FR3069019A1 - Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur direct entre le gaz et un fluide - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système et un procédé AA-CAES dans lequel la chaleur est échangée entre le gaz et un fluide caloporteur dans un moyen d'échange de chaleur (1) comprenant des moyens pour un contact direct entre le gaz et le fluide caloporteur, de préférence un contacteur (4), le système et le procédé AA-CAES comprenant en outre des moyens de stockage de la chaleur (2, 3).
Description
La présente invention concerne le domaine du stockage et de la restitution de chaleur, en particulier pour le stockage de la chaleur dans un système ou un procédé de type AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic - Compressed Air Energy Storage »).
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 non négligeable 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 utilise uniquement l’énergie mécanique de l’air et la chaleur de compression est perdue. De plus, le rendement d’un système CAES diminue davantage, car ensuite le système nécessite de réchauffer 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 soit environ 27°C). L’air se refroidit donc jusqu’à des températures non admissibles pour les matériaux de la turbine (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 à l’issue de la compression. Toutefois, ce type de système nécessite des moyens de stockage spécifique du gaz comprimé, volumineux et coûteux (stockage adiabatique).
• AA-CAES (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. Selon certaines conceptions envisagées, la chaleur est stockée dans le système de stockage, soit au moyen de particules solides, soit au moyen d'un fluide caloporteur.
Un des critères de conception des dispositifs d’échange, de stockage et de restitution de la chaleur est leur résistance aux hautes pressions et hautes températures pour contenir l’air comprimé, les fluides, et éventuellement les solides pouvant être utilisé pour stocker la chaleur. Cette résistance aux hautes pressions et aux hautes températures est en général réalisée grâce à des épaisseurs importantes des éléments de la structure de ces systèmes d’échange et de stockage de la chaleur, ce qui implique une masse élevée et un coût important. Ces épaisseurs, et donc le cout du système, sont proportionnelles au volume du dispositif d’échange et de stockage.
Des perfectionnements des systèmes AA-CAES ont porté sur la réalisation du 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 dont le numéro de dépôt est FR 3014182 décrit un système AA-CAES dans lequel le système de stockage de chaleur est réalisé par un réservoir contenant des matériaux de stockage de chaleur à différents niveaux de température. Toutefois, pour ces systèmes de stockage de chaleur TES statique (sans mouvement du matériau de stockage de la chaleur), il est nécessaire de gérer le gradient thermique entre deux cycles, ce qui rend le système complexe.
D’autres solutions envisagées 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 AA-CAES 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 AA-CAES, 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, les échanges de chaleur entre le gaz et le fluide caloporteur ne sont pas optimaux (sans un coût élevé du TES et avec une perte de charge importante), ce qui ne permet pas une maximisation de la température de stockage de la chaleur, et a fortiori une récupération optimale d’énergie.
Une autre solution envisagée et décrite dans la demande de brevet FR 3023321 (WO 2016/001001) concerne un système et un procédé AA-CAES dans lequel le fluide caloporteur, qui comporte des billes de matériau de stockage de chaleur, circule entre deux réservoirs : un réservoir chaud et un réservoir froid. Une installation avec deux réservoirs de fluide caloporteur permet le maintien du potentiel de transfert entre le fluide caloporteur et l’air. L’utilisation de billes dans le fluide caloporteur permet de réduire le volume de stockage de la chaleur, du fait de la capacité de stockage importante de telles billes. Cependant, la circulation de telles billes de stockage de chaleur nécessite une énergie importante, et des moyens complexes.
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne un système et un procédé AA-CAES dans lequel la chaleur est échangée entre le gaz et un fluide caloporteur dans un moyen d’échange de chaleur comprenant des moyens pour un contact direct entre le gaz et le fluide caloporteur, de préférence un contacteur, le système et le procédé AACAES comprenant en outre des moyens de stockage de la chaleur. Ainsi, grâce au contact direct (préférentiellement au sein du contacteur), les échanges thermiques sont optimisés, et a fortiori la récupération d’énergie. En effet, le contact direct entre le gaz et le fluide caloporteur permet d’optimiser les échanges thermiques avec un taux de récupération d’énergie important et des conditions de stockage de la chaleur du fluide caloporteur à une température proche de la température de l’air chaud en sortie du(es) compresseur(s). De plus, l’invention permet de réduire le coût du système et du procédé AA-CAES grâce à la séparation des capacités de transfert thermique à haute pression et de stockage de la chaleur dans le fluide caloporteur à pression atmosphérique ou basse pression.
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 dudit gaz, au moins un moyen de stockage dudit gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé, au moins un moyen d’échange de chaleur entre ledit gaz comprimé et un fluide caloporteur, des moyens de stockage de la chaleur, lesdits moyens d’échange de chaleur étant disposés en sortie dudit moyen de compression dudit gaz et/ou en entrée dudit moyen de détente dudit gaz. Ledit moyen d’échange de chaleur comporte des moyens de contact direct dudit gaz et dudit fluide caloporteur.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de contact direct dudit gaz et dudit fluide caloporteur comportent au moins un contacteur.
Avantageusement, ledit contacteur est un garnissage vrac, un garnissage structuré, un contacteur à plateaux, ou un garnissage monolithes.
De préférence, ledit contacteur est un garnissage vrac ou structuré ou monolithes, et ledit contacteur comprend au moins un plateau collecteur/distributeur pour collecter et distribuer ledit gaz et ledit fluide caloporteur sur ledit garnissage vrac, structuré ou monolithes.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ledit gaz et ledit fluide caloporteur circulent à contre-courant dans lesdits moyens de contact direct.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de contact direct comprennent un moyen de bullage dudit gaz dans la partie inférieure dudit moyen d’échange de chaleur.
De manière avantageuse, lesdits moyens de contact direct comprennent un moyen de distribution dudit fluide caloporteur dans la partie supérieure dudit moyen d’échange de chaleur.
Conformément à une mise en œuvre, ledit système de stockage et de récupération d’énergie comporte une pluralité de moyens d’échange de chaleur agencés en série selon la circulation dudit gaz.
Selon une caractéristique, ledit système de stockage et de récupération d’énergie comporte une pluralité de moyens d’échange de chaleur agencés en parallèle selon la circulation dudit gaz.
Selon un aspect, ledit fluide caloporteur comporte de l’huile, de l’eau, un fluide comportant des particules solides de stockage de la chaleur, ou des sels fondus.
Selon un mode de réalisation, ledit système de stockage et de récupération d’énergie comporte plusieurs moyens de compression de gaz étagés, plusieurs moyens de détente étagés, et au moins un moyen d’échange de chaleur disposé entre au moins deux desdits moyens de compression et/ou au moins deux desdits moyens de détente.
