WO2015150104A1 - Système de stockage de chaleur par lit fluidisé - Google Patents

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WO2015150104A1
WO2015150104A1 PCT/EP2015/055845 EP2015055845W WO2015150104A1 WO 2015150104 A1 WO2015150104 A1 WO 2015150104A1 EP 2015055845 W EP2015055845 W EP 2015055845W WO 2015150104 A1 WO2015150104 A1 WO 2015150104A1
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WO
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air
heat
particles
reservoir
temperature
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PCT/EP2015/055845
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David Teixeira
Jean-Charles De Hemptinne
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IFP Energies Nouvelles
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage
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    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the field of the present invention relates to compressed air energy storage (CAES) methods. More generally, it relates to a method and system for optimizing energy recovery.
  • CAES compressed air energy storage
  • the energy which can come from electricity, which one wishes to use at another time, can be stored in the form of compressed air.
  • the electricity produced in excess thus supplies one or more compressors whose purpose is to compress a given quantity of air.
  • This air compression involves an increase in temperature.
  • the present invention more particularly relates to specific means for the transfer and storage of the resulting heat.
  • CAES Compressed Air Energy Storage
  • ACAES Adiabatic Compressed Air Energy Storage
  • AACAES Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage
  • TES Thermal Energy Storage
  • the present invention particularly aims to avoid spending heat by combustion during the recovery of energy.
  • the AACAES system which is preferred, but the main objective is to propose improvements to heat storage means in general, and in particular in a use in the AACAES approach.
  • the main idea is therefore to propose means for storing the heat of a gas, especially compressed air in the case of energy storage.
  • the main object is to minimize the energy losses during storage under pressure of air, and maximize the level of temperature achievable during the return of heat to the air during its decompression before passage in turbines.
  • the present invention relates to a system for storing and recovering energy by compressed air.
  • the system comprises a reservoir containing a volume of particles formed from at least said solid material, said reservoir being subjected to an internal circulation of air between an inlet pipe and a discharge pipe, said circulation being determined so that the particles are in a fluidized bed, the hot air leaving a compressor passing through a reservoir so as to store the heat, the pressurized air being stored in an enclosure, and the air stored in pressure passing through said reservoir so as to absorb heat before being introduced into a turbine.
  • said particles may comprise a metal envelope.
  • said particles may comprise phase change materials (PCM).
  • PCM phase change materials
  • said particles may have an average diameter of between 0.1 mm and 2 cm.
  • the traffic control means may comprise a gas flow regulator.
  • the staged compression means may comprise at least four compressors
  • the heat storage means may comprise at least three temperature levels
  • the expansion means may comprise at least four turbines .
  • FIG. 1 illustrates the principle of the fluidized or bubbling bed
  • FIG. 2 illustrates the block diagram of an AACAES system according to the invention
  • FIG. 3 shows an example of a cooling and heating temperature profile for three storage temperature levels, using at least one fluidized bed storage tank
  • FIGS. 4a and 4b illustrate an example of storage and retrieval of air with 4 compression stages, 4 expansion stages, and 3 levels of heat storage temperature, using at least one fluidized bed storage tank.
  • heat can be stored in latent or sensitive form. If we want to store heat at a temperature T S i and our source has a temperature ⁇ , the quantity of heat stored Q is:
  • d source temperature
  • m 'and Cp' are respectively the mass and heat capacity of the heat storage. It is clear that T eq is always clearly inferior to Tsi.
  • Latent heat is the heat of change of state of a body. For pure bodies, the change of state is done at constant pressure and temperature. Thus, when using phase change materials (PCM), storage and reheating are done at a constant temperature. Thus, the maximum reheating temperature is substantially the storage temperature.
  • PCM phase change materials
  • the heat storage system will be illustrated by its preferred implementation with the use of latent heat.
  • the use of sensible heat storage is possible but brings less benefit.
  • the technology proposed here allows efficient heat transfer and simple storage of this heat.
  • This technology is based on the well-known principle of fluidized beds.
  • a fluidized bed is used in particular to carry out chemical reactions.
  • the advantage of this concept lies in its ability to significantly increase the exchanges between the fluid (often gas) and solid phases. If, in chemical reactions, it is matter exchange, heat exchanges are also greatly improved. In fact, in these two cases, the greater the exchange surface area, the more exchanges there will be, whether thermal or mass.
