FR3018318A1 - Procede et installation de stockage et de restitution d'energie electrique au moyen d'air comprime avec apport de calories d'une installation de production de clinker de ciment - Google Patents

Abstract

Procédé et installation de stockage et de restitution d'énergie électrique dans une installation (1) associant une unité (2) de fabrication de clinker de ciment dans laquelle on transforme par cuisson de la matière crue minérale en clinker, obtenant du clinker chaud (5) refroidi en deux étapes successives, et une unité (3) de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé, comprenant une étape de compression d'air, une étape de stockage de l'air comprimé à l'étape dans un réservoir (21), une étape de production d'énergie électrique par une turbine à air multi-étage (23) entrainée par de l'air stocké à l'étape de stockage. Selon ce procédé, . on réalise de manière continue la première étape de refroidissement du clinker, . on commande par intermittence la deuxième étape de refroidissement du clinker partiellement refroidi (14),

Description

PROCÉDÉ ET INSTALLATION DE STOCKAGE ET DE RESTITUTION D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE AU MOYEN D'AIR COMPRIMÉ AVEC APPORT DE CALORIES D'UNE INSTALLATION DE PRODUCTION DE CLINKER DE CIMENT L'invention concerne un procédé et une installation de stockage et de restitution d'énergie électrique au moyen d'air comprimé utilisant avantageusement un apport de calories provenant d'une installation de production de clinker de ciment.

Il est connu d'utiliser de l'air comprimé comme vecteur de stockage d'énergie électrique. De l'air ambiant est comprimé à l'aide d'un compresseur multi-étages et stocké sous pression dans un réservoir pendant les périodes de faible demande du réseau électrique. Lors des périodes de forte demande du réseau électrique, l'air comprimé est utilisé pour entrainer une turbine, typiquement une turbine à air multi-étages, reliée à un alternateur. La compression de l'air s'accompagne d'un dégagement de chaleur alors que sa détente dans la turbine est endothermique. Il est connu de collecter la chaleur dégagée lors de la compression, de la stocker, puis de la restituer à l'air lors de l'étape de détente. Il en résulte un cycle de compression/détente sensiblement adiabatique avantageux pour le rendement global de l'installation. W02012160311 enseigne un procédé et une installation de ce type. La captation de la chaleur dégagée lors de la compression, son stockage, puis sa restitution lors de l'étape de détente sont cependant compliqués et coûteux. En pratique, il est difficile d'obtenir un système adiabatique en raison des pertes calorifiques liées à l'efficacité de l'isolation des circuits et réservoirs. Par ailleurs, les compresseurs multi-étages utilisés pour les cycles adiabatiques ne tolèrent qu'un échauffement limité de l'air. Il en résulte que la température du fluide caloporteur utilisé pour capter les calories de l'air lors de la compression est en pratique limitée à environ 250°C (degrés Celsius). Le réchauffage de l'air lors de l'étape de détente est ainsi limité à une température d'environ 250°C alors qu'il serait avantageux de porter celle-ci à un plus haut niveau pour améliorer le rendement de conversion de la turbine à air et augmenter la densité énergétique de stockage. Les installations de production de clinker de cimenterie comprennent généralement un four rotatif, précédé, dans le sens de circulation de la matière traitée, d'un préchauffeur à cyclones, et suivi d'un refroidisseur à clinker. Ces installations consomment des quantités importantes d'énergie sous forme de combustible, de l'ordre de 3200 Méga Joules par tonne de clinker pour les usines modernes. De grandes quantités de fumées et gaz chauds sont produites et sont mises en contact avec les matières pour leur échanger la chaleur qu'elles contiennent. Compte tenu des limitations techniques et technologiques concernant les échanges, les fumées et gaz finaux contiennent encore une partie de la chaleur apportée par le combustible. Du côté amont, dans le sens de circulation des matières, les fumées de combustion quittent le préchauffeur à cyclones à une température comprise entre 300°C et 400°C, en emportant environ 20% de l'énergie du combustible. Du côté aval, une partie de l'air utilisé pour le refroidissement du clinker quitte le refroidisseur à une température d'environ 800 à 900°C pour alimenter les brûleurs en air chaud. Le solde de l'air de refroidissement, connu par l'homme du métier sous la dénomination « d'air d'exhaure », quitte le refroidisseur à clinker à une température comprise généralement entre 200°C et 300°C, en emportant environ 10% de l'énergie du combustible. L'énergie contenue dans l'air d'exhaure du refroidisseur n'est généralement pas utilisée directement dans le procédé de production de ciment.

