FR2982876A1 - SYSTEM FOR CONVERTING SOLAR ENERGY IN ELECTRIC AND CHEMICAL ENERGY AND METHOD FOR OPERATING SUCH A SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Système (100) de conversion d'énergie comprenant : - une centrale (110) de conversion d'énergie, notamment une centrale de conversion d'énergie solaire ; et - un dispositif d'électrolyse (120) de vapeur d'eau incluant un élément (9) de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur (10) de la vapeur d'eau, le dispositif d'électrolyse utilisant de l'énergie convertie par la centrale (110).An energy conversion system (100) comprising: - a power conversion plant (110), including a solar power conversion plant; and an electrolysis device (120) for steam including a water-steaming element (9) and an electrolyser (10) for the steam, the electrolysis device using energy converted by the power plant (110).
Description
La présente invention concerne un système de conversion d'énergie comprenant une centrale de conversion d'énergie. L'invention porte aussi sur un procédé de fonctionnement d'un tel système de conversion d'énergie. L'invention porte encore sur un système de stockage et de restitution d'énergie destiné à être couplé énergétiquement à une centrale de conversion d'énergie. Des centrales solaires thermodynamiques permettent de convertir de l'énergie solaire en énergie électrique injectée sur un réseau électrique, comme le réseau électrique commercial. Les centrales solaires thermodynamiques de type « tour » sont de différents types selon le fluide caloporteur qu'elles utilisent et le type de cycle thermodynamique utilisée pour produire de l'électricité via une turbine. L'un des inconvénients des centrales solaires thermodynamiques et plus particulièrement des centrales à tour est que, du fait qu'elles utilisent l'énergie solaire directe (radiation directe), le passage d'un nuage impacte fortement leur fonctionnement, c'est pourquoi elles sont installées dans des régions à fort ensoleillement, typiquement les déserts. Cependant, il peut arriver qu'un nuage passe, ou qu'il soit nécessaire de la faire fonctionner quelques heures après le coucher du soleil pour répondre aux besoins du réseau électrique ou même toute la nuit dans certains cas. De plus, le développement des centrales solaires thermodynamiques est provoqué par la recherche d'une augmentation du rendement de conversion électrique et donc, principalement, par celle de la température du fluide entrant dans la turbine du groupe turbo alternateur. Enfin, leur branchement sur des réseaux accroît la recherche de régulation de la production et donc la recherche de possibilité de stockage d'énergie variable dans le temps.The present invention relates to an energy conversion system comprising a power conversion plant. The invention also relates to a method of operating such an energy conversion system. The invention also relates to a system for storing and restoring energy to be coupled energetically to a power conversion plant. Thermodynamic solar power plants convert solar energy into electrical energy injected into an electricity grid, such as the commercial electricity grid. Tower type thermodynamic solar power plants are of different types depending on the heat transfer fluid they use and the type of thermodynamic cycle used to produce electricity via a turbine. One of the drawbacks of thermodynamic solar power plants and more particularly tower plants is that, because they use direct solar energy (direct radiation), the passage of a cloud strongly impacts their operation, which is why they are installed in regions with strong sunshine, typically deserts. However, it can happen that a cloud passes, or that it needs to run a few hours after sunset to meet the needs of the electricity network or even all night in some cases. In addition, the development of thermodynamic solar power plants is caused by the search for an increase in the electrical conversion efficiency and therefore, mainly, that of the temperature of the fluid entering the turbine of the turbo generator group. Finally, their connection to networks increases the search for regulation of the production and thus the search for possibility of storage of energy variable in time.
Les principales techniques actuellement utilisées pour pallier à l'intermittence de l'énergie solaire dans ce type de centrale solaire sont : - l'utilisation de stockage de chaleur sous forme sensible ou latente. Les stockages sous forme latente peuvent être effectués en utilisant différents types de matériaux (sels fondus, huiles, solides, métaux,....) ; - l'utilisation d'une énergie d'appoint d'origine fossile (notamment le gaz dans des centrales hybrides solaire-gaz) ; - le stockage d'énergie électrique dans des batteries, avec restitution par chauffage électrique en amont de la turbine. Ces solutions ont des limites qui peuvent être rédhibitoires selon le cas de charge et d'exploitation de la centrale solaire, mais aussi selon la performance de conversion électrique visée sur le groupe turbo alternateur. L'utilisation d'une énergie d'appoint d'origine fossile ne permet pas d'avoir une production électrique complètement décarbonée et surtout nécessite un approvisionnement en gaz naturel (par exemple) qui peut être difficile en site isolé. Il permet par contre de fonctionner avec des turbines à haute température d'entrée et donc un haut rendement de conversion. Le stockage dans des batteries électriques présente différents problèmes : limite de stockage (volume et coût des batteries), problème générique de couplage puissance-énergie de ce type de stockage qui oblige à sous ou sur-dimensionner l'installation (flexibilité limitée à la charge et à la décharge), durée de vie des batteries (en particulier si les charges et décharges sont incomplètes) et problèmes environnementaux liés à leur gestion. Il présente aussi l'inconvénient de stocker l'énergie sous forme secondaire, c'est-à-dire électrique. L'utilisation d'un stockage de chaleur pose des problèmes généraux propres à ce mode de stockage et des problèmes spécifiques liés au matériau de stockage utilisé.The main techniques currently used to overcome the intermittency of solar energy in this type of solar power plant are: - the use of heat storage in sensitive or latent form. Storage in latent form can be carried out using different types of materials (molten salts, oils, solids, metals, ....); - the use of a supplementary energy of fossil origin (in particular the gas in solar-gas hybrid power plants); - The storage of electrical energy in batteries, with restitution by electric heating upstream of the turbine. These solutions have limits which can be prohibitive according to the case of load and exploitation of the solar power station, but also according to the electrical conversion performance aimed at the turbo generator group. The use of a supplementary energy of fossil origin does not make it possible to have a completely decarbonated electrical production and especially requires a supply of natural gas (for example) which can be difficult in isolated site. On the other hand, it makes it possible to operate with high input temperature turbines and thus a high conversion efficiency. The storage in electric batteries presents various problems: storage limit (volume and cost of batteries), generic problem of power-energy coupling of this type of storage which forces to under or over-size the installation (flexibility limited to the load and discharge), battery life (especially if charges and discharges are incomplete) and environmental issues related to their management. It also has the disadvantage of storing energy in secondary form, that is to say electrical. The use of heat storage poses general problems specific to this storage mode and specific problems related to the storage material used.
