WO2010128222A2 - Procédé et équipement de stockage d'énergie mécanique par compression et détente quasi-isotherme d'un gaz - Google Patents

Procédé et équipement de stockage d'énergie mécanique par compression et détente quasi-isotherme d'un gaz Download PDF

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Definitions

  • Said thermal storage medium may comprise a phase change material.
  • FIG. 2 is a diagram of a first variant of the system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram of a second variant of the system of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a variant of the system of FIG. 2.
  • Figure 5 is a diagram illustrating another embodiment of the storage enclosure.
  • FIG. 7 is a detailed view illustrating an implementation possibility of the diagram of FIG. 1.
  • the hydraulic fluid (9) is stored in the storage chamber (13), it is conveyed by the line (8) to a compression - expansion means which is preferably a reversible device P-T (17).
  • the pump (17) must supply more mechanical energy (W ") to raise the hydraulic fluid (9) and compress the gas (1, 2, 3). phases of restitution of energy, the relaxation of gas (1, 2, 3) is coupled to the hydraulic fluid level (4, 5, 6) to provide a mechanical energy W ".
  • Example 2 described with reference to FIGS. 1 and 7 illustrates a second embodiment of the invention.
  • the captive gas (1, 2, 3) is nitrogen contained in 3 coiled tubes as shown in Figure 7.
  • Each tube may contain a gas volume of 1 m 3 .
  • the total mass of nitrogen is 344 kg. It is initially at a pressure of 100 bar and at a temperature of 20 ° C.
  • water is pumped into the containers (14, 15, 16) with a flow rate of 1, 96 m 3 / h.
  • the containers (14, 15, 16) having a large contact surface with the medium (10), the gas (1, 2, 3) heats very little during this compression phase.
  • the gas pressure is 360 bar and its temperature is 40 ° C.

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Abstract

L'invention concerne un système de stockage d'énergie, notamment mécanique, comportant un ensemble de récipients (14, 15, 16) à l'intérieur d'une enceinte isolée (11), un milieu de stockage d'énergie thermique (10), un réservoir (13) contenant un fluide hydraulique (9) et un système de pompage - détente dudit fluide (17). Selon l'invention, le stockage d'énergie est obtenu par compression du gaz (1, 2, 3) contenu dans les récipients (14, 15, 16) en pompant le liquide (9) avec l'équipement (17). La chaleur dégagée par la compression du gaz est stockée dans le milieu (10).

Description

Procédé et équipement de stockage d'énergie mécanique par compression et détente quasi-isotherme d'un gaz
Domaine technique
La présente invention se rapporte à un système de stockage d'énergie, notamment d'énergie mécanique, comprenant un système de compression quasi- isotherme d'un gaz par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique. L'énergie mécanique stockée est ensuite libérée par détente quasi-isotherme dudit gaz.
La présente invention s'applique également au stockage d'énergie électrique, notamment en provenance de sources intermittentes comme l'énergie photovoltaïque ou éolienne. Le stockage de surplus de production électrique peut aussi être considéré pour une utilisation lors des pics de consommation.
Etat de la technique
II existe plusieurs systèmes de stockage d'énergie utilisables pour ces applications à différentes échelles de puissance. A petite échelle, les systèmes électrochimiques de type batteries et supercondensateurs peuvent être utilisés. Ces systèmes présentent néanmoins un certain nombre d'inconvénients. Les batteries représentent un danger pour l'environnement et ont une durée de vie limitée. Les supercondensateurs ont une densité d'énergie insuffisante pour la plupart des applications. A plus grande échelle, le stockage d'eau dans un réservoir en élévation présente une bonne option. L'eau peut être libérée au moment choisi et générer de l'électricité par l'intermédiaire de turbines. La principale limitation de cette technique est le faible nombre de sites adaptables sans travaux lourds et coûteux.
Le stockage d'air comprimé dans une cavité souterraine (connu parfois sous le sigle CAES = Compressed Air Energy Storage), est également une alternative intéressante ; cela a été envisagé dans les brevets US 4,885,912 (Gibbs & HiII, Inc.), US 3,996,741 (George M. Herberg) et dans les demandes de brevet WO 93/06367 (Arnold Grupping) et EP 106 690 (Shell International Research). Par contre, le nombre de sites disponibles est très limité et une mise en oeuvre économiquement rentable requiert le couplage à un cycle combiné. Cela conduit à des installations de très grandes tailles, aux investissements très lourds. De plus cette solution implique la consommation d'énergies fossiles, et son rendement est faible. Enfin, une autre alternative est le stockage hydro-pneumatique où la compression d'un gaz est réalisée au travers du pompage d'un liquide. Mais ce type de technologie doit être améliorée pour en augmenter le rendement et en diminuer le coût.
