FR2977661A1 - Installation thermique a regenerateur et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une installation thermique comportant : - une unité produisant de l'énergie calorifique, - un régénérateur comportant un lit d'éléments de stockage d'énergie, - un consommateur d'énergie calorifique, et - un dispositif de circulation assurant - pendant une phase de charge, la circulation d'un fluide caloporteur de charge depuis l'unité produisant de l'énergie calorifique jusqu'au régénérateur, puis à travers ledit régénérateur, ledit fluide caloporteur de charge entrant dans ledit régénérateur à une température de charge Tc, et - pendant une phase de décharge, une circulation d'un fluide caloporteur de décharge à travers ledit régénérateur le fluide caloporteur de décharge entrant dans ledit régénérateur à une température de décharge Td, les éléments de stockage d'énergie étant en un matériau présentant une température de fusion supérieure à Tc + 50°C et inférieure à 2000°C, la concentration de la totalité des éléments lixiviés à partir dudit matériau, mesurée suivant la norme EN 12457-2 de décembre 2002, étant inférieure ou égale à 0,5 g/, l'installation thermique étant caractérisée en ce que ledit matériau des éléments de stockage d'énergie présentent un rapport caractéristique A supérieur à 0,3, avec : A = (Cp(Tc) - Cp(Td)) / Cp(Td) où Cp(Tc) est la capacité calorifique dudit matériau à la température de charge, et Cp(Td) est la capacité calorifique dudit matériau à la température de décharge.

Description

Installation thermique à régénérateur et son procédé de fabrication Domaine technique L'invention concerne une installation thermique comportant un régénérateur de stockage thermique, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle installation. Arrière-plan technologique Une installation thermique conforme à l'invention comporte classiquement une unité produisant de l'énergie calorifique, un consommateur d'énergie calorifique et un régénérateur de stockage de cette énergie calorifique, de manière à décaler dans le temps sa production et sa consommation. Le stockage de l'énergie calorifique est également utile pour valoriser les énergies douces, comme l'énergie solaire, renouvelables mais dont la production est intermittente. Le stockage de l'énergie peut également être utile pour tirer profit des écarts de prix de l'électricité entre les heures dites « creuses » durant lesquelles les tarifs de l'électricité sont les moins élevés, et les heures dites « pleines » durant lesquelles les tarifs sont les plus élevés. Par exemple, dans le cas de stockage d'énergie par compression d'air, générant de l'énergie calorifique qui est stockée dans un régénérateur thermique, les phases de compression consommant de l'électricité sont avantageusement réalisées à moindre coût pendant les heures creuses, tandis que les phases de détente produisant de l'électricité sont réalisées pendant les heures pleines, afin de fournir de l'électricité qui peut être injectée dans le réseau électrique, en fonction de la demande, à un tarif avantageux. L'énergie calorifique est classiquement stockée dans un lit (« packed bed » en anglais) d'éléments de stockage d'énergie (« media » en anglais) d'un régénérateur, par exemple formé par un lit de cailloux. L'opération de stockage, par échange thermique entre un courant de fluide calorifique et le régénérateur, se nomme classiquement « la charge », le fluide calorifique entrant dans le régénérateur lors de la charge étant appelé «fluide calorifique de charge ». Le transfert d'énergie calorifique peut conduire à une augmentation de la température de ces éléments de stockage d'énergie (stockage de chaleur « sensible ») et/ou à un changement d'état de ces éléments (stockage de chaleur « latente »).

L'énergie calorifique stockée peut ensuite être restituée, par échange thermique entre un courant de fluide caloporteur et les éléments de stockage d'énergie. Cette opération se nomme classiquement « la décharge », le fluide calorifique entrant dans le régénérateur lors de la décharge étant appelé « fluide calorifique de décharge ». « A review on packed bed solar energy storage systems », Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (2010), p 1059-1069, décrit l'état de la technique dans le domaine des régénérateurs, et notamment l'influence de certains paramètres sur l'efficacité desdits régénérateurs. L'efficacité d'un régénérateur dépend étroitement de sa géométrie et du matériau des éléments de stockage d'énergie mis en oeuvre pour accumuler et restituer l'énergie calorifique. Il existe un besoin permanent pour augmenter la température du fluide caloporteur en sortie du régénérateur durant la décharge, pour un même volume d'éléments de stockage d'énergie. Ce besoin est d'autant plus sensible que les réglementations environnementales et le souci de maîtriser les dépenses incitent les industries à rechercher toujours plus d'économies d'énergie. Un but de l'invention est de satisfaire, au moins partiellement, ce besoin. Résumé de l'invention On atteint ce but au moyen d'une installation thermique comportant : une unité produisant de l'énergie calorifique, par exemple un four, une tour solaire, un compresseur, et un régénérateur comportant un lit d'éléments de stockage d'énergie, en particulier un régénérateur à chaleur sensible, et un dispositif de circulation assurant pendant une phase de charge, la circulation d'un fluide caloporteur de charge depuis l'unité produisant de l'énergie calorifique jusqu'au régénérateur, puis à travers ledit régénérateur, ledit fluide caloporteur de charge entrant dans ledit régénérateur à une température de charge Tc, et pendant une phase de décharge, une circulation d'un fluide caloporteur de décharge à travers ledit régénérateur le fluide caloporteur de décharge entrant dans ledit régénérateur à une température de décharge Td, les éléments de stockage d'énergie étant en un matériau présentant une température de fusion supérieure à Tc + 50°C et inférieure à 2000°C, et 30 la concentration de la totalité des éléments lixiviés à partir dudit matériau en réponse au test décrit dans la norme EN 12457-2 de décembre 2002 étant inférieure ou égale à 0,5 g/I. Selon l'invention, l'installation thermique est remarquable en ce que les éléments de stockage d'énergie sont en un matériau présentant un rapport caractéristique A supérieur à 0,3, avec : A = (Cp(Tc) - Cp(Td)) / Cp(Td)