Les problèmes généraux à ces modes de stockage sont : - La limite de stockage d'énergie. Comme pour les batteries, ce type de stockage est volumineux et a une limite liée à la taille du réservoir ; en cas de surplus d'énergie thermique, il ne permet pas de stockage supplémentaire ; - La faible flexibilité à la fréquence et au niveau des charges et des décharges du stockage en particulier pour le stockage sur chaleur sensible (la température du stockage est fonction de son niveau de « remplissage »); - La difficulté (coût) de disposer les réservoirs éloignés de la turbine. La transmission de la chaleur sur des grandes distances est énergivore ou coûteuse en particulier à haute température ; - La limite de température de restitution. Les matériaux actuels ne permettent pas des températures de stockage au delà de 750°C, ce qui implique que la température du fluide entrant dans la turbine est inférieure à 750 °C (plutôt 700°C) pendant les phases de restitution, ce qui affecte fortement le rendement de conversion du groupe turbo alternateur ; - L'impossibilité d'adapter la qualité du stockage (température de restitution) à la quantité d'énergie à stocker, c'est-à-dire l'absence de flexibilité à la charge et à la décharge du stockage thermique. Un réservoir thermique n'est utilisable à la température de restitution que s'il est « plein d'énergie » et ne peut donc être utilisé que lorsqu'il est « plein » (cas des stockages sur chaleur sensible). Des prélèvements partiels ou des remplissages partiels affectent la qualité (température) de la restitution de l'énergie ; - la baisse de rendement de stockage avec le temps et la température de stockage.The general problems with these storage modes are: - The energy storage limit. As for batteries, this type of storage is bulky and has a limit related to the size of the tank; in case of surplus thermal energy, it does not allow additional storage; - The low flexibility at the frequency and the level of storage charges and discharges, in particular for storage on sensible heat (the storage temperature is a function of its "filling" level); - The difficulty (cost) of arranging the tanks remote from the turbine. The transmission of heat over long distances is energy consuming or expensive, especially at high temperatures; - The temperature limit of restitution. Current materials do not allow storage temperatures above 750 ° C, which implies that the temperature of the fluid entering the turbine is less than 750 ° C (rather 700 ° C) during the restitution phases, which affects strongly the conversion efficiency of the turbo generator group; - The impossibility of adapting the quality of the storage (return temperature) to the amount of energy to be stored, that is to say the lack of flexibility in the load and discharge of thermal storage. A thermal reservoir can only be used at the restitution temperature if it is "full of energy" and can only be used when it is "full" (case of storage on sensible heat). Partial samples or partial fillings affect the quality (temperature) of the restitution of the energy; - the decrease in storage efficiency with time and storage temperature.
D'autres problèmes spécifiques se rapportent à la sécurité, à l'environnement, par exemple dans le cas d'utilisation d'huiles ou de sels fondus. Il apparaît donc intéressant sur les centrales solaires thermodynamiques à haute température : 1- de pallier à la limite de température de restitution du stockage thermique qui pénalise fortement le rendement de conversion électrique ; 2- de supprimer toute utilisation d'énergie d'appoint d'origine fossile ; 3- de dissocier puissance et énergie dans le stockage, 4- d'augmenter les possibilités de stockage d'énergie, 5- d'augmenter la flexibilité ou d'adapter la charge du stockage à la disponibilité et a fortiori à la demande de déstockage. 6- de stocker l'énergie à distance (hors de la zone solaire). 7- de pouvoir éventuellement utiliser l'énergie stockée dans une autre application, en particulier dans une application externe au site de la centrale. On connaît du document US 4,095,118 un système de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Une partie de cette énergie est utilisée pour produire de l'hydrogène par électrolyse. Cet hydrogène est ensuite utilisé pendant les périodes de faible ensoleillement. Le système utilise un type de centrale solaire très particulier utilisant un fluide pouvant être ionisé. Il décrit un stockage de l'énergie électrique par électrolyse traditionnelle d'eau liquide. On connaît du document EP 1 982 954 Al une centrale solaire à tour couplée 20 avec un système de production d'hydrogène par cycle thermochimique et un stockage d'énergie thermique par sels fondus. Le but de l'invention est de fournir un système de conversion d'énergie permettant de remédier aux problèmes évoqués précédemment et améliorant 25 les systèmes connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un système permettant de restituer un apport thermique au moment voulu afin de maintenir le fonctionnement de la centrale à son régime nominal. Le moment voulu considéré peut par exemple être le passage d'un nuage d'une durée de quelques minutes qui fait chuter brutalement la radiation directe du soleil et 30 donc l'énergie thermique pouvant être convertie. Ce dispositif est utilisé pour les turbines à hautes températures soit en complément d'un stockage d'énergie thermique « classique », soit seul. Ce maintien du fonctionnement nominal pendant le passage d'un nuage ou pendant une période de faibles radiations permet d'éviter la diminution forte du rendement de la turbine, voire même son arrêt brutal (risque d'endommagement dû aux cycles thermiques) et garantit un profil de production d'électricité stable pendant le passage du nuage. Selon l'invention, un système de conversion d'énergie comprend : - une centrale de conversion d'énergie, notamment une centrale de conversion d'énergie solaire ; et - un dispositif d'électrolyse de vapeur d'eau incluant un élément de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur de la vapeur d'eau, le dispositif d'électrolyse utilisant de l'énergie convertie par la centrale.Other specific problems relate to safety, to the environment, for example in the case of use of oils or molten salts. It therefore seems interesting on high-temperature thermodynamic solar power plants: 1- to overcome the thermal storage return temperature limit which strongly penalizes the efficiency of electrical conversion; 2- to eliminate any use of supplementary energy of fossil origin; 3- to dissociate power and energy in the storage, 4- to increase the possibilities of storage of energy, 5- to increase the flexibility or to adapt the load of the storage to the availability and a fortiori to the destocking request . 6- to store the energy at a distance (out of the solar zone). 7- to possibly be able to use the energy stored in another application, in particular in an application external to the plant site. US Pat. No. 4,095,118 discloses a system for converting solar energy into electrical energy. Part of this energy is used to produce hydrogen by electrolysis. This hydrogen is then used during periods of low sunlight. The system uses a very special type of solar power plant that uses a fluid that can be ionized. It describes a storage of electrical energy by traditional electrolysis of liquid water. Document EP 1 982 954 A1 discloses a solar tower plant coupled with a system for producing hydrogen by thermochemical cycle and a thermal energy storage by molten salts. The object of the invention is to provide an energy conversion system making it possible to overcome the problems mentioned above and to improve the systems known from the prior art. In particular, the invention provides a system for returning a thermal input at the desired time to maintain the operation of the plant at its rated speed. The desired moment may be, for example, the passage of a cloud of a duration of a few minutes which abruptly drops the direct radiation of the sun and therefore the thermal energy that can be converted. This device is used for high temperature turbines either in addition to a "conventional" thermal energy storage or alone. This maintenance of the nominal operation during the passage of a cloud or during a period of low radiations makes it possible to avoid a sharp reduction in the efficiency of the turbine, or even its sudden stop (risk of damage due to thermal cycles) and guarantees a stable electricity production profile during the passage of the cloud. According to the invention, an energy conversion system comprises: an energy conversion plant, in particular a solar energy conversion plant; and a steam electrolysis device including a water-vapor-water transformation element and a steam-water electrolyzer, the electrolysis device using energy converted by the power plant; .
Le système peut comprendre un élément de stockage de dihydrogène et/ou un élément de stockage de dioxygène. Le système peut comprendre une chambre de combustion pour la combustion 20 de dihydrogène. Le système peut comprendre un dispositif de stockage d'énergie thermique. L'électrolyseur peut être agencé de sorte à fonctionner dans un mode 25 allothermique. La centrale peut être du type fonctionnant avec de l'air chauffé, notamment de l'air chauffé à haute température, en particulier du type à tour fonctionnant avec de l'air chauffé à haute température. 30 Selon l'invention, le procédé de fonctionnement d'un système de conversion d'énergie défini précédemment, comprend les étapes suivantes : - utilisation de l'énergie convertie par la centrale pour dissocier de l'eau en dihydrogène et en dioxygène, - stockage du dihydrogène et/ou du dioxygène, - combustion du dihydrogène, éventuellement dans le dioxygène, pour produire de l'énergie électrique. L'étape d'utilisation de l'énergie convertie par la centrale peut comprendre : - l'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour transformer de l'eau en vapeur d'eau, et - l'utilisation de chaleur et d'électricité fournie par la centrale pour dissocier la vapeur d'eau. L'étape d'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour transformer de l'eau en vapeur d'eau peut comprendre l'utilisation de la chaleur d'un fluide sortant d'une turbine de la centrale. L'étape d'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour dissocier la vapeur d'eau peut comprendre l'utilisation de la chaleur d'au moins une fraction d'un fluide après chauffage dans la centrale, notamment au niveau d'un récepteur solaire de la centrale. L'étape d'utilisation de l'énergie convertie par la centrale peut comprendre l'utilisation d'énergie pour faire fonctionner le dispositif d'électrolyse dans un mode allothermique.The system may include a dihydrogen storage element and / or a oxygen storage element. The system may include a combustion chamber for the combustion of dihydrogen. The system may include a thermal energy storage device. The electrolyser can be arranged to operate in an allothermal mode. The plant may be of the type operating with heated air, in particular air heated at high temperature, in particular of the tower type operating with air heated at high temperature. According to the invention, the method of operation of an energy conversion system defined above comprises the following steps: use of the energy converted by the plant to dissociate water into dihydrogen and oxygen; storage of dihydrogen and / or dioxygen, - combustion of dihydrogen, optionally in oxygen, to produce electrical energy. The stage of utilization of the energy converted by the plant may include: - the use of heat supplied by the plant to convert water into water vapor, and - the use of heat and electricity provided by the plant to dissociate water vapor. The step of using heat provided by the plant to convert water into water vapor may include the use of heat from a fluid exiting a turbine of the plant. The step of using heat provided by the plant to dissociate the water vapor can comprise the use of the heat of at least a fraction of a fluid after heating in the plant, in particular at a receiver solar power plant. The step of using the energy converted by the plant may include using energy to operate the electrolysis device in an allothermal mode.
