WO2014020277A1 - Dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique et procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique par un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique et procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique par un tel dispositif Download PDF

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WO2014020277A1
WO2014020277A1 PCT/FR2013/051834 FR2013051834W WO2014020277A1 WO 2014020277 A1 WO2014020277 A1 WO 2014020277A1 FR 2013051834 W FR2013051834 W FR 2013051834W WO 2014020277 A1 WO2014020277 A1 WO 2014020277A1
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WO
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air
heat
storage
storing
electrical energy
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Application number
PCT/FR2013/051834
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Inventor
Claude FAVY
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Storewatt
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    • 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
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • 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
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • F02C7/10—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to a device and methods for storing and returning electrical energy on a large scale (several tens or hundreds of MW (megawatts) and several hundred MWH (megawatt hour)), for which the energy storage is especially in the form of both compressed or liquefied air and thermal energy, the latter being both generated by the compression of air and by electrothermal processes.
  • the storage of electrical energy has become a major challenge in order to participate in the stability of power grids, respond to peak demand peaks, participate in the integration of intermittent energy such as solar and wind, allow the storage of cheap or low-polluting energy at times of low demand to restore it at times of high demand, supplementing at peak period of low-responsive basic production means, to name a few applications.
  • Cycle efficiency defined as the ratio of outgoing energy to incoming energy in storage
  • thermodynamic cycles are used in the context of this technique.
  • the simplest is to compress air by means of compressors (driven by electric motors) allowing multi-stage compression, with intermediate cooling to approach isothermal compression and to spend as little energy as possible during compression. the air.
  • the compressed air is then stored in one or more tanks.
  • the compressed air is extracted from the tank, warmed by additional external heat energy (thanks to fuel oil, natural gas, electrical energy or any other heat source) ) and expanded through a turbine that drives an electric generator.
  • This cycle presents fairly low returns, particularly given the need to provide the external thermal energy to heat the air before passing through the turbine and the heat generated during the compression of the air is lost for the cycle.
  • thermodynamic cycles have been proposed improving this cycle, for example with heat recovery at the outlet of the turbine.
  • One of the cycles consists of using polytropic compressors, and storing both the heat generated during the compression of the air and the compressed air.
  • the hot air can be stored directly, which considerably reduces the energy density of the tank compared to cold air, or separately stores the heat resulting from the compression of the air and the cooled compressed air.
  • the compressed air is extracted from the tank, heated by the heat stored during its compression and expanded through a turbine that drives an electric generator.
  • This "adiabatic" cycle makes it possible not to use additional external heat and presents efficiencies greater than 70% taking into account the recovery of the heat produced during the compression. It emits no CO2.
  • the temperature at the output of the industrial compressors is limited to approximately 650 ° C which necessarily limits the energy density of the storage (the number of electric kwh that can be restored per m3 of storage depending on both the storage pressure and the inlet temperature of the expansion machine).
  • the underground cavities require a particular geological context in terms of sealing, permissible pressure by the surrounding rock and seismic risk.
  • the implementation possibilities are therefore limited and do not necessarily correspond to the locations where the storage of electrical energy is desired (distance from the places of consumption or production, insufficient power grid). They allow limited energy storage densities especially as storage is used only in a limited pressure range to keep the compression and expansion machines in acceptable operating areas.
  • the rigid tanks manufactured have the major advantage of being able to be installed without particular site constraints but also do not allow high energy storage densities when it comes to constant volume tank.
  • a concept has been proposed that allows the maintenance of a controlled pressure during storage and retrieval operations of air in a rigid tank through a hydraulic back pressure system to vary the volume of the compressed air part .
  • This concept greatly improves the energy storage density of the tank, the pressure being kept constant and all of the air contained in the tank being used.
  • the hot source being constituted by the thermal storage heated during the storage cycle, expansion of the gas and recovery of electrical energy, cooling of the gas by the cold source (the cold source being the thermal storage cooled during the storage cycle or a constant temperature cold source depending on the applications) and compression of the gas.
  • An alternative for obtaining hot source temperatures well above the temperatures accessible by simple compression is to generate heat by an electrothermal process (electrical resistance or other), which allows no CO2 emissions unlike cycles using fuels. .
  • the material constituting a thermal storage is heated by an electrical resistance, making it possible to raise the temperature of the air before it is released.
  • the electrical resistance heated storage and heat exchange unit must be dimensioned to withstand the pressure of the air at its storage pressure and thus at the maximum pressure in the cycle while being at a high temperature.
  • the simple behavior of the materials will require limiting pressure or temperature, despite the interest for such a cycle to work with high storage pressures and high restitution temperatures,
  • the cycle must necessarily incorporate an additional heat storage if one wants to store the heat resulting from the compression with an additional cost
  • the heat exchanger between the air and the exhaust of the turbine being positioned downstream of the heat storage resulting from the compression, only a part of the exhaust heat of the turbine can be recovered when the two devices are associates.
  • the device according to the invention makes it possible to provide an answer to these difficulties:
  • the high energy storage density implies a lesser storage volume and thus allows the economical use of manufactured tanks for the storage of compressed air (at constant pressure or not) allowing to overcome site constraints of underground reservoirs.
  • the efficiency of the cycle is optimized by the efficient recovery of the heat generated by the compression and the almost complete recovery of the exhaust heat of the main expansion turbine.
  • the invention relates to a device for storing and restoring electrical energy which comprises at least:
  • Compression means which compress the atmospheric air by using electrical energy
  • Electrothermal heating means making it possible to produce heat from electrical energy at a temperature greater than the temperature of the air leaving the compression means and to transfer this heat to the air at its exit from the means of compression,
  • a heat storage device making it possible, in a phase of storing the electrical energy, to extract and store the heat contained in the air at its exit from the means of electrothermal heating and, in a phase of restitution of the electrical energy, to restore the heat stored during the storage phase of the electrical energy to the air output of the air storage device,
  • the device for storing and restoring electrical energy may have the following characteristics, alone or in combination:
  • the compression means comprise one or more compressors, with or without cooling the air during its compression, allowing the compression of atmospheric air and driven by one or more electric motors;
  • the electrothermal heating means of the air may be based on the Joule effect, for example electric resistors, or any other electrothermal technique using electricity to produce heat;
  • the heat storage device comprises a thermal storage consisting of a solid heat storage material in the form of sensible heat and a heat exchange device either directly between the air and the heat storage material or by via a heat transfer fluid.
  • the heat storage device comprises a heat transfer and storage fluid, one or more storage tanks without mixing the cold portion of this fluid and the hot portion of the same fluid and one or more heat exchangers; heat transfer between the air and this fluid;
  • the expansion means comprise one or more expansion machines for an expansion of the air to atmospheric pressure after heating in the device and driving one or more electric generators;
  • a device for recovering the heat of the exhaust gases from the expansion means and transforming this heat into electrical energy is connected to the output of the expansion means;
  • the air can be heated by at least one device placed between two successive expansion machines for storing heat from an electrothermal heating means during a storage phase and allowing to return this heat to the air during a restitution phase.
  • the compression means comprising one or more compressors preferably with cooling of the air during its compression allowing additional compression of the air after cooling in the heat storage device and driven by one or more electric motors;
  • a heat exchanger is connected to the outlet of the air storage device for heating the air at its outlet from the air storage device by virtue of the heat available in the exhaust of the means for relaxing the air , as well as secondary means of expansion of the air, connected to the outlet of the heat exchanger and upstream of the storage device, making it possible to produce electrical energy, the expansion means comprising one or more expansion allowing a partial relaxation of the air after its heating in the heat exchanger and driving one or more electric generators;
  • the air storage device may comprise an underground cavity or any manufactured tank for storing compressed air with variable pressure or not;
  • the heat storage device consists of at least:
  • a device for pumping liquid air at high pressure and vaporizing it to return it as a compressed gas
  • the additional heat is supplied to the compressed air immediately upstream of the expansion means by a burner fed with a fuel.
  • the electrothermal heating device comprises temperature control means adapted to take into account a temperature set point to maintain the temperature of the air output of the electrothermal heating device according to the set point.
  • the electrothermal heating device comprises means for adjusting the electrical load capable of taking into account a load setpoint to maintain the total electrical load in accordance with the setpoint.
  • the air storage device comprises:
  • a compressor for compressing air in the gas phase the outlet of which is connected to the air outlet of the heat storage device;
  • An exchanger and heat storage for cooling the incoming air by exchange with a recycled gaseous phase and with the cold air stored and restored during the phase of restitution of the electrical energy, an input of which is connected to an output of air of the heat storage device;
  • an expansion device an inlet is connected to the outlet of the exchanger and heat storage, and to partially liquefy the air at its outlet from the exchanger;
  • a separator an inlet is connected to an output of the expansion device and for separating the liquid phase from the gas phase, and an output is connected to the exchanger and heat storage;
  • a storage tank for example a cryogenic tank, an inlet of which is connected to an outlet of the separator;
  • the invention relates to a method for storing and restoring electrical energy by a device as described above, comprising:
  • a phase of storing the electrical energy comprising the following successive steps:
  • phase of restitution of the electrical energy comprising the following successive steps:
  • the method for storing and restoring electrical energy may have the following characteristics, alone or in combination:
  • the step of compressing atmospheric air during the storage phase is simultaneous with a step of cooling the air;
  • the relaxation step during the restitution phase is simultaneous with a step of heating the air;
  • the method comprises an additional step of compressing the air;
  • the additional compression step is simultaneous with a cooling step of the air
  • the method comprises an additional step of exchanging heat in a heat exchanger between the air at its outlet from the air storage device and the expanded air;
  • the method comprises, during the restitution phase, after the extraction step and before the step of transmitting the heat stored in the air heat storage device, an additional step of increasing the temperature in the heat exchanger followed by an additional step of relaxation in secondary means of relaxation.
  • the method comprises, during the storage phase, the storage step comprises liquefying the compressed air and storing it in liquid form, and wherein, during the restitution phase, the step of extracting the air stored includes the pumping of liquid air and its vaporization.
  • FIG. 1 represents, in the prior art, a diagram of an adiabatic cycle with storage of heat resulting from compression.
