WO2022069253A1 - Systeme de stockage de chaleur comprenant deux parties erigees et un couvercle superieur - Google Patents

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WO2022069253A1
WO2022069253A1 PCT/EP2021/075579 EP2021075579W WO2022069253A1 WO 2022069253 A1 WO2022069253 A1 WO 2022069253A1 EP 2021075579 W EP2021075579 W EP 2021075579W WO 2022069253 A1 WO2022069253 A1 WO 2022069253A1
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WO
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heat storage
recovery system
wall
storage means
external
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/075579
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English (en)
Inventor
David Teixeira
Philippe BEARD
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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
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0056—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using solid heat storage material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • 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
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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
    • 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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    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention mainly relates to the field of heat storage, in particular for the storage of energy by compressed air.
  • the best known is the Water Transfer Station by Pumping (STEP) which consists of the use of two water tanks at different altitudes. Water is pumped from the lower basin to the upper basin during the charging phase. The water is then sent to a turbine, in the direction of the lower basin, during the discharge.
  • STEP Water Transfer Station by Pumping
  • batteries of different types lithium, nickel, sodium-sulphur, lead-acid, etc.
  • batteries of different types lithium, nickel, sodium-sulphur, lead-acid, etc.
  • FES rotor energy storage
  • compressed air energy storage technology using compressed gas (often compressed air) is promising.
  • the energy produced and not consumed is used to compress air to pressures between 40 bar and 200 bar using compressors (which can be multi-stage).
  • compressors which can be multi-stage.
  • the temperature of the air increases.
  • the air can be cooled between each stage of compression.
  • the air compressed is then stored under pressure, either in natural cavities (caves), or in artificial reservoirs.
  • compressed air is stored in a tank independently from heat storage.
  • the air is stored at a temperature close to ambient temperature (a priori less than 50°C).
  • heat is stored by using a heat transfer fluid to store the heat resulting from the compression of the air and to return it to the air before its expansion by means of heat exchangers.
  • heat is stored by means of static solids contained in one or more containers.
  • heat is stored in a material in the form of particles, called heat storage particles, in a fixed bed arranged in one or more containers, and through which the air to be cooled passes. This heat is returned to the cold air which crosses the fixed bed in the opposite direction during a discharge phase.
  • TES Thermal Energy Storage
  • heat storage means which is at least at the same time resistant to pressure, resistant to the storage temperature and impermeable to the gas flowing in the TES. Resistance to pressure is particularly an important issue since the storage pressures of compressed air are at least equal to 100 bar.
  • FIG 1 shows a known heat storage and recovery system consisting of a cylindrical column whose longitudinal axis is vertical.
  • This column is equipped with a fixed bed of heat storage particles 11, these heat storage particles being for example solid elements, with a bed support grid 12 and with a fluid jet diffusion means 13
  • the bed of solid can be made up of several bed sections supported by several grids, in order to distribute the weight of the beds over several horizontal grids.
  • the fluid can be introduced from the top or the bottom of the column.
  • gas may be introduced through port E/S1 at the top of column 14 at a temperature between 100 to 600 degrees Celsius and exit through port E/S2 at the bottom of column 14.
  • column 15 at a temperature between 50 and 200 degrees Celsius.
  • the heat transfer fluid for example air
  • E/S2 the heat transfer fluid
  • E/S2 the heat transfer fluid
  • pause cycle times vary by process. They can be several minutes, several hours or several days or even several months.
  • System 1 comprises several beds 2 of storage particles 3 arranged vertically one above the other. and separated by plates 4 and 5. These beds are positioned in a cylindrical column whose longitudinal axis is vertical or substantially vertical. These plates 4 and 5 have openings to allow the passage of fluid through them. Furthermore, these openings are used to guide the fluid so that it crosses the various stages of the bed of storage particles 3, radially.
  • the hot fluid GC arrives through the inlet 7 located at the top of the heat storage and recovery system 1. It radially crosses the different storage particle bed stages 3, alternately from the inside to the outside, then from the outside to the inside (or vice versa). Then, it comes out colder GF, through the outlet 7 located at the bottom of the heat storage and recovery system 1.
  • the system can also comprise distribution means 6 for the fluid inlet and/or outlet of the different beds 2.
  • this vertical arrangement is particularly inconvenient since its great height makes it visible from a great distance.
  • the object of the invention is therefore to facilitate the lifting/handling operations and the assembly of the column and, on the other hand, to reduce the visual size of the system.
  • the invention relates to a heat storage and recovery system comprising at least one outer wall, at least one heat storage means comprising a bed of heat storage particles, the heat storage means the heat separating an external volume and an internal volume.
  • the heat storage means is configured to allow the passage of a fluid from one of the external and internal volumes to the other of the external and internal volumes.
  • the heat storage means comprises two erected portions and a top cover, each of the erected portions being bounded by an outer, preferably planar surface for ease of construction, and an inner, preferably planar surface for ease of construction , the two erected parts being interconnected, at their upper ends, by the upper cover.
  • the outer volume separates the top cover from the outer wall.
