pressure at the exhaust of the turbine 37 is controlled by the nonreturn valve 34.
En sortie du deuxième étage de compression 39, le deuxième débit d'air est réglé à la pression p5 par la soupape 33 et alimente le réservoir tampon 5. Le premier débit d'air, en sortant du deuxième étage de détente 37, alimente également le réservoir tampon 5, et est réglé aussi à la pression p5 par la soupape 34. La somme de ces deux débits est un troisième débit d'air correspondant sensiblement au débit d'alimentation du moteur pneumatique 30'. Au début du déstockage, le deuxième débit d'air, c'est-à-dire, le débit fourni à travers les étages de compression 38 et 39, représente 52% du débit massique total fourni au moteur pneumatique. Tout au long du déstockage, ce pourcentage diminue vers 0%. Le dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9 permet d'augmenter l'autonomie et la production d'énergie de 35%. At the outlet of the second compression stage 39, the second air flow rate is set at the pressure p5 by the valve 33 and feeds the buffer tank 5. The first air flow, leaving the second expansion stage 37, also feeds the buffer tank 5, and is also adjusted to the pressure p5 by the valve 34. The sum of these two flows is a third air flow corresponding substantially to the feed rate of the air motor 30 '. At the beginning of the destocking, the second air flow, that is to say the flow rate supplied through the compression stages 38 and 39, represents 52% of the total mass flow rate supplied to the pneumatic motor. Throughout destocking, this percentage decreases towards 0%. The device expander-compressor 9 increases the autonomy and energy production by 35%.
En admission au réservoir tampon 5, le deuxième débit d'air présent en moyenne une température T13 élevée (p.ex. environ 2500C), et représente, en moyenne, 1/3 du débit massique total fourni au réservoir tampon 5 par le dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9. Le premier débit d'air présente, en admission au réservoir tampon 5, une température T14 modérée (p.ex. environ 50°C), l'air ayant été réchauffé, dans le compartiment 44, dans le mode de réalisation illustré dans la figure par le circuit de refroidissement 20 du générateur électrique 8. Si l'installation illustrée équipe un véhicule pour alimenter un moteur électrique de propulsion, le fluide caloporteur traversant le compartiment 44 pourrait aussi servir à récupérer les pertes de charge de ce moteur. Si l'installation illustrée est associée à une installation de climatisation 2, comme dans le mode de réalisation illustré, le fluide caloporteur traversant le compartiment 44 pourrait aussi être le réfrigérant du circuit 45 de cette installation de climatisation 2. In admission to the buffer tank 5, the second air flow has an average temperature T13 high (eg about 2500C), and represents, on average, 1/3 of the total mass flow supplied to the buffer tank 5 by the device 9. The first air flow has, in admission to the buffer tank 5, a moderate temperature T14 (eg about 50 ° C), the air having been heated, in the compartment 44, in the embodiment illustrated in the figure by the cooling circuit 20 of the electric generator 8. If the illustrated installation equips a vehicle to power an electric propulsion motor, the heat transfer fluid passing through the compartment 44 could also be used to recover the pressure drops. of this engine. If the illustrated installation is associated with an air conditioning installation 2, as in the illustrated embodiment, the heat transfer fluid passing through the compartment 44 could also be the refrigerant of the circuit 45 of this air conditioning installation 2.
