FR3018100B1 - Systeme de conversion d'energie eolienne en energie electrique integrant un moyen de stockage d'air comprime - Google Patents

Systeme de conversion d'energie eolienne en energie electrique integrant un moyen de stockage d'air comprime Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système de conversion d'énergie éolienne en énergie électrique, le système intégrant des moyens de conversion et de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé (8). Selon l'invention, les moyens de conversion et de stockage d'énergie comprennent des compresseurs (4, 5) reliés à l'éolienne, des moyens de stockage de la chaleur (6, 7) et des moyens de stockage de l'air comprimé (8), et des turbines (9, 10) reliées à une génératrice électrique (11).

Description

La présente invention concerne le domaine des énergies renouvelables et plus particulièrement un système intégré de conversion et de stockage de l’énergie produite par des éoliennes.
Depuis le début des années 1990, l'énergie éolienne a connu un regain d'intérêt, en particulier dans l'Union Européenne où le taux de croissance annuel est d'environ 20 %. Cette croissance est attribuée à la possibilité inhérente de production d'électricité sans émissions de dioxyde de carbone. Afin de soutenir cette croissance, le rendement des éoliennes doit continuer à être amélioré. La perspective d'augmentation de production d'énergie éolienne nécessite le développement d'outils de production efficaces, d'outils de contrôle avancé pour améliorer les performances des machines, et de moyens de gestion de l’énergie.
Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique ou mécanique. Les éoliennes sont classées essentiellement en deux catégories : les éoliennes à axe horizontal et les éoliennes à axe vertical, l’axe désignant l’axe de la partie tournante de l’éolienne.
Pour la conversion du vent en énergie électrique, une éolienne à axe horizontal se compose classiquement des éléments suivants : - un mât permettant de placer un rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement ou de placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol ; - une nacelle montée au sommet du mât, abritant des composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction ; - un rotor, fixé à la nacelle, comprenant plusieurs pales (en général trois) et le nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il est relié par un arbre mécanique directement ou indirectement (via un système de boite de vitesse et d'arbre mécanique) à une machine électrique (générateur électrique...) qui convertit l'énergie recueillie en énergie électrique ; - une transmission, composée de deux axes (arbre mécanique du rotor et arbre mécanique de la machine électrique) reliés par une transmission (boite de vitesse).
Pour la conversion du vent en énergie électrique, une éolienne à axe vertical se compose classiquement des éléments suivants : - un arbre tournant vertical ; - de pales verticales entraînées par le vent, les pales sont solidaires de l’arbre tournant de manière à transmettre le mouvement à l’arbre, l’ensemble arbre, pales et bras de support des pales constituent le rotor ; - une transmission ; et - une machine électrique (génératrice électrique...) et des équipements de puissance qui convertissent l'énergie de rotation du rotor en énergie électrique.
Une éolienne à axe vertical ne nécessite pas d’être orienté face au vent.
La principale problématique des éoliennes est qu’elles fournissent de l’énergie de manière discontinue, alors que l’énergie électrique peut être inutile à l’instant où les éoliennes sont en fonctionnement et nécessaire lorsqu’elles sont à l’arrêt. C’est pourquoi, des moyens pour stocker de l’énergie produite par les éoliennes ont été développés.
La solution la plus souvent envisagée est le stockage de l’énergie électrique sous forme de batterie électrique. Toutefois, cette solution ne présente pas un rendement suffisant, est onéreuse, lourde, encombrante, notamment pour les systèmes embarqués sur les éoliennes marines (offshore).
Une autre solution envisagée est l’utilisation de stockage d’air comprimé (CAES de l’anglais « compressed air energy storage ») : pour le stockage, l’énergie électrique produite entraîne des compresseurs d’air, et pour le déstockage, l’air comprimé entraîne des turbines reliées à une génératrice électrique. Le rendement de cette solution n’est pas optimal car une partie de l’énergie de l’air comprimé se retrouve sous forme de chaleur qui n’est pas utilisée, en outre cette solution nécessite une première génératrice électrique avant le stockage pour entraîner les compresseurs. Par exemple, la demande de brevet DE 102010035393 A1 décrit une turbine adaptée au stockage d’air comprimé CAES.
De plus, actuellement, les éoliennes et les moyens de stockage de l’énergie étant développés indépendamment l’un de l’autre, aucune réalisation actuelle ne prévoit une solution intégrée comprenant un couplage entre l’éolienne et les moyens de stockage de l’énergie. L’invention concerne un système de conversion d’énergie éolienne en énergie électrique, le système intégrant des moyens de conversion et de stockage d’énergie sous forme d’air comprimé. Selon l’invention, les moyens de conversion et de stockage d’énergie comprennent des compresseurs reliés à l’éolienne, des moyens de stockage de la chaleur et des moyens de stockage de l’air comprimé, et des turbines reliées à une génératrice électrique. Ainsi, l’invention propose un système intégré, permettant de stocker le maximum d’énergie.
Le système selon l’invention L’invention concerne un système de conversion d’énergie éolienne en énergie électrique comprenant au moins une éolienne, des moyens de conversion et de stockage d’énergie et au moins une génératrice électrique. Lesdits moyens de conversion et de stockage d’énergie comprennent : - une pluralité de moyens de compression d’air entraînés par ladite éolienne, - au moins un moyen d’échange et de stockage de la chaleur de l’air comprimé, - au moins un réservoir de l’air comprimé par lesdits moyens de compression, et - une pluralité de moyens de détente entraînés par l’air comprimé en sortie dudit réservoir, l’air comprimé étant chauffé par lesdits moyens d’échange et de stockage de la chaleur, et lesdits moyens de détente étant reliés à ladite génératrice électrique.
Selon l’invention, ladite éolienne est une éolienne à axe vertical, lesdits moyens de compression étant reliés au rotor de ladite éolienne.
Avantageusement, lesdits moyens de compression sont reliés audit rotor au moyen d’un réducteur ou d’une boîte de vitesse.
De préférence, lesdits moyens d’échange et de stockage de la chaleur sont disposés entre lesdits moyens de compression.
De manière avantageuse, lesdits moyens de conversion et de stockage d’énergie comprennent un nombre de moyens de détente supérieur ou égal au nombre de moyens de compression
Selon un mode de réalisation de l’invention, lesdits moyens de détente sont montés sur le même arbre et entraînent une seule génératrice électrique.
Alternativement, lesdits moyens de détente entraînent une pluralité de génératrices électriques.
Selon un aspect de l’invention, ledit moyen d’échange et de stockage de chaleur comprend des matériaux à changement de phase.
Selon une variante de réalisation de l’invention, lesdits moyens de compression sont montés sur le même arbre.
En outre, l’invention concerne un support flottant comprenant le système de conversion de l’énergie selon l’invention. Lesdits moyens de conversion et de stockage de la chaleur sont placés au moins partiellement dans un flotteur.
Avantageusement, lesdits moyens de conversion et de stockage de la chaleur sert de ballast pour ledit flotteur.
Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant à la figure annexée et décrite ci-après.
La figure 1 illustre un système de conversion d’énergie éolienne avec une éolienne offshore à axe vertical selon un mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l'invention L’invention concerne un système de conversion d’énergie éolienne en énergie électrique. Selon l’invention, le système de conversion comprend une éolienne, des moyens de conversion et de stockage d’énergie et au moins une génératrice électrique. Les moyens de conversion et de stockage d’énergie permettent le stockage et la décharge (déstockage) de l’énergie sous une forme pneumatique et sous forme de chaleur. Lors du stockage de l’énergie, les moyens de conversion et de stockage de l’énergie permettent de convertir l’énergie mécanique en provenance de l’éolienne en énergie pneumatique et de conserver cette énergie pneumatique ainsi que la chaleur générée. Lors de la décharge de l’énergie, les moyens de conversion et de stockage convertissent l’énergie stockée (pneumatique et chaleur) en énergie mécanique destinée à au moins une génératrice électrique pour la conversion en énergie électrique.
Avantageusement, les moyens de conversion et de stockage de l’énergie sont du type CAES adiabatique avancé (AACAES de l’anglais « advance adiabatic compressed air energy storage »). Dans ce cas, les moyens de conversion et de stockage de l’énergie comprennent : des moyens de compression, des moyens d’échange et de stockage de la chaleur, au moins un réservoir d’air comprimé, des moyens de détente.
Les moyens de compression, de préférence des compresseurs, sont entraînés par l’éolienne, directement ou au moyen d’un réducteur ou d’une boîte de vitesse. Les moyens de compression sont étagés et compriment l’air par des étapes successives. De manière avantageuse, les moyens de compression sont montés sur un même arbre qui est entraîné par l’éolienne, l’arbre de rotation pouvant être le moyeu des compresseurs. Les moyens de compression peuvent avoir le même rapport de compression ou des rapports de compression différents.
Les moyens d’échange et de stockage de la chaleur permettent de récupérer et stocker la chaleur due à la compression de l’air et de fournir cette chaleur à l’air comprimé avant le passage dans les moyens de détente. Les moyens d’échange et de stockage de la chaleur peuvent être introduits entre chaque étage de compression, afin de stocker la chaleur issue de la compression. Le stockage de la chaleur peut être réalisé à l’aide de matériaux à changement de phase (MCP) ou à l’aide d’un mélange de MCP avec un fluide, comprenant par exemple des paraffines.
Le réservoir d’air comprimé permet de stocker l’air comprimé par les moyens de compression et refroidi par les moyens d’échange et de stockage de la chaleur. Ainsi, l’air est stocké à haute pression et à température ambiante.
Les moyens de détente, de préférence des turbines, sont entraînés par l’air comprimé contenu dans le réservoir d’air comprimé. Préalablement, l’air comprimé est réchauffé par les moyens d’échange et de stockage de la chaleur. Les turbines entraînent au moins une génératrice électrique afin de fournir de l’énergie électrique au moment souhaité. Avantageusement, l’air comprimé est chauffé entre chaque étage de détente de l’air, ce qui permet de réaliser une détente d’un gaz comprimé chaud afin d’obtenir une meilleure conversion énergétique (plus efficace). Ainsi, la chaleur stockée est utilisée également pour générer de l’énergie électrique, ce qui permet de limiter les pertes énergétiques dues aux conversions. De préférence, les turbines sont montées sur un même arbre et entraînent une seule génératrice électrique. Le système de conversion et de stockage de l’énergie comporte de préférence un nombre de moyens de détente au minimum égal au nombre de moyens de compression.
Ainsi, grâce au système de conversion de l’énergie selon l’invention, on peut lisser la production électrique d’une éolienne. Par exemple, une éolienne fournissant 5 MW pendant 3100 h/an peut fournir 2,5 MW pendant 6200 h/an ou on peut concentrer la production d’énergie électrique pendant les heures de pointes afin de pallier aux consommations importantes. Le système selon l’invention permet également de réaliser des économies sur la connexion électrique, car la puissance maximale à transporter est plus faible. De plus, le système de conversion selon l’invention ne nécessite pas une conversion immédiate de l’énergie mécanique en énergie électrique.
La figure 1 illustre, de manière non limitative, un mode de réalisation d’un système de conversion selon l’invention. Ce système de conversion est un système offshore, destiné à être utilisé en mer. Pour cela, l’éolienne est disposée sur un flotteur 12. Selon le mode de réalisation illustré, l’éolienne est une éolienne à axe vertical comprenant un arbre 1, des bras de support 2 (également appelés par le terme anglais « strut »), et des pales verticales 3. Ainsi, le rotor de l’éolienne est relié aux moyens de conversion et de stockage de l’énergie, ce qui permet une transmission directe et un montage simplifié.
Tel qu’illustré, le flotteur 12 comprend en son sein les moyens de conversion et de stockage de l’énergie. Cette solution permet de réduire l’encombrement du système offshore de conversion de l’énergie. Pour cet exemple de réalisation, les moyens de conversion et de stockage de l’énergie sont constitués de deux étages de compression 4 et 5, de deux réservoirs de chaleur 6 et 7, de deux étages de détente 9 et 10 et d’un stockage d’air comprimé 11. Dans ce cas, le compresseur 4 est un compresseur basse pression, le compresseur 5 un compresseur haute pression, la turbine 9 une turbine haute pression et la turbine 10 une turbine basse pression. Les compresseurs 4 et 5 sont montés sur un même arbre directement sur le rotor 1 de l’éolienne et les turbines 9 et 10 sont montées sur un même arbre directement sur l’arbre de la génératrice électrique 11.
Sur cette figure, la circulation de l’air est représenté par des flèches, les flèches formées d’un trait continu COM concernent la compression, et les flèches formées d’un trait pointillé DET concernent la détente. L’air prélevé en dehors du flotteur est d’abord comprimé par le compresseur basse pression 4 (entraîné par le rotor 1), puis passe dans le premier moyen d’échange et de stockage de la chaleur 6 afin de capter la chaleur issue de la compression. L’air ainsi comprimé et refroidi est comprimé dans le compresseur haute pression 5 (entraîné par le rotor 1), puis passe dans le deuxième moyen d’échange et de stockage 7 afin de capter la chaleur issue de la compression. L’air comprimé et refroidi sensiblement à la température ambiante est stocké à haute pression dans le réservoir d’air comprimé 8.
Lors d’une demande en électricité, ou lorsqu’un opérateur le souhaite, l’air comprimé stocké est déchargé du réservoir 8 pour la génération d’électricité. Pour cela, en sortie du réservoir 8 , l’air comprimé est réchauffé dans le deuxième moyen d’échange et de stockage de la chaleur 7, puis passe dans la turbine haute pression 9 (entraînant la génératrice électrique 11). En sortie de la turbine haute pression, l’air détendu et refroidi est réchauffé par le premier moyen d’échange et de stockage de la chaleur 6. L’air ainsi réchauffé passe dans la turbine basse pression 10 (entraînant la génératrice électrique 11). L’air est ensuite rejeté à l’extérieur du flotteur 12.
Variantes de réalisation
Les variantes de réalisation décrites ci-dessous peuvent être prises seules ou en combinaison avec l’exemple de réalisation de la figure 1 ou avec les autres variantes de réalisation décrites dans la présente demande.
Le système de conversion peut être un système offshore ou un système de conversion terrestre. Dans ce deuxième cas, les moyens de conversion et de stockage de l’énergie peuvent être enfouis ou disposés à la surface de la terre.
Selon une variante de réalisation de l’invention, l’éolienne est une éolienne à axe horizontal. Dans ce cas, le rotor de l’éolienne peut être reliée aux moyens de conversion et de stockage de l’énergie au moyen d’une transmission, notamment par un renvoi d’angle. Alternativement, l’éolienne peut être une éolienne multi-turbines, par exemple telle que décrite dans les demandes de brevet FR 2954475 et FR 2954415.
Dans le cas d’un système de conversion offshore, les moyens de conversion et de stockage de l’énergie peuvent être à l’extérieur du flotteur, par exemple sur une plateforme.
Les moyens de conversion et de stockage de l’énergie peuvent comprendre une pluralité de réservoirs d’air comprimé.
Dans le cas d’un système de conversion offshore, le ou les réservoirs d’air comprimé peuvent être introduits au sein du flotteur, ou disposées à l’extérieur du flotteur, par exemple sur une plateforme.
Les moyens de détente peuvent entraîner chacun une génératrice électrique ou être répartis sur plusieurs arbres, chaque arbre entraînant une génératrice électrique.
Dans le cas d’un système de conversion offshore, le vecteur de stockage de chaleur peut remplacer une partie du ballast du flotteur. Dans ces conditions, sa position doit être optimisée afin de réaliser au mieux son rôle de ballast.
Le nombre de moyens de compression et de moyens de détente peut être compris entre 2 et 10.
Exemple de réalisation
On présente un exemple de réalisation selon la figure 1 adapté à une éolienne de 5 MW. On suppose que l'éolienne fonctionne 3100 h par an en équivalant pleine puissance. Elle produit ainsi 15500 MWh par an. Dans cet exemple, on souhaite injecter l'électricité sur le réseau électrique pendant les périodes de pointes deux heures le matin et deux heures le soir. En tenant compte du rendement du système, cela correspond à un stockage d'environ 15 MWh.
Caractéristiques du système AACAES • Rendement global : 68 % • Rendement du compresseur : 87 % • Rendement des turbines : 90 % • Nombre d'étage de compression : 5 étages • Nombre d'étage de détentes : 5 étages • Taux de compression / détente : 3 • Pression de stockage : 243 bars • Pression en entrée turbine : 196 bars • Volume de stockage d'air pressurisé: 1300 m3
• Température en entrée turbine : 115 °C • Chaleur de changement de phase des MCP : 144MJ/m3 = 40 kWh/m3 • Énergie thermique = Énergie stockée = 15 MWh • Volume de stockage actif : 375 m3 • Volume de stockage total : 1125 m3 (fraction volumique de MCP = 1/3)
Caractéristique du Flotteur • Cylindre : rayon 13 m, hauteur 20,5 m • Mase : ~ 8500 tonnes
Dimensions des réservoirs (tore a section rectangulaire) : • Stockage d'air o hauteur : 4 m o rayon interne : 6,4 m o rayon externe :12m • Stockage de la chaleur o hauteur : 4 m o rayon interne : 7,4 m o rayon externe :12m

Claims (10)

  1. Revendications 1} Système de conversion d’énergie éolienne en énergie électrique comprenant au moins une éolienne à axe vertical, des moyens de conversion et de stockage d’énergie et au moins une génératrice électrique (11), caractérisé en ce que lesdits moyens de conversion et de stockage d’énergie comprennent : - une pluralité de moyens de compression (4, 5) d’air entraînés par ladite éolienne, lesdits moyens de compression (4, 5) étant reliés au rotor (1) de ladite éolienne, - au moins un moyen (6, 7) d’échange et de stockage de la chaleur de l’air comprimé, - au moins un réservoir (8) de l'air comprimé par lesdits moyens de compression, et - une pluralité de moyens de détente (9, 10) entraînés par l’air comprimé en sortie dudit réservoir (8), l’air comprimé étant chauffé par lesdits moyens d’échange et de stockage de la chaleur (6, 7), et lesdits moyens de détente (9,10) étant reliés à ladite génératrice électrique (11).
  2. 2) Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de compression (4, 5) sont reiiés audit rotor (1) au moyen d’un réducteur ou d’une boîte de vitesse.
  3. 3) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens d’échange et de stockage de la chaleur (6, 7) sont disposés entre iesdits moyens de compression (4, 5).
  4. 4) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel iesdits moyens de conversion et de stockage d’énergie comprennent un nombre de moyens de détente (9, 10) supérieur ou égal au nombre de moyens de compression (4, 5).
  5. 5) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de détente (9, 10) sont montés sur le même arbre et entraînent une seule génératrice électrique (11).
  6. 6) Système selon l’une des revendications 1 â 4, dans lequel lesdits moyens de détente (9, 10) entraînent une pluralité de génératrices électriques (11).
  7. 7) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen d’échange et de stockage de chaleur (6, 7) comprend des matériaux à changement de phase.
  8. 8) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de compression (4, 5) sont montés sur le même arbre.
  9. 9) Support flottant comprenant le système de conversion de l’énergie selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de conversion et de stockage de la chaleur sont placés au moins partiellement dans un flotteur (12).
  10. 10) Support flottant selon la revendication 9. dans lequel lesdits moyens de conversion et de stockage de la chaleur servent de ballast pour ledit flotteur (12).
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