L'homme du métier connaît des systèmes de récupération de chaleur perdue de ces gaz qui utilisent des échangeurs pour produire de la vapeur (d'eau ou d'hydrocarbure), conduite vers une turbine pour la production d'électricité. Afin d'améliorer le rendement de conversion de l'énergie dans la turbine, il est connu de ne traiter qu'une partie de l'air d'exhaure collectée à plus haute température. On achemine à l'échangeur de l'air à une température supérieure à 400°C et on abandonne la valorisation de la partie à plus basse température ; le rendement de conversion thermique est amélioré, mais la quantité d'air excédentaire valorisé est diminuée. Une autre solution d'amélioration du rendement énergétique consiste essentiellement à utiliser, en supplément de la chaleur de l'air excédentaire, une autre quantité de chaleur à plus haute température. Par exemple, le document W02009156614 enseigne une installation de production de clinker dans laquelle l'air excédentaire, de température inférieure ou égale à 300°C, coopère avec un générateur de vapeur, un deuxième échangeur coopérant avec une source de chaleur à plus haute température, en l'espèce de l'air tertiaire à une température au moins égale à 750°C, pour surchauffer cette vapeur. Cette vapeur surchauffée est conduite vers une turbine pour la production d'électricité. Une telle solution, qui utilise en complément de la chaleur de l'air d'exhaure un supplément de chaleur, permet d'augmenter le rendement de 15 conversion. Toutefois la consommation calorifique de l'installation est augmentée. Un autre inconvénient de ces systèmes de récupération de chaleur est qu'ils doivent subir les fluctuations de fonctionnement de l'installation de production de clinker et ne peuvent être totalement optimisés. 20 Le but de la présente invention est de proposer un procédé de stockage d'énergie électrique qui pallie les inconvénients précités tout en valorisant de l'énergie disponible dans une installation de production de clinker de ciment. L'invention combine avantageusement une unité de stockage et restitution d'énergie électrique à air comprimé avec une cimenterie permettant 25 d'optimiser le rendement des deux systèmes. Elle amène à apporter des modifications au procédé de fabrication de clinker de ciment, ainsi qu'à l'installation de production de ce clinker. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la 30 limiter.

A cet effet, l'invention concerne tout d'abord un procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique dans une installation. L'installation associe d'une part une unité de fabrication de clinker de ciment dans laquelle est transformée par cuisson de la matière crue minérale en clinker, obtenant du clinker chaud lequel est refroidi en deux étapes de refroidissement successives, et d'autre part une unité de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé. Le procédé comprend une étape de compression d'air, une étape de stockage de l'air comprimé à l'étape de stockage dans un réservoir, et une étape de production d'énergie électrique par décompression d'au moins une partie de l'air stocké à l'étape de stockage. Le procédé comprend en outre les étapes suivantes, dans lesquelles : on réalise de manière continue la première étape de refroidissement du clinker, on stocke le clinker partiellement refroidi, on commande par intermittence la deuxième étape de refroidissement du clinker partiellement refroidi, on réalise la seconde étape de refroidissement du clinker par échange de chaleur avec un fluide caloporteur, lors de l'étape de production d'énergie électrique, on réalise un 20 chauffage de l'air comprimé provenant du réservoir de stockage par tout ou partie du fluide caloporteur réchauffé suite à l'échange de chaleur dans la seconde étape de refroidissement. L'étape de compression d'air est par exemple réalisée au plus près d'une compression isotherme. 25 L'unité de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé peut comprendre une turbine à air multi-étages pour réaliser l'étape de production d'énergie électrique. Le chauffage de l'air comprimé est alors réalisé en amont de la turbine à air multi-étage et lors du passage de l'air comprimé entre deux étages de la turbine à air multi-étage.

Selon un mode de réalisation pour réaliser le chauffage de l'air comprimé, au moins une source de chaleur d'appoint est utilisée en complément de tout ou partie du fluide caloporteur réchauffé. Selon un premier exemple de ce mode de réalisation, l'unité de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé peut comprendre une turbine à air multi-étages pour réaliser l'étape de production d'énergie électrique. L'air sortant de la turbine à air multi-étage constitue alors une source de chaleur d'appoint. La source de chaleur d'appoint comprenant de l'air sortant de la turbine à air multi-étage peut en outre être utilisée pour effectuer un préchauffage de l'air comprimé sortant du réservoir de stockage avant un chauffage de celui-ci par tout ou partie du fluide caloporteur réchauffé. Selon un deuxième exemple de ce mode de réalisation, la source de chaleur d'appoint comprend un générateur de gaz chaud ou une chaudière à fluide thermique, ou l'unité de fabrication de clinker de ciment. Selon un mode de réalisation, l'étape de compression de l'air est réalisée pendant les périodes de faible demande du réseau électrique et/ou de forte production d'énergies issues de sources renouvelables non exploitées au mieux de leur production.

Selon un mode de réalisation, l'étape de production d'énergie électrique est réalisée pendant les phases de forte demande du réseau électrique. Selon un mode de réalisation, le fluide caloporteur réchauffé est un gaz et il est dépoussiéré préalablement à son utilisation pour le chauffage de l'air comprimé provenant du réservoir de stockage, ou postérieurement à celle-ci, avant sa mise à l'atmosphère. L'invention concerne également une installation de stockage et de restitution d'énergie électrique associant : d'une part une unité de fabrication de clinker de ciment comprenant un premier refroidisseur et un deuxième refroidisseur par échange de chaleur avec un fluide caloporteur, et d'autre part une unité de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé comprenant un compresseur à air, un réservoir pour stocker l'air comprimé par le compresseur, une turbine pour décompresser l'air stocké dans le réservoir et au moins un échangeur de chaleur pour chauffer l'air à l'entrée de la turbine. Le au moins un échangeur de chaleur est par ailleurs relié au deuxième refroidisseur, de sorte que le fluide caloporteur réchauffé dans le deuxième refroidisseur est utilisé pour chauffer l'air comprimé dans le au moins un échangeur de chaleur.

La turbine est par exemple une turbine multi-étages. L'entrée de chaque étage de la turbine est alors reliée à au moins un échangeur de chaleur, chaque échangeur de chaleur étant relié au deuxième refroidisseur. Un échangeur peut de plus être utilisé pour préchauffer l'air comprimé provenant du réservoir par l'air sortant de la turbine à air multi-étage.

Des moyens de commande par intermittence du deuxième refroidisseur peuvent être mis en oeuvre, pour que la seconde étape de refroidissement puisse être commandée par intermittence. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - La figure 1 représente schématiquement une installation de stockage et de restitution d'énergie électrique, associant une unité de fabrication de clinker de ciment et une unité de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé, selon l'invention, - La figure 2 représente schématiquement une unité de stockage et restitution d'énergie électrique selon un second exemple de réalisation de l'invention, et - La figure 3 représente schématiquement une unité de stockage et restitution d'énergie électrique selon un troisième exemple de réalisation de l'invention.

En figure 1, on peut voir schématiquement représentée une installation 1 de stockage et de restitution d'énergie électrique, associant une unité 2 de fabrication de clinker de ciment et une unité 3 de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé, selon l'invention. L'unité 2 de production continue de clinker de ciment, présente au moins une zone 16, 17 de combustion d'un combustible pour la cuisson d'une matière crue minérale, dans lequel on transforme la matière crue 4 en clinker par cuisson, obtenant du clinker chaud 5, puis on refroidit le clinker chaud 5 en deux étapes successives, une première étape de refroidissement étant mise en oeuvre dans un premier refroidisseur 6, et une deuxième étape de refroidissement étant mise en oeuvre dans un deuxième refroidisseur 7.

Ladite unité 2 de fabrication continue peut comprendre, de manière traditionnelle, un préchauffeur à cyclones 8, éventuellement un précalcinateur 9 muni d'un ou plusieurs brûleurs 10, et un four 11 rotatif muni d'un ou plusieurs brûleurs 12. Les gaz chauds d'exhaure du précalcinateur 9 peuvent alimenter la base du préchauffeur à cyclones 8. Eventuellement, les fumées du four rotatif 11 peuvent alimenter le préchauffeur à cyclones 8. Dans une telle installation, la matière crue 4 est préchauffée dans le préchauffeur à cyclones 8, le cas échéant décarbonatée partiellement dans le précalcinateur 9, puis cuite et transformée dans le four rotatif 11. Selon le procédé conforme à l'invention, on réalise la première étape de refroidissement, de manière continue, par soufflage d'un gaz oxygéné 13 sur le clinker chaud, obtenant du clinker partiellement refroidi 14, et du gaz oxygéné 15. La première étape de refroidissement est réalisée de manière continue, c'est-à-dire que le clinker chaud arrivant du four 11 est refroidi au fur et à mesure de son arrivée dans le premier refroidisseur 6.

