FR3082559A1 - Dispositif hybride de stockage énergétique et de déplacement de chaleur à fluides liquides, gazeux et supercritiques - Google Patents

Abstract

Dispositif hybride de stockage énergétique et de déplacement de chaleur à fluides liquides, gazeux et supercritiques L’invention concerne un dispositif stockant de l’énergie hydroélectrique et déplaçant de la chaleur, éliminant les limitations des solutions précédentes. Il est constitué de réservoirs étanches principaux (1), contenant un liquide hydraulique (3) et un fluide propulseur (2), de bassins de réception (4), de communications liquides (7) entre réservoirs (1) et bassins (4), équipées par des ensembles pompage (6) et turbinage (5) et comporte des systèmes d’échanges de chaleur (8). Le dispositif peut inclure des réservoirs secondaires (13) incluant des conduites (14) communiquant aux réservoirs étanches principaux (1), des séparations physiques mobiles (11) entre fluides, des stockages thermiques annexes (15) et un sas (12). Le dispositif est destiné au stockage énergétique, en particulier des énergies renouvelables intermittentes et aux productions économiques de Froid et de Chaud. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Description

Titre de l'invention : Dispositif hybride de stockage énergétique et de déplacement de chaleur à fluides liquides, gazeux et supercritiques [0001] La présente invention concerne un dispositif pour stocker, récupérer et déplacer de l’énergie.

[0002] DEFINITION. Dans l’usage du mot « Chaud » utilisé comme un substantif, il faut comprendre l’énergie correspondant à des besoins d’apport de chaleur à des utilisateurs externes. Dans l’usage du mot « Froid » utilisé comme un substantif, il faut comprendre l’énergie correspondant à des besoins d’extraction de chaleur cédée par des utilisateurs externes.

[0003] Avec la production croissante d’énergies renouvelables intermittentes se pose dans la plupart des pays le problème de stockage de l’énergie. L’invention objet de ce brevet propose une solution proche du pompage-turbinage hydroélectrique, et du stockage thermique par matériaux à changement de phase. L’invention diffère des dispositifs électrochimiques, des volants d’inertie, et des systèmes stockage d’énergie par compression ou par liquéfaction à air perdu (CAES/LAES).

[0004] Outre les systèmes de stockage d’énergie hydraulique par gravité très répandus dans les zones de montagnes, ont été inventés dans les dernières décennies des systèmes de stockage hydropneumatiques d’énergie hydraulique par lesquels la gravité terrestre est remplacée par la pression d’un gaz propulseur. Ces dispositifs sont constitués par au moins un réservoir étanche, mis sous-pression, contenant un liquide hydraulique et un gaz propulseur, par au moins un bassin de réception du liquide hydraulique et par au moins une communication liquide entre le réservoir et le bassin, équipée par au moins un ensemble pompe et turbine pour le stockage et la récupération de l’énergie hydraulique.

[0005] Le plus souvent, c’est de l’énergie électrique qui sera ainsi transformée et stockée en énergie hydraulique, grâce à un moteur électrique alimentant la pompe hydraulique à des périodes de surplus de production d’un réseau électrique local ou national. Le plus souvent c’est aussi sous forme d’énergie électrique que sera transformée et récupérée l’énergie hydraulique grâce à la turbine hydraulique entraînant un générateur électrique à des périodes de carence de production d’un réseau électrique local ou national. Le dispositif précédemment connu est ingénieux en ce qu’il permet d’utiliser les équipements bien éprouvés de l’industrie hydro-électrique tels que pompes, moteurs, turbines et générateurs, tout en s’affranchissant des fortes dénivellations de centaines de mètres généralement nécessaires aux stockages d’énergie hydraulique par gravité.

L’ingéniosité du système existant réside en ce que, dans le réservoir étanche, chaque bar de pression du gaz propulseur produit le même travail, au niveau de la pompe hydraulique et de la turbine hydraulique, qu’une dizaine de mètre de dénivellation (par exemple 75 bar de pression du gaz propulseur produit le même effet que 735 mètres de dénivellation, quand le liquide hydraulique est de l’eau).

[0006] Lors de la période de stockage d’énergie, la pompe pousse le liquide hydraulique du bassin de réception vers le réservoir étanche, compressant ainsi le gaz propulseur à une pression supérieure à la pression initiale à laquelle il se trouvait auparavant. Lors de la période de restitution d’énergie, la turbine récupère l’énergie du liquide hydraulique présent dans le réservoir étanche, qui se retrouve expulsé par le gaz propulseur vers le bassin de réception, qui le plus souvent est et demeure à la simple pression atmosphérique.

[0007] De tels systèmes ont donc été présentés, parfois dans des configurations dans lesquelles le ou les réservoirs étanches se trouvent au-dessus du sol, et aussi dans des configurations où ces réservoirs sont enterrés affleurant sous la surface du sol pour économiser de l’espace extérieur, et enfin présentés dans des configurations où ces réservoirs sont constitués de cavernes souterraines, éventuellement placées sous des montagnes, des falaises ou des collines. Ces cavernes sont soit naturelles soit artificielles. Dans le cas de cavernes artificielles, il est opportun de se souvenir de certaines cavernes de stockage de Gaz Naturel Liquéfié en Suède et au Japon, excavées à dessein en forme de cylindre ou de cône allongés et verticaux, aux extrémités demisphériques. A des profondeurs relativement peu profondes, dépendant principalement de la section horizontale de la caverne, de la nature de la roche et de la pression autorisée souhaitée, le tenseur multidimensionnel des pressions de la roche naturelle y génère en tout point de la paroi des forces capable de contenir la pression du gaz propulseur. Ces cavernes peuvent toutefois nécessiter l’ajout d’une petite épaisseur de béton armé et de matériaux d’étanchéité accolés à la paroi rocheuse. De telles cavernes, présentant l’avantage d’accepter de très hautes pressions (jusqu’à 520 bar) à de faibles profondeurs (50-150m) sont répertoriés depuis les années 1990 sous le vocable « Cavernes Rocheuses à Liner » et en langue anglaise sous le vocable « Lined Rock Caverns » (LRC).