Selon l'invention, le système de stockage et de restitution d'énergie destiné à être couplé énergétiquement à une centrale de conversion d'énergie, notamment à une centrale de conversion d'énergie solaire, comprend : - un dispositif de stockage d'énergie thermique ; 2 982 876 7 - un dispositif d'électrolyse de vapeur d'eau incluant un élément de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur de la vapeur d'eau ; - un dispositif de stockage d'hydrogène ; et 5 - une chambre de combustion de dihydrogène ; le dispositif de stockage et le dispositif d'électrolyse étant destinés à utiliser de l'énergie convertie par la centrale. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un 10 système de conversion d'énergie selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un système de conversion d'énergie selon l'invention. 15 Un mode de réalisation d'un système 100 de conversion d'énergie est décrit ci- après en référence à la figure 1. Le système permet de convertir de l'énergie solaire en énergie électrique qui est injectée dans un réseau électrique 13 (ne faisant pas partie du système). Le système permet également de convertir l'énergie solaire en énergie chimique qui peut être stockée puis convertie 20 ultérieurement en énergie électrique. Ainsi, il est possible de convertir de l'énergie chimique en énergie électrique alors que l'énergie solaire n'est plus disponible ou alors que la puissance du rayonnement solaire n'est pas suffisante pour permettre au système de convertir l'énergie avec un rendement désiré. 25 Le système 100 comprend principalement une centrale 110 de conversion d'énergie solaire en énergie électrique et un dispositif d'électrolyse 120 de vapeur d'eau.According to the invention, the energy storage and return system intended to be coupled energetically to an energy conversion plant, in particular to a solar energy conversion plant, comprises: an energy storage device thermal; A steam electrolysis device including a water-vapor-water converting element and a steam-water electrolyzer; a hydrogen storage device; and 5 - a hydrogen combustion chamber; the storage device and the electrolysis device being intended to use energy converted by the power plant. The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of an energy conversion system according to the invention. Figure 1 is a diagram of an embodiment of an energy conversion system according to the invention. An embodiment of a power conversion system 100 is described below with reference to FIG. 1. The system converts solar energy into electrical energy that is injected into an electrical network 13 (not shown in FIG. not part of the system). The system also converts solar energy into chemical energy that can be stored and subsequently converted into electrical energy. Thus, it is possible to convert chemical energy into electrical energy when solar energy is no longer available or when the power of solar radiation is not sufficient to allow the system to convert energy with desired yield. The system 100 mainly comprises a solar power conversion unit 110 for electrical energy and an electrolysis device 120 for steam.
La centrale 110 de conversion d'énergie solaire en énergie électrique comprend principalement les organes suivants : un récepteur 3 de rayons solaires permettant de chauffer un fluide (comme de l'air) à haute température, par exemple à environ 900 à 1000°C ; ce récepteur est par exemple installé en haut d'une tour 20. un ensemble d'héliostats 1 permettant de dévier des rayons solaires afin de les diriger sur le récepteur 3 ; un groupe turbine 6 - compresseur 2 ; le compresseur permettant de compresser le fluide avant son chauffage au niveau du récepteur, la turbine permettant de transformer l'énergie du fluide chauffé et sous pression en énergie mécanique par détente du fluide dans la turbine. Le compresseur et la turbine sont liés mécaniquement par exemple grâce à un arbre 7; une génératrice 8 couplée mécaniquement à la turbine 6 et permettant de transformer l'énergie mécanique de la turbine non utilisée par le compresseur en énergie électrique.The central unit 110 for converting solar energy into electrical energy mainly comprises the following members: a solar ray receiver 3 for heating a fluid (such as air) at high temperature, for example at about 900 to 1000 ° C .; this receiver is for example installed at the top of a tower 20. a set of heliostats 1 to deflect sunlight to direct them to the receiver 3; a turbine group 6 - compressor 2; the compressor for compressing the fluid before heating at the receiver, the turbine for converting the energy of the heated fluid and under pressure into mechanical energy by expansion of the fluid in the turbine. The compressor and the turbine are linked mechanically for example by means of a shaft 7; a generator 8 mechanically coupled to the turbine 6 and for converting the mechanical energy of the turbine not used by the compressor into electrical energy.
La centrale peut être de tout type. De préférence, la centrale est du type à tour fonctionnant avec un cycle gaz utilisant de l'air sous pression à environ 1000°C en complément d'un stockage thermique à plus basse température. Les centrales solaires thermodynamiques à tour fonctionnant avec de l'air chauffé à haute température présentent de nombreux avantages : rendement élevé du fait des températures élevées utilisées, fluide utilisé (air) gratuit et abondant, pas d'utilisation d'huile, pas de sels fondus, pas de refroidissement nécessaire du fluide en sortie de turbine. Des récepteurs permettent à l'air d'être chauffé efficacement jusqu'à cette température. Le stockage d'une quantité conséquente d'énergie thermique à une température de 1000°C ou plus est difficilement réalisable voire impossible en l'état actuel de la technique. Par contre, on peut stocker une quantité conséquente d'énergie thermique à une température d'environ 750°C.The plant can be of any type. Preferably, the plant is of the tower type operating with a gas cycle using air under pressure at about 1000 ° C in addition to a thermal storage at lower temperature. Solar thermodynamic tower plants operating with air heated at high temperature have many advantages: high efficiency due to the high temperatures used, fluid used (air) free and abundant, no use of oil, no salts melted, no cooling required of the fluid at the turbine outlet. Receivers allow the air to be efficiently heated to that temperature. Storage of a substantial amount of thermal energy at a temperature of 1000 ° C or more is difficult to achieve or even impossible in the current state of the art. On the other hand, a substantial amount of thermal energy can be stored at a temperature of about 750 ° C.
