WO2016001001A1 - Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur par fluide caloporteur - Google Patents

Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur par fluide caloporteur Download PDF

Info

Publication number
WO2016001001A1
WO2016001001A1 PCT/EP2015/064000 EP2015064000W WO2016001001A1 WO 2016001001 A1 WO2016001001 A1 WO 2016001001A1 EP 2015064000 W EP2015064000 W EP 2015064000W WO 2016001001 A1 WO2016001001 A1 WO 2016001001A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
transfer fluid
heat transfer
heat
storage
compressed gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/064000
Other languages
English (en)
Inventor
Christophe POURIMA
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles filed Critical IFP Energies Nouvelles
Priority to US15/323,380 priority Critical patent/US10443953B2/en
Priority to EP15732583.8A priority patent/EP3164583A1/fr
Publication of WO2016001001A1 publication Critical patent/WO2016001001A1/fr

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0056—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using solid heat storage material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F28D20/023—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat the latent heat storage material being enclosed in granular particles or dispersed in a porous, fibrous or cellular structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0004—Particular heat storage apparatus
    • F28D2020/0021—Particular heat storage apparatus the heat storage material being enclosed in loose or stacked elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0082—Multiple tanks arrangements, e.g. adjacent tanks, tank in tank
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the field of the present invention relates to the storage of energy by compressed air (CAES Compressed Air Energy Storage).
  • CAES Compressed Air Energy Storage compressed air
  • AACAES Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage
  • CAES compressed air energy storage system
  • energy which is to be used at another time, is stored as compressed air.
  • energy especially electrical, drives air compressors, and for destocking, the compressed air drives turbines, which can be connected to an electric generator.
  • the efficiency of this solution is not optimal because part of the energy of the compressed air is in the form of heat which is not used.
  • the CAES processes only the mechanical energy of the air is used, that is to say that all the heat produced during the compression is rejected.
  • the efficiency of a CAES system is not optimal, because the system requires heating the stored air to achieve the relaxation of the air.
  • the air is stored at 8 MPa (80 bar) and at room temperature and if it is desired to recover the energy by a relaxation, the decompression of the air will again follow a isentropic curve, but this time from the initial storage conditions (about 8 MPa and 300 K).
  • the air cools down to unrealistic temperatures (83 K - 191 ° C). It is therefore necessary to heat it, which can be done using a gas burner, or other fuel.
  • AACAES Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage
  • air is stored at room temperature and heat due to compression
  • Thermal Energy Storage is also stored in a TES heat storage system.
  • Thermal Energy Storage The heat stored in the TES is used to heat the air before it is released.
  • Improvements to the AACAES systems have focused on the realization of the TES heat storage system by means of a fixed tank of storage material of the heat.
  • the patent application whose filing number is FR 13/61835 describes an AACAES system in which the heat storage system is made by a tank containing heat storage materials at different temperature levels.
  • it is necessary to manage the thermal gradient between two cycles, which makes the system complex.
  • patent application EP 2447501 describes an AACAES system in which oil, used as heat transfer fluid circulates in closed circuit to exchange heat with air.
  • patent applications EP 2530283 and WO 201 105341 1 describe a system AACAES system, in which the heat exchanges are carried out by a coolant circulating in a closed circuit, the closed circuit comprising a single heat transfer fluid reservoir.
  • the present invention relates to a system and a method AACAES in which the heat transfer fluid, which comprises beads of heat storage material, circulates between two tanks: a hot reservoir and a cold reservoir.
  • the heat transfer fluid which comprises beads of heat storage material
  • An installation with two heat transfer fluid reservoirs makes it possible to maintain the transfer potential between the coolant and the air.
  • the use of beads in the heat transfer fluid makes it possible to reduce the heat storage volume, because of the large storage capacity of such balls.
  • the invention relates to a system for storage and energy recovery by compressed gas comprising at least one gas compression means, means for storing said compressed gas, at least one expansion means for said compressed gas, exchange means heat between said compressed gas and a heat transfer fluid, means for storing said heat transfer fluid, said heat exchange means being arranged at the outlet of said gas compression means and / or at the inlet of said gas expansion means.
  • Said system comprises means for circulating said heat transfer fluid from a means storing said heat transfer fluid to another means for storing said heat transfer fluid through at least one heat exchange means and said heat transfer fluid comprises heat storage beads.
  • said heat storage beads have a diameter between
  • said beads are made of alumina, metal or by micro or nano capsules of phase change material, such as paraffins, metals or salts.
  • said beads resist temperatures between 20 and 700
  • said heat transfer fluid comprises oil, air, water, or molten salts.
  • said storage and energy recovery system comprises several stepped gas compression means, a plurality of stepped expansion means, and a heat exchange means arranged between each stage of said means for compression and / or said relaxation means.
  • said heat transfer fluid storage means comprise two storage flasks, said heat transfer fluid flowing from a first storage flask, to a second storage flask, through each heat exchange means.
  • said heat transfer fluid storage means comprise two storage flasks for each heat exchange means, said heat transfer fluid flowing from a first storage flask to a second storage flask through said heat exchange means.
  • the invention relates to a method for storing and recovering energy by compressed gas. For this process, the following steps are carried out:
  • the heat transfer fluid is circulated between storage means of said heat transfer fluid for at least one heat exchange with said gas and in that said heat transfer fluid comprises heat storage beads.
  • said heat storage beads have a diameter of between 10 nm and 50 mm.
  • said beads are made of metal aluminas or by micro or nanocapsules of phase change material, such as paraffins, metals or salts.
  • said beads resist temperatures between 20 and 700 ° C.
  • said heat transfer fluid may comprise oil, air, water, or molten salts.
  • the steps a) and b) and / or steps d) and e) are repeated.
  • all the heat exchanges are carried out by means of a heat transfer fluid circulating from a first heat transfer fluid storage tank (5, 6) to a second storage tank for the heat transfer fluid (6, 5).
