WO2015114535A2 - Procédé de stockage d'énergie mécanique et/ou électrique par séparation et mélange a travers une membrane - Google Patents

Procédé de stockage d'énergie mécanique et/ou électrique par séparation et mélange a travers une membrane Download PDF

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WO2015114535A2
WO2015114535A2 PCT/IB2015/050647 IB2015050647W WO2015114535A2 WO 2015114535 A2 WO2015114535 A2 WO 2015114535A2 IB 2015050647 W IB2015050647 W IB 2015050647W WO 2015114535 A2 WO2015114535 A2 WO 2015114535A2
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membrane
component
energy
mixture
membrane separator
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PCT/IB2015/050647
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Inventor
Alexandre Rojey
Original Assignee
Sun'r Smart Energy
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/005—Electro-chemical actuators; Actuators having a material for absorbing or desorbing gas, e.g. a metal hydride; Actuators using the difference in osmotic pressure between fluids; Actuators with elements stretchable when contacted with liquid rich in ions, with UV light, with a salt solution

Definitions

  • the present invention relates to methods and installations for energy storage and retrieval.
  • compressed air can be stored in underground cavities, which implies having suitable geological sites, or in pressure vessels, which pose problems of realization and cost.
  • Such storage means have the advantage of being easily located on most sites of production and / or exploitation of the energy that one wishes to be able to store, but the need to store large quantities of gas under pressure causes physical and economic limitations.
  • the membrane separation of a mixture of constituents A and B in the homogeneous liquid phase has been known for a long time.
  • Reverse osmosis is widely used for desalination of seawater.
  • Electrodialysis is mainly used to concentrate brines or on the contrary to reduce the salt content.
  • the overpressure thus created can be used to drive a turbine.
  • the patent application WO 2010/065791 A2 describes a method for storing and restoring energy in the form of an osmotic pressure difference which does not fully consider the problems of thermodynamic reversibility.
  • the application WO 2010/0183903 A1 describes in particular a membrane separator.
  • US patent application 2011/0044824 A1 discloses a method of energy generation by osmotic pressure difference but not a method of storing energy.
  • the process disclosed by US 2011/0044824 includes recirculation loops that add the irreversibilities of chemical potential for the water that is transferred from the concentrated fraction to the diluted fraction or vice versa.
  • the present invention aims to propose a method and an installation that overcomes all or part of the disadvantages of existing systems, and in particular which:
  • the invention responds to this need by means of a method for storing and restoring energy, in which:
  • At least one membrane separator is extracted with a first constituent of a solution of this constituent with a second component, by operating on at least two AB mixtures of these constituents at different concentrations at the inlet of at least two respective membrane separators, and / or by circulating AB mixtures in at least one membrane separator in countercurrent, and the solutions are stored separately.
  • enriched and depleted in one of the constituents the energy necessary for the transfer of this constituent within the membrane separator or separators originating at least in part from the external supply, and / or
  • At least two membrane separators are introduced at the inlet of solutions comprising one of the constituents at different concentrations, and / or the counter-current is circulated mixtures having different concentrations of this constituent, in at least one membrane separator, the energy resulting from the transfer of said constituent within the membrane separator (s) being at least partially restored to the external acceptor in electrical and / or mechanical form .
  • the method according to the invention applies to a wide range of stationary and / or onboard installations.
  • the invention makes it possible to produce relatively large storage facilities associated with stationary electricity production installations, in order to meet the needs of the users of electricity generation systems by intermittent energy sources, in particular wind and electricity sources. solar.
  • the invention implements liquid phase mixing and at least partial separation operations between at least two constituents A and B which are at least partially miscible with each other.
  • the mixture AB can be constituted, for example, by an aqueous phase containing a salt or a water-soluble organic fluid, or by a mixture of organic constituents.
  • Component A may be water or a polar organic solvent.
  • Component B must be at least partially miscible with Component A.
  • component B is preferably a salt that dissolves in water.
  • Water-salt systems are particularly suitable because they can be separated under good conditions by a membrane separator.
  • the salts chosen are preferably mineral salts which are highly soluble in water.
  • Component B may also be constituted by an ionic liquid.
  • An ionic liquid is the equivalent of a salt, decomposing into anions and cations, when it is in solution in water, but it is liquid at the temperature of the concentration, which makes it possible to operate at a high concentration without the risk of precipitating a solid phase.
  • ionic liquids There are now many ionic liquids identified (a thousand) and even marketed for various applications (a hundred).
  • Component B is not necessarily a pure substance and may be formed by a mixture, such as, for example, a mixture of salts.
  • At least two AB mixtures of A and B are operated at different concentrations at the inlet of at least two respective membrane separators.
  • mixtures of A and B are circulated countercurrently in at least one membrane separator.
  • At least two membrane separators are introduced at the inlet of solutions comprising one of the constituents, in particular component B, at different concentrations.
  • mixtures having different concentrations of one of the constituents, in particular component B are circulated countercurrently in at least one membrane separator.
  • the mixture AB, the mixture A (B) rich in component A and the mixture (A) B rich in component B are in the liquid phase.
  • the mixture AB and the mixture A (B) rich in component A are preferably stored at a pressure less than or equal to 50 bar, more preferably 10 bar or less.
  • the mixture B (A), rich in component B can be stored at a higher pressure, preferably less than 100 bar, to avoid the use of a pump. turbine at the outlet of the concentrated solution, as explained below, in connection with the diagram of FIG.
  • component A is water and constituent B is a salt, preferably a mineral, such as a chloride, a bromide, a sulphate or a carbonate or a mixture of salts. , or an ionic liquid.
  • a salt preferably a mineral, such as a chloride, a bromide, a sulphate or a carbonate or a mixture of salts. , or an ionic liquid.
  • the step of separating and storing the energy is carried out by reverse osmosis by taking mechanical energy and the step of mixing and retrieving the energy is carried out by the reverse process, by restoring at least a portion of the mechanical energy removed.
  • the step of separating and storing the energy is carried out by electrodialysis by taking electrical energy and the step of mixing and releasing energy is carried out by the inverse process, by restoring at least one part of the electrical energy taken.
  • the separation and mixing operations can be carried out by circulating countercurrently, on either side of a membrane of at least one membrane separator, two liquid phases, one of which progressively enriches in component B, while the other is progressively poorer in constituting B, an AB mixture being introduced at each end of the membrane separator.
  • a first fraction of mixture AB can be sent to a first end of a membrane separator, pumped at a relatively high pressure, higher than the osmotic pressure, by taking mechanical energy, circulating in a first series of compartments by transferring at least a portion of the constituent A through a selective membrane, and be discharged at the outlet of the membrane separator in the form of a mixture (A) B concentrated component B, then relaxed.
  • a second fraction of mixture AB can be sent to the opposite end, circulating at a relatively low pressure in a second series of compartments, a mixture A (B) poor in component B being discharged at the outlet of the membrane separator.
  • the circulation of the liquid phases in the two series of compartments can be reversed, the mixtures A (B) and (A) B being sent into the membrane separator and the resulting mixture AB being evacuated and relaxed recovering at least a portion of the mechanical energy taken during the storage step.
  • a first fraction of mixture AB is sent into a membrane separator, circulates in a first series of compartments, being subjected to a difference of potential by electrodes connected to an electrical circuit, at least a portion of the constituent B being transferred through the membrane, consuming electrical energy, and then discharged at the outlet of the separator in the form of a mixture A (B ) depleted in component B and relaxed, while a second fraction of mixture AB circulates in a second series of compartments alternating with the first, then is discharged at the outlet of the separator in the form of a mixture (A) B enriched constituent B, in which, during the mixing step, the circulation of the liquid phases in the two series of compartments is reversed, the mixtures A (B) and (A) B being sent to the separat membrane and the resulting mixture AB being evacuated, recovering in the electrical circuit at least a portion of the electrical energy taken during the storage step.
  • the separation and mixing operations are carried out with several stages operating in series, each stage comprising a membrane separator, the fraction enriched in component B leaving a stage i being sent to the inlet of a next stage i + 1, and the fraction enriched in component A leaving the stage i being sent to the input of a preceding stage i-1.
  • a process employing several stages makes it possible to obtain fractions as concentrated as is desired while approaching at most the thermodynamic reversibility conditions at each stage.
  • the mixture AB entering a separation and mixing stage can be split into two fractions sent to two opposite ends of a membrane separator, circulating countercurrently on either side of a selective membrane vis-à-vis the component A, the fraction circulating on the relatively high pressure enriches component B and the fraction circulating on the relatively low pressure side enriched in component A, the fraction enriched in component A and the fraction enriched in component B being reintroduced at both ends of the stage during the mixing step and flow in the opposite direction, against the current of one another, two AB mixture fractions being recovered at both ends of the membrane separator.
  • the invention further relates, in another of its aspects, to an installation for implementing the method according to the invention, as defined above, comprising at least one membrane separator for extracting a first constituent of a solution of this component with a second component, by operating on at least two mixtures of these constituents at different concentrations at the inlet of at least two respective membrane separators, and / or by circulating countercurrent mixtures of these constituents in this membrane separator, means for separately storing solutions thus enriched and depleted in the first component, the energy necessary for the transfer of this first component within the membrane separator or separators originating at least in part from the external supply, and / or means for returning energy to an external acceptor, by inputting at least two respective membrane separators from the ground comprising the first component at different concentrations, and / or by countercurrently flowing mixtures having different concentrations of first component in at least one membrane separator, the energy resulting from the transfer of the first component within the membrane separators being at least partially restored to the external acceptor in electrical and / or mechanical
  • the membrane separator (s) may be reverse osmosis separators or electrodialysis separators.
  • FIG. 1 illustrates the exchanges of material during the implementation of the invention
  • FIG. 2 represents a stage of a separation and mixing plant comprising at least one reverse osmosis membrane separator
  • Figure 3 illustrates the separation and mixing through a selective membrane
  • FIG. 4 represents a stage of a separation and mixing plant comprising at least one electrodialysis membrane separator
  • FIG. 5 schematically and partially shows an example of an installation according to the invention, at least two stages
  • FIG. 6 represents a stage of an installation with at least one diaphragm separator fed with countercurrent flows
  • FIG. 7 illustrates the selective transfer through the membrane of a membrane separator
  • FIG. 8 illustrates an installation according to the invention with three stages
  • FIG. 9 illustrates another installation according to the invention, with two stages.