Cp(Tc) est la capacité calorifique dudit matériau à la température de charge Tc, et Cp(Td) est la capacité calorifique dudit matériau à la température de décharge Td. Dans l'art antérieur, le matériau des éléments de stockage d'énergie est classiquement déterminé pour maximiser le produit p.Cp(25°C) entre la masse volumique et la capacité 15 calorifique à 25°C. Le matériau n'est donc pas adapté spécifiquement aux conditions particulières d'utilisation du régénérateur. Plutôt que de rechercher des matériaux présentant un produit p.Cp(25°C) maximal, les inventeurs ont cherché à vérifier si ce paramètre, pourtant largement utilisé, était effectivement le plus adapté. Ils ont donc recherché des paramètres alternatifs et, de 20 manière particulièrement surprenante, ont découvert que l'efficacité du régénérateur dépend également du rapport caractéristique identifié ci-dessus. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, l'utilisation d'un matériau présentant un rapport caractéristique supérieur à 0,3 permet d'atteindre des performances que ne permet pas d'atteindre la seule maximisation du produit p.Cp(25°C). 25 Une installation thermique selon l'invention peut encore présenter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : Le rapport caractéristique est supérieur à 0,35, de préférence supérieur à 0,40, de préférence supérieur à 0,45 ; Le rapport caractéristique est inférieur à 0,60 ; 30 La température de charge est inférieure à 1000 °C, voire inférieure à 800 °C et supérieure à 350 °C, voire supérieure à 500 °C ; La température de décharge est inférieure à la température de charge, par exemple de plus de 100°C, de plus de 200°C ou de plus de 300°C ; où10 Le matériau présente une température de fusion supérieure de plus de 100 °C, plus de 150 °C, voire plus de 200 °C à la température de charge ; Le matériau présente une température de fusion supérieure à Tc + 100°C et/ou inférieure à 1950 °C, voire inférieure à 1900 °C, voire inférieure à 1800 °C ; Le matériau présente une concentration de la totalité des éléments lixiviés à partir dudit matériau, mesurée suivant la norme EN 12457-2 inférieure ou égale à 0,1 g/I, de préférence inférieure ou égale à 0,05 g/I ; Le matériau présente une capacité calorifique à 25°C supérieure à 600 J.°C-'.kg-1, voire supérieure à 650 J.°C-'.kg-1, voire supérieure à 700 J.°C-'.kg_, Le matériau contient plus de 50%, de préférence plus de 60%, de préférence plus de 70%, voire plus de 80%, voire plus de 90% en masse de spinelles alumino-magnésien, par exemple MgAl2O4, et/ou de stéatite, et/ou de forstérite Mg2SiO4, et/ou d'ilménite FeTiO3, et/ou d'oxydes de fer. De préférence, le complément massique à 100% comporte, voire est constitué pour plus de 90% de sa masse d'au moins un oxyde choisi parmi l'oxyde de bore, l'oxyde de sodium, les oxydes de cuivre, les oxydes de fer, la silice, l'alumine et leurs mélanges. De préférence l'oxyde est choisi parmi la silice, les oxydes de fer et leurs mélanges ; Le matériau présente une résistance pyroscopique mesurée suivant la norme ISO 528 (1983), supérieure à Tc + 50°C, voire supérieure à Tc + 100°C, voire supérieure à Tc + 150°C et inférieure à 1900°C, voire inférieure à 1800 °C, voire inférieure à 1700 °C, voire inférieure à 1650 °C. Avantageusement, la densité du lit d'éléments de stockage d'énergie est ainsi maintenue sensiblement constante pendant l'exploitation de l'installation thermique (absence d'affaissement). Dans un mode de réalisation, les éléments de stockage d'énergie sont en contact, permanent ou temporaire avec un liquide acide de pH inférieur à 6, voire inférieur à 5,5, voire inférieur à 5, voire inférieur à 4,5, voire inférieure à 4, notamment aqueux. De préférence, une installation thermique selon l'invention comporte un consommateur d'énergie calorifique, ledit dispositif de circulation assurant, pendant la phase de décharge, une circulation du fluide caloporteur de décharge à travers ledit régénérateur, puis depuis ledit régénérateur jusqu'au consommateur d'énergie calorifique. Dans un mode de réalisation, l'unité produisant de l'énergie calorifique comporte, voire est constituée par un compresseur alimenté mécaniquement ou électriquement par une usine d'incinération ou une centrale de production d'électricité, en particulier une centrale thermique, à énergie solaire, à énergie éolienne, à énergie hydroélectrique, ou à énergie marée-motrice.

L'unité produisant de l'énergie calorifique et/ou le consommateur d'énergie calorifique peuvent comporter un échangeur thermique adapté pour assurer un échange thermique, direct ou indirect, avec le régénérateur. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une installation thermique selon l'invention, dans lequel on choisit comme matériau constitutif des éléments de stockage d'énergie, dans un ensemble de plusieurs matériaux, le matériau présentant le rapport caractéristique A le plus élevé. L'invention concerne également un procédé de conception, de fabrication et d'exploitation d'une installation thermique, selon lequel : (a) on conçoit et on fabrique une installation thermique comportant : une unité produisant de l'énergie calorifique, par exemple un four, une tour solaire, ou un compresseur, et un régénérateur comportant un lit d'éléments de stockage d'énergie, en particulier un régénérateur à chaleur sensible, et un dispositif de circulation, et (b) on exploite ladite installation thermique en faisant circuler, au moyen dudit dispositif de circulation pendant une phase de charge, un fluide caloporteur de charge depuis l'unité produisant de l'énergie calorifique jusqu'au régénérateur, puis à travers ledit régénérateur, ledit fluide caloporteur de charge entrant dans ledit régénérateur à une température de charge Tc, et pendant une phase de décharge, un fluide caloporteur de décharge à travers ledit régénérateur, le fluide caloporteur de décharge entrant dans ledit régénérateur à une température de décharge Td. Ce procédé est remarquable en ce que, à l'étape a), le matériau des éléments de stockage d'énergie présente une température de fusion supérieure à Tc + 50°C et inférieure à 2000°C, la concentration de la totalité des éléments lixiviés à partir dudit matériau, mesurée suivant la norme EN 12457-2, étant inférieure ou égale à 0,5 g/I, le 30 matériau étant choisi de manière à présenter un rapport caractéristique A supérieur à 0,3, avec : A = (Cp(Tc) - Cp(Td)) / Cp(Td) 25 où Cp(Tc) est la capacité calorifique dudit matériau à la température de charge Tc, et Cp(Td) est la capacité calorifique dudit matériau à la température de décharge Td.