  • FIG. 1 illustrates the principle of the fluidized bed.
  • the bed is a set of particles (2) contained in a tank (1) which comprises a gas passage (3) for introducing the gas from below, and a gas evacuation passage (4) in the upper part of the tank.
  • a tank (1) which comprises a gas passage (3) for introducing the gas from below, and a gas evacuation passage (4) in the upper part of the tank.
  • the present invention is based on the determination of suitable particles:
  • the balls are contained in a "tank" allowing the passage of hot air, or cold, under pressure.
  • This tank can be of several shapes (cylindrical, silo-shaped ).
  • FIG. 2 schematically illustrates a system for storing energy in the form of compressed air.
  • the energy produced Em which is generally electrical, operates a compressor C, the hot compressed air is fed through a pipe 5 into the lower part of the tank LF in order to fluidize the bed of particles contained in this tank.
  • the heat exchange is done in the bubbling bed.
  • the cooled air exits the tank via a pipe 7 to be stored in an enclosure S.
  • the compressed air leaves the enclosure via a pipe 8 to fluidize the bed of particles of the tank LF to to absorb the heat.
  • the heated air exits through a pipe 9 to enter a turbine T which provides, usually by a generator, an electric energy Er.
  • PCM phase change material
  • the system is naturally bidirectional. To make it work in both directions, it is enough to bring in hot air that will come out cooled by a suitable pipe. Cold air can be brought in and heated out.
  • the "vats" or reservoirs containing the particles may be the very place where heat is stored, and only the flow of air is directed to the good vats depending on what is desired. Although more complex, these particles can also be used as a heat vector. In this case, the fluidized bed is moved by pipes to a remote storage location.
  • Fluidized beds present the risk of attrition, that is to say the degradation of particles.
  • the damaged balls will be replaced as and when.
  • the block diagram of a compressed air energy storage system shown in FIG. modified by multiplying the stages of compression and turbining, in which are interspersed reservoirs for heat exchange storage or return of heat, at least one of these tanks being type LF.
  • FIGS. 4a and 4b show an example of a compressed air heat storage system comprising four compression stages, four stages of energy recovery turbines, each compression and turbination stage comprising three reservoirs characterized by three different temperatures, one of these tanks being a LF type tank.
  • Figure 4a illustrates how, from left (low pressure) to right (high pressure), the air passes successively through four compressors C1, C2, C3, C4 which increase the pressure, but also the temperature, each compression stage having three heat exchangers, at three different temperatures, one of these exchangers being a tank type LF.
  • staged compression system makes it possible to reduce the volumes of compressed air to be stored, and therefore to reduce the design constraints. Indeed, the increase in pressure makes it possible to increase the energy density. Therefore, the higher the pressure, the more energy there is in a kilogram of stored air and therefore the less air storage is required. Large pressures (over 100 bar) can then be reached by cooling the air during compression, such as via a stepped compression system. Indeed, in such a system, the air at ambient temperature and pressure enters a first compressor where it is compressed, and comes out with a higher pressure and a higher temperature. This air then goes into a system to lower its temperature, then enters a new compressor. Preferably, the number of compression stages is between 3 and 5.
  • the expansion phase is carried out symmetrically.
  • the expansion system and the compression system must have the same number of stages.
  • the air entering the turbine is at a temperature close to that at the compressor outlet.
  • the system making it possible to lower the air temperature during the compression phase must therefore store the heat and then return it to the air during the expansion phase, ensuring a temperature level close to that of the outlet temperature. compressor.
  • Figure 4b illustrates the release of compressed air by four turbines D1, D2, D3 and D4, from a storage S at 20 ° C and 80 bar.
  • the passages of the air in the heat storage elements allow the air to be heated to 1 10 ° C after each relaxation, and to obtain a final relaxation at 20 ° vs.
  • Figure 3 shows an example of a temperature profile for one of the compression / expansion stages of the compressed air heat storage system shown in Figures 4a and 4b.
  • the hot air (1 1) from one of the compressors, exchanges its heat with a first tank (A) at a given temperature level.
