FR3117163A1 - procédé de stockage et de récupération d’énergie comprenant une turbine à gaz pour réchauffer le gaz comprimé à la détente - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant : - une ligne de compression (1) de gaz avec au moins un étage de compression (3), chaque étage (3) comprenant un moyen de compression (100, 101, 102) et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202), - un moyen de stockage de gaz comprimé (500) situé en sortie de la ligne de compression (1), - une ligne de détente (2) comprenant au moins deux étages de détente (4), chaque étage de détente (4) comprenant un moyen de détente (300, 301, 302) et des conduites configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) d’ au moins un étage de compression (3) pour réchauffer le gaz comprimé, et la ligne de détente (2) comprend au moins une chambre de combustion (400) alimentée par une première portion du gaz comprimé en sortie d’un étage de détente (4) ou en sortie du moyen de stockage de gaz comprimé (500), les gaz en sortant entraînant une turbine à gaz (410) puis alimentant un échangeur (420) pour réchauffer le gaz comprimé d’un étage de détente (4). L’invention concerne aussi un procédé de stockage et de récupération d’énergie. Figure 4 à publier
Description
La présente invention concerne le domaine technique du stockage et de la récupération d’énergie par gaz comprimé, notamment d’air comprimé.
Alors que les objectifs énergétiques mondiaux visent à favoriser les énergies renouvelables afin d’augmenter progressivement la proportion des énergies renouvelables dans le mix énergétique, le caractère variable et intermittent de ces énergies renouvelables demeure leur inconvénient majeur. Pour répondre à cette problématique, le stockage d’énergie apparait comme une solution très avantageuse. En stockant le surplus d’énergie produit au pic de production afin d’en disposer lorsque celle-ci devient inférieure à la demande, le stockage permet de s’affranchir de la contrainte de variabilité et apporte une flexibilité, voire une continuité, aux énergies renouvelables. Ainsi, le besoin en procédé de stockage d’énergie devrait s’accroître dans les prochaines années, avec la proportion des énergies renouvelables dans le mix mondial.
De nombreuses technologies de stockage existent à l’heure actuelle comme les stockages de type mécanique tels que les Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) utilisant l’hydroélectricité produite par deux réservoirs d’eau situés à différentes altitudes. En phase de stockage d’électricité, l’eau du réservoir inférieur est pompée vers le réservoir supérieur et stockée à cette altitude. Lorsque la demande en électricité augmente, l’eau du réservoir supérieur est renvoyée vers le réservoir inférieur en passant par une turbine hydraulique qui va alors générer, via un alternateur, de l’électricité. Les barrages hydroélectriques fonctionnent également sur le même concept : le barrage retient l’eau à une altitude plus importante en amont qu’en aval et lorsque la demande en électricité augmente, le barrage libère l’eau en la faisant passer par des turboalternateurs hydrauliques produisant l’électricité.
Des technologies de type électrochimique peuvent être également utilisées pour le stockage d’énergie telles que les batteries lithium-ion, plomb-acide ou encore nickel-cadmium, ou bien des batteries à circulation, par exemple utilisant des électrolytes.
Le stockage et la récupération d’énergie par air comprimé, connu sous le nom de CAES (de l’anglais « Compressed Air Energy Storage ») est une technologie pour laquelle une première installation a été construite en Allemagne fin des années 1970, d’une puissance de 290 MW. Le principe de cette technologie est d’utiliser l’électricité produite et non consommée pour comprimer un gaz, typiquement, de l’air. Afin d’éviter tout dommage sur les compresseurs, la chaleur résultant de la compression est évacuée entre chaque étage. L’air comprimé à moyenne ou haute pression (40 bar à 300 bar) est envoyé dans un stockage de type naturel tel qu’une cavité saline, une mine (sel, calcaire, charbon) ou encore dans stockage artificiel en attendant la phase de décharge de l’énergie. Lors de la phase de production d’électricité, l’air stocké est extrait du stockage afin d’être détendu dans des turboalternateurs.
Une variante de la technologie CAES est le procédé adiabatique, également appelé AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage »). La différence principale avec le CAES est que la chaleur résultant de la compression n’est plus seulement évacuée entre chaque étage, c’est-à-dire perdue, mais stockée afin de pouvoir réchauffer l’air en amont des turbines en phase de récupération d’énergie. Grâce à cette réutilisation de l’énergie thermique interne au procédé, le rendement de l’AACAES peut atteindre environ 70% au lieu d’environ 50% pour le procédé CAES. Le refroidissement de l’air en phase de compression peut se faire dans un échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur chaud sera alors stocké afin de pouvoir céder sa chaleur à l’air lors de la phase de détente.
Une première solution pour limiter l’endommagement des compresseurs est d’extraire l’eau de la ligne de compression, au moyen d’un séparateur gaz/liquide prévu à chaque étage de compression. La de l’art antérieur illustre, schématiquement sous la forme de schéma bloc, un tel système et procédé AACAES. Sur cette figure, sont représentées la phase de stockage d’énergie par compression d’un gaz, et la phase de production d’énergie par détente d’un gaz. Le système selon l’art antérieur se compose d’une ligne de compression 1, incluant un ou plusieurs étages de compression 3 en fonction de la pression de l’air à atteindre ainsi que des recommandations des fournisseurs. Dans le mode de réalisation illustré, la ligne de compression 1 comprend trois étages de compression 3. Chaque étage de compression 3 comporte un moyen de compression 100, 101, 102, appelé également compresseur. Le compresseur 100 est un compresseur basse pression, le compresseur 101 est un compresseur moyenne pression, et le compresseur 102 est un compresseur haute pression. Le gaz utilisé dans le procédé illustré est de l’air ambiant, contenant une saturation en eau liée à sa température et sa pression. Durant la phase de stockage d’énergie, l’air est comprimé dans la ligne de compression 1 puis envoyé dans un moyen de stockage d’air comprimé 500 adapté aux hautes pressions. Des moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201, 202 sont disposés après chaque compresseur 100, 101, 102 de chaque étage de compression 3 afin de refroidir l’air comprimé chaud en sortie de compression tout en stockant cette énergie thermique. Le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 est adapté à la basse pression, le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 est adapté à la moyenne pression et le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 est adapté à la haute pression. Des moyens de refroidissement 600, 601, 602 peuvent être disposés à la suite des moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201, 202 si nécessaire afin de finir le refroidissement de l’air comprimé avant le prochain étage de compression ou avant son stockage. Une fois l’air refroidi et avant l’étage de compression suivant, l’eau condensée, issue de l’humidité de l’air, est extraite du flux de compression d’air par des séparateurs gaz-liquide S1, S2, S3 afin d’avoir en entrée de compresseur un air sans aucune trace d’eau liquide. Cette condensation de l’eau peut avoir lieu dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201, 202 et/ou dans les moyens de refroidissement 600, 601, 602. Durant la phase de production d’énergie, l’air comprimé est détendu via une ou plusieurs turbines 300, 301, 302 ou étage de détente, selon les recommandations des fournisseurs, afin de produire de l’électricité via des alternateurs, non représentés sur le schéma. La turbine 302 est une turbine basse pression, la turbine 301 est une turbine moyenne pression et la turbine 300 est une turbine haute pression. Pour ce système et ce procédé, l’eau condensée est juste extraite, l’énergie associée est donc perdue.
La demande de brevet WO2016/079485 concerne un système de stockage et de récupération d’énergie dans lequel une chambre de combustion et une turbine à gaz sont utilisées pour générer de l’air chaud de manière à réchauffer le gaz comprimé avant son passage dans des turbines. Néanmoins, ce système nécessite une nouvelle entrée d’air et un compresseur spécifique pour comprimer l’air.
Le but de l’invention est d’améliorer les performances énergétiques du système en limitant les dépenses énergétiques liées à la compression.
Pour se faire, l’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :
- une ligne de compression de gaz avec au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant un moyen de compression et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur en aval du (ou de chaque) moyen de compression,
- au moins un moyen de stockage de gaz comprimé situé en sortie de la ligne de compression de gaz pour stocker le gaz comprimé,
- une ligne de détente pour détendre du gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé. La ligne de détente comprend au moins deux étages de détente et chaque étage de détente comprend un moyen de détente et des conduites configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur d’un étage de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant le moyen de détente.
De plus, la ligne de détente comprend au moins une chambre de combustion alimentée en comburant par une première portion du gaz comprimé prélevée en sortie d’un des étages de détente ou en sortie du moyen de stockage de gaz comprimé de manière à ce que l’air comprimé arrive déjà chaud dans la chambre de combustion pour améliorer les performances de la chambre de combustion. De plus, utiliser le gaz comprimé permet d’améliorer les performances de la turbine à compression en évitant d’utiliser un compresseur spécifique à cet usage. Ensuite, les fumées (ou gaz chauds) sortant de la chambre de combustion entraînent une turbine à gaz de manière à générer de l’énergie et les fumées sortant de la turbine à gaz alimentant un premier moyen d’échange de chaleur situé sur un des étages de détente pour réchauffer le gaz comprimé dans cet étage de détente avant le passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur de cet étage de détente.
Le premier moyen d’échange de chaleur est distinct du ou des moyens de stockage et de récupération de la chaleur du système de manière à améliorer les performances de récupération de chaleur par rapport à un moyen qui assurerait dans un seul et même composant à la fois la fonction du premier moyen d’échange de chaleur et de la fonction du moyen de stockage et de récupération de la chaleur.
L’invention concerne aussi un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :
- En phase de stockage d’énergie :
a) on comprime un gaz dans une ligne de compression comprenant au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant au moins un moyen de compression ;
b) dans chaque étage de compression, on récupère la chaleur du gaz comprimé dans au moins un moyen de stockage et de récupération de la chaleur;
c) on stocke le gaz comprimé refroidi dans un réservoir de stockage de gaz comprimé.
- En phase de récupération d’énergie :
d) on fait circuler le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans un ligne de détente d’au moins deux étages de détente successifs, et dans chaque étage de détente, on réchauffe le gaz comprimé en le faisant circuler dans un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur grâce à la chaleur stockée lors de l’étape de compression puis on détend le gaz comprimé réchauffé dans un moyen de détente.
De plus, on dérive au moins une partie du gaz détendu sortant du moyen de détente d’un étage de détente ou du moyen de stockage de gaz comprimé pour l’utiliser comme comburant dans une chambre de combustion puis on fait circuler les fumées de combustion (ou gaz de combustion) sortantes de la chambre de combustion dans une turbine à gaz pour récupérer de l’énergie et on fait passer les fumées de combustion sortantes de la turbine à gaz dans un premier moyen d’échange de chaleur situé sur un étage de détente en aval, dans le sens de circulation du gaz comprimé dans la ligne de détente, pour réchauffer le gaz comprimé avant son passage dans un étage de détente.