Le dispositif d'électrolyse inclut un élément 9 de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur 10 de la vapeur d'eau. Pour dissocier (en 2982 876 9 dihydrogène et en dioxygène par électrolyse) la vapeur d'eau, le dispositif d'électrolyse utilise de l'énergie solaire convertie par la centrale en une énergie d'un autre type, notamment de l'énergie électrique et de l'énergie thermique. L'électrolyseur est par exemple du type à haute température. L'électrolyseur 5 fonctionne en régime allothermique, c'est-à-dire en utilisant pour dissocier les molécules d'eau (vapeur) de l'énergie électrique et de l'énergie thermique. L'électrolyseur de vapeur d'eau à haute température (EVHT) permet d'électrolyser de la vapeur d'eau à des températures élevées (800-1000°C). L'avantage d'un tel électrolyseur est de permettre d'utiliser une partie 10 importante de l'énergie nécessaire à la dissociation de l'eau sous forme d'énergie primaire (énergie thermique) et donc de limiter le prélèvement d'énergie secondaire (énergie électrique) nécessaire. D'autre part, on obtient un excellent rendement de conversion électrochimique. Ainsi, l'électrolyseur de vapeur d'eau à haute température (EVHT) se prête bien au couplage avec les 15 centrales solaires fonctionnant à haute température et haut rendement de conversion électrique et l'augmentation de sa température de fonctionnement accroît d'autant le rendement énergétique de conversion d'énergie solaire en énergie chimique. L'électrolyseur est alimenté en électricité par une fraction de l'énergie électrique générée par l'alternateur, lui-même actionné grâce à la 20 turbine fonctionnant grâce au fluide chauffé par l'énergie solaire. La fraction d'énergie électrique utilisée pour l'alimentation de l'électrolyseur est comprise entre 0 et 100% en fonction du dimensionnement du système et des besoins du réseau électrique à chaque instant. La fraction prélevée peut-être plus importante si le besoin d'injection vers le réseau électrique est limité. L'énergie 25 électrique produite non consommée par l'électrolyseur est cédée au réseau électrique. Le fluide refroidi (150 à 500°C) en sortie de turbine est acheminé vers l'élément 9 de transformation de l'eau en vapeur d'eau, comme un échangeur de chaleur. Un ensemble de tuyauterie, vannes, détendeurs, éléments de sécurité etc... est utilisé pour cet acheminement mais non 30 représenté. L'élément de transformation 9 permet de chauffer et de vaporiser l'eau nécessaire à l'électrolyseur haute température. L'air froid est ensuite rejeté dans l'atmosphère. La vapeur issue de l'élément 9 de transformation est ensuite acheminée jusqu'à l'électrolyseur. Un ensemble de tuyauterie, vannes, détendeurs, éléments de sécurité etc... est utilisé pour cet acheminement mais non représenté. Une fraction du fluide chaud sortant du récepteur solaire (800 à 1200°C) est aussi acheminée jusqu'à l'électrolyseur de façon à maintenir la température de l'électrolyseur à environ 900-1000 °C. Un ensemble de tuyauterie, vannes, détendeurs, éléments de sécurité etc... est utilisé pour cet acheminement mais non représenté. Le dihydrogène d'une part et le dioxygène d'autre part, générés par dissociation de l'eau à l'intérieur de l'électrolyseur sont stockés dans un dispositif de stockage. Les réseaux de conduite et de stockage de l'hydrogène et de l'oxygène sont de préférence maintenus indépendants afin d'éviter une recombinaison en eau. Le dispositif de stockage consiste en un ou plusieurs réservoirs de structure et de volume adaptés au stockage du dihydrogène et/ou du dioxygène. Ces réservoirs permettent de stocker les gaz sous une pression relative d'environ 10 à 700 bar. Le stockage de l'hydrogène peut alternativement ou complémentairement être effectué sous d'autres formes. L'hydrogène peut être stocké à basse température sous forme liquide. Dans ce cas, un système de liquéfaction de l'hydrogène est mis en place entre la sortie du dihydrogène de l'électrolyseur et l'entrée de l'élément de stockage du dihydrogène. Un tel système de liquéfaction comprend des surpresseurs, des échangeurs de chaleur, une utilité froide et un ensemble des composants nécessaires à la liquéfaction de l'hydrogène (vannes, éléments de sécurité...). Alternativement ou complémentairement, l'hydrogène peut être stocké à basse pression relative (10 à 60 bar) sous la forme d'hydrures métalliques où il est adsorbé lors de phases de stockage et désorbé lors de phases d'utilisation. Alternativement ou complémentairement encore, l'hydrogène peut être stocké sous la forme d'hydrocarbures liquides (méthanol, acide formique...) pour des stockages de plus longue durée (stockage plus compact). Le stockage sous la forme d'hydrocarbures liquides implique l'utilisation d'étapes de transformations chimiques supplémentaires.The electrolysis device includes an element 9 for converting water into water vapor and an electrolyzer 10 for steam. In order to dissociate (in 2982 876 9 dihydrogen and dioxygen by electrolysis) the water vapor, the electrolysis device uses solar energy converted by the plant into an energy of another type, in particular electrical energy. and thermal energy. The electrolyser is for example of the high temperature type. The electrolyser 5 operates in allothermal mode, that is to say using to dissociate the water molecules (steam) of electrical energy and thermal energy. The high temperature steam electrolyser (EVHT) is used to electrolyze water vapor at high temperatures (800-1000 ° C). The advantage of such an electrolyzer is that it makes it possible to use a large part of the energy necessary for the dissociation of water in the form of primary energy (thermal energy) and thus to limit the secondary energy withdrawal. (electrical energy) necessary. On the other hand, an excellent electrochemical conversion efficiency is obtained. Thus, the high temperature steam electrolyser (EVHT) lends itself well to coupling with the 15 solar power plants operating at high temperature and high efficiency of electrical conversion and the increase in its operating temperature increases all the energy efficiency of conversion of solar energy into chemical energy. The electrolyser is supplied with electricity by a fraction of the electrical energy generated by the alternator, which is itself powered by the turbine operating by means of the fluid heated by solar energy. The fraction of electrical energy used to supply the electrolyser is between 0 and 100% depending on the size of the system and the needs of the electrical network at any time. The fraction taken off may be greater if the need for injection into the electricity grid is limited. The electrical energy produced that is not consumed by the electrolyser is transferred to the electrical network. The fluid cooled (150 to 500 ° C) at the turbine outlet is conveyed to the element 9 for converting water into water vapor, such as a heat exchanger. A set of piping, valves, expansion valves, safety elements, etc. is used for this routing but not shown. The transformation element 9 makes it possible to heat and vaporise the water necessary for the high temperature electrolyser. The cold air is then released into the atmosphere. The steam from the transformation element 9 is then conveyed to the electrolyser. A set of piping, valves, expansion valves, safety elements, etc. is used for this routing but not shown. A fraction of the hot fluid leaving the solar receiver (800 to 1200 ° C) is also conveyed to the electrolyzer so as to maintain the temperature of the electrolyzer at about 900-1000 ° C. A set of piping, valves, expansion valves, safety elements, etc. is used for this routing but not shown. The dihydrogen on the one hand and the dioxygen on the other hand, generated by dissociation of the water inside the electrolyser are stored in a storage device. The networks for conducting and storing hydrogen and oxygen are preferably kept independent in order to avoid recombination in water. The storage device consists of one or more tanks of structure and volume suitable for storing dihydrogen and / or dioxygen. These reservoirs make it possible to store the gases under a relative pressure of approximately 10 to 700 bar. The storage of the hydrogen can alternatively or complementarily be carried out in other forms. Hydrogen can be stored at low temperature in liquid form. In this case, a hydrogen liquefaction system is set up between the exit of the dihydrogen from the electrolyzer and the inlet of the dihydrogen storage element. Such a liquefaction system includes boosters, heat exchangers, a cold utility and a set of components necessary for the liquefaction of hydrogen (valves, safety elements, etc.). Alternatively or additionally, the hydrogen can be stored at low relative pressure (10 to 60 bar) in the form of metal hydrides where it is adsorbed during storage phases and desorbed during use phases. Alternatively or additionally, hydrogen can be stored in the form of liquid hydrocarbons (methanol, formic acid, etc.) for longer storage periods (more compact storage). Storage in the form of liquid hydrocarbons involves the use of additional chemical transformation steps.