  • the longitudinal axis of said cylindrical outer wall can advantageously be horizontal.
  • the invention also relates to a compressed gas energy storage and recovery system comprising at least one gas compression means (a compressor or a pump for example), at least one compressed gas storage means (a tank or a natural cavity for example), at least one expansion means (a turbine for example) of the compressed gas to generate energy, and at least one heat storage means according to one of the preceding characteristics.
  • gas compression means a compressor or a pump for example
  • compressed gas storage means a tank or a natural cavity for example
  • expansion means a turbine for example
  • the invention also relates to a method for storing and recovering energy by compressed air comprising at least the following steps:
  • a heat storage and recovery system comprising at least one outer wall, the heat storage and recovery system comprising at least one heat storage means comprising a bed of heat storage particles , said heat storage means separating an outer volume and an inner volume, the heat storage means being configured to allow the passage of a fluid from one of the outer and inner volumes to the other of the outer volumes and internal.
  • the heat storage means comprises two erected parts and an upper cover, each of said two erected parts being delimited by an external surface and by an internal surface, said two erected parts being connected to each other, at their upper ends, by said top cover, said outer volume separating said top cover from said outer wall.
  • said heat storage means is placed directly at least partially on the outer wall.
  • the heat storage means has substantially the shape of an inverted U or V.
  • the top cover is flat.
  • the upper cover is domed forming an arch.
  • the heat storage and recovery system comprises means for blocking in position to block the heat storage means.
  • the means for locking in the horizontal position comprise holding pieces at the junction between the lower ends of the heat storage means and the external wall.
  • the means for blocking in the horizontal position comprise reinforcement blocks fixed to the external wall and resting on the internal surface of the erected parts.
  • At least one of the external and/or internal surfaces of one of the erected parts is substantially vertical, preferably the external and/or internal surfaces of the two erected parts are substantially vertical.
  • At least one of the external and internal surfaces of at least one of the erected parts is inclined with respect to the vertical axis, the angle of inclination preferably being between 2 and 30°.
  • the thickness of each erected part decreases starting from its lower end.
  • the top cover has a substantially constant thickness.
  • the outer wall is obtained by extruding a section along an axis.
  • the outer wall is cylindrical.
  • the inner surface of the outer wall comprises a spaced portion at a constant distance from the outer surface of the heat storage means.
  • said external and internal volumes and the heat storage means extend substantially over the entire axial length of the external wall.
  • the volume occupied by the heat storage means represents at least 70% of the volume delimited by the outer wall, preferably at least 80% of the volume delimited by the outer wall.
  • the invention also relates to a compressed gas energy storage and recovery system comprising at least one gas compression means, at least one compressed gas storage means, at least one expansion means for said compressed gas to generate a energy and at least one heat storage and recovery system as described above.
  • the invention also relates to a process for storing and recovering energy by compressed gas comprising at least the following steps:
  • FIG. 1 represents a first heat storage and recovery system according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a second heat storage and recovery system according to the prior art.
  • Figure 3 illustrates a first embodiment of a heat storage system according to the invention.
  • Figure 4 illustrates a second embodiment of a heat storage system according to the invention.
  • Figure 5 illustrates a third embodiment of a heat storage system according to the invention.
  • a heat storage and recovery system comprising at least one outer wall, at least one heat storage means comprising a bed of heat storage particles, the heat storage means separating a outer volume and an inner volume and being configured to allow the passage of a fluid from one of the outer and inner volumes to the other of the outer and inner volumes.
  • the heat storage means is in particular configured so that the fluid passing from one volume to the other is forced to pass through the heat storage means.
  • the internal and external volumes as well as the heat storage means are inside the space delimited by the external wall (which is a closed envelope). As the fluid passes from one volume to the other passing through the heat storage means, one of the volumes is cold and the other is hot.
  • the adjectives "cold" and "hot” are relative between the two volumes.
  • the heat initially contained in the fluid can be stored within the heat storage means, in particular by the storage particles, and this heat can be recovered to heat the fluid.
  • the heat storage means comprises two erected parts and an upper cover. Therefore, the heat storage system is particularly suitable for being installed horizontally, the longitudinal axis of the heat storage system of the outer wall being horizontal for example.
  • Each of the two erected parts is delimited by an outer surface and by an inner surface and are interconnected, at their upper ends, by the upper cover.
  • Each outer surface is in contact with the outer volume and each inner surface is in contact with the inner volume.
  • the heat storage means can easily be made with a simple shape suitable for installation on the horizontal axis of the heat storage system.
  • the cost of the system is reduced.
  • the outer volume separates the top cover from the outer wall.
  • the upper cover is at a distance from the outer wall: there is a non-zero minimum distance between the upper cover and the outer wall. As a result, heat storage and recovery performance is improved.
  • the heat storage means can be placed directly on the outer wall.
  • the implementation of the heat storage means in the heat storage system is simple and does not require the production of a slab which would limit one of the two volumes and thus limit the performance of the system.
  • the heat storage means may have substantially the shape of an inverted U or an inverted V, in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the heat storage and recovery system (this is i.e. in a transverse plane).
