WO2019011593A1 - Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur direct entre le gaz et un fluide - Google Patents

Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur direct entre le gaz et un fluide Download PDF

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WO2019011593A1
WO2019011593A1 PCT/EP2018/066252 EP2018066252W WO2019011593A1 WO 2019011593 A1 WO2019011593 A1 WO 2019011593A1 EP 2018066252 W EP2018066252 W EP 2018066252W WO 2019011593 A1 WO2019011593 A1 WO 2019011593A1
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WO
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heat
gas
storage
transfer fluid
heat transfer
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/066252
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English (en)
Inventor
Martin GAINVILLE
Abdelkader LETTAT
Pascal Alix
Elena Sanz
Yacine HAROUN
David Teixeira
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to the field of storage and return of heat, in particular for the storage of heat in a system or method of AA-CAES type (English “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 yield of this solution is not optimal because a significant part of the energy of the compressed air is in the form of heat which is not used. Indeed, in the CAES processes, only the mechanical energy of the air is used and the heat of compression is lost. In addition, the efficiency of a CAES system decreases further, because then the system requires heating the stored air to achieve the expansion of the air.
  • ACAES Adiabatic Compressed Air Energy Storage
  • this type of system requires means of storage specific compressed gas, bulky and expensive (adiabatic storage).
  • ⁇ AA-CAES Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage
  • TES Thermal Energy Storage
  • the heat stored in the TES is used to heat the air before it is released.
  • the heat is stored in the storage system, either by means of solid particles or by means of a heat transfer fluid.
  • One of the design criteria for heat exchange, storage and return devices is their resistance to high pressures and high temperatures to contain compressed air, fluids, and possibly solids that can be used to store heat. This resistance to high pressures and high temperatures is generally achieved through significant thicknesses of the structural elements of these heat exchange and storage systems, which implies a high mass and high cost. These thicknesses, and therefore the cost of the system, are proportional to the volume of the exchange and storage device.
  • patent application EP 2447501 describes an AA-CAES 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 an AA-CAES 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 an AA-CAES system and method in which heat is exchanged between the gas and a heat transfer fluid in a heat exchange means comprising means for direct contact between the gas and the heat transfer medium.
  • heat transfer fluid preferably a contactor
  • the AA-CAES system and method further comprising means for storing heat.
  • the direct contact preferentially within the contactor
  • the heat exchanges are optimized, and a fortiori the recovery of energy.
  • the direct contact between the gas and the heat transfer fluid makes it possible to optimize heat exchange with a high energy recovery rate and heat storage conditions of the coolant at a temperature close to the temperature of the heat transfer fluid. hot air at the compressor outlet (s).
  • the invention makes it possible to reduce the cost of the AA-CAES system and process by separating the high pressure heat transfer capacities and storing the heat in the heat transfer fluid at atmospheric pressure or low pressure.
  • the invention relates to a system for storage and energy recovery by compressed gas comprising at least one means for compressing said gas, at least one means for storing said compressed gas, at least one means for expanding said compressed gas, at least one means for heat exchange between said compressed gas and a heat transfer fluid, means for storing heat, said heat exchange means being disposed at the outlet of said means for compressing said gas and / or at the input of said expansion means of said gas.
  • Said heat exchange means comprises means for direct contact with said gas and said heat transfer fluid.
  • said direct contact means of said gas and said heat transfer fluid comprise at least one contactor.
  • said contactor is a loose packing, a structured packing, a plate contactor, or a monolith packing.
  • said contactor is a bulk or structured packing or monoliths, and said contactor comprises at least one collecting tray / distributor for collecting and distributing said gas and heat transfer fluid on said bulk packing, structured or monoliths.
  • said gas and said coolant flow countercurrently in said direct contact means.
  • said direct contact means comprise means for bubbling said gas into the lower part of said heat exchange means.
  • said direct contact means comprise means for dispensing said heat transfer fluid into the upper part of said heat exchange means.
  • said storage and energy recovery system comprises a plurality of heat exchange means arranged in series according to the circulation of said gas.
  • said storage and energy recovery system comprises a plurality of heat exchange means arranged in parallel according to the circulation of said gas.
  • said heat transfer fluid comprises oil, water, a fluid comprising solid particles for storing heat, or molten salts.
  • said storage and energy recovery system comprises a plurality of stepped gas compression means, a plurality of stepped expansion means, and at least one heat exchange means arranged between at least two of said compression means and / or at least two of said detent means.
  • said heat storage means comprise two storage flasks of said heat transfer fluid, said coolant circulating from a first storage tank of said heat transfer fluid to a second storage tank of said heat transfer fluid through each heat exchange means .
  • said heat storage means comprise two storage flasks of said heat transfer fluid for each heat exchange means, said heat transfer fluid circulating from a first storage flask of said heat transfer fluid to a second storage flask of said heat transfer fluid through a single means of heat exchange.
  • said heat storage means comprise a single storage column comprising a bed of particles for storing heat.
  • the invention relates to a method for storing and recovering energy by compressed gas, in which the following steps are carried out:
  • heat is exchanged between the gas and said heat transfer fluid by direct exchange by means of a contactor.
  • the heat is exchanged by means of a contactor, in particular a loose packing, a structured packing, a monolithic packing or a plate contactor.
  • steps a) and b) and / or d) and e) are repeated.
  • all the exchanges are carried out by means of a coolant flowing from a first storage tank of said heat transfer fluid to a second storage tank of said heat transfer fluid.
  • each heat exchange is carried out separately by means of a coolant flowing from a first storage tank of said heat transfer fluid to a second storage tank of said heat transfer fluid.
  • said heat transfer fluid is stored in a single storage column comprising particles for storing heat.
  • the heat is exchanged between said gas and said heat transfer fluid by means of at least two heat exchange means arranged in series according to the circulation of said gas.
  • heat is exchanged between said gas and said heat transfer fluid by means of at least two heat exchange means arranged in parallel according to the circulation of said gas.
  • Figure 1 illustrates an AA-CAES system according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 illustrates a means of heat exchange according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 illustrates an AA-CAES system according to a second embodiment of the invention in the energy storage phase with independent TESs.
  • FIG. 4 illustrates an AA-CAES system according to a third embodiment of the invention in the energy storage phase with a pooling of the storage capacities of the heat transfer fluid of the TES.
  • FIG. 5 illustrates an AA-CAES system according to the third embodiment of the invention in the energy recovery phase with a pooling of the storage capacities of the heat transfer fluid of the TES.
  • FIGS. 6a and 6b illustrate an AA-CAES system according to a fourth embodiment of the invention, respectively in the energy storage phase and in the energy recovery phase, where the coolant is only the transfer vector of the energy transfer heat.
  • FIG. 7 illustrates a portion of an AA-CAES system according to an alternative embodiment of the invention in the energy recovery phase with two heat exchange means.
  • Figure 8 illustrates an AA-CAES system according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the present invention relates to a compressed gas storage and energy recovery system equipped with a heat storage means (for example AA-CAES type).
  • a heat storage means for example AA-CAES type.
  • the pressurized gas (often air) is stored cold.
  • the system according to the invention comprises:
  • gas compression means or compressor
  • staged gas compression means may be driven by a motor, in particular an electric motor;
  • the compressed gas storage means may be a natural reservoir (for example an underground cavity) or not.
  • the compressed gas storage means may be at the surface, in the basement or under water (sea, lake, ). In addition, it may be formed of a single volume or a plurality of volumes connected to each other or not. This volume can be maintained at constant pressure or not;
  • At least one gas expansion means (also called expansion valve or turbine), for relaxing the compressed gas and stored, and preferably multiple gas expansion means staged.
  • the means of expansion of the gas makes it possible to generate an energy, in particular an electric energy by means of a generator; at least one heat exchange means, or heat exchanger, between the compressed gas and a heat transfer fluid for cooling the compressed gas at the outlet of the gas compression means and / or for heating the compressed gas at the inlet of the means for gas expansion,
  • heat storage means for storing the heat from the compressed gas during the energy storage phase (following the heat exchange between the gas and the coolant), and allowing the restitution of the heat stored at the compressed gas during the phase of the restitution of energy.
  • the heat exchange means is an exchanger putting in direct contact the gas and the coolant with or without a contactor.
  • the direct contact means comprise a contactor.
  • a contactor is an element, or a set of elements having a specific geometric shape forming a high contact surface, on which fluids can exchange heat.
  • the packings used in particular in gas treatment, and in refining are contactors.
  • the contactor maximizes the contact area between the gas and the coolant.
  • the heat exchange is optimized, which increases the efficiency of the storage system and energy recovery.
  • the heat exchange means and the heat storage means are separate (separate).
  • the heat storage means do not need to withstand the high pressures of the compressed gas: only the heat exchange means is at high pressure, whereas the heat storage means can be at atmospheric pressure . This allows for a simpler design of the heat storage means, thus limiting the cost of the energy storage and recovery system.
  • stepped compression means are used when a plurality of compression means (respectively expansion means) are successively mounted one after the other in series: the compressed gas (respectively relaxed) at the output of the first compression means (respectively expansion) then passes in a second compression means (respectively 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 system for storing and recovering compressed gas energy (for example of the AA-CAES type) according to the invention may contain a single compression means and a single expansion means.
  • the compression means staggered or not, may be reversible, that is to say they can operate for both compression and relaxation.
  • the heat exchange means used between the compression stages may be those used between the expansion stages.
  • the system according to the invention is suitable for any type of gas, especially air.
  • the inlet air used for the compression can be taken from the ambient air, and the exit air after the expansion can be released into the ambient air.
  • the exit air after the expansion can be released into the ambient air.
  • the heat storage means make it possible, during the storage of the compressed gas
  • the compressed gas may be passed from a temperature above 150 ° C (e.g., about 190 ° C) to a temperature below 80 ° C (e.g., about 50 ° C).
  • the heat storage 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 (eg, about 50 ° C) to a temperature above 150 ° C (e.g., about 180 ° C).
  • FIG. 1 illustrates a nonlimiting exemplary embodiment of an AA-CAES system according to one embodiment of the invention.
  • the arrows in fine and continuous lines illustrate the flow of gas during the compression stages (energy storage), and the arrows in fine lines and dotted lines illustrate the flow of gas during the relaxation stages (restitution of energy). energy).
  • the arrows in thick and continuous lines illustrate the circulation of the coolant during the compression steps (energy storage), and the arrows in thick dashed lines illustrate the circulation of the heat transfer fluid during the relaxation steps (restitution of energy).
