WO2020260155A1 - Systeme et procede d'echange de chaleur a contre-courant entre un fluide et des particules de stockage de chaleur - Google Patents

Systeme et procede d'echange de chaleur a contre-courant entre un fluide et des particules de stockage de chaleur Download PDF

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WO2020260155A1
WO2020260155A1 PCT/EP2020/067158 EP2020067158W WO2020260155A1 WO 2020260155 A1 WO2020260155 A1 WO 2020260155A1 EP 2020067158 W EP2020067158 W EP 2020067158W WO 2020260155 A1 WO2020260155 A1 WO 2020260155A1
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WO
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heat exchange
particles
storage
heat
exchange zone
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/067158
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English (en)
Inventor
Ludovic NOEL
Yacine HAROUN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
    • F28C3/00—Other direct-contact heat-exchange apparatus
    • F28C3/10—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material
    • F28C3/12—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material the heat-exchange medium being a particulate material and a gas, vapour, or liquid
    • F28C3/16—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material the heat-exchange medium being a particulate material and a gas, vapour, or liquid the particulate material forming a bed, e.g. fluidised, on vibratory sieves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0056—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using solid heat storage material
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • 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 heat exchange systems, in particular for the storage of heat in a system or a process of AA-CAES type (from the English “Advanced Adiabatic - Compressed Air Energy Storage”).
  • CAES compressed air energy storage system
  • energy that you want to use at another time is stored in the form of compressed air.
  • energy especially electrical, drives air compressors, and for destocking, compressed air drives turbines, which can be connected to an electric generator.
  • the performance of this solution is not optimal because some of the energy of the compressed air ends up in the form of heat which is not used.
  • CAES processes only the mechanical energy of the air is used, that is to say, all the heat produced during compression is rejected.
  • compressed air at 8 MPa (80 bar) heats up during compression to about 1500, but is cooled before storage.
  • the performance of a CAES system is not optimal, because then the system needs to heat the stored air to achieve air expansion.
  • ACAES from English “Adiabatic Compressed Air Energy Storage” in which air is stored at high temperature due to compression.
  • AACAES from English “Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage” in which air is stored at room temperature, and heat due to compression is also stored, separately, in a TES heat storage system ( from the English “Thermal Energy Storage”). The heat stored in the TES is used to heat the air before it expands. According to some contemplated designs, heat is stored in the storage system by means of solid particles.
  • TES heat exchange systems are used in other areas: solar energy storage, marine energy, in metallurgical processes, etc.
  • thermocline thermal stratification
  • Some types of heat exchange system involve a fixed bed of solid particles, or the heat exchange of fluids circulating in co-current. However, these heat exchanges are not optimal in terms of efficiency.
  • patent applications WO 201 1/027309 and WO 201 1/135501 describe heat storage systems comprising solid particles in the form of a fluidized bed.
  • the heat exchange between the fluid and the solid particles takes place indirectly by means of a heat exchanger immersed in the fluidized bed.
  • the efficiency of the heat exchange between the storage fluid and the solid particles is not optimal, in particular because the heat exchange is indirect, and because all the particles are not in contact with the storage fluid. storage.
  • patent application FR 3004245 proposes several configurations of a thermal heat exchange system using the fluidization of the particles by means of thermochemical reactions.
  • this solution also requires a heat exchanger passing through the fluidized bed, which does not allow optimization of the heat exchange, in particular because the exchange is indirect, and because all the particles are not in contact with the fluid. .
  • Patent application FR 3044749 relates to a heat exchange system between a fluid and heat storage particles.
  • the exchange system has a zone exchange, in which the fluid and the heat storage particles (in the form of a fluidized bed) flow in countercurrent and cross flow.
  • This counter-current and cross-current flow allows high efficiency of heat exchange between the fluid and the particles.
  • This type of heat exchange system is particularly satisfactory in terms of performance.
  • this technology is difficult to implement, in particular in the upper compression stages. Indeed, the system does not make it possible to decouple the heat exchange and storage pressures, the particle storage tanks must withstand the pressure of the fluid.
  • the system is well suited for low fluid pressures, for which a standard storage tank can be used.
  • the particle storage tank must be sized to be able to withstand the envisaged pressures (for example 13 MPa), which generates constraints on the materials used, on the thicknesses, and consequently on the cost of particle storage tanks.
  • the object of the present invention is in particular to store heat while minimizing the costs of this storage, and by simplifying the design of the particle storage tanks.
  • the present invention relates to a system and a method for exchanging heat between a fluid and a fluidized bed of heat storage particles, by means of two particle storage tanks and at least one zone of heat storage. Countercurrent heat exchange between the fluid and the fluidized bed of particles.
  • the particle storage tanks are at low pressure, and the heat exchange zones are at high pressure.
  • the particle storage tanks are separated from the heat exchange zone on the one hand by a high-pressure particle feed means, and on the other hand by a depressurization means.
  • the present invention also relates to a system and a method for storing and recovering energy by compressed gas implementing the system and the method for storing heat according to the invention.
  • the invention relates to a heat exchange system between a fluid and heat storage particles comprising at least two storage tanks for said particles, and at least one heat exchange zone arranged between said two storage tanks for said particles. , said fluid and a fluidized bed of said heat storage particles flowing countercurrently in said heat exchange zone.
  • Said system heat exchange comprises means for supplying high pressure heat storage particles arranged between a first reservoir for storing said particles and said at least one heat exchange zone, as well as depressurization means arranged between said at least one heat exchange zone and a second storage tank for said particles.
  • said means for supplying high pressure heat storage particles are chosen from a rotary valve, an airlock hopper, a slurry distributor, a cap distributor, a dynamic distributor, and a pressure distributor. pistons.
  • said heat exchange system comprises a first reservoir for storing said particles, a second reservoir for storing said particles, at least a first heat exchange zone being formed between said first and second reservoirs. storage of said particles, and a third storage tank for said particles, at least a second heat exchange zone being formed between said second and third particle storage tanks.
  • said heat exchange system comprises means for transporting said heat storage particles from said third tank for storing said particles to said first tank for storing said particles.
  • said fluid and said fluidized bed of said heat storage particles flow cross-stream in said at least one heat exchange zone.
  • the invention relates to a system for storing and recovering energy by compressed gas comprising at least one means for compressing gas, at least one means for storing said compressed gas, at least one means for expanding said compressed gas for generate energy.
  • Said compressed gas energy storage and recovery system comprises at least one heat exchange system according to one of the preceding characteristics.
  • said compressed gas energy storage and recovery system comprises a plurality of compression and / or expansion stages, consisting of a plurality of compression means of said gas and / or of a plurality of means for expanding said gas, and in which at least one heat exchange zone of a heat exchange system is arranged between two consecutive compression and / or expansion stages.
  • said compressed gas energy storage and recovery system comprises, for each compression and / or expansion stage, three storage tanks for said particles, at least one heat exchange zone at the outlet of each stage of compression, and / or at least one heat exchange zone at the inlet of each expansion stage, each heat exchange zone connecting two of said storage tanks for said particles.
  • said compressed gas energy storage and recovery system comprises three storage tanks for said particles, and, for each compression and / or expansion stage, at least one heat exchange zone at the outlet of each compression stage, and / or at least one heat exchange zone at the inlet of each expansion stage, each heat exchange zone connecting two of said storage tanks for said particles.
  • each heat exchange zone comprises a means for feeding particles at high pressure.
  • each storage tank for said particles comprises a means for feeding particles at high pressure.
  • a single high pressure particle supply means connects said storage tanks for said particles and said heat exchange zones.
  • a single depressurization means connects said heat exchange zones and said storage tanks for said particles.
  • the invention also relates to a method of heat exchange between a fluid and heat storage particles by means of a heat exchange system according to one of the preceding characteristics, in which the following steps are implemented :
  • said particles are stored, at the outlet of the second heat exchange zone, in said first particle storage tank or in a third particle storage tank.
  • the invention relates to a method for storing and recovering energy by compressed gas, in which the following steps are carried out: a) a gas is compressed;
  • FIG. 1 illustrates a heat exchange system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 illustrates a heat exchange system according to one embodiment of the invention.
  • Figure 3 illustrates a compressed gas energy storage and recovery system according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 4 illustrates a compressed gas energy storage and recovery system according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 5 illustrates a compressed gas energy storage and recovery system according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 6 illustrates a compressed gas energy storage and recovery system according to a fourth embodiment of the invention.
  • Figure 7 illustrates a compressed gas energy storage and recovery system according to a fifth embodiment of the invention.
  • the invention relates to a heat exchange system (TES) between a fluid and heat storage particles comprising at least one heat exchange zone in which the said fluid flows and a fluidized bed comprising the storage particles.
  • the heat exchange system further comprises at least two tanks of storage of heat storage particles.
  • the heat exchange zone is arranged between the two particle storage tanks.
  • the heat storage particles circulate from a first particle storage tank to a second particle storage tank passing through the heat exchange zone.
  • one of the particle storage tanks can contain hot particles, and another of the tanks can contain cold particles. Thanks to these reservoirs, it is therefore possible to store the heat exchanged between the fluid and the particles. Between two particle storage tanks, several heat exchange zones can be provided in parallel.
  • the fluid and the fluidized bed of heat storage particles flow countercurrently.
  • the fluid flows from the outlet to the inlet of the fluidized bed in the heat exchange zone.
  • the heat storage particles are elements of small dimensions (for example between 0.02 and 1 mm) able to store heat.
  • a fluidized bed is made up of a solid phase made up of small particles and a flowing fluid phase.
  • the fluid phase can be gaseous, in the form of air or a rare gas.
  • the fluid phase can be injected at one end of the heat exchange zone, near the inlet (injection) of the particles to form the fluidized bed.
  • the heat exchange system further comprises a means for supplying high pressure storage particles (HPSF standing for “high pressure solid feeder”) and a depressurization means.
  • HPSF standing for “high pressure solid feeder” high pressure storage particles
  • the high pressure storage particle supply means is disposed at one end of the heat exchange zone
  • the depressurization means is disposed at the other end of the heat exchange zone.
  • the pressure prevailing in the particle storage tanks can be distinct from the pressure prevailing in the heat exchange zone, which can correspond to the pressure of the fluid.
  • the particle storage tanks can be at low pressure, and the heat exchange zone can be at high pressure. In other words, the pressure within the particle storage tanks can be lower than the pressure in the heat exchange zone. In this way, the particle storage tanks can be standard, simple in design and inexpensive.
  • the means for supplying high pressure HPSF storage particles can be chosen from a rotary valve, a lock hopper (from English “Lock hopper”) or a piston distributor (from the English “piston feeder”) or a plug distributor (from the English “plug form feeder”), or a dynamic distributor (from the angalis “dynamic feeder” ), or a slurry feeder.
  • the type of high pressure HPSF storage particle feed means can be chosen depending on the pressures used in the heat exchange zone (fluid pressure). For example, for fluid pressures less than or equal to 12 bars (1.2 MPa), a rotary valve can be used, for fluid pressures less than or equal to 85 bars (8.5 MPa), an airlock hopper can be used, and for fluid pressures less than or equal to 120 bars (12 MPa), a piston distributor can be used.
  • the depressurization means may be a pressure regulating valve capable of operating with fluid laden with solid particles.
