FR3096843A1 - Dispositif de stockage d’énergie au moyen d’une chaîne lourde travaillant entre deux tas - Google Patents

Abstract

Dispositif de stockage d’énergie au moyen d’une chaîne lourde travaillant entre deux tas L’invention concerne un nouveau concept de stockage d’énergie au moyen d’une chaîne lourde (5) de longueur non limitée travaillant entre deux tas, un tas supérieur (6) et un tas inférieur (7) situé à une altitude inférieure. Un dispositif d’entraînement de la chaîne (8) permet d’extraire la chaîne lourde du tas inférieur (7) et de l’élever de façon continue vers le tas supérieur (6). Le même dispositif d’entraînement permet ensuite de restituer l’énergie accumulée sous forme gravitaire, en redescendant la chaîne de façon continue vers le tas inférieur. L’intérêt majeur du concept est que le tas est la forme la plus élémentaire de stockage de matériaux pondéreux et que la chaîne ronde permet une extraction du tas et une remise en tas continue et sans emmêlement. Le dispositif d’entraînement de la chaîne est accouplé à un moteur-générateur électrique connecté au réseau. Lors de l’élévation de la chaîne, l’énergie est prélevée au réseau électrique et lors de la redescente l’énergie est restituée. L’application principale concerne la stabilisation des réseaux électriques pour répondre à la variabilité de la consommation et à l’intermittence des énergies renouvelables. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Dispositif de stockage d’énergie au moyen d’une chaîne lourde travaillant entre deux tas

La présente invention concerne un nouveau concept de stockage d’énergie au moyen d’une chaîne lourde et de grande longueur travaillant entre deux tas, un tas supérieur situé à la surface du sol et un tas inférieur situé à une altitude inférieure.

A la différence du concept appelé STEP (Station de Transfert d’Energie par Pompage) qui fait travailler de l’eau (masse volumique : 1000 kg/m3) entre un réservoir supérieur et un réservoir inférieur reliés par une conduite, le nouveau concept fait travailler une chaine lourde de masse volumique supérieure (par exemple de l’acier à 7850 kg/m3) entre un tas supérieur et un tas inférieur. De la même façon le transfert de la masse totale se fait de façon continue (par pompage et turbinage de l’eau pour la STEP et par élévation et redescente mécanique de la chaîne pour l’invention).

Comme la STEP, l’application principale concerne la stabilisation des réseaux électriques pour répondre à la variabilité de la consommation et à l’intermittence des énergies renouvelables.

En effet la forte variabilité de la consommation électrique journalière et inter-saisonnière nécessite une production flexible. Jusqu’à présent cette flexibilité était obtenue en ajoutant à la production de base d’origine nucléaire et hydraulique au fil de l’eau, une production pilotable issue du thermique, des barrages et des STEPS.

Avec la loi de transition énergétique, le développement des énergies renouvelables et la part croissante de l’énergie éolienne et solaire, l’équilibre entre la consommation et la production va être de plus en plus difficile à assurer. En effet par nature, ces énergies sont intermittentes et non pilotables. Il n’est pas la peine de souligner ici que les éoliennes ne produisent qu’à partir d’une certaine vitesse de vent et que les panneaux solaires ne produisent pas la nuit.

Pour maintenir cet équilibre, il devient primordial de développer des moyens de stockage et de production flexibles dé-carbonés.

Au niveau des moyens de stockage-production flexible, le modèle économique consiste à stocker l’énergie pendant les heures creuses ou l’énergie n’est pas chère et de la restituer pendant les heures de pointes ou l’énergie est chère. Avec le développement des énergies renouvelables intermittentes, on estime en France à l’horizon 2030, un besoin complémentaire de stockage de 1 à 1.5 GWh.

La demande en solutions technologiques pour un stockage plus économique est forte et nombreuses sont les recherches dans ce domaine : batteries, volant d’inertie, air comprimé, chaleur… Il est vraisemblable que les premières applications se feront dans des secteurs ou les réseaux sont peu interconnectés (les iles par exemple) et ou l’implantation de STEPS est difficile pour des raisons topologiques, environnementales et sociétales.

Dans le domaine particulier du stockage gravitaire, il est difficile d’être exhaustif mais on peut mentionner les concepts suivants :

Brevet US8593012 de la Société ARES (Advanced Rail Energy Storage) : il s’agit d’un concept de train lourd fonctionnant sur une pente, avec récupération d’énergie à la descente. Pour pouvoir accumuler une grande quantité d’énergie plusieurs trains sont prévus avec un dispositif d’aiguillage et de voies de garage prévus en haut et en bas de la pente.

Brevet FR3042548 de la Société SinkFloatSolutions : plusieurs blocs de béton déposés au fond de la mer sont connectés et élevés, puis redescendus et déconnectés au câble à la verticale d’une barge. Une variante fonctionnant en boucle, vient connecter successivement les blocs de béton au fond et les déconnecter à la surface.

La société suisse Energy Vault développe actuellement un concept de plusieurs blocs de béton empilables en hauteur à partir du sol et manutentionnés l’un après l’autre au moyen d’une grue à tour.

Brevet US201361782153 de Research foundation for the state university of New York : le concept comporte plusieurs lests fonctionnants de façon discontinue entre un support de surface et le fond de la mer. Un moyen de connexion sous-marin télé-opéré vient reconnecter les lests au fond.

Brevet FR3054270 de la société MGH : le concept prévoit de déployer à la mer une masse linéaire, avec stockage linéaire de la masse en surface comme au fond, suivant des trajectoires curvilignes diverses. En l’absence de caractéristiques techniques, la description ne permet pas à l’homme de l’art de comprendre ce qu’est cette masse linéaire constituée de câble et/ou de chaîne à laquelle peuvent venir s’ajouter des lests et/ou des flotteurs.

Brevet CA2713742 de LaunchPoint : le concept est de déplacer verticalement un piston lourd dans un puits inondé. Le déplacement est opéré par une pompe-turbine située en sub-surface. Gravity Energy développe en Allemagne un démonstrateur de 1MW suivant ce concept.

La société Gravitricity développe actuellement en Ecosse un concept qui consiste à déplacer un cylindre lourd dans un puits vertical circulaire. Le déplacement est opéré au moyen de plusieurs treuils disposés en surface autour du puits.

Brevet US20110285147 d’Energy Cache : Le concept est de déplacer des matériaux granulaires entre deux tas ou deux trémies. Un dispositif à câble continu, charge et décharge successivement les matériaux contenus dans des bennes suspendues. Comme pour les autres concepts, la quantité d’énergie qui peut être stockée est fonction de la différence d’altitude et de la masse totale déplacée.

A la différence des concepts précédemment cités qui fonctionnent d’une façon discontinue, avec une ou plusieurs masses solides ou granulaires, le nouveau concept objet de l’invention, fait travailler une chaîne lourde de longueur non limitée, de façon continue entre deux tas, un tas supérieur et un tas inférieur. Les caractéristiques mécaniques de la chaîne déterminent la différence maximum d’altitude possible entre les deux tas et sa masse totale qui est proportionnelle à sa longueur, détermine la quantité d’énergie non limitée qui peut être stockée.

L’intérêt majeur du concept est que le tas est la forme la plus élémentaire et économique de stockage et que la chaîne ronde, communément utilisée pour des applications marines ou de manutention à terre, permet une extraction du tas et une remise en tas continue et sans risque d’emmêlement. La chaîne ronde à étai est une variante marine qui présente des caractéristiques supérieures pour le projet :

- Plus de résistance et donc plus de hauteur de travail possible

- Plus de masse et donc plus d’énergie

- Et moins de risques d’emmêlement grâce à l’étai qui limite les mouvements entre maillons

Seul un rondin plein en acier pourrait être supérieur au niveau énergétique, mais sa manutention continue nécessiterait des rayons importants qu’il n’est pas raisonnable d’envisager. Un câble lourd serait plus flexible mais poserait le même type de problème à la surface comme au fond (risques d’emmêlement et de formation de coques). Une grande longueur serait impossible à transporter alors que pour la chaîne, on dispose de maillons rapides pour faire des jonctions entre des longueurs unitaires et transportables.

Le dispositif d’entraînement de la chaîne est préférablement un barbotin, du nom de l’inventeur français Benoît Barbotin. Il s’agit d’une sorte de poulie à empreinte ou les empreintes ont la forme des maillons de la chaîne et permettent un engrènement sans glissement.

Concernant le barbotin, son diamètre primitif et son nombre de dents doivent être importants de façon à limiter les déplacements radiaux et les vibrations liés à l’enroulement polygonal.

Le dispositif d’entraînement de la chaîne est accouplé à un moteur-générateur électrique connecté au réseau. Lors de l’élévation de la chaîne, l’énergie est prélevée au réseau électrique et lors de la redescente cette énergie est restituée.

On comprendra mieux l’invention et ses variantes de réalisation à la vue des dessins annexés :Les dessins annexés illustrent l’invention :

représente une vue du concept comparé à celui de la STEP représente en coupe, le dispositif de l’invention.

représente une vue du dispositif élémentaire travaillant entre deux puits représente en coupe, une variante de ce dispositif.

représente une vue détaillée du dispositif d’entraînement de la chaîne

représente un maillon à étai standard

représente un ensemble de dispositifs élémentaires

représente un exemple d’installation du dispositif en mer

représente une vue de dessus du dispositif en mer

La figure 1 représente une vue du concept comparé à celui de la STEP. D’un côté la STEP avec son réservoir d’eau supérieur (1) de volume V représenté plein et son réservoir d’eau inférieur (2) représenté vide. La hauteur entre les surfaces libres est notée H. Une conduite (3) relie les deux réservoirs (1) et (2) et une pompe-turbine (4) est accouplée à un moteur-générateur connecté au réseau électrique. Lorsque la vanne de la conduite (3) est ouverte, la turbine délivre un débit Q et une puissance électrique proportionnelle au produit Q.H. Lorsque le réservoir supérieur (1) est vide la pompe-turbine remplie de nouveau le réservoir supérieur (1). L’énergie totale stockée puis rendue au réseau est, au rendement prés, proportionnelle au produit V.H.

De l’autre côté et en parallèle, le nouveau concept ou la chaîne (5) travaille sur la même hauteur H entre un tas supérieur (6) et un tas inférieur (7). De la même façon le dispositif d’entraînement de la chaîne (8) est accouplé à un moteur-générateur qui produit à la descente une puissance électrique proportionnelle au produit v.H. Lorsque le tas supérieur (6) s’est écoulé, le moteur accouplé au dispositif d’entraînement remonte la longueur totale de la chaîne L au niveau supérieur (6). L’énergie totale rendue au réseau est, au rendement prés, proportionnelle au produit L.H.

Au travers de cette figure représentant les deux concepts mis en parallèle, on a bien compris l’analogie , et l’on peut dire que la chaîne « s’écoule » de façon continue comme l’eau dans la conduite, sauf que la densité de l’acier est largement supérieure et qu’elle ne nécessite pas de réservoirs puis qu’elle peut être disposée en tas, la forme la plus économique de stockage.

Ces avantages techniques décisifs permettent d’envisager des applications de stockage d’énergie qui à la différence de la STEP, occupent un espace réduit et beaucoup plus acceptable au niveau sociétal et environnemental.

De plus, en raison du prix modéré de l’acier, de sa grande tenue à la fatigue et de sa facilité de recyclage, il est vraisemblable que le dispositif sera plus avantageux à long terme que les batteries (lithium ou autres) qui ont une durée de vie limitée (1000 cycles environ) et posent un gros problème de recyclage.

La figure 2 représente le dispositif travaillant entre deux puits verticaux. Le dispositif d’entraînement (8) de la chaîne repose sur le sol (9) entre un puit supérieur (10) et un puit inférieur (11). Le dispositif d’entraînement est connecté à un moteur-générateur raccordé au réseau électrique (12).

Si l’on veut travailler longtemps avec un grand nombre de cycle (par exemple de 10 000 à 100 000), en prenant une chaîne de qualité et de résistance à la rupture intermédiaires (par exemple : 690 daN/mm²) et en tenant compte de sa force de travail maximum à la fatigue (par exemple : 165 daN/ mm²), cela donne une hauteur totale de travail possible entre le dispositif d’entraînement et le fond du puits inférieur d’environ 1000 m. Au-delà la chaîne risquerait de casser à long terme.

Cette hauteur détermine la profondeur du puits inférieur (11). Mais on constate que quand le puits supérieur se vide et que le puits inférieur se remplie, la hauteur H de travail entre les deux tas diminue. Pour éviter la diminution de performance qui en résulte, il faut avoir des puits de grands diamètres. Ce n’est pas un problème pour le puits supérieur, mais c’en est un pour le puits inférieur s’il est foré de façon conventionnelle à diamètre constant qui pourrait être simplement celui du passage de la chaîne. De façon préférentielle son diamètre inférieur est agrandi après forage afin de diminuer la hauteur de stockage du tas de chaîne.

La figure 3 représente une vue détaillée du dispositif d’entraînement de la chaîne. De façon préférentielle, le dispositif d’entraînement est un barbotin rotatif à empreintes (13) fixé sur un support (14) enjambant les deux puits. Du côté puits inférieur, la chaîne est sous forte tension et est centrée au moyen d’un guide (15) à la verticale du barbotin et de l’autre côté la chaîne sous faible tension est déportée au moyen d’un guide incliné (16) vers le centre du puits supérieur.

Le barbotin est accouplé au réducteur - multiplicateur (17) accouplé lui-même au moteur - générateur (18). Bien sûr pour des raisons techniques ou énergétiques les dits ensembles réducteurs – moteur et multiplicateur- générateur peuvent être séparés.