  • An installation for the implementation of the invention may comprise, as illustrated in FIG.
  • the mixture AB is sent via line 1 to the separation and mixing device S.
  • Phase A (B) rich in component A is sent through line 2 to the chamber (II ) and the phase (A) B rich in component B is sent through the conduit 3 in the enclosure (III).
  • the phase A (B) arriving in the separation and mixing device S via the conduit 2 is mixed with the phase (A) B arriving via the conduit 3 and the resulting mixture AB is evacuated through line 1 and stored in the enclosure (I).
  • the composition of the solution of In the water circulating in compartments operating at relatively high pressure the salt evolves and the chemical potential resulting from the difference in concentrations between the solution and the pure water is also changing.
  • the variation of chemical potential is accompanied by a variation of the osmotic pressure as well as the electric potential necessary to transfer the ions in solution.
  • the method of storing mechanical and / or electrical energy according to the invention is characterized in that the selective transfer of one of the constituents through the membrane, for example a constituent A consisting of water , is carried out by gradually changing the composition of the mixture during the separation and mixing steps, so as to limit the variations of chemical potential throughout the transfer process.
  • the mixture AB, the mixture A (B) enriched in component A and the mixture (A) B enriched in component B are preferably in the liquid phase. It is thus possible to store these three phases at a relatively low pressure, for example close to atmospheric pressure.
  • the storage capacity depends on the volume of the liquid phases AB, A (B) and
  • (A) B contained in the enclosures (I), (II) and (III).
  • the storage of an aqueous phase at a pressure close to atmospheric pressure is relatively inexpensive in investment and operating costs.
  • the investment depends mainly on the separation device S. It is therefore mainly conditioned by the power used during the storage and retrieval phases.
  • the storage method thus makes it possible to achieve storage capacities that can be significant at relatively low costs and over periods that can be long.
  • the separation is effected by selective membrane by consuming mechanical and / or electrical energy and the mixing is carried out by the inverse process, by restoring mechanical and / or electrical energy.
  • a stage of an installation comprising a membrane separator in Figure 2.
  • the mixture AB arrives via a conduit 1 in the membrane separator, also called separation and mixing device, which comprises a series of separate compartments by a selective membrane.
  • the membrane selectively passes one of the two components A or B.
  • the liquid phase leaving a compartment is either enriched in component A and depleted in component B, or enriched in component B and depleted in component A.
  • the liquid phase A (B) enriched in component A is removed by a conduit 2 and the liquid phase (A) B enriched in component B is evacuated via a conduit 3.
  • Any membrane separator can be used.
  • the two main types of devices that can be used in the case of a mixture of water (component A) and salt (component B) are based on the use of a water-selective membrane, the passage of water during the separation step being provided by pumping at a pressure higher than the osmotic pressure, by spending mechanical energy (reverse osmosis), or on the use of anionic and cationic membranes which selectively pass ions contained in solution, the passage of anions and cations being ensured by the effect of an electric field, by spending electrical energy (electrodialysis).
  • the energy separation and storage step is carried out by selectively transferring one of the constituents of the mixture AB, for example component A, through a membrane, while collecting mechanical energy, and the step of mixing and retrieving the energy by the inverse process, by restoring at least a portion of the mechanical energy removed, the transfer process of said constituent being carried out in a multi-device device. -stage, by adjusting the pressure conditions in each stage so as to approach the conditions of thermodynamic reversibility.
  • the separation and mixing steps are carried out by circulating countercurrently, on either side of the membrane, two liquid phases, one of which progressively grows richer. in one of the constituents, for example component B, while the other is progressively poorer by constituting itself, a mixture AB being introduced at each end of the membrane device.
  • the separation and mixing of constituents A and B can be carried out either by means of an osmotic device such as that shown schematically in FIG. 3, or by means of an electrodialysis device such as that which is schematized on Figure 4.
  • the mixture (AB) is constituted for example by an aqueous salt phase: A is water and B is a salt, such as for example sodium chloride NaCl or LiBr lithium bromide.
  • the salts chosen will preferably be highly soluble in water. There is a very large variety of salts, taking into account the different anions (chlorides, bromides, sulphates, carbonates, etc.) and the different possible cations (sodium, potassium, lithium, etc.). The optimal choice of salt or salt mixture remains to be done taking into account its physico-chemical properties, but also the conditions of use (in particular, the salt is chosen to be preferably non-toxic) and its cost.
  • Component B may also be constituted by an ionic liquid.
  • An ionic liquid is the equivalent of a salt, decomposing into anions and cations, when it is in solution in water, but it is liquid at the temperature of the concentration, which makes it possible to operate at a high concentration without the risk of precipitating a solid phase.
  • ionic liquids There are now many ionic liquids identified (a thousand) and even marketed for various applications (a hundred).
  • the cations and anions are chosen according to their hydrophilic properties.
  • the cations are preferably short chain cations.
  • the anions can include halide ions, acetate, trifluoroacetate, triflate, bistrifilimide, alkylsulfate, sulfonate, tetrafluoroborate, hexafluorophosphate, etc.
  • the mixture (AB) is sent to a membrane separator comprising a RO reverse osmosis separation module, by the duct 3 using the PT1 reversible pump-turbine.
  • the MOI module is equipped with a membrane permeable to water, but stopping the salt.
  • the salty aqueous phase is pumped at a pressure high enough to pass water substantially free of salt through the membrane.
  • the membrane surface necessary to effect the separation has been represented by a membrane separating a compartment operating at relatively high pressure from a compartment operating at relatively low pressure.
  • a plurality of compartments in which the relatively high pressure solution circulates which are separated by the membrane surface of a plurality of compartments, operating at relatively low pressure, are made in which circulates the water having been transferred through the membrane, alternating with compartments operating at relatively high pressure. It is also possible to circulate the solution in a plurality of tubes or hollow fibers, whose wall is constituted by the separation membrane.
  • the pressure in the compartments operating at relatively high pressure in which the saline solution circulates must therefore be greater than the osmotic pressure resulting from the difference in salinity between the aqueous phase circulating in the compartment at relatively high pressure and the aqueous phase circulating in the compartment. at relatively low pressure.
  • the aqueous phase mixture AB is separated into a fraction (A) B which is relatively concentrated in salt and a fraction A (B) relatively diluted in salt
  • the fraction enriched in salt is expanded through the reversible pump-turbine PT2 and evacuated via line 3, while the salt-depleted aqueous phase is discharged at low pressure through line 2.
  • the amount of mechanical energy consumed in the turbine pump PT1 being greater than the amount of energy returned in the turbine pump PT2, the separation is performed by taking a quantity of mechanical energy W.
  • the mixture of the concentrated salt phase (A) B and the diluted phase A (B) is produced in the opposite direction. salt, so as to recover the initial mixture (AB), while recovering a quantity of mechanical energy W.
  • the relatively concentrated salt phase arrives via the conduit 3. It is pumped by the PT2 turbine pump and diluted with the water transferred through the membrane. The aqueous phase thus obtained is relaxed through the pump PT1 turbine and discharged through the conduit 1.
  • the relatively dilute salt water phase arrives in the MOI module through the conduit 2 and the water is transferred through the membrane.
  • the storage device shown diagrammatically in FIG. 3 can also be operated in the absence of the turbine pump PT2.
  • the relatively concentrated salt solution exiting through line 3 is stored under pressure.
  • This has the advantage of avoiding the additional equipment of the PT2 turbine pump, as well as the efficiency losses associated with the implementation of the PT2 turbine pump.
  • such an arrangement requires the implementation of a pressure storage chamber for storing the relatively concentrated solution discharged through the conduit 3.
  • Another possibility consists in carrying out the separation and mixing of components A and B in an electrodialysis device, such as that shown schematically in FIG. 4.
  • the electrodes E1 and E2 are connected to the positive pole of the electrical circuit and forms the anode, while the electrode E2 is connected to the negative pole and forms the cathode.
  • the cations move towards the negative electrode (cathode), crossing the cationic membranes, while the anions move towards the positive electrode (anode) while crossing the anionic membranes.
  • the aqueous phase is reduced in salt in a first series of compartments by producing salt-depleted fractions which are discharged from said compartments, the mixture of these salt-depleted fractions being discharged through line 3.
  • the salt dissolved in aqueous phase is concentrated in a second series of compartments which alternate with the compartments of said first series.
  • the mixture of aqueous phase fractions concentrated in salt is discharged through line 2. Electrical energy is consumed during this phase of separation and energy storage.
  • a first possibility in the process according to the invention consists in mounting several stages operating in series, the pressure at which a stage operates being all the higher. that the salt content of the circulating solution is large.
  • Such an arrangement is shown diagrammatically in FIG. 5.
  • the relatively concentrated salt solution leaving the MOI module is pumped to a higher pressure to be sent via line 2 and via the pump-turbine PT2 in the module M02, inside which the separation between the solution and the pure water circulating on the low-pressure side continues, being evacuated from the module M02 via the duct 6 and sent to the module MOI, d where it leaves through the conduit 7.
  • the concentrated solution is removed from the module M02 by the conduit 5 and expanded by the turbine pump PT3.
  • the solution that arrives via the duct 1 is divided into a first fraction that is sent via the duct 11 into the membrane separator S, from which it leaves via the duct 3, concentrated in salt, and a second fraction which is sent through line 12 into the membrane separator, from which it exits through line 2 having been diluted by the amount of water transferred through the membrane.
  • a chemical potential difference close to both ends of the separator S and substantially constant throughout the exchange. In the case of a device involving a reverse osmosis separation, this results in a neighboring osmotic pressure at both ends of the device as well as during the exchange and in the case of a device involving an electrodialysis separation.
  • the potential difference necessary to effect the transfer is also close to both ends of the device as well as during the exchange.
  • the solution that arrives by the duct 1 is divided into a first fraction which is sent at a pressure greater than the osmotic pressure via the duct 3 to the separation module and mixture MOI via the pump-turbine PT1 in the compartments operating at relatively high pressure of MOI module and a second fraction that is sent through the conduit 5 at a pressure close to the atmospheric pressure in the compartments of the MOI module operating at relatively low pressure, being sent to an opposite end of that through which the solution circulating at relatively high pressure.