On achemine une partie 15a de celui-ci vers la zone de combustion 16, ladite partie 15a constituant l'air secondaire, et une partie 15b du gaz oxygéné vers la zone de combustion 17, ladite partie 15b constituant l'air tertiaire. La totalité du gaz oxygéné réchauffé 15a, 15b, engendré par le premier refroidisseur 6, est ainsi utilisée comme gaz de combustion, c'est-à-dire comme gaz comburant. Le premier refroidisseur 6 peut être un refroidisseur à grille.

En outre, on ajuste la quantité de gaz oxygéné soufflé au premier refroidisseur 6 de telle façon à couvrir sans excès les besoins en gaz de combustion de ladite unité 2 de fabrication. Ce besoin en gaz de combustion couvre, selon le mode de réalisation, le comburant nécessaire à la combustion du combustible au niveau du ou des brûleurs 12 du four rotatif 11, et éventuellement, dans le cas d'une installation avec précalcinateur 9, le comburant nécessaire à la combustion du combustible au niveau du ou des brûleurs 10 du précalcinateur 9. Le gaz oxygéné peut être de l'air, ou encore un gaz oxygéné appauvri 10 en oxygène, ou encore enrichi en oxygène. Ici les termes « appauvri » ou « enrichi » sont à comparer avec la teneur en oxygène de l'air ambiant (i.e. 21%). En d'autre termes, on souffle au premier refroidisseur 6 la quantité de gaz comburant juste nécessaire à l'installation, ce qui permet d'obtenir en 15 sortie du premier refroidisseur 6 le clinker partiellement refroidi 14 à la température la plus haute possible. Cette température du clinker partiellement refroidi 14 peut être comprise à titre indicatif autour de 400°C, par exemple entre 350°C et 450°C. En outre, le clinker partiellement refroidi 14 n'est pas, à l'instar des 20 installations de l'état de la technique à deux refroidisseurs successifs, refroidi de manière continue dans le deuxième refroidisseur 7. Au contraire, et selon l'invention, on stocke le clinker partiellement refroidi 14 dans une enceinte de stockage du deuxième refroidisseur 7 ou encore une enceinte de stockage associée à ce deuxième refroidisseur 7, et on 25 commande par intermittence la deuxième étape de refroidissement sur le clinker partiellement refroidi 14. Ainsi, la deuxième étape de refroidissement ne se déroule pas au fur et à mesure de l'arrivée du clinker dans le deuxième refroidisseur 7, mais est commandée par exemple sur commande extérieure générée pendant une période de forte demande du réseau électrique, ou 30 lorsqu'une quantité déterminée de clinker disponible pour la deuxième étape de refroidissement est atteinte ou encore selon un cycle temporel déterminé.