L'installation thermique mise en oeuvre peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles décrites ci-dessus ou dans la suite de la description. Brève description des figures D'autres objets, aspects, propriétés et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lumière de la description et des exemples qui suivent et à l'examen du dessin annexé dans lequel : - la figure 1 représente des courbes de l'évolution de la température du fluide caloporteur de charge le long de son trajet dans un régénérateur, selon la longueur du régénérateur. Ces courbes sont considérées comme sensiblement identiques à la température des éléments de stockage selon ladite longueur du régénérateur. La courbe C; est la courbe obtenue en début de charge et la courbe Cf est la courbe obtenue en fin de charge. La longueur du régénérateur, en mètres, figure en abscisse et la température du fluide caloporteur de charge, en l'occurrence de l'air, figure en ordonnée, en Kelvin ; - la figure 2 représente des courbes de l'évolution de la température du fluide caloporteur de décharge le long de son trajet dans un régénérateur, selon la longueur du régénérateur. Ces courbes sont considérées comme sensiblement identiques à la température des éléments de stockage selon ladite longueur du régénérateur. La courbe D; est la courbe obtenue en début de décharge et la courbe Df est la courbe obtenue en fin de décharge. La longueur du régénérateur, en mètres, figure en abscisse et la température du fluide caloporteur de décharge, en l'occurrence de l'air, figure en ordonnée, en Kelvin; - les figures 3a et 3b, 4a et 4b, 5a et 5b représentent schématiquement des installations thermique selon l'invention ; - la figure 6 représente schématiquement un régénérateur ; - les figures 7a et 7b représentent l'évolution de la température des éléments de stockage en un matériau selon l'exemple 1 et selon l'exemple 2, respectivement, disposés sur l'axe du cylindre du régénérateur, en régime stabilisé, en fonction de la position sur ledit axe (« position axiale »). La position axiale, en mètres, figure en abscisse et la température du fluide caloporteur de charge et de décharge, en l'occurrence de l'air, figure en ordonnée, en Kelvin.

Pour les figures 1 et 2, les calculs ont été réalisés pour un régénérateur présentant une longueur de 30 m et un diamètre de 5 m, la phase de charge et la phase de décharge durant 10 800 secondes. Les figures 3a, 4a et 5a correspondent à des phases de charge. Les figures 3b, 4b et 5b correspondent à des phases de décharge. Les canalisations parcourues par un fluide sont représentées avec un trait plus épais. Les vannes nécessaires pour modifier la circulation dans les différents circuits n'ont pas été représentées. Dans les différentes figures, des références identiques sont utilisées pour désigner des organes identiques ou analogues.

Définitions Par « unité produisant de l'énergie calorifique », on envisage non seulement les unités qui sont spécifiquement prévues pour générer de l'énergie calorifique, comme une tour solaire, mais aussi les unités qui, de par leur fonctionnement génèrent de l'énergie calorifique, par exemple un compresseur.

Le terme « installation thermique » est également à comprendre au sens large, comme signifiant toute installation comportant une unité produisant de l'énergie calorifique. Le terme « consommateur d'énergie calorifique » désigne un élément capable de recevoir de l'énergie calorifique. Il peut notamment en résulter une augmentation de la température du consommateur (par exemple dans le cas de chauffage d'un bâtiment ») et/ou une transformation en énergie mécanique (par exemple dans une turbine à gaz). Dans la présente description, par souci de clarté, on appelle « fluide caloporteur de charge » et « fluide caloporteur de décharge » le fluide caloporteur circulant dans le régénérateur pendant la charge et pendant la décharge, respectivement. Le fluide caloporteur de charge est dit « refroidi » lorsqu'il sort du régénérateur. Le fluide caloporteur de décharge est dit « réchauffé » lorsqu'il sort du régénérateur. Par « lit » d'éléments de stockage d'énergie, on entend un ensemble de tels éléments au moins en partie superposés les uns sur les autres. Par « matériau céramique », on entend un matériau qui n'est ni organique, ni métallique. Les teneurs en oxydes se rapportent aux teneurs globales pour chacun des éléments chimiques correspondants, exprimées sous la forme de l'oxyde le plus stable, selon la convention habituelle de l'industrie.

Classiquement, la température de fusion est mesurée sous pression atmosphérique, par exemple par analyse calorimétrique différentielle (ou « Differential Scanning Calorimetry » ou « DSC » en anglais). Sauf indication contraire, tous les pourcentages sont des pourcentages massiques.

Par « contenant un », « comprenant un » ou « comportant un », on entend « comportant au moins un », sauf indication contraire. En particulier, une installation thermique selon l'invention peut comporter plusieurs régénérateurs immédiatement en série ou intégrés dans des étages de compression, comme décrit dans FR 2 947 015. Description détaillée Une installation thermique selon l'invention comprend une unité produisant de l'énergie calorifique, un régénérateur, un dispositif de circulation. Elle peut également comporter un consommateur d'énergie calorifique et/ou une cavité. Unité produisant de l'énergie calorifique L'unité produisant de l'énergie calorifique peut être prévue pour produire de l'énergie calorifique, par exemple être un four ou une tour solaire. Dans un mode de réalisation, I"unité produisant de l'énergie calorifique est un compresseur. La compression d'un fluide gazeux, de préférence adiabatique, conduit à y stocker de l'énergie par augmentation de sa pression et de sa température. L'énergie résultant de l'augmentation de pression peut être stockée en conservant le fluide sous pression. La restitution de cette énergie résulte alors d'une détente, par exemple dans une turbine. L'énergie résultant de l'augmentation de la température peut être stockée dans un régénérateur. La restitution de cette énergie résulte alors d'un échange thermique avec le régénérateur.