Il est déjà connu, notamment par le document WO 2008/139267 (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), un tel système qui utilise, en tant que dispositif de compression du gaz, un système de piston liquide. Un pulvérisateur ou une grille intégrée dans la partie haute de la chambre assure le contact gaz - liquide pendant les phases de compression et de détente du gaz de façon à maintenir des conditions quasi-isothermes. Dans ce système l'énergie thermique dégagée pendant la phase de compression est évacuée à l'atmosphère par l'intermédiaire d'un échangeur. Ce même échangeur sert à apporter des calories pendant la phase de détente du gaz.
Ce type de système bien que donnant satisfaction présente néanmoins des inconvénients non négligeables. En effet, l'efficacité de ce type de stockage reste limitée notamment en raison de la perte énergétique que constitue l'évacuation des calories durant la phase de compression du gaz. En outre, la phase de restitution de l'énergie stockée s'accompagne d'un refroidissement du liquide liée à la détente du gaz. Il est donc nécessaire de dépenser une quantité d'énergie non négligeable pour assurer une détente isotherme du gaz.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci- dessus grâce à un système de stockage hydro-pneumatique qui permette d'obtenir un haut rendement énergétique en utilisant un système de stockage de l'énergie thermique produite pendant la phase de compression du gaz, cette énergie étant restituée lors de la phase de détente du gaz.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un système de stockage d'énergie, notamment d'énergie mécanique, comportant (a) au moins un récipient contenant un fluide hydraulique et un gaz ;
(b) au moins une enceinte de stockage contenant du fluide hydraulique ;
(c) un moyen de compression - détente capable en mode « compression » de pomper du fluide hydraulique, et en mode « détente » de détendre du liquide hydraulique ; caractérisé en ce que (i) ledit fluide hydraulique et/ou ledit gaz contenu dans le au moins un récipient est en contact thermique avec un milieu de stockage d'énergie thermique contenu dans une enceinte ;
(ii) ledit récipient est relié à ladite au moins une enceinte de stockage par des lignes permettant de transporter ledit fluide hydraulique de l'un à l'autre, à travers ledit moyen de compression - détente ;
(iii) ledit moyen de compression - détente est capable de pomper du fluide hydraulique de l'enceinte de stockage vers le récipient, et capable de détendre le liquide hydraulique contenu. dans ledit récipient vers l'enceinte de stockage, en générant de l'énergie mécanique.
Ledit moyen de compression - détente peut être un dispositif de compression - détente réversible, tel qu'une pompe hydraulique à pistons fonctionnant également comme moteur à pistons. Ledit moyen de compression - détente peut comporter des moyens pour transformer l'énergie mécanique générée en énergie électrique.
Dans ce système de stockage d'énergie mécanique, le stockage d'énergie est obtenu par compression du gaz contenu dans le au moins un récipient par le liquide hydraulique qui est pompé avec ledit moyen de compression - détente.
Ledit au moins un récipient peut être constitué par tout volume comportant une surface d'échange adéquate avec le fluide hydraulique. Il peut être constitué par exemple par un échangeur de chaleur à tubes ou à plaques dans lequel il occupe les compartiments en échange thermique avec ceux qui sont occupés par le fluide hydraulique. Il peut être aussi constitué par un tube ou une pluralité de tubes disposé(s) dans le volume de stockage du fluide hydraulique. Il peut notamment être constitué par un tube en spirale.
Ledit gaz est un gaz condensable, et de préférence un gaz sélectionné dans le groupe constitué par les hydrocarbures, le CO2, les hydrocarbures fluorés, les alcanes fluorés. II peut aussi être un gaz non condensable tel que de l'azote ou de l'air ambiant.
Ledit milieu de stockage thermique peut comporter un matériau à changement de phase.
Ledit au moins un récipient peut être situé à l'intérieur de ladite enceinte, ou il peut être situé à l'extérieur de ladite enceinte ; dans ce dernier cas, il comporte avantageusement une boucle de fluide qui assure un contact thermique entre ledit milieu de stockage thermique de ladite enceinte et ledit fluide hydraulique contenu dans ledit récipient.
Dans un mode de réalisation particulier, le système selon l'invention comporte un premier groupe de récipients et un second groupe de récipients, ledit gaz est de l'air ambiant, et pendant la phase de stockage d'énergie mécanique, lesdits premier et second groupes de récipients fonctionnent alternativement en compression d'air ou en aspiration d'air.