  • FIG. 2 represents, from the prior art, the cycle proposed in US Pat. No. 7086231
  • FIG. 3 represents, from the prior art, the cycle proposed in patent application GB 2472128.
  • FIG. 4 represents an embodiment of a device for storing and restoring electrical energy according to the invention.
  • FIG. 5 represents another embodiment of the device for storing and restoring electrical energy.
  • FIG. 6 represents another embodiment of the device for storing and restoring electrical energy, with storage of air in liquid form.
  • Figure 7 shows another embodiment of a heat storage device.
  • Figure 8 shows another embodiment of the heat storage device.
  • Figure 9 shows another embodiment of the heat device.
  • Figure 10 shows another embodiment of the heat device.
  • FIG. 1 represents one of the prior art arrangements of an adiabatic cycle of energy storage by compressed air.
  • the ambient air also called atmospheric air
  • the compression installation (1 1) which consumes electrical energy.
  • the heat resulting from the compression is stored in the device (13) for storing and exchanging heat.
  • the cooled compressed air is then stored in a reservoir (15) which may be an underground cavity.
  • the storage pressures are generally in a range of 60 to 80 bar.
  • the cold air extracted from the tank (1 5) is first heated through the heat storage (13) and then expanded through an expansion device (18) which produces heat. electrical energy.
  • This adiabatic cycle presents interesting yields (ratio of the energy restored to the stored energy) of the order of 70%.
  • a compression without cooling can not allow to exceed a pressure of about 30 bar and a temperature of the order of 600 ° C which necessarily limits the density energy storage (kWh restored per m3 of storage). Cooling of the compression will increase the pressure without increasing the restitution temperature, which will only increase part of the energy density of the storage while reducing the efficiency of the cycle.
  • One solution is of course to equip the expansion device (18) of a burner for heating the air before expansion, but we are then in the case of a combustion with CO 2 emission.
  • Figure 2 shows the device claimed in US 7086231 B2.
  • the proposed device makes it possible to increase the temperature of the air entering the expansion machine (28) by means of heat stored in a storage device (23), heat generated by an electrothermal device during the storage phase. electricity. It makes it possible to increase the energy density of the storage while not generating CO 2 emission, the production of heat being generated by an electrothermal device.
  • the proposed configuration has some major disadvantages.
  • this device requires either to limit the storage pressure in the storage tank of the compressed air (25) to the pressure corresponding to the maximum pressure / temperature torque allowed by the compressor assembly (21) or to accept to lose heat resulting from compression by cooling the air during compression to obtain a higher storage pressure. It also appears that the heat from the exhaust of the turbine (28) can not be fully recovered, the recuperator (29) located downstream of the heat exchanger with the air from the compression (27). With this arrangement, the heat resulting from the exhaust of the turbine (28) at temperatures between the atmospheric temperature and the outlet temperature of the heat exchanger (27) is lost and does not heat the air before relaxation . .
  • the heat storage (23) supplied with heat from a resistor must necessarily be able to heat exchange with air at the maximum pressure in the cycle, which can lead to severe difficulties in maintaining the heat. materials considering both high temperature and high pressure.
  • the device presented comprises two heat storage devices (27) and (23), one for recovering the heat of compression and a second for recovering heat from the electrothermal heating device.
  • Figure 3 shows the device claimed in GB 2472128 A.
  • the proposed cycle does not allow the recovery of the heat resulting from the compression which necessarily limits the efficiency of the cycle.
  • a compressor (31) is directly connected to a tank (35) for storing air.
  • the air is extracted from the storage tank (35), and is heated in a recuperator (36) by air from a turbine (31) low pressure.
  • the air leaving the recuperator (36) is then expanded in a pressure reducer (37) high pressure, heated in a system (33) of thermal energy storage, using for example electrical means, and then expanded in a turbine (31) low pressure.
  • Figure 4 shows one of the configurations of the cycle proposed in the present invention.
  • the proposed cycle includes a set of devices already available industrially to date, including turbomachines whose costs and development time are extremely important. It appears in fact that many cycles proposed in the prior art have never emerged on an industrial scale, despite their indisputable theoretical interest, for reasons of too high cost of development of specific turbomachines. The values given by way of example therefore correspond to industrial machines available to date.
  • the ambient air after filtration if necessary, is compressed in the compression means (1).
  • the compression means (1) may comprise one or more compressors, preferably axial type, technology quite similar to the compressors that equip the combustion or centrifugal turbines or corresponding to a combination of axial compressors and centrifugal compressors.
  • the air compressors allow today, without cooling the air, to reach pressures up to 32 bar and outlet temperatures up to 650 ° C with good efficiencies. Compressors are driven by electric motors.
  • the compression may be partially cooled in order to limit the outlet temperature of the compressor to a temperature compatible with its capacity.
  • electrothermal heating device (2) which can be based, for example, on the Joule effect.
  • electrothermal heating is meant here any means for converting electrical energy into heat.
  • the air outlet temperatures of the electrothermal heating device (2) can reach 1,100 to 1,200 ⁇ , which is both compatible with the technological capabilities of the heat storage systems and with the overall inlet limit temperatures. (8), the current combustion turbines operating at temperatures up to 1300 ° C.
  • the high temperature air then enters a heat storage device (3) which allows both extracting and storing the heat contained in the air at its outlet from the heating device (2).
  • the electrothermal heating device (2) makes it possible to provide a limited amount of heat allowing a temperature increase of a few degrees to a few tens of degrees of the air heated by the compression.
  • the heating device (2) may comprise means for controlling the temperature.
  • the electrothermal heating is used to maintain the air output of the electrothermal heating device (2) at a temperature in accordance with a temperature setpoint, despite the variations in the temperature of the outlet air of the compressor (1), which temperature depends in particular on the load of the compressor (1).
  • Means make it possible to establish the instruction of temperature.
  • the temperature setpoint may be a constant, predetermined value or a value taking into account, for example, the temperature of the air leaving the compression means (1). The device thus makes it possible to optimize the temperatures of the heat storage and the temperatures of return of the air to the expansion means (8).
  • the electrothermal heating device (2) makes it possible to adjust the total electrical charge during the storage phase of the electrical energy.
  • the electrothermal heating device (2) comprises means for adjusting the electric charge. Means make it possible to establish a charging instruction.
  • the charge setpoint may be a constant value, predetermined, or be established according to the variations of supply of electricity, particularly in the case for example of so-called fatal energies. Load adjustment is one of the important roles of energy storage facilities. Indeed, it is sometimes necessary to be able to vary this load very quickly, out of the capacity of compression facilities.
  • the electrothermal heating device (2) especially if it is a device based on the Joule effect, has a very fast reaction capacity. This makes it possible to adjust the total electrical charge during a transient phase by increasing or decreasing the load on the electrothermal heating device (2), the compression installation varying in a longer period to the power required and the device (2). ) electrothermal heating gradually adjusting.
  • FIGS. 7, 8, 9 and 10 Several embodiments of the heat storage device (3) are shown in FIGS. 7, 8, 9 and 10.
  • the cooled air at its outlet from the heat storage device (3) is then stored in the air storage device (5).
  • the device (5) for storing air can be used to store the air in the form of a compressed gas.
  • a compressed gas In this case it may be an underground cavity, artificial or not, or manufactured tanks.
  • the tubes of the type used for the realization of gas pipelines represent an interesting alternative.
  • the storage can be carried out at variable pressure in a minimum and maximum pressure range or at constant pressure by maintaining a hydraulic back pressure.
  • the device (5) for storing air may also comprise a device for liquefying compressed air, for storing it in liquid form, a device for pumping it in liquid form at high pressure and a device for vaporizing it. in the form of compressed air at high pressure at the outlet of the device (5) for storing air.
  • a device for liquefying compressed air for storing it in liquid form
  • a device for pumping it in liquid form at high pressure and a device for vaporizing it. in the form of compressed air at high pressure at the outlet of the device (5) for storing air.
  • the air in the form of compressed gas is extracted from the device (5) for storing air.
  • the air temperatures at the outlet of the heat storage device (3) can reach 10 to 20 ° C lower than the inlet air temperature during the storage phase with an exchange of good efficiency.
  • additional heat at high temperatures can be provided to the air before the air is released by means of a fuel-fed burner.
  • This fuel can emit fossil CO2 (fuel oil, natural gas, or other) or from a renewable source (biogas) by being neutral in CO2 emission or not emitting CO2 (hydrogen).
  • the hot air is then expanded through the expansion means (8).
  • the expansion means (8) comprise one or more machines for expanding the air up to atmospheric pressure resulting in one or more electric generators.
  • the expansion means comprise several successive expansion machines of the air
  • air heating devices can be added between two successive expansion machines.
  • the heat necessary for the heating of the air can then be provided by any means and preferably by an additional device (10) for storing heat resulting from electrothermal heating during the storage phase of the electrical energy of the device ( 10) and to return this heat to the air during the phase of restitution of the electrical energy.
  • the expanded air at the outlet of the expansion means (8) may be at a temperature higher than the ambient temperature.
  • a device for recovering this heat (9) can be installed at the outlet of the expansion means (8). It can be a device for producing electrical energy or to enhance the heat contained in the air.
  • Figure 5 shows another configuration of the cycle proposed in the present invention.
  • the air is at its maximum pressure in the cycle right out of the compression means (1).
  • the maximum pressure compatible with the mechanical strength of the air storage device (5) (of the order of 80 bars for underground cavities and 120 bars or more for manufactured tanks). Consequently, the electrothermal heating device (2) and the heat storage device (3) must be able to withstand both very high pressure and very high temperature air, which may be a limiting factor for device.
  • the air at the outlet of the air storage device (5) is at its maximum pressure when it enters the heat storage device (3).
  • the added compression means (4) comprise, for example, one or more compressors, driven by one or more electric motors. In order to minimize the power consumption, these compression means will preferably be with cooling of the air during compression, in order to obtain a compression quasi-isothermal.
  • the pressure at the outlet of the compression means (1) can be optimized as a function of the maximum temperature constraints at the compressor outlet and the mechanical strength of the devices (2) and (3) while the compression means (4) added allow to adjust the maximum pressure to the best according to the constraints of the device (5) for storing air and constraints optimized recovery of energy output of the expansion means (8).
  • the additional expansion means (7) comprise, for example, one or more expansion machines allowing partial expansion of the air after it has been heated in the heat exchanger (6) and resulting in one or more electric generators.
  • FIG. 6 represents a variant of the proposed cycle in which the air storage device (5) comprises an air liquefaction plant, its storage in liquid form and its reconstitution in compressed form at high pressure.
  • the cycle is also optimized according to the specificities of liquid storage of air.
  • the cycle presented does not comprise complementary compression means (4) at the outlet of the heat storage device (3).
  • the pressure allowing a lower energy expenditure for the liquefaction process of the air is not necessarily high (it may be for example 30 bars) which allows to fully recover the heat resulting from compression, the temperatures of compressor output remaining in the technical possibilities.
  • the device (5) has been detailed for the example. Many other devices can be offered.
  • the device (5) for storing air comprises:
  • an expansion device (63) whose input is connected to the outlet of the exchanger and heat storage (62), and for partially liquefying the air at its outlet from the exchanger (62);
  • a separator (64) the inlet of which is connected to the outlet of the expansion device (63) and which makes it possible to separate the liquid phase from the gaseous phase and whose outlet is connected to the heat exchanger and storage (62 );
  • a cryogenic pump (66) connected to the outlet of the storage tank (65).
  • the air in gaseous form, enters the exchanger and heat storage (62), where it is cooled by heat exchange. Part of the air then leaves the exchanger and heat storage (62) in the liquid phase and another part remains in the gas phase.
  • the gas phase and the liquid phase are separated in the separator (64).
  • the gaseous phase is recycled through the exchanger (62) where it gives up its cold to the incoming air and is then compressed by means of the compressor (61) and re-injected into the incoming circuit of the exchanger and heat storage (62) .
  • the liquid phase is stored in the cryogenic storage tank (65).
  • the air in the liquid phase, in the cryogenic storage tank (65), is pumped at high pressure by means of the cryogenic pump (66).
  • the liquid air is then reheated and vaporized through the heat exchanger and storage (62) where it gives up its cold which is stored in the heat exchanger and storage (62).
  • the air is in the state of gas under high pressure.
  • Such a device makes it possible to recover and store the cold contained in the liquid air during the phase of restitution of the electrical energy and to restore this cold during liquefaction of the incoming air during the energy storage phase. electric.
  • the expansion means (8) comprise two successive expansion machines (8a) and (8b), a heat exchange and storage device (10) being placed between the two machines for heating the air.
  • This device (10) is itself heated by electrothermal means during the storage phase of the electrical energy.
  • FIG. 7 represents, by way of example, in section, a schematic representation of a configuration of the heat storage device (3).
  • the heat storage device (3) may consist of a plurality of elements as shown in FIG. 7 placed in series.
  • FIG. 7 represents the direction of flow of the air during the storage phase of the electrical energy, this direction being reversed during the phase of restitution of the electrical energy.
  • the hot air at an initial temperature Te enters the heat storage device (3) at point A via a duct (71). It then circulates in ducts (75) arranged in the storage material (74). It transfers its heat to the storage material (74) when the temperature thereof is lower than the initial temperature Te until it is cooled to a final temperature Tf corresponding to the temperature of the cold storage material (74), that is to say at a temperature less than or equal to the temperature of the medium in which it is placed.
  • the air thus cooled continues its course without heat exchange with the storage material (74) to the outlet B of the device (3) for storing heat.
  • the storage phase we have, following the path of the air, a first part where the storage material (74) is at the initial temperature Te, followed by a transition zone where the temperature of the material of storage passes from the initial temperature Te to the final temperature Tf and finally the rest of the storage material at the final temperature Tf to the outlet B.
  • the different flow zones are separated by a thermal insulation (73) in order to keep good stratification of the heat along the path of the air in the different pipes.
  • the end ducts (71) make it possible to limit heat exchanges between successive flow zones (77).
  • the heat storage material (74) may be made of any refractory material, for example fired clays, ceramics based on magnesia or alumina, materials derived from industrial waste such as molten asbestos.
  • the storage material (74) is solid.
  • the arrows (76) represent the direction of flow in the heat storage phase. This meaning is reversed at the heat destocking.
  • the exchanges of heat between the air and the material (74) for storage can be done directly, or indirectly, for example by means of a heat transfer fluid.
  • Figure 8 shows a variant of the device (3) for storing heat using a heat transfer fluid.
  • the heat exchange is first performed through a heat exchanger (81) for transferring the heat of the hot air (82) to a coolant (83).
  • This fluid (83) then gives up its heat to the device described in Figure 7 where it replaces the air.
  • the advantage of this variant is that it allows the use of a medium pressure fluid with good exchange capacity inside the heat storage while the hot air and under high pressure is limited to the heat exchanger of heat (81).
  • the coolant can be liquid or gaseous at the temperatures considered.
  • It may be for example a neutral gas such as argon, helium or neon.
  • Figure 9 shows another variant of the device (3) for storing heat.
  • the arrow (91) represents the flow direction of the fluid during the storage phase.
  • the fluid is first stored cold, that is to say at a temperature less than or equal to the temperature of the medium in which it is placed, in a reservoir (92) said cold and then after passing through the exchanger ( 95) and warming stored in a hot reservoir (94) said hot.
  • the storage fluid will be liquid over the temperature range considered.
  • the storage fluid may be, for example, molten salts or a metal in liquid form.
  • the cycle described in FIG. 4 can be substantially modified in a variant, the electrothermal heating device (2) not being used to heat the air at its outlet from the compression means ( 1) but to directly heat the storage fluid (93) after passing through the exchanger (95) or directly into the hot reservoir (94).
  • FIG. 10 represents a variant of the device described in FIG. 9.
  • the storage fluid instead of being stored in a cold reservoir when it is cold and in a hot reservoir when it is hot, is stored in a single reservoir (102), the hot storage fluid being above the flow medium. cold storage.
  • the stratification may be solely thermal or result from the presence of a separator (101) preferably thermally insulating and whose density allows it to float on the cold fluid and flow on the hot fluid.
  • the device proposed according to the invention thus makes it possible to obtain the best combination of the indicators, leading to a better economic competitiveness of the process.
  • the device according to the invention makes it possible to store and restore electrical energy in the form of compressed air and heat storage by allowing storage densities and high yields.

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Abstract

Dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique comprenant : • des moyens de compression (1) de l'air atmosphérique, • des moyens de chauffage électrothermiques (2), • un dispositif (5) de stockage de l'air, • un dispositif de stockage de chaleur (3), • des moyens de détente (8), • un ensemble des canalisations permettant la circulation de l'air entre les différents composants de l'installation et des dispositifs de contrôle et de commande nécessaires à son fonctionnement.

Description

Dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique et procédé de stockage et de restitution d'énergie électrigue par un tel dispositif
La présente invention concerne un dispositif et des procédés de stockage et de restitution d'énergie électrique à grande échelle (plusieurs dizaines voir centaines de MW (mégawatts) et plusieurs centaines de MWH (mégawatt heure)), pour lequel le stockage d'énergie est notamment réalisé sous la forme à la fois d'air comprimé ou liquéfié et d'énergie thermique, celle ci étant à la fois générée par la compression de l'air et par des procédés électrothermiques.
Le stockage de l'énergie électrique est devenu un enjeu majeur afin de pouvoir participer à la stabilité des réseaux électriques, répondre aux pics de demande en période de pointe, participer à l'intégration des énergies intermittentes comme le solaire et l'éolien, permettre le stockage de l'énergie peu chère ou peu polluante en période de faible demande pour la restituer en période de forte demande, compléter en période de pointe des moyens de production de base peu réactifs, pour ne citer que quelques applications.
De nombreuses techniques ont été développées, les plus utilisées, s'agissant de stockage à grande échelle, étant le pompage turbinage avec stockage hydraulique et le stockage de l'énergie électrique par l'intermédiaire d'air comprimé.
A noter que quelques indicateurs permettent de comparer à l'intérieur d'une même technologie différents cycles de stockage. Il s'agit :
· du rendement du cycle défini comme le rapport de l'énergie sortante sur l'énergie entrante dans le stockage
• de la densité énergétique du stockage défini comme l'énergie sortante stockée par m3 (mètre cube) de stockage, en kwh/m3 (kilowatts heure par mètre cube)
Ces deux indicateurs seront largement utilisés dans la présente demande.
D'autres techniques sont en cours de développement comme le stockage sous forme chimique (batteries) ou sous forme d'énergie thermique.
Dans le stockage sous forme d'air comprimé, l'énergie électrique est utilisée pour comprimer de l'air, cet air étant stocké sous forme comprimée dans des réservoirs artificiels ou naturels. La détente de cet air à travers des machines de détente permet de restituer une partie de l'énergie électrique utilisée pour la compression.
Différents cycles thermodynamiques sont utilisés dans le cadre de cette technique. Le plus simple consiste à comprimer de l'air au moyen de compresseurs (entraînés par des moteurs électriques) permettant une compression multi-étagée, avec refroidissements intermédiaires pour approcher d'une compression isotherme et dépenser le moins d'énergie possible durant la compression de l'air. L'air comprimé est alors stocké dans un ou des réservoirs. Lorsque l'on veut restituer de l'énergie électrique, l'air comprimé est extrait du réservoir, réchauffé par appoint d'énergie thermique extérieure (grâce à du fuel, du gaz naturel, de l'énergie électrique ou tout autre source de chaleur) et détendu à travers une turbine qui entraîne un générateur électrique. Ce cycle présente des rendements assez faibles compte tenu notamment de la nécessité de fournir de l'énergie thermique extérieure pour réchauffer l'air avant passage dans la turbine et du fait que la chaleur générée lors de la compression de l'air est perdue pour le cycle.
De nombreux autres cycles thermodynamiques ont été proposés améliorant ce cycle, par exemple avec récupération de chaleur à la sortie de la turbine.