Au niveau de la technologie actuellement disponible cet ensemble peut être construit simplement à partir d’un multiplicateur -générateur standard d’éolienne. Ils sont prévus pour des puissances de 1 à 10 MW et tournent à des vitesses d’entrée comparables et comprises entre 10 et 20 t / min. Les générateurs à induction utilisés sont souvent à rotor bobiné et peuvent aussi être utilisés en mode moteur.

La figure 4 représente un maillon à étai standard. Par rapport à la chaîne ronde standard, on préfère la chaîne à étai, parce qu’elle est plus lourde et plus résistante. Elle est définie par son diamètre D et son pas qui est égal à 4D. Si l’on envisage par exemple d’utiliser des chaînes de 60 mm à 180 mm de diamètre, les masses au mètre sont comprises entre 79 kg/m et 710 kg/m et à 1000 m de hauteur de travail, elles donneront, à la vitesse raisonnable de 2 m/sec, une puissance comprise entre 1.5 MW et 14 MW. Suivant la longueur totale utilisée cette puissance pourra être développée pendant plusieurs heures.

La figure 5 représente en coupe décalée un ensemble de dispositifs élémentaires disposés en ligne et côte à côte comportant chacun un puits (11). Dans cette forme de réalisation avantageuse, les différents puits adjacents débouchent au fond dans une grande galerie commune (19) qui offre plus de volume au fond et les puits de surface peuvent être réunis sous la forme d’une grande tranchée commune (20). La galerie (19) peut être forée à flanc de montagne ou à partir d’un puits d’exploitation de plus grand diamètre.

La figure 6 représente un exemple d’installation du dispositif en mer. Le ou les dispositifs objets de l’invention, sont installés sur un support naval (21). Le support naval est par exemple un minéralier qui comporte un certain nombre de cales (22) et les dispositifs sont installés au bord de la coque de part et d’autre des panneaux de cale (23). La chaîne travaille entre le tas (24) chargé dans la cale (22) et le tas (25) déchargé sur le fond de la mer. La cale (22) dispose de fargues non illustrées de façon à prévenir tout risque de ripage du tas de chaîne.

La figure 7 représente une vue de dessus du dispositif en mer. Le support naval est ancré au moyen de plusieurs lignes (26) reliées à des ancres au fond. Un ombilical (27) relie le support naval au réseau électrique terre. A titre d’exemple, le support naval représenté ici est un minéralier de type Panamax qui comporte 7 cales d’une contenance de 10 000 tonnes chacune. Ancré par 1000 m de profondeur, il est capable de stocker – restituer plusieurs fois par jour, une énergie totale de 190 MWh et délivrer une puissance de 1.5 MW à 100 MW suivant le diamètre de la chaîne et le nombre de dispositifs élémentaires utilisés.

Quand on s’intéresse au coût du MWh stocké, on se rend compte, de façon surprenante, que le nouveau dispositif objet de l’invention est beaucoup plus avantageux que les batteries les plus performantes. Les raisons sont le nombre très supérieur de cycles possible et la facilité de recyclage de la chaîne en fin de vie.

Claims (10)

1. Dispositif de stockage gravitaire d’énergie comportant une masse travaillant entre un niveau supérieur et un niveau inférieur, caractérisé en ce que la masse est une chaîne lourde (5) de longueur non limitée et entraînée de façon continue entre un tas supérieur (6) et un tas inférieur (7).
2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif d’entraînement continu (8) de la chaîne est situé au niveau du sol entre un puits supérieur (10) et un puits inférieur (11).
3. Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le dispositif d’entraînement continu (8) de la chaîne est un barbotin rotatif (13).
4. Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que deux guides sont installés de part et d’autre du barbotin (13), le premier (15) à la verticale du puits inférieur et le deuxième (16) incliné menant la chaîne à la verticale du puits supérieur.
5. Dispositif suivant les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que le barbotin (13) est accouplé à un ensemble réducteur-multiplicateur (17) lui-même accouplé à un moteur-générateur (18).
6. Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé à ce que ledit ensemble est un multiplicateur-générateur d’éolienne.
7. Ensemble de stockage d’énergie caractérisé en ce qu’il est composé de plusieurs dispositifs adjacents suivant les revendications précédentes et que les puits inférieurs débouchent au fond dans une galerie commune de grand diamètre.
8. Ensemble suivant la revendication 7 caractérisé en ce que les puits supérieurs sont réunis sous la forme d’une tranchée commune.
9. Dispositif suivant l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il est installé en mer sur le pont d’un support naval (21) maintenu en position au moyen de plusieurs lignes d’ancrage (26) et connecté au réseau électrique au moyen d’un ombilical (27) .
10. Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce que plusieurs dispositifs élémentaires sont installés de chaque côté d’un minéralier et que chacun des tas supérieurs (24) est chargé sur le fond des différentes cales (22) et que chacun des tas inférieurs (25) est déchargé sur le fond de la mer.