  • the cooled air (12) exchanges its heat with a new tank (B) at another temperature level.
  • the air (13) exchanges its heat with a last tank (C).
  • the air will follow the reverse path (14), (15) and (16) in order to recover the heat previously stored in the systems (A), (B ) and (C).
  • the LF type tank or tanks used in a stepped compression system as described in FIG. 4A are sized, among other things, as a function of the pressure of the air which passes through them.
  • Balls approximately 1 mm in diameter coated with a metallic skin are considered for two reasons: (1) the numerous shocks between particles must be resisted, avoiding as much as possible the attrition and therefore the formation of fines; (2) the heat transfer between the outside and the inside of the ball must be the best possible.
  • the filling height of the beds is calculated from the diameter and the quantity of MCP necessary to capture the available heat energy and the heat capacity of these materials (200 MJ / m3).
  • Table 1 Diameter of bubbling bed tanks according to pressure and temperature conditions, with an air flow of 10 kg / s
  • the invention proposes means making it possible to obtain high-efficiency heat transfers and at the same time to achieve heat storage at a temperature. constant.

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Abstract

L'invention concerne un système de stockage et d'échange thermique entre un gaz et un matériau solide, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir (LF) contenant un volume de particules formées à partir d'au moins le matériau solide, le réservoir étant soumis à une circulation interne du gaz entre une conduite d'entrée (5; 8) et une conduite d'évacuation (9; 7), la circulation étant déterminée pour que les particules soient en lit fluidisé.

Description

SYSTEME DE STOCKAGE DE CHALEUR PAR LIT FLUIDISE
Le domaine de la présente invention concerne des procédés de stockage d'énergie par air comprimé (CAES pour "Compressed Air Energy Storage"). D'une manière plus générale, il concerne des procédé et système pour optimiser la récupération d'énergie.
Dans ce système, l'énergie, pouvant provenir d'électricité, que l'on souhaite utiliser à un autre moment, peut être stockée sous forme d'air comprimé. L'électricité produite en excès alimente donc un ou plusieurs compresseurs dont le but est de comprimer une quantité d'air donnée. Cette compression d'air implique une augmentation de la température. La présente invention concerne plus particulièrement des moyens spécifiques pour le transfert et le stockage de la chaleur résultante.
Plusieurs variantes existent actuellement au système de stockage de l'énergie par air comprimé. On peut citer notamment :
• CAES (Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à température ambiante et la chaleur due à la compression est évacuée.
• ACAES (Adiabatic Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à la température due à la compression.
· AACAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à température ambiante et la chaleur due à la compression est également stockée dans un TES (Thermal Energy Storage).
Dans les procédés CAES, on n'utilise que l'énergie mécanique de l'air, c'est-à-dire qu'on rejette toute la chaleur produite lors de la compression. L'air est stocké typiquement à 8 MPa (80 bar) et à température ambiante. Ceci implique que, si on désire récupérer l'énergie par une détente, la décompression de l'air suivra à nouveau une courbe isentropique, mais cette fois à partir des conditions initiales de 8 MPa et 300 K. L'air se refroidit donc jusqu'à des températures non réalistes (83 K = -191 °C). Il est donc nécessaire de le réchauffer, ce qui se fait à l'aide d'un brûleur à gaz, ou autre carburant.
La présente invention a notamment pour objectif d'éviter de dépenser de la chaleur par combustion lors de la récupération de l'énergie. Ainsi, c'est le système AACAES qui est privilégié, mais l'objectif principal est de proposer des améliorations aux moyens de stockage de chaleur en général, et en particulier dans une utilisation dans l'approche AACAES.
Plus généralement, l'idée principale est donc de proposer des moyens de stockage de la chaleur d'un gaz, notamment de l'air comprimé dans le cas de stockage d'énergie. Dans ce cas, l'objet principal est de minimiser les pertes d'énergie lors du stockage sous pression de l'air, et de maximiser le niveau de température atteignable lors de la restitution de la chaleur à l'air lors de sa décompression avant passage dans des turbines.