Des moyens de commande par intermittence du deuxième refroidisseur sont mis en oeuvre dans l'installation 1. Il est ainsi possible de contrôler les conditions de l'échange thermique lors de la deuxième étape de refroidissement, mise en oeuvre dans le deuxième échangeur 7, cet échange n'étant plus dépendant des fluctuations du procédé de production de clinker de ciment, et en particulier dépendant du débit de clinker chaud produit. Commander la deuxième étape de refroidissement par intermittence permet d'atteindre des rendements de récupération de chaleur plus élevés par 10 comparaison au procédé de refroidissement continu. Le refroidissement du clinker dans la seconde étape peut être est réalisé par échange avec un fluide 18 caloporteur, mis en contact direct avec le clinker, selon une première alternative, ou encore sans contact direct entre le clinker et le fluide 18 caloporteur selon une seconde alternative : dans ce 15 dernier cas l'échange peut être obtenu par l'intermédiaire d'une paroi. Le fluide 18 caloporteur est un gaz tel que l'air lorsqu'il est destiné à rentrer en contact avec le clinker. La commande par intermittence de la deuxième étape de refroidissement permet de contrôler les conditions de l'échange entre le fluide 20 18 caloporteur et le clinker partiellement refroidi 14 de manière à obtenir, après échange avec le clinker, un fluide 19 caloporteur réchauffé dont le débit et la température permettent d'obtenir des rendements de récupération de chaleur plus élevés. Selon un mode de réalisation, le temps de fonctionnement de la 25 deuxième étape de refroidissement peut représenter moins de 50 % du temps de fonctionnement de production de clinker par l'installation. L'unité 3 de stockage et de restitution d'énergie électrique est composée d'un compresseur d'air 20 électrique isotherme, généralement à plusieurs étages successifs (20a, 20b, 20c, 20d et 20e dans les illustrations), 30 qui permet de comprimer l'air 34 ambiant pour le stocker dans un ou des réservoirs 21, et relié à un moteur 35. Le ou les réservoirs 21 peuvent être, par exemple, des cavités souterraines, des citernes, des tubes, ou des réservoirs sous-marins. Des échangeurs thermiques 22a, 22b, 22c, 22d et 22e sont positionnés entre chaque étage 20a-20e du compresseur d'air 20 et après le dernier étage 20e dans le sens de circulation de l'air. La compression étant réalisée au plus près d'une compression isotherme, l'élévation de la température de l'air entre chaque étage 20a-20e du compresseur 20 est réduite. En effet, une compression isotherme est en pratique très difficile, voire impossible, à réaliser dans les conditions industrielles de stockage et de restitution d'énergie. Toutefois, des mesures peuvent être mises en oeuvre pour s'en rapprocher le plus possible, c'est-à-dire que les variations de températures demeurent dans une plage de valeurs acceptable pour que la compression soit considérée comme quasi-isotherme pour le procédé concerné. Les calories à évacuer pour maintenir l'air à une température sensiblement constante étant en quantité limitée, les échangeurs thermiques 22a à 22e peuvent être de simples aéro-réfrigérants évacuant ces calories à l'air ambiant. En phase de restitution d'énergie, une turbine à air 23 permet de convertir l'énergie mécanique produite lors de la détente de l'air comprimé en énergie électrique par entrainement du rotor d'un alternateur. La turbine à air 23 se compose généralement de plusieurs étages : trois étages 23a, 23b et 23c dans l'exemple de réalisation de la Fig. 1. Le nombre d'étages de la turbine sera principalement dépendant de la pression et de la température de l'air à l'entrée de la turbine. La température de l'air en sortie de la turbine sera généralement supérieure à 50°C pour éviter tout risque de condensation dans les gaz d'exhaure de nature à provoquer une corrosion des circuits. Dans un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, l'air est stocké à une pression de 120 bars. Afin d'arriver à cette pression, le compresseur 20 à air comprend cinq étages, chaque étage permettant de multiplier par environ trois la pression. A chaque étape de compression, la température de l'air comprimé augmente. Par exemple, un volume d'air à une température 20°C et à une pression de 1 bar atteint une température de l'ordre de 200-230°C (selon l'efficacité du compresseur) lors de sa compression à 5 bars. Cependant, compte tenu des limites actuelles des compresseurs industriels en terme de température, une compression sans refroidissement ne permet pas d'atteindre facilement ces niveaux de pression ce qui limite nécessairement les niveaux de stockage. Un refroidissement de la compression après chaque étage de compression permet d'augmenter la pression atteinte. L'air comprimé est ensuite stocké dans un réservoir 21 adapté aux pressions atteintes. Dans l'étape de restitution de l'énergie, selon l'exemple de réalisation de l'invention schématisée à la figure 1, l'air extrait du réservoir 21 à une pression de 120 bars passe par un premier échangeur thermique 24 pour être préchauffé de 30°C à environ 140°C. Ce préchauffage est assuré par les calories cédées dans le premier échangeur 24 par l'air d'exhaure de la turbine 23 dont la température est d'environ 150°C en sortie de turbine. L'air comprimé ainsi préchauffé traverse ensuite un deuxième échangeur 25a dans lequel il est chauffé à une température d'environ 350°C au moyen d'une fraction du fluide 19 caloporteur réchauffé provenant du second refroidisseur de clinker 7 à la température de 400°C. L'air est ensuite détendu dans une turbine à air 23. Dans l'exemple illustré en Fig. 1, la turbine à air 23 est constituée de trois étages 23a, 23b et 23c. La détente est ainsi réalisée avec un facteur d'environ cinq par étage. L'air en sortie du premier étage 23a de la turbine à air est toujours comprimé et s'est fortement refroidi lors de la détente pour atteindre de nouveau une température d'environ 150°C. Pour pallier cette baisse de température, l'air traverse un troisième échangeur thermique 25b dans lequel il est de nouveau porté à une température d'environ 350°C au moyen d'une seconde fraction du fluide 19 caloporteur réchauffé à 400°C provenant du second refroidisseur de clinker 7. L'air comprimé une nouvelle fois réchauffé est alors détendu dans le deuxième étage 23b de la turbine à air. De nouveau, l'air sortant du second étage de la turbine à environ 150°C passe par un quatrième échangeur 25c alimenté par une autre fraction du fluide 19 caloporteur réchauffé à 400°C pour être réchauffé à environ 350°C avant d'attaquer le dernier étage 23c de la turbine à air. Dans cet exemple de réalisation de l'invention, le fluide 19 caloporteur réchauffé provenant du second refroidisseur de clinker est épuisé jusqu'à une température d'environ 155°C.

Le nombre d'étages de la turbine à air 23 est adapté au niveau de pression d'air comprimé dans le réservoir 21 et de la température du fluide 19 caloporteur réchauffé pour arriver à un rendement optimal de la production électrique délivrée par l'alternateur 26 raccordé à la turbine 23. Selon un second mode de réalisation de l'invention schématisé à la figure 2, le fluide 19 caloporteur réchauffé provenant de la seconde étape de refroidissement du clinker a également une température d'environ 400°C. Avantageusement, la turbine multi-étage 23 n'a que deux étages 23a, 23b. L'air comprimé provenant du réservoir 21 a une pression de 120 bars et une température de 30°C. Il passe par un premier échangeur thermique 25a pour être préchauffé à une température d'environ 350°C par une fraction du fluide 19 caloporteur réchauffé avant son entrée dans la turbine 23. Le fluide 19 caloporteur réchauffé sort d'un premier échangeur 25a à une température d'environ 40°C. En sortie du premier étage 23a de la turbine 23 à air, l'air a une pression de 60 bars et une température d'environ 90°C. Pour pallier cette baisse de température, l'air est de nouveau passé dans un deuxième échangeur thermique 25b dans lequel il est de nouveau chauffé à une température d'environ 350°C au moyen d'une seconde fraction du fluide 19 caloporteur réchauffé provenant du second refroidisseur 7 de clinker. Le fluide 19 caloporteur réchauffé sort du deuxième échangeur à une température d'environ 100°C. L'air comprimé est alors détendu dans le deuxième étage 23b de la turbine 23 à air. Il sort de la turbine 23 à la pression atmosphérique et à une température d'environ 85°C. Dans cet exemple de réalisation de l'invention, le fluide 19 caloporteur réchauffé provenant du second refroidisseur 7 de clinker est épuisé jusqu'à une température d'environ 70°C.

Selon un troisième mode de réalisation de l'invention schématisé à la figure 3, le fluide 19 caloporteur réchauffé provenant de la seconde étape de refroidissement du clinker a toujours une température d'environ 400°C. La turbine multi-étage 23 a trois étages 23a, 23b et 23c. L'air comprimé provenant du réservoir 21 a une pression de 120 bars. Il passe par un premier échangeur thermique 37 pour être préchauffé d'une température de 30°C à environ 140°C par l'air sortant du premier étage 23a de la turbine à air à une température d'environ 150°C et à une pression d'environ 24 bars. Son échange avec l'air provenant du réservoir 21 abaisse sa température à environ 40°C. Après avoir traversé le premier échangeur 37, l'air provenant du réservoir 21 traverse un deuxième échangeur 25a dans lequel il est préchauffé à une température d'environ 350°C par une fraction du fluide 19 caloporteur réchauffé à 400°C provenant de la seconde étape de refroidissement du clinker. La température de celui-ci est d'environ 150°C en sortie du deuxième l'échangeur 25a. Après être passé par le premier échangeur 37, l'air provenant du premier étage 23a de la turbine passe par un troisième échangeur 25b avant d'entrer dans le deuxième étage 23b de la turbine, pour être réchauffé par une fraction du fluide 19. Sa température s'élève alors d'environ 40°C à environ 350°C alors que celle du fluide 19 caloporteur réchauffé chute à environ 50°C. De nouveau, pour pallier sa baisse de température dans le deuxième étage 23b de la turbine, à environ 150°C, l'air passe dans un quatrième échangeur thermique 25c dans lequel il est chauffé à une température d'environ 200°C au moyen d'une autre fraction du fluide 19 caloporteur réchauffé. La température de celle-ci chute de 400°C à environ 160°C. L'air comprimé est alors détendu dans le troisième étage 23c de la turbine à air. Il sort de la turbine à la pression atmosphérique et à une température d'environ 70°C. Dans cet exemple de réalisation de l'invention, le fluide 19 caloporteur réchauffé provenant du second refroidisseur 7 de clinker est épuisé jusqu'à une température d'environ 120°C. Cette température permet d'éviter la condensation acide de fumées ayant une faible concentration en oxydes de soufre. Selon un mode de réalisation, illustré non limitativement à la figure 1, la production d'énergie électrique utilise, en combinaison avec la chaleur cédée par le clinker 14 lors de la deuxième étape de refroidissement, une source de chaleur d'appoint 27. Cette source 27 de chaleur d'appoint peut notamment provenir d'un générateur de gaz chaud ou d'une chaudière à fluide thermique. Elle peut 5 également provenir du procédé de production du clinker, par exemple des gaz 36 sortants de la tour de préchauffage 8 ou de l'air tertiaire 15b. Selon un mode de réalisation, ladite source de chaleur d'appoint 27 est de disponibilité variable, par exemple solaire. Avantageusement, on compense les fluctuations d'enthalpie de la source 27 de chaleur d'appoint en régulant la 10 quantité de chaleur extraite dans la deuxième étape de refroidissement du clinker de manière à maintenir la température de l'air turbiné constante. Selon la disponibilité de la source de chaleur d'appoint 27 et les modalités de celle-ci, notamment son coût comparé à celui de l'énergie apporté par le fluide 19 caloporteur réchauffé, les contributions relatives de la source de chaleur 27 et 15 du fluide 19 caloporteur réchauffé sont ajustées pour optimiser l'exploitation de l'installation 1. Selon un mode de réalisation de l'invention, on commande la mise en marche de la deuxième étape de refroidissement pendant les périodes de forte demande du réseau électrique. 20 Considérons le clinker produit par le four rotatif 11 à une température typique de 1420°C, avec une enthalpie de 1550 kJ/kg (kilojoule par kilogramme). Il est refroidi par soufflage d'air 13 dans un refroidisseur à grilles 6. Le refroidisseur à grilles de la meilleure technologie disponible, fonctionnant dans une ligne de cuisson de clinker moderne, transfère 78% de l'énergie vers 25 l'air chaud 15 nécessaire à la combustion du combustible utilisé pour la production du clinker. Le clinker contient donc 341 kJ/kg après cette première étape de refroidissement et atteint une température moyenne de 385°C. Dans le procédé classique, tel que connu de l'état de la technique, le clinker est refroidi jusqu'à 65°C au-dessus de l'ambiante (supposée à 20°C) 30 avec un volume de 0,9 Nm3/kg (normo mètre cube par kilogramme) d'air auquel il transfère 279 kJ pour produire un air d'exhaure à une température de 253°C.