Dans le circuit secondaire 17, le fluide caloporteur transfère la chaleur des pertes thermiques rejetées par une installation adjacente 1, ce fluide caloporteur étant divisé par le diviseur 22, dans le mode de réalisation illustré, en trois débits sensiblement égaux par le diviseur 22, pour alimenter en parallèle les échangeurs de chaleur 13', 14' et 15'. Le débit d'air en provenance du réservoir tampon 5 à la pression 1)5 et à une température T15 (p.ex. une température ambiante d'environ 24°C) est régulé par le régulateur de débit 7, et est réchauffé à une température T16 plus élevée (p.ex. environ 85°C) par l'échangeur 13 avant sa première détente dans le premier étage de détente 10'. Dans ce premier étage de détente 10' du moteur pneumatique principal 30', le débit d'air passe de la pression p5 et la température à une pression p8 et une température T17 moins élevées (p.ex. environ respectivement 0,76 MPa, et 2,5°C). Ce troisième débit d'air est ensuite réchauffé, avant sa deuxième détente, par l'échangeur de chaleur 14, et alimente le deuxième étage de détente à une température T18, qui peut être proche de T16 (p.ex. environ 85°C). En sortie de ce deuxième étage de détente 11', la température T19 et la pression p9 du débit d'air sont encore descendues (p.ex. vers environ 2,5°C et 0,27 MPa). L'air est alors réchauffé une dernière fois par l'échangeur 15' vers une température T79 qui peut être aussi proche de T16 et T18, avant sa dernière détente. Dans cette dernière détente, réalisée par le troisième étage de détente 12', la pression et la température de descendent jusqu'à la pression p6 et température T10 de l'échappement du moteur pneumatique principal 30'. En aval du troisième étage de détente 12 du moteur pneumatique 30', une partie de ce troisième débit d'air est retournée vers les étages de compression 38, 39 du dispositif intermédiaire détendeur-compresseur 9 pour former le deuxième débit d'air mentionné ci-dessus et augmentant le débit total alimentant le réservoir tampon 5, et une autre partie du troisième débit d'air refroidit le circuit de réfrigérant 45 de l'installation de climatisation 2 par l'échangeur 18 avant son échappement 19 vers l'atmosphère. 10 L'installation illustrée dans la figure 2 peut être le groupe électrogène d'un micro-réseau électrique, avec une génération électrique sensiblement égale à la consommation dans le micro-réseau électrique. Avec une plage de fonctionnement du générateur électrique 8 de, par exemple, entre 25 15 et 100% de sa puissance maximale, le contrôleur 43 peut gérer la puissance du moteur pneumatique 30 en fonction de la puissance requise par le micro-réseau en réglant le débit d'air comprimé fourni au moteur pneumatique par le régulateur de débit 7. In the secondary circuit 17, the heat transfer fluid transfers heat from the thermal losses discharged by an adjacent installation 1, this heat transfer fluid being divided by the divider 22, in the illustrated embodiment, into three substantially equal flows by the divider 22, for supplying the heat exchangers 13 ', 14' and 15 'in parallel. The air flow from the buffer tank 5 at the pressure 1) and at a temperature T15 (eg an ambient temperature of about 24 ° C) is regulated by the flow controller 7, and is warmed to a higher temperature T16 (eg about 85 ° C) by the exchanger 13 before its first expansion in the first expansion stage 10 '. In this first expansion stage 10 'of the main pneumatic motor 30', the air flow passes from the pressure p5 and the temperature to a lower pressure p8 and a lower temperature T17 (eg approximately 0.76 MPa, and 2.5 ° C). This third flow of air is then heated, before its second expansion, by the heat exchanger 14, and feeds the second expansion stage to a temperature T18, which can be close to T16 (eg about 85 ° C. ). At the outlet of this second expansion stage 11 ', the temperature T19 and the pressure p9 of the air flow are further lowered (eg towards approximately 2.5 ° C. and 0.27 MPa). The air is then reheated one last time by the exchanger 15 'to a temperature T79 which can be as close to T16 and T18, before its last relaxation. In this latter expansion, carried out by the third expansion stage 12 ', the pressure and the temperature of descends to the pressure p6 and temperature T10 of the exhaust of the main pneumatic motor 30'. Downstream of the third expansion stage 12 of the pneumatic motor 30 ', part of this third air flow is returned to the compression stages 38, 39 of the compressor-expander intermediate device 9 to form the second air flow rate mentioned herein. above and increasing the total flow supplying the buffer tank 5, and another part of the third air flow cools the refrigerant circuit 45 of the air conditioning system 2 by the exchanger 18 before its exhaust 19 to the atmosphere. The installation illustrated in FIG. 2 can be the generating set of an electric micro-grid, with an electrical generation substantially equal to the consumption in the electric micro-grid. With an operating range of the electric generator 8 of, for example, between 15 and 100% of its maximum power, the controller 43 can manage the power of the pneumatic motor 30 according to the power required by the micro-array by setting the compressed air flow supplied to the pneumatic motor by the flow regulator 7.