Ainsi, la présente invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par air comprimé. Le système comporte un réservoir contenant un volume de particules formées à partir d'au moins ledit matériau solide, ledit réservoir étant soumis à une circulation interne de l'air entre une conduite d'entrée et une conduite d'évacuation, ladite circulation étant déterminée pour que les particules soient en lit fluidisé, l'air chaud en sortie d'un compresseur passant par un réservoir de manière à stocker la chaleur, l'air sous pression étant stocké dans une enceinte, et l'air stocké en pression passant par ledit réservoir de manière à absorber de la chaleur avant d'être introduit dans une turbine.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, lesdites particules peuvent comporter une enveloppe métallique.
Selon un autre mode de mise en œuvre de l'invention, lesdites particules peuvent comporter des matériaux à changement de phase (MCP). Avantageusement, lesdites particules peuvent avoir un diamètre moyen compris entre 0,1 mm et 2 cm.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, les moyens de contrôle de la circulation peuvent comporter un régulateur de débit de gaz.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, on peut disposer de plusieurs réservoirs, en série ou en parallèle par rapport à la circulation du gaz.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, on peut disposer de plusieurs moyens de compression étagée, plusieurs moyens de détente étagée pour la récupération de l'énergie, une pluralité de réservoirs en sortie de chaque étage de compression, lesdits réservoirs comportant plusieurs niveaux de température de stockage de la chaleur, au moins un desdits réservoirs contenant un volume de particules formées à partir dudit matériau solide, ledit réservoir étant soumis à une circulation interne de l'air entre une conduite d'entrée et une conduite d'évacuation, ladite circulation étant déterminée pour que lesdites particules soient en lit fluidisé. Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, les moyens de compression étagée peuvent comporter au moins quatre compresseurs, les moyens de stockage de chaleur peuvent comporter au moins trois niveaux de température, et les moyens de détente peuvent comporter au moins quatre turbines.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre le principe du lit fluidisé ou bouillonnant ;
la figure 2 illustre le schéma de principe d'un système AACAES selon l'invention ;
- la figure 3 montre un exemple de profil de température de refroidissement et réchauffage pour trois niveaux de température de stockage, utilisant au moins réservoir de stockage de type lit fluidisé ;
- les figures 4a et 4b illustrent un exemple de stockage et déstockage d'air avec 4 étages de compression, 4 étages de détente, et 3 niveaux de température de stockage de la chaleur, utilisant au moins réservoir de stockage de type lit fluidisé.
Il faut noter que la chaleur peut être stockée sous forme latente ou sensible. Si on souhaite stocker de la chaleur à une température TSi et que notre source a une température ΤΊ , la quantité de chaleur stockée Q est :
Q = m.CP{Tï -TSÏ )
où m et Cp sont respectivement la masse et la capacité thermique de la source. Pour de l'air, on a environ m.Cp = 1 kJ/°C.
Dans le cas de chaleur sensible, lorsqu'on réchauffe notre source avec la chaleur stockée, le niveau de température du stockage de chaleur baisse. La température maximale atteignable Teq est :
T = m'Cp'Tsi - mCPTcou
eq mCp + m'Cp'
avec TC0|d, température de la source, m' et Cp' sont respectivement la masse et la capacité thermique du stockage de chaleur. Il est clair que Teq est toujours clairement inférieur à Tsi . La chaleur latente est la chaleur de changement d'état d'un corps. Pour les corps purs, le changement d'état se fait à pression et température constante. Ainsi, lors de l'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP), le stockage et le réchauffage se font à température constante. Ainsi la température maximale de réchauffage est sensiblement la température de stockage.
Il apparaît donc que l'avantage majeur du stockage sous forme de chaleur latente est la plus grande quantité de chaleur qui peut être stockée par unité de volume (ou de masse). En effet, dans le cas de chaleur sensible (pour une hypothèse d'un cyclage en température de 10°C), on arrive à environ 20 MJ/m3, alors qu'en chaleur latente, on peut atteindre 200 MJ/m3.
Dans la description qui suit, on illustrera le système de stockage de la chaleur par sa mise en œuvre préférée avec l'utilisation de chaleur latente. L'utilisation de stockage de chaleur sensible est possible mais apporte moins d'avantage.
La technologie proposée ici permet de réaliser un transfert efficace de la chaleur et un stockage simple de cette même chaleur. Cette technologie repose sur le principe bien connu des lits fluidisés.
Un lit fluidisé est utilisé notamment pour réaliser des réactions chimiques. L'intérêt de ce concept réside dans sa capacité à augmenter considérablement les échanges entre les phases fluide (souvent gaz) et solide. Si, dans des réactions chimiques, il s'agit d'échange de matière, les échanges de chaleur sont également fortement améliorés. En effet dans ces deux cas, plus la surface d'échange est importante plus il y aura d'échanges, qu'ils soient thermique ou de masse.
La figure 1 illustre le principe du lit fluidisé. Le lit est un ensemble de particules (2) contenues dans une cuve (1 ) qui comporte un passage de gaz (3) pour introduire le gaz par le bas, et un passage d'évacuation (4) du gaz en partie supérieure de la cuve. Bien entendu, il est clair que les dispositions des moyens d'entrée et de sortie du gaz peuvent être tout autre, en fonction de la technologie et la forme de la cuve ou réservoir.
Plus le débit de gaz augmente, plus les billes seront « portées » par le courant de celui- ci. Dans un premier temps (b), le lit gonflera simplement, ensuite il deviendra fluidisé et finalement « bouillonnant » (c). C'est dans cette dernière configuration que les échanges thermiques sont les plus efficaces. Les conditions pour obtenir un lit bouillonnant sont basées sur la vitesse de gaz dans la cuve. La vitesse nécessaire peut être calculée à partir de corrélations qui prennent en compte la masse volumique des particules, leur taille, la densité et la viscosité du gaz.
La présente invention est fondée sur la détermination des particules adaptées :
· un matériau adapté au captage de la chaleur (sensible ou latente) dans la gamme de la température de stockage, ce matériau étant de préférence à changement de phase, mais pas exclusivement ; • une enveloppe des particules (par exemple métallique) adaptée à résister aux chocs,
• des dimensions de particules comprises entre quelques micromètres et quelques centimètres.
Dans le système selon l'invention, les billes sont contenues dans une "cuve" permettant le passage d'air chaud, ou froid, sous pression. Cette cuve peut être de plusieurs formes (cylindrique, en forme de silo...).
La figure 2 illustre dans son principe schématique un système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé. L'énergie produite Em, généralement électrique actionne un compresseur C, l'air comprimé chaud est amené par une conduite 5 dans la partie inférieure du réservoir LF pour fluidifier le lit de particules contenu dans ce réservoir. L'échange thermique se fait dans le lit bouillonnant. L'air refroidi sort du réservoir par une conduite 7 pour être stocké dans une enceinte S. Lors d'une étape de récupération, l'air comprimé sort de l'enceinte par une conduite 8 pour fluidifier le lit de particules du réservoir LF afin d'en absorber la chaleur. L'air réchauffé sort par une conduite 9 pour entrer dans une turbine T qui fournit, généralement par une génératrice, une énergie électrique Er.
Il faut noter que l'augmentation du nombre de billes permet d'augmenter la surface d'échange pour un volume de matériau à changement de phase (MCP) donné. Autrement dit, on pourra stocker la même quantité de chaleur, tout en ayant amélioré les échanges de chaleur.
Les avantages principaux sont :
• le système permet un accroissement de la surface d'échange et donc l'amélioration des transferts thermiques.
• Le système est naturellement bidirectionnel. Pour le faire fonctionner dans les deux sens, il suffit de faire entrer de l'air chaud qui sortira refroidi par une conduite adaptée. On peut faire entrer de l'air froid qui ressortira réchauffé. Les « cuves » ou réservoirs contenant les particules peuvent être le lieu même de stockage de la chaleur, et seul le courant d'air est dirigé vers les bonnes cuves en fonction de ce qu'on désire. Bien que plus complexe, on peut également utiliser ces particules comme vecteur de chaleur. Dans ce cas, le lit fluidisé est déplacé par des conduites vers un lieu de stockage distant.
Les lits fluidisés présentent le risque d'attrition, c'est-à-dire la dégradation des particules. Comme pour un catalyseur, les billes abîmées seront remplacées au fur et à mesure.
Selon un mode particulier de mise en œuvre de l'invention, le schéma de principe d'un système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé présenté en Figure 2 peut être modifié en multipliant les étages de compression et de turbinage, dans lesquels s'intercalent des réservoirs pour les échanges thermiques de stockage ou de restitution de la chaleur, au moins un de ces réservoirs étant de type LF.
Les Figures 4a et 4b présentent un exemple de système de stockage de chaleur par air comprimé comportant 4 étages de compression, quatre étages de turbines de récupération d'énergie, chaque étage de compression et de turbinage comportant trois réservoirs caractérisés par trois températures différente, l'un de ces réservoirs étant un réservoir de type LF.
Plus précisément, la Figure 4a illustre comment, de gauche (basse pression) à droite (haute pression), l'air traverse successivement quatre compresseurs C1 , C2, C3, C4 qui augmentent la pression, mais aussi la température, chaque étage de compression comportant trois échangeurs de chaleur, à trois températures différentes, l'un de ces échangeurs étant un réservoir de type LF.
L'intérêt d'un système de compression étagé permet de réduire les volumes d'air comprimé à stocker, et donc de réduire les contraintes de dimensionnement. En effet, la montée en pression permet d'augmenter la densité d'énergie. Par conséquent, plus la pression est importante, plus il y a d'énergie dans un kilogramme d'air stocké et donc, moins il est nécessaire de stocker d'air. Des pressions importantes (plus de 100 bars) peuvent être alors atteintes en refroidissant l'air pendant la compression, comme par exemple via un système de compression étagé. En effet, dans un tel système, l'air à température et pression ambiante entre dans un premier compresseur où il est comprimé, et en sort avec une pression et une température plus élevées. Cet air passe ensuite dans un système permettant d'abaisser sa température, puis entre dans un nouveau compresseur. Préférentiellement, le nombre d'étages de compression est compris entre 3 et 5.
Afin de récupérer de manière efficace la chaleur extraite de l'air lors du refroidissement de ce dernier durant la phase de compression, la phase de détente est réalisée de façon symétrique. Ceci signifie que le système de détente et le système de compression doivent avoir le même nombre d'étages. Préférentiellement, l'air en entrée de turbine est à une température proche de celle en sortie de compresseur. Le système permettant d'abaisser la température de l'air durant la phase de compression doit donc stocker la chaleur, puis la restituer à l'air, lors de la phase de détente, en assurant un niveau de température proche de celui de sortie de compresseur.
La Figure 4b illustre le déstockage de l'air comprimé par quatre turbines D1 , D2, D3 et D4, à partir d'un stockage S à 20°C et 80 bars. Les passages de l'air dans les éléments de stockage de la chaleur, un de ces éléments étant de type LF, permettent de réchauffer l'air à 1 10°C après chacune des détentes, et d'obtenir une détente finale à 20°C. La Figure 3 montre un exemple de profil de température pour un des étages de compression/détente du système de stockage de chaleur par air comprimé présenté en Figures 4a et 4b. L'air chaud (1 1 ), issu d'un des compresseurs, échange sa chaleur avec un premier réservoir (A) à un niveau de température donné. Puis l'air refroidi (12) échange sa chaleur avec un nouveau réservoir (B) à un autre niveau de température. Et enfin, l'air (13) échange sa chaleur avec un dernier réservoir (C). Lors de la phase de détente, avant l'entrée dans une turbine, l'air va suivre le chemin inverse (14), (15) et (16) afin de récupérer la chaleur stockée préalablement dans les systèmes (A), (B) et (C).
Selon un mode de réalisation, le ou les réservoirs de type LF utilisés dans un système de compression étagée comme décrit en Figure 4A sont dimensionnés, entre autres, en fonction de la pression de l'air qui le ou les traverse.
Exemple de mise en œuvre d'ensemble
On considère des billes de 1 mm de diamètre environ revêtues d'une peau métallique pour deux raisons : (1 ) il faut résister aux nombreux chocs entre particules, en évitant autant que possible l'attrition et donc la formation de fines ; (2) il faut que le transfert thermique entre l'extérieur et l'intérieur de la bille soit le meilleur possible.
Dans les conditions préférentielles, on obtient une vitesse minimale de fluidisation de 23 cm/s. Si on considère un mini-CAES de 20MWh, le débit d'air nécessaire est de l'ordre de 10 kg/s. La conversion en débit (m3/s), et donc l'aire de la cuve, ou son diamètre, dépendront de la masse volumique et donc des conditions P (pression) et T (température) de l'air. A titre d'exemple, le tableau 1 ci-dessous fournit quelques estimations pour un débit total de 10 kg/s, et pour différents couples pression-température. A chaque étape représentée par une ligne du tableau, on stocke une quantité d'énergie supposée identique (1/12 des 20 MWh).
On note que, si pour certains cas le diamètre semble élevé, il est toujours possible d'utiliser plusieurs cuves de plus petite dimension disposées en parallèle. Si la hauteur parait parfois trop grande, on peut disposer plusieurs cuves en série. La hauteur de remplissage des lits se calcule à partir du diamètre et de la quantité de MCP nécessaire pour capter l'énergie calorifique disponible et de la capacité thermique de ces matériaux (200 MJ/m3).
La perte de charge ΔΡ dans ce type d'équipement est évaluée par la formule AP = pgh , avec comme masse volumique moyenne, environ la moitié de la masse volumique du matériau qui remplit le lit. Si l'on considère p =0,7 kg/m3, on obtient les résultats présentés dans la dernière colonne du tableau.
Ce tableau donne quelques ordres de grandeur nécessaires pour dimensionner le système de stockage. On remarque que, si la perte de charge est effectivement négligeable, la taille des équipements peut être relativement conséquente. Cependant, il ne faut pas oublier qu'il n'y a pas besoin d'autre lieu de stockage pour la chaleur, l'échangeur est aussi stockage. Dans les compartiments basse pression, le diamètre de la cuve est grand et la hauteur faible, car la masse volumique de l'air est telle que le débit doit être réparti sur une large surface pour entraîner les particules. Au contraire, lorsque la masse volumique est forte, à haute pression, le diamètre devient beaucoup plus raisonnable, mais à capacité de stockage équivalent, il faut que la hauteur du lit soit plus grande.
Figure imgf000010_0001
Tableau 1 : Diamètre des cuves de lit bouillonnant en fonction des conditions pression et température, avec un débit d'air de 10 kg/s
Dans le cas d'un système AACAES, ou plus généralement de récupération de chaleur d'un gaz, l'invention propose des moyens permettant d'obtenir des transferts thermiques à haute efficacité et de réaliser dans le même temps un stockage de chaleur à température constante.

Claims

REVENDICATIONS
Système de stockage et de récupération d'énergie par air comprimé, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir contenant un volume de particules formées à partir d'au moins un matériau solide, ledit réservoir étant soumis à une circulation interne de l'air entre une conduite d'entrée et une conduite d'évacuation, ladite circulation étant déterminée pour que les particules soient en lit fluidisé, et en ce que l'air chaud en sortie d'un compresseur passe par un réservoir de manière à stocker la chaleur, l'air sous pression étant stocké dans une enceinte, et en ce que l'air stocké en pression passe par ledit réservoir de manière à absorber de la chaleur avant d'être introduit dans une turbine.
Système selon la revendication 1 , dans lequel lesdites particules comportent une enveloppe métallique.
Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites particules comportent des matériaux à changement de phase (MCP).
Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites particules ont un diamètre moyen compris entre 0,1 mm et 2 cm.
Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des moyens de contrôle de la circulation comportent un régulateur de débit d'air.
Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on dispose de plusieurs réservoirs, en série ou en parallèle par rapport à la circulation de l'air.
Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on dispose de plusieurs moyens de compression étagée, plusieurs moyens de détente étagée pour la récupération de l'énergie, une pluralité de réservoirs en sortie de chaque étage de compression, lesdits réservoirs comportant plusieurs niveaux de température de stockage de la chaleur, au moins un desdits réservoirs contenant un volume de particules formées à partir dudit matériau solide, ledit réservoir étant soumis à une circulation interne de l'air entre une conduite d'entrée et une conduite d'évacuation, ladite circulation étant déterminée pour que lesdites particules soient en lit fluidisé.
8. Système selon la revendication 7, dans lequel les moyens de compression étagée comportent au moins quatre compresseurs, les moyens de stockage de chaleur comportent au moins trois niveaux de température, et les moyens de détente comportent au moins quatre turbines.
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