  • the two solutions the one which is relatively more concentrated in salt and the one which is relatively less concentrated in salt circulate so against the current and it is possible to operate under conditions such that the osmotic pressure is substantially constant throughout the device .
  • the mixing step shown schematically in FIG. 7 (B)
  • the flows are reversed and the solution resulting from mixing with the water transferred through the membrane is discharged through line 3, transferring energy via the PT1 turbine pump.
  • the numerical example 1 is described in relation to FIG. 7.
  • the membrane separation module MOI is supplied with a flow rate of 1 kilogram per second of bromide solution. of lithium containing 43.4% by weight of lithium bromide.
  • a fraction of this solution representing a flow rate of 0.852 kilograms per second, is sent through line 3 to the MOI module.
  • the corresponding flow rate is pumped to a pressure of 182 bars.
  • the remaining flow representing 0.148 kilograms per second, is sent through line 5 to the opposite end of the MOI module.
  • the solution thus sent via line 5 flows countercurrently from the solution which arrives via line 3, at a pressure close to atmospheric pressure, being progressively diluted by the water which transfers through the membrane, while the solution that arrives through the conduit 3 is gradually concentrated.
  • the solution that arrives via line 11 is split into a first fraction that is sent via line 13. and via the PT11 turbine pump to the MO10 module, from which it emerges by being sent via the turbine pump PT21 to a higher pressure through the conduit 14 to the MOU module.
  • the relatively concentrated solution coming out of the MOU module is sent via the turbine pump PT22 and via the conduit 15 to the module M012, from which it leaves via the pipe 16 having been expanded via the pump. -turbine PT23.
  • the more concentrated salt solution and the relatively less concentrated salt solution thus circulate globally countercurrently.
  • the relatively concentrated solution exiting from each stage is split into a fraction which is sent to the next stage at a higher pressure and a fraction which is sent to the opposite end of the next stage.
  • the solution that arrives via the duct 10 is split into a fraction that is sent via the duct 12 by means of the turbine pump PT11 at a relatively high pressure to the membrane separation module SM1 and a fraction which is sent via the conduit 11 at a relatively low pressure to the opposite end of the module SM1 in the compartments operating at relatively low pressure of the module SM1.
  • the concentrated solution exiting through line 3 is split into a fraction which is sent to a relatively high pressure membrane separation module SM2 and a fraction that is expanded by the PT14 turbine pump and sent to a relatively low pressure at the opposite end of the SM2 module in the compartments operating at relatively low pressure SM2 module.
  • the numerical example 2 is described in relation to FIG. 9.
  • the membrane separation module SM1 is supplied with a flow rate of 1.65 kilograms per second of solution. lithium bromide containing 8.5% by weight of lithium bromide. A fraction of this solution, representing a flow rate of 1.49 kilograms per second, is sent via line 12 to module SM1. The corresponding flow rate is pumped to a pressure of 183 bars by means of the PT1 turbine pump 1 and mixed with a flow rate of 0.66 kilograms per second arriving via line 14. The remaining flow, representing 0.15 kilograms per second, is sent through line 11 to the opposite end of module SM1.
  • the solution thus sent via the pipe 11 circulates at a pressure close to atmospheric pressure against the current of the relatively high pressure solution which arrives via the PT1 1 and PT 12 pump-turbines, being progressively diluted by the water that transfers through the membrane, while the solution that arrives via the turbine pump PTl l is gradually concentrated.
  • a difference in equilibrium pressures of about 170 bar is maintained all along the membrane.
  • a flow rate of 1.15 kilograms per second of water is transferred through the membrane.
  • a flow rate of 1 kilogram per second of concentrated solution containing 43.4% by weight of lithium bromide is removed.
  • a flow rate of 1.30 kilograms per second of dilute solution containing 5.1% by weight of lithium bromide is removed.
  • a net mechanical power of 24 kW is spent in the turbine pump PT1 (out of efficiency) and 21 kW in the PT12 turbine pump (out of capacity).
  • a mechanical power of about 21 kW is recovered in the turbine pump PT1 (out of yield) and about 18 kW in the PT12 turbine pump (out of yield), or with a pump efficiency of 98%, overall efficiency close to 83%.
  • the second stage operates under conditions comparable to those described in numerical example 1.
  • a flow rate of 1.65 kilograms per second of lithium bromide solution containing 18.3% by weight of lithium bromide is separated into a concentrated fraction of lithium bromide solution containing 57% by weight of bromide of lithium bromide. lithium representing a flow rate of 0.34 kilograms per second and a diluted fraction of lithium bromide containing 5.1% by weight of lithium bromide, representing a flow rate of 1.30 kilograms per second.
  • the solutions resulting from the mixing of water and salt, as well as the diluted or concentrated solutions obtained during the separation step, are stored in storage chambers at a pressure close to atmospheric pressure.
  • the concentrated solution fractions obtained at the end of the separation step can be stored under pressure, to avoid the need to implement a pump-turbine pump and / or expansion.
  • the materials used to make the storage enclosures may be of various nature, for example steel, concrete or polymer material.
  • the use of polymeric materials is particularly suitable if the mixtures used are corrosive, which may be the case especially when the mixture used is formed by water and a salt. It is also possible to use metal materials coated with a polymer film, or composite materials. Storage enclosures can also be buried in the ground.
  • membrane modules such as for example flat modules, alternating compartments separated by flat membranes, spiral modules, implementing a spirally wound membrane or tubular membranes. It is also possible to use hollow fibers of polymer material. Different types of membranes can also be used.
  • the membranes may be for example based on cellulose acetate, polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride.
  • the operating pressure of a membrane module may be between a few tens and a few hundred bars.
  • the operating temperature may be close to ambient. In some cases, it may be advantageous to operate at a temperature above ambient, for example between 20 and 80 ° C, to increase the flow of material transferring through the membrane.
  • the potential difference applied is, for example, of the order of 1 V per cell, the total potential difference being for example between about ten volts and a few hundred volts. .
  • the temperature at which the separation and / or mixing process is carried out is generally close to ambient temperature. It can be higher and for example between 50 and 100 ° C, in particular to increase the flow of component A through the membrane.

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Abstract

L'invention est relative à un procédé de stockage et de restitution d'énergie, dans lequel : - pour stocker de l'énergie provenant d'un apport externe, on extrait à l'aide d'au moins un séparateur à membrane un premier constituant d'une solution de ce constituant avec un deuxième constituant, en opérant sur au moins deux mélanges AB de ces deux constituants, à des concentrations différentes à l'entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs, et/ou en faisant circuler à contre-courant des mélanges de A et de B dans au moins un séparateur à membrane, et l'on stocke séparément des solutions ainsi enrichies et appauvries en l'un des constituants, l'énergie nécessaire au transfert dudit constituant au sein du ou des séparateurs à membrane (S) provenant au moins en partie de l'apport externe. - pour restituer de l'énergie à un accepteur externe, on introduit en entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs des solutions comportant l'un des constituants à des concentrations différentes, et/ou l'on fait circuler à contre-courant des mélanges ayant des concentrations différentes en ce constituant dans au moins un séparateur à membrane, l'énergie découlant du transfert dudit constituant au sein du ou des séparateurs à membrane étant restituée au moins partiellement à l'accepteur externe sous forme électrique et/ou mécanique.

Description

Procédé de stockage d'énergie mécanique et/ou électrique par séparation et mélange à travers une membrane
La présente invention concerne les procédés et installations permettant le stockage d'énergie et sa restitution.
Art antérieur
Actuellement, le mode de stockage d'énergie mécanique ou d'énergie électrique après conversion le plus répandu est le stockage gravitaire (Station de Transfert d'Energie par Pompage ou STEP en abrégé), qui présente l'inconvénient de nécessiter des dénivelés importants, obtenus en général en exploitant des sites en montagne, qui sont en nombre limité, et souvent éloignés des grandes zones de production et de consommation, impliquant un transport d'électricité sur des distances importantes, relativement coûteux et générateur de déperditions d'énergie. Ce mode de stockage se heurte ainsi à des limites environnementales et économiques.
Une autre option consiste à stocker l'énergie au moyen d'air comprimé. L'air comprimé peut être stocké dans des cavités souterraines, ce qui implique de disposer de sites géologiques adéquats, ou dans des enceintes sous pression, qui posent des problèmes de réalisation et de coût. De tels moyens de stockage présentent l'avantage de pouvoir être facilement localisés sur la plupart des sites de production et/ou d'exploitation de l'énergie que l'on désire pouvoir stocker, mais la nécessité de stocker des quantités importantes de gaz sous pression entraîne des limitations physiques et économiques.
Par ailleurs, la séparation par membrane d'un mélange de constituants A et B en phase liquide homogène est connue depuis longtemps. Il existe de nombreux équipements industriels de séparation par osmose inverse ou par électrodialyse. L'osmose inverse est largement utilisée pour le dessalement de l'eau de mer. L' électrodialyse est surtout utilisée pour concentrer des saumures ou au contraire pour en réduire la teneur en sels.
La production d'énergie mécanique par mélange osmotique a déjà été envisagée pour récupérer l'énergie en principe disponible au moment où l'eau douce des rivières est mélangée avec l'eau salée des mers.
Si le réservoir contenant l'eau salée est à une pression supérieure à celle de l'eau douce, l'eau douce migre vers l'eau salée tant que la différence de pression n'excède pas une valeur limite (la limite théorique dans le cas de l'eau de mer est de l'ordre de 27 bars); la surpression ainsi créée peut être utilisée pour actionner une turbine.
Dès que le procédé de génération d'énergie mécanique à partir d'eau salée et d'eau douce par transfert d'eau douce à travers une membrane et passage du mélange ainsi obtenu à travers une membrane fut décrit par le Prof. Sidney Loeb de l'Université Ben Gourion, en 1973 dans le brevet US 3 906 250 A, il apparut que c'était là un moyen de stocker de l'énergie sous forme de potentiel chimique et de restituer au moins une partie de cette énergie sous forme d'énergie mécanique.