L'énergie calorifique peut être un sous-produit de production, c'est-à-dire ne pas être recherchée en tant que telle. De préférence, l'unité produisant de l'énergie calorifique produit plus de 50 kW, ou plus de 100 kW, voire plus de 300 kW, voire plus de 1 MW, voire plus de 5 MW d'énergie calorifique. L'invention est en effet particulièrement destinée à des installations industrielles de forte puissance. Consommateur d'énergie calorifique Le consommateur d'énergie calorifique peut être un bâtiment ou un ensemble de bâtiments, un réservoir, un bassin, une turbine couplée à un alternateur afin de générer de l'électricité, une installation industrielle consommant de la vapeur d'eau, comme par exemple l'industrie de la fabrication de la pâte à papier. Régénérateur Le régénérateur est formé, de façon classique, par un lit d'éléments de stockage d'énergie, lesquels sont réalisés en un matériau choisi conformément à l'invention. Le lit peut être organisé, par exemple par appareillage des éléments de stockage d'énergie, ou être désorganisé (« vrac »). Par exemple, le lit peut se présenter sous la forme d'une masse de pièces broyées (sans forme particulière, comme une masse de cailloux).

Les formes et les dimensions des éléments de stockage d'énergie ne sont pas limitatives. De préférence cependant, la plus petite dimension d'un élément de stockage d'énergie est supérieure à 0,5 mm, voire supérieure à 1 mm, voire supérieure à 5 mm, voire supérieure à 1 cm et/ou de préférence inférieure à 50 cm, de préférence inférieure à 25 cm, de préférence inférieure à 20 cm, de préférence inférieure à 15 cm. De préférence la plus grande dimension d'un élément de stockage est inférieure à 10 mètres, de préférence inférieure à 5 mètres, de préférence inférieure à 1 mètre. Les éléments de stockage d'énergie peuvent notamment prendre la forme de boulets et/ou de granules et/ou de briques pleines et/ou de briques ajourées et/ou d'éléments cruciformes et/ou d'éléments double cruciformes et/ou d'éléments pleins et/ou d'éléments ajourés tels que ceux décrits dans US 6,889,963 et/ou décrits dans US 6,699,562. La hauteur du lit est de préférence supérieure à 5 m, de préférence supérieure à 15 m, de préférence supérieure 25 m, voire supérieure à 35 m, voire supérieure 50 m. La masse du lit est de préférence supérieure à 700 T, de préférence supérieure à 2000 T, de préférence supérieure à 4000 T, de préférence supérieure à 5000 T, de préférence supérieure à 7000 T. De préférence, les éléments de stockage d'énergie sont regroupés dans une enceinte comportant des première et deuxième ouvertures destinées à l'introduction et l'extraction d'un fluide caloporteur dans ladite enceinte, respectivement. Le matériau constitutif des éléments de stockage d'énergie présente de préférence une porosité ouverte supérieure à 5%, et/ou inférieure à 30%, de préférence inférieure à 25%, voire inférieure à 20%, voire inférieure à 15%, voire inférieure à 10%, voire inférieure à 6%.

De préférence encore, les éléments de stockage d'énergie sont des produits frittés. Tous les procédés connus de fabrication de produits frittés peuvent être utilisés. Un frittage à une température comprise entre 1000°C et 1500°C, de préférence pendant un temps de maintien à cette température supérieur à 0,5 heure et de préférence inférieur à 12 heures, peut être bien adapté. Selon l'invention, le matériau constitutif des éléments de stockage d'énergie est choisi en fonction de son rapport caractéristique, et donc en fonction des conditions de fonctionnement de l'installation thermique. La capacité calorifique peut être mesurée suivant la norme ASTM E1269, par exemple au moyen d'un appareil d'analyse calorimétrique différentielle (« DSC » en anglais) Netzsch STA 409 CD. Classiquement, les températures de charge et de décharge sont sensiblement constantes pendant toute la durée des phases de charge et de décharge, respectivement. Si les températures de charge et de décharge varient pendant toute la durée des phases de charge et de décharge, les températures de charge et de décharge peuvent être calculées comme étant la moyenne entre températures extrêmes pendant lesdites phases de charge et de décharge, c'est-à-dire Tc = (Tcmin + Tcmax)/2 et Td = (Tdmin + Tdmax)/2, Tcmin et Tdmin désignant les températures minimales du fluide caloporteur de charge et de décharge, respectivement, pendant les phases de charge et de décharge, respectivement, et Tcmax et Tdmax désignant les températures maximales du fluide caloporteur de charge et de décharge, respectivement, pendant les phases de charge et de décharge, respectivement. Dans une application, plusieurs matériaux peuvent convenir. De préférence, on choisit alors le matériau qui présente le rapport caractéristique A le plus élevé. Ce matériau doit cependant présenter une température de fusion supérieure à Tc + 50°C, pour ne pas se liquéfier pendant la phase de charge du régénérateur. Lorsque Tc varie pendant la phase de charge, ce matériau présente de préférence une température de fusion supérieure à Tcmax + 50°C. La température de fusion est cependant inférieure à 2000°C. Les matériaux présentant des températures de fusion supérieures à 2000°C sont en effet mal adaptés aux applications visées, notamment en raison de leur coût de fabrication. Ce matériau doit également être insoluble, c'est-à-dire être tel qu'il conduise, lors d'un test effectué suivant la norme EN 12547-2 de décembre 2002, à une concentration de la totalité des éléments lixiviés inférieure ou égale à 0,5 g de préférence inférieure ou égale à 0,1 g/I, de préférence encore inférieure à 0,05. A défaut, sa durée de vie serait considérablement réduite en cas de contact avec de la vapeur d'eau, notamment si celle-ci est utilisée comme fluide caloporteur de charge ou de décharge, ou avec de l'eau, notamment issue de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans le fluide caloporteur de charge ou de décharge, en particulier si ce dernier est de l'air.

