WO2008148962A2 - Installation et procedes de stockage et restitution d'energie electrique - Google Patents

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WO2008148962A2
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turbine
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/12—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having two or more accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads

Definitions

  • the present invention relates to an installation for storing and restoring electrical energy capable of storing several tens, or even several thousand MWh, as well as methods for storing electrical energy in the form of thermal energy in which an installation according to the invention is used. invention and a method of restoring an electrical energy from a thermal energy stored by a method according to the invention.
  • the present invention relates to the storage of energy at high temperature and more particularly the storage of electrical energy, for the purpose of restoring it on the electrical network during peak consumption.
  • the production of electric power is generally carried out by plants that use various fuels to produce energy, such as gas, oil, coal or lignite. Another way is to use nuclear fuel to produce heat which will then be converted into electrical energy in high pressure steam turbines.
  • Renewable energies are also known, which, to a large extent, contribute to the production of electricity in different countries. Examples include hydraulic energy from dams, wind turbines, tidal turbines that draw their energy from marine currents, as well as various devices that recover the energy of the sea swell, or even solar energy.
  • renewable energies are characterized by intermittent operation, and their integration into a network generally allows only to offload part of the conventional power plants, some of which are then either slowed down or simply stopped, waiting for a demand for power from the network.
  • Steam turbines are also known which are used in nuclear power plants to convert the energy of water brought to very high temperature in the form of steam, into mechanical energy, then into electrical energy in end-coupled generators.
  • shaft of steam turbines These steam turbines operate in a closed circuit with heat transfer fluid, water vapor phase upstream of the turbine and liquid water downstream of said turbine.
  • dams are an excellent way of storing energy
  • the sites are unfortunately limited in number and the storage of very large amounts of energy requires the mobilization of huge quantities of water. which must then be deducted from the available quotas, and then released at times when these quantities of water are not needed, for example for irrigation, the water being then more or less wasted.
  • Several sites consist of a high reservoir and a low reservoir, usually high-capacity lakes, and during storage, the contents of the lower lake are pumped to the upper lake, for turbining in the opposite direction as soon as possible. when consumption peaks require additional power on the power grid.
  • Another way is to store the energy in the form of compressed air, then retransform it into mechanical energy by means of piston engines, vane or turbine.
  • Patent WO-2005-108758 discloses a method of storing energy in the form of heat in a subterranean chamber, the heat being generated by the compression of air initially at atmospheric pressure and at ambient temperature, the temperature within the buried storage being about 700 ° C.
  • the gas, air circulates in open circuit, from the free atmosphere to the cavern during the storage phase, and from the cavern to the free atmosphere during the restitution phase. 'energy.
  • regenerators commonly used in the fire industries, that is to say in blast furnaces, in the ceramic and terracotta industry, in the glass industry and cement plants, which consist of sending the hot burnt gases in large towers to heat the refractory masses they comprise so as to recover the calories of the gases, before releasing said gases into the atmosphere.
  • the circulation of hot gas is stopped and fresh air is sent against the current, which then heats up in contact with the refractory materials to finally be directed towards the inlet of the refractory materials. ovens, or at the level of burners.
  • These provisions make it possible to drastically reduce heat loss in energy intensive industrial processes.
  • the problem is to store the electrical energy of conventional power plants, such as coal, gas, oil, or nuclear power plants, in order to be able to return it very quickly and in considerable quantities, in the electrical network during peak periods when the energy demand exceeds the production capacity.
  • the present invention essentially consists in storing considerable amounts of electrical energy in the form of heat within masses of refractory products, the fluid allowing the transfer of energy being a gas, preferably a neutral gas, such as argon, then to restore this stored thermal energy potential, in the form of electrical energy.
  • a gas preferably a neutral gas, such as argon
  • the present invention provides an installation for storing and restoring electrical energy, characterized in that it comprises:
  • first gas heating means adapted to heat the gas flowing in said second chamber
  • gas cooling means flowing between one end of the first chamber and said compression means and expansion means, adapted to cool gas leaving said first chamber at this end before being expanded in said expansion means or gas respectively entering said first chamber after being compressed by said compression means.
  • the two said upper (or lower) pipes can be either two parallel pipes ensuring the junction between the said turbine / compressor and the same enclosure or one of the two comprises a bypass pipe of the other before the said turbine / compressor.
  • a storage installation and restitution of electrical energy comprises:
  • insulated ducts for circulating gas in closed circuit between the two enclosures comprising first and second upper pipes between the upper ends of the two enclosures and the first and second lower pipes between the lower ends of the two enclosures, and
  • first gas heating means adapted to heat gas inside said second chamber
  • first gas compression means comprising a first electric motor adapted to be powered by an electrical energy to be stored for actuating a first compressor adapted to compress a gas from said upper end of the second chamber by a said second upper pipe to send it to said upper end of the first enclosure by a said first upper pipe, and
  • first gas expansion means comprising a first turbine, adapted to relax the gas from said lower end of the first chamber by a first lower pipe to send it to said lower end of the second chamber by a second lower channel, and
  • second gas compression means comprising capable of compressing the gas from said lower end of the second chamber by another second lower channel to send it to said lower end of the first chamber by another first lower channel;
  • second gas expansion means comprising a second turbine adapted to relax the gas from said upper end of the first chamber by another first upper pipe to send to said upper end of the second chamber by another second upper channel, said second expansion means being able to actuate an electric generator capable of restoring electrical energy, and
  • gas cooling means preferably a heat exchanger capable of cooling the gas flowing in said first lower ducts between on the one hand the lower end of the first chamber and on the other hand the output and inlet of said second compressor and respectively first turbine.
  • the installation for storing and restoring the electrical energy according to the invention comprises second gas heating means capable of heating the gas flowing in a said second upper channel between the upper end of said second enclosure and the second said first compressor
  • said first turbine is able to be actuated by said first compressor to which it is mechanically coupled
  • said second turbine is coupled to an auxiliary electric motor capable of actuating it; said second compressor is actuated by said second turbine to which it is mechanically coupled.
  • the plant according to the invention is filled with a neutral gas, preferably argon.
  • this argon gas is advantageous because it is a permanent and neutral gas, therefore non-corrosive to the pipes, monoatomic gas having the advantage of being heated easily, so a limited compression ratio, and a reduced cost given its abundance.
  • the installation has the characteristics according to which: said first chamber and first porous refractory material are capable of withstanding a temperature T1 of at least 750 ° C., preferably of at least 750 to 2000 0 C, more preferably from 1000 to 1500 ° C and
  • said second turbine is sized to relax a gas at said temperature T1 while said first turbine, of less capacity than the second turbine, is sized to relax a gas from the ambient temperature TO to a temperature T3 of -80 to -20 0 C, and
  • said second chamber and second porous refractory material are capable of withstanding a temperature T2 of at least 400 ° C., preferably of at least 400 ° C. at 1000 ° C., more preferably of 500 ° to 700 ° C., and said first compressor is sized to compress a gas at said temperature T2 while said second compressor, of less capacity than the first compressor, is sized to compress a gas of temperature T3 from -80 to -20 ° C. to ambient temperature.
  • said first compressor is capable of delivering a higher volume flow rate than said first turbine and said second turbine is capable of delivering a higher volume flow rate than said second turbine.
  • compressor and said first compressor and second turbine are made of carbon.
  • said refractory materials have an intrinsic volume heat capacity of at least 2000 kJ xm "3 x K " 1 , more preferably at least 2800 kJ xm "3 x K “ 1 .
  • said first and second porous refractory materials have a porosity of 20 to 60%.
  • said first and second porous refractory materials consist of porous bricks assembled against each other, preferably traversed by cylindrical perforations arranged in parallel in the same longitudinal direction as said enclosure in which they are assembled, said perforations being more preferably of diameter 5 to 20 mm.
  • said first and second porous refractory materials are made of fired clay, or ceramic products with high levels of compounds selected from oxides, magnesia, alumina and lime.
  • Refractory materials include chamotte, magnesia, dolomite, mulite but also carbon.
  • said first porous refractory material is made of second fired clay or chamotte, and said second porous refractory material is made of first fired clay.
  • said first and second enclosures each have a volume of at least 5000 m3, preferably from 10000 to 45000 m3.
  • the present invention also provides a method of storing electrical energy in the form of thermal energy in which an installation according to the invention is used, characterized in that, after an initial preheating step gas of said second chamber which is heated to temperature T 2 , said installation being filled with a permanent gas, initially at room temperature T 0 the following steps are carried out in which:
  • the gas leaving the upper end of the second chamber at a temperature T 2 is heated to a temperature Ti greater than a temperature T 2 by compression in a said first compressor before being sent to the upper end of said first chamber, in which there is established a pressure P1 greater than the pressure P2 of the second chamber, said first compressor being driven by a first electric motor powered by the electrical energy to be stored, and
  • the gas passes right through said first chamber between said upper end and its said lower end and it emerges from said lower end of the first chamber at an ambient temperature TO or a temperature T'1 greater than TO but less than T2 and 3) the gas is then cooled, if necessary, to an ambient temperature T0 by means of said gas cooling means, preferably of the heat exchanger type, downstream of the outlet of the lower end of the first enclosure, and
  • the gas is then expanded through a said first turbine, preferably driven by said first compressor, at said pressure P2 of the second chamber lower than the pressure P1, the gas is thus cooled to a temperature T3 less than TO before to enter said second enclosure by its lower end, and
  • step 5 the gas arrives at a cold temperature T3 at the bottom of the second chamber, which has the effect of yielding frigories to said second porous refractory material and thus cooling the lower part of the second chamber, which passes from the temperature T2 at the temperature T3.
  • T3 the cold temperature
  • the front or rather the thermal transition layer between the upper and lower hot parts of the second chamber progresses upwards and the lower part at the temperature T3 occupies a further volume.
  • the electrical energy E1 used to supply power to the first compressor is therefore stored in the form of thermal energy in calories in the first enclosure and frigories in the second enclosure, this energy is a factor of the T1-T3 gradient.
  • the storage is interrupted so that the lower part of the first chamber at said temperature T'1 represents at least
  • said refractory materials are used whose properties and masses are such that:
  • the pressures P1 is 2 to 4 bar absolute (2.105 to 4.105 Pa) and P2 is 0.5 to 1.5 bar absolute (0.5 to 1.5 105 Pa), and
  • - TO is 10 ° to 50 ° C and T3 is -80 ° C to -2O 0 C, TT is optionally 20 ° to 150 ° C.
  • TT is optionally 20 ° to 150 ° C.
  • the present invention also provides a method for restoring an electrical energy from a thermal energy stored by a method according to the invention as defined above, characterized in that, after an initial startup phase in which one actuates said second compressor and said second turbine with said auxiliary electric motor, during which initial phase is established a pressure gradient between the pressure P'1 of the first chamber and a pressure P'2 less than P'1 of the second enclosure, such that P'1 is greater than P'2, preferably P'1 being greater than P1 and P'2 being less than P2, the following steps are carried out in which:
  • the gas is then cooled to room temperature TO or T'1 by means of said cooling means before being introduced into said first chamber by its lower end (1 2 ) to join the lower part of said first chamber which is at said temperature T'1, and
  • the gas is circulated through said first chamber, which has the effect of increasing the volume of refractory material of the lower part at said temperature T'1 and to reduce the volume of refractory material of the upper part (1a ) at said hot temperature T1, and
  • each step 2) when the gas reaches the temperature T2 at the upper end of the second chamber which is initially not more than 20% at the temperature T2 or T'2 less than T2, and that the gas descends from the upper end to the lower end of the second chamber, the passage of gas in said second porous refractory material causes the gas to yield its calories to said second refractory material in the part upper chamber of the second chamber which is then heated to the temperature T2 while its lower unheated remains at the temperature T3.
  • the front or rather the thermal transition layer between the upper hot and lower cold part of the second chamber progresses downwards and the lower part at the temperature T3 occupies a volume of less less important.
  • step 5 the gas arrives at an ambient temperature T0 or T'1 at the bottom of the first enclosure, which has the effect of yielding frigories to said first porous refractory material and thus cooling the lower part of the first enclosure which passes from the temperature T1 to the temperature T'1.
  • the front or rather the thermal transition layer between the upper and lower cold part of the first chamber progresses upwards and the upper part at the temperature T1 occupies a volume less and less important.
  • the electrical energy Ei stored as heat energy in calories in the first chamber and frigories in the second chamber is thus converted into electrical energy E R from the mechanical energy released by said second turbine implemented during the expansion and cooling of the gas of the first enclosure
  • the energy restitution process is interrupted so that an upper part of the first chamber is maintained at a said temperature T1, said upper part representing less than 20%, of preferably 10 to 20%, by volume of said first chamber, and / or a lower portion of the second chamber at said cold temperature T3 represents less than 20%, preferably 10 to 20%, volume of the second chamber.
  • the efficiency of restitution of electrical energy by said electricity generator E R / EI greater than 60%, preferably 75 to 85%.
  • T4 is 150 to 400 ° C.
  • the pressure P'1 is 3 to 5 bar absolute (2.105 to 4.105 Pa) and P'2 is 1 to 1, 5 bar absolute (1 to 1.5 105 Pa).
  • FIG. 1 represents the functional diagram of an installation according to the invention in a method of storing energy according to the invention, that is to say during the recharging phase of the first enclosure or hot source,
  • FIG. 2 represents the functional diagram of the installation according to the invention in a restitution in the form of electrical energy of the thermal energy stored within the first enclosure or hot source
  • FIG. 3 represents in section and in side view an enclosure of an installation according to the invention with a cutout showing cylindrical perforations
  • FIGS. 3A and 3B show, in section along a horizontal plane, two variants of arrangement of refractory material elements of square and hexagonal shape respectively,
  • FIG. 4 represents a thermodynamic cycle of perfect gas type, as well as compression and expansion of a real gas.
  • FIG. 5 represents the thermodynamic cycle of recharging the first enclosure from electrical energy coming from the network.
  • FIG. 6 represents the thermodynamic cycle of restitution of the energy coming from the first enclosure with a view to its reinjection into the network.
  • FIGS. 7, 7A and 7B show the progression of a thermal transition layer of height h within a said first enclosure (FIG. 7) between the upper (FIG. 7A) and lower (FIG. 7B) ends.
  • the device for storing electrical energy and restoring electrical energy according to the invention comprises:
  • a first heat-insulated enclosure 1 comprising a steel wall 10 to 100 mm thick and filled with a first porous refractory material capable of withstanding the high temperatures and pressures of a neutral gas contained therein, T1 of 1000 to 1600 ° C., more particularly 1300 ° C. and P1, from 2 to 5 bara (absolute bar or 2.10 5 to 5.10 5 Pa).
  • a second insulated enclosure 2 of the same volume of 10,000 to 15,000m 3 for example, comprising a steel wall of 10 to 100 mm and filled with a second porous refractory material capable of withstanding the T2 temperature and the gas pressure P2 inert it contains, namely T2 from 500 to 700 0 C, more particularly about 600 0 C.
  • Said first chamber 1 and second chamber 2 are substantially completely filled with a porous refractory material 11 with a high heat volume, which will be described later.
  • the device comprises closed circuit circulation lines between said first chamber 1 and second chamber 2 which allow the gas contained in the installation to pass through each chamber between two opposite ends 1-1 2 and 2i-2 2 , preferably located respectively at the high and low ends of said speakers.
  • the circulation lines between said first and second enclosures further comprise gas compression / expansion means between the two enclosures, explained below.
  • said first and second speakers are arranged vertically.
  • the first enclosure 1 comprises at its upper end 1 i an upper pipe 1d, opening into the upper part 1a of the first enclosure, and at its lower end 1 2 a first lower pipe 1c opening into the part lower 1b of the first enclosure 1.
  • the second chamber 2 comprises at its upper end 2i a second upper pipe 2d, opening into the upper part 2a of the second chamber 2, and at its lower end 2 2 a second lower pipe 2c opening into the lower part 2b of the second conduct 2.
  • Said second enclosure 2 is coupled with a first heater 5a, preferably a heater comprising an electrical heater 5ai and a closed heating circuit 5a 3 between two ends of the second enclosure, the gas flowing in the heating pipe 5a 3 is heated by said first heater 5a
  • a first compression / expansion group 3 is interposed between said first chamber 1 and second chamber 2.
  • This first compression / expansion unit 3 comprises an electric motor 3a powered by an electric energy Ei, which makes it possible to actuate a first dynamic compressor 3b of axial or centrifugal type, and a first gas turbine 3c, itself coupled to said first compressor 3b, their respective shafts being coupled to each other as will be explained below.
  • Said first compressor 3b is connected at the output to the upper end ⁇ ⁇ of said first chamber 1 by said first upper pipe 1d, and said first compressor 3b is connected at its inlet to the upper end 2i of said second enclosure 2 by said second upper pipe 2d.
  • Said second upper pipe 2d is the feed pipe of the first compressor 3b and said first upper pipe 1d constituting the gas discharge pipe of the first compressor 3b after compression in storage cycle, as will be explained below.
  • a second heater 5b preferably having a second electrical resistance 5a 2 , cooperates with said second upper duct 2d, said second heater 5b being interposed between the upper end 2i of the second enclosure 2 and the inlet of the first compressor 3b.
  • Said first turbine 3c is connected to the lower end 1 2 of said first chamber 1 by said first lower pipe 1c, and said first turbine 3c is connected to the lower end 2 2 of said second chamber 2 by said second lower pipe 2c .
  • Said first lower duct 1c serves to supply said first turbine 3c with gas discharged from the lower part 1b of the first enclosure 1, and the gas evacuating from said first turbine 3c joins the lower part 2b of said second enclosure 2 via said second lower channel 2c, when the device operates in storage cycle as will be explained below.
  • a heat exchanger 6 cooperates with said first lower pipe 1c, between the lower end 1 2 of said first chamber 1 and said first turbine 3c.
  • a second group 4 is interposed between said first enclosure 1 and said second enclosure 2 in the following manner.