L’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :
- une ligne de compression de gaz avec au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant un moyen de compression et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur en aval dudit moyen de compression,
- un moyen de stockage de gaz comprimé situé en sortie de la ligne de compression de gaz pour stocker le gaz comprimé,
- une ligne de détente pour détendre du gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé, la ligne de détente comprenant au moins deux étages de détente, chaque étage de détente comprenant des conduites et un moyen de détente, les conduites étant configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur dudit au moins un étage de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant le moyen de détente. De plus, la ligne de détente comprend au moins une chambre de combustion alimentée en comburant par une première portion du gaz comprimé prélevée en sortie d’un desdits étages de détente ou sortant du moyen de stockage de gaz comprimé, les gaz sortant de ladite chambre de combustion entraînant une turbine à gaz, les gaz sortant de la turbine à gaz alimentant un premier moyen d’échange de chaleur situé sur un desdits étages de détente pour réchauffer le gaz comprimé dans cet étage de détente avant le passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur de cet étage de détente.
De préférence, le premier moyen d’échange de chaleur est situé sur un étage de détente en aval de celui sur lequel la première portion de gaz comprimé est prélevée ou en aval du moyen de stockage de gaz comprimé.
De manière préférée, ladite première portion du gaz comprimé est prélevée en sortie du premier étage de détente, dans le sens de circulation dudit gaz comprimé.
Avantageusement, ledit premier moyen d’échange de chaleur est situé sur le deuxième étage de détente pour réchauffer le gaz comprimé dans le deuxième étage de détente, avant le passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur du deuxième étage de détente.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la ligne de détente comprend un moyen de circulation pour faire circuler le gaz détendu sortant du premier étage de détente dans un deuxième moyen d’échange de chaleur situé sur le premier étage de détente, le deuxième moyen d’échange de chaleur étant conçu pour réchauffer l’air au préalable du passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur du premier étage de détente.
De manière avantageuse, ladite première portion du gaz comprimé est prélevée en sortie du deuxième moyen d’échange de chaleur.
Selon une configuration avantageuse de l’invention, ledit moyen de stockage et de récupération de la chaleur comprend des particules de stockage de la chaleur.
Préférentiellement, ladite ligne de compression comprend autant d’étages de compression que la ligne de détente ne comprend d’étages de détente, chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur d’un étage de compression étant utilisé dans l’étage de détente à la pression correspondante.
De préférence, la ligne de détente et la ligne de compression comprennent chacune trois étages.
Selon une mise en œuvre de l’invention, chaque étage de compression comprend un moyen de refroidissement en aval du moyen de stockage et de récupération de chaleur, de préférence, ledit moyen de refroidissement comprenant un aéro-réfrigérant.
Selon un mode de réalisation de l’invention, au moins un étage de compression (de préférence, chaque étage de compression) comprend un moyen de séparation pour séparer le gaz comprimé d’une phase liquide avant que le gaz comprimé n’atteigne l’étage de compression suivant ou le moyen de stockage de gaz comprimé, chaque étage de compression comprenant un moyen de stockage de liquide pour stocker ladite phase liquide à la pression de l’étage de compression
De préférence, au moins un étage de détente (de préférence, chaque étage de détente) comprend un moyen de mélange pour mélanger audit gaz comprimé ladite phase liquide sortant d’un des moyens de stockage de liquide des étages de compression, ledit moyen de mélange étant positionné en amont dudit premier moyen d’échange de chaleur, dudit deuxième échange de chaleur et/ou du moyen de stockage et de récupération de chaque étage de détente.
En outre, l’invention concerne un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :
- En phase de stockage d’énergie :
a) on comprime un gaz dans une ligne de compression comprenant au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant au moins un moyen de compression ;
b) dans chaque étage de compression, on récupère la chaleur dudit gaz comprimé dans au moins un moyen de stockage et de récupération de la chaleur;
c) on stocke le gaz comprimé refroidi dans un réservoir de stockage de gaz comprimé.
- En phase de récupération d’énergie :
d) on fait circuler le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans une ligne de détente d’au moins deux étages de détente successifs, et dans chaque étage de détente, on réchauffe le gaz comprimé en le faisant circuler dans un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur grâce à la chaleur stockée lors de l’étape de compression puis on détend le gaz comprimé réchauffé dans un moyen de détente ; de plus, on dérive au moins une partie du gaz détendu sortant du moyen de détente d’un étage de détente ou sortant du moyen de stockage de gaz comprimé pour l’utiliser comme comburant dans une chambre de combustion puis on fait circuler le gaz sortant de ladite chambre de combustion dans une turbine à gaz pour récupérer de l’énergie et on fait passer le gaz sortant de la turbine à gaz dans un premier moyen d’échange de chaleur situé sur un étage de détente en aval, dans le sens de circulation du gaz comprimé dans la ligne de détente, pour réchauffer le gaz comprimé avant son passage dans un étage de détente.
.
Selon une mise en œuvre du procédé, on réalise autant d’étapes de compression que d’étapes de détente et on utilise le moyen de stockage et de récupération de la chaleur de chacun des étages de compression pour réchauffer le gaz comprimé de l’étage de détente à la pression correspondante.
De préférence, on stocke la chaleur du gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur comprenant des particules de stockage de la chaleur, de préférence, chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur comprenant des particules de stockage de la chaleur.
Selon une configuration de l’invention, dans chaque étage de compression, on refroidit le gaz comprimé en sortie du moyen de stockage et de récupération de la chaleur dans un moyen de refroidissement avant que le gaz ne soit envoyé dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage de gaz comprimé.
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, on sépare le gaz comprimé d’une phase liquide qu’il contient dans un moyen de séparation, avant que le gaz comprimé ne soit envoyé dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage du gaz comprimé, le liquide sortant de chaque moyen de séparation étant stocké à la pression dans laquelle il se trouve dans un moyen de stockage de liquide.
Préférentiellement, on injecte le liquide stocké de chaque moyen de stockage de liquide, lors de la phase de récupération d’énergie, dans chaque étage de détente à la pression correspondante, en amont des premiers et/ou deuxièmes échangeurs de chaleurs et des moyens de stockage et de récupération de chaleur.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et/ou du système 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.
[Fig 1]
La représente un premier mode de réalisation d’un système selon l’invention.
[Fig 2]
La représente un deuxième mode de réalisation d’un système selon l’invention.
[Fig 3]
La représente un troisième mode de réalisation d’un système selon l’invention.
[Fig 4]
La représente un quatrième mode de réalisation d’un système selon l’invention.
[Fig 5]
La représente un cinquième mode de réalisation d’un système selon l’invention.
[Fig 6]
La illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’art antérieur.
[Fig 7]
La illustre un sixième mode de réalisation d’un système selon l’invention.
[Fig 8]
La illustre un septième mode de réalisation d’un système selon l’invention
L’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :
- une ligne de compression de gaz avec au moins un étage de compression. Une ligne de compression est une ligne permettant de faire circuler le gaz depuis une entrée jusqu’à un au moins moyen de stockage du gaz comprimé. De ce fait, la ligne de compression peut comprendre plusieurs étages de compression montés en série (étages de compression successifs). Chaque étage de compression comprend un moyen de compression (un compresseur ou une pompe par exemples) et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur en aval du moyen de compression de manière à récupérer la chaleur produite lors de la compression et à refroidir le gaz comprimé avant l’étage de compression suivant ou avant son stockage pour améliorer la compression dans le moyen de compression de manière à améliorer les performances du système,
- au moins un moyen de stockage de gaz comprimé (un réservoir qui peut être artificiel ou naturel tel qu’une cavité saline ou un aquifère) situé en sortie de la ligne de compression de gaz pour stocker le gaz comprimé en vue d’une utilisation future,
- une ligne de détente pour détendre du gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé, la ligne de détente comprenant au moins deux étages de détente de manière à optimiser la récupération d’énergie. La ligne de détente comprend au moins deux étages de détente successifs, c’est-à-dire agencés en série. On entend par « ligne de détente » une ligne permettant de faire circuler le gaz comprimé depuis le moyen de stockage de gaz comprimé vers une sortie en passant par des étages de détente en série. Chaque étage de détente comprend un moyen de détente, tel qu’une turbine qui peut être couplée à un générateur, aussi appelée alternateur, pour produire de l’électricité, et des conduites configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur d’au moins un étage de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant son passage dans le moyen de détente. De préférence, les moyens de stockage et de récupération de la chaleur de chaque étage de détente sont distincts les uns des autres pour que la température et la pression de chacun de ces moyens de stockage et de récupération de la chaleur soient optimisées à chaque étage de détente. De plus, il est préférable que chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur proviennent d’un étage de compression distinct de manière à optimiser le stockage et la récupération de la chaleur. Réchauffer le gaz comprimé avant son passage dans chaque moyen de détente permet d’améliorer le rendement du moyen de détente.
En outre, la ligne de détente comprend au moins une chambre de combustion alimentée en comburant par une première portion du gaz comprimé prélevée en sortie d’un des étages de détente ou en sortie du moyen de stockage du gaz comprimé, une deuxième portion du gaz comprimé sortant de l’étage de détente (ou respectivement du moyen de stockage du gaz comprimé) étant alors dirigé vers l’étage de détente suivant. De ce fait, la chambre de combustion est alimentée en gaz comprimé qui a été réchauffé dans l’étage de détente à la sortie duquel les gaz entrant dans la chambre de combustion sont prélevées. Ainsi, la pression et la température du gaz comburant entrant dans la chambre de combustion permettent d’améliorer la combustion au sein de la chambre de combustion par rapport à une solution où l’air serait directement prélevé dans le milieu ambiant. De plus, cette solution permet de se passer d’un compresseur et d’une énergie à fournir au compresseur spécifiquement pour comprimer l’air prélevé dans le milieu ambiant.
Du carburant est également fourni dans la chambre de combustion pour permettre la combustion avec le gaz comprimé servant de comburant. Le carburant peut être de l’essence, du gazole, du kérosène, du gaz naturel ou tout autre carburant adapté.