  • each heat exchange is carried out separately by means of a coolant flowing from a first storage tank of said heat transfer fluid (5, 6) to a second storage tank of said heat transfer fluid (6, 5).
  • FIG. 1 illustrates a system for storage and energy recovery by compressed gas, according to a first embodiment of the invention, in energy storage operation.
  • FIG. 2 illustrates a system for storage and energy recovery by compressed gas, according to the first embodiment of the invention, in operation of restitution of the stored energy.
  • FIG. 3 illustrates a system for storage and energy recovery by compressed gas, according to a second embodiment of the invention, in energy storage operation. Detailed description of the invention
  • the present invention relates to a compressed gas energy storage and recovery system equipped with a heat storage means (AACAES).
  • AACAES heat storage means
  • At least one gas compression means (or compressor), preferably the system comprises a plurality of staged gas compression means, the gas compression means can be driven by a motor, in particular an electric motor,
  • the compressed gas storage means may be a reservoir, an underground cavity, or the like, ...
  • At least one gas expansion means (or expander) for relaxing the compressed gas and stored the system preferably comprises a plurality of gas expansion means staged, the gas expansion means can generate energy, including energy electric by means of a generator,
  • circuits for circulating the heat transfer fluid between the means for storing the heat transfer fluid via at least one heat exchange means are provided.
  • staged compression or expansion means are used when a plurality of compression or expansion means are successively mounted one after the other in series: the gas compressed or expanded at the outlet of the first compression or expansion means then goes into a second means of compression or relaxation and so on.
  • a compression or expansion stage is then called a compression or expansion means for the plurality of staged compression or expansion means.
  • a heat exchange means is disposed between each compression and / or expansion stage.
  • the number of compression stages and the number of expansion stages can be between 2 and 10, preferably between 3 and 5.
  • the number of compression stages is identical to the number of expansion stages.
  • the AACAES system according to the invention can contain a single compression means and a single means of relaxation.
  • the system according to the invention is suitable for any type of gas, especially for air.
  • the inlet air used for compression can be taken from the ambient air and the outlet air after the expansion can be released into the ambient air.
  • the system and the method are valid for any other gas.
  • the heat exchange means make it possible, during the storage of the compressed gas (compression), to recover a maximum of heat resulting from the compression of the gas leaving the compressors and to reduce the temperature of the gas before the following compression or before storage.
  • the compressed gas may pass from a temperature above 150 ° C, for example about 190 ° C to a temperature below 80 ° C, for example about 50 ° C.
  • the heat exchange means make it possible, during the restitution of the energy, to restore a maximum of stored heat by increasing the temperature of the gas before passing to the next expansion.
  • the gas may pass from a temperature below 80 ° C, for example about 50 ° C, to a temperature above 150 ° C, for example about 180 ° C.
  • the heat transfer fluid circulates between two heat transfer fluid storage means and passes through at least one heat exchange means.
  • the heat transfer fluid storage means comprise at least one hot coolant storage tank, called hot balloon and cold coolant tank, called cold balloon.
  • the hot balloon stores the heat from the heat exchange during compression and the cold balloon stores the heat transfer fluid cooled during expansion.
  • the coolant circulates from the cold cylinder, passes through at least one heat exchanger located at the outlet of a compression means for cooling the air, then is stored in the hot balloon.
  • the heat transfer fluid circulates from the hot flask, passes through at least one exchanger located at the inlet of an expansion means for heating the air, and is stored in the cold balloon.
  • hot and cold balloons have no direct connection; to pass from one to the other heat transfer fluid systematically passes through at least one means of heat exchange.
  • the inlet temperature of the heat transfer fluid loaded in balls is at the temperature of the outlet of the exchanger on the compressed air side and the outlet temperature of the coolant is at the temperature of the inlet of the exchanger on the compressed air side (compressor output).
  • the control of the compressor inlet temperature is ensured by controlling the flow of the coolant mixture.
  • system according to the invention provides a flexibility of operation.
  • the heat transfer fluid comprises heat storage beads.
  • the heat storage beads are small elements capable of storing and returning heat.
  • the heat storage beads have a large heat capacity and more specifically a high energy density (or storage capacity) expressed in MJ / m 3 .
  • the balls may be substantially spherical and have a diameter of a few tens of nanometers to a few tens of millimeters depending on their nature, preferably, the diameter of the balls is between 10 nm and 50 mm, in particular between 50 and 10 mm ⁇ .
  • the balls according to the invention are made of materials that can be used in temperature ranges between 20 ° C and 700 ° C.
  • the beads used can be made by aluminas or metal or by encapsulated phase change material (PCM) or not encapsulated in the operating temperature range.
  • PCM phase change material
  • salts for example NaCl, NaNO 3 , KNO 3 ,
  • metals for example magnesium, aluminum, copper, antimony, etc.
  • the heat storage beads can store a greater amount of heat than the fluid alone, therefore the necessary volume of coolant containing beads is less than the volume required for a conventional heat transfer fluid. Thus, it is possible to reduce the storage volumes of the TES.
  • the coolant can be of different natures: molten salts (for example
  • the choice of the nature of the coolant and the balls depends on the temperature range in which it will be used, which is directly related to the configuration of the compression (number of stages and compression ratio) and storage pressure.
  • compressed air from the TES.
  • the heat transfer fluid loaded with balls can be transferred from a cold storage tank to a hot storage tank via a pump.
  • the pump can also be used for suspending the balls in the balloons.
  • the heat transfer fluid loaded in beads can be transferred from the hot storage tank to the cold storage tank via a pump.
  • the pump can be the same as that used when storing compressed air.
  • the heat transfer fluid storage means comprise only two storage tanks: a hot flask and a cold flask.
  • the coolant circulates between these two flasks through all heat exchange means.
  • the AACAES system is a stepped system (with several compressions and / or detents)