  • Said second electricity generator group 4 comprises a second electric motor 4d, coupled to a second gas turbine 4c and a second compressor 4b.
  • This second electric motor 4d is a small motor essentially used to launch the second turbine 4c during the start of the cycle of restitution / destocking of the energy, as will be explained below.
  • the second electricity generating unit 4 comprises an electric alternator 4a, coupled to the output shaft of said second gas turbine 4c and said second compressor 4b, so as to restore an electric energy E R when said second turbine 4c and second 4b compressor are activated, as will be explained below, in a cycle of energy destocking.
  • Said second turbine 4c is supplied with gas by a pipe 1d 'derived from said first upper pipe 1d (also called first upper bypass line 1d'), or a pipe parallel to said first upper pipe, ensuring the connection between the upper end ⁇ ⁇ of the first chamber 1 and the second turbine 4c.
  • the expanded gas leaving said second turbine 4c when the device operates in the destocking cycle, is evacuated to the upper end 2 ⁇ of the second chamber 2 via a pipe 2d 'derived from the second upper pipe 2d (also called second upper bypass line 2d'), or by a pipe parallel to said second upper pipe, thus ensuring the connection between the upper end 2- ⁇ of the second chamber and the second turbine 4c.
  • Said second compressor 4b is supplied with gas by a branch pipe 2c 'of said second lower pipe 2c (also called second lower bypass pipe 2c') or a pipe parallel thereto thus ensuring the connection between the lower end 22 of the second chamber and the second compressor 4b. And, the gas is discharged from said second compressor 4b towards the lower end 1 2 of said first chamber 1, via a pipe 1c 'derived from said first lower pipe 1c (also called first lower bypass pipe 1c '), or a pipe parallel to said first lower pipe 1c, providing the connection between the lower end 1 2 and said second compressor 4b.
  • a branch pipe 2c 'of said second lower pipe 2c also called second lower bypass pipe 2c'
  • a pipe parallel thereto thus ensuring the connection between the lower end 22 of the second chamber and the second compressor 4b.
  • the gas is discharged from said second compressor 4b towards the lower end 1 2 of said first chamber 1, via a pipe 1c 'derived from said first lower pipe 1c (also called first lower bypass pipe 1c '), or
  • the second lower bypass line 2c ' provides the connection between the second compressor 4b and the second lower pipe 2c before the latter arrives at said first turbine 3c.
  • the first upper bypass line 1d ' provides the connection between the second turbine 4c and the first upper pipe 1d before the latter arrives at said first compressor 3b.
  • the second upper bypass line 2d ' provides the junction between the second turbine 4c and the second upper pipe 2d between said second heater 5b and said first compressor 3b.
  • the first lower bypass line 1c ' provides the connection between the second compressor 4b and the first lower pipe 1c between said heat exchanger 6 and said first turbine 3c.
  • the enclosures 1 and 2 are filled with a porous refractory material 11, allowing the gas to flow through said enclosures from one side to the other between their upper ends 1- ⁇ -2i and lower i 2 -2 2 .
  • the porous refractory materials used in the first and second chambers have a porosity (void percentage) of 20 to 60%, which constitutes a good compromise between a sufficient heat exchange between the gas and the refractory materials on the one hand, and on the other hand, a sufficiently low pressure drop, while maintaining a sufficiently high circulation rate through said porous material.
  • the device according to the invention is entirely filled with neutral gas, preferably argon, namely the pipe circuits mentioned above, the turbines and compressors, the heaters, and said first and second speakers.
  • FIG. 3 shows in section and in side view an enclosure comprising a sealed metal outer casing 13, an internal insulation system 12 arranged against the wall of the metal outer casing 13 and a stack of blocks or bricks of refractory materials 11 having vertical channels H 1 in the form of perforations, preferably having a circular cross section with a diameter of 5 to 20 mm, passing through them integrally and arranged substantially uniformly, plane by plane, over the entire horizontal section of said first pregnant, as detailed in Figures 3A and 3B.
  • the channels 1 I 1 of different superimposed blocks 11 are aligned relative to each other so as to allow the flow of gas in the longitudinal direction ZZ of the chamber 1, 2 between the two opposite ends of the enclosure without obstacle between the channels of different blocks superimposed in the same longitudinal direction ZZ.
  • a widely open support structure 14, situated in the lower part of said enclosure, makes it possible to distribute the incoming or outgoing gases through the adjoined insulated lower conduits 1c, 2c, in a substantially uniform manner over the entire section of said enclosure and thus to direct them optimally, so with a minimum of losses, to the channels 1 I 1 vertically through said blocks of refractory material 11 in case of supply from below.
  • FIG. 3A is a partial horizontal section in plan view along the plane AA of FIG. 3.
  • the blocks of refractory materials 11 are square and perforated with a plurality of parallel circular cylindrical holes in the vertical direction ZZ perpendicular to the plane of FIG.
  • the refractory material blocks 11 are advantageously in direct contact with the wall of the enclosure, at the level of the insulation 12 of said enclosure, so as to limit the direct and uncontrolled passages of the hot or cold gases in this zone.
  • the blocks in the successive planes of blocks of refractory materials are advantageously offset from each other by a half-module or a half-block in staggered rows, so as to ensure overall stability within said enclosure, as shown in Figure 3.
  • the blocks are stacked vertically on each other over the entire height of the enclosure, to form independent candles from each other and distant from 5 to 10 mm in all directions, which allows expansion during storage-retrieval cycles, while avoiding the risk of wear at the level of the horizontal planes AA during said storage-restitution cycles, when they are mounted in staggered rows as detailed in Figure 3.
  • FIG. 3b shows refractory blocks 11a of hexagonal section, close to the insulating wall of a cylindrical enclosure.
  • the connection with the insulating wall is done either by direct contact with the edge of a block, or by a form of insulating block 12a adapted to the curvature, or by stuffing an insulating material 12a, for example of the same type that the insulator 12 of said enclosure, is still a form of refractory block 12b adapted to the curvature.
  • first top duct 1d and first upper duct 1d ' Vi
  • second upper pipe 2d and the second upper bypass pipe 2d ' V 2 ,
  • first lower duct 1c and first lower bypass duct 1c ' V 3
  • second lower duct 2c and second lower duct bypass 2c' V 4
  • first compressor group 3 (first compressor 3b and first turbine 3c) can be operated by disconnecting said second electricity generating unit 4 during a storage cycle. energy or, conversely, one can disconnect said first compressor 3 and open said bypass lines to operate said second compressor 4 during a cycle of energy destocking.
  • the device according to the invention can, in fact, operate according to two different modes, namely:
  • FIG. 1 shows the device in the phase of storing energy or recharging energy in the first enclosure 1.
  • the complete installation is at ambient temperature TO of 10 to 20 ° C.
  • the gas contained in the enclosures and pipes being therefore at this ambient temperature TO and the two enclosures are at the same initial pressure linked to the pressure of loading, for example from 1 to 1, 2 bara (absolute bar).
  • the mass of refractory materials is then heated inside the second chamber 2 to a temperature T2 of 600 ° C.
  • the gas of the second chamber is circulated in a closed loop between its upper ends 2i and lower 2 2 that is heated outside the enclosure using the first heater 5a, which heats the gas inside the heating pipe 5a 3 ensuring the loop between the lower ends 2 2 and upper 2i of the second enclosure outside thereof.
  • the gas is circulated in the heating pipe 5a 3 through a fan 5a 5 and the first heater 5a comprises a first resistor 5a-1.
  • a valve 5a 4 isolates the first heater 5a when it is out of service at the end of the initial preheating, thus avoiding unwanted transfers and recirculation of gas in a normal cycle.
  • the valve 5a 4 is closed and the gas is sent via the second upper conduit 2d into the first compressor 3b, so as to heat it to the temperature T1 of 1200 to 1400 ° C, for example 1300 ° C output of said first compressor.
  • a pressure gradient is established between the two chambers, the first chamber being raised to the pressure P1 of 2 to 4 baras (absolute bar, 2.10 5 to 4.10 5 Pa) and the pressure P2 in the second chamber being reduced to about 1 bara (1.10 5 Pa).
  • the upper part 1a of refractory material therefore tends to the temperature T1 of 1300 0 C while the lower part 1b is established at a temperature T'1 of 20 to 100 0 C.
  • the gas At the outlet at the lower end 1 2 of the first chamber, the gas must be expanded by the first turbine 3c to be restored to the pressure P2 of the second chamber before being reintroduced into the second chamber, expanded and cooled to a minimum. temperature T3 at the bottom of the second enclosure.
  • T3 at the bottom of the second enclosure.
  • the upper part 1a of refractory materials of the first hot chamber at the temperature T1 of 1300 0 C occupies an increasing volume of l enclosure, that is to say that the hot gas introduced at the upper end 1 i of the first chamber 1 gives its calories to said refractory materials and heats an increasingly large volume of refractory material of the first chamber.
  • a front 1e which corresponds in fact to a temperature transition zone is shown schematically by a line in FIGS. 1 and 2.
  • the upper parts 1a are hot at temperature T1 and lower 1b are cold at temperature T'1 from 20 to 100 ° C. C, move gradually downwards as gas circulation cycles during storage.
  • the lower part 2b of the second chamber at the temperature T3 of at least -80 to -20 ° C. occupies a larger and larger volume of the enclosure 2.
  • the front 2e schematizes a separation line which is in makes a transition zone between the lower part 2b at the temperature T3 and an upper part 2a at the temperature T2, moves progressively upwards as the different cycles of circulation of the gas progress.
  • the first compressor 3b is powered by an electric motor 3a which consumes electrical energy E-i.
  • the first turbine 3c is coupled to the first compressor 3b to the shaft from which it is coupled, so that the first turbine 3c supplies energy to the first compressor 3b in addition to the energy supplied by the first motor 3a.
  • the temperature of the upper part 2a of the second chamber tends to decrease at a temperature T'2 less than T2, that is to say in below 600 ° C for example, 300 to 450 ° C.
  • the gas exiting at the end is advantageously heated.
  • upper 2 ⁇ of the second chamber with a second heater 5b comprising a second resistor 5a 2 for heating the gas flowing in the upper pipe 2d to maintain it at a temperature T2 of 600 0 C before it n arrives in the first compressor 3b.
  • the engine 3a is adjusted so as to maintain the outlet temperature of the first compressor 3b at constant temperature T1 of the order of 1300 ° C.
  • the temperature of the gas entering the second heater 5b is measured and the quantity of electric energy E 2 injected per second is adjusted in real time in the second heater 5b to bring the gas at substantially constant temperature T2.
  • the power injected into the installation during these storage cycles will therefore correspond to the electrical energy Ei supplying the first electric motor 3a, supplemented with electrical energy E 2 supplying the second heater 5b.
  • the heat exchanger 6 is supplied with a cooling fluid such as water or cold air at 10-20 ° C. to cool the gas coming out of the the first chamber at the temperature T'1 from 20 to 100 ° C. and bring it to the temperature TO from 10 to 20 ° C.
  • the cooling fluid of the exchanger 6 leaves the exchanger 6 at 6d at a temperature of 50 to 100 0 C depending on the flow of air or cooling water.
  • the heat exchanger 6 thus releases a thermal energy E 3 in the form of water heated to 50-100 ° C.
  • This thermal energy E 3 is an energy which can not be stored in the system, but which can be recovered either at in a heat pump or still used in industrial processes or for urban heating. E 3 therefore constitutes, during a complete storage cycle, a loss which affects the overall efficiency of the device.
  • a lower part 1b is maintained in the first chamber, representing 10 to 20% of the total volume of the chamber which remains at the temperature T'1 of 20 to 100 ° C.
  • an upper part 2a of the chamber is maintained.
  • This volume of 10 to 20% corresponds in fact to the volume of the thermal transition layer of height described later with reference to FIGS.
  • FIG. 2 shows the energy recovery cycle stored in the first enclosure 1, in the form of electric energy Er.
  • the first motor 3a When charging of the first chamber 1 is completed, it stops the first motor 3a, it actuates the various valves V i to V 4, for supplying the second group 4 with said first conduit and second upper branch pipe 1d ', 2d', and first conduit and second lower bypass line 1c ', 2c', the first compressor 3b and first turbine 3c no longer being supplied with gas.
  • a small electric motor 4d is actuated which actuates the second turbine 4c and the second compressor 4b coupled thereto, so that establish a pressure gradient between the two enclosures 1 and 2 respectively with a pressure P'1 greater than P1 in the first chamber 1 and a temperature P'2 less than P2 in the second chamber 2.
  • the second compressor sucks gas from the second chamber and sends it into the first chamber, which increases the pressure in said first chamber, thereby supplying gas to the second turbine, to finally return to the second enclosure and continue its circulation cycle.
  • the turbine reaches its own speed, we stop feeding the small electric motor 4d.
  • the second turbine 4c draws gas from the upper part of the first chamber to the second chamber by performing cooling and expansion of the gas.
  • the losses at the turbine and compressor are such that P'1 / P'2> to P1 / P2.
  • P'1 is from 3 to 5 baras and P'2 from 1 to 1, 5 baras.
  • the motor 4d When the pressure gradient P'1 / P'2 is established, the motor 4d is cut.
  • the gas in the lower part 2b of the second chamber is at the temperature T3 of -80 to -20 ° C. which was its temperature at the end of the storage cycle. And the gas is conveyed towards the second compressor 4b to be recompressed at the pressure P'1. It is concomitantly heated to the temperature T4, which temperature T4, because of the losses of the second compressor is greater than the temperature TO.
  • T4 is of the order of 100-150 ° C.
  • the gas at the temperature T4 greater than TO at the outlet of the second compressor 4b must therefore be cooled to the temperature T'1 by means of the heat exchanger 6 before being sent to the lower end 1 2 of the first enclosure 1, whose lower part 1b is at temperature T'1 from 20 to 120 ° C.
  • the cooling of the gas output of the second compressor 4b during the destocking cycle has the effect that thermal energy E4 is lost by heating the coolant. But, this cooling of the gas the temperature T4 to T'1 makes it possible, during the energy storage cycles, to facilitate the cooling of the gas leaving the lower end I 1 of the first chamber from the temperature T'1 to the temperature TO in downstream of the heat exchanger so that the gas reaches room temperature TO, entering the first turbine 3c during energy storage cycles. Overall, the loss of thermal energy E4 during retrieval cycles is offset by a loss of thermal energy E3 at the level of the exchanger 6 less important during storage cycles. The thermal energies E3 + E4 correspond globally to the losses of the installation related to the T4-T0 gradient and due to the losses in the compressors and turbines.
  • E R The energy restored by the system E R corresponds to the energy released by the second turbine 4c which actuates an electric generator-alternator 4a which makes it possible to restore energy in the form of electricity.
  • E R more precisely corresponds to the energy released by the second turbine 4c less the energy consumed by the second compressor 4b coupled thereto.
  • E R E 1 + E 2 - (E 3 + E 4 ) -E 5 .
  • E 5 representing losses through insulation of enclosures, pipes, turbines and compressors and various accessories.
  • the destocking is stopped before the first chamber is completely cooled and the second chamber is completely reheated so as to maintain a thermal transition layer in the part upper 1a corresponding to 10 to 20% of the volume of the enclosure which remains at the temperature T1, and concomitantly, a thermal transition layer in the lower part 2b of the second enclosure which remains at the temperature T3, this layer also representing 10 at 20% of the volume of the second speaker.
  • This thermal transition layer in the upper part 2b of the second temperature chamber T2 facilitates the restoration of the pressure gradient between the two speakers P'1 / P'2 at the beginning of the energy recovery cycle corresponding to the same temperatures T1 / T2 respectively in the first / second speakers.
  • Maintaining a thermal transition layer at one end of the first and second enclosures at the end of the storage cycle and at the end of the rendering cycle is also advantageous in terms of overall energy efficiency of the installation. Indeed, if one wanted to fully heat the first chamber at the end of the storage cycle, the gas leaving the lower end 1 i of the first chamber during the heating of the volume corresponding to the thermal transition layer at the end lower of the first enclosure, would come out at a temperature above the temperature T'1, which would imply a higher cooling energy E3 and therefore higher energy losses.
  • the maintenance of a lower part 1b at the temperature T'1 at the end of storage and an upper part 2a at the temperature T2 in the second chamber at the end of storage facilitates the start of the restitution cycle, which requires a implementing the motor 4d for a shorter time to establish a stable operation with the temperature gradients T1 and T2 in the first and second speakers respectively at the pressures P'1 and P'2 during restitution.
  • the maintenance of a hot top layer 1a at temperature T1 in the first chamber at the end of restitution and the maintenance of a cold bottom layer 2b at the temperature T3 at the end of the restitution cycle facilitates the start of the cycle. subsequent storage, decreasing the electrical energy E2 necessary to maintain the gas entering the first compressor 3b at the temperature T2.
  • the sizing of the first compressor 3b / first turbine 3c implemented during the storage cycles, and second compressor 4b / second turbine 4c during retrieval cycles, are radically different given the different temperatures to which they are subjected. Indeed, the volume of a gas increasing with its temperature, the compressor and turbine operating with gases entering at high temperature will have to be larger. This is why during the storage phase, the first compressor 3b is a large compressor since it operates at a temperature T1 of 1300 ° C, while the first turbine 3c which operates at a temperature T3 of about -50 0 C will be a small turbine. Conversely, during destocking cycles, the second compressor 4c which operates at a temperature T3 of -50 ° C.
  • the second turbine 4c which operates at a temperature T1 of approximately 1300 ° C. will be a large turbine.
  • T1 temperature of approximately 1300 ° C.
  • the implementation of a first small turbine 3c during the storage phase facilitates its drive by the first large compressor 3b.
  • the implementation of a small second compressor 4b reduces energy losses and the energy E R corresponds to the energy released by the second turbine 41c less the energy consumed by the second compressor 4b.
  • the front 1e separating the cold lower part 1b to T'1 and the upper part 1a hot to T1 of the first enclosure progressively moves upwards
  • the front 2nd separating the upper hot part 2a at temperature T2 from the cold lower part 2b to temperature T3 of the second chamber moves progressively downwards.