Un des cycles, dit « adiabatique », consiste à utiliser des compresseurs polytropiques, et à stocker à la fois la chaleur générée lors de la compression de l'air et l'air comprimé. On peut soit stocker directement l'air chaud, ce qui diminue considérablement la densité énergétique du réservoir comparé à de l'air froid, soit stocker séparément la chaleur résultant de la compression de l'air et l'air comprimé refroidi. Lorsque l'on veut restituer de l'énergie électrique, l'air comprimé est extrait du réservoir, réchauffé grâce à la chaleur stockée lors de sa compression et détendu à travers une turbine qui entraîne un générateur électrique. Ce cycle « adiabatique » permet de ne pas utiliser de complément de chaleur extérieur et présente des rendements supérieurs à 70% compte tenu de la récupération de la chaleur produite lors de la compression. Il n'émet aucun C02. On peut noter également qu'à ce jour la température en sortie des compresseurs industriels est limitée à environ 650°C ce qui limite nécessairement la densité énergétique du stockage (le nombre de kwh électrique que l'on peut restituer par m3 de stockage dépendant à la fois de la pression de stockage et de la température en entrée de la machine de détente).
A ce jour, les installations de stockage d'air de capacité importante utilisent des cavités souterraines, naturelles ou artificielles, ou des réservoirs rigides manufacturés pour stocker l'air sous pression.
Les cavités souterraines nécessitent un contexte géologique particulier en termes d'étanchéité, de pression admissible par la roche environnante et de risque sismique. Les possibilités d'implantation sont donc limitées et ne correspondent pas nécessairement aux localisations où le stockage de l'énergie électrique est souhaité (éloignement des lieux de consommation ou de production, réseau électrique insuffisant). Elles permettent des densités de stockage énergétique limitées d'autant plus que l'on utilise le stockage que dans un intervalle de pression limité pour maintenir les machines de compression et de détente dans des zones de fonctionnement acceptables.
Les réservoirs rigides manufacturés présentent l'avantage majeur de pouvoir être installés sans contrainte de site particulière mais ne permettent pas également des densités de stockage énergétiques fortes lorsqu'il s'agit de réservoir à volume constant.
Un concept a été proposé qui permet le maintien d'une pression contrôlée lors des opérations de stockage et de déstockage de l'air dans un réservoir rigide grâce à un système de contre-pression hydraulique permettant de faire varier le volume de la partie air comprimé. Ce concept améliore très largement la densité de stockage énergétique du réservoir, la pression étant maintenue constante et l'intégralité de l'air contenu dans le réservoir étant utilisé.
Des concepts ont été décrits dans lesquels l'air est stocké sous forme liquide, le procédé de liquéfaction faisant appel à des dispositifs de compression avec ou sans stockage de la chaleur générée lors de la compression et la phase de restitution de l'énergie faisant appel à des dispositifs de détente avec ou sans apport de chaleur extérieure. Dans le stockage de l'énergie électrique sous forme thermique, les concepts proposés font appel :
• lors de la phase de stockage à des cycles type pompe à chaleur avec compression d'un gaz, chauffage d'un stockage thermique grâce à la chaleur générée pendant la compression, détente du gaz et refroidissement d'une source froide (un stockage thermique ou une source froide à température constante suivant les applications).
• lors de la phase de restitution à des cycles type moteur, avec chauffage d'un gaz, la source chaude étant constituée du stockage thermique chauffé pendant le cycle de stockage, détente du gaz et récupération d'énergie électrique, refroidissement du gaz par la source froide (la source froide étant constituée du stockage thermique refroidi durant le cycle de stockage ou d'une source froide à température constante suivant les applications) et compression du gaz.
Le rendement de restitution de l'énergie électrique et surtout la densité du stockage énergétique de tous ces procédés dépendent largement des températures auxquelles on peut à la fois produire de la chaleur par compression lors du cycle de stockage et à la fois stocker cette chaleur.
Si le stockage de chaleur dans des réfractaires ou des matériaux minéraux à plus de 1200°C est actuellement possible, les températures de sortie des compresseurs industriels restent aujourd'hui limitées à des températures d'environ 650 Ό ce qui réduit considérablement les densités énergétiques de stockage et les rendements que l'on peut espérer de ces cycles.
Des recherches sont en cours pour développer des compresseurs acceptant des températures de sortie plus importantes mais sont encore très loin d'un développement industriel.
Une alternative permettant d'obtenir des températures de source chaude largement supérieures aux températures accessibles par la simple compression consiste à générer de la chaleur par un procédé électrothermique (résistance électrique ou autre), ce qui permet aucune émission de C02 contrairement aux cycles utilisant des combustibles.
Un concept a été proposé dans le brevet US 7086231 .
Dans ce concept, le matériau composant un stockage thermique est chauffé par une résistance électrique, permettant d'élever la température de l'air avant sa détente.
Bien qu'intéressant, le cycle proposé présente des inconvénients majeurs :
l'unité de stockage et d'échange de chaleur chauffée par résistance électrique doit être dimensionnée pour résister à la pression de l'air à sa pression de stockage donc à la pression maximum dans le cycle tout en étant à haute température. La simple tenue des matériaux va nécessiter de limiter pression ou température, malgré l'intérêt pour un tel cycle de travailler avec de fortes pressions de stockage et des températures de restitution importantes,
le cycle doit nécessairement intégrer un stockage de chaleur supplémentaire si l'on veut stocker la chaleur issue de la compression avec un coût supplémentaire
- l'échangeur de chaleur entre l'air et l'échappement de la turbine étant positionné en aval du stockage de chaleur résultant de la compression, seule une partie de la chaleur d'échappement de la turbine pourra être récupérée lorsque les deux dispositifs sont associés.
Un concept faisant également appel à un chauffage électrothermique a également été proposé dans la demande de brevet GB 2472128. La encore, il s'agit de chauffer un stockage thermique au moyen d'un chauffage électrothermique, ce stockage permettant de chauffer l'air avant sa détente. Le concept proposé ne permet pas la récupération de chaleur issue de la compression.
Le dispositif selon l'invention permet d'apporter une réponse à ces difficultés :
- il permet d'utiliser des machines industrielles de compression et de détente de l'air dans des gammes de pression et de température existant à ce jour sur le marché et de récupérer et stocker pour restitution la chaleur générée par la compression.
Il permet d'obtenir des rendements du cycle et des densités énergétiques de stockage élevées en utilisant conjointement un stockage de l'air comprimé à température ambiante ou un stockage de l'air sous forme liquide et un stockage thermique à très haute température, permettant de réaliser un cycle thermodynamique à très haute température de la source chaude et de réduire ainsi le volume de stockage de l'air et par conséquent le coût global de l'installation.
Il permet d'utiliser le même stockage de chaleur pour la chaleur issue de la compression de l'air (moyenne température) et celle issue du chauffage électrothermique (haute température) qui viendra compléter la chaleur issue de la compression.
Il permet, si nécessaire, de limiter à une pression intermédiaire la pression de l'air au niveau du stockage de chaleur.
Il permet de choisir une pression dans le stockage d'air comprimé qui est optimisée économiquement et techniquement pour permettre également une bonne récupération de la chaleur de l'échappement de la turbine principale.
La densité énergétique de stockage élevée (haute pression et température avant détente élevée) implique un volume de stockage moindre et permet donc l'utilisation économique de réservoirs manufacturés pour le stockage de l'air comprimé (à pression constante ou non) permettant de s'affranchir des contraintes de site des réservoirs souterrains.
- Le cycle est adiabatique et n'émet aucun C02.
Le rendement du cycle est optimisé grâce à la récupération efficace de la chaleur générée par la compression et à la récupération quasi complète de la chaleur à l'échappement de la turbine de détente principale.
Il n'utilise aucun fluide présentant des risques pour l'environnement.
L'invention concerne, selon un premier aspect, un dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique qui comprend au moins:
• des moyens de compression qui compriment l'air atmosphérique en utilisant de l'énergie électrique,
• des moyens de chauffage électrothermiques permettant de produire de la chaleur à partir d'énergie électrique à une température supérieure à la température de l'air en sortie des moyens de compression et de transférer cette chaleur à l'air à sa sortie des moyens de compression,
• un dispositif de stockage de l'air,
• un dispositif de stockage de chaleur permettant, dans une phase de stockage de l'énergie électrique, d'extraire et de stocker la chaleur contenue dans l'air à sa sortie des moyens de chauffage électrothermiques et permettant, dans une phase de restitution de l'énergie électrique, de restituer la chaleur stockée lors de la phase de stockage de l'énergie électrique à l'air en sortie du dispositif de stockage de l'air,
• des moyens de détente utilisant l'air réchauffé à sa sortie du dispositif de stockage de chaleur pour produire de l'énergie électrique,
• un ensemble des canalisations permettant la circulation de l'air entre les différents composants de l'installation et des dispositifs de contrôle et de commande nécessaires à son fonctionnement. Selon des modes particuliers de l'invention, le dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique peut présenter les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
- les moyens de compression comprennent un ou plusieurs compresseurs, avec ou sans refroidissement de l'air pendant sa compression, permettant la compression de l'air atmosphérique et entraînés par un ou des moteurs électriques ;
- les moyens de chauffage électrothermiques de l'air peuvent être basés sur l'effet Joule, par exemple des résistances électriques, ou tout autre technique électrothermique faisant appel à l'électricité pour produire de la chaleur ;
- le dispositif de stockage de la chaleur comprend un stockage thermique composé d'un matériau solide de stockage de chaleur sous forme de chaleur sensible et un dispositif d'échange de chaleur soit directement entre l'air et le matériau de stockage de chaleur soit par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur.
- le dispositif de stockage de la chaleur comprend un fluide de transfert et de stockage de la chaleur, un ou plusieurs réservoirs de stockage sans mélange la portion froide de ce fluide et la portion chaude de ce même fluide et de un ou des échangeurs permettant des transferts de chaleur entre l'air et ce fluide ;
- les moyens de détente comprennent une ou plusieurs machines de détente permettant une détente de l'air jusqu'à la pression atmosphérique après son réchauffement dans le dispositif et entraînant un ou des générateurs électriques ;
- un dispositif de récupération de la chaleur des gaz d'échappement des moyens de détente et de transformation de cette chaleur en énergie électrique est relié à la sortie des moyens de détente ;
- lorsque les moyens de détente comprennent plusieurs machines de détente, l'air peut être réchauffé par au moins un dispositif placé entre deux machines de détente successives de stockage de la chaleur issue d'un moyen de chauffage électrothermique pendant une phase de stockage et permettant de restituer cette chaleur à l'air pendant une phase de restitution.
- pour la phase de stockage de l'énergie, d'autres moyens de compression sont ajoutés qui compriment l'air en utilisant de l'énergie électrique à sa sortie du dispositif de stockage de chaleur, et en amont du dispositif de stockage de l'air, les moyens de compression comprenant un ou plusieurs compresseurs de préférence avec refroidissement de l'air pendant sa compression permettant une compression complémentaire de l'air après son refroidissement dans le dispositif de stockage de chaleur et entraînés par un ou des moteurs électriques ;
- un échangeur de chaleur est relié à la sortie du dispositif de stockage de l'air permettant de réchauffer l'air à sa sortie du dispositif de stockage de l'air grâce à la chaleur disponible en échappement des moyens de détente de l'air, ainsi que des moyens secondaires de détente de l'air, reliés à la sortie de l'échangeur de chaleur et en amont du dispositif de stockage, permettant de produire de l'énergie électrique, les moyens de détente comprenant une ou plusieurs machines de détente permettant une détente partielle de l'air après son réchauffement dans l'échangeur de chaleur et entraînant un ou des générateurs électriques ;
- le dispositif de stockage de l'air peut comprendre une cavité souterraine ou tout réservoir manufacturé permettant le stockage de l'air comprimé à pression variable ou non ;
- le dispositif de stockage la chaleur est constitué d'au moins :
• un dispositif permettant de liquéfier l'air comprimé,
• un dispositif de stockage de l'air sous forme liquide,
« un dispositif permettant de pomper l'air liquide à haute pression et de le vaporiser pour le restituer sous forme de gaz comprimé.
- la chaleur complémentaire est apportée à l'air comprimé en amont immédiat des moyens de détente par un brûleur alimenté par un combustible.
- le dispositif de chauffage électrothermique comprend des moyens de contrôle de la température aptes à prendre en compte une consigne de température pour maintenir la température de l'air en sortie du dispositif de chauffage électrothermique conforme à la consigne.
- il comprend des moyens pour établir la consigne de température en fonction de la température de l'air en sortie des moyens de compression.
- le dispositif de chauffage électrothermique comprend des moyens d'ajustement de la charge électrique aptes à prendre en compte une consigne de charge pour maintenir la charge électrique totale conforme à la consigne.
- il comprend des moyens pour établir la consigne de charge en fonction des variations de fourniture de l'électricité ;
- le dispositif de stockage de l'air comprend :
· un compresseur permettant de comprimer de l'air en phase gazeuse, et dont la sortie est reliée à la sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur ;
• un échangeur et stockage de chaleur permettant de refroidir l'air entrant par échange avec une phase gazeuse recyclée et avec l'air froid stocké et restitué durant la phase de restitution de l'énergie électrique, dont une entrée est reliée à une sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur ;
• un dispositif de détente, dont une entrée est reliée à la sortie de l'échangeur et stockage de chaleur, et permettant de liquéfier en partie l'air à sa sortie de l'échangeur ; • un séparateur, dont une entrée est reliée à une sortie du dispositif de détente et permettant de séparer la phase liquide de la phase gazeuse, et dont une sortie est reliée à l'échangeur et stockage de chaleur ;
• un réservoir de stockage, par exemple cryogénique, dont une entrée est reliée à une sortie du séparateur ;
• une pompe cryogénique, reliée à une sortie du réservoir de stockage.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique par un dispositif tel que décrit ci-dessus, comprenant :
une phase de stockage de l'énergie électrique, comprenant les étapes successives suivantes :
• la compression d'air atmosphérique par les moyens de compression,
• l'augmentation de la température de l'air comprimé par les moyens de chauffages électrothermiques,
• le stockage de la chaleur de l'air comprimé et réchauffé dans le dispositif de stockage de chaleur,
• le stockage de l'air dans le dispositif de stockage de l'air ;
une phase de restitution de l'énergie électrique, comprenant les étapes successives suivantes :
• l'extraction de l'air stocké,
· la transmission de la chaleur stockée dans le dispositif de stockage de chaleur à l'air stocké dans le dispositif de stockage de l'air,
• la détente de l'air réchauffé.
Selon des modes particuliers de l'invention, le procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique peut présenter les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
- l'étape de compression d'air atmosphérique pendant la phase de stockage est simultanée à une étape de refroidissement de l'air ;
l'étape de détente pendant la phase de restitution est simultanée à une étape de réchauffement de l'air ;
pendant la phase de stockage, entre l'étape de stockage de la chaleur et l'étape de stockage de l'air, le procédé comprend une étape supplémentaire de compression de l'air ;
l'étape supplémentaire de compression est simultanée à une étape de refroidissement de l'air ;
le procédé comprend une étape supplémentaire d'échange de la chaleur dans un échangeur de chaleur entre l'air à sa sortie du dispositif de stockage de l'air et l'air détendu ;
- le procédé comprend, pendant la phase de restitution, après l'étape d'extraction et avant l'étape de transmission de la chaleur stockée dans le dispositif de stockage de chaleur à l'air, une étape supplémentaire d'augmentation de la température dans l'échangeur de chaleur suivie d'une étape supplémentaire de détente dans des moyens secondaires de détente. le procédé comprend, pendant la phase de stockage, l'étape de stockage comprend la liquéfaction de l'air comprimé et son stockage sous forme liquide, et dans lequel, pendant la phase de restitution, l'étape d'extraction de l'air stocké comprend le pompage de l'air liquide et sa vaporisation.
Les dessins annexés illustrent l'invention :
La figure 1 représente parmi l'art antérieur un schéma d'un cycle adiabatique avec stockage de la chaleur issue de la compression.
La figure 2 représente parmi l'art antérieur le cycle proposé dans le brevet US 7086231
La figure 3 représente parmi l'art antérieur le cycle proposé dans la demande de brevet GB 2472128.
La figure 4 représente un mode de réalisation d'un dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique conforme à l'invention.
La figure 5 représente un autre mode de réalisation du dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique.
La figure 6 représente un autre mode de réalisation du dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique, avec stockage de l'air sous forme liquide.
La figure 7 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif de stockage de la chaleur. La figure 8 représente un autre mode de réalisation du dispositif de stockage de la chaleur .
La figure 9 représente un autre mode de réalisation du dispositif de la chaleur.
La figure 10 représente un autre mode de réalisation du dispositif de la chaleur.
La figure 1 représente une des dispositions parmi l'art antérieur d'un cycle adiabatique de stockage de l'énergie par air comprimé.
Dans la phase de stockage de l'énergie, l'air ambiant, également appelé air atmosphérique, est comprimé au moyen de l'installation de compression (1 1 ) qui consomme de l'énergie électrique. La chaleur issue de la compression est stockée dans le dispositif (13) de stockage et d'échange de chaleur. L'air comprimé refroidi est alors stocké dans un réservoir (15) qui peut être une cavité souterraine. Dans ce cas, les pressions de stockage sont en général dans un intervalle de 60 à 80 bars.
Dans la phase de restitution de l'énergie, l'air froid extrait du réservoir (1 5) est tout d'abord réchauffé à travers le stockage de chaleur (13) puis détendu à travers une installation de détente (18) qui produit de l'énergie électrique.
Ce cycle adiabatique présente des rendements intéressants (rapport de l'énergie restituée à l'énergie stockée) de l'ordre de 70%. Cependant, compte tenu des limites actuelles des compresseurs industriels en terme de température, une compression sans refroidissement ne pourra pas permettre d'excéder une pression d'environ 30 bars et une température de l'ordre de 600°C ce qui limite nécessairement la densité énergétique du stockage (kWh restitué par m3 de stockage). Un refroidissement de la compression permettra d'augmenter la pression sans augmenter la température de restitution ce qui n'augmentera qu'en partie la densité énergétique du stockage tout en diminuant le rendement du cycle. Une solution consiste bien sur à équiper l'installation de détente (18) d'un brûleur permettant de réchauffer l'air avant sa détente, mais nous sommes alors dans le cas d'une combustion avec émission de C02.
La figure 2 représente le dispositif revendiqué dans le brevet US 7086231 B2. Le dispositif proposé permet d'augmenter la température de l'air en entrée de la machine de détente (28) grâce à de la chaleur stockée dans un dispositif de stockage (23) , chaleur générée grâce à un dispositif électrothermique durant la phase de stockage de l'électricité. Il permet d'augmenter la densité énergétique du stockage tout en ne générant pas d'émission de C02, la production de chaleur étant générée par un dispositif électrothermique. Cependant, la configuration proposée présente quelques désavantages majeurs.
On peut constater que ce dispositif nécessite soit de limiter la pression de stockage dans le réservoir de stockage de l'air comprimé (25) à la pression correspondant au couple pression / température maximum admissible par l'ensemble compresseur (21 ) soit d'accepter de perdre de la chaleur issue de la compression en refroidissant l'air pendant la compression pour obtenir une pression de stockage supérieure. Il apparaît également que la chaleur issue de l'échappement de la turbine (28) ne peut être intégralement récupérée, le récupérateur (29) se situant en aval de l'échangeur de chaleur avec l'air issu de la compression (27). Avec cette disposition, la chaleur issue de l'échappement de la turbine (28) à des températures comprises entre la température atmosphérique et la température de sortie de l'échangeur de chaleur (27) est perdue et ne réchauffe pas l'air avant détente. . De plus, le stockage de chaleur (23) alimenté par la chaleur provenant d'une résistance doit nécessairement pouvoir réaliser l'échange thermique avec de l'air à la pression maximum dans le cycle, ce qui peut entraîner de sévères difficultés de tenue des matériaux compte tenu à la fois de la température élevée et de la pression élevée. Enfin, le dispositif présenté comprend deux dispositifs de stockage de chaleur (27) et (23), un premier permettant la récupération de la chaleur de compression et un second permettant la récupération de la chaleur provenant du dispositif de chauffage électrothermique.
La figure 3 représente le dispositif revendiqué dans la demande de brevet GB 2472128 A.
