FR2987516A1 - Dispositif et procede permettant d'accumuler et de recuperer de l'energie - Google Patents

Abstract

Dispositif sûr, écologique et réactif de stockage de grandes quantités d'énergie récupérable, à haut rendement énergétique global, prélevant de l'énergie électrique sur un réseau lorsque de l'énergie électrique est abondante et disponible sur ce réseau, et redistribuant de l'énergie électrique au réseau lorsque l'énergie électrique vient à manquer et comprenant principalement une cavité de circulation très résistante, un lest compact et dense et pouvant évoluer selon l'axe principal de circulation de la cavité, et des moyens de prélèvement et de récupération d'énergie et des moyens de pilotage.

Description

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de stockage d'énergie électrique. Ce dispositif et ce procédé permettent de prélever et d'accumuler de l'énergie électrique d'un réseau, puis de redistribuer cette énergie au réseau 15 lorsqu'il en a besoin pour équilibrer l'offre et la demande. Cette invention a plus particulièrement comme objet la récupération, le stockage et la restitution d'énergie électrique. 20 Elle a plus particulièrement comme objet le stockage d'énergie sous forme d'énergie potentielle de gravitation et la restitution d'énergie cinétique et d'énergie potentielle de gravitation résultant de la perte d'altitude d'un lest. Elle s'applique notamment au stockage et à la fourniture de grandes 25 quantités d'énergie électrique, dans un temps relativement court. Elle convient tout à fait, également, à la fourniture d'énergie pour compenser les pics de consommation électrique. 30 Actuellement l'énergie électrique est utilisée pratiquement partout, dans tous les domaines. Les besoins énergétiques en électricité croissent régulièrement d'année en année. Les utilisateurs sont peu contraints dans leur utilisation de la ressource électrique. Il s'en suit des demandes très variables. Des pics de consommation apparaissent et sont très difficiles à couvrir par les moyens existants. De plus, les énergies renouvelables constituent une ressource aléatoire, sans couplage avec le besoin. Le stockage d'énergie est donc un enjeu primordial qui devient de plus en plus important.

Pour les états, l'indépendance énergétique est stratégique et économiquement essentielle. Pour les individus, les collectivités et les entreprises, une énergie disponible à la demande, stable et sans coupure inopinée, est également indispensable.

Même pour un producteur d'énergie électrique le stockage peut être primordial. En réalité, ce qu'on appelle couramment et économiquement, production d'énergie n'est pas, physiquement, de la production, mais de la transformation d'un stock d'énergies dites primaires, accumulées sous une forme physique stable (charbon, eau stockée en hauteur, matière fissile ...), en une énergie directement distribuable sur le réseau électrique. L'invention propose un stockage qui consiste à constituer un stock d'énergie potentielle de gravitation à partir d'énergie dont on n'a pas l'usage immédiat. Le but est de pouvoir en disposer plus tard, lorsque la demande sera plus importante. Cela est en particulier indispensable quand l'énergie immédiatement disponible est variable dans le temps, comme c'est le cas des énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolienne) ou lors des pics de consommation.

L'opération de stockage d'énergie est toujours associée à l'opération inverse, consistant à récupérer l'énergie stockée (le déstockage). Ces deux opérations de stockage/déstockage constituent un cycle de stockage. À la fin d'un cycle, le système de stockage retrouve son état initial (idéalement "chargé en énergie"). On a alors régénéré le stock. Le rendement global d'un cycle correspond au rapport entre la quantité d'énergie récupérée sur la quantité d'énergie que l'on a cherché initialement à stocker. En effet, chacune des deux opérations de stockage et de déstockage induit invariablement des pertes d'énergie. Une partie de l'énergie initiale n'est pas réellement stockée et une partie de l'énergie stockée n'est pas réellement récupérée. Le rendement d'un cycle de stockage d'énergie dépend grandement de la nature du stockage et des processus physiques mis en oeuvre pour assurer les opérations de stockage et de déstockage. Le stockage est directement lié à l'usage qu'on fait de l'énergie.

La combustion étant l'usage énergétique le plus courant, le stockage de combustible est aussi le plus développé. Tous les États disposent de stocks stratégiques de pétrole. Même en excluant ces éléments fossiles, il faut rappeler l'importance pratique du bois-énergie, dont on fait des stocks pour l'hiver, et le développement des biocarburants.

Longtemps avant la découverte des énergies fossiles, il y avait des formes de stockage d'énergie déjà disponibles : le bois à brûler, les briquettes de tourbe, les barrages hydrauliques, afin de satisfaire les besoins à tout moment de la journée et pendant l'année.

Le stockage sous forme d'énergie potentielle hydraulique (par remontée d'eau en amont des barrages, quand il y a surproduction d'électricité) est déjà utilisé pour la régulation et l'équilibrage des réseaux électriques. C'est une solution qui améliore l'équilibrage entre l'offre et la demande et la disponibilité des énergies renouvelables. Malheureusement ces solutions existantes ont un rendement global faible et un temps de réponse dépassant plusieurs dizaines de minutes. A plus faible échelle, le stockage d'énergie en vue de la production d'électricité (électrochimique dans les piles et les batteries, électrique dans les condensateurs) est bien moindre en termes de quantité d'énergie stockée, mais permet de développer des puissances importantes en un temps très court. Le stockage de la chaleur existe également. Au-delà de l'usage du cumulus, des habitations de grande inertie thermique (murs épais, bonne isolation) permettent de lisser les variations quotidiennes de température, et de diminuer les besoins de chauffage et de climatisation, permettant des économies directes.

Une autre forme de stockage thermique est l'utilisation de Matériaux à Changement de Phase, dans les bâtiments, ou pour accumuler l'énergie solaire thermique de chauffe-eau solaires individuels. Les Matériaux de Changement Phase permettent de lisser la production d'énergie fournie par le soleil (gratuite) et d'augmenter la capacité de stockage grâce à leur grande densité énergétique volumique. À l'échelle industrielle, on peut stocker la chaleur solaire dans des réservoirs, avant la production d'électricité, pour lisser l'apport solaire ; ce type d'usage est marginal en volume, mais est une voie intéressante de recherche dans le cadre d'une production électrique par une centrale solaire thermodynamique.