Les gaz chauds (des fumées chaudes notamment) sortant de la chambre de combustion sont envoyés dans une turbine à gaz (l’ensemble constitué de la chambre de combustion et de la turbine à gaz en aval de la chambre de combustion est connue sous le nom de « turbine à combustion »). La turbine à gaz permet de récupérer de l’énergie supplémentaire par exemple en couplant la turbine à gaz à une génératrice pour produire de l’électricité.
Les gaz chauds (des fumées chaudes notamment) sortant de la turbine à gaz alimentent un premier moyen d’échange de chaleur situé sur un des étages de détente pour réchauffer le gaz comprimé dans cet étage de détente avant le passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur de cet étage de détente. Autrement dit, le premier moyen d’échange de chaleur n’est pas confondu avec un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur. De ce fait, le premier moyen d’échange de chaleur et les moyens de stockage et de récupération de la chaleur sont distincts. Cela permet notamment de réduire la taille du moyen de stockage et de récupération de la chaleur de cet étage de détente, et donc son coût.
De manière surprenante, bien qu’une partie du gaz comprimé soit perdue pour la ligne de détente afin de faire fonctionner la turbine à gaz, le rendement global du système est amélioré par la récupération de chaleur obtenue grâce aux gaz chauds produits et grâce à l’énergie produite supplémentaire par la turbine à gaz. De plus, la consommation de carburant est restreinte pour obtenir un tel effet.
Conformément à un mode de réalisation de l’invention, le gaz peut être de l’air. Il peut s’agir de l’air prélevé dans le milieu ambiant. En variante, il peut comporter d’autres gaz.
Selon un aspect de l’invention, le liquide peut être de l’eau. Il peut s’agir notamment de l’humidité présente dans le gaz, en particulier quand le gaz est de l’air. En variante, il peut comporter d’autres liquides.
Le premier moyen d’échange de chaleur peut notamment être un échangeur de chaleur sans contact direct (également appelé échangeur de chaleur à contact indirect) entre le fluide à réchauffer et le fluide à refroidir, par exemple un échangeur tubes/calandres, un échangeur spiralé ou un échangeur à plaques. Selon une variante, on pourrait également réinjecter les fumées dans la ligne de détente dans un étage de détente en aval de l’étage dans lequel la turbine est gaz est utilisée.
Le moyen de stockage de gaz comprimé peut être un stockage artificiel comme un réservoir cylindrique ou une cavité naturelle telle qu’une cavité saline, une ancienne mine ou un aquifère.
Dans le sens de l’invention, les termes successifs comme « premier », « deuxième », « troisième », « précédent », « suivant », « dernier » « amont » et « aval » s’entendent dans le sens de circulation du gaz comprimé dans les lignes de détente ou de compression. Ainsi, le premier étage de détente est l’étage de détente dans lequel le gaz comprimé passe en premier après le moyen de stockage de gaz comprimé.
De manière préférée, le premier moyen d’échange de chaleur peut être situé sur un étage de détente en aval de celui sur lequel la portion de gaz comprimé est prélevée. En effet, comme une partie du gaz comprimé a été prélevée en amont, le rendement des étages de détente suivant pourrait être amoindri. L’utilisation du premier moyen d’échange de chaleur, combiné à la turbine à gaz, permet de compenser au moins partiellement cette perte d’énergie.
Avantageusement, la portion du gaz comprimé peut être prélevée en sortie du premier étage de détente, dans le sens de circulation du gaz comprimé. De ce fait, la pression du gaz et sa température sont encore assez élevées (vis-à-vis à celles des étages suivants), ce qui permet d’améliorer la combustion dans la chambre de combustion et donc les performances du système.
De préférence, le premier moyen d’échange de chaleur peut être situé sur le deuxième étage de détente pour réchauffer le gaz comprimé dans le deuxième étage de détente, avant le passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur du deuxième étage de détente. Ainsi, le premier moyen d’échange constitue un réchauffage du gaz comprimé au préalable du moyen de stockage et de récupération de la chaleur pour encore améliorer la récupération d’énergie. De plus, en positionnant le premier moyen d’échange sur le deuxième étage de détente, on peut maximiser la récupération de chaleur en réchauffant le gaz comprimé entrant de manière à compenser partiellement la perte de quantité de gaz due à la dérivation du gaz comprimé vers la turbine à combustion (comprenant la chambre de combustion et la turbine à gaz). On peut aussi de ce fait réduire la taille du moyen de stockage et de récupération de la chaleur du deuxième étage de détente.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la ligne de détente peut comprendre un moyen de circulation pour faire circuler le gaz détendu sortant du premier étage de détente dans un deuxième moyen d’échange de chaleur situé sur le premier étage de détente, le deuxième moyen d’échange de chaleur étant conçu pour réchauffer l’air au préalable du passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur du premier étage de détente. En effet, on peut alors augmenter la température du gaz comprimé avant son passage dans le moyen de détente du premier étage de détente, ce qui permet d’améliorer les performances de récupération d’énergie du premier étage de détente et de diminuer les dimensions du moyen de stockage et de récupération de la chaleur du premier étage de détente, qui est le moyen de stockage et de récupération de la chaleur qui possède les contraintes de pression les plus élevées, et par conséquent, il s’agit du moyen de stockage et de récupération de la chaleur le plus onéreux.
Selon une variante de l’invention, la portion du gaz comprimé peut être prélevée en sortie du deuxième moyen d’échange de chaleur. Cette variante permet de maximiser la récupération d’énergie du premier étage de détente et de ne pas dégrader le fonctionnement de la turbine à combustion, la pression en sortie du deuxième moyen d’échange de la chaleur étant suffisamment élevée pour permettre un bon fonctionnement de la turbine à combustion.
Le deuxième moyen d’échange de chaleur peut notamment être un échangeur sans contact direct entre les deux fluides de manière à optimiser les flux et le rendement du système.
Selon une configuration préférée de l’invention, le moyen de stockage et de récupération de la chaleur peut comprendre un lit fixe de particules de stockage de la chaleur. De ce fait, le moyen de stockage et de récupération de la chaleur peut être un réservoir comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur. Dans un étage de compression, on peut alors faire circuler le gaz comprimé qui va arriver chaud dans le réservoir, le gaz comprimé chaud va se refroidir au contact direct des particules de stockage de la chaleur, qui elles vont se réchauffer. Ainsi, le gaz comprimé ressort refroidi et la chaleur est stockée dans les particules de stockage de la chaleur qui peuvent comprendre des matériaux à changement de phase, des pierres, des graviers ou du béton. Dans un étage de détente, on peut alors faire circuler le gaz comprimé qui va arriver froid dans le réservoir, le gaz comprimé froid va se réchauffer au contact des particules de stockage de la chaleur qui ont stocké la chaleur de la compression, les particules de stockage de la chaleur se refroidissant alors. Ainsi, le gaz comprimé ressort réchauffé et la chaleur stockée dans les particules de stockage est transmise par contact direct au gaz. Cette configuration est particulièrement avantageuse car elle évite toute circulation de particules de stockage qui entraîne des pertes de charge importantes et peut nécessiter une pompe spécifique et des pertes calorifiques. De plus, elle évite aussi tout échangeur de chaleur à contact direct ou indirect qui nécessite un autre fluide calorifique pour conduire la chaleur et au moins un réservoir supplémentaire pour stocker la chaleur accumulée.
De préférence, la ligne de compression peut comprendre autant d’étages de compression que la ligne de détente ne comprend d’étages de détente, chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur d’un étage de compression étant utilisé dans l’étage de détente à la pression correspondante. Par « pression correspondante », on n’entend pas une pression absolue mais celle de l’étage concernée. En d’autres termes, le nombre d’étages de compression et le nombre d’étages de détente peuvent être identiques. Cette réalisation permet une conception « symétrique » des lignes de compression et de détente, avec notamment des pressions et des températures de fonctionnement similaires, ce qui favorise les échanges de chaleur dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur. Ainsi, le système et le procédé sont simplifiés.
Par exemple, lorsque la ligne de compression et la ligne de détente comprennent chacune trois étages, le premier étage de compression est un étage dit « basse pression », le deuxième étage de compression est un étage dit « moyenne pression », et le dernier étage est un étage dit « haute pression ». La ligne de détente comprend alors un premier étage de détente « haute pression », un deuxième étage de détente « moyenne pression » et un troisième étage de détente « basse pression ». Les terminologies « haute pression », « moyenne pression » et « basse pression » s’entendent relativement entre les différents étages de la ligne de compression et de la ligne de détente. Ainsi, le moyen de stockage et de récupération de chaleur utilisé pour le troisième étage de compression (« haute pression ») est utilisé pour réchauffer le gaz comprimé du premier étage de détente (« haute pression »). Le moyen de stockage et de récupération de chaleur utilisé pour le deuxième étage de compression (« moyenne pression ») est utilisé pour réchauffer le gaz comprimé du deuxième étage de détente (« moyenne pression ») et le moyen de stockage et de récupération de chaleur utilisé pour le premier étage de compression (« basse pression ») est utilisé pour réchauffer le gaz comprimé du troisième étage de détente (« basse pression »). Cette configuration est avantageuse car la pression et la température de chaque étage de compression correspond sensiblement à la pression et à la température de chaque étage de détente, ce qui permet encore d’améliorer les performances du système.
De manière avantageuse, la ligne de détente et la ligne de compression peuvent comprendre chacune trois étages. Cette configuration permet d’améliorer les performances de compression et de détente tout en limitant le coût et les pertes de charge induits par l’ajout d’étages supplémentaires.
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, chaque étage de compression peut comprendre un moyen de refroidissement en aval du moyen de stockage et de récupération de chaleur. Le moyen de refroidissement sert à refroidir encore le gaz comprimé avant qu’il n’entre dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage de gaz de manière à améliorer encore la compression du gaz de l’étage suivant et/ou à réduire les contraintes de conception du moyen de stockage de gaz comprimé.
De préférence, le moyen de refroidissement peut comprendre un aéro-réfrigérant. Un aéro-réfrigérant permet de refroidir le gaz comprimé seulement avec l’air extérieur ambiant. De ce fait, il s’agit d’un moyen de refroidissement simple à mettre en œuvre et peu coûteux.
Selon une variante, le moyen de refroidissement peut être un échangeur de chaleur de type tubes/calandres, à plaques et/ou spiralés de manière à échanger de la chaleur entre le gaz comprimé et un fluide caloporteur qui peut être de l’eau, du propane, du butane par exemples. Le moyen de refroidissement est distinct (non commun) du premier moyen d’échange de chaleur, du deuxième moyen d’échange de chaleur et des moyens de stockage et de récupération de la chaleur de manière à améliorer les performances thermiques.
