FR3028308A1 - Dispositif et methode de stockage et de restitution d'energie calorifique - Google Patents

Abstract

Dispositif (1) de stockage et de restitution d'énergie calorifique, comprenant une pluralité d'unités de stockage (7, 71) d'énergie calorifique, placées en série, contenant des moyens (8) d'échange de chaleur entre un élément caloporteur (10, 11) encapsulé dans l'unité de stockage (7, 71) et un fluide caloporteur (5, 51), l'échange de chaleur étant réalisé sans contact entre l'élément caloporteur (10, 11) et le fluide caloporteur (5, 51), caractérisé en ce que : - le front thermique (AT) dans l'élément caloporteur (10, 11) est limité, dans chaque unité de stockage (7, 71), à une valeur maximale de 10°C entre l'entrée et la sortie de ladite unité de stockage (7,71), et de préférence à une valeur de 5°C - au moins une des unités de stockage (7, 71) dispose d'un moyen d'échange de chaleur complémentaire (9) avec l'élément caloporteur (10, 11).

Description

DISPOSITIF ET MÉTHODE DE STOCKAGE ET DE RESTITUTION D'ÉNERGIE CALORIFIQUE La présente invention concerne un dispositif et une méthode de stockage et de restitution d'énergie calorifique. Cette invention peut être utilisée dans les processus industriels générant de la chaleur perdue, comme pendant la compression ou la séparation de gaz, ou dans des systèmes de stockage d'électricité par air comprimé. La récupération d'énergie est devenue primordiale aujourd'hui pour des raisons à la fois économiques mais aussi écologiques. L'optimisation des procédés industriels et notamment des flux d'énergie poussent les industriels à développer des systèmes de récupération de chaleur. La valorisation de chaleur perdue se place ainsi au coeur des procédés industriels. Le principe du stockage de l'énergie électrique est d'apporter une solution aux fluctuations de consommation et de production sur le réseau électrique. Son utilité est accrue par la part toujours croissante des énergies renouvelables dans le mix énergétique. Les solutions de stockage d'énergie par air comprimé utilisent de l'électricité pour comprimer de l'air au moment où l'électricité est disponible de manière abondante (nuit, période de fort vent, etc.) et donc à bas coût. L'air comprimé est ensuite utilisé de manière différée pour alimenter une turbine qui produit de l'électricité. La libération de l'énergie stockée est faite lorsque la demande d'électricité est forte sur le réseau et que la ressource est plus chère. L'usage différé de cette énergie stockée va permettre de soulager le réseau soit par une consommation interne de l'électricité produite, soit par une revente d'électricité au réseau. L'air comprimé lorsque la demande d'électricité est faible sur le réseau, peut également être stocké pour être utilisé pour des procédés industriels ayant besoin d'air comprimé lorsque la demande d'électricité est forte. La chaleur joue un rôle important dans le cycle thermodynamique de compression et de détente des gaz et notamment de l'air. En effet, la compression s'accompagne d'une forte montée en température de l'air et la phase de détente produit l'effet inverse nécessitant un apport thermique en entrée de turbine. Pour obtenir un maximum d'efficacité et une forte densité énergétique du stockage, il est nécessaire de récupérer la chaleur de compression pour la restituer pendant la phase de détente. On évite ainsi un apport extérieur de chaleur. Plus la température de l'air en entrée de turbine est élevée et meilleur sera le rendement électrique du cycle thermodynamique et la densité énergétique de stockage. L'efficacité d'un tel système autonome, sans apport extérieur de chaleur, de stockage d'énergie par air comprimé réside donc dans sa capacité à conserver la chaleur de la compression pour la restituer lors de la détente. Ce système est appelé système adiabatique. Le rendement d'un tel système plafonne généralement autour de 70%. Cependant, le rendement réel est dégradé par les pertes thermiques et par les pincements (faibles écarts de températures entre les medias caloporteurs ayant pour effet de limiter leurs échanges thermiques) au niveau des échangeurs couramment utilisés pour permettre la récupération et l'utilisation de la chaleur de compression. Les échangeurs et le stockage thermique jouent donc un rôle clef dans l'efficacité d'un tel cycle.

Le réservoir de stockage de chaleur peut être rempli d'un fluide ou d'un matériau possédant une certaine inertie thermique ou même d'un matériau à changement de phase permettant de stocker l'énergie sous forme de chaleur latente. L'utilisation des échangeurs de chaleur rend le système peu flexible et peu réactif en raison de leur inertie. En effet, si on prend l'exemple du début de la phase de détente de l'air comprimé, l'échangeur est refroidi à cause de la période d'attente depuis la fin de la compression. Le fluide calorifique provenant du réservoir de stockage va dans un premier temps servir à chauffer l'acier de l'échangeur sans transmettre cette énergie à l'air qui va entrer froid dans la turbine. Le rendement sera donc plus faible pendant cette période de mise en température de l'échangeur de chaleur.

En fonction de l'environnement, les cycles ou les créneaux de récupération de l'énergie calorifique peuvent ne pas être suffisants pour remplir le réservoir de chaleur. Une utilisation partielle du réservoir peut entrainer une impossibilité d'utilisation de la chaleur accumulée, du fait d'une température insuffisante, ou une restitution de la chaleur à des températures moins élevées que celles attendues. Ceci est également incompatible avec les procédés industriels nécessitant une température haute et constante sur une durée déterminée pour obtenir un bon rendement. Le stockage thermique peut s'effectuer avec des matériaux à changement de phase avec une gamme d'utilisation définie par la température du changement d'état du matériau. Ce type de stockage thermique est donc limité par cette gamme de température. Elle n'est pas toujours adaptée aux procédés considérés. De plus, lorsque le stockage thermique est effectué avec des matériaux à changement de phase, pour suivre l'évolution du front thermique dans plusieurs réservoirs, il est nécessaire d'utiliser plusieurs matériaux pour couvrir l'ensemble des températures. Il est connu dans l'art antérieur des systèmes de stockage de chaleur utilisant des réservoirs contenant des matériaux perméables au gaz. W02012127179 décrit ce type de système dont les réservoirs sont connectés les uns aux autres par des systèmes de vannes et de bypass afin de contrôler dynamiquement la progression du front thermique dans le système. Cependant cette solution est complexe à exploiter et n'est pas suffisante pour renforcer l'efficacité énergétique d'un dispositif de stockage de chaleur.

W02012127179 décrit également l'implantation d'un échangeur de chaleur en entrée et en sortie de dispositif de sorte de modifier la température du gaz en entrée ou en sortie du dispositif. Cette solution n'est pas avantageuse car l'échange de chaleur n'est pas localisé à l'intérieur du dispositif, là où il peut être le plus avantageux. Le dispositif selon l'invention apporte une réponse à ces inconvénients en proposant un dispositif de stockage et de restitution d'énergie calorifique dont l'échange thermique se fait au sein même de réservoirs de stockage de chaleur. La chaleur est stockée à la fois dans les matériaux de captage de chaleur et dans les matériaux constituant les réservoirs. Ce dispositif selon l'invention combine avantageusement différents types de fluides et de matériaux calorifiques pour obtenir un captage et une restitution de l'énergie calorifique efficace sur un large spectre de températures. Un tel dispositif permet de gérer une grande plage de débits et de températures et sa réalisation reste facile à mettre en place. Un tel système peut donc être utilisé dans de nombreux procédés industriels et énergétiques où la chaleur générée peut être stockée en vue de son utilisation ultérieure.

Ainsi, selon un premier aspect, l'invention a pour objet un dispositif de stockage et de restitution d'énergie calorifique comprenant une pluralité d'unités de stockage d'énergie calorifique, placées en série. Chaque unité contient des moyens d'échange de chaleur entre un élément caloporteur encapsulé dans l'unité de stockage et un fluide caloporteur, l'échange de chaleur étant réalisé sans contact entre l'élément caloporteur et le fluide caloporteur. Le dimensionnement des unités de stockage est réalisé de sorte que le front thermique dans l'élément caloporteur est limité, dans chaque unité de stockage, à une valeur maximale de 10°C entre l'entrée et la sortie de ladite unité de stockage, et de préférence à une valeur de 5°C. De plus, au moins une des unités de stockage dispose d'un moyen d'échange de chaleur complémentaire avec l'élément caloporteur.

Le dispositif de stockage et de restitution d'énergie calorifique selon l'invention présente également les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison : il comprend un nombre d'unités calculé de la manière suivante : T chaud "'froid N = Ent AT ) +1 OÙ Tchaud est la température du fluide caloporteur côté chaud du dispositif et Tiroid est la température du fluide caloporteur côté froid du dispositif. des calories sont apportées au moyen d'échange de chaleur complémentaire par une source électrothermique ou de toute autre nature. l'élément caloporteur d'au moins une unité de stockage, et de préférence l'une de celles situées en fin de série dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur en phase de stockage d'énergie calorifique, est un matériau à changement de phase dans la gamme de température à laquelle il est utilisé, les autres unités de stockage ayant un élément caloporteur dans un matériau sans changement de phase dans la gamme de 10 température à laquelle il est utilisé. Le dispositif 'échange de l'énergie calorifique avec l'air comprimé d'une installation de stockage et de restitution d'énergie électrique par air comprimé. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un procédé de stockage et de restitution d'énergie calorifique par le dispositif selon l'invention comprenant des moyens 15 de réglage du débit du fluide caloporteur. En phase de stockage d'éneggie calorifique, le procédé implique les étapes suivantes : - Un fluide caloporteur à une température initiale est introduit dans le dispositif et traverse la pluralité d'unités de stockage les moyens de réglage du débit assurant que le fluide caloporteur traverse chaque unité en moins de une seconde, 20 - Le fluide caloporteur transmet des calories aux éléments caloporteurs par les moyens d'échange, - En sortie de dispositif le fluide atteint une température finale inférieure à la température initiale, adaptée pour son utilisation en aval du dispositif, dans le sens de l'écoulement du fluide, 25 - Le moyen d'échange de chaleur complémentaire d'unités de stockage dans lesquelles l'élément caloporteur n'a pas atteint, ou ne devrait pas atteindre, la température initiale du fluide à l'entrée du dispositif, fournit des calories complémentaires aux éléments caloporteurs desdites unités de stockage. Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, en phase de stockage 30 d'énergie calorifique, le moyen d'échange de chaleur complémentaire d'au moins une unité de stockage extrait les calories en excès du fluide caloporteur pour amener celui-ci, à la sortie du dispositif, à la température finale inférieure à la température initiale, adaptée pour son utilisation en aval du dispositif.

Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, en phase de stockage d'énergie calorifique, la au moins une unité de stockage contenant un élément caloporteur à changement de phase extrait les calories en excès du fluide caloporteur par changement de phase endothermique de son élément caloporteur pour amener le fluide, à la sortie du dispositif, à la température finale inférieure à la température initiale, adaptée pour son utilisation en aval du dispositif. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, en phase de restitution d'énergie calorifique, le procédé comprend les étapes suivantes : - Un fluide caloporteur à une température initiale est introduit dans le dispositif et traverse la pluralité d'unités de stockage dans le sens inverse de celui dans lequel circule le fluide en phase de stockage d'énergie calorifique, - Le fluide reçoit des calories des éléments caloporteurs par les moyens d'échange, - En sortie du dispositif, le fluide atteint une température finale supérieure à la température initiale, adaptée pour son utilisation en aval du dispositif - Le moyen d'échange de chaleur complémentaire d'unités de stockage dans lesquelles la température de l'élément caloporteur a chuté, ou fortement chuté au-delà d'une valeur déterminée, et de préférence dans la ou les premières unités dans le sens de l'écoulement du fluide, fournit des calories complémentaires aux éléments caloporteurs desdites unités de stockage.

Les exemples, non limitatifs, de mises en oeuvre de l'invention donnés ci-après prennent appuie sur le stockage d'énergie électrique sous forme d'air comprimé en vue de son utilisation ultérieure pour la production d'électricité, ainsi que sur le stockage d'énergie électrique sous forme de chaleur en vue d'une utilisation dans le procédé de production d'électricité par détente d'air comprimé, ou tout autre usage de calories dans un procédé industriel. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et non limitative, en référence aux figures annexées suivantes : - figure 1 : représentation schématique d'un dispositif de stockage et de restitution d'énergie calorifique selon un exemple de réalisation de l'invention. - figure 2: vue en coupe d'un exemple de réalisation d'une unité de stockage d'énergie calorifique selon l'invention. - Figure 3: représentation d'un exemple de l'évolution de la température dans une unité de stockage de chaleur selon l'invention en fonction du temps, en phase de stockage. - Figure 4: représentation d'un exemple de l'évolution de la température dans une unité de stockage de chaleur selon l'invention, en phase de restitution. - Figure 5: représentation de deux exemples de l'évolution de la température du fluide calorifique en sortie d'une série d'unités de stockage d'énergie calorifique selon l'invention, pendant la phase de restitution. - Figure 6: représentation d'un exemple de l'évolution de la température dans différentes unités de stockage de chaleur successives placées en série selon l'invention, pendant la phase de stockage. - Figure 7: représentation d'un système de stockage et de restitution d'énergie électrique par air comprimé utilisant un compresseur à deux étages et une turbine à deux étages et deux dispositifs de stockage et de restitution d'énergie calorifique selon un exemple de réalisation de l'invention. - Figure 8: représentation d'un exemple de dispositif selon l'invention intégré à un système de stockage d'air comprimé utilisant de manières distinctes l'air comprimé et les calories libérées lors de la compression. La figure 1 représente un dispositif 1 de stockage d'énergie calorifique comprenant une multitude de réservoirs, également appelés unités 7, 71 de stockage d'énergie calorifique, montés en série et reliés entre eux par des connexions 70. Un élément caloporteur, respectivement 10, 11 est encapsulé dans les unités, respectivement 7, 71 de stockage. Des échangeurs 8 de chaleur contenus dans les unités 7, 71 de stockage sont en contact direct avec l'élément caloporteur 10, 11. Celui-ci peut être de nature différente selon les unités 7, 71 de stockage. L'élément 10 caloporteur peut être de l'eau, un autre fluide thermique ou d'autres matériaux à changement de phase de type sels fondus. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, l'unité référencée 71 contient un élément 11 caloporteur dont le matériau est à changement de phase à température constante tel que la paraffine. Les échangeurs 8 de chaleur traversent l'élément caloporteur 10, 11. Ils permettent à un fluide caloporteur, respectivement 5, 51, de passer d'un bout à l'autre des unités respectivement 7, 71, de stockage sans être en contact direct avec l'élément caloporteur, respectivement 10, 11. Au moins une des unités de stockage 7, 71 dispose d'un moyen d'échange de chaleur complémentaire 9 avec l'élément caloporteur 10, 11. Ce moyen d'échange 9 peut être alimenté par une source électrothermique 91 ou tout autre source. Pendant la phase de stockage, le fluide 5 caloporteur à haute température, provenant d'un procédé industriel ou de toute autre source de chaleur en amont du dispositif 1, est introduit dans une première unité 7 de stockage par une connexion 70. Le fluide 5 traverse l'échangeur 8 de chaleur de ladite première unité 7, c'est-à-dire que le fluide 5 circule depuis une entrée jusqu'à une sortie de l'unité 7. En traversant l'échangeur 8 de chaleur, le fluide 5 transmet des calories à l'élément 10 caloporteur. Le fluide 5 ressort de la première unité 7 de stockage pour entrer dans une deuxième unité 7 de stockage, puis dans les suivantes, jusqu'à sa sortie du dispositif 1 par une dernière unité 71. En traversant l'ensemble du dispositif 1, le fluide 5 passe d'une température haute à une température basse. Dans cet exemple, la dernière unité 71 de stockage contient un élément 11 caloporteur à changement de phase à température constante pour permettre de réguler la température en sortie du dispositif 1.

Dans ce qui suit, les expressions « température basse » et « température haute » doivent être comprises relativement l'une à l'autre, la température basse étant inférieure à la température haute. La température basse de sortie dépend du nombre, de la taille et de la température initiale des unités 7, 71 de stockage. Il est à noter que les unités 7, 71 sont dimensionnées pour que les fronts thermiques de l'élément caloporteur 10, 11 de chaque unité 7, 71 soient limités avec un différentiel de maximal de 10°C, et de préférence de 5°C d'un bout à l'autre d'une unité 7, 71 de stockage. Il est nécessaire d'avoir un faible front thermique pour garantir un bon rendement thermique des unités 7, 71. Lorsque la source de fluide 5 à une température haute n'alimente plus les unités 7, il peut être avantageux de chauffer l'élément 10 caloporteur d'un certain nombre d'unités 7 afin de le porter à une température supérieure. Cette augmentation de température ciblée sur certaines unités 7 permet d'augmenter le rendement du dispositif en phase de restitution d'énergie calorifique. Dans la phase de restitution de l'énergie calorifique au fluide 5, 51, celui-ci est introduit à une température basse par l'autre bout du dispositif 1, dans ce qui était précédemment la dernière unité 71, dans le but de le réchauffer. Celui-ci rentre à une température basse et ressort du dispositif 1 à une température haute. Le fluide 51 utilisé pendant la phase de restitution peut être différent du fluide 5 utilisé pendant la phase de stockage.

Dans l'exemple de réalisation représenté en coupe à la figure 2, les unités 7, 71 ont une enveloppe formée d'un tube contenant l'élément caloporteur 10, 11, un échangeur 8 de chaleur constitué de tubes 80 et un échangeur 9 de chaleur complémentaire. Les matériaux de construction des unités 7, 71 de stockage possèdent des propriétés thermiques contribuant à emmagasiner la chaleur. Par exemple, son enveloppe peut être réalisée en acier. L'épaisseur de l'enveloppe de l'unité 7, 71 est calculée au minimum pour empêcher sa rupture due aux variations de pression dans le cas où l'élément caloporteur 10, 11 se vaporiserait. A l'inverse on peut augmenter l'épaisseur de l'enveloppe pour augmenter sa capacité de stockage calorifique. Les tubes 80 de l'échangeur 8 sont réalisés avec des matériaux conducteurs de chaleur. L'état de l'élément caloporteur 10, 11 dans l'unité 7, 71 peut être soit liquide, soit un équilibre liquide/vapeur, soit solide, soit en équilibre solide/liquide, en fonction du type de matériau/fluide utilisé. L'échangeur 8 de chaleur est composé de tubes 80 de petit diamètre, par exemple entre 5 et 15 cm, isolant physiquement le fluide 5, 51 qui sert au transfert calorifique et l'élément caloporteur 10,11 qui sert de stockage calorifique. Dans ces tubes 80 passe le fluide 5, 51 de transfert calorifique contenant l'énergie thermique à récupérer. Selon un mode de mise en oeuvre non limitatif de l'invention, les tubes des unités de stockage 7, 71 sont disposés en parallèle et de manière longitudinale par rapport à l'unité.

De manière classique, les unités 7 sont isolées thermiquement par l'extérieur afin d'augmenter le pouvoir régénératif de leur enveloppe et minimiser les pertes thermiques. La masse de l'élément caloporteur 10 est calculée en fonction du volume disponible et en faisant attention d'éviter les problèmes liés à sa dilatation thermique s'il est incompressible.

La figure 3 représente un exemple d'évolution de la température dans une unité 7 pendant la phase de stockage. On se place ici dans le cas de l'utilisation du dispositif 1 dans un système de stockage d'énergie électrique par compression d'air. Le fluide 5 est de l'air comprimé qui est monté à une température haute pendant sa compression. La courbe A représente l'évolution de la température de l'air à l'entrée de l'unité 7 en fonction du temps. La courbe B représente l'évolution de la température de l'air en sortie de l'unité 7 en fonction du temps. La courbe C représente l'évolution de la température de l'élément 10 caloporteur à l'intérieur de l'unité 7 en fonction du temps. Dans cet exemple, l'élément 10 caloporteur est de l'eau. On peut voir sur ce graphique que la température de l'air en sortie de l'unité augmente progressivement d'une température T2 vers la température Ti de l'air en entrée. En parallèle, la température de l'eau dans l'unité 7 passe d'une température T3 à la température Ti. Ainsi, une fois que l'unité 7 est à la même température Ti que l'air en entrée, l'unité 7 est chargée en calories et l'air ne cède plus de calorie. Les calories de l'air en sortie sont alors transmises aux réservoirs suivants qui n'ont pas encore atteint la température de l'air en entrée du dispositif 1. La vitesse du fluide 5, 51 doit être optimisée pour un bon compromis entre les pertes de charge du fluide et le coefficient d'échange thermique. Des vitesses de l'ordre de 10 m/s permettent un dimensionnement compatible avec les systèmes de stockage d'air comprimé. La figure 4 illustre la phase de déstockage d'une unité 7 décrite précédemment. Le fluide à réchauffer est de l'air introduit par la sortie de l'unité 7 dans le cas du fonctionnement en stockage décrit précédemment. L'air à réchauffer entre à une température constante T5, représentée par la courbe B. Cet air va se réchauffer rapidement dans l'unité 7 pour atteindre une température T4 par échange de chaleur avec l'eau, laquelle se refroidit. Comme représenté par la courbe A, la température à laquelle est porté l'air en entrée d'unité 7 va ensuite rapidement chuter en même temps que la température de l'eau dans l'unité 7, représentée par la courbe C. Le système va tendre à s'équilibrer lorsque la température de l'eau dans l'unité 7 n'aura plus d'écart de température avec l'air introduit. On observe également que la restitution de l'énergie calorifique permet de chauffer à de hautes températures le fluide 5, 51 mais seulement sur une courte durée D. La température de sortie descend assez vite puis de manière plus progressive. En revanche la mise en série des unités 7 permet de fonctionner beaucoup plus longtemps à haute température comme l'indique la figure 5 représentant la température de l'air en sortie d'une série d'unités 7. La courbe A illustre la température en sortie d'une série d'unités 7. On constate qu'elle reste à haute température T°max sur une durée D beaucoup plus longue que dans le cas de la figure 4 (les échelles de temps des figures 4 et 5 sont les mêmes) puis descend au fur et à mesure que les unités 7 cèdent leur chaleur. La courbe B en pointillée représente la température de sortie de la même série d'unités 7 dans le cas où au moins une des unités 7 dont la température serait légèrement inférieure à la température maximale possède une source externe de chaleur lui permettant d'atteindre cette température maximale. L'ajout d'une source externe de chaleur sur un ou plusieurs réservoirs permet de fonctionner plus longtemps à une température proche de la température maximale T°max. A partir de ce comportement unitaire, il est possible d'utiliser plusieurs unités 7 en série afin de stocker un maximum de chaleur. Une fois une unité 7 chaude, l'air sort de celle-ci plus ou moins à la même température que celle avec laquelle elle est entrée. Les unités 7 sont dimensionnées en fonction de la température et du débit du fluide 5 et des caractéristiques de l'élément caloporteur 10 pour permettre un stockage de la chaleur mais également un refroidissement du fluide 5. A titre d'exemple, lorsqu'on place en série trente unités 7, on peut observer les répartitions de température de chaque unité 7 sur un cycle de compression d'air d'une durée définie, comme illustré par la figure 7. On peut voir que les unités 7 ont une montée en température décalée dans le temps. Seules les premières unités 7 ont le temps d'atteindre la température maximale tandis que plus de la majorité d'entre elles ne le pourront pas. On obtient donc un front de chaleur sur l'ensemble du dispositif 1. Cependant, à tout instant, la variation de température de l'air dans une unité 7 est limitée tout comme le front thermique dans l'élément caloporteur 10.

On voit également sur la figure 6 que la température finale dans les dernières unités 7 de stockage est plus faible ; on peut donc dimensionner les unités 7 en fonction de la température et donc de la pression dans le cas où l'élément caloporteur 10 se vaporiserait, limitant ainsi le coût des parois : les unités 7 à plus basses températures seront moins coûteuses à fabriquer que les unités 7 montant jusqu'à des températures plus élevées. Avantageusement selon l'invention, un tel type de stockage permet d'utiliser d'autres fluides ou matériaux d'élément caloporteur en fonction du type de stockage de chaleur effectué (grand débit à faible température, petit débit à haute température, grand débit à haute température, etc.). La facilité de pilotage d'un tel système est très intéressante. De plus, toutes les parties du système permettent de stocker de la chaleur (élément caloporteur 10, enveloppe de l'unité 7, tube 80), ce qui est non négligeable. De manière non limitative, une des mises en oeuvre de l'invention comprend l'utilisation d'eau comme élément caloporteur 10. Dans ce cas, il est important de dimensionner les parois des unités 7 pour contenir la pression générée par les changements de températures de l'eau. Un des avantages d'un front de chaleur de l'eau limité dans les unités 7 est que la pression varie de manière uniforme au sein des unités. Le dimensionnement des unités 7 est réalisé de sorte que les tubes 80 restent immergés dans l'eau à haute température. La masse d'eau initialement contenue dans les unités 7 est telle qu'a haute température le volume réel de l'eau correspond à son volume disponible. L'eau étant encapsulée dans les unités 7 de stockage, la pression augmente avec la température ce qui permet de conserver l'eau à l'état liquide toujours en contact avec les tubes 80. Les unités 7 peuvent être équipées de soupapes permettant d'évacuer une partie de la pression en cas de surpression des unités de stockage. Ces soupapes permettront également de régler le dispositif 1 lors de sa mise en fonction.

Les processus industriels ont souvent besoin de fonctionner dans des conditions, ou des plages de conditions, restreintes pour être efficaces et obtenir de bons rendements. C'est le cas par exemple lors de l'utilisation de turbine à air. Pour permettre d'obtenir une plage d'utilisation plus longue, il est avantageux de chauffer l'élément 10 caloporteur dans une ou plusieurs unités 7 de stockage. Cet apport de chaleur supplémentaire est amené par des échangeurs 9 de chaleur complémentaires. Afin de maximiser l'efficacité énergétique du dispositif 1, les échangeurs 9 sont disposés dans des unités 7 choisies pour leur emplacement dans la chaine du dispositif 1. Par exemple, l'apport de chaleur sur les unités 7 qui sont en dessous de la température haute de 5 à 15 °C en fin de cycle va permettre d'optimiser de manière astucieuse la restitution de calorie du dispositif 1 avec un minimum d'énergie supplémentaire. Cet apport ciblé de chaleur permet de limiter la puissance nécessaire car le volume des unités 7 est faible comparé à la totalité du volume de stockage de chaleur. Selon un exemple de réalisation de l'invention, l'échange de chaleur avec l'élément 10 caloporteur au moyen des échangeurs 9 de chaleur complémentaires peut être réalisé en cours de cycle en estimant l'évolution de température attendue dans les unités 7 de stockage sans cet échange de chaleur complémentaire. Il est ainsi possible de limiter les variations de température de ces unités durant un cycle. Les échangeurs 9 de chaleur complémentaires peuvent être alimentés par de la chaleur provenant de tout procédé industriel ou simplement d'une source électrique. Dans le cas de l'utilisation du dispositif 1 dans un système de stockage d'énergie électrique par air comprimé, il est intéressant d'utiliser l'électricité comme source pour les échangeurs de chaleur complémentaires. En effet en phase de stockage de l'énergie électrique, l'électricité est disponible à moindre coût, il est donc intéressant de l'utiliser pour la compression de l'air mais également pour chauffer les unités 7. On stocke ainsi également l'énergie électrique sous forme de chaleur. Il est possible d'apporter de la chaleur après le cycle de stockage d'air comprimé, ou en fin du cycle de stockage, mais il peut également être intéressant de le faire avant un cycle. Lorsque la disponibilité de la chaleur que l'on souhaite stocker n'est prévue que pour un temps très court, il peut être plus avantageux d'utiliser les moyens d'échange 9 de chaleur complémentaires pour chauffer une partie des unités 7 de stockage de chaleur, à la place du fluide 5, 51. C'est le cas pour les systèmes de stockage d'énergie électrique par air comprimé. La puissance électrique à soutirer sur le réseau peut être trop faible pour assurer le bon fonctionnement du compresseur ou le laps de temps est trop court pour lancer cette compression, les exploitants de tels systèmes ont donc parfois plus intérêt à utiliser l'électricité disponible pour chauffer des unités 7 plutôt que de lancer la compression d'air. Ainsi, les unités 7 qui n'arrivent pas à la température haute, avec un écart de 5 à 15 degrés, lors d'un cycle de stockage de chaleur complet, sont prioritaires pour un tel chauffage en amont du cycle. Pour permettre d'obtenir un meilleur rendement du procédé industriel lors de la restitution de chaleur, il est préférable de conserver une température haute le plus longtemps possible. Ici encore, les échangeurs 9 de chaleur complémentaires sont utilisés pour booster l'apport calorifique dans les premières unités de stockage dans le sens de l'écoulement du fluide 5, 51 en phase de restitution. On recherche ici un différentiel important de température entre la température du fluide 5, 51 et l'élément caloporteur 10,11 des unités 7 de stockage de chaleur. Ce différentiel de température permettra une meilleure transmission des calories entre le fluide 5, 51 et l'élément caloporteur 10,11. Lors de l'utilisation d'un dispositif de récupération de chaleur contenu dans un gaz, on peut observer la formation de condensation à certaines températures. Cette condensation peut avoir des conséquences sur les échangeurs de chaleur, par exemple de la corrosion ou le blocage de l'échangeur, mais également sur le procédé industriel en aval du dispositif et particulièrement dans les systèmes de stockage de gaz comprimé. Il est préférable de stocker le gaz, par exemple l'air comprimé, dans des réservoirs avec le moins de composés condensables. Pour l'air, on s'attache à évacuer le plus d'eau possible pour obtenir un air sec. L'air utilisé dans le procédé de stockage d'énergie par air comprimé est de l'air ambiant non traité, uniquement filtré. Il contient donc une certaine quantité d'eau (par exemple 14 g/kg d'air pour une humidité relative de 70%). Cette vapeur d'eau contenue dans l'air va condenser à température constante dans les échangeurs risquant ainsi un blocage de ces derniers. En effet, avec un débit massique constant sur la totalité de l'échangeur (calculé pour des pincements d'entrée et de sortie raisonnables), au moment du changement d'état de la vapeur d'eau, la température de l'eau va se rapprocher fortement de celle de l'air engendrant ainsi une diminution des échanges thermiques et un accroissement très important de la surface d'échange nécessaire. Le dispositif 1 selon l'invention présente deux avantages notables concernant cette problématique. D'une part, la segmentation du dispositif 1 en une multitude d'unités 7, 71 de stockage à des températures différentes permet d'optimiser les échanges partout où la condensation n'apparait pas. Et d'autre part, dans l'unité 71 de stockage où la condensation apparait, étant donné que l'élément 11 caloporteur est encapsulé, et donc sensiblement immobile en dehors de légers courants de convection résultant du faible gradient de température, et à température bien plus faible que celle de l'air, le problème ne se pose pas et les courbes de température évoluent avec un très bon pincement. Il est alors intéressant d'avoir une quantité suffisante d'élément 11 caloporteur dans l'unité 71 pour que la totalité de l'eau de l'air soit condensée lorsque l'élément 11 caloporteur atteint la température de l'air. La condensation s'effectue alors dans une seule unité 71.

Afin de concentrer la condensation et de conserver un bon pincement, le dispositif 1 selon une mise en oeuvre de l'invention comprend au moins une unité 71 de stockage dont l'élément 11 caloporteur est un matériau à changement de phase à température constante. De manière avantageuse, ce matériau à changement de phase est sélectionné pour changer de phase dans la gamme de température dans laquelle la vapeur d'eau condense. L'élément 11 caloporteur peut être un matériau à base de paraffine. Ceci va permettre de faire condenser la vapeur contenue dans l'air au niveau d'une unité 71 déterminée dans la série d'unité 7,71 du dispositif 1. Comme le montre la figure 7, cette unité 71 est inclinée pour permettre la récupération des condensats par écoulement et est conçue pour résister à la corrosion qui résulte de la présence des condensats. Ces condensats sont ensuite évacués ou réutilisés. Cette unité 71 est positionnée par exemple en fin de série du dispositif 1, selon le sens de circulation du fluide 5 pendant la phase de stockage, afin de participer à la baisse de température du fluide 5. Elle est dimensionnée en conséquence. Sa longueur est également déterminée en prenant en compte les fluctuations dans le régime de fonctionnement de l'installation afin que le fluide 5 atteigne toujours la température de condensation à l'intérieure de cette unité. En complément, une dernière unité 7 de stockage peut terminer la série pour descendre le fluide 5 à basse température. Cette dernière unité peut ne pas être isolée pour faciliter cet échange de chaleur avec le fluide 5.

Selon une variante de réalisation de l'invention, une solution est d'utiliser le ou les moyens d'échange 9 de chaleur complémentaire pour refroidir le fluide 5, et s'assurer qu'il sorte du dispositif 1 à la température basse pour son utilisation. Un système adiabatique de stockage d'énergie électrique par air comprimé est un des domaines où l'efficacité du stockage d'énergie calorifique a une grande importance.

La figure 7 représente deux dispositifs 1, 1' de stockage et de restitution de l'énergie calorifique selon l'invention, intégrés à un tel système utilisant deux étages de compression 3, 3' et deux turbines 4, 4'. Le premier dispositif 1 comprend une première série d'unités 7a, 7b, 7c, , 7n, 71; le deuxième dispositif comprend de même une deuxième série d'unités 7'a, 7'b, 7'c, , 7'n, 71'. En phase de stockage d'énergie électrique, l'air ambiant est comprimé par le premier compresseur 3 puis se propage sous forme d'air comprimé chaud dans la première série d'unités 7a, 7b, 7c, , 7n, 71 de stockage de chaleur. L'air comprimé rentre dans le dispositif 1 avec une température de l'ordre de 250°C. L'air comprimé transmet ses calories à l'élément 10 caloporteur par l'intermédiaire des tubes 80 des échangeurs de chaleur 8. En arrivant à l'unité 71 de stockage comportant comme élément caloporteur 11 à base de paraffine, qui change d'état aux alentours de 70°C, une partie de la vapeur d'eau de l'air comprimé 5 condense. Les condensats sont évacués du dispositif 1. La longueur de cette unité 71 peut être allongée par rapport aux autres unités 7 afin d'augmenter la quantité de calories échangées et permettre à l'air comprimé 5 de sortir à une température suffisamment basse, de l'ordre de 30°C, pour être comprimé à nouveau dans le compresseur 3'. Une nouvelle fois comprimé, l'air comprimé sort du compresseur 3' à une température de 250°C pour rentrer dans le deuxième dispositif 1' de stockage et de restitution d'énergie calorifique. Après avoir traversé la deuxième série d'unités 7'a, 7'b, 7'c, ..., 7'n, 71' de la même manière que décrite précédemment, l'air comprimé ressort avec une température sensiblement égale à 30°C. L'air comprimé est alors stocké dans un réservoir 6 d'air comprimé pour son utilisation ultérieur. Lorsque ce réservoir 6 est plein ou que les compresseurs s'arrêtent, les unités 7a, 7b, 7c, ..., 7n, 71 et 7'a, 7'b, 7'c, ..., 7'n, 71' des dispositifs 1, 1' qui n'ont pas atteint sensiblement la température maximum, c'est-à-dire 250°C, sont chauffés grâce à des échangeurs 9 de chaleur complémentaires (non représenté sur la figure 8) afin d'atteindre sensiblement cette température haute. En phase de restitution de l'énergie électrique, l'air comprimé 5 est libéré du réservoir 6 à une température basse, par exemple d'environ 30°C et est introduit dans le dispositif 1' par l'unité 71'. En traversant le dispositif 1', l'air comprimé 5 se réchauffe progressivement au contact des tubes 80 des échangeurs 8 de chaleur. En sortie du dispositif 1', l'air comprimé est à haute température et est détendu dans la turbine 4'. La détente refroidit l'air comprimé qui est alors à température basse lorsqu'il est introduit dans le dispositif 1 par l'unité 71. Progressivement l'air comprimé se réchauffe dans le dispositif 1 avant d'être détendu à nouveau dans la turbine 4 à haute température. Le dispositif 1 de stockage et de restitution de chaleur peut être utilisé comme un échangeur de chaleur pour refroidir un fluide 5 provenant d'un procédé industriel particulier mais peut également restituer ses calories à ce même procédé ou à un autre procédé. Le fluide 5, 51 peut ainsi être un gaz ou un liquide dans le sens du stockage de chaleur puis un gaz ou un liquide dans le sens de restitution de la chaleur. La figure 8 est une illustration d'une telle installation en cogénération. Un procédé industriel utilise un compresseur 3 pour comprimer de l'air ambiant afin de l'utiliser immédiatement ou de le stocker dans un réservoir 6 pour son utilisation ultérieure. Un dispositif 1 selon l'invention récupère la chaleur de la compression de l'air dans ces unités 7a, 7b, 7c, ..., 7n, 71. Un deuxième procédé industriel, ou par exemple une collectivité locale, utilise de manière asynchrone cette chaleur stockée pour chauffer un deuxième fluide 51, par exemple de l'eau pour alimenter un système de distribution d'eau chaude.

Le dimensionnement des unités 7 de stockage est réalisé de sorte que la température de l'élément caloporteur soit quasi homogène à l'intérieur de chaque unité de stockage. Plus chaque unité de stockage est petite, plus la variation de température du fluide 5, 51 caloporteur, qui la traverse est faible et donc plus l'écart des températures de l'élément 10 caloporteur au sein de l'unité est faible et meilleures sont les performances de l'installation de stockage et de restitution d'énergie calorifique. Cependant, pour des raisons économiques et de faisabilité, le nombre d'unités de stockage doit être limité ce qui conduit à fixer un seuil de performance. Avantageusement selon l'invention, le dimensionnement des unités de stockage est réalisé de sorte que la différence de température de l'élément caloporteur entre les 2 extrémités de l'unité 7 de stockage soit inférieure à 5°C. Pour obtenir cette différence de température limitée à quelques degrés permettant de conserver un haut niveau de performance, la longueur de l'unité de stockage est fixée de sorte qu'elle soit inférieure à la distance parcourue par le fluide 5, 51 caloporteur dans celle-ci en 1 seconde. Ainsi, pour une vitesse d'écoulement du fluide 5, 51 caloporteur de 10 m/sec, la longueur de l'unité de stockage est fixée à 10 m. Selon une variante de réalisation de l'invention, le dispositif 1 comprend des moyens de réglage du débit du fluide 5, 51 caloporteur dans des unités 7, 71 de stockage.

Ils permettent d'ajuster la vitesse d'écoulement du fluide 5, 51 dans les unités de stockage pour que son temps de séjour dans chaque unité reste inférieur à 1 seconde. De plus cette différence de quelques degrés conditionne le nombre de réservoirs nécessaires. Ainsi, Tch'd étant la température du fluide 5, 51 caloporteur côté chaud du dispositif, c'est-à-dire côté la sortie du dispositif 1 en phase de stockage ou côté l'entrée du dispositif 1 en phase de déstockage, et Tfroid la température du fluide calorifique de l'autre côté, alors coté froid, du dispositif 1, si l'on souhaite un écart AT maximal de 5°C pour l'élément 10 caloporteur entre l'entrée et la sortie de chaque unité 7, on a besoin (T +1 réservoirs, Ent() correspondant à la fonction partie 'chaud Tfroid d'au moins N = Ent AT ) entière.

De plus, pour limiter la différence de température dans l'élément 10 caloporteur encapsulé dans une unité 7 de stockage, il est nécessaire d'avoir une quantité suffisante en élément 10 caloporteur dans ladite unité. Par ailleurs, la quantité totale en élément 10 caloporteur contenue dans l'ensemble des unités 7 de stockage doit être suffisante pour stocker l'ensemble de l'énergie thermique que l'on souhaite récupérer du fluide caloporteur. Si Ef est l'énergie du fluide 5, 51 caloporteur en mouvement cédée entre l'entrée d de la première unité 7 et la sortie de la dernière unité 7, si mf est la masse totale de fluide 5, 51 calorifique en mouvement traversant les unités 7 pendant la phase de stockage, hfchaud étant l'enthalpie massique du fluide 5, 51 calorifique à la température chaude, hffroid étant l'enthalpie massique du fluide 5, 51 caloporteur à la température froide, l'énergie fournie à l'élément 10 caloporteur est alors Ef=mf*(hfchaud hffroie La quantité d'élément 10 caloporteur encapsulé est alors déterminée pour stocker cette énergie. Maintenant que l'on connaît l'énergie totale à stocker dans l'élément 10 caloporteur encapsulé et le nombre d'unités 7, on peut déterminer la masse de l'élément 10 caloporteur encapsulé dans chacune des unités 7. Prenons un exemple de dimensionnement selon l'invention avec 50 kg/s d'air à 250°C et 25 bars comme fluide 5, 51 caloporteur à l'entrée du dispositif 1 de stockage et de restitution d'énergie calorifique et de l'eau comme élément 10 caloporteur. La vitesse d'écoulement du fluide 5, 51 caloporteur dans les unités 7 est fixée à 10 m/sec pour un niveau de pertes de charge acceptable. La longueur des unités de stockage est ainsi de 10 m. L'écart maximal de température de l'élément 10 caloporteur dans une unité est fixé à 5°C. La température froide Tfroide souhaitée de l'air 5, 51 en sortie du dispositif 1 est de 30°C. Le nombre d'unités 7 nécessaires est donc de 45. La puissance thermique à stocker est de 11,4 MW. Considérons un fonctionnement pendant 5h. Cela correspond à une énergie de 205GJ soit 4,5GJ par unité. On peut ainsi déterminer la quantité d'élément 10 caloporteur de chacune des unités 7 en fonction de son niveau de température avec l'équation : 4,5GI = mi'. *Cp* (Ti final Ti initial) Mieau étant la masse d'eau dans l'unité i considérée, Ti -final étant la température finale atteinte par l'eau encapsulé dans l'unité i au bout de 5h et Ti -initial étant la température initiale de l'eau encapsulé dans l'unité i. Le dimensionnement des unités 7 de stockage est également réalisé en prenant en compte l'application particulière concernée. Par exemple, la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur dans l'unité 7 de stockage sera déterminée en fonction de l'efficacité de l'échange thermique souhaité au regard de la perte de charge admissible. Une augmentation de la vitesse d'écoulement favorisant l'échange thermique ayant pour effet d'augmenter la perte de charge, l'un ou l'autre de ces paramètres sera favorisé selon l'application particulière.

Par ailleurs, la température influant sur les propriétés thermiques ainsi que les vitesses d'écoulement, du fait de la variation de la masse volumique, chaque réservoir peut être dimensionné en fonction de sa place dans la chaîne et de ses niveaux de pression et de température. Les épaisseurs des tubes et réservoirs sont calculées selon les normes standards pour résister à la pression, au cyclage en température et pression ainsi qu'a la corrosion.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de stockage et de restitution d'énergie calorifique, comprenant une pluralité d'unités de stockage (7, 71) d'énergie calorifique, placées en série, contenant des moyens (8) d'échange de chaleur entre un élément caloporteur (10, 11) encapsulé dans l'unité de stockage (7, 71) et un fluide caloporteur (5, 51), l'échange de chaleur étant réalisé sans contact entre l'élément caloporteur (10, 11) et le fluide caloporteur (5, 51), caractérisé en ce que : le dimensionnement des unités de stockage (7, 71) est réalisé de sorte que le front thermique (8.-r) dans l'élément caloporteur (10, 11) est limité, dans chaque unité de stockage (7, 71), à une valeur maximale de 10°C entre l'entrée et la sortie de ladite unité de stockage (7,71), et de préférence à une valeur de 5°C ; et en ce qu'au moins une des unités de stockage (7, 71) dispose d'un moyen d'échange de chaleur complémentaire (9) avec l'élément caloporteur (10, 11).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre (N) d'unités (7, 71) calculé de la manière suivante : T +1 chaud "'froid N = Ent AT ) Où Tchaud est la température du fluide (5, 51) caloporteur côté chaud du dispositif (1) et Tfroid est la température du fluide (5, 51) caloporteur côté froid du dispositif (1).
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des calories sont apportées au moyen d'échange de chaleur complémentaire (9) par une source (91) électrothermique ou de toute autre nature.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément caloporteur (11) d'au moins une unité de stockage (71), et de préférence l'une de celles situées en fin de série dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur en phase de stockage d'énergie calorifique, est un matériau à changement de phase dans la gamme de température à laquelle il est utilisé, les autres unités de stockage (7) ayant un élément caloporteur (10) dans un matériau sans changement de phase dans la gamme de température à laquelle il est utilisé.
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il échange de l'énergie calorifique avec l'air comprimé d'une installation de stockage et de restitution d'énergie électrique par air comprimé.
6. 6. Procédé de stockage et de restitution d'énergie calorifique par le dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant des moyens de réglage du débit du fluide (5, 51) caloporteur caractérisé en ce que : en phase de stockage d'énergie calorifique : - Un fluide caloporteur (5, 51) à une température initiale est introduit dans le dispositif (1) et traverse la pluralité d'unités de stockage (7, 71), les moyens de réglage du débit assurant que le fluide caloporteur (5, 51) traverse chaque unité (7, 71) en moins de une seconde, - Le fluide (5, 51) caloporteur transmet des calories aux éléments caloporteurs (10, 11) par les moyens d'échange (8), En sortie de dispositif (1) le fluide (5, 51) atteint une température finale inférieure à la température initiale, adaptée pour son utilisation en aval du dispositif (1), dans le sens de l'écoulement du fluide (5, 51), Le moyen d'échange de chaleur complémentaire (9) d'unités de stockage (7) dans lesquelles l'élément (10, 11) caloporteur n'a pas atteint, ou ne devrait pas atteindre, la température initiale du fluide (5, 51) à l'entrée du dispositif (1), fournit des calories complémentaires aux éléments caloporteurs (10, 11) desdites unités de stockage (7).
7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, en phase de stockage d'énergie calorifique, le moyen d'échange de chaleur complémentaire (9) d'au moins une unité de stockage (7) extrait les calories en excès du fluide (5, 51) caloporteur pour amener celui-ci, à la sortie du dispositif (1), à la température finale inférieure à la température initiale, adaptée pour son utilisation en aval du dispositif (1).
8. 8. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que, en phase de stockage d'énergie calorifique, la au moins une unité de stockage (71) contenant un élément caloporteur (11) à changement de phase extrait les calories en excès du fluide (5, 51) caloporteur par changement de phase endothermique de son élément caloporteur (11) pour amener le fluide (5, 51), à la sortie du dispositif (1), à la température finale inférieure à la température initiale, adaptée pour son utilisation en aval du dispositif (1).
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que, en phase de restitution d'énergie calorifique : - Un fluide caloporteur (5, 51) à une température initiale est introduit dans le dispositif (1) et traverse la pluralité d'unités de stockage (7, 71) dans le sens inverse de celui dans lequel circule le fluide (5, 51) en phase de stockage d'énergie calorifique, - Le fluide (5, 51) reçoit des calories des éléments caloporteurs (10, 11) par les moyens d'échange (8), - En sortie du dispositif (1), le fluide (5) atteint une température finale supérieure à la température initiale, adaptée pour son utilisation en aval du dispositif (1), Le moyen d'échange de chaleur complémentaire (9) d'unités de stockage (7) dans lesquelles la température de l'élément (10, 11) caloporteur a chuté, ou fortement chuté au-delà d'une valeur déterminée, et de préférence dans la ou les premières unités (7, 71) dans le sens de l'écoulement du fluide (5, 51), fournit des calories complémentaires aux éléments caloporteurs (10, 11) desdites unités de stockage (7).