  • the coolant flow is divided into parallel branches. Each parallel branch has a single heat exchanger with air. The direction of circulation of the coolant is the same in all branches. This embodiment makes it possible to limit the number of storage flasks of the heat transfer fluid to two.
  • FIG. 1 shows an AACAES system according to a non-limiting example of the first embodiment of the invention, for energy storage operation (i.e. by air compression).
  • the AACAES system according to the invention comprises four compression stages made by air compressors 2 which successively compress the air taken from the ambient air 1. Between each compression stage is disposed a heat exchanger 3, in which the compressed air and heated (by compression) is cooled by the coolant. At the outlet of the last compression stage, the compressed air is stored in a compressed air storage means 4.
  • the heat transfer fluid circulates from a cold storage tank 5 by means of a pump 7 to a hot storage tank 6 by passing through the four heat exchangers 3 by means of four parallel circuit branches.
  • FIG. 2 shows an AACAES system according to a nonlimiting example of the first embodiment of the invention, for the operation of restitution of the energy (ie by expansion of air).
  • the AACAES system according to the invention comprises four expansion stages carried out by expansion means 9 which successively relax the compressed air contained in the means for storing compressed air 4. Between each expansion stage 9 is disposed a heat exchanger 3, in which the air cooled by the trigger is heated by the heat transfer fluid. At the outlet of the last stage of relaxation, the relaxed air is released into the ambient environment.
  • the coolant flows from the hot storage tank 6 by means of a pump 8 to the cold storage tank 5 by passing through the four heat exchangers 3 to the means of four branches of circuit in parallel.
  • the hot storage tank contains the hot coolant that was used to cool the compressed air during compression.
  • the heat transfer fluid storage means comprise two heat transfer fluid storage flasks (a hot flask and a cold flask) for each compression or expansion stage.
  • the heat transfer fluid circulates between these two storage tanks passing through a single means of heat exchange (that of the stage considered).
  • This embodiment makes it possible to limit the size of the storage flasks of the coolant, since the volume of fluid to be stored is reduced because the heat transfer fluid passes only in a single heat exchanger.
  • the storage and energy recovery system comprises as many cold storage tanks and hot storage tanks as compression stages and relaxation.
  • FIG. 3 shows an AACAES system according to a nonlimiting example of the second embodiment of the invention, for the operation of storing energy (i.e. by compression of air).
  • the AACAES system according to the invention comprises four compression stages made by air compressors 2 which successively compress the air taken from the ambient air 1. Between each compression stage is disposed a heat exchanger 3, in which the compressed air and heated (by compression) is cooled by the coolant. At the outlet of the last compression stage, the compressed air is stored in a compressed air storage means 4.
  • the system comprises four cold balls 51, 52, 53, 54, four hot balloons 61, 62, 63, 64 and four pumps 71, 72, 73, 74.
  • the coolant flows from a cold storage tank 51, 52, 53, 54, to a hot storage tank 61, 62, 63, 64 through a single heat exchanger 3 by means of a pump 71, 72, 73, 74.
  • the AACAES system for the operation of restitution of the energy, ie by expansion of air (not represented), the AACAES system according to this second embodiment of the invention comprises four stages of relaxation realized by means of relaxation which successively relax the compressed air contained in the compressed air storage means. Between each expansion stage is disposed a heat exchanger in which the compressed air is heated by the coolant. At the outlet of the last stage of relaxation, the relaxed air is released into the ambient environment.
  • the system includes four cold storage tanks, four hot storage tanks and four pumps.
  • the heat transfer fluid flows from a hot flask to a cold flask through a single heat exchanger by means of a pump. Each hot flask contains the hot coolant that was used to cool the compressed air during compression.
  • the coolant can be used for two stages of compression or expansion.
  • the invention can therefore allow the crossing of temperatures at the level of interstage exchangers, in particular by means of a double-pipe exchanger, a spiral exchanger, and several exchangers in series.
  • the use of a heat transfer fluid charged with heat storage material also makes it possible to operate at different cycle times, that is to say that the AACAES system can continue to operate even if the storage cycle time air and air-off cycle time are different.
  • the system according to the invention allows flexibility and simplicity of operation; the regulation is done with the outlet temperature on the compressed air side, and the system requires a pump, two storage tanks and heat exchangers.
  • the present invention also relates to a method for storage and recovery by compressed gas, wherein the following steps are carried out:
  • a gas is compressed, in particular by means of an air compressor
  • the compressed gas is cooled by heat exchange with a coolant, in particular by means of a heat exchanger;
  • the compressed compressed gas is stored, in particular by a compressed gas storage means;
  • step b) the stored compressed gas is heated by heat exchange with the heat transfer fluid heated in step b);
  • the heated compressed gas is expanded to generate energy, for example by means of a turbine to generate electrical energy.
  • the coolant is circulated between storage means of the coolant for at least one heat exchange with the gas.
  • the heat transfer fluid comprises heat storage beads.
  • the method according to the invention can be implemented by the system according to the invention, in particular the coolant can be as described above.
  • the method comprises several successive compression steps, by means of air compressors placed in series.
  • the steps a) and b) are repeated for each compression step.
  • the method comprises several successive expansion steps, by means of expansion placed in series. In this case, steps d) and e) are repeated for each relaxation step.
  • steps d) and e) are repeated for each relaxation step.
  • the heat transfer fluid is circulated between two storage flasks (a cold flask and a hot flask), the heat-transfer fluid being used for all the stages of storage. heat exchange with the compressed gas.
  • the heat transfer fluid is distributed in parallel branches which each comprise a single heat exchanger.
  • the heat transfer fluid is circulated between two storage tanks (a cold balloon and a hot balloon), the coolant being used for a single step of heat exchange with the gas.
  • a heat transfer fluid is thus circulated in a closed circuit.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un système et un procédé AACAES dans lequel un fluide caloporteur permet le stockage de la chaleur. Le fluide caloporteur, qui comporte des billes de matériau de stockage de chaleur, circule entre deux réservoirs : un réservoir chaud (6) et un réservoir froid (5) et passe au travers d'au moins un échangeur de chaleur (3).