  • the heat exchange system may include fluid circulation means configured to form a cross-flow circulation of the fluid with respect to the fluidized bed in said heat exchange zone and to form a circulation fluid from the outlet to the inlet of said fluidized bed in the heat exchange zone (as described in patent application FR 3044749).
  • the flow is said to be cross-flow because the direction of the fluid flow is not parallel to the flow of the fluidized bed: the fluid crosses the fluidized bed.
  • This cross-current and counter-current circulation allows good performance in terms of heat exchange between the fluid and the heat storage particles.
  • the fluid flows in a direction substantially perpendicular, for example between 60 and 120 °, preferably between 75 and 105 °, to the direction of flow of the fluidized bed.
  • the means for circulating said fluid may comprise injection means and means for withdrawing the fluid capable of causing the fluid to circulate in a direction substantially perpendicular to the circulation of the fluidized bed.
  • the fluid circulation means comprise a plurality of injection and withdrawal means, these can be distributed all along the exchange zone.
  • the injection and withdrawal means can be associated so that the fluid circulates consecutively in all the injection and withdrawal means.
  • the means for injecting the fluid are located in the lower part of the exchange zone, and the means for withdrawing the fluid are located in the upper part of the exchange zone.
  • the fluid enters the lower part of the exchange zone passes through the exchange zone, crossing the fluidized bed, and then exits the upper part of the exchange zone.
  • the fluid that enters the withdrawal means can be returned to the adjacent injection means by means outside the heat exchange zone.
  • the adjacent injection means, in which the fluid is returned are the injection means located upstream of the previous injection means in the direction of flow of the fluidized bed.
  • the heat exchange zone is formed by a pipe, a channel, a column, or any similar means.
  • the pipe (or channel) can be of circular, rectangular, elliptical, etc. section.
  • the pipe or channel may be provided to withstand the pressure of the fluid.
  • the pipe or channel can be made of steel or prestressed concrete, etc.
  • the heat exchange system according to the invention may comprise solid particles or particles, in the form of capsules containing a phase change material (PCM).
  • PCM phase change material
  • These materials also allow a reduction in the volume of possible storage means, as they allow a large amount of energy to be stored in the form of latent heat.
  • a compromise between efficiency and cost can also be found by mixing PCMs and storage materials, using sensible heat to store heat, in the fluidized bed.
  • phase change materials the following materials can be used: paraffins, whose melting point is below 130 ° C, salts which melt at temperatures above 3000, mixtures (eutectics) which make it possible to have a wide range of melting temperature.
  • the solid particles can have all the known forms of conventional granular media (balls, cylinders, extrudates, trilobes ...), as well as any other form making it possible to maximize the exchange surface with the gas.
  • the particles are in the form of beads, so as to limit the problems of attrition.
  • the particle size can vary between 0.02 mm and 1 mm, preferably between 0.05 and 0.5 mm and even more preferably between 0.07 and 0.2 mm.
  • the fluid can be a gas, in particular air.
  • the fluid can be a gas to be cooled or heated by the particles in the heat exchange zone.
  • the fluidized bed can flow by gravity into the heat exchange zone.
  • the energy required to allow the flow of the fluidized bed is less.
  • the heat exchange zone can be tilted from the horizontal.
  • the angle of inclination of the exchange zone relative to the horizontal may be between 5 and 60 °.
  • the fluid can flow in a substantially upward path.
  • the fluid can be a gas, in particular air.
  • FIG. 1 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, a heat exchange system according to one embodiment of the invention.
  • the heat exchange system 1 comprises a first particle storage tank 2, a pipe 4 forming a heat exchange zone, and a second particle storage tank 3.
  • the pipe 4 connects the first particle storage tank. particle 2 and the second particle storage tank 3.
  • the circulation of the heat storage particles is shown by the gray arrow.
  • the heat storage particles circulate from the first particle storage tank 2 to the second particle storage tank 3, passing through line 4.
  • the fluid F circulates in line 4 against the current of the storage particles. heat.
  • the circulation of the fluid F is schematically illustrated by the white arrows.
  • the heat exchange system 1 further comprises a means for supplying high pressure FIPSF particles 5 and a depressurization means 6.
  • the means for supplying high pressure particles 5 is arranged at one end of the pipe 4. near the first particle tank 2.
  • the depressurization means 6 is arranged at the other end of the pipe 4 near the second particle reservoir 3.
  • the first and second particle reservoirs 2 and 3 are at low pressure LP, and the pipe 4 is at high pressure HP.
  • said heat exchange system may include a first particle storage tank, a second particle storage tank, at least a first heat exchange zone being formed between the particles.
  • first and second particle storage tanks and a third particle storage tank, at least one second heat exchange zone being formed between the second and third particle storage tanks.
  • This implementation of the invention is particularly advantageous for the use of a compressed gas energy storage and recovery system. Indeed, the first heat exchange zone can be provided to recover heat from a hot fluid, and the second heat exchange zone can be provided to transfer heat to a cold fluid, the particles storing heat in the second particle storage tank.
  • the heat exchange system can have three tanks and at least two heat exchange zones.
  • the first and third particle storage tanks can store cold particles, and the second tank can store hot particles.
  • the fluid in the first heat exchange zone, the fluid is cooled, and in the second heat exchange zone the fluid is heated.
  • said system may include means for transporting said heat storage particles from said third reservoir to said first reservoir.
  • These means of transport can be pneumatic, include an endless screw system, etc.
  • thermocline The hot and cold temperature of the system are kept constant. Indeed, the hot and cold particles are stored at uniform temperature in isolated volumes, which overcomes the problem of maintaining the thermocline in the tank, as is the case in heat storage systems in fixed bed (hot spot and cold spot within the same reactor).
  • the heat exchange system allows flexibility because partial charges and discharges are facilitated. Indeed, it is possible to cut off the supply of the solid in the heat exchange zone at any time and to heat / cool only a part of the latter.
  • FIG. 2 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, a heat exchange system according to one embodiment of the invention.
  • the heat exchange system comprises a first storage tank 2 for the heat storage particles.
  • the particles from the first tank 2 are discharged into a first heat exchange zone 4, and are fluidized by fluidization means (not shown).
  • the heat exchange zone 4 comprises at least one inclined pipe.
  • the fluid circulates in counter-current (and optionally in cross-flow) in the first heat exchange zone 4 relative to the flow of the fluidized bed.
  • the particles are stored in the second particle storage tank 3.
  • the first heat exchange zone 4 comprises means particle feed at high pressure 5, and near the second particle tank 3, the first heat exchange zone 4 comprises a depressurization means 6.
  • the particles from the second particle storage tank 3 are discharged into a second exchange zone 7, and are fluidized by fluidization means (not shown).
  • the second exchange zone 7 comprises at least one inclined pipe.
  • the fluid circulates in counter-current (and optionally in cross-flow) in the second heat exchange zone 7 relative to the flow of the fluidized bed.
  • the particles are stored in the third particle storage tank 10.
  • the second heat exchange zone 7 comprises means high pressure particle feed 8, and near the third particle tank 10, the second heat exchange zone 7 comprises depressurization means 9.
  • the particles from the third particle storage tank 10 are transported by transport means 1 1 in the first particle storage tank 2.
  • the first and third particle storage tanks 2 and 10 can be cold particle tanks, and the second particle storage tank 3 can be a particle tank hot.
  • the first heat exchange zone 4 allows the cooling of the fluid F
  • the second heat exchange zone 7 allows the heating of the fluid F.
  • the first, second and third particle tanks 2, 3 and 10 are at low pressure LP
  • the first and second heat exchange zones 4 and 7 are at high pressure HP, thanks to the means for supplying high pressure particles 5 and 8, and to the depressurization means 6 and 9.
  • the present invention relates to a compressed gas energy storage and recovery system equipped with heat storage means (for example of the AACAES type).
  • the pressurized gas (often air) is stored cold.
  • the energy storage and recovery system according to the invention comprises:
  • gas compression means or compressor
  • staged gas compression means preferably several staged gas compression means.
  • the gas compression means can be driven by a motor, in particular an electric motor;
  • the compressed gas storage means may or may not be a natural reservoir (for example an underground cavity).
  • the compressed gas storage means can be on the surface or underground. In addition, it can be formed of a single volume or of a plurality of volumes connected to each other or not;
  • gas expansion means also called an expander or turbine
  • the gas expansion means makes it possible to generate energy, in particular electrical energy by means of a generator
  • the heat exchange system is preferably placed at the outlet of the compression means and at the inlet of the expansion means.
  • the heat exchange system comprises solid heat storage particles. These solid particles exchange heat with the gas during the energy storage and release phases, this heat being stored in the particles between these two phases.
  • the heat storage systems conform to any one of the variant embodiments described above, or to any one of the combinations of the variants described above.
  • staged compression means (respectively “staged expansion means”) are used, when a plurality of compression means (respectively expansion) are mounted successively one after the other in series: the compressed gas (respectively expanded) at the outlet of the first compression means (respectively expansion) then passes into a second compression means (respectively expansion) and so on.
  • a compression or expansion stage is then called a compression or expansion means of the plurality of compression or expansion means in stages.
  • a heat exchange system is arranged between each compression and / or expansion stage.
  • the compressed gas is cooled after each compression, which optimizes the efficiency of the next compression, and the expanded gas is heated before each expansion, which allows the efficiency of the next expansion to be optimized.
  • 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 the same as the number of expansion stages.
  • the compressed gas energy storage and recovery system eg AACAES type
  • the compressed gas energy storage and recovery system may contain a single compression means and a single expansion means.
  • the compression means can be reversible, that is to say they can operate both for compression and for relaxation.
  • the heat exchange systems used between the compression stages can be those used between the expansion stages.
  • the system according to the invention is suitable for any type of gas, in particular for air.
  • the inlet air used for compression can be taken from the ambient air, and the outlet air after expansion can be released into the ambient air.
  • the system and method are valid for any other gas.
  • the heat exchange between the gas and the heat storage particles can be performed in at least one zone of the heat storage.
  • heat exchange a heat exchange system which is arranged between two particle storage tanks.
  • each compression and / or expansion stage may comprise three particle storage tanks and at least two heat exchange zones each equipped with a means for supplying high pressure particles and a means of depressurization.
  • One of the heat exchange zones is provided for the cooling of the gas in the gas compression phase of the AACAES system and the other heat exchange zone is provided for the heating of the gas in the expansion phase of the system. gas from the AACAES system.
  • the heat exchange system may conform to the embodiment of FIG. 2.
  • the means for supplying particles at high pressure can be adapted to the gas pressure in the compression and / or expansion stage.
  • FIG. 3 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, this first embodiment of the invention.
  • the energy storage and recovery system has three compression stages (using compressors C1, C2, C3), three expansion stages (using turbines T1, T2, T3), three heat exchange systems 1, 1 ', 1 ”(in accordance with the embodiment of FIG. 2), and a compressed air storage tank 12.
  • the flow of gas is illustrated by thick gray curved arrows and the flow of gas. particles is illustrated by thin straight arrows.
  • each heat exchange zone 4, 4 ', 4 ”, 7, 7', 7” comprises a means for feeding particles at high pressure (shown schematically by triangles) and a means of depressurization (schematically represented by double triangles forming hourglasses).
