FR3044751A1 - Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur radial - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système et un procédé de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé (par exemple du type AACAES) dans lequel le stockage de chaleur est mis en œuvre par un échange de chaleur radial entre le gaz (G) et des particules de stockage de la chaleur (3).
Description
Le domaine de la présente invention concerne le stockage d'énergie par gaz comprimé, notamment de l’air (CAES de l’anglais « Compressed Air Energy Storage »). En particulier, la présente invention concerne un système AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage >>) dans lequel est prévu le stockage du gaz et le stockage de la chaleur générée.
Dans un système de stockage d’énergie par air comprimé (CAES), l'énergie, que l'on souhaite utiliser à un autre moment, est stockée sous forme d'air comprimé. Pour le stockage, une énergie, notamment électrique, entraîne des compresseurs d’air, et pour le déstockage, l’air comprimé entraîne des turbines, qui peuvent être 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 effet, dans les procédés CAES, on n’utilise que l’énergie mécanique de l’air, c’est-à-dire qu’on rejette toute la chaleur produite lors de la compression. A titre d’exemple, de l’air comprimé à 8 MPa (80 bar) se réchauffe pendant la compression jusqu’à environ 150°C, mais il est refroidi avant le stockage. De plus, le rendement d’un système CAES n’est pas optimal, car ensuite le système nécessite de chauffer l’air stocké pour réaliser la détente de l’air. En effet, si l’air est stocké à 8 MPa (80 bar) et à température ambiante et si l’on désire récupérer l’énergie par une détente, la décompression de l’air suit à nouveau une courbe isentropique, mais cette fois à partir des conditions initiales de stockage (environ 8 MPa et 300 K). L’air se refroidit donc jusqu’à des températures non réalistes (83 K soit -191 ‘C). Il est donc nécessaire de le réchauffer, ce qui peut se faire à l’aide d’un brûleur à gaz, ou autre carburant.
Plusieurs variantes existent actuellement à ce système. On peut citer notamment les systèmes et procédés : • ACAES (de l’anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à haute température due à la compression. Toutefois, ce type de système nécessite un système de stockage spécifique (stockage adiabatique), volumineux et coûteux. • AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à température ambiante, et la chaleur due à la compression est également stockée, séparément, dans un système de stockage de la chaleur TES (de l’anglais « Thermal Energy Storage »). La chaleur stockée dans le TES est utilisée pour chauffer l’air avant sa détente.
Une première solution envisagée pour le système de stockage de chaleur TES est l’utilisation d’un fluide caloporteur permettant de stocker la chaleur issue de la compression pour la restituer à l’air avant la détente au moyen d’échangeurs de chaleur. Par exemple, la demande de brevet EP 2447501 décrit un système AACAES dans lequel de l’huile, utilisée en tant que fluide caloporteur, circule en circuit fermé pour échanger de la chaleur avec l’air. Par ailleurs, les demandes de brevet EP 2530283 et WO 2011053411 décrivent un système AACAES, dans lequel les échanges de chaleur sont réalisés par un fluide caloporteur circulant dans un circuit fermé, le circuit fermé comprenant un unique réservoir de fluide caloporteur.
Toutefois, les systèmes décrits dans ces demandes de brevet nécessitent des moyens spécifiques de stockage et de circulation du fluide caloporteur. De plus, pour ces systèmes, des pertes de charge importantes sont générées par les échangeurs de chaleur utilisés.
Une deuxième solution envisagée pour le système de stockage de chaleur TES repose sur un stockage statique de la chaleur (sans déplacement du particules de stockage de la chaleur ou du fluide caloporteur). Dans ce cas, un bon maintien du gradient thermique dans les moyens de stockage de la chaleur est requis, car il permet de conserver une température froide et une température chaude constantes, et donc d’assurer un meilleur transfert thermique lors de la charge et de la décharge. Ceci est particulièrement important vis-à-vis du maintien de l’efficacité du système au cours des différents cycles de charge et décharge. Pour répondre à cette exigence, des moyens de stockage de chaleur dans des solides statiques ont été proposés. Pour obtenir cette stratification thermique avec un stockage de la chaleur solide, il peut être utilisé un stockage de chaleur par lit fixe de particules solides à travers lequel le fluide à refroidir passe. Cependant, au cours du chargement et de l’empilement des particules, des hétérogénéités, responsables d’une porosité non uniforme, peuvent apparaître au sein du lit, ce qui peut générer des passages préférentiels de fluide, et donc conduire à un gradient thermique non homogène (présence de zones froides et de zones chaudes à différents endroits du lit). Cet effet est, de plus, accentué au cours du fonctionnement du système à cause des dilatations des particules lors du passage du fluide chaud, dégradant fortement les performances de stockage et de restitution de la chaleur.
Des perfectionnements des systèmes AACAES ont porté sur la réalisation d’un système de stockage de chaleur TES au moyen d’un réservoir fixe de matériau de stockage de la chaleur. Par exemple, la demande de brevet FR 3014182 décrit un système AACAES dans lequel le système de stockage de chaleur comprend une pluralité de moyens de stockage de chaleur, chaque moyen de stockage de chaleur ayant une température de stockage propre. De fait de la pluralité de moyens de stockage de chaleur, ce système est rendu complexe et onéreux. Toutefois, pour tous ces systèmes de stockage de chaleur TES statique, il est nécessaire de gérer le gradient thermique entre deux cycles, ce qui rend le système complexe.
Pour pallier ces inconvénients, et en particulier favoriser le maintien du gradient thermique, la présente invention concerne un système et un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé (par exemple du type AACAES) dans lequel le stockage de chaleur est mis en œuvre par un échange de chaleur radial entre le gaz et des particules de stockage de la chaleur. Cette mise en œuvre permet de maximiser les échanges tout en ayant un bon contrôle du gradient thermique. Elle permet également une meilleure distribution radiale de la température et évite ainsi la formation de poches froides qui nuisent à l’efficacité du système. Ainsi, l’échange de chaleur est amélioré, ce qui augmente l’efficacité du stockage de la chaleur, et donc le stockage et la restitution d’énergie.
Le système et le procédé selon l’invention L’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un moyen de stockage du gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie, et au moins un moyen de stockage de la chaleur de forme sensiblement cylindrique. Ledit moyen de stockage de la chaleur comporte au moins un lit fixe de particules de stockage de la chaleur, ledit moyen de stockage de la chaleur étant configuré pour un passage radial dudit gaz comprimé au sein dudit lit fixe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ledit moyen de stockage de la chaleur comporte un agencement étagé formé d’une pluralité de lits fixes.
Selon une variante de réalisation, lesdits lits fixes sont séparés par une couche de matériau isolant.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits lits fixes sont formés par des paniers de forme sensiblement annulaires, les parois desdits paniers étant formées par une grille et/ou au moins une paroi perforée.
Avantageusement, au moins un lit fixe comporte un système d’absorption de la variation de la hauteur dudit lit.
Conformément à une conception de l’invention, ledit moyen de stockage de la chaleur comporte des moyens d’injection et de soutirage dudit gaz aux extrémités dudit moyen de stockage de la chaleur.
Selon une caractéristique, ledit moyen de stockage de la chaleur comporte des moyens d’injection et de soutirage dudit gaz au niveau d’au moins un lit fixe dudit agencement étagé.
De manière avantageuse, ledit moyen de stockage de la chaleur comporte au moins un clapet autorisant le passage dudit gaz dans un seul sens.
De préférence, au moins un lit fixe comporte des particules de matériau à changement de phase.
De manière préférée, ledit lit fixe avec des particules de matériau à changement de phase est situé à proximité des extrémités dudit moyen d’échange de la chaleur.
Conformément à un mode de réalisation, le lit fixe situé en deuxième position dudit agencement en comptant à partir d’une extrémité dudit moyen d’échange de la chaleur comporte des particules de matériau à changement de phase.
Avantageusement, chaque lit fixe comporte des particules de matériau à changement de phase de température de fusion différente.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, ledit moyen de stockage de la chaleur est configuré pour un passage radial dudit gaz comprimé du centre vers la périphérie dudit moyen de stockage de la chaleur et/ou inversement.
Alternativement, ledit moyen de stockage de la chaleur est configuré pour un passage radial dudit gaz comprimé d’un côté vers un autre dudit moyen de stockage de la chaleur (1).
En outre, l’invention concerne un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes : a) on comprime un gaz ; b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur dans un moyen de stockage de la chaleur de forme sensiblement cylindrique ; c) on stocke ledit gaz refroidi ; d) on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dans ledit moyen de stockage de la chaleur ; et e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, pour stocker et restituer la chaleur, ledit gaz traverse radialement au moins un lit fixe de particules de stockage de la chaleur, ledit lit fixe étant contenu dans ledit moyen de stockage de la chaleur.
Selon un mode de réalisation, ledit gaz traverse un agencement étagé formé par une pluralité de lits fixes contenus dans ledit moyen de stockage de la chaleur.
Avantageusement, on injecte et on soutire ledit gaz aux extrémités dudit moyen de stockage de la chaleur.
De préférence, on injecte et on soutire ledit gaz au niveau d’au moins un lit fixe intermédiaire.
Selon une variante de réalisation, on met en œuvre les étapes suivantes : 1. on stocke la chaleur sur une première portion desdits lits fixes par un premier échange de chaleur avec ledit gaz ; 2. on stocke la chaleur sur une deuxième portion desdits lits fixes par un deuxième échange de chaleur avec ledit gaz ; et 3. on restitue la chaleur de ladite première et/ou deuxième portion par échange de chaleur avec ledit gaz.
Selon une variante de réalisation, ledit gaz traverse ledit moyen de stockage de la chaleur du centre vers la périphérie dudit moyen de stockage de la chaleur et/ou inversement.
Alternativement, ledit gaz traverse ledit moyen de stockage de la chaleur d’un côté vers l’autre dudit moyen de stockage de la chaleur.
Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du système et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’invention.
La figure 2 illustre un système de stockage de la chaleur selon un premier mode de réalisation de l’invention, lors de la charge du moyen de stockage de la chaleur.
Les figures 3a et 3b illustrent un système de stockage de la chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, respectivement lors de la charge et de la décharge du moyen de stockage de la chaleur.
La figure 4 illustre schématiquement les gradients de température entre deux instants dans un moyen de stockage de la chaleur selon le mode de réalisation de la figure 2.
Les figures 5a et 5b représentent un moyen de stockage de la chaleur selon un troisième mode de réalisation de l’invention, respectivement pour deux charges consécutives. Les figures 5a et 5b représentent en outre les gradients de température au sein du moyen de stockage de la chaleur.
La figure 6 illustre un moyen de stockage de la chaleur selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
La figure 7 illustre un moyen de stockage de la chaleur selon un cinquième mode de réalisation de l’invention.
Les figures 8a à 8c représentent schématiquement les gradients de température pour un cycle d’utilisation du système selon l’invention, pour le mode de la réalisation de la figure 6.
Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé équipé d’un moyen de stockage de la chaleur (par exemple du type AACAES). Dans cette mise en œuvre, le gaz sous pression (souvent de l’air) est stocké froid. Le système selon l’invention comporte : - au moins un moyen de compression de gaz (ou compresseur), et de préférence plusieurs moyens de compression de gaz étagés. Le moyen de compression de gaz peut être entraîné par un moteur, notamment un moteur électrique ; - au moins un moyen de stockage du gaz comprimé (appelé également réservoir) par le moyen de compression du gaz. Le moyen de stockage du gaz comprimé peut être un réservoir naturel (par exemple une cavité souterraine) ou non. Le moyen de stockage du gaz comprimé peut être en surface ou en sous-sol. De plus, il peut être formé d’un unique volume ou d’une pluralité de volumes connectés entre eux ou non ; - au moins un moyen de détente du gaz (appelé également détendeur ou turbine), permettant de détendre le gaz comprimé et stocké, et de préférence plusieurs moyens de détente de gaz étagés. Le moyen de détente du gaz permet de générer une énergie, notamment une énergie électrique au moyen d’un générateur ; - des moyens de stockage de la chaleur, permettant le stockage de la chaleur issue du gaz comprimé lors de la phase de stockage d’énergie, et permettant la restitution de la chaleur stockée au gaz comprimé lors de la phase de la restitution d’énergie, les moyens de stockage de la chaleur sont de préférence placés en sortie des moyens de compression et en entrée des moyens de détente. Selon l’invention, le moyen de stockage de la chaleur comprend des particules solides de stockage de la chaleur. Ces particules solides échangent de la chaleur avec le gaz lors des phases de stockage et de restitution d’énergie, cette chaleur étant stockée dans les particules entre ces deux phases. Selon l’invention, les particules de stockage de la chaleur sont réparties sur au moins un lit fixe. On appelle lit fixe, un agencement de particules de stockage de chaleur, dans lequel les particules sont immobiles. Les particules solides de stockage de la chaleur permettent le passage du gaz dans le lit fixe.
On utilise les termes « moyens de compression étagés » (respectivement « moyens de détente étagés »), lorsque une pluralité de moyens de compression (respectivement de détente) sont montés successivement les uns après les autres en série : le gaz comprimé (respectivement détendu) en sortie du premier moyen de compression (respectivement de détente) passe ensuite dans un deuxième moyen de compression (respectivement de détente) et ainsi de suite. On appelle alors un étage de compression ou de détente, un moyen de compression ou de détente de la pluralité de moyens de compression ou de détente étagés. Avantageusement, lorsque le système comporte une pluralité d’étages de compression et/ou de détente, un moyen de stockage (d’échange) de chaleur est disposé entre chaque étage de compression et/ou de détente. Ainsi, le gaz comprimé est refroidi entre chaque compression, ce qui permet d’optimiser le rendement de la compression suivante, et le gaz détendu est chauffé entre chaque détente, ce qui permet d’optimiser le rendement de la détente suivante. Le nombre d’étages de compression et le nombre d’étages de détente peuvent être compris entre 2 et 10, de préférence entre 3 et 5. De préférence, le nombre d’étages de compression est identique au nombre d’étages de détente. Alternativement, le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé (par exemple de type AACAES) selon l’invention peut contenir un seul moyen de compression et un seul moyen de détente.
Selon une variante de réalisation de l’invention, les moyens de compression, étagés ou non, peuvent être réversibles, c’est-à-dire qu’ils peuvent fonctionner à la fois pour la compression et pour la détente. Ainsi, il est possible de limiter le nombre de dispositifs utilisés dans le système selon l’invention, ce qui permet un gain en poids et en volume du système selon l’invention.
Selon une variante de réalisation, les moyens d’échange de chaleur utilisés entre les étages de compression peuvent être ceux utilisés entre les étages de détente.