  • the commissioning of the exchanger 6 on the gas return circuit between the second compressor 4b and the lower part of the first enclosure 1, on the one hand, and secondly, the operation of the second turbine 4c are adjusted so as to maintain said temperatures T1 and T2 at constant values respectively, for example 1300 ° C. and 500 ° C., throughout the energy restitution cycle.
  • the temperatures T1 and T2 are constant and identical on the cycles of loading / storage and unloading / energy release.
  • FIG. 4 shows a graph corresponding to a thermodynamic cycle in which the abscissae represent the volumes and the ordinates represent the absolute pressures (bara).
  • FIG. 4 It has been seen in FIG. 4 that if the same temperatures T1 and T2 are aimed at during expansion or compression with real machines, the pressure ratios are different. This means that the pressure ratios of the turbine-compressor assemblies used during the storage and retrieval phases must be different. For example in FIG. 4, during storage the high pressure is P b i and the low pressure P 3 , while during the restitution phase the high pressure is P b and the low pressure P a - ⁇ .
  • FIGS. 5 and 6 show the thermodynamic cycles corresponding respectively to the energy storage and restitution cycles whose installations and processes are described in connection with FIGS. 1 and 2.
  • thermodynamic cycles correspond to a unit volume gas, for example 1 m 3 , performing a complete cycle during which it acquires energy in a chamber or a compressor, then restores it in a turbine, or the other enclosure.
  • Said unit volume carries out this thermodynamic cycle in a very short time compared to the complete duration of a storage or restitution cycle, and thus performs hundreds or thousands, even tens of thousands of thermodynamic cycles, that is, that is to say, it goes back so many times in the compressor, the turbine, the pipes and each of the speakers.
  • FIG. 5 illustrates the storage phase described in FIG. 1.
  • the gas coming from the upper part of the second enclosure enters the first compressor 3b at the temperature T2 at the point A. It is compressed and comes out at the temperature T1 at point B. It penetrates the mass of refractory 11 of the first chamber 1, passes through the mass of refractory by yielding its calories, which causes a gradual descent of the temperature front down.
  • thermodynamic cycle of energy recovery detailed in FIG. 6 is as follows.
  • the high temperature gas T1 leaves the first enclosure 1 from above, which corresponds to point B of the diagram.
  • the gas is then turbinated at 4c where it returns the energy to the electric generator (ER) and is found at point A of the diagram at the temperature T2.
  • ER electric generator
  • the gas then passes into the second compressor 4b and emerges at a temperature T4 greater than the desired temperature TO: it then passes into the heat exchanger 6 where it restores the energy quota E4 to the outside, to end up at the temperature TO, therefore at point C of said diagram. Finally, it penetrates low into the first chamber where it recovers energy and heats up to reach the point B of said diagram, which causes a gradual rise of the temperature front 1e upwards, thus a global cooling of said first pregnant.
  • FIG. 7 is shown, on the left in section in side view, the first chamber and the rising edge 1e separating the lower zone at a temperature of about 20 ° C., and the upper part at the temperature of about 1300 0 C.
  • This rising edge corresponds in fact to a transition zone of a height h as detailed in the right graph of the same figure 7.
  • the transition zone moves towards bottom ( Figure 7B), and during the restitution phase it moves upwards ( Figure 7A).
  • the entire first chamber is not completely charged or completely discharged, which corresponds, as detailed in FIG. 7B, to limiting the charge cycle.
  • this transition zone also exists in the second chamber but it corresponds to different temperatures, for example -50 0 C in the lower part, and 500 0 C in the upper part.
  • the percentage of the heat content used corresponds to then at a height ⁇ H 2> said percentage used being preferably substantially identical to that of said first chamber, that is to say 80-90%.
  • a second reason lies in the equality of temperatures T1 and T2 during the 2 storage / recovery phases, obtained by using different turbine-compressor assemblies working with different pressure ratios (P1 / P2 and P'1 / P'2 ).
  • a third reason for the overall good efficiency comes from the fact that during the storage phase the losses of the hot compressor 3b are extracted as heat in the gas. This energy is stored in the refractory of the first chamber 1 as well as the heat pumped from the second chamber. This loss of energy from the hot compressor is largely recovered as useful work during the restitution phase.
  • the fourth reason is the use of regenerators to exchange heat with the gas. It is indeed possible to arrange sets of refractory parts capable of operating at a very high temperature and having a very large exchange surface between the gas and the solids. This makes it possible to approach as well as possible the equality of the temperatures T1 and T2 during the 2 phases.
  • the storage capacity is related to the mass of refractory.
  • the arrangement according to the invention has the advantage that almost all of the mass of refractory is used to play a dual role: storage of heat and heat exchange with the gas.
  • the last reason for the good overall efficiency results from the fact that the cold produced in the expansion of the turbine 3c during the storage phase is also stored in the chamber 2. During the restitution phase this allows the gas to be cooled before the compression by the compressor 4b, which reduces the energy absorbed by the compressor 4b, energy that decreases the energy restored E R.
  • T1 the temperature of the gas at the inlet and T2 that at the outlet.
  • T2 ⁇ T1 and W is then negative (power extracted from the gas).
  • W is positive (power supplied to the gas).
  • the density of the gas is proportional to the molar mass of the gas. However, it is easier to compress or relax a heavy gas than a light gas. The necessary machines are smaller and more economical with heavy gas than with light gas.
  • the molar mass is respectively 40 for argon, 44 for CO2, 84 for krypton, 131 for xenon and 222 for radon.
  • a mono-atomic gas such as helium, neon, argon or other rare gases of higher molar mass.
  • the diatomic gases such as nitrogen and tri-atomic such as air or CO2 are very abundant and cheap, but at high temperature, are aggressive towards the metals constituting the envelope of the speakers, the pipes or the blades of the turbines and compressors, it is therefore advantageously used as gas in the device a neutral gas totally inert vis-à-vis the metal elements of the device, such as helium, neon, argon or other rare gases of higher molar mass.
  • helium, neon and argon are present in ambient air in significant percentages and are available in large quantities at acceptable costs.
  • argon is the most efficient gas for use in the device according to the invention, because it is monoatomic, it is inert at high and very high temperature vis-à-vis the metal components of the device according to the invention and it has a high molar mass and a low acquisition cost.
  • Said first refractory material of the first chamber is, for example, chamotte, also called clay of second cooking ("fire clay") capable of withstanding 1200 0 Cm or a product with a high content of alumina and / or magnesia.
  • the second refractory material in the second enclosure may be first fired clay.
  • the refractory materials 11 are in the form of perforated bricks by parallel channels 5 to 20 mm in diameter and through-through, and arranged to allow the circulation and passage of gas through the channels in the longitudinal direction of the enclosure.
  • the chamotte remains the most economical of all these products, but its maximum temperature remains very much lower than that of the others.
  • E V. Cp. (T - TO) in which E is expressed in joules, V is the heated refractory volume, Cp the heat capacity in J / m3 / K, T the heating temperature and TO the initial temperature before heating.
  • a device of 3000 MWh of capacity capable of storing and restoring a power of 100 MW, corresponding to a load in 40 hours and a restitution in 30 hours consists of:
  • a first cylindrical enclosure 41m in diameter and 20m in height in which 16500 m3 of magnesia is installed, with a porosity of 25%, ie 3700Ot of refractory materials, and a second chamber 48m in diameter and 20m high in which is installed 22500 m3 of chamotte, having a porosity of 35%, or 29500 t of refractory materials, a storage group composed of a 100MW electric motor 3a, a compressor 117MW 3b, a turbine 3c 17MW, a restitution group composed of a generator 4a 100MW 1 of a turbine 4c 156MW, a compressor 4b 56MW.
  • the internal volume of the complete installation, including the connecting pipes, but excluding the volume corresponding to the effective mass of refractory is approximately 35000 m 3 .
  • Part of the gas is confined within the insulating materials that isolate the walls of the speakers hot refractory (about 12000 m3) and only a free volume of 23000 m3 can participate in the flow of gas.
  • the plant is charged with argon before starting at the pressure of 1 bar, ie 2 baras, which corresponds to a volume of 70000Nm 3 of which 46000 Nm 3 can circulate.
  • the pressure is 3 baras in the first chamber P1 and 0.9 baras in the second P2, while during unloading, these pressures are respectively 3.3 (P'1) and 0.6 (P1).
  • the temperature T1 is 1256 ° C. while the temperature T2 is 600 ° C.
  • the gas flow rate in the turbine 3c or the compressor 3b is 193 Nm 3 / s, that is to say at a thermodynamic cycle time according to FIG. 5 of 238 seconds, which corresponds to 600 gas circulation cycles for the duration of a full charge. Similar values are obtained for the unloading cycle.
  • Centrifugal or axial turbines and compressors are generally limited in temperature due to the aggressiveness of the gases resulting from the combustion, but in the device according to the invention, said turbines and said compressors are operated in a closed circuit with a neutral gas such as argon, which allows for these machines operating points at a much higher temperature than in the art prior.
  • a neutral gas such as argon
  • the energy stored in the first and second speakers is not lost except in case of prolonged inactivity of the device in loading and unloading, the losses then taking place to the outside environment, mainly through the insulation 12 of said speakers.
  • the thermal insulation is made with materials having a high porosity, such as ceramic fiber felt or ceramic foams. Calculations show that for the example cited above insulation 2m thick with conventional fibrous materials can limit the loss of energy to less than 1% per day.
  • the large compressor 3b and the large turbine 4c that work at high temperature can advantageously be made with carbon-based materials.
  • This body is mechanically resistant to very high temperatures, up to more than 2000 ° C. It is not usually used to build turbomachines because it oxidizes rapidly in oxidizing gases, such as air or the resulting products. of combustion. This limitation does not intervene here which allows to consider its use.
  • Carbon turbines have already been made experimentally, or for rocket engines whose life is only a few minutes. In this application according to the invention, such turbines or compressors would have no limitation of life. In current machines made with metallic materials, it is necessary to cool the blades by an internal circulation of cold gas which is at the expense of efficiency. Despite this, mobile blades have a limited life due to the phenomenon of creep.
  • two separate heaters 5a-5b have been described, but one and the same heater can be used as long as the routing of the pipes is adapted.

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Abstract

La présente invention concerne une installation de stockage et restitution d'énergie électrique comprenant: deux première et seconde enceintes (1,2) contenant un gaz et des matériaux réfractaires poreux (11) aptes à transférer des calories thermiques par contact entre lesdits matériaux réfractaires poreux et un gaz circulant à travers lesdites enceintes, et des moyens de compression (3b, 4b) et des moyens de détente (3c, 4c) du gaz circulant dans des canalisations entre chacune des extrémités d'une enceinte reliée à une extrémité de l'autre enceinte. La présente invention concerne des procédés de stockage d'énergie électrique sous forme d'énergie thermique dans lequel on utilise une installation selon l'invention et un procédé de restitution d'une énergie électrique (E R) à partir d' une énergie thermique stockée par un procédé selon l' invention. L'énergie électrique est stockée sous forme de chaleur au sein de masses de produits réfractaires, et cette énergie potentielle thermique stockée est restituée sous forme d'énergie électrique.

Description

Installation et procédés de stockage et restitution d'énergie électrique
La présente invention concerne une installation de stockage et restitution d'énergie électrique apte à stocker plusieurs dizaines, voire plusieurs milliers de MWh, ainsi que des procédés de stockage d'énergie électrique sous forme d'énergie thermique dans lequel on utilise une installation selon l'invention et un procédé de restitution d'une énergie électrique à partir d'une énergie thermique stockée par un procédé selon l'invention.
La présente invention concerne le stockage d'énergie à haute température et plus particulièrement le stockage d'énergie électrique, en vue de la restituer sur le réseau électrique lors des pointes de consommation.
La production de courant électrique est réalisée en général par des centrales qui utilisent divers carburants pour produire l'énergie, tel le gaz, le pétrole, le charbon ou le lignite. Un autre moyen consiste à utiliser du combustible nucléaire pour produire de la chaleur qui sera alors transformée en énergie électrique dans des turbines à vapeur à haute pression.
On connaît aussi les énergies renouvelables qui participent pour une part très variable à la production d'électricité selon les pays. On peut citer entre autres l'énergie hydraulique des barrages, les éoliennes, les hydroliennes qui puisent leur énergie des courants marins, ainsi que divers dispositifs qui récupèrent l'énergie de la houle marine, ou encore l'énergie solaire.
Si les installations qui produisent de l'électricité à partir de combustibles ou à partir d'eau retenue dans des barrages peuvent fonctionner de manière continue à puissance nominale ou maximale durant de très longues périodes, les énergies renouvelables sont caractérisées par un fonctionnement intermittent, et leur intégration dans un réseau ne permet en général que de délester une partie des centrales conventionnelles, certaines d'entre elles étant alors soit mise en régime ralenti, soit encore simplement arrêtées, en attente d'une demande de puissance de la part du réseau.
On connaît les diverses techniques utilisant des turbines pour produire de l'énergie mécanique à partir de carburants, tel le gaz ou le pétrole, qui consistent à comprimer un comburant, en général de l'air, puis de le mélanger à un carburant, puis de l'enflammer dans une chambre de combustion, et enfin le diriger vers une turbine de détente en vue de récupérer l'énergie mécanique produite, le compresseur et la turbine de détente étant en général montés en ligne sur le même arbre mécanique. Dans ce type de machine tournante, on recherche un rendement maximal, lequel est fonction du niveau de température d'entrée de la turbine de détente. Les limites de température de fonctionnement sont dues à la tenue en température des aubes de la turbine de détente, en raison du caractère très agressif des gaz de combustion à très haute température, ces derniers étant en général constitués de CO2, de NOx et autre composés agressifs vis-à-vis des alliages constituant les aubes de la turbine.
On connaît aussi les turbines à vapeur qui sont utilisées dans les centrales nucléaires pour convertir l'énergie de l'eau portée à très haute température sous forme de vapeur, en énergie mécanique, puis en énergie électrique au sein de génératrices accouplées en bout d'arbre des turbines à vapeur. Ces turbines à vapeur fonctionnent en circuit fermé avec pour fluide caloporteur, de l'eau en phase vapeur en amont de la turbine et de l'eau liquide en aval de ladite turbine.
On a longtemps recherché à stocker l'énergie, de manière à pouvoir en disposer de manière quasi instantanée lors de pointes de consommation. De nombreuses techniques ont été développées et on peut citer, entre autres, les accumulateurs électriques, en général accumulateurs au plomb, ou le pompage d'eau dans un barrage en altitude, en vue d'être returbinée lors des pointes de demande d'énergie.
Le stockage d'énergie au sein de batteries électrique au plomb est valable pour les petites ou moyennes capacités, mais lorsqu'il faut stocker l'équivalent d'une tranche de centrale nucléaire, c'est-à-dire environ 1200MW sur des périodes de 24 ou 36 heures, les installations requises deviennent alors gigantesques et totalement irréalistes.
Si les barrages constituent un excellent moyen de stocker l'énergie, les sites sont malheureusement en nombre limités et de plus le stockage de très grandes quantités d'énergie nécessite de mobiliser des quantités énormes d'eau qui doivent alors être prélevées sur les quotas disponibles, pour être ensuite relâchées à des périodes ou l'on n'a pas besoin de ces quantités d'eau, par exemple pour l'irrigation, l'eau étant alors plus ou moins gaspillée. Plusieurs sites sont cependant constitués d'un réservoir haut et d'un réservoir bas, en général des lacs de grande capacité et, en période de stockage, on pompe le contenu du lac inférieur vers le lac supérieur, pour le turbiner en sens inverse dès lors que des pointes de consommation nécessitent des appoints de puissance sur le réseau électrique.
Un autre moyen consiste à stocker l'énergie sous forme d'air comprimé, pour la retransformer ensuite en énergie mécanique par le biais de moteurs à pistons, à palettes ou encore de turbines.
On connaît le brevet WO-2005-108758 qui décrit un mode de stockage d'énergie sous forme de chaleur dans une enceinte sous-terraine, la chaleur étant engendrée par la compression d'air initialement à pression atmosphérique et à température ambiante, la température au sein du stockage enterré étant d'environ 700°C. Dans cette application, le gaz, de l'air, circule en circuit ouvert, depuis l'atmosphère libre vers la caverne lors de la phase de stockage, et, depuis la caverne vers l'atmosphère libre lors de la phase de restitution de l'énergie.
Dans un autre domaine technique, on connaît les régénérateurs couramment employés dans les industries du feu, c'est-à-dire dans les hauts fourneaux, dans l'industrie de la céramique et de la terre cuite, dans l'industrie du verre et les cimenteries, qui consistent à envoyer les gaz brûlés chauds dans des grandes tours pour réchauffer des masses réfractaires qu'elles comprennent de manière à récupérer les calories des gaz, avant de relâcher lesdits gaz dans l'atmosphère. Lorsque la température maximale est atteinte au sein des matériaux réfractaires, on arrête la circulation de gaz chaud et l'on envoie à contre courant de l'air frais qui se réchauffe alors au contact des matériaux réfractaires pour être enfin dirigé vers l'entrée des fours, ou au niveau de brûleurs. Ces dispositions permettent de réduire radicalement les pertes de chaleur au sein de processus industriels gros consommateurs en énergie. Le problème posé est de stocker l'énergie électrique de centrales conventionnelles, telles des centrales à charbon, à gaz, à pétrole, ou encore des centrales nucléaires, en vue de pouvoir la restituer très rapidement et en quantité considérable, dans le réseau électrique pendant les périodes de pointe lorsque la demande en énergie dépasse la capacité de production.
De même dans le cas des énergies renouvelables, telles les éoliennes, les hydroliennes, le problème est de pouvoir stocker des quantités d'énergie considérables en période de vent ou de courants importants, correspondant à des surplus de production, en vue de restituer cette énergie en phase de déficit de production, c'est à dire lorsque vent ou courant ne permettent pas de maintenir le niveau de production d'énergie à un seuil minimum.