Concernant l'électrolyseur, à une température de vapeur de 1000 °C, l'énergie électrique nécessaire est de 2.2 kWh par Nm3 de dihydrogène produit. L'énergie thermique ou chaleur complémentaire nécessaire à la dissociation de la vapeur d'eau est de 0.9kWh par Nm3 de dihydrogène produit. A cela il faut ajouter la chaleur nécessaire à la vaporisation (génération de vapeur) de l'eau. Elle est égale à 0.5 kWh par Nm3 de dihydrogène produit. Dans l'absolu, on peut donc apporter 39% de l'énergie de dissociation sous forme d'énergie primaire (énergie thermique obtenue par chauffage grâce au rayonnement solaire). La quantité d'énergie apportée pour vaporiser l'eau peut être apportée par le fluide sortant de la turbine. En effet, cette chaleur serait simplement rejetée autrement. La quantité d'énergie pour maintenir la température de l'électrolyseur à 900-1000°C (correspondant à l'énergie d'allo-thermicité) est de 0.5 kWh par Nm3 de dihydrogène produit.With regard to the electrolyser, at a vapor temperature of 1000 ° C., the necessary electrical energy is 2.2 kWh per Nm 3 of dihydrogen produced. The thermal energy or additional heat necessary for the dissociation of the water vapor is 0.9kWh per Nm3 of hydrogen produced. To this must be added the heat necessary for the vaporization (steam generation) of the water. It is equal to 0.5 kWh per Nm3 of hydrogen produced. In absolute terms, therefore, 39% of the dissociation energy can be supplied in the form of primary energy (heat energy obtained by heating by means of solar radiation). The amount of energy provided to vaporize the water can be provided by the fluid leaving the turbine. Indeed, this heat would simply be rejected otherwise. The amount of energy to maintain the electrolyser temperature at 900-1000 ° C. (corresponding to the allo-thermal energy) is 0.5 kWh per Nm3 of hydrogen produced.
La majeure partie du temps, une fraction de la chaleur et une fraction de l'électricité produites par la centrale sont dérivées pour assurer le maintien en température de l'électrolyseur en fonctionnement allothermique et fournir l'électricité nécessaire à l'opération d'électrolyse. L'électricité et la chaleur nécessaire au fonctionnement de l'électrolyseur est une fraction respective des énergies correspondantes prélevées en aval et en amont de la turbine. Cette fraction d'énergies dédiée à la production de dihydrogène peut varier selon le besoin en hydrogène nécessaire pour pallier l'intermittence de rayonnement solaire et le besoin en électricité à fournir au réseau.Most of the time, a fraction of the heat and a fraction of the electricity produced by the plant are derived to maintain the temperature of the electrolyser in allothermal operation and to supply the electricity necessary for the electrolysis operation. . The electricity and the heat necessary for the operation of the electrolyser is a respective fraction of the corresponding energies taken downstream and upstream of the turbine. This fraction of energy dedicated to the production of hydrogen can vary according to the need for hydrogen necessary to overcome the intermittency of solar radiation and the need for electricity to supply the grid.
Lorsque de l'énergie thermique est nécessaire pour chauffer le fluide en sortie du récepteur (en l'absence de stockage thermique ou en cas de stockage vide) ou en sortie du dispositif de stockage thermique (si le stockage thermique est opérationnel) afin de compenser une baisse de radiation solaire, du dihydrogène et du dioxygène sont transportés jusqu'à la chambre de combustion, où ils se recombinent de façon très exothermique. Cette chambre 2 982 876 12 de combustion peut être soit intégrée à la turbine (combustion interne) ou bien être positionnée en amont de la turbine (combustion externe). Dans le premier cas, on réalise la combustion (2H2 + 02 -> 2H20) dans le fluide (air) en profitant de l'apport de débit supplémentaire, le rendement énergétique de 5 déstockage est alors maximum. Dans le deuxième cas (illustré à la figure 1), un échangeur thermique intermédiaire permet de transférer la chaleur de combustion au fluide sans introduction de vapeur d'eau. L'énergie thermique générée par la combustion du dihydrogène permet de maintenir la température du fluide à la température nominale de fonctionnement de la turbine. La 10 combustion de l'hydrogène permet de compenser la diminution de l'énergie solaire disponible pendant une durée t qui dépend (1) de la quantité de dihydrogène stocké et (2) de la température de fluide avant la chambre de combustion (présence ou non de stockage thermique opérationnel). Cette durée t est déterminée au moment du dimensionnement du système. 15 Le système 100 comprend encore un dispositif 11, 12 de stockage d'énergie chimique (le dihydrogène et le dioxygène obtenus par électrolyse) et une chambre de combustion 5 du dihydrogène, éventuellement avec le dioxygène pour réchauffer le fluide en cas de besoin. Le dispositif de stockage comprend 20 de préférence un élément de stockage 11 du dihydrogène et/ou un élément 12 de stockage du dioxygène. La chambre de combustion peut se trouver dans la turbine, la combustion étant réalisée dans la turbine. Le stockage peut être éloigné ou non de la tour solaire, le transport de gaz sur de grande distances ne posant pas de problème énergétique. Le dihydrogène et le dioxygène 25 peuvent être stockés sous pression (typiquement de 10 à 50 bars relatifs). Avantageusement, le système 100 comprend aussi un dispositif 4 de stockage d'énergie thermique à une température comprise entre 300 et 750°C. Le stockage thermique est réalisé par chaleur sensible ou latente. Il peut être 30 dimensionné pour maintenir la température du fluide à 750°C pendant une durée définie qui peut être supérieure à celle imposée par la quantité 2 982 876 13 d'hydrogène disponible. Le dimensionnement du stockage thermique est effectué en fonction des besoins de productions d'électricité et de la place disponible sur le site d'installation du système. Dans le cas de la présence d'un dispositif de stockage thermique, le système de conversion comprend un 5 système 130 de stockage et de restitution d'énergie couplé énergétiquement à la centrale 110 de conversion d'énergie, ce système de stockage et de restitution d'énergie comprenant : - le dispositif 4 de stockage d'énergie thermique ; - le dispositif d'électrolyse 120 de vapeur d'eau incluant l'élément 9 10 de transformation de l'eau en vapeur d'eau et l'électrolyseur 10 de la vapeur d'eau ; - le dispositif 11 de stockage d'hydrogène ; et - la chambre 5 de combustion de dihydrogène. Le dispositif de stockage et le dispositif d'électrolyse utilisent de l'énergie 15 (chaleur, électricité) convertie par la centrale 110. De préférence, ils n'utilisent que cette énergie. En utilisant les rendements de conversion connus des différents éléments du système, on calcule que si l'on dérive pendant un temps t1 la production 20 électrique intégralement vers l'électrolyseur, le dihydrogène produit permet de faire fonctionner la centrale de façon autonome pendant un temps t2= 0.6 x t1. L'utilisation d'un stockage thermique à 750°C de dimensions suffisantes permet d'augmenter ce temps de restitution. 