Selon une configuration préférée de l’invention, chaque étage de compression peut comprendre un moyen de séparation pour séparer le gaz comprimé d’une phase liquide avant que le gaz comprimé n’atteigne l’étage de compression suivant ou le moyen de stockage de gaz comprimé. En effet, lorsque la chaleur du gaz comprimé est récupérée dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur ou dans le moyen de refroidissement, le gaz comprimé est refroidi et de fait, de la condensation peut se produire. Cela peut notamment être le cas lorsque le gaz est de l’air prélevé dans le milieu ambiant et de fait peut contenir de la vapeur d’eau. Cette vapeur d’eau peut alors se condenser et la phase liquide produite est susceptible d’engendrer des dommages dans les étages de compression ou au moyen de stockage de gaz comprimé (par de la corrosion par exemple). De plus, chaque étage de compression peut comprendre un moyen de stockage de liquide pour stocker la phase liquide à la pression de l’étage de compression. Ainsi, chaque phase liquide récupérée dans chaque étage de compression peut être stockée à la pression de chaque étage de compression, cette phase pouvant être injectée à la phase de détente à la pression la plus proche correspondante.
De préférence, chaque étage de détente peut comprendre un moyen de mélange pour injecter et mélanger au gaz comprimé la phase liquide sortant d’un des moyens de stockage de liquide des étages de compression, le moyen de mélange étant positionné en amont du premier moyen d’échange de chaleur, du deuxième moyen d’échange de chaleur et/ou du moyen de stockage et de récupération de chaque étage de détente. Ainsi, on peut injecter une phase liquide et réchauffer le mélange gaz/liquide de manière à vaporiser la phase liquide avant chaque moyen de détente. L’ajout de la phase liquide permet d’augmenter la densité du gaz et ainsi d’améliorer les performances du moyen de détente (de la turbine par exemple).
En outre, l’invention concerne également un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :
- En phase de stockage d’énergie :
a) on comprime un gaz dans une ligne de compression comprenant au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant au moins un moyen de compression ; de préférence, on comprime le gaz en plusieurs étapes de manière à ce que chaque compression ait un bon rendement.
b) dans chaque étage de compression, on récupère la chaleur dudit gaz comprimé dans au moins un moyen de stockage et de récupération de la chaleur; cette récupération de la chaleur permet d’améliorer le rendement du stockage d’énergie.
c) on stocke le gaz comprimé refroidi dans au moins un réservoir de stockage de gaz comprimé dans le but de le récupérer lorsque le besoin d’énergie se fera sentir.
- En phase de récupération d’énergie :
d) on fait circuler le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans une ligne de détente d’au moins deux étages de détente successifs, et dans chaque étage de détente, on réchauffe le gaz comprimé en le faisant circuler dans un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur grâce à la chaleur stockée lors de l’étape de compression puis on détend le gaz comprimé réchauffé dans un moyen de détente ; La multiplication des étages (et étapes) de détente permet d’améliorer le rendement global de la ligne de détente. De plus, réchauffer le gaz grâce aux moyens de stockage et de récupération de la chaleur des étages de compression permet d’améliorer le rendement du système et donc ses performances.
De plus, on dérive au moins une partie du gaz détendu sortant du moyen de détente d’un étage de détente ou du moyen de stockage de gaz comprimé pour l’utiliser comme comburant dans une chambre de combustion puis on fait circuler le gaz sortant de la chambre de combustion dans une turbine à gaz pour récupérer de l’énergie, par exemple de l’électricité par une génératrice couplée à la turbine à gaz, et on fait passer les fumées sortantes de la turbine à gaz dans un premier moyen d’échange de chaleur situé sur au moins un étage de détente en aval, dans le sens de circulation du gaz comprimé dans la ligne de détente, pour réchauffer le gaz comprimé avant son passage dans un étage de détente. De manière surprenante, cette dérivation de gaz comprimé pour alimenter une turbine à combustion (comprenant la chambre de combustion et la turbine à gaz) permet d’améliorer le rendement du système même si une partie du gaz comprimé est perdue pour la ligne de détente.
Conformément à un mode de réalisation de l’invention, le gaz peut être de l’air. Il peut s’agir de l’air prélevé dans le milieu ambiant. En variante, il peut comporter d’autres gaz.
Selon un aspect de l’invention, le liquide peut être de l’eau. Il peut s’agir notamment de l’humidité présente dans le gaz, en particulier quand le gaz est de l’air. En variante, il peut comporter d’autres liquides.
De préférence, on peut réaliser autant d’étapes de compression que d’étapes de détente et on peut utiliser le moyen de stockage et de récupération de la chaleur de chacun des étages de compression pour réchauffer le gaz comprimé de l’étage de détente à la pression correspondante. Ainsi, chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur d’un étage de compression est particulièrement adapté pour réchauffer un étage de détente. De ce fait, la récupération de la chaleur dans la ligne de détente est optimisée.
De manière préférée, on peut stocker la chaleur du gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur comprenant des particules de stockage de la chaleur, de préférence, dans chaque moyen de stockage de la chaleur comprenant des particules de stockage de la chaleur. L’utilisation de particules de stockage de la chaleur permet facilement de stocker la chaleur et de la récupérer en évitant l’utilisation d’échangeur de chaleur, d’un fluide permettant de stocker la chaleur et d’au moins un réservoir de stockage du fluide. Ainsi, le système est plus simple et génère moins de pertes de chaleur.
L’utilisation d’un lit fixe de particules de stockage de la chaleur permet d’éviter la circulation de particules de stockage qui génèrent des pertes de charge, une pompe spécifique et qui génèrent des pertes calorifiques.
Selon une variante de l’invention, dans chaque étage de compression, on peut refroidir le gaz comprimé en sortie du moyen de stockage et de récupération de la chaleur dans un moyen de refroidissement avant que le gaz ne soit envoyé dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage de gaz comprimé. Ainsi, la température du gaz comprimé en entrée de l’étage de compression suivant est proche de la température optimale de fonctionnement du moyen de compression de cet étage.
De plus, le moyen de refroidissement est distinct des premier et deuxième moyens d’échange de chaleur et des moyens de stockage et de récupération de la chaleur de manière à optimiser les performances thermiques.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, on peut séparer le gaz comprimé d’une phase liquide qu’il contient dans un moyen de séparation, avant que le gaz comprimé ne soit envoyé dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage du gaz comprimé, le liquide sortant de chaque moyen de séparation étant stocké à la pression dans laquelle il se trouve dans un moyen de stockage de liquide. En effet, lorsque le gaz est de l’air prélevé dans le milieu ambiant, il peut contenir de la vapeur d’eau. Lorsque le gaz comprimé est refroidi, de la condensation peut se produire et peut endommager les moyens de compression suivant ou le moyen de stockage de gaz comprimé. Un moyen de séparation peut alors récupérer la phase liquide de manière à ce que seule une phase gazeuse ne soit envoyée dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage de gaz comprimé. De plus, le liquide sortant de chaque moyen de séparation peut être stocké à la pression dans laquelle il se trouve dans un moyen de stockage de liquide. Ainsi, le liquide peut être réutilisé sur la ligne de détente.
De préférence, dans chaque étage de détente, on peut injecter le liquide stocké de chaque moyen de stockage de liquide, à la pression correspondante à laquelle il est stocké, en amont des premiers et/ou deuxièmes moyens d’échange de chaleur et des moyens de stockage et de récupération de chaleur. Ainsi, le débit du gaz passant dans le moyen de détente est augmenté, ce qui permet d’augmenter les capacités de récupération d’énergie de la phase de détente. De plus, chaque moyen de stockage de liquide étant à une pression et à une température déterminées, chaque étage de détente peut avantageusement utiliser l’un des moyens de stockage de liquide d’un étage de compression.
La illustre, de manière schématique et non limitative, un premier mode de réalisation du système selon l’invention.
Sur cette figure, le système de stockage et de récupération d’énergie comprend une ligne de compression 1 et une ligne de détente 2 ainsi qu’un réservoir de stockage de gaz comprimé 500.
La ligne de compression 1 comprend deux étages de compression successifs 3, chaque étage de compression 3 comprenant un moyen de compression 100, 101, un compresseur par exemple, et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201. Ainsi, le premier étage de compression comprend un compresseur 100 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 et le deuxième étage de compression comprend un compresseur 101 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201.
Les moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200 et 201 sont des réservoirs de stockage comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur. Ainsi, le gaz qui sort comprimé et chaud des compresseurs 100 ou 101 traversent respectivement les réservoirs de stockage de particules de stockage de la chaleur 200 et 201 où la chaleur du gaz comprimé est transmise par contact direct aux particules de stockage de la chaleur. Ainsi, le gaz qui ressort des réservoirs de stockage des particules de stockage de la chaleur 200 et 201 est plus froid qu’il n’y ait entré et les particules de stockage de la chaleur ont récupéré la chaleur de compression. En sortie du deuxième étage de compression, le gaz est stocké dans le réservoir de stockage de gaz comprimé 500 (appelé également moyen de stockage de gaz comprimé).
Lorsque l’on veut récupérer la chaleur stockée à la phase de compression, le gaz comprimé du réservoir de stockage de gaz comprimé 500 est envoyé dans la ligne de détente 2.
La ligne de détente 2 comprend deux étages de détente successifs 4. Chaque étage de détente 4 comprend au moins un moyen de détente 300, 301 (une turbine par exemple) et le passage dans un réservoir de stockage de particules de stockage de chaleur 200, 201 utilisé dans les étages de compression 3. De plus, le premier étage de détente comprend un premier moyen d’échange de chaleur 420, ici un échangeur à plaques.
Le gaz comprimé sortant du réservoir de stockage de gaz comprimé 500 passe dans le réservoir de stockage de particules de stockage de chaleur 201 où il est réchauffé, puis dans un moyen de détente 300 comme une turbine où l’énergie peut être récupérée. La turbine peut être couplée à une génératrice pour produire de l’électricité. Selon une variante, la turbine peut entraîner des équipements mécaniques par exemple par une courroie, une chaîne ou un système de transmission.