Dans ce mode de réalisation, ledit récipient peut comporter un contacteur pour améliorer le contact gaz - liquide, et dans ce système :
- en phase de stockage d'énergie mécanique, le fluide hydraulique stocké dans l'enceinte de stockage est acheminé par une ligne vers ledit moyen de compression - détente puis par une ligne vers ledit récipient afin de comprimer le gaz ; - en phase de restitution d'énergie mécanique, le gaz est détendu en libérant le fluide par une ligne vers le moyen de compression - détente puis par ladite ligne vers l'enceinte de stockage.
En phase de stockage d'énergie, ledit contacteur permet de maintenir le gaz quasi- isotherme et de transférer les calories vers le fluide hydraulique, une boucle de fluide permettant de véhiculer les calories du fluide vers le milieu de stockage thermique ; en phase de restitution d'énergie, la boucle de fluide permet de restituer les calories stockées dans le milieu de stockage thermique au fluide hydraulique.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le système selon l'invention comprend en plus un dispositif permettant d'apporter au milieu de stockage thermique une énergie thermique externe, tel qu'un collecteur solaire ou un échangeur thermique fonctionnant sur des gaz de combustion ou d'autres sources de chaleur externes.
Figures
Les figures 1 à 10 se réfèrent à l'invention et ses différents modes de réalisation.
La figure 1 est un schéma illustrant le principe de base du système de stockage d'énergie mécanique.
La figure 2 est un schéma d'une première variante du système de la figure 1. La figure 3 est un schéma d'une seconde variante du système de la figure 1.
La figure 4 est un schéma illustrant une variante du système de la figure 2. La figure 5 est un schéma illustrant un autre mode de réalisation de l'enceinte de stockage.
La figure 6 est un schéma illustrant une autre variante du système de la figure 1.
La figure 7 est une vue de détail illustrant une possibilité de mise en oeuvre du schéma de la figure 1.
La figure 8 illustre de manière schématique un échangeur à plaques, pouvant être utilisé dans le cadre de la présente invention.
La figure 9 est un schéma illustrant une autre variante du système de la figure 1 , dans laquelle l'enceinte de stockage se situe à un niveau plus bas que les récipients.
La figure 10 est un schéma illustrant un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel le milieu de stockage thermique est chauffé par un collecteur solaire.
Liste des repères utilisés sur les figures
Figure imgf000007_0001
Description détaillée Selon l'invention illustrée sur la figure 1 , l'énergie mécanique est stockée dans un gaz (1 , 2, 3) qui est comprimé au moyen d'un fluide hydraulique (4, 5, 6). Le gaz comprimé est contenu dans au moins un récipient (14, 15, 16), et de préférence dans une pluralité de récipients (14, 15, 16) reliés entre eux par une ligne (40). Le au moins un récipient (14, 15, 16) est placé dans l'enceinte (11 ) qui contient un milieu de stockage thermique (10), capable d'absorber et de restituer la chaleur dégagée par la compression du gaz (1 , 2, 3) en le maintenant suffisamment isotherme.
Le fluide hydraulique (9) est stocké dans l'enceinte de stockage (13), il est acheminé par la ligne (8) vers un moyen de compression - détente qui est de préférence un dispositif réversible P-T (17).
Ledit dispositif de compression - détente réversible (17) est susceptible soit de pomper le fluide hydraulique (9) en recevant une quantité d'énergie mécanique W, ce qui conduit à la compression du gaz (1 , 2, 3), soit de détendre le fluide (4, 5, 6) acheminé par la ligne (7) en produisant une quantité d'énergie mécanique W ; avantageusement, il possède des moyens pour transformer cette énergie mécanique en énergie électrique. Ces dispositifs ont un très haut rendement, généralement supérieur à 90%. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une pompe hydraulique à pistons fonctionnant également comme moteur à pistons, ou d'une machine rotative à losange déformable, connue par exemple du brevet US 3,295,50 (Jordan). Dans une variante illustrée sur la figure 2, ledit moyen de compression - détente est constitué par un circuit qui comprend, en parallèle, un dispositif (P1 ) capable de pomper le fluide hydraulique (9) en recevant une quantité d'énergie mécanique W, et un dispositif (T1 ) permettant de produire une quantité d'énergie mécanique W en détendant le fluide (4, 5, 6) acheminé par la ligne (7) ; deux paires de vannes (V51, V52, V53, V54) permettent de sélectionner soit le mode « compression », soit le mode « détente ». Dans tous les modes de réalisation et variantes de l'invention décrits dans le présent document, ces deux moyens de compression - détente peuvent être utilisées indifféremment ; pour simplifier, nous décrirons par la suite l'invention en nous référant comme moyen de compression - détente au dispositif de compression - détente réversible (17).