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE STOCKAGE ET DE RECUPERATION D'ENERGIE PAR GAZ COMPRIME AVEC STOCKAGE DE LA CHALEUR PAR FLUIDE CALOPORTEUR
Le domaine de la présente invention concerne le stockage d'énergie par air comprimé (CAES de l'anglais « Compressed Air Energy Storage »). En particulier, la présente invention concerne un système AACAES (de l'anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel est prévu le stockage de l'air et le stockage de la chaleur générée.
Dans un système de stockage d'énergie par air comprimé (CAES), l'énergie, que l'on souhaite utiliser à un autre moment, est stockée sous forme d'air comprimé. Pour le stockage, une énergie, notamment électrique, entraîne des compresseurs d'air, et pour le déstockage, l'air comprimé entraîne des turbines, qui peuvent être reliées à une génératrice électrique. Le rendement de cette solution n'est pas optimal car une partie de l'énergie de l'air comprimé se retrouve sous forme de chaleur qui n'est pas utilisée. En effet, 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. De plus, le rendement d'un système CAES n'est pas optimal, car le système nécessite de chauffer l'air stocké pour réaliser la détente de l'air. En effet, à titre d'exemple, si l'air est stocké à 8 MPa (80 bar) et à température ambiante et si l'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 stockage (environ 8 MPa et 300 K). L'air se refroidit donc jusqu'à des températures non réalistes (83 K soit - 191 °C). Il est donc nécessaire de le réchauffer, ce qui peut se faire à l'aide d'un brûleur à gaz, ou autre carburant.
Plusieurs variantes existent actuellement à ce système. On peut citer notamment les systèmes et procédés :
• ACAES (de l'anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à la température due à la compression. Toutefois, ce type de système nécessite un système de stockage spécifique volumineux et coûteux.
• AACAES (de l'anglais « 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 système de stockage de la chaleur TES (de l'anglais « Thermal Energy Storage »). La chaleur stockée dans le TES est utilisée pour chauffer l'air avant sa détente. Des perfectionnements des systèmes AACAES ont porté sur la réalisation du système de stockage de chaleur TES au moyen d'un réservoir fixe de matériau de stockage de la chaleur. Par exemple, la demande de brevet dont le numéro de dépôt est FR 13/61835 décrit un système AACAES dans lequel le système de stockage de chaleur est réalisé par un réservoir contenant des matériaux de stockage de chaleur à différents niveaux de température. Toutefois, pour ces systèmes de stockage de chaleur TES statique (sans mouvement du matériau de stockage de la chaleur), il est nécessaire de gérer le gradient thermique entre deux cycles, ce qui rend le système complexe.
D'autres solutions envisagées pour le système de stockage de chaleur TES est l'utilisation d'un fluide caloporteur permettant de stocker la chaleur issue de la compression pour la restituer à l'air avant la détente au moyen d'échangeurs de chaleur. Par exemple, la demande de brevet EP 2447501 décrit un système AACAES dans lequel de l'huile, utilisée en tant que fluide caloporteur, circule en circuit fermé pour échanger de la chaleur avec l'air. Par ailleurs, les demandes de brevet EP 2530283 et WO 201 105341 1 décrivent un système un système AACAES, dans lequel les échanges de chaleur sont réalisés par un fluide caloporteur circulant dans un circuit fermé, le circuit fermé comprenant un unique réservoir de fluide caloporteur.
Toutefois, les systèmes décrits dans ces demandes de brevet nécessitent des volumes de stockage importants à cause du fluide caloporteur utilisé, et/ou du fait que le fluide caloporteur soit stocké dans un unique réservoir et/ou à cause de l'agencement des circuits de circulation du fluide caloporteur.
Pour pallier ces inconvénient, la présente invention concerne un système et un procédé AACAES dans lequel le fluide caloporteur, qui comporte des billes de matériau de stockage de chaleur, circule entre deux réservoirs : un réservoir chaud et un réservoir froid. Une installation avec deux réservoirs de fluide caloporteur permet le maintien du potentiel de transfert entre le fluide caloporteur et l'air. L'utilisation de billes dans le fluide caloporteur permet de réduire le volume de stockage de la chaleur, du fait de la capacité de stockage importante de telles billes.
Le système et le procédé selon l'invention
L'invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, des moyens de stockage dudit gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé, des moyens d'échange de chaleur entre ledit gaz comprimé et un fluide caloporteur, des moyens de stockage dudit fluide caloporteur, lesdits moyens d'échange de chaleur étant disposés en sortie dudit moyen de compression de gaz et/ou en entrée dudit moyen de détente de gaz. Ledit système comporte des moyens de circulation dudit fluide caloporteur depuis un moyen de stockage dudit fluide caloporteur vers un autre moyen de stockage dudit fluide caloporteur au travers d'au moins un moyen d'échange de chaleur et ledit fluide caloporteur comporte des billes de stockage de chaleur. Selon l'invention, lesdites billes de stockage de chaleur ont un diamètre compris entre
10 nm et 50 mm.
Avantageusement, lesdites billes sont réalisées en alumine, en métal ou par des micro ou nano capsules de matériau à changement de phase, tels que des paraffines, des métaux ou des sels.
De préférence, lesdites billes résistent à des températures comprises entre 20 et 700
°C.
Selon un aspect de l'invention, ledit fluide caloporteur comporte de l'huile, de l'air, de l'eau, ou des sels fondus.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte plusieurs moyens de compression du gaz étagés, plusieurs moyens de détente étagés, et un moyen d'échange de chaleur disposé entre chaque étage desdits moyens de compression et/ou desdits moyens de détente.
Selon une première variante, lesdits moyens de stockage du fluide caloporteur comportent deux ballons de stockage, ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage, vers un deuxième ballon de stockage, au travers de chaque moyen d'échange de chaleur.
Alternativement, lesdits moyens de stockage du fluide caloporteur comportent deux ballons de stockage pour chaque moyen d'échange de chaleur, ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage vers un deuxième ballon de stockage au travers dudit moyen d'échange de chaleur.
En outre l'invention concerne un procédé de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé. Pour ce procédé, on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz ;
b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur avec un fluide caloporteur ; c) on stocke ledit gaz comprimé refroidi ;
d) on chauffe ledit gaz comprimé stocké par échange de chaleur avec ledit fluide caloporteur ; et
e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie,
On fait circuler ledit fluide caloporteur entre des moyens stockage dudit fluide caloporteur pour au moins un échange de chaleur avec ledit gaz et en ce que ledit fluide caloporteur comporte des billes de stockage de chaleur. De manière avantageuse, lesdites billes de stockage de chaleur ont un diamètre compris entre 10 nm et 50 mm.
Préférentiellement, lesdites billes sont réalisées en alumines en métaux ou par des micro ou nanocapsules de matériau à changement de phase, tels que des paraffines, des métaux ou des sels.
Selon une caractéristique de l'invention, lesdites billes résistent à des températures comprises entre 20 et 700 °C.
De plus, ledit fluide caloporteur peut comporter de l'huile, de l'air, de l'eau, ou des sels fondus.
Selon un aspect de l'invention, on réitère les étapes a) et b) et/ou les étapes d) et e).
Selon une variante, on réalise tous les échanges de chaleur au moyen d'un fluide caloporteur circulant d'un premier ballon de stockage du fluide caloporteur (5, 6) vers un deuxième ballon de stockage du fluide caloporteur (6, 5).
Alternativement, on réalise séparément chaque échange de chaleur au moyen d'un fluide caloporteur circulant d'un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur (5, 6) vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur (6, 5).
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 illustre un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, selon un premier mode de réalisation de l'invention, en fonctionnement de stockage d'énergie.
La figure 2 illustre un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, selon le premier mode de réalisation de l'invention, en fonctionnement de restitution de l'énergie stockée.
La figure 3 illustre un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, en fonctionnement de stockage d'énergie. Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé équipé d'un moyen de stockage de la chaleur (AACAES). Le système selon l'invention comporte :