Le gaz sortant du moyen de détente 300 est scindé en deux flux. Un premier flux est dirigé vers une chambre de combustion 400 dans laquelle, le gaz comprimé est mélangé à un carburant pour produire une combustion au sein de la chambre de combustion 400. Les gaz chauds (fumées chaudes notamment) sortant de la chambre de combustion 400 sont envoyées vers une turbine à gaz 410 où de l’énergie supplémentaire est récupérée (par exemple en couplant la turbine à gaz 410 à une génératrice électrique pour produire de l’électricité) puis en sortie de la turbine à gaz 410, les gaz chauds (fumées chaudes notamment) sont envoyés dans un premier échangeur de chaleur 420 pour réchauffer le deuxième flux de gaz comprimé sortant de la turbine 300 et entrant dans le deuxième étage de détente. Le gaz comprimé ressortant plus chaud du premier moyen d’échange de chaleur 420 est ensuite réchauffé une nouvelle fois dans le réservoir de stockage des particules de stockage de la chaleur 200 avant de passer dans le moyen de détente 301 du deuxième étage de détente. De manière surprenante, la dérivation du flux de gaz comprimé sortant de la turbine 300 vers la turbine à combustion permet d’augmenter le rendement du système même si la quantité de gaz passant dans le deuxième étage de détente est réduite.
La illustre, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Sur cette figure, les éléments de même référence que la correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas décrits plus en détails.
La se distingue de la par l’ajout d’un deuxième moyen d’échange de chaleur 430 qui permet de réchauffer les gaz sortant du moyen de stockage de gaz comprimé 500 à partir du gaz comprimé sortant de la turbine 300 du premier étage de détente. Le deuxième moyen d’échange de chaleur 430 peut notamment être un échangeur de chaleur à contact indirect tel qu’un échangeur de chaleur type tubes/calandres, un échangeur spiralé ou un échangeur à plaques.
La scission en deux flux P1 et P2, le premier flux P1 étant dirigé vers le deuxième étage de détente et le deuxième flux P2 étant dirigé vers la chambre de combustion 400 puis vers la turbine à gaz 410, est alors située après le deuxième moyen d’échange de chaleur 430 de manière à bénéficier de la pression du gaz comprimé sortant du premier étage de détente.
La illustre, de manière schématique et non limitative, un troisième mode de réalisation de l’invention.
Sur cette figure, les éléments de même référence que la correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas décrits plus en détails.
La se distingue de la par l’ajout d’un troisième étage de compression 3 et d’un troisième étage de détente.
Ainsi, dans la ligne de compression 1, le gaz comprimé sortant du réservoir de stockage des particules de stockage de la chaleur 201 entre dans un troisième étage de compression où il traverse un compresseur 102 puis un réservoir de stockage des particules de stockage de la chaleur 202 afin que le gaz comprimé ne soit stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé 500.
La ligne de détente 2 comprend un troisième étage de détente 4 : en sortant de la turbine 301, le gaz comprimé traverse alors le réservoir de stockage des particules de stockage de la chaleur 200 où il est réchauffé avant de traverser la turbine 302 où l’énergie peut être récupérée.
La ligne de compression 1 comprend ainsi trois étages de compression successifs 3, chaque étage de compression 3 comprenant un moyen de compression 100, 101, 102 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201, 202. Ainsi, le premier étage de compression comprend un compresseur 100 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 ; le deuxième étage de compression comprend un compresseur 101 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 ; le troisième étage de compression comprend un compresseur 102 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202.
Les moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 et 202 sont des réservoirs de stockage de particules de stockage de la chaleur. Ainsi, le gaz qui sort comprimé et chaud des compresseurs 100, 101 ou 102 traversent respectivement les réservoirs de stockage de particules de stockage de la chaleur 200, 201 et 202 où la chaleur du gaz comprimé est transmise par contact direct au lit fixe des particules de stockage de la chaleur. Ainsi, le gaz qui ressort des réservoirs de stockage des particules de stockage de la chaleur 200, 201 et 202 est plus froid qu’il n’y ait entré et les particules de stockage de la chaleur ont récupéré la chaleur. En sortie du troisième étage de compression, le gaz est stocké dans le réservoir de stockage de gaz comprimé 500.
Lorsqu’un besoin d’énergie se fait sentir, le gaz comprimé du réservoir de stockage de gaz comprimé 500 est envoyé dans la ligne de détente.
La ligne de détente 2 comprend trois étages de détente successifs 4. Chaque étage de détente 4 comprend au moins un moyen de détente 300, 301, 302 et le passage dans un réservoir de stockage de particules de stockage de chaleur utilisé dans les étages de compression.
De manière similaire à la , le gaz comprimé sortant de la turbine 300 du premier étage de détente est scindé en deux flux, l’un allant vers une chambre de combustion 400 puis vers une turbine à gaz 410 pour récupérer de l’énergie et le gaz chaud sortant de la turbine à gaz 410 est envoyé vers un premier moyen d’échange de chaleur 420 pour réchauffer l’autre flux de gaz comprimé avant qu’il ne soit envoyé dans le deuxième étage de compression et plus particulièrement avant le réservoir de stockage des particules de stockage de la chaleur 201.
La illustre, de manière schématique et non limitative, un quatrième mode de réalisation de l’invention. Les éléments de même référence que sur les schémas précédents correspondent aux mêmes éléments et ne seront donc pas décrits en détails ici.
Le système de la comprend une ligne de compression 1 avec trois étages de compression 3 en série. Chacun de ces étages de compression comprend un moyen de compression 100, 101, 102 tel qu’un compresseur ou une pompe, suivi d’un moyen de stockage et de récupération de chaleur 200, 201 et 202 comprenant un lit fixe de particules de stockage de chaleur tel que des pierres, des graviers ou des billes de béton qui peuvent facilement stocker la chaleur à un moindre coût. Les particules de stockage de la chaleur peuvent aussi comprendre des matériaux à changement de phase. Par ailleurs, dans chaque étage de compression 3, le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 et 202 est suivi d’un moyen de refroidissement 600, 601, 602 de manière à encore refroidir le gaz avant son entrée dans l’étage de compression suivant ou avant le moyen de stockage du gaz comprimé 500. Ici, chacun des moyens de refroidissement comprend un aéro-réfrigérant qui permet de refroidir aisément le gaz comprimé à partir de l’air ambiant de manière simple et peu onéreuse.
En outre, chaque étage de compression 3 comprend un séparateur S1, S2 et S3 après chaque moyen de refroidissement 600, 601 et 602. En effet, lorsque le gaz est de l’air prélevé dans le milieu ambiant, il comprend généralement de la vapeur d’eau qui peut se condenser. Or, le refroidissement de l’air comprimé dans les moyens de stockage et de récupération de chaleur 200, 201 et 202 puis dans les moyens de refroidissement 600, 601 et 602 entraîne un risque de condensation de l’eau contenue dans l’air comprimé entré dans la ligne de compression 1. Cette condensation peut endommager les équipements, notamment les moyens de compression 100, 101, 102 et les moyens de stockage de gaz comprimé 500. Utiliser un séparateur S1, S2 et S3 permet de protéger chaque équipement sensible des risques de présence d’eau et donc d’augmenter la durée de vie de ces équipements.
De plus, chaque séparateur S1, S2, S3 est connecté respectivement à un moyen de stockage de liquide 700, 701 et 702, ces moyens de stockage de liquide pouvant être des réservoirs de stockage de liquide adaptés à la pression et à la température du liquide sortant de chaque séparateur S1, S2 et S3. Ainsi, le liquide de chaque séparateur est stocké à une pression différente, ce qui ne serait pas le cas si le liquide était envoyé vers un seul réservoir de liquide commun à tous les séparateurs.
En sortie de la ligne de compression 1, le gaz comprimé (de l’air comprimé par exemple) est stocké dans un réservoir de stockage de gaz comprimé 500.
En phase de récupération d’énergie, l’air comprimé stocké dans le réservoir de stockage de gaz comprimé 500 est envoyé dans la ligne de détente 2 qui comprend trois étages de détente 4.
Chaque étage de détente 4 comprend un moyen de mélange M1, M2 ou M3, un moyen de stockage et de récupération de chaleur 200, 201, 202, et un moyen de détente 302, 301, 300. Dans chaque étage de détente, le liquide stocké dans un des réservoirs de stockage de liquide 700, 701, 702 arrive à un moyen de mélange M1, M2, M3 pour être mélangé au gaz comprimé entrant dans l’étage de détente considéré. Une fois que le liquide est mélangé au gaz comprimé, le mélange gaz/liquide est alors réchauffé grâce au moyen de stockage et de récupération de chaleur 200, 201, 202. Les moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 et 202 de la ligne de détente sont ceux utilisés avec les mêmes références dans la ligne de compression 1. Réchauffer le mélange permet notamment de vaporiser la phase liquide du mélange avant chaque moyen de détente 300,301 et 302 de manière à éviter tout endommagement des moyens de détente 300, 301 et 302. Une fois réchauffé, le mélange gaz/liquide vaporisé traverse alors le moyen de détente 300, 301 ou 302 permettant la récupération d’énergie.
Par ailleurs, en sortie du premier étage de détente, le gaz comprimé est suffisamment chaud pour pouvoir réchauffer le gaz comprimé sortant du réservoir de stockage de gaz comprimé 500. De ce fait, le gaz comprimé sortant du premier moyen de détente 300 est dirigé vers un deuxième moyen d’échange de chaleur 430 positionné entre le moyen de mélange M3 et le moyen de stockage et de récupération de chaleur 202. Le gaz sortant plus froid de ce deuxième moyen d’échange de chaleur 430 est ensuite scindé en deux flux, un premier flux est envoyé dans le deuxième étage de détente. Il va alors traverser le mélangeur M2 pour être mélangé à une phase liquide, avant d’être réchauffé et de passer dans la turbine 301 du deuxième étage de détente. Le deuxième flux est dirigé vers une chambre de combustion 400 où le gaz comprimé est mélangé à un carburant pour produire une combustion. Le gaz chaud sortant de la chambre de combustion 400 est alors envoyé vers une turbine à gaz 410 pour récupérer une énergie supplémentaire, par exemple en couplant la turbine à gaz 410 à une génératrice électrique (non représentée). Le gaz ressortant de la turbine à gaz 410 est chaud et est alors envoyé dans un premier moyen d’échange de chaleur 420 pour réchauffer le gaz comprimé traversant le deuxième étage de compression, entre le mélangeur M2 et le réservoir de stockage des particules de stockage de la chaleur 201.
Il convient de noter que ce mode de réalisation comporte avantageusement autant d’étages de compression que d’étages de détente. Les moyens de compression 100, 101 et 102 peuvent être qualifiés respectivement de moyens de compression « basse pression », « moyenne pression » et « haute pression ». Les moyens de détente 302, 301 et 300 peuvent être qualifiés respectivement de moyens de détente « basse pression », « moyenne pression » et « haute pression ». De la même manière, les premier, deuxième et troisième étages de compression peuvent être qualifiés respectivement d’étages de compression « basse pression », « moyenne pression » et « haute pression », la pression étant plus faible dans le premier étage de compression que dans le deuxième étage de compression et la pression étant plus faible dans le deuxième étage de compression que dans le troisième étage de compression. Les premier, deuxième et troisième étages de détente peuvent être qualifiés respectivement d’étages de détente « haute pression », « moyenne pression » et « basse pression », la pression étant plus faible dans le deuxième étage de détente que dans le premier étage de détente et la pression étant plus faible dans le troisième étage de détente que dans le deuxième étage de détente. De plus, la pression de chaque étage de compression (haute pression, moyenne pression et basse pression) est sensiblement la même que celle dans l’étage de détente correspondant. Ainsi, l’utilisation du moyen de stockage et de récupération de chaleur de chaque étage de compression haute pression, moyenne pression et basse pression est avantageusement utilisé sur l’étage de détente correspondant, les pressions et températures étant proches et permettant ainsi une optimisation du stockage et de la récupération de chaleur par les particules de stockage de la chaleur.
De manière similaire, le liquide sortant de chaque moyen de stockage de liquide sortant du séparateur d’un étage de compression « basse pression », « moyenne pression » et « haute pression » est réinjecté dans l’étage de détente correspondant, permettant ainsi d’améliorer les performances du système.
La illustre, de manière schématique et non limitative un sixième mode de réalisation de l’invention, qui est une variante du mode de réalisation de la .
Les références identiques à celles de la correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas décrits plus en détails ici.
La diffère de la en ce que la dérivation du gaz comprimé en sortie de la turbine 300 du premier étage de détente a lieu juste après la turbine 300, plus précisément entre la turbine 300 et le mélangeur M2 du deuxième étage de détente, sans que l’air sortant de la turbine passe dans un deuxième moyen d’échange de chaleur pour réchauffer le gaz comprimé entrant dans le premier étage de détente. Cette solution permet d’éviter l’utilisation d’un deuxième moyen d’échange de la chaleur tout en obtenant de bonnes performances de récupération d’énergie. Cette solution offre donc un bon compromis.
Bien entendu, les modes de réalisation représentés sur les différentes figures peuvent comprendre plus ou moins d’étages de compression ou d’étages de détente sans sortir du cadre de l’invention. De la même manière, sur ces différentes figures, il est possible d’ajouter ou de retirer des moyens de refroidissement, des moyens de séparations, des moyens de mélange et/ou des moyens de stockage de liquide.
Exemples
Le système et le procédé du mode de réalisation de la (conforme à l’invention) de l’invention a été comparé au système et au procédé de l’art antérieur de la . La se distingue de la par l’ajout d’une turbine à gaz sur la ligne de détente.
Sur la , les références correspondant aux références des figures 1 à 5 correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas redétaillés. La se distingue de la par le fait que le fluide sortant des séparateurs S1, S2 et S3 n’est pas réinjecté et mélangé dans la phase de détente. Ainsi, la n’a pas de moyen de mélange.
Sur la de l’art antérieur, pendant la phase de compression 1, un flux d’air extérieur, à une pression de 1.02 bar (0.102 MPa) et une température de 27°C et possédant une humidité de 14.6 gramme d’eau par kilogramme d’air, est comprimé par un compresseur basse pression 100 d’où il sort à une température de 255°C et une pression de 6 bar (0.6 MPa). Ce flux est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression 200 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 90°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le flux de gaz comprimé est refroidi une nouvelle fois par le moyen de refroidissement 600 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le flux est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement en 200 et/ou 600. Cette eau condensée est séparée de la ligne de compression 1 dans un séparateur gaz-liquide S1 opérant à la pression du flux du premier étage de compression 3. Le flux, de nouveau totalement gazeux, est comprimé par un compresseur moyenne pression 101 d’où il ressort 16 à une température de 275°C et une pression de 28 bar (2.8 MPa). Le gaz comprimé est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression 201 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 100°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le gaz comprimé est refroidi une nouvelle fois par un moyen de refroidissement 601 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le flux est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement en 201 et/ou 601. Cette eau condensée est séparée de la ligne de compression 1 dans un séparateur gaz-liquide S2 opérant à la pression du flux dans le deuxième étage de compression 3. Le flux sortant du séparateur S2, de nouveau totalement gazeux, est comprimé par un compresseur haute pression 102 d’où il ressort à une température de 250°C et une pression de 117 bar (11.7 MPa). Le gaz comprimé est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression 202 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 45°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le gaz comprimé est refroidi une nouvelle fois par un moyen de refroidissement 602 jusqu’à atteindre une température de 30°C en sortie, 30°C étant la température de stockage de l’air. Le flux est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement en 202 et/ou 602. Cette eau condensée est séparée de la ligne de compression 1 dans un séparateur gaz-liquide S3 opérant à la pression du flux.
Le flux d’air comprimé à une pression de 117 bar (11.7 MPa) et une température de 30°C est alors envoyé vers le moyen de stockage d’air comprimé 500 en attendant la phase de récupération de l’énergie 2.
Lorsque l’on veut produire de l’électricité, le flux d’air comprimé à une pression de 117 bar (11.7 MPa) et une température de 30°C, sortant du moyen de stockage d’air comprimé 500 est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression 202 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux atteigne une température de 240°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine haute pression 300 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 28 bar (2.8 MPa) et une température de 85°C. Le gaz comprimé est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression 201 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux atteigne une température de 265°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine moyenne pression 301 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 5 bar (0.5 MPa) et une température de 75°C. Le flux est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression 200 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux atteigne une température de 245°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine basse pression 302 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 1.02 bar (0.102 MPa) et une température de 80°C.
Le rendement du procédé de stockage d’énergie de la (non conforme à l’invention) est de 69.6% pour une puissance consommée de 100 MW aux compresseurs. Le débit total d’eau condensée aux trois étages de compression est de 7.5 t/h.
Sur la , pendant la phase de compression 1, un flux d’air extérieur, à une pression de 1.02 bar et une température de 27°C et possédant une humidité de 14.6 gramme d’eau par kilogramme d’air est comprimé par un compresseur basse pression 100 d’où il sort à une température de 255°C et une pression de 6 bar. Ce flux est ensuite envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de chaleur 200 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 115°C et stocke cette chaleur jusqu’à la phase de détente 2 grâce à un lit fixe de particules de stockage de la chaleur. Le flux en ressortant est refroidi par l’aéro-réfrigérant 600 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le fluide comprimé est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur 200 et/ou dans l’aéro-réfrigérant 600. L’eau condensée est séparée du fluide comprimé dans un séparateur gaz-liquide S1 et sortie du la ligne de compression 1. Le fluide ressortant du séparateur S1, de nouveau totalement gazeux, traverse alors un deuxième étage de compression 3. Il est comprimé par un compresseur moyenne pression 101 d’où il ressort à une température de 275°C et une pression de 28 bar. Le gaz comprimé est ensuite envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 190°C et stocke cette chaleur jusqu’à la phase de détente 2. Le flux en ressortant est refroidi par l’aéro-réfrigérant 601 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le fluide ressortant de l’aéro-réfrigérant est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant la phase de refroidissement dans le moyen de stockage de la chaleur 201 ou dans l’aéro-réfrigérant 601. Cette eau condensée est séparée du fluide comprimé dans un séparateur gaz-liquide S2 et sortie de la ligne de compression 1. Le fluide comprimé ressortant du séparateur S2 est alors de nouveau totalement gazeux. Il entre dans le troisième étage de compression 3 où il est comprimé par un compresseur haute pression 102 d’où il ressort à une température de 250°C et une pression de 117 bar. Le gaz comprimé est alors envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 45°C et stocke cette chaleur dans un lit de particules de stockage de la chaleur jusqu’à la phase de détente 2. Puis le fluide est refroidi une nouvelle fois par un aéro-réfrigérant 602 jusqu’à atteindre une température de 30°C en sortie, 30°C étant la température de stockage de l’air dans le moyen de stockage de gaz comprimé 500. Le fluide sortant de l’aéro-réfrigérant est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 et/ou dans l’aéro-réfrigérant 602. Cette eau condensée est séparée du gaz comprimé dans un séparateur gaz-liquide S3 et sortie de la ligne de compression 1.
L’air comprimé à une pression de 117 bar et une température de 30°C est alors envoyé vers le moyen de stockage de gaz comprimé 500 en attendant la phase de détente 2.
Lorsque l’on veut produire de l’électricité, un flux d’air provenant du moyen de stockage d’air à une pression de 117 bar et une température de 30°C est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur haute pression 202 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 240°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine haute pression 300 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 28 bar et une température de 85°C. L’air ressortant de la turbine haute pression 300 est alors divisé en deux flux. Un premier flux représente 15% du gaz comprimé refroidi sortant de la turbine haute pression 300 et un deuxième flux représentant la partie restante, soit 85% du gaz comprimé refroidi sortant de la turbine haute pression 300. Le deuxième flux est envoyé dans un deuxième étage de détente 4 en entrant dans un échangeur de chaleur 420 pour atteindre une température de 160°C en sortie. Une fois réchauffé à 160°C, cet air est ensuite réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 265°C. L’air ainsi chauffé, est détendu dans la turbine moyenne pression 301 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 5 bar et une température de 75°C. L’air sortant de la turbine moyenne pression 301 est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 qui libère la chaleur stockée dans le lit fixe de particules de stockage de la chaleur durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 245°C. L’air ainsi chauffé, est détendu dans la turbine basse pression 302 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 1.02 bar et une température de 80°C.
De plus, le premier flux dérivé du flux sortant de la turbine haute pression 300, est envoyé dans la chambre de combustion 400 afin d’y servir de comburant pour brûler un combustible, considéré ici comme du gaz naturel. Cette combustion permet d’atteindre en sortie de la chambre de combustion 400 des fumées à une pression de 28 bar et une température de 1200°C. Ces fumées sont détendues dans une turbine à gaz 410 produisant de l’électricité via un alternateur. Une fois détendues, les fumées sont envoyées au premier échangeur de chaleur 420 afin de réchauffer le deuxième flux d’air. Les fumées, en sortie du premier échangeur 420 sont à une température de 120°C et à pression atmosphérique.