On décrit ici de manière simple un mode d'utilisation typique du système selon l'invention: Pour stocker de l'énergie, le dispositif de compression - détente (17), ou comme indiqué ci-dessus, un autre moyen de compression - détente, pompe du fluide hydraulique (9) à travers la ligne (7) dans le au moins un récipient (14, 15, 16). Le niveau de fluide hydraulique (4, 5, 6) dans lesdits récipients (14, 15, 16) monte, la surface dudit fluide agissant comme un piston et comprime le gaz (1 , 2, 3) enfermé dans lesdits récipients (14, 15, 16). Cette compression génère de la chaleur, qui est transférée au milieu de stockage thermique (10). Cette chaleur peut être restituée au moment de la détente du gaz ; l'élévation de température du liquide hydraulique (4, 5, 6) en mode « compression » est normalement faible, de l'ordre de quelques degrés au plus, mais si l'on la restitue en mode « détente » au gaz (1 , 2, 3), cela permet d'augmenter la pression du gaz (1 , 2, 3) de manière significative. Si on laisse le gaz comprimé (1 , 2, 3) se détendre à travers la ligne 7 et le dispositif de compression - détente (17) agissant en mode « détendeur », le niveau de fluide hydraulique (9) dans les récipients (14, 15, 16) baisse, et le fluide hydraulique (9) met en mouvement les moyens de conversion d'énergie dudit détendeur (17) pour générer de l'énergie mécanique ; cette énergie mécanique peut être transformée en énergie électrique. Le fluide hydraulique (9) est transféré à travers la ligne (8) dans l'enceinte de stockage (13) dont le niveau de liquide monte.
Si le gaz (1 , 2, 3) est de l'air et si la pression d'air (1 , 2, 3) dans les récipients (14, 15, 16) devient lors de la détente du fluide hydraulique (9) plus faible que la pression atmosphérique, on peut faire entrer de l'air de l'extérieur dans les récipients (14, 15, 16), à l'aide d'une vanne.
L'enceinte (11 ) est de préférence entourée d'un isolant thermique (12).
Le fluide hydraulique (4, 5, 6, 9) est d'une manière générale un liquide, et de préférence constitué par une phase aqueuse, de l'eau ou de l'eau glycolée pour éviter les risques de gel. Il peut également s'agir d'une phase organique, tel que du glycol, une huile minérale, un ester, une huile végétale ou des esters phosphates.
Le gaz (1 , 2, 3) peut être un gaz permanent tel que l'air ou l'azote. Il peut aussi être un autre gaz tel que le CO2 ou un fluide organique. Le milieu de stockage thermique (10) peut être constitué par un liquide (aqueux ou organique) et/ou par une phase solide éventuellement à changement de phase.
Dans une variante du procédé selon l'invention, le fluide (1 , 2, 3) est un fluide condensable, et on opère la compression et la détente sur un fluide diphasique ; cela sera expliqué ci-dessous. L'avantage de cette variante est qu'elle permet de maintenir une pression stable dans les récipients (14, 15, 16).
La figure 3 présente un schéma de principe d'une variante de l'invention. Le milieu de stockage thermique (10) est constitué au moins en partie par le fluide hydraulique (9) utilisé pour la compression du gaz (1, 2, 3). Le volume de fluide hydraulique (9) est facilement capable de maintenir le volume d'air dans des conditions sensiblement isothermes. En effet, si l'air est au départ à la pression atmosphérique (le stockage étant opéré par exemple entre la pression atmosphérique et 200 à 600 bars), le coefficient MCp de l'air pour un volume donné est 1 ,2 / 4200 fois plus faible que le coefficient MCp du même volume d'eau nécessaire pour le déplacer. Un échauffement de 1000C du volume d'air initial correspond à une quantité de chaleur qui n'élève la température de l'eau que de 1 ,2 / 42 = 0,030C
Si les récipients (14, 15, 16) occupent par exemple la moitié du volume d'enceinte dans lequel ils sont placés, le niveau de liquide dans l'enceinte (11 ) varie entre I1 et lh=1 ,5 I1.
Il est également possible de disposer simultanément une phase solide de stockage (10) (par exemple un matériau à changement de phase), qui reste stationnaire, tandis que le fluide hydraulique (9) circule. La circulation du fluide hydraulique (9) permet alors d'assurer les échanges thermiques dans de bonnes conditions.