  • the gas F passes consecutively in the compressor C1, in the first heat exchange zone 4 of the heat exchange system 1, in the compressor C2, in the first zone d 'heat exchange 4' of the heat exchange system 1 ', in the compressor C3, in the first heat exchange zone 4 ”of the heat exchange system 1” then is stored in the storage tank d 'compressed air 12.
  • the particles of the heat exchange system 1 circulate from the first particle tank 2 (called cold tank Rf 1) to the second particle tank 3 (called hot tank Rc1) passing through from the first heat exchange zone 4, the particles of the heat exchange system 1 'circulate from the first particle tank 2' (called cold tank Rf2) to the second particle tank 3 '(called hot tank Rc2) passing through the first heat exchange zone 4 ', and the s particles of the heat exchange system 1 ”circulate from the first particle tank 2” (called cold tank Rf3) to the second particle tank 3 ”(called hot tank Rc3) passing through the first exchange zone of heat 4 ”.
  • the gas F passes consecutively from the compressed gas storage tank 12, into the second zone 7 ”of the heat storage system 1”, into the turbine T3, into the second zone 7 'of the heat storage system 1', in the turbine T2, in the second zone 7 of the heat storage system 1, in the turbine T1.
  • the particles of the heat exchange system 1 circulate from the second particle storage tank 3” (called hot tank Rc3) to the third particle storage tank 10 ”(called cold tank Rf3 ') in passing within the second heat exchange zone 7 ”, the particles of the heat exchange system 1 'circulate from the second particle storage tank 3' (called hot tank Rc2) to the third storage tank of particles 10 '(called cold tank Rf2') passing through the second heat exchange zone 7 ', and the particles of the heat exchange system 1 circulate from the second particle storage tank 3 (called tank hot Rc1) to the third particle storage tank 10 (called cold tank Rf3) passing through the second heat exchange zone 7.
  • the heat storage particles are transported from the third particle storage tank 10, 10 ’, 10” to the first particle storage tank 2, 2 ’, 2”.
  • the particle storage tanks of the heat exchange systems of the AACAES system can be coupled, which allows to pool the particle storage tanks and therefore to limit the number of components of the compressed gas energy storage and recovery system.
  • the storage system comprises a single first particle storage tank, a single second particle storage tank and a single third particle storage tank.
  • each compression and / or expansion stage can include at least two heat exchange zones.
  • One of the heat exchange zones is provided for the cooling of the gas in the gas compression phase of the AACAES system and the other heat exchange zone is provided for the heating of the gas in the expansion phase of the system. gas from the AACAES system.
  • Each of the heat exchange zones comprises a means for supplying particles at high pressure and a means for depressurization.
  • the heat exchange system may conform to the embodiment of FIG. 2.
  • the means for supplying particles at high pressure can be adapted to the gas pressure in the compression and / or expansion stage.
  • FIG. 4 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, this second embodiment of the invention.
  • the energy storage and recovery system has three compression stages (using compressors C1, C2, C3), three expansion stages (using turbines T1, T2, T3), three heat storage tanks 2 , 3 and 10, six heat exchange zones 4, 4 ', 4 ”, 7, 7', 7”, and a compressed air storage tank 12.
  • the circulation of gas F is illustrated by thick gray arrows and the particle circulation is illustrated by thin straight arrows.
  • each heat exchange zone 4, 4 ', 4 ”, 7, 7', 7 respectively comprises a means for supplying high pressure particles 5, 5 ', 5 ”, 8, 8 ', 8 ”and a depressurization means 6, 6', 6”, 9, 9 ', 9 ”.
  • the gas F passes consecutively in the compressor C1, in the first heat exchange zone 4, in the compressor C2, in the first heat exchange zone 4 ', in the compressor C3, in the first heat exchange zone 4 ”then is stored in the compressed air storage tank 12.
  • the particles circulate from the first particle tank 2 (called the cold tank Rf) towards the second particle tank 3 (called hot tank Rc) passing (in parallel) within the first heat exchange zone 4, within the first heat exchange zone 4 ', and within the first 4 ”heat exchange zone.
  • the gas F passes consecutively from the compressed gas storage tank 12, into the second heat exchange zone 7 ”, into the turbine T3, into the second heat exchange 7 ', in the turbine T2, in the second heat exchange zone 7, in the turbine T1.
  • the particles circulate from the second particle storage tank 3 (called hot tank Rc) to the third particle storage tank 10 (called cold tank Rf) passing (in parallel) within the second zone d 'heat exchange 7 ”, within the second heat exchange zone 7', and within the second heat exchange zone 7.
  • the heat storage particles are transported from the third particle storage tank 10 to the first storage tank 2.
  • the particle storage tanks of the heat exchange systems of the AACAES system can be coupled, which makes it possible to pool the particle storage tanks and therefore to limit the number of components of the storage system. and energy recovery by compressed gas.
  • the high pressure particle feed means can also be pooled.
  • the storage system has a single first particle storage tank, a single second particle storage tank, a single third particle tank, and only two high pressure particle supply means.
  • each compression and / or expansion stage can include at least two heat exchange zones. One of the heat exchange zones is provided for the cooling of the gas in the gas compression phase of the AACAES system and the other heat exchange zone is provided for the heating of the gas in the expansion phase of the system. gas from the AACAES system.
  • Each of the heat exchange zones has a means of depressurization.
  • the heat exchange system may conform to the embodiment of Figure 2.
  • FIG. 5 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, this third embodiment of the invention.
  • the energy storage and recovery system has three compression stages (using compressors C1, C2, C3), three expansion stages (using turbines T1, T2, T3), three heat storage tanks 2 , 3 and 10, six heat exchange zones 4, 4 ', 4 ”, 7, 7', 7”, and a compressed air storage tank 12.
  • the gas flow is illustrated by thick gray arrows and particle circulation is illustrated by thin straight arrows.
  • the compressed gas energy storage and recovery system comprises only two high pressure particle supply means 5 and 8: a first 5 at the outlet of the first particle storage tank 2, and a second 8 at the outlet of the second particle storage tank 3.
  • each heat exchange zone 4, 4 ', 4 ”, 7, 7', 7” respectively comprises a depressurization means 6, 6 ', 6 ”, 9 , 9 ', 9 ”.
  • the gas F passes consecutively in the compressor C1, in the first heat exchange zone 4, in the compressor C2, in the first heat exchange zone 4 ', in the compressor C3, in the first heat exchange zone 4 ”then is stored in the compressed air storage tank 12.
  • the particles circulate from the first particle tank 2 (called the cold tank Rf) towards the second particle tank 3 (called hot tank Rc) passing through the first high pressure particle supply means 5, then, (in parallel) within the first heat exchange zone 4, within the first heat exchange zone 4 ', and within the first heat exchange zone 4 ”.
  • the gas F passes consecutively from the compressed gas storage tank 12, into the second heat exchange zone 7 ”, into the turbine T3, into the second heat exchange zone. heat 7 ', in the turbine T2, in the second heat exchange zone 7, in the turbine T1.
  • the particles circulate from the second particle storage tank 3 (called hot tank Rc) to the third particle storage tank 10 (called cold tank Rf) via the second high particle supply means.
  • pressure 8 then passing, (in parallel) within the second heat exchange zone 7 ”, within the second heat exchange zone 7 ', and within the second heat exchange zone heat 7.
  • the heat storage particles are transported from the third particle storage tank 10 to the first particle storage tank 2.
  • the particle storage tanks of the heat exchange systems of the AACAES system can be coupled, which makes it possible to pool the particle storage tanks and therefore to limit the number of components of the storage system. and energy recovery by compressed gas.
  • the high pressure particle feed means can also be pooled.
  • the storage system comprises a single first particle storage tank, a single second particle storage tank, a single third particle tank, and a single high pressure particle supply means.
  • each compression and / or expansion stage can include at least two heat exchange zones. One of the heat exchange zones is provided for cooling the gas in the gas compression phase of the AACAES system and the other heat exchange zone is provided for heating the gas in the expansion phase of the system. gas from the AACAES system.
  • Each of the heat exchange zones has a depressurization means.
  • the heat exchange system may conform to the embodiment of FIG. 2.
  • FIG. 6 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, this fourth embodiment of the invention.
  • the energy storage and recovery system has three compression stages (using compressors C1, C2, C3), three expansion stages (using turbines T1, T2, T3), three heat storage tanks 2 , 3 and 10, six heat exchange zones 4, 4 ', 4 ”, 7, 7', 7”, and a compressed air storage tank 12.
  • the circulation of gas F is illustrated by thick gray arrows and the particle circulation is illustrated by thin straight arrows.
  • the compressed gas energy storage and recovery system comprises only a means of supplying high pressure particles 5: it is connected to the outlet of the first particle storage tank 2, and to the outlet of the second particle storage tank. particle storage 3.
  • each heat exchange zone 4, 4 ', 4 ”, 7, 7', 7” respectively comprises a depressurization means 6, 6 ', 6 ”, 9, 9 ', 9 ”.
  • the gas F passes consecutively in the compressor C1, in the first heat exchange zone 4, in the compressor C2, in the first heat exchange zone 4 ', in the compressor C3, in the first heat exchange zone 4 ”then is stored in the compressed air storage tank 12.
  • the particles circulate from the first particle tank 2 (called the cold tank Rf) towards the second particle tank 3 (called hot tank Rc) passing through the high pressure particle supply means 5, then, (in parallel) within the first heat exchange zone 4, within the first heat exchange zone 4 ', and within the first heat exchange zone 4 ”.
  • the gas F passes consecutively from the compressed gas storage tank 12, into the second heat exchange zone 7 ”, into the turbine T3, into the second heat exchange zone. heat 7 ', in turbine T2, in second heat exchange zone 7, in the turbine T1.
  • the particles circulate from the second particle storage tank 3 (called hot tank Rc) to the third particle storage tank 10 (called cold tank Rf) via the high pressure particle supply means. 5, then passing, (in parallel) within the second heat exchange zone 7 ”, within the second heat exchange zone 7 ', and within the second heat exchange zone 7.
  • the heat storage particles are transported from the third particle storage tank 10 to the first particle storage tank 2.
  • the depressurization means can be pooled, so as to limit the number of components. This embodiment can be combined with any of the embodiments described above.
  • Figure 7 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, a combination of this embodiment with the fourth embodiment of the invention ( Figure 6).
  • the energy storage and recovery system has three compression stages (using compressors C1, C2, C3), three expansion stages (using turbines T1, T2, T3), three heat storage tanks 2 , 3 and 10, six heat exchange zones 4, 4 ', 4 ”, 7, 7', 7”, and a compressed air storage tank 12.
  • the gas flow is illustrated by thick gray arrows and particle circulation is illustrated by thin straight arrows.
  • the compressed gas energy storage and recovery system comprises only a means of supplying high pressure particles 5: it is connected to the outlet of the first particle storage tank 2, and to the outlet of the second particle storage tank. particle storage 3.
  • the compressed gas energy storage and recovery system only comprises depressurization means 6: it is connected to the inlet of the second particle storage tank 3 and to the inlet of the third particle storage tank 10.
  • the gas F passes consecutively in the compressor C1, in the first heat exchange zone 4, in the compressor C2, in the first heat exchange zone 4 ', in the compressor C3, in the first heat exchange zone 4 ”then is stored in the compressed air storage tank 12.
  • the particles circulate from the first particle tank 2 (called the cold tank Rf) towards the second particle tank 3 (called hot tank Rc) passing through the high pressure particle supply means 5, then, (in parallel) to within the first heat exchange zone 4, within the first heat exchange zone 4 ', and within the first heat exchange zone 4 ”, and finally in the depressurization means 6.
  • the gas F passes consecutively from the compressed gas storage tank 12, into the second heat exchange zone 7 ”, into the turbine T3, into the second heat exchange 7 ', in the turbine T2, in the second heat exchange zone 7, in the turbine T1.
  • the particles circulate from the second particle storage tank 3 (called hot tank Rc) to the third particle storage tank 10 (called cold tank Rf) via the high pressure particle supply means. 5, then passing, (in parallel) within the second heat exchange zone 7 ”, within the second heat exchange zone 7 ', and within the second heat exchange zone 7, and finally in the depressurization means 6.
  • the heat storage particles are transported from the third particle storage tank 10 to the first particle storage tank 2.
  • the present invention relates to a method of exchanging heat between a fluid and heat storage particles.
  • the following steps can be carried out: a) a fluidized bed comprising the heat storage particles is circulated in a heat exchange zone from a first particle storage tank to a second heat storage tank. particles; and b) the fluid is circulated in the heat exchange zone countercurrently with respect to the fluidized bed, from the outlet towards the inlet of the fluidized bed in the heat exchange zone (that is to say - say in a direction generally against the current of the fluidized bed).
  • the pressure is limited within the first and second particle storage tanks, by means of a means for supplying high pressure particles to one end of the heat exchange zone (inlet of the bed fluidized), and by means of depressurization means at the other end of the heat exchange zone (outlet of the fluidized bed).
  • the circulation of the fluid can be cross-current.
  • Cross-flow circulation and generally in the opposite direction makes it possible to obtain high efficiency of the heat exchange.
  • the heat exchange method can be carried out by means of the heat exchange system according to the invention, for example according to one of the embodiments of Figures 2 and 3.
  • the fluid can be a gas, especially air.
  • the fluidized bed can be circulated on a downward path, and the fluid on an upward path.
  • the fluidized bed can be circulated in the heat exchange zone by gravity, more preferably by means of a heat exchange zone inclined with respect to the horizontal.
  • the following steps can be implemented: a) the particles are stored in a first particle storage tank; b) heat exchange is performed in a first heat exchange zone between a fluidized bed comprising the particles stored in the first particle storage tank and a fluid; c) the particles are stored at the outlet of the heat exchange in a second particle storage tank; d) heat exchange is performed in a second heat exchange zone between a fluidized bed comprising the particles stored in the second particle storage tank and a fluid; and e) the particles are stored, at the outlet of the heat exchange zone, in the first particle storage tank or in a third particle storage tank.
  • the method can comprise an additional step of transporting the particles from the third particle storage tank to the first particle storage tank.
  • the present invention also relates to a method for storage and recovery by compressed gas (called AACAES method), in which the following steps are carried out: a) a gas is compressed, in particular by means of a compressor;
  • the heated compressed gas is expanded to generate energy, for example by means of a turbine to generate electrical energy.
  • the heat exchange between the gas and the particles is carried out in a heat exchange zone with a flow of the fluid countercurrently with respect to the fluidized bed which contains the particles.
  • the method for storing and recovering energy by compressed gas can implement the system for storing and recovering energy by compressed gas according to any one of the embodiments. or combinations of embodiments described above, for example one of the embodiments of Figures 3 to 7.
  • the method may include several successive compression steps, by means of compressors placed in series, also called staged compressions.
  • steps a) and b) are repeated for each compression stage.
  • the gas is compressed and cooled several times.
  • the method may include several successive expansion steps, by expansion means placed in series, also called stepped detents.
  • steps d) and e) are repeated for each expansion stage.
  • the gas is heated and expanded several times.
  • Step a) relates to the compression of a gas, for example air. This may in particular be air taken from the ambient environment.
  • Step b) allows the compressed gas to be cooled after each compression step, which makes it possible to optimize the efficiency of the following compression and / or the 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 switching to the next compression or before storage.
  • compressed gas can pass from a temperature above 150 O, for example about 190 ° C to a temperature below 80 O, for example about 50 O.
  • Step c) can be carried out in a compressed gas storage means, which may or may not be a natural reservoir (for example an underground cavity).
  • the compressed gas storage means can be on the surface or underground. In addition, it can be formed of a single volume or of a plurality of volumes connected to each other or not. During storage, the compressed gas storage means is closed.
  • Step d) The compressed gas is stored until the moment it is desired to recover the stored energy.
  • Step d) heats the compressed air before each expansion, which optimizes the performance of the next expansion.
  • the heat storage particles which were used to cool in step b) can be used.
  • the heat storage means make it possible, during the release of energy, to release as much stored heat as possible by increasing the temperature of the gas before switching to the next expansion.
  • the gas can change from a temperature below 80 O, for example about 50 O, to a temperature above 150 O, for example about 180 O.
  • step e the compressed gas is expanded.
  • the expansion of the compressed gas makes it possible to generate energy. This expansion can be achieved by means of a turbine which generates electrical energy. If the gas is air, the expanded air can be released to the surrounding environment.
  • the method and system for storage and recovery of energy by compressed gas (AACAES) according to the invention can be used for the storage of intermittent energy, such as wind or solar energy, in order to be able to use this energy at the same time. desired time.
  • intermittent energy such as wind or solar energy

Abstract

La présente invention concerne un système et un procédé d'échange de chaleur (1) entre un fluide et un lit fluidisé de particules de stockage de la chaleur, au moyen de deux réservoirs de stockage de particules (2, 3) et d'au moins une zone d'échange de chaleur (4) à contre- courant entre le fluide et le lit fluidisé de particules. Pour ce système et ce procédé, les réservoirs de stockage des particules sont à basse pression (BP), et les zones d'échange de chaleur sont à haute pression (HP). Pour cela, les réservoirs de stockage de particules sont séparées de la zone d'échange de chaleur d'une part par un moyen d'alimentation de particules à haute pression (5), et d'autre part par un moyen de dépressurisation (6).

Description

SYSTEME ET PROCEDE D’ECHANGE DE CHALEUR A CONTRE-COURANT ENTRE UN FLUIDE ET DES PARTICULES DE STOCKAGE DE CHALEUR
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des systèmes d’échange 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 de l’énergie de l’air comprimé se retrouve sous forme de chaleur qui n’est pas utilisée. En effet, dans les procédés CAES, on n’utilise que l’énergie mécanique de l’air, c’est-à-dire qu’on rejette toute la chaleur produite lors de la compression. A titre d’exemple, de l’air comprimé à 8 MPa (80 bar) se réchauffe pendant la compression jusqu’à environ 1500, mais il est refroidi avant le stockage. De plus, le rendement d’un système CAES n’est pas optimal, car ensuite le système nécessite de chauffer 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). L’air se refroidit donc jusqu’à des températures non réalistes (83 K soit -1910). 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 due à la compression. Toutefois, ce type de système nécessite un système de stockage spécifique, volumineux et coûteux (stockage adiabatique). • AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à température ambiante, et la chaleur due à la compression est également stockée, 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 au moyen de particules solides.
Par ailleurs, de tels systèmes d’échange de chaleur TES sont utilisés dans d’autres domaines : le stockage de l’énergie solaire, marine, dans les procédés de métallurgie, etc.
Technique antérieure
Un des critères de design des systèmes d’échange et de stockage de chaleur est leur capacité à contrôler la stratification thermique (ou thermocline) des faibles températures vers des températures élevées. En effet, le rendement et l’efficacité de stockage de la chaleur en dépendent.
Dans ce but, plusieurs types de système d’échange de chaleur ont été développés. Certains types de système d’échange de chaleur concernent un lit fixe de particules solides, ou des échanges thermiques de fluides circulant à co-courant. Cependant, ces échanges de chaleur ne sont pas optimaux en termes d’efficacité.
Par exemple, les demandes de brevet WO 201 1/027309 et WO 201 1/135501 décrivent des systèmes de stockage de la chaleur comprenant des particules solides sous forme de lit fluidisé. Toutefois, pour ces solutions, les échanges de chaleur entre le fluide et les particules solides se font indirectement au moyen d’un échangeur de chaleur plongé dans le lit fluidisé. Ainsi, l’efficacité de l’échange de chaleur entre le fluide de stockage et les particules solides n’est pas optimale, notamment car l’échange de chaleur est indirect, et car toutes les particules ne sont pas en contact avec le fluide de stockage.
De plus, la demande de brevet FR 3004245 propose plusieurs configurations d’un système d’échange de chaleur thermique faisant appel à la fluidisation des particules au moyen de réactions thermochimiques. Toutefois, cette solution nécessite également un échangeur de chaleur traversant le lit fluidisé, ce qui ne permet pas une optimisation de l’échange de chaleur, notamment car l’échange est indirect, et car toutes les particules ne sont pas en contact avec le fluide.
La demande de brevet FR 3044749 concerne un système d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur. Le système d’échange comporte une zone d’échange, dans laquelle le fluide et les particules de stockage de chaleur (sous forme de lit fluidisé) s’écoulent à contre-courant et courant-croisé. Cet écoulement à contre-courant et à courant-croisé permet une efficacité élevée de l’échange de chaleur entre le fluide et les particules. Ce type de système d’échange de chaleur donne satisfaction notamment en termes de performances. Néanmoins, cette technologie est difficile à mettre en oeuvre, en particulier dans les étages supérieurs de compression. En effet, le système ne permet pas de découpler les pressions d’échange de chaleur et de stockage, les réservoirs de stockage des particules doivent résister à la pression du fluide. Ainsi, le système est bien adapté pour les pressions du fluide basses, pour lesquelles un réservoir de stockage standard peut être utilisé. Cependant, pour les pressions du fluide élevées, le réservoir de stockage des particules doit être dimensionné pour pouvoir résister aux pressions envisagées (par exemple 13 MPa), ce qui engendre des contraintes sur les matériaux utilisés, sur les épaisseurs, et par conséquent sur le coût des réservoirs de stockage de particules.
Résumé de l’invention
La présente invention a notamment pour but de stocker de la chaleur en minimisant les coûts de ce stockage, et en simplifiant la conception des réservoirs de stockage des particules. Dans ce but, la présente invention concerne un système et un procédé d’échange de chaleur entre un fluide et un lit fluidisé de particules de stockage de la chaleur, au moyen de deux réservoirs de stockage de particules et d’au moins une zone d’échange de chaleur à contre- courant entre le fluide et le lit fluidisé de particules. Pour ce système et ce procédé, les réservoirs de stockage des particules sont à basse pression, et les zones d’échange de chaleur sont à haute pression. Pour cela, les réservoirs de stockage de particules sont séparées de la zone d’échange de chaleur d’une part par un moyen d’alimentation de particules à haute pression, et d’autre part par un moyen de dépressurisation.
La présente invention concerne également un système et un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé mettant en oeuvre le système et le procédé de stockage de la chaleur selon l’invention.
L’invention concerne un système d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur comprenant au moins deux réservoirs de stockage desdites particules, et au moins une zone d’échange de chaleur disposée entre lesdits deux réservoirs de stockage desdites particules, ledit fluide et un lit fluidisé desdites particules de stockage de chaleur s’écoulant à contre-courant dans ladite zone d’échange de chaleur. Ledit système d’échange de chaleur comprend des moyens d’alimentation en particules de stockage de chaleur à haute pression disposés entre un premier réservoir de stockage desdites particules et ladite au moins une zone d’échange de chaleur, ainsi que des moyens de dépressurisation disposés entre ladite au moins une zone d’échange de chaleur et un deuxième réservoir de stockage desdites particules.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d’alimentation en particules de stockage de chaleur à haute pression sont choisis parmi une vanne rotative, une trémie à sas, un distributeur de boue, un distributeur de bouchons, un distributeur dynamique, et un distributeur à pistons.
Conformément à une mise en oeuvre, ledit système d’échange de chaleur comporte un premier réservoir de stockage desdites particules, un deuxième réservoir de stockage desdites particules, au moins une première zone d’échange de chaleur étant formée entre lesdites premier et deuxième réservoirs de stockage desdites particules, et un troisième réservoir de stockage desdites particules, au moins une deuxième zone d’échange de chaleur étant formée entre lesdits deuxième et troisième réservoirs de stockage de particules.
De préférence, ledit système d’échange de chaleur comporte des moyens de transport desdites particules de stockage de chaleur dudit troisième réservoir de stockage desdites particules vers ledit premier réservoir de stockage desdites particules.
Selon un aspect, ledit fluide et ledit lit fluidisé desdites particules de stockage de chaleur s’écoulent à courant-croisé dans ladite au moins une zone d’échange de chaleur.
De plus, l’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un moyen de stockage dudit gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie. Ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte au moins un système d’échange de chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes.
Selon une caractéristique, ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte une pluralité d’étages de compression et/ou de détente, constituée d’une pluralité de moyens de compression dudit gaz et/ou d’une pluralité de moyens de détente dudit gaz, et dans lequel au moins une zone d’échange de chaleur d’un système d’échange de chaleur, est disposée entre deux étages de compression et/ou de détente consécutifs.
Avantageusement, ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte, pour chaque étage de compression et/ou de détente, trois réservoirs de stockage desdites particules, au moins une zone d’échange de chaleur en sortie de chaque étage de compression, et/ou au une moins zone d’échange de chaleur en entrée de chaque étage de détente, chaque zone d’échange de chaleur reliant deux desdits réservoirs de stockage desdites particules.
De manière avantageuse, ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte trois réservoirs de stockage desdites particules, et, pour chaque étage de compression et/ou de détente, au moins une zone d’échange de chaleur en sortie de chaque étage de compression, et/ou au moins une zone d’échange de chaleur en entrée de chaque étage de détente, chaque zone d’échange de chaleur reliant deux desdits réservoirs de stockage desdites particules.
Préférentiellement, chaque zone d’échange de chaleur comporte un moyen d’alimentation de particules à haute pression.
En variante, chaque réservoir de stockage desdites particules comporte un moyen d’alimentation de particules à haute pression.
Alternativement, un unique moyen d’alimentation de particules à haute pression relie lesdits réservoirs de stockage desdites particules et lesdites zones d’échange de chaleur.
Conformément à un mode de réalisation, un unique moyen de dépressurisation relie lesdites zones d’échange de chaleur et lesdits réservoirs de stockage desdites particules.
L’invention concerne également un procédé d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur au moyen d’un système d’échange de chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes, dans lequel on met en oeuvre les étapes suivantes :
a) on stocke lesdites particules de stockage de chaleur dans un premier réservoir de stockage de particules ;
b) on réalise ledit échange de chaleur entre lesdites particules stockées dans ledit premier réservoir de stockage de particules avec un fluide dans une première zone d’échange de chaleur ;
c) on stocke lesdites particules, en sortie de la première zone d’échange de chaleur, dans un deuxième réservoir de stockage de particules ;
d) on réalise ledit échange de chaleur entre lesdites particules stockées dans le deuxième réservoir de stockage de particules avec un fluide dans une deuxième zone d’échange de chaleur ; et
e) on stocke lesdites particules, en sortie de la deuxième zone d’échange de chaleur, dans ledit premier réservoir de stockage de particules ou dans un troisième réservoir de stockage de particules.
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 dans un système d’échange de chaleur selon l’une caractéristiques précédentes ;
c) on stocke ledit gaz refroidi ;
d) on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dans ledit système d’échange de chaleur ; et
e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie.
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.
Liste des figures
La figure 1 illustre un système d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 illustre un système d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 4 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La figure 5 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
La figure 6 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
La figure 7 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un cinquième mode de réalisation de l’invention.
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un système d’échange de chaleur (TES) entre un fluide et des particules de stockage de chaleur comprenant au moins une zone d’échange de chaleur dans laquelle s’écoulent ledit fluide et un lit fluidisé comprenant les particules de stockage de chaleur. Le système d’échange de chaleur comporte en outre au moins deux réservoirs de stockage des particules de stockage de la chaleur. La zone d’échange de chaleur est disposée entre les deux réservoirs de stockage de particules. En d’autres termes, les particules de stockage de la chaleur circulent depuis un premier réservoir de stockage des particules vers un deuxième réservoir de stockage des particules en passant au sein de la zone d’échange de chaleur. De préférence, un des réservoirs de stockage des particules peut contenir des particules chaudes, et un autre des réservoirs peut contenir des particules froides. Grâce à ces réservoirs, il est donc possible de stocker la chaleur échangée entre le fluide et les particules. Entre deux réservoirs de stockage des particules, plusieurs zones d’échange de chaleur peuvent être prévues en parallèle. Le fait que l’échange de chaleur n’ait pas lieu dans les réservoirs mais dans une zone d’échange de chaleur externe aux réservoirs de stockage de particules, permet d’avoir un volume de stockage des particules à température uniforme, ce qui est important pour l’efficacité du système. En effet, dans chaque réservoir de stockage des particules, toutes les particules ont sensiblement une température constante.
Selon l’invention, dans la zone d’échange de chaleur, le fluide et le lit fluidisé de particules de stockage de chaleur circulent à contre-courant. En d’autres termes, le fluide circule de la sortie vers l’entrée du lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur.
Les particules de stockage de la chaleur sont des éléments de petites dimensions (par exemple entre 0.02 et 1 mm) aptes à stocker de la chaleur.
Un lit fluidisé est constitué d’une phase solide composé de particules de petite taille et d’une phase fluide en écoulement. Par exemple, la phase fluide peut être gazeuse, sous forme d’air ou de gaz rare. La phase fluide peut être injectée à une extrémité de la zone d’échange de chaleur, à proximité de l’entrée (injection) des particules pour former le lit fluidisé.
Selon l’invention, le système d’échange de chaleur comprend en outre un moyen d’alimentation en particules de stockage à haute pression (HPSF de l’anglais « high pressure solid feeder ») et un moyen de dépressurisation. Le moyen d’alimentation en particules de stockage à haute pression est disposé à une extrémité de la zone d’échange de chaleur, et le moyen de dépressurisation est disposé à l’autre extrémité de la zone d’échange de chaleur. Ainsi, la pression régnant dans les réservoirs de stockage des particules peut être distincte de la pression régnant dans la zone d’échange de chaleur, qui peut correspondre à la pression du fluide. De préférence, les réservoirs de stockage des particules peuvent être à basse pression, et la zone d’échange de chaleur peut être à haute pression. Autrement dit, la pression au sein des réservoirs de stockage des particules peut être inférieure à la pression de la zone d’échange de chaleur. De cette manière, les réservoirs de stockages des particules peuvent être standard, de conception simple et peu onéreux. Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen d’alimentation en particules de stockage à haute pression HPSF peut être choisi parmi une vanne rotative (de l’anglais « rotary valve »), une trémie à sas (de l’anglais « lock hopper ») ou un distributeur à pistons (de l’anglais « piston feeder ») ou un distributeur à bouchons (de l’anglais « plug form feeder »), ou un distributeur dynamique (de l’angalis « dynamic feeder »), ou un distributeur de boue (de l’anglais « slurry feeder »).
Pour ce mode de réalisation, le type de moyen d’alimentation en particules de stockage à haute pression HPSF peut être choisi en fonction des pressions mises en oeuvre dans la zone d’échange de chaleur (pression du fluide). Par exemple, pour des pressions du fluide inférieures ou égales à 12 bars (1.2 MPa), on peut utiliser une vanne rotative, pour des pressions du fluide inférieures ou égales à 85 bars (8.5 MPa), on peut utiliser une trémie à sas, et pour des pressions du fluide inférieures ou égales à 120 bars (12 MPa), on peut utiliser un distributeur à pistons.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de dépressurisation peut être une vanne de régulation de pression pouvant fonctionner avec fluide chargé de particules solides.
Selon un mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut comporter des moyens de circulation du fluide configurés pour former une circulation à courant-croisé du fluide par rapport au lit fluidisé dans ladite zone d’échange de chaleur et pour former une circulation du fluide de la sortie vers l’entrée dudit lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur (tel que décrit dans la demande de brevet FR 3044749). L’écoulement est dit à courant-croisé, car la direction de l’écoulement du fluide n’est pas parallèle à l’écoulement du lit fluidisé : le fluide croise le lit fluidisé. Cette circulation à courant-croisé et contre-courant permet de bonnes performances en termes d’échange thermiques entre le fluide et les particules de stockage de chaleur. Selon un mode de réalisation de l’invention, le fluide s’écoule selon une direction sensiblement perpendiculaire, par exemple entre 60 et 120°, de préférence entre 75 et 105°, à la direction d’écoulement du lit fluidisé.
Pour ce mode de réalisation de l’invention, les moyens de circulation dudit fluide peuvent comporter des moyens d’injection et des moyens de soutirage du fluide aptes à faire circuler le fluide selon une direction sensiblement perpendiculaire à la circulation du lit fluidisé. Lorsque les moyens de circulation de fluide comportent une pluralité de moyens d’injection et de soutirage, ceux-ci peuvent être répartis tout le long de la zone d’échange. De préférence, dans ce cas, les moyens d’injection et de soutirage peuvent être associés de manière à ce que le fluide circule consécutivement dans tous les moyens d’injection et de soutirage. Ainsi, il est possible de favoriser les échanges de chaleur au moyen de plusieurs passages consécutifs du fluide dans le lit fluidisé.
Avantageusement, les moyens d’injection du fluide sont situés dans la partie inférieure de la zone d’échange, et les moyens de soutirage du fluide sont situés dans la partie supérieure de la zone d’échange. Ainsi, le fluide entre dans la partie inférieure de la zone d’échange, traverse la zone d’échange, en croisant le lit fluidisé, puis ressort dans la partie supérieure de la zone d’échange. De plus, le fluide qui pénètre dans les moyens de soutirage peuvent être reconduits dans les moyens d’injection adjacents par des moyens extérieurs à la zone d’échange de chaleur. Les moyens d’injection adjacents, dans lesquels le fluide est reconduit, sont les moyens d’injection situés en amont des précédents moyen d’injection dans le sens de circulation du lit fluidisé.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la zone d’échange de chaleur est formée par une conduite, un canal, une colonne, ou tout moyen analogue. La conduite (ou canal) peut être de section circulaire, rectangulaire, elliptique, etc. La conduite ou canal peut être prévue pour résister à la pression du fluide. Par exemple la conduite ou canal peut être réalisée en acier ou en béton précontraint, etc.
Selon une variante de réalisation de l’invention, le système d’échange de chaleur selon l’invention peut comprendre des particules solides ou des particules, sous forme de capsules contenant un matériau à changement de phase (MCP). Ces matériaux permettent également une réduction du volume des éventuels moyens de stockage, car ils permettent de stocker une grande quantité d’énergie sous la forme de chaleur latente. Un compromis entre efficacité et coût peut également être trouvé en mélangeant des MCP et des matériaux de stockage, utilisant la chaleur sensible pour stocker la chaleur, dans le lit fluidisé. Parmi les matériaux à changement de phase, on peut utiliser les matériaux suivants : les paraffines, dont la température de fusion est inférieure à 130°C, les sels qui fondent à des températures supérieures à 3000, des mélanges (eutectiques) qui permettent d’avoir une large gamme de température de fusion.
Les particules solides (qu’elles soient ou non à changement de phase) peuvent avoir toutes les formes connues des milieux granulaires classiques (billes, cylindres, extrudés, trilobés ...), ainsi que toute autre forme permettant de maximiser la surface d’échange avec le gaz. De préférence, les particules sont sous la forme de billes, de manière à limiter les problèmes d’attrition. La taille de particules peut varier entre 0.02 mm et 1 mm, de manière préférée entre 0.05 et 0.5 mm et de manière encore plus préférée entre 0.07 et 0.2 mm.
Conformément à une variante de réalisation de l’invention, le fluide peut être un gaz, notamment de l’air. Le fluide peut être un gaz à refroidir ou à chauffer par les particules dans la zone d’échange de chaleur.
Selon une variante, le lit fluidisé peut s’écouler par gravité dans la zone d’échange de chaleur. Ainsi, l’énergie nécessaire pour permettre l’écoulement du lit fluidisé est moindre. Dans ce cas, la zone d’échange de chaleur peut être inclinée par rapport à l’horizontale. De préférence, l’angle d’inclinaison de la zone d’échange par rapport à l’horizontale peut être compris entre 5 et 60°.
Selon une variante de réalisation de l’invention, plusieurs zones d’échange de chaleur sont placées en parallèle. Ainsi, il est possible de limiter la longueur des zones d’échange de chaleur, tout en favorisant l’échange de chaleur.
Conformément à une caractéristique de l’invention, le fluide peut circuler selon une trajectoire sensiblement ascendante.
De manière avantageuse, le fluide peut être un gaz, notamment de l’air.
La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention. Le système d’échange de chaleur 1 comprend un premier réservoir de stockage de particules 2, une conduite 4 formant une zone d’échange de chaleur, et un deuxième réservoir de stockage de particules 3. La conduite 4 relie le premier réservoir de stockage de particules 2 et le deuxième réservoir de stockage de particules 3. La circulation des particules de stockage de la chaleur est illustrée par la flèche grisée. Les particules de stockage de chaleur circulent du premier réservoir de stockage des particules 2 vers le deuxième réservoir de stockage de particules 3, en passant au sein de la conduite 4. Le fluide F circule dans la conduite 4 à contre-courant des particules de stockage de chaleur. La circulation du fluide F est illustrée schématiquement par les flèches blanches. Le système d’échange de chaleur 1 comporte en outre un moyen d’alimentation en particules à haute pression FIPSF 5 et un moyen de dépressurisation 6. Le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5 est disposé à une extrémité de la conduite 4 à proximité du premier réservoir de particules 2. Le moyen de dépressurisation 6 est disposé à l’autre extrémité de la conduite 4 à proximité du deuxième réservoir de particules 3. Ainsi les premier et deuxième réservoirs de particules 2 et 3 sont à basse pression BP, et la conduite 4 est à haute pression HP.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, ledit système d’échange de chaleur peut comporter un premier réservoir de stockage des particules, un deuxième réservoir de stockage des particules, au moins une première zone d’échange de chaleur étant formée entre les premier et deuxième réservoirs de stockage des particules, et un troisième réservoir de stockage des particules, au moins une deuxième zone d’échange de chaleur étant formée entre les deuxième et troisième réservoirs de stockage des particules. Cette mise en oeuvre de l’invention est particulièrement avantageuse pour une utilisation d’un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. En effet, la première zone d’échange de chaleur peut être prévue pour récupérer de la chaleur d’un fluide chaud, et la deuxième zone d’échange de chaleur peut être prévue pour transférer de la chaleur à un fluide froid, les particules stockant la chaleur dans le deuxième réservoir de stockage des particules.
Selon ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut comporter trois réservoirs et au moins deux zones d’échanges de chaleur.
Par exemple, les premier et le troisième réservoirs de stockage des particules peuvent stocker des particules froides, et le deuxième réservoir peut stocker des particules chaudes. Ainsi, dans la première zone d’échange de chaleur, le fluide est refroidi, et dans la deuxième zone d’échange de chaleur le fluide est chauffé.
Avantageusement, ledit système peut comporter des moyens de transport desdites particules de stockage de chaleur dudit troisième réservoir vers ledit premier réservoir. Ces moyens de transport peuvent être pneumatiques, comprendre un système de vis sans fin, etc. Ainsi, il est possible de prévoir une circulation des particules de stockage de chaleur en boucle fermée.
Les principaux avantages du système d’échange et de stockage de chaleur selon l’invention sont :
- Les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et les particules sont maximisés, et la taille du système d’échange de chaleur est réduite en conséquence, grâce à deux facteurs :
• Les échanges se font dans un régime de fluidisation du solide • Le profil thermique établi dans la zone d’échange de chaleur est proche de celui d’un échangeur à contre-courant.
- La température chaude et froide du système sont maintenues constantes. En effet, les particules chaudes et froides sont stockées à température uniforme dans des volumes isolés, ce qui permet de s’affranchir du problème du maintien du thermocline dans le réservoir, comme c’est le cas dans les systèmes de stockage de la chaleur en lit fixe (point chaud et point froid au sein d’un même réacteur).
- Par rapport à un système de stockage en lit fixe, il n’y a pas de risques liés à des mauvaises distributions du solide.
- Le système d’échange de chaleur permet de la souplesse car les charges et décharges partielles sont facilitées. En effet, il est possible de couper à tout moment l’alimentation du solide dans la zone d’échange de chaleur et de ne chauffer/refroidir qu’une partie de ce dernier.
La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, la circulation des particules de stockage de chaleur est représentée par des flèches grisées, la circulation du fluide est représentée par des flèches blanches. Le système d’échange de chaleur comporte un premier réservoir 2 de stockage des particules de stockage de chaleur. Les particules du premier réservoir 2 sont déchargées dans une première zone d’échange de chaleur 4, et sont fluidisées par des moyens de fluidisation (non représentés). La zone d’échange de chaleur 4 comprend au moins une conduite inclinée. Le fluide circule à contre-courant (et optionnellement à courant-croisé) dans la première zone d’échange de chaleur 4 par rapport à l’écoulement du lit fluidisé. En sortie de la première zone d’échange de chaleur 4, les particules sont stockées dans le deuxième réservoir de stockage des particules 3. A proximité du premier réservoir de stockage des particules 2, la première zone d’échange de chaleur 4 comprend un moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, et à proximité du deuxième réservoir de particules 3, la première zone d’échange de chaleur 4 comprend un moyen de dépressurisation 6. Les particules du deuxième réservoir de stockage des particules 3 sont déchargées dans une deuxième zone d’échange 7, et sont fluidisées par des moyens de fluidisation (non représentés). La deuxième zone d’échange 7 comprend au moins une conduite inclinée. Le fluide circule à contre-courant (et optionnellement à courant- croisé) dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7 par rapport à l’écoulement du lit fluidisé. En sortie de la deuxième zone d’échange de chaleur 7, les particules sont stockées dans le troisième réservoir de stockage des particules 10. A proximité du deuxième réservoir de particules 3, la deuxième zone d’échange de chaleur 7 comprend un moyen d’alimentation en particules à haute pression 8, et à proximité du troisième réservoir de particules 10, la deuxième zone d’échange de chaleur 7 comprend un moyen de dépressurisation 9. Les particules du troisième réservoir de stockage des particules 10 sont transportées par des moyens de transport 1 1 dans le premier réservoir de stockage des particules 2. Les premier et troisième réservoirs de stockage des particules 2 et 10 peuvent être des réservoirs de particules froides, et le deuxième réservoir de stockage des particules 3 peut être un réservoir de particules chaudes. Dans ce cas, la première zone d’échange de chaleur 4 permet le refroidissement du fluide F, et la deuxième zone d’échange de chaleur 7 permet le chauffage du fluide F. Pour le mode de réalisation illustré, les premier, deuxième et troisième réservoirs de particules 2, 3 et 10 sont à basse pression BP, et les première et deuxième zones d’échange de chaleur 4 et 7 sont à haute pression HP, grâce aux moyens d’alimentation en particules à haute pression 5 et 8, et aux moyens de dépressurisation 6 et 9.
En outre, 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 AACAES). Dans cette mise en oeuvre, le gaz sous pression (souvent de l’air) est stocké froid. Le système de stockage et de récupération d’énergie 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 ou en sous-sol. De plus, il peut être formé d’un unique volume ou d’une pluralité de volumes connectés entre eux 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 système d’échange de la chaleur, permettant le stockage de la chaleur issue du gaz comprimé lors de la phase de stockage d’énergie, et permettant la restitution de la chaleur stockée au gaz comprimé lors de la phase de la restitution d’énergie, le système d’échange de la chaleur est de préférence placé en sortie des moyens de compression et en entrée des moyens de détente. Selon l’invention, le système d’échange de la chaleur comprend des particules solides de stockage de la chaleur. Ces particules solides échangent de la chaleur avec le gaz lors des phases de stockage et de restitution d’énergie, cette chaleur étant stockée dans les particules entre ces deux phases. Selon l’invention, les systèmes de stockage de la chaleur sont conformes à l’une quelconque des variantes de réalisation décrites précédemment, ou à l’une quelconque des combinaisons des variantes précédemment décrites.
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 système d’échange de chaleur est disposé entre chaque étage de compression et/ou de détente. Ainsi, le gaz comprimé est refroidi après chaque compression, ce qui permet d’optimiser le rendement de la compression suivante, et le gaz détendu est chauffé avant 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 peut 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 AACAES) 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 systèmes 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 pour l’air. Dans ce cas, l’air en entrée utilisé pour la compression peut être prélevé de l’air ambiant, et l’air en sortie après la détente peut être relâché dans l’air ambiant. Dans la suite de la description, seule la variante de réalisation avec de l’air comprimé, et son application AACAES seront décrites. Toutefois, le système et le procédé sont valables pour tout autre gaz.
Pour le mode de réalisation pour lequel le système de stockage de la chaleur comporte une pluralité d’étages de compression ou de détente, l’échange de chaleur entre le gaz et les particules de stockage de chaleur peut être réalisé dans au moins une zone d’échange de chaleur (d’un système d’échange de chaleur) qui est disposée entre deux réservoirs de stockage de particules.
Selon un premier mode de réalisation, tous les systèmes d’échange de chaleur du système AACAES peuvent être découplés, ce qui permet de rendre les systèmes d’échange de chaleur indépendant les uns des autres. Pour ce mode de réalisation, chaque étage de compression et/ou de détente peut comporter trois réservoirs de stockage de particules et au moins deux zones d’échange de chaleur équipées chacune d’un moyen d’alimentation en particules à haute pression et d’un moyen de dépressurisation. L’une des zones d’échange de chaleur est prévue pour le refroidissement du gaz dans la phase de compression du gaz du système AACAES et l’autre zone d’échange de chaleur est prévue pour le chauffage du gaz dans la phase de détente du gaz du système AACAES. Selon une variante de réalisation de ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut être conforme au mode de réalisation de la figure 2. Pour ce mode de réalisation, on peut adapter le moyen d’alimentation en particules à haute pression à la pression du gaz dans l’étage de compression et/ou de détente.
La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, ce premier mode de réalisation de l’invention. Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois systèmes d’échange de chaleur 1 , 1’, 1” (conformes au mode de réalisation de la figure 2), et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz est illustrée par des flèches courbes épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Pour ce mode de réalisation, chaque zone d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7” comprend un moyen d’alimentation en particules à haute pression (représentés schématiquement par des triangles) et un moyen de dépressurisation (représentés schématiquement par des doubles triangles formant des sabliers). En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4 du système d’échange de chaleur 1 , dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’ du système d’échange de chaleur 1’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange 4” de chaleur du système d’échange de chaleur 1” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules du système d’échange de chaleur 1 circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf 1 ) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc1 ) en passant au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, les particules du système d’échange de chaleur 1’ circulent du premier réservoir de particules 2’ (dit réservoir froid Rf2) vers le deuxième réservoir de particules 3’ (dit réservoir chaud Rc2) en passant au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et les particules du système d’échange de chaleur 1” circulent du premier réservoir de particules 2” (dit réservoir froid Rf3) vers le deuxième réservoir de particules 3” (dit réservoir chaud Rc3) en passant au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”.
En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone 7” du système de stockage de chaleur 1”, dans la turbine T3, dans la deuxième zone 7’ du système de stockage de chaleur 1’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone 7 du système de stockage de chaleur 1 , dans la turbine T1 . Pendant cette phase, les particules du système d’échange de chaleur 1” circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3” (dit réservoir chaud Rc3) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10” (dit réservoir froid Rf3’) en passant au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, les particules du système d’échange de chaleur 1’ circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3’ (dit réservoir chaud Rc2) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10’ (dit réservoir froid Rf2’) en passant au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et les particules du système d’échange de chaleur 1 circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc1 ) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf3) en passant au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7.
Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage des particules 10, 10’, 10” vers le premier réservoir de stockage des particules 2, 2’, 2”.
Selon un deuxième mode de réalisation, les réservoirs de stockage de particules des systèmes d’échange de chaleur du système AACAES peuvent être couplés, ce qui permet de mutualiser les réservoirs de stockage de particules et donc de limiter le nombre de composants du système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. Ainsi, le système de stockage comporte un unique premier réservoir de stockage de particules, un unique deuxième réservoir de stockage de particules et un unique troisième réservoir de stockage de particules. Et pour ce mode de réalisation, chaque étage de compression et/ou de détente peut comporter au moins deux zones d’échange de chaleur. L’une des zones d’échange de chaleur est prévue pour le refroidissement du gaz dans la phase de compression du gaz du système AACAES et l’autre zone d’échange de chaleur est prévue pour le chauffage du gaz dans la phase de détente du gaz du système AACAES. Chacune des zones d’échange de chaleur comporte un moyen d’alimentation en particules à haute pression et un moyen de dépressurisation. Selon une variante de réalisation de ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut être conforme au mode de réalisation de la figure 2. Pour ce mode de réalisation, on peut adapter le moyen d’alimentation en particules à haute pression à la pression du gaz dans l’étage de compression et/ou de détente.
La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, ce deuxième mode de réalisation de l’invention. Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois réservoirs de stockage de chaleur 2, 3 et 10, six zones d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7”, et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz F est illustrée par des flèches épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Pour ce mode de réalisation, chaque zone d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7” comprend respectivement un moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, 5’, 5”, 8, 8’, 8” et un moyen de dépressurisation 6, 6’, 6”, 9, 9’, 9”.
En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4, dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange de chaleur 4” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) en passant (en parallèle) au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”. En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, dans la turbine T3, dans la deuxième d’échange de chaleur 7’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7, dans la turbine T1. Pendant cette phase, les particules circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf) en passant (en parallèle) au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7.
Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage de particules 10 vers le premier réservoir de stockage 2.
Selon un troisième mode de réalisation, les réservoirs de stockage de particules des systèmes d’échange de chaleur du système AACAES peuvent être couplés, ce qui permet de mutualiser les réservoirs de stockage de particules et donc de limiter le nombre de composants du système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. De plus, les moyens d’alimentation en particules à haute pression peuvent être également mutualisés. Ainsi, le système de stockage comporte un unique premier réservoir de stockage de particules, un unique deuxième réservoir de stockage de particules, un unique troisième réservoir de particules, et seulement deux moyens d’alimentation en particules à haute pression. Et pour ce mode de réalisation, chaque étage de compression et/ou de détente peut comporter au moins deux zones d’échange de chaleur. L’une des zones d’échange de chaleur est prévue pour le refroidissement du gaz dans la phase de compression du gaz du système AACAES et l’autre zone d’échange de chaleur est prévue pour le chauffage du gaz dans la phase de détente du gaz du système AACAES. Chacune des zones d’échange de chaleur comporte un moyen de dépressurisation. Selon une variante de réalisation de ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut être conforme au mode de réalisation de la figure 2.
La figure 5 illustre, schématiquement et de manière non limitative, ce troisième mode de réalisation de l’invention. Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois réservoirs de stockage de chaleur 2, 3 et 10, six zones d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7”, et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz est illustrée par des flèches épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprend uniquement deux moyens d’alimentation en particules à haute pression 5 et 8 : un premier 5 en sortie du premier réservoir de stockage de particules 2, et un deuxième 8 en sortie du deuxième réservoir de stockage de particules 3. Pour ce mode de réalisation, chaque zone d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7” comprend respectivement un moyen de dépressurisation 6, 6’, 6”, 9, 9’, 9”.
En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4, dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange de chaleur 4” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) en passant par le premier moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis, (en parallèle) au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”.
En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, dans la turbine T3, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7, dans la turbine T1. Pendant cette phase, les particules circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf) en passant par le deuxième moyen d’alimentation en particules à haute pression 8, puis en passant, (en parallèle) au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7.
Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage de particules 10 vers le premier réservoir de stockage de particules 2.
Selon un quatrième mode de réalisation, les réservoirs de stockage de particules des systèmes d’échange de chaleur du système AACAES peuvent être couplés, ce qui permet de mutualiser les réservoirs de stockage de particules et donc de limiter le nombre de composants du système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. De plus, les moyens d’alimentation en particules à haute pression peuvent être également mutualisés. Ainsi, le système de stockage comporte un unique premier réservoir de stockage de particules, un unique deuxième réservoir de stockage de particules, un unique troisième réservoir de particules, et un unique moyen d’alimentation en particules à haute pression. Et pour ce mode de réalisation, chaque étage de compression et/ou de détente peut comporter au moins deux zones d’échange de chaleur. L’une des zones d’échange de chaleur est prévue pour le refroidissement du gaz dans la phase de compression du gaz du système AACAES et l’autre zone d’échange de chaleur est prévue pour le chauffage du gaz dans la phase de détente du gaz du système AACAES. Chacune des zones d’échange de chaleur comporte un moyen de dépressurisation. Selon une variante de réalisation de ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut être conforme au mode de réalisation de la figure 2.
La figure 6 illustre, schématiquement et de manière non limitative, ce quatrième mode de réalisation de l’invention. Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois réservoirs de stockage de chaleur 2, 3 et 10, six zones d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7”, et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz F est illustrée par des flèches épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprend uniquement un moyen d’alimentation en particules à haute pression 5 : il est relié à la sortie du premier réservoir de stockage de particules 2, et à la sortie du deuxième réservoir de stockage de particules 3. Pour ce mode de réalisation, chaque zone d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7” comprend respectivement un moyen de dépressurisation 6, 6’, 6”, 9, 9’, 9”.
En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4, dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange de chaleur 4” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) en passant par le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis, (en parallèle) au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”.
En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, dans la turbine T3, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7, dans la turbine T1. Pendant cette phase, les particules circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf) en passant par le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis en passant, (en parallèle) au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7.
Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage de particules 10 vers le premier réservoir de stockage de particules 2.
Selon un mode de réalisation, les moyens de dépressurisation peuvent être mutualisés, de manière à limiter le nombre de composants. Ce mode de réalisation peut être combiné à l’un quelconque des modes de réalisation décrits précédemment.
La figure 7 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une combinaison de ce mode de réalisation avec le quatrième mode de réalisation de l’invention (figure 6). Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois réservoirs de stockage de chaleur 2, 3 et 10, six zones d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7”, et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz est illustrée par des flèches épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprend uniquement un moyen d’alimentation en particules à haute pression 5 : il est relié à la sortie du premier réservoir de stockage de particules 2, et à la sortie du deuxième réservoir de stockage de particules 3. De plus, le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprend uniquement un moyen de dépressurisation 6 : il est relié à l’entrée du deuxième réservoir de stockage de particules 3 et à l’entrée du troisième réservoir de stockage de particules 10.
En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4, dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange de chaleur 4” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) en passant par le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis, (en parallèle) au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”, et enfin dans le moyen de dépressurisation 6.
En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, dans la turbine T3, dans la deuxième d’échange de chaleur 7’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7, dans la turbine T1. Pendant cette phase, les particules circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf) en passant par le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis en passant, (en parallèle) au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7, et enfin dans le moyen de dépressurisation 6.
Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage de particules 10 vers le premier réservoir de stockage de particules 2.
En outre, la présente invention concerne un procédé d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur. Pour ce procédé, on peut réaliser les étapes suivantes : a) on fait circuler un lit fluidisé comprenant les particules de stockage de la chaleur dans une zone d’échange de chaleur depuis un premier réservoir de stockage de particules vers un deuxième réservoir de stockage de particules ; et b) on fait circuler le fluide dans la zone d’échange de chaleur à contre-courant par rapport au lit fluidisé, depuis la sortie vers l’entrée du lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur (c’est-à-dire selon une direction globalement à contre-courant du lit fluidisé).
Selon l’invention, on limite la pression au sein des premier et deuxième réservoirs de stockage de particules, au moyen d’un moyen d’alimentation en particules à haute pression à une extrémité de la zone d’échange de chaleur (entrée du lit fluidisé), et au moyen d’un moyen de dépressurisation à l’autre extrémité de la zone d’échange de chaleur (sortie du lit fluidisé).
Selon un mode de réalisation, la circulation du fluide peut être à courant croisé. La circulation à courant-croisé et globalement en sens inverse (le fluide s’écoulant depuis la sortie vers l’entrée du lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur) permet d’obtenir une efficacité élevée de l’échange de chaleur.
Le procédé d’échange de chaleur peut être réalisé au moyen du système d’échange de chaleur selon l’invention, par exemple selon l’un des modes de réalisation des figures 2 et 3.
Le fluide peut être un gaz, notamment de l’air.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut faire circuler le lit fluidisé selon une trajectoire descendante, et le fluide selon une trajectoire ascendante. De préférence, on peut faire circuler le lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur par gravité, de manière préférée au moyen d’une zone d’échange de chaleur inclinée par rapport à l’horizontale.
Conformément à une configuration de ce mode de réalisation, on peut mettre en oeuvre les étapes suivantes : a) on stocke les particules dans un premier réservoir de stockage de particules ; b) on réalise l’échange de chaleur dans une première zone d’échange de chaleur entre un lit fluidisé comprenant les particules stockées dans le premier réservoir de stockage de particules et un fluide ; c) on stocke les particules, en sortie de l’échange de chaleur, dans un deuxième réservoir de stockage de particules ; d) on réalise l’échange de chaleur dans une deuxième zone d’échange de chaleur entre un lit fluidisé comprenant les particules stockées dans le deuxième réservoir de stockage de particules et un fluide ; et e) on stocke les particules, en sortie de la zone d’échange de chaleur, dans le premier réservoir de stockage de particules ou dans un troisième réservoir de stockage des particules.
Dans le cas où on stocke les particules dans un troisième réservoir de stockage des particules, le procédé peut comprendre une étape additionnelle de transport des particules du troisième réservoir de stockage des particules vers le premier réservoir de stockage des particules.
La présente invention concerne également un procédé de stockage et de récupération par gaz comprimé (dit procédé AACAES), 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, dans un système d’échange de chaleur selon l’invention ;
c) on stocke le gaz comprimé refroidi, notamment par un moyen de stockage de gaz comprimé ;
d) on chauffe le gaz comprimé stocké, par échange de chaleur, dans le système d’échange de chaleur selon l’invention ; 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, l’échange de chaleur entre le gaz et les particules est réalisé dans une zone d’échange de chaleur avec un écoulement du fluide à contre-courant par rapport au lit fluidisé qui comporte les particules. Ainsi, le stockage et la restitution d’énergie du procédé de type AACAES sont optimisés.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, le procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé peut mettre en oeuvre le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’un quelconque des modes de réalisation ou des combinaisons de modes de réalisation décrits ci-dessus, par exemple un des modes de réalisation des figures 3 à 7.
Selon un aspect de l’invention, le procédé peut comporter 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 et refroidi plusieurs fois.
Selon une caractéristique de l’invention, le procédé peut comporter 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 et détendu plusieurs fois.
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 O, par exemple environ 190 °C à une température inférieure à 80 O, par exemple environ 50 O.
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 ou en sous-sol. 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 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 O, par exemple environ 50 O, à une température supérieure à 150 O, par exemple environ 180 O.
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 et le système de stockage et récupération d’énergie par gaz comprimé (AACAES) selon l’invention peuvent être utilisés pour le stockage d’une énergie intermittente, telle que l’énergie éolienne ou solaire, afin de pouvoir utiliser cette énergie au moment désiré.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation décrits ci- dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

Claims

Revendications
1. Système d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur comprenant au moins deux réservoirs de stockage desdites particules (2, 3, 10), et au moins une zone d’échange de chaleur (4, 7) disposée entre lesdits deux réservoirs de stockage desdites particules (2, 3, 10), ledit fluide et un lit fluidisé desdites particules de stockage de chaleur s’écoulant à contre-courant dans ladite zone d’échange de chaleur (4, 7), caractérisé en ce que ledit système d’échange de chaleur comprend des moyens d’alimentation en particules de stockage de chaleur à haute pression (5, 8) disposés entre un premier réservoir de stockage desdites particules (2, 3) et ladite au moins une zone d’échange de chaleur (4, 7), ainsi que des moyens de dépressurisation (6, 9) disposés entre ladite au moins une zone d’échange de chaleur (4, 7) et un deuxième réservoir de stockage desdites particules (3, 10).
2. Système d’échange de chaleur selon la revendication 1 , dans lequel lesdits moyens d’alimentation en particules de stockage de chaleur à haute pression (5, 8) sont choisis parmi une vanne rotative, une trémie à sas, un distributeur de boue, un distributeur de bouchons, un distributeur dynamique, et un distributeur à pistons.
3. Système d’échange de chaleur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit système d’échange de chaleur comporte un premier réservoir de stockage desdites particules (2), un deuxième réservoir de stockage desdites particules (3), au moins une première zone d’échange de chaleur (4) étant formée entre lesdites premier (2) et deuxième (3) réservoirs de stockage desdites particules, et un troisième réservoir de stockage desdites particules (10), au moins une deuxième zone d’échange de chaleur (7) étant formée entre lesdits deuxième (3) et troisième (10) réservoirs de stockage de particules.
4. Système d’échange de chaleur selon la revendication 3, dans lequel ledit système d’échange de chaleur comporte des moyens de transport (1 1 ) desdites particules de stockage de chaleur dudit troisième réservoir de stockage desdites particules (10) vers ledit premier réservoir de stockage desdites particules (2).
5. Système d’échange de chaleur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide et ledit lit fluidisé desdites particules de stockage de chaleur s’écoulent à courant-croisé dans ladite au moins une zone d’échange de chaleur (4, 7).
6. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz (C1 , C2, C3), au moins un moyen de stockage dudit gaz comprimé (12), au moins un moyen de détente dudit gaz (T1 , T2, T3) comprimé pour générer une énergie, caractérisé en ce que ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte au moins un système d’échange de chaleur (1 ) selon l’une des revendications précédentes.
7. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 6, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte une pluralité d’étages de compression et/ou de détente, constituée d’une pluralité de moyens de compression dudit gaz (C1 , C2, C3) et/ou d’une pluralité de moyens de détente (T1 , T2, T3) dudit gaz, et dans lequel au moins une zone d’échange de chaleur (4, 7)d’un système d’échange de chaleur, est disposée entre deux étages de compression et/ou de détente consécutifs.
8. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 7, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte, pour chaque étage de compression et/ou de détente, trois réservoirs de stockage desdites particules (2, 3, 10 ; 2’, 3’, 10’ ; 2”, 3”, 10”), au moins une zone d’échange de chaleur (4 ; 4’ ; 4”) en sortie de chaque étage de compression, et/ou au une moins zone d’échange de chaleur (7 ; 7’ ; 7”) en entrée de chaque étage de détente, chaque zone d’échange de chaleur reliant deux desdits réservoirs de stockage desdites particules (2, 3, 10 ; 2’, 3’, 10’ ; 2”, 3”, 10”).
9. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 7, dans lequel ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte trois réservoirs de stockage desdites particules (2, 3, 10), et, pour chaque étage de compression et/ou de détente, au moins une zone d’échange de chaleur (4 ; 4’ ; 4”) en sortie de chaque étage de compression, et/ou au moins une zone d’échange de chaleur (7 ; 7’ ; 7”) en entrée de chaque étage de détente, chaque zone d’échange de chaleur reliant deux desdits réservoirs de stockage desdites particules (2, 3, 10).
10. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 9, dans lequel chaque zone d’échange de chaleur (4 ; 4’ ; 4” ; 7 ; T ; 7”) comporte un moyen d’alimentation de particules à haute pression (5 ; 5’, 5”, 8, 8’, 8”).
1 1 . Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 9, dans lequel chaque réservoir de stockage desdites particules (2, 3, 10) comporte un moyen d’alimentation de particules à haute pression (6 ; 6’, 6”, 9, 9’, 99”).
12. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 9, dans lequel un unique moyen d’alimentation de particules à haute pression (5) relie lesdits réservoirs de stockage desdites particules (2, 3, 10) et lesdites zones d’échange de chaleur (4 ; 4’ ; 4” ; 7 ; 7’ ; 7”).
13. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications 9 à 12, dans lequel un unique moyen de dépressurisation (9) relie lesdites zones d’échange de chaleur (4 ; 4’ ; 4” ; 7 ; T ; 7”) et lesdits réservoirs de stockage desdites particules (2, 3, 10).
14. Procédé d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur au moyen d’un système d’échange de chaleur selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel on met en oeuvre les étapes suivantes :
a) on stocke lesdites particules de stockage de chaleur dans un premier réservoir de stockage de particules (2) ;
b) on réalise ledit échange de chaleur entre lesdites particules stockées dans ledit premier réservoir de stockage de particules (2) avec un fluide (F) dans une première zone d’échange de chaleur (4) ;
c) on stocke lesdites particules, en sortie de la première zone d’échange de chaleur, dans un deuxième réservoir de stockage de particules (3) ;
d) on réalise ledit échange de chaleur entre lesdites particules stockées dans le deuxième réservoir de stockage de particules (3) avec un fluide dans une deuxième zone d’échange de chaleur (7) ; et
e) on stocke lesdites particules, en sortie de la deuxième zone d’échange de chaleur (7), dans ledit premier réservoir de stockage de particules (2) ou dans un troisième réservoir de stockage de particules (10).
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 dans un système d’échange de chaleur selon l’une des revendications 1 à 5 ;
c) on stocke ledit gaz refroidi ;
d) on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dans ledit système d’échange de chaleur ; et
e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011027309A2 (fr) 2009-09-04 2011-03-10 Andrea De Riccardis Système de stockage d'énergie thermique à partir d'un rayonnement solaire direct
WO2011135501A2 (fr) 2010-04-29 2011-11-03 Magaldi Industrie S.R.L. Dispositif et système de stockage et de transport de haute efficacité
FR3004245A1 (fr) 2013-04-09 2014-10-10 Commissariat Energie Atomique Systeme de stockage thermique par voie thermochimique
WO2015150104A1 (fr) * 2014-04-03 2015-10-08 IFP Energies Nouvelles Système de stockage de chaleur par lit fluidisé
FR3044749A1 (fr) 2015-12-07 2017-06-09 Ifp Energies Now Systeme et procede d'echange de chaleur a courant-croise entre un fluide et des particules de stockage de chaleur
WO2017194253A1 (fr) * 2016-05-11 2017-11-16 IFP Energies Nouvelles Dispositif et procede d'echange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de la chaleur a contre-courant
WO2019011593A1 (fr) * 2017-07-12 2019-01-17 IFP Energies Nouvelles Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur direct entre le gaz et un fluide

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011027309A2 (fr) 2009-09-04 2011-03-10 Andrea De Riccardis Système de stockage d'énergie thermique à partir d'un rayonnement solaire direct
WO2011135501A2 (fr) 2010-04-29 2011-11-03 Magaldi Industrie S.R.L. Dispositif et système de stockage et de transport de haute efficacité
FR3004245A1 (fr) 2013-04-09 2014-10-10 Commissariat Energie Atomique Systeme de stockage thermique par voie thermochimique
WO2015150104A1 (fr) * 2014-04-03 2015-10-08 IFP Energies Nouvelles Système de stockage de chaleur par lit fluidisé
FR3044749A1 (fr) 2015-12-07 2017-06-09 Ifp Energies Now Systeme et procede d'echange de chaleur a courant-croise entre un fluide et des particules de stockage de chaleur
WO2017194253A1 (fr) * 2016-05-11 2017-11-16 IFP Energies Nouvelles Dispositif et procede d'echange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de la chaleur a contre-courant
WO2019011593A1 (fr) * 2017-07-12 2019-01-17 IFP Energies Nouvelles Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie par gaz comprime avec echange de chaleur direct entre le gaz et un fluide

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