  • the two erected parts are substantially parallel or substantially form an acute angle between them (preferably an angle less than 45°, and more preferably, less than 30°) and the cover connects the two erected parts so as to separate the internal volume and the external volume.
  • the top cover can be flat.
  • its realization is simpler.
  • the top cover can bulge upwards forming an arch.
  • This shape is more suitable for cylindrical or at least partly rounded outer walls, so as to avoid excessively sudden variations in distance between the outer wall and the heat storage means.
  • the arch shape is particularly advantageous for distributing the forces and improving the mechanical absorption of the weight of the heat storage means. The arched shape thus makes it possible to limit the thickness of the upper lid compared to a flat upper lid.
  • the heat storage and recovery system may comprise position blocking means (horizontal for example, preferably transverse) to block the heat storage means on the external wall.
  • position blocking means horizontal for example, preferably transverse
  • the heat storage means is fixed relative to the outer wall.
  • the heat storage means can be blocked in the transverse direction (orthogonal to the longitudinal direction horizontal and orthogonal to the vertical direction) or in the vertical direction.
  • the means for locking in position may comprise holding parts at the junction between the lower ends of the heat storage means (that is to say at the lower ends erect parts) and the outer wall.
  • These holding parts can for example comprise lugs which allow a mechanical connection and a holding in position of the parts erected on the external wall.
  • the means for blocking in the horizontal position can comprise reinforcement blocks fixed to the external wall and resting on the internal surface of the erected parts.
  • these blocking means prevent transverse sliding of the heat storage means relative to the outer wall.
  • At least one of the external and/or internal surfaces of one of the erected parts can be substantially vertical.
  • substantially vertical means an angle of less than 2° with respect to the vertical axis.
  • the outer and/or inner surfaces of the two erected parts can be substantially vertical.
  • the erected parts can be symmetrical to each other with respect to a vertical median plane.
  • the heat storage means does not generate a privileged passage path for the fluid, which could lead to a drop in the performance of heat storage and recovery.
  • At least one of the external and internal surfaces of at least one of the erected parts can be inclined with respect to the vertical axis, the axis of inclination preferably being between 2 and 30°.
  • the thickness of the erected parts so as to improve the mechanical recovery forces, in particular of the weight of the heat storage means.
  • the thickness of each erected part can decrease starting from its lower end.
  • the thickness of each erected part can decrease according to the vertical altitude of the erected part.
  • the thickness of the upper end of the erected part is thus less than the thickness of the lower end of the erected part.
  • this thickness variation can be continuous and advantageously it can vary linearly.
  • the shape of the heat storage means makes it possible to improve the absorption of the forces subjected to the heat storage means.
  • the top cover may have a substantially constant thickness.
  • the fluid can be distributed evenly from one of the external and internal volumes to the other of the external and internal volumes, which makes it possible to improve the performance of storage and heat recovery.
  • the outer wall can be obtained by extruding a section along an axis.
  • extrusion of a section along an axis we mean a shape obtained by extending the section over a predefined length along an axis or a generatrix (straight or non-straight line).
  • the outer wall is an extruded shape which can be made in a simple way.
  • the outer wall can be cylindrical.
  • it can be an extruded shape.
  • this cylindrical shape is particularly advantageous for pressure resistance.
  • the inner surface of the outer wall may comprise a portion spaced a constant distance from the outer surface of the heat storage means. Preferably, this portion extends along the top cover and the erected parts.
  • the fluid can be distributed homogeneously in the heat storage means.
  • the external and internal volumes and the heat storage means can extend substantially over the entire axial length of the external wall (that is to say in the longitudinal direction).
  • heat storage and recovery can be optimized.
  • the volume occupied by the heat storage means can represent at least 70% of the volume delimited by the outer wall, preferably at least 80% of the volume delimited by the outer wall. Therefore, the volume of storage means allows a large volume of heat storage.
  • the heat storage and recovery system comprises at least two fluid injection/withdrawal means, one of the two fluid injection/withdrawal means being connected to one of the external and internal volumes, the other of the injection/withdrawal means being connected to the other of the external and internal volumes.
  • the system is configured in such a way that the fluid arrives from one of the two injection/withdrawal means towards one of the two external and internal volumes, then passes through the means heat storage in which either the heat it contains is stored or the fluid recovers the heat contained in the heat storage means. Then, the fluid reaches the other of the external and internal volumes and then leaves the heat storage system via the other of the two fluid injection/withdrawal means. As a result, one of the outer and inner volumes is warmer than the other.
  • the invention also relates to a compressed gas energy storage and recovery system comprising at least one gas compression means (a compressor or a pump for example), at least one compressed gas storage means (a storage for example), at least one means for expanding the compressed gas (a turbine for example) to generate energy (mechanical or electrical energy using a generator for example), and at least one storage system and heat recovery as previously described.
  • gas compression means a compressor or a pump for example
  • compressed gas storage means a storage for example
  • a means for expanding the compressed gas a turbine for example
  • energy mechanical or electrical energy using a generator for example
  • the invention also relates to a method for storing and recovering energy by compressed gas (compressed air for example) comprising at least the following steps:
  • the compressed gas is stored cold, which reduces the sizing constraints of the compressed gas storage tank and thus makes it possible to reduce the cost of the compressed gas storage tank while improving the performance of energy storage and recovery. .