Le stockage mécanique est une disposition souvent nécessaire dans les moteurs, sous forme de volant d'inertie, pour régulariser le mouvement à des échelles de temps très courts, inférieures à la seconde. Il n'est pratiquement pas utilisé pour le stockage à long terme, car les quantités 30 d'énergie stockées sont trop faibles.

Il existe également des volants d'inertie tournant à grande vitesse dans une cavité où on a fait le vide. Aujourd'hui, avec l'émergence des technologies nouvelles, il existe 5 de nombreuses technologies permettant de stocker de l'énergie restituable. Malgré les avantages que ces technologies existantes peuvent offrir, elles ont toutes des inconvénients. On peut citer à titre d'exemple : - les batteries rechargeables sont relativement chères en termes de coût de possession, car elles doivent être changées régulièrement et doivent 10 être remplacées après un nombre de cycles charges/décharges limité, et elles ne sont pas neutres pour l'environnement ; - les systèmes capacitifs, qui ne peuvent pas accumuler de grandes quantités d'énergie ; - les systèmes dits « à volant d'inertie » dont la capacité reste 15 limitée et qui utilisent des composants de hautes technologies qui rendent ces systèmes relativement chers, surtout quand on rapporte le coût d'achat à la puissance fournie ; - les systèmes à air comprimé qui n'ont pas un rendement suffisant ; 20 - les systèmes hydrauliques composés de pompes et turbines, avec des réservoirs de stockage, qui ont également un rendement très faible. Dès que l'on parle du développement généralisé des énergies renouvelables on est confronté aux critiques concernant l'intermittence du soleil et du vent. En effet, il est difficile de nier qu'un soir d'hiver sans vent, 25 au moment du pic de consommation, les sources d'énergie solaire et éolienne peuvent être nulles. Un but principal de l'invention est de présenter un dispositif de stockage d'énergie récupérable à haut rendement énergétique global, 30 permettant de prélever de l'énergie électrique sur un réseau de distribution lorsque l'énergie électrique est abondante et disponible sur ce réseau, redistribuant de l'énergie électrique au réseau lorsque ce dit réseau en a besoin, ledit réseau comprenant, au moins un générateur d'énergie électrique, au moins un consommateur d'énergie électrique, au moins une ligne électrique, ledit dispositif de stockage comprenant : - une cavité de circulation définissant un domaine de mobilité d'un lest, ayant une hauteur d'au moins 20 mètres, une dimension caractéristique de passage d'au moins 1 mètre, une surface limitant le milieu interne, une partie inférieure formant un fond, une partie supérieure accessible, ouverte sur une plateforme, et ayant un axe principal de circulation ; ladite cavité pouvant contenir au moins un lest et pouvant supporter sans risque un choc de grande énergie correspondant à l'énergie maximale de chute dudit lest dans ladite cavité, cette dite cavité pouvant être remplie d'un fluide, ledit lest étant compact et dense, ayant une densité au moins égale à 1 et au moins une masse de 10 000 kilogrammes, ce dit lest, ayant une forme adaptée de telle sorte que ledit fluide contenu dans ladite cavité, puisse circuler librement sans gêner les mouvements dudit lest dans ladite cavité, ce dit lest pouvant se mouvoir le long de l'axe de circulation de ladite cavité ; - au moins un premier moyen permettant de maintenir le lest à l'intérieur de la cavité ou sur la plateforme de ladite cavité pendant un temps donné, en position d'équilibre à une altitude donnée sans perte d'énergie potentielle, ledit premier moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre ; - au moins un deuxième moyen permettant d'augmenter l'altitude du lest dans l'axe principal de circulation lorsque l'énergie électrique du réseau est abondante et disponible en transformant ladite énergie électrique du réseau en énergie potentielle de gravitation, ledit deuxième moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre ; - au moins un troisième moyen permettant de diminuer l'altitude du lest dans l'axe principal de circulation de la cavité, lorsque le réseau demande 30 de l'énergie électrique, en transformant l'énergie potentielle de gravitation et éventuellement l'énergie cinétique du lest en une énergie électrique, ladite énergie potentielle de gravitation et éventuellement l'énergie cinétique transformées étant fournies au réseau et ledit troisième moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre, - au moins un quatrième moyen permettant de mesurer l'altitude du 5 lest au moins lorsque ledit lest est proche du fond de la cavité, - au moins un cinquième moyen de commande en temps réel ou différé, permettant de piloter, les premier, deuxième et troisième moyens précédemment cités, en fonction de l'abondance et de la disponibilité de l'énergie électrique du réseau, de l'énergie électrique demandée par ce réseau 10 et de l'altitude du lest. L'invention proposée permet de résoudre simultanément les différents problèmes précédemment défmis tels que : - l'utilisation des ressources énergétiques lorsque ces énergies sont 15 peu coûteuses et disponibles ; - le stockage d'une grande quantité d'énergie pendant un temps long sans perte d'énergie ; - la restitution de l'énergie accumulée avec un bon rendement global, dans un temps dont la durée est adaptable, et en une ou plusieurs fois ; 20 - un grand nombre de restitutions possibles (cycles) couvrant les besoins pour une longue période de temps ; - une puissance instantanée restituable importante ; - un coût d'installation faible, - un coût de possession minimal pendant une longue période de 25 temps (prix minimal de possession vis-à-vis de l'énergie restituable et prix minimal vis-à-vis de la puissance maximale restituable), - et un impact environnemental minimal même au démantèlement de l'installation.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence aux dessins schématiques annexés représentant, à titre d'exemple non limitatif, quelques modes de réalisation de ce dispositif selon l'invention.