- au moins un moyen de compression de gaz (ou compresseur), de préférence le système comporte plusieurs moyens de compression de gaz étagés, le moyen de compression de gaz peut être entraîné par un moteur, notamment un moteur électrique,
- au moins un moyen de stockage du gaz comprimé par le moyen de compression du gaz, le moyen de stockage du gaz comprimé peut être un réservoir, une cavité souterraine, ou équivalent,...
- au moins un moyen de détente du gaz (ou détendeur) permettant de détendre le gaz comprimé et stocké, le système comporte de préférence plusieurs moyens de détente de gaz étagés, le moyen de détente du gaz permet de générer une énergie, notamment une énergie électrique au moyen d'un générateur,
- au moins un moyen d'échange de chaleur, ou échangeur de chaleur, entre le gaz comprimé et un fluide caloporteur pour refroidir le gaz comprimé en sortie du moyen de compression de gaz et/ou pour chauffer le gaz comprimé en entrée du moyen de détente du gaz,
- des moyens de stockage du fluide caloporteur,
- des circuits de circulation du fluide caloporteur entre les moyens de stockage du fluide caloporteur en passant par au moins un moyen d'échange de chaleur.
On utilise les termes « de moyens de compression ou de détente étagés », lorsque une pluralité de moyens de compression ou détente sont montés successivement les uns après les autres en série : le gaz comprimé ou détendu en sortie du premier moyen de compression ou de détente passe ensuite dans un deuxième moyen de compression ou de détente et ainsi de suite. On appelle alors un étage de compression ou de détente, un moyen de compression ou de détente de la pluralité de moyens de compression ou de détente étagés. Avantageusement, lorsque le système comporte une pluralité d'étages de compression et/ou de détente, un moyen d'échange de chaleur est disposé entre chaque étage de compression et/ou de détente. Ainsi, l'air comprimé est refroidi entre chaque compression, ce qui permet d'optimiser le rendement de la compression suivante, et l'air détendu est chauffé entre chaque détente, ce qui permet d'optimiser le rendement de la détente suivante. Le nombre d'étages de compression et le nombre d'étages de détente peuvent être compris entre 2 et 10, de préférence entre 3 et 5. De préférence, le nombre d'étages de compression est identique au nombre d'étages de détente. Alternativement, le système AACAES selon l'invention peut contenir un seul moyen de compression et un seul moyen de détente.
Le système selon l'invention est adapté à tout type de gaz, notamment pour l'air. Dans ce cas, l'air en entrée utilisé pour la compression peut être prélevé de l'air ambiant et l'air en sortie après la détente peut être relâché dans l'air ambiant. Dans la suite de la description, seule la variante de réalisation avec de l'air comprimé sera décrite, toutefois, le système et le procédé sont valables pour tout autre gaz.
Les moyens d'échange de chaleur permettent, lors du stockage du gaz comprimé (compression), de récupérer un maximum de chaleur issue de la compression du gaz en sortie des compresseurs et de diminuer la température du gaz avant le passage à la compression suivante ou avant le stockage. Par exemple, le gaz comprimé peut passer d'une température supérieure à 150 °C, par exemple environ 190 °C à une température inférieure à 80 °C, par exemple environ 50 °C. Les moyens d'échange de chaleur permettent lors de la restitution de l'énergie de restituer un maximum de chaleur stockée en augmentant la température du gaz avant le passage à la détente suivante. Par exemple, le gaz peut passer d'une température inférieure à 80 °C, par exemple environ 50 °C, à une température supérieure à 150 °C, par exemple environ 180 °C.
Selon l'invention, le fluide caloporteur circule entre deux moyens de stockage du fluide caloporteur et passe au travers d'au moins un moyen d'échange de chaleur. Ainsi, les moyens de stockage du fluide caloporteur comportent au moins un réservoir de stockage de fluide caloporteur chaud, appelé ballon chaud et réservoir de fluide caloporteur froid, appelé ballon froid. Le ballon chaud stocke la chaleur issue des échanges de chaleur lors de la compression et le ballon froid stocke le fluide caloporteur refroidi lors de la détente. Pour le refroidissement de l'air comprimé (stockage de l'énergie), le fluide caloporteur circule depuis le ballon froid, passe par au moins un échangeur de chaleur situé en sortie d'un moyen de compression pour le refroidissement de l'air, puis est stocké dans le ballon chaud. Pour le réchauffement de l'air (restitution de l'énergie), le fluide caloporteur circule depuis le ballon chaud, passe par au moins un échangeur situé en entrée d'un moyen de détente pour le chauffage de l'air, puis est stocké dans le ballon froid. Selon l'invention, les ballons chaud et froid n'ont pas de liaison directe ; pour passer de l'un à l'autre le fluide caloporteur passe systématiquement par au moins un moyen d'échange de chaleur.
Idéalement, lors du stockage de l'air comprimé, la température d'entrée du fluide caloporteur chargé en billes est à la température de la sortie de l'échangeur côté air comprimé et la température de sortie du fluide caloporteur est à la température de l'entrée de l'échangeur côté air comprimé (sortie compresseur). Cet agencement des moyens de stockage du fluide caloporteur avec un ballon froid et un ballon chaud permet un stockage séparé du fluide caloporteur froid et du fluide caloporteur chaud, ce qui permet un stockage efficace de l'énergie calorifique, avec un minimum de pertes.
Le contrôle de la température d'entrée compresseur est assuré par le contrôle du débit du mélange fluide caloporteur.
En outre, le système selon l'invention fournit une souplesse de fonctionnement.
Selon l'invention, le fluide caloporteur comporte des billes de stockage de la chaleur. Les billes de stockage de chaleur sont des éléments de petites dimensions aptes à emmagasiner et à restituer la chaleur. Les billes de stockage de la chaleur présentent une capacité calorifique importante et plus précisément une densité énergétique (ou capacité de stockage) importante exprimée en MJ/m3. Les billes peuvent être sensiblement sphériques et avoir un diamètre de quelques dizaines de nanomètre à quelques dizaines de millimètre en fonction de sa nature, de préférence, le diamètre des billes est compris entre 10 nm et 50 mm, en particulier entre 50 μηι et 10 mm. Les billes selon l'invention sont réalisées en matériaux pouvant être utilisés dans des plages de température comprises entre 20°C et 700°C. Les billes utilisées peuvent être réalisées par des alumines ou en métal ou par des matériaux à changement de phase encapsulés (PCM de l'anglais Phase Change Material) ou non encapsulés dans la plage de température opératoire. La nature des matériaux à changement de phase PCM peut être de différents types, parmi lesquels :
- les sels (avec une capacité de stockage comprise entre 300 à 1000 MJ/m3) : par exemple NaCI, NaN03, KN03,
- les métaux (avec une capacité de stockage comprise entre 100 à 2000 MJ/m3) : par exemple magnésium, aluminium , cuivre, antimoine,...
Les billes de stockage de chaleur permettent d'emmagasiner une quantité de chaleur plus importante que le fluide seul, par conséquent le volume nécessaire de fluide caloporteur contenant des billes est inférieur au volume nécessaire pour un fluide caloporteur classique. Ainsi, il est possible de réduire les volumes de stockage du TES.
Le fluide caloporteur peut être de différentes natures : sels fondus (par exemple
NaN02, NaN03, KN02...), huile, air, eau,... de façon à ce qu'il soit facile à mettre en œuvre d'un point de vue échange thermique et hydraulique en fonction du type de billes utilisées ainsi que du type d'échangeur installé.
Le choix de la nature du fluide caloporteur et des billes dépend du domaine de température dans lequel il va être utilisé, ce qui est directement lié à la configuration de la compression (nombre d'étages et taux de compression) et pression de stockage de l'air comprimé du TES. Lors du stockage de l'air comprimé, le fluide caloporteur chargé en billes peut être transféré d'un ballon de stockage froid vers un ballon de stockage chaud via une pompe. La pompe peut servir également à la mise en suspension des billes dans les ballons. Lors de la phase de restitution de l'énergie, le fluide caloporteur chargé en billes peut être transféré du ballon de stockage chaud vers le ballon de stockage froid via une pompe. La pompe peut être la même que celle utilisée lors du stockage de l'air comprimé.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de stockage du fluide caloporteur comportent uniquement deux ballons de stockage : un ballon chaud et un ballon froid. Le fluide caloporteur circule entre ces deux ballons en passant par tous les moyens d'échange de chaleur. Si le système AACAES est un système étagé (avec plusieurs compressions et/ou détentes), dans le circuit du fluide caloporteur, le flux du fluide caloporteur est divisé dans des branches parallèles. Chaque branche parallèle comporte un unique échangeur de chaleur avec l'air. Le sens de circulation du fluide caloporteur est le même dans toutes les branches. Ce mode de réalisation permet de limiter le nombre de ballons de stockage du fluide caloporteur à deux.