  • FIG. 3 illustrates, schematically and without limitation, a first embodiment of a heat storage and recovery system according to the invention.
  • Figure 3 is a section along a transverse plane (x, z), z being in the vertical direction.
  • the heat storage and recovery system comprises an outer wall 23, here cylindrical, so as to improve the resistance to pressure and thus to reduce the mass of the outer wall 23.
  • a heat storage means 20 comprising heat storage particles (concrete balls, rocks or phase change materials for example).
  • This heat storage means 20 has substantially the shape of an inverted U with two erect parts 21, extending substantially in the vertical direction. The lower ends of the erected parts 21 rest on Sup1 retaining parts, here tabs, which allow the fixing of the heat storage means 20 on the outer wall 23 cylindrical.
  • the two erected parts 21 comprise a vertical outer surface Surf 1 and an inclined inner surface Surf2.
  • the thickness of the erected parts 21 decreases linearly from the lower end of each erected part 21 to the upper end.
  • An upper cover 22 here in the form of an arch and of constant thickness, connects the upper ends of the two erected parts 21 so that the heat storage means 20 forms a continuous volume from the lower end of a erected parts 21 to the lower end of the other of the erected parts 21.
  • a non-zero clearance J1 exists between the upper surface of the upper cover 22 and the outer wall 23.
  • the heat storage means 20 separates an external volume V1 and an internal volume V2, so that these two volumes can be at different temperatures.
  • the heat storage means is configured in such a way that the fluid which passes from one of the external and internal volumes V1 and V2 to the other of the external and internal volumes V1 and V2 necessarily passes through the means of heat storage 20.
  • the heat storage means 20 and the outer wall 23 have a plane of symmetry materialized by the mixed line Sym, the plane of symmetry being vertical.
  • Such a heat storage system is particularly suitable for being positioned at the horizontal axis, the x axis of the figure being the transverse axis and the z axis the vertical axis.
  • FIG. 4 illustrates, schematically and without limitation, a second embodiment of a heat storage and recovery system according to the invention.
  • Figure 4 is a section along a transverse plane (x, z), z being in the vertical direction.
  • the heat storage and recovery system comprises an outer wall 23, here cylindrical, so as to improve the resistance to pressure and thus to reduce the mass of the outer wall 23.
  • a heat storage means 20 comprising heat storage particles (concrete balls, rocks or phase change materials for example).
  • This heat storage means 20 has substantially the shape of an inverted V with two erected parts 21, extending in the direction of the vertical direction, with an orientation of approximately 20° with respect to the vertical axis z.
  • the lower ends of the erected parts 21 rest on the cylindrical outer wall 23 and Rf reinforcement parts positioned on the outer wall 23 rest on the inner surfaces Surf2, here flat, of the erected parts 21 so as to prevent transverse displacement ( along the transverse axis x) of the erected parts 21.
  • the heat storage means 20 is held in position in the volume delimited by the outer wall 23.
  • the two erected parts 21 comprise an inclined external surface Surf1, here flat, and an inclined flat internal surface Surf2.
  • the thickness of the erected parts 21 decreases linearly from the lower end of each erected part 21 to the upper end.
  • An upper cover 22 here flat and of constant thickness, connects the upper ends of the two erected parts 21 so that the heat storage means 20 forms a continuous volume from the lower end of one of the erected parts 21 to the lower end of the other of the erected parts 21 .
  • a non-zero clearance J1 exists at any point of the upper surface of the upper cover 22 and the outer wall 23.
  • the fluid can be distributed throughout the volume of the heat storage means 20 so as to improve the storage performance and heat recovery.
  • the heat storage means 20 separates an external volume V1 and an internal volume V2, so that these two volumes can be at different temperatures.
  • the heat storage means is configured in such a way that the fluid which passes from one of the external and internal volumes V1 and V2 to the other of the external and internal volumes V1 and V2 necessarily passes through the means of heat storage 20.
  • the heat storage means 20 and the outer wall 23 have a plane of symmetry materialized by the mixed line Sym, the plane of symmetry being vertical.
  • FIG. 5 illustrates, schematically and without limitation, a third embodiment of a heat storage and recovery system according to the invention.
  • Figure 5 is a section along a transverse plane (x, z), z being in the vertical direction.
  • the heat storage and recovery system comprises an outer wall 23, here of rectangular section. Inside this outer wall 23 forming a closed envelope, there is a heat storage means 20 comprising heat storage particles (concrete balls, or phase change materials for example).
  • This heat storage means 20 has substantially the shape of an inverted V with two erected parts 21, extending in the direction of the vertical direction, with an orientation of approximately 25° with respect to the vertical axis z.
  • the lower ends of the erected parts 21 rest directly on the external wall of rectangular section 23. They can be screwed onto the external wall 23 so as to prevent relative movements between the heat storage means 20 and the external wall 23.
  • the heat storage means 20 is held in position in the volume delimited by the outer wall 23.
  • the two erected parts 21 comprise an external surface Surfl, here flat and inclined and an internal surface Surf2, here flat inclined, the internal and external surfaces Surfl and Surf2 of each erected part 21 being substantially parallel so that the thickness of the erect parts 21 remain constant from the lower end to the upper end.
  • a constant thickness allows a better distribution of the fluid in the heat storage means.
  • a top cover 22 connects the upper ends of the two erected parts 21 so that the heat storage means 20 forms a continuous volume from the lower end of one of the erected parts 21 to the lower end of the other of the erected portions 21.
  • the lower surface of the upper cover 22 is flat while the upper part of the upper cover 22 has the shape of an arch.
  • a non-zero clearance J1 exists at any point of the upper surface of the upper cover 22 and the outer wall 23.
  • the fluid can be distributed throughout the volume of the heat storage means 20 so as to improve the storage performance and heat recovery.
  • the heat storage means 20 separates an external volume V1 and an internal volume V2, so that these two volumes can be at different temperatures.
  • the heat storage means 20 is configured so that the fluid which passes from one of the external and internal volumes V1 and V2 to the other of the external and internal volumes V1 and V2 necessarily passes through the means heat storage 20.
  • the heat storage means 20 and the outer wall 23 have a plane of symmetry materialized by the mixed line Sym, the plane of symmetry being vertical.
  • the characteristics of FIGS. 3 to 5 could be combined together without departing from the scope of the invention.
  • Such a heat storage system is particularly suitable for being positioned on the horizontal axis, the x axis being the transverse axis and the z axis the vertical axis and for being manufactured in a simple and inexpensive manner.

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Abstract

La présente invention concerne un système de stockage et de récupération de la chaleur comprenant au moins une paroi externe (23), au moins un moyen de stockage de la chaleur (20) comprenant un lit de particules de stockage de la chaleur, le moyen de stockage de la chaleur (20) séparant un volume externe (V1) et un volume interne (V2). De plus, le moyen de stockage de la chaleur (20) est configuré pour permettre le passage d'un fluide depuis l'un des volumes externe (V1) et interne (V2) vers l'autre de ces volumes (V1, V2). En outre, le moyen de stockage de la chaleur (20) comprend deux parties érigées (21) et un couvercle supérieur (22), chacune des parties érigées (21) étant délimitées par des surfaces (Surf1, Surf2), les deux parties érigées (21) étant reliées entre elles, à leurs extrémités supérieures, par le couvercle supérieur (22). Par ailleurs, le volume externe (V1) sépare le couvercle supérieur (22) de la paroi externe (23). L'invention concerne également un système et un procédé de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé.

Description

SYSTEME DE STOCKAGE DE CHALEUR COMPRENANT DEUX PARTIES ERIGEES ET UN COUVERCLE SUPERIEUR
Domaine technique
La présente invention concerne principalement le domaine de stockage de chaleur, notamment pour le stockage d’énergie par air comprimé.
La production d’électricité à partir d’énergies renouvelables, par exemple par l’intermédiaire de panneaux solaires, ou d’éoliennes terrestres ou marines, est en plein essor. Les principaux inconvénients de ces moyens de production sont la variabilité et l’intermittence de la production ainsi que la possible non-adéquation entre la période de production et la période de consommation. Il est donc important de disposer d’un système de stockage de l’énergie lors de la production pour la restituer lors d’une période de consommation.
Il existe de nombreuses technologies permettant cet équilibre.
Parmi elles, la plus connue est la Station de Transfert d’Eau par Pompage (STEP) qui consiste en l’utilisation de deux réservoirs d’eau à des altitudes différentes. L’eau est pompée du bassin inférieur vers le bassin supérieur lors de la phase de charge. L’eau est ensuite envoyée vers une turbine, en direction du bassin inférieur, lors de la décharge.
L’utilisation de batteries de différents types (lithium, nickel, sodium-soufre, plomb-acide...) peut également répondre à ce besoin de stockage d’énergie.
Une autre technologie, le stockage d'énergie par rotor (FES pour « Flywheel Energy Storage » en anglais, ce qui signifie « volant d’inertie » en français) consiste à accélérer un rotor (volant) à une vitesse très élevée et à maintenir l'énergie dans le système sous forme d’énergie cinétique. Lorsque l'énergie est extraite de ce système FES, la vitesse de rotation du volant est réduite en conséquence du principe de conservation de l'énergie. L'ajout d'énergie au système FES entraîne, en conséquence, une augmentation de la vitesse du volant.
La technologie de stockage d’énergie par utilisation d’un gaz comprimé (souvent de l’air comprimé) est prometteuse. L’énergie produite et non consommée est utilisée pour comprimer de l’air à des pressions comprises entre 40 bar et 200 bar à l’aide de compresseurs (pouvant être multi-étagés). Lors de la compression, la température de l’air augmente. Afin de limiter le coût des réservoirs de stockage et minimiser la consommation d’électricité du compresseur, l’air peut être refroidi entre chaque étage de compression. L’air comprimé est alors stocké sous pression, soit dans des cavités naturelles (cavernes), soit dans des réservoirs artificiels.
Il existe une variante en développement. Il s’agit d’un procédé dit adiabatique dans lequel la chaleur issue de la compression de l’air est récupérée, stockée et restituée à l’air avant de le détendre. Il s’agit de la technologie AACAES (issue de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage »).
Dans un système AACAES, l’air comprimé est stocké dans un réservoir de manière indépendante au stockage de chaleur. Dans un tel système, l'air est stocké à une température proche de la température ambiante (a priori inférieure à 50°C).
Selon certaines conceptions envisagées de l’AACAES, la chaleur est stockée en utilisant un fluide caloporteur permettant de stocker la chaleur issue de la compression de l’air et de la restituer à l’air avant sa détente au moyen d’échangeurs de chaleur.
Selon d’autres conceptions envisagées de l’AACAES, la chaleur est stockée au moyen de solides statiques contenus dans un ou plusieurs conteneurs. Par exemple, la chaleur est stockée dans un matériau sous forme de particules, dites particules de stockage de la chaleur, en lit fixe disposé dans un ou plusieurs conteneurs, et traversée par l’air à refroidir. Cette chaleur est restituée à l’air froid qui traverse le lit fixe en sens opposé lors d’une phase de décharge.
Dans tous les cas, un tel système de stockage d’énergie par air comprimé requiert un ou plusieurs réservoirs de stockage de chaleur, appelé(s) par la suite TES (« Thermal Energy Storage » en anglais signifiant moyen de stockage de la chaleur) qui est au moins à la fois résistant à la pression, résistant à la température de stockage et étanche au gaz circulant dans le TES. La résistance à la pression est notamment un enjeu important puisque les pressions de stockage de l’air comprimé sont au moins égales à 100 bar.
Technique antérieure
La [Fig 1] présente un système connu de stockage et de récupération de chaleur composé d’une colonne cylindrique dont l’axe longitudinal est vertical. Cette colonne est équipée d’un lit fixe de particules de stockage de chaleur 11 , ces particules de stockage de chaleur étant par exemple des éléments solides, d’une grille support de lit 12 et d’un moyen de diffusion du jet de fluide 13. Pour les colonnes très hautes, le lit de solide peut être composé de plusieurs sections de lit supportées par plusieurs grilles, afin de répartir le poids des lits sur plusieurs grilles horizontales. Le fluide peut être introduit par le haut ou le bas de la colonne. Par exemple, pendant la période de charge C, le gaz peut être introduit par l’orifice E/S1 en haut de la colonne 14 à une température entre 100 à 600 degrés Celsius et sort par l’orifice E/S2 du bas de la colonne 15 à une température entre 50 et 200 degrés Celsius. Pendant la période de décharge D, le fluide caloporteur, par exemple l’air, est introduit E/S2 par le bas de la colonne 15 à température d’environ 50 à 100 degrés Celsius et sort E/S1 de la colonne par le haut 14. Les durées de cycle de charge C, décharge D et pause varient en fonction du procédé. Ils peuvent être de plusieurs minutes, plusieurs heures ou plusieurs jours voire plusieurs mois.
Selon une variante, comme décrit dans la demande de brevet FR 3014182, plusieurs systèmes de stockage et de récupération de la chaleur peuvent être utilisés, chacun d’eux ayant une température de stockage propre. Mais ce système a l’inconvénient d’être complexe et onéreux.
On connaît également le système de stockage et de récupération de chaleur décrit dans la demande de brevet FR 3044751 et représenté sur la [Fig 2], Le système 1 comprend plusieurs lits 2 de particules de stockage 3 disposés verticalement les uns au-dessus des autres et séparés par des plaques 4 et 5.Ces lits sont positionnés dans une colonne cylindrique dont l’axe longitudinal est vertical ou sensiblement vertical. Ces plaques 4 et 5 comportent des ouvertures pour permettre le passage du fluide à travers elles. Par ailleurs, ces ouvertures servent au guidage du fluide afin que celui-ci traverse les différents étages de lit de particules de stockage 3, radialement. Le fluide chaud GC, par exemple arrive par l’entrée 7 située en haut du système de stockage et de récupération de chaleur 1 . Il traverse radialement les différents étages de lit de particules de stockage 3, alternativement de l’intérieur vers l’extérieur, puis de l’extérieur vers l’intérieur (ou inversement). Puis, il ressort plus froid GF, par la sortie 7 située en bas du système de stockage et de récupération de chaleur 1. Le système peut également comprendre des moyens de distribution 6 pour l’entrée et/ou la sortie de fluide des différents lits 2.
Comme expliqué précédemment, ces systèmes de l’art antérieur sont disposés dans une position pour laquelle l’axe de révolution est vertical. Cette disposition est particulièrement problématique pour les opérations de manutention puisqu’il faut alors des engins de levage adaptés à la grande hauteur de ces colonnes verticales (de l’ordre de 20 à 25 m par exemple), par exemple des grues de grande taille. Cela est d’autant plus vrai lorsque le montage des éléments internes des colonnes (grilles, lits de particules) a lieu directement sur place.
Par ailleurs, cette disposition verticale est particulièrement gênante puisque sa grande hauteur la rend visible à une grande distance.
L’invention a donc pour objet de faciliter les opérations de levage/manutention et le montage de la colonne et d’autre part de réduire l’encombrement visuel du système.
Pour ce faire, l’invention concerne un système de stockage et de récupération de la chaleur comprenant au moins une paroi externe, au moins un moyen de stockage de la chaleur comprenant un lit de particules de stockage de la chaleur, le moyen de stockage de la chaleur séparant un volume externe et un volume interne. De plus, le moyen de stockage de la chaleur est configuré pour permettre le passage d’un fluide depuis l’un des volumes externe et interne vers l’autre des volumes externe et interne. En outre, le moyen de stockage de la chaleur comprend deux parties érigées et un couvercle supérieur, chacune des parties érigées étant délimitée par une surface externe, de préférence plane pour faciliter la construction, et une surface interne, de préférence plane pour faciliter la construction, les deux parties érigées étant reliées entre elles, à leurs extrémités supérieures, par le couvercle supérieur. Par ailleurs, le volume externe sépare le couvercle supérieur de la paroi externe. Ainsi, l’axe longitudinal de ladite paroi externe cylindrique peut être avantageusement horizontal.
L’invention concerne également un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz (un compresseur ou une pompe par exemple), au moins un moyen de stockage du gaz comprimé (un réservoir ou une cavité naturelle par exemple), au moins un moyen de détente (une turbine par exemple) du gaz comprimé pour générer une énergie, et au moins un moyen de stockage de la chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes.
L’invention concerne encore un procédé de stockage et de récupération d’énergie par air comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :
- une étape de compression d’un gaz,
- une étape de stockage et de récupération de la chaleur dans un système de stockage et de récupération de chaleur tel que défini précédemment,
- une étape de stockage du gaz comprimé, - une étape de récupération de la chaleur dans le système de stockage et de récupération de la chaleur tel que décrit précédemment,
- une étape de détente du gaz comprimé.
Résumé de l’invention
L’invention concerne un système de stockage et de récupération de la chaleur comprenant au moins une paroi externe, le système de stockage et de récupération de chaleur comprenant au moins un moyen de stockage de la chaleur comprenant un lit de particules de stockage de la chaleur, ledit moyen de stockage de la chaleur séparant un volume externe et un volume interne, le moyen de stockage de la chaleur étant configuré pour permettre le passage d’un fluide depuis l’un des volumes externe et interne vers l’autre des volumes externe et interne. De plus, le moyen de stockage de la chaleur comprend deux parties érigées et un couvercle supérieur, chacune desdites deux parties érigées étant délimitée par une surface externe et par une surface interne, lesdites deux parties érigées étant reliées entre elles, à leurs extrémités supérieures, par ledit couvercle supérieur, ledit volume externe séparant ledit couvercle supérieur de ladite paroi externe.
De préférence, ledit moyen de stockage de la chaleur est posé directement au moins partiellement sur la paroi externe.
De manière avantageuse, le moyen de stockage de la chaleur a sensiblement la forme d’un U ou d’un V inversé.
Selon une configuration de l’invention le couvercle supérieur est plat.
Selon une variante, le couvercle supérieur est bombé formant une arche.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, le système de stockage et de récupération de la chaleur comprend des moyens de blocage en position pour bloquer le moyen de stockage de la chaleur.
De manière avantageuse, les moyens de blocage en position horizontale comprennent des pièces de maintien à la jonction entre les extrémités inférieures du moyen de stockage de la chaleur et la paroi externe.
Selon une mise en oeuvre, les moyens de blocage en position horizontale comprennent des blocs de renforts fixés sur la paroi externe et en appui sur la surface interne des parties érigées.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’une au moins des surfaces externe et/ou interne d’une des parties érigées est sensiblement verticale, de préférence les surfaces externe et/ou interne des deux parties érigées sont sensiblement verticales.
Selon une variante, l’une au moins des surfaces externe et interne d’au moins une des parties érigées est inclinée par rapport à l’axe vertical, l’angle d’inclinaison étant de préférence compris entre 2 et 30°. De préférence, l’épaisseur de chaque partie érigée décroit en partant de son extrémité inférieure.
Selon une configuration de l’invention, le couvercle supérieur a une épaisseur sensiblement constante.
De manière avantageuse, la paroi externe est obtenue par extrusion d’une section le long d’un axe.
De préférence, la paroi externe est cylindrique.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, la surface interne de la paroi externe comprend une portion espacée d’une distance constante de la surface externe du moyen de stockage de la chaleur.
Avantageusement, lesdits volumes externe et interne et le moyen de stockage de la chaleur s’étendent sensiblement sur toute la longueur axiale de la paroi externe.
Selon une configuration préférée de l’invention, le volume occupé par le moyen de stockage de la chaleur représente au moins 70% du volume délimité par la paroi externe, de préférence au moins 80% du volume délimité par la paroi externe.