La figure 1 est une coupe latérale A-A de la partie haute d'un premier mode de réalisation du dispositif en puits ou en tour objet de la présente invention; La figure 2 est une coupe longitudinale d'un premier mode préféré de réalisation du dispositif en puits ou en tour, objet de la présente invention; La figure 3 est une coupe longitudinale d'une séquence de descente ; La figure 4 est une coupe longitudinale d'un deuxième mode préféré de réalisation du dispositif en puits ou en tour, objet de la présente invention ; La figure 5 est une coupe longitudinale du troisième mode préféré de réalisation du dispositif sur rampe, objet de la présente invention ; La figure 6 est une coupe longitudinale du quatrième mode préféré de réalisation du dispositif en fosse, objet de la présente invention ; La figure 7 est une coupe longitudinale d'un cinquième mode préféré de réalisation du dispositif multi-lests, en puits ou en tour, objet de la présente invention. La figure 1 montre une coupe latérale A-A de la partie haute du dispositif en puits ou en tour d'un premier mode préféré de réalisation.

La figure 2 est une coupe longitudinale du premier mode préféré de réalisation du dispositif en puits ou en tour, objet de la présente invention. Dans cet exemple non limitatif de réalisation une cavité de circulation définissant un domaine de mobilité du lest, ayant une hauteur d'au moins 20 mètres, une dimension caractéristique de passage d'au moins 1 mètre, une surface S1 limitant le milieu interne d'au moins 60 mètres carrés, une partie inférieure P1 formant un fond, une partie supérieure P2 accessible, ouverte sur une plateforme P2, et ayant un axe principal de circulation YY'; ladite cavité pouvant contenir au moins un lest M et pouvant supporter sans risque un choc de grande énergie correspondant à l'énergie maximale de chute dudit lest dans ladite cavité, cette dite cavité pouvant être remplie d'un fluide, ledit lest étant compact et dense, ayant une densité égale au moins à 1 et au moins une masse de 10 000 kilogrammes, ce dit lest, ayant une forme adaptée de telle sorte que ledit fluide contenu dans ladite cavité, puisse circuler librement sans gêner les mouvements dudit lest M dans ladite cavité, ce dit lest pouvant se mouvoir le long de l'axe YY' de circulation de ladite cavité. Dans cet exemple de réalisation préféré suivant l'invention, la cavité est ici un puits pouvant supporter sans risque, un choc de grande énergie correspondant à l'énergie maximale de chute du lest M dans le puits. Ici l'axe du puits YY' est vertical et il peut contenir un fluide comme de l'air ou de l'eau. Ici le fluide (air ou l'eau) est réparti de manière homogène dans le puits de manière à occuper, en partie ou en totalité, son volume. Le lest M est compact et dense, il a une densité égale au moins à 1 et au moins une masse de 10 000 kg. Ce lest a une forme adaptée de telle sorte que le fluide contenu dans le puits puisse circuler librement sans engendrer des forces résistantes significatives lors des mouvements du lest M dans le puits. Un premier moyen permet de maintenir le lest M à. l'intérieur du puits ou sur la plateforme P2 du puits pendant un temps aussi long que l'on veut, en position d'équilibre stable à une altitude donnée, sans perte d'énergie potentielle et sans consommation d'énergie. Ce premier moyen est parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre. Ce moyen comprend un câble C permettant de relier le lest M à un tambour T. Le câble C s'enroule sur le tambour T. Le tambour T à un axe de rotation )0(' fixe par rapport à la cavité. Dans ce cas le tambour est maintenu fixe par un moyen de blocage empêchant le lest de se déplacer. Il est possible également de déposer le lest à même le sol pour maintenir le lest au repos sans consommation d'énergie.

Un deuxième moyen permet d'augmenter l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation Y'Y, lorsque l'énergie électrique du réseau est abondante et disponible, en transformant l'énergie électrique du réseau en énergie potentielle de gravitation. Ce deuxième moyen est aussi parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre. Ce moyen comprend au moins un moteur électrique permettant de transformer l'énergie électrique prélevée au réseau en énergie potentielle de gravitation en entraînant le tambour T. Un troisième moyen permet de diminuer l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation YY' lorsque le réseau demande de l'énergie électrique, en transformant l'énergie potentielle de gravitation du lest M et éventuellement son énergie cinétique en une énergie électrique. L'énergie potentielle de gravitation du lest M, et éventuellement l'énergie cinétique ainsi transformées sont fournies au réseau. Ce troisième moyen est également parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre. Ici on a placé une génératrice connectée mécaniquement au tambour par l'intermédiaire d'un train d'engrenages pour adapter la vitesse de rotation du tambour à la vitesse de rotation de la génératrice. Cette génératrice assure la régulation de la vitesse du lest d'une part et fournit au réseau la puissance électrique dont il a besoin, d'autre part. Un quatrième moyen permet de mesurer l'altitude du lest M au moins lorsque ce lest M est proche du fond de la cavité Pl. Ce moyen est très utile, car il permet d'éviter que le lest M n'atteigne le fond avec une vitesse trop élevée. Il permet aussi d'éviter les accidents ou les incidents dus à de mauvaises conditions de fond du puits. La connaissance de l'altitude du lest permet également de connaître la masse totale soumise à l'accélération de la pesanteur. En effet la masse du câble n'est pas toujours négligeable par rapport à la masse du lest M, surtout lorsque le lest se trouve dans une position proche du fond. La masse totale (masse M + masse verticale de câble) 30 augmente donc au fur et à mesure de la descente du lest dans la cavité.

Le cinquième moyen est un moyen de pilotage qui permet de commander en temps réel ou différé, les différents premier, deuxième, et troisième moyens précédemment cités, en fonction de l'abondance et de la disponibilité de l'énergie électrique du réseau, de l'énergie électrique demandée par le réseau et de l'altitude du lest M. Ce moyen comprend un calculateur qui a des capacités de traduire les consignes permettant de définir - l'instant initial TO pour lequel le lest sera libéré, - le temps TCL d'accélération du lest M, - la puissance redistribuée au réseau à l'instant Ti à la fin de l'accélération, - le temps TVC pendant lequel la vitesse de descente sera pilotée pour avoir une vitesse adaptée à la puissance demandée par le réseau, - un temps TF pendant lequel la vitesse de descente sera pilotée pour revenir à une vitesse nulle.