25 Le dihydrogène permet de compléter l'apport d'énergie pendant une durée définie représentative de la durée de passage d'un nuage ; le chauffage du fluide passe de 750 à 1000°C permettant un fonctionnement normal de la turbine sans aucun transitoire sur la turbine et donc sans aucune variation du rendement ni diminution de la durée de vie de celle-ci. 30 2 982 876 14 Comme vu précédemment, le stockage d'hydrogène peut être de n'importe quel type et de n'importe quel volume. Il est dimensionné de façon à répondre au besoin considéré au moment du dimensionnement de l'installation, en fonction de la durée et de la fréquence des périodes de faible ensoleillement 5 pendant lesquelles l'installation doit fonctionner. Le dimensionnement du stockage thermique et de l'électrolyseur sont effectués de façon à pallier à un certain type de baisse d'ensoleillement. Le système peut par exemple être dimensionné pour pallier à des passages de nuage de 10 minutes (voir exemple chiffré ci-dessous) mais également à des périodes de plus longue 10 durée. Pour pallier à des intermittences plus longues, il est nécessaire de prélever une fraction plus importante de l'énergie thermique et électrique produite et donc de limiter l'injection d'électricité sur le réseau. L'exemple ci-dessous donne des valeurs de dimensionnement du dispositif 15 assurant seul le stockage d'énergie ayant pour objectif de pallier au passage d'un nuage de 10 minutes chaque jour pour une installation solaire fonctionnant 8 heures par jour. En considérant un fonctionnement à un taux d'allothermicité de 100%, un 20 exemple chiffré est exposé ci-après : Hypothèses - Puissance de la turbine à gaz : 2MWe - Rendement de la turbine couplé à l'alternateur : 50% 25 - Puissance thermique du récepteur solaire : 4 MWt - % de Puissance dérivée vers l'électrolyseur sur un fonctionnement de 8 heures à puissance nominale : 2.5 % (ou prélèvement pendant 12 minutes de la puissance nominale) Valeurs calculées : 30 - Energie électrique consommée par l'électrolyseur : 0.4 MWh (=0.025x2x8) - Energie thermique consommée par l'électrolyseur et par le générateur de vapeur : 0.27MWh (à 1000 °C environ 40% de l'énergie de dissociation de l'eau peut être amenée par la chaleur, comme décrit plus haut) - Masse de dihydrogène produite à stocker : 16.3 kg. Voir plus haut: 2.2 kWh électrique plus 1.39 kWh thermique donne 1 Nm3 de dihydrogène soit 0.09 kg donc 400 kWh électrique plus 270 kWh thermique donne 182 Nm3 de dihydrogène ) - Masse d'oxygène à stocker :130 kg (0.5 mole d'oxygène généré par l'électrolyseur pour 1 mole d'hydrogène) - Rendement de stockage : 60% (rendement = Energie stockée / Energie nécessaire pour produire le dihydrogène. Soit : Energie stockée : m(H2) x PCS = 16.3 x 39.41 = 642 kWh Energie nécessaire à la production : Energie thermique + Energie électrique/rendement de turbine = 270 + 800 = 1070 Soit rendement = 60%) - Temps de passage de nuage sans complément de stockage thermique : 9 minutes (16.3 kg H2 donne 642 kWh soit 4MWt pendant 9 minutes) - Temps de passage de nuage compensé si seulement la moitié de l'énergie est apportée par le dihydrogène : environ 18 minutes Cet exemple chiffré montre qu'en prélevant uniquement 2.5 % de l'énergie électrique produite par la turbine et une fraction de l'énergie thermique en sortie de récepteur solaire, on peut pallier le passage d'un nuage de dix-huit minutes en combinant l'apport énergétique de l'hydrogène et celui d'un stockage thermique classique en conservant un fonctionnement et un rendement de turbine optimal. Un passage de nuage d'une durée de 18 minutes chaque jour est une hypothèse qui peut être représentative des endroits où sont susceptibles d'être installés ces systèmes de conversion. On peut imaginer k jours sans diminution de radiation solaire, la durée cumulée de compensation par l'énergie thermique vaut alors k x 18 minutes. Un mode de réalisation d'un procédé de fonctionnement d'un système de conversion d'énergie est décrit ci-après. Dans un premier mode de fonctionnement du système, on utilise de l'énergie convertie par la centrale pour dissocier de l'eau en dihydrogène et en dioxygène et on stocke le dihydrogène et le dioxygène. De préférence, on n'utilise que de l'énergie fournie par la centrale, notamment que de l'énergie convertie par la centrale. L'utilisation de l'énergie convertie par la centrale comprend par exemple les actions suivantes : - On utilise de la chaleur fournie par la centrale pour transformer de l'eau en vapeur d'eau au niveau de l'élément 9 de transformation d'eau en vapeur d'eau. Pour ce faire, on peut par exemple utiliser l'énergie thermique du fluide sortant de la turbine de la centrale. - On utilise de la chaleur et de l'électricité fournie par la centrale pour dissocier la vapeur d'eau au niveau de l'électrolyseur 10 de transformation d'eau en vapeur d'eau. Pour ce faire, on peut par exemple utiliser au moins une fraction d'un fluide après chauffage de celui-ci dans la centrale, notamment au niveau du récepteur solaire 3 de la centrale. De préférence, on fait fonctionner le dispositif d'électrolyse, en particulier l'électrolyseur dans un mode allothermique.When thermal energy is needed to heat the output fluid of the receiver (in the absence of thermal storage or in case of empty storage) or at the output of the thermal storage device (if the thermal storage is operational) to compensate a drop in solar radiation, dihydrogen and dioxygen are transported to the combustion chamber, where they recombine very exothermically. This combustion chamber 282 can be either integrated with the turbine (internal combustion) or be positioned upstream of the turbine (external combustion). In the first case, the combustion (2H2 + 02 -> 2H20) is carried out in the fluid (air) taking advantage of the additional flow rate, the energy efficiency of destocking is then maximum. In the second case (illustrated in FIG. 1), an intermediate heat exchanger makes it possible to transfer the heat of combustion to the fluid without introducing water vapor. The thermal energy generated by the combustion of the hydrogen makes it possible to maintain the temperature of the fluid at the nominal operating temperature of the turbine. The combustion of hydrogen makes it possible to compensate for the decrease in available solar energy during a time t which depends on (1) the quantity of dihydrogen stored and (2) the fluid temperature before the combustion chamber (presence or no operational thermal storage). This duration t is determined at the time of sizing the system. The system 100 further comprises a chemical energy storage device 11, 12 (dihydrogen and dioxygen obtained by electrolysis) and a combustion chamber of the dihydrogen, optionally with the oxygen to heat the fluid if necessary. The storage device preferably comprises a dihydrogen storage element 11 and / or a dioxygen storage element 12. The combustion chamber can be in the turbine, the combustion being carried out in the turbine. The storage may or may not be distant from the solar tower, the transport of gas over long distances does not pose any energy problem. Dihydrogen and oxygen can be stored under pressure (typically from 10 to 50 bar relative). Advantageously, the system 100 also comprises a device 4 for storing thermal energy at a temperature of between 300 and 750 ° C. Thermal storage is carried out by sensible or latent heat. It can be sized to maintain the fluid temperature at 750 ° C for a defined time that may be greater than that imposed by the amount of available hydrogen. The sizing of the thermal storage is done according to the electricity production needs and the space available at the installation site of the system. In the case of the presence of a thermal storage device, the conversion system comprises a system 130 for storing and restoring energy energy-coupled to the energy conversion unit 110, this storage and retrieval system. of energy comprising: - the device 4 for storing thermal energy; the steam electrolysis device 120 including the element 9 for transforming the water into water vapor and the electrolyser 10 for the steam; the device 11 for storing hydrogen; and - the combustion chamber 5 of hydrogen. The storage device and the electrolysis device use energy (heat, electricity) converted by the central unit 110. Preferably, they use only this energy. Using the known conversion efficiencies of the various elements of the system, it is calculated that if the electric production is wholly drifted to the electrolyser for a time t1, the dihydrogen produced makes it possible to operate the plant autonomously for a period of time. t2 = 0.6 x t1. The use of a thermal storage at 750 ° C of sufficient size makes it possible to increase this restitution time. The dihydrogen makes it possible to complete the supply of energy for a definite duration