  • the circulation means of the hydraulic fluid for example a pump
  • pressure regulation for example a turbine or a valve
  • This figure illustrates a stage of an AA-CAES system with a compression means 12, an expansion means 14 and a heat exchange system 1.
  • the gas is sent to another compression stage or a storage tank 13 depending on the position of the stage in the AA-CAES system.
  • the heat exchange system 1 is interposed between the compression / expansion stage 12 or 14 and the other stage or the storage tank 13.
  • the system comprises two heat storage tanks 2 and 3 which store the coolant.
  • the storage tank 3 is a "cold” storage tank, while the storage tank 2 is a “hot” storage tank.
  • the air is first compressed in the compressor 12, then cooled in the heat exchange system 1.
  • the compressed and cooled gas is sent to the next compression stage or the reservoir 13.
  • the cold heat transfer fluid stored in the cold storage tank 3 circulates towards the hot storage tank 2 by passing through the heating medium. heat exchange 1.
  • the gas cools and the coolant heats up.
  • the incoming compressed gas is heated in the heat exchange system 1.
  • the gas passes through one or more expansion stages 14 (a stage according to the example illustrated in FIG. 1).
  • the hot heat transfer fluid stored in the hot storage tank 2 circulates towards the cold storage tank 3 while passing through the heat exchange means 1.
  • the coolant cools and the gas is heated.
  • the system according to the invention is not limited to the example of FIG.
  • Other configurations may be envisaged: a different number of compression and / or expansion stages, the use of reversible means ensuring compression and relaxation, etc.
  • the coolant is preferably a liquid, in order to promote exchanges in the contactor, and may be chosen especially from oil (synthetic oils, silicone), water, molten salts (for example NaNO 2 , NaN0 3 , KNO 2 ...) ionic liquids, liquid coolant mixtures and nanoparticles.
  • the heat exchanger between the gas and the coolant can be in the form of a column.
  • the column may have a substantially constant section, or variable section.
  • the variable section of the column ensures optimum hydraulic speed and wetting.
  • the contactor can be chosen from:
  • a loose packing called loose packing, random anarchic stacks, unitary elements having particular shapes, for example rings, spirals ... Heat exchanges and / or material are realized on the surface of these unitary elements.
  • These unitary elements may be metal, ceramic, plastic or similar materials.
  • Patent applications EP 1478457 and WO 2008/067031 describe two examples of unitary element of loose packing.
  • structured packing an assembly of tubes, plates, sheets folded or corrugated (corrugated, that is to say substantially corrugated with right angles), and arranged organized way in the form of large blocks as described in particular in patent applications FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3,679,537, US
  • a plate contactor is called a plate contactor, a set of perforated horizontal trays located one above the other, and which allows an exchange of heat and / or material between the gas (which passes through the trays, for example via valves) and the liquid in a liquid guard formed above the trays, an example of such a contactor is described in particular in the patent application FR2909894 (US 8128072), or
  • a monolithic packing called monolithic packing a set of juxtaposed channels, an example of such a contactor is described in particular in the patent application FR2983737.
  • the contactor is structured packing to maximize the heat exchange between the gas and the coolant.
  • structured packing is particularly suitable with respect to a column with perforated trays, because it promotes an exchange surface and a residence time of the fluids (gas and heat transfer fluid) considerably increased hence a heat exchange coefficient overall high.
  • the contactor in the case where the contactor is a packing (bulk, structured, or monoliths), the contactor may comprise at least one distributor plate and / or collector to collect and distribute the gas and the heat transfer fluid on the packing (bulk, structured, or monoliths).
  • the fluids (gas and heat transfer fluid) can be better distributed within the contactor, promoting heat exchange, and therefore the efficiency of the AA-CAES system and process.
  • the contactor may be formed of several packing beds, between which are arranged collector / distributor trays.
  • the dimensioning of the exchanger is carried out according to the configuration of the AA-CAES system and the operating conditions, such as the cycle time, the temperature and pressure levels, the power at the load and at the discharge.
  • the charge phase is the storage phase of the energy, and the energy recovery phase is called discharge.
  • y (m 3 / m 2 / h) generally between 5 and 150, with Q L the flow of the liquid, and S the surface of the column, and
  • the sizing of the column can be achieved by changing the type of contactor and / or the diameter and height of the column.
  • the injection flow rate of the heat transfer fluid can be regulated to capture the energy of the gas (or return the energy to the gas) by assuming that the gas exits at the inlet temperature of the coolant and the heat transfer fluid leaves at the inlet temperature of the gas, which corresponds to an ideal operation with zero nip in and out (the nip corresponds to the temperature difference between the two fluids) of a steady-state heat exchanger.
  • This ideal operation can be considered because the clamping of the exchangers by direct contact with a contactor is weak.
  • the heat of the gas is recovered by the coolant which is itself stored at high temperature to warm the gas before the relaxation and thus maximize the cycle efficiency.
  • the gas and the coolant can circulate countercurrently in the direct contact means.
  • the gas may have an upward movement
  • the heat transfer fluid may have a downward movement.
  • the gas and the coolant can flow in the direct contact means co-current or cross-current.
  • the heat exchange means may comprise means for bubbling the gas into the bottom of the exchanger (in the lower part of the exchanger).
  • the heat exchange means may comprise means for bubbling the gas into the bottom of the exchanger (in the lower part of the exchanger).
  • the heat exchange means may comprise a distribution means (also called spray zone) at the top of the exchanger (in the upper part of the exchanger).
  • a distribution means also called spray zone
  • FIG. 2 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, a heat exchange means 1 according to one embodiment of the invention.
  • the arrows in fine lines illustrate the flow of gas
  • the arrows in thick lines illustrate the circulation of the coolant.
  • the exchanger 1 is a substantially vertical column, in which the gas and the coolant circulate in countercurrent.
  • the exchanger comprises a gas inlet at the bottom of the column, and an outlet of the gas at the top of the column, as well as an inlet for the coolant at the top of the column and an outlet for the coolant at the bottom of the column.
  • the exchanger 1 comprises a contactor 4, in particular one or more packings, for example a structured packing, in which the coolant and the gas exchange the heat directly.
  • the exchanger 1 further comprises a liquid distributor (spray zone) 5 located at the top of the column to distribute the liquid on the contactor 4.
  • the exchanger 1 comprises bubbling means 6 at the bottom of the column to optimize the gas distribution on the contactor 4.
  • it can also be provided a vacuum zone between the bubbling means 6 and the contactor 4.
  • the heat transfer fluid circulates between two heat transfer fluid storage means and passes through at least one heat exchange means.
  • the means for storing the heat transfer fluid comprise at least one hot coolant storage tank, called a hot flask and reservoir. cold coolant, called cold balloon.
  • the hot balloon stores the heat resulting from the heat exchange during compression, and the cold balloon stores the cooled heat transfer fluid upstream of the trigger.
  • 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 heat transfer fluid inlet temperature is substantially at the temperature of the outlet of the compressed air side heat exchanger and the heat transfer fluid outlet temperature is substantially at the temperature of the inlet of the exchanger on the compressed air side (compressor output).
  • This arrangement of the means for storing the heat transfer fluid with a cold flask and a hot flask allows separate storage of the cold heat transfer fluid and the hot heat transfer fluid, which allows efficient storage of the heat energy, with a minimum of losses.
  • the control of the inlet temperature of the compressors can be ensured by the control of the flow of the coolant.
  • the system according to this embodiment of the invention provides a flexibility of operation.
  • the heat 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.
  • this embodiment makes it possible to store the heat at different thermal levels if necessary.
  • the storage and energy recovery system has as many cold storage balloons and hot storage balloons as compression and relaxation stages.
  • FIG. 3 schematically shows an AA-CAES system according to a nonlimiting example of the first embodiment of the invention, for the storage operation of energy (ie by compression of the gas).
  • the AA-CAES system according to the invention comprises four compression stages made by air compressors 12 which successively compress the air taken from the ambient air. Between each compression stage is disposed a heat exchanger 1, 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 13.
  • the system comprises four cold balloons 3, four hot balloons 2 and four pumps 7.
  • the coolant circulates from a cold storage tank 3, to a hot storage tank 2 through a single direct heat exchanger 1 by means of a pump 7.
  • the coolant circulates through a valve 10 to regulate the flow of the coolant.
  • the AA-CAES system For the operation of restitution of the energy, ie by expansion of air (not shown), the AA-CAES system according to this second embodiment of the invention comprises four stages of relaxation carried out by relaxation means which successively relax 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.
  • the coolant flows through a valve to regulate the flow of heat transfer fluid.
  • each hot flask contains the hot coolant which was used to cool the compressed air during compression.
  • 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 AA-CAES system is a staged 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. 4 shows an AA-CAES system according to a nonlimiting example of the second embodiment of the invention, for energy storage operation (ie by air compression).
  • the AA-CAES system according to the invention comprises four compression stages made by air compressors 12 which successively compress the air taken from the ambient air. Between each compression stage is disposed a heat exchanger 1, 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 13.
  • the heat transfer fluid circulates from a cold storage tank 3 by means of a pump 7 to a hot storage tank 2 passing through the four heat exchangers 1 by means of four parallel circuit branches.
  • the coolant circulates through a valve 10 to regulate the flow of heat transfer fluid in each circuit.
  • FIG. 5 shows an AA-CAES system according to a nonlimiting example of the second embodiment of the invention, for the operation of restitution of the energy (i.e. by expansion of air).
  • the AA-CAES system according to the invention comprises four expansion stages carried out by expansion means 14 which successively relax the compressed air contained in the means for storing compressed air 13. Between each stage of 14 is a heat exchanger 1, in which the air is heated by the heat transfer fluid before being relaxed. At the outlet of the last stage of relaxation, the relaxed air is released into the ambient environment.
  • the heat transfer fluid flows from the hot storage tank 6 by means of a pump 7 to the cold storage tank 5 by passing through the four heat exchangers 3 by means of four circuit branches. in parallel.
  • the hot storage tank 2 contains the hot heat transfer fluid which was used to cool the compressed air during compression.
  • the heat transfer fluid circulates through a valve 10 in order to regulate the flow of the heat transfer fluid in each circuit.
  • the system for storing and recovering energy by compressed gas may comprise a single means for storing heat.
  • This single heat storage means may comprise a fixed bed of heat storage particles (the heat storage particles are immobile or in a fluidized bed and remain in the storage column: the heat storage particles n do not exchange heat directly with the gas).
  • the heat transfer fluid exchanges heat in the contactor with the gas, and the heat transfer fluid exchanges this heat with the heat storage particles.
  • Heat storage particles are small elements able to store and restore heat.
  • the heat storage particles have a large heat capacity and more specifically a high energy density (or storage capacity) expressed in MJ / m 3 .
  • Heat storage particles may be substantially advantageously spherical and have a diameter of a few tens of nanometers to a few tens of millimeters depending on its nature, preferably the diameter of the heat storage particles is between 10 nm and 50 mm, in particular between 50 ⁇ and 10 mm.
  • the particles according to the invention are made of materials that can be used in temperature ranges between 20 ° C and 700 ° C.
  • the particles used can be made by alumina or concrete or metal or by encapsulated phase change materials (PCM) or not encapsulated in the operating temperature range.
  • PCM phase change materials can be of different types, among which:
  • salts for example NaCl, NaNO 3 ,
  • - metals for example magnesium, aluminum, copper, antimony, etc.
  • FIG. 6a illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, a portion of a system according to this third embodiment.
  • This figure corresponds to the storage phase of the energy (compression).
  • the compressed air flows through the compressor 12, passes through the heat exchanger 1 and then flows into a second compressor 12.
  • the gas exchanges heat with a fluid coolant, which circulates, by means of a pump 9, in a closed circuit from a storage tank 8 comprising a fixed bed of heat storage particles, through the exchanger 1, then returns to the other end of the storage tank 8, previously passing through a flow control valve 1 1.
  • the heat storage particles are hot: they store the heat.
  • FIG. 6b illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, a portion of a system according to this third embodiment.
  • This figure corresponds to the phase of restitution of the energy (relaxation).
  • the compressed gas storage means are not shown.
  • the compressed air circulates through the first expansion means 14, passes through the heat exchanger 1 and then flows into a second expansion means 14.
  • the gas exchange of the heat with a coolant which circulates, by means of a pump 9, in a closed circuit from a storage tank 8 comprising a fixed bed of heat storage particles, through the exchanger 1, then returns to the other end of the storage tank 8 by passing beforehand into a flow control valve 1 1.
  • each heat exchange means may comprise a plurality of heat exchangers arranged in parallel in the direction of circulation of the gas.
  • the gas is separated into several circuits which each comprise a heat exchanger with a coolant.
  • This configuration makes it possible to limit the dimensions of the heat exchange means.
  • this configuration makes it possible to have a more flexible heat exchange system, and heat exchanges better optimized at each phase. Indeed, the charge phase (energy storage) and discharge (energy restitution) can take place over very different time intervals that are generally long at the load and shorter at the discharge, this can generate significant variations of air flow in the exchangers.
  • a possible configuration for this embodiment is the use of a single heat exchanger for the load, and the use of several exchangers in parallel for the discharge as a function of the power to be restored.
  • each exchange means may have its own heat transfer fluid storage means.
  • the hot liquid of the first exchanger enters as cold liquid in the second and so on.
  • each heat exchange means in series can implement a different heat transfer fluid to adapt the heat exchange means to the temperatures involved.
  • FIG. 7 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, a portion of a system according to this mode. of realization. This figure corresponds to the phase of restitution of the energy (relaxation).
  • the compressed gas storage means are not shown, the heat exchange means comprise two exchangers 1 in parallel, and a hot balloon 2 and a balloon 3.
  • the compressed air circulates through the expansion means 14, the air is separated into two air circuits, each of the air circuits comprises a heat exchanger 1 in which an exchange of air heat is produced between the gas and the coolant.
  • the storage and recovery system of the energy comprises a hot balloon 2 for storing the coolant and a cold storage balloon 3 for the coolant.
  • the coolant circulates from the hot balloon 2 to the cold balloon 3, passing parallel through the two heat exchangers 1.
  • This embodiment can be combined with the first (two heat storage balloons for each exchanger), the second (two common heat storage balloons for all exchangers) or the third embodiment (a single column of heat storage comprising a fixed bed of heat storage particles).
  • each heat exchange means may comprise a plurality of heat exchangers arranged in series in the direction of circulation of the gas.
  • the gas passes consecutively through several heat exchangers.
  • each exchange means may have its own heat transfer fluid storage means.
  • the hot liquid of the first exchanger enters as cold liquid in the second and so on.
  • each heat exchange means in series can implement a different heat transfer fluid to adapt the heat exchange means to the temperatures involved.
  • each system can have different dimensions and different packings, to adapt the heat exchange means to the temperatures involved.
  • This embodiment can be combined with the first one (two heat storage balloons for each exchanger), the second (two heat storage balloons common for all exchangers) or the third embodiment (a single heat storage column comprising a fixed bed of heat storage particles).
  • the AA-CAES system according to the invention may have at least one of the following optional features:
  • the contactor may have a constant diameter or a variable diameter along the axis of the flow of the fluids
  • the packings may be different along the flow
  • a hydraulic turbine may be provided, this turbine may also make it possible to recover electricity, and
  • the heat transfer system is thermally insulated from the outside
  • 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 a compressor
  • the compressed gas is cooled by heat exchange with a heat transfer fluid;
  • the compressed compressed gas is stored, in particular by a compressed gas storage means, and the heat recovered by the heat transfer fluid is stored;
  • the heated compressed gas is expanded to generate energy, for example by means of a turbine to generate electrical energy.
  • the heat is exchanged (steps b) and d)) between the gas and the coolant by direct contact between the two fluids.
  • at least one contactor is used to maximize the contact area between the gas and the coolant.
  • the exchanged heat is stored.
  • This heat storage can consist of a storage of the heat transfer fluid from the heat exchange steps, or storage by means of heat storage particles.
  • This heat storage is distinct and independent of the storage of the compressed gas.
  • the heat exchange means and the heat storage means are separate (separate).
  • the means heat storage need not withstand the high pressures of the compressed gas: only the heat exchange means is at high pressure, while the heat storage means can be at atmospheric pressure. This allows a simpler design of the heat storage means, thus, the cost of the storage and energy recovery system is limited.
  • the method comprises several successive compression stages, by means of compressors placed in series, also called staged compressions.
  • the steps a) and b) are repeated for each compression stage.
  • the gas is compressed and then cooled several times before storage.
  • the method comprises several successive expansion steps, by means of expansion placed in series, also called stepped detents.
  • steps d) and e) are repeated for each expansion stage.
  • the gas is heated and then relaxed several times after storage.
  • Step a) concerns the compression of a gas, for example air. It can be in particular air taken from the ambient environment.
  • Step b) makes it possible to cool the compressed gas after each compression step, which makes it possible to optimize the efficiency of the following compression and / or energy storage.
  • the heat storage 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 next compression step 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.
  • Step c) can be carried out in a compressed gas storage means, which can be a natural reservoir or not (for example an underground cavity).
  • the compressed gas storage means can be on the surface, in the basement or under water (lake, sea, etc.). In addition, it may be formed of a single volume or a plurality of volumes connected to each other or not.
  • the means for storing the compressed gas are closed.
  • Step d) The compressed gas is stored until the moment when it is desired to recover the stored energy.
  • Step d) makes it possible to heat the compressed air before each relaxation, which makes it possible to optimize the performance of the following relaxation.
  • step d) it is possible to use the fluid or the heat storage particles which were used to cool during step b).
  • the means for storing the heat 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 trigger.
  • 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.
  • step e the compressed gas is expanded.
  • the expansion of the compressed gas makes it possible to generate an energy. This expansion can be achieved by means of a turbine which generates an electrical energy. If the gas is air, the expanded air can be vented to the environment.
  • the method according to the invention can be implemented by the system according to any one of the variants of the invention described above (alone or in combination).
  • the method according to the invention may in particular comprise a step of storing and / or restoring the heat comprising one or more of the following characteristics:
  • the contactor is loose packing, structured packing, monolithic packing, or plate contactor
  • the heat storage means comprise two heat storage flasks, and the heat transfer fluid is circulated from a first heat storage flask to a second heat storage flask, the heat exchange fluid exchanging the heat for the first heat storage flask.
  • the heat storage means comprise two heat storage flasks for each heat exchange means, and each heat exchange is carried out separately by means of a circulating heat transfer fluid of a first fluid storage tank. coolant, to a second heat transfer fluid storage tank (the heat transfer fluid is circulated in a single exchanger for a single step b) or d)),
  • the heat storage means may comprise a single column comprising particles for storing heat, and the heat transfer fluid is circulated from this column comprising particles through at least one heat exchanger (a step b) or d)) and the fluid returns to the column comprising the particles of the heat storage,
  • heat exchangers can be arranged in series, the gas then circulates consecutively in several heat exchangers,
  • heat exchangers can be arranged in parallel, the gas is then divided into two circuits, and in each circuit, the gas circulates in a heat exchanger.
  • the method and system according to the invention can be used for the storage of intermittent energy, such as wind, marine or solar energy or any form of renewable energy, in order to be able to restore this energy at the desired time.
  • the air returns warm to 200-250 ° C and emerges at 50-100 ° C inducing a density ratio of up to 1 .6 and therefore a significant reduction in the superficial velocity of the air between the bottom and the top of the column,
  • the air o in return of energy, the air returns warm at 50-100 ° C and emerges at 200-250 ° C inducing a density ratio up to 0.6, and therefore a significant increase in the superficial velocity of the air between the bottom and the top of the column,
  • the contactor allows a weak pinch which makes it possible to optimize the recovery of energy while maximizing the temperature of storage
  • thermocline type a compact volume significantly reducing the volume at high pressures compared to other TES such as sensible heat storage in enclosures containing solid particles, thermocline type.
  • thermocline type TES In the case of two separate heat storage balloons, better control of the compressor / turbine input temperature levels compared to a thermocline type TES.
  • the example of Figure 8 shows the integration of the invention in a multi-stage diagram (four stages) for storage operation (left part) and heat destocking (right part).
  • the AA-CAES system comprises four compressors 12, compressed gas storage means 13, four turbines 13 (expansion means).
  • the compressors are driven by M engines, and the turbines drive G generators.
  • the system includes four heat exchange and storage systems TES1 to TES4.
  • These systems TES1 to TES4 respectively comprise a direct contact exchanger and separate heat storage means. These systems may for example be in accordance with those illustrated in FIG. 3.
  • the heat exchangers may comprise a lining, for example a structured lining. This figure shows, for an example of operation, the air temperatures at the inlet and at the outlet of the heat exchangers.
  • the heat transfers between the air and the heat transfer fluid against the current thus allow the heat storage system to cool as low as possible (about 50 ° C) during storage and to heat up to the nearest compressor discharge (about 190 ° C in the example) during destocking.
  • the prior art often has static TES which store heat by thermal gradient (thermocline) or heat exchangers without specific mention.
  • the solution presented in this invention allows a better flexibility of operation between cycles (cycle time, start / end of storage or relaxation, ).
  • the example considers a storage of 50 MWh with a charging power of
  • the storage fluid considered here is a generic oil whose thermal properties are 2000 W / kg / K for the heat capacity and 850 kg / m 3 for the density. Under these conditions, the air flow is of the order of 50000 kg / h at compression and 125000 kg / h at the trigger.
  • the coolant flow rate for the last stage TES is 47 m 3 / h at compression and 1 17 m 3 / h at expansion with a required liquid storage capacity of 235 m 3 .
  • the yield of the AA-CAES system of the example can reach 70%, which is a high yield, without a high cost.

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Abstract

La présente invention concerne un système et un procédé AA-CAES dans lequel la chaleur est échangée entre le gaz et un fluide caloporteur dans un moyen d'échange de chaleur (1) comprenant des moyens pour un contact direct entre le gaz et le fluide caloporteur, de préférence un contacteur (4), le système et le procédé AA-CAES comprenant en outre des moyens de stockage de la chaleur (2, 3).

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE STOCKAGE ET DE RECUPERATION D'ENERGIE PAR GAZ COMPRIME AVEC ECHANGE DE CHALEUR DIRECT ENTRE LE GAZ ET UN FLUIDE
La présente invention concerne le domaine du stockage et de la restitution de chaleur, en particulier pour le stockage de la chaleur dans un système ou un procédé de type AA- CAES (de l'anglais « Advanced Adiabatic - Compressed Air Energy Storage »).
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 non négligeable 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 utilise uniquement l'énergie mécanique de l'air et la chaleur de compression est perdue. De plus, le rendement d'un système CAES diminue davantage, car ensuite le système nécessite de réchauffer l'air stocké pour réaliser la détente de l'air. En effet, 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 suit à nouveau une courbe isentropique, mais cette fois à partir des conditions initiales de stockage (environ 8 MPa et 300 K soit environ 27°C). L'air se refroidit donc jusqu'à des températures non admissibles pour les matériaux de la turbine (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 haute température à l'issue de la compression. Toutefois, ce type de système nécessite des moyens de stockage spécifique du gaz comprimé, volumineux et coûteux (stockage adiabatique).
· AA-CAES (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, séparément, 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. Selon certaines conceptions envisagées, la chaleur est stockée dans le système de stockage, soit au moyen de particules solides, soit au moyen d'un fluide caloporteur. Un des critères de conception des dispositifs d'échange, de stockage et de restitution de la chaleur est leur résistance aux hautes pressions et hautes températures pour contenir l'air comprimé, les fluides, et éventuellement les solides pouvant être utilisé pour stocker la chaleur. Cette résistance aux hautes pressions et aux hautes températures est en général réalisée grâce à des épaisseurs importantes des éléments de la structure de ces systèmes d'échange et de stockage de la chaleur, ce qui implique une masse élevée et un coût important. Ces épaisseurs, et donc le cout du système, sont proportionnelles au volume du dispositif d'échange et de stockage.
Des perfectionnements des systèmes AA-CAES 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 3014182 décrit un système AA-CAES 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 AA-CAES 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 AA-CAES, 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, les échanges de chaleur entre le gaz et le fluide caloporteur ne sont pas optimaux (sans un coût élevé du TES et avec une perte de charge importante), ce qui ne permet pas une maximisation de la température de stockage de la chaleur, et a fortiori une récupération optimale d'énergie.
Une autre solution envisagée et décrite dans la demande de brevet FR 3023321 (WO 2016/001001 ) concerne un système et un procédé AA-CAES 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. Cependant, la circulation de telles billes de stockage de chaleur nécessite une énergie importante, et des moyens complexes.
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne un système et un procédé AA-CAES dans lequel la chaleur est échangée entre le gaz et un fluide caloporteur dans un moyen d'échange de chaleur comprenant des moyens pour un contact direct entre le gaz et le fluide caloporteur, de préférence un contacteur, le système et le procédé AA- CAES comprenant en outre des moyens de stockage de la chaleur. Ainsi, grâce au contact direct (préférentiellement au sein du contacteur), les échanges thermiques sont optimisés, et a fortiori la récupération d'énergie. En effet, le contact direct entre le gaz et le fluide caloporteur permet d'optimiser les échanges thermiques avec un taux de récupération d'énergie important et des conditions de stockage de la chaleur du fluide caloporteur à une température proche de la température de l'air chaud en sortie du(es) compresseur(s). De plus, l'invention permet de réduire le coût du système et du procédé AA-CAES grâce à la séparation des capacités de transfert thermique à haute pression et de stockage de la chaleur dans le fluide caloporteur à pression atmosphérique ou basse pression. 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 dudit gaz, au moins un moyen de stockage dudit gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé, au moins un moyen d'échange de chaleur entre ledit gaz comprimé et un fluide caloporteur, des moyens de stockage de la chaleur, lesdits moyens d'échange de chaleur étant disposés en sortie dudit moyen de compression dudit gaz et/ou en entrée dudit moyen de détente dudit gaz. Ledit moyen d'échange de chaleur comporte des moyens de contact direct dudit gaz et dudit fluide caloporteur. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de contact direct dudit gaz et dudit fluide caloporteur comportent au moins un contacteur.
Avantageusement, ledit contacteur est un garnissage vrac, un garnissage structuré, un contacteur à plateaux, ou un garnissage monolithes.
De préférence, ledit contacteur est un garnissage vrac ou structuré ou monolithes, et ledit contacteur comprend au moins un plateau collecteur/distributeur pour collecter et distribuer ledit gaz et ledit fluide caloporteur sur ledit garnissage vrac, structuré ou monolithes.
Selon une mise en œuvre de l'invention, ledit gaz et ledit fluide caloporteur circulent à contre-courant dans lesdits moyens de contact direct.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de contact direct comprennent un moyen de bullage dudit gaz dans la partie inférieure dudit moyen d'échange de chaleur.
De manière avantageuse, lesdits moyens de contact direct comprennent un moyen de distribution dudit fluide caloporteur dans la partie supérieure dudit moyen d'échange de chaleur.
Conformément à une mise en œuvre, ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte une pluralité de moyens d'échange de chaleur agencés en série selon la circulation dudit gaz.
Selon une caractéristique, ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte une pluralité de moyens d'échange de chaleur agencés en parallèle selon la circulation dudit gaz.
Selon un aspect, ledit fluide caloporteur comporte de l'huile, de l'eau, un fluide comportant des particules solides de stockage de la chaleur, ou des sels fondus.
Selon un mode de réalisation, ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte plusieurs moyens de compression de gaz étagés, plusieurs moyens de détente étagés, et au moins un moyen d'échange de chaleur disposé entre au moins deux desdits moyens de compression et/ou au moins deux desdits moyens de détente.
Avantageusement, lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage dudit fluide caloporteur, ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur au travers de chaque moyen d'échange de chaleur.
En variante, lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage dudit fluide caloporteur pour chaque moyen d'échange de chaleur ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur au travers d'un unique moyen d'échange de chaleur.
Alternativement, lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent une unique colonne de stockage comportant un lit de particules de stockage de la chaleur.
En outre, l'invention concerne un 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 et on stocke séparément la chaleur ;
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 échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur par un échange direct.
Selon un mode de réalisation, on échange la chaleur entre le gaz et ledit fluide caloporteur par un échange direct au moyen d'un contacteur.
Avantageusement, on échange la chaleur au moyen d'un contacteur, en particulier un garnissage vrac, un garnissage structuré, d'un garnissage monolithe ou d'un contacteur par plateaux.
De préférence, on réitère les étapes a) et b) et/ou d) et e).
Conformément à une mise en œuvre, on réalise tous les échanges au moyen d'un fluide caloporteur circulant d'un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur.
Selon un aspect, on réalise séparément chaque échange de chaleur au moyen d'un fluide caloporteur circulant d'un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur.
Selon une caractéristique, on stocke ledit fluide caloporteur dans une unique colonne de stockage comportant des particules de stockage de la chaleur.
De manière avantageuse, on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur au moyen d'au moins deux moyens d'échange de chaleur agencés en série selon la circulation dudit gaz.
Selon un mode de réalisation, on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur au moyen d'au moins deux moyens d'échange de chaleur agencés en parallèle selon la circulation dudit gaz.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du système et 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 AA-CAES selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 illustre un moyen d'échange de chaleur selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 3 illustre un système AA-CAES selon un deuxième mode de réalisation de l'invention en phase de stockage d'énergie avec des TES indépendants.
La figure 4 illustre un système AA-CAES selon un troisième mode de réalisation de l'invention en phase de stockage d'énergie avec une mutualisation des capacités de stockage du fluide caloporteur des TES.
La figure 5 illustre un système AA-CAES selon le troisième mode de réalisation de l'invention en phase de récupération d'énergie avec une mutualisation des capacités de stockage du fluide caloporteur des TES.
Les figures 6a et 6b illustrent un système AA-CAES selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, respectivement en phase de stockage de l'énergie et en phase de récupération d'énergie où le fluide caloporteur est uniquement le vecteur de transfert de chaleur.
La figure 7 illustre une portion d'un système AA-CAES selon une variante de réalisation de l'invention en phase de récupération d'énergie avec deux moyens d'échange de chaleur.
La figure 8 illustre un système AA-CAES selon un exemple de réalisation de l'invention.
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 (par exemple du type AA- CAES). Dans cette mise en œuvre, le gaz sous pression (souvent de l'air) est stocké froid. Le système selon l'invention comporte :
- au moins un moyen de compression de gaz (ou compresseur), et de préférence 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 (appelé également réservoir) par le moyen de compression du gaz. Le moyen de stockage du gaz comprimé peut être un réservoir naturel (par exemple une cavité souterraine) ou non. Le moyen de stockage du gaz comprimé peut être en surface, en sous-sol ou sous l'eau (mer, lac, ...). De plus, il peut être formé d'un unique volume ou d'une pluralité de volumes connectés entre eux ou non. Ce volume peut être maintenu à pression constante ou non ;
- au moins un moyen de détente du gaz (appelé également détendeur ou turbine), permettant de détendre le gaz comprimé et stocké, et 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 de la chaleur, permettant le stockage de la chaleur issue du gaz comprimé lors de la phase de stockage d'énergie (suite à l'échange de chaleur entre le gaz et le fluide caloporteur), et permettant la restitution de la chaleur stockée au gaz comprimé lors de la phase de la restitution d'énergie.
Selon l'invention, le moyen d'échange de la chaleur est un échangeur mettant en contact direct le gaz et le fluide caloporteur avec présence ou non d'un contacteur. De préférence, les moyens de contact direct comprennent un contacteur. On appelle contacteur un élément, ou un ensemble d'éléments comportant une forme géométrique spécifique formant une surface de contact élevée, sur laquelle des fluides peuvent échanger de la chaleur. Par exemple, les garnissages utilisés notamment en traitement de gaz, et en raffinage sont des contacteurs. Le contacteur permet de maximiser la surface de contact entre le gaz et le fluide caloporteur. Ainsi, grâce à cette surface de contact importante et à ce contact direct, les échanges de chaleur sont optimisés, ce qui permet d'augmenter l'efficacité du système de stockage et de récupération d'énergie.
De plus, pour le système selon l'invention, les moyens d'échange de chaleur et les moyens de stockage de la chaleur sont distincts (séparés). Ainsi, les moyens de stockage de la chaleur n'ont pas besoin de résister aux pressions élevées du gaz comprimé : seul le moyen d'échange de chaleur est à haute pression, alors que le moyen de stockage de la chaleur peut être à pression atmosphérique. Ceci permet une conception plus simple des moyens de stockage de la chaleur, limitant ainsi, le coût du système de stockage et de récupération d'énergie.
On utilise les termes « moyens de compression étagés » (respectivement « moyens de détente étagés »), lorsque une pluralité de moyens de compression (respectivement de détente) sont montés successivement les uns après les autres en série : le gaz comprimé (respectivement détendu) en sortie du premier moyen de compression (respectivement de détente) passe ensuite dans un deuxième moyen de compression (respectivement 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, le gaz comprimé est refroidi entre chaque compression, ce qui permet d'optimiser le rendement de la compression suivante, et le gaz 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 de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé (par exemple de type AA-CAES) selon l'invention peut contenir un seul moyen de compression et un seul moyen de détente.
Selon une variante de réalisation de l'invention, les moyens de compression, étagés ou non, peuvent être réversibles, c'est-à-dire qu'ils peuvent fonctionner à la fois pour la compression et pour la détente. Ainsi, il est possible de limiter le nombre de dispositifs utilisés dans le système selon l'invention, ce qui permet un gain en poids et en volume du système selon l'invention.
Selon une variante de réalisation, les moyens d'échange de chaleur utilisés entre les étages de compression peuvent être ceux utilisés entre les étages de détente.
Le système selon l'invention est adapté à tout type de gaz, notamment 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, et son application AA-CAES seront décrites. Toutefois, le système et le procédé sont valables pour tout autre gaz.
Les moyens de stockage de la 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 du gaz comprimé. 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 de stockage de la 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).
Afin de permettre la circulation du fluide caloporteur, il peut être prévu au moins une pompe hydraulique. De plus, pour le passage du fluide caloporteur depuis l'échangeur à haute pression au moyen de stockage de la chaleur (à basse pression, par exemple la pression atmosphérique), il peut être prévu au moins une vanne de régulation ou une turbine hydraulique dans le circuit du fluide caloporteur. Si une turbine hydraulique est utilisée, cela permet de récupérer une énergie supplémentaire, notamment au moyen d'un générateur, cette énergie récupérée pouvant être réattribuée à la compression. La figure 1 illustre un exemple de réalisation non limitatif d'un système AA-CAES selon un mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure, les flèches en trait fin et continu illustrent la circulation du gaz lors des étapes de compression (stockage d'énergie), et les flèches en traits fins et pointillés illustrent la circulation du gaz lors des étapes de détente (restitution d'énergie). De plus, les flèches en trait épais et continu illustrent la circulation du fluide caloporteur lors des étapes de compression (stockage d'énergie), et les flèches en traits épais et pointillés illustrent la circulation du fluide caloporteur lors des étapes de détente (restitution de l'énergie). Sur cette figure, les moyens de circulation du fluide hydraulique (par exemple une pompe) et de régulation de la pression (par exemple une turbine ou une vanne) ne sont pas représentés. Cette figure illustre un étage d'un système AA-CAES avec un moyen de compression 12, un moyen de détente 14 et un système d'échange de chaleur de la chaleur 1 . Le gaz est envoyé vers un autre étage de compression ou un réservoir de stockage 13 en fonction du positionnement de l'étage dans le système AA-CAES. Le système d'échange de la chaleur 1 est intercalé entre l'étage de compression/détente 12 ou 14 et l'autre étage ou le réservoir de stockage 13. De plus, le système comprend deux ballons de stockage de la chaleur 2 et 3 qui stockent le fluide caloporteur. Le ballon de stockage 3 est un ballon de stockage « froid », alors que le ballon de stockage 2 est un ballon de stockage « chaud ». Classiquement, en phase de stockage d'énergie (compression du gaz), l'air est d'abord comprimé dans le compresseur 12, puis refroidi dans le système d'échange de chaleur 1 . Le gaz comprimé et refroidi est envoyé vers l'étage de compression suivant ou le réservoir 13. Pendant cette phase, le fluide caloporteur froid stocké dans le ballon de stockage froid 3 circule vers le ballon de stockage chaud 2 en passant au travers le moyen d'échange de chaleur 1 . Dans le moyen d'échange de chaleur 1 , le gaz se refroidit et le fluide caloporteur se réchauffe. Lors de la récupération de l'énergie (détente du gaz), le gaz comprimé entrant est chauffé dans le système d'échange de chaleur 1 . Ensuite, de manière classique, le gaz passe au travers d'un ou plusieurs étages de détente 14 (un étage selon l'exemple illustré en figure 1 ). Pendant cette phase, le fluide caloporteur chaud stocké dans le ballon de stockage chaud 2 circule vers le ballon de stockage froid 3 en passant au travers le moyen d'échange de chaleur 1 . Dans le moyen d'échange de chaleur 1 , le fluide caloporteur se refroidit et le gaz se réchauffe.
Le système selon l'invention n'est pas limité à l'exemple de la figure 1 . D'autres configurations peuvent être envisagées : un nombre différent d'étages de compression et/ou de détente, l'utilisation de moyens réversibles assurant la compression et la détente, etc.
Le fluide caloporteur est de préférence un liquide, afin de favoriser les échanges dans le contacteur, et peut être choisi notamment parmi l'huile (huiles synthétiques, huiles de silicone) , l'eau, des sels fondus (par exemple NaN02, NaN03, KN02...) des liquides ioniques, mélanges liquide caloporteur et nanoparticules.
L'échangeur de chaleur entre le gaz et le fluide caloporteur peut avoir la forme d'une colonne. La colonne peut avoir une section sensiblement constante, ou à section variable. La section variable de la colonne permet de garantir un régime hydraulique et un mouillage optimal.
Selon un mode de réalisation, le contacteur peut être choisi parmi :
- un garnissage vrac, on appelle garnissage vrac, des empilements anarchiques, aléatoires, d'éléments unitaires possédant des formes particulières, par exemple des anneaux, des spirales... Les échanges de chaleur et/ou de matière se réalisent à la surface de ces éléments unitaires. Ces éléments unitaires peuvent être en métal, en céramique, en plastique ou en matériaux analogues. Les demandes de brevet EP 1478457 et WO 2008/067031 décrivent deux exemples d'élément unitaire de garnissage vrac.
- un garnissage structuré, on appelle garnissage structuré, un assemblage de tubes, de plaques, de feuilles pliées, ou corruguées (de l'anglais « corrugated » c'est-à-dire sensiblement ondulé avec des angles droits), et arrangées de manière organisée sous forme de grands blocs comme décrit notamment dans les demandes de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3,679,537, US
4,296,050. Les garnissages structurés ont l'avantage d'offrir une grande aire géométrique pour un volume donné
- un contacteur à plateaux, on appelle contacteur à plateaux, un ensemble de plateaux horizontaux perforés situés les uns au-dessus des autres, et qui permet un échange de chaleur et/ou de matière entre le gaz (qui traverse les plateaux, par exemple via des clapets) et le liquide au sein d'une garde de liquide formée au- dessus des plateaux, un exemple d'un tel contacteur est décrit notamment dans la demande de brevet FR2909894 (US 8128072), ou
- un garnissage monolithes, on appelle garnissage monolithes un ensemble de canaux juxtaposés, un exemple d'un tel contacteur est décrit notamment dans la demande de brevet FR2983737.
De préférence, le contacteur est un garnissage structuré afin de maximiser les échanges de chaleur entre le gaz et le fluide caloporteur. En effet, le garnissage structuré est particulièrement adapté par rapport à une colonne à plateaux perforés, car il favorise une surface d'échange et un temps de séjour des fluides (gaz et fluide caloporteur) considérablement augmentés d'où un coefficient d'échange thermique global élevé. Conformément à une mise en œuvre de l'invention, dans le cas où le contacteur est un garnissage (vrac, structuré, ou monolithes), le contacteur peut comprendre au moins un plateau distributeur et/ou collecteur pour collecter et distribuer le gaz et le fluide caloporteur sur le garnissage (vrac, structuré, ou monolithes). Ainsi, les fluides (gaz et fluide caloporteur) peuvent être mieux répartis au sein du contacteur, favorisant les échanges thermiques, et par conséquent l'efficacité du système et du procédé AA-CAES.
Ainsi, le contacteur peut être formé de plusieurs lits de garnissage, entre lesquels sont disposés des plateaux collecteur/distributeur. Le dimensionnement de l'échangeur est réalisé en fonction de la configuration du système AA-CAES et des conditions opératoires, telles que le temps de cycle, les niveaux de température et de pression, la puissance à la charge et à la décharge. On appelle charge, la phase de stockage de l'énergie, et on appelle décharge la phase de restitution de l'énergie.
Le dimensionnement des échangeurs/réacteurs par contact avec garnissage peut considérer notamment les deux grandeurs caractéristiques suivantes :
- le taux d'arrosage, défini par :y (m3/m2/h) généralement entre 5 et 150, avec QL le débit du liquide, et S la surface de la colonne, et
- le facteur cinétique, défini par
Figure imgf000013_0001
généralement entre 0.1 et 5, avec pG la densité du gaz, Qg le débit du gaz, S la surface de la colonne et UG la vitesse superficielle du gaz.
En outre, le dimensionnement de la colonne peut être réalisé en modifiant le type de contacteur et/ou le diamètre et la hauteur de la colonne.
De plus, le débit d'injection du fluide caloporteur peut être régulé pour capter l'énergie du gaz (ou restituer l'énergie au gaz) en supposant que le gaz sort à la température d'entrée du fluide caloporteur et le fluide caloporteur sort à la température d'entrée du gaz, ce qui correspond à un fonctionnement idéal à pincement nul en entrée et sortie (le pincement correspond à la différence de température entre les deux fluides) d'un échangeur de chaleur en régime permanent. Ce fonctionnement idéal peut être considéré car le pincement des échangeurs par contact direct avec un contacteur est faible. Ainsi, la chaleur du gaz est récupérée par le fluide caloporteur qui est lui-même stocké à haute température afin de bien réchauffer le gaz avant la détente et donc de maximiser le rendement du cycle. En outre, les pertes de charge dans les échangeurs par contact direct sont faibles ce qui contribue également à améliorer le rendement du système et du procédé AA-CAES mettant en œuvre une telle invention. Avantageusement, pour optimiser les échanges de chaleur et donc l'efficacité du système AA-CAES, le gaz et le fluide caloporteur peuvent circuler à contre-courant dans le moyen de contact direct. Dans ce cas, le gaz peut avoir un mouvement ascendant, et le fluide caloporteur peut avoir un mouvement descendant.
Alternativement, le gaz et le fluide caloporteur peuvent circuler dans le moyen de contact direct à co-courant ou à courant-croisé.
Selon une option de réalisation, le moyen d'échange de chaleur peut comprendre un moyen de bullage du gaz dans le fond de l'échangeur (dans la partie inférieure de l'échangeur). Ainsi, il est possible de mieux distribuer le gaz dans l'échangeur, ce qui favorise les échanges de chaleur, et donc l'efficacité du système.
Selon une variante de réalisation, le moyen d'échange de chaleur peut comprendre un moyen de distribution (appelé également zone de spray) en tête de l'échangeur (dans la partie supérieure de l'échangeur). Ainsi, il est possible de mieux distribuer le liquide dans l'échangeur, ce qui favorise les échanges de chaleur, et donc l'efficacité du système.
La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un moyen d'échange de chaleur 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure, les flèches en traits fins illustrent la circulation du gaz, et les flèches en traits épais illustrent la circulation du fluide caloporteur. Pour ce mode de réalisation, l'échangeur 1 est une colonne sensiblement verticale, dans laquelle le gaz et le fluide caloporteur circulent à contre- courant. L'échangeur comporte une entrée du gaz en fond de colonne, et une sortie du gaz en tête de colonne, ainsi qu'une entrée du fluide caloporteur en tête de colonne et une sortie du fluide caloporteur en fond de colonne. L'échangeur 1 comporte un contacteur 4, notamment un ou plusieurs garnissages, par exemple un garnissage structuré, au sein duquel le fluide caloporteur et le gaz échangent directement la chaleur. L'échangeur 1 comporte en outre un distributeur de liquide (spray zone) 5 situé en tête de colonne pour distribuer le liquide sur le contacteur 4. De plus, l'échangeur 1 comporte des moyens de bullage 6 en fond de colonne pour optimiser la distribution du gaz sur le contacteur 4. Dans l'échangeur 1 , il peut être également prévu une zone de vide entre les moyens de bullage 6 et le contacteur 4.
Selon un mode de réalisation de 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 en amont 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 ce mode de réalisation de 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 est sensiblement à la température de la sortie de l'échangeur côté air comprimé et la température de sortie du fluide caloporteur est sensiblement 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 des compresseurs peut être assuré par le contrôle du débit du fluide caloporteur.
En outre, le système selon ce mode de réalisation de l'invention fournit une souplesse de fonctionnement. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de stockage de la chaleur 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. De plus, ce mode de réalisation permet de stocker la chaleur à des niveaux thermiques différents si nécessaire 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, schématiquement, un système AA-CAES 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 du gaz). Tel qu'illustré, le système AA-CAES selon l'invention comporte quatre étages de compression réalisés par des compresseurs d'air 12 qui compriment successivement l'air prélevé de l'air ambiant. Entre chaque étage de compression est disposé un échangeur de chaleur 1 , 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 13. Le système comporte quatre ballons froids 3, quatre ballons chauds 2 et quatre pompes 7. Pour chaque étage, le fluide caloporteur circule depuis un ballon de stockage froid 3, vers un ballon de stockage chaud 2 en passant par un unique échangeur de chaleur direct 1 au moyen d'une pompe 7. De plus, en amont du ballon chaud 2, le fluide caloporteur circule au travers d'une vanne 10 afin de réguler le débit du fluide caloporteur.
Pour le fonctionnement de restitution de l'énergie, i.e. par détente d'air (non représenté), le système AA-CAES 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. De plus, en amont du ballon froid, le fluide caloporteur circule au travers d'une vanne afin de réguler le débit du fluide caloporteur. A la détente, chaque ballon 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 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 AA-CAES 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 4 présente un système AA-CAES 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 AA-CAES selon l'invention comporte quatre étages de compression réalisés par des compresseurs d'air 12 qui compriment successivement l'air prélevé de l'air ambiant. Entre chaque étage de compression est disposé un échangeur de chaleur 1 , 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 13. Pour le mode de fonctionnement en compression, le fluide caloporteur circule depuis un ballon de stockage froid 3 au moyen d'une pompe 7 vers un ballon de stockage chaud 2 en passant au travers des quatre échangeurs de chaleur 1 au moyen de quatre branches de circuit en parallèle. De plus, en amont du ballon chaud 2, le fluide caloporteur circule au travers d'une vanne 10 afin de réguler le débit du fluide caloporteur dans chaque circuit.
La figure 5 présente un système AA-CAES selon un exemple non limitatif du deuxième 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 AA-CAES selon l'invention comporte quatre étages de détente réalisés par des moyens de détente 14 qui détendent successivement l'air comprimé contenu dans le moyen de stockage de l'air comprimé 13. Entre chaque étage de détente 14 est disposé d'un échangeur de chaleur 1 , au sein duquel l'air est chauffé par le fluide caloporteur avant d'être détendu. 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 7 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 2 contient le fluide caloporteur chaud qui a servi à refroidir l'air comprimé lors de la compression. De plus, en amont du ballon froid 3, le fluide caloporteur circule au travers d'une vanne 10 afin de réguler le débit du fluide caloporteur dans chaque circuit.
Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, le système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé peut comprendre un seul moyen de stockage de la chaleur. Cet unique moyen de stockage de la chaleur peut comprendre un lit fixe de particules de stockage de la chaleur (les particules de stockage de la chaleur sont immobiles ou en lit fluidisé et restent dans la colonne de stockage : les particules de stockage de la chaleur n'échangent pas directement de la chaleur avec le gaz). Ainsi, le fluide caloporteur échange de la chaleur dans le contacteur avec le gaz, puis le fluide caloporteur échange cette chaleur avec les particules de stockage de la chaleur.
Les particules de stockage de chaleur sont des éléments de petites dimensions aptes à emmagasiner et à restituer la chaleur. Les particules 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 particules de stockage de la chaleur peuvent être sensiblement avantageusement 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 particules de stockage de la chaleur est compris entre 10 nm et 50 mm, en particulier entre 50 μηι et 10 mm. Les particules selon l'invention sont réalisées en matériaux pouvant être utilisés dans des plages de température comprises entre 20°C et 700°C. Les particules utilisées peuvent être réalisées par des alumines ou en béton 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 élevée) : par exemple NaCI, NaN03,
KN03,
- les métaux (avec une capacité de élevée) : par exemple magnésium, aluminium, cuivre, antimoine, etc.
La figure 6a illustre, schématiquement et de manière non limitative, une portion d'un système selon ce troisième mode de réalisation. Cette figure correspond à la phase de stockage de l'énergie (compression). Sur cette figure, seuls deux étages de compression 12 sont représentés, les moyens de stockage du gaz comprimé ne sont pas représentés. Pour ce mode de réalisation, l'air comprimé circule par le compresseur 12, traverse l'échangeur de chaleur 1 puis circule dans un deuxième compresseur 12. Au sein de l'échangeur de chaleur 1 , le gaz échange de la chaleur avec un fluide caloporteur, qui circule, au moyen d'une pompe 9, en circuit fermé depuis un ballon de stockage 8 comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur, au travers de l'échangeur 1 , puis retourne dans l'autre extrémité du ballon de stockage 8, en passant préalablement dans une vanne 1 1 de régulation de débit. A la fin de cette étape, les particules de stockage de la chaleur sont chaudes : elles stockent la chaleur.
La figure 6b illustre, schématiquement et de manière non limitative, une portion d'un système selon ce troisième mode de réalisation. Cette figure correspond à la phase de restitution de l'énergie (détente). Sur cette figure, seuls deux étages de détente 14 sont représentés, les moyens de stockage du gaz comprimé ne sont pas représentés. Pour ce mode de réalisation, l'air comprimé circule par le premier moyen de détente 14, traverse l'échangeur de chaleur 1 puis circule dans un deuxième moyen de détente 14. Au sein de l'échangeur de chaleur 1 , le gaz échange de la chaleur avec un fluide caloporteur, qui circule, au moyen d'une pompe 9, en circuit fermé depuis un ballon de stockage 8 comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur, au travers de l'échangeur 1 , puis retourne dans l'autre extrémité du ballon de stockage 8 en passant préalablement dans une vanne 1 1 de régulation de débit. A la fin de cette étape, les particules de stockage de la chaleur sont froides. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque moyen d'échange de chaleur peut comprendre une pluralité d'échangeurs de chaleur agencés en parallèle selon la direction de circulation du gaz. En d'autres termes, pour chaque échange de chaleur, le gaz est séparé en plusieurs circuits qui comportent chacun un échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur. Cette configuration permet de limiter les dimensions des moyens d'échange de chaleur. De plus, cette configuration permet d'avoir un système d'échange de chaleur plus flexible, et des échanges de chaleur mieux optimisés à chaque phase. En effet, la phase de charge (stockage énergie) et de décharge (restitution d'énergie) peuvent se dérouler sur des intervalles de temps très différents qui sont généralement longs à la charge et plus courts à la décharge, cela peut générer des variations importantes de débit d'air dans les échangeurs.
Ainsi, une configuration possible pour ce mode de réalisation, est l'utilisation d'un unique échangeur de chaleur pour la charge, et l'utilisation de plusieurs échangeurs en parallèle pour la décharge en fonction de la puissance à restituer.
Dans le cas de ce mode de réalisation, chaque moyen d'échange peut avoir ses propres moyens de stockage du fluide caloporteur. Alternativement, on peut également envisager pour ce mode de réalisation, que (en phase de charge) le liquide chaud du premier échangeur entre comme liquide froid dans le second et ainsi de suite.
De plus, pour ce mode de réalisation, chaque moyen d'échange de chaleur en série peut mettre en œuvre un fluide caloporteur diffèrent pour adapter les moyens d'échange de chaleur aux températures mises en jeu.
En outre, chaque système peut avoir des dimensions différentes et des garnissages différents, pour adapter les moyens d'échange de chaleur aux températures mises en jeu La figure 7 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une portion d'un système selon ce mode de réalisation. Cette figure correspond à la phase de restitution de l'énergie (détente). Sur cette figure, seuls deux étages de détente 14 sont représentés, les moyens de stockage du gaz comprimé ne sont pas représentés, les moyens d'échange de la chaleur comprennent deux échangeurs 1 en parallèle, ainsi qu'un ballon chaud 2 et un ballon froid 3. Pour ce mode de réalisation, l'air comprimé circule par le moyen de détente 14, l'air est séparé en deux circuits d'air, chacun des circuits d'air comporte un échangeur de chaleur 1 dans lequel un échange de chaleur est réalisé entre le gaz et le fluide caloporteur. En sortie des échangeurs de chaleur 1 , les deux circuits d'air se rejoignent pour reformer le flux total d'air avant de circuler dans un deuxième moyen de détente 14. Pour l'exemple illustré, le système de stockage et de récupération de l'énergie comprend un ballon chaud 2 de stockage du fluide caloporteur et un ballon froid 3 de stockage du fluide caloporteur. Pour cette phase de restitution de l'énergie, le fluide caloporteur circule depuis le ballon chaud 2 vers le ballon froid 3, en passant parallèlement au travers des deux échangeurs 1 .
Ce mode de réalisation peut être combiné avec le premier (deux ballons de stockage de la chaleur pour chaque échangeur), le deuxième (deux ballons de stockage de la chaleur commun pour tous les échangeurs) ou le troisième mode de réalisation (une unique colonne de stockage de la chaleur comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur).
Alternativement, d'autres variantes de réalisation peuvent être envisagées :
- l'utilisation de deux échangeurs de conception différentes pour la charge et pour la décharge, ainsi, il est possible d'avoir des échangeurs adaptés aux débits mis en œuvres pour la charge et la décharge,
- l'utilisation de deux échangeurs de conception différentes pour la charge et la décharge, avec des débits différents dans chaque échangeur, ainsi, un des deux échangeurs peut jouer le rôle d'appoint en complément de l'autre, ce qui permet d'avoir une configuration adaptée à différents temps de charge ou de décharge.
Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque moyen d'échange de chaleur peut comprendre une pluralité d'échangeurs de chaleur agencés en série selon la direction de circulation du gaz. En d'autres termes, pour chaque échange de chaleur, le gaz passe consécutivement dans plusieurs échangeurs de chaleur. Cette configuration permet de faire varier la section ouverte au fur et à mesure que la température et donc les propriétés physiques des fluides évoluent afin de garantir un régime hydraulique et un mouillage optimal. Elle permet aussi de changer le type de garnissage.
Dans le cas de ce mode de réalisation, chaque moyen d'échange peut avoir ses propres moyens de stockage du fluide caloporteur. Alternativement, on peut également envisager pour ce mode de réalisation, que (en phase de charge) le liquide chaud du premier échangeur entre comme liquide froid dans le second et ainsi de suite.
De plus, pour ce mode de réalisation, chaque moyen d'échange de chaleur en série peut mettre en œuvre un fluide caloporteur diffèrent pour adapter les moyens d'échange de chaleur aux températures mises en jeu.
En outre, chaque système peut avoir des dimensions différentes et des garnissages différents, pour adapter les moyens d'échange de chaleur aux températures mises en jeu. Ce mode de réalisation peut être combiné avec le premier (deux ballons de stockage de la chaleur pour chaque échangeur), le deuxième (deux ballons de stockage de la chaleur commun pour tous les échangeurs) ou le troisième mode de réalisation (une unique colonne de stockage de la chaleur comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur).
En outre des caractéristiques précédemment décrites, le système AA-CAES selon l'invention peut avoir au moins une des caractéristiques optionnelles suivantes :
- le contacteur peut avoir un diamètre constant ou un diamètre variable suivant l'axe de l'écoulement des fluides,
- les garnissages peuvent être différents le long de l'écoulement,
- entre le stockage du caloporteur et le moyen de transfert thermique, on peut disposer des systèmes permettant de stocker à basse pression et effectuer les transferts à haute pression,
- pour diminuer la pression du fluide caloporteur entre l'échangeur et le réservoir une turbine hydraulique peut être prévue, cette turbine peut permettre également de récupérer de l'électricité, et
- le système de transfert de chaleur est isolé thermiquement de l'extérieur
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 ;
b) on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur, avec un fluide caloporteur ; c) on stocke le gaz comprimé refroidi, notamment par un moyen de stockage de gaz comprimé, et on stocke la chaleur récupérée par le fluide caloporteur ;
d) on chauffe le gaz comprimé stocké, par échange de chaleur, avec le fluide caloporteur ; 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 échange la chaleur (étapes b) et d)) entre le gaz et le fluide caloporteur par contact direct entre les deux fluides. De préférence, pour ce contact direct, on utilise au moins un contacteur pour maximiser la surface de contact entre le gaz et le fluide caloporteur. Ainsi, grâce à cette surface de contact importante et à ce contact direct, les échanges de chaleur sont optimisés, ce qui permet d'augmenter l'efficacité du système de stockage et de récupération d'énergie.
Lors de ces étapes b) à e), on stocke la chaleur échangée. Ce stockage de la chaleur peut consister en un stockage du fluide caloporteur issu des étapes d'échange de chaleur, soit en un stockage au moyen de particules de stockage de la chaleur. Ce stockage de la chaleur est distinct et indépendant du stockage du gaz comprimé. Les moyens d'échange de chaleur et les moyens de stockage de la chaleur sont distincts (séparés). Ainsi, les moyens de stockage de la chaleur n'ont pas besoin de résister aux pressions élevées du gaz comprimé : seul le moyen d'échange de chaleur est à haute pression, alors que le moyen de stockage de la chaleur peut être à pression atmosphérique. Ceci permet une conception plus simple des moyens de stockage de la chaleur, ainsi, le coût du système de stockage et de récupération d'énergie est limité.
Selon un aspect de l'invention, le procédé comporte plusieurs étapes de compression successives, au moyen de compresseurs placés en série, également appelés compressions étagées. Dans ce cas, on réitère les étapes a) et b) pour chaque étage de compression. Ainsi, le gaz est comprimé puis refroidi plusieurs fois avant son stockage.
Selon une caractéristique de l'invention, le procédé comporte plusieurs étapes de détente successives, par des moyens de détente placés en série, également appelés détentes étagées. Dans ce cas, on réitère les étapes d) et e) pour chaque étage de détente. Ainsi, le gaz est chauffé puis détendu plusieurs fois après son stockage.
L'étape a) concerne la compression d'un gaz, par exemple de l'air. Il peut s'agir notamment d'air prélevé dans le milieu ambiant.
L'étape b) permet de refroidir le gaz comprimé après chaque étape de compression, ce qui permet d'optimiser le rendement de la compression suivante et/ou le stockage d'énergie. Les moyens de stockage de la 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.
L'étape c) peut être réalisée au sein d'un moyen de stockage du gaz comprimé, qui peut être un réservoir naturel ou non (par exemple une cavité souterraine). Le moyen de stockage du gaz comprimé peut être en surface, en sous-sol ou sous l'eau (lac, mer, etc.). De plus, il peut être formé d'un unique volume ou d'une pluralité de volumes connectés entre eux ou non. Lors du stockage, on ferme le moyen de stockage du gaz comprimé.
Le gaz comprimé est stocké jusqu'au moment où on souhaite récupérer l'énergie stockée. L'étape d) et les suivantes sont réalisées au moment où on souhaite récupérer l'énergie stockée.
L'étape d) permet de chauffer l'air comprimé avant chaque détente, ce qui permet d'optimiser le rendement de la détente suivante. Pour l'étape d), on peut utiliser le fluide ou les particules de stockage de la chaleur qui ont servi à refroidir lors de l'étape b). Les moyens de stockage de la 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.
Lors de l'étape e), le gaz comprimé est détendu. La détente du gaz comprimé permet de générer une énergie. Cette détente peut être réalisée au moyen d'une turbine qui génère une énergie électrique. Si le gaz est de l'air, l'air détendu peut être évacué dans le milieu ambiant.
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre par le système selon l'une quelconque des variantes de l'invention décrites précédemment (seules ou en combinaison). Le procédé selon l'invention peut notamment comprendre une étape de stockage et/ou de restitution de la chaleur comprenant une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
• le contacteur est un garnissage vrac, un garnissage structuré, un garnissage monolithes, ou un contacteur à plateaux,
· les moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage de la chaleur, et on fait circuler le fluide caloporteur depuis un premier ballon de stockage de la chaleur vers un deuxième ballon de stockage de chaleur, le fluide caloporteur échangeant la chaleur pour l'ensemble des étapes d'échange de chaleur des étapes b) ou d),
· les moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage de la chaleur pour chaque moyen d'échange de chaleur, et on réalise séparément chaque échange de chaleur au moyen d'un fluide caloporteur circulant d'un premier ballon de stockage du fluide caloporteur, vers un deuxième ballon de stockage du fluide caloporteur (on fait circuler le fluide caloporteur dans un unique échangeur pour une unique étape b) ou d)),
• les moyens de stockage de la chaleur peuvent comporter une unique colonne comportant des particules de stockage de la chaleur, et on fait circuler le fluide caloporteur depuis cette colonne comportant des particules au travers d'au moins un échangeur de chaleur (une étape b) ou d)) et le fluide retourne dans le la colonne comportant les particules des stockage de la chaleur,
• pour les étapes b) et d) d'échange de chaleur, des échangeurs de chaleur peuvent être agencés en série, le gaz circule alors consécutivement dans plusieurs échangeurs de chaleur,
• pour les étapes b) et d) d'échange de chaleur, des échangeurs de chaleur peuvent être agencés en parallèle, le gaz est alors divisé dans deux circuits, et dans chaque circuit, le gaz circule dans un échangeur de chaleur. Le procédé et le système selon l'invention peuvent être utilisés pour le stockage d'une énergie intermittente, telle que l'énergie éolienne, marine ou solaire ou toute forme d'énergies renouvelables, afin de pouvoir restituer cette énergie au moment désiré.
Les avantages du système et du procédé AA-CAES selon l'invention (avec un échangeur par contact direct) sont :
- une flexibilité intrinsèque, qui permet de gérer une plage de débit d'air variable dépendant de la puissance à stocker, de la puissance à produire et des variations de pression dans le cas d'un réservoir de stockage à pression variable,
- une flexibilité intrinsèque qui permet de gérer une variabilité importante de la vitesse superficielle de l'air entre le bas et le haut de la colonne, selon un exemple de réalisation :
o en stockage de l'énergie, l'air rentre chaud à 200-250 °C et ressort à 50- 100 °C induisant un rapport de densité jusqu'à 1 .6 et donc une réduction importante de la vitesse superficielle de l'air entre le bas et le haut de la colonne,
o en restitution de l'énergie, l'air rentre chaud à 50-100 °C et ressort à 200-250 °C induisant un rapport de densité jusqu'à 0.6, et donc une augmentation importante de la vitesse superficielle de l'air entre le bas et le haut de la colonne,
un meilleur rendement et un coût moindre :
o en effet, le contacteur permet un pincement faible qui permet d'optimiser la récupération d'énergie tout en maximisant la température de stockage,
o une diminution potentielle du coût d'investissement du fait de la simplicité de l'échangeur, et également du fait du stockage du fluide caloporteur à faible pression,
o un volume compact réduisant notablement le volume à hautes pressions par rapport à d'autres TES tels que le stockage par chaleur sensible dans des enceintes contenant des particules solides, type thermocline.
- une perte de pression faible dans l'échangeur.
- des contraintes mécaniques de dilatations différentielles moindres par rapport aux échangeurs classiques (les cycles journaliers peuvent induire des problèmes de fatigue à prendre en compte dès la conception), - des problèmes d'encrassement moindres que dans les échangeurs classiques, et
- dans le cas de deux ballons de stockage de la chaleur séparés, meilleure maîtrise des niveaux de température en entrée du compresseur/turbine par rapport à un TES de type thermocline.
Exemple d'application
Les caractéristiques et avantages du système et du procédé AA-CAES selon l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de l'exemple d'application ci-après.
L'exemple de la figure 8 présente l'intégration de l'invention dans un schéma multi- étages (quatre étages) pour un fonctionnement en stockage (partie gauche) et en déstockage de la chaleur (partie droite). Le système AA-CAES comporte quatre compresseurs 12, des moyens de stockage du gaz comprimé 13, quatre turbines 13 (moyens de détente). Les compresseurs sont entraînés par des moteurs M, et les turbines entraînent des générateurs G. De plus, le système comporte quatre systèmes d'échange et de stockage de la chaleur TES1 à TES4. Ces systèmes TES1 à TES4 comportent respectivement un échangeur à contact direct et des moyens de stockage de la chaleur séparés. Ces systèmes peuvent être par exemple conformes à ceux illustrés en figure 3. En outre, les échangeurs de chaleur peuvent comprendre un garnissage, par exemple un garnissage structuré. Sur cette figure, sont indiquées, pour un exemple de fonctionnement, les températures de l'air en entrée et en sortie des échangeurs de chaleur.
Les transferts de chaleur entre l'air et le fluide caloporteur à contre-courant permettent ainsi au système de stockage de la chaleur de refroidir le plus bas possible (environ 50°C) lors du stockage et de réchauffer au plus proche de la température de refoulement des compresseurs (environ 190°C dans l'exemple) lors du déstockage. L'art antérieur présente souvent des TES statiques qui stockent de la chaleur par gradient thermique (thermocline) ou des échangeurs de chaleur sans mention spécifique. La solution présenté dans cette invention permet une meilleure flexibilité de fonctionnement entre les cycles (durée de cycle, début/fin de stockage ou de détente, ...).
L'exemple considère un stockage de 50 MWh avec une puissance au chargement de
10 MW sur cinq heures consommée répartie par les quatre étages de compression. La détente s'opère en deux heures. On suppose un stockage à pression fixe de 125 bar et que le dernier étage de compression est doté d'un TES de type échangeur par contact à garnissage selon l'invention. La compression de l'air du dernier étage s'opère de 30 bar à 125 bar. La puissance thermique à récupérer par le TES est de l'ordre de la puissance consommée par le dernier étage, c'est-à-dire un tiers de la puissance stockée, soit 3.3 MW. Le fluide de stockage considéré ici est une huile générique dont les propriétés thermiques sont 2000 W/kg/K pour la capacité calorifique et 850 kg/m3 pour la densité. Dans ces conditions, le débit d'air est de l'ordre de 50000 kg/h à la compression et 125000 kg/h à la détente. Le débit du liquide caloporteur pour le TES du dernier étage est de 47 m3/h à la compression et 1 17 m3/h à la détente avec une capacité de stockage de liquide nécessaire de 235 m3.
Ainsi, les rendement du système AA-CAES de l'exemple peut atteindre 70 %, ce qui est un rendement important, sans un coût élevé.

Claims

Revendications
1 ) Système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression dudit gaz (12), au moins un moyen de stockage dudit gaz comprimé (13), au moins un moyen de détente (14) dudit gaz comprimé, au moins un moyen d'échange de chaleur (1 ) entre ledit gaz comprimé et un fluide caloporteur, des moyens de stockage de la chaleur (2 , 3 ; 8), lesdits moyens d'échange de chaleur (1 ) étant disposés en sortie dudit moyen de compression (12) dudit gaz et/ou en entrée dudit moyen de détente (14) dudit gaz, caractérisé en ce que ledit moyen d'échange de chaleur (1 ) comporte des moyens de contact direct dudit gaz et dudit fluide caloporteur.
2) Système selon la revendication 1 , dans lequel lesdits moyens de contact direct dudit gaz et dudit fluide caloporteur comportent au moins un contacteur (4).
3) Système selon la revendication 2, dans lequel ledit contacteur (4) est un garnissage vrac, un garnissage structuré, un contacteur à plateaux, ou un garnissage monolithes.
4) Système selon la revendication 3, dans lequel ledit contacteur (4) est un garnissage vrac ou structuré ou monolithes, et ledit contacteur comprend au moins un plateau collecteur/distributeur pour collecter et distribuer ledit gaz et ledit fluide caloporteur sur ledit garnissage vrac, structuré ou monolithes.
5) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit gaz et ledit fluide caloporteur circulent à contre-courant dans lesdits moyens de contact direct. 6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de contact direct comprennent un moyen de bullage (6) dudit gaz dans la partie inférieure dudit moyen d'échange de chaleur (1 ).
7) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de contact direct comprennent un moyen de distribution (5) dudit fluide caloporteur dans la partie supérieure dudit moyen d'échange de chaleur (1 ).
8) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte une pluralité de moyens d'échange de chaleur (1 ) agencés en série selon la circulation dudit gaz. 9) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte une pluralité de moyens d'échange de chaleur (1 ) agencés en parallèle selon la circulation dudit gaz.
10) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide caloporteur comporte de l'huile, de l'eau, un fluide comportant des particules solides de stockage de la chaleur, ou des sels fondus.
1 1 ) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d'énergie comporte plusieurs moyens de compression de gaz (12) étagés, plusieurs moyens de détente (14) étagés, et au moins un moyen d'échange de chaleur (1 ) disposé entre au moins deux desdits moyens de compression (12) et/ou au moins deux desdits moyens de détente (14).
12) Système selon la revendication 1 1 , dans lequel lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3), ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage (2, 3) dudit fluide caloporteur vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur (3, 2) au travers de chaque moyen d'échange de chaleur (1 ).
13) Système selon la revendication 1 1 , dans lequel lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent deux ballons de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3) pour chaque moyen d'échange de chaleur (1 ), ledit fluide caloporteur circulant depuis un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3) vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur (3, 2) au travers d'un unique moyen d'échange de chaleur (1 ).
14) Système selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel lesdits moyens de stockage de la chaleur comportent une unique colonne de stockage (8) comportant un lit de particules de stockage de la chaleur.
15) 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 et on stocke séparément la chaleur ;
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 échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur par un échange direct. 16) Procédé selon la revendication 15, dans lequel on échange la chaleur entre le gaz et ledit fluide caloporteur par un échange direct au moyen d'un contacteur (4).
17) Procédé selon la revendication 16, dans lequel on échange la chaleur au moyen d'un contacteur (4), en particulier un garnissage vrac, un garnissage structuré, d'un garnissage monolithe ou d'un contacteur par plateaux.
18) Procédé selon l'une des revendications 15 à 17, dans lequel on réitère les étapes a) et b) et/ou d) et e). 19) Procédé selon la revendication 18, dans lequel on réalise tous les échanges au moyen d'un fluide caloporteur circulant d'un premier ballon de stockage dudit fluide caloporteur (2, 3) vers un deuxième ballon de stockage (3, 2) dudit fluide caloporteur.
20) Procédé selon la revendication 18, 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 (2, 3) vers un deuxième ballon de stockage dudit fluide caloporteur (3, 2).
21 ) Procédé selon l'une des revendications 15 à 18, dans lequel on stocke ledit fluide caloporteur dans une unique colonne de stockage (8) comportant des particules de stockage de la chaleur.
22) Procédé selon l'une des revendications 15 à 21 , dans lequel on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur au moyen d'au moins deux moyens d'échange de chaleur agencés en série selon la circulation dudit gaz.
23) Procédé selon l'une des revendications 15 à 22, dans lequel on échange la chaleur entre ledit gaz et ledit fluide caloporteur au moyen d'au moins deux moyens d'échange de chaleur agencés en parallèle selon la circulation dudit gaz.
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