On démontre que le temps requis d'accélération est sensiblement égal, en secondes, au rapport de la puissance requise en Watt divisé par 80 fois la masse du lest M exprimée en kilogrammes. Cette relation doit être pondérée par l'influence de la hauteur du puits, par l'influence des frottements et par l'inertie des poulies.

Par exemple pour un puits de 1000 mètres de hauteur comprenant un lest d'une masse de 106 kilogrammes et pour fournir une puissance mécanique à la génératrice de 100 mégawatts, il faut que le temps d'accélération TCL soit environ égal à 1,2 seconde.

La figure 3 montre les différents mouvements et étapes de descente du lest M. Ces mouvements sont pilotés par le cinquième moyen. A l'instant initial TO, le lest M est au repos et il est maintenu par le premier moyen. Lorsque le réseau demande de l'énergie électrique, le lest M est lâché sans vitesse initiale à l'instant initial TO. Pendant un temps d'accélération TCL = Tl - TO, le lest parcours une distance donnée. Ce temps d'accélération TCL permet d'obtenir la puissance nécessaire redistribuée au réseau à l'instant T 1. A cet instant T 1, le lest a acquis une vitesse V. Entre T1 et T2, durant la période temps TVC = T2 - Tl, le mouvement du lest est régulé à une vitesse adaptée à la puissance électrique demandée par le réseau (par exemple, si la vitesse V est constante, la puissance électrique fournie au réseau est constante). Entre T2 et T3, le mouvement du lest est piloté pendant un laps temps égal à TF de sorte que la vitesse à l'instant T3 redevienne nulle. Ainsi, pendant la phase de descente du lest M, correspondant à la demande de l'énergie électrique par le réseau, le mouvement du lest M est régi par trois types de mouvement : - entre TO et Tl, par un mouvement d'accélération, - entre Ti et T2 par un mouvement adapté au besoin de puissance électrique du réseau, - et entre T2 et T3 par un mouvement de décélération.

Il est avantageux que le premier mode préféré de réalisation du dispositif de stockage décrit par la figure 1 et 2, comprenne entre le lest M et le tambour T une poulie ou un train de poulies formant un palan, afin de diriger et/ou de réduire l'effort de traction présent dans le câble.

Lorsque l'énergie électrique du réseau est abondante, le lest M est remonté par le deuxième moyen jusqu'à rejoindre la position haute de départ. Le dispositif peut comprendre en outre un accumulateur d'énergie à restitution rapide. Cet accumulateur est placé entre le générateur et le réseau et permet de fournir une énergie au réseau pendant le temps de latence TCL. Ce temps de latence est le temps nécessaire pour que le lest M arrive à la vitesse désirée V. Ce mode de réalisation préféré selon l'invention, présenté en 30 figures 1, 2 et 3 permet de prélever de l'énergie électrique sur le réseau lorsque cette énergie est abondante et disponible, puis de redistribuer cette énergie électrique lorsque le réseau en a besoin. Dans ce premier exemple non limitatif de réalisation, on voit bien qu'il est possible de réaliser un dispositif économique, très réactif, avec un bon rendement de restitution et sans perte d'énergie pendant le stockage, pouvant accumuler une grande quantité d'énergie, capable d'assurer un bon fonctionnement pendant un grand nombre de cycles, parfaitement écologique et sans émission de gaz à effet de serre. La figure 4 montre une coupe longitudinale d'un deuxième mode préféré de réalisation du dispositif objet de la présente invention. Ce dispositif est, dans l'ensemble, pratiquement le même que celui décrit dans la figure 2. La différence avec le dispositif de la figure 2 est que ce dispositif consiste à remplacer l'ensemble câble plus poulie(s) par au moins une crémaillère fixe qui peut être fixée sur la paroi interne de la cavité de circulation (2). La crémaillère est adaptée pour entraîner en rotation autour d'un axe fixe par rapport au lest M, une roue dentée. La roue dentée est reliée à un moteur et/ou un générateur qui est placé et fixé sur le lest M. Ce dispositif comprend en outre au moins un ensemble mécanique qui permet d'éviter tout dévers ou renversement du lest M. Dans cette deuxième forme de réalisation, tous les moyens définis 20 précédemment, du premier au cinquième moyen, restent inchangés. Une variante du deuxième mode préféré de réalisation comprend deux crémaillères fixées sur les parois internes de la cavité de circulation (2). Les crémaillères utilisées sont adaptées pour entraîner en rotation autour d'un 25 axe fixe par rapport au lest M, chacune une roue dentée. Cette roue dentée est reliée à un moteur et/ou un générateur qui est placé et fixé sur le lest M. Ce dispositif comprend en outre au moins un moyen électronique ou mécanique permettant de synchroniser le mouvement des roues dentées afin d'éviter tout dévers ou renversement du lest M. 30 Ce mode préféré de réalisation permet de prélever de l'énergie électrique sur un réseau (1) lorsque l'énergie électrique est abondante et disponible sur ce réseau (1), puis de redistribuer cette énergie électrique lorsque le réseau en a besoin. La figure 5 est une coupe longitudinale du troisième mode préféré 5 de réalisation du dispositif objet de la présente invention. Cette réalisation diffère de la première mode de réalisation par le fait que la cavité a un axe faisant un angle ALFA avec l'axe vertical ZZ' et la cavité n'est pas un puits (ou une tour) mais une cuvette naturelle ou artificielle. L'angle ALFA est compris entre 0 et 85°. De préférence, mais de façon non-limitative, il est 10 compris entre 60 et 80 °. Une autre différence est que le lest M dans cette réalisation, repose sur un dispositif à faible frottement comme des roues, par exemple. Ce lest peut ainsi circuler sur une surface inclinée comme définie selon la figure 5. Dans cette réalisation, le retour des lests, à la position initiale, peut se faire par un autre chemin que celui de la descente. Cette 15 possibilité permet principalement d'améliorer notablement la continuité de la restitution de l'énergie. La figure 6 est une coupe longitudinale de la quatrième forme de réalisation du dispositif objet de la présente invention. Cette réalisation diffère 20 des autres formes de réalisations précédentes par le fait que la cavité est une très grande cuvette naturelle ou artificielle remplie d'un liquide, par exemple de l'eau. C'est le cas par exemple d'une fosse marine ou océanique ou d'un lac profond. Le système de pilotage et tous les autres moyens associés au dispositif se trouvent sur une plateforme flottante, ancrée sur un haut fond 25 voisin ou stabilisée par un moyen dynamique, et le lest M peut effectuer son mouvement comme défmi dans le premier mode préféré de réalisation ou selon l'angle ALFA comme défmi dans le troisième mode préféré de réalisation. 30 La figure 7 est une coupe longitudinale d'un cinquième mode préféré de réalisation du dispositif objet de la présente invention. Le dispositif selon ce mode de réalisation diffère des autres modes de réalisation par le fait que ce dispositif comprend plusieurs lests Ml, M2, M3, ... de masses égales ou différentes. Ces lests sont stockés au sommet de la cavité de circulation (2).Ces lests sont mis en action l'un après l'autre dans la même cavité de circulation en fonction des besoins électriques du réseau (1), ce qui permet ainsi d'augmenter l'énergie totale redistribuable au réseau. Les lests Ml, M2, M3, ... peuvent être mis en action simultanément sans collision pour augmenter la puissance redistribuable au réseau.

