FR3017903B1 - Procede de stockage et de restitution d'energie dans des cavites integrees dans la structure d'un batiment, et batiment mettant en œuvre le procede - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de stockage de l'énergie consistant à créer au moins un cavité dans un plancher d'un bâtiment, l'enveloppe de cette au moins une cavité étant intégrée dans la structure porteuse du bâtiment. Le procédé comporte une étape de stockage de l'énergie en introduisant du gaz comprimé à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans l'au moins une première cavité. Le procédé comporte également une étape de détente dudit gaz sous pression contenu dans l'au moins une première cavité pour produire de l'énergie. La présente invention concerne aussi un bâtiment conçu pour mettre en œuvre le procédé. De cette façon, le bâtiment dispose de son propre moyen de stockage énergétique et peut éventuellement recevoir la qualification de bâtiment à énergie positive.

Description

Procédé de stockage et de restitution d’énergie dans des cavités intégrées dans la structure d’un bâtiment, et bâtiment mettant en œuvre le procédé. 1. Domaine de l’invention L’invention concerne un procédé de stockage d’énergie dans des bâtiments. L’invention concerne plus précisément le fait que le stockage s’effectue par compression et décompression de gaz dans des cavités pratiquées dans des volumes vides des structures porteuses de bâtiment, et que ce stockage s’effectue à température quasi constante. 2. Art antérieur

Un des grands enjeux à notre époque est la gestion de l’énergie. L’utilisation de carburant fossile provoque un réchauffement climatique de la planète en générant des gaz à effet de serre. De plus, les réserves de carburant s’épuisent rapidement, il est donc nécessaire de trouver d’autres sources d’énergie d’autant plus que les besoins en énergie augmentent. L’exploitation des énergies non basées sur du carburant fossile, dites renouvelables, est destinée à remplacer les modes de production anciens et polluant. Enfin, l’exploitation des énergies renouvelables relance la croissance dans de nombreux pays et génère de nombreux emplois.

La première énergie renouvelable provient du soleil. La quantité d’énergie solaire que la Terre reçoit en une heure était supérieure à la consommation annuelle mondiale en 2002. De nos jours, cette production représente moins de 1% de la production mondiale d’énergie. D’autres énergies sont possibles comme le vent, les vagues, les courants marins, etc.... Ces énergies renouvelables sont généralement issues de phénomènes naturels et sont transformées par des équipements pour fournir de l’énergie, par exemple sous la forme de courant électrique. Malheureusement, ces phénomènes naturels sont intermittents et ne permettent pas d’assurer une production continue. De plus, le soleil produit beaucoup d’énergie le jour et en été, alors que c’est la nuit et en hiver, que la consommation d’énergie est la plus forte.

Pour palier à ce problème, une solution consiste à stocker l’énergie excédentaire à des moments de faible consommation pour la restituer lorsque cela est nécessaire. Le stockage d’énergie est par exemple réalisé en pompant de l’eau en plaine pour la monter dans des lacs d’altitude. Lorsque les besoins en énergie augmentent, par exemple en hiver, des vannes sont ouvertes pour faire tourner des turbines et ainsi augmenter la production énergétique.

Le stockage peut aussi s’effectuer sous forme chimique, dans des batteries rechargeables. Mais la production de batteries nécessite aussi de l’énergie et génère de la pollution, rendant peu efficace le bilan carbone d’un tel stockage. Si le stockage est court, pour pallier à une coupure de courant par exemple, on peut stocker l’énergie sous forme cinétique dans un corps massif en rotation.

Une autre forme de stockage consiste à gonfler des contenants avec un gaz sous pression. Le gonflage s’effectue par un compresseur alimenté le jour par exemple, au moment où la production est excédentaire. En cas de besoin, le gaz fait tourner une turbine et une génératrice pour produire de l’électricité. Des améliorations récentes ont permis de développer le stockage hydropneumatique. Les contenants, typiquement des bouteilles métalliques, contiennent de l’eau en partie basse et sont gonflés par du gaz à une pression de 200 à 300 bars. L’eau éjectée sous pression des contenants possède une énergie équivalente à une chute d’eau de 2000 à 3000 mètres. A cette pression, un débit d’eau minimal peut faire tourner une turbine associée à une génératrice. A de telles pressions, une rupture d’un contenant produit une véritable explosion. Pour palier à ce problème, le stockage s’effectue préférentiellement sous forme d’air comprimé, dans des cavernes souterraines, d’anciennes mines de sel par exemple. Mais le nombre de sites de stockage est limité, et de toute façon, le lieu de stockage est toujours distant de l’endroit de consommation, de sorte qu’une partie de l’énergie disparaît à cause des pertes en lignes. 3. Objectifs de l’invention

La présente invention apporte une solution qui ne présente pas les inconvénients décrits plus haut, tout en proposant les avantages listés ci-dessus. 4. Exposé de l’invention

Selon un aspect fonctionnel, l’invention concerne un procédé de stockage de l’énergie consistant en une étape de création d’au moins une cavité dans au moins un plancher d’un bâtiment, l’enveloppe de l’au moins une cavité étant intégrée dans la structure porteuse du bâtiment. Le procédé comporte une étape de stockage de l’énergie en introduisant du gaz comprimé à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans l’au moins une première cavité. Le procédé comporte également une étape de détente dudit gaz sous pression contenu dans l’au moins une première cavité pour produire de l’énergie.