Pour ce faire, la présente invention consiste essentiellement à stocker des quantités considérables d'énergie électrique sous forme de chaleur au sein de masses de produits réfractaires, le fluide permettant le transfert d'énergie étant un gaz, de préférence un gaz neutre, tel l'argon, puis de restituer cette énergie potentielle thermique stockée, sous forme d'énergie électrique.
Plus précisément, la présente invention fournit une installation de stockage et restitution d'énergie électrique caractérisée en ce qu'elle comprend :
- deux première et seconde enceintes contenant un gaz et des premier et second matériaux réfractaires poreux aptes à transférer des calories thermiques par contact entre lesdits matériaux réfractaires poreux et un gaz circulant à travers lesdites enceintes, et
- un circuit fermé de canalisations permettant la circulation d'un gaz traversant successivement chacune des deux enceintes d'une extrémité à l'autre, et
- des moyens de compression et des moyens de détente du gaz circulant dans lesdites canalisations entre chacune des extrémités d'une enceinte reliée à une extrémité de l'autre enceinte, et
- de préférence, des premiers moyens de chauffages de gaz aptes à chauffer le gaz circulant dans ladite seconde enceinte, et - de préférence encore, des moyens de refroidissement de gaz circulant entre une des extrémités de la première enceinte et desdits moyens de compression et moyens de détente, aptes à refroidir du gaz sortant de ladite première enceinte à cette extrémité avant d'être détendu dans lesdits moyens de détente ou respectivement du gaz entrant dans ladite première enceinte après avoir été compressé par desdits moyens de compression.
On comprend que les deux dites nièmes canalisations supérieures ( ou inférieures) peuvent être soit deux canalisations parallèles assurant la jonction entre les dites turbine / compresseur et une même enceinte soit l'une des deux comporte une canalisation en dérivation de l'autre avant les dites turbine/ compresseur.
Plus particulièrement, selon l'invention une installation de stockage et restitution d'énergie électrique comprend :
- A) une première enceinte calorifugée remplie d'un premier matériau réfractaire poreux apte à être traversée par un gaz circulant à travers la dite première enceinte entre 2 extrémités supérieure et inférieure de la dite première enceinte, et
- B) une seconde enceinte calorifugée remplie d'un second matériau réfractaire poreux apte à être traversée par un gaz circulant à travers la dite seconde enceinte entre 2 extrémités supérieure et inférieure de la dite seconde enceinte, et
- C) des canalisations calorifugées permettant la circulation de gaz en circuit fermé entre les 2 enceintes comprenant des premières et secondes canalisations supérieures entre les extrémités supérieures des deux enceintes et des premières et secondes canalisations inférieures entre les extrémités inférieures des deux enceintes , et
- D) de préférence des premiers moyens de chauffage de gaz aptes à chauffer du gaz à l'intérieur de la dite seconde enceinte, et
- E) des premiers moyens de compression de gaz comprenant un premier moteur électrique apte à être alimenté par une énergie électrique à stocker pour actionner un premier compresseur apte à compresser un gaz provenant de la dite extrémité supérieure de la seconde enceinte par une dite seconde canalisation supérieure pour l'envoyer à la dite extrémité supérieure de la première enceinte par une dite première canalisation supérieure, et
- F) des premiers moyens de détente de gaz comprenant une première turbine, apte à détendre le gaz provenant de la dite extrémité inférieure de la première enceinte par une première canalisation inférieure pour l'envoyer à la dite extrémité inférieure de la seconde enceinte par une seconde canalisation inférieure, et
- G) des seconds moyens de compression de gaz comprenant apte à compresser le gaz provenant de la dite extrémité inférieure de la seconde enceinte par une autre seconde canalisation inférieure pour l'envoyer à ladite extrémité inférieure de la première enceinte par une autre première canalisation inférieure, et
- H) des seconds moyens de détente de gaz comprenant une seconde turbine apte à détendre le gaz provenant de ladite extrémité supérieure de la première enceinte par une autre premières canalisation supérieure pour l'envoyer à ladite extrémité supérieure de la seconde enceinte par une autre seconde canalisation supérieure, lesdits seconds moyens de détente étant aptes à actionner un générateur électrique apte à restituer de l'énergie électrique, et
- I) des moyens de refroidissement de gaz de préférence un échangeur thermique aptes à refroidir du gaz circulant dans desdites premières canalisations inférieures entre d'une part l'extrémité inférieure de la première enceinte et d'autre part les sortie et entrée desdits second compresseur et respectivement première turbine.
De préférence, l'installation de stockage et restitution de l'énergie électrique selon l'invention comprend des seconds moyens de chauffage de gaz aptes à chauffer le gaz circulant dans une dite seconde canalisation supérieure entre l'extrémité supérieure de ladite seconde enceinte et le dit premier compresseur
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'installation selon l'invention : - ladite première turbine est apte à être actionnée par ledit premier compresseur auquel elle est couplée mécaniquement,
- ladite seconde turbine est couplée à un moteur électrique auxiliaire apte à l'actionner, - ledit second compresseur est actionné par la dite seconde turbine à laquelle il est couplé mécaniquement.
Dans un mode préféré de réalisation, l'installation selon l'invention est remplie d'un gaz neutre, de préférence de l'argon.
Comme explicité plus loin, ce gaz argon est avantageux car il s'agit d'un gaz permanent et neutre, donc non corrosif pour les canalisations, gaz monoatomique présentant l'avantage de s'échauffer facilement, donc un taux de compression limité, et un coût réduit compte tenu de son abondance.
Dans des modes de réalisation particuliers, l'installation présente les caractéristiques selon lesquelles : - lesdits première enceinte et premier matériau réfractaire poreux sont capables de résister à une température T1 d'au moins 750°C, de préférence d'au moins 750 à 20000C , de préférence encore de 1000 à 1500°C et
- ladite seconde turbine est dimensionnée pour détendre un gaz à la dite température T1 tandis que ladite première turbine, de moindre capacité que la seconde turbine, est dimensionnée pour détendre un gaz de la température ambiante TO à une température T3 de -80 à -200C, et
- lesdits seconde enceinte et second matériau réfractaire poreux sont capables de résister à une température T2 d'au moins 400°C, de préférence d'au moins 400°C à 10000C , de préférence encore de 500 à 7000C , et - ledit premier compresseur est dimensionné pour compresser un gaz à la dite température T2 tandis que ledit second compresseur, de moindre capacité que le premier compresseur, est dimensionné pour compresser un gaz de la température T3 de -80 à -200C. à la température ambiante.
Plus particulièrement encore, ledit premier compresseur est apte à délivrer un débit volumique plus important que la dite première turbine et la dite seconde turbine est apte à délivrer un débit volumique plus important que ledit second compresseur et lesdits premier compresseur et seconde turbine sont réalisés en carbone.
De préférence, lesdits matériaux réfractaires présentent une capacité calorifique volumique intrinsèque d'au moins 2000 kJ x m"3 x K"1 , de préférence encore au moins 2800 kJ x m"3 x K"1.
Avantageusement, lesdits premier et second matériaux réfractaires poreux présentent une porosité de 20 à 60 %.
Plus particulièrement, lesdits premier et second matériaux réfractaires poreux sont constitués de briques poreuses assemblées les unes contre les autres, de préférence traversées de perforations cylindriques disposées parallèlement dans une même direction longitudinale que la dite enceinte dans laquelle elles sont assemblées, les dites perforations étant de préférence encore de diamètre 5 à 20 mm.
Dans des modes de réalisation particuliers, lesdits premier et second matériaux réfractaires poreux sont constitués d'argile cuite, ou de produits céramique à teneurs élevées en composés choisis parmi les oxydes, magnésie, alumine et chaux.
On peut citer comme matériaux réfractaires les chamotte, magnésie, dolomie, mulite mais aussi carbone.
Plus particulièrement, ledit premier matériau réfractaire poreux est constitué d'argile de seconde cuisson ou chamotte, et ledit second matériau réfractaire poreux est constitué d'argile de première cuisson.
Dans un mode de réalisation particulier, lesdites première et seconde enceintes ont un volume chacune d'au moins 5000 m3, de préférence de 10000 à 45000 m3.
La présente invention fournit également un procédé de stockage d'énergie électrique sous forme d'énergie thermique dans lequel on utilise une installation selon l'invention caractérisée en ce que, après une étape initiale de préchauffage du gaz de ladite deuxième enceinte que l'on chauffe à température T2, ladite installation étant remplie d'un gaz permanent, initialement à température ambiante T0 on réalise les étapes successives dans lesquelles :
1) le gaz sortant de l'extrémité supérieure de la seconde enceinte à une température T2 est chauffé à une température Ti supérieure à une température T2 par compression dans un dit premier compresseur avant d'être envoyé à l'extrémité supérieure de ladite première enceinte, dans laquelle il s'établit une pression P1 supérieure à la pression P2 de la deuxième enceinte, ledit premier compresseur étant entraîné par un premier moteur électrique alimenté par l'énergie électrique à stocker, et
2) le gaz traverse de part en part ladite première enceinte entre ladite extrémité supérieure et sa dite extrémité inférieure et il ressort de ladite extrémité inférieure de la première enceinte à une température ambiante TO ou une température T'1 supérieure à TO mais inférieure à T2, et 3) le gaz est ensuite refroidi le cas échéant à une température ambiante TO grâce à desdits moyens de refroidissement de gaz de préférence du type échangeur de chaleur, en aval de la sortie de l'extrémité inférieure de la première enceinte, et
4) le gaz est ensuite détendu à travers une dite première turbine, de préférence entraînée par ledit premier compresseur, à ladite pression P2 de la seconde enceinte inférieure à la pression P1 , le gaz se trouve ainsi refroidi à une température T3 inférieure à TO avant d'entrer dans ladite seconde enceinte par son extrémité inférieure, et
5) on fait circuler le gaz à travers ladite seconde enceinte entre lesdites extrémités inférieure et supérieure de la deuxième enceinte, ce qui a pour effet d'augmenter le volume de matériau réfractaire de la partie inférieure de ladite seconde enceinte refroidie à la température T3, et de diminuer celui de sa partie supérieure à la température T2 ou T'2 inférieure à T2 mais supérieure à TO et T'1 , et si nécessaire, le cas échéant on réchauffe à la température T2 le gaz sortant de la seconde enceinte à la température T'2 ,à l'aide de seconds moyens de chauffage de gaz et
6) on réitère les étapes 1) à 5) ci-dessus jusqu'à ce que la partie supérieure (1a) de la première enceinte réchauffée à la température T1 occupe au moins 80% du volume de ladite première enceinte, et que la partie inférieure de la seconde enceinte refroidie à la température T3 occupe au moins 80% du volume de la seconde enceinte.
On comprend que à chaque étape 2) lorsque le gaz arrive à la température T1 à l'extrémité supérieure de la première enceinte laquelle se trouve initialement entièrement à la température TO , et que le gaz descend depuis l'extrémité supérieure vers l'extrémité inférieure de la première enceinte, le passage du gaz dans le dit premier matériau réfractaire poreux a pour effet que le gaz cède ses calories au dit premier matériau réfractaire dans la partie supérieure de la première enceinte laquelle se trouve alors réchauffée à la température T1 tandis que sa partie inférieure non réchauffée ou moins réchauffée est à une température T'1 entre TO et T1 , en pratique entre TO et 12. Au fur et à mesure des passages successifs du gaz qui circule en boucle fermée, le front ou plutôt la couche de transition thermique entre les partie supérieure chaude et partie inférieure froide de la première enceinte progresse vers le bas et la partie supérieure à la température T1 occupe un volume de plus en plus important. Parallèlement, à l'étape 5), le gaz arrive à une température froide T3 en bas la deuxième enceinte ce qui a pour effet de céder des frigories au dit second matériau réfractaire poreux et donc refroidir la partie inférieure de la seconde enceinte laquelle passe de la température T2 à la température T3. Et, au fur et à mesure des différents passages le front ou plutôt la couche de transition thermique entre les partie supérieure chaude et partie inférieure froide de la seconde enceinte progresse vers le haut et la partie inférieure à la température T3 occupe un volume de plus en plus important.
L'énergie électrique E1 mise en œuvre pour alimenter en énergie le premier compresseur est donc stockée sous forme d'énergie thermique en calories dans la première enceinte et frigories dans la deuxième enceinte, cette énergie est facteur du gradient T1-T3.
De préférence, on interrompt le stockage de manière à ce que la partie inférieure de la première enceinte à ladite température T'1 représente au moins
10% du volume de la première enceinte, de préférence 10 à 20% du volume de la première enceinte, et/ou la partie supérieure de la seconde enceinte à la température T2 représente moins de 20%, de préférence de 10 à 20% du volume de ladite seconde enceinte.
Selon d'autres caractéristiques particulières avantageuses de la présente invention, on met en œuvre desdits matériaux réfractaires dont les propriétés et les masses sont telles que :
- lesdites températures T1 et T2 sont telles que T1/T2=1 ,5 à 3 et T1/T0 est supérieur à 2, de préférence supérieur à 3 et de préférence encore inférieur à 6 et P1/P2 est de 2 à 4, et - T1 est de 75O0C à 20000C, de préférence de 1000 à 15000C, etT2 est de
400 à 1000 °C, de préférence de 500 à 7000C, et
- les pressions P1 est de 2 à 4 bar absolu ( 2.105 à 4.105 Pa )et P2 est de 0,5 à 1 ,5 bar absolu ( 0.5 à 1.5 105 Pa), et
- TO est de 10° à 50°C et T3 est de -80°C à -2O0C, TT étant le cas échéant de 20° à 150°C.Avantageusement, l'on stocke une quantité d'énergie électrique de
20MWh à 10.000MWh.
La présente invention fournit également un procédé de restitution d'une énergie électrique à partir d'une énergie thermique stockée par un procédé selon l'invention telle que définie ci-dessus, caractérisé en ce que, après une phase initiale de démarrage dans laquelle on actionne ledit second compresseur et dite deuxième turbine avec ledit moteur électrique auxiliaire, au cours de laquelle phase initiale on établit un gradient de pression entre la pression P'1 de la première enceinte et une pression P'2 inférieure à P'1 de la deuxième enceinte, tel que P'1 est supérieure à P'2 , de préférence P'1 étant supérieur à P1 et P'2 étant inférieur à P2 ,on réalise les étapes successives dans lesquelles :
1) le gaz sortant par l'extrémité supérieure de la première enceinte à la dite température T1 est détendu et refroidi à la température T2 à travers la deuxième turbine, et ladite deuxième turbine actionne un dit générateur d'électricité permettant de délivrer une énergie électrique restituée, et 2) le gaz traverse ladite deuxième enceinte depuis son extrémité supérieure jusqu'à son extrémité inférieure, une partie supérieure de la deuxième enceinte étant réchauffée à ladite température T2, une partie inférieure de la deuxième enceinte restant à ladite température T3, et
3) le gaz sortant de l'extrémité inférieure de ladite deuxième enceinte à son extrémité inférieure à la température T3 est ensuite comprimé en passant par ledit deuxième compresseur de préférence actionné par l'énergie libérée par la deuxième turbine, de manière à le réchauffer à une température T4 supérieure à une température ambiante TO et le cas échéant supérieur à T'1 , mais inférieure à T2 en sortie dudit deuxième compresseur, et
4) de préférence, le gaz est ensuite refroidi à la température ambiante TO ou T'1 grâce à des dits moyens de refroidissement avant d'être introduit dans ladite première enceinte par son extrémité inférieure (12) pour rejoindre la partie inférieure de ladite première enceinte qui se trouve à ladite température T'1 , et
5) on fait circuler le gaz à travers ladite première enceinte, ce qui a pour effet d'augmenter le volume de matériau réfractaire de la partie inférieure à ladite température T'1 et de diminuer le volume de matériau réfractaire de la partie supérieure (1a) à ladite température chaude T1 , et
6) on réitère les étapes 1) à 5) ci-dessus jusqu'à ce que la partie inférieure de la première enceinte à ladite température T1 représente au moins 80% du volume de la première enceinte et la partie supérieure de ladite deuxième enceinte à ladite température T2 représente au moins 80% en volume de ladite deuxième enceinte.
On comprend que, pour maintenir dans les enceintes les mêmes températures T1 et T2 que dans le procédé de stockage d'énergie selon l'invention, on doit établir à l'étape initiale un gradient de pression entre les deux enceintes supérieur par rapport au gradient de pression entre les enceintes lors du procédé de stockage selon l'invention.
On comprend que à chaque étape 2) lorsque le gaz arrive à la température T2 à l'extrémité supérieure de la seconde enceinte laquelle se trouve initialement à pas plus de 20 % à la température T2 voire T'2 inférieure à T2 , et que le gaz descend depuis l'extrémité supérieure vers l'extrémité inférieure de la seconde enceinte, le passage du gaz dans le dit second matériau réfractaire poreux a pour effet que le gaz cède ses calories au dit second matériau réfractaire dans la partie supérieure de la seconde enceinte laquelle se trouve alors réchauffée à la température T2 tandis que sa partie inférieure non réchauffée reste à la température T3. Au fur et à mesure des différents passages du gaz, le front ou plutôt la couche de transition thermique entre les partie supérieure chaude et partie inférieure froide de la deuxième enceinte progresse vers le bas et la partie inférieure à la température T3 occupe un volume de moins en moins important. Parallèlement, à l'étape 5), le gaz arrive à une température ambiante TO ou T'1 en bas la première enceinte ce qui a pour effet de céder des frigories au dit premier matériau réfractaire poreux et donc refroidir la partie inférieure de la première enceinte laquelle passe de la température T1 à la température T'1. Et, au fur et à mesure des différents passages du gaz, le front ou plutôt la couche de transition thermique entre les partie supérieure chaude et partie inférieure froide de la première enceinte progresse vers le haut et la partie supérieure à la température T1 occupe un volume de moins en moins important.