Selon une variante de ce mode préféré de réalisation du dispositif objet de la présente invention présenté en figure 7, le dispositif comprend en outre au moins une autre cavité de circulation (2) comme le montre cette figure 7. Les cavités comprennent chacune des moyens de pilotage et au moins un ou plusieurs lests. Les moyens de pilotage de toutes les cavités sont coordonnés pour assurer la continuité de la fourniture d'énergie au réseau et/ou une énergie plus grande et /ou une puissance instantanée plus grande fournie au réseau. L'invention concerne également un procédé de stockage d'énergie récupérable à haut rendement énergétique global, permettant de prélever de l'énergie électrique sur un réseau (1) lorsqu'elle est abondante et disponible sur ce réseau (1), redistribuant de l'énergie électrique au réseau (1) lorsque celui-ci en a besoin, ce dit procédé permettant de faire fonctionner le dispositif précédemment décrit. Dans ce procédé, le cinquième moyen permet le pilotage d'un cycle d'accumulation et de restitution d'énergie électrique, selon les étapes suivantes : - étape a) : dès que l'électricité est abondante et disponible sur le réseau, le deuxième moyen augmente l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation ou suivant un autre chemin en transformant l'énergie électrique du réseau en énergie potentielle de gravitation. Si l'énergie disponible le permet, le lest M est remonté jusqu'à son altitude maximale sur la plateforme P2 par exemple. Le lest M a donc acquis une énergie potentielle qu'il peut restituer en tout ou partie - étape b) : le lest M est maintenu par le premier moyen par exemple sur la plateforme P2 de la cavité en position d'équilibre, à une 5 altitude donnée, sans perte d'énergie, - étape c) : à l'instant TO, dès que le réseau a besoin d'énergie, ou légèrement avant, le premier moyen libère le lest M sans vitesse initiale - étape d) : le lest est alors accéléré sous l'effet de son poids pendant un temps d'accélération égal à TCL jusqu'à une vitesse V qui est 10 atteinte à l'instant T1, - étape e) : à partir de cet instant Tl le troisième moyen permet de fournir au réseau la puissance électrique demandée et ceci jusqu'à l'instant T2. Entre les instants Tl et T2 la vitesse du lest est adaptée pour fournir la puissance demandée par le réseau, par exemple si la demande de puissance est 15 constante alors la vitesse de descente sera constante. Le temps écoulé entre T2 et Tl est égal à TVC, - étape f) : entre T2 et T3, le mouvement du lest est piloté pendant un laps temps égal à TF de sorte que la vitesse à l'instant T3 redevienne nulle. 20 - étape g) : lorsque plusieurs cycles de productions d'électricité au réseau ont été réalisés et dès que l'électricité est abondante et disponible sur le réseau on revient à l'étape a). L'invention permet de résoudre les problèmes énoncés précédemment en 25 proposant un dispositif de stockage d'énergie récupérable à haut rendement énergétique global. A cet effet, l'invention propose un dispositif permettant de prélever de l'énergie électrique sur un réseau de distribution lorsque l'énergie électrique est abondante et disponible sur ce réseau, redistribuant de l'énergie électrique 30 au réseau lorsque ce dit réseau en a besoin, ledit réseau comprenant, au moins un générateur d'énergie électrique G, au moins un consommateur d'énergie 2 9 8 7 5 1 6 17 électrique CE, au moins une ligne électrique LE, ledit dispositif de stockage comprenant : - une cavité de circulation (2) définissant un domaine de mobilité d'un lest M, cette cavité ayant une hauteur d'au moins 20 mètres, une dimension caractéristique de passage d'au moins 1 mètre, une surface Si limitant le milieu interne, une partie inférieure P 1 formant un fond, une partie supérieure P2 accessible ouverte sur une plateforme, et ayant un axe principal de circulation YY', ladite cavité pouvant contenir au moins un lest M et pouvant supporter sans risque un choc de grande énergie correspondant à l'énergie maximale de chute dudit lest dans ladite cavité, cette dite cavité pouvant être remplie d'un fluide, ledit lest étant compact et dense, ayant une densité au moins égale à 1 et au moins une masse de 10 000 kilogrammes, ce dit lest, ayant une forme adaptée de telle sorte que ledit fluide contenu dans ladite cavité, puisse circuler librement sans gêner les mouvements dudit lest dans ladite cavité, ce dit lest pouvant se mouvoir le long de l'axe de circulation de ladite cavité, - au moins un premier moyen permettant de maintenir le lest à l'intérieur de la cavité ou sur la plateforme de ladite cavité pendant un temps donné, en position d'équilibre à une altitude donnée sans perte d'énergie potentielle, ledit premier moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre ; - au moins un deuxième moyen permettant d'augmenter l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation lorsque l'énergie électrique du réseau est abondante et disponible en transformant ladite énergie électrique du réseau en énergie potentielle de gravitation, ledit deuxième moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre ; - au moins un troisième moyen permettant de diminuer l'altitude du lest dans l'axe principal de circulation de la cavité, lorsque le réseau demande de l'énergie électrique, en transformant l'énergie potentielle de gravitation et éventuellement l'énergie cinétique du lest en une énergie électrique, ladite énergie potentielle de gravitation et éventuellement l'énergie cinétique transformées étant fournies au réseau et ledit troisième moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre, - au moins un quatrième moyen permettant de mesurer l'altitude du lest au moins lorsque ledit lest est proche du fond de la cavité, - au moins un cinquième moyen de commande en temps réel ou différé, permettant de piloter, les premier, deuxième et troisième moyens précédemment cités, en fonction de l'abondance et de la disponibilité de l'énergie électrique du réseau, de l'énergie électrique demandée par ce réseau et de l'altitude du lest.

Il est avantageux : - qu'au moins un câble C permette de relier le lest M à au moins un tambour T, ledit câble C s'enroulant sur ledit tambour T, ledit tambour ayant 15 un axe de rotation XX' fixe par rapport à la cavité, - que le premier moyen comprenne un système de blocage et de déblocage du tambour T, - que le deuxième moyen comprenne au moins un moteur électrique ME permettant de transformer l'énergie électrique prélevée au réseau 20 électrique (1) en énergie potentielle de gravitation en entraînant le tambour T, - que le troisième moyen comprenne au moins une génératrice électrique GE permettant de générer de l'énergie électrique au réseau par rotation dudit tambour T, - que le quatrième moyen comprenne un système de mesure en 25 temps réel de l'angle de rotation du tambour T, permettant de déduire l'altitude du lest M, - que le cinquième moyen comprenne au moins un calculateur ayant la capacité de traduire les consignes permettant de définir - l'instant initial TO pour lequel le premier moyen sera 30 actionné et pour lequel le lest M sera libéré, - le temps TCL d'accélération du lest M, - la puissance redistribuée au réseau à partir de l'instant Ti à la fin de l'accélération, - le temps TVC pendant lequel la vitesse de descente sera pilotée par le troisième moyen pour avoir une vitesse adaptée à la puissance 5 demandée par le réseau, - un temps TF pendant lequel ladite vitesse sera pilotée pour revenir à une vitesse nulle. Il est également avantageux que le premier moyen, comprenne en outre au 10 moins une poulie permettant de relier le lest M à au moins un tambour T afin de diriger et/ou réduire l'effort de traction présent dans le câble. Il est également avantageux que le dispositif comprenne au moins une crémaillère fixe par rapport à la paroi interne de la cavité de protection (2), 15 ladite crémaillère étant adaptée pour entraîner en rotation autour d'un axe fixe par rapport au lest M, une roue dentée, ladite roue dentée étant reliée à un moteur et/ou un générateur, ce dit moteur et/ou générateur étant placé et fixé sur le lest M, ledit dispositif comprenant en outre au moins un ensemble mécanique permettant d'assurer le mouvement du lest M en évitant tout dévers 20 ou renversement de ce dit lest M. Il est également avantageux que le dispositif comprenne au moins deux crémaillères fixes par rapport à la paroi interne de la cavité de protection (2), lesdites crémaillères étant adaptées chacune pour entraîner en rotation autour 25 d'un axe fixe par rapport au lest M, chacune une roue dentée, chaque roue dentée étant reliée à un moteur et/ou un générateur placé et fixé sur le lest M, ledit dispositif comprenant en outre au moins un moyen électronique permettant d'assurer le fonctionnement du moteur et/ou générateur de façon synchrone afin d'éviter tout dévers ou renversement du lest M. 30 Il est également avantageux que le dispositif comprenne plusieurs lests de masse égale ou différente, stockés au sommet de la cavité de circulation (2), lesdits lests étant mis en action les uns après les autres dans la même cavité de circulation, en fonction des besoins électriques du réseau (1), permettant ainsi d'augmenter l'énergie totale redistribuable et/ou la puissance instantanée au réseau. Il est également avantageux que le dispositif comprenne plusieurs cavités de circulation (2), lesdites cavités comprenant chacune, des moyens de pilotage et au moins un ou plusieurs lests, lesdits moyens de pilotage étant coordonnés pour fournir un temps de réponse plus court et/ou une énergie plus grande et /ou une puissance instantanée plus grande au réseau. Il est également avantageux que le fluide contenu dans la cavité comprenne une grande quantité d'eau douce ou salée de grande profondeur ou de l'air occupant tout le volume de ladite cavité, ledit lest M étant plongé dans ledit fluide, ledit lest M ayant une forme hydrodynamique ou aérodynamique de telle sorte que les frottements hydrodynamiques ou aérodynamiques appliqués sur le lest M soient négligeables.

Il est également avantageux que la cavité soit un puits d'une mine qui n'est plus exploitée. Il est également avantageux que le dispositif comprenne en outre un accumulateur d'énergie à restitution très rapide, ledit accumulateur étant placé entre le générateur et le réseau et permettant de fournir une énergie au réseau pendant le temps de latence TCL, ce dit temps de latence étant le temps nécessaire pour que le lest M arrive à la vitesse désirée V, L'invention permet de résoudre les problèmes énoncés précédemment en proposant un procédé de fonctionnement du dispositif de stockage d'énergie récupérable à haut rendement énergétique global permettant de prélever de l'énergie électrique sur un réseau (1) lorsqu'elle est abondante et disponible sur ce réseau (1), redistribuant de l'énergie électrique au réseau (1) lorsque celui-ci en a besoin, ce dit procédé permettant de faire fonctionner le dispositif précédemment décrit, caractérisé en ce que le cinquième moyen permet le pilotage d'un cycle d'accumulation et de restitution d'énergie électrique, selon les étapes suivantes : - étape a) dès que l'énergie électrique est abondante et disponible sur le réseau, le deuxième moyen augmente l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation ou suivant un autre chemin en transformant l'énergie électrique du réseau en énergie potentielle de gravitation, si ladite énergie électrique abondante et disponible le permet, le lest M est remonté jusqu'à son altitude maximale, sur la plateforme P2 par exemple, ledit lest M ayant donc acquis une énergie potentielle de gravitation, cette dite énergie pouvant être restituée en tout ou partie ultérieurement, - étape b) le lest M est maintenu par le premier moyen, par exemple sur la plateforme P2 de la cavité, en position d'équilibre, à une altitude donnée, sans perte d'énergie, - étape c) à l'instant TO, dès que le réseau a besoin d'énergie, ou 20 légèrement avant, le premier moyen libère le lest M sans vitesse initiale, - étape d) le lest est alors accéléré sous l'effet de son poids pendant un temps d'accélération égal à TCL jusqu'à une vitesse V qui est atteinte à l'instant Ti, - étape e) à partir de cet instant T1 le troisième moyen permet de 25 fournir au réseau la puissance électrique demandée et ceci jusqu'à l'instant T2, la vitesse dudit lest est adaptée pour fournir la puissance demandée par le réseau, par exemple si la demande de puissance est constante alors la vitesse de descente sera constante, le temps écoulé entre T2 et Ti étant égal à TVC, - étape f) entre T2 et T3, le mouvement du lest est piloté pendant 30 un laps temps égal à TF de sorte que la vitesse à l'instant T3 redevienne nulle. - étape g) lorsque plusieurs cycles de productions d'électricité au réseau ont été réalisés et dès que l'électricité est abondante et disponible sur le réseau on revient à l'étape a).

Cette invention présente un dispositif de stockage d'énergie utilisant des techniques et des moyens simples. On voit donc qu'il est possible de réaliser de façon industrielle un dispositif et de définir un procédé permettant d'emmagasiner une grande quantité d'énergie quand celle-ci est abondante et bon marché sur un réseau et de la redistribuer avec une grande réactivité et une grande puissance au réseau quand celui-ci en a besoin, et ceci à coût faible et de façon écologique. Contrairement aux préjugés qui consistaient à croire qu'il est 15 impossible d'emmagasiner à coût faible de grande quantité d'énergie restituable avec une grande réactivité à un réseau, le dispositif et procédé objet de l'invention permet donc de proposer une solution technique au problème technique énoncé précédemment. 20 L'homme de l'art pourra appliquer l'invention à de nombreux autres systèmes similaires sans sortir du cadre de l'invention défini dans les revendications jointes. Par exemple il est possible de remplacer le câble C par une chaîne, ou de combiner le moteur et la génératrice dans un motogénérateur comprenant un système de commutation électronique permettant d'utiliser les 25 bobinages soit en mode moteur soit en mode générateur.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage d'énergie récupérable à haut REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage d'énergie récupérable à haut rendement énergétique 5 global, permettant de prélever de l'énergie électrique sur un réseau de distribution lorsque l'énergie électrique est abondante et disponible sur ce réseau, redistribuant de l'énergie électrique au réseau lorsque ce dit réseau en a besoin, ledit réseau comprenant, au moins un générateur d'énergie électrique G, au moins un consommateur d'énergie électrique CE, au moins une ligne 10 électrique LE, ledit dispositif de stockage comprenant : - une cavité de circulation (2) définissant un domaine de mobilité d'un lest M, cette cavité ayant une hauteur d'au moins 20 mètres, une dimension caractéristique de passage d'au moins 1 mètre, une surface Si limitant le milieu interne, une partie inférieure P1 formant un fond, une partie 15 supérieure P2 accessible ouverte sur une plateforme, et ayant un axe principal de circulation YY', ladite cavité pouvant contenir au moins un lest M et pouvant supporter sans risque un choc de grande énergie correspondant à l'énergie maximale de chute dudit lest dans ladite cavité, cette dite cavité pouvant être remplie d'un fluide, ledit lest étant compact et dense, ayant une 20 densité au moins égale à 1 et au moins une masse de 10 000 kilogrammes, ce dit lest, ayant une forme adaptée de telle sorte que ledit fluide contenu dans ladite cavité, puisse circuler librement sans gêner les mouvements dudit lest dans ladite cavité, ce dit lest pouvant se mouvoir le long de l'axe de circulation de ladite cavité, 25 - au moins un premier moyen permettant de maintenir le lest à l'intérieur de la cavité ou sur la plateforme de ladite cavité pendant un temps donné, en position d'équilibre à une altitude donnée sans perte d'énergie potentielle, ledit premier moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre ; 30 - au moins un deuxième moyen permettant d'augmenter l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation lorsque l'énergie électrique du réseau est abondante et disponible en transformant ladite énergie électrique du réseau en énergie potentielle de gravitation, ledit deuxième moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre ; - au moins un troisième moyen permettant de diminuer l'altitude du lest dans l'axe principal de circulation de la cavité, lorsque le réseau demande de l'énergie électrique, en transformant l'énergie potentielle de gravitation et éventuellement l'énergie cinétique du lest en une énergie électrique, ladite énergie potentielle de gravitation et éventuellement l'énergie cinétique transformées étant fournies au réseau et ledit troisième moyen étant parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre, - au moins un quatrième moyen permettant de mesurer l'altitude du lest au moins lorsque ledit lest est proche du fond de la cavité, - au moins un cinquième moyen de commande en temps réel ou différé, permettant de piloter, les premier, deuxième et troisième moyens précédemment cités, en fonction de l'abondance et de la disponibilité de l'énergie électrique du réseau, de l'énergie électrique demandée par ce réseau et de l'altitude du lest.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend - au moins un câble C permettant de relier le lest M à au moins un tambour T, ledit câble C s'enroulant sur ledit tambour T, ledit tambour ayant un axe de rotation XX' fixe par rapport à la cavité, - le premier moyen comprenant un système de blocage et de déblocage du tambour T, - le deuxième moyen comprenant au moins un moteur électrique ME permettant de transformer l'énergie électrique prélevée au réseau électrique (1) en énergie potentielle de gravitation en entraînant le tambour T, - le troisième moyen, comprenant au moins une génératrice électrique GE permettant de générer de l'énergie électrique au réseau par 30 rotation dudit tambour T, - le quatrième moyen, comprenant un système de mesure en temps réel de l'angle de rotation du tambour T, permettant de déduire l'altitude du lest M, - le cinquième moyen, comprenant au moins un calculateur ayant la 5 capacité de traduire les consignes permettant de définir - l'instant initial TO pour lequel le premier moyen sera actionné et pour lequel le lest M sera libéré, - le temps TCL d'accélération du lest M, - la puissance redistribuée au réseau à partir de l'instant T1 à 10 la fin de l'accélération, - le temps TVC pendant lequel la vitesse de descente sera pilotée par le troisième moyen pour avoir une vitesse adaptée à la puissance demandée par le réseau, - un temps TF pendant lequel ladite vitesse sera pilotée pour 15 revenir à une vitesse nulle.
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que, le premier moyen, comprenant en outre au moins une poulie permettant de relier le lest M à au moins un tambour T afm de diriger et/ou 20 réduire l'effort de traction présent dans le câble.
4. 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit dispositif, comprenant au moins une crémaillère fixe par rapport à la paroi interne de la cavité de protection (2), ladite crémaillère étant adaptée pour entraîner en 25 rotation autour d'un axe fixe par rapport au lest M, une roue dentée, ladite roue dentée étant reliée à un moteur et/ou un générateur, ce dit moteur et/ou générateur étant placé et fixé sur le lest M, ledit dispositif comprenant en outre au moins un ensemble mécanique permettant d'assurer le mouvement du lest M en évitant tout dévers ou renversement de ce dit lest M.
5. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit dispositif, comprenant au moins deux crémaillères fixes par rapport à la paroi interne de la cavité de protection (2), lesdites crémaillères étant adaptées chacune pour entraîner en rotation autour d'un axe fixe par rapport au lest M, chacune une 5 roue dentée, chaque roue dentée étant reliée à un moteur et/ou un générateur placé et fixé sur le lest M, ledit dispositif comprenant en outre au moins un moyen électronique permettant d'assurer le fonctionnement du moteur et/ou générateur de façon synchrone afin d'éviter tout dévers ou renversement du lest M. 10
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif, comprenant plusieurs lests de masses égales ou différentes, stockés au sommet de la cavité de circulation (2), lesdits lests étant mis en action les uns après les autres dans la même cavité de 15 circulation, en fonction des besoins électriques du réseau (1), permettant ainsi d'augmenter l'énergie totale redistribuable et/ou la puissance instantanée fournie au réseau.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que, ledit dispositif, comprenant plusieurs cavités de circulation (2), lesdites cavités comprenant chacune, des moyens de pilotage et au moins un ou plusieurs lests, lesdits moyens de pilotage étant coordonnés pour fournir un temps de réponse plus court et/ou une énergie plus grande et /ou une puissance instantanée plus grande au réseau. 25
8. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le fluide contenu dans la cavité comprenant une grande quantité d'eau douce ou salée de grande profondeur ou de l'air occupant tout le volume de ladite cavité, ledit lest M étant plongé dans ledit fluide, ledit lest M ayant une forme hydrodynamique ou aérodynamique de telle sorte que lesfrottements hydrodynamiques ou aérodynamiques appliqués sur le lest M soient négligeables.
9. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, la cavité est un puits d'une mine qui n'est plus exploitée.
10. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, ledit dispositif comprenant en outre un accumulateur d'énergie à restitution très rapide, ledit accumulateur étant placé entre le générateur et le réseau et permettant de fournir une énergie au réseau pendant le temps de latence TCL, ce dit temps de latence étant le temps nécessaire pour que le lest M arrive à la vitesse désirée V,
11. 11) Procédé de stockage d'énergie récupérable à haut rendement énergétique global, permettant de prélever de l'énergie électrique sur un réseau (1) lorsqu'elle est abondante et disponible sur ce réseau (1), redistribuant de l'énergie électrique au réseau (1) lorsque celui-ci en a besoin, ce dit procédé permettant de faire fonctionner le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cinquième moyen permet le pilotage d'un cycle d'accumulation et de restitution d'énergie électrique, selon les étapes suivantes : - étape a) dès que l'énergie électrique est abondante et disponible sur le réseau, le deuxième moyen augmente l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation ou suivant un autre chemin en transformant l'énergie électrique du réseau en énergie potentielle de gravitation, si ladite énergie électrique abondante et disponible le permet, le lest M est remonté jusqu'à son altitude maximale, sur la plateforme P2 par exemple, ledit lest M ayant donc acquis une énergie potentielle de gravitation, cette dite énergie pouvant être restituée en tout ou partie ultérieurement,- étape b) le lest M est maintenu par le premier moyen, par exemple sur la plateforme P2 de la cavité, en position d'équilibre, à une altitude donnée, sans perte d'énergie, - étape c) à l'instant TO, dès que le réseau a besoin d'énergie, ou 5 légèrement avant, le premier moyen libère le lest M sans vitesse initiale, - étape d) le lest est alors accéléré sous l'effet de son poids pendant un temps d'accélération égal à TCL jusqu'à une vitesse V qui est atteinte à l'instant Ti, - étape e) à partir de cet instant Tl le troisième moyen permet de 10 fournir au réseau la puissance électrique demandée et ceci jusqu'à l'instant T2, la vitesse dudit lest est adaptée pour fournir la puissance demandée par le réseau, par exemple si la demande de puissance est constante alors la vitesse de descente sera constante, le temps écoulé entre T2 et Tl étant égal à TVC, - étape f) entre T2 et T3, le mouvement du lest est piloté pendant 15 un laps temps égal à TF de sorte que la vitesse à l'instant T3 redevienne nulle. - étape g) lorsque plusieurs cycles de productions d'électricité au réseau ont été réalisés et dès que l'électricité est abondante et disponible sur le réseau on revient à l'étape a). 20