representative of the duration of passage of a cloud; the heating of the fluid goes from 750 to 1000 ° C allowing normal operation of the turbine without any transient on the turbine and therefore without any variation in performance or decrease in the service life of the latter. As previously seen, hydrogen storage can be of any type and any volume. It is dimensioned to meet the need considered at the time of sizing the installation, depending on the duration and frequency of periods of low sun 5 during which the installation must operate. The sizing of the thermal storage and the electrolyser are carried out so as to compensate for a certain type of sunshine reduction. For example, the system can be sized to overcome 10-minute cloud passes (see the numerical example below) but also for longer periods of time. To overcome the longer intermittences, it is necessary to take a larger fraction of the thermal and electrical energy produced and thus limit the injection of electricity on the network. The example below gives dimensioning values of the device 15 providing only energy storage with the objective of mitigating the passage of a 10-minute cloud each day for a solar installation operating 8 hours per day. Considering 100% allothermal operation, a numerical example is set out below: Assumptions - Gas Turbine Power: 2MWe - Alternator Impeller Efficiency: 50% 25 - Power Solar receiver thermal: 4 MWt -% of Power derived to the electrolyser on a running time of 8 hours at nominal power: 2.5% (or sampling for 12 minutes of nominal power) Calculated values: 30 - Electrical energy consumed by the electrolyser: 0.4 MWh (= 0.025x2x8) - Thermal energy consumed by the electrolyser and the steam generator: 0.27MWh (at 1000 ° C about 40% of the dissociation energy of water can be brought in by the heat , as described above) - mass of dihydrogen produced to be stored: 16.3 kg. See above: 2.2 kWh electric plus 1.39 kWh thermal gives 1 Nm3 of dihydrogen is 0.09 kg so 400 kWh electric plus 270 kWh thermal gives 182 Nm3 of hydrogen) - Mass of oxygen to store: 130 kg (0.5 mole of oxygen generated by the electrolyser for 1 mole of hydrogen) - Storage efficiency: 60% (yield = stored energy / energy required to produce the hydrogen) Either: Stored energy: m (H2) x PCS = 16.3 x 39.41 = 642 kWh Energy required for production: Thermal energy + Electrical energy / turbine efficiency = 270 + 800 = 1070 Either efficiency = 60%) - Cloud transit time without additional thermal storage: 9 minutes (16.3 kg H2 gives 642 kWh or 4MWt during 9 minutes) - Compensated cloud transit time if only half of the energy is supplied by the hydrogen: about 18 minutes This example shows that by taking only 2.5% of the electrical energy produced by the turbine and a minimum of action of thermal energy at the solar receiver output, we can overcome the passage of an eighteen-minute cloud by combining the energy supply of hydrogen and that of a conventional thermal storage while maintaining a functioning and a optimal turbine efficiency. A cloud run lasting 18 minutes each day is an assumption that can be representative of the locations where these conversion systems are likely to be installed. One can imagine k days without decrease of solar radiation, the cumulative duration of compensation by the thermal energy is worth then k x 18 minutes. An embodiment of a method of operating an energy conversion system is described below. In a first mode of operation of the system, energy converted by the plant is used to dissociate water into dihydrogen and oxygen and the dihydrogen and oxygen is stored. Preferably, only the energy supplied by the plant is used, in particular the energy converted by the plant. The use of the energy converted by the plant includes for example the following actions: - The heat supplied by the plant is used to transform water into water vapor at the level of the transformation element 9. water vapor. To do this, one can for example use the thermal energy of the fluid leaving the turbine of the plant. Heat and electricity supplied by the plant are used to dissociate the steam at the level of the electrolyser 10 for converting water into water vapor. To do this, one can for example use at least a fraction of a fluid after heating thereof in the plant, especially at the solar receiver 3 of the plant. Preferably, the electrolysis device, in particular the electrolyser, is operated in an allothermal mode.
Complémentairement, dans ce premier mode de fonctionnement, on peut stocker de l'énergie thermique au niveau du dispositif de stockage d'énergie thermique. Dans ce cas, une fraction du fluide est utilisée après compression dans le compresseur 2 et chauffage, par exemple au niveau du récepteur 3, pour chauffer le dispositif de stockage d'énergie thermique.Complementarily, in this first mode of operation, it is possible to store thermal energy at the level of the thermal energy storage device. In this case, a fraction of the fluid is used after compression in the compressor 2 and heating, for example at the receiver 3, to heat the thermal energy storage device.
Ce premier mode de fonctionnement est mis en oeuvre lorsque le réseau ne requiert pas toute la puissance électrique fournie par le système de conversion. Ce premier mode de fonctionnement est en particulier mis en oeuvre lorsque la source primaire d'énergie est abondante, notamment, dans le cas d'une centrale solaire lorsque celle-ci est complètement exposée au rayonnement solaire. Plusieurs types de stockages peuvent avoir lieu. Ils peuvent permettre un stockage d'énergie journalier ou saisonnier. Dans un deuxième mode de fonctionnement du système, on utilise de l'énergie chimique qui a préalablement été stockée pour chauffer le fluide en amont de la turbine ou dans la turbine 6. Pour ce faire, on réalise, dans la chambre de combustion 5, une combustion du dihydrogène stocké préalablement. De préférence, on utilise le dioxygène stocké comme comburant. L'énergie chimique stockée est donc utilisée pour produire de l'énergie électrique. Ce chauffage est réalisé en complément du chauffage du fluide réalisé ailleurs dans la centrale, par exemple au niveau du récepteur 3. Complémentairement, dans ce deuxième mode de fonctionnement, on peut utiliser de l'énergie thermique stockée au niveau du dispositif de stockage d'énergie thermique pour chauffer le fluide. Dans ce cas, le fluide ou une fraction de celui-ci récupère de la chaleur jusqu'à une température de par exemple 750°C au niveau du dispositif de stockage d'énergie thermique après compression dans le compresseur 2 et chauffage par exemple jusqu'à environ 300°C, par exemple au niveau du récepteur 3.This first mode of operation is implemented when the network does not require all the electrical power supplied by the conversion system. This first mode of operation is in particular implemented when the primary source of energy is abundant, especially in the case of a solar power plant when it is completely exposed to solar radiation. Several types of storage can take place. They can allow a daily or seasonal energy storage. In a second operating mode of the system, chemical energy is used which has previously been stored to heat the fluid upstream of the turbine or in the turbine 6. To do this, it is realized in the combustion chamber 5, a combustion of the previously stored hydrogen. Preferably, oxygen is used as oxidant. The stored chemical energy is therefore used to produce electrical energy. This heating is carried out in addition to the heating of the fluid produced elsewhere in the central unit, for example at the level of the receiver 3. Additionally, in this second mode of operation, thermal energy stored at the level of the storage device can be used. thermal energy to heat the fluid. In this case, the fluid or a fraction thereof recovers heat up to a temperature of for example 750 ° C at the thermal energy storage device after compression in the compressor 2 and heating for example until at about 300 ° C, for example at the receiver 3.