Avantageusement, lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage dudit fluide caloporteur, ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur au travers de chaque moyen d’échange de chaleur.
En variante, lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage dudit fluide caloporteur pour chaque moyen d’échange de chaleur ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur au travers d’un unique moyen d’échange de chaleur.
Alternativement, lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent une unique colonne de stockage comportant un lit de particules de stockage de la chaleur.
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 avec un fluide caloporteur ;
c) on stocke ledit gaz comprimé refroidi et on stocke séparément la chaleur ;
d) on chauffe ledit gaz comprimé stocké par échange de chaleur avec ledit fluide caloporteur ; et
e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, caractérisé en ce qu’on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur par un échange direct.
Selon un mode de réalisation, on échange la chaleur entre le gaz et ledit fluide caloporteur par un échange direct au moyen d’un contacteur.
Avantageusement, on échange la chaleur au moyen d’un contacteur, en particulier un garnissage vrac, un garnissage structuré, d’un garnissage monolithe ou d’un contacteur par plateaux.
De préférence, on réitère les étapes a) et b) et/ou d) et e).
Conformément à une mise en œuvre, on réalise tous les échanges au moyen d’un fluide caloporteur circulant d’un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur.
Selon un aspect, on réalise séparément chaque échange de chaleur au moyen d’un fluide caloporteur circulant d’un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur.
Selon une caractéristique, on stocke ledit fluide caloporteur dans une unique colonne de stockage comportant des particules de stockage de la chaleur.
De manière avantageuse, on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur au moyen d’au moins deux moyens d’échange de chaleur agencés en série selon la circulation dudit gaz.
Selon un mode de réalisation, on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur au moyen d’au moins deux moyens d’échange de chaleur agencés en parallèle selon la circulation dudit gaz.
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 AA-CAES selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 illustre un moyen d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 illustre un système AA-CAES selon un deuxième mode de réalisation de l’invention en phase de stockage d’énergie avec des TES indépendants.
La figure 4 illustre un système AA-CAES selon un troisième mode de réalisation de l’invention en phase de stockage d’énergie avec une mutualisation des capacités de stockage du fluide caloporteur des TES.
La figure 5 illustre un système AA-CAES selon le troisième mode de réalisation de l’invention en phase de récupération d’énergie avec une mutualisation des capacités de stockage du fluide caloporteur des TES.
Les figures 6a et 6b illustrent un système AA-CAES selon un quatrième mode de réalisation de l’invention, respectivement en phase de stockage de l’énergie et en phase de récupération d’énergie où le fluide caloporteur est uniquement le vecteur de transfert de chaleur.
La figure 7 illustre une portion d’un système AA-CAES selon une variante de réalisation de l’invention en phase de récupération d’énergie avec deux moyens d’échange de chaleur.
La figure 8 illustre un système AA-CAES selon un exemple de réalisation de l’invention.
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, en sous-sol ou sous l’eau (mer, lac, ...). De plus, il peut être formé d’un unique volume ou d’une pluralité de volumes connectés entre eux ou non. Ce volume peut être maintenu à pression constante 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 ;
- au moins un moyen d’échange de chaleur, ou échangeur de chaleur, entre le gaz comprimé et un fluide caloporteur pour refroidir le gaz comprimé en sortie du moyen de compression de gaz et/ou pour chauffer le gaz comprimé en entrée du moyen de détente du gaz,
- 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 (suite à l’échange de chaleur entre le gaz et le fluide caloporteur), et permettant la restitution de la chaleur stockée au gaz comprimé lors de la phase de la restitution d’énergie.
Selon l’invention, le moyen d’échange de la chaleur est un échangeur mettant en contact direct le gaz et le fluide caloporteur avec présence ou non d’un contacteur. De préférence, les moyens de contact direct comprennent un contacteur. On appelle contacteur un élément, ou un ensemble d’éléments comportant une forme géométrique spécifique formant une surface de contact élevée, sur laquelle des fluides peuvent échanger de la chaleur. Par exemple, les garnissages utilisés notamment en traitement de gaz, et en raffinage sont des contacteurs. Le contacteur permet de maximiser la surface de contact entre le gaz et le fluide caloporteur. Ainsi, grâce à cette surface de contact importante et à ce contact direct, les échanges de chaleur sont optimisés, ce qui permet d’augmenter l’efficacité du système de stockage et de récupération d’énergie.
De plus, pour le système selon l’invention, les moyens d’échange de chaleur et les moyens de stockage de la chaleur sont distincts (séparés). Ainsi, les moyens de stockage de la chaleur n’ont pas besoin de résister aux pressions élevées du gaz comprimé : seul le moyen d’échange de chaleur est à haute pression, alors que le moyen de stockage de la chaleur peut être à pression atmosphérique. Ceci permet une conception plus simple des moyens de stockage de la chaleur, limitant ainsi, le coût du système de stockage et de récupération d’énergie.
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 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 AA-CAES) 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 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 AA-CAES 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 Ijoar exemple environ 190 °C) à une température inférieure à 80 °C (par exemple environ50 °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 °C (par exænple environ 180 °C).
Afin de permettre la circulation du fluide caloporteur, il peut être prévu au moins une pompe hydraulique. De plus, pour le passage du fluide caloporteur depuis l’échangeur à haute pression au moyen de stockage de la chaleur (à basse pression, par exemple la pression atmosphérique), il peut être prévu au moins une vanne de régulation ou une turbine hydraulique dans le circuit du fluide caloporteur. Si une turbine hydraulique est utilisée, cela permet de récupérer une énergie supplémentaire, notamment au moyen d’un générateur, cette énergie récupérée pouvant être réattribuée à la compression.
La figure 1 illustre un exemple de réalisation non limitatif d’un système AA-CAES selon un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, les flèches en trait fin et continu illustrent la circulation du gaz lors des étapes de compression (stockage d’énergie), et les flèches en traits fins et pointillés illustrent la circulation du gaz lors des étapes de détente (restitution d’énergie). De plus, les flèches en trait épais et continu illustrent la circulation du fluide caloporteur lors des étapes de compression (stockage d’énergie), et les flèches en traits épais et pointillés illustrent la circulation du fluide caloporteur lors des étapes de détente (restitution de l’énergie). Sur cette figure, les moyens de circulation du fluide hydraulique (par exemple une pompe) et de régulation de la pression (par exemple une turbine ou une vanne) ne sont pas représentés. Cette figure illustre un étage d’un système AA-CAES avec un moyen de compression 12, un moyen de détente 14 et un système d’échange de chaleur de la chaleur 1. Le gaz est envoyé vers un autre étage de compression ou un réservoir de stockage 13 en fonction du positionnement de l’étage dans le système AA-CAES. Le système d’échange de la chaleur 1 est intercalé entre l’étage de compression/détente 12 ou 14 et l’autre étage ou le réservoir de stockage 13. De plus, le système comprend deux ballons de stockage de la chaleur 2 et 3 qui stockent le fluide caloporteur. Le ballon de stockage 3 est un ballon de stockage « froid >>, alors que le ballon de stockage 2 est un ballon de stockage « chaud >>. Classiquement, en phase de stockage d’énergie (compression du gaz), l’air est d’abord comprimé dans le compresseur 12, puis refroidi dans le système d’échange de chaleur 1. Le gaz comprimé et refroidi est envoyé vers l’étage de compression suivant ou le réservoir 13. Pendant cette phase, le fluide caloporteur froid stocké dans le ballon de stockage froid 3 circule vers le ballon de stockage chaud 2 en passant au travers le moyen d’échange de chaleur 1. Dans le moyen d’échange de chaleur 1, le gaz se refroidit et le fluide caloporteur se réchauffe. Lors de la récupération de l’énergie (détente du gaz), le gaz comprimé entrant est chauffé dans le système d’échange de 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). Pendant cette phase, le fluide caloporteur chaud stocké dans le ballon de stockage chaud 2 circule vers le ballon de stockage froid 3 en passant au travers le moyen d’échange de chaleur 1. Dans le moyen d’échange de chaleur 1, le fluide caloporteur se refroidit et le gaz se réchauffe.
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.
Le fluide caloporteur est de préférence un liquide, afin de favoriser les échanges dans le contacteur, et peut être choisi notamment parmi l’huile (huiles synthétiques, huiles de silicone) , l’eau, des sels fondus (par exemple NaNO2, NaNO3, KNO2...) des liquides ioniques, mélanges liquide caloporteur et nanoparticules.
L’échangeur de chaleur entre le gaz et le fluide caloporteur peut avoir la forme d’une colonne. La colonne peut avoir une section sensiblement constante, ou à section variable. La section variable de la colonne permet de garantir un régime hydraulique et un mouillage optimal.
Selon un mode de réalisation, le contacteur peut être choisi parmi :
- un garnissage vrac, on appelle garnissage vrac, des empilements anarchiques, aléatoires, d'éléments unitaires possédant des formes particulières, par exemple des anneaux, des spirales... Les échanges de chaleur et/ou de matière se réalisent à la surface de ces éléments unitaires. Ces éléments unitaires peuvent être en métal, en céramique, en plastique ou en matériaux analogues. Les demandes de brevet EP 1478457 et WO 2008/067031 décrivent deux exemples d’élément unitaire de garnissage vrac.
- un garnissage structuré, on appelle garnissage structuré, un assemblage de tubes, de plaques, de feuilles pliées, ou corruguées (de l’anglais « corrugated >> c'est-à-dire sensiblement ondulé avec des angles droits), et arrangées de manière organisée sous forme de grands blocs comme décrit notamment dans les demandes de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3,679,537, US 4,296,050. Les garnissages structurés ont l’avantage d'offrir une grande aire géométrique pour un volume donné
- un contacteur à plateaux, on appelle contacteur à plateaux, un ensemble de plateaux horizontaux perforés situés les uns au-dessus des autres, et qui permet un échange de chaleur et/ou de matière entre le gaz (qui traverse les plateaux, par exemple via des clapets) et le liquide au sein d’une garde de liquide formée au- dessus des plateaux, un exemple d’un tel contacteur est décrit notamment dans la demande de brevet FR2909894 (US 8128072), ou
- un garnissage monolithes, on appelle garnissage monolithes un ensemble de canaux juxtaposés, un exemple d’un tel contacteur est décrit notamment dans la demande de brevet FR2983737.
De préférence, le contacteur est un garnissage structuré afin de maximiser les échanges de chaleur entre le gaz et le fluide caloporteur. En effet, le garnissage structuré est particulièrement adapté par rapport à une colonne à plateaux perforés, car il favorise une surface d’échange et un temps de séjour des fluides (gaz et fluide caloporteur) considérablement augmentés d’où un coefficient d’échange thermique global élevé.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, dans le cas où le contacteur est un garnissage (vrac, structuré, ou monolithes), le contacteur peut comprendre au moins un plateau distributeur et/ou collecteur pour collecter et distribuer le gaz et le fluide caloporteur sur le garnissage (vrac, structuré, ou monolithes). Ainsi, les fluides (gaz et fluide caloporteur) peuvent être mieux répartis au sein du contacteur, favorisant les échanges thermiques, et par conséquent l’efficacité du système et du procédé AA-CAES.
Ainsi, le contacteur peut être formé de plusieurs lits de garnissage, entre lesquels sont disposés des plateaux collecteur/distributeur.
Le dimensionnement de l’échangeur est réalisé en fonction de la configuration du système AA-CAES et des conditions opératoires, telles que le temps de cycle, les niveaux de température et de pression, la puissance à la charge et à la décharge. On appelle charge, la phase de stockage de l’énergie, et on appelle décharge la phase de restitution de l’énergie.
Le dimensionnement des échangeurs/réacteurs par contact avec garnissage peut considérer notamment les deux grandeurs caractéristiques suivantes :
- le taux d’arrosage, défini par (m3/m2/h) généralement entre 5 et 150, avec QL le débit du liquide, et S la surface de la colonne, et
- le facteur cinétique, défini par Jpcgf = Jpg^g généralement entre 0.1 et 5, avec pG la densité du gaz, Qg le débit du gaz, S la surface de la colonne et UG la vitesse superficielle du gaz.
En outre, le dimensionnement de la colonne peut être réalisé en modifiant le type de contacteur et/ou le diamètre et la hauteur de la colonne.
De plus, le débit d’injection du fluide caloporteur peut être régulé pour capter l’énergie du gaz (ou restituer l'énergie au gaz) en supposant que le gaz sort à la température d’entrée du fluide caloporteur et le fluide caloporteur sort à la température d’entrée du gaz, ce qui correspond à un fonctionnement idéal à pincement nul en entrée et sortie (le pincement correspond à la différence de température entre les deux fluides) d’un échangeur de chaleur en régime permanent. Ce fonctionnement idéal peut être considéré car le pincement des échangeurs par contact direct avec un contacteur est faible. Ainsi, la chaleur du gaz est récupérée par le fluide caloporteur qui est lui-même stocké à haute température afin de bien réchauffer le gaz avant la détente et donc de maximiser le rendement du cycle. En outre, les pertes de charge dans les échangeurs par contact direct sont faibles ce qui contribue également à améliorer le rendement du système et du procédé AA-CAES mettant en œuvre une telle invention.
Avantageusement, pour optimiser les échanges de chaleur et donc l’efficacité du système AA-CAES, le gaz et le fluide caloporteur peuvent circuler à contre-courant dans le moyen de contact direct. Dans ce cas, le gaz peut avoir un mouvement ascendant, et le fluide caloporteur peut avoir un mouvement descendant.
Alternativement, le gaz et le fluide caloporteur peuvent circuler dans le moyen de contact direct à co-courant ou à courant-croisé.
Selon une option de réalisation, le moyen d’échange de chaleur peut comprendre un moyen de bullage du gaz dans le fond de l’échangeur (dans la partie inférieure de l’échangeur). Ainsi, il est possible de mieux distribuer le gaz dans l’échangeur, ce qui favorise les échanges de chaleur, et donc l’efficacité du système.
Selon une variante de réalisation, le moyen d’échange de chaleur peut comprendre un moyen de distribution (appelé également zone de spray) en tête de l’échangeur (dans la partie supérieure de l’échangeur). Ainsi, il est possible de mieux distribuer le liquide dans l’échangeur, ce qui favorise les échanges de chaleur, et donc l’efficacité du système.
La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un moyen d’échange de chaleur 1 selon un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, les flèches en traits fins illustrent la circulation du gaz, et les flèches en traits épais illustrent la circulation du fluide caloporteur. Pour ce mode de réalisation, l’échangeur 1 est une colonne sensiblement verticale, dans laquelle le gaz et le fluide caloporteur circulent à contrecourant. L’échangeur comporte une entrée du gaz en fond de colonne, et une sortie du gaz en tête de colonne, ainsi qu’une entrée du fluide caloporteur en tête de colonne et une sortie du fluide caloporteur en fond de colonne. L’échangeur 1 comporte un contacteur 4, notamment un ou plusieurs garnissages, par exemple un garnissage structuré, au sein duquel le fluide caloporteur et le gaz échangent directement la chaleur. L’échangeur 1 comporte en outre un distributeur de liquide (spray zone) 5 situé en tête de colonne pour distribuer le liquide sur le contacteur 4. De plus, l’échangeur 1 comporte des moyens de bullage 6 en fond de colonne pour optimiser la distribution du gaz sur le contacteur 4. Dans l’échangeur 1, il peut être également prévu une zone de vide entre les moyens de bullage 6 et le contacteur 4.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le fluide caloporteur circule entre deux moyens de stockage du fluide caloporteur et passe au travers d’au moins un moyen d’échange de chaleur. Ainsi, les moyens de stockage du fluide caloporteur comportent au moins un réservoir de stockage de fluide caloporteur chaud, appelé ballon chaud et réservoir de fluide caloporteur froid, appelé ballon froid. Le ballon chaud stocke la chaleur issue des échanges de chaleur lors de la compression, et le ballon froid stocke le fluide caloporteur refroidi en amont de la détente. Pour le refroidissement de l’air comprimé (stockage de l’énergie), le fluide caloporteur circule depuis le ballon froid, passe par au moins un échangeur de chaleur situé en sortie d’un moyen de compression pour le refroidissement de l’air, puis est stocké dans le ballon chaud. Pour le réchauffement de l’air (restitution de l’énergie), le fluide caloporteur circule depuis le ballon chaud, passe par au moins un échangeur situé en entrée d’un moyen de détente pour le chauffage de l’air, puis est stocké dans le ballon froid. Selon ce mode de réalisation de l’invention, les ballons chaud et froid n’ont pas de liaison directe ; pour passer de l’un à l’autre le fluide caloporteur passe systématiquement par au moins un moyen d’échange de chaleur.
Idéalement, lors du stockage de l’air comprimé, la température d’entrée du fluide caloporteur est sensiblement à la température de la sortie de l’échangeur côté air comprimé et la température de sortie du fluide caloporteur est sensiblement à la température de l’entrée de l’échangeur côté air comprimé (sortie compresseur).
Cet agencement des moyens de stockage du fluide caloporteur avec un ballon froid et un ballon chaud permet un stockage séparé du fluide caloporteur froid et du fluide caloporteur chaud, ce qui permet un stockage efficace de l’énergie calorifique, avec un minimum de pertes.
Le contrôle de la température d’entrée des compresseurs peut être assuré par le contrôle du débit du fluide caloporteur.
En outre, le système selon ce mode de réalisation de l’invention fournit une souplesse de fonctionnement.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, les moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage du fluide caloporteur (un ballon chaud et un ballon froid) pour chaque étage de compression ou de détente. Le fluide caloporteur circule entre ces deux ballons de stockage en passant par un seul moyen d’échange de chaleur (celui de l’étage considéré). Ce mode de réalisation permet de limiter la taille des ballons de stockage du fluide caloporteur, car le volume de fluide à stocker est réduit du fait que le fluide caloporteur ne passe que dans un seul échangeur de chaleur. De plus, ce mode de réalisation permet de stocker la chaleur à des niveaux thermiques différents si nécessaire Dans le cas où le nombre d’étages de compression est identique au nombre d’étages de détente, le système de stockage et de récupération d’énergie comporte autant de ballons de stockage froid et de ballons de stockage chaud que d’étages de compression et de détente.
La figure 3 présente, schématiquement, un système AA-CAES selon un exemple non limitatif du premier mode de réalisation de l’invention, pour le fonctionnement de stockage de l’énergie (i.e. par compression du gaz). Tel qu’illustré, le système AA-CAES selon l’invention comporte quatre étages de compression réalisés par des compresseurs d’air 12 qui compriment successivement l’air prélevé de l’air ambiant. Entre chaque étage de compression est disposé un échangeur de chaleur 1, au sein duquel l’air comprimé et chauffé (par la compression) est refroidi par le fluide caloporteur. En sortie du dernier étage de compression, l’air comprimé est stocké dans un moyen de stockage d’air comprimé 13. Le système comporte quatre ballons froids 3, quatre ballons chauds 2 et quatre pompes 7. Pour chaque étage, le fluide caloporteur circule depuis un ballon de stockage froid 3, vers un ballon de stockage chaud 2 en passant par un unique échangeur de chaleur direct 1 au moyen d’une pompe 7. De plus, en amont du ballon chaud 2, le fluide caloporteur circule au travers d’une vanne 10 afin de réguler le débit du fluide caloporteur.
Pour le fonctionnement de restitution de l’énergie, i.e. par détente d’air (non représenté), le système AA-CAES selon ce deuxième mode de réalisation de l’invention comporte quatre étages de détente réalisés par des moyens de détente qui détendent successivement l’air comprimé contenu dans le moyen de stockage de l’air comprimé. Entre chaque étage de détente est disposé un échangeur de chaleur, au sein duquel l’air comprimé est chauffé par le fluide caloporteur. En sortie du dernier étage de détente, l’air détendu est libéré dans le milieu ambiant. Le système comporte quatre ballons de stockage froid, quatre ballons de stockage chaud et quatre pompes. Le fluide caloporteur circule depuis un ballon chaud vers un ballon froid en passant par un unique échangeur de chaleur au moyen d’une pompe. De plus, en amont du ballon froid, le fluide caloporteur circule au travers d’une vanne afin de réguler le débit du fluide caloporteur. A la détente, chaque ballon chaud contient le fluide caloporteur chaud qui a servi à refroidir l’air comprimé lors de la compression.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, les moyens de stockage du fluide caloporteur comportent uniquement deux ballons de stockage : un ballon chaud et un ballon froid. Le fluide caloporteur circule entre ces deux ballons en passant par tous les moyens d’échange de chaleur. Si le système AA-CAES est un système étagé (avec plusieurs compressions et/ou détentes), dans le circuit du fluide caloporteur, le flux du fluide caloporteur est divisé dans des branches parallèles. Chaque branche parallèle comporte un unique échangeur de chaleur avec l’air. Le sens de circulation du fluide caloporteur est le même dans toutes les branches. Ce mode de réalisation permet de limiter le nombre de ballons de stockage du fluide caloporteur à deux.
La figure 4 présente un système AA-CAES selon un exemple non limitatif du deuxième mode de réalisation de l’invention, pour le fonctionnement de stockage de l’énergie (i.e. par compression d’air). Tel qu’illustré, le système AA-CAES selon l’invention comporte quatre étages de compression réalisés par des compresseurs d’air 12 qui compriment successivement l’air prélevé de l’air ambiant. Entre chaque étage de compression est disposé un échangeur de chaleur 1, au sein duquel l’air comprimé et chauffé (par la compression) est refroidi par le fluide caloporteur. En sortie du dernier étage de compression, l’air comprimé est stocké dans un moyen de stockage d’air comprimé 13. Pour le mode de fonctionnement en compression, le fluide caloporteur circule depuis un ballon de stockage froid 3 au moyen d’une pompe 7 vers un ballon de stockage chaud 2 en passant au travers des quatre échangeurs de chaleur 1 au moyen de quatre branches de circuit en parallèle. De plus, en amont du ballon chaud 2, le fluide caloporteur circule au travers d’une vanne 10 afin de réguler le débit du fluide caloporteur dans chaque circuit.
La figure 5 présente un système AA-CAES selon un exemple non limitatif du deuxième mode de réalisation de l’invention, pour le fonctionnement de restitution de l’énergie (i.e. par détente d’air). Tel qu’illustré, le système AA-CAES selon l’invention comporte quatre étages de détente réalisés par des moyens de détente 14 qui détendent successivement l’air comprimé contenu dans le moyen de stockage de l’air comprimé 13. Entre chaque étage de détente 14 est disposé d’un échangeur de chaleur 1, au sein duquel l’air est chauffé par le fluide caloporteur avant d’être détendu. En sortie du dernier étage de détente, l’air détendu est libéré dans le milieu ambiant. Pour le mode de fonctionnement en détente, le fluide caloporteur circule depuis le ballon de stockage chaud 6 au moyen d’une pompe 7 vers le ballon de stockage froid 5 en passant au travers des quatre échangeurs de chaleur 3 au moyen de quatre branches de circuit en parallèle. Le ballon de stockage chaud 2 contient le fluide caloporteur chaud qui a servi à refroidir l’air comprimé lors de la compression. De plus, en amont du ballon froid 3, le fluide caloporteur circule au travers d’une vanne 10 afin de réguler le débit du fluide caloporteur dans chaque circuit.
Selon un troisième mode de réalisation de l’invention, le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé peut comprendre un seul moyen de stockage de la chaleur. Cet unique moyen de stockage de la chaleur peut comprendre un lit fixe de particules de stockage de la chaleur (les particules de stockage de la chaleur sont immobiles ou en lit fluidisé et restent dans la colonne de stockage : les particules de stockage de la chaleur n’échangent pas directement de la chaleur avec le gaz). Ainsi, le fluide caloporteur échange de la chaleur dans le contacteur avec le gaz, puis le fluide caloporteur échange cette chaleur avec les particules de stockage de la chaleur.
Les particules de stockage de chaleur sont des éléments de petites dimensions aptes à emmagasiner et à restituer la chaleur. Les particules de stockage de la chaleur présentent une capacité calorifique importante et plus précisément une densité énergétique (ou capacité de stockage) importante exprimée en MJ/m3. Les particules de stockage de la chaleur peuvent être sensiblement avantageusement sphériques et avoir un diamètre de quelques dizaines de nanomètre à quelques dizaines de millimètre en fonction de sa nature, de préférence, le diamètre des particules de stockage de la chaleur est compris entre 10 nm et 50 mm, en particulier entre 50 pm et 10 mm. Les particules selon l’invention sont réalisées en matériaux pouvant être utilisés dans des plages de température comprises entre 20°C et 700°C. Les particules utilisées peuvent être réalisées par des alumines ou en béton ou en métal ou par des matériaux à changement de phase encapsulés (PCM de l’anglais Phase Change Material) ou non encapsulés dans la plage de température opératoire. La nature des matériaux à changement de phase PCM peut être de différents types, parmi lesquels :
- les sels (avec une capacité de stockage élevée) : par exemple NaCI, NaNO3, KNO3. ...,
- les métaux (avec une capacité de élevée) : par exemple magnésium, aluminium, cuivre, antimoine, etc.
La figure 6a illustre, schématiquement et de manière non limitative, une portion d’un système selon ce troisième mode de réalisation. Cette figure correspond à la phase de stockage de l’énergie (compression). Sur cette figure, seuls deux étages de compression 12 sont représentés, les moyens de stockage du gaz comprimé ne sont pas représentés. Pour ce mode de réalisation, l’air comprimé circule par le compresseur 12, traverse l’échangeur de chaleur 1 puis circule dans un deuxième compresseur 12. Au sein de l’échangeur de chaleur 1, le gaz échange de la chaleur avec un fluide caloporteur, qui circule, au moyen d’une pompe 9, en circuit fermé depuis un ballon de stockage 8 comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur, au travers de l’échangeur 1, puis retourne dans l’autre extrémité du ballon de stockage 8, en passant préalablement dans une vanne 11 de régulation de débit. A la fin de cette étape, les particules de stockage de la chaleur sont chaudes : elles stockent la chaleur.
La figure 6b illustre, schématiquement et de manière non limitative, une portion d’un système selon ce troisième mode de réalisation. Cette figure correspond à la phase de restitution de l’énergie (détente). Sur cette figure, seuls deux étages de détente 14 sont représentés, les moyens de stockage du gaz comprimé ne sont pas représentés. Pour ce mode de réalisation, l’air comprimé circule par le premier moyen de détente 14, traverse l’échangeur de chaleur 1 puis circule dans un deuxième moyen de détente 14. Au sein de l’échangeur de chaleur 1, le gaz échange de la chaleur avec un fluide caloporteur, qui circule, au moyen d’une pompe 9, en circuit fermé depuis un ballon de stockage 8 comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur, au travers de l’échangeur 1, puis retourne dans l’autre extrémité du ballon de stockage 8 en passant préalablement dans une vanne 11 de régulation de débit. A la fin de cette étape, les particules de stockage de la chaleur sont froides.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque moyen d’échange de chaleur peut comprendre une pluralité d’échangeurs de chaleur agencés en parallèle selon la direction de circulation du gaz. En d’autres termes, pour chaque échange de chaleur, le gaz est séparé en plusieurs circuits qui comportent chacun un échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur. Cette configuration permet de limiter les dimensions des moyens d’échange de chaleur. De plus, cette configuration permet d’avoir un système d’échange de chaleur plus flexible, et des échanges de chaleur mieux optimisés à chaque phase. En effet, la phase de charge (stockage énergie) et de décharge (restitution d’énergie) peuvent se dérouler sur des intervalles de temps très différents qui sont généralement longs à la charge et plus courts à la décharge, cela peut générer des variations importantes de débit d’air dans les échangeurs.
Ainsi, une configuration possible pour ce mode de réalisation, est l’utilisation d’un unique échangeur de chaleur pour la charge, et l’utilisation de plusieurs échangeurs en parallèle pour la décharge en fonction de la puissance à restituer.
Dans le cas de ce mode de réalisation, chaque moyen d’échange peut avoir ses propres moyens de stockage du fluide caloporteur. Alternativement, on peut également envisager pour ce mode de réalisation, que (en phase de charge) le liquide chaud du premier échangeur entre comme liquide froid dans le second et ainsi de suite.
De plus, pour ce mode de réalisation, chaque moyen d’échange de chaleur en série peut mettre en œuvre un fluide caloporteur diffèrent pour adapter les moyens d’échange de chaleur aux températures mises en jeu.
En outre, chaque système peut avoir des dimensions différentes et des garnissages différents, pour adapter les moyens d’échange de chaleur aux températures mises en jeu
La figure 7 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une portion d’un système selon ce mode de réalisation. Cette figure correspond à la phase de restitution de l’énergie (détente). Sur cette figure, seuls deux étages de détente 14 sont représentés, les moyens de stockage du gaz comprimé ne sont pas représentés, les moyens d’échange de la chaleur comprennent deux échangeurs 1 en parallèle, ainsi qu’un ballon chaud 2 et un ballon froid 3. Pour ce mode de réalisation, l’air comprimé circule par le moyen de détente 14, l’air est séparé en deux circuits d’air, chacun des circuits d’air comporte un échangeur de chaleur 1 dans lequel un échange de chaleur est réalisé entre le gaz et le fluide caloporteur. En sortie des échangeurs de chaleur 1, les deux circuits d’air se rejoignent pour reformer le flux total d’air avant de circuler dans un deuxième moyen de détente 14. Pour l’exemple illustré, le système de stockage et de récupération de l’énergie comprend un ballon chaud 2 de stockage du fluide caloporteur et un ballon froid 3 de stockage du fluide caloporteur. Pour cette phase de restitution de l’énergie, le fluide caloporteur circule depuis le ballon chaud 2 vers le ballon froid 3, en passant parallèlement au travers des deux échangeurs 1.
Ce mode de réalisation peut être combiné avec le premier (deux ballons de stockage de la chaleur pour chaque échangeur), le deuxième (deux ballons de stockage de la chaleur commun pour tous les échangeurs) ou le troisième mode de réalisation (une unique colonne de stockage de la chaleur comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur).
Alternativement, d’autres variantes de réalisation peuvent être envisagées :
- l’utilisation de deux échangeurs de conception différentes pour la charge et pour la décharge, ainsi, il est possible d’avoir des échangeurs adaptés aux débits mis en oeuvres pour la charge et la décharge,
- l’utilisation de deux échangeurs de conception différentes pour la charge et la décharge, avec des débits différents dans chaque échangeur, ainsi, un des deux échangeurs peut jouer le rôle d’appoint en complément de l’autre, ce qui permet d’avoir une configuration adaptée à différents temps de charge ou de décharge.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque moyen d’échange de chaleur peut comprendre une pluralité d’échangeurs de chaleur agencés en série selon la direction de circulation du gaz. En d’autres termes, pour chaque échange de chaleur, le gaz passe consécutivement dans plusieurs échangeurs de chaleur. Cette configuration permet de faire varier la section ouverte au fur et à mesure que la température et donc les propriétés physiques des fluides évoluent afin de garantir un régime hydraulique et un mouillage optimal. Elle permet aussi de changer le type de garnissage.
Dans le cas de ce mode de réalisation, chaque moyen d’échange peut avoir ses propres moyens de stockage du fluide caloporteur. Alternativement, on peut également envisager pour ce mode de réalisation, que (en phase de charge) le liquide chaud du premier échangeur entre comme liquide froid dans le second et ainsi de suite.
De plus, pour ce mode de réalisation, chaque moyen d’échange de chaleur en série peut mettre en oeuvre un fluide caloporteur diffèrent pour adapter les moyens d’échange de chaleur aux températures mises en jeu.
En outre, chaque système peut avoir des dimensions différentes et des garnissages différents, pour adapter les moyens d’échange de chaleur aux températures mises en jeu.
Ce mode de réalisation peut être combiné avec le premier (deux ballons de stockage de la chaleur pour chaque échangeur), le deuxième (deux ballons de stockage de la chaleur commun pour tous les échangeurs) ou le troisième mode de réalisation (une unique colonne de stockage de la chaleur comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur).
En outre des caractéristiques précédemment décrites, le système AA-CAES selon l’invention peut avoir au moins une des caractéristiques optionnelles suivantes :
- le contacteur peut avoir un diamètre constant ou un diamètre variable suivant l’axe de l’écoulement des fluides,
- les garnissages peuvent être différents le long de l’écoulement,
- entre le stockage du caloporteur et le moyen de transfert thermique, on peut disposer des systèmes permettant de stocker à basse pression et effectuer les transferts à haute pression,
- pour diminuer la pression du fluide caloporteur entre l’échangeur et le réservoir une turbine hydraulique peut être prévue, cette turbine peut permettre également de récupérer de l’électricité, et
- le système de transfert de chaleur est isolé thermiquement de l’extérieur
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, avec un fluide caloporteur ;
c) on stocke le gaz comprimé refroidi, notamment par un moyen de stockage de gaz comprimé, et on stocke la chaleur récupérée par le fluide caloporteur ;
d) on chauffe le gaz comprimé stocké, par échange de chaleur, avec le fluide caloporteur ; 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, on échange la chaleur (étapes b) et d)) entre le gaz et le fluide caloporteur par contact direct entre les deux fluides. De préférence, pour ce contact direct, on utilise au moins un contacteur pour maximiser la surface de contact entre le gaz et le fluide caloporteur. Ainsi, grâce à cette surface de contact importante et à ce contact direct, les échanges de chaleur sont optimisés, ce qui permet d’augmenter l’efficacité du système de stockage et de récupération d’énergie.
Lors de ces étapes b) à e), on stocke la chaleur échangée. Ce stockage de la chaleur peut consister en un stockage du fluide caloporteur issu des étapes d’échange de chaleur, soit en un stockage au moyen de particules de stockage de la chaleur. Ce stockage de la chaleur est distinct et indépendant du stockage du gaz comprimé. Les moyens d’échange de chaleur et les moyens de stockage de la chaleur sont distincts (séparés). Ainsi, les moyens de stockage de la chaleur n’ont pas besoin de résister aux pressions élevées du gaz comprimé : seul le moyen d’échange de chaleur est à haute pression, alors que le moyen de stockage de la chaleur peut être à pression atmosphérique. Ceci permet une conception plus simple des moyens de stockage de la chaleur, ainsi, le coût du système de stockage et de récupération d’énergie est limité.
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 puis refroidi plusieurs fois avant son stockage.
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 puis détendu plusieurs fois après son stockage.
L’étape a) concerne la compression d’un gaz, par exemple de l’air. Il peut s’agir 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, en sous-sol ou sous l’eau (lac, mer, etc.). 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 le fluide ou 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 :
• le contacteur est un garnissage vrac, un garnissage structuré, un garnissage monolithes, ou un contacteur à plateaux, • les moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage de la chaleur, et on fait circuler le fluide caloporteur depuis un premier ballon de stockage de la chaleur vers un deuxième ballon de stockage de chaleur, le fluide caloporteur échangeant la chaleur pour l’ensemble des étapes d’échange de chaleur des étapes b) ou d), • les moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage de la chaleur pour chaque moyen d’échange de chaleur, et on réalise séparément chaque échange de chaleur au moyen d’un fluide caloporteur circulant d’un premier ballon de stockage du fluide caloporteur, vers un deuxième ballon de stockage du fluide caloporteur (on fait circuler le fluide caloporteur dans un unique échangeur pour une unique étape b) ou d)), • les moyens de stockage de la chaleur peuvent comporter une unique colonne comportant des particules de stockage de la chaleur, et on fait circuler le fluide caloporteur depuis cette colonne comportant des particules au travers d’au moins un échangeur de chaleur (une étape b) ou d)) et le fluide retourne dans le la colonne comportant les particules des stockage de la chaleur, • pour les étapes b) et d) d’échange de chaleur, des échangeurs de chaleur peuvent être agencés en série, le gaz circule alors consécutivement dans plusieurs échangeurs de chaleur, • pour les étapes b) et d) d’échange de chaleur, des échangeurs de chaleur peuvent être agencés en parallèle, le gaz est alors divisé dans deux circuits, et dans chaque circuit, le gaz circule dans un échangeur de chaleur.
Le procédé et le système selon l’invention peuvent être utilisés pour le stockage d’une énergie intermittente, telle que l’énergie éolienne, marine ou solaire ou toute forme d’énergies renouvelables, afin de pouvoir restituer cette énergie au moment désiré.
Les avantages du système et du procédé AA-CAES selon l’invention (avec un échangeur par contact direct) sont :
- une flexibilité intrinsèque, qui permet de gérer une plage de débit d’air variable dépendant de la puissance à stocker, de la puissance à produire et des variations de pression dans le cas d’un réservoir de stockage à pression variable,
- une flexibilité intrinsèque qui permet de gérer une variabilité importante de la vitesse superficielle de l’air entre le bas et le haut de la colonne, selon un exemple de réalisation :
o en stockage de l’énergie, l’air rentre chaud à 200-250 °C et ressort à 50100 °C induisant un rapport de densité jusqu’à 1.6etdonc une réduction importante de la vitesse superficielle de l’air entre le bas et le haut de la colonne, o en restitution de l’énergie, l’air rentre chaud à 50-100 °C et ressort à 200-250 °C induisant un rapport de densité jusqu’à 0.6, et donc une augmentation importante de la vitesse superficielle de l’air entre le bas et le haut de la colonne.
un meilleur rendement et un coût moindre :
o en effet, le contacteur permet un pincement faible qui permet d’optimiser la récupération d’énergie tout en maximisant la température de stockage, o une diminution potentielle du coût d’investissement du fait de la simplicité de l’échangeur, et également du fait du stockage du fluide caloporteur à faible pression, o un volume compact réduisant notablement le volume à hautes pressions par rapport à d’autres TES tels que le stockage par chaleur sensible dans des enceintes contenant des particules solides, type thermocline.
- une perte de pression faible dans l’échangeur.
- des contraintes mécaniques de dilatations différentielles moindres par rapport aux échangeurs classiques (les cycles journaliers peuvent induire des problèmes de fatigue à prendre en compte dès la conception),
- des problèmes d’encrassement moindres que dans les échangeurs classiques, et
- dans le cas de deux ballons de stockage de la chaleur séparés, meilleure maîtrise des niveaux de température en entrée du compresseur/turbine par rapport à un TES de type thermocline.
Exemple d’application
Les caractéristiques et avantages du système et du procédé AA-CAES selon l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de l’exemple d’application ci-après.
L’exemple de la figure 8 présente l’intégration de l’invention dans un schéma multiétages (quatre étages) pour un fonctionnement en stockage (partie gauche) et en déstockage de la chaleur (partie droite). Le système AA-CAES comporte quatre compresseurs 12, des moyens de stockage du gaz comprimé 13, quatre turbines 13 (moyens de détente). Les compresseurs sont entraînés par des moteurs M, et les turbines entraînent des générateurs G. De plus, le système comporte quatre systèmes d’échange et de stockage de la chaleur TES1 à TES4. Ces systèmes TES1 à TES4 comportent respectivement un échangeur à contact direct et des moyens de stockage de la chaleur séparés. Ces systèmes peuvent être par exemple conformes à ceux illustrés en figure 3. En outre, les échangeurs de chaleur peuvent comprendre un garnissage, par exemple un garnissage structuré. Sur cette figure, sont indiquées, pour un exemple de fonctionnement, les températures de l’air en entrée et en sortie des échangeurs de chaleur.
Les transferts de chaleur entre l’air et le fluide caloporteur à contre-courant permettent ainsi au système de stockage de la chaleur de refroidir le plus bas possible (environ 50 °C) lors du stockage et de réchauffer au plus proche de la température de refoulement des compresseurs (environ 190°C dans l’exemple) lors du déstockage. L’art antérieur présente souvent des TES statiques qui stockent de la chaleur par gradient thermique (thermocline) ou des échangeurs de chaleur sans mention spécifique. La solution présenté dans cette invention permet une meilleure flexibilité de fonctionnement entre les cycles (durée de cycle, début/fin de stockage ou de détente, ...).
L’exemple considère un stockage de 50 MWh avec une puissance au chargement de 10 MW sur cinq heures consommée répartie par les quatre étages de compression. La détente s’opère en deux heures. On suppose un stockage à pression fixe de 125 bar et que le dernier étage de compression est doté d’un TES de type échangeur par contact à garnissage selon l’invention. La compression de l’air du dernier étage s’opère de 30 bar à 125 bar. La puissance thermique à récupérer par le TES est de l’ordre de la puissance consommée par le dernier étage, c’est-à-dire un tiers de la puissance stockée, soit 3.3 MW. Le fluide de stockage considéré ici est une huile générique dont les propriétés thermiques sont 2000 W/kg/K pour la capacité calorifique et 850 kg/m3 pour la densité. Dans ces conditions, le débit d’air est de l’ordre de 50000 kg/h à la compression et 125000 kg/h à la détente. Le débit du liquide caloporteur pour le TES du dernier étage est de 47 m3/h à la compression et 117 m3/h à la détente avec une capacité de stockage de liquide nécessaire 5 de 235 m3.
Ainsi, les rendement du système AA-CAES de l’exemple peut atteindre 70 %, ce qui est un rendement important, sans un coût élevé.
Claims (23)
- Revendications1) Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression dudit gaz (12), au moins un moyen de stockage dudit gaz comprimé (13), au moins un moyen de détente (14) dudit gaz comprimé, au moins un moyen d’échange de chaleur (1) entre ledit gaz comprimé et un fluide caloporteur, des moyens de stockage de la chaleur (2,3; 8), lesdits moyens d’échange de chaleur (1) étant disposés en sortie dudit moyen de compression (12) dudit gaz et/ou en entrée dudit moyen de détente (14) dudit gaz, caractérisé en ce que ledit moyen d’échange de chaleur (1) comporte des moyens de contact direct dudit gaz et dudit fluide caloporteur.
- 2) Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de contact direct dudit gaz et dudit fluide caloporteur comportent au moins un contacteur (4).
- 3) Système selon la revendication 2, dans lequel ledit contacteur (4) est un garnissage vrac, un garnissage structuré, un contacteur à plateaux, ou un garnissage monolithes.
- 4) Système selon la revendication 3, dans lequel ledit contacteur (4) est un garnissage vrac ou structuré ou monolithes, et ledit contacteur comprend au moins un plateau collecteur/distributeur pour collecter et distribuer ledit gaz et ledit fluide caloporteur sur ledit garnissage vrac, structuré ou monolithes.
- 5) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit gaz et ledit fluide caloporteur circulent à contre-courant dans lesdits moyens de contact direct.
- 6) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de contact direct comprennent un moyen de bullage (6) dudit gaz dans la partie inférieure dudit moyen d’échange de chaleur (1).
- 7) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de contact direct comprennent un moyen de distribution (5) dudit fluide caloporteur dans la partie supérieure dudit moyen d’échange de chaleur (1).
- 8) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d’énergie comporte une pluralité de moyens d’échange de chaleur (1) agencés en série selon la circulation dudit gaz.
- 9) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d’énergie comporte une pluralité de moyens d’échange de chaleur (1) agencés en parallèle selon la circulation dudit gaz.
- 10) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide caloporteur comporte de l’huile, de l’eau, un fluide comportant des particules solides de stockage de la chaleur, ou des sels fondus.
- 11) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d’énergie comporte plusieurs moyens de compression de gaz (12) étagés, plusieurs moyens de détente (14) étagés, et au moins un moyen d’échange de chaleur (1) disposé entre au moins deux desdits moyens de compression (12) et/ou au moins deux desdits moyens de détente (14).
- 12) Système selon la revendication 11, dans lequel lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3), ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage (2, 3) dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur (3, 2) au travers de chaque moyen d’échange de chaleur (1).
- 13) Système selon la revendication 11, dans lequel lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3) pour chaque moyen d’échange de chaleur (1), ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3) vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur (3, 2) au travers d’un unique moyen d’échange de chaleur (1).
- 14) Système selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent une unique colonne de stockage (8) comportant un lit de particules de stockage de la chaleur.
- 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 avec un fluide caloporteur ;c) on stocke ledit gaz comprimé refroidi et on stocke séparément la chaleur ;d) on chauffe ledit gaz comprimé stocké par échange de chaleur avec ledit fluide caloporteur ; ete) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, caractérisé en ce qu’on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur par un échange direct.
- 16) Procédé selon la revendication 15, dans lequel on échange la chaleur entre le gaz et ledit fluide caloporteur par un échange direct au moyen d’un contacteur (4).
- 17) Procédé selon la revendication 16, dans lequel on échange la chaleur au moyen d’un contacteur (4), en particulier un garnissage vrac, un garnissage structuré, d’un garnissage monolithe ou d’un contacteur par plateaux.
- 18) Procédé selon l’une des revendications 15 à 17, dans lequel on réitère les étapes a) et b) et/ou d) et e).
- 19) Procédé selon la revendication 18, dans lequel on réalise tous les échanges au moyen d’un fluide caloporteur circulant d’un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3) vers un deuxième ballon de stockage (3, 2) dudit fluide caloporteur.
- 20) Procédé selon la revendication 18, dans lequel on réalise séparément chaque échange de chaleur au moyen d’un fluide caloporteur circulant d’un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3) vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur (3, 2).
- 21) Procédé selon l’une des revendications 15 à 18, dans lequel on stocke ledit fluide caloporteur dans une unique colonne de stockage (8) comportant des particules de stockage de la chaleur.
- 22) Procédé selon l’une des revendications 15 à 21, dans lequel on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur au moyen d’au moins deux moyens d’échange de chaleur agencés en série selon la circulation dudit gaz.
- 23) Procédé selon l’une des revendications 15 à 22, dans lequel on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur au moyen d’au moins deux moyens d’échange de chaleur agencés en parallèle selon la circulation dudit gaz.
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