[0008] De même, ont été présenté des configurations dans lesquelles le ou les bassins de réception du liquide hydraulique se trouvent au-dessus du sol, et aussi des configurations où ces bassins sont enterrés affleurant sous la surface du sol, et enfin présentés des configurations où ces bassins sont constitués de cavernes souterraines, naturelles ou artificielles, généralement mises à la pression atmosphérique. En outre, le bassin de réception du liquide hydraulique est parfois simplement constitué par une étendue naturelle d’eau telle qu’un étang, un lac, un fleuve, une mer ou un océan. Le liquide hydraulique étant alors l’eau douce ou l’eau salée constituant cette étendue d’eau.

[0009] Les limitations du système ci-dessus sont de quatre natures concomitantes, liées aux caractéristiques thermodynamiques des gaz, répondant de manière proche à la formule bien connue PV=nRT des gaz parfaits. La première limitation est que pendant la période de stockage d’énergie, par laquelle l’entrée du liquide hydraulique compresse le gaz propulseur au-dessus de sa pression initiale, celui-ci va malheureusement temporairement s’échauffer et donc provoquer la montée en pression du réservoir. Cette montée en pression, supplémentaire à celle causée par l’entrée du liquide hydraulique, va coûter une énergie supplémentaire de pompage par rapport à celle attendue du stockage en l’absence de ce phénomène d’échauffement du gaz. Ce surcoût énergétique ne sera pas récupéré dans le temps, le gaz propulseur se contentant de s’équilibrer en température avec les parois extérieures du réservoir. De plus, pour un réservoir de dimensions et de pression maximale autorisée données, la pression maximale va être plus rapidement atteinte et l’exploitant se verra contraint de stocker un volume de liquide hydraulique moindre par rapport à celui attendu en l’absence de ce phénomène d’échauffement du gaz. La deuxième limitation est que pendant la période de récupération d’énergie, le gaz va au contraire se détendre en poussant le liquide hydraulique vers la turbine et va malheureusement temporairement se refroidir et donc provoquer la descente en pression du réservoir. Cette descente en pression, supplémentaire à celle causée par la sortie du liquide hydraulique, va empêcher de récupérer une partie de l’énergie stockée. Cette perte par rapport à l’énergie de restitution attendue en l’absence de ce phénomène de refroidissement du gaz ne sera pas récupérée dans le temps, le gaz se contentant de s’équilibrer en température avec les parois extérieures du réservoir.

[0010] Une troisième limitation est que, pour un réservoir de dimensions et de pression maximale autorisée données, il faut réserver un grand pourcentage du volume de ce réservoir pour le gaz propulseur. Généralement on ne pourra permettre au liquide, pourtant seul à même de stocker et restituer l’énergie hydraulique, que de remplir, au maximum de son niveau, moins de la moitié du volume du réservoir. Ceci car la pression du gaz propulseur, résolument contrainte en son maximum par la pression maximale définie par la conception du réservoir, va malheureusement diminuer rapidement lors des sorties du liquide hydraulique hors du réservoir. Par exemple, si l’on autorisait un stockage maximal de liquide hydraulique égal à la moitié du volume du réservoir, alors la pression finale poussant sur les dernières quantités du liquide hydraulique quittant le réservoir (le gaz propulseur remplissant alors presque complètement le réservoir) descendrait à environ la moitié de la pression maximale autorisée du réservoir et ne permettrait à ces dernières quantités liquides que de restituer une énergie divisée par deux, par rapport à l’énergie restituée par les premières quantités liquides quittant le réservoir. En conséquence, seule une fraction minoritaire du réservoir peut être utilisée pour accueillir le liquide hydraulique. Une quatrième limitation, est que même avec la précaution par laquelle une fraction majoritaire du réservoir est attribuée au gaz propulseur pour ne pas diminuer trop rapidement la pression poussant sur le liquide hydraulique, l’énergie stockée et restituée par le liquide hydraulique est bien inférieure à un maximum théorique espéré de l’énergie du modeste volume de liquide hydraulique admis dans le réservoir. Ce maximum théorique suit le produit Emax = Pmax . Vliquide (Emax représentant l’énergie potentielle maximale théorique d’un liquide hydraulique dans un réservoir approuvé pour une pression autorisée, Pmax représentant la pression maximale autorisée du réservoir et Vliquide représentant le volume maximum imparti au liquide hydraulique dans le même réservoir). La raison pour laquelle l’énergie stockée et restituée est bien inférieure au maximum théorique est que le déplacement du liquide hydraulique ne se fait malheureusement pas à pression constante et que cette énergie est en fait égale, aux pertes de rendement près, à l’intégrale des P.dV sur le volume de liquide. Cette intégrale produit une quantité fortement inférieure au simple produit Pmax . Vliquide puisque la pression poussant sur le liquide hydraulique ne sera égale à son maximum Pmax que pour les premières quantités liquides quittant le réservoir pour restituer l’énergie à la turbine.

[0011] Alternativement, outre de très nombreux systèmes pneumatiques de stockage par pure compression d’air gazeux (CAES), ont été présenté quelques autres systèmes hydropneumatiques par lequel le liquide hydraulique est au contraire un moyen, à circuit principalement fermé, de stocker et récupérer l’énergie potentielle d’un air comprimé en boucle ouverte. L’air est donc nouvellement incorporé à chaque cycle pour être ensuite perdu. L’inconvénient majeur de ces systèmes réside dans les importants écarts de température lors des compressions et des détentes, lesquels écarts nuisent fortement au rendement du stockage énergétique.

[0012] Alternativement, ont été proposés des systèmes de stockage cryogénique multiphasique d’air ou d’azote (LAES). Ces systèmes n’utilisent généralement pas de liquide hydraulique. Selon le diagramme Enthalpie-Pression bien connu, ces systèmes permettent lors de la gazéification et de la liquéfaction de l’air ou de l’azote, la production de grosse quantité d’énergie thermique, en cogénération du déstockage et du stockage d’énergie mécanique. Ces systèmes fonctionnent en boucle ouverte, de l’air ou de l’azote neuf étant nouvellement incorporés à chaque cycle pour être ensuite perdus. Les deux inconvénients majeurs de ce système sont le cout et la complexité des équipements nécessaires pour pouvoir travailler en cryogénie à très basses températures, ainsi que le niveau de sécurité permanente pour s’assurer que la température de l’air ou de l’azote ne se rapproche pas de la température ambiante, ce qui risquerait de provoquer l’explosion du réservoir les confinant.

[0013] En rapport lointain, ont été proposés des systèmes diphasiques de récupération d’énergie lors de la regazéification du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) transporté liquide par bateaux. Il s’agit, toujours selon le diagramme Enthalpie-Pression, de récupérer des besoins de Froid, et aussi de l’énergie mécanique, qui seraient ainsi perdues lors de la regazéification du GNL pour introduction de ce dernier dans le réseau commercial moyenne ou basse pression. Cette technologie d’efficacité énergétique ne concerne bien sûr pas le stockage énergétique en soi mais une optimisation énergétique de la chaîne logistique de transport de cet hydrocarbure, dont la liquéfaction préalable dépensât une grande quantité d’énergie.

[0014] Le dispositif objet de l’invention est un nouveau système hybride de stockage d’énergie d’électricité, de déplacement de chaleur, de production et stockage de Froid et de Chaud et qui présente de grandes qualités en comparaison des systèmes précédemment exposés. Il utilise des éléments sélectionnés de trois technologies très éloignées que sont le stockage d’énergie par pompage turbinage hydroélectrique par gravité des zones de montagnes, les réservoirs étanches à haute pression, en particulier les cavernes LRC souterraines, et le stockage de Froid et de Chaud dans des « matériaux à changement de phase » (MCP), travaillant de manière extrêmement novatrice en changements d’états liquide, gazeux, supercritique. De plus, le dispositif objet de l’invention fait usage de fluides qui, à la différence de l’air ou de l’azote cryogéniques, sont sélectionnés pour changer des états Liquide-Gazeux-Supercritique aux températures proches des températures ambiantes, et à des températures pressions compatibles avec le domaine du pompage turbinage hydroélectrique.

[0015] Le dispositif est constitué par au moins un réservoir étanche, y compris sous de hautes pressions, contenant au moins un liquide hydraulique et au moins un fluide propulseur, par au moins un système d’échange de chaleur échangeant avec le fluide propulseur, par au moins un bassin de réception du liquide hydraulique et par au moins une communication liquide entre le réservoir et le bassin, équipée par au moins un ensemble de pompage-turbinage alterné pour le stockage et la récupération de l’énergie hydroélectrique. Les caractéristiques novatrices du dispositif résident en ce que le fluide propulseur est contenu hermétiquement sans être perdu et que de plus ce fluide travaille par changements d’états alternés d’au moins deux états parmi les trois états liquide, gazeux, supercritique, soit travaille dans l’état exclusivement supercritique par larges variations alternées de sa masse volumique.

[0016] Des apports et extractions alternés de chaleur sont nécessaires aux changements d’état du fluide propulseur, ainsi qu’au fonctionnement éventuel de ce dernier dans son état exclusivement supercritique. Lorsque plusieurs fluides propulseurs sont prévus au dispositif, et qu’on envisage de les faire travailler simultanément dans le réservoir principal, une séparation physique entre les fluides propulseurs devient obligatoire afin qu’il leur soit impossible de se mélanger entre eux.

[0017] Les dispositifs de stockage d’énergie où un fluide propulseur travaille exclusivement en phase gazeuse, et ceux où un fluide propulseur travaille en états Liquide-Gazeux en circuit ouvert et se trouve perdu, ont été proposés par le passé et se distinguent du champ de l’invention. Les dispositifs où un fluide non-propulseur de liquide hydraulique travaille en états Liquide-Gazeux-Supercritique en circuit fermé non perdu, de plus en continu et non pas en pompage et turbinage alternés, constituent la famille bien connue des pompes à chaleur et des machines frigorifiques et se distinguent du champ de l’invention.

[0018] Il est précisé que le dispositif travaillera le plus souvent en un étage unique, mais que si des pressions très élevées devaient être souhaitables, il est possible de chaîner les éléments hydrauliques du dispositif sous la forme d’un dispositif global à plusieurs étages. Dans cette configurations multi-étage, en prévoyant plusieurs groupes pompage turbinage, et plusieurs réservoirs étanches si la technologie de turbinage l’imposait, on peut élever la pression du liquide hydraulique en bout de chaîne, et par conséquent la pression de travail du fluide propulseur, bien au-dessus de celles d’une configuration à groupe pompage turbinage unique.

[0019] Des systèmes d’échange de chaleur sont incorporés pour permettre d’extraire de la chaleur du fluide propulseur préalablement à et pendant la période de pompage du liquide hydraulique (et permettre de le liquéfier si ce fluide est en état non-supercritique). Des systèmes d’échange de chaleur permettent également d’apporter de la chaleur au fluide propulseur préalablement à et pendant la période de sortie du liquide hydraulique vers la turbine (et permettre de le gazéifier si ce fluide est en état non supercritique). Ces systèmes d’échange de chaleur doivent évidemment être construits de manière suffisamment robuste pour résister aux hautes pressions auxquelles est soumis le fluide propulseur. Par l’usage de pompes, de vannes ou d’autres activateurs spécifiques, ces systèmes d’échange de chaleur sont mis en service soit manuellement soit automatiquement en fonction des périodes programmées d’entrée et de sortie du liquide hydraulique. Les systèmes d’échange de chaleur peuvent être constitués par des échangeurs multi-fluides classiques, et/ou par des insertions de matériaux conducteurs tels que l’aluminium, le cuivre, le carbone, etc. et/ou par des caloducs, et/ou par tout autre moyen d’échange de chaleur.

[0020] Selon un mode particulier de fonctionnement, la chaleur extraite ou apportée au niveau des systèmes d’échange de chaleur résulte principalement d’un échange, via un ou plusieurs fluides caloporteurs externes ou via un ou plusieurs circuits ouverts d’eau ou d’air, avec des sources thermiques extérieures au dispositif objet de l’invention. En outre, cet échange externe peut mettre à profit un équipement externe de réfrigération évacuant de la chaleur à l’extérieur, une tour externe de réfrigération, un réchauffage par combustion de déchets ou de biomasse, un réchauffage par énergie solaire thermique, un réchauffage par énergie fatale de procédés tiers, etc...

[0021] Selon un mode plus autonome de fonctionnement, la chaleur extraite ou apportée au fluide propulseur au niveau des systèmes d’échange de chaleur requiert moins d’échange avec l’extérieur et résulte principalement d’un échange avec tout ou partie du liquide hydraulique interne au dispositif objet de l’invention. Ce liquide hydraulique, qui constitue alors le fluide caloporteur circulant au contact des systèmes d’échange de chaleur, se réchauffera en augmentant sa chaleur sensible intrinsèque lorsqu’il s’agit d’extraire de la chaleur du fluide propulseur et se refroidira en cédant une partie de sa chaleur sensible intrinsèque lorsqu’il s’agit d’apporter de la chaleur au fluide propulseur.

[0022] Un fonctionnement faisant usage de combinaisons des modes externe et interne d’échanges de chaleur est possible.

[0023] Le nombre, la surface d’échange et la puissance spécifique des systèmes d’échange de chaleur doivent être largement dimensionnés aux fins que l’extraction massive et l’apport massif de chaleur provoquent le ou les changements d’état thermodynamique du ou des fluides propulseurs. Dans le cas où un fluide propulseur travaille exclusivement dans son état supercritique, une importante extraction et un important apport de chaleur sont également nécessaires.

[0024] On veillera à exclure de la sélection des fluides propulseurs ceux dont les pressions de vapeur saturante aux températures rencontrées dans le ou les réservoirs étanches sont supérieures à la pression maximale autorisée par le ou les réservoirs étanches ainsi que ceux dont ces dernières sont exagérément inférieures à la pression maximale autorisée par le ou les réservoirs étanches.

[0025] Des exemples de fluides propulseurs peu coûteux pouvant satisfaire, en état multiphasique ou supercritique, ces conditions de fonctionnement sont le dioxyde de carbone (CO2), dont la pression de vapeur saturante à 30 degrés Celsius est d’environ 72 bar et l’éthane (C2H6), dont la pression de vapeur saturante à 30 degrés Celsius est d’environ 47 bar. Des mélanges composés de dioxyde de carbone avec d’autres molécules chimiques sont également intéressants.

[0026] Dans le cas d’utilisation du dioxyde de carbone comme fluide propulseur, il est prévu que le ou les réservoirs étanches peuvent assumer le rôle supplémentaire de séquestration-stockage de quantités excédentaires de dioxyde de carbone (CO2), qui sous forme gazeuse est un gaz à effet de serre.

[0027] Par exemple, dans le mode de fonctionnement Liquide-Gazeux, grâce à l’extraction massive et l’apport massif de chaleur, le fluide propulseur se déplacera en équilibre

Liquide-Gazeux sur la courbe de changement d’état du diagramme Enthalpie-Pression en fonction du volume de liquide hydraulique cohabitant avec lui dans le réservoir et en fonction de la chaleur apportée ou extraite à ce fluide propulseur. Le fluide propulseur, soumis à une importante extraction de chaleur préalablement à et pendant la période de stockage d’énergie par pompage du liquide hydraulique provenant du bassin, subira une condensation en phase liquide, et occupera donc un volume final réduit. Cette liquéfaction du fluide propulseur présente l’important avantage de permettre d’utiliser la quasi-totalité du réservoir étanche pour le déplacement du liquide hydraulique. Cette liquéfaction du fluide propulseur présente le second important avantage que le fluide propulseur étant soumis à un important apport de chaleur préalablement à et pendant la période de restitution d’énergie hydraulique vers la turbine, ce fluide propulseur repassera de l’état liquide à l’état gazeux à sa pression de vapeur saturante et expulsera le liquide hydraulique à une pression constante et peu lointaine de la pression maximale autorisée par le réservoir.

[0028] En fonctionnement incluant l’état supercritique, ce bénéfice d’une masse volumique fortement accrue, contraction proche de la masse volumique en phase liquide, se retrouve systématiquement après un fort refroidissement. De même une expansion à pression constante et une extrême augmentation de volume sont possibles lors d’un important apport de chaleur. Au-dessus du point critique de température et de pression, le fluide supercritique se conduit par endroit comme proche d’un liquide et par endroit comme proche d’un gaz.

[0029] Dans la plupart des cas, le ou les fluides propulseurs bénéficieront de l’adjonction d’un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires dédiés et communiquant par une conduite avec le réservoir étanche principal. L’insertion de vannes dans la communication entre les réservoirs permet de réguler la pression régnant dans le ou les réservoirs étanches secondaires, ceci aux fins de piloter les températures souhaitées de condensation-liquéfaction et de gazéification des fluides propulseurs (en états LiquideGazeux) ou de piloter la pression du fluide en état supercritique. A propos de la détente volontaire des fluides propulseurs pour créer du Froid de basse température, il est précisé qu’il existe des équipements à piston(s) ou à turbine(s) récupérant au niveau de la conduite précitée l’énergie mécanique qui serait perdue par des détendeurs classiques. A noter que l’adjonction au dispositif d’au moins un réservoir étanche secondaire est obligatoire si l’on désire faire travailler le dispositif avec plus d’un fluide propulseur de manière non-simultanée, le ou les réservoirs étanches secondaire remisant hermétiquement le ou les fluides propulseurs non utilisés.

[0030] Une amélioration peut être apportées au dispositif en ce que, pour limiter les risques de dissolution du ou des fluides propulseurs dans le liquide hydraulique, dissolution préjudiciable au maintien de sa masse dans le dispositif et préjudiciable au fonc tionnement de la pompe et de la turbine hydrauliques par apparition de cavitation, peut également être prévue une séparation physique mobile entre le liquide hydraulique et le fluide propulseur. Cette séparation peut être par exemple obtenue par le confinement du liquide hydraulique ou par le confinement du fluide propulseur au moyen de bâche flexible, par exemple sous la forme de vessie centrale à extension radiale, ou par le double confinement du liquide hydraulique et du fluide propulseur au moyen de deux bâches flexibles différentes, ou par l’incorporation d’un liquide spécifique de séparation ou d’une membrane solide flottante à l’interface entre le fluide propulseur et le liquide hydraulique.

[0031] Un dispositif supplémentaire peut être apportée au dispositif principal, amélioration par laquelle des volumes de fluides caloporteurs, circulant au contact des systèmes d’échange de chaleur précités lors des périodes alternatives de stockage et de restitution d’énergie, sont entreposées dans plusieurs compartiments différenciés selon leur température plus froide ou plus chaude, y compris dans le cas où le liquide hydraulique constitue lui-même un fluide caloporteur. Cette différentiation permet une meilleure efficacité d’échange lors des échanges successifs de ces fluides caloporteurs avec les systèmes d’échange de chaleur précités. Ceci permet également d’exploiter les disponibilités de températures variées pour des usages externes à grande échelle tels que la réfrigération, la climatisation, le chauffage ou la production d’eau chaude d’utilisateurs tiers (quartiers urbains, data-centers, complexes hôteliers, hôpitaux, supermarchés, industries, etc).

[0032] Ce stockage connexe de Froid et de Chaud peut en outre faire usage de différents matériaux à changement de phase (MCP) externes en phases Liquide-Solide (paraffines, acides gras, MCP inorganiques, MCP eutectiques, etc.) pour en accroître la densité énergétique de stockage par usage de chaleur latente de changement d’état.

[0033] Il est précisé que ces optionnels matériaux à changement de phase externes selon les phases Liquide-Solide sont sans rapport avec la novatrice application du fluide propulseur interne comme possiblement le premier exemple mondial d’un matériau à changement de phase changeant d’état selon les états Liquide-Gazeux, ou selon les états Liquide-Supercritique, ou selon les états Supercritique-Gazeux, pour stocker des besoins thermiques de Chaud et de Froid. En effet dans le dispositif de stockage énergétique objet de l’invention de grandes quantités de Froid et de Chaud peuvent se retrouver déplacées et durablement stockées sous forme de changement d’état du fluide propulseur vu comme MCP. Le fluide propulseur quitte spontanément sa phase liquide ou se gazéifie spontanément en produisant du Froid, lors de la restitution d’énergie mécanique au turbinage hydroélectrique. C’est une situation d’autonomie idéale du dispositif vis-à-vis des énergies renouvelables intermittentes et des périodes de carence du réseau électrique local ou national car le dispositif objet de l’invention peut déstocker simultanément de l’électricité et déstocker, comme réserve géante de Froid, des quantités de Froid environ 5 fois plus importantes que la quantité d’énergie électrique disponible.

[0034] Le changement de phase inverse du fluide propulseur restitue la chaleur préalablement apportée, cette fois pour produire d’importantes quantité de Chaud lors du stockage d’énergie mécanique par pompage hydroélectrique (la quantité de Chaud atteint environ 5 fois la quantité d’énergie électrique disponible). Ce qui permet d’affirmer que nous sommes en présence d’un fluide propulseur MCP, et non en simple présence d’une pompe à chaleur géante, est que la production de Chaud ne persistera pas au-delà de la liquéfaction complète du fluide propulseur [0035] La situation du Chaud peut dans un premier temps sembler moins idéale que celle du Froid car le principe thermodynamique ne permet de récupérer la chaleur de changement d’état du fluide propulseur qu’uniquement à l’occasion de recharges d’énergie électrique et non pas en complète autonomie. Pour permettre le déstockage de permanent de Chaud y compris en dehors des périodes de stockage d’énergie électrique, il conviendra donc de munir le dispositif d’une ou plusieurs capacités annexes de stockage d’énergie thermique (par chaleur sensible, par chaleur latente ou par stockage thermochimique). On stockera ainsi thermiquement pendant les périodes de recharges hydrauliques, le surplus de chaleur que l’on souhaite récupérer de manière ultérieure et asynchrone de ces recharges hydrauliques. Par exemple, tout ou parties du liquide hydraulique interne au dispositif peuvent constituer, par simple augmentation de la chaleur sensible du liquide hydraulique, des capacités annexes de stockage asynchrone d’énergie thermique. Une partie de la chaleur produite peut optionnellement être utilisée après stockage pour préchauffer le fluide propulseur avant la période de pompage du liquide hydraulique, ceci dans le but d’obtenir à la compression une température plus élevée pour la production de Chaud à haute température.

[0036] Dans le cas de quantités multiples du dispositif (cluster), il est avantageux de faire communiquer entre eux par des conduites supplémentaires munies de vannes tout ou partie des éléments des dispositifs tels que les réservoirs étanches principaux, les réservoirs étanches secondaires, les systèmes d’échange de chaleur, les systèmes annexes de stockage thermique, les compartiments différenciés de fluides caloporteurs, les groupes pompage-turbinages, les bassins de réception, etc., ceci dans un objectif de flexibilité et de redondance.

[0037] Le dispositif objet de l’invention fonctionne alternativement par relativement longues périodes de pompage et par relativement longues périodes de turbinage, éventuellement entrecoupées de périodes d’attente, et non pas par un cycle continu de compression-détente d’une petite quantité d’un fluide frigorigène circulant rapidement dans une pompe à chaleur ou dans une machine frigorifique. On constate cependant qu’aux échelles de temps près, les deux chemins peuvent remarquablement coïncider sur le diagramme Enthalpie-Pression du fluide propulseur choisi. Le ou les fluides propulseurs peuvent donc également constituer des fluides frigorigènes de plein droit. Par exemple le code commercial du dioxyde de carbone (CO2) utilisé comme fluide frigorigène est R744 et celui de l’éthane (C2H6) utilisé comme fluide frigorigène est R170. Dans les deux cas de fonctionnement alterné et continu, il y a transformation d’énergie mécanique (ici transformation d’une petite partie de l’énergie de pompage) pour déplacer de la chaleur d’une source froide vers une source chaude. Dans les deux cas, le coefficient de performance (COP) du froid ou du chaud obtenu relativement au travail mécanique spécifiquement consommé est généralement supérieur à l’unité, pour atteindre 2 ou plus. Il est probable que le dispositif objet de l’invention, outre offrir un stockage d’énergie hydroélectrique, outre offrir d’uniques stockages de Froid et de Chaud que ne peuvent offrir les machines à cycle frigorigène continu, bénéficie d’un coefficient de performance bien supérieur aux pompes à chaleur et aux machines frigorifiques classiques du fait que le compresseur à gaz de ces dernières, de rendement usuel 60%-65%, est ici remplacé par une compression hydraulique lente, quasi isotherme et donc quasi réversible. Des coefficients de performance proches de 10 sont possibles, en fonction des températures souhaités.

[0038] Poursuivant sur les éléments précédents, en particulier sur l’excellent COP espéré d’un fonctionnement relativement proche de la réversibilité, dans les cas où d’importants besoins de Froid et/ou d’importants besoins de Chaud l’emportent radicalement sur le besoin de stockage électrique, il est intéressant de coupler au moins deux dispositifs objets de l’invention pour les faire travailler en mode opposé et alterné. Dans cette utilisation, au moins deux réservoirs étanches principaux sont directement mis en communication liquide via le travail des pompes, fonctionnant de façon opposée et alternée (par exemple la pompe A refoule dans le réservoir A mais aspire désormais le liquide hydraulique à partir du réservoir B, alternativement la pompe B refoule dans le réservoir B mais aspire désormais le liquide hydraulique à partir du réservoir A). Pendant ce mode de fonctionnement, les turbines hydroélectriques et les bassins de réception sont isolés car d’aucun d’usage. Les pompes restent nécessaires aux déplacements alternés du liquide hydraulique commun aux réservoirs étanches principaux. Celles-ci consomment relativement peu d’énergie car elles travaillent, alternativement l’une après l’autre, à une pression égale au simple différentiel de pression entre les deux réservoirs étanches des deux dispositifs. Ce différentiel de pression est principalement dicté par le différentiel des températures de Froid et de Chaud souhaitées, les deux différentiels variant dans le même sens. Ce mode de fonctionnement en opposition ne stocke et ne restitue aucune d’énergie hydroélectrique mais remplit les fonctions de très puissants et très économiques dé placements de chaleur, similairement à une pompe à chaleur/machine frigorifique géante, à l’importante différence près que le fluide propulseur/frigorigène du dispositif couplé opère lentement, en périodes de temps discontinues, et non pas en mode continu à haute vitesse.

[0039] Dans une application plus éloignée des objectifs primordiaux du dispositif, on pourrait concevoir de faire bénéficier des avantages de production de Froid et de Chaud et des avantages de détente élastique à pression constante offerts par le dispositif (unitaire ou couplé en opposition), les nombreux besoins de stockages pressurisés tels que le stockage physique d’hydrocarbures liquides ou gazeux, d’hydrogène, d’air, d’azote, de méthanol, etc. Soit le fluide à stocker serait stocké en pression contre le fluide propulseur, intercalé entre le fluide propulseur et le liquide hydraulique, soit le fluide à stocker remplacerait lui-même le liquide hydraulique (généralement sans possibilité de turbinage ni de restitution d’énergie hydroélectrique), soit le fluide à stocker serait stocké sous pression dans un réservoir étanche annexe placé en aval de la turbine hydroélectrique. Les objectifs de ces configurations sont de profiter des importants déplacements de chaleur lors des stockages et déstockages physiques des fluides à stocker, d’éventuellement récupérer lors des déstockages une partie de l’énergie de pompage ou de compression préalablement utilisée pour stocker les fluides, et dans le cas particulier de stockages de gaz, de profiter d’une pression constante lors des stockages et déstockages physiques, ainsi que de profiter d’une restitution physique complète à pression constante quand la quantité résiduelle de gaz dans le réservoir est quasiment épuisée. Là encore, l’adjonction de séparations physiques (membranes, bâches, vessies, etc.) peut s’avérer nécessaire pour limiter les échanges physiques entre les différents fluides.

[0040] Un dispositif supplémentaire peut être apporté pour améliorer les changements d’état du ou des fluides propulseurs, amélioration par laquelle la partie supérieure des réservoirs étanche secondaires optionnels dédié à ce ou à ces fluides sont munies de systèmes d’aspersion et de chute par gravité de gouttelettes des fluides propulseurs. Afin de réaliser cette aspersion, il est pratique pour des raisons de proximité et de forte pression locale de simplement faire circuler, grâce à une pompe annexe, le fluide propulseur présent au bas du réservoir étanche secondaire.

[0041] Une amélioration peut être apportées au dispositif principal pour éviter d’avoir à complètement dépressuriser le ou les réservoirs étanches jusqu’à la pression atmosphérique lors d’inspections et d’interventions internes postérieures à la première mise en service, cette dépressurisation provoquant une inversion des élongations et une fatigue accrue des matériaux qui le constituent. Cette amélioration consiste, plutôt que de faire appel à une fermeture unique, à réaliser la fermeture du ou des réservoirs étanches au moyen d’un sas, enceinte munie de deux systèmes étanches de fermeture.

Ainsi, on pourra laisser le ou les réservoirs étanches sous une pression de quelques bar pendant les inspections ou les interventions internes au moyen de drones et de robots, ou même au moyen de personnes équipées de scaphandre autonome ou rigide. Ce sas se prêtera également à être utilisé comme caisson de décompression lente, si une longue intervention en scaphandre non-rigide le requérait.

[0042] Les dessins annexés illustrent l’invention :

[0043] [fig-1] représente en coupe, le dispositif de l’invention dans son mode le plus autonome de fonctionnement par lequel le liquide hydraulique constitue un fluide caloporteur, de plus dans une configuration où les réservoirs étanches sont placés audessus du sol.

[0044] [fig.2] représente en coupe, une variante de ce dispositif dans une configuration où les réservoirs étanches sont constitués par des cavernes souterraines artificielles.

[0045] [fig.3] représente en coupe, une variante souterraine dans une configuration où, dans l’objectif exclusif de déplacer économiquement de la chaleur, deux dispositifs objets de l’invention sont couplés en opposition au niveau de leur réservoirs étanches principaux.

[0046] [fig.4] représente sur un diagramme Enthalpie-Pression une illustration d’un des modes de fonctionnements thermodynamiques possibles du dispositif, ici dans un mode à 3 états Liquide-Gazeux-Supercritique, et dans le cas particulier où le fluide propulseur est le dioxyde de carbone (CO2). L’axe horizontal des abscisses indique l’enthalpie du corps dioxyde de carbone en kJ/kg et l’axe vertical des ordonnées indique la pression à laquelle ce fluide est soumis en MPa.

[0047] En référence à ces dessins, le dispositif comporte au moins un réservoir étanche (1), contenant au moins un liquide hydraulique (3), un fluide propulseur (2), au moins un bassin de réception (4) du liquide hydraulique (3), au moins une communication liquide (7) entre le réservoir (1) et le bassin (4), équipée par au moins un ensemble moteur-pompe (6) et turbine-générateur (5) pour le stockage et la récupération alternés d’énergie hydroélectriques et comporte au moins un système d’échange de chaleur (8) en contact avec le fluide propulseur (2).

[0048] En référence à ces dessins, le dispositif peut également comporter plusieurs compartiments différenciés (9) pour entreposer selon leur température plus froide et plus chaude le ou les fluides caloporteurs circulant au contact des systèmes d’échange de chaleur (8). Le dispositif peut également inclure des capacités annexes de stockage de chaleur (15). Le dispositif peut inclure un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires (13) dédiés aux fluides propulseurs (2) nécessairement reliés au réservoir étanche principal au moyen de conduites (14). Le dispositif peut également inclure, dans la partie supérieure des réservoirs étanche secondaires (13) des systèmes d’aspersion et de chute par gravité de gouttelettes (10) du fluide propulseur (2). Le dispositif peut également inclure une ou plusieurs séparations physiques mobiles (11) entre le liquide hydraulique (3) et le ou les fluides propulseurs (2). Finalement la fermeture des réservoirs étanches (1) (13) du dispositif peut être réalisée au moyen d’un sas (12).

[0049] En référence au dessin utilisant le diagramme Enthalpie-Pression du corps dioxyde de carbone, au début de la période de déstockage d’énergie hydroélectrique, on provoque dans cet exemple une forte détente (16) pour fixer la température du Froid à récupérer, puis on réalise une gazéification à température et pression quasi constantes (17) pour produire le Froid et produire de l’énergie mécanique. Comme on désire dans cet exemple récupérer ultérieurement du Chaud à haute température, on procède à un réchauffage (18) du gaz sec entre la période de déstockage et la future période de stockage, généralement par convergence assistée vers la température ambiante ou par des apports de reliquats de chaleur fatale du dispositif. Plus tard, au début de la période de stockage d’énergie hydroélectrique, on provoquera une forte compression du fluide (19) jusqu’à la pression qui va fixer la température maximale de température du Chaud souhaité, puis on réalisera en état supercritique une importante extraction de chaleur à pression quasi-constante provoquera une extrême contraction de volume du fluide (20) en stockant de l’énergie mécanique. Il est intéressant d’avoir pu confirmer sur le diagramme que pour d’extraire le bénéfice de températures clairement froides et/ou de températures clairement chaudes, il est nécessaire de pomper à une pression plus forte que la pression régnant à la restitution d’énergie. Il est remarquable de constater sur ce diagramme la possible superposition du cycle discontinu du dispositif avec les cycles continus des pompes à chaleur et des machines frigorifiques.

[0050] Dans la forme de réalisation selon la figure 2, lors de la période de stockage d’énergie, période pilotée par plusieurs vannes non indiquées dans la figure, la pompe (6) entraînée par un moteur grâce à l’énergie externe à stocker pousse le liquide hydraulique (3) du bassin de réception (4) vers le réservoir étanche (1) via des conduits de communication liquide (7), diminuant ainsi dans le réservoir étanche (1) le volume occupé par le fluide propulseur (2) qui, soumis simultanément à une intense extraction de chaleur grâce aux systèmes d’échange de chaleur (8), va se condenser à sa pression de vapeur saturante et passer en phase liquide en occupant un volume réduit. Dans l’alternative où le fluide propulseur (2) est en son état supercritique, celui-ci va fortement augmenter de masse volumique au cours de l’extraction de sa chaleur, va occuper un volume réduit, et va, comme dans l’alternative non-supercritique, laisser pénétrer le fluide hydraulique (3)).

[0051] Dans la forme de réalisation selon la figure 2, lors de la période de restitution d’énergie, période pilotée par plusieurs vannes non indiquées dans la figure, le fluide propulseur (2), soumis simultanément à un intense apport de chaleur grâce aux systèmes d’échange de chaleur (8) va passer à l’état gazeux, et va ainsi expulser à sa pression de vapeur saturante vers le bassin de réception (4) le liquide hydraulique (3) du réservoir (1) via les conduits de communication liquide (7) et via la turbine (5) qui récupère ainsi par un générateur l’énergie hydraulique stockée. Dans l’alternative où le fluide propulseur (2) est en état supercritique, celui-ci va fortement diminuer de masse volumique au cours de l’apport de chaleur, va occuper un volume beaucoup plus important, et va, comme dans l’alternative non-supercritique, expulser le fluide hydraulique (3)).

[0052] Le plus souvent, le dispositif incluera un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires (13) dédiés aux fluides propulseurs (2) et communiquant avec le réservoir étanche principal (1) au moyen d’une conduite (14). L’insertion de vannes non-représentées dans la conduite (14) entre les réservoirs (1) (13) permet de réguler la pression régnant dans le ou les réservoirs étanches secondaires (13), ceci aux fins de piloter les températures souhaitées de condensation-liquéfaction et de gazéification des fluides propulseurs (2) en états Liquide-Gazeux, ou de piloter la pression du fluide en son état supercritique [0053] Optionnellement, le dispositif peut inclure, des capacités annexes de stockage d’énergie thermique (15) afin de permettre le déstockage de Chaud y compris en dehors des périodes de stockage d’énergie électrique.

[0054] Optionnellement, le dispositif peut inclure une séparation physique mobile (11) entre le fluide propulseur (2) et le liquide hydraulique (3) pour éviter la dissolution du premier dans le second.

[0055] Optionnellement la fermeture du réservoir étanche (1) du dispositif peut être réalisée au moyen d’un sas (12) pour éviter d’avoir à complètement dépressuriser le réservoir étanche jusqu’à la pression atmosphérique lors d’inspections et d’interventions internes.

[0056] Le dispositif selon l’invention est destiné au stockage et à la restitution d’énergie, ainsi qu’à la création et au stockage de Froid et de Chaud, en particulier pour apporter une solution économique à l’intermittence des énergies renouvelables alimentant les réseaux électriques locaux et nationaux en quantité croissante dans le cadre de la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre.

Claims (1)

1. Revendications [Revendication 1] Dispositif de stockage d’énergie et/ou de déplacement de chaleur constitué par au moins un réservoir étanche (1) contenant au moins un liquide hydraulique (3) et au moins un fluide propulseur (2), par au moins un système d’échange de chaleur (8) échangeant avec le fluide propulseur (2), par au moins un bassin de réception (4) du liquide hydraulique (3), et par au moins une communication liquide (7) entre le réservoir étanche (1) et un bassin de réception (4), équipée par au moins un ensemble de pompage (6) et turbinage (5) caractérisé en ce que le fluide propulseur (2) est contenu hermétiquement sans être perdu et de plus soit travaille par changements d’états alternés d’au moins deux états parmi les trois états liquide, gazeux, supercritique, soit travaille dans l’état exclusivement supercritique par larges variations alternées de masse volumique. [Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que des volumes étanches supplémentaires sont créés au contact du fluide propulseur (2) et/ou au contact du liquide hydraulique (3) pour accommoder des besoins de stockages pressurisés tels que le stockage physique d’hydrocarbures liquides ou gazeux, d’hydrogène, d’air, d’azote, de méthanol, etc. [Revendication 3] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que tout ou partie de la chaleur extraite et apportée au fluide propulseur (2) au niveau des systèmes d’échange de chaleur (8) nécessaires à l’invention résulte d’un échange, via un ou plusieurs fluides caloporteurs ou via un ou plusieurs circuits ouverts d’eau ou d’air, avec des sources thermiques extérieures au dispositif principal. [Revendication 4] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que tout ou partie de la chaleur extraite et apportée au fluide propulseur (2) au niveau des systèmes d’échange de chaleur (8) nécessaires à l’invention résulte principalement d’un échange avec la chaleur sensible possédée par le liquide hydraulique (3) interne au dispositif principal. [Revendication 5] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des volumes de fluides caloporteurs circulant au contact des systèmes d’échange de chaleur (8) nécessaires à l’invention sont entreposés selon leur température plus froide et plus chaude dans plusieurs compartiments différenciés (9).

   [Revendication 6] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, pour permettre le déstockage permanent de Chaud, y compris en dehors des périodes de stockage d’énergie électrique, le dispositif est équipé d’au moins une capacité annexe de stockage d’énergie thermique (14), par chaleur sensible, par chaleur latente ou par stockage thermochimique. [Revendication 7] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que tout ou partie des systèmes d’échange de chaleur (8) échangent de la chaleur avec divers matériaux à changement de phase. [Revendication 8] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les fluides propulseurs (2) bénéficient de l’adjonction d’un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires dédiés (13) et communiquant avec le réservoir étanche principal (1) par une ou plusieurs conduites (14) équipées de vannes. [Revendication 9] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie supérieure des réservoirs étanches secondaires (13) dédiés aux fluides propulseurs (2) est munie d’un système d’aspersion et de chute par gravité de gouttelettes (10) de fluide propulseur (2). [Revendication 10] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des équipements supplémentaires à piston(s) ou à turbine(s) récupèrent de l’énergie mécanique de détente des fluides propulseurs (2) au niveau de la conduite (14). [Revendication 11] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les fluides propulseurs (2) sont des corps chimiques ou des mélanges de corps chimiques sélectionnés pour posséder, aux températures maximales rencontrées dans le ou les réservoirs étanches (1) (13), des pressions de vapeur saturante inférieures aux pressions maximales autorisées par ces réservoirs étanches (1) (13) tel que le dioxyde de carbone, dont la pression de vapeur saturante à 30 degrés Celsius est de 72 bar et l’éthane, dont la pression de vapeur saturante à 30 degrés Celsius est de 47 bar. Des mélanges composés de dioxyde de carbone avec d’autres molécules chimiques sont également intéressants [Revendication 12] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que tout ou partie du ou des fluides propulseurs (2) est réchauffée (18) avant la période de pompage du liquide hydraulique (3) [Revendication 13] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes ca-

   ractérisé en ce qu’est prévue une ou plusieurs séparations physiques (11) entre les différents fluides. [Revendication 14] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les réservoirs étanches (1) et (13) sont également utilisés pour effectuer de la séquestration et stockage physique de quantités excédentaires de dioxyde de carbone (CO2), qui sous forme gazeuse est un gaz à effet de serre. [Revendication 15] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’au moins un réservoir étanche (1) et (13) est constitué par une caverne souterraine naturelle ou artificielle. [Revendication 16] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la fermeture d’au moins un réservoir étanche (1) et (13) est réalisée au moyen d’au moins un sas (12), enceinte munie de deux systèmes étanches de fermeture. [Revendication 17] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’au moins un bassin de réception (4) du liquide hydraulique est constitué par une étendue naturelle d’eau. [Revendication 18] Ensemble comportant une pluralité de dispositifs selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins deux dispositifs sont couplés d’une manière telle que les réservoirs étanches principaux (1) des dispositifs sont directement mis en communication de liquide hydraulique (3) entre eux, via le travail des pompes (6) des dispositifs, qui pompent de façon opposée et alternée. [Revendication 19] Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les éléments des dispositifs tels que les réservoirs étanches principaux (1), les réservoirs étanches secondaires (13), les systèmes d’échange de chaleur (8), les systèmes annexes de stockage thermique (15), les compartiments différenciés de fluides caloporteurs (9), les communications liquides (7), les conduites (14) de fluide propulseur (2), les groupes de pompage (6) et turbinages (5), les bassins de réception (4) sont reliés entre eux par des conduites munies de vannes. [Revendication 20] Utilisation d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 17 ou d’un ensemble selon l’une quelconque des revendications 18 à 19 pour stocker de l’énergie hydroélectrique, pour produire et stocker du Froid et du Chaud et pour déplacer de la chaleur

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