Le cycle proposé ne permet pas la récupération de la chaleur issue de la compression ce qui limite nécessairement le rendement du cycle. En effet, dans ce document, un compresseur (31 ) est directement relié à un réservoir (35) de stockage de l'air. Pour produire l'électricité, l'air est extrait du réservoir (35) de stockage, et est réchauffé dans un récupérateur (36) par de l'air issu d'une turbine (31 ) basse pression. L'air sortant du récupérateur (36) est ensuite détendu dans un détendeur (37) haute pression, réchauffé dans un système (33) de stockage d'énergie thermique, utilisant par exemple des moyens électriques, puis détendu dans une turbine (31 ) basse pression. La figure 4 représente une des configurations du cycle proposé dans la présente demande d'invention. Le cycle proposé inclut un ensemble de dispositifs déjà disponibles industriellement à ce jour, notamment des turbomachines dont les coûts et les délais de développement sont extrêmement importants. Il apparaît en effet que de nombreux cycles proposés dans l'art antérieur n'ont jamais vu le jour à l'échelle industrielle, malgré leur intérêt théorique indiscutable, pour des raisons de coût trop élevé de développement de turbomachines spécifiques. Les valeurs indiquées à titre d'exemple correspondent donc à des machines industrielles disponibles à ce jour.
• Lors de la phase de stockage de l'énergie électrique :
L'air ambiant, après filtration si nécessaire, est comprimé dans les moyens de compression (1 ). Les moyens de compression (1 ) peuvent comprendre un ou plusieurs compresseurs, de préférence de type axial, de technologie tout à fait similaire aux compresseurs qui équipent les turbines à combustion ou centrifuge ou encore correspondant à une combinaison de compresseurs axiaux et de compresseurs centrifuges. Les compresseurs d'air permettent à ce jour, sans refroidissement de l'air, d'atteindre des pressions jusqu'à 32 bars et des températures de sortie jusqu'à 650 °C avec de bonnes efficacités. Les compresseurs sont entraînés par des moteurs électriques.
Il est intéressant pour optimiser le rendement du cycle, de monter à des pressions et des températures les plus élevées possibles compatibles avec la technologie industriellement disponible, la chaleur étant récupérée. S'il est nécessaire, pour optimiser la densité énergétique de stockage, de monter à des pressions supérieures à 32 bars, la compression peut être partiellement refroidie afin de limiter la température de sortie du compresseur à une température compatible avec ses capacités.
L'air chauffé par la compression entre dans le dispositif (2) de chauffage électrothermique qui peut être basé, par exemple, sur l'effet Joule. Par « chauffage électrothermique » on désigne ici tout moyen permettant de convertir de l'énergie électrique en chaleur.
Les températures de sortie de l'air du dispositif (2) de chauffage électrothermique peuvent atteindre 1 100 à 1200Ό, ce qui est à la fois compatible avec les capacités technologiques des stockages de chaleur et avec les températures limites d'entrée dans l'ensemble de détente (8), les turbines à combustion actuelles fonctionnant à des températures jusqu'à 1300 °C.
L'air à haute température entre ensuite dans un dispositif (3) de stockage de chaleur qui permet à la fois d'extraire et de stocker la chaleur contenue dans l'air à sa sortie du dispositif de chauffage (2).
On peut donc obtenir, grâce au cycle présenté, une récupération totale de la chaleur générée par la compression jusqu'à prés de 650Ό, complétée par la chaleur apportée par le dispositif (2) de chauffage électrothermique à des températures jusqu'à 1 100 Ό, avec un seul dispositif de stockage de chaleur (3).
Dans une variante de réalisation de l'invention, le dispositif (2) de chauffage électrothermique permet d'apporter une quantité de chaleur limitée permettant un accroissement de température de quelques degrés à quelques dizaines de degrés de l'air chauffé par la compression. A cet effet, le dispositif (2) de chauffage peut comprendre des moyens de contrôle de la température. Ainsi, le chauffage électrothermique est utilisé pour maintenir l'air en sortie du dispositif (2) de chauffage électrothermique à une température conforme à une consigne de température, malgré les variations de la température de l'air en sortie du compresseur (1 ), laquelle température dépendant notamment de la charge du compresseur (1 ). Des moyens permettent d'établir la consigne de température. La consigne de température peut être une valeur constante, prédéterminée, ou une valeur prenant en compte par exemple la température de l'air en sortie des moyens (1 ) de compression. Le dispositif permet ainsi d'optimiser les températures du stockage de chaleur et les températures de restitution de l'air aux moyens de détente (8).
Dans une autre variante de réalisation de l'invention, le dispositif (2) de chauffage électrothermique permet d'ajuster la charge électrique totale pendant la phase de stockage de l'énergie électrique. A cet effet, le dispositif (2) de chauffage électrothermique comprend des moyens d'ajustement de la charge électrique. Des moyens permettent d'établir une consigne de charge. La consigne de charge peut être une valeur constante, prédéterminée, ou être établie en fonction des variations de fourniture de l'électricité, notamment dans le cas par exemple des énergies dites fatales. L'ajustement de la charge est un des rôles importants des installations de stockage d'énergie. En effet, il est parfois nécessaire de pouvoir faire varier cette charge très rapidement, hors des capacités des installations de compression. Le dispositif (2) de chauffage électrothermique, notamment s'il s'agit d'un dispositif basé sur l'effet Joule, dispose d'une capacité de réaction très rapide. Cela permet d'ajuster la charge électrique totale pendant une phase transitoire en augmentant ou en diminuant la charge sur le dispositif (2) de chauffage électrothermique, l'installation de compression variant dans un délai plus long vers la puissance nécessaire et le dispositif (2) de chauffage électrothermique s'ajustant progressivement.
Plusieurs possibilités de réalisations du dispositif (3) de stockage de chaleur sont présentés dans les figures 7 ,8 ,9 et 10.
L'air refroidi à sa sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur est ensuite stocké dans le dispositif de stockage de l'air (5).
Le dispositif (5) de stockage de l'air peut permettre de stocker l'air sous forme de gaz comprimé. Dans ce cas il peut s'agir d'une cavité souterraine, artificielle ou non, ou de réservoirs manufacturés. Les tubes du type utilisés pour la réalisation de gazoducs représentent une alternative intéressante. Le stockage peut être réalisé à pression variable dans un intervalle de pression minimum et maximum ou à pression constante grâce au maintien d'une contre pression hydraulique.
Le dispositif (5) de stockage de l'air peut également comprendre un dispositif permettant de liquéfier l'air comprimé, de le stocker sous forme liquide, un dispositif permettant de le pomper sous forme liquide à haute pression et un dispositif permettant de le vaporiser sous forme d'air comprimé à haute pression en sortie du dispositif (5) de stockage de l'air. Une possibilité de réalisation d'un tel dispositif est décrit en figure 6.
• Lors de la phase de restitution de l'énergie électrique :
L'air sous forme de gaz comprimé est extrait du dispositif (5) de stockage de l'air.
Il est ensuite réchauffé à travers le dispositif (3) de stockage de chaleur qui restitue à l'air la chaleur stockée pendant la phase précédente. Les températures de l'air en sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur peuvent atteindre 10 à 20°C de moins que la température de l'air en entrée pendant la phase de stockage avec un échange de bonne efficacité.
En option, un complément de chaleur à haute température peut être apporté à l'air avant détente de l'air grâce à un brûleur alimenté par un combustible. Ce combustible peut être émetteur de C02 fossile (fioul, gaz naturel, ou autre) ou issue d'une source renouvelable (biogaz) en étant neutre en émission de C02 ou ne pas émettre de C02 (hydrogène).
L'air chaud est ensuite détendu à travers les moyens de détente (8).
Les moyens de détente (8) comprennent une ou plusieurs machines de détente de l'air jusqu'à la pression atmosphérique entraînant un ou des générateurs électriques.
Lorsque les moyens de détente comprennent plusieurs machines de détente successives de l'air, des dispositifs de réchauffage de l'air peuvent être ajoutés entre deux machines de détente successives. La chaleur nécessaire au réchauffement de l'air peut alors être fournie par tout moyen et de préférence par un dispositif (10) supplémentaire de stockage de la chaleur issue d'un chauffage électrothermique pendant la phase de stockage de l'énergie électrique du dispositif (10) supplémentaire et de restituer cette chaleur à l'air pendant la phase de restitution de l'énergie électrique .
L'air détendu en sortie des moyens de détente (8) peut être à température supérieure à la température ambiante. Dans ce cas, afin d'optimiser le cycle, un dispositif de récupération de cette chaleur (9) peut être installé en sortie des moyens de détente (8). Il peut s'agir d'un dispositif permettant de produire de l'énergie électrique ou de valoriser la chaleur contenue dans l'air.
La figure 5 représente une autre configuration du cycle proposé dans la présente invention.
En effet, le cycle proposé dans la figure 4 présente un certain nombre de contraintes :
L'air est à sa pression maximum dans le cycle dès la sortie des moyens de compression (1 ). Afin d'optimiser la densité énergétique du stockage et minimiser son coût, on aura très souvent intérêt à choisir la pression maximum compatible avec la tenue mécanique du dispositif (5) de stockage de l'air (de l'ordre de 80 bars pour les cavités souterraines et de 120 bars voire plus pour les réservoirs manufacturés). En conséquence, le dispositif (2) de chauffage électrothermique et le dispositif (3) de stockage de chaleur devront pouvoir supporter de l'air à la fois à très haute pression et à très haute température ce qui risque d'être un facteur limitant du dispositif.
De la même façon, l'air en sortie du dispositif (5) de stockage d'air est à sa pression maximale à son entrée dans le dispositif (3) de stockage de chaleur.