La disposition précédente s'applique également si le gaz (1 , 2, 3) est condensable. Dans ce cas, si le fluide hydraulique (9) est constitué par une phase aqueuse, le fluide (1, 2, 3) peut être constitué par un hydrocarbure ou un fluide tel que l'ammoniac ou le CO2. Ce gaz condensable ne doit pas être miscible avec le fluide hydraulique, afin que la pression vapeur au-dessus de la phase liquide issue de la condensation dudit gaz (1 , 2, 3) soit toujours la pression de saturation. On a alors un système triphasique : deux phases liquides (liquide hydraulique (9) + phase liquide issue de la condensation du gaz (1 , 2, 3)) et une phase gazeuse constituée par le gaz (1 , 2, 3).
Dans un tel mode de réalisation, au cours de la compression et de la détente, la pression dans les récipients (14, 15, 16) reste constante, ce qui facilite les conditions de fonctionnement du dispositif de compression - détente réversible (17) et permet d'éviter une baisse d'efficacité dudit dispositif de compression - détente (17). En outre, il est possible dans ce cas d'opérer avec une pression modérée, ce qui réduit les coûts d'investissement.
La figure 4 montre une variante du procédé selon l'invention telle qu'illustrée sur la figure 3, qui se distingue par l'utilisation d'un cycle ouvert au lieu d'un cycle fermé.
Le gaz utilisé pour le stockage de l'énergie est de l'air prélevé dans le milieu ambiant par la ligne (18). Ce gaz, une fois comprimé, est stocké dans l'enceinte de stockage (35). Cette enceinte de stockage (35) peut être constituée par une cavité souterraine, naturelle ou artificielle. Le système de stockage selon la variante illustrée sur la figure 4 fonctionne avec au moins deux récipients (B1 , B2). Pendant la phase de stockage d'énergie mécanique, lesdits récipients (B1 ) et (B2) fonctionnent alternativement en compression d'air ou en aspiration d'air. Dans un premier temps, pendant que le premier récipient (B1 ) aspire de l'air dans le milieu ambiant par la ligne (18), le second récipient (B2) comprime l'air (20) par l'intermédiaire du fluide (21 ) pompé par l'équipement (KT1 ). L'air comprimé (20) est ensuite dirigé vers l'enceinte de stockage (35) par la ligne (19).
Dans un second temps, pendant que le second récipient (B2) aspire de l'air dans le milieu ambiant par la ligne (26), le premier récipient (B1 ) comprime l'air (30) par l'intermédiaire du fluide (31 ) pompé par l'équipement (KT1 ). L'air comprimé (30) est ensuite dirigé vers l'enceinte de stockage (35) par la ligne (19).
L'enceinte isolée (1 1 ) permet le stockage de l'énergie thermique dégagée lors de la compression du gaz dans le milieu de stockage thermique(IO). Ce stockage d'énergie permet de maintenir la température des premiers et seconds récipients (B1 , B2) quasi-constante pendant la phase de stockage d'énergie mécanique.
Pendant la phase de restitution de ' l'énergie mécanique stockée par l'intermédiaire de l'air comprimé dans l'enceinte de stockage (35), les premiers et seconds récipients (B1 , B2) fonctionnent également de façon alternative. Dans un premier temps, l'air comprimé contenu dans l'enceinte de stockage (35) est dirigé vers le second récipient (B2) par la ligne (19). Le second récipient (B2) détend l'air (20) par l'intermédiaire du fluide (21 ) détendu par l'équipement (KT1 ). Dans le même temps le premier récipient (B1 ) évacue de l'air dans le milieu ambiant par la ligne (18). Dans un second temps, l'air comprimé contenu dans l'enceinte de stockage (35) est dirigé vers le premier récipient (B1 ) par la ligne (19). Le premier récipient (B1 ) détend l'air (30) par l'intermédiaire du fluide hydraulique (31 ) détendu par l'équipement (KT1 ). Dans le même temps, le second récipient (B2) évacue de l'air dans le milieu ambiant par la ligne (18). L'énergie thermique stockée lors de la phase de compression dans le milieu de stockage thermique (10) permet le maintient en température desdits premiers et seconds récipients (B1 , B2) pendant la phase de détente.
L'équilibre thermique assurant le caractère isotherme de la compression et de la détente peut être réalisé par tout type de dispositif destiné à favoriser l'échange thermique entre les fluides hydrauliques (21 ) et (31 ) et le milieu de stockage thermique (10) tel qu'un serpentin, non représenté sur la figure 4. La circulation réalisée au moment de la compression et de la détente peut contribuer à homogénéiser les températures. Des moyens complémentaires de circulation ou de mélange peuvent être introduits dans ce but.