Le rendement typique d'un système de conversion en énergie électrique est de 17% pour ces conditions de température, ce qui permet de produire 13,18 kWh (kilowattheure) par tonne de clinker. Par comparaison, et dans le procédé conforme à l'invention, on peut réaliser un contre-courant dans ledit deuxième échangeur où l'on choisit la quantité d'air de façon à optimiser l'échange, où l'on refroidit le clinker à 30°C (10°C au-dessus de l'ambiante 20°C), et on produit de l'air à 375°C (10°C au-dessous de la température maximale du clinker). On a transféré 308 kJ à 0,62 Nm3 d'air pour atteindre 375°C. Le rendement typique d'un système de conversion en énergie électrique est de 23% pour ces conditions de température, ce qui permet de produire 19,68 kWh par tonne de clinker. Le gain de production d'énergie finale est de 50%.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique dans une installation (1) associant une unité (2) de fabrication de clinker de ciment dans laquelle est transformée par cuisson de la matière crue minérale en clinker, obtenant du clinker chaud (5) lequel est refroidi en deux étapes de refroidissement successives, et une unité (3) de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé, le procédé comprenant une étape de compression d'air, une étape de stockage de l'air comprimé à l'étape de stockage dans un réservoir (21), une étape de production d'énergie électrique par décompression d'au moins une partie de l'air stocké à l'étape de stockage, caractérisé en ce que : on réalise de manière continue la première étape de refroidissement du clinker, on stocke le clinker (14) partiellement refroidi, on commande par intermittence la deuxième étape de refroidissement du clinker (14) partiellement refroidi, on réalise la seconde étape de refroidissement du clinker par échange de chaleur avec un fluide (18) caloporteur, lors de l'étape de production d'énergie électrique, on réalise un chauffage de l'air comprimé provenant du réservoir de stockage (21) par tout ou partie du fluide (19) caloporteur réchauffé suite à l'échange de chaleur dans le seconde étape de refroidissement.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de compression d'air est réalisée au plus près d'une compression isotherme.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité (3) de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé comprend une turbine à air multi-étages pour réaliser l'étape de production d'énergie électrique, le chauffage de l'air comprimé étantréalisé en amont de la turbine à air multi-étage (23) et lors du passage de l'air comprimé entre deux étages de la turbine à air multi-étage (23).
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour réaliser le chauffage de l'air comprimé, au moins une source (27) de chaleur d'appoint est utilisée en complément de tout ou partie du fluide (19) caloporteur réchauffé.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité (3) de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé comprend une turbine à air multi-étages pour réaliser l'étape de production d'énergie électrique, l'air sortant de la turbine à air multi-étage (23) constituant une source (27) de chaleur d'appoint.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source (27) de chaleur d'appoint comprenant de l'air sortant de la turbine à air multiétage (23) est utilisée pour effectuer un préchauffage de l'air comprimé sortant du réservoir de stockage (21) avant un chauffage de celui-ci par tout ou partie du fluide (19) caloporteur réchauffé.
7. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source (27) de chaleur d'appoint comprend un générateur de gaz chaud ou une chaudière à fluide thermique, ou l'unité (2) de fabrication de clinker de ciment.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de compression de l'air est réalisée pendant les périodes de faible demande du réseau électrique et/ou de fortes production d'énergies issues de sources renouvelables non exploitées au mieux de leur production.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de production d'énergie électrique est réalisée pendant les phases de forte demande du réseau électrique.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le fluide (19) caloporteur réchauffé est un gaz et en ce qu'il est dépoussiéré préalablement à son utilisation pour le chauffage de l'air comprimé provenant du réservoir (21) de stockage, ou postérieurement à celle-ci, avant sa mise à l'atmosphère.
11. 11 Installation (1) de stockage et de restitution d'énergie électrique associant d'une part une unité (2) de fabrication de clinker de ciment comprenant un premier refroidisseur (6) et un deuxième refroidisseur (7) par échange de chaleur avec un fluide (18) caloporteur et d'autre part une unité (3) de stockage et de restitution d'énergie par air comprimé comprenant un compresseur (20) à air, un réservoir (21) pour stocker l'air comprimé par le compresseur (20), une turbine (23) pour décompresser l'air stocké dans le réservoir (21) et au moins un échangeur de chaleur (25a, 25b, 25c) pour chauffer l'air à l'entrée de la turbine (23), l'installation (1) étant caractérisée en ce que le au moins un échangeur (25a, 25b, 25c) de chaleur est relié au deuxième refroidisseur (7), de sorte que le fluide (19) caloporteur réchauffé dans le deuxième refroidisseur (7) est utilisé pour chauffer l'air comprimé dans le au moins un échangeur (25a, 25b, 25c) de chaleur.
12. 12. Installation (1) selon la revendication 11, caractérisée en ce que la turbine (23) est une turbine multi-étages, l'entrée de chaque étage (23a, 23b, 23c) de la turbine (23) étant reliée à au moins un échangeur (25a, 25b, 25c) de chaleur, chaque échangeur (25a, 25b, 25c) de chaleur étant relié au deuxième refroidisseur (7).
13. 13. Installation (1) selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisée en ce qu'un échangeur (24) est utilisé pour préchauffer l'air comprimé provenant du réservoir (21) par l'air sortant de la turbine à air multi-étage (23).14. Installation (1) selon l'une quelconques des revendications 11 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de commande par intermittence du deuxième refroidisseur (7).