Le système selon l’invention est adapté à tout type de gaz, notamment pour l’air. Dans ce cas, l’air en entrée utilisé pour la compression peut être prélevé de l’air ambiant, et l’air en sortie après la détente peut être relâché dans l’air ambiant. Dans la suite de la description, seule la variante de réalisation avec de l’air comprimé, et son application AACAES seront décrites. Toutefois, le système et le procédé sont valables pour tout autre gaz.
Les moyens de stockage de la chaleur permettent, lors du stockage du gaz comprimé (compression), de récupérer un maximum de chaleur issue de la compression du gaz en sortie des compresseurs, et de diminuer la température du gaz avant le passage à la compression suivante ou avant le stockage du gaz comprimé. Par exemple, le gaz comprimé peut passer d’une température supérieure à 150 °C (par exemple environ 190 °C) à une température inférieure à 80 °C (par exemple environ 50 °C). Les moyens de stockage de la chaleur permettent, lors de la restitution de l’énergie, de restituer un maximum de chaleur stockée en augmentant la température du gaz avant le passage à la détente suivante. Par exemple, le gaz peut passer d’une température inférieure à 80 °C (par exemple environ 50 °C), à une température supérieure à 150 'O (par exemple environ 180 °C).
La figure 1 illustre un exemple de réalisation non limitatif d’un système AACAES selon l’invention. Sur cette figure, les flèches en trait continu illustrent la circulation du gaz lors des étapes de compression (stockage d’énergie), et les flèches en pointillés illustrent la circulation du gaz lors des étapes de détente (restitution d’énergie). Cette figure illustre un système AACAES comprenant un seul étage de compression 12, un seul étage de détente 14 et un système de stockage de la chaleur 1. Le système comporte un réservoir de stockage 13 du gaz comprimé. Le système de stockage de la chaleur 1 est intercalé entre l’étage de compression/détente 12 ou 14 et le réservoir de stockage 13 du gaz comprimé. Classiquement, en phase de stockage d’énergie (compression), l’air est d’abord comprimé dans le compresseur 12, puis refroidi dans le système de stockage de la chaleur 1. Le gaz comprimé et refroidi est stocké dans le réservoir 13. Les particules de stockage de la chaleur du système de stockage de la chaleur 1 sont chaudes suite au refroidissement du gaz comprimé dans la phase de compression. Lors de la récupération de l’énergie (détente), le gaz comprimé stocké est chauffé dans le système de stockage de la chaleur 1. Ensuite, de manière classique, le gaz passe au travers d’un ou plusieurs étages de détente 14 (un étage selon l’exemple illustré en figure 1).
Le système selon l’invention n’est pas limité à l’exemple de la figure 1. D’autres configurations peuvent être envisagées : un nombre différent d’étages de compression et/ou de détente, l’utilisation de moyens réversibles assurant la compression et la détente, etc.
Selon l’invention, le moyen de stockage de la chaleur possède une forme de révolution, c’est-à-dire ayant un axe de symétrie : cylindrique, conique, tronconique, etc., de préférence le moyen de stockage de la chaleur est sensiblement de forme cylindrique (colonne). Selon l’invention, le moyen de stockage de la chaleur est configuré pour un passage radial du gaz comprimé au sein d’au moins un lit fixe de particules solides de stockage de la chaleur. Selon une mise en oeuvre de l’invention, le lit fixe de particules solides peut avoir une forme sensiblement cylindrique ou annulaire. L’agencement du moyen de stockage de la chaleur impose une circulation du gaz comprimé dans le sens radial au sein d’au moins un lit fixe, contrairement aux moyens de stockage de la chaleur classiques pour lequel le fluide à refroidir ou à chauffer circule axialement. La direction radiale, dans laquelle circule le fluide à réchauffer ou à refroidir est une direction orthogonale à l’axe de la colonne. Généralement, un tel moyen de stockage de la chaleur, sous forme de colonne, peut être positionné verticalement : l’axe de la colonne correspond à l’axe vertical et la direction radiale se trouve dans un plan horizontal. Ce passage radial du gaz dans le lit fixe permet une meilleure distribution radiale de la température au sein du système de stockage de la chaleur, ce qui évite la formation de poches froides (cas du passage axial du gaz dans le système de stockage de chaleur) qui nuisent à l’efficacité du système. Ainsi, le stockage et la restitution d’énergie du système AACAES sont optimisés. De plus, un tel moyen de stockage de la chaleur est particulièrement adapté à un système AACAES, notamment en termes de températures de fonctionnement, de la possibilité d’échange de chaleur avec le gaz comprimé (en particulier l’air comprimé). Au sein du lit fixe, le gaz circule sensiblement dans une direction centrifuge.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de stockage de la chaleur peut comporter une pluralité de lits fixes de particules de stockage de la chaleur. Ces lits fixes peuvent former un agencement étagé : les lits sont alors disposés les uns au-dessus des autres. Dans ce cas, le moyen de stockage de la chaleur est agencé de telle sorte que le gaz traverse les lits fixes radialement, et de telle que sorte que le gaz passe d’un étage à un autre par un déplacement axial en dehors des lits fixes. Le gaz est obligé ainsi à suivre un parcours radial dans les lits de particules, et un parcours axial d’un étage à l’autre (soit en périphérie, soit dans l’axe de la cuve, à travers par exemple de grilles de distribution verticales). Un lit multi-étagé avec un flux radial présente donc les avantages suivants : - une meilleure redistribution du fluide, car les espaces extérieurs aux lits fixes, qui permettent le déplacement axial du gaz, permettent un re-mélange du fluide, - une section de passage du gaz qui est diminuée par rapport à une configuration axiale, ce qui limite le risque de maldistribution du gaz dans chaque étage, et - un chargement homogène du solide granulaire (particules) qui est facilité en amont par rapport à une configuration sans étage.
Ces avantages permettent d’assurer une distribution radiale de la température homogène dans les sens azimutal et axial, indispensable au bon fonctionnement du système.
Selon une conception du moyen de stockage de la chaleur, les lits fixes peuvent être séparés par des couches d’isolant thermique étanches à travers lesquelles le gaz ne peut pas circuler. Ces couches d’isolant thermique permettent de limiter la diffusion de la température entre chaque étage de particules et donc améliorent le contrôle du gradient thermique. L’agencement des couches d’isolant permet par ailleurs d’orienter le gaz dans le lit fixe selon la direction radiale. Cet agencement peut consister en une alternance de lits fixes de particules et de couches d’isolant. Le matériau isolant peut être tout matériau à très faible conductivité thermique connu, c’est-à-dire plus isolant que le lit fixe comprenant les particules. Il peut être recouvert, par-dessous, par-dessus et/ou des deux côtés, d’une plaque métallique ou de tout autre dispositif qui assure l’étanchéité vis-à-vis du gaz, dans le but d’éviter le déplacement axial du fluide.
Selon une mise en œuvre de l’invention, les particules de stockage de la chaleur peuvent être placées dans des paniers, dont les parois verticales sont composées de grilles, ou dont les parois sont perforées, afin d’améliorer la distribution du fluide dans le panier, en permettant de contrôler la perte de charge à travers le lit.
Selon une caractéristique de l’invention, chaque lit peut comporter un système d’absorption de la variation de la hauteur de lit. En effet, lors du fonctionnement du système, le lit de particules initialement chargé pourrait se tasser, créant ainsi, au-dessus de chaque lit, des passages préférentiels du gaz qui n’échangerait pas son énergie avec les particules solides. Pour éviter ce phénomène, il est avantageux de placer, au-dessus de chaque lit, un système d’étanchéité qui absorbe les éventuels variations de hauteur du lit. Ces systèmes, connus, sont utilisés dans d’autres domaines techniques, tels que les réacteurs de conversion chimique. Un exemple est le système « Texicap® », composé de fibres réfractaires, qui épouse parfaitement le haut du lit de solide et remplace avantageusement un assemblage métallique. Ce système peut reposer directement sur le haut du lit de particules solides.
En outre, chaque lit fixe peut comprendre des particules solides ou des particules contenant un matériau à changement de phase (MCP). Pour cela, les particules peuvent avoir la forme de capsules contenant des MCP. L’utilisation de matériaux à changement de phase avec des températures de fusion différentes entre chaque étage permet de mieux contrôler le gradient thermique dans la cuve et limiter les phénomènes de diffusion de la température lors des phases de stockage. Ces matériaux permettent également une réduction du volume de la cuve, car ils permettent de stocker une grande quantité d’énergie sous la forme de chaleur latente. Un compromis entre efficacité et coût peut également être trouvé en mélangeant des MCP et des matériaux de stockage par chaleur sensible dans un même lit. Parmi les matériaux à changement de phase, on peut utiliser les matériaux suivants : les paraffines, dont la température de fusion est inférieure à 130°C, les sels qui fondent à des températures supérieures à 300‘C, des mélanges (eutectiques) qui permettent d’avoir une large gamme de température de fusion.
Les particules solides (qu’elles soient ou non à changement de phase) peuvent avoir toutes les formes connues des milieux granulaires classiques (billes, cylindres, extrudés, trilobés ...), ainsi que toute autre forme permettant de maximiser la surface d’échange avec le gaz. La taille de particules peut varier entre 0.5 mm et 10 cm, de manière préférée entre 2 et 50 mm et de manière encore plus préférée entre 5 et 20 mm.
La plage de températures sur laquelle le moyen de stockage de la chaleur peut fonctionner est comprise entre 0°et 500 °C, plus préférentiellement entre 100 et 400 °C, et de manière encore plus préférée entre 100 et 350^0. Les niveaux de température dépendent à la fois du procédé complet AACAES et du type de matériau utilisé pour les particules du moyen de stockage de la chaleur.
Selon une première variante de ce mode de réalisation, le gaz peut traverser les lits fixes depuis le centre vers la périphérie du moyen de stockage de la chaleur, et inversement, de la périphérie vers le centre du moyen de stockage de la chaleur. Avantageusement, le moyen de stockage de la chaleur peut être configuré de manière à ce que le fluide circule de manière alternée dans les lits fixes consécutifs du centre vers la périphérie, puis de la périphérie au centre. Cette configuration permet une facilité de conception, du fait de la symétrie.
Alternativement, le gaz peut traverser les lits fixes depuis un côté vers l’autre du moyen de stockage de la chaleur, et inversement. Avantageusement, le moyen de stockage de la chaleur peut être agencé de manière à ce que le fluide circule de manière alternée dans les lits fixes consécutifs, d’un côté vers l’autre (par exemple de gauche vers la droite), puis en sens inverse (par exemple de droite vers la gauche). Cette configuration permet un plus long passage du gaz au sein des lits fixes.
Selon une première réalisation de l’invention, le moyen de stockage de la chaleur est formé par un agencement étagé de lits fixes, le gaz chaud est introduit par le haut (lors de la phase de stockage) du moyen de stockage et circule dans les lits fixes alternativement du centre vers la périphérie du moyen de stockage de la chaleur. Pour cette réalisation, le côté chaud du moyen de stockage se situe en haut et le côté froid en bas, afin de générer une stratification stable, ce qui évite des échanges par convection naturelle pendant la phase de stockage qui pourraient nuire au maintien du gradient thermique.
Un exemple d’un tel système est représenté (de manière non limitative) sur la figure 2 lors de la phase de charge (l’air chaud échange sa chaleur avec les particules solides et ressort froid). Sur cette figure, le passage du gaz est indiqué par les flèches, les flèches foncées indiquant un gaz chaud alors que les flèches claires indiquent un gaz froid. Pour cet exemple selon la première réalisation, le moyen de stockage de la chaleur 1, sous forme de colonne, comporte une pluralité (ici six) de lits fixes 2. Chaque lit fixe 2 comporte des particules 3 de stockage de la chaleur. Le lit fixe est formé par un panier 6, dont les parois verticales sont réalisées par des grilles (ou des parois perforées). Les paniers 6 ont une forme sensiblement annulaire. Entre chaque lit fixe 2, sont disposées des couches en matériau isolant thermique 4. Les couches en matériau isolant 4 peuvent être recouvertes d’une couche en matériau étanche 5. La colonne 1 comporte des moyens d’injection et de soutirage du gaz 7 aux extrémités de la colonne 1. Lors de la phase représentée de stockage, le gaz chaud GC (en sortie des moyens de compression) est injecté par l’extrémité supérieure dans la colonne 1. Le gaz chaud traverse radialement les lits fixes 2 en passant alternativement du centre de la colonne vers la périphérie, puis de la périphérie vers le centre. Ce cheminement est répété trois fois au sein de la colonne. Puis, le gaz refroidi GF est extrait de la colonne 1 dans la partie inférieure pour être stocké dans les moyens de stockage du gaz comprimé du système AACAES, ou bien pour être injecté dans une nouvelle étape de compression. Lors de la décharge (non représentée) du moyen de stockage de la chaleur 1, le gaz parcourt le chemin inverse (entrée du gaz froid par le bas et sortie du gaz chaud par le haut).
Selon une deuxième configuration, le sens de l’écoulement du gaz est inversé par rapport à la première réalisation. Dans ce cas, le côté chaud du moyen de stockage de la chaleur se trouve en bas et le côté froid se trouve en haut. Pour cette configuration, la constitution interne du moyen d’échange de chaleur est inchangée : le moyen de stockage de la chaleur est formé par un agencement étagé de lits fixes, le gaz chaud est introduit par le haut (lors de la phase de stockage) et circule dans les lits fixes alternativement du centre vers la périphérie du moyen de stockage de la chaleur et de la périphérie vers le centre. Toutefois, dans ce cas, un système de clapets est mis en place pour éviter les phénomènes de convection naturelle. Les clapets permettent le passage du gaz dans un seul sens. Ainsi, les clapets imposent le sens du passage du gaz au sein des différents lits. Dans ce but, les clapets sont disposés en périphérie et/ou au centre du moyen d’échange de la chaleur.
Un exemple d’un tel système est représenté (de manière non limitative) sur les figures 3a et 3b. La figure 3a correspond à la phase de charge (l’air chaud échange sa chaleur avec les particules solides et ressort froid) et la figure 3b correspond à la phase de décharge (les particules solides échangent leur chaleur avec le gaz froid, et le gaz ressort chaud). Sur les figures 3a et 3b, le passage du gaz est indiqué par les flèches, les flèches foncées indiquant un gaz chaud alors que les flèches claires indiquent un gaz froid. Pour cet exemple selon la deuxième réalisation, le moyen de stockage de la chaleur 1, sous forme de colonne, comporte une pluralité (ici six) de lits fixes 2. Chaque lit fixe 2 comporte des particules 3 de stockage de la chaleur. Le lit fixe est formé par un panier, dont les parois verticales sont réalisées par des grilles (ou des parois perforées). Les paniers ont une forme sensiblement annulaire. Entre chaque lit fixe 2, sont disposées des couches en matériau isolant thermique 4. Les couches en matériau isolant 4 peuvent être recouvertes d’une couche en matériau étanche. La colonne 1 comporte des moyens d’injection et de soutirage du gaz 7 aux extrémités de la colonne 1. Entre les lits fixes sont disposés un système de clapets étanches 8 qui impose le sens de circulation du gaz.
Lors de la phase de stockage représentée sur la figure 3a, le gaz chaud GC (en sortie des moyens de compression) est injecté par l’extrémité inférieure dans la colonne 1. Le gaz chaud GC traverse radialement les lits fixes 2 en passant alternativement du centre de la colonne vers la périphérie, puis de la périphérie vers le centre, au moyen des clapets 8 orientés selon ce sens de circulation. Ce cheminement est répété trois fois au sein de la colonne. Puis, le gaz refroidi GF est extrait de la colonne 1 dans la partie supérieure, pour être stocké dans les moyens de stockage du gaz comprimé du système AACAES, ou bien pour être injecté dans une nouvelle étape de compression.
Lors de la décharge du moyen de stockage de la chaleur 1, le gaz froid GF (en sortie des moyens de stockage du gaz comprimé ou d’un étage de détente) est injecté par l’extrémité supérieure dans la colonne 1. Le gaz froid GF traverse radialement les lits fixes 2 en passant alternativement de la périphérie vers le centre, puis du centre de la colonne vers la périphérie, au moyen des clapets 8 orientés selon ce sens de circulation. Ce cheminement est répété trois fois au sein de la colonne. Puis, le gaz chaud GC est extrait de la colonne 1 dans la partie inférieure pour être dirigé vers les moyens de détente du système AACAES. Grâce aux clapets, le chemin de circulation du gaz lors de la phase de décharge est différent du chemin de circulation du gaz lors de la phase de charge. Entre deux lits, le gaz peut passer en périphérie lors de la phase de charge, et au centre lors de la phase de décharge, ou inversement.
Dans le lit multi-étagé radial, selon l’invention, deux gradients thermiques sont établis : un gradient principal dans le sens longitudinal ou axial (celui qui permet de conserver les températures froides et chaudes d’entrée et de sortie) et un gradient secondaire dans le sens radial. La figure 4 représente un exemple d’évolution temporelle de ces deux gradients, pour le mode de réalisation de la figure 2. Sur la partie gauche de la figure, l’évolution de la température T en fonction du rayon r, est indiquée pour deux instants L (en trait continu) et t2 (en trait pointillé) de la phase de charge. De la même manière, la partie droite de la figure montre l’évolution de la température T en fonction d’une hauteur h (correspondant à la distance, le long de l’axe de révolution de la colonne) pour les instants L (en trait continu) et t2 (en trait pointillé).
Dans les configurations décrites précédemment, les moyens d’injection et de soutirage du gaz sont prévus aux extrémités supérieure et inférieure du moyen de stockage de la chaleur. En variante, des moyens complémentaires d’injection et de soutirage du gaz peuvent être prévus à des niveaux intermédiaires du moyen de stockage de la chaleur. Ainsi, le système de la présente invention peut être doté de points d’injection et de soutirage complémentaires à chaque étage (à chaque lit fixe), qui permettent de contrôler, de manière avantageuse, le débit de fluide qui traverse chaque étage. Cette variante de réalisation est compatible avec toutes les configurations envisageables du moyen de stockage de la chaleur.
Un avantage de cette réalisation est que le système d’injection/soutirage par étage permet de réduire les pertes de charge dans le système et de mieux contrôler le gradient de température dans le lit fixe. En effet, les injections/soutirages au plus près du gradient thermique permettent de limiter les pertes de charge (le nombre de lits traversés étant réduit) tout en conservant de bonnes performances de transfert thermique. Ainsi, et en fonction de la hauteur du gradient thermique par rapport à la hauteur du lit, une diminution très importante de la perte de charge peut être obtenue.
Ainsi, sur les figures 5a et 5b sont illustrées (de manière non limitative) deux phases consécutives de charge d’un système de stockage de chaleur avec un lit fixe de six étages de particules. Le système de stockage de la chaleur représenté correspond à la configuration de la figure 2 : le moyen de stockage de la chaleur est formé par un agencement étagé de lits fixes, le côté chaud du réacteur se situe en haut, et le côté froid en bas. En outre, des moyens complémentaires d’injection (flèches foncées continues) et de soutirage (flèches claires en pointillés) 9 sont installés à chaque étage. Le gradient de température T axial est artificiellement représenté dans le lit multi-étagé par un trait plein. Lors de la première phase de charge (figure 5a), le gaz chaud GC est injecté et est distribué sur un ou plusieurs étages (le nombre d’étages peut varier en fonction du débit par exemple). Selon cet exemple, le chargement se fait sur trois (figure 5a) ou quatre étages (figure 5b) en même temps (le fluide chaud traverse trois ou quatre étages avant de sortir du moyen de stockage de la chaleur). Le nombre d’étages traversés est variable du fait du parcours du fluide (par exemple soutirages seulement en périphérie du réacteur). Lorsque la température de charge est atteinte dans ces étages, l’injection se fait par un moyen complémentaire (9) directement dans l’un des étages inférieurs (Figure 5b). Ainsi, le chargement d’un tel système peut se faire séquentiellement par étage ou groupe d’étages de l’entrée vers la sortie et permet de limiter les pertes de charge puisque le gaz ne traverse pas l’ensemble du lit de particules.
Pour cette variante de réalisation, le processus de décharge peut se faire également séquentiellement par groupe d’étages du bas du lit vers le haut du lit. Lors de cette phase, le déchargement peut se faire sur un nombre d’étages diffèrent.
Selon ce troisième mode de réalisation, et pour l’exemple de la figure 5a et 5b, seulement trois ou quatre étages sur six sont traversées par le gaz à tout moment, contrairement au premier mode de réalisation illustré en figure 4. Ainsi pour cette charge du moyen de stockage de la chaleur, la perte de charge varie donc entre la moitié et les deux tiers de celle de la configuration de la figure 4.
Selon un quatrième mode de réalisation de l’invention (compatible avec les modes de réalisation décrits précédemment), les lits fixes peuvent comprendre des particules de matériau à changement de phase (MCP) en tant que particules de stockage de la chaleur. Selon une variante de ce mode de réalisation, le moyen de stockage de la chaleur peut comprendre des lits fixes avec des particules de matériau de changement de phase ayant des températures de fusion différentes. Avantageusement, les particules MCP ayant la température de fusion la plus élevée sont placées dans au moins un lit fixe du côté chaud, à proximité des moyens d’injection et de soutirage du gaz chaud, et les particules MCP ayant la température de fusion la plus basse sont placées dans au moins un lit fixe côté froid, à proximité des moyens d’injection et de soutirage du gaz froid. Pour cette variante, les températures de fusion des deux matériaux à changement de phase sont choisies de manière à assurer un certain niveau de température de l’air froid vers le stockage (côté froid) et de l’air chaud vers la turbine du AACAES (côté chaud). De manière facultative, un lit fixe de particules de matériau de stockage par chaleur sensible peut être placé avant l’étage du lit fixe de MCP côté chaud, et/ou après l’étage du lit fixe de MCP côté froid, de manière à absorber des éventuelles variations de la température d’entrée du moyen de stockage de la chaleur (sortie du compresseur lors de la charge, sortie du stockage d’air comprimé lors de la décharge). A tout moment, les étages de MCP contiennent un front de changement de phase, avec un certain pourcentage de la masse à l’état solide et le reste à l’état liquide.
Ainsi, pour ce mode de réalisation, la température dans un matériau MCP qui se trouve à la température du changement de phase reste constante pendant l’échange thermique, tant que le changement de phase se produit (échange de chaleur latente). Le principal avantage de ce mode de réalisation est donc de s’assurer une température constante d’entrée et de sortie du système de stockage de la chaleur, qui ne va pas varier avec le cyclage si la quantité de MCP est correctement dimensionnée (il faut qu’il y ait les 2 phases solide/liquide à tout moment pour s’assurer de maintenir la T constante). Ainsi, l’avantage principal de ce mode de réalisation est l’amélioration du contrôle du gradient thermique.
La température de fusion du MCP côté chaud peut être comprise entre 50 et 500 °C, plus préférentiellement entre 100 et 400°C, et de manière encore plus préférée entre 100 et 350^. La température de fusion du MCP côté froid est comprise entre 0 et 500 ‘C, plus préférentiellement entre 5 et 200, et de manière encore plus préférée entre 10 et lOO'C.
Un exemple d’un tel système est représenté (de manière non limitative) sur la figure 6 lors de la phase de charge (le gaz chaud échange sa chaleur avec les particules solides et ressort froid). Pour cet exemple selon le quatrième mode de réalisation, la géométrie du système de stockage de la chaleur, ainsi que le parcours du fluide dans le système de stockage de la chaleur correspondent à la configuration de la figure 2 : le moyen de stockage de la chaleur comporte une pluralité (ici six) de lits fixes, le lit fixe est formé par un panier ayant une forme sensiblement annulaire, et entre chaque lit fixe 2, sont disposées des couches en matériau isolant, la colonne comporte des moyens d’injection et de soutirage du gaz 7 aux extrémités de la colonne... En outre, pour ce mode de réalisation, la colonne comporte deux lits fixes 10 et 11 comportant des particules de matériau à changement de phase, appelés lit fixes de MCP par la suite. Selon ce mode de réalisation, les particules MCP du premier lit fixe de MCP 10 ont une température de fusion plus élevée que les particules MCP du deuxième lit fixe de MCP 11. Le premier lit fixe de MCP 10 est alors placé du côté chaud, en tant que deuxième lit fixe à partir des moyens d’injection et de soutirage du gaz chaud GC. Le lit fixe de MCP 11 est placé du côté froid, en tant que deuxième lit fixe à partir des moyens d’injection et de soutirage du gaz froid GF. Les lits fixes situés entre les lits fixes de MCP 10 et 11 et les moyens d’injection et de soutirage 7 comportent des particules de matériau de stockage par chaleur sensible (c’est-à-dire les lits fixes placés avant l’étage du lit fixe de MCP côté chaud 10, et/ou après l’étage du lit fixe de MCP côté froid 11 ) de manière à absorber des éventuelles variations de la température d’entrée du moyen de stockage de la chaleur. Lors de la phase représentée de stockage, le gaz chaud GC (en sortie des moyens de compression) est injecté par l’extrémité supérieure dans la colonne 1. Le gaz chaud traverse radialement les lits fixes 2 en passant alternativement du centre de la colonne vers la périphérie, puis de la périphérie vers le centre. Ce cheminement est répété trois fois au sein de la colonne. Puis, le gaz refroidi GF est extrait de la colonne 1 dans la partie inférieure pour être stocké dans les moyens de stockage du gaz comprimé du système AACAES, ou bien pour être injecté dans une nouvelle étape de compression. Lors de la décharge (non représentée) du moyen de stockage de la chaleur 1, le gaz parcourt le chemin inverse (entrée du fluide froid par le bas et sortie du fluide chaude par le haut).
Selon une cinquième configuration (compatible avec les trois premiers modes de réalisation décrits), le système présente des lits fixes de particules de stockage de la chaleur avec des MCP différents, chacun ayant une température de fusion différente. Les températures de fusion des différents matériaux à changement de phase sont choisies de manière à assurer un certain gradient de température dans le lit multi-étagé. De manière facultative, une couche de matériau de stockage par chaleur sensible peut être placée avant le premier étage de MCP côté chaud, et/ou après le dernier étage de MCP côté froid, de manière à absorber des éventuelles variations de la température d’entrée du TES (sortie du compresseur lors de la charge, sortie du stockage d’air comprimé ou d’une étage de détente lors de la décharge). A tout moment, les étages de MCP contiennent un front de changement de phase, avec un certain pourcentage de la masse à l’état solide et le reste à l’état liquide. Pour cette variante, les températures de fusion des deux matériaux à changement de phase sont choisies de manière à assurer un certain niveau de température de l’air froid vers le stockage ou vers un autre étage de compression (côté froid) et de l’air chaud vers la turbine du système AACAES (côté chaud). L’avantage principal d’étager des MCP est de mieux contrôler le gradient thermique et donc les températures d’entrée/sortie au cours des cycles de charge/décharge.
Un exemple d’un tel système est représenté (de manière non limitative) sur la figure 7 lors de la phase de charge (l’air chaud échange sa chaleur avec les particules solides et ressort froid). Pour cet exemple selon le cinquième mode de réalisation, le moyen de stockage de la chaleur correspond à la configuration de la figure 2 : le moyen de stockage de la chaleur comporte une pluralité (ici six) de lits fixes, le lit fixe est formé par un panier ayant une forme sensiblement annulaire, entre chaque lit fixe 2, sont disposées des couches en matériau isolant, la colonne comporte des moyens d’injection et de soutirage du gaz 7 aux extrémités de la colonne... En outre, pour ce mode de réalisation, tous les lits fixes comportent des particules de matériau à changement de phase MCP. Les particules MCP de chaque lit fixe possèdent une température de fusion différente TF1 à TF6, avec TF6<TF5<TF4<TF3<TF2<TF1, le lit fixe avec les MCP ayant la température de fusion TF1 étant du côté chaud (injection/soutirage du gaz chaud GC), et le lit fixe avec les MCP ayant la température de fusion TF6 étant du côté froid (injection/soutirage du gaz froid GF). Lors de la phase représentée de stockage, le gaz chaud GC (en sortie des moyens de compression) est injecté par l’extrémité supérieure de la colonne 1. Le gaz chaud traverse radialement les lits fixes 2 en passant alternativement du centre de la colonne vers la périphérie, puis de la périphérie vers le centre. Ce cheminement est répété trois fois au sein de la colonne. Puis, le gaz refroidi GF est extrait de la colonne 1 dans la partie inférieure pour être stocké dans les moyens de stockage du gaz comprimé du système AACAES ou bien pour être injecté dans une nouvelle étape de compression. Lors de la décharge (non représentée) du moyen de stockage de la chaleur 1, le gaz parcourt le chemin inverse (entrée du fluide froid par le bas et sortie du fluide chaud par le haut).
La figure 8a illustre un exemple d’un cycle d’utilisation d’un système AACAES. Cette figure correspond à la variation de la température du gaz en entrée du côté chaud Tin,,iuide du moyen de stockage de la chaleur. Le cycle d’utilisation comporte une première phase de charge CFI (stockage d’énergie) entre les instants t0 et t-ι, puis une deuxième phase de stockage ST (stockage d’énergie) entre les instants ti et t2, puis une phase de décharge DE (restitution de l’énergie) entre les instants t2 et t3, et une phase d’attente AT entre les instants ta et to.
Les figures 8b et 8c représentent l’évolution temporelle du profil axial (c’est-à-dire le long de l’axe de révolution du moyen de stockage de la chaleur, h étant la distance prise le long de cet axe) de la température T dans les lits fixes, lors des phases de charge et décharge pour le cycle d’utilisation de la figure 8a. Pour cet exemple, le moyen de stockage de la chaleur correspond au mode de réalisation de la figure 6, pour lequel le moyen de stockage de la chaleur comporte deux lits fixes avec des MCP, chaque lit fixe de MCP ayant une température de fusion différente et étant placé à proximité (en deuxième position) des extrémités du moyen de stockage de la chaleur. Sur ces figures, les traits verticaux délimitent les lits fixes comportant les particules MCP. La figure 8b correspond à la phase de charge CH de la figure 8a, et la figure 8c correspond à la phase de décharge DE de la figure 8a.
Sur la figure 8a, on indique qu’en début du cycle (à t0), le lit fixe avec les particules MCP1 côté chaud du moyen de stockage de la chaleur contient 50% de la masse à l’état solide et 50% à l’état liquide. Lors de la charge, le gaz chaud traverse le moyen de stockage de la chaleur en rentrant par le côté chaud. La fraction de liquide augmente, de la chaleur latente étant stockée dans l’étage à MCP1. La température est maintenue constante (et égale à la température de fusion du MCP1). A la fin de la charge, 90% du MCP1 se trouve à l’état liquide.
Le gradient de température s’établit dans la partie du TES qui est remplie de matériel de stockage à chaleur utilisant la chaleur sensible.
Du côté froid, l’étage de MCP2 contient initialement 10% de liquide et 90% de solide. Pendant la charge, sa température est maintenue constante (et égale à la température de fusion du MCP2). A la fin de la charge, 50% du MCP2 se trouve à l’état liquide.
Le processus est inversé lors de la phase de décharge entre t2 et t3. Sur la figure 8c, on observe que le fluide froid rentre par le côté froid et se réchauffe, absorbant de la chaleur latente dans l’étage MCP2 et diminuant la proportion du liquide dans cet étage (qui passe à nouveau de 50% à 10%). La température est maintenue toujours constante (et égale à la température de fusion du MCP2).
Un nouveau gradient de température s’établit dans la partie du TES qui est remplie de matériau de stockage à chaleur sensible. Côté chaud, dans l’étage de MCP1 la quantité de liquide diminue au passage du fluide et passe de 90% à 50%, en gardant sa température toujours constante (et égale à la température de fusion du MCP1).
La présente invention concerne également un procédé de stockage et de récupération par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes : a) on comprime un gaz, notamment au moyen d’un compresseur ; b) on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur, en particulier dans un moyen de stockage de la chaleur, sensiblement cylindrique ; c) on stocke le gaz comprimé refroidi, notamment par un moyen de stockage de gaz comprimé ; d) on chauffe le gaz comprimé stocké, par échange de chaleur, dans le moyen de stockage de la chaleur ; et e) on détend le gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, par exemple au moyen d’une turbine pour générer une énergie électrique.
Selon l’invention, le moyen de stockage de la chaleur comporte au moins un lit fixe de particules solides de stockage de la chaleur. Le lit fixe de particules solides peut avoir sensiblement une forme cylindrique ou annulaire. En outre, pour le procédé selon l’invention, le gaz traverse radialement le ou les lit(s) fixe(s). Ce passage radial du gaz dans le lit fixe permet une meilleure distribution radiale de la température au sein du système de stockage de la chaleur, ce qui évite la formation de poches froides (cas du passage axial du gaz dans le système de stockage de chaleur) qui nuisent à l’efficacité du système. Ainsi, le stockage et la restitution d’énergie du procédé AACAES sont optimisés.
Selon un aspect de l’invention, le procédé comporte plusieurs étapes de compression successives, au moyen de compresseurs placés en série, également appelés compressions étagées. Dans ce cas, on réitère les étapes a) et b) pour chaque étage de compression. Ainsi, le gaz est comprimé et refroidi plusieurs fois.
Selon une caractéristique de l’invention, le procédé comporte plusieurs étapes de détente successives, par des moyens de détente placés en série, également appelés détentes étagées. Dans ce cas, on réitère les étapes d) et e) pour chaque étage de détente. Ainsi, le gaz est chauffé et détendu plusieurs fois. L’étape a) concerne la compression d’un gaz, par exemple de l’air. Il peut s’agit notamment d’air prélevé dans le milieu ambiant. L’étape b) permet de refroidir le gaz comprimé après chaque étape de compression, ce qui permet d’optimiser le rendement de la compression suivante et/ou le stockage d’énergie. Les moyens de stockage de la chaleur permettent, lors du stockage du gaz comprimé (compression), de récupérer un maximum de chaleur issue de la compression du gaz en sortie des compresseurs et de diminuer la température du gaz avant le passage à la compression suivante ou avant le stockage. Par exemple, le gaz comprimé peut passer d’une température supérieure à 150 °C, par exemple environ 190 °C à une température inférieure à 80 °C, par exemple environ 50 °C. L’étape c) peut être réalisée au sein d’un moyen de stockage du gaz comprimé, qui peut être un réservoir naturel ou non (par exemple une cavité souterraine). Le moyen de stockage du gaz comprimé peut être en surface ou en sous-sol. De plus, il peut être formé d’un unique volume ou d’une pluralité de volumes connectés entre eux ou non. Lors du stockage, on ferme le moyen de stockage du gaz comprimé.
Le gaz comprimé est stocké jusqu’au moment où on souhaite récupérer l’énergie stockée. L’étape d) et les suivantes sont réalisées au moment où on souhaite récupérer l’énergie stockée. L’étape d) permet de chauffer l’air comprimé avant chaque détente, ce qui permet d’optimiser le rendement de la détente suivante. Pour l’étape d), on peut utiliser les particules de stockage de la chaleur qui ont servi à refroidir lors de l’étape b). Les moyens de stockage de la chaleur permettent, lors de la restitution de l’énergie, de restituer un maximum de chaleur stockée en augmentant la température du gaz avant le passage à la détente suivante. Par exemple, le gaz peut passer d’une température inférieure à 80 ‘C, par exemple environ 50 °C, à une température supérieure à 150 °C, par exemple environ 180 °C.
Lors de l’étape e), le gaz comprimé est détendu. La détente du gaz comprimé permet de générer une énergie. Cette détente peut être réalisée au moyen d’une turbine qui génère une énergie électrique. Si le gaz est de l’air, l’air détendu peut être évacué dans le milieu ambiant.
Le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre par le système selon l’une quelconque des variantes de l’invention décrites précédemment (seules ou en combinaison). Le procédé selon l’invention peut notamment comprendre une étape de stockage et/ou de restitution de la chaleur comprenant une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : • un échange de chaleur dans une pluralité de lits fixes, • une circulation du gaz du centre vers la périphérie, ou d’un côté vers l’autre du moyen de stockage de la chaleur, • une injection et un soutirage du gaz aux extrémités du moyen de stockage de la chaleur et/ou à des niveaux intermédiaires, • les particules de stockage de la chaleur peuvent être des particules de matériau à changement de phase, ces particules MCP peuvent être placées dans des lits fixes situés à proximité des extrémités du moyen de stockage de la chaleur, • une circulation du gaz chaud depuis la partie supérieure vers la partie inférieure de la colonne, ou inversement depuis la partie inférieure vers la partie supérieure de la colonne...
Selon une variante de réalisation du procédé, la charge et la décharge du moyen de stockage de la chaleur peuvent être séquentielles. En particulier, pour le mode de réalisation, pour lequel on injecte et/ou on soutire le gaz à des niveaux intermédiaires (figure 5), le procédé peut comprendre les étapes suivantes : i) on stocke la chaleur sur une première portion des lits fixes par un premier échange de chaleur avec ledit gaz, par exemple avec les lits fixes supérieurs du moyen de stockage de la chaleur, le gaz chaud étant injecté dans le moyen de stockage de la chaleur par des moyens d’injection et de soutirage situés dans la partie supérieure du moyen de stockage de la chaleur, et le gaz froid étant soutiré du moyen de stockage de la chaleur par des moyens d’injection et de soutirage situés à un niveau intermédiaire du moyen de stockage de la chaleur ; ii) on stocke la chaleur sur une deuxième portion des lits fixes par un deuxième échange de chaleur avec ledit gaz, par exemple avec les lits fixes inférieurs du moyen de stockage de la chaleur, le gaz chaud étant injecté dans le moyen de stockage de la chaleur par des moyens d’injection et de soutirage situés dans la partie intermédiaire du moyen de stockage de la chaleur, et le gaz froid étant soutiré du moyen de stockage de la chaleur par des moyens d’injection et de soutirage situés à un niveau intermédiaire, ou dans la partie inférieure du moyen de stockage de la chaleur ; et iii) on restitue la chaleur de ladite première et/ou deuxième portion par échange de chaleur avec ledit gaz, le gaz froid étant injecté dans le moyen de stockage de la chaleur par des moyens d’injection et de soutirage situés dans la partie inférieure du moyen de stockage de la chaleur, et le gaz chaud étant soutiré du moyen de stockage de la chaleur par des moyens d’injection et de soutirage situés à un niveau intermédiaire, ou dans la partie supérieure du moyen de stockage de la chaleur.
Ce mode de réalisation permet de limiter les pertes de charge au sein du moyen de stockage de la chaleur.
Avantageusement, les étapes i) et ii) peuvent être répétées pour d’autres portions des lits fixes du moyen de stockage de la chaleur.
Selon une variante, on peut restituer la chaleur pour seulement une portion des lits fixes du moyen de stockage de la chaleur.
Le procédé et le système selon l’invention peuvent être utilisés pour le stockage d’une énergie intermittente, telle que l’énergie éolienne ou solaire, afin de pouvoir utiliser cette énergie au moment désiré.
Claims (21)
- Revendications 1) Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression (12) de gaz, au moins un moyen de stockage du gaz comprimé (13), au moins un moyen de détente (14) dudit gaz comprimé pour générer une énergie, et au moins un moyen de stockage de la chaleur (1) ayant sensiblement une forme de révolution, caractérisé en ce que ledit moyen de stockage de la chaleur (1) comporte au moins un lit fixe (2) de particules de stockage de la chaleur, ledit moyen de stockage de la chaleur (1) étant configuré pour une circulation radiale dudit gaz comprimé au sein dudit lit fixe.
- 2) Système selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen de stockage de la chaleur (1) comporte un agencement étagé formé d’une pluralité de lits fixes (2).
- 3) Système selon la revendication 2, dans lequel lesdits lits fixes sont séparés par une couche de matériau isolant (4).
- 4) Système selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel lesdits lits fixes sont formés par des paniers (6) de forme sensiblement annulaires, les parois desdits paniers étant formées par une grille et/ou au moins une paroi perforée.
- 5) Système selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel au moins un lit fixe (2) comporte un système d’absorption de la variation de la hauteur dudit lit.
- 6) Système selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel ledit moyen de stockage de la chaleur (1) comporte des moyens d’injection et de soutirage (7) dudit gaz aux extrémités dudit moyen de stockage de la chaleur.
- 7) Système de stockage selon la revendication 6, dans lequel ledit moyen de stockage de la chaleur (1) comporte des moyens d’injection et de soutirage (9) dudit gaz au niveau d’au moins un lit fixe dudit agencement étagé.
- 8) Système selon l’une des revendications 2 à 7, dans lequel ledit moyen de stockage de la chaleur comporte au moins un clapet (8) autorisant le passage dudit gaz dans un seul sens.
- 9) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins un lit fixe (2) comporte des particules de matériau à changement de phase.
- 10) Système selon la revendication 9, dans lequel ledit lit fixe (2) avec des particules de matériau à changement de phase est situé à proximité des extrémités dudit moyen d’échange de la chaleur (1 ).
- 11) Système selon la revendication 10, dans lequel le lit fixe (10, 11) situé en deuxième position dudit agencement en comptant à partir d’une extrémité dudit moyen d’échange de la chaleur (1) comporte des particules de matériau à changement de phase.
- 12) Système selon la revendication 11, dans lequel chaque lit fixe (10, 11) comporte des particules de matériau à changement de phase de température de fusion différente.
- 13) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen de stockage de la chaleur (1) est configuré pour un passage radial dudit gaz comprimé du centre vers la périphérie dudit moyen de stockage de la chaleur (1) et/ou inversement.
- 14) Système selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel ledit moyen de stockage de la chaleur est configuré pour un passage radial dudit gaz comprimé d’un côté vers un autre dudit moyen de stockage de la chaleur (1).
- 15) Procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes : a) on comprime un gaz ; b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur dans un moyen de stockage de la chaleur (1) de forme sensiblement cylindrique ; c) on stocke ledit gaz refroidi ; d) on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dans ledit moyen de stockage de la chaleur (1) ; et e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, caractérisé en ce que pour stocker et restituer la chaleur, ledit gaz traverse radialement au moins un lit fixe (2) de particules de stockage de la chaleur, ledit lit fixe (2) étant contenu dans ledit moyen de stockage de la chaleur (1).
- 16) Procédé selon la revendication 15, dans lequel ledit gaz traverse un agencement étagé formé par une pluralité de lits fixes (2) contenus dans ledit moyen de stockage de la chaleur (1).
- 17) Procédé selon la revendication 16, dans lequel on injecte et on soutire ledit gaz aux extrémités dudit moyen de stockage de la chaleur.
- 18) Procédé selon la revendication 17, dans lequel on injecte et on soutire ledit gaz au niveau d’au moins un lit fixe intermédiaire.
- 19) Procédé selon la revendication 18, dans lequel on met en oeuvre les étapes suivantes : i) on stocke la chaleur sur une première portion desdits lits fixes par un premier échange de chaleur avec ledit gaz ; ii) on stocke la chaleur sur une deuxième portion desdits lits fixes par un deuxième échange de chaleur avec ledit gaz ; et iii) on restitue la chaleur de ladite première et/ou deuxième portion par échange de chaleur avec ledit gaz.
- 20) Procédé selon l’une des revendications 15 à 18, dans lequel ledit gaz traverse ledit moyen de stockage de la chaleur du centre vers la périphérie dudit moyen de stockage de la chaleur (1) et/ou inversement.
- 21) Procédé selon l’une des revendications 15 à 18, dans lequel ledit gaz traverse ledit moyen de stockage de la chaleur d’un côté vers l’autre dudit moyen de stockage de la chaleur (1).
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