Il est possible d'assurer une pression constante dans l'enceinte de stockage (35), en introduisant dans l'enceinte contenant le gaz comprimé un volume variable de fluide hydraulique, ce volume étant régulé de manière à maintenir la pression constante. Le fluide hydraulique peut être introduit à partir d'une enceinte de stockage (36) à la pression atmosphérique. Au cours de l'étape de production d'énergie à partir du stockage, une fraction de l'énergie restituée est utilisée pour pomper le fluide hydraulique. Au moment de l'étape de stockage d'énergie, cette énergie est restituée. Le système fonctionne du fait que l'énergie nécessaire pour comprimer un liquide de la pression atmosphérique à une pression P relativement élevée est beaucoup plus faible que l'énergie nécessaire pour comprimer un gaz de la pression atmosphérique à la pression P.
La variante de la figure 6 se distingue du schéma illustré sur la figure 1 par l'utilisation d'un transfert indirect de l'énergie thermique dégagée lors de la compression du gaz vers l'enceinte (11).
Dans cette variante, il est également présenté la possibilité d'utiliser un élément de garnissage interne (44) dans le récipient (43) pour améliorer le contact gaz-liquide. A cet effet, une boucle de recirculation (42) du fluide hydraulique peut également être activée par l'utilisation d'une pompe de recirculation (49).
Dans cette configuration, en phase de stockage d'énergie mécanique, le fluide hydraulique (9) stocké dans l'enceinte de stockage (13) est acheminé par la ligne (8) vers la pompe (17) puis par la ligne (42) vers le récipient (43) afin de comprimer le gaz (48). Le contacteur (44) permet de maintenir le gaz quasi-isotherme et de transférer les calories vers le fluide hydraulique (47). Une boucle de fluide (45) permet de véhiculer les calories du fluide (47) vers le milieu de stockage thermique (10).
En phase de restitution d'énergie mécanique, le gaz (48) est détendu en libérant le fluide (47) par la ligne (41 ) vers le dispositif de compression - détente réversible (17) puis par la ligne (8) vers l'enceinte de stockage (13). Pendant cette phase, la recirculation du fluide hydraulique (47) activée par la pompe (46) permet de maintenir la température du gaz (48) quasi-constante. La boucle de fluide (45) permet de restituer les calories stockées dans le milieu de stockage thermique (10) au fluide hydraulique (47).
La figure 7 montre un exemple de réalisation des récipients (14, 15, 16) des figures 1 ou 2 qui peuvent chacun être réalisés sous forme d'un tube, de préférence bobiné en spirale. L'utilisation d'un tube rend plus facile la réalisation des récipients sous pression et facilite les échanges thermiques avec le milieu d'échange thermique (10). Dans une autre variante, l'enceinte de stockage (35) est réalisée sous forme d'un ou plusieurs tubes droits, empilés ou non, reliés entre eux (voir la figure 5). D'une manière générale, l'utilisation de tubes est avantageuse parce qu'un tube est un corps creux apte à résister à une pression interne élevée qui possède une forme très simple et qui peut être facilement réalisé sans soudure par des procédés de filage. Un faisceau de tubes droits convient particulièrement pour des grands systèmes de stockage. A titre d'exemple, un faisceau de neuf tubes droits en acier de diamètre de 122 cm et d'une longueur de 10 mètres permet de stocker environ 105 m3 d'air ; il existe des nuances d'acier permettant de fabriquer de tels tubes qui résistent à une pression interne supérieure à 250 bar.
Le récipient (14, 15, 16) peut aussi être constitué d'un échangeur à plaques (60) comme illustré sur la figure 8. Un échangeur à plaques permet de développer une surface d'échange importante entre deux milieux thermiques dans un volume restreint. Un tel échangeur peut être typiquement constitué d'un empilement constitué d'une pluralité de plaques planes (63) et d'une pluralité de plaques ondulées (64, 65), qui forment ainsi deux réseaux de canaux (61 , 62). Dans chacun desdits réseaux de canaux peut circuler un fluide. L'un des fluides est le fluide hydraulique (4, 5, 6) avec le gaz (1 , 2, 3), et l'autre fluide est le fluide qui constitue le milieu de stockage thermique (10). De manière avantageuse, on utilise une configuration à flux croisée ou à contre- courant. La variante à flux croisée est montrée sur la figure 8, sur laquelle les canaux formés par deux plaques ondulées voisines sont tournés de 90e.
La variante de la figure 9 se distingue du schéma illustré sur la figure 1 par une localisation particulière de l'enceinte (11 ) par rapport à l'enceinte de stockage (13). Il est en effet possible de combiner le principe d'un stockage hydro-pneumatique avec celui d'un stockage gravitaire : dans cette variante, le fluide hydraulique (4, 5, 6) contenu dans les récipients (14, 15, 16) descend par gravité à travers la ligne (7) et le dispositif de compression - détente réversible (17) dans l'enceinte de stockage (13) qui se situe à un niveau inférieur par rapport à l'enceinte (11).
Dans cette variante, lors des phases de stockage d'énergie, la pompe (17) doit fournir plus d'énergie mécanique (W") pour élever le fluide hydraulique (9) et comprimer le gaz (1 , 2, 3). Lors des phases de restitution de l'énergie, la détente du gaz (1 , 2, 3) est couplée à la dénivellation du fluide hydraulique (4, 5, 6) pour fournir une énergie mécanique W".
La figure 10 montre de manière schématique un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel on apporte, avant la phase de détente du gaz (1 , 2, 3), une énergie thermique externe audit gaz. Cette énergie thermique externe peut provenir de différentes sources externes. De manière avantageuse, un tel dispositif comprend un collecteur solaire (52) comme source externe d'énergie thermique, qui est relié à un serpentin d'échange thermique (53) contenant un fluide caloporteur et qui plonge dans le milieu de stockage (10) contenu dans un ballon (51 ). Sur cette figure, le stockage de l'air comprimé se fait également à l'intérieur d'un serpentin (54), et le milieu de stockage (10) est le fluide hydraulique lui-même. On peut évidemment réaliser d'autres modes de réalisation, dans lesquels le milieu de stockage (10) est chauffé par un collecteur solaire (52), ou par une source de chaleur à faible différence de température, sachant qu'il est une des particularités du système et procédé quasi-isothermes selon l'invention de pouvoir valoriser des calories qui lui sont apportées avec une différence de température très faible : si l'on échauffe le milieu de stockage (10) d'un degré, cela permet déjà de créer une pression significative et utilisable dans le gaz (1 , 2, 3), qui peut être transformée avec un haut rendement en énergie mécanique par l'intermédiaire du moyen de compression - détente.
Ce mode de réalisation permet, après la compression du gaz (1 , 2, 3), de chauffer le milieu de stockage thermique (10) par l'intermédiaire du collecteur solaire (52). Cette énergie thermique est transféré au gaz (1 , 2, 3) par ledit milieu de stockage thermique (10) et provoque une augmentation de sa pression, qui peut être transformée, avec un haut rendement, en énergie mécanique supplémentaire.
Exemples
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de deux exemples non limitatifs de stockage d'énergie mécanique décrits ci-après.
Exemple 1
L'exemple 1 , décrit en relation avec la figure 1, permet d'illustrer une première configuration de mise en oeuvre de l'invention. Dans cet exemple, le gaz captif (1, 2, 3) est de l'azote contenu dans 3 cylindres de 1 m3. La masse totale d'azote est de 344 kg.
Elle est initialement à une pression de 100 bar et à une température de 200C. A l'instant t=0, on commence à pomper de l'eau dans les récipients (14, 15, 16) avec un débit de 1,83 m3/h. Les récipients (14, 15, 16) ayant une surface de contact limitée avec le milieu (10), le gaz (1 , 2, 3) s'échauffe sensiblement pendant cette phase de compression. Au temps t = 60 min, la pression du gaz est de 360 bar et sa température est de 750C. Cette étape permet de stocker 9 kWh d'énergie mécanique. A cet instant, le système passe en phase de décompression en soutirant un débit identique de 1,83 m3/h d'eau des récipients (14, 15, 16). Au temps t = 112 min, le gaz retrouve une pression de 100 bar et une température de 10C. Cette deuxième phase permet restituer 7,5 kWh d'énergie mécanique. L'efficacité du système est donc de 83 %.
Exemple 2
L'exemple 2 décrit en relation avec les figures 1 et 7, permet d'illustrer une deuxième configuration de mise en oeuvre de l'invention. Dans cet exemple, le gaz captif (1 , 2, 3) est de l'azote contenu dans 3 tubes enroulés comme cela est représenté sur la figure 7. Chaque tube peut contenir un volume de gaz de 1 m3. La masse totale d'azote est de 344 kg. Elle est initialement à une pression de 100 bar et à une température de 200C. A l'instant t = 0, on commence à pomper de l'eau dans les récipients (14, 15, 16) avec un débit de 1 ,96 m3/h. Les récipients (14, 15, 16) ayant une surface de contact importante avec le milieu (10), le gaz (1 , 2, 3) s'échauffe très peu pendant cette phase de compression. Au temps t = 60 min, la pression du gaz est de 360 bar et sa température est de 400C. Cette étape permet de stocker 9,4 kWh d'énergie mécanique. A cet instant, le système passe en phase de décompression en soutirant un débit identique de 2 m3/h d'eau des récipients (14, 15, 16). Au temps t = 120 min, le gaz retrouve une pression de 100 bar et une température de 17°C. Cette deuxième phase permet restituer 9,0 kWh d'énergie mécanique. L'efficacité du système est donc de 96 %.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de stockage d'énergie, notamment d'énergie mécanique, comportant
(a) au moins un récipient (14, 15, 16) contenant un fluide hydraulique (9) et un gaz (1 , 2, 3) ;
(b) au moins une enceinte de stockage (13) contenant du fluide hydraulique
(9) ;
(c) un moyen de compression - détente capable en mode « compression » de pomper du fluide hydraulique (9), et en mode « détente » de détendre du liquide hydraulique (9) ; caractérisé en ce que
(i) ledit fluide hydraulique (9) et/ou ledit gaz (1 , 2, 3) contenu dans le au moins un récipient (14, 15, 16) est en contact thermique avec un milieu de stockage d'énergie thermique (10) contenu dans une enceinte (11 ) ; (ii) ledit récipient (14, 15, 16) est relié à ladite au moins une enceinte de stockage (13) par des lignes (7,8) permettant de transporter ledit fluide hydraulique (9) de l'un à l'autre, à travers ledit moyen de compression - détente ;
(iii) ledit moyen de compression - détente est capable de pomper du fluide hydraulique (9) de l'enceinte de stockage (13) vers le récipient (14, 15, 16), et capable de détendre le liquide hydraulique (9) contenu dans ledit récipient (14, 15, 16) vers l'enceinte de stockage (13), en générant de l'énergie mécanique.
2. Système de stockage d'énergie selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit moyen de compression - détente comporte des moyens pour transformer l'énergie mécanique générée en énergie électrique.
3. Système de stockage d'énergie mécanique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le stockage d'énergie est obtenu par compression du gaz (1 , 2, 3) contenu dans le au moins un récipient (14, 15, 16) par le liquide hydraulique (9) qui est pompé avec ledit moyen de compression - détente.
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit récipient (14, 15, 16) est constitué par un tube en spirale ou par un échangeur à plaques (60).
5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit gaz (1, 2, 3) est un gaz condensable, et de préférence un gaz sélectionné dans le groupe constitué par les hydrocarbures, le CO2, les hydrocarbures fluorés, les alcanes fluorés.
6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit milieu de stockage thermique (10) comporte un matériau à changement de phase.
7. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un premier groupe de récipients (B1 ) et un second groupe de récipients (B2), et en ce que ledit gaz (1 , 2, 3) est de l'air ambiant, et en ce que pendant la phase de stockage d'énergie mécanique, lesdits premier et second groupes de récipients (B1 , B2) fonctionnent alternativement en compression d'air ou en aspiration d'air.
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit au moins un récipient (14,15,16) est situé à l'intérieur de ladite enceinte (11 ).
9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit récipient (43) est situé à l'extérieur de ladite enceinte (1 1), et en ce qu'une boucle de fluide (45) assure un contact thermique entre ledit milieu de stockage thermique (10) de ladite enceinte (11 ) et ledit fluide hydraulique (47) contenu dans ledit récipient (43).
10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit récipient (43) comporte un contacteur (44) pour améliorer le contact gaz - liquide, et dans lequel système :
- en phase de stockage d'énergie mécanique, le fluide hydraulique (9) stocké dans l'enceinte de stockage (13) est acheminé par une ligne (8) vers ledit moyen de compression - détente puis par une ligne (42) vers ledit récipient (43) afin de comprimer le gaz {48) ;
- en phase de restitution d'énergie mécanique, le gaz (48) est détendu en libérant le fluide (47) par une ligne (41 ) vers le moyen de compression - détente puis par ladite ligne (8) vers l'enceinte de stockage (13).
11. Système selon la revendication 10, dans lequel : - en phase de stockage d'énergie, ledit contacteur (44) permet de maintenir le gaz quasi-isotherme et de transférer les calories vers le fluide hydraulique (47), une boucle de fluide (45) permettant de véhiculer les calories du fluide (47) vers le milieu de stockage thermique (10) ;
- en phase de restitution d'énergie, la boucle de fluide (45) permet de restituer les calories stockées dans le milieu de stockage thermique (10) au fluide hydraulique (47).
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