L’invention concerne également un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un moyen de stockage de gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie et au moins un système de stockage et de récupération de la chaleur tel que décrit précédemment.
En outre, l’invention concerne aussi un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :
- une étape de compression d’un gaz,
- une étape de stockage de la chaleur dans un système de stockage et de récupération de chaleur tel que décrit précédemment,
- une étape de stockage du gaz comprimé,
- une étape de récupération de la chaleur dans ledit système de stockage et de récupération de chaleur décrit précédemment,
- une étape de détente du gaz comprimé.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages des systèmes et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. La figure 1 représente un premier système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’art antérieur.
La figure 2 représente un deuxième système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’art antérieur.
La figure 3 illustre un premier mode de réalisation d’un système de stockage de chaleur selon l’invention.
La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation d’un système de stockage de chaleur selon l’invention.
La figure 5 illustre un troisième mode de réalisation d’un système de stockage de chaleur selon l’invention.
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un système de stockage et de récupération de la chaleur comprenant au moins une paroi externe, au moins un moyen de stockage de la chaleur comprenant un lit de particules de stockage de la chaleur, le moyen de stockage de la chaleur séparant un volume externe et un volume interne et étant configuré pour permettre le passage d’un fluide depuis l’un des volumes externe et interne vers l’autre des volumes externe et interne. Le moyen de stockage de la chaleur est notamment configuré pour que le fluide passant d’un volume à l’autre soit contraint de passer à travers le moyen de stockage de la chaleur. Les volumes interne et externe ainsi que le moyen de stockage de la chaleur sont à l’intérieur de l’espace délimité par la paroi externe (qui est une enveloppe fermée). Comme le fluide passe d’un volume vers l’autre en passant par le moyen de stockage de la chaleur, l’un des volumes est froid et l’autre est chaud. Les adjectifs « froid » et « chaud » sont relatifs entre les deux volumes. Ainsi, on peut stocker la chaleur contenue initialement dans le fluide au sein du moyen de stockage de la chaleur, notamment par les particules de stockage, et on peut récupérer cette chaleur pour réchauffer le fluide. De plus, le moyen de stockage de la chaleur comprend deux parties érigées et un couvercle supérieur. De ce fait, le système de stockage de la chaleur est particulièrement adapté pour être implanté horizontalement, l’axe longitudinal du système de stockage de la chaleur de la paroi externe étant horizontal par exemple. Chacune des deux parties érigées est délimitée par une surface externe et par une surface interne et sont reliées entre elles, à leurs extrémités supérieures, par le couvercle supérieur. Chaque surface externe est en contact avec le volume externe et chaque surface interne est en contact avec le volume interne. Lorsque les surfaces interne et externe des parties érigées sont planes, on facilite la construction des parties érigées, ainsi que leur transport. Ainsi, on peut réaliser aisément le moyen de stockage de la chaleur par une forme simple et adaptée à l’implantation à l’axe horizontal du système de stockage de la chaleur. Ainsi, le coût du système est réduit. En outre, le volume externe sépare le couvercle supérieur de la paroi externe. Autrement dit, le couvercle supérieur est à distance de la paroi externe : il existe une distance minimale non nulle entre le couvercle supérieur et la paroi externe. De ce fait, les performances de stockage et de récupération de chaleur sont améliorées.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, le moyen de stockage de la chaleur peut être posé directement sur la paroi externe. Ainsi, la mise en place du moyen de stockage de la chaleur dans le système de stockage de la chaleur est simple et ne nécessite pas la réalisation d’une dalle qui limiterait l’un des deux volumes et ainsi limiterait les performances du système.
De manière avantageuse, le moyen de stockage de la chaleur peut avoir sensiblement la forme d’un U inversé ou d’un V inversé, dans un plan perpendiculaire à la direction longitudinale du système de stockage et de récupération de la chaleur (c’est-à-dire dans un plan transversal). En d’autres termes, les deux parties érigées sont sensiblement parallèles ou forment sensiblement un angle aigu entre elles (de préférence un angle inférieur à 45°, et de manière préférée, inférieur à 30°) et le couvercle relie les deux parties érigées de manière à séparer le volume interne et le volume externe.
Selon une variante de l’invention, le couvercle supérieur peut être plat. Ainsi, sa réalisation est plus simple.
Alternativement, le couvercle supérieur peut être bombé vers le haut formant une arche. Cette forme est plus adaptée pour des parois externes cylindriques ou au moins en partie arrondie, de manière à éviter les variations trop brusques de distance entre la paroi externe et le moyen de stockage de la chaleur. De plus, la forme d’arche est particulièrement avantageuse pour répartir les efforts et améliorer la reprise mécanique du poids du moyen de stockage de la chaleur. La forme en arche permet ainsi de limiter l’épaisseur du couvercle supérieur par rapport à un couvercle supérieur plat.
De manière avantageuse, le système de stockage et de récupération de la chaleur peut comprendre des moyens de blocage en position (horizontale par exemple, de préférence transversale) pour bloquer le moyen de stockage de la chaleur sur la paