FR3102531A1 - Réservoir de stockage d’énergie sous forme de gaz sous pression, en béton fibré à ultra haute performance - Google Patents

Réservoir de stockage d’énergie sous forme de gaz sous pression, en béton fibré à ultra haute performance Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un réservoir de stockage d’un gaz sous pression, tel que l’air comprimé. Le réservoir comprend au moins un élément tubulaire 1 ayant une paroi comportant une couche en béton précontraint 6, au moins une couche de renfort mécanique circonférentiel 8, au moins une couche de renfort mécanique axial 7 et une couche d’étanchéité 5. Le béton composant la couche en béton précontraint est choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance. Figure 2 à publier

Description

Réservoir de stockage d’énergie sous forme de gaz sous pression, en béton fibré à ultra haute performance
La présente invention concerne le domaine du stockage d’énergie sous forme de gaz sous pression, en particulier les conteneurs de grand volume pour le stockage de gaz sous pression, tels qu’utilisés pour le stockage d’énergie par air comprimé de type AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel est prévu le stockage de l’air et le stockage de la chaleur générée de manière indépendante.
Un système de stockage d’énergie par air comprimé (aussi appelé CAES, de l’anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») vise à stocker une énergie sous forme d'air comprimé, en vue d’une utilisation ultérieure. 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.
Il existe différentes variantes de système de stockage d’énergie par air comprimé, qui ont pour objectif notamment d’améliorer le rendement de tels systèmes. On peut citer notamment les systèmes et procédés suivants:
• ACAES (de l’anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à la température due à la compression.
• AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à température ambiante, et la chaleur due à la compression est également stockée, séparément, dans un système de stockage de la chaleur TES (de l’anglais « Thermal Energy Storage »). Dans ce cas,la chaleur stockée dans le TES est utilisée pour chauffer l’air avant sa détente.
Un tel système de stockage d’énergie par air comprimé requiert un ou plusieurs réservoirs qui soient au moins à la fois résistant à la pression de stockage et étanche au gaz mis en œuvre (l’air). La résistance à la pression est notamment un enjeu important puisque les pressions de stockage de l’air comprimé sont au moins égales à 100 bar dans le dernier étage du système AACAES, qui possède la pression la plus élevée.
L’utilisation de réservoirs tout en acier pour résister à une pression interne est classique. En effet, l’acier a des propriétés à la fois d’étanchéité et de résistance à la pression. Toutefois, si l’étanchéité est assurée à partir d’épaisseurs d’acier assez faibles (quelques mm), il est nécessaire d’utiliser des épaisseurs d’acier plus importantes lorsque l’on veut stocker un fluide sous haute pression (c’est-à-dire une pression supérieure à 100 bar, et préférentiellement de l’ordre de 125 bar). Par exemple, un réservoir cylindrique de diamètre 56’’ (1422,4 mm) doit avoir une épaisseur minimale de 33,5 mm pour résister à une pression interne de 125 bar (calcul d’après la norme CODAP pour un grade d’acier X80).
Si un réservoir tout en acier est une solution techniquement et économiquement avantageuse pour de faibles volumes à haute pression, un réservoir entièrement en acier devient inenvisageable en cas d’importants volumes à haute pression. En effet, du fait du coût de l’acier, la rentabilité économique du système est fortement pénalisée, mais également la conception d’un tel réservoir engendre des contraintes de fabrication fortes. En effet, plus le diamètre d’un réservoir de stockage sphérique ou cylindrique est important, plus l’épaisseur nécessaire pour tenir la pression est importante. Pour de grands volumes de stockage, la fabrication et surtout le soudage d’un élément ayant une épaisseur très importante n’est pas toujours réalisable. Dans ce cas, le stockage d’un grand volume se fait par assemblage de plusieurs éléments de dimensions plus faibles, raccordés entre eux. Ayant des dimensions plus faibles, ces éléments sont techniquement fabricables et ainsi les contraintes de fabrication sont surmontées. En revanche, la rentabilité économique du système peut être mise en cause du fait de la quantité d’acier nécessaire et des coûts d’assemblage.
Dans le but de remplacer les réservoirs tout en acier, des réservoirs formés de plusieurs couches, notamment en béton et en acier, ont été développés.
Par exemple, la demande de brevet FR 3055942 (WO 2018050455) décrit un réservoir comprenant une couche d’étanchéité en acier, et une couche de résistance mécanique en béton précontraint par des fils métalliques en traction.
L’inventeur a découvert que ce réservoir bien que présentant un avantage par rapport aux réservoirs tout en acier, présente des risques d’éclatement lors de son service. En effet, le comportement fragile des bétons rend le réservoir décrit par le document FR 3055942 sensible à une rupture explosive de sa paroi (par exemple en cas de défaillance d’un fil métallique en traction). Ce risque peut avoir des conséquences potentiellement dramatiques compte tenu des volumes et des pressions extrêmement importantes.
Pour pallier à ces inconvénients, la présente invention propose d’améliorer les réservoirs réalisés en béton précontraint par une couche en acier en utilisant un béton particulier : le béton fibré à ultra-haute performance (BFUP), également nommé en anglais ultra high performance concrete (UHPC).
L’utilisation du béton BFUP permet d’augmenter la résilience du réservoir de gaz comprimé. En effet, l’enceinte du réservoir peut être dimensionnée pour résister à de nombreux cas de figures susceptibles d’engendre la ruine de la structure : surpression accidentelle du réservoir, défaillance d’un ou plusieurs éléments précontraints, défaillance de la couche d’étanchéité entraînant la mise sous pression de la porosité interne du béton, contraste thermique entre l’intérieur et l’extérieur du réservoir engendré par des conditions climatiques exceptionnelles ou des incidents de production. De ce point de vue, la couche en béton précontraint en BFUP présente une bien meilleure capacité à survivre sans ruine à ces différents chargements. De plus, les inventeurs ont mis en évidence que l’utilisation du BFUP permet d’obtenir un comportement de la couche en béton qui peut se déformer jusqu’à créer des fissures qui laisse fuir le gaz sous pression, mais sans exploser.
Par ailleurs, malgré le fait que le béton BFUP est extrêmement cher, peu courant d’utilisation, et nécessitant des outillages et des conditions spécifiques pour sa mise en œuvre, l’utilisation du béton BFUP s’avère compétitive du point de vue économique pour la réalisation de réservoir de gaz comprimé pour une application de stockage d’énergie, selon l’invention. En effet, le coût du BFUP étant largement supérieur à celui d’un béton classique, son utilisation étant destinée à la réalisation de structures à très haute valeur ajoutée, et sa mise en œuvre étant complexe, n’incitent pas à utiliser le BFUP. Cependant, de manière surprenante, comme montré ci-après, les caractéristiques mécaniques du béton BFUP pour réaliser un réservoir de gaz comprimé pour une application de stockage d’énergie permettent de réduire considérablement l’épaisseur de la couche de béton, ainsi que, dans une moindre mesure, la quantité d’acier utilisée pour mettre en précontrainte la couche de béton. Ainsi l’utilisation du béton BFUP permet de réaliser un réservoir de gaz comprimé à un coût compatible pour une application de stockage d’énergie, tout en maintenant de meilleurs garanties quant à la sécurité et la durabilité du système.