De cette manière, le bâtiment dispose de sa propre réserve d’énergie, et cette réserve ne réduit pas la place disponible pour l’occupation du bâtiment.

Selon un premier mode de réalisation, l’étape de stockage comporte une étape de transfert dans un premier milieu de la chaleur produite par la compression du gaz de façon que l’écart de température du à l’échauffement du gaz se situe en-dessous d’un premier seuil. De cette manière, la chaleur produite par la compression n’est pas perdue et peut être utilisée pour améliorer le rendement énergétique du stockage.

Selon un autre mode de réalisation, le premier milieu destiné à recevoir la chaleur produite par la compression du gaz est une quantité déterminée d’un liquide contenu dans au moins une seconde cavité intégrée dans la structure porteuse du bâtiment. De cette manière, la chaleur produite par la compression est facilement utilisable.

Selon un autre mode de réalisation, le premier milieu destiné à recevoir la chaleur produite par la compression du gaz est un équipement de chauffage utilisé par les occupants du bâtiment. De cette manière, la chaleur produite par la compression peut être utilisée comme source de chaleur pour les besoins du bâtiment.

Selon un autre mode de réalisation, l’étape de transfert de chaleur consiste à injecter un nuage de gouttelettes d’eau dans une première enceinte d’un compresseur comprimant le gaz pour former un mélange d’eau et de gaz, l’eau étant séparée du gaz avant que ledit gaz soit introduit dans l’au moins une première cavité. De cette manière, la chaleur est facilement récupérée par les particules d’eau.

Selon un autre mode de réalisation, l’étape de restitution comporte une étape de réchauffement du gaz par une source d’énergie annexe lors de la détente de façon que l’écart de température du à la détente du gaz se situe en-dessous d’un second seuil. De cette manière, le rendement énergétique est amélioré.

Selon un autre mode de réalisation, ladite source d’énergie annexe provient de la chaleur d’une quantité déterminée d’un liquide contenu dans au moins une troisième cavité intégrée dans la structure porteuse du bâtiment. De cette manière, l’énergie thermique pour réchauffer le gaz se situe sur place dans le bâtiment et ne réduit pas la place disponible du bâtiment.

Selon un autre mode de réalisation, la seconde cavité ou la troisième cavité comporte des moyens de maintien du liquide à une température constante. De cette manière, les moyens thermiques pour refroidir ou réchauffer le gaz sont constamment opérationnels.

Selon un autre mode de réalisation, l’étape de stockage se termine lorsque le gaz atteint une pression maximale dans l’au moins une cavité. De cette manière, la sécurité de l’installation est assurée.

Selon un autre mode de réalisation, l’énergie utilisée pour la compression du gaz est produite par des sources d’énergies renouvelables installées sur le bâtiment. De cette manière, le bâtiment peut être autonome en énergie. L’invention concerne également un bâtiment doté d’une structure porteuse comprenant au moins un plancher contenant au moins une cavité, l’enveloppe de l’au moins une cavité étant intégrée dans la structure porteuse dudit plancher. Ce bâtiment comporte notamment un moyen de stockage de l’énergie en comprimant un gaz à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans l’au moins une première cavité, et un moyen de production de l’énergie ainsi stockée par la détente d’une partie au moins du gaz comprimé dans les alvéoles. 5. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation particulier, donné à titre de simple exemple illustratif et non-limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 représente un bâtiment permettant un stockage d’énergie dans le vide des structures selon un exemple de réalisation de l’invention, - la figure 2 présente un schéma des installations permettant le stockage et la restitution de l’énergie dans un bâtiment, selon un exemple particulier de réalisation, - la figure 3 présente un schéma d’un bâtiment comportant un système de stockage et de restitution de l’énergie, selon un exemple particulier de réalisation, - la figure 4 présente en coupe un plancher porteur comportant des alvéoles pour le stockage de gaz comprimé selon un exemple de réalisation, - la figure 5 présente en coupe un plancher porteur comportant des enceintes isothermes selon un exemple de réalisation, - la figure 6 présente un exemple de succession des étapes permettant le stockage de l’énergie dans des vides de structures d’un bâtiment et la restitution de cette énergie. 6. Description d’un mode de réalisation de l’invention 6.1 Principe général