Ainsi, le rendement du procédé et du système de stockage d’énergie de la est de 80.6% pour une puissance consommée de 100.0 MW en phase de compression alors que le rendement de la est de 69.6%, ce qui représente un gain de 11%. Le débit total d’eau condensée aux trois étages de compression est de 7.5 t/h. La puissance de stockage thermique est de 75.7 MW et la puissance de refroidissement nécessaire est de 37.8 MW.
Le système et le procédé du mode de réalisation de la (conforme à l’invention) a été comparé au système de l’art antérieur de la (déjà décrite) et à celui de la (déjà décrite). La se distingue de la par l’ajout d’une boucle de récupération supplémentaire de chaleur. Les références utilisées sur la correspondant aux références des figures 1 à 5 et 8 correspondent aux mêmes éléments et ne seront redétaillées.
Sur la , pendant la phase de compression 1, un flux d’air extérieur, à une pression de 1.02 bar et une température de 27°C et possédant une humidité de 14.6 gramme d’eau par kilogramme d’air est comprimé par un compresseur basse pression 100 d’où il sort à une température de 255°C et une pression de 6 bar. Ce flux est ensuite envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de chaleur 200 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 115°C et stocke cette chaleur jusqu’à la phase de détente 2 grâce à un lit fixe de particules de stockage de la chaleur. Le flux en ressortant est refroidi par l’aéro-réfrigérant 600 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le fluide comprimé est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur 200 et/ou dans l’aéro-réfrigérant 600. L’eau condensée est séparée du fluide comprimé dans un séparateur gaz-liquide S1 et sortie du la ligne de compression 1. Le fluide ressortant du séparateur S1, de nouveau totalement gazeux, traverse alors un deuxième étage de compression 3. Il est comprimé par un compresseur moyenne pression 101 d’où il ressort à une température de 275°C et une pression de 28 bar. Le gaz comprimé est ensuite envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 140°C et stocke cette chaleur jusqu’à la phase de détente 2. Le flux en ressortant est refroidi par l’aéro-réfrigérant 601 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le fluide ressortant de l’aéro-réfrigérant 601 est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant la phase de refroidissement dans le moyen de stockage de la chaleur 201 ou dans l’aéro-réfrigérant 601. Cette eau condensée est séparée du fluide comprimé dans un séparateur gaz-liquide S2 et sortie du la ligne de compression 1. Le fluide comprimé ressortant du séparateur S2 est alors de nouveau totalement gazeux. Il entre dans le troisième étage de compression 3 où il est comprimé par un compresseur haute pression 102 d’où il ressort à une température de 250°C et une pression de 117 bar. Le gaz comprimé est alors envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 85°C et stocke cette chaleur dans un lit de particules de stockage de la chaleur jusqu’à la phase de détente 2. Puis le fluide est refroidi une nouvelle fois par un aéro-réfrigérant 602 jusqu’à atteindre une température de 30°C en sortie, 30°C étant la température de stockage de l’air dans le moyen de stockage de gaz comprimé 500. Le fluide sortant de l’aéro-réfrigérant est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 et/ou dans l’aéro-réfrigérant 602. Cette eau condensée est séparée du gaz comprimé dans un séparateur gaz-liquide S3 et sortie de la ligne de compression 1.
L’air comprimé à une pression de 117 bar et une température de 30°C est alors envoyé vers le moyen de stockage de gaz comprimé 500 en attendant la phase de détente 2.
Lorsque l’on veut produire de l’électricité, un flux d’air provenant du moyen de stockage d’air à une pression de 117 bar et une température de 30°C est préchauffé dans un deuxième échangeur de chaleur 430 afin d’atteindre en sortie une température de 75°C. Puis, il est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur haute pression 202 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 240°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine haute pression 300 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 28 bar et une température de 85°C. L’air ressortant de la turbine haute pression 300 est alors utilisé dans le deuxième échangeur de chaleur 430 pour préchauffer l’air entrant dans le premier étage de détente 4. L’air qui entre chaud dans le deuxième échangeur de chaleur 430 et cédant sa chaleur à l’air comprimé entrant dans le premier étage de détente 4 sort du deuxième échangeur de chaleur 430 à une température de 35°C.
Le gaz comprimé refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur 430 est alors divisé en deux flux. Un premier flux représente 15% du gaz comprimé refroidi sortant du deuxième échangeur de chaleur 430 et un deuxième flux représentant la partie restante, soit 85% du gaz comprimé refroidi sortant du deuxième échangeur de chaleur 430. Le deuxième flux est envoyé dans un premier échangeur de chaleur 420 pour atteindre une température de 100°C en sortie. Une fois réchauffé à 100°C, le mélange est ensuite réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 265°C. L’air ainsi chauffé, est détendu dans la turbine moyenne pression 301 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 5 bar et une température de 75°C. L’air sortant de la turbine moyenne pression 301 est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 qui libère la chaleur stockée dans le lit fixe de particules de stockage de la chaleur durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 245°C. L’air ainsi chauffé, est détendu dans la turbine basse pression 302 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 1.02 bar et une température de 80°C.
De plus, le premier flux dérivé du flux sortant du deuxième échangeur de chaleur 430, est envoyé dans la chambre de combustion 400 afin d’y servir de comburant pour brûler un combustible, considéré ici comme du gaz naturel. Cette combustion permet d’atteindre en sortie de la chambre de combustion 400 des fumées à une pression de 28 bar et une température de 1200°C. Ces fumées sont détendues dans une turbine à gaz 410 produisant de l’électricité via un alternateur. Une fois détendues, les fumées sont envoyées au premier échangeur de chaleur 420 afin de réchauffer le deuxième flux d’air. Les fumées, en sortie du premier échangeur 420 sont à une température de 120°C et à pression atmosphérique.
Ainsi, le rendement du procédé et du système de stockage d’énergie de la est de 79.7% pour une puissance consommée de 100.0 MW en phase de compression, ce qui représente un gain de 10% par rapport à la . Le débit total d’eau condensée aux trois étages de compression est de 7.5 t/h. La puissance de stockage thermique est de 75.7 MW et la puissance de refroidissement nécessaire est de 38 MW. Par ailleurs, comparé à la , le système de la permet de réduire la taille du moyen de stockage et de récupération de chaleur 202 qui est celui soumis à la plus haute pression.
Le système et le procédé du mode de réalisation de la (conforme à l’invention) ont été comparés au système de l’art antérieur de la , ainsi qu’à la (selon l’invention). La se distingue de la par la réinjection de l’eau sortant des séparateurs dans la ligne de détente.
Sur la , pendant la phase de compression 1, un flux d’air extérieur, à une pression de 1.02 bar et une température de 27°C et possédant une humidité de 14.6 gramme d’eau par kilogramme d’air est comprimé par un compresseur basse pression 100 d’où il sort à une température de 255°C et une pression de 6 bar. Ce flux est ensuite envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de chaleur 200 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 110°C et stocke cette chaleur jusqu’à la phase de détente 2 grâce à un lit fixe de particules de stockage de la chaleur. Le flux en ressortant est refroidit par l’aéro-réfrigérant 600 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le fluide comprimé est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur 200 et/ou dans l’aéro-réfrigérant 600. L’eau condensée est séparée du fluide comprimé dans un séparateur gaz-liquide S1, opérant à la pression du premier étage de compression, puis elle est envoyée vers un moyen de stockage de liquide 700, tel qu’un réservoir, sous une pression maintenue de 6 bar. Le fluide ressortant du séparateur S1, de nouveau totalement gazeux, traverse alors un deuxième étage de compression. Il est comprimé par un compresseur moyenne pression 101 d’où il ressort à une température de 275°C et une pression de 28 bar. Le gaz comprimé est ensuite envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 105°C et stocke cette chaleur jusqu’à la phase de détente 2. Le flux en ressortant peut être refroidi par l’aéro-réfrigérant 601 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le fluide ressortant de l’aéro-réfrigérant est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant la phase de refroidissement dans le moyen de stockage de la chaleur 201 ou dans l’aéro-réfrigérant 601. Cette eau condensée est séparée du fluide comprimé dans un séparateur gaz-liquide S2, opérant à la pression du deuxième étage de compression, puis envoyée vers un moyen de stockage de liquide 701 sous une pression maintenue de 28 bar. Le fluide comprimé ressortant du séparateur S2 est alors de nouveau totalement gazeux. Il entre dans le troisième étage de compression où il est comprimé par un compresseur haute pression 102 d’où il ressort à une température de 245°C et une pression de 117 bar. Le gaz comprimé est alors envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 75°C et stocke cette chaleur dans un lit de particules de stockage de la chaleur jusqu’à la phase de détente 2. Puis le fluide est refroidi une nouvelle fois par un aéro-réfrigérant 602 jusqu’à atteindre une température de 30°C en sortie, 30°C étant la température de stockage de l’air dans le moyen de stockage de gaz comprimé 500. Le fluide sortant de l’aéro-réfrigérant est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 et/ou dans l’aéro-réfrigérant 602. Cette eau condensée est séparée du gaz comprimé dans un séparateur gaz-liquide S3, opérant à la pression du troisième étage de détente, puis envoyée vers un moyen de stockage de liquide 702 sous une pression maintenue de 117 bar, correspondant à la pression du troisième étage de détente.
L’air comprimé à une pression de 117 bar et une température de 30°C est alors envoyé vers le moyen de stockage de gaz comprimé 500 en attendant la phase de détente 2.
Lorsque l’on veut produire de l’électricité, un flux d’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide 702 à une pression de 117 bar et une température de 30°C est réinjecté dans le flux d’air comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé 500 via le mélangeur M3. Le mélange ainsi constitué est préchauffé dans un deuxième échangeur de chaleur 430 afin d’atteindre en sortie une température de 70°C. Puis, il est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur haute pression 202 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 235°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine haute pression 300 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 28 bar et une température de 80°C. L’air ressortant de la turbine haute pression 300 est alors utilisé dans le deuxième échangeur de chaleur 430 pour préchauffer l’air entrant dans le premier étage de détente. L’air qui entre chaud dans le deuxième échangeur de chaleur et cédant sa chaleur à l’air comprimé entrant dans le premier étage de détente sort du deuxième échangeur de chaleur 430 à une température de 35°C.