La figure 1 présente un système AACAES selon un exemple non limitatif du premier mode de réalisation de l'invention, pour le fonctionnement de stockage de l'énergie (i.e. par compression d'air). Tel qu'illustré, le système AACAES selon l'invention comporte quatre étages de compression réalisés par des compresseurs d'air 2 qui compriment successivement l'air prélevé de l'air ambiant 1 . Entre chaque étage de compression est disposé un échangeur de chaleur 3, au sein duquel l'air comprimé et chauffé (par la compression) est refroidi par le fluide caloporteur. En sortie du dernier étage de compression, l'air comprimé est stocké dans un moyen de stockage d'air comprimé 4. Pour le mode de fonctionnement en compression, le fluide caloporteur circule depuis un ballon de stockage froid 5 au moyen d'une pompe 7 vers un ballon de stockage chaud 6 en passant au travers des quatre échangeurs de chaleur 3 au moyen de quatre branches de circuit en parallèle.
La figure 2 présente un système AACAES selon un exemple non limitatif du premier mode de réalisation de l'invention, pour le fonctionnement de restitution de l'énergie (i.e. par détente d'air). Tel qu'illustré, le système AACAES selon l'invention comporte quatre étages de détente réalisés par des moyens de détente 9 qui détendent successivement l'air comprimé contenu dans le moyen de stockage de l'air comprimé 4. Entre chaque étage de détente 9 est disposé un échangeur de chaleur 3, au sein duquel l'air refroidi par la détente est chauffé par le fluide caloporteur. En sortie du dernier étage de détente, l'air détendu est libéré dans le milieu ambiant. Pour le mode de fonctionnement en détente, le fluide caloporteur circule depuis le ballon de stockage chaud 6 au moyen d'une pompe 8 vers le ballon de stockage froid 5 en passant au travers des quatre échangeurs de chaleur 3 au moyen de quatre branches de circuit en parallèle. Le ballon de stockage chaud contient le fluide caloporteur chaud qui a servi à refroidir l'air comprimé lors de la compression.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les moyens de stockage du fluide caloporteur comportent deux ballons de stockage du fluide caloporteur (un ballon chaud et un ballon froid) pour chaque étage de compression ou de détente. Le fluide caloporteur circule entre ces deux ballons de stockage en passant par un seul moyen d'échange de chaleur (celui de l'étage considéré). Ce mode de réalisation permet de limiter la taille des ballons de stockage du fluide caloporteur, car le volume de fluide à stocker est réduit du fait que le fluide caloporteur ne passe que dans un seul échangeur de chaleur. Dans le cas où le nombre d'étages de compression est identique au nombre d'étages de détente, le système de stockage et de récupération d'énergie comporte autant de ballons de stockage froid et de ballons de stockage chaud que d'étages de compression et de détente.
La figure 3 présente un système AACAES selon un exemple non limitatif du deuxième mode de réalisation de l'invention, pour le fonctionnement de stockage de l'énergie (i.e. par compression d'air). Tel qu'illustré, le système AACAES selon l'invention comporte quatre étages de compression réalisés par des compresseurs d'air 2 qui compriment successivement l'air prélevé de l'air ambiant 1 . Entre chaque étage de compression est disposé un échangeur de chaleur 3, au sein duquel l'air comprimé et chauffé (par la compression) est refroidi par le fluide caloporteur. En sortie du dernier étage de compression, l'air comprimé est stocké dans un moyen de stockage d'air comprimé 4. Le système comporte quatre ballons froids 51 , 52, 53, 54, quatre ballons chauds 61 , 62, 63, 64 et quatre pompes 71 , 72, 73, 74. Pour chaque étage, le fluide caloporteur circule depuis un ballon de stockage froid 51 , 52, 53, 54, vers un ballon de stockage chaud 61 , 62, 63, 64 en passant par un unique échangeur de chaleur 3 au moyen d'une pompe 71 , 72, 73, 74.
Pour le fonctionnement de restitution de l'énergie, i.e. par détente d'air (non représenté), le système AACAES selon ce deuxième mode de réalisation de l'invention comporte quatre étages de détente réalisés par des moyens de détente qui détendent successivement l'air comprimé contenu dans le moyen de stockage de l'air comprimé. Entre chaque étage de détente est disposé un échangeur de chaleur, au sein duquel l'air comprimé est chauffé par le fluide caloporteur. En sortie du dernier étage de détente, l'air détendu est libéré dans le milieu ambiant. Le système comporte quatre ballons de stockage froid, quatre ballons de stockage chaud et quatre pompes. Le fluide caloporteur circule depuis un ballon chaud vers un ballon froid en passant par un unique échangeur de chaleur au moyen d'une pompe. Chaque ballon chaud contient le fluide caloporteur chaud qui a servi à refroidir l'air comprimé lors de la compression. D'autres modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés, en particulier par combinaison des deux modes de réalisation précédemment décrits. Par exemple, le fluide caloporteur peut être utilisé pour deux étages de compression ou de détente. Ainsi, on peut limiter à la fois le nombre de ballons de stockage du fluide caloporteur et leurs dimensions.
L'invention peut donc permettre le croisement des températures au niveau des échangeurs inter-étages, au moyen notamment d'un échangeur double-pipe, un échangeur spiralé, de plusieurs échangeurs en série. L'utilisation d'un fluide caloporteur chargé en matériau de stockage de chaleur permet également de pouvoir opérer à des temps de cycles différents, c'est-à-dire que le système AACAES peut continuer à fonctionner même si le temps de cycle de stockage de l'air et le temps de cycle de déstockage de l'air sont différents. De plus, le système selon l'invention permet une flexibilité et une simplicité opératoire ; la régulation se fait avec la température de sortie côté air comprimé, et le système nécessite une pompe, deux ballons de stockage et des échangeurs de chaleur.
La présente invention concerne également un procédé de stockage et de récupération par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz, notamment au moyen d'un compresseur d'air ;
b) on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur avec un fluide caloporteur, en particulier au moyen d'un échangeur de chaleur ;
c) on stocke le gaz comprimé refroidi, notamment par un moyen de stockage de gaz comprimé ;
d) on chauffe le gaz comprimé stocké par échange de chaleur avec le fluide caloporteur chauffé lors de l'étape b) ; et
e) on détend le gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, par exemple au moyen d'une turbine pour générer une énergie électrique.
Selon l'invention, on fait circuler le fluide caloporteur entre des moyens stockage du fluide caloporteur pour au moins un échange de chaleur avec le gaz. En outre, le fluide caloporteur comporte des billes de stockage de chaleur.
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre par le système selon l'invention, en particulier le fluide caloporteur peut être tel que décrit précédemment.
Selon un aspect de l'invention, le procédé comporte plusieurs étapes de compression successives, au moyen de compresseurs d'air placés en série. Dans ce cas, on réitère les étapes a) et b) pour chaque étape de compression.
Selon une caractéristique de l'invention, le procédé comporte plusieurs étapes de détente successives, par des moyens de détente placés en série. Dans ce cas, on réitère les étapes d) et e) pour chaque étape de détente. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, illustré sur les figures 1 et 2, on fait circuler le fluide caloporteur entre deux ballons de stockage (un ballon froid et un ballon chaud), le fluide caloporteur étant utilisé pour toutes les étapes d'échange de chaleur avec le gaz comprimé. Le fluide caloporteur est distribué dans des branches parallèles qui comportent chacune un seul échangeur de chaleur.
Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 3, pour chaque étape d'échange de chaleur, on fait circuler le fluide caloporteur entre deux ballons de stockage (un ballon froid et un ballon chaud), le fluide caloporteur étant utilisé pour une seule étape d'échange de chaleur avec le gaz. Pour chaque étape de compression/détente, on fait donc circuler un fluide caloporteur dans un circuit fermé.