La présente invention concerne un procédé de stockage de l’énergie consistant à créer au moins une cavité dans un plancher d’un bâtiment, l’enveloppe de cette au moins une cavité étant intégrée dans la structure porteuse du bâtiment. Le procédé comporte une étape de stockage de l’énergie en introduisant du gaz comprimé à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans l’au moins une première cavité. Le procédé comporte également une étape de détente dudit gaz sous pression contenu dans l’au moins une première cavité pour produire de l’énergie. La présente invention concerne aussi un bâtiment conçu pour mettre en œuvre le procédé. De cette façon, le bâtiment dispose de son propre moyen de stockage énergétique et peut éventuellement recevoir la qualification de bâtiment à énergie positive. A l’aide de la présente invention, un bâtiment peut bénéficier d’étages entiers sans points porteurs ni murs de refend tout en mettant en œuvre son propre moyen de stockage énergétique. Un tel bâtiment peut éventuellement recevoir la qualification de bâtiment autonome en énergie voire à énergie positive. 6.2 Description d’un mode de réalisation

De nos jours, il est avantageux de disposer de paliers de plus en plus vastes dans les bâtiments, par exemple des espaces de bureau ou des parkings. Les aménagements de tels paliers sont d’autant plus aisés que l’espace est vide et ne comportent pas ou peu de poteaux de soutènement ou de murs de refend intégrée dans la structure porteuse du bâtiment. Pour obtenir de grandes portées, de l’ordre de 15 à 20 mètres ou pour porter de lourdes charges, les planchers sont supportés par des poutres en béton d’une épaisseur importante, typiquement pour une portée de 20 mètres, l’épaisseur des poutres porteuses est de 1 mètre environ. Le gain global en surface est obtenu par la diminution des piliers verticaux. Seul le volume en dessous de l’arête inférieure de la poutre porteuse est réellement utilisable. Les constructeurs profitent de cet espace libre entre les poutres pour le passage de canalisations d’électricité, d’eau, de gaz ou des tubes de ventilation. Mais on constate qu’une très grande partie du volume n’est pas utilisé.

La présente invention permet une utilisation efficace de ce volume en aménageant dans le volume non utilisé des cavités destinées à stocker temporairement de l’énergie au sein d’un gaz comprimé, par exemple de l’air. L’inertie mécanique nécessaire pour des planchers de grande portée ou destinés à porter de lourdes charges est obtenue par la présence d’alvéoles longiformes de section tubulaire, placées au niveau de l’axe neutre de fonctionnement en flexion simple dudit plancher. Dans la suite du document, ces planchers sont appelés « planchers SVS », acronyme de « Stockage dans le Vide des Structures ». Les alvéoles sont pertinentes du point de vue structurel, créant par la même des vides qui selon l’invention peuvent être astucieusement utilisés pour un stockage local de l’énergie.

La FIG. 1 présente un bâtiment de 6 étages au dessus du sol permettant de mettre en œuvre le procédé objet de la présente invention. Selon cet exemple de réalisation, le bâtiment 1 comporte un sous-sol 2, des murs de façade 3, un toit 4 et des planchers SVS 5 formant des éléments de structure. Les planchers dits porteurs disposent d’une large portée ; leurs pourtours s’appuient sur les murs de façade 3. Lorsque la hauteur entre les planchers porteurs est suffisamment importante, des planchers intermédiaires peuvent être disposés créant ainsi des étages intermédiaires. Les planchers intermédiaires ont une épaisseur et une portée moins importante, ils sont supportés par les murs extérieurs et des poteaux et/ou murs intérieurs. Le nombre de planchers intermédiaires peut évidemment varier, et peut être nul si par exemple le bâtiment ne comporte que des parkings pour voitures pour lequel on veut supprimer le plus possible les cloisons et les poteaux, seuls des planchers porteurs sont alors créés.

Le bâtiment 1 dispose de moyens de production d’énergie. Ces moyens sont de préférence des panneaux solaires photovoltaïque 7 ou des miroirs convexes thermodynamiques solaires placés sur les murs 3 de façade et/ou sur le toit 4, ou des éoliennes 9 placées sur le toit 4, ou encore des moyens géothermiques (non représentés sur la figure). Des canalisations électriques ou transportant ledit fluide caloporteur (non représentées sur la FIG. 1) relient les moyens de production d’énergie à une centrale 10 de transformation énergétique et de stockage installée de préférence dans le sous-sol 2 du bâtiment. Des canalisations 11 assurent le transfert du gaz utilisé pour stocker l’énergie dans les alvéoles, entre la centrale et chaque plancher porteur. L’électricité produite par des moyens disposés sur ou dans le bâtiment est transmise par des câbles à la centrale de transformation 10. Cette centrale de transformation énergétique comporte une pompe/turbine 13 et un moteur/générateur 12. Le procédé de stockage et de restitution de l’énergie objet de la présente invention comporte une étape de stockage de l’énergie en comprimant du gaz dans les alvéoles 6 à l’aide de la pompe/turbine 13 en utilisant l’énergie produite par le bâtiment pour lui appliquer une pression supérieure à la pression atmosphérique, typiquement 50 bars, et une étape de détente du gaz sous pression contenu dans les alvéoles 6 dans la pompe/turbine pour produire de l’énergie électrique. L’énergie électrique utilisée lors de l’étape de stockage peut également provenir du réseau de distribution électrique à un moment où le réseau produit trop d’énergie, la nuit par exemple. L’énergie électrique produite lors de l’étape de restitution est régulée et transmise prioritairement au bâtiment 1 afin d’être consommée sur place, mais elle peut aussi être transmise au réseau de distribution électrique, elle est alors revendue.

Selon un perfectionnement, le stockage du gaz dans les alvéoles s’effectue à température quasi constante quel que soit la pression. Pour que l’écart de température du à l’échauffement du gaz lors de la compression se situe en-dessous d’un certain seuil, typiquement 10 °C, la pompe/turbine 13 est associée à un échangeur thermique 8 qui extrait les calories du gaz. L’échangeur 8 dispose d’un circuit d’échange à l’aide d’un fluide caloporteur qui reçoit les calories du gaz en cours de compression et les transporte dans des enceintes isothermes 15 dites « source chaude », pour récupérer l’énergie sous forme de calories. Pour cela, l’échangeur 8 dispose d’un second circuit d’échange à l’aide d’un fluide caloporteur qui transporte les calories dans des enceintes isothermes 15 conçues pour stocker du chaud. Le refroidissement du gaz comprimé avant son stockage dans les alvéoles 6 permet au cycle de compression d’être le plus proche possible du diagramme de Clapeyron, améliorant ainsi le rendement.

Le gaz en sortie des alvéoles lors de la restitution de l’énergie s’abaisse en température à cause de la détente. Selon un autre perfectionnement, le gaz est réchauffé avant sa détente. Les frigories produites au cours de la détente peuvent être stockées dans des enceintes isothermes 14 dites « source froide ». Pour cela, l’échangeur 8 dispose d’un troisième circuit d’échange à l’aide d’un fluide caloporteur qui transporte les frigories dans des enceintes isothermes 14 conçues pour stocker du froid.

Les enceintes isothermes 14 et 15 peuvent être de forme diverses, oblongues par exemple, dans la mesure où le fluide qu’elles contiennent n’est pas sous pression. Les enceintes isothermes 14 et 15 sont dotées d’une enveloppe isotherme, l’isolation thermique peut éventuellement être réalisée en dotant le béton dont le plancher est majoritairement constitué, de propriétés isolantes.

Selon un mode particulier de réalisation, les enceintes isothermes 14 et 15 sont maintenues à température quasi constante. De cette manière, elles sont constamment opérationnelles pour être utilisées dans le cycle de stockage et de restitution de l’énergie. De plus, elles peuvent être utilisées pour d’autres usages tels que : la source froide peut être utilisée pour le système de climatisation, et la source chaude peut être utilisée par le système de chauffage du bâtiment 1.

Le maintien à température des enceintes isothermes 14 et 15 s’effectue avantageusement en utilisant de l’énergie renouvelable fournie par divers moyens de production tels que : miroirs convexes thermodynamiques solaires 7, ou moyens géothermiques. Ce maintien à température peut aussi s’effectuer en utilisant de l’énergie du système de chauffage du bâtiment 25.

Selon une variante de réalisation, les sources froides et chaudes sont fusionnées en un seul ensemble d’enceintes isothermes, éventuellement une seule enceinte. Cet ensemble d’enceintes contient alternativement du chaud ou du froid en fonction de l’état du cycle stockage et restitution d’énergie. Lors de la compression, c’est à dire du stockage d’énergie, les calories extraites du gaz comprimé sont transmises à l’ensemble et le contenu de l’ensemble d’enceintes isothermes s’échauffe. A la fin de la compression, l’ensemble d’enceintes isothermes conserve la chaleur et devient une source chaude. Puis lors de la détente, les calories sont restituées et contribuent à réchauffer le gaz. Le contenu de l’ensemble d’enceintes isothermes baisse alors en température pour devenir une source froide. A la fin de la détente, lorsque toute l’énergie du gaz a été restituée, l’ensemble d’enceintes isothermes est dans un état permettant à un nouveau cycle de se lancer.

La FIG. 2 présente un schéma des installations permettant le stockage et la restitution de l’énergie dans un bâtiment, selon un exemple particulier de réalisation. Les flux de fluides mis en mouvement au cours de la phase de stockage de l’énergie sont représentés par des lignes continuées. Les flux de fluides mis en mouvement au cours de la phase de restitution de l’énergie sont représentés par des lignes pointillées.

Deux planchers 5 comprenant un ensemble d’alvéoles 6 sont reliés par des conduites 11 à la centrale de transformation énergétique et de stockage 10 installée de préférence au sous-sol. Des vannes commandées mécaniquement ou électriquement permettent d’isoler individuellement chaque ensemble d’alvéoles 6. Un système de contrôle 31 commande automatiquement les différents appareils électriques dont le moteur/générateur 12 et les vannes électriques 32 contrôlant les flux de fluides entres les différentes alvéoles et enceintes isothermes. Le système de contrôle 31 comporte une interface utilisateur (écran et clavier par exemple) permettant à un opérateur de programmer les paramètres de l’automatisme.

Dans la phase de stockage de l’énergie, le moteur/générateur 12 reçoit l’énergie provenant des moyens de production d’énergie tels que : panneaux solaires photovoltaïques, éoliennes, etc, et, comprime le gaz contenu dans les alvéoles. L’eau est pompée du réservoir 14 de source froide pour traverser le compresseur/détendeur 28 et refroidir le gaz. L’air est aspiré de l’extérieur par une entrée d’air 30. Le refroidissement de l’air peut être réalisé par un système d’injection de gouttelettes d’eau dans le compresseur ou un échangeur permettant de maximiser le transfert de chaleur entre l’air et l’eau.

Lorsqu’une pression nominale est atteinte, typiquement 50 Bars, le système de contrôle 31 coupe l’alimentation du moteur/générateur 12 et de la pompe, et ferme la vanne 32 qui commande l’entrée du gaz dans les alvéoles. Le système de stockage a alors atteint sa capacité maximale d’énergie, et peut éventuellement fournir son énergie excédentaire au réseau de distribution électrique, de chaleur ou d’air comprimé à des équipements du bâtiment ou extérieurs au bâtiment. L’excédent d’énergie peut aussi être stocké sous d’autres formes que du gaz comprimé dans les alvéoles, par exemple dans des pieux enfouis dans le sol ou des corbeilles énergétiques. De même, les calories excédentaires peuvent être utilisées pour les besoins énergétiques du bâtiment, le chauffage par exemple.

Considérons à un certain moment qu’il est nécessaire de restituer de l’énergie. Ce moment peut intervenir même si la capacité maximale de stockage n’est pas atteinte, et la demande peut provenir du bâtiment lui-même ou de l’extérieur (par exemple le réseau de distribution électrique). A ce moment, le système de contrôle 31 configure le moteur/générateur 12 en mode production d’électricité, commute la pompe/turbine dans sa fonction de turbine et ouvre la vanne 32 qui commande la sortie du gaz dans les alvéoles. Au début du cycle de restitution de l’énergie, la pression de l’air est maximale. Pour réguler cette pression, la vanne 32 est légèrement ouverte, et au fur et à mesure de la baisse de pression, la vanne est de plus en plus ouverte. De cette manière, il est possible de réguler le débit d’air et donc la quantité d’électricité produite.

Dans cette phase de restitution de l’énergie, l’air est détendu après avoir été réchauffé à l’aide : soit de l’énergie stockée dans les enceintes 15 de sources chaudes, soit d’un quelconque moyen de production de chaleur. La détente de l’air génère des frigories qui peuvent être utilisées pour un usage interne au bâtiment. Cette façon de procéder améliore l’efficacité du processus de restitution, car le système récupère à la fois de l’électricité mais également des frigories issues de la détente. Les frigories ainsi générées peuvent être utilisées par le système de climatisation du bâtiment 26. Les frigories produites par la détente peuvent être stockées dans la source froide 14. Cette source froide est maintenue à une température suffisamment basse en captant des frigories excédentaires produites par le bâtiment. Ces frigories transportées par un circuit fermé de fluide caloporteur peuvent provenir d’énergies fatales froides, ou d’une lame d’eau radiative en toiture 16 (à condition que la température extérieure soit suffisamment froide, en hiver par exemple).

Les moyens de compression et de détente isothermes de l'air contenu dans les alvéoles SVS sont réalisés à l’aide de compresseurs hydrauliques 28 et d’une turbine couplée à un échangeur thermique à eau.

Pendant la phase de compression il est prévu de rafraîchir l’air directement par contact AIR/EAU plus particulièrement par un dispositif de type pulvérisation 21 ou d’injection d’eau dans le cœur du compresseur (les frigories utilisées provenant d’une eau stockée au préalable, aux alentours de 20°C par exemple, ou de frigories récupérées d’un précédent cycle de détente. Les calories produites par la compression peuvent être stockées dans la source froide 15. Cette source chaude est maintenue à une température suffisamment haute en captant des calories excédentaires produites par le bâtiment. Ces calories transportées par un circuit fermé de fluide caloporteur peuvent provenir d’énergies fatales chaudes, ou de miroirs thermodynamiques solaires ou moyens géothermiques.

Le stockage des thermies et frigories peut s’opérer tout comme pour l'air comprimé, dans des enceintes isothermes 14 et 15 pratiquées dans les planchers SVS. L’expérimentation a montré que pour une surface de plancher SVS de 1 m2, correspondant à un volume d’alvéoles de 0.5 mètre cube, contenant de l’air à une pression nominale de 50 bars, le système peut capter : • une énergie électrique de 3,9kWh en phase de compression, et restituer à la fois : • une énergie thermique de 2,1 kWh en phase de compression, • une énergie frigorifique de 1,8 kWh en phase détente, • une énergie électrique de 1,9 kWh avec une puissance maximale de 1 kW en phase détente.

On constate que le système de stockage et restitution, basée sur le même principe que les pompe à chaleur, produit plus d’énergie qu’il n’en consomme, dans un rapport de 1 à 3 environ.

Si une ressource thermique est disponible pour améliorer le rendement du système alors, dans les mêmes hypothèses que celles annoncées précédemment, le système peut capter : • une énergie électrique de 3,9kWh en phase de compression • une énergie thermique complémentaire à fournir de 1,5 kWh en phase de détente (soit l’énergie fournie en une journée en été à Paris par 0,4 m2 de panneau sous vide). et restituer : • une énergie électrique de 2,9 kWh en phase de compression

En dimensionnant les volumes des alvéoles en fonction des besoins énergétiques du bâtiment, il est possible de concevoir un bâtiment à énergie positive, c’est à dire un bâtiment produisant plus d’énergie que celle consommée. Le surplus d’énergie est alors revendu à un fournisseur d’électricité. Pour augmenter la capacité de stockage, il est possible de multiplier le nombre de planchers SVS. Le stockage des calories et des frigories s’effectue par de l’eau, mais tout autre liquide caloporteur peut convenir. En particulier, des liquides ayant des propriétés anti-oxydantes permettant la protection des enceintes, des canalisations métalliques et des pompes.

Selon un mode particulier de réalisation, des séparateurs Air/Eau 29 sont placés au niveau de l’entrée d’air 30 et/ou au niveau de l’entrée des alvéoles 6. Ces séparateurs remplissent la fonction de dessiccateur, pour éliminer l’humidité présente dans le gaz venant de l’extérieur, et/ou le gaz introduit dans les alvéoles.

Selon un mode particulier de réalisation, l’électricité excédentaire au réseau ou en provenance d’une énergie renouvelable est utilisée pour comprimer un gaz via un moteur lié à un piston hydraulique ou hydropneumatique dans des alvéoles pratiquées dans la structure porteuse du bâtiment. Les calories et frigories produites dans les phases de compression et de détente peuvent être, soit stockées, soit utilisées directement pour les besoins énergétiques du bâtiment, de l’îlot ou de la ville. Lors de la compression, le gaz est refroidi pour être stocké à une température quasi constante dans les alvéoles. Lors de la restitution de l’énergie stockée, le gaz est réchauffé pour procéder à une détente quasi isotherme. Cette façon de procéder permet d'augmenter l’efficacité du processus, le système récupère durant cette phase à la fois de l’électricité mais également des frigories issues de la détente.

La FIG. 3 présente un schéma d’un bâtiment comportant un système de stockage et de restitution de l’énergie, selon un exemple particulier de réalisation. Ce bâtiment comporte huit étages dont le rez de chaussée et trois planchers SVS, deux consacrés pour le stockage et la restitution de l’énergie sous la forme de gaz comprimé, et un plancher contenant des enceintes isothermes pour créer des sources froides et chaudes.

Les trois planchers SVS séparent quatre trames du bâtiment qui sont, de bas en haut : la trame du parking et du sous-sol, la trame commerciale au rez de chaussée, la trame des bureaux et la trame des logements. Le schéma fait apparaître des pieux énergétiques 17 et des corbeilles géothermique 18 constituant un système complémentaire de stockage calorique inter-saisonnier. Ces équipements permettent de réchauffer le sol sous le bâtiment en y stockant des calories excédentaires produites par le bâtiment.

Des connexions vers le réseau urbain d’électricité, d’eau chaude et d’eau froide permettent de transmettre l’énergie concernée par le système de stockage et de restitution selon l’invention.

La FIG. 4 présente une portion d’un plancher SVS utilisé dans le cas d’un stockage de l’énergie par du gaz comprimé. L’épaisseur de tels planchers est de l’ordre du mètre ou plus afin de satisfaire à la nécessité d’inertie mécanique due à leurs grandes portées. La grande épaisseur des planchers SVS est mise à profit pour contenir une pluralité d’alvéoles longiformes 5 s’étendant d’un bout à l’autre du bâtiment et disposées parallèlement les unes aux autres. Ces alvéoles 6 ont avantageusement une section cylindrique et sont totalement noyées dans l’épaisseur du plancher en béton. Un prototype de réalisation conçu pour un plancher de 1,40 mètre comporte des alvéoles de section cylindrique de 0,80 mètre de diamètre. D’autres profils de section sont envisageables, par exemple ovale, le grand diamètre étant vertical. Ces alvéoles 6 sont reliées à une canalisation médiane 10 pour le transfert du gaz.

Les alvéoles sont avantageusement disposées dans l’épaisseur de planchers SVS, entre les poutres porteuses supportant le plateau supérieur. Selon un premier mode de réalisation, ces alvéoles sont des cylindres dotés de deux extrémités hémisphériques et d’une enveloppe en métal renforcé. Dans le cas du stockage hydropneumatique, les cylindres sont entourés de cerces constituées de barres métallique d’un diamètre de l’ordre de 8 à 10 millimètres disposés tous les 50 millimètres environ. Ces cerces sont fabriquées à l’aide d’un métal ayant une haute résistance et adhérence, de référence HAFe 500 MPa par exemple.

Lors de la construction du bâtiment, les alvéoles sont positionnées sur des jambages à une hauteur d’environ 20 cm d’un coffrage plan en bois ou d’une table coffrante confectionnée en atelier. Puis, du béton est coulé sur le coffrage jusqu’à ce que le ou les alvéoles en soit complètement recouvertes. Selon un perfectionnement, un revêtement d’isolation thermique est placé tout autour et au niveau des extrémités. De cette manière, le béton est moins soumis aux contraintes dues à la température du fluide contenu dans les alvéoles. Un revêtement extérieur, isolant ou non, peut être constitué avec une matière compressible pour compenser une éventuelle dilatation des alvéoles. Des aciers pour béton précontraints à très haute résistance sont placés de chaque coté des alvéoles pour renforcer la rigidité du plancher SVS ainsi constitué. Des fers à béton passifs du type de barres HAFe 500 sont formés et placés en partie haute pour la bonne répartition des efforts liés à la descente des charges des planchers supérieurs et ainsi former un pontage statique au dessus des alvéoles. D’autres fers à béton ou acier de post-contrainte ou précontrainte permettent de reprendre les efforts de traction en partie basse générés par la flexion du plancher. Une fois le béton sec, le coffrage est retiré et un nouveau plancher porteur peut être mise en œuvre un ou plusieurs étages au dessus.

Selon un autre mode de réalisation, des ballons en matière plastique souple et peu déformable sont gonflés à 4 bars de pression par un fluide liquide ou gazeux. Ces ballons ont la même forme que les alvéoles à créer. Les ballons sont maintenus par des cerceaux fixés au plancher en bois pour éviter leurs remontées lors du coulage du béton. Une fois le béton sec, le ballon reste en place, assurant ainsi une parfaite étanchéité à l’alvéole. Ce mode de réalisation évite d’utiliser des structures métalliques difficilement transportables à cause des dimensions et du poids. Selon un perfectionnement, le métal constitutif des alvéoles concoure à la solidité des planchers et vient renforcer les armatures de flexion des planchers SVS en plus de reprendre la pression radiale.

Les raccordements des canalisations sont avantageusement effectués lors de la mise en place des alvéoles métalliques ou des ballons. Les entrées et sorties de fluides peuvent également être réalisées ultérieurement en perçant le béton et en adaptant des manchons étanches.

Selon un perfectionnement, les alvéoles sont traversées par une conduite 19 formant une boucle contenant un fluide caloporteur, de l’eau par exemple. La longueur de la conduite 19 est suffisamment importante pour être en contact avec le gaz fournissant ainsi une grande surface d’échange thermique. La conduite 19 est tantôt parcourue par un fluide caloporteur froid provenant de la source froide et destiné à refroidir le gaz qui se comprime dans les alvéoles, tantôt parcourue par un fluide caloporteur chaud provenant de la source chaude et destiné à réchauffer le gaz qui se détend dans les alvéoles. Une sonde 23 se trouve dans au moins une cavité pour mesurer la température et ainsi fournir une indication pour le système de régulation thermique des alvéoles. La conduite 19 intervient en complément de l’échangeur thermique 8. Les calories et frigories captées par la conduite 19 peuvent également être utilisées pour des besoins internes au bâtiment 1.

La FIG. 5 présente une portion de plancher porteur utilisé par les enceintes isotherme 14 et 15 selon un exemple de réalisation. Selon un premier mode de réalisation, les enceintes sont revêtues intérieurement ou extérieurement d’un isolant thermique. Les canalisations supérieure 40 et canalisations inférieures 41 sont également isolées de la structure du bâtiment et sont reliées à la centrale 10 de transformation énergétique et de stockage. La section des enceintes isotherme peut être par exemple ovale ou rectangulaire, en épousant la forme des structures porteuses du bâtiment. En effet, ces enceintes ne sont pas soumises aux pressions des alvéoles et peuvent donc prendre des formes diverses, en occupant tout l’espace disponible.

La FIG. 6 présente un exemple de succession des étapes permettant le stockage et la restitution de l’énergie dans des vides de structure d’un bâtiment. A l’étape 6.1, un bâtiment est construit comprenant des planchers de reprise. Selon un mode particulier de réalisation, les planchers sont constitués de structures longiformes présentant un plateau en partie supérieure et inférieure. La structure de ces éléments longiformes est dite alvéolaire. Un élément peut-être constitué d’une ou plusieurs alvéoles.

Les flancs des structures présentent des évidements circulaires, typiquement en forme de demi-cylindres, formant des demi-alvéoles. Ces structures alvéolées sont fabriquées en atelier et amenées sur le lieu du bâtiment 1. Au cours de la construction, les structures alvéolées sont montées dans le bâtiment et jointes les unes aux autres, les plateaux formant le plan supérieur du plancher. Les bords des demi-alvéoles sont recouverts d’un joint résistant à la pression et/ou à la chaleur de façon à constituer des enceintes étanches. Des éléments de fixation maintiennent solidement les structures en contact les unes des autres, l’ensemble formant un plancher SVS (étape 6.2). Cette étape est répétée lors de chaque réalisation d’un plancher SVS. A l’étape 6.3, les ensembles d’alvéoles ainsi constitués par planchers sont reliés à une centrale d’échange d’énergie située de préférence au sous-sol du bâtiment. Une fois le bâtiment complètement réalisé, du fluide caloporteur est injecté dans les enceintes de source chaude et froide. Les enceintes de source froide et chaude peuvent être d’un diamètre inférieur à celui des alvéoles qui contiennent uniquement du gaz. Les enceintes de source froide et chaude possèdent des canalisations situées en dessous des alvéoles de sorte que le liquide caloporteur peut être entièrement évacué. Le liquide caloporteur possède une densité environ 2,5 fois moindre que le béton armé utilisé pour la réalisation des planchers SVS, ce qui permet un gain de poids améliorant la portance du plancher SVS.

Des capteurs d’énergie (solaire, éolien, géothermie, réseau urbain ...) producteur d’électricité sont raccordés à un moteur actionnant un piston qui transfère par compression d’air aux canalisations de l’air comprimé, de la chaleur ou du froid dans les alvéoles (étape 6.4). A l’étape 6.5, du gaz est comprimé jusqu’à une pression nominale dans les alvéoles. Lorsque le bâtiment en a besoin ou lorsque le réseau de distribution électrique le demande, à l’étape 4.6, l’énergie est restituée sous forme électrique ou thermique par une détente du gaz contenu dans les alvéoles.

De cette façon, le bâtiment ainsi équipé dispose de son propre moyen de stockage énergétique et peut éventuellement recevoir la qualification de bâtiment autonome en énergie ou à énergie positive. L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d’être décrits. En particulier, l’invention peut être mise en œuvre dans tout bâtiment, maison, immeuble, équipement collectif tel que des parkings, piscines ou des salles de sports ainsi que tout ouvrage d’art ou plateforme de stockage des EnR pour les véhicules à air comprimé ou hybrides.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de stockage de l’énergie caractérisé en ce qu’il comporte : - une étape de création d’au moins une première, cavité dans au moins un plancher (5) d’un bâtiment (1), l’enveloppe de l’au moins une première cavité (6) étant intégrée dans la structure porteuse du bâtiment, - une étape de stockage de l’énergie en introduisant du gaz comprimé à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans l’au moins une première cavité (6), et - une étape de détente dudit gaz sous pression contenu dans l’au moins une première cavité pour produire de l’énergie.
2. 2. Procédé de stockage selon la revendication 1 ; caractérisé en ce que l’étape de stockage comporte une étape de transfert dans un milieu de la chaleur produite par la compression du gaz de façon que l’écart de température du à Réchauffement du gaz se situe en-dessous d’un premier seuil.
3. 3. Procédé de stockage selon la revendication 2 ; caractérisé en ce que le milieu destiné à recevoir la chaleur produite par la compression du gaz est une quantité déterminée d’un liquide contenu dans au moins une seconde cavité (14) intégrée dans la structure porteuse du bâtiment.
4. 4. Procédé de stockage selon la revendication 2 ; caractérisé en ce que la chaleur produite par la compression du gaz est transmise à un équipement de chauffage utilisé par les occupants du bâtiment.
5. 5. Procédé de stockage selon l’une quelconque des revendications 2 à 4 ; caractérisé en ce que l’étape de transfert de chaleur consiste à injecter un nuage de gouttelettes d’eau dans une première enceinte (8) d’un compresseur comprimant le gaz pour former un mélange d’eau et de gaz, l’eau étant séparée du gaz avant que ledit gaz soit introduit dans l’au moins une première cavité.
6. 6. Procédé de stockage selon la revendication 1 ; caractérisé en ce que l’étape de restitution comporte une étape de réchauffement du gaz par une source d’énergie annexe lors de la détente de façon que l’écart de température du à la détente du gaz se situe en-dessous d’un second seuil.
7. 7. Procédé de stockage selon la revendication 6 ; caractérisé en ce que ladite source d’énergie annexe provient de la chaleur d’une quantité déterminée d’un liquide contenu dans au moins une troisième cavité (15) intégrée dans la structure porteuse du bâtiment.
8. 8. Procédé de stockage selon l’une des revendications 3 ou 7, caractérisé en ce que la seconde cavité (14) et/ou la troisième cavité (15) comporte des moyens de maintien du liquide à une température constante.
9. 9. Procédé de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes ; caractérisé en ce que l’étape de stockage se termine lorsque le gaz atteint une pression maximale dans l’au moins une première cavité (6).
10. 10. Procédé de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes ; caractérisé en ce que l'énergie utilisée pour la compression du gaz est produite par des sources d’énergies renouvelables installées sur le bâtiment (1).
11. 11. Bâtiment (1) doté d’une structure porteuse caractérisé en ce qu’il comporte : - au moins un plancher (5) contenant au moins une cavité (6), l’enveloppe de l’au moins une cavité (6) étant intégrée dans la structure porteuse dudit plancher, - un moyen de stockage de l’énergie en comprimant un gaz à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans l’au moins une cavité, et - un moyen de production de l’énergie ainsi stockée par la détente d’une partie au moins du gaz comprimé dans les alvéoles.