La possibilité d'utiliser une solution de sels tels que le carbonate d'ammonium, qui peuvent être facilement décomposés et séparés de l'eau par chauffage, a également été décrite, dans la demande de brevet US 2010/0183903 Al .
La demande de brevet WO 2010/065791 A2 décrit un procédé de stockage et de restitution d'énergie sous forme de différence de pression osmotique qui ne considère pas entièrement les problèmes de réversibilité thermodynamique. La demande WO 2010/0183903 Al ne décrit notamment qu'un séparateur à membrane.
La demande de brevet US 2011/0044824 Al divulgue un procédé de génération d'énergie par différence de pression osmotique mais pas un procédé de stockage de l'énergie. Le procédé divulgué par US 2011/0044824 inclut notamment des boucles de recirculation qui additionnent les irréversibilités de potentiel chimique pour l'eau qui est transférée de la fraction concentrée à la fraction diluée ou inversement.
La possibilité de produire directement du courant électrique par un processus d' électrodialyse inverse a été également reconnue et a même fait l'objet de tests expérimentaux aux Pays-Bas, en vue de générer du courant électrique par mélange d'eau douce et d'eau de mer.
Toutefois, bien que le principe général de stockage d'énergie sous forme de potentiel chimique, avec restitution d'énergie par passage d'eau à travers une membrane soit connu, sa réalisation consistant à séparer puis à mélanger deux phases aqueuses dans le même module membranaire donne lieu à des rendements qui sont faibles et des performances limitées, du fait que le potentiel chimique varie tout au cours de l'échange et qu'une part significative de l'énergie stockée est perdue au cours des opérations de transfert à travers la membrane. Résumé
La présente invention vise à proposer un procédé et une installation qui remédient en tout ou partie aux inconvénients des systèmes existants, et notamment qui :
soient simples, fiables, et d'une grande durée de vie,
permettent de réaliser un stockage sur de longues périodes de temps sans dégradation des capacités de stockage,
permettent d'opérer dans une large gamme de capacités, et permettent un stockage en phase liquide à basse pression.
L'invention répond à ce besoin grâce à un procédé de stockage et de restitution d'énergie, dans lequel :
pour stocker de l'énergie provenant d'un apport externe, on extrait à l'aide d'au moins un séparateur à membrane un premier constituant d'une solution de ce constituant avec un deuxième constituant, en opérant sur au moins deux mélanges AB de ces constituants à des concentrations différentes à l'entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs, et/ou en faisant circuler à contre-courant des mélanges AB dans au moins un séparateur à membrane, et l'on stocke séparément des solutions ainsi enrichies et appauvries en l'un des constituants, l'énergie nécessaire au transfert de ce constituant au sein du ou des séparateurs à membrane provenant au moins en partie de l'apport externe, et/ou
pour restituer de l'énergie à un accepteur externe, on introduit en entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs des solutions comportant l'un des constituants à des concentrations différentes, et/ou l'on fait circuler à contre-courant des mélanges ayant des concentrations différentes en ce constituant, dans au moins un séparateur à membrane, l'énergie découlant du transfert dudit constituant au sein du ou des séparateurs à membrane étant restituée au moins partiellement à l'accepteur externe sous forme électrique et/ou mécanique.
Le procédé selon l'invention s'applique à une large gamme d'installations stationnaires et/ou embarquées.
L'invention permet de réaliser des installations de stockage de relativement grande capacité, associées à des installations stationnaires de production d'électricité, pour répondre aux besoins des utilisateurs de systèmes de génération d'électricité par des sources d'énergie intermittentes, notamment éolienne et solaire. L'invention met en œuvre des opérations de mélange en phase liquide et de séparation au moins partielle entre au moins deux constituants A et B qui sont au moins partiellement miscibles entre eux.
Au cours de la séparation entre les deux constituants A et B, de l'énergie est consommée et stockée. Puis, au cours du mélange, elle est restituée.
Le mélange AB peut être constitué, par exemple, par une phase aqueuse contenant un sel ou un fluide organique soluble dans l'eau, ou encore par un mélange de constituants organiques.
Le constituant A peut-être de l'eau ou un solvant organique polaire. Le constituant B doit être au moins en partie miscible avec le constituant A.
Si le constituant A est de l'eau, le constituant B est de préférence un sel qui se dissout dans l'eau. Les systèmes eau-sel sont particulièrement appropriés, car ils peuvent être séparés dans de bonnes conditions par un séparateur à membrane. Les sels choisis sont de préférence des sels minéraux fortement solubles dans l'eau. Le constituant B peut être aussi constitué par un liquide ionique. Un liquide ionique est l'équivalent d'un sel, se décomposant en anions et en cations, lorsqu'il est en solution dans l'eau, mais il est liquide à la température de la concentration, ce qui permet d'opérer à une concentration élevée, sans risquer de précipiter une phase solide. Il existe à présent de très nombreux liquides ioniques recensés (un millier) et même commercialisés pour des applications variées (une centaine). Le constituant B n'est pas nécessairement un corps pur et peut être formé par un mélange, comme par exemple un mélange de sels.
Dans un exemple de mise en œuvre de l'invention, pour stocker l'énergie, on opère sur au moins deux mélanges AB de A et B à des concentrations différentes à l'entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs. En variante, on fait circuler à contre- courant des mélanges de A et de B dans au moins un séparateur à membrane.
Dans un exemple de mise en œuvre de l'invention, pour restituer de l'énergie, on introduit en entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs des solutions comportant l'un des constituants, notamment le constituant B, à des concentrations différentes. En variante, pour restituer de l'énergie, l'on fait circuler à contre-courant des mélanges ayant des concentrations différentes en l'un des constituants, notamment le constituant B, dans au moins un séparateur à membrane. De préférence, le mélange AB, le mélange A(B) riche en constituant A et le mélange (A)B riche en constituant B sont en phase liquide. Le mélange AB et le mélange A(B) riche en constituant A sont de préférence stockés à une pression inférieure ou égale à 50 bars, mieux à 10 bars ou moins. Dans le cas d'un dispositif de séparation par osmose inverse, le mélange B(A), riche en constituant B, peut être stocké à une pression supérieure, de préférence inférieure à 100 bars, pour éviter l'utilisation d'une pompe- turbine à la sortie de la solution concentrée, comme cela est expliqué par la suite, en relation avec le schéma de la figure 3.
Dans un exemple de mise en œuvre de l'invention, le constituant A est de l'eau et le constituant B un sel, de préférence minéral, tel qu'un chlorure, un bromure, un sulfate ou un carbonate ou un mélange de sels, ou encore un liquide ionique.
D'une façon générale, l'étape de séparation et de stockage de l'énergie est réalisée par osmose inverse en prélevant de l'énergie mécanique et l'étape de mélange et de déstockage de l'énergie est réalisée par le processus inverse, en restituant au moins une partie de l'énergie mécanique prélevée.
En variante, l'étape de séparation et de stockage de l'énergie est réalisée par électrodialyse en prélevant de l'énergie électrique et l'étape de mélange et de déstockage d'énergie est réalisée par le processus inverse, en restituant au moins une partie de l'énergie électrique prélevée.
Les opérations de séparation et de mélange peuvent être réalisées en faisant circuler à contre-courant, de part et d'autre d'une membrane d'au moins un séparateur à membrane, deux phases liquides, dont l'une s'enrichit progressivement en constituant B, tandis que l'autre s'appauvrit progressivement en constituant B, un mélange AB étant introduit à chaque extrémité du séparateur à membrane.
Au cours de l'étape de séparation, une première fraction de mélange AB peut être envoyée à une première extrémité d'un séparateur à membrane, pompée à une pression relativement élevée, supérieure à la pression osmotique, en prélevant de l'énergie mécanique, circuler dans une première série de compartiments en transférant au moins une partie du constituant A à travers une membrane sélective, et être évacuée à la sortie du séparateur à membrane sous forme d'un mélange (A)B concentré en constituant B, puis détendue. Une deuxième fraction de mélange AB peut être envoyée à l'extrémité opposée, en circulant à une pression relativement basse dans une deuxième série de compartiments, un mélange A(B) pauvre en constituant B étant évacué à la sortie du séparateur à membrane. Au cours de l'étape de mélange la circulation des phases liquides dans les deux séries de compartiments peut être inversée, les mélanges A(B) et (A)B étant envoyés dans le séparateur à membrane et le mélange AB résultant étant évacué et détendu, en récupérant au moins une partie de l'énergie mécanique prélevée au cours de l'étape de stockage.
Dans un autre exemple de mise en œuvre de l'invention, au cours de l'étape de séparation, une première fraction de mélange AB est envoyée dans un séparateur à membrane, circule dans une première série de compartiments, en étant soumise à une différence de potentiel par des électrodes reliées à un circuit électrique, au moins une partie du constituant B étant transférée à travers la membrane, en consommant de l'énergie électrique, puis est évacuée à la sortie du séparateur sous forme d'un mélange A(B) appauvri en constituant B et détendue, tandis qu'une deuxième fraction de mélange AB circule dans une deuxième série de compartiments alternant avec les premiers, puis est évacuée à la sortie du séparateur sous forme d'un mélange (A)B enrichi en constituant B, dans lequel, au cours de l'étape de mélange, la circulation des phases liquides dans les deux séries de compartiments est inversée, les mélanges A(B) et (A)B étant envoyés dans le séparateur à membrane et le mélange AB résultant étant évacué, en récupérant dans le circuit électrique au moins une partie de l'énergie électrique prélevée au cours de l'étape de stockage.
De préférence, les opérations de séparation et de mélange sont réalisées avec plusieurs étages opérant en série, chaque étage comprenant un séparateur à membrane, la fraction enrichie en constituant B sortant d'un étage i étant envoyée à l'entrée d'un étage suivant i+1, et la fraction enrichie en constituant A sortant de l'étage i étant envoyée à l'entrée d'un étage précédent i-1.
Un procédé mettant en œuvre plusieurs étages permet d'obtenir des fractions aussi concentrées que cela est souhaité tout en se rapprochant au plus des conditions de réversibilité thermodynamiques à chaque étage.
Au cours de l'étape de séparation, le mélange AB entrant dans un étage de séparation et de mélange peut être scindé en deux fractions envoyées à deux extrémités opposées d'un séparateur à membrane, circuler à contre-courant de part et d'autre d'une membrane sélective vis-à-vis du constituant A, la fraction circulant du côté à relativement haute pression s' enrichissant en constituant B et la fraction circulant du côté à relativement basse pression s' enrichissant en constituant A, la fraction enrichie en constituant A et la fraction enrichie en constituant B étant réintroduites aux deux extrémités de l'étage au cours de l'étape de mélange et circulent en sens opposé, à contre-courant l'une de l'autre, deux fractions de mélange AB étant récupérées aux deux extrémités du séparateur à membrane.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, tel que défini ci-dessus, comportant au moins un séparateur à membrane pour extraire un premier constituant d'une solution de ce constituant avec un deuxième constituant, en opérant sur au moins deux mélanges de ces constituants à des concentrations différentes à l'entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs, et/ou en faisant circuler à contre-courant des mélanges de ces constituants dans ce séparateur à membrane, des moyens pour stocker séparément des solutions ainsi enrichies et appauvries en premier constituant, l'énergie nécessaire au transfert de ce premier constituant au sein du ou des séparateurs à membrane provenant au moins en partie de l'apport externe, et/ou des moyens pour restituer de l'énergie à un accepteur externe, en introduisant en entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs des solutions comportant le premier constituant à des concentrations différentes, et/ou en faisant circuler à contre-courant des mélanges ayant des concentrations différentes en premier constituant dans au moins un séparateur à membrane, l'énergie découlant du transfert du premier constituant au sein du ou des séparateurs à membrane étant restituée au moins partiellement à l'accepteur externe sous forme électrique et/ou mécanique.
Le ou les séparateurs à membrane peuvent être des séparateurs à osmose inverse ou des séparateurs à électrodialyse.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 illustre les échanges de matière lors de la mise en œuvre de l'invention,
- la figure 2 représente un étage d'une installation de séparation et de mélange comportant au moins un séparateur à membrane par osmose inverse, la figure 3 illustre la séparation et le mélange à travers une membrane sélective,
la figure 4 représente un étage d'une installation de séparation et de mélange comportant au moins un séparateur à membrane par électrodialyse,
la figure 5 représente de façon schématique et partielle un exemple d'installation selon l'invention, à au moins deux étages,
la figure 6 représente un étage d'une installation à au moins un séparateur à membrane alimenté par des flux à contre-courant,
la figure 7 illustre le transfert sélectif à travers la membrane d'un séparateur à membrane,
la figure 8 illustre une installation selon l'invention à trois étages, et la figure 9 illustre une autre installation selon l'invention, à deux étages. Une installation pour la mise en œuvre de l'invention peut comporter, comme illustré sur la figure 1 :
une enceinte (I) contenant un mélange AB,
une enceinte (II) contenant un mélange A(B) enrichi en constituant A, une enceinte (III) contenant un mélange (A) B enrichi en constituant B, un dispositif de séparation et de mélange S à l'intérieur duquel, au cours d'une étape de stockage d'énergie, le mélange initial AB est séparé en une phase A(B) riche en constituant A et une phase (A)B riche en constituant B en prélevant une énergie mécanique W et à l'intérieur duquel les deux phases A(B) et (A)B sont mélangées en restituant une énergie mécanique W au cours d'une étape de déstockage, l'énergie mécanique W ainsi restituée représentant une fraction significative de l'énergie mécanique W prélevée.
Au cours de l'étape de stockage, le mélange AB est envoyé par le conduit 1 dans le dispositif de séparation et de mélange S. La phase A(B) riche en constituant A est envoyée par le conduit 2 dans l'enceinte (II) et la phase (A)B riche en constituant B est envoyée par le conduit 3 dans l'enceinte (III).
Au cours de l'étape de déstockage, la phase A(B) arrivant dans le dispositif de séparation et de mélange S par le conduit 2 est mélangée avec la phase (A)B arrivant par le conduit 3 et le mélange AB résultant est évacué par le conduit 1 et stocké dans l'enceinte (I). Dans le cas d'un mélange eau-sel, au cours du transfert de l'eau à travers la membrane, soit au cours de l'étape de séparation, soit au cours de l'étape de mélange, la composition de la solution de sel dans l'eau qui circule dans les compartiments opérant à relativement haute pression évolue et le potentiel chimique résultant de la différence des concentrations entre la solution et l'eau pure évolue également. La variation de potentiel chimique s'accompagne d'une variation de la pression osmotique ainsi que du potentiel électrique nécessaire pour transférer les ions en solution.
Si l'on effectue les deux étapes de séparation et de mélange dans un séparateur à membrane, en séparant puis en mélangeant à nouveau de l'eau relativement pure, il en résulte des irréversibilités thermodynamiques importantes, qui se traduisent par des pertes significatives de rendement. En outre dans le cas d'un dispositif mettant en œuvre une séparation par osmose inverse, la mise en œuvre d'une solution fortement concentrée se traduit par des pressions osmotiques très élevées, ce qui représente une limitation dans les conditions d'utilisation d'un tel dispositif.
Pour cette raison, le procédé de stockage d'énergie mécanique et/ou électrique selon l'invention est caractérisé en ce que le transfert sélectif de l'un des constituants à travers la membrane, par exemple un constituant A constitué par de l'eau, est mené en faisant évoluer progressivement la composition du mélange au cours des étapes de séparation et de mélange, de façon à limiter les variations de potentiel chimique tout au cours du processus de transfert.
Le mélange AB, le mélange A(B) enrichi en constituant A et le mélange (A)B enrichi en constituant B sont de préférence en phase liquide. Il est ainsi possible de stocker ces trois phases à une pression relativement basse, par exemple voisine de la pression atmosphérique.
La capacité de stockage dépend du volume des phases liquides AB, A(B) et
(A)B, contenues dans les enceintes (I), (II) et (III). Le stockage d'une phase aqueuse à une pression voisine de la pression atmosphère est relativement peu coûteux en investissements et en frais opératoires. L'investissement dépend surtout du dispositif de séparation S. Il est donc conditionné principalement par la puissance mise en œuvre au cours des phases de stockage et déstockage. Le procédé de stockage permet ainsi de réaliser des capacités de stockage qui peuvent être importantes à des coûts relativement bas et sur des durées qui peuvent être longues. Comme indiqué ci-dessus, la séparation est effectuée par membrane sélective en consommant de l'énergie mécanique et/ou électrique et le mélange est effectué par le processus inverse, en restituant de l'énergie mécanique et/ou électrique. On a représenté un étage d'une installation comportant un séparateur à membrane à la figure 2. Le mélange AB arrive par un conduit 1, dans le séparateur à membrane, encore appelé dispositif de séparation et de mélange, qui comprend une série de compartiments séparés par une membrane sélective. Au cours de l'étape de séparation, la membrane laisse passer sélectivement l'un des deux constituants A ou B.
A la sortie, la phase liquide sortant d'un compartiment est soit enrichie en constituant A et appauvrie en constituant B, soit enrichie en constituant B et appauvrie en constituant A. La phase liquide A(B) enrichie en constituant A est évacuée par un conduit 2 et la phase liquide (A)B enrichie en constituant B est évacuée par un conduit 3.
Au cours de l'étape de mélange, les flux de circulation de chacune des phases sont inversés et les deux phases A(B) et (A)B sont mélangées pour restituer le mélange initial AB.
Tout séparateur à membrane peut être utilisé. Les deux principaux types de dispositifs pouvant être utilisés dans le cas d'un mélange formé par de l'eau (constituant A) et un sel (constituant B) sont fondés soit sur l'utilisation d'une membrane sélective à l'eau, le passage de l'eau au cours de l'étape de séparation étant assuré par pompage à une pression supérieure à la pression osmotique, en dépensant de l'énergie mécanique (osmose inverse), soit sur l'utilisation de membranes anioniques et cationiques qui laissent passer sélectivement les ions contenus en solution, le passage des anions et des cations étant assuré par l'effet d'un champ électrique, en dépensant de l'énergie électrique (électrodialyse).
Au cours de l'étape de mélange, de l'énergie mécanique ou électrique est restituée, assurant le déstockage de l'énergie stockée au cours de l'étape de séparation.
Pour minimiser l'investissement, il est avantageux d'utiliser le même dispositif au cours de l'étape de séparation avec stockage d'énergie et au cours de l'étape de mélange avec déstockage d'énergie. Toutefois, il n'est pas exclu dans des cas particuliers, d'utiliser des dispositifs différents pour réaliser ces deux opérations, notamment si le fonctionnement de la membrane n'est pas réversible, par exemple dans le cas d'une membrane asymétrique. Comme indiqué ci-dessus, il est avantageux de faire évoluer progressivement la composition du mélange au cours des étapes de séparation et de mélange, de façon à limiter les variations de potentiel chimique tout au cours du processus de transfert. Il existe différents modes de réalisation du procédé selon l'invention permettant d'y parvenir.
Dans une première version du procédé selon l'invention, l'étape de séparation et de stockage de l'énergie est opérée en transférant sélectivement l'un des constituants du mélange AB, par exemple le constituant A, à travers une membrane, tout en prélevant de l'énergie mécanique, et l'étape de mélange et de déstockage de l'énergie par le processus inverse, en restituant au moins une partie de l'énergie mécanique prélevée, le processus de transfert dudit constituant étant réalisé dans un dispositif multi-étagé, en ajustant les conditions de pression dans chaque étage de manière à se rapprocher des conditions de réversibilité thermodynamique.
Dans une deuxième version du procédé selon l'invention, les étapes de séparation et de mélange sont réalisées en faisant circuler à contre-courant, de part et d'autre de la membrane, deux phases liquides, dont l'une s'enrichit progressivement en l'un des constituants, par exemple le constituant B, tandis que l'autre s'appauvrit progressivement en se constituant, un mélange AB étant introduit à chaque extrémité du dispositif membranaire.
Il est également possible de combiner ces deux modes de réalisation en réalisant un dispositif étagé, conformément à la première version du procédé selon l'invention, dans lequel chacun des étages fonctionne conformément à la deuxième version du procédé selon l'invention.
Il est possible de générer par unité de surface de membrane, dans l'invention, une puissance très supérieure à celle qui est obtenue dans le cas d'un mélange entre l'eau douce et l'eau de mer. Du fait que le même mélange est utilisé constamment dans une enceinte fermée et du fait que l'on opère avec un mélange synthétique, il est possible d'éviter de nombreux problèmes de dégradation de la membrane et de risques de colmatage par suite de dépôts de phase solide, liés à l'utilisation d'eau de mer. Il est possible d'optimiser le choix du sel, pour optimiser la capacité de stockage et les performances technico-économiques du procédé. Par ailleurs, il n'est pas nécessaire de produire de l'eau pure et la composition des deux phases A(B) et (A)B utilisées dans le procédé selon l'invention n'est pas soumises aux contraintes qui sont imposées dans le cas du dessalement de l'eau de mer.
La séparation et le mélange des constituants A et B peuvent être réalisés, soit au moyen d'un dispositif osmotique tel que celui qui est schématisé sur la figure 3, soit au moyen d'un dispositif d' électrodialyse tel que celui qui est schématisé sur la figure 4.
Le mélange (AB) est constitué par exemple par une phase aqueuse salée : A est de l'eau et B est un sel, tel que par exemple le chlorure de sodium NaCl ou le bromure de lithium LiBr.
On peut utiliser différents sels ou mélanges de sels. Les sels choisis seront de préférence fortement solubles dans l'eau. Il existe une très grande variété de sels, compte- tenu des différents anions possibles (chlorures, bromures, sulfates, carbonates, etc.) et des différents cations possibles (sodium, potassium, lithium, etc.). Le choix optimal du sel ou du mélange de sels reste à faire en tenant compte de ses propriétés physico-chimiques, mais aussi des conditions d'utilisation (en particulier, le sel est choisi pour être de préférence non toxique) et de son coût.
Le constituant B peut être aussi constitué par un liquide ionique. Un liquide ionique est l'équivalent d'un sel, se décomposant en anions et en cations, lorsqu'il est en solution dans l'eau, mais il est liquide à la température de la concentration, ce qui permet d'opérer à une concentration élevée, sans risquer de précipiter une phase solide. Il existe à présent de très nombreux liquides ioniques recensés (un millier) et même commercialisés pour des applications variées (une centaine). Les cations et les anions sont choisis en fonction de leurs propriétés hydrophiles. Les cations sont de préférence des cations à chaînes courtes. On peut utiliser notamment des cations centrés sur l'azote (tétraalkylammonium, alkylpyidinium, alkylimidazolium), le phosphore (phosphonium) ou le soufre (sulfonium). Les anions peuvent comprendre des ions halogénures, acétate, trifluoroacétate, triflate, bistrifilimide, alkylsulfate, sulfonate, tetrafluoroborate, hexafluorophosphate, etc ..
Dans le cas du dispositif osmotique schématisé sur la figure 3, au cours de l'étape de stockage (étape de séparation), le mélange (AB) est envoyé dans un séparateur à membrane comportant un module de séparation par osmose inverse MOI, par le conduit 3 à l'aide de la pompe-turbine réversible PT1. Le module MOI est équipé d'une membrane perméable à l'eau, mais arrêtant le sel. Dans le module MOI la phase aqueuse salée est pompée à une pression suffisamment élevée pour faire passer de l'eau substantiellement débarrassée de sel à travers la membrane.
Sur le schéma de la figure 3, la surface de membrane nécessaire pour réaliser la séparation a été représentée par une membrane séparant un compartiment opérant à relativement haute pression d'un compartiment opérant à relativement basse pression. En pratique, pour déployer une surface de membrane suffisamment élevée, on réalise une pluralité de compartiments dans lesquels circule la solution à relativement haute pression, qui sont séparés par la surface de membrane d'une pluralité de compartiments, opérant à relativement basse pression, dans lesquels circule l'eau ayant été transférée à travers la membrane, alternant avec les compartiments opérant à relativement haute pression. Il est également possible de faire circuler la solution dans une pluralité de tubes ou de fibres creuses, dont la paroi est constituée par la membrane de séparation.
La pression dans les compartiments opérant à relativement haute pression dans lequel circule la solution salée doit donc être supérieure à la pression osmotique résultant de la différence de salinité entre la phase aqueuse circulant dans le compartiment à relativement haute pression et la phase aqueuse circulant dans le compartiment à relativement basse pression.
Durant l'étape de stockage d'énergie (étape de séparation du mélange AB, schématisée sur la figure 3 (A), on sépare le mélange AB en phase aqueuse en une fraction (A)B qui est relativement concentrée en sel et une fraction A(B) relativement diluée en sel. La fraction enrichie en sel est détendue à travers la pompe-turbine réversible PT2 et évacuée par le conduit 3, tandis que la phase aqueuse appauvrie en sel est évacuée à basse pression par le conduit 2. La quantité d'énergie mécanique consommée dans la pompe- turbine PTl étant supérieure à la quantité d'énergie restituée dans la pompe-turbine PT2, la séparation s'effectue en prélevant une quantité d'énergie mécanique W.
Durant l'étape de déstockage d'énergie (phase de mélange), schématisée sur la figure 3 (B), on réalise au contraire le mélange de la phase (A)B concentrée en sel et de la phase A(B) diluée en sel, de façon à retrouver le mélange initial (AB), tout en récupérant une quantité d'énergie mécanique W . La phase relativement concentrée en sel arrive par le conduit 3. Elle est pompée par la pompe-turbine PT2 et diluée avec l'eau transférée à travers la membrane. La phase aqueuse ainsi obtenue est détendue à travers la pompe turbine PT1 et évacuée par le conduit 1. La phase aqueuse relativement diluée en sel arrive dans le module MOI par le conduit 2 et l'eau est transférée à travers la membrane.
Le dispositif de stockage schématisé sur la figure 3 peut également être opéré en l'absence de la pompe-turbine PT2. Dans ce cas, la solution relativement concentrée en sel sortant par le conduit 3 est stockée sous pression. Ceci présente l'avantage d'éviter l'équipement supplémentaire de la pompe-turbine PT2, ainsi que les pertes de rendement liées à la mise en œuvre de la pompe-turbine PT2. Par contre, une telle disposition nécessite la mise en œuvre d'une enceinte de stockage sous pression pour stocker la solution relativement concentrée évacuée par le conduit 3.
Une autre possibilité consiste à réaliser la séparation et le mélange des constituants A et B dans un dispositif d'électrodialyse, tel que celui qui est schématisé sur la figure 4.
Dans le module d'électrodialyse EDI schématisé sur la figure 4, alternent des membranes dites « anioniques », qui ne laissent passer que les anions (membranes MA sur le schéma de la figure 4) et des membranes dites « cationiques », qui ne laissent passer que des cations, des électrodes positives et des électrodes négatives.
Durant l'étape de séparation (stockage), un potentiel électrique est exercé sur les électrodes El et E2. L'électrode El est reliée au pôle positif du circuit électrique et forme l'anode, tandis que l'électrode E2 est reliée au pôle négatif et forme la cathode. Les cations se déplacent vers l'électrode négative (cathode), en traversant les membranes cationiques, tandis que les anions se déplacent vers l'électrode positive (anode) en traversant les membranes anioniques. De ce fait, la phase aqueuse est appauvrie en sel, dans une première série de compartiments, en produisant des fractions appauvries en sel qui sont évacuées des desdits compartiments, le mélange de ces fractions appauvries en sel étant évacué par le conduit 3. Le sel dissous en phase aqueuse se concentre dans une deuxième série de compartiments qui alternent avec les compartiments de ladite première série. Le mélange des fractions de phase aqueuse concentrées en sel est évacué par le conduit 2. De l'énergie électrique est consommée au cours de cette phase de séparation et de stockage d'énergie.
Durant l'étape de mélange (déstockage), les flux sont inversés, un courant électrique est généré dans le circuit reliant les électrodes El et E2, tandis qu'une partie des anions et des cations de la fraction enrichie en sel repassent dans la fraction appauvrie en sel, en formant à nouveau la solution initiale.
Dans le cas du dispositif schématisé sur la figure 3, qui concerne un dispositif de séparation par osmose inverse, la teneur en sel évolue du côté de la membrane où circule la solution, tandis que de l'autre côté de la membrane circule de l'eau relativement pure, ne contenant que très peu de sel. Il en résulte une variation de la pression osmotique et il est nécessaire dans ce cas d'appliquer une pression supérieure à la valeur la plus élevée de la pression osmotique. Au contraire, dans le cas de l'opération inverse de mélange, on ne peut évacuer la solution envoyée à la turbine de détente qu'à une pression inférieure à la valeur de la pression osmotique la plus faible. Ceci entraîne une perte significative de rendement.
De même, dans le cas du dispositif schématisé sur la figure 4, l'évolution de la teneur en sel du côté de la membrane où circule la solution entraîne une variation de la différence de potentiel nécessaire pour effectuer le transfert et si l'on applique la même différence de potentiel tout le long de l'écoulement de la solution, il en résulte également une irréversibilité thermodynamique. La quantité d'énergie dépensée est de ce fait accrue, tandis que la quantité d'énergie récupérée est diminuée.
Pour réduire de telles irréversibilités thermodynamiques et éviter la perte de rendement qui en résulte, une première possibilité, dans le procédé selon l'invention, consiste à monter plusieurs étages opérant en série, la pression à laquelle opère un étage étant d'autant plus élevée que la teneur en sel de la solution qui circule est grande. Une telle disposition est schématisée sur la figure 5. Au cours de la phase de séparation, la solution relativement concentrée en sel qui sort du module MOI est pompée à une pression plus élevée pour être envoyée par le conduit 2 et par l'intermédiaire de la pompe-turbine PT2 dans le module M02, à l'intérieur duquel se poursuit la séparation entre la solution et l'eau pure qui circule du côté basse pression, en étant évacuée du module M02 par le conduit 6 et envoyée au module MOI, d'où elle ressort par le conduit 7. La solution concentrée est évacuée du module M02 par le conduit 5 et détendue par la pompe-turbine PT3.
Sur le schéma de la figure 5 sont représentés deux étages, mais il est possible d'augmenter le nombre d'étages. Il a été également découvert, et c'est là un autre objet de la présente invention, qu'il est possible d'améliorer sensiblement les conditions de réversibilité thermodynamique, en faisant circuler de part et d'autre de la membrane, une solution dont la teneur en sel évolue, de façon à maintenir sensiblement constante la pression osmotique.
II est possible, par exemple, d'opérer selon le schéma général de la figure 6.
Dans ce cas, la solution qui arrive par le conduit 1 est divisée en une première fraction qui est envoyée par le conduit 11 dans le séparateur à membrane S, d'où elle ressort par le conduit 3, concentrée en sel, et une deuxième fraction qui est envoyée par le conduit 12 dans le séparateur à membrane, d'où elle ressort par le conduit 2 en ayant été diluée par la quantité d'eau transférée à travers la membrane. En faisant varier la fraction de solution qui est envoyée par le conduit 12, il est possible de réaliser une différence de potentiel chimique voisine aux deux extrémités du séparateur S et sensiblement constante tout au cours de l'échange. Dans le cas d'un dispositif faisant intervenir une séparation par osmose inverse, il en résulte une pression osmotique voisine aux deux extrémités du dispositif ainsi que tout au cours de l'échange et dans le cas d'un dispositif faisant intervenir une séparation par électrodialyse, il en résulte que la différence de potentiel nécessaire pour effectuer le transfert est également voisine aux deux extrémités du dispositif ainsi que tout au cours de l'échange.
Dans le cas d'un dispositif faisant intervenir une séparation par osmose inverse, on peut opérer selon le schéma de principe de la figure 7. Au cours de la phase de séparation, schématisée sur la figure 7(A), la solution qui arrive par le conduit 1 est divisée en une première fraction qui est envoyée à une pression supérieure à la pression osmotique par le conduit 3 au module de séparation et mélange MOI par l'intermédiaire de la pompe- turbine PT1 dans les compartiments opérant à relativement haute pression du module MOI et une deuxième fraction qui est envoyée par le conduit 5 à une pression voisine de la pression atmosphérique dans les compartiments du module MOI opérant à relativement basse pression, en étant envoyée à une extrémité opposée de celle par laquelle entre la solution circulant à relativement haute pression. Les deux solutions, celle qui est relativement plus concentrée en sel et celle qui est relativement moins concentrée en sel circulent ainsi à contre-courant et il est possible d'opérer dans des conditions telles que la pression osmotique est sensiblement constante tout au long du dispositif. Au cours de l'étape de mélange, schématisée sur la figure 7 (B), les flux sont inversés et la solution résultant du mélange avec l'eau transférée à travers la membrane est évacué par le conduit 3, en transférant de l'énergie par l'intermédiaire de la pompe-turbine PT1.
Exemple numérique 1
L'exemple numérique 1 est décrit en relation avec la figure 7. Par le conduit 1, on alimente, au cours de l'étape de séparation, le module de séparation membranaire MOI, par un débit de 1 kilogramme par seconde de solution de bromure de lithium contenant 43,4 % en poids de bromure de lithium. Une fraction de cette solution, représentant un débit de 0,852 kilogramme par seconde est envoyé par le conduit 3 au module MOI . Le débit correspondant est pompé jusqu'à une pression de 182 bars. Le débit restant, représentant 0,148 kilogramme par seconde, est envoyé par le conduit 5 à l'extrémité opposée du module MOI . La solution ainsi envoyée par le conduit 5 circule à contre- courant de la solution qui arrive par le conduit 3, à une pression proche de la pression atmosphérique, en étant progressivement diluée par l'eau qui transfère à travers la membrane, tandis que la solution qui arrive par le conduit 3 est progressivement concentrée. En procédant de cette façon, on maintient tout le long de la membrane une différence de pressions osmotiques d'équilibre d'environ 170 bars. Au cours de l'étape de séparation, un débit de 0,51 kilogramme par seconde d'eau est transféré à travers la membrane. Par le conduit 4, on évacue un débit de 0,344 kilogramme par seconde de solution concentrée contenant 57% en poids de bromure de lithium, et par le conduit 2, on évacue un débit de 0,656 kilogramme par seconde de solution diluée contenant 5, 14% en poids de bromure de lithium.
Au cours de l'étape de séparation on dépense 12,5 kW de puissance mécanique dans la pompe-turbine PT1 (hors rendement) et on récupère 3,5 kW de puissance mécanique dans la pompe-turbine PT2 (hors rendement).
Au cours de l'étape de mélange, on récupère une énergie mécanique d'environ 10,8 kW dans la pompe-turbine PT1 (hors rendement) et on dépense une puissance mécanique de 3,7 kW dans la pompe-turbine PT2 (hors rendement), soit avec un rendement des pompes turbines de 98%, un rendement global proche de 73%. Le dispositif schématisé sur la figure 7 ne permet de réaliser qu'une séparation incomplète entre l'eau et le sel présents dans la solution, ce qui limite la quantité d'énergie qu'il est possible de stocker par unité de masse ou de volume de la solution.
Pour pouvoir réaliser une séparation plus poussée, il est possible d'opérer selon le schéma de la figure 8, en montant plusieurs étages en série, opérant à une pression croissante, lorsque la teneur en sel augmente. Dans l'exemple de réalisation schématisé sur la figure 8, au cours de l'étape de stockage d'énergie (phase de séparation), la solution qui arrive par le conduit 11 est scindée en une première fraction qui est envoyée par le conduit 13 et par l'intermédiaire de la pompe-turbine PT11 au module MO10, d'où elle ressort en étant envoyée par l'intermédiaire de la pompe-turbine PT21 à une pression plus élevée par le conduit 14 au module MOU . La solution relativement concentrée qui sort du module MOU est envoyée par l'intermédiaire de la pompe-turbine PT22 et par le conduit 15 au module M012, d'où elle ressort par le conduit 16 en ayant été détendue par l'intermédiaire de la pompe-turbine PT23. La fraction de solution arrivant par le conduit 1 1, qui n'est pas envoyée à relativement haute pression par l'intermédiaire de la pompe-turbine PT11 au module MO 10, est envoyée par le conduit 12 à l'entrée des compartiments opérant à relativement basse pression du module MO 12, d'où elle ressort par le conduit 21, en étant envoyée au module MOI 1, d'où elle ressort par le conduit 22, en étant envoyée au module MO10, d'où elle ressort par le conduit 23. La solution plus concentrée en sel et la solution relativement moins concentrée en sel circulent ainsi globalement à contre-courant.
Il est possible de réaliser une séparation poussée au cours de l'étape de stockage d'énergie, de façon à augmenter la densité de stockage, en utilisant la disposition alternative qui est représentée sur le schéma de la figure 9. Dans ce cas, au cours de la phase de séparation, la solution relativement concentrée sortant de chaque étage est scindée en une fraction qui est envoyée à l'étage suivant à une pression plus élevée et une fraction qui est envoyée à l'extrémité opposée de l'étage suivant. Ainsi, sur le schéma de la figure 9, la solution qui arrive par le conduit 10 est scindée en une fraction qui est envoyée par le conduit 12 au moyen de la pompe-turbine PT11 à une pression relativement élevée au module de séparation membranaire SM1 et une fraction qui est envoyée par le conduit 11 à une pression relativement basse à l'extrémité opposée du module SM1 dans les compartiments opérant à relativement basse pression du module SM1. La solution concentrée sortant par le conduit 3 est scindée en une fraction qui est envoyée à une pression relativement élevée au module de séparation membranaire SM2 et une fraction qui est détendue au moyen de la pompe-turbine PT14 et envoyée à une pression relativement basse à l'extrémité opposée du module SM2 dans les compartiments opérant à relativement basse pression du module SM2.
Exemple numérique 2
L'exemple numérique 2 est décrit en relation avec la figure 9. Par le conduit 10, on alimente, au cours de l'étape de séparation, le module de séparation membranaire SM1, par un débit de 1,65 kilogramme par seconde de solution de bromure de lithium contenant 8,5 % en poids de bromure de lithium. Une fraction de cette solution, représentant un débit de 1,49 kilogramme par seconde, est envoyée par le conduit 12 au module SM1. Le débit correspondant est pompé jusqu'à une pression de 183 bars au moyen de la pompe-turbine PTl l et mélangé avec un débit de 0,66 kilogramme par seconde arrivant par le conduit 14. Le débit restant, représentant 0, 15 kilogramme par seconde, est envoyé par le conduit 11 à l'extrémité opposée du module SM1. La solution ainsi envoyée par le conduit 11 circule à une pression proche de la pression atmosphérique à contre-courant de la solution à relativement haute pression qui arrive par l'intermédiaire des pompes-turbines PT1 1 et PT12, en étant progressivement diluée par l'eau qui transfère à travers la membrane, tandis que la solution qui arrive par l'intermédiaire de la pompe- turbine PTl l est progressivement concentrée. En procédant de cette façon, on maintient tout le long de la membrane une différence de pressions d'équilibre d'environ 170 bars. Au cours de l'étape de séparation, un débit de 1, 15 kilogramme par seconde d'eau est transféré à travers la membrane. Par le conduit 3, on évacue un débit de 1 kilogramme par seconde de solution concentrée contenant 43,4% en poids de bromure de lithium. Par le conduit 2, on évacue un débit de 1,30 kilogramme par seconde de solution diluée contenant 5, 1% en poids de bromure de lithium. Pour transférer l'eau à travers la membrane, on dépense une puissance mécanique nette de 24 kW dans la pompe-turbine PTl l (hors rendement) et de 21 kW dans la pompe-turbine PT12 (hors rendement). Au cours de l'étape de mélange, on récupère une puissance mécanique d'environ 21 kW dans la pompe-turbine PTl l (hors rendement) et d'environ 18 kW dans la pompe-turbine PT12 (hors rendement), soit avec un rendement des pompes-turbines de 98%, un rendement global proche de 83%.
Le deuxième étage fonctionne dans des conditions comparables à celles qui ont été décrites dans l'exemple numérique 1. Globalement, au cours de l'étape de stockage d'énergie, on sépare un débit de 1,65 kilogramme par seconde de solution de bromure de lithium contenant 18,3 % en poids de bromure de lithium en une fraction concentrée de solution de bromure de lithium contenant 57% en poids de bromure de lithium représentant un débit de 0,34 kilogramme par seconde et une fraction diluée de bromure de lithium contenant 5, 1% en poids de bromure de lithium, représentant un débit de 1,30 kilogramme par seconde.
Les solutions résultant du mélange d'eau et de sel, ainsi que les solutions diluées ou concentrées obtenues au cours de l'étape de séparation, sont stockées dans des enceintes de stockage, à une pression voisine de la pression atmosphérique. Toutefois, les fractions de solution concentrée obtenues à l'issue de l'étape de séparation peuvent être stockées sous pression, pour éviter la nécessité de mettre en œuvre une pompe-turbine de pompage et/ou de détente.
Les matériaux utilisés pour réaliser les enceintes de stockage peuvent être de nature diverse, par exemple en acier, en béton ou en matériau polymère. L'utilisation de matériaux polymères est particulièrement appropriée, si les mélanges utilisés sont corrosifs, ce qui peut être le cas notamment lorsque le mélange utilisé est formé par de l'eau et un sel. Il est également possible d'utiliser des matériaux métalliques revêtus d'un film de polymère, ou des matériaux composites. Les enceintes de stockage peuvent aussi être enfouies dans le sol.
Différents types de modules membranaires peuvent être utilisés, tels que par exemple des modules plans, faisant alterner des compartiments séparés par des membranes planes, des modules spirales, mettant en œuvre une membrane enroulée en spirale ou encore des membranes tubulaires. On peut aussi utiliser des fibres creuses en matériau polymère. Différents types de membranes peuvent être également utilisés. Les membranes peuvent être par exemple à base d'acétate de cellulose, de polysulfone, de polyethersulfone, de polyacrylonitrile, de polyéthylène, de polypropylène, de polychlorure de vinyle.
Dans le cas d'une séparation par osmose inverse, la pression de fonctionnement d'un module membranaire peut être comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de bars.
La température de fonctionnement peut être proche de l'ambiante. Dans certains cas, il peut être avantageux d'opérer à une température supérieure à l'ambiante, par exemple comprise entre 20 et 80°C, pour augmenter le flux de matière transférant à travers la membrane.
Dans le cas d'une séparation par électrodialyse, la différence de potentiel appliquée est, par exemple, de l'ordre de 1 V par cellule, la différence de potentiel totale pouvant être comprise par exemple entre une dizaine de volts et quelques centaines de volts.
La température à laquelle on opère le processus de séparation et/ou de mélange est en général voisine de la température ambiante. Elle peut être plus élevée et comprise par exemple entre 50 et 100°C, de façon notamment à augmenter le flux de constituant A traversant la membrane.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. On peut combiner les particularités de réalisation des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
L'expression « comportant un » doit se comprendre comme étant synonyme de « comprenant au moins un ».

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de stockage et de restitution d'énergie, dans lequel :
pour stocker de l'énergie provenant d'un apport externe, on extrait à l'aide d'au moins un séparateur à membrane un premier constituant d'une solution de ce constituant avec un deuxième constituant, en opérant sur au moins deux mélanges AB de ces deux constituants, à des concentrations différentes à l'entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs, et/ou en faisant circuler à contre-courant des mélanges de A et de B dans au moins un séparateur à membrane, et l'on stocke séparément des solutions ainsi enrichies et appauvries en l'un des constituants, l'énergie nécessaire au transfert dudit constituant au sein du ou des séparateurs à membrane (S) provenant au moins en partie de l'apport externe, et/ou
pour restituer de l'énergie à un accepteur externe, on introduit en entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs des solutions comportant l'un des constituants à des concentrations différentes, et/ou l'on fait circuler à contre-courant des mélanges ayant des concentrations différentes en ce constituant dans au moins un séparateur à membrane, l'énergie découlant du transfert dudit constituant au sein du ou des séparateurs à membrane étant restituée au moins partiellement à l'accepteur externe sous forme électrique et/ou mécanique,
les opérations de séparation et de mélange étant réalisées avec plusieurs étages opérant en série, chaque étage comprenant un séparateur à membrane (M01;M02) , la fraction enrichie en constituant B sortant d'un étage i étant envoyée à l'entrée d'un étage suivant i+1, et la fraction enrichie en constituant A sortant de l'étage i étant envoyée à l'entrée d'un étage précédent i-1.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel pour stocker l'énergie on opère sur au moins deux mélanges de A et B à des concentrations différentes en l'un des constituants à l'entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on fait circuler à contre- courant des mélanges de A et de B dans au moins un séparateur à membrane.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel pour restituer de l'énergie on introduit en entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs des solutions comportant l'un des constituants à des concentrations différentes.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel pour restituer de l'énergie l'on fait circuler à contre-courant des mélanges ayant des concentrations différentes en l'un des constituants dans au moins un séparateur à membrane.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le mélange AB le mélange A(B) riche en constituant A et le mélange (A)B riche en constituant B étant en phase liquide, et le mélange AB ainsi que le mélange A(B) étant de préférence stockés à une pression inférieure ou égale à 50 bars, mieux à 10 bars ou moins.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le constituant A étant de l'eau et le constituant B un sel, de préférence minéral, tel qu'un chlorure, un bromure, un sulfate ou un carbonate ou un mélange de sels, ou encore un liquide ionique.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'étape de séparation et de stockage de l'énergie étant réalisée par osmose inverse en prélevant de l'énergie mécanique et l'étape de mélange et de déstockage de l'énergie par le processus inverse, en restituant au moins une partie de l'énergie mécanique prélevée.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, l'étape de séparation et de stockage de l'énergie étant réalisée par électrodialyse en prélevant de l'énergie électrique et l'étape de mélange et de déstockage d'énergie par le processus inverse, en restituant au moins une partie de l'énergie électrique prélevée.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, les opérations de séparation et de mélange étant réalisées en faisant circuler à contre-courant, de part et d'autre d'une membrane d'au moins un séparateur à membrane, deux phases liquides, dont l'une s'enrichit progressivement en constituant B, tandis que l'autre s'appauvrit progressivement en constituant B, un mélange AB étant introduit à chaque extrémité du séparateur à membrane.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel au cours de l'étape de séparation, une première fraction de mélange AB est envoyée à une première extrémité d'un séparateur à membrane, pompée à une pression relativement élevée, supérieure à la pression osmotique, en prélevant de l'énergie mécanique, circule dans une première série de compartiments en transférant au moins une partie du constituant A à travers une membrane sélective, est évacuée à la sortie du séparateur à membrane sous forme d'un mélange (A)B concentré en constituant B, puis détendue, une deuxième fraction de mélange AB étant envoyée à l'extrémité opposée, en circulant à une pression relativement basse dans une deuxième série de compartiments, un mélange A(B) pauvre en constituant B étant évacué à la sortie du séparateur à membrane, et en ce qu'au cours de l'étape de mélange la circulation des phases liquides dans les deux séries de compartiments est inversée, les mélanges A(B) et (A)B étant envoyés dans le séparateur à membrane et le mélange AB résultant étant évacué et détendu, en récupérant au moins une partie de l'énergie mécanique prélevée au cours de l'étape de stockage.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au cours de l'étape de séparation, une première fraction de mélange AB est envoyée dans un séparateur à membrane, circule dans une première série de compartiments, en étant soumise à une différence de potentiel par des électrodes reliées à un circuit électrique, au moins une partie du constituant B étant transférée à travers la membrane, en consommant de l'énergie électrique, puis est évacuée à la sortie du séparateur sous forme d'un mélange A(B) appauvri en constituant B et détendue, tandis qu'une deuxième fraction de mélange AB circule dans une deuxième série de compartiments alternant avec les premiers, puis est évacuée à la sortie du séparateur sous forme d'un mélange (A)B enrichi en constituant B, dans lequel, au cours de l'étape de mélange, la circulation des phases liquides dans les deux séries de compartiments est inversée, les mélanges A(B) et (A)B étant envoyés dans le séparateur à membrane et le mélange AB résultant étant évacué, en récupérant dans le circuit électrique au moins une partie de l'énergie électrique prélevée au cours de l'étape de stockage.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au cours de l'étape de séparation, le mélange AB entrant dans un étage de séparation et de mélange est scindé en deux fractions envoyées à deux extrémités opposées d'un séparateur à membrane (SM1;SM2) , circulent à contre-courant de part et d'autre d'une membrane sélective vis-à-vis du constituant A, la fraction circulant du côté à relativement haute pression s' enrichissant en constituant B et la fraction circulant du côté à relativement basse pression s' enrichissant en constituant A, la fraction enrichie en constituant A et la fraction enrichie en constituant B étant réintroduites aux deux extrémités de l'étage au cours de l'étape de mélange et circulent en sens opposé, à contre-courant l'une de l'autre, deux fractions de mélange AB étant récupérées aux deux extrémités du séparateur à membrane.
14. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un séparateur à membrane (S) pour extraire un premier constituant (B) d'une solution de ce constituant (B) avec un deuxième constituant (A), en opérant sur au moins deux mélanges de ces constituants (A et B) à des concentrations différentes à l'entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs, et/ou en faisant circuler à contre-courant des mélanges de ces constituants (A et B) dans ce séparateur à membrane, des moyens pour stocker séparément des solutions ainsi enrichies et appauvries en premier constituant (B), l'énergie nécessaire au transfert du premier constituant (B) au sein du ou des séparateurs à membrane provenant au moins en partie de l'apport externe, et/ou des moyens pour restituer de l'énergie à un accepteur externe, en introduisant en entrée d'au moins deux séparateurs à membrane respectifs des solutions comportant le premier constituant (B) à des concentrations différentes, et/ou en faisant circuler à contre-courant des mélanges ayant des concentrations différentes en premier constituant (B) dans au moins un séparateur à membrane, l'énergie découlant du transfert du premier constituant (B) au sein du ou des séparateurs à membrane étant restituée au moins partiellement à l'accepteur externe sous forme électrique et/ou mécanique, l'installation comportant au moins deux étages opérant en série, chaque étage comprenant un séparateur à membrane.
15. Installation selon la revendication 15, le ou les séparateurs à membrane étant des séparateurs à osmose inverse.
16. Installation selon la revendication 15, le ou les séparateurs à membrane étant des séparateurs à électrodialyse.
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