Le cycle proposé dans la figure 5 permet grâce à certaines modifications par rapport au cycle de la figure 4 d'éliminer les contraintes précédentes. Les modifications consistent à :
- ajouter d'autres moyens de compression (4) en sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur dans la phase de stockage de l'énergie électrique. Les moyens (4) de compression ajoutés comprennent par exemple un ou plusieurs compresseurs, entraînés par un ou des moteurs électriques. Afin de minimiser la consommation électrique, ces moyens de compression seront de préférence avec refroidissement de l'air pendant la compression, afin d'obtenir une compression quasi-isotherme. Ainsi, la pression en sortie des moyens de compression (1 ) pourra être optimisée en fonction des contraintes de température maximum en sortie de compresseur et de tenue mécanique des dispositifs (2) et (3) alors que les moyens de compression (4) ajoutés permettront d'ajuster la pression maximale au mieux en fonction des contraintes du dispositif (5) de stockage de l'air et des contraintes de récupération optimisée de l'énergie en sortie des moyens de détente (8).
et/ou ajouter un échangeur de chaleur (6) en sortie du dispositif (5) de stockage de l'air permettant de réchauffer l'air grâce à la chaleur disponible en échappement des moyens de détente (8) ainsi que des moyens de détente supplémentaires (7) en sortie de l'échangeur de chaleur (6) et en amont du dispositif de stockage de chaleur (3). De la même façon que précédemment, ces moyens de détente (7) supplémentaires permettront d'ajuster au mieux les pressions dans le dispositif de stockage (3) et la récupération d'énergie en sortie des moyens de détente (8). Les moyens de détente (7) supplémentaires comprennent par exemple une ou plusieurs machines de détente permettant une détente partielle de l'air après son réchauffement dans l'échangeur de chaleur (6) et entraînant un ou plusieurs générateurs électriques
Un brûleur (51 ) optionnel a également été représenté sur la figure 5.
La figure 6 représente une variante du cycle proposé dans laquelle le dispositif de stockage de l'air (5) comporte une installation de liquéfaction de l'air, son stockage sous forme liquide ainsi que sa restitution sous forme comprimée à haute pression. Le cycle est également optimisé en fonction des spécificités du stockage sous forme liquide de l'air.
Le cycle présenté ne comporte pas de moyens de compression (4) complémentaires en sortie du dispositif de stockage de chaleur (3). En effet, la pression permettant une dépense énergétique moindre pour le procédé de liquéfaction de l'air n'est pas nécessairement élevée (elle peut être par exemple 30 bars) ce qui permet de récupérer intégralement la chaleur issue de la compression, les températures de sortie de compresseur restant dans les possibilités techniques.
Le dispositif (5) a été détaillé pour l'exemple. De nombreux autres dispositifs peuvent être proposés. Dans l'exemple détaillé, le dispositif (5) de stockage de l'air comprend :
un compresseur (61 ) permettant de comprimer de l'air en phase gazeuse, et dont la sortie est reliée à la sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur (3) ;
- un échangeur et stockage de chaleur (62) permettant de refroidir l'air entrant par échange avec une phase gazeuse recyclée et avec l'air froid stocké et restitué durant la phase de restitution de l'énergie électrique, dont l'entrée est reliée à la sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur (3) ;
un dispositif de détente (63), dont l'entrée est reliée à la sortie de l'échangeur et stockage de chaleur (62), et permettant de liquéfier en partie l'air à sa sortie de l'échangeur (62) ;
un séparateur (64), dont l'entrée est reliée à la sortie du dispositif de détente (63) et permettant de séparer la phase liquide de la phase gazeuse, et dont une sortie est reliée à l'échangeur et stockage de chaleur (62) ; un réservoir (65) de stockage, par exemple cryogénique, dont l'entrée est reliée à une autre sortie du séparateur (64) ;
une pompe (66) cryogénique, reliée à la sortie du réservoir (65) de stockage.
Pendant la phase de stockage de l'énergie électrique, l'air, sous forme gazeuse, entre dans l'échangeur et stockage de chaleur (62), où il est refroidi par échange de chaleur. Une partie de l'air sort alors de l'échangeur et stockage de chaleur (62) en phase liquide et une autre partie reste en phase gazeuse. La phase gazeuse et la phase liquide sont séparées dans le séparateur (64). La phase gazeuse est recyclée à travers l'échangeur (62) où elle cède son froid à l'air entrant pour être ensuite comprimée grâce au compresseur (61 ) et réinjectée dans le circuit entrant de l'échangeur et stockage de chaleur (62). La phase liquide est stockée dans le réservoir de stockage cryogénique (65).
Pendant la phase de restitution de l'énergie électrique, l'air en phase liquide, dans le réservoir de stockage cryogénique (65), est pompé à haute pression grâce à la pompe cryogénique (66). L'air liquide est alors réchauffé et vaporisé à travers l'échangeur et stockage de chaleur (62) où il cède son froid qui est stocké dans l'échangeur et stockage de chaleur (62). A sa sortie du dispositif (62) l'air est à l'état de gaz sous haute pression.
Un tel dispositif permet de récupérer et de stocker le froid contenu dans l'air liquide pendant la phase de restitution de l'énergie électrique et de restituer ce froid lors de la liquéfaction de l'air entrant pendant la phase de stockage de l'énergie électrique.
Ce procédé est donc largement optimisé en termes de consommation énergétique par rapport aux dispositifs classiques de liquéfaction de l'air
Dans le cycle représenté en figure 6, les moyens de détente (8) comprennent 2 machines de détente successives (8a) et (8b), un dispositif d'échange et de stockage de chaleur (10) étant placé entre les deux machines pour réchauffer l'air. Ce dispositif (10) est lui même chauffé par des moyens électrothermiques durant la phase de stockage de l'énergie électrique.
La détente de l'air est donc assuré par trois moyens de détente successifs (7), (8a) et (8b) avec un réchauffage complémentaire au moyen du dispositif (10) ce qui semble particulièrement adapté à l'exemple présenté où l'air est stocké sous forme liquide et où la pression de restitution à la sortie du dispositif (5) de stockage de l'air peut être extrêmement élevée.
La figure 7 représente, à titre d'exemple, en coupe, une représentation schématique d'une configuration du dispositif (3) de stockage de chaleur.
Le dispositif (3) de stockage de chaleur peut être constitué d'une pluralité d'éléments tel que représenté dans la figure 7 placés en série.
La représentation de la figure 7 représente le sens d'écoulement de l'air pendant la phase de stockage de l'énergie électrique, ce sens étant inversé pendant la phase de restitution de l'énergie électrique. L'air chaud à une température Te initiale entre dans le dispositif (3) de stockage de chaleur au niveau du point A par un conduit (71 ). Il circule ensuite dans des conduits (75) aménagés dans le matériau de stockage (74). Il cède sa chaleur au matériau de stockage (74) lorsque la température de celui ci est inférieure à la température Te initiale jusqu'à être refroidi à une température Tf finale correspondant à la température du matériau de stockage (74) froid, c'est- à-dire à une température inférieure ou égale à la température du milieu dans lequel il est placé. L'air ainsi refroidi poursuit alors son cheminement sans échanger de chaleur avec le matériau de stockage (74) jusqu'à la sortie B du dispositif (3) de stockage de chaleur. Durant la phase de stockage, nous avons donc, en suivant le cheminement de l'air, une première partie où le matériau de stockage (74) est à la température Te initiale, suivie d'une zone de transition où la température du matériau de stockage passe de la température Te initiale à la température Tf finale et enfin le reste du matériau de stockage à la température Tf finale jusqu'à la sortie B. Les différentes zones d'écoulement sont séparées par une isolation thermique (73) afin de garder une bonne stratification de la chaleur le long du cheminement de l'air dans les différentes conduites. Les conduits d'extrémité (71 ) permettent de limiter les échanges de chaleur entre zones d'écoulement successives (77).
Le matériau (74) de stockage de chaleur peut être constitué de tout matériau réfractaire par exemple des argiles cuites, des céramiques à base de magnésie ou d'alumine, des matériaux issus de déchets industriels comme l'amiante fondue. De préférence, le matériau (74) de stockage est solide.
Les flèches (76) représentent le sens de l'écoulement dans la phase de stockage de la chaleur. Ce sens est inversé au déstockage de chaleur.
Les échanges de chaleur entre l'air et le matériau (74) de stockage peuvent se faire directement, soit indirectement, par exemple par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur.
La figure 8 représente une variante du dispositif (3) de stockage de chaleur utilisant un fluide caloporteur.
Dans cette variante, l'échange de chaleur est tout d'abord réalisé à travers un échangeur de chaleur (81 ) permettant de transférer la chaleur de l'air chaud (82) à un fluide caloporteur (83). Ce fluide (83) cède ensuite sa chaleur au dispositif décrit dans la figure 7 où il remplace l'air.
L'intérêt de cette variante est qu'elle permet d'utiliser un fluide à pression modérée et à bonne capacité d'échange à l'intérieur du stockage de chaleur alors que l'air chaud et sous haute pression est limité à l'échangeur de chaleur (81 ).
Le fluide caloporteur peut être liquide ou gazeux aux températures considérées.
II peut s'agir par exemple d'un gaz neutre comme l'argon, l'hélium ou le néon.
La figure 9 représente une autre variante du dispositif (3) de stockage de chaleur.
Il est constitué d'un échangeur de chaleur (95) permettant de transférer la chaleur depuis l'air chaud (96) à un fluide (93) de transfert et de stockage de la chaleur. La flèche (91 ) représente le sens d'écoulement du fluide durant la phase de stockage. Le fluide est tout d'abord stocké froid, c'est-à-dire à une température inférieure ou égale à la température du milieu dans lequel il est placé, dans un réservoir (92) dit froid puis après passage dans l'échangeur (95) et réchauffement stocké dans un réservoir (94) chaud dit chaud. Le fluide de stockage sera liquide sur l'intervalle de température considéré.
Le fluide de stockage peut être par exemple des sels fondus ou un métal sous forme liquide. Dans cette configuration du dispositif (3) de stockage de chaleur le cycle décrit en figure 4 peut être sensiblement modifié dans une variante, le dispositif (2) de chauffage électrothermique ne servant pas à chauffer l'air à sa sortie des moyens de compression (1 ) mais à chauffer directement le fluide de stockage (93) après son passage dans l'échangeur (95) ou directement dans le réservoir chaud (94).
La figure 10 représente une variante du dispositif décrit en figure 9.
Le fluide de stockage, au lieu d'être stocké dans un réservoir froid quand il est froid et dans un réservoir chaud quand il est chaud, est stocké dans un réservoir unique (102), le fluide de stockage chaud étant au dessus du fluide de stockage froid.
La stratification peut être uniquement thermique ou résulter de la présence d'un séparateur (101 ) de préférence isolant thermiquement et dont la densité lui permet de flotter sur le fluide froid et de couler sur le fluide chaud.
Enfin, afin de montrer clairement les avantages du cycle proposé dans la présente demande d'invention un comparatif de performances chiffré a été établi entre les différents cycles de l'art antérieur et celui proposé dans la présente demande d'invention.
Afin de pouvoir établir une comparaison, des hypothèses communes ont été prises pour les différents cycles :
• Intervalle de fonctionnement du stockage d'air comprimé en cavité souterraine : de 60 à 80 bars ;
• Pression de stockage d'air comprimé en réservoir manufacturé à pression constante: 120 bars ;
• Rendement isentropique des turbomachines (compresseurs et machines de détente) : 85%
• Température maximum en sortie de compresseur : 600°C ;
• Température maximum de stockage de chaleur : 1 100 °C ;
• Les autres hypothèses de rendement et d'efficacité des différents composants ont été choisies compatibles avec des machines industrielles.
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Le dispositif proposé suivant l'invention permet donc d'obtenir la meilleure combinaison des indicateurs, entraînant une meilleure compétitivité économique du procédé. Le dispositif selon l'invention permet de stocker et de restituer de l'énergie électrique sous la forme d'air comprimé et de stockage de chaleur en permettant des densités de stockage et des rendements élevés.

Claims

R E V E N D I C A T I O N
1 ) Dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique caractérisé en ce qu'il comprend au moins:
· des moyens de compression (1 ) qui compriment l'air atmosphérique en utilisant de l'énergie électrique,
• des moyens de chauffage électrothermiques (2) permettant de produire de la chaleur à partir d'énergie électrique à une température supérieure à la température de l'air en sortie des moyens de compression et de transférer cette chaleur à l'air à sa sortie des moyens de compression (1 ),
• un dispositif (5) de stockage l'air,
• un dispositif de stockage de chaleur (3) permettant, dans une phase de stockage de l'énergie électrique, d'extraire et de stocker la chaleur contenue dans l'air à sa sortie des moyens de chauffage électrothermiques (2) et permettant, dans une phase de restitution de l'énergie électrique, de restituer la chaleur stockée lors de la phase de stockage de l'énergie électrique à l'air en sortie du dispositif (5) de stockage l'air,
• des moyens de détente (8) utilisant l'air à la sortie du dispositif (5) de stockage de l'air et réchauffé par le dispositif de stockage de chaleur (3) pour produire de l'énergie électrique,
• un ensemble des canalisations permettant la circulation de l'air entre les différents composants de l'installation et des dispositifs de contrôle et de commande nécessaires à son fonctionnement.
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de compression (1 ) comprennent un ou plusieurs compresseurs, avec ou sans refroidissement de l'air pendant sa compression, permettant la compression de l'air atmosphérique et entraînés par un ou des moteurs électriques.
3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de chauffage électrothermiques (2) de l'air peuvent être basés sur l'effet Joule, par exemple des résistances électriques, ou tout autre technique électrothermique faisant appel à l'électricité pour produire de la chaleur.
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif de stockage de la chaleur (3) comprend un stockage thermique composé d'un matériau solide de stockage de chaleur (75) sous forme de chaleur sensible et un dispositif d'échange de chaleur soit directement entre l'air et le matériau de stockage de chaleur soit par l'intermédiaire d'un fluide (83) caloporteur. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif de stockage de la chaleur (3) comprend un fluide (93) de transfert et de stockage de la chaleur, un ou plusieurs réservoirs (92, 94, 1 02) de stockage sans mélange la portion froide de ce fluide et la portion chaude de ce même fluide et de un ou des échangeurs (95) permettant des transferts de chaleur entre l'air et ce fluide.
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de détente (8) comprennent une ou plusieurs machines de détente permettant une détente de l'air jusqu'à la pression atmosphérique après son réchauffement dans le dispositif (3) et entraînant un ou des générateurs électriques.
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un dispositif (9) de récupération de la chaleur des gaz d'échappement des moyens de détente (8) et de transformation de cette chaleur en énergie électrique est relié à la sortie des moyens de détente (8).
8) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend, lorsque les moyens de détente (8) comprennent plusieurs machines de détente, au moins un dispositif (10) supplémentaire de stockage de la chaleur issue d'un moyen de chauffage électrothermique pendant la phase de stockage et permettant de restituer cette chaleur à l'air pendant la phase de restitution, le dispositif (10) supplémentaire étant placé entre deux machines de détente successives.
9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, pour la phase de stockage de l'énergie, d'autres moyens de compression (4) sont ajoutés qui compriment l'air en utilisant de l'énergie électrique à sa sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur et en amont du dispositif (5) de stockage de l'air, les moyens de compression (4) comprenant un ou plusieurs compresseurs de préférence avec refroidissement de l'air pendant sa compression permettant une compression complémentaire de l'air après son refroidissement dans le dispositif (3) de stockage de chaleur et entraînés par un ou des moteurs électriques.
10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend, pour la phase de restitution de l'énergie, un échangeur de chaleur (6) relié à la sortie du dispositif (5) de stockage l'air permettant de réchauffer l'air à sa sortie du dispositif (5) de stockage de l'air grâce à la chaleur disponible en échappement des moyens de détente de l'air (8), ainsi que des moyens secondaires (7) de détente de l'air, reliés à la sortie de l'échangeur de chaleur (6) et en amont du dispositif de stockage (3), permettant de produire de l'énergie électrique, les moyens de détente (7) comprenant une ou plusieurs machines de détente permettant une détente partielle de l'air après son réchauffement dans l'échangeur de chaleur (6) et entraînant un ou des générateurs électriques.
1 1 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif (5) de stockage de l'air peut comprendre une cavité souterraine ou tout réservoir manufacturé permettant le stockage de l'air comprimé à pression variable ou non.
12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif (5) de stockage l'air est constitué d'au moins :
· un dispositif permettant de liquéfier l'air comprimé,
• un dispositif de stockage de l'air sous forme liquide,
• un dispositif permettant de pomper l'air liquide à haute pression et de le vaporiser pour le restituer sous forme de gaz comprimé. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que de la chaleur complémentaire est apportée à l'air comprimé en amont immédiat des moyens de détente (8) par un brûleur alimenté par un combustible.
14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce le dispositif (2) de chauffage électrothermique comprend des moyens de contrôle de la température aptes à prendre en compte une consigne de température pour maintenir la température de l'air en sortie du dispositif (2) de chauffage électrothermique conforme à la consigne.
15) Dispositif selon la revendication 14, comprenant des moyens pour établir la consigne de température en fonction de la température de l'air en sortie des moyens de compression (1 ).
16) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (2) de chauffage électrothermique comprend des moyens d'ajustement de la charge électrique aptes à prendre en compte une consigne de charge pour maintenir la charge électrique totale conforme à la consigne.
17) Dispositif selon la revendication 16, comprenant des moyens pour établir la consigne de charge en fonction des variations de fourniture de l'électricité. 18) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif (5) de stockage de l'air comprend :
un compresseur (61 ) permettant de comprimer de l'air en phase gazeuse, et dont la sortie est reliée à la sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur (3) ; un échangeur et stockage de chaleur (62) permettant de refroidir l'air entrant par échange avec une phase gazeuse recyclée et avec l'air froid stocké et restitué durant la phase de restitution de l'énergie électrique, dont une entrée est reliée à une sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur (3) ;
- un dispositif de détente (63), dont une entrée est reliée à la sortie de l'échangeur et stockage de chaleur (62), et permettant de liquéfier en partie l'air à sa sortie de l'échangeur (62) ;
un séparateur (64), dont une entrée est reliée à une sortie du dispositif de détente (63) et permettant de séparer la phase liquide de la phase gazeuse, et dont une sortie est reliée à l'échangeur et stockage de chaleur (62) ;
- un réservoir (65) de stockage, par exemple cryogénique, dont une entrée est reliée à une sortie du séparateur (64) ;
une pompe (66) cryogénique, reliée à une sortie du réservoir (65) de stockage.
19) Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique par un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant :
une phase de stockage de l'énergie électrique, comprenant les étapes successives suivantes :
• la compression d'air atmosphérique par les moyens de compression (1 ),
• l'augmentation de la température de l'air comprimé par les moyens de chauffages électrothermiques (2),
• le stockage de la chaleur de l'air comprimé et réchauffé dans le dispositif de stockage de chaleur (3),
• le stockage de l'air dans le dispositif (5) de stockage l'air
une phase de restitution de l'énergie électrique, comprenant les étapes successives suivantes :
• l'extraction de l'air stocké,
• la transmission de la chaleur stockée dans le dispositif de stockage de chaleur (3) à l'air stocké dans le dispositif (5) de stockage de l'air,
• la détente de l'air réchauffé.
20) Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique selon la revendication 19, dans lequel l'étape de compression d'air atmosphérique pendant la phase de stockage est simultanée à une étape de refroidissement de l'air. 21 ) Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique selon la revendication 19 ou la revendication 20, dans lequel l'étape de détente pendant la phase de restitution est simultanée à une étape de réchauffement de l'air. 22) Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 19 à 21 , comprenant, pendant la phase de stockage, entre l'étape de stockage de la chaleur et l'étape de stockage de l'air, une étape supplémentaire de compression de l'air. 23) Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique selon la revendication 22, dans lequel l'étape supplémentaire de compression est simultanée à une étape de refroidissement de l'air.
24) Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 19 à 23, comprenant une étape supplémentaire d'échange de la chaleur dans un échangeur de chaleur (6) entre l'air à sa sortie du dispositif (5) de stockage de l'air et l'air détendu.
25) Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique selon la revendication 24, comprenant, pendant la phase de restitution, après l'étape d'extraction et avant l'étape de transmission de la chaleur stockée dans le dispositif de stockage de chaleur (3) à l'air, une étape supplémentaire d'augmentation de la température dans l'échangeur de chaleur (6) suivie d'une étape supplémentaire de détente dans des moyens secondaires de détente (7).
26) Procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique selon l'une des revendications 19 à 25, dans lequel, pendant la phase de stockage, l'étape de stockage comprend la liquéfaction de l'air comprimé et son stockage sous forme liquide, et dans lequel, pendant la phase de restitution, l'étape d'extraction de l'air stocké comprend le pompage de l'air liquide et sa vaporisation.
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