Le matériau des éléments de stockage peut être un matériau naturel, à l'état natif. Par exemple, les éléments de stockage d'énergie peuvent être des morceaux de roche. De préférence, le matériau des éléments de stockage d'énergie est un matériau céramique. De préférence, il est constitué d'oxydes pour plus de 90% de sa masse, de préférence plus de 95%, de préférence plus de 99%, voire sensiblement 100%. Ce matériau peut en particulier présenter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : - Le matériau contient une teneur massique en alumine AI2O3 inférieure à 40%, de préférence inférieure à 35%, de préférence inférieure à 30%, de préférence inférieure à 25%, de préférence inférieure à 20%, de préférence inférieure à 15% voire inférieure à 10%, voire inférieure à 5% ; - Ledit matériau présente une teneur en Fe2O3, de préférence supérieure à 30%, de préférence supérieure à 35%, de préférence supérieure à 40%, voire supérieure à 45%, voire supérieure à 50% et/ou de préférence inférieure à 65%, voire inférieure à 60% ; - Ledit matériau présente une teneur en CaO de préférence supérieure à 3%, voire supérieure à 5%, voire supérieure à 10% ; - Ledit matériau présente une teneur en TiO2 de préférence supérieure à 5%, voire supérieure à 10%, et/ou de préférence inférieure à 20%, de préférence inférieure à 15% ; - Ledit matériau présente une teneur en SiO2 de préférence supérieure à 50/0, voire supérieure à 80/0, et/ou inférieure à 400/0, de préférence inférieure à 300/0, de préférence inférieure à 200/0, de préférence inférieure à 150/0 ; - Ledit matériau présente une teneur en Na2O de préférence inférieure à 5°/U ; - Ledit matériau présente Fe2O3 + AI2O3 + CaO + TiO2 + SiO2 + Na2O de préférence supérieure à 850/0, voire supérieure à 900/0 ; - Ledit matériau présente une somme des teneurs massiques en Fe2O3, AI2O3 et SiO2, Fe2O3 + AI2O3 + SiO2, de préférence supérieure à 500/0, de préférence supérieure à 600/0, voire supérieure à 700/0, voire supérieure à 750/0 ; - Ledit matériau présente une somme des teneurs massiques en Fe2O3 et AI2O3, Fe2O3 + AI2O3, de préférence supérieure à 40%, de préférence supérieure à 50%, voire supérieure à 60%, voire supérieure à 70% ; - Ledit matériau présente une teneur en Fe2O3, sur la base de la somme des teneurs massiques en Fe2O3, AI2O3 et SiO2, Fe2O3 + AI2O3 + SiO2, de préférence supérieure à 45%, de préférence supérieure à 50%, voire supérieure à 60% ; - Le matériau présente l'analyse chimique suivante, en pourcentages massiques : - 25% < Fe2O3 < 70%, et - 5% < AI2O3 < 30%, et - CaO < 20%, et - TiO2 < 25%, et - 3% < SiO2 < 50%, et - Na2O < 10%, et - Fe2O3 + AI2O3 + CaO + TiO2 + SiO2 + Na2O > 80%, et - Autres composés : complément à 100%. - De préférence, les « autres composés » sont constitués pour plus de 90%, de préférence pour plus de 950/0, d'oxydes ; - De préférence, MgO, K2O, P2O5, et leurs mélanges représentent plus de 90%, plus de 950/0, voire sensiblement 100% des autres composés.

De préférence, ledit matériau incorpore des résidus de production de l'alumine, notamment des boues rouges suivant le procédé Bayer, ce procédé étant notamment décrit dans « Les techniques de l'ingénieur », article « métallurgie extractive de l'aluminium », référence M2340 aux éditions Ti, date de publication 10 janvier 1992 (en particulier le chapitre 6 commençant en page M2340-13 et la figure 7 en page M2340-15).

Lesdites boues rouges peuvent être éventuellement transformées avant utilisation, par exemple lors d'étapes de lavage et/ou de séchage. De préférence, les éléments de stockage d'énergie sont regroupés dans une enceinte comportant des première et deuxième ouvertures destinées à l'introduction et l'extraction d'un fluide caloporteur dans ladite enceinte, respectivement.

Dans un mode de réalisation, l'ouverture du régénérateur par laquelle du fluide caloporteur de charge entre dans le régénérateur lors d'une phase de charge est celle par laquelle du fluide caloporteur de décharge réchauffé sort du régénérateur lors d'une phase de décharge. Réciproquement, l'ouverture du régénérateur par laquelle du fluide caloporteur de décharge à réchauffer entre dans le régénérateur lors d'une phase de décharge est celle par laquelle du fluide caloporteur de charge refroidi sort du régénérateur lors d'une phase de charge. De préférence, l'ouverture du régénérateur par laquelle le fluide caloporteur de décharge réchauffé à destination d'un four sort du régénérateur est en partie supérieure du régénérateur. De préférence, l'ouverture du régénérateur par laquelle le fluide caloporteur de décharge à réchauffer entre dans le régénérateur est en partie inférieure du régénérateur. Dispositif de circulation Le dispositif de circulation comporte classiquement un ensemble de canalisations, de vannes et de pompes/ventilateurs/extracteurs commandés de manière à pouvoir sélectivement mettre en communication le régénérateur - avec l'unité produisant de l'énergie calorifique de manière qu'il puisse recevoir un fluide calorifique de charge sortant de ladite unité, pendant les phases de charge, et - avec le consommateur d'énergie calorifique de manière que le fluide caloporteur de décharge réchauffé sortant du régénérateur puisse réchauffer ledit consommateur, ou plus généralement transférer de l'énergie calorifique audit consommateur, pendant les phases de décharge, et de manière à pouvoir forcer la circulation du fluide caloporteur de charge et/ou du fluide caloporteur de décharge à travers le régénérateur. Fluides caloporteurs Les fluides caloporteurs de charge et de décharge peuvent être de même nature ou non. Le fluide caloporteur mis en oeuvre pour la charge et/ou la décharge du régénérateur peut être un gaz, par exemple de l'air, de la vapeur d'eau, ou un gaz caloporteur, ou être un liquide, par exemple de l'eau ou une huile thermique. Cavité De préférence, en particulier lorsque les fluides caloporteurs de charge et de décharge sont de même nature et lorsque le fluide caloporteur a subi une augmentation de pression, comme de l'air comprimé par exemple à 50 bar, voire 100 bar, voire 150 bar, l'installation thermique peut comporter une enceinte, appelée « cavité », de stockage temporaire du fluide caloporteur de charge, refroidi sortant du régénérateur. Le volume de la cavité est typiquement supérieur à 20 000 m3, voire supérieur à 100 000 m3.

La cavité est de préférence faiblement perméable, voire étanche au fluide caloporteur. De préférence, l'installation thermique est configurée pour pouvoir fonctionner suivant au moins une partie, de préférence toutes les règles décrites ci-après. Fonctionnement Lors de la charge, le fluide caloporteur de charge entre dans le régénérateur à une température Tc, de préférence sensiblement constante, en général par la partie haute du régénérateur. Classiquement, en régime stabilisé, la différence entre la température du fluide caloporteur Tc et la température des éléments de stockage d'énergie avec lesquels il entre alors en contact (T,) est de 15% à 20% de Tc (soit environ de 90°C à 120°C), et le fluide caloporteur se refroidit rapidement à cette dernière température. De préférence, la température Tc à laquelle le fluide caloporteur de charge entre dans le régénérateur pendant sa charge est inférieure à 1000°C, voire inférieure à 800°C et/ou de préférence supérieure à 350°C, voire supérieure à 500°C. Le fluide caloporteur de charge poursuit ensuite son trajet dans le régénérateur, en réchauffant les éléments de stockage d'énergie avec lesquels il est en contact. Sa température baisse donc progressivement, comme représenté sur la courbe C; de la figure 1, jusqu'à la température Tc;'. De préférence la température Tc;' à laquelle le fluide caloporteur de charge sort du régénérateur, en début de charge, est proche de la température de décharge du cycle précédent. La courbe de l'évolution de la température du fluide caloporteur de charge le long de son trajet dans le régénérateur dépend notamment du matériau des éléments de stockage d'énergie et de la géométrie du régénérateur. Elle évolue dans le temps, pendant la phase de charge, du fait de réchauffement des éléments de stockage d'énergie (déplacement de la courbe C; vers la courbe Cf). En régime stabilisé, les courbes C; et Cf sont sensiblement identiques d'une phase de charge à la suivante. Lorsque le fluide caloporteur de charge est un gaz, son refroidissement peut conduire à une condensation à la surface des éléments de stockage d'énergie, en particulier dans les régénérateurs à chaleur sensible. A haute température, comme celles envisagées ci-dessus en particulier, les condensats peuvent être très corrosifs. Comme le montrent les exemples ci-dessous, les éléments de stockage d'énergie d'un régénérateur selon l'invention résistent avantageusement très bien à la corrosion par ces condensats. Lors de la décharge, le fluide caloporteur de décharge entre dans le régénérateur à température Td de préférence sensiblement constante, en général par la partie basse du régénérateur. Classiquement, en régime stabilisé, la température Td est proche de la température des éléments de stockage d'énergie avec lesquels il entre alors en contact (T2) et le fluide caloporteur se réchauffe rapidement à cette dernière température. Le fluide caloporteur poursuit ensuite son trajet dans le régénérateur, en refroidissant les éléments de stockage d'énergie avec lesquels il est en contact. Sa température augmente donc progressivement, comme représenté sur la courbe D; de la figure 2, jusqu'à la température Td;'. La courbe de l'évolution de la température du fluide caloporteur de décharge le long de son trajet dans le régénérateur dépend également notamment du matériau des éléments de stockage d'énergie et de la géométrie du régénérateur. Elle évolue dans le temps, du fait de refroidissement des éléments de stockage d'énergie (déplacement de la courbe D; vers la courbe Df). En régime stabilisé, les courbes D; et Df sont sensiblement identiques d'une phase de décharge à la suivante.

Le régénérateur subit donc une succession de « cycles », chaque cycle comportant une phase de charge, éventuellement une phase d'attente, puis une phase de décharge. Le cycle peut être régulier ou irrégulier. De préférence il est régulier, la durée des premières phases étant identique à celle des deuxièmes phases. La durée d'un cycle régulier est généralement supérieure à 0,5 heure, voire supérieure à deux heures et/ou inférieure à 48 heures, voire inférieure à 24 heures. De préférence, le régénérateur est à chaleur sensible, c'est-à-dire que le matériau des éléments de stockage d'énergie et les températures de charge et de décharge sont déterminés de manière que les éléments de stockage d'énergie restent solides pendant le fonctionnement de l'installation thermique. C'est en effet dans un régénérateur à chaleur sensible que les probabilités de condensation du fluide caloporteur sont les plus grandes.

Modes de réalisation particuliers Les figures 3a et 3b, 4a et 4b, 5a et 5b représentent différents modes de réalisation avantageux. Dans tous ces modes de réalisation, une installation thermique 10 selon l'invention comprend une unité produisant de l'énergie calorifique 12, un régénérateur 14, un consommateur d'énergie calorifique 16 et un dispositif de circulation 18. Elle peut également comporter une cavité 20, naturelle ou artificielle. Le dispositif de circulation 18 comporte un circuit de charge 22 et un circuit de décharge 24 à travers lesquels circulent un fluide caloporteur de charge et un fluide caloporteur de décharge, respectivement. Ces circuits de charge 22 et de décharge 24 permettent de mettre en relation d'échange thermique l'unité produisant de l'énergie calorifique 12 et le régénérateur 14 pendant la phase de charge, et le régénérateur 14 et le consommateur d'énergie calorifique 16 pendant la phase de décharge, respectivement. Les figures 3a et 3b représentent un premier mode de réalisation particulier dans lequel le consommateur d'énergie calorifique 16 comporte un échangeur thermique 26 adapté pour assurer un échange thermique entre du fluide caloporteur de décharge provenant du régénérateur 14 (figure 3b) et un fluide caloporteur secondaire circulant dans un circuit secondaire 28. Le circuit secondaire 28 est configuré pour permettre une mise en relation d'échange thermique de l'échangeur thermique 26 avec, par exemple, un bâtiment 30. L'installation thermique 10 comporte également un circuit de chauffage direct 32 permettant une mise en relation d'échange thermique directe de l'unité produisant de l'énergie calorifique 12, par exemple une tour solaire, et du consommateur d'énergie calorifique 16 pendant la phase de charge (figure 3a). Dans ce mode de réalisation, le régénérateur 14 est de préférence à proximité de l'unité produisant de l'énergie calorifique, par exemple à moins de 500 mètres, voire à moins de 250 mètres de cette unité. Les figures 4a et 4b représentent un deuxième mode de réalisation particulier dans lequel l'unité produisant de l'énergie calorifique 12 comporte un compresseur 34 entrainé par l'énergie, par exemple mécanique ou électrique, produite par un groupe 36.

Le fluide caloporteur de charge, classiquement de l'air, est donc comprimé et se réchauffe par son passage à travers le compresseur 34 avant de parvenir, par le circuit de charge 22, dans le régénérateur 14. 16 Le régénérateur peut ne pas être à proximité de l'installation qui génère l'électricité nécessaire à la compression de l'air ou du compresseur 34. En sortie du régénérateur, le fluide caloporteur de charge refroidi compressé est stocké dans la cavité 20.

Pendant la décharge, le fluide caloporteur de décharge compressé (c'est-à-dire le fluide caloporteur de charge qui était stocké dans la cavité) sort de la cavité 20, se réchauffe à travers le régénérateur puis traverse une turbine à gaz 38. La turbine à gaz 38 peut entrainer un alternateur (non représenté) dans le but de générer de l'électricité, par exemple envoyée dans le réseau domestique.

Le réchauffement permet au fluide caloporteur de décharge d'y accumuler de l'énergie calorifique. Cette énergie, restituée lors de la détente, limite la condensation et améliore le rendement de la turbine à gaz 38. La turbine à gaz 38 sert donc simultanément de consommateur d'énergie calorifique (diminution de la température) et de consommateur d'énergie mécanique (diminution de la pression). Le mode de réalisation des figures 4a et 4b est particulièrement bien adapté à des installations qui ne sont pas conçues pour générer de l'énergie calorifique, comme une usine éolienne ou une centrale électrique du type hydroélectrique ou marée-motrice. Une telle installation est classiquement appelée « installation de stockage d'énergie par compression adiabatique ». FR 2 947 015 décrit une installation de ce type. Les figures 5a et 5b représentent une variante du deuxième mode de réalisation particulier. L'installation thermique 10 comporte, en plus des éléments du deuxième mode de réalisation, un deuxième régénérateur 14' et, dans un deuxième circuit de charge 22' du deuxième régénérateur 14', en amont du deuxième régénérateur 14' (en considérant le sens d'écoulement du fluide caloporteur de charge), un deuxième compresseur 34' et, dans un deuxième circuit de décharge 24', en aval du deuxième régénérateur 14' (en considérant le sens d'écoulement du fluide caloporteur de décharge), une deuxième turbine à gaz 38'. Le deuxième régénérateur 14', deuxième circuit de charge 22', deuxième circuit de charge 24', deuxième compresseur 34' et deuxième turbine à gaz 38' fonctionnent comme le régénérateur 14, le circuit de charge 22, le circuit de charge 24, le compresseur 34 et la 30 turbine à gaz 38. Avec le régénérateur 14, agissant comme une unité produisant de l'énergie calorifique, ils constituent une installation thermique selon l'invention. De préférence, le compresseur 34 est un compresseur moyenne pression et le compresseur 34' est un compresseur haute pression.

Plusieurs installations thermiques selon l'invention peuvent ainsi être agencées en série. La figure 6 représente un exemple de régénérateur 14. Ce régénérateur comporte un lit d'éléments de stockage d'énergie 40, une ouverture supérieure 42 et une ouverture inférieure 44 par lesquelles les fluides caloporteurs de charge et de décharge, respectivement, entrent dans le régénérateur. Les fluides caloporteurs de charge et de décharge sortent du régénérateur 14 par les ouvertures inférieure 42 et supérieure 44, respectivement. Exemples Les exemples suivants sont fournis à des fins illustratives et non limitatives.

La forme des éléments de stockage d'énergie est similaire pour les exemples 1 et 2. Les éléments de stockage d'énergie selon l'exemple 2 ont été réalisés de la manière suivante. A l'étape a), la charge de départ est entièrement constituée d'une boue rouge, présentant l'analyse chimique suivante, sur la base de la matière sèche de ladite boue rouge : Fe2O3 = 55%, AI2O3 = 16%, CaO = 5%, TiO2 = 11%, SiO2 = 8%, Na2O = 4%, autres = 1%, et dont plus de 60% en masse des particules présentent une taille inférieure à 10 pm. Ladite charge de départ ne contient pas d'additif. La mise en forme de ladite charge de départ, afin d'obtenir des préformes de longueur égale à 11 mm et de diamètre égal à 16 mm, est réalisée par pressage uniaxial à une pression de 125 MPa. Les préformes sont ensuite séchées pendant 12 heures à 120°C. Les préformes sont ensuite frittées sous air, dans le cycle suivant : - montée à 1200°C à une vitesse de 100°C/h, - palier de 3 heures à 1200°C, - descente à une vitesse de 100°C/h.

La masse volumique apparente et la porosité ouverte ont été mesurées suivant la norme ISO5017, après frittage pour l'exemple 2. Les analyses chimiques ont été réalisées par fluorescence X. La concentration de la totalité des éléments Iixiviés à partir dudit matériau, dans l'eau, a été mesurée suivant la norme EN 12457-2, à une température de 22°C. Les hypothèses suivantes ont été utilisées pour effectuer les calculs de l'énergie calorifique restituée par le régénérateur ainsi que la température de l'air en fin de décharge en sortie du régénérateur : régénérateur de forme cylindrique, de section constante, de diamètre égal à 5 m et de longueur L égale à 20 m, fluide caloporteur : air sec, volume d'éléments de stockage constant, pas de pertes thermiques radiales, température de charge 800°C, soit 1073 K, température de décharge 400°C, soit 673 K.

La formule suivante donne la quantité d'énergie calorifique restituée par le régénérateur : L Tf p.S.Cp(T).dT.dx o Ti Dans cette formule : Ti : température de début de charge dans la section de largeur dx, localisée à la position axiale x, en Kelvin, Tf : température de fin de décharge dans la section de largeur dx, localisée à la position axiale x, en Kelvin, p : masse volumique apparente du lit, en kg/m3, S : section circulaire du régénérateur en m2 L : longueur du régénérateur en m, Cp(T) : capacité calorifique du matériau de stockage à la température T. Les analyses effectuées sur les éléments de stockage et les résultats des calculs effectués figurent dans le tableau 1 suivant :30 Exemple 1 : éléments de Exemple 2: éléments de stockage en granite (hors stockage en un produit selon invention) l'invention Analyse chimique des éléments de stockage du régénérateur % oxyde de fer exprimé sous la forme 4 55 Fe2O3 % AI2O3 8 16 % CaO 5 5 TiO2 - 11 SiO2 70 8 % Na2O 2 4 % autres composés 11 1 Autres caractéristiques des éléments de stockage du régénérateur Température de fusion (°C) Comprise entre 850°C et Comprise entre 850°C et 2000°C 2000°C Concentration de la totalité des éléments < 0,5 < 0,5 Iixiviés dans l'eau à 22°C (g/I) Masse volumique apparente du matériau 2,6 3,3 des éléments de stockage (g/cm3) Porosité ouverte (%) 2 21 Cp à 25 °C (J kg-' K-') 800 700 Masse volumique apparente x Cp à 25°C 2080 2310 Cp à 400°C (J kg-' K-') 1020 806 Cp à 800°C (J kg-' K-') 1195 1233 Rapport caractéristique (A) 0,17 0,53 Résultats Energie calorifique restituée par le 379 380 régénérateur (GJ) Température de l'air en fin de décharge, en 459 504 sortie du régénérateur (°C) Tableau 1 Comme le montrent les résultats indiqués dans le tableau 1, le régénérateur contenant des éléments de stockage de l'exemple 2 selon l'invention présente une température en fin de décharge égale à 504°C, supérieure à la température en fin de décharge du régénérateur contenant des éléments de stockage de l'exemple 1 hors invention (459°C). Les performances d'une turbine alimentée par l'air en sortie du régénérateur contenant des éléments de stockage de l'exemple 2 selon l'invention en seront améliorées. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, fournis à titre d'exemples. En particulier, des combinaisons des différents modes de réalisation décrits ou représentés entrent également dans le cadre de l'invention.

L'invention n'est pas limitée non plus par la forme ou les dimensions du régénérateur.

Claims (16)

1. REVENDICATIONS1. Installation thermique comportant : une unité produisant de l'énergie calorifique, un régénérateur comportant un lit d'éléments de stockage d'énergie, un consommateur d'énergie calorifique, et un dispositif de circulation assurant pendant une phase de charge, la circulation d'un fluide caloporteur de charge depuis l'unité produisant de l'énergie calorifique jusqu'au régénérateur, puis à travers ledit régénérateur, ledit fluide caloporteur de charge entrant dans ledit régénérateur à une température de charge Tc, et pendant une phase de décharge, une circulation d'un fluide caloporteur de décharge à travers ledit régénérateur le fluide caloporteur de décharge entrant dans ledit régénérateur à une température de décharge Td, les éléments de stockage d'énergie étant en un matériau présentant une température de fusion supérieure à Tc + 50°C et inférieure à 2000°C, la concentration de la totalité des éléments lixiviés à partir dudit matériau, mesurée suivant la norme EN 12457-2 de décembre 2002, étant inférieure ou égale à 0,5 g/I, 20 et l'installation thermique étant caractérisée en ce que ledit matériau des éléments de stockage d'énergie présente un rapport caractéristique A supérieur à 0,3, avec : A = (Cp(Tc) - Cp(Td)) / Cp(Td) où 25 Cp(Tc) est la capacité calorifique dudit matériau à la température de charge, et Cp(Td) est la capacité calorifique dudit matériau à la température de décharge.
2. 2. Installation selon la revendication précédente, dans laquelle le rapport caractéristique A est supérieur à 0,45.
3. 3. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle 30 l'unité produisant de l'énergie calorifique produit plus de 50 kW d'énergie calorifique.
4. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la température de charge est supérieure à 350°C. 15
5. 5. Installation selon la revendication précédente, dans laquelle la température de charge est supérieure à 500°C.
6. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la température de charge est inférieure à 1000°C.
7. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la température de décharge est inférieure à la température de charge.
8. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit matériau est constitué, pour plus de 90% de sa masse, d'oxydes.
9. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau contient plus de 50% en masse de spinelles alumino-magnésien, et/ou de stéatite, de forstérite Mg2SiO4, et/ou d'ilménite FeTiO3, et/ou d'oxydes de fer.
10. 10. Installation selon la revendication précédente, dans laquelle le complément massique à 100% du matériau est constitué, pour plus de 90% de sa masse, d'au moins un oxyde choisi parmi l'oxyde de bore, l'oxyde de sodium, les oxydes de cuivre, les oxydes de fer, la silice, l'alumine, et leurs mélanges.
11. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite concentration de la totalité des éléments lixiviés à partir dudit matériau, mesurée suivant la norme EN 12457-2 de décembre 2002, est inférieure ou égale à 0,1 g/I.
12. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit régénérateur est à chaleur sensible.
13. 13. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un consommateur d'énergie calorifique, ledit dispositif de circulation assurant, pendant la phase de décharge, une circulation du fluide caloporteur de décharge à travers ledit régénérateur, puis depuis ledit régénérateur jusqu'au consommateur d'énergie calorifique.
14. 14. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'unité produisant de l'énergie calorifique est constituée par un compresseur alimenté mécaniquement ou électriquement par une usine d'incinération ou une centrale de production d'électricité.
15. 15. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un échangeur thermique adapté pour assurer un échange thermique, direct ou indirect, avec le régénérateur.
16. 16. Procédé de fabrication d'une installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel on choisit comme matériau constitutif des éléments de stockage d'énergie, dans un ensemble de plusieurs matériaux, le matériau présentant le rapport caractéristique A le plus élevé.