L'énergie électrique Ei stockée sous forme d'énergie thermique en calories dans la première enceinte et frigories dans la deuxième enceinte est ainsi convertie en énergie électrique ER à partir de l'énergie mécanique libérée par la dite seconde turbine mise en œuvre lors de la détente et refroidissement du gaz de la première enceinte
De préférence, à l'étape 6), on interrompt le procédé de restitution d'énergie de façon à ce qu'on maintienne une partie supérieure de la première enceinte à une dite température T1 , ladite partie supérieure représentant moins de 20%, de préférence de 10 à 20%, en volume de ladite première enceinte, et/ou une partie inférieure de la deuxième enceinte à ladite température froide T3 représente moins de 20%, de préférence de 10 à 20%, de volume de la deuxième enceinte.
Avantageusement, le rendement de restitution d'énergie électrique par ledit générateur d'électricité ER/Eiest supérieur à 60%, de préférence de 75 à 85%.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses du procédé de restitution d'énergie électrique selon l'invention : caractérisé en ce que - P'1/P'2 est de 3 à 5, et
- T4 est de 150 à 4000C, et - la pression P'1 est de 3 à 5 bar absolu (2.105 à 4.105 Pa) et P'2 est de 1 à 1 ,5 bar absolu (1 à 1.5 105 Pa).
Des avantages et autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui va suivre, en référence aux figures suivantes dans lesquelles :
la figure 1 représente le diagramme fonctionnel d'une installation selon l'invention dans un procédé de stockage d'énergie selon l'invention, c'est-à-dire en phase de rechargement de la première enceinte ou source chaude,
la figure 2 représente le diagramme fonctionnel de l'installation selon l'invention dans une restitution sous forme d'énergie électrique de l'énergie thermique stockée au sein de la première enceinte ou source chaude,
la figure 3 représente en coupe et en vue de côté une enceinte d'une installation selon l'invention avec un arrachement montrant des perforations cylindriques,
les figures 3A et 3B représentent en coupe selon un plan horizontal, deux variantes d'arrangement des éléments de matériaux réfractaires respectivement de forme carrée et hexagonale,
la figure 4 représente un cycle thermodynamique de type gaz parfait, ainsi qu'une compression et une détente d'un gaz réel.
la figure 5 représente le cycle thermodynamique de rechargement de la première enceinte à partir d'une énergie électrique en provenance du réseau.
la figure 6 représente le cycle thermodynamique de restitution de l'énergie en provenance de la première enceinte en vue de sa réinjection dans le réseau.
Les figures 7, 7A et 7B représentent la progression d'une couche de transition thermique de hauteur h au sein d'une dite première enceinte ( figure 7) entre les extrémités supérieure ( figure 7 A) et inférieure ( figure 7 B) . Le dispositif de stockage d'énergie électrique et restitution d'énergie électrique selon l'invention comporte :
- une première enceinte calorifugée 1 , comprenant une paroi en acier de 10 à 100 mm d'épaisseur et remplie d'un premier matériau réfractaire poreux capable de résister à des températures et pressions élevées d'un gaz neutre qu'elle contient, T1 de 1 000 à 1 600 0C, plus particulièrement 1 3000C et P1 de 2 à 5 bara (bar absolu ou 2.105 à 5.105 Pa).
- une deuxième enceinte calorifugée 2, de même volume de 10 000 à 15 000m3 par exemple, comprenant une paroi en acier de 10 à 100 mm et remplie d'un deuxième matériau réfractaire poreux capable de résister aux température T2 et pression P2 du gaz inerte qu'elle contient, à savoir T2 de 500 à 7000C, plus particulièrement environ 6000C.
Lesdites première enceinte 1 et deuxième enceinte 2 sont substantiellement entièrement remplies d'un matériau réfractaire poreux 11 à fort volume calorifique, qui sera décrit plus loin.
Le dispositif comporte des conduites de circulation en circuit fermé entre lesdites première enceinte 1 et deuxième enceinte 2 qui permettent au gaz contenu dans l'installation de traverser chaque enceinte entre deux extrémités opposées 1 i-12 et 2i-22, situées de préférence respectivement au niveau des extrémités haute et basses desdites enceintes.
Les conduites de circulation entre lesdites première et deuxième enceintes comportent en outre des moyens de compression/détente du gaz entre les deux enceintes, explicités ci-après.
Plus particulièrement, lesdites première et deuxième enceintes sont disposées verticalement.
Sur les figures 1 et 2, la première enceinte 1 comprend à son extrémité supérieure 1 i une conduite supérieure 1d, débouchant dans la partie supérieure 1a de la première enceinte, et à son extrémité inférieure 12 une première conduite inférieure 1c débouchant dans la partie inférieure 1 b de la première enceinte 1. De même, la deuxième enceinte 2 comporte à son extrémité supérieure 2i une deuxième conduite supérieure 2d, débouchant dans la partie supérieure 2a de la deuxième enceinte 2, et à son extrémité inférieure 22 une deuxième conduite inférieure 2c débouchant dans la partie inférieure 2b de la deuxième conduite 2.
Lesdites première et deuxième conduites inférieures 1c, 2b, et supérieures
1d, 2d, sont également calorifugées.
Ladite deuxième enceinte 2 est couplée avec un premier réchauffeur 5a, de préférence un réchauffeur comprenant une résistance électrique 5ai et un circuit fermé de canalisation de réchauffement 5a3 entre deux extrémités de la deuxième enceinte, le gaz circulant dans la canalisation de réchauffement 5a3 est réchauffé par ledit premier réchauffeur 5a
Un premier groupe de compression/détente 3 est intercalé entre lesdites première enceinte 1 et deuxième enceinte 2. Ce premier groupe de compression/détente 3 comprend un moteur électrique 3a alimenté par une énergie électrique Ei, permettant d'actionner un premier compresseur dynamique 3b de type axial ou centrifuge, et une première turbine à gaz 3c, elle-même couplée audit premier compresseur 3b, leurs arbres respectifs étant attelés l'un à l'autre comme il sera explicité ci-après.
Ledit premier compresseur 3b est relié en sortie à l'extrémité supérieure ^ ^ de ladite première enceinte 1 par ladite première canalisation supérieure 1d, et ledit premier compresseur 3b est relié à son entrée à l'extrémité supérieure 2i de ladite deuxième enceinte 2 par ladite deuxième canalisation supérieure 2d. Ladite deuxième canalisation supérieure 2d constitue la canalisation d'alimentation du premier compresseur 3b et ladite première canalisation supérieure 1d constituant la canalisation d'évacuation du gaz du premier compresseur 3b après compression en cycle de stockage, comme il sera explicité ci-après.
Un second réchauffeur 5b, de préférence comportant une seconde résistance électrique 5a2, coopère avec ladite deuxième canalisation supérieure 2d, ledit second réchauffeur 5b étant intercalé entre l'extrémité supérieure 2i de la deuxième enceinte 2 et l'entrée du premier compresseur 3b. Ladite première turbine 3c est reliée à l'extrémité inférieure 12 de ladite première enceinte 1 par ladite première canalisation inférieure 1c, et ladite première turbine 3c est reliée à l'extrémité inférieure 22 de ladite deuxième enceinte 2 par ladite deuxième canalisation inférieure 2c. Ladite première canalisation inférieure 1c sert à l'alimentation de ladite première turbine 3c en gaz évacué depuis la partie basse 1b de la première enceinte 1 , et le gaz s'évacuant de ladite première turbine 3c rejoint la partie basse 2b de ladite deuxième enceinte 2 par l'intermédiaire de ladite deuxième canalisation inférieure 2c, lorsque le dispositif fonctionne en cycle de stockage comme il sera explicité ci-après.
Un échangeur de chaleur 6 coopère avec ladite première canalisation inférieure 1c, entre l'extrémité inférieure 12 de ladite première enceinte 1 et ladite première turbine 3c.
Comme explicité sur la figure 2, un deuxième groupe 4, dit groupe générateur d'électricité, est intercalé entre ladite première enceinte 1 et dite deuxième enceinte 2 de la manière suivante. Ledit deuxième groupe générateur d'électricité 4 comporte un deuxième moteur électrique 4d, couplé à une deuxième turbine à gaz 4c et à un deuxième compresseur 4b. Ce deuxième moteur électrique 4d est un petit moteur servant essentiellement à lancer la deuxième turbine 4c lors du démarrage du cycle de restitution/déstockage de l'énergie, comme il sera explicité ci-après.
Le deuxième groupe générateur d'électricité 4 comporte un alternateur électrique 4a, attelé à l'arbre de sortie de ladite deuxième turbine à gaz 4c et dudit deuxième compresseur 4b, de façon à restituer une énergie électrique ER lorsque lesdites deuxième turbine 4c et deuxième compresseur 4b sont activés, comme il sera explicité ci-après, dans un cycle de déstockage d'énergie.
Ladite deuxième turbine 4c est alimentée en gaz par une conduite 1d' dérivée de ladite première conduite supérieure 1d (encore appelée première conduite de dérivation supérieure 1d'), ou une conduite parallèle à ladite première conduite supérieure, assurant la liaison entre l'extrémité supérieure ^ ^ de la première enceinte 1 et la deuxième turbine 4c. Et, le gaz détendu sortant de ladite deuxième turbine 4c, lorsque le dispositif fonctionne en cycle de déstockage, est évacué vers l'extrémité supérieure 2^ de la deuxième enceinte 2 par l'intermédiaire d'une conduite 2d' dérivée de la deuxième conduite supérieure 2d (encore appelée deuxième conduite de dérivation supérieure 2d'), ou par une conduite parallèle à ladite deuxième conduite supérieure, assurant ainsi la liaison entre l'extrémité supérieure 2-ι de la deuxième enceinte et la deuxième turbine 4c.
Ledit deuxième compresseur 4b est alimenté en gaz par une conduite dérivée 2c' de ladite deuxième conduite inférieure 2c (encore appelée deuxième conduite inférieure de dérivation 2c') ou une conduite parallèle à celle-ci assurant ainsi la liaison entre l'extrémité inférieure 22 de la deuxième enceinte et le deuxième compresseur 4b. Et, le gaz est évacué dudit deuxième compresseur 4b en direction de l'extrémité inférieure 12 de ladite première enceinte 1 , par l'intermédiaire d'une conduite 1c' dérivée de ladite première conduite inférieure 1c (encore appelée première conduite inférieure de dérivation 1c'), ou une conduite parallèle à ladite première conduite inférieure 1c, assurant la liaison entre l'extrémité inférieure 12 et ledit deuxième compresseur 4b.
La deuxième conduite inférieure de dérivation 2c' assure la liaison entre le deuxième compresseur 4b et la deuxième canalisation inférieure 2c avant que cette dernière n'arrive à ladite première turbine 3c. La première conduite supérieure de dérivation 1d' assure la liaison entre la deuxième turbine 4c et la première conduite supérieure 1d avant que cette dernière n'arrive audit premier compresseur 3b. La deuxième conduite supérieure de dérivation 2d' assure la jonction entre la deuxième turbine 4c et la deuxième conduite supérieure 2d entre ledit deuxième réchauffeur 5b et ledit premier compresseur 3b. La première conduite inférieure de dérivation 1c' assure la liaison entre le deuxième compresseur 4b et la première conduite inférieure 1c entre ledit échangeur de chaleur 6 et ladite première turbine 3c.
Les enceintes 1 et 2 sont remplies d'un matériau réfractaire poreux 11 , permettant au gaz de circuler à travers lesdites enceintes de part en part entre leurs extrémités supérieure 1-ι-2i et inférieure i2-22. Les matériaux réfractaires poreux mis en œuvre dans les première et deuxième enceintes présentent une porosité (pourcentage de vide) de 20 à 60%, ce qui constitue un bon compromis entre un échange thermique suffisant entre le gaz et les matériaux réfractaires d'une part, et d'autre part, une perte de charge suffisamment faible, tout en conservant une vitesse de circulation suffisamment élevée à travers ledit matériau poreux. En effet, en opération, le dispositif selon l'invention est entièrement rempli de gaz neutre, de préférence d'argon, à savoir les circuits de canalisation mentionnés ci-dessus, les turbines et compresseurs, les réchauffeurs, ainsi que lesdites première et deuxième enceintes.
Sur la figure 3 on a représenté en coupe et en vue de côté une enceinte comportant une enveloppe externe métallique étanche 13, un système d'isolation interne 12 disposé contre la paroi de l'enveloppe externe métallique 13 et un empilement de blocs ou briques de matériaux réfractaires 11 présentant des canaux verticaux H 1 sous la forme de perforations, de préférence à section circulaire de diamètre de 5 à 20 mm, les traversant intégralement et agencés de manière sensiblement uniforme, plan par plan, sur toute la section horizontale de ladite première enceinte, comme détaillé sur les figures 3A et 3B.
Les canaux 1 I 1 de différents blocs 11 superposés sont alignés les uns par rapport aux autres de manière à permettre la circulation du gaz dans la direction longitudinale ZZ de l'enceinte 1 , 2 entre les deux extrémités opposées de l'enceinte sans obstacle entre les canaux de différents blocs disposés de façon superposée dans la même direction longitudinale ZZ. Une structure de supportage largement ajourée 14, située en partie basse de ladite enceinte, permet de répartir les gaz entrant ou sortant par les conduites inférieures calorifugées attenantes 1c, 2c, de manière sensiblement uniforme sur toute la section de ladite enceinte et de les diriger ainsi de manière optimale, donc avec un minimum de pertes de charges, vers les canaux 1 I 1 traversant verticalement lesdits blocs de matériaux réfractaires 11 en cas d'alimentation par le bas. De même, des espaces vides 15 sont prévus en partie haute des enceintes, de manière à permettre une bonne répartition du gaz lorsque les enceintes sont alimentées en gaz par le haut. Dans la figure 3, les gaz arrivent par le bas et sortent dans la partie haute de ladite enceinte, ce qui correspond à la phase de stockage pour la deuxième enceinte et la phase de restitution pour la première enceinte, comme explicité ci-après. La figure 3A est une coupe horizontale partielle en vue de dessus selon le plan AA de la figure 3. Les blocs de matériaux réfractaires 11 sont carrés et perforés de multiples trous cylindriques circulaires parallèles selon la direction verticale ZZ perpendiculaire au plan de la figure. Les blocs sont avantageusement espacés les uns des autres, par exemple de e=5mm, de manière à ce que la dilatation desdits blocs, lors des changements de température, puisse se faire sans dommages, dans l'épaisseur dudit espace interstitiel, et que ce dernier puisse aussi servir, le cas échéant, de canal vertical de passage du gaz depuis le bas de l'enceinte vers le haut de l'enceinte. Les blocs de matériaux réfractaires 11 sont avantageusement en contact direct avec la paroi de l'enceinte, au niveau de l'isolation 12 de ladite enceinte, de manière à limiter les passages directs et incontrôlés des gaz chauds ou froids dans cette zone. Dans une première version de l'invention, les blocs dans les plans successifs de blocs de matériaux réfractaires sont avantageusement décalés les uns des autres d'un demi module ou demi bloc en quinconce, de manière à assurer une stabilité d'ensemble au sein de ladite enceinte, comme représenté sur la figure 3. Dans une version préférée de l'invention, les blocs sont empilés verticalement les uns sur les autres sur toute la hauteur de l'enceinte, pour constituer des chandelles indépendantes les unes des autres et distantes de 5 à 10 mm en toutes directions, ce qui autorise les dilatations lors des cycles de stockage-restitution, tout en évitant les risques d'usure au niveau des plans horizontaux AA lors desdits cycles de stockage- restitution, lorsqu'ils sont montés en quinconce comme détaillé sur la figure 3.
Sur la figure 3b, on a représenté des blocs réfractaires 11a de section hexagonale, à proximité de la paroi isolante d'une enceinte de forme cylindrique. Le raccordement avec la paroi isolante se fait soit par contact direct de l'arête d'un bloc, soit par une forme de bloc isolant 12a adaptée à la courbure, ou encore par bourrage d'un matériau isolant 12a, par exemple du même type que l'isolant 12 de ladite enceinte, soit encore par une forme de bloc réfractaire 12b adaptée à la courbure.
Des vannes de dérivation V1 à V4 sont prévues aux jonction entre les :
- première conduite supérieure 1d et première conduite supérieure de dérivation 1d' : Vi, - deuxième conduite supérieure 2d et deuxième conduite supérieure de dérivation 2d' : V2,
- première conduite inférieure 1c et première conduite inférieure de dérivation 1c' : V3, - deuxième conduite inférieure 2c et deuxième conduite inférieure de dérivation 2c' : V4,
Comme explicité ci-après en liaison avec les figures 1 et 2, on peut faire fonctionner uniquement ledit premier groupe compresseur 3 (premier compresseur 3b et première turbine 3c) en déconnectant ledit deuxième groupe générateur d'électricité 4 pendant un cycle de stockage d'énergie ou, inversement, on peut déconnecter ledit premier compresseur 3 et ouvrir lesdites conduites de dérivation pour faire fonctionner ledit deuxième compresseur 4 pendant un cycle de déstockage d'énergie.
Le dispositif selon l'invention peut, en effet, fonctionner selon deux modes différents, à savoir :
- un premier mode, avec des cycles de stockage ou chargement, et
- un deuxième mode, avec des cycles de restitution d'énergie ou cycles de déstockage d'énergie.
Le mode de chargement ou stockage d'énergie fonctionne de la manière suivante. Initialement, le gaz inerte, tel que l'argon est chargé dans le dispositif, à savoir dans les deux enceintes, les turbines et compresseurs, et les canalisations ; il est à température ambiante, par exemple T=20°C.
Sur la figure 1 , on a représenté le dispositif en phase de stockage d'énergie ou rechargement d'énergie dans la première enceinte 1.
Initialement, l'installation complète est à la température ambiante TO de 10 à 2O0C, le gaz contenu dans les enceintes et canalisations étant donc à cette dite température ambiante TO et les deux enceintes sont à une même pression initiale liée à la pression de chargement, par exemple de 1 à 1 ,2 bara (bar absolu). On réchauffe alors la masse de matériaux réfractaires à l'intérieur de la seconde enceinte 2 jusqu'à une température T2 de 6000C. Pour ce faire, on fait circuler en boucle fermée le gaz de la deuxième enceinte entre ses extrémités supérieure 2i et inférieure 22 que l'on réchauffe à l'extérieur de l'enceinte à l'aide du premier réchauffeur 5a, qui chauffe le gaz à l'intérieur de la canalisation de réchauffement 5a3 assurant la boucle entre les extrémités inférieure 22 et supérieure 2i de la seconde enceinte à l'extérieur de celle-ci. On fait circuler le gaz dans la canalisation de chauffage 5a3 grâce à un ventilateur 5a5 et le premier réchauffeur 5a comprend une première résistance 5a-ι. Une vanne 5a4 permet d'isoler le premier réchauffeur 5a lorsqu'il est hors service en fin de préchauffage initial, évitant ainsi les transferts et recirculation indésirables de gaz en cycle normal.
Lorsque toute la masse de matériaux réfractaires dans la deuxième enceinte 2 est portée à la température T2 de 6000C, on ferme la vanne 5a4 et on envoie le gaz par l'intermédiaire de la seconde conduite supérieure 2d dans le premier compresseur 3b, de manière à le réchauffer à la température T1 de 1200 à 1400°C, par exemple 1300°C en sortie dudit premier compresseur. Un gradient de pression s'établit entre les deux enceintes, la première enceinte étant portée à la pression P1 de 2 à 4 baras (bar absolu, 2.105 à 4.105 Pa ) et la pression P2 dans la deuxième enceinte étant réduite à environ 1 bara (1.105 Pa).
Dans la première enceinte, la partie supérieure 1a de matériau réfractaire tend donc vers la température T1 de 13000C tandis que la partie inférieure 1b s'établit à une température T'1 de 20 à 1000C.
En sortie à l'extrémité inférieure 12 de la première enceinte, le gaz doit être détendu par la première turbine 3c pour être rétabli à la pression P2 de la deuxième enceinte avant d'être réintroduit dans la deuxième enceinte, détendu et refroidi à une température T3 en bas de la deuxième enceinte. Dans la mesure où l'énergie stockée par le système est liée au gradient de température T1-T3, on a intérêt à établir une température T3 la plus basse possible. Pour ce faire, on a intérêt à introduire et rentrer dans la première turbine 3b un gaz à une température la plus basse possible. C'est pourquoi en sortie à l'extrémité inférieure 12 de la première enceinte, on refroidit le gaz de la température T'1 à la température TO de 10 à 20°C à l'aide d'un échangeur 6 avant de l'introduire dans la première turbine 3c.
Au fur et à mesure des différents cycles de circulation du gaz lors du fonctionnement en mode de stockage, la partie supérieure 1a de matériaux réfractaires de la première enceinte chaude à la température T1 de 13000C occupe un volume de plus en plus important de l'enceinte, c'est-à-dire que le gaz chaud introduit à l'extrémité supérieure 1 i de la première enceinte 1 cède ses calories auxdits matériaux réfractaires et réchauffe un volume de plus en plus important de matériau réfractaire de la première enceinte. Un front 1e qui correspond en fait à une zone de transition de température est schématisé par une ligne sur les figures 1 et 2. Les parties supérieure 1a chaude à la température T1 et inférieure 1b froide à la température T'1 de 20 à 1000C, se déplacent progressivement vers le bas au fur et à mesure des cycles de circulation du gaz lors du stockage. Inversement, la partie inférieure 2b de la deuxième enceinte à la température T3 d'au moins -80 à -200C occupe un volume de plus en plus important de l'enceinte 2. Le front 2e schématisant une ligne de séparation qui est en fait une zone de transition entre la partie inférieure 2b à la température T3 et une partie supérieure 2a à la température T2, se déplace progressivement vers le haut au fur et à mesure des différents cycles de circulation du gaz.
Le premier compresseur 3b est actionné par un moteur électrique 3a qui consomme une énergie électrique E-i. La première turbine 3c est couplée au premier compresseur 3b à l'arbre duquel elle est attelée, de sorte que la première turbine 3c fournit de l'énergie au premier compresseur 3b en complément à l'énergie fournie par le premier moteur 3a.
Au cours des cycles successifs de circulation du gaz en mode de stockage d'énergie, la température de la partie supérieure 2a de la deuxième enceinte a tendance à diminuer à une température T'2 inférieure à T2, c'est-à-dire en dessous de 600°C par exemple, de 300 à 450°C.
Pour pallier cette baisse de température de la partie supérieure 2a de la deuxième enceinte, on réchauffe avantageusement le gaz sortant à l'extrémité supérieure 2\ de la deuxième enceinte à l'aide d'un second réchauffeur 5b comprenant une deuxième résistance 5a2 permettant de chauffer le gaz circulant dans la conduite supérieure 2d pour le maintenir à une température T2 de 600 0C avant qu'il n'arrive dans le premier compresseur 3b. De même, on règle le moteur 3a de manière à maintenir la température de sortie du premier compresseur 3b à la température T1 constante de l'ordre de 13000C.
Pendant toute la durée des différents cycles de stockage d'énergie, on mesure la température du gaz en entrée du second réchauffeur 5b et on ajuste en temps réel la quantité d'énergie électrique E2 injectée par seconde dans le second réchauffeur 5b pour porter le gaz à la température sensiblement constante T2. La puissance injectée dans l'installation pendant ces cycles de stockage correspondra donc à l'énergie électrique Ei alimentant le premier moteur électrique 3a, additionnée de l'énergie électrique E2 alimentant le second réchauffeur 5b.
Comme mentionné précédemment lors des cycles de stockage d'énergie, il est nécessaire de refroidir le gaz sortant à l'extrémité inférieure 12 de la première enceinte pour diminuer sa température jusqu'à la température TO avant de le détendre dans la première turbine 3c. Ceci se fait à l'aide de l'échangeur 6. L'échangeur de chaleur 6 est alimenté par un fluide de refroidissement tel que de l'eau ou de l'air froid à 10-200C pour refroidir le gaz sortant de la première enceinte à la température T'1 de 20 à 1000C et le porter à la température TO de 10 à 200C. Le fluide de refroidissement de l'échangeur 6 sort de l'échangeur 6 en 6d à une température de 50 à 1000C selon le débit d'air ou d'eau de refroidissement. L'échangeur thermique 6 libère donc une énergie thermique E3 sous forme d'eau réchauffée à 50-1000C. Cette énergie thermique E3 est une énergie qui ne peut pas être stockée dans le système, mais qui peut être récupérée soit au sein d'une pompe à chaleur ou encore servir dans des processus industriels ou encore pour du réchauffage urbain. E3 constitue donc, lors d'un cycle complet de stockage, une perte qui affecte le rendement global du dispositif.
Pour stabiliser le système et optimiser son fonctionnement lors de la succession des différents passages du fonctionnement en mode de stockage au fonctionnement en mode de restitution d'énergie, il est préférable d'interrompre le stockage avant que la première enceinte soit entièrement portée à la température T1 ou que la deuxième enceinte soit entièrement portée à la température T3.
En pratique, on maintient dans la première enceinte une partie inférieure 1b représentant 10 à 20% du volume total de l'enceinte qui reste à la température T'1 de 20 à 1000C. Parallèlement, on maintient une partie supérieure 2a de la deuxième enceinte à la température T2 ou proche de la température T2, c'est-à- dire que l'on interrompt le stockage lorsque la partie inférieure 2b de la deuxième enceinte à la température de -80 à -200C représente 80 à 90% du volume de la deuxième enceinte.
Ce volume de 10 à 20% correspond en fait au volume de la couche de transition thermique de hauteur a décrite plus loin en référence aux figures 7.
Sur la figure 2, on a représenté le cycle de restitution d'énergie stockée au sein de la première enceinte 1 , sous forme d'énergie électrique Er.
Lorsque le chargement de la première enceinte 1 est terminé, on arrête le premier moteur 3a, on actionne les différentes vannes Vi à V4, pour alimenter le deuxième groupe 4 avec lesdites première conduite et deuxième conduite supérieures de dérivation 1d', 2d', et première conduite et deuxième conduite inférieures de dérivation 1c', 2c', les premier compresseur 3b et première turbine 3c n'étant plus alimentés en gaz.
Initialement, en fin de phase de chargement, lorsque le premier moteur 3a est interrompu, le gaz est immobile et la pression est équilibrée dans les deux enceintes 1 et 2, à une valeur intermédiaire de 1 ,5 à 2,5 bara (1 ,5.105 à 2, 5.105 Pa).
Pendant une phase de démarrage du mode de fonctionnement en cycle de restitution de déstockage d'énergie, on actionne un petit moteur électrique 4d qui actionne la deuxième turbine 4c ainsi que le deuxième compresseur 4b qui lui est couplé, de manière à ce que s'établisse un gradient de pression entre les deux enceintes 1 et 2 respectivement avec une pression P'1 supérieure à P1 dans la première enceinte 1 et une température P'2 inférieure à P2 dans la deuxième enceinte 2.
En effet, lors du démarrage, le deuxième compresseur aspire le gaz en provenance de la seconde enceinte et l'envoie dans la première enceinte, ce qui augmente la pression dans ladite première enceinte, alimentant ainsi en gaz la deuxième turbine, pour revenir enfin dans la seconde enceinte et continuer son cycle de circulation. Dès que la turbine atteint sa vitesse propre, on arrête d'alimenter le petit moteur électrique 4d.
En fonctionnement établi, la deuxième turbine 4c aspire le gaz de la partie supérieure de la première enceinte vers la deuxième enceinte en réalisant un refroidissement et une détente du gaz. Pour optimiser le fonctionnement de l'installation, il est souhaitable que le gaz en sortie de la deuxième turbine 4d arrive sensiblement à la même température T2 que la température du gaz en partie supérieure de l'enceinte 2 en fin de cycle de stockage. Pour ce faire, les pertes au niveau des turbine et compresseur sont telles que P'1/P'2 > à P1/P2. En pratique, P'1 est de 3 à 5 baras et P'2 de 1 à 1 ,5 baras.
Lorsque le gradient de pression P'1 / P'2 est établi, on coupe le moteur 4d. Le gaz dans la partie inférieure 2b de la deuxième enceinte est à la température T3 de -80 à -2O0C qui était sa température en fin de cycle de stockage. Et le gaz est convoyé en direction du deuxième compresseur 4b afin d'y être recomprimé à la pression P'1. Il est concomitamment réchauffé à la température T4, laquelle température T4, à cause des pertes du deuxième compresseur est supérieure à la température TO. Typiquement T4 est de l'ordre de 100-1500C.
Le gaz à la température T4 supérieure à TO en sortie du deuxième compresseur 4b doit donc être refroidi à la température T'1 à l'aide de l'échangeur thermique 6 avant d'être envoyé à l'extrémité inférieure 12 de la première enceinte 1 , dont la partie inférieure 1 b se trouve à la température T'1 de 20 à 120°C.
Le refroidissement du gaz en sortie du deuxième compresseur 4b lors du cycle de déstockage a pour effet qu'une énergie thermique E4 est perdue par réchauffement du liquide de refroidissement. Mais, ce refroidissement du gaz de la température T4 à T'1 permet de faciliter, pendant les cycles de stockage d'énergie, le refroidissement du gaz en sortie de l'extrémité inférieure I 1 de la première enceinte de la température T'1 jusqu'à la température TO en aval de l'échangeur thermique afin que le gaz arrive à température ambiante TO, en entrant dans la première turbine 3c lors des cycles de stockage d'énergie. Globalement, la perte de l'énergie thermique E4 lors des cycles de déstockage est compensée par une perte d'énergie thermique E3 au niveau de l'échangeur 6 moins importante lors des cycles de stockage. Les énergies thermiques E3 + E4 correspondent globalement aux pertes de l'installation liées au gradient T4-T0 et dues aux pertes au niveau des compresseurs et turbines.
L'énergie restituée par le système ER correspond à l'énergie libérée par la deuxième turbine 4c qui actionne un générateur-alternateur électrique 4a qui permet de restituer de l'énergie sous forme d'électricité. Globalement, ER correspond plus précisément à l'énergie libérée par la deuxième turbine 4c diminuée de l'énergie consommée par le deuxième compresseur 4b qui lui est couplé. D'autre part, le rendement global de l'installation entre les cycles de stockage et déstockage s'écrit de la manière suivante : ER = Ei+E2-(E3+E4)-E5 . E5 représentant les pertes à travers l'isolation des enceintes, des conduites, des turbines et compresseurs et des divers accessoires.
Les pertes E3+E4+E5 représentent 15 à 25% par rapport aux énergies
E1 +E2 fournies, le rendement global de l'installation et du procédé de restitution d'énergie étant donc de 75 à 85%.
Pour optimiser le rendement énergétique de l'installation, il est avantageux de ne pas réchauffer complètement la première enceinte à la température T1 en fin de cycle de stockage, de manière à conserver une couche de transition thermique dans la partie inférieure 1 b à température TO ou T'1 , et conserver une couche de transition thermique dans la partie supérieure 2b de la deuxième enceinte à la température T2. De même, lors des cycles de restitution d'énergie en fin de cycle, on arrête le déstockage avant que la première enceinte ne soit complètement refroidie et la deuxième enceinte ne soit complètement réchauffée de manière à conserver une couche de transition thermique dans la partie supérieure 1a correspondant à 10 à 20% du volume de l'enceinte qui reste à la température T1 , et concomitamment, une couche de transition thermique dans la partie inférieure 2b de la deuxième enceinte qui reste à la température T3, cette couche représentant également 10 à 20% du volume de la deuxième enceinte.
Cette couche de transition thermique dans la partie supérieure 2b de la deuxième enceinte à température T2 facilite le rétablissement du gradient de pression entre les deux enceintes P'1/P'2 en début de cycle de restitution d'énergie correspondant aux mêmes températures T1/T2 respectivement dans les première/deuxième enceintes.
Le maintien d'une couche de transition thermique à une extrémité des première et deuxième enceintes en fin de cycle de stockage et en fin de cycle de restitution est aussi avantageux en termes de rendement énergétique global de l'installation. En effet, si l'on voulait réchauffer entièrement la première enceinte en fin de cycle de stockage, le gaz sortant à l'extrémité inférieure 1 i de la première enceinte pendant le réchauffement du volume correspondant à la couche de transition thermique à l'extrémité inférieure de la première enceinte, sortirait à une température supérieure à la température T'1 , ce qui impliquerait une énergie de refroidissement E3 supérieure et donc des pertes énergétiques supérieures.
Parallèlement, si en fin de cycle de restitution, on voulait réchauffer entièrement l'extrémité inférieure 22 de la deuxième enceinte, le gaz sortant à l'extrémité inférieure 22 de la deuxième enceinte sortirait à une température supérieure à T3 et arriverait en aval de l'échangeur thermique 6 à une température T4 augmentée, ce qui impliquerait une énergie thermique de refroidissement E4 supérieure et donc des pertes énergétiques là encore supérieures.
En outre, le maintien d'une partie inférieure 1 b à la température T'1 en fin de stockage et une partie supérieure 2a à la température T2 dans la deuxième enceinte en fin de stockage facilite le démarrage du cycle de restitution, lequel nécessite une mise en œuvre du moteur 4d pendant un temps plus réduit pour établir un fonctionnement stable avec les gradients de température T1 et T2 dans les première et deuxième enceintes respectivement aux pressions P'1 et P'2 lors de la restitution. De même, le maintien d'une couche supérieure 1a chaude à la température T1 dans la première enceinte en fin de restitution et le maintien d'une couche inférieure froide 2b à la température T3 en fin de cycle de restitution, facilite le démarrage du cycle de stockage ultérieur, en diminuant l'énergie électrique E2 nécessaire pour maintenir le gaz entrant dans le premier compresseur 3b à la température T2.
Les dimensionnements des premier compresseur 3b / première turbine 3c mis en œuvre pendant les cycles de stockage, et deuxième compresseur 4b / deuxième turbine 4c pendant les cycles de déstockage, sont radicalement différents compte tenu des températures différentes auxquelles ils sont soumis. En effet, le volume d'un gaz augmentant avec sa température, les compresseur et turbine fonctionnant avec des gaz entrant à température élevée devront être de taille plus importante. C'est pourquoi lors de la phase de stockage, le premier compresseur 3b est un gros compresseur puisqu'il fonctionne à température T1 de 1300°C, tandis que la première turbine 3c qui fonctionne à température T3 d'environ -500C sera une petite turbine. Inversement, lors des cycles de déstockage, le deuxième compresseur 4c qui fonctionne à température T3 de - 500C sera un petit compresseur tandis que la deuxième turbine 4c qui fonctionne à température T1 d'environ 1300°C sera une grosse turbine. Il y a lieu de relever que la mise en œuvre d'une première petite turbine 3c pendant la phase de stockage facilite son entraînement par le premier gros compresseur 3b. De même, la mise en œuvre d'un petit deuxième compresseur 4b réduit les pertes énergétiques et l'énergie ER correspond à l'énergie libérée par la deuxième turbine 41 c diminuée de l'énergie consommée par le deuxième compresseur 4b. Il y a donc un intérêt supplémentaire à mettre une température T3 la plus basse possible en entrée du deuxième compresseur 4b pour également diminuer la consommation d'énergie affectant le rendement global énergétique du système.
La mise en œuvre d'un refroidissement à la fois lors des cycles de stockage d'énergie et de déstockage d'énergie en aval de l'extrémité inférieure de la première enceinte lors du stockage d'énergie et en amont de l'extrémité inférieure de la première enceinte lors de la restitution d'énergie, à l'aide d'un même échangeur thermique, permet de diminuer la taille de l'échangeur thermique en comparaison d'un mode de réalisation dans lequel on ne refroidirait pas, par exemple lors des cycles de restitution d'énergie, le gaz dans un échangeur thermique en aval de l'extrémité inférieure de la première enceinte.
Au fur et à mesure du déroulement successif des cycles de circulation du gaz lors de la phase de restitution d'énergie, le front 1e séparant la partie inférieure 1 b froide à T'1 et la partie supérieure 1a chaude à T1 de la première enceinte se déplace progressivement vers le haut, tandis que le front 2e séparant la partie supérieure chaude 2a à température T2 de la partie inférieure 2b froide à température T3 de la deuxième enceinte se déplace progressivement vers le bas.
On notera que la mise en service de l'échangeur 6 sur le circuit de retour du gaz entre le deuxième compresseur 4b et la partie inférieure de la première enceinte 1 , d'une part et, d'autre part, le fonctionnement de la deuxième turbine 4c sont ajustés de manière à maintenir lesdites températures T1 et T2 à des valeurs constantes respectivement, par exemple de 1 3000C et 500°C, pendant tout le cycle de restitution d'énergie.
Il y a lieu également d'observer que, selon une caractéristique originale de la présente invention essentielle, les températures T1 et T2 sont constantes et identiques sur les cycles de chargement/stockage et déchargement/restitution d'énergie.
Sur la figure 4, on a représenté un graphique correspondant à un cycle thermodynamique dans lequel les abscisses représentent les volumes et les ordonnées représentent les pressions absolues (bara). On a représenté quatre isothermes correspondant respectivement à :
- TO (température ambiante de 200C), - T1 (température première enceinte : 13000C),
- T2 (température chaude seconde enceinte : 60O0C)1
- T3 (température froide seconde enceinte : -800C /-200C).
Entre les points A et B, on a représenté un cycle de compression-détente adiabatique d'un gaz parfait selon la loi : PVY = constante, entre les températures T1 et 12. Pour une machine réelle, le comportement est différent et, dans le cas d'une compression adiabatique entre T2 et T1 , la courbe suivie est AB1 , qui montre que la température T1 sera atteinte pour une pression Pb1 inférieure à Pb et un volume Vb1 supérieur à Vb. De même, dans une détente adiabatique, la température T2 est atteinte pour une pression Pa1 inférieure à Pa et un volume Va1 supérieur à Va.
Il convient de noter que pour une gestion efficace de la chaleur dans les 2 enceintes, il importe qu'au niveau de la partie haute de chacune de ces enceintes le gaz soit à des températures sensiblement identiques lors de la phase de stockage et lors de la phase de restitution. Pour expliciter ce point, considérons par exemple la partie haute de la première enceinte. Durant la phase de stockage, le gaz chaud pénètre depuis le haut dans le stock de réfractaires. La température des solides ne peut pas dépasser celle du gaz mais seulement s'en approcher au mieux. Durant la phase de restitution, la température du gaz qui sort en partie haute du stock de matériaux réfractaires de la première enceinte peut au mieux être égale à celle desdits matériaux réfractaires. On peut faire des remarques identiques pour la seconde enceinte. Or, dans le but d'obtenir le meilleur rendement possible il importe au niveau de la première enceinte, que toute la chaleur du gaz injectée durant la phase de stockage soit exploitée au mieux durant la phase de restitution, et au niveau de la seconde enceinte que toute la chaleur récupérée du gaz durant la phase de stockage soit réutilisée au mieux durant la phase de restitution. Autrement dit, on a intérêt à rechercher des températures T1 et T2 qui soient aussi voisines que possible (idéalement identiques) lors des phases de stockage et de restitution.
On vient de voir sur la figure 4 que si on vise les mêmes températures T1 et T2 lors d'une détente ou d'une compression avec des machines réelles, les rapports des pressions sont différents. Ceci signifie que les rapports des pressions des ensembles turbine-compresseur utilisés lors des phases de stockage et de restitution doivent être différents. Par exemple sur la figure 4, lors du stockage la pression haute est Pbi et la pression basse P3, alors que durant la phase de restitution la pression haute est Pb et la pression basse Pa-ι. Dans les figures 5 et 6, on a représenté les cycles thermodynamiques correspondant respectivement aux cycles de stockage et de restitution de l'énergie dont les installations et procédés sont décrits en liaison avec les figures 1 et 2. Ces cycles thermodynamiques correspondent à un volume unitaire de gaz, par exemple 1 m3, effectuant un cycle complet durant lequel il acquiert de l'énergie dans une enceinte ou un compresseur, puis le restitue dans une turbine, ou l'autre enceinte. Ledit volume unitaire effectue ce cycle thermodynamique en un temps très court par rapport à la durée complète d'un cycle de stockage ou de restitution, et effectue ainsi des centaines ou des milliers, voire des dizaines de milliers de cycles thermodynamiques, c'est-à-dire repasse autant de fois dans le compresseur, la turbine, les conduites et chacune des enceintes.
La figure 5 illustre la phase de stockage décrite dans la figure 1. Le gaz en provenance de la partie haute de la seconde enceinte entre dans le premier compresseur 3b à la température T2 au point A. Il est comprimé et ressort à la température T1 au point B. Il pénètre la masse de réfractaire 11 de la première enceinte 1 , traverse la masse de réfractaire en cédant ses calories, ce qui engendre une descente progressive du front de température vers le bas. le gaz ressort en partie basse de ladite première enceinte en 6a à une température de l'ordre de 20/1000C, puis passe dans l'échangeur 6 où il cède à l'extérieur l'énergie E3 pour ressortir dudit échangeur à une température sensiblement constante TO correspondant à la température ambiante de 200C, correspondant au point C du diagramme. Il est ensuite turbiné en 3c et cède son énergie au compresseur 3b, et il ressort de la turbine dans la canalisation 2c à la température T3 (-500C), correspondant au point D du diagramme. Il entre enfin en partie basse de la seconde enceinte, ou il récupère des calories au sein de la masse de réfractaires qu'il parcourt du bas vers le haut, ce qui engendre une remontée progressive du front de température 2e vers le haut. Le gaz ressort enfin de la seconde enceinte en partie haute et est dirigé vers le compresseur 3b, dans lequel il rentre à la température T2, avec le cas échéant un passage dans le réchauffeur 5b, où il reçoit le cas échéant un quota d'énergie E2 visant à réajuster ladite température du gaz pour atteindre la valeur T2. Le gaz est alors revenu au point A du diagramme et effectue alors un nouveau cycle. Le cycle thermodynamique de restitution de l'énergie détaillé sur la figure 6 se déroule comme suit. Le gaz à haute température T1 quitte la première enceinte 1 par le haut, ce qui correspond au point B du diagramme. Le gaz est ensuite turbiné en 4c où il restitue l'énergie au générateur électrique (ER) et se retrouve au point A du diagramme à la température T2. Puis il entre par le haut de la seconde enceinte et cède ses calories à la masse de réfractaires 11 , ce qui engendre une descente progressive du front de température 2e vers le bas, et ressort par le bas de ladite enceinte à une température T3 correspondant au point D du diagramme. Le gaz passe ensuite dans le deuxième compresseur 4b et ressort à une température T4 supérieure à la température TO souhaitée : il passe alors dans l'échangeur de température 6 où il restitue à l'extérieur le quota d'énergie E4, pour se retrouver à la température TO, donc au point C dudit diagramme. Enfin, il pénètre bas dans la première enceinte où il récupère de l'énergie et s'échauffe pour atteindre le point B dudit diagramme, ce qui engendre une remontée progressive du front de température 1e vers le haut, donc un refroidissement global de ladite première enceinte.
Sur la figure 7 on a représenté, sur la gauche en coupe en vue de côté, la première enceinte et le front montant 1e séparant la zone inférieure à la température d'environ 20°C, et la partie supérieure à la température d'environ 13000C. Ce front montant correspond en fait à une zone de transition d'une hauteur h comme détaillé sur le graphique droit de la même figure 7. Lors de la phase de stockage de l'énergie, la zone de transition se déplace vers le bas (figure 7B), et lors de la phase de restitution elle se déplace vers le haut (figure 7A). De manière à rester dans les plages de fonctionnement des turbo-machines correspondant à leur meilleur rendement, avantageusement on ne charge complètement, ni ne décharge complètement la première enceinte, ce qui correspond, comme détaillé sur la figure 7B, à limiter le cycle de charge/décharge à la hauteur maximale δH-i, correspondant par exemple à 80-90% de la hauteur totale, donc de la capacité calorifique totale de ladite première enceinte. De même, cette zone de transition existe aussi dans la seconde enceinte mais elle correspond à des températures différentes, par exemple -500C en partie basse, et 5000C en partie haute. Le pourcentage de la masse calorifique utilisé correspond alors à une hauteur δH2> ledit pourcentage utilisé étant de préférence sensiblement identique à celui de ladite première enceinte, c'est-à-dire 80-90%.
Grâce à cette configuration incluant 2 enceintes à des températures différentes, dont les masses de matériaux réfractaires ne sont utilisées qu'à 80- 90% de leur capacité calorifique, il est possible d'obtenir un rendement global très bon, de l'ordre de 75 à 85%.
Ceci est premièrement dû au fait que l'énergie est alternativement pompée et récupérée entre 2 niveaux de température T2 à T1 qui sont tous les deux largement supérieurs à la température ambiante. On sait d'après le théorème de Carnot que l'efficacité des machines thermiques s'améliore lorsque la température de la source chaude augmente.
Une seconde raison réside dans l'égalité des températures T1 et T2 durant les 2 phases de stockage/restitution, obtenues en utilisant des ensembles turbine- compresseur différents travaillant avec des rapports de pression différents (P1/P2 et P'1/P'2).
Une troisième raison de la bonne efficacité globale provient du fait que durant la phase de stockage les pertes du compresseur chaud 3b sont extraites sous forme de chaleur dans le gaz. Cette énergie est stockée dans le réfractaire de la première enceinte 1 au même titre que la chaleur pompée depuis la seconde enceinte. Cette perte d'énergie du compresseur chaud est en grande partie récupérée sous forme de travail utile durant la phase de restitution.
La quatrième raison résulte de l'utilisation de régénérateurs pour échanger la chaleur avec le gaz. Il est en effet possible d'aménager des ensembles de pièces réfractaires capables de fonctionner à très haute température et présentant une très grande surface d'échange entre le gaz et les solides. Ceci permet d'approcher au mieux l'égalité des températures T1 et T2 durant les 2 phases. La capacité de stockage est liée à la masse de réfractaire. La disposition selon l'invention présente l'avantage que toute la quasi-totalité de la masse de réfractaire est mise à profit pour jouer un double rôle : stockage de la chaleur et échange de chaleur avec le gaz. La dernière raison du bon rendement global résulte du fait que le froid produit dans la détente de la turbine 3c durant la phase de stockage est également stocké dans l'enceinte 2. Durant la phase de restitution ceci permet de refroidir le gaz avant la compression par le compresseur 4b, ce qui diminue l'énergie absorbée par ce compresseur 4b, énergie qui vient en diminution de l'énergie restituée ER.
La puissance d'une turbomachine est donnée par la formule : W = m . Cp . ( T2 - T1)
Où m est le débit massique de gaz en kg/s, Cp la capacité calorifique du gaz en J/kg/K, T1 la température du gaz à l'entrée et T2 celle à la sortie. Pour une turbine, T2 < T1 et W est alors négatif (puissance extraite du gaz). Pour un compresseur W est positif (puissance fournie au gaz).
La densité du gaz est proportionnelle à la masse molaire du gaz. Or, il est plus facile de comprimer ou de détendre un gaz lourd qu'un gaz léger. Les machines nécessaires sont plus petites et plus économiques avec un gaz lourd qu'avec un gaz léger.
La masse molaire est respectivement de 40 pour l'argon, de 44 pour le CO2, de 84 pour le krypton, de 131 pour le xénon et de 222 pour le radon.
Ainsi une turbomachine utilisant comme gaz le krypton ou le xénon sera beaucoup plus compacte qu'avec un gaz de type hélium de masse molaire 4, ou d'azote de masse molaire 28. De plus dans la formule thermodynamique : PVY = constante, γ=1.66 pour un gaz mono-atomique, γ=1.4 pour un gaz di-atomique, et γ= 1.33 pour un gaz tri-atomique,
Le rapport des températures T1 , T2 dépend du rapport des pressions P1 , P2 ou P'1 , P'2 selon la formule :
Figure imgf000037_0001
On constate que pour un rapport de températures donné, le rapport des pressions est plus faible pour un gaz monoatomique (γ = 1 ,66) que pour un gaz diatomique (γ = 1 ,4) ou triatomique (γ = 1 ,33). Ceci présente un intérêt pratique pour la conception des enceintes. En effet, l'épaisseur des parois des enceintes est liée à la pression maximale du gaz. De plus, ce procédé ayant la capacité de stocker de très grandes quantités d'énergie mettra en œuvre des enceintes de grandes dimensions. On a donc économiquement intérêt à rechercher le niveau minimal de pression interne du gaz. Un moyen simple de parvenir à ce résultat est de limiter le taux de compression du gaz, donc de choisir de préférence un gaz monoatomique.
Ainsi, le meilleur cycle sera obtenu avec un gaz mono-atomique, tel l'hélium, le néon, l'argon ou les autres gaz rares de masse molaire plus élevée.
Les gaz di-atomiques tel l'azote et tri-atomique tel l'air ou le CO2 sont très abondants et bon marché, mais à haute température, sont agressifs vis-à-vis des métaux constituant l'enveloppe des enceintes, les canalisations ou les aubes des turbines et compresseurs, c'est pourquoi on utilise avantageusement comme gaz au sein du dispositif un gaz neutre totalement inerte vis-à-vis des éléments métalliques du dispositif, tel l'hélium, le néon, l'argon ou les autres gaz rares de masse molaire plus élevée. Hélium, néon et argon sont présents dans l'air ambiant en pourcentages significatifs et ils sont disponibles en grande quantité à des coûts acceptables. Dans ces trois gaz, l'argon représente le gaz le plus performant pour son utilisation dans le dispositif selon l'invention, car il est monoatomique, il est inerte à haute et très haute température vis-à-vis des éléments métalliques composant le dispositif selon l'invention et il présente une masse molaire élevée ainsi qu'un coût d'acquisition faible.
Ledit premier matériau réfractaire de la première enceinte est par exemple de la chamotte, encore appelée argile de deuxième cuisson (« fire clay ») capable de résister à 1200 0Cm ou encore un produit à haute teneur en alumine et/ou magnésie. Le deuxième matériau réfractaire dans la deuxième enceinte peut être de l'argile de première cuisson. Comme mentionné précédemment, les matériaux réfractaires 11 se présentent sous forme de briques perforées par des canaux parallèles de 5 à 20 mm de diamètre et traversants de part en part, et disposés de manière à permettre la circulation et le passage du gaz à travers le canaux dans la direction longitudinale de l'enceinte.
Les divers types de matériaux réfractaires à très haute température disponibles à des conditions économiques acceptables sont listés dans le tableau ci-dessous.
Figure imgf000039_0001
La chamotte reste le plus économique de tous ces produits, mais sa température maximale reste très nettement inférieure à celle des autres.
De plus, l'énergie stockée dans un mètre cube de réfractaire est donnée par la formule : E = V . Cp . ( T - TO) dans laquelle E est exprimé en joules, V est le volume de réfractaire chauffé, Cp la capacité calorifique en J/m3/K, T la température de chauffage et TO la température initiale avant chauffage.
On constate ainsi que plus la température de stockage T est élevée, plus l'énergie stockée par unité de volume de réfractaire est importante. Ainsi, la magnésie de température limite 1 8000C présente la meilleure performance en terme de capacité calorifique volumique avec une valeur Cp= 3 60O kJ * m"3 * le1.
A titre d'exemple, un dispositif de 3000 MWh de capacité, capable de stocker et de restituer une puissance de 100 MW, correspondant à une charge en 40 heures et une restitution en 30 heures est constitué :
- d'une première enceinte cylindrique de 41m de diamètre et de 20m de hauteur, dans laquelle est installé 16500 m3 de magnésie, présentant une porosité de 25%, soit 3700Ot de matériaux réfractaires, et - d'une seconde enceinte de 48m de diamètre et de 20m de hauteur dans laquelle est installé 22500 m3 de chamotte, présentant une porosité de 35%, soit 29500 t de matériaux réfractaires, un groupe de stockage composé d'un moteur électrique 3a de 100MW, un compresseur 3b de 117MW, une turbine 3c de 17MW, d'un groupe de restitution composé d'une génératrice 4a de 100MW1 d'une turbine 4c de 156MW, d'un compresseur 4b de 56MW. Le volume interne de l'installation complète, y compris les conduites de raccordement, mais excluant le volume correspondant à la masse effective de réfractaire est d'environ 35000 m3 . Une partie du gaz est confinée au sein des matériaux isolants qui isolent les parois des enceintes des réfractaires chauds (environ 12000 m3) et seul un volume libre de 23000 m3 peut participer à la circulation du gaz. L'installation est chargée en argon avant démarrage à la pression de 1 bar, soit 2 baras, ce qui correspond à un volume de 70000Nm3 dont 46000 Nm3 peuvent circuler. En phase de stockage la pression est de 3 baras dans la première enceinte P1 et de 0,9 baras dans la seconde P2, tandis que durant le déchargement, ces pressions sont respectivement 3,3 (P'1) et 0,6 (P'2) baras. La température T1 s'établit à 1256°C tandis que la température T2 est de 600°C. En phase de stockage le débit de gaz dans la turbine 3c ou le compresseur 3b est de 193 Nm3/s, c'est-à- dire à un temps de cycle thermodynamique selon la figure 5 de 238 secondes, ce qui correspond à 600 cycles de circulation du gaz pour la durée d'un chargement complet. On obtient des valeurs similaires pour le cycle de déchargement.
Les turbines et les compresseurs centrifuges ou axiaux sont en général limités en température en raison de l'agressivité des gaz résultant de la combustion, mais dans le dispositif selon l'invention, on opère lesdites turbines et lesdits compresseurs en circuit fermé avec un gaz neutre tel l'argon, ce qui autorise pour ces machines des points de fonctionnement à température beaucoup plus élevés que dans l'art antérieur.
L'énergie stockée dans les première et seconde enceintes n'est pas perdue sauf en cas d'inactivité prolongée du dispositif en chargement-déchargement, les pertes s'effectuant alors vers le milieu extérieur, principalement par le biais de l'isolant 12 desdites enceintes.
Comme le procédé intéresse essentiellement le stockage d'énergie en grande quantité, les enceintes sont relativement volumineuses ce qui veut dire que le rapport surface sur volume est faible. Les pertes thermiques pour les grandes enceintes ne représentent qu'une faible fraction de l'énergie stockée.
L'isolation thermique est réalisée avec des matériaux présentant une grande porosité, comme des feutres de fibres céramiques ou des mousses céramiques. Les calculs montrent que pour l'exemple cité précédemment une isolation de 2m d'épaisseur avec des matériaux fibreux classiques permet de limiter la perte d'énergie à moins de 1% par jour.
Comme le gaz est neutre, le gros compresseur 3b et la grosse turbine 4c qui travaillent à température élevée peuvent être avantageusement réalisés avec des matériaux à base de carbone. Ce corps résiste en effet mécaniquement aux températures très élevées, jusqu'à plus de 20000C. Il n'est habituellement pas utilisé pour construire des turbomachines car il s'oxyde rapidement dans les gaz oxydants, tel l'air ou les produits résultant de la combustion. Cette limitation n'intervient pas ici ce qui permet d'envisager son usage. Des turbines en carbone ont déjà été réalisées à titre expérimental, ou encore pour des moteurs fusées dont la durée de vie n'est que de quelques minutes. Dans cette application selon l'invention, de telles turbines ou compresseurs n'auraient pas de limitation de durée de vie. Dans les machines actuelles réalisées avec des matériaux métalliques, il est nécessaire de refroidir les aubages par une circulation interne de gaz froid ce qui est au détriment du rendement. Malgré cela, les aubages mobiles ont une durée de vie limitée due au phénomène du fluage. Dans la figure 1 on a décrit deux réchauffeurs 5a-5b séparés, mais on peut mettre en avant un même et unique réchauffeur, dès lors que l'on adapte le cheminement des conduites.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- deux première et seconde enceintes (1 ,2) contenant un gaz et des premier et second matériaux réfractaires poreux (11 ) aptes à transférer des calories thermiques par contact entre lesdits matériaux réfractaires poreux et un gaz circulant à travers lesdites enceintes, et
- un circuit fermé de canalisations (1c,1c',2c,2c',1d,1d',2d,2d') permettant la circulation d'un gaz traversant successivement chacune des deux enceintes d'une extrémité à l'autre, et
- des moyens de compression (3b, 4b) et des moyens de détente (3c, 4c) du gaz circulant dans les dites canalisations entre chacune des extrémités d'une enceinte reliée à une extrémité de l'autre enceinte, et
- de préférence, des premiers moyens de chauffage de gaz aptes à chauffer le gaz circulant dans ladite seconde enceinte (5a), et
- de préférence encore, des moyens de refroidissement (6) de gaz circulant entre une des extrémités de la première enceinte et desdits moyens de compression (4b) et moyens de détente (3c), aptes à refroidir du gaz sortant de ladite première enceinte à cette extrémité avant d'être détendu dans lesdits moyens de détente (3c) ou respectivement du gaz entrant dans ladite première enceinte après avoir été compressé par desdits moyens de compression (4b).
2. Installation de stockage et restitution d'énergie selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend :
- A) une première enceinte calorifugée (1 ) remplie d'un premier matériau réfractaire poreux apte à être traversée par un gaz circulant à travers ladite première enceinte entre 2 extrémités supérieure et inférieure (11 I2) de ladite première enceinte, et
- B) une seconde enceinte calorifugée (2) remplie d'un second matériau réfractaire poreux apte à être traversée par un gaz circulant à travers ladite seconde enceinte entre 2 extrémités supérieure et inférieure de ladite seconde enceinte (2i,22), et - C) des canalisations calorifugées (1c,1c',2c,2c',1d,1d',2d,2d') permettant la circulation de gaz en circuit fermé entre les 2 enceintes comprenant des premières et secondes canalisations supérieures (1d-1d',2d-2d') entre les extrémités supérieures (1 i, 2i) des deux enceintes et des premières et secondes canalisations inférieures (1c-1c',2c-2c') entre les extrémités inférieures ( 12,22) des deux enceintes , et
- D) de préférence, des premiers moyens de chauffage de gaz (5a) aptes à chauffer du gaz à l'intérieure de la dite seconde enceinte, et
E) des premiers moyens de compression de gaz (3) comprenant un premier moteur électrique (3a) apte à être alimenté par une énergie électrique à stocker (E1) pour actionner un premier compresseur (3b) apte à compresser un gaz provenant de ladite extrémité supérieure (2i) de la seconde enceinte par une dite seconde canalisation supérieure
(2d) pour l'envoyer à ladite extrémité supérieure (1 i) de la première enceinte par une dite première canalisation supérieure (1d), et
- F) des premiers moyens de détente de gaz (3c) comprenant une première turbine (3c) apte à détendre le gaz provenant de ladite extrémité inférieure (I2) de la première enceinte par une première canalisation inférieure (1c) pour l'envoyer à ladite extrémité inférieure ( 22) de la seconde enceinte par une seconde canalisation inférieure (2c), et
- G) des seconds moyens de compression de gaz (4b) aptes à compresser le gaz provenant de la dite extrémité inférieure (22) de la seconde enceinte par une autre seconde canalisation inférieure (2c, 2c') pour l'envoyer à ladite extrémité inférieure (I2) de la première enceinte par une autre première canalisation inférieure ( 1c, 1c'), et
- H) des seconds moyens de détente de gaz comprenant une seconde turbine (4c) apte à détendre le gaz provenant de ladite extrémité supérieure ( 1 i) de la première enceinte par une autre première canalisation supérieure (1d,1d') pour l'envoyer à ladite extrémité supérieure (2i) de la seconde enceinte par une autre seconde canalisation supérieure (2d,2d'), lesdits seconds moyens de détente étant aptes à actionner un générateur électrique (4a) apte à restituer de l'énergie électrique (ER), et
I) des moyens de refroidissement de gaz de préférence un échangeur thermique (6) aptes à refroidir du gaz circulant dans desdites premières canalisations inférieures (1c, 1c') entre d'une part l'extrémité inférieure
(I2) de la première enceinte et d'autre part les sortie et entrée desdits second compresseur (4b) et respectivement première turbine ( 3c).
3. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon la revendication 2 caractérisée en ce qu'elle comprend des seconds moyens de chauffage de gaz (5b) aptes à chauffer le gaz circulant dans une dite seconde canalisation supérieure (2d) entre l'extrémité supérieure de ladite seconde enceinte et ledit premier compresseur (3b).
4. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon la revendication 2 ou 3 caractérisée en ce que ladite première turbine (3c) est apte à être actionnée par ledit premier compresseur (3b) auquel elle est couplée mécaniquement.
5. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que ladite seconde turbine (4c) est couplée à un moteur électrique auxiliaire ( 4d) apte à l'actionner.
6. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisée en ce que ledit second compresseur (4b) est actionné par ladite seconde turbine (4c) à laquelle il est couplé mécaniquement.
7. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'elle est remplie d'un gaz neutre, de préférence de l'argon.
8. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 7 caractérisée en ce que lesdits première enceinte et premier matériau réfractaire poreux sont capables de résister à une température T1 d'au moins 7500C, de préférence d'au moins 750 à 20000C, de préférence encore de 1000 à 1500°C et ladite seconde turbine est dimensionnée pour détendre un gaz à la dite température T1 tandis que ladite première turbine de moindre capacité que la seconde turbine est dimensionnée pour détendre un gaz de la température ambiante TO à une température T3 de -80 à -200C.
9. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 8 caractérisés en ce que lesdites seconde enceinte et second matériau réfractaire poreux sont capables de résister à une température T2 d'au moins 400°C, de préférence d'au moins 400°C à 10000C , de préférence encore de 500 à 700°C, et ledit premier compresseur est dimensionné pour compresser un gaz à ladite température T2 tandis que ledit second compresseur de moindre capacité que le premier compresseur est dimensionné pour compresser un gaz de la température T3 de -80 à -200C. à la température ambiante.
10. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 9 caractérisée en ce que ledit premier compresseur est apte à délivrer un débit volumique plus important que ladite première turbine et ladite seconde turbine est apte à délivrer un débit volumique plus important que ledit second compresseur et lesdits premier compresseur et seconde turbine sont réalisés en carbone.
11. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisée en ce que lesdits premier et second matériaux réfractaires poreux présentent une porosité de 20 à 60 %.
12. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon la revendication 11 caractérisée en ce que lesdits premier et second matériaux réfractaires poreux sont constitués de briques poreuses (11 ) assemblées les unes contre les autres, de préférence traversées de perforations cylindriques (11 i) disposées parallèlement dans une même direction longitudinale que ladite enceinte dans laquelle elles sont assemblées, lesdites perforations étant de préférence encore de diamètre 5 à 20 mm .
13. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisée en ce que lesdits premier et second matériaux réfractaires poreux sont constitués d'argile cuit à teneurs élevées en composés choisis parmi les magnésie, alumine et chaux.
14. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisée en ce que ledit premier matériau réfractaire poreux est constitué d'argile de seconde cuisson ou chamotte .
15. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisée en ce que ledit second matériau réfractaire poreux est constitué d'argile de première cuisson.
16. Installation de stockage et restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 15 caractérisée en ce que lesdites première et seconde enceinte ont un volume chacune d'au moins 5000 m3, de préférence de 10000 à 45000 m3.
17. Procédé de stockage d'énergie électrique (E1) sous forme d'énergie thermique dans lequel on utilise une installation selon l'une des revendications 1 à 16 caractérisée en ce que, après une étape initiale de préchauffage du gaz de ladite deuxième enceinte que l'on chauffe à température T2, ladite installation étant remplie d'un gaz permanent, initialement à température ambiante To on réalise les étapes successives dans lesquelles :
1 ) le gaz sortant de l'extrémité supérieure (2i) de la seconde enceinte (2) à une température T2 est chauffé à une température Ti supérieure à une température T2 par compression dans un dit premier compresseur (3b) avant d'être envoyé à l'extrémité supérieure (1 i) de ladite première enceinte, dans laquelle il s'établit une pression P1 supérieure à la pression P2 de la deuxième enceinte, ledit premier compresseur (3b) étant entraîné par un premier moteur électrique (3a) alimenté par l'énergie électrique à stocker (E1 ), et 2) le gaz traverse de part en part ladite première enceinte entre ladite extrémité supérieure (1 i) et sa dite extrémité inférieure (I2) et il ressort de ladite extrémité inférieure (I2) de la première enceinte à une température ambiante TO ou une température T'1 supérieure à TO mais inférieure à T2, et 3) le gaz est ensuite refroidi le cas échéant à une température ambiante
TO grâce à desdits moyens de refroidissement de gaz (6) de préférence du type échangeur de chaleur, en aval de la sortie de l'extrémité inférieure (I2) de la première enceinte, et
4) le gaz est ensuite détendu à travers une dite première turbine (3c), de préférence entraînée par ledit premier compresseur (3b), à ladite pression P2 de la seconde enceinte inférieure à la pression P1 , le gaz se trouve ainsi refroidi à une température T3 inférieure à TO avant d'entrer dans ladite seconde enceinte par son extrémité inférieure (22), et
5) on fait circuler le gaz à travers ladite seconde enceinte entre lesdites extrémités inférieure (22) et supérieure (2i) de la deuxième enceinte, ce qui a pour effet d'augmenter le volume de matériau réfractaire de la partie inférieure (2b) de ladite seconde enceinte refroidie à la température T3, et de diminuer celui de sa partie supérieure ( 2a) à la température T2 ou T'2 inférieure à T2 mais supérieure à TO et T'1 , et si nécessaire, le cas échéant on réchauffe à la température T2 le gaz sortant de la seconde enceinte à la température T'2 ,à l'aide de seconds moyens de chauffage de gaz (5b) et
6) on réitère les étapes 1 ) à 5) ci-dessus jusqu'à ce que la partie supérieure (1a) de la première enceinte réchauffée à la température T1 occupe au moins 80% du volume de ladite première enceinte, et que la partie inférieure (2b) de la seconde enceinte refroidie à la température T3 occupe au moins 80% du volume de la seconde enceinte.
18. Procédé selon la revendication 17 caractérisé en ce que, à l'étape
6), on interrompt le stockage de manière à ce que la partie inférieure (1 b) de la première enceinte à ladite température T'1 représente au moins 10% du volume de la première enceinte, de préférence 10 à 20% du volume de la première enceinte, et/ou la partie supérieure (2a) de la seconde enceinte à la température (T2) représente moins de 20%, de préférence de 10 à 20% du volume de ladite seconde enceinte.
19. Procédé selon l'une des revendications 17 ou 18 caractérisé en ce que lesdites températures T1 et T2 sont telles que T1/T2=1 ,5 à 3 et T1/T0 est supérieur à 2, de préférence supérieur à 3 et de préférence encore inférieur à 6 et P1/P2 est de 2 à 4.
20. Procédé selon l'une des revendications 17 à 19 caractérisé en ce que T1 est de 7500C à 20000C, de préférence de 1000 à 1500°C, et T2 est de 400 à 1000 0C, de préférence de 500 à 7000C.
21. Procédé selon la revendication 19 ou 20 caractérisé en ce que les pressions P1 est de 2 à 4 bar absolu ( 2.105 à 4.105 Pa )et P2 est de 0,5 à 1 ,5 bar absolu (0.5 à 1.5 105 Pa).
22. Procédé selon l'une des revendications 17 à 21 caractérisé en ce que TO est de 10° à 50°C et T3 est de -800C à -20°C, TT étant le cas échéant de 20° à 150°C.
23. Procédé selon l'une des revendications 17 à 21 caractérisé en ce que l'on stocke une quantité d'énergie électrique de 20 MW-hr à 10.000 MW-hr.
24. Procédé de restitution d'une énergie électrique (ER) à partir d'une énergie thermique stockée par un procédé selon l'une des revendications17 à 23 caractérisé en ce que, après une phase initiale de démarrage dans laquelle on actionne ledit second compresseur (4b) et dite deuxième turbine (4c) avec le dit moteur électrique auxiliaire (4d), au cours de laquelle phase initiale on établit un gradient de pression entre la pression P'1 de la première enceinte et une pression P'2 inférieure à P'1 de la deuxième enceinte, tel que P'1 est supérieure à P'2, de préférence P'1 étant supérieur à P1 et P'2 étant inférieur à P2 ,on réalise les étapes successives dans lesquelles :
1 ) le gaz sortant par l'extrémité supérieure (1 i) de la première enceinte (1) à la dite température T1 est détendu et refroidi à la température T2 à travers la deuxième turbine (4c), et ladite deuxième turbine (4c) actionne un dit générateur d'électricité (4a) permettant de délivrer une énergie électrique restituée(ER), et
2) le gaz traverse ladite deuxième enceinte depuis son extrémité supérieure (2i) jusqu'à son extrémité inférieure (22), une partie supérieure (2a) de la deuxième enceinte étant réchauffée à ladite température T2, une partie inférieure (2b) de la deuxième enceinte restant à ladite température T3 et, et
3) le gaz sortant de l'extrémité inférieure (22) de ladite deuxième enceinte à son extrémité inférieure (22) à la température T3 est ensuite comprimé en passant par ledit deuxième compresseur (4b) de préférence actionné par l'énergie libérée par la deuxième turbine (4c), de manière à le réchauffer à une température T4 supérieure à une température ambiante TO et le cas échéant supérieur à T'1 ,mais inférieure à T2 en sortie dudit deuxième compresseur (4b), et
4) de préférence, le gaz est ensuite refroidi à la température ambiante TO ou T'1 grâce à des dits moyens de refroidissement (6) avant d'être introduit dans ladite première enceinte (1 ) par son extrémité inférieure (12) pour rejoindre la partie inférieure (1b) de ladite première enceinte qui se trouve à ladite température T'1 , et
5) on fait circuler le gaz à travers ladite première enceinte, ce qui a pour effet d'augmenter le volume de matériau réfractaire de la partie inférieure (1 b) à ladite température T'1 et de diminuer le volume de matériau réfractaire de la partie supérieure (1a) à ladite température chaude T1 , et
6) on réitère les étapes 1) à 5) ci-dessus jusqu'à ce que la partie inférieure (1 b) de la première enceinte à ladite température (T1 ) représente au moins 80% du volume de la première enceinte et la partie supérieure (2a) de ladite deuxième enceinte à ladite température (T2) représente au moins 80% en volume de ladite deuxième enceinte.
25. Procédé selon la revendication 24 caractérisé en ce que, à l'étape
6, on interrompt le procédé de restitution d'énergie de façon à ce qu'on maintienne une partie supérieure (1a) de la première enceinte à une dite température T1 , ladite partie supérieure (1a) représentant moins de 20%, de préférence de 10 à 20%, en volume de ladite première enceinte, et/ou une partie inférieure (2b) de la deuxième enceinte à ladite température froide T3 représente moins de 20%, de préférence de 10 à 20%, de volume de la deuxième enceinte.
26. Procédé selon l'une des revendications. 24 ou 25 caractérisé en ce que le rendement de restitution d'énergie électrique par ledit générateur d'électricité (4a) ER/Eiest supérieur à 60%, de préférence de 75 à 85%.
27. Procédé selon l'une des revendications 24 à 26 caractérisé en ce que P'1/P'2 est de 3 à 5.
28. Procédé selon l'une des revendications 24 à 27 caractérisé en ce que T4 est de 150 à 4000C.
29. Procédé selon l'une des revendications 24 à 28 caractérisé en ce que la pression P'1 est de 3 à 5 bar absolu (2.105 à 4.105 Pa ) et P'2 est de 1 à 1 ,5 bar absolu (1 à 1.5 105 Pa).
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