Claims

Revendications
1 ) Système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz (2), des moyens de stockage dudit gaz comprimé (4), au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé (9), des moyens d'échange de chaleur entre ledit gaz comprimé et un fluide caloporteur (3), des moyens de stockage dudit fluide caloporteur (5, 6), lesdits moyens d'échange de chaleur (3) étant disposés en sortie dudit moyen de compression de gaz (2) et/ou en entrée dudit moyen de détente de gaz (9), caractérisé en ce que ledit système comporte des moyens de circulation dudit fluide caloporteur depuis un moyen de stockage dudit fluide caloporteur (5, 6) vers un autre moyen de stockage dudit fluide caloporteur (6, 5) au travers d'au moins un moyen d'échange de chaleur (3) et en ce que ledit fluide caloporteur comporte des billes de stockage de chaleur.
2) Système selon la revendication 1 , dans lequel lesdites billes de stockage de chaleur ont un diamètre compris entre 10 nm et 50 mm.
3) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites billes sont réalisées en alumine, en métal ou par des micro ou nano capsules de matériau à changement de phase, tels que des paraffines, des métaux ou des sels.
4) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites billes résistent à des températures comprises entre 20 et 700 °C.
5) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide caloporteur comporte de l'huile, de l'air, de l'eau, ou des sels fondus.
6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte plusieurs moyens de compression du gaz (2) étagés, plusieurs moyens de détente (9) étagés, et un moyen d'échange de chaleur (3) disposé entre chaque étage desdits moyens de compression (2) et/ou desdits moyens de détente (9).
7) Système selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens de stockage du fluide caloporteur comportent deux ballons de stockage (5, 6), ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage (5, 6) vers un deuxième ballon de stockage (6, 5) au travers de chaque moyen d'échange de chaleur (3). 8) Système selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens de stockage du fluide caloporteur comportent deux ballons de stockage (51 , 52, 53, 54, 61 , 62, 63, 64) pour chaque moyen d'échange de chaleur (3), ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage (51 , 52, 53, 54, 61 , 62, 63, 64) vers un deuxième ballon de stockage (61 , 62, 63, 64, 51 , 52, 53, 54) au travers dudit moyen d'échange de chaleur (3).
9) Procédé de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz ;
b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur avec un fluide caloporteur ; c) on stocke ledit gaz comprimé refroidi ;
d) on chauffe ledit gaz comprimé stocké par échange de chaleur avec ledit fluide caloporteur ; et
e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie,
caractérisé en ce qu'on fait circuler ledit fluide caloporteur entre des moyens stockage (5, 6) dudit fluide caloporteur pour au moins un échange de chaleur avec ledit gaz et en ce que ledit fluide caloporteur comporte des billes de stockage de chaleur. 10) Procédé selon la revendication 9, dans lequel lesdites billes de stockage de chaleur ont un diamètre compris entre 10 nm et 50 mm.
1 1 ) Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel lesdites billes sont réalisées en alumines en métaux ou par des micro ou nanocapsules de matériau à changement de phase, tels que des paraffines, des métaux ou des sels.
12) Procédé selon l'une des revendications 9 à 1 1 , dans lequel lesdites billes résistent à des températures comprises entre 20 et 700 °C. 13) Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel ledit fluide caloporteur comporte de l'huile, de l'air, de l'eau, ou des sels fondus.
14) Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, dans lequel on réitère les étapes a) et b) et/ou les étapes d) et e). 15) Procédé selon la revendication 14, dans lequel on réalise tous les échanges de chaleur au moyen d'un fluide caloporteur circulant d'un premier ballon de stockage du fluide caloporteur (5, 6) vers un deuxième ballon de stockage du fluide caloporteur (6, 5). 16) Procédé selon la revendication 14, dans lequel on réalise séparément chaque échange de chaleur au moyen d'un fluide caloporteur circulant d'un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur (5, 6) vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur (6, 5).
PCT/EP2015/064000 2014-07-03 2015-06-22 Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur par fluide caloporteur WO2016001001A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/323,380 US10443953B2 (en) 2014-07-03 2015-06-22 Compressed gas energy storage and harvesting system and method with storage of the heat by heat transfer fluid
EP15732583.8A EP3164583A1 (fr) 2014-07-03 2015-06-22 Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur par fluide caloporteur

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1456350 2014-07-03
FR1456350A FR3023321B1 (fr) 2014-07-03 2014-07-03 Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur par fluide caloporteur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016001001A1 true WO2016001001A1 (fr) 2016-01-07

Family

ID=51610289

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/064000 WO2016001001A1 (fr) 2014-07-03 2015-06-22 Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur par fluide caloporteur

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10443953B2 (fr)
EP (1) EP3164583A1 (fr)
AP (1) AP2017009727A0 (fr)
FR (1) FR3023321B1 (fr)
WO (1) WO2016001001A1 (fr)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019011593A1 (fr) 2017-07-12 2019-01-17 IFP Energies Nouvelles Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur direct entre le gaz et un fluide
US11591957B2 (en) 2017-10-24 2023-02-28 Tes Caes Technology Limited Energy storage apparatus and method

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3055942B1 (fr) * 2016-09-13 2018-09-21 IFP Energies Nouvelles Systeme et procede de stockage et de restitution d'energie par gaz comprime, comportant une couche mixte de beton precontraint
MX2019008992A (es) 2017-02-01 2019-12-11 Hydrostor Inc Sistema de almacenamiento de energia de gas comprimido hidrostaticamente compensado.
EP4382735A3 (fr) 2017-03-09 2024-08-28 Hydrostor Inc. Appareil de stockage thermique pour système de stockage d'énergie à gaz comprimé
US10184465B2 (en) * 2017-05-02 2019-01-22 EnisEnerGen, LLC Green communities
AU2020209193A1 (en) 2019-01-15 2021-08-05 Hydrostor Inc. A compressed gas energy storage system
AU2019428468A1 (en) * 2019-02-08 2021-09-02 Hydrostor Inc. A compressed gas energy storage system
US11835023B2 (en) 2019-02-27 2023-12-05 Hydrostor Inc. Hydrostatically compensated caes system having an elevated compensation liquid reservoir
US20220117120A1 (en) * 2020-10-08 2022-04-14 Caeli, LLC Uninterruptible power and cooling for critical power applications
CN112539673B (zh) * 2020-12-02 2022-07-15 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 一种电-热-电储能系统及方法
US20220290818A1 (en) * 2021-03-09 2022-09-15 American Exchanger Services, Inc. Energy Storage Using Spherical Pressure Vessel Assembly

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1361835A (fr) 1962-07-10 1964-05-22 Toyo Rayon Co Ltd Procédé de production d'un filament de polyester très rétrécissable
EP0023866A2 (fr) * 1979-08-02 1981-02-11 COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE Etablissement de Caractère Scientifique Technique et Industriel Accumulateur thermique à chaleur latente de fusion et à contact direct
JPH0476203A (ja) * 1990-07-18 1992-03-11 Toshiba Corp エネルギーの利用方法および利用システム
WO2011053411A1 (fr) 2009-10-30 2011-05-05 General Electric Company Système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé adiabatique présentant un stockage d'énergie thermique liquide
GB2476489A (en) * 2009-12-23 2011-06-29 Global Power And Energy Ltd Compressed air energy storage (CAES) system with means to recycle thermal energy from compressed air
EP2447501A2 (fr) 2010-10-29 2012-05-02 Nuovo Pignone S.p.A. Systèmes et procédés de pré-chauffage d'air comprimé dans des systèmes avancés de stockage d'énergie à air comprimé adiabatique
EP2530283A1 (fr) 2011-05-31 2012-12-05 Ed. Züblin Ag Centrale d'accumulation d'air comprimé adiabatique
EP2594753A1 (fr) * 2011-11-21 2013-05-22 Siemens Aktiengesellschaft Système de stockage et de récupération d'énergie thermique comportant un agencement de stockage et un agencement de chargement/déchargement connecté via un échangeur thermique
US20130220306A1 (en) * 2010-09-03 2013-08-29 Technische Universitat Wien Heat storage system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8261552B2 (en) * 2007-01-25 2012-09-11 Dresser Rand Company Advanced adiabatic compressed air energy storage system
WO2012158781A2 (fr) * 2011-05-17 2012-11-22 Sustainx, Inc. Systèmes et procédés pour un transfert thermique biphasé efficace dans des systèmes de stockage d'énergie à air comprimé
US8522538B2 (en) * 2011-11-11 2013-09-03 General Compression, Inc. Systems and methods for compressing and/or expanding a gas utilizing a bi-directional piston and hydraulic actuator
FR3014182B1 (fr) 2013-11-29 2018-11-16 IFP Energies Nouvelles Systeme avance de stockage d'energie par air comprime

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1361835A (fr) 1962-07-10 1964-05-22 Toyo Rayon Co Ltd Procédé de production d'un filament de polyester très rétrécissable
EP0023866A2 (fr) * 1979-08-02 1981-02-11 COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE Etablissement de Caractère Scientifique Technique et Industriel Accumulateur thermique à chaleur latente de fusion et à contact direct
JPH0476203A (ja) * 1990-07-18 1992-03-11 Toshiba Corp エネルギーの利用方法および利用システム
WO2011053411A1 (fr) 2009-10-30 2011-05-05 General Electric Company Système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé adiabatique présentant un stockage d'énergie thermique liquide
GB2476489A (en) * 2009-12-23 2011-06-29 Global Power And Energy Ltd Compressed air energy storage (CAES) system with means to recycle thermal energy from compressed air
US20130220306A1 (en) * 2010-09-03 2013-08-29 Technische Universitat Wien Heat storage system
EP2447501A2 (fr) 2010-10-29 2012-05-02 Nuovo Pignone S.p.A. Systèmes et procédés de pré-chauffage d'air comprimé dans des systèmes avancés de stockage d'énergie à air comprimé adiabatique
EP2530283A1 (fr) 2011-05-31 2012-12-05 Ed. Züblin Ag Centrale d'accumulation d'air comprimé adiabatique
EP2594753A1 (fr) * 2011-11-21 2013-05-22 Siemens Aktiengesellschaft Système de stockage et de récupération d'énergie thermique comportant un agencement de stockage et un agencement de chargement/déchargement connecté via un échangeur thermique

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019011593A1 (fr) 2017-07-12 2019-01-17 IFP Energies Nouvelles Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur direct entre le gaz et un fluide
US11591957B2 (en) 2017-10-24 2023-02-28 Tes Caes Technology Limited Energy storage apparatus and method

Also Published As

Publication number Publication date
FR3023321B1 (fr) 2017-03-10
AP2017009727A0 (en) 2017-01-31
EP3164583A1 (fr) 2017-05-10
FR3023321A1 (fr) 2016-01-08
US20170138674A1 (en) 2017-05-18
US10443953B2 (en) 2019-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3164583A1 (fr) Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur par fluide caloporteur
EP3164584A1 (fr) Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec stockage de la chaleur au moyen d'un echangeur radial
EP3283734B1 (fr) Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par air comprime avec chauffage a volume constant
EP3417230B1 (fr) Systeme et procede de stockage et de restitution de la chaleur comprenant un lit de particules et des moyens de regulation thermique
EP3176529B1 (fr) Systeme et procede de stockage et de restitution d'energie par gaz comprime
EP3179189B1 (fr) Systeme et procede d'echange de chaleur a courant-croise entre un fluide et des particules de stockage de chaleur
FR3069019A1 (fr) Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur direct entre le gaz et un fluide
WO2015150104A1 (fr) Système de stockage de chaleur par lit fluidisé
WO2017194253A1 (fr) Dispositif et procede d'echange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de la chaleur a contre-courant
FR3014182A1 (fr) Systeme avance de stockage d'energie par air comprime
FR3044751A1 (fr) Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur radial
FR3074846A1 (fr) Procede de stockage et de production d'energie par air comprime avec recuperation d'energie supplementaire
KR20170093921A (ko) 가스 및 열을 임시로 저장하기 위한 디바이스 및 방법
WO2008037896A2 (fr) Module utilisable pour le stockage et le transfert thermique
EP3717854A1 (fr) Systeme et procede de stockage et de restitution de la chaleur avec collerette
OA18145A (en) System and method for storing and recovering energy by compressed gas with storage of heat by coolant
EP4168665B1 (fr) Dispositif thermoélectrique de stockage ou conversions énergétiques
FR3006007A1 (fr) Refroidisseur d'air de suralimentation et circuit d'air de suralimentation associe.
WO2020260155A1 (fr) Systeme et procede d'echange de chaleur a contre-courant entre un fluide et des particules de stockage de chaleur
EP3152510A1 (fr) Installation de conversion de chaleur en energie mecanique au refroidissement optimise par un systeme de recuperation et stockage d'une partie de l'energie thermique du fluide de travail
EP3943864A1 (fr) Procédé et système pour le stockage thermomécanique d'énergie
FR2989639A1 (fr) Circuit d'air comprime pour un vehicule comprenant un materiau a changement de phase
FR2966203A1 (fr) Dispositif thermodynamique de type stirling
FR3003601A1 (fr) Systeme mecanique de production et de stockage d'azote liquide et de production d'energie mecanique a partir dudit azote liquide.

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15732583

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015732583

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015732583

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15323380

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE