FR3014182A1 - ADVANCED SYSTEM FOR ENERGY STORAGE BY COMPRESSED AIR - Google Patents
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Abstract
- L'invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par air comprimé, comportant des moyens de stockage d'air comprimé et des moyens de stockage de chaleur. Le système comporte plusieurs moyens de compression étagée, plusieurs moyens de détente étagée pour la récupération de l'énergie, et une pluralité d'éléments de stockage de la chaleur de l'air en sortie de chaque étage de compression, les éléments comportant plusieurs niveaux de température de stockage de la chaleur, les niveaux de température étant compris entre la température de sortie de l'air du premier compresseur et la température de stockage de l'air comprimé.The invention relates to a system for storing and recovering energy by compressed air, comprising means for storing compressed air and means for storing heat. The system comprises a plurality of stepped compression means, a plurality of stepped relaxation means for energy recovery, and a plurality of air heat storage elements at the outlet of each compression stage, the elements comprising several levels. temperature storage temperature, the temperature levels being between the outlet temperature of the air of the first compressor and the storage temperature of the compressed air.
Description
Le domaine de la présente invention concerne le stockage d'énergie par air comprimé (CAES pour "Compressed Air Energy Storage"). En particulier, il s'agit d'un procédé pour optimiser la récupération d'énergie.The field of the present invention relates to the storage of energy by compressed air (CAES for "Compressed Air Energy Storage"). In particular, it is a method for optimizing energy recovery.
Dans ce système, l'énergie, pouvant provenir d'électricité, que l'on souhaite utiliser à un autre moment, peut être stockée sous forme d'air comprimé. L'électricité produite en excès alimente donc un ou plusieurs compresseurs dont le but est de comprimer une quantité d'air donnée. Cette compression d'air implique une augmentation de la température.In this system, the energy, which can come from electricity, which one wishes to use at another time, can be stored in the form of compressed air. The electricity produced in excess thus supplies one or more compressors whose purpose is to compress a given quantity of air. This air compression involves an increase in temperature.
Plusieurs variantes existent actuellement à ce système. On peut citer notamment : - CAES (Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à température ambiante et la chaleur due à la compression est évacuée. - ACAES (Adiabatic Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à la température due à la compression. - AACAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à température ambiante et la chaleur due à la compression est également stockée dans un TES (Thermal Energy Storage).Several variants currently exist for this system. These include: - CAES (Compressed Air Energy Storage) in which the air is stored at room temperature and the heat due to compression is removed. - ACAES (Adiabatic Compressed Air Energy Storage) in which air is stored at the temperature due to compression. - AACAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) in which air is stored at room temperature and the heat due to compression is also stored in a TES (Thermal Energy Storage).
Dans les procédés CAES, on n'utilise que l'énergie mécanique de l'air, c'est-à-dire qu'on rejette toute la chaleur produite lors de la compression. L'air est stocké typiquement à 8 MPa (80 bar) et à température ambiante. Ceci implique que, si on désire récupérer l'énergie par une détente, la décompression de l'air suivra à nouveau une courbe isentropique, mais cette fois à partir des conditions initiales de 8 MPa et 300 K. L'air se refroidit donc jusqu'à des températures non réalistes (83 K = -191°C). Il est donc nécessaire de le réchauffer, ce qui se fait à l'aide d'un brûleur à gaz, ou autre carburant.In the CAES processes, only the mechanical energy of the air is used, that is to say that all the heat produced during the compression is rejected. Air is typically stored at 8 MPa (80 bar) and at room temperature. This implies that, if we wish to recover the energy by a relaxation, the decompression of the air will again follow an isentropic curve, but this time starting from the initial conditions of 8 MPa and 300 K. The air is therefore cooling down. at unrealistic temperatures (83 K = -191 ° C). It is therefore necessary to heat it up, which is done using a gas burner, or other fuel.
La présente invention a notamment pour objectif d'éviter de dépenser de la chaleur par combustion lors de la récupération de l'énergie. Ainsi, c'est le système AACAES qui est privilégié et l'objectif principal est de proposer des améliorations au stockage de chaleur utilisé dans l'approche AACAES.The present invention particularly aims to avoid spending heat by combustion during the recovery of energy. Thus, it is the AACAES system that is favored and the main objective is to propose improvements to the heat storage used in the AACAES approach.
Plus généralement, l'idée principale est de stocker de la chaleur de façon à minimiser les pertes d'énergie lors du stockage sous pression de l'air, et de maximiser le niveau de température atteignable lors de la restitution de la chaleur à l'air lors de sa décompression après passage dans des turbines.More generally, the main idea is to store heat so as to minimize energy losses during storage under pressure of the air, and to maximize the temperature level achievable during the return of heat to the air. air during its decompression after passing through turbines.
Ainsi, la présente invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par air comprimé, comportant des moyens de stockage d'air comprimé et des moyens de stockage de chaleur. Le système comporte plusieurs moyens de compression étagée, plusieurs moyens de détente étagée pour la récupération de l'énergie, et une pluralité d'éléments de stockage de la chaleur de l'air en sortie de chaque étage de compression, lesdits éléments comportant plusieurs niveaux de température de stockage de la chaleur, lesdits niveaux de température étant compris entre la température de sortie de l'air du premier compresseur et la température de stockage de l'air comprimé.Thus, the present invention relates to a system for storing and recovering energy by compressed air, comprising compressed air storage means and heat storage means. The system comprises a plurality of stepped compression means, a plurality of stepped expansion means for the recovery of energy, and a plurality of air heat storage elements at the outlet of each compression stage, said elements comprising several levels. heat storage temperature, said temperature levels being between the air outlet temperature of the first compressor and the storage temperature of the compressed air.
Les éléments de stockage de la chaleur situés en aval d'un étage de compression peuvent être à la pression de l'air en sortie dudit étage. Les éléments de stockage de la chaleur peuvent comporter des matériaux à 25 changement de phase (MCP). Les moyens de compression étagés peuvent comporter au moins quatre compresseurs, les moyens de stockage de chaleur peuvent comporter au moins trois niveaux de température, et les moyens de détente peuvent comporter au 30 moins quatre turbines.The heat storage elements located downstream of a compression stage may be at the pressure of the air at the outlet of said stage. The heat storage elements may include phase change materials (PCMs). The staged compression means may comprise at least four compressors, the heat storage means may comprise at least three temperature levels, and the expansion means may comprise at least four turbines.
Le stockage peut se faire sensiblement à 20°C et 80 bar. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront 5 plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 montre un exemple de profil de température refroidissement et réchauffage pour trois niveaux de température de stockage dans trois stockages de chaleur. 10 - la figure 2 montre l'élévation de la température en fonction du taux de compression pour différents rendements, - les figures 3a et 3b illustrent un exemple de stockage et déstockage d'air selon l'invention avec 3 niveaux de température de stockage de la chaleur, - les figures 4a et 4b illustrent un autre exemple de stockage et déstockage 15 d'air selon l'invention avec 2 niveaux de température de stockage de la chaleur. Il faut noter que la chaleur peut être stockée sous forme latente ou sensible. Si on souhaite stocker de la chaleur à une température Tsi et que notre source a une température T1, la quantité de chaleur stockée Q est : 20 Q-m.Cp(Ti-Ts1) où m et Cp sont respectivement la masse et la capacité thermique de la source. Pour de l'air, on a environ mf, = 1 kJ/°C. Dans le cas de chaleur sensible, lorsqu'on réchauffe notre source avec la 25 chaleur stockée, le niveau de température du stockage de chaleur baisse. La température maximale atteignable Te," est : m' Cp' T si- mCpT 'id T= mCp + m' Cp' avec Tcold, température de la source. m' et Cp' sont respectivement la masse et la capacité thermique du stockage de chaleur. Il est clair que Te," est toujours clairement inférieur à Tsi.Storage can be done substantially at 20 ° C and 80 bar. The present invention will be better understood and its advantages will appear more clearly on reading the description which follows, illustrated by the appended figures, of which: FIG. 1 shows an example of a cooling and heating temperature profile for three storage temperature levels in three heat stores. FIG. 2 shows the rise in temperature as a function of the compression ratio for different yields; FIGS. 3a and 3b illustrate an example of storage and removal of air according to the invention with 3 storage temperature levels of 4a and 4b illustrate another example of storage and retrieval of air according to the invention with two levels of temperature of storage of heat. It should be noted that heat can be stored in latent or sensitive form. If we want to store heat at a temperature Tsi and our source has a temperature T1, the quantity of stored heat Q is: Qm.Cp (Ti-Ts1) where m and Cp are respectively the mass and the thermal capacity of source. For air, about mf = 1 kJ / ° C. In the case of sensible heat, when our source is warmed up with the stored heat, the temperature level of the heat storage decreases. The maximum attainable temperature Te, "is: m 'Cp' T si- mCpT 'id T = mCp + m' Cp 'with Tcold, source temperature, m' and Cp 'are the mass and thermal capacity of the storage, respectively It is clear that Te, "is always clearly inferior to Tsi.
La chaleur latente est la chaleur de changement d'état d'un corps. Pour les corps purs, le changement d'état se fait à pression et température constante. Ainsi, lors de l'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP), le stockage et le réchauffage se font à température constante. Ainsi la température maximale de réchauffage est sensiblement la température de stockage.Latent heat is the heat of change of state of a body. For pure bodies, the change of state is done at constant pressure and temperature. Thus, when using phase change materials (PCM), storage and reheating are done at a constant temperature. Thus, the maximum reheating temperature is substantially the storage temperature.
Il apparait donc que l'avantage majeur du stockage sous forme de chaleur latente est la plus grande quantité de chaleur qui peut être stockée par unité de volume (ou de masse). En effet, dans le cas de chaleur sensible (pour une hypothèse d'un cyclage en température de 10°C), on arrive à environ 20 MJ/m3, alors qu'en chaleur latente, on peut atteindre 200 MJ/m3. Dans la description qui suit, on illustrera le procédé par sa mise en oeuvre préférée avec l'utilisation de chaleur latente. L'utilisation de stockage de chaleur sensible est possible mais apporte moins d'avantage.It therefore appears that the major advantage of storage in the form of latent heat is the greatest amount of heat that can be stored per unit volume (or mass). Indeed, in the case of sensible heat (for a hypothesis of a temperature cycling of 10 ° C), we arrive at about 20 MJ / m3, while in latent heat, we can reach 200 MJ / m3. In the description which follows, the process will be illustrated by its preferred implementation with the use of latent heat. The use of sensible heat storage is possible but brings less benefit.
Généralement, lorsqu'on souhaite comprimer de l'air, on utilise plusieurs étages de compression avec un taux de compression faible à chaque étage et un refroidissement entre chaque étage. En effet, lors de sa compression, l'air se réchauffe jusqu'à une température Tchaud. Afin de diminuer le volume de stockage, on refroidit l'air jusqu'à une température Tfroed. Ainsi, la chaleur disponible est : Cp (T chaud - T froid) Si on stocke la chaleur à un seul niveau de température Tsi, on souhaite que cette température soit atteignable lors du réchauffage. C'est-à-dire, que la chaleur stockée soit égale à la chaleur de réchauffage. On a ainsi dans un cas idéal : Cp(Tchaud -Ts1)=Cp(Ts1-T froid ) =Tchaud +Tfroid Ts1 2 et l'énergie stockée est : CP(Tchaud TS 1)= Ch Tc haud chaud froid T +T Cp 2 2 (Tchaud -Tfroid) 10 Ainsi, seule la moitié de la chaleur disponible est stockée. Ceci conduit au fait que la température de réchauffage est bien inférieure à la température chaude. Afin de résoudre cette limitation, on propose de stocker à plusieurs niveaux 15 de température entre deux étages de compression. On suppose que l'on stocke à N niveaux de température Ti,S TS2.,..., TSN avec Tchaud >TS1> TS2 >...> TSN > Tfroed. La chaleur stockée doit être égale à la chaleur de réchauffage pour chaque niveau de température : Cp(Tchaud -Ts1)= Cp(Tsi-Ts2 ) Cp(Tsi-Ts2 ) Cp(Ts2 - Ts3 ) Cp(TS(N-i) -TSN) Cp(TsN -T froid) La résolution de ce système (avec l'hypothèse de Cp constant) permet d'obtenir la température pour l'étage n : (N +1- n) chaud+ nTfroid N +1 d'où 20 25 T Sn = La température que l'on peut atteindre lors du réchauffage est Ts1. On note que cette température tend vers Tchaud quand N tend vers l'infini.Generally, when it is desired to compress air, several compression stages are used with a low compression ratio at each stage and cooling between each stage. Indeed, during its compression, the air heats up to a hot temperature. In order to reduce the storage volume, the air is cooled to a Tfroed temperature. Thus, the available heat is: Cp (hot T - cold T) If the heat is stored at a single temperature level Tsi, it is desired that this temperature is attainable during reheating. That is, the stored heat is equal to the heat of reheating. We thus have in an ideal case: Cp (hot -Ts1) = Cp (cold Ts1-T) = hot + cold Ts1 2 and the stored energy is: CP (hot TS 1) = ch Tc warm hot HUD T + T Thus, only half of the available heat is stored. This leads to the fact that the reheating temperature is well below the hot temperature. In order to overcome this limitation, it is proposed to store at several temperature levels between two stages of compression. It is assumed that one stores at N temperature levels Ti, S TS2, ..., TSN with hot> TS1> TS2> ...> TSN> Tfroed. The stored heat must be equal to the heat of reheating for each temperature level: Cp (Hot -Ts1) = Cp (Tsi-Ts2) Cp (Tsi-Ts2) Cp (Ts2-Ts3) Cp (TS (Ni) -TSN ) Cp (TsN -T cold) The resolution of this system (with the assumption of constant Cp) makes it possible to obtain the temperature for stage n: (N + 1- n) hot + nTfroid N +1 where 20 25 T Sn = The temperature that can be reached during reheating is Ts1. It is noted that this temperature tends to Tchaud when N tends to infinity.
La figure 1 présente un exemple de AACAES pour trois niveaux de température. Dans cet exemple, l'air sort à une température de 140 °C d'un étage du compresseur et on souhaite le refroidir à 20 °C avant l'étage suivant de compression. Les lignes horizontales A, B, C représentent les températures du matériau à changement de phase (ici trois), respectivement 115°C, 82°C, 50°C.Figure 1 shows an example of AACAES for three temperature levels. In this example, the air exits at a temperature of 140 ° C from one stage of the compressor and it is desired to cool it to 20 ° C before the next stage of compression. The horizontal lines A, B, C represent the temperatures of the phase change material (here three), respectively 115 ° C, 82 ° C, 50 ° C.
Les lignes selon les flèches 1, 2, 3 qui descendent de gauche à droite présentent l'évolution de la température de l'air lorsqu'on le refroidit après compression, en mode stockage d'énergie. Les lignes parallèles avec les flèches 4, 5, 6 illustrent la température de l'air en mode de réchauffage, lorsqu'on détend l'air en mode récupération d'énergie, à partir d'une température de stockage à 15°C. Étages de compression L'accroissement de température au travers du compresseur dépend du taux de compression et du rendement de ce dernier. La figure 2 présente ce phénomène en faisant l'hypothèse d'une compression polytropique.The lines according to the arrows 1, 2, 3 which go down from left to right show the evolution of the air temperature when it is cooled after compression, in energy storage mode. The parallel lines with the arrows 4, 5, 6 illustrate the temperature of the air in heating mode, when the air is released in energy recovery mode, from a storage temperature at 15 ° C. Compression stages The temperature increase through the compressor depends on the compression ratio and the efficiency of the compressor. Figure 2 presents this phenomenon by assuming a polytropic compression.
Le taux de compression est sensiblement égal au taux de détente. Étant donné que la température de stockage doit être égale ou supérieur à la température d'entrée de turbine, le nombre d'étages de compression doit être égale ou inférieur au nombre d'étages de détente.The compression ratio is substantially equal to the expansion ratio. Since the storage temperature must be equal to or greater than the turbine inlet temperature, the number of compression stages must be equal to or less than the number of expansion stages.
Niveaux de température Si le taux de compression et le rendement du compresseur sont connus, il est possible de déterminer la température de sortie du compresseur. Une fois cette valeur connue, il faut déterminer à quelle température va être stockée la chaleur dans le cas de la chaleur latente. Idéalement il faut pouvoir réchauffer l'air le plus possible. On décrit deux exemples basés sur un train de compression à quatre 5 étages. On néglige ici le pincement dans les systèmes de transfert thermiques. La température en sortie de compresseur est de 140 °C. On propose de stocker la chaleur à 2 ou 3 niveaux de température. - Cas de deux niveaux de stockage: 10 - on stocke à 100°C et 60°C. On a ainsi récupéré la chaleur entre 140 et 100°C et entre 100 et 60°C. La chaleur entre 60°C et 20°C (hypothèse sur la température entrée compresseur) est perdue. Lors de la décharge, si l'air est stocké à 20°C, le premier niveau de température permet de réchauffer l'air à 60°C et le second permet de continuer la progression jusqu'à 100°C. Ainsi, en entrée turbine l'air 15 aura été réchauffé jusqu'à 100°C. - Cas de trois niveaux de stockage : - on stocke à 110°C, 80°C et 50°C. On a ainsi récupéré la chaleur entre 140 et 110°C, entre 110 et 80°C et entre 80 et 50°C. La chaleur entre 50°C et 20°C 20 (hypothèse sur la température entrée compresseur) est perdue. Lors de la décharge, si l'air est stocké à 20°C, le premier niveau de température permet de réchauffer l'air à 50°C et le second permet de continuer la progression jusqu'à 80°C et enfin le dernier permet d'atteindre 110°C. Ainsi, en entrée turbine l'air aura été réchauffé jusqu'à 110°C.Temperature Levels If the compression ratio and compressor efficiency are known, it is possible to determine the outlet temperature of the compressor. Once this value is known, it is necessary to determine at which temperature the heat will be stored in the case of latent heat. Ideally you have to be able to heat the air as much as possible. Two examples based on a four-stage compression train are described. Pinch in thermal transfer systems is neglected here. The compressor outlet temperature is 140 ° C. It is proposed to store the heat at 2 or 3 temperature levels. - Case of two storage levels: 10 - stored at 100 ° C and 60 ° C. The heat was thus recovered between 140 and 100 ° C and between 100 and 60 ° C. The heat between 60 ° C and 20 ° C (hypothesis on the compressor inlet temperature) is lost. During the discharge, if the air is stored at 20 ° C, the first temperature level is used to heat the air to 60 ° C and the second allows the progression to 100 ° C. Thus, at the turbine inlet, the air 15 has been heated up to 100 ° C. - Case of three levels of storage: - one stores at 110 ° C, 80 ° C and 50 ° C. The heat was thus recovered between 140 and 110 ° C, between 110 and 80 ° C and between 80 and 50 ° C. The heat between 50 ° C and 20 ° C (hypothesis on the compressor inlet temperature) is lost. During the discharge, if the air is stored at 20 ° C, the first temperature level can heat the air to 50 ° C and the second allows to continue the progression to 80 ° C and finally the last allows to reach 110 ° C. Thus, at the turbine inlet, the air will have been heated up to 110 ° C.
25 La première solution ne permet pas d'atteindre 110°C en entrée turbine. Or dans cette exemple, la température en sortie turbine va être plus faible (12°C) que la température de stockage (20°C). Ainsi lors de l'étage suivant de détente, la chaleur disponible ne permettra pas d'atteindre la même température (98°C 30 contre 100°C). Les figures 3b et 4b représentent l'évolution de la température dans les deux cas. On note que la température en entrée des turbines diminue dans le cas où la température est stockée à deux niveaux de températures. Mise en oeuvre d'ensemble On prend dans cet exemple le cas de quatre étages de compression avec 3 niveaux de températures et quatre étages de turbines de récupération d'énergie. La mise en oeuvre peut être représentée comme dans les figures 3a et 3b. La figure 3a illustre donc comment, de gauche (basse pression) à droite (haute pression), l'air traverse successivement quatre compresseurs Cl, C2, C3, 10 C4 qui augmentent la pression, mais aussi la température, et après chaque étage de compression dans trois échangeurs à matériau à changement de phase (MCP). La figure 3a illustre une "matrice" de récupération de chaleur constituée 12 éléments de stockage de la chaleur sous quatre pressions (3, 9, 27 et 80 bar) et 15 de trois températures (50, 80 et 110°C). Les 12 éléments de stockage de chaleur peuvent être indépendants pour chaque élément de la matrice ou peuvent être commun pour un même niveau de température. On choisira d'utiliser la technologie la plus rentable pour chaque élément de la matrice.The first solution does not make it possible to reach 110 ° C at the turbine inlet. Now in this example, the turbine outlet temperature will be lower (12 ° C) than the storage temperature (20 ° C). Thus during the next stage of relaxation, the available heat will not achieve the same temperature (98 ° C against 100 ° C). Figures 3b and 4b show the evolution of the temperature in both cases. Note that the inlet temperature of the turbines decreases in the case where the temperature is stored at two temperature levels. Overall implementation In this example, we consider the case of four compression stages with 3 temperature levels and four stages of energy recovery turbines. The implementation can be represented as in Figures 3a and 3b. FIG. 3a thus illustrates how, from left (low pressure) to right (high pressure), the air passes successively through four compressors C1, C2, C3, C4 which increase the pressure, but also the temperature, and after each stage of compression in three phase change material (PCM) exchangers. Figure 3a illustrates a heat recovery "matrix" consisting of 12 heat storage elements at four pressures (3, 9, 27 and 80 bar) and three temperatures (50, 80 and 110 ° C). The 12 heat storage elements can be independent for each element of the matrix or can be common for the same temperature level. We will choose to use the most cost-effective technology for each element of the matrix.
20 La figure 3b illustre le déstockage par quatre turbines, à partir du stockage à 20°C et 80 bar. Les passages de l'air dans les éléments de stockage de la chaleur permettent de réchauffer l'air à 110°C après chacune des détentes, et d'obtenir une détente finale à 20°C.Figure 3b illustrates the retrieval by four turbines, from storage at 20 ° C and 80 bar. The air passages in the heat storage elements allow to heat the air at 110 ° C after each of the relaxation, and to obtain a final relaxation at 20 ° C.
25 Les modes de réalisation pour les éléments de la matrice de stockage sont les échangeurs classiques, notamment à matériau à changement de phase (MCP). Ci-après quelques exemples pour le stockage d'un ou plusieurs éléments : - chaque élément peut être constitué d'un échangeur dans lequel circule un fluide caloporteur stocké ensuite par niveau de température ; - chaque élément peut être constitué d'un matériau à changement de phase immobile intégré à l'échangeur. Dans ce cas, la chaleur de l'air chaud qui passe au travers de l'échangeur est stockée sur place. Le volume de l'échangeur sera alors plus grand mais aucun espace de stockage extérieur n'est nécessaire. Dans ce cas, le stockage est indépendant par couple de température et pression. Les figures 4a et 4b illustrent le cas de stockage à deux niveaux de température : 60°C et 100°C. On constate une déperdition de chaleur plus importante que dans le cas trois niveaux de température.10Embodiments for the elements of the storage array are conventional exchangers, in particular with phase change material (PCM). Hereinafter some examples for the storage of one or more elements: each element may consist of an exchanger in which circulates a heat transfer fluid stored thereafter by temperature level; each element may consist of a material with immobile phase change integrated in the exchanger. In this case, the heat of the hot air passing through the exchanger is stored on site. The volume of the exchanger will then be larger but no external storage space is needed. In this case, the storage is independent by temperature and pressure torque. Figures 4a and 4b illustrate the case of storage at two temperature levels: 60 ° C and 100 ° C. There is a greater loss of heat than in the case of three temperature levels.
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