Le gaz comprimé refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur 430 est alors divisé en deux flux. Un premier flux représente 15% du gaz comprimé refroidi sortant du deuxième échangeur de chaleur 430 et un deuxième flux représentant la partie restante, soit 85% du gaz comprimé refroidi sortant du deuxième échangeur de chaleur 430. De l’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide 701 à une pression de 28 bar et une température de 50°C est réinjecté et mélangé au deuxième flux via le mélangeur M2. Le mélange ainsi constitué est envoyé dans un premier échangeur de chaleur 420 pour atteindre une température de 80°C en sortie. Une fois réchauffé, le mélange est ensuite réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 265°C. Ce mélange, alors gazeux, est détendu dans la turbine moyenne pression 301 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 5 bar et une température de 75°C. De l’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide 700 à une pression de 6 bar et une température de 50°C est réinjecté et mélange au fluide sortant de la turbine moyenne pression 301 via le mélangeur M1. Le mélange est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 qui libère la chaleur stockée dans le lit fixe de particules de stockage de la chaleur durant la phase de compression jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 245°C. Ce mélange, sous forme gazeuse, est détendu dans la turbine basse pression 302 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 1.02 bar et une température de 80°C.
De plus, le premier flux dérivé du flux sortant du deuxième échangeur de chaleur 430, est envoyé dans la chambre de combustion 400 afin d’y servir de comburant pour brûler un combustible, considéré ici comme du gaz naturel. Cette combustion permet d’atteindre en sortir de la chambre de combustion 400 des fumées à une pression de 28 bar et une température de 1200°C. Ces fumées sont détendues dans une turbine à gaz 410 produisant de l’électricité via un alternateur. Une fois détendues, les fumées sont envoyées au premier échangeur de chaleur 420 afin de réchauffer le deuxième fluide, auquel a été mélangée une phase liquide dans le mélangeur M2. Les fumées, en sortie du premier échangeur 420 sont à une température de 120°C et à pression atmosphérique.
Tel que décrit ci-dessus, le rendement du procédé et du système de stockage d’énergie est de 81% pour une puissance consommée de 100.0 MW en phase de compression, alors que le rendement de la solution de la de l’art antérieur est de 69,6%, ce qui représente un gain de plus de 11%. Le débit total d’eau condensée aux trois étages de compression est de 7.5 t/h. La puissance de stockage thermique est de 75.7 MW et la puissance de refroidissement nécessaire est de 31.8 MW. Cette configuration permet également de diminuer la taille du moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression de 23%, celle du moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression de 15% ainsi que celle du moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression de 17% par rapport à la solution de la de l’art antérieur.
Par ailleurs, cette configuration de la permet de réduire la puissance de refroidissement nécessaire de 38MW pour la et 37.8MW pour la à 31.8MW pour la .
Claims (18)
- Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :
- une ligne de compression (1) de gaz avec au moins un étage de compression (3), chaque étage de compression (3) comprenant un moyen de compression (100, 101, 102) et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) en aval, dans le sens de circulation du gaz, dudit moyen de compression (100, 101, 102),
- au moins un moyen de stockage de gaz comprimé (500) situé en sortie de la ligne de compression (1) de gaz pour stocker le gaz comprimé,
- une ligne de détente (2) pour détendre du gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé (500), la ligne de détente (2) comprenant au moins deux étages de détente (4), chaque étage de détente (4) comprenant des conduites et un moyen de détente (300, 301, 302), les conduites étant configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) dudit au moins un étage de compression (4) de manière à réchauffer le gaz comprimé avant le moyen de détente (300, 301, 302),
caractérisé en ce que la ligne de détente (2) comprend au moins une chambre de combustion (400) alimentée en comburant par une première portion du gaz comprimé prélevée en sortie d’un desdits étages de détente (4) ou sortant du moyen de stockage de gaz comprimé (500), les gaz sortant de ladite chambre de combustion (400) entraînant une turbine à gaz (410), les gaz sortant de la turbine à gaz (410) alimentant un premier moyen d’échange de chaleur (420) situé sur un desdits étages de détente (4) pour réchauffer le gaz comprimé dans cet étage de détente (4) avant, dans le sens de circulation du gaz, le passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) de cet étage de détente (4). - Système selon la revendication 1, pour lequel le premier moyen d’échange de chaleur (420) est situé sur un étage de détente (4) en aval de celui sur lequel la première portion de gaz comprimé est prélevée ou en aval du moyen de stockage de gaz comprimé (500).
- Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ladite première portion du gaz comprimé est prélevée en sortie du premier étage de détente, dans le sens de circulation dudit gaz comprimé.
- Système selon la revendication 3, pour lequel ledit premier moyen d’échange de chaleur (420) est situé sur le deuxième étage de détente pour réchauffer le gaz comprimé dans le deuxième étage de détente, avant le passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur (201) du deuxième étage de détente.
- Système selon l’une des revendications 3 ou 4, pour lequel la ligne de détente (2) comprend un moyen de circulation pour faire circuler le gaz détendu sortant du premier étage de détente dans un deuxième moyen d’échange de chaleur (430) situé sur le premier étage de détente, le deuxième moyen d’échange de chaleur (430) étant conçu pour réchauffer l’air au préalable du passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur (202) du premier étage de détente.
- Système selon la revendication 5, pour lequel ladite première portion du gaz comprimé est prélevée en sortie du deuxième moyen d’échange de chaleur (430).
- Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ledit moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) comprend des particules de stockage de la chaleur.
- Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ladite ligne de compression (1) comprend autant d’étages de compression (3) que la ligne de détente (2) ne comprend d’étages de détente (4), chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) d’un étage de compression étant utilisé dans l’étage de détente à la pression correspondante.
- Système selon la revendication 8, pour lequel la ligne de détente (2) et la ligne de compression (1) comprennent chacune trois étages (3, 4).
- Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel chaque étage de compression (3) comprend un moyen de refroidissement (600, 601, 602) en aval du moyen de stockage et de récupération de chaleur (200, 201, 202), de préférence, ledit moyen de refroidissement (600, 601, 602) comprenant un aéro-réfrigérant.
- Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel, chaque étage de compression (3) comprend un moyen de séparation (S1, S2, S3) pour séparer le gaz comprimé d’une phase liquide avant que le gaz comprimé n’atteigne l’étage de compression (3) suivant ou le moyen de stockage de gaz comprimé (500), chaque étage de compression (3) comprenant un moyen de stockage de liquide (700, 701, 702)) pour stocker ladite phase liquide à la pression de l’étage de compression (3)
- Système selon la revendication 11, pour lequel chaque étage de détente (4) comprend un moyen de mélange (M1, M2, M3) pour mélanger audit gaz comprimé ladite phase liquide sortant d’un des moyens de stockage de liquide (700, 701, 702) des étages de compression (3), ledit moyen de mélange (M1, M2, M3) étant positionné en amont dudit premier moyen d’échange de chaleur (420) , dudit deuxième échange de chaleur (430) et/ou du moyen de stockage et de récupération de chaleur (200, 201, 202) de chaque étage de détente.
- Procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :
- En phase de stockage d’énergie :
a) on comprime un gaz dans une ligne de compression (1) comprenant au moins un étage de compression (3), chaque étage de compression (3) comprenant au moins un moyen de compression (100, 101, 102) ;
b) dans chaque étage de compression (3), on récupère la chaleur dudit gaz comprimé dans au moins un moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202);
c) on stocke le gaz comprimé refroidi dans au moins un réservoir de stockage de gaz comprimé (500).
- En phase de récupération d’énergie :
d) on fait circuler le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé (500) dans une ligne de détente (2) d’au moins deux étages de détente (4) successifs, et dans chaque étage de détente (4), on réchauffe le gaz comprimé en le faisant circuler dans un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) grâce à la chaleur stockée lors de l’étape de compression puis on détend le gaz comprimé réchauffé dans un moyen de détente (300, 301, 302) ;
caractérisé en ce qu’on dérive au moins une partie du gaz détendu sortant d’au moins un moyen de détente (300, 301, 302) d’un étage de détente (4) ou sortant du moyen de stockage de gaz comprimé (500) pour l’utiliser comme comburant dans une chambre de combustion (400) puis on fait circuler le gaz sortant de ladite chambre de combustion (400) dans une turbine à gaz (410) pour récupérer de l’énergie, et on fait passer le gaz sortant de la turbine à gaz (410) dans un premier moyen d’échange de chaleur (420) situé sur un étage de détente (4) en aval, dans le sens de circulation du gaz comprimé dans la ligne de détente (1), pour réchauffer le gaz comprimé avant son passage dans un étage de détente (4).
. - Procédé selon la revendication 13, pour lequel on réalise autant d’étapes de compression que d’étapes de détente, et pour lequel on utilise le moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) de chacun des étages de compression pour réchauffer le gaz comprimé de l’étage de détente à la pression correspondante.
- Procédé selon l’une des revendications 13 ou 14, pour lequel on stocke la chaleur du gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) comprenant des particules de stockage de la chaleur, de préférence, chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) comprenant des particules de stockage de la chaleur.
- Procédé selon l’une des revendications 13 à 15, pour lequel, dans chaque étage de compression, on refroidit le gaz comprimé en sortie du moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201, 202) dans un moyen de refroidissement (600, 601, 602) avant que le gaz ne soit envoyé dans l’étage de compression (3) suivant ou dans le moyen de stockage de gaz comprimé (500).
- Procédé selon l’une des revendications 13 à 16, pour lequel, on sépare le gaz comprimé d’une phase liquide qu’il contient dans un moyen de séparation (S1, S2, S3), avant que le gaz comprimé ne soit envoyé dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage du gaz comprimé (500), le liquide sortant de chaque moyen de séparation (S1, S2, S3) étant stocké à la pression dans laquelle il se trouve dans un moyen de stockage de liquide (700, 701, 702).
- Procédé selon la revendication 17, pour lequel on injecte le liquide stocké de chaque moyen de stockage de liquide (700, 701, 702), lors de la phase de récupération d’énergie, dans chaque étage de détente à la pression correspondante, en amont des premiers et/ou deuxièmes échangeurs de chaleurs (420, 430) et des moyens de stockage et de récupération de chaleur (200, 201, 202).
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| US20110094229A1 (en) * | 2009-10-27 | 2011-04-28 | Freund Sebastian W | Adiabatic compressed air energy storage system with combustor |
| WO2016079485A1 (fr) | 2014-11-17 | 2016-05-26 | Demetair Systems Ltd | Système de récupération de chaleur résiduelle combiné à un stockage d'énergie à air comprimé |
| US20160160864A1 (en) * | 2014-12-05 | 2016-06-09 | General Electric Company | Cooling system for an energy storage system and method of operating the same |
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2020
- 2020-12-03 FR FR2012640A patent/FR3117163B1/fr active Active
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