20 L'installation illustrée dans la figure 2 peut prendre avantage d'une source chaude 1 qui peut être une tour de refroidissement d'une installation de climatisation telle que l'installation 2. La collaboration de ces deux installations présente ainsi des avantages pour elles deux, l'installation de restitution d'énergie exploitant la chaleur résiduelle produite par 25 l'installation de climatisation, et l'installation de climatisation évacuant cette chaleur au meilleur moment, car, lors des pics de consommation, en particulier en été, tant la consommation électrique de l'installation de climatisation que la chaleur véhiculée par son fluide réfrigérant sont plus élevées. L'installation de restitution d'énergie illustrée rie donc fait pas 30 qu'écrêter la pointe du pic de consommation électrique par sa production d'électricité, mais contribue aussi à diminuer la demande en électricité de l'installation de climatisation en absorbant de la chaleur de son fluide réfrigérant. The installation illustrated in FIG. 2 may take advantage of a hot source 1 which may be a cooling tower of an air conditioning installation such as installation 2. The collaboration of these two installations thus has advantages for them. two, the energy recovery facility exploiting the residual heat produced by the air conditioning installation, and the air conditioning installation removing this heat at the best time, because, during peak consumption, especially in summer, both the power consumption of the air conditioning system that the heat carried by its refrigerant is higher. The illustrated energy restitution facility, therefore, does not only cut off the peak of the peak of electricity consumption by generating electricity, but also contributes to reducing the electricity demand of the air-conditioning system by absorbing power from the power plant. heat of its refrigerant.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, l'installation de restitution d'énergie pourrait, non pas être associée à une installation de climatisation, mais, par exemple, au système de propulsion d'un véhicule. En outre, les installations de stockage ou de restitution d'énergie illustrées dans les figures 1 et 2 peuvent être combinées ou utilisées séparément. Un moteur pneumatique avec échangeur de chaleur pour réchauffer le fluide moteur en aval d'au moins un étage de détente, comme par exemple celui illustré dans la figure 2, pourrait aussi être envisagé séparément du dispositif intermédiaire détendeur-compresseur de cette invention. En outre, bien que les installations de stockage et de restitution d'énergie illustrées partagent un même réservoir de stockage, elles pourraient aussi utiliser des réservoirs de stockage différents, le réservoir de stockage de l'installation de restitution étant rempli avec du gaz sous haute pression provenant du réservoir de stockage de l'installation de stockage. Alternativement ou complémentairement, en particulier quand l'installation de restitution d'énergie alimente un système propulsif d'un véhicule, le réservoir de stockage de cette installation de restitution d'énergie peut être un réservoir échangeable, pouvant ainsi être échangé, après utilisation, par un réservoir plein, par exemple dans une station-service adaptée. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustra if plutôt que restrictif. 0 Although the present invention has been described with reference to specific exemplary embodiments, it is obvious that various modifications and changes can be made to these examples without departing from the general scope of the invention as defined by the claims. For example, the energy return installation could not be associated with an air conditioning installation, but, for example, the propulsion system of a vehicle. In addition, the storage or energy recovery facilities illustrated in FIGS. 1 and 2 can be combined or used separately. A pneumatic motor with a heat exchanger for heating the working fluid downstream of at least one expansion stage, such as that illustrated in FIG. 2, could also be considered separately from the compressor-expander intermediate device of this invention. In addition, although the illustrated storage and energy transfer facilities share the same storage tank, they could also use different storage tanks, the storage tank of the storage facility being filled with gas under high pressure. pressure from the storage tank of the storage facility. Alternatively or additionally, in particular when the energy restitution installation supplies a propulsion system of a vehicle, the storage tank of this energy restitution installation can be an exchangeable reservoir, thus being able to be exchanged, after use, by a full tank, for example in a suitable service station. Therefore, the description and drawings should be considered in an illustrative rather than restrictive sense. 0
Claims (20)
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