Ainsi la présente invention concerne un réservoir de stockage d’un gaz sous pression, tel que l’air comprimé, ledit réservoir comprenant au moins un élément tubulaire ayant une paroi comportant une couche en béton précontraint, au moins une couche de renfort mécanique circonférentiel et une couche d’étanchéité. Le réservoir est caractérisé en ce que le béton composant la couche en béton précontraint est choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le béton composant la couche en béton précontraint peut être choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance définis par la norme NF P18-470. Par exemple, le béton composant la couche en béton précontraint est choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance comportant des fibres métalliques en acier et présentant une résistance en compression normalisée supérieure à 150 MPa. De préférence, le béton composant la couche en béton précontraint est choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance comportant des fibres métalliques en acier et présentant un comportement en traction défini comme au moins faiblement écrouissant au sens de la NF P18-470 (classe T2), préférentiellement défini comme fortement écrouissant au sens de la NF P18-470 (classe T3).
Selon un mode de réalisation de l’invention, le béton composant la couche en béton précontraint peut être choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance répondant au moins un des critères suivants :
- le béton précontraint comporte des granulats de différentes tailles, la taille maximum des granulats étant inférieure à 7 mm, de préférence inférieure à 1 mm, et la teneur en granulats ayant une taille de grains d50 < 5µm étant au moins supérieure 50 kg/m3de béton,
- une teneur en ciment comprise entre 700 et 1000 kg/m3de béton,
- un rapport massique eau/ciment compris entre 0,15 et 0,25,
- une teneur en additifs, en extrait sec, comprise entre 10 à 35 kg/m3de béton,
- une teneur en fibres, comprise entre 2% et 10% en volume.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la couche de renfort mécanique circonférentiel peut être composée d’éléments métalliques circonférentiels disposés autour de ou dans la couche de béton précontraint, les éléments métalliques circonférentiels étant précontraint en tension. Les éléments métalliques circonférentiels peuvent être choisis parmi des fils métalliques, des bandes métalliques, des anneaux métalliques, des câbles métalliques.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la paroi peut comporter en outre une couche de protection disposée sur la surface externe de la couche en béton précontraint, la couche de renfort mécanique circonférentiel pouvant être noyée dans la couche de protection.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la paroi peut comporter en outre au moins une couche de renfort mécanique axial composée d’un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux disposés dans la couche de béton précontraint, ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux étant précontraint en tension. Ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux peut être choisi parmi un tube métallique, des fils métalliques, des câbles métalliques ou des bandes métalliques.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite couche d’étanchéité peut être choisie parmi une couche en métal, notamment en acier, une couche en polymère, notamment en polytetrafluoroéthylène, ou d’une juxtaposition d’une sous-couche interne en béton et d’une sous-couche externe en métal, notamment en acier, ou en polymère, notamment en polytetrafluoroéthylène.
Selon un mode de réalisation de l’invention, au moins la couche de béton précontraint et la couche de renfort métallique circonférentiel et, éventuellement la couche de renfort métallique axial si elle est présente, sont dimensionnées pour que le réservoir résiste à une pression au moins supérieure à 100 bar et présente un volume intérieur au moins supérieur à 1000m3.
L’invention concerne également un système de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un réservoir de stockage de gaz sous pression selon l’invention, et au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie.
L’invention concerne également un procédé de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz;
b) éventuellement, on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur dans un moyen de stockage de la chaleur;
c) on stocke ledit gaz éventuellement refroidi dans un réservoir pour le stockage d’un gaz sous pression selon l’invention;
d) éventuellement, on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dans ledit moyen de stockage de la chaleur ; et
e) on détend ledit gaz comprimé et éventuellement chauffé pour générer une énergie.
D'autres caractéristiques et avantages 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.
Liste des figures
La figure 1 illustre schématiquement un réservoir de fluide sous pression selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2, la figure 3 et la figure 4 illustrent la section courante d’un réservoir selon différents modes de réalisation de l’invention.
La figure 5 présente un exemple de réalisation d’un système de stockage et de restitution par gaz comprimé selon l’invention mettant en œuvre un réservoir pour le stockage de gaz sous pression selon l’invention.
La figure 6 et, respectivement, la figure 7 représentent les résultats de simulations numériques du comportement d’un réservoir avec une couche en béton ordinaire et, respectivement, d’un réservoir selon l’invention en cas de rupture d’éléments métalliques longitudinaux.
La présente invention concerne un réservoir fermé de stockage d’un gaz sous pression. Le réservoir peut contenir notamment un gaz sous pression, et par exemple de l’air comprimé. Toutefois, le réservoir est adapté à tout gaz sous pression.
Le réservoir comprend une section courante fermée de part et d’autre par une base et un couvercle. La section courante forme la paroi latérale du réservoir, et peut avoir sensiblement une forme tubulaire, qui peut s’étendre selon un axe rectiligne. La section courante peut être en forme de tube, par exemple de section de forme circulaire, ou une forme polygonale, par exemple octogonale. L’intérieur de la section courante délimite le volume de stockage du fluide sous pression. La section courante est composée de un ou plusieurs tronçons tubulaires, assemblés bout à bout par des moyens de raccordement. La base et le couvercle sont chacun assemblés à un tronçon tubulaire, par des moyens de raccordement. Les moyens de raccordement réalisent une liaison étanche entre deux tronçons tubulaires, ainsi que entre la base et un tronçon tubulaire, ainsi que entre le couvercle et un tronçon tubulaire. La base et/ou le couvercle du réservoir comportent classiquement des orifices pour l’injection et/ou le soutirage du gaz sous pression. En dehors des orifices pour l’injection et/ou le soutirage du gaz, le réservoir est fermé. Pour certaines applications du réservoir, le réservoir peut contenir des particules de stockage de chaleur, permettant de stocker la chaleur contenue dans le gaz. Ainsi, il est possible de réaliser un stockage d’énergie plus efficace.
La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention. Le réservoir comporte une section courante 1, délimitant un volume de stockage A pour le stockage du gaz sous pression et éventuellement de particules de stockage de la chaleur. La section courante 1 a une forme tubulaire qui s’étend selon l’axe droit ZZ’. En référence à la figure 1, la section courante 1 du réservoir est de forme cylindrique, de section circulaire. La section courante 1 est composée de plusieurs tronçons cylindriques 1a, 1b, … 1c. Les tronçons sont assemblés bout à bout, de manière étanche, par exemple par soudage. A l’une de ses extrémités, la section courante 1 est fermée par une base 2. A son autre extrémité, la section courante 1 est fermée par un couvercle 3. Pour simplifier la figure, la base 2 et le couvercle 3 sont représentés plats. Toutefois, ils peuvent prendre différentes formes, notamment hémisphériques. Pour le mode de réalisation représenté par la figure 1, le réservoir est disposé couché sur un sol B. Alternativement, le réservoir peut être partiellement ou totalement enterré dans le sol B ou être disposé verticalement.
Afin de pouvoir servir en tant que système de réservoir de stockage d’énergie sous forme de gaz comprimé, le réservoir selon l’invention peut présenter un volume de stockage supérieur à 1000 m3par exemple entre 2000 m3et 10 000m3. Par exemple le réservoir est composé d’une section courante de 500 m à 2 000 m de longueur et de tube cylindrique de 1 à 4 m de diamètre intérieur. L’opération de stockage du gaz sous pression, en particulier de l’air sous pression, peut être réalisée sur des cycles de quelques heures (2h à 20h, de préférence de 5h à 20h) ou quelques jours (par exemple de 1 à 5 jours). Lors d’un cycle la pression varie entre une pression basse comprise entre 40 et 80 bars, de préférence entre 60 et 80 bars) et une pression haute supérieure à 100 bars (par exemple entre 100 et 150 bars, de préférence entre 115 et 135 bars). Typiquement, un exemple de réservoir selon l’invention présente une capacité de stockage de 5000 m3, réalisé par un assemblage de tube de 2m de diamètre intérieur, sur une longueur de 1000 m. Ce réservoir peut fonctionner entre une pression basse d’environ 75 bars, à une pression haute d’environ 125 bars, afin de stocker de l’énergie sous forme d’air comprimé correspondant à une puissance électrique de l’ordre de 10 MW sur plusieurs heures.
La section courante du réservoir selon l’invention est formée par une juxtaposition de couches concentriques ayant des fonctions propres. Ces couches sont dites juxtaposées et concentriques car elles sont disposées les unes autour des autres sans espace libre entre elles. En d’autres termes, le diamètre (ou la distance au centre du réservoir dans le cas d’une section non circulaire) intérieur d’une couche externe correspond au diamètre (ou la distance au centre du réservoir dans le cas d’une section non circulaire) extérieur d’une couche interne consécutive à la couche externe. Une couche forme une paroi continue ayant la forme de la section courante.
Selon l’invention, la section courante comporte :
- Une couche de béton précontraint, le béton étant choisi parmi les bétons fibrés à ultra-haute performance (BFUP)
- Une couche de renfort mécanique circonférentiel. De manière générale la couche de renfort mécanique circonférentiel est composée d’éléments métalliques circonférentiels disposés autour de ou dans la couche de béton précontraint. Les éléments métalliques circonférentiels peuvent prendre plusieurs formes, par exemple des fils métalliques, des câbles métalliques, des bandes métalliques, des anneaux métalliques. Les éléments métalliques sont précontraints en tension et imposent donc une précontrainte de compression circonférentielle dans la couche de béton au moins lorsque le réservoir est au repos (c’est-à-dire sans contenir de gaz sous pression).
- Eventuellement, une couche de renfort mécanique axial. De manière générale la couche de renfort mécanique axial comporte un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux qui s’étendent selon l’axe du réservoir et qui sont disposés dans la couche de béton précontraint et selon l’axe. Ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux peuvent prendre différentes formes, par exemple un tube métallique, des fils métalliques, des câbles métalliques, ou des bandes métalliques. Ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux sont disposés au sein de la couche de béton. En d’autres termes ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux sont noyés au sein du béton BFUP. Ledit un ou plusieurs éléments métallique longitudinaux sont précontraints en tension et imposent donc une précontrainte en compression dans le sens de l’axe du réservoir, dans la couche de béton précontraint au moins lorsque le réservoir est au repos.
- Eventuellement une couche de protection pour protéger la surface externe du réservoir, réalisée par exemple avec un béton ordinaire, un mortier de ciment, de l’asphalte, ou une couverture en polymères.
- Une couche d’étanchéité, chargée d’assurer l’étanchéité au gaz du réservoir, réalisée par exemple en acier ou en polymère.
Dans la suite de la description, différentes variantes de réalisation des différentes couches de la section courante sont détaillées. Ces variantes peuvent être combinées entre elles de manière à combiner leurs effets.
Couche de béton précontraint
La couche de béton précontraint permet la résistance à la pression et à ses variations dans le temps du gaz sous pression dans le réservoir.
Selon l’invention, le béton composant la couche de béton précontraint est choisi parmi les Bétons Fibrés à Ultra-haute Performance (BFUP), également nommé en anglais « Ultra High Performance Concrete » (UHPC). Les BFUP sont des bétons, à savoir des matériaux formés par mélange de ciment, de sable, de gravillons et d’eau, d’adjuvants, d’additions et de fibres de préférence métallique, et dont les propriétés se développent par hydratation.
Les bétons fibrés à ultra-haute performance (BFUP) mis en œuvre par la présente invention peuvent être définis par la norme NF P18-470. Les BFUP y sont définis comme des « bétons caractérisés par une résistance à la compression élevée, supérieure à 130 MPa, au-delà du domaine d’application de la norme NF EN 206/CN:2014, par une résistance en traction post-fissuration importante permettant d’obtenir un comportement ductile en traction et dont la non-fragilité permet de calculer et de réaliser des structures et éléments de structure sans utiliser d’armatures de béton armé ». Bien entendu, les BFUP peuvent être utilisés avec des armatures de béton armé ou des armatures de pré-contrainte.
Plus précisément, selon un mode de réalisation de l’invention, on choisit un béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) de classe BFUP-S au sens de la norme NF P18-470, à savoir :
- Un BFUP comportant des fibres en aciers. Ainsi le BFUP présente des propriétés de résistance post-fissuration qui sont conférées par des fibres d’acier. Les fibres d’acier peuvent être définies comme des « éléments droits ou déformés provenant de fil étiré à froid, de tôle découpée, d’extraits de coulée, de fil étiré à froid raboté ou de blocs d’acier fraisés ». Les fibres en aciers peuvent présenter des dimensions géométriques suivantes : diamètre de 0,1 à 0,3 mm et une longueur comprise entre 10 à 20 mm.
- Un BFUP présentant une résistance en compression supérieure à 150 MPa, mesurée selon la norme NF EN 12390-3:2012.
De préférence, on choisit un BFUP de classe de comportement en traction T2 (peu écrouissant), ou T3 (très écrouissant), selon la norme NF P18-470.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut choisir un BFUP ayant une composition répondant aux critères suivants, pris seuls ou en combinaison :
- Le BFUP comporte des granulats de différentes tailles, la taille maximum des granulats est inférieure à 7 mm, de préférence inférieur à 1 mm. Ainsi le BFUP est caractérisé par une limite de taille supérieure pour les granulats utilisés : 7 mm de taille maximale, préférentiellement 1 mm de taille maximale.
- Une teneur en ciment comprise entre 700 et 1000 kg/m3 de béton, c’est-à-dire une teneur très élevés en ciment. De préférence, on utilise un ciment de grade 52.5 défini par la norme NF EN 197-1.
- Le BFUP comporte une teneur de particules très fines présentant une distribution de taille de grains d50 < 5µm d’au moins 50kg/m3 de béton. Ainsi le BFUP présente un squelette granulaire optimisé sur plusieurs échelles pour favoriser la compacité de l’empilement. Les formulations s’appuie pour cela sur des additions de particules très fines (d50 < 5 µm) comme les fumées de silice, les fillers siliceux ou calcaire ultrafins.
- Un dosage en eau très faible : un rapport massique eau/ciment compris entre 0,15 et 0,25.
- Une teneur élevée en additifs, en particulier les superplastifiants : une teneur en additifs comprise entre 10 à 35 kg en extrait sec par m3 de béton.
- Une teneur en fibres, par exemple métalliques ou polymères, de préférence métallique, par exemple en acier, à des dosages élevés : entre 2% et 10% en volume.
Selon un exemple de réalisation de l’invention, on peut choisir un BFUP répondant à la composition suivante (bien entendu la composition est donnée lors de la préparation du BFUP ou autrement dit à la gâche) :
- Ciment (par exemple de classe 52.5 ou analogue) : 700 à 1000 kg/m3
- Sable fin, siliceux ou calcaire, ayant des tailles de particules < 1mm : 800 à 1200 kg/m3
- Charge minérale fine (d50 entre 10 et 50 µm), siliceux ou calcaire : 150 à 250 kg/m3
- Filler minéral ultrafin (d50 < 5 µm) ou nanométrique (par exemple choisit parmi les fumées de silice, microfiller calcaire ou siliceux) : 50 à 250 kg/m3
- Fibres, métalliques ou polymères (diamètre 0,1 à 0,3 mm, longueur 10 à 20 mm) : 2 à 10% en volume
- Adjuvants plastifiant ou super-plastifiant : 10 à 35 kg/m3(extrait sec )
- Eau totale : entre 15 et 25 % en masse de la quantité de ciment
Les compositions 1 et 2 sont données à titre d’exemple :
Composition 1 Composition 2
Ciment 52.5R 750 kg 1 075 kg
Sable fin 1 020 kg 1 050 kg
Quartz broyé 200 kg 160 kg
Fumée de silice 230 kg 50 kg
Fibres métalliques 160 kg 220 kg
Superplastifiant (extrait sec) 10 kg 35 kg
Eau 140 L 200 L
La couche de béton précontraint est formée d’un béton précontraint. La précontrainte est appliquée au béton BFUP au moyen de la couche de renfort mécanique circonférentiel et éventuellement par la couche de renfort mécanique axial.
Le choix du béton BFUP pour réaliser le réservoir selon l’invention permet d’augmenter la résilience du réservoir de gaz comprimé. La couche en béton précontraint en BFUP présente une bien meilleure capacité à survivre sans ruine lors des chargements anormaux. En effet, les bétons ordinaires présentent un comportement dit « fragile » qui rend possible une rupture explosive de la couche en béton, par exemple en cas de défaillance d’un élément métallique longitudinal ou axial, ou bien en cas d’un impact sur la surface extérieure du réservoir. Les conséquences d’une rupture explosive de la couche en béton seraient dramatiques compte tenu des volumes et des pressions extrêmement importantes appliqués lors du fonctionnement du réservoir selon l’invention. Par béton ordinaire, nous entendons un béton au sens de la norme NF EN 206, présentant une résistance en compression caractéristique inférieure à 100 MPa, et sans ajout de fibres visant à lui conférer des propriétés de ductilité.
De plus, le choix du béton BFUP permet d’augmenter la résilience du réservoir selon l’invention. En effet la couche en béton BFUP présente une capacité à se déformer jusqu’à créer des fissures qui laissent fuir le gaz sous pression, mais sans exploser. En effet, les fibres, ainsi que la composition du béton BFUP autorise une déformation du béton jusqu’à l’apparition de fissures, sans ruine de la structure car les fibres maintiennent la structure et ses capacités de résistance mécanique même après l’apparition de fissures.
Par ailleurs, le choix d’un béton BFUP pour réaliser la couche de béton précontraint permet d’améliorer le maintien dans le temps de la tenue mécanique du réservoir selon l’invention. En effet, les bétons BFUP présentent une excellente résistance à la fatigue et au fluage, par rapport au béton ordinaire, qui est bien adapté à supporter des contraintes mécaniques importantes, de manière cyclique et accompagnées de variation de température, qui est propre à l’utilisation à laquelle est destiné le réservoir selon l’invention : le stockage d’énergie sous forme de gaz sous pression.
Selon un mode de réalisation, la couche de béton précontraint peut également assurer une fonction d’étanchéité. En effet, le choix du béton BFUP pour réaliser le réservoir selon l’invention présente une perméabilité largement inférieure (de l’ordre de cent fois inférieure) à celle des bétons ordinaires. Ainsi, la couche en béton précontraint en BFUP peut être satisfaisante pour assurer une étanchéité partielle au gaz contenu dans le réservoir. Ainsi, les capacités d’étanchéité de la couche en béton précontraint BFUP autorise la possibilité d’une défaillance ou une dégradation partielle de la couche d’étanchéité et permet de limiter les opérations de remise en état de celle-ci.
Du fait de ses propriétés mécaniques élevées, l’utilisation de béton BFUP permet d’envisager des parois relativement fines pour le réservoir (de l’ordre de 4 fois plus fines selon certaines estimations). Compte tenu du coût élevé du matériau, c’est un point important pour la viabilité économique de l’invention. Cette question prend un tour particulièrement critique dans le cas où la défaillance de la couche d’étanchéité est envisagée. Dans ce cas, l’air sous pression contenu dans le réservoir envahit la porosité du béton, ce qui entraîne des contraintes de traction d’origine poromécanique susceptibles d’endommager le matériau. Ce type de défaut est instable et est susceptible d’engendrer la rupture brutale de l’enveloppe. Si l’intégrité de la couche d’étanchéité ne peut être garantie à 100% (un cas de figure probable compte tenu des niveaux de risque associés à ce type de réservoir), il convient de dimensionner la précontrainte exercée sur le béton de manière à garantir que le matériau ne soit jamais soumis à des efforts de traction, même dans le cas où la couche d’étanchéité est compromise. Avec un béton conventionnel ce critère se révèle particulièrement contraignant, engendrant des surdimensionnements en terme d’épaisseur de béton et de section de câbles de précontrainte extrêmement importants, de l’ordre de 60% en épaisseur selon certaines estimations. Le surdimensionnement est beaucoup plus réduit lorsque l’on utilise un BFUP (de l’ordre de 20 % en épaisseur), du fait de la plus grande résistance en compression du matériau qui le rend plus à même de supporter des précontraintes importantes.
Outre la moindre consommation de matière, les parois plus fines d’un réservoir en BFUP présentent un avantage vis-à-vis de la résistance aux sollicitations d’origine thermique. En effet, dans le cas d’une utilisation pour le stockage d’air comprimé, les cycles de charge/décharge du réservoir font varier la température interne de manière importante (plusieurs dizaines de degrés °C), et de manière décorrelée de la température extérieure à laquelle est soumise la paroi externe. Or un gradient thermique entre les deux parois est susceptible d’engendrer la fissuration du béton sur la paroi froide, dans la mesure ou la contraction thermique du matériau sur la paroi est empêchée par le reste de la structure, plus chaude. Un cas particulièrement critique pour notre application concerne le remplissage du réservoir (qui entraîne une mise sous pression du réservoir et une élévation de la température interne), tandis que dans le même temps la température extérieure est basse, ou chute brusquement. Dans le cas d’un réservoir en béton ordinaire, la paroi est trop épaisse pour permettre une égalisation des températures entre face interne et externe, les gradients thermiques générés sont importants. On peut se prémunir de la fissuration du matériau sur la face externe en garantissant la présence d’une couche externe jouant le rôle d’isolant thermique, sans rôle structurel. Ce rôle peut éventuellement être rempli par la couche de protection évoquée dans cette invention, si elle se révèle suffisamment épaisse par rapport aux écarts de température considérés. Dans le cas d’un réservoir en BFUP, outre la meilleure résistance du matériau aux contraintes de traction déjà évoquée, la paroi plus fine permet une bien meilleure conduction de la température qui limite les différences de température entre face interne et externe. Ainsi, pour un réservoir ayant une paroi composé en béton BFUP selon l’invention, les contraintes d’origines thermiques sont ainsi grandement limitées et sans risques pour l’intégrité du matériau.
Couche de renfort mécanique circonférentiel
De manière générale, la couche de renfort mécanique circonférentiel est composée d’éléments métalliques circonférentiels disposés autour de ou dans la couche de béton précontraint. Les éléments métalliques circonférentiels peuvent prendre plusieurs formes, par exemple des fils métalliques, des câbles métalliques, des bandes métalliques, des anneaux métalliques.
Selon un mode de mise en œuvre de l’invention, la précontrainte en traction circonférentielle peut être obtenue par un enroulement sous tension d’éléments métalliques circonférentiels autour du tube de béton, par exemple un enroulement de fils, de câbles ou de bandes métalliques. Selon un autre mode de réalisation, les éléments métalliques circonférentiels sont emmanchés dans des gaines réservées dans le tube de béton lors du coulage de celui-ci, précontraints, puis rendus solidaires du tube de béton par l’injection d’un coulis de ciment qui vient remplir l’espace laissé libre dans la gaine béton. De préférence, les éléments métalliques circonférentiels sont disposés à la périphérie, c’est-à-dire autour et au contact, de la couche de béton précontraint.
Alternativement, les éléments métalliques circonférentiels peuvent être noyés dans la couche de béton précontraint. Dans ce cas, les éléments métalliques circonférentiels sont disposés de préférence dans la moitié (la moitié est définie par la partie obtenue en délimitant le tube formée par la couche en béton précontraint en deux moitiés correspondant à deux tubes concentriques, superposés et d’épaisseur égale) de la couche en béton précontraint située vers l’extérieur du réservoir.
Les éléments métalliques circonférentiels sont précontraints en tension et imposent donc une précontrainte de compression circonférentiel dans la couche de béton au moins lorsque le réservoir est au repos (c’est-à-dire sans contenir de gaz sous pression). Ainsi, d’une part, la couche de renfort mécanique circonférentielle composée par les éléments métalliques circonférentiels a pour rôle de diminuer la contrainte circonférentielle supportée par la couche en béton lorsque le réservoir selon l’invention est mis en service. D’autre part, la couche de renfort mécanique circonférentiel composée par les éléments métalliques circonférentiels a pour rôle de maintenir la couche en béton dans une situation de contrainte de compression sur la plus grande gamme de sollicitation de pression interne du réservoir, ce qui permet de profiter au maximum des excellentes caractéristiques de résistance à la compression du béton et donc de minimiser l’épaisseur de la couche de béton. L’application d’une précontrainte en traction circonférentielle permet donc de dimensionner un réservoir pour le stockage d’un gaz sous pression avec une plus faible épaisseur de béton que si aucune précontrainte n’était appliquée. En effet, la précontrainte soumet la couche de béton à des efforts de compression, efforts auxquels le matériau béton BFUP est très résistant.
De préférence, les éléments métalliques circonférentiels sont réalisés en métal, de préférence en acier.
De manière avantageuse, les éléments métalliques circonférentiels peuvent être régulièrement répartis dans ou sur la couche en béton, pour appliquer une précontrainte homogène sur la couche de béton.
Couche de renfort mécanique axial
On rappelle qu’il s’agit d’une couche optionnelle de la conception de la section courante du réservoir. Néanmoins, un réservoir selon l’invention comportant une couche de renfort mécanique axial est un mode préféré de réalisation de l’invention, qui permet à la section courante de reprendre les efforts exercés par le gaz sous pression sur la base et le couvercle du réservoir.
De manière générale, la couche de renfort mécanique axial comporte un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux qui s’étendent selon l’axe du réservoir et qui sont disposés dans la couche de béton précontraint et selon l’axe du réservoir. Ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux peut prendre différentes formes, par exemple un tube métallique, des fils métalliques, des câbles métalliques ou des bandes métalliques.
Ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux sont disposés au sein de la couche de béton. En d’autres termes ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux sont noyés au sein du béton BFUP.
Les éléments métalliques longitudinaux sont disposés de préférence sur ou au voisinage du plan médian de la couche en béton précontraint (le plan médian est défini comme le plan équidistant de la surface interne et de la surface externe du tube). Selon un mode de réalisation, les éléments métalliques longitudinaux sont disposés et répartis sur deux plans tubulaires dont les diamètres sont inscrits dans la couche en béton précontraint.
Ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux sont précontraints en tension et imposent donc une précontrainte en compression dans le sens de l’axe du réservoir, dans la couche de béton précontraint au moins lorsque le réservoir est au repos.
Ainsi, d’une part, la couche de renfort mécanique axial composée par ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux a pour rôle de diminuer la contrainte axiale supportée par la couche en béton lorsque le réservoir selon l’invention est sous pression élevée. D’autre part, la couche de renfort mécanique axial composée par ledit un ou plusieurs éléments métalliques circonférentiels a pour rôle de maintenir la couche en béton dans une situation de contrainte de compression sur la plus grande gamme de sollicitation de pression interne du réservoir, ce qui permet de profiter au maximum des excellentes caractéristiques de résistance à la compression du béton et donc de minimiser l’épaisseur de la couche de béton.
De préférence, ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux est réalisé en métal, de préférence en acier.
De manière avantageuse, ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux peut être régulièrement réparti dans couche en béton, pour appliquer une précontrainte homogène sur la couche de béton.
Dans le cas où ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux est choisi de forme tubulaire, il réalise une fonction d’étanchéité. Dans ce cas, le réservoir n’inclut pas de couche d’étanchéité supplémentaire.
Couche d’étanchéité
La couche d’étanchéité vise à contenir le gaz, par exemple l’air, à chaque instant dans le réservoir. Seules les connectiques (moyens d’injection et de soutirage du gaz sous pression) du réservoir doivent influer sur la quantité de matière présente dans le réservoir.
Selon une variante de réalisation, la couche d’étanchéité peut être assurée par une première sous-couche formée en béton suivi d’une sous-couche formée en métal, de préférence en acier. La première sous-couche en béton a pour rôle de protéger d’une part la face interne de la sous-couche formée en acier contre les dommages physiques et/ou chimiques (corrosion notamment), éviter le collapse de la même sous-couche (en raison des précontraintes appliquées aux fils en acier) et, de façon générale, résister à la contrainte induite par le fluide sous pression.
Selon une alternative, la couche d’étanchéité peut être assurée directement par une couche en métal, de préférence en acier, résistant aux contraintes et dommages physiques et/ou chimiques induits par le milieu en contact.
Alternativement, pour les deux variantes de réalisation décrites ci-dessus, la couche en métal ou la sous-couche en métal peut être remplacée directement par une couche ou une sous-couche en polymère résistant aux contraintes et dommages physiques et/ou chimiques induits par le milieu en contact (le fluide sous pression). On peut citer, par exemple, le polytétrafluoroéthylène PTFE. La réalisation de la sous-couche en polymère permet de réduire le poids et le coût de la couche d’étanchéité, alors que la réalisation de la sous-couche en métal apporte de meilleures caractéristiques mécaniques.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la couche de renfort mécanique axial et la couche d’étanchéité sont formées par un seul et même élément composé d’un tube en acier.
Couche de protection de la section courante
On rappelle qu’il s’agit d’une couche optionnelle de la conception de la section courante du réservoir. La couche externe de protection vise à la préservation des agressions chimiques (type corrosion) et/ou physiques des éléments métalliques circonférentiels, ainsi que de la couche de béton BFUP, du réservoir selon l’invention. De ce fait, la couche externe de protection peut être en béton, par exemple en béton ordinaire, ou bien du mortier de ciment, en asphalte, en polymère ou tout autre matériau protecteur contre les agressions chimiques et/ou physiques. Cette couche de protection est par conséquent particulièrement avantageuse lorsque la couche de béton précontraint comprend des éléments métalliques circonférentiels en périphérie. Avantageusement, cette couche peut ne pas posséder de fonction de résistance mécanique. C’est pourquoi cette couche peut être moins épaisse que la couche de béton précontraint.
Les figures 2, 3 et 4 illustrent, schématiquement et de manière non limitative, une section courante 1 d’un réservoir selon trois modes de réalisation de l’invention. Chacune des figures 2, 3 et 4 est une vue tridimensionnelle en coupe de la section courante 1.
En référence à la figure 2, de l’intérieur vers l’extérieur de la section courante 1, la section courante comprend une couche d’étanchéité 5, une couche de résistance mécanique 6 en béton BFUP recouverte d’une couche de renfort mécanique circonférentiel 8, et une couche de protection 9. La couche de renfort mécanique circonférentiel 8 est composée de fils métalliques précontraints en tension et enroulés autour de la couche de résistance mécanique 6. De plus, la couche de résistance mécanique 6 est traversée par des fils métalliques 7 composant la couche de renfort mécanique axial. Les fils métallique 7 sont précontraints en tension. Les fils métalliques composant la couche de renfort mécanique circonférentiel 8 sont régulièrement répartis sur la longueur de la section courante 1, et les fils métalliques composant la couche de renfort mécanique axial 7 sont régulièrement répartis sur la circonférence de la section courante 1. La couche de protection 9, par exemple réalisée en mortier de ciment, sert notamment à la protection de la corrosion des fils métalliques précontraints de la couche 8. La couche d’étanchéité 5 est plaquée contre la paroi interne de la couche de résistance mécanique 6.
En référence à la figure 3, de l’intérieur vers l’extérieur de la section courante 1, la section courante comprend une couche d’étanchéité 5, une couche de résistance mécanique 6 en béton BFUP, une couche de renfort mécanique circonférentiel 8 disposée au sein du béton BFUP de la couche de résistance mécanique 6. De plus, la couche de résistance mécanique 6 est traversée par des fils métalliques 7 composant la couche de renfort mécanique axial. Les fils métalliques 7 sont précontraints en tension. Les fils métalliques 7 sont disposés dans la couche de résistance mécanique 6 à une distance X plus petite que la distance Y des fils métallique 7 composant la couche de renfort mécanique axial, chacune des distances X et Y étant mesurées par rapport à l’axe du réservoir. Les fils métalliques composant la couche de renfort mécanique circonférentiel 8 sont régulièrement répartis sur la longueur de la section courante 1, et les fils métalliques composant la couche de résistance axial 8 sont régulièrement répartis sur la circonférence de la section courante 1.
En référence à la figure 4, de l’intérieur vers l’extérieur de la section courante 1, une couche de résistance mécanique 6 en béton BFUP et une couche de renfort mécanique circonférentiel 8 disposée au sein du béton BFUP de la couche de résistance mécanique 6. De plus, la couche de résistance mécanique 6 est traversée par un tube métallique 7 composant la couche de renfort mécanique axial. Le tube métallique 7 est précontraint en tension selon l’axe du réservoir. Le tube métallique 7 a un rayon de valeur X inférieur à la distance Y, distance mesurée par rapport à l’axe du réservoir, à laquelle sont disposés les fils métalliques 8 composant la couche de renfort mécanique circonférentiel. Les fils métalliques composant la couche de renfort mécanique circonférentiel 8 sont régulièrement répartis sur la longueur de la section courante 1. Dans ce mode de réalisation, le tube métallique 7 a également pour fonction d’assurer l’étanchéité du réservoir.
Système et procédé de stockage et de restitution d’énergie
L’invention concerne aussi un moyen de stockage et de restitution d’énergie comprenant au moins un moyen de compression, au moins un moyen de détente, au moins un moyen de stockage de la chaleur et au moins un réservoir de gaz sous pression selon l’invention. En effet, l’utilisation d’un réservoir de gaz sous pression tel que décrit précédemment est adaptée aux pressions élevées du gaz sous pression mis en œuvre dans un tel système. De plus, le réservoir selon l’invention permet de réduire considérablement le coût du réservoir de gaz sous pression, ce qui est particulièrement utile au moyen de stockage et de restitution d’énergie, le réservoir de gaz sous pression étant un facteur de coût important du moyen de stockage et de restitution d’énergie. Il est particulièrement adapté pour le fonctionnement des systèmes de type AACAES.
La présente invention concerne également un procédé de stockage et de restitution par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz, notamment au moyen d’un compresseur,
b) éventuellement, on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur, en particulier dans un moyen de stockage de la chaleur,
c) on stocke le gaz comprimé et éventuellement refroidi, notamment dans un réservoir pour le stockage d’un fluide sous pression selon l’invention,
d) éventuellement on chauffe le gaz comprimé stocké, par échange de chaleur, dans le moyen de stockage de la chaleur,
e) on détend le gaz comprimé et éventuellement chauffé pour générer une énergie, par exemple au moyen d’une turbine pour produire une énergie électrique.
La Figure 5 illustre un exemple non limitatif de système de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé selon l’invention, comportant un moyen de compression du gaz 21, un moyen de stockage de la chaleur 22, un réservoir de stockage d’un gaz sous pression 23 selon l’invention et un moyen de détente du gaz 24. Sur cette Figure, les flèches en trait continu illustrent la circulation du gaz lors des étapes de compression (stockage d’énergie), et les flèches en pointillés illustrent la circulation du gaz lors des étapes de détente (restitution d’énergie). Le système de stockage de la chaleur 22 est intercalé entre le moyen de compression/détente 21 ou 24 et le réservoir 23 selon l’invention. Classiquement, en phase de stockage d’énergie (compression), l’air est d’abord comprimé dans le compresseur 21, puis éventuellement refroidi dans le système de stockage de la chaleur 22. Le gaz comprimé et éventuellement refroidi est stocké dans le réservoir 23 selon l’invention. Le système de stockage de la chaleur 22 emmagasine de la chaleur lors du refroidissement du gaz comprimé dans la phase de compression. Lors de la récupération de l’énergie (détente), le gaz comprimé stocké dans le réservoir 23 selon l’invention est éventuellement chauffé dans le système de stockage de la chaleur 22. Ensuite, de manière classique, le gaz passe au travers d’un moyen de détente 24.
Le système de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé selon l’invention n’est pas limité à l’exemple de la Figure 5. D’autres configurations peuvent être envisagées : plusieurs étages de compression et/ou de détente, l’utilisation de moyens réversibles assurant la compression et la détente, etc.
Exemples
Les caractéristiques et avantages du réservoir selon l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture des modes de réalisation et des exemples comparatifs présentés ci-après.
Sur la base de formules de dimensionnement analytique, nous fournissons les dimensions caractéristiques pour des réservoirs en béton ordinaire et en BFUP, dans deux cas de dimensionnements : avec ou sans garantie de l’intégrité de la couche d’étanchéité :
- R1A : réservoir en béton ordinaire, intégrité garantie de la couche d’étanchéité
- R1B : réservoir en béton ordinaire, sans garantie d’intégrité de la couche d’étanchéité
- R2A : réservoir en BFUP selon l’invention, intégrité garantie de la couche d’étanchéité
- R2B : réservoir en BFUP selon l’invention, sans garantie d’intégrité de la couche d’étanchéité
Pour tous ces réservoirs, l’épaisseur de béton, ainsi que la quantité et la répartition des éléments métalliques circonférentiels et axiaux ont été établies en fonction de la pression maximale de service attendue qui a été fixée à 125 bars, et en tenant compte des réglementations prévues par les EUROCODES, en particulier l’EUROCODE 4. Les volumes de matière utilisés sont calculés sur la base d’un réservoir de 5000 m3. En ne tenant compte que de la section tubulaire (pas d’estimation des besoins concernant le fond des réservoir, ou le génie civil pour supporter la structure).
Les réservoirs dimensionnés sans garantie de la couche d’étanchéité sont plus épais et utilisent plus d’acier de précontrainte, dans la mesure où une précontrainte plus importante doit être imposée au béton de manière à garantir l’absence de contraintes de traction même en cas de mise sous pression de la porosité interne par le gaz sous pression du réservoir, à la pression maximale de service (125 bar).
Des calculs numériques simulant une perte de précontrainte ont été effectués dans le cas d’un réservoir R1A en béton ordinaire avec intégrité de la couche d’étanchéité (exemple 1) et d’un réservoir R2A en béton BFUP selon l’invention avec intégrité de la couche d’étanchéité (exemple 2). Les exemples ont été réalisés par simulation numérique par les éléments finis au moyen du logiciel Abaqus (logiciel édité par Dassault Systèmes, France).
Les principales caractéristiques des réservoirs R1A et R2A (avec garantie de la couche d’étanchéité) sont :
Réservoir R1A Réservoir R2A
Béton Béton ordinaire classe C60/75
(résistance en compression : 70 MPa. Résistance en traction : 5 MPa)		 Béton BFUP classe BFUP175/190
(résistance en compression : 180 MPa. Résistance en traction : 12 MPa, faiblement écrouissant (classe T2))
Volume intérieur du réservoir 5000 m3 5000 m3
Diamètre intérieur du réservoir 2 m 2 m
Epaisseur de la couche en béton 30 cm 9 cm
Masse de la couche en béton 6700 tonnes 2120 tonnes
Section totale des câbles composants les éléments métalliques circonférentiels (en cm2par mètre linéaire de réservoir) 86 cm2/m 83 cm2/m
Section totale des câbles composant les éléments métalliques longitudinaux 273 cm2 253 cm2
Masse total des câbles en acier 1140 tonnes 1020 tonnes
Précontrainte appliquée dans les éléments métalliques 1430 MPa 1430 MPa
Les principales caractéristiques des réservoirs R1B et R2B (sans garantie de la couche d’étanchéité) sont :
Réservoir R1B Réservoir R2B
Béton Béton ordinaire classe C60/75
(résistance en compression : 70 MPa. Résistance en traction : 5 MPa)		 Béton BFUP classe BFUP175/190
(résistance en compression : 180 MPa. Résistance en traction : 12 MPa, faiblement écrouissant (classe T2))
Volume intérieur du réservoir 5000 m3 5000 m3
Diamètre intérieur du réservoir 2 m 2 m
Epaisseur de la couche en béton 48 cm 11 cm
Masse de la couche en béton 13 300 tonnes 2625 tonnes
Section totale des câbles composants les éléments métalliques circonférentiels (en cm2par mètre linéaire de réservoir) 139 cm2/m 102 cm2/m
Section totale des câbles composant les éléments métalliques longitudinaux 649 cm2 358 cm2
Masse totale des câbles en acier 2190 tonnes 1320 tonnes
Précontrainte appliquée dans les éléments métalliques 1430 MPa 1430 MPa
Dans le cas où l’intégrité de la couche d’étanchéité est garantie, le présent exemple montre que la structure du réservoir R2A est plus légère que celle du réservoir R1A. La masse de béton nécessaire est radicalement inférieure du fait des propriétés très supérieures du béton BFUP. D’une manière plus limitée, ces résistances mécaniques élevés permettent aussi de diminuer de l’ordre de 10% les volumes d’armatures métalliques de précontraintes nécessaires.
Cet avantage se retrouve démultiplié dans le cas où l’intégrité de la couche d’étanchéité ne peut plus être garantie, comme illustré dans le présent exemple. Dans les deux cas, les besoins en béton et en acier de pré-contrainte augmentent par rapport au cas avec garantie de la couche d’étanchéité. Mais l’augmentation est beaucoup plus importante dans le cas du béton conventionnel (réservoir R1B), que ce soit en termes de béton ou d’acier de pré-contrainte. Les besoins en aciers de précontrainte, notamment, deviennent notablement inférieur dans le cas du réservoir en BFUP selon l’invention(réservoir R2B).
Dans le cas où l’intégrité de la couche d’étanchéité est garantie, le présent exemple montre que la structure du réservoir R2A est plus onéreuse que la structure du réservoir R1A : le surcoût en termes de matériaux est évalué à +36%. Cette différence est relativement limitée malgré le fait que le béton BFUP a un prix estimé de l’ordre de 10 fois supérieur au béton conventionnel, car ce surcoût est partiellement compensé par les volumes de béton requis radicalement inférieurs, et les économies en matière d’acier sur les éléments de précontrainte.
Dans le cas où l’intégrité de la couche d’étanchéité n’est pas garantie, les coûts augmentent, de 86% pour la solution en béton conventionnel, de 26% pour la solution en BFUP selon l’invention. Ces variations entraînent, de manière surprenante, une plus grande compétitivité du réservoir en béton BFUP selon l’invention, qui devient 8% plus économique que la solution en béton conventionnel dans ce cas de figure.
Les exemples 1 et 2 présentent les résultats de simulations numériques menées dans le cas de ruptures simultanées de sept éléments métalliques circonférentiels, à la pression maximale de service de 125 bar respectivement pour le réservoir R1A et R2A. Les figures 6 et 7 présentent, respectivement pour les réservoirs R1A et R2A une coupe dans l’épaisseur des couches du réservoir, selon un plan longitudinal. Les figures 6 et 7 ne représentent que la couche de béton précontraint 6 ainsi que la couche de renfort mécanique circonférentiel 8 qui est composée de câbles en acier. Le côté gauche des figures 6 et 7 correspondent au centre du réservoir et le côté droit des figures 6 et 7 correspondent à l’extérieur du réservoir . Dans la couche de béton représentée par les figures 6 et 7, les champs de niveau de gris représentent la déformation plastique qui correspond à la fissuration du béton.
La différence de comportement entre le béton ordinaire du réservoir R1A et le béton BFUP du réservoir R2A est immédiatement apparente. Sur la figure 6, on observe dans la couche en béton ordinaire du réservoir R1A la formation d’une fissure 10 à la frontière de la zone endommagée qui se propage vers l’intérieur du réservoir. Cette fissure est susceptible d’engendrer une rupture et de mettre en danger l’intégrité de la structure. Sur la figure 7, on observe dans la couche du béton BFUP du réservoir R2A des dommages (dans la zone 11) plus limités et diffus, qui restent cantonnés à la surface extérieure de la couche en béton précontraint. De plus, le béton conserve une plus grande partie de ses capacités mécaniques sur la figure 7 par rapport à la figure 6. Par conséquent, au-delà des performances mécaniques dues au béton BFUP, l’utilisation du béton BFUP dans le cadre d’une utilisation pour un réservoir de stockage d’énergie sous forme de gaz sous pression, permet de manière inattendue d’augmenter la résilience du réservoir.

Claims (12)

  1. Réservoir de stockage d’un gaz sous pression, tel que l’air comprimé, ledit réservoir comprenant au moins un élément tubulaire ayant une paroi comportant une couche en béton précontraint, au moins une couche de renfort mécanique circonférentiel et une couche d’étanchéité caractérisé en ce que le béton composant la couche en béton précontraint est choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance.
  2. Réservoir selon la revendication 1, dans lequel le béton composant la couche en béton précontraint est choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance comportant des fibres métalliques en acier et présentant une résistance en compression normalisée supérieure à 150 MPa.
  3. Réservoir selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le béton composant la couche en béton précontraint est choisi parmi les bétons fibrés à ultra haute performance répondant à au moins un des critères suivants :
    - le béton précontraint comporte des granulats de différentes tailles, la taille maximum des granulats étant inférieure à 7 mm, de préférence inférieure à 1 mm, et la teneur en granulats ayant une taille de grains d50 < 5µm étant au moins supérieure 50 kg/m3de béton,
    - une teneur en ciment comprise entre 700 et 1000 kg/m3de béton,
    - un rapport massique eau/ciment compris entre 0,15 et 0,25,
    - une teneur en additifs, en extrait sec, comprise entre 10 à 35 kg/m3de béton,
    - une teneur en fibres, comprise entre 2% et 10% en volume.
  4. Réservoir selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de renfort mécanique circonférentiel est composée d’éléments métalliques circonférentiels disposés autour de ou dans la couche de béton précontraint, les éléments métalliques circonférentiels étant précontraint en tension.
  5. Réservoir selon la revendication 4, dans lequel les éléments métalliques circonférentiels sont choisis parmi des fils métalliques, des bandes métalliques, des anneaux métalliques, des câbles métalliques.
  6. Réservoir selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la paroi comporte en outre une couche de protection disposée sur la surface externe de la couche en béton précontraint, la couche de renfort mécanique circonférentiel pouvant être noyée dans la couche de protection.
  7. Réservoir selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la paroi comporte en outre au moins une couche de renfort mécanique axial composée d’un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux disposés dans la couche de béton précontraint, ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux étant précontraint en tension.
  8. Réservoir selon la revendication 7, dans lequel ledit un ou plusieurs éléments métalliques longitudinaux est choisi parmi un tube métallique, des fils métalliques, des câbles métalliques ou des bandes métalliques.
  9. Réservoir selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel ladite couche d’étanchéité est choisie parmi une couche en métal, notamment en acier, une couche en polymère, notamment en polytetrafluoroéthylène, ou d’une juxtaposition d’une sous-couche interne en béton et d’une sous-couche externe en métal, notamment en acier, ou en polymère, notamment en polytetrafluoroéthylène.
  10. Réservoir selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel au moins la couche de béton précontraint et la couche de renfort métallique circonférentiel sont dimensionnées pour que le réservoir résiste à une pression au moins supérieure à 100 bar et présente un volume intérieur au moins supérieur à 1000m3.
  11. Système de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un réservoir de stockage de gaz sous pression selon l’une des revendications 1 à 10, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie.
  12. Procédé de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
    a) on comprime un gaz;
    b) éventuellement, on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur dans un moyen de stockage de la chaleur;
    c) on stocke ledit gaz éventuellement refroidi dans un réservoir pour le stockage d’un gaz sous pression selon l’une des revendications 1 à 10;
    d) éventuellement, on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dans ledit moyen de stockage de la chaleur ; et
    e) on détend ledit gaz comprimé et éventuellement chauffé pour générer une énergie.
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