Ce deuxième mode de fonctionnement est mis en oeuvre lorsque le réseau requiert plus que ne peut fournir la centrale en ne tenant compte que de la source d'énergie primaire, comme le rayonnement solaire dans le cas de la centrale solaire. Ce deuxième mode de fonctionnement est en particulier mis en oeuvre lors d'un passage d'un nuage ou lors d'une période de faible radiation, de manière à continuer de chauffer le fluide destiné à être détendu dans la turbine. Le produit de la combustion du dihydrogène dans le dioxygène est uniquement de l'eau qui est récupérée par simple condensation soit en sortie de turbine soit en sortie de chambre de combustion. Ainsi, dans ce deuxième mode de fonctionnement, l'énergie chimique stockée (et éventuellement l'énergie thermique stockée) est utilisée pour augmenter la température du fluide avant détente dans la turbine ou lors de la détente dans la turbine. L'augmentation de température par l'énergie chimique permet par exemple de chauffer le fluide de 750°C à 1000°C. Ainsi, la turbine peut continuer à fonctionner dans des conditions nominales sans diminution importante de son rendement, ni détérioration prématurée due à un fonctionnement en mode dégradé. Les avantages principaux de cette invention sont ceux de : - pallier à la limitation en température de restitution du stockage thermique et de pouvoir fonctionner avec une température d'entrée de turbine bien supérieure à 800°C et ceci sans apport de combustible d'origine fossile ; - stocker et déstocker en charge partielle sans nuire au rendement de stockage ou de turbinage ; - stocker des quantités importantes d'énergie et ceci éventuellement à grande distance de la centrale ; - limiter la quantité d'énergie secondaire prélevée dans la phase de stockage d'énergie en consommant pour partie de l'énergie primaire solaire ; - permettre un stockage sûr de longue durée sans perte de rendement de stockage ; - permettre un déstockage si besoin vers d'autres sites ou d'autres utilisations (camion, pipeline...).This second mode of operation is implemented when the network requires more than can provide the plant taking into account only the primary energy source, such as solar radiation in the case of the solar power station. This second mode of operation is in particular implemented during a passage of a cloud or during a period of low radiation, so as to continue to heat the fluid to be expanded in the turbine. The product of the combustion of dihydrogen in oxygen is only water which is recovered by simple condensation either at the turbine outlet or at the outlet of the combustion chamber. Thus, in this second mode of operation, the stored chemical energy (and optionally the stored thermal energy) is used to increase the temperature of the fluid before expansion in the turbine or during expansion in the turbine. The increase in temperature by chemical energy makes it possible, for example, to heat the fluid from 750 ° C. to 1000 ° C. Thus, the turbine can continue to operate under nominal conditions without significant decrease in efficiency, nor premature deterioration due to degraded mode operation. The main advantages of this invention are those of: - to overcome the temperature limitation of thermal storage restitution and to be able to operate with a turbine inlet temperature well above 800 ° C and this without adding fuel of fossil origin ; - store and destock at partial load without affecting the storage or turbining efficiency; - store large amounts of energy and this possibly at a great distance from the plant; - limit the amount of secondary energy removed in the energy storage phase by consuming part of the solar primary energy; - allow long-term safe storage without loss of storage efficiency; - allow destocking if necessary to other sites or other uses (truck, pipeline ...).
Les variantes suivantes du système de conversion peuvent être envisagées : La température du stockage thermique peut être n'importe laquelle, elle est juste inférieure à la température de fonctionnement de la turbine. Une fois le stock d'hydrogène vidé, la turbine peut fonctionner en mode dégradé à 750°C uniquement avec l'énergie issue du dispositif de stockage thermique. Le stockage thermique peut être de différents types : # Chaleur sensible (sels fondus, huile, solide, métal...), # Chaleur latente (Matériaux à changement de phase). La fraction d'énergie électrique utilisée pour la production d'hydrogène peut varier en fonction des besoins en hydrogène et en électricité. Toute forme de stockage chimique peut être envisagée. Tout type de centrale solaire peut être envisagé. Le système peut mettre en oeuvre un cycle combiné de turbinage du fluide et de la vapeur.The following variants of the conversion system can be envisaged: The temperature of the thermal storage can be any, it is just below the operating temperature of the turbine. Once the hydrogen stock is emptied, the turbine can operate in degraded mode at 750 ° C only with the energy from the thermal storage device. The thermal storage can be of different types: # Sensitive heat (molten salts, oil, solid, metal ...), # Latent heat (Materials with phase change). The fraction of electrical energy used for hydrogen production may vary depending on hydrogen and electricity requirements. Any form of chemical storage can be considered. Any type of solar power plant can be considered. The system can implement a combined cycle of turbining fluid and steam.
Le principe d'associer un stockage thermique et un stockage chimique généré in-situ à partir de surplus d'énergie peut être étendu aux chaufferies thermiques biomasse et aux incinérateurs qui sont également prévus pour alimenter un réseau dont le besoin est fluctuant et/ou dont l'apport en énergie primaire fluctue. L'invention permet d'assurer un fonctionnement continu au rendement nominal de la turbine produisant l'électricité dans une centrale solaire thermodynamique dite « à tour », tout particulièrement au passage d'un nuage devant le soleil afin d'éviter une diminution forte de la production électrique et du rendement de la turbine, voire l'arrêt complet de la production électrique jusqu'à ce qu'il soit passé. Ce fonctionnement continu est réalisé par un dispositif réalisant pendant les périodes de baisse de l'éclairement (nuages,..) un stockage d'une partie de l'énergie thermique reçue et d'une partie de l'énergie électrique fabriquée par un vecteur chimique de type hydrogène ou composé d'hydrogène synthétisé par l'intermédiaire d'un électrolyseur de vapeur d'eau fonctionnant en régime allo-thermique et hybridée par la voie thermique et électrique à la centrale solaire. Ainsi, dans le système de conversion, le dispositif d'électrolyse est hybridé ou couplé à la centrale solaire thermodynamique qui lui fournit de l'énergie thermique et de l'énergie électrique. De même, dans le système de conversion, un dispositif de stockage d'énergie thermique peut être hybridé ou couplé à la centrale solaire thermodynamique afin de permettre un stockage à une température inférieure à la température de fonctionnement du cycle thermodynamique et pouvant constituer une réserve passive de sécurité ou d'appoint. Le dimensionnement des différents composants du système est optimisé pour que son fonctionnement couvre une gamme de ratios « temps de passage de nuages sur temps d'ensoleillement » compatible avec le fonctionnement nominal de la centrale solaire en intégrant les spécificités météorologiques de l'endroit où est installé le système. L'énergie chimique stockée est utilisée pendant les périodes d'ensoleillement plus faible (notamment le passage d'un nuage) en complément ou remplacement de l'utilisation de l'énergie thermique stockée qui constitue une source dont la température est limitée et inférieure à la température de fonctionnement nominal de la turbine.The principle of combining thermal storage and chemical storage generated in-situ from surplus energy can be extended to biomass thermal boilers and incinerators which are also intended to supply a network whose need is fluctuating and / or whose the primary energy supply fluctuates. The invention makes it possible to ensure continuous operation at the nominal efficiency of the turbine producing electricity in a so-called "tower" thermodynamic solar power plant, particularly when a cloud passes in front of the sun in order to avoid a sharp decrease in power generation and turbine efficiency, or even complete shutdown of electricity production until it has passed. This continuous operation is carried out by a device performing during periods of decline in illumination (clouds, ..) storage of a portion of the thermal energy received and a portion of the electrical energy manufactured by a vector Hydrogen type chemical or hydrogen compound synthesized via a steam electrolyser operating in allo-thermal regime and hybridized by the thermal and electrical way to the solar power station. Thus, in the conversion system, the electrolysis device is hybridized or coupled to the thermodynamic solar power station which supplies it with thermal energy and electrical energy. Similarly, in the conversion system, a thermal energy storage device can be hybridized or coupled to the thermodynamic solar power station to allow storage at a temperature below the operating temperature of the thermodynamic cycle and can constitute a passive reserve security or extra. The sizing of the various components of the system is optimized so that its operation covers a range of ratios "time of passage of clouds on sunshine time" compatible with the nominal operation of the solar power plant by integrating the specificities of the weather where is installed the system. Stored chemical energy is used during periods of lower sunlight (including the passage of a cloud) to supplement or replace the use of stored thermal energy which is a source whose temperature is limited and less than the nominal operating temperature of the turbine.
La notation « Nm3 » signifie un mètre cube dans les conditions normales de température et de pression.The notation "Nm3" means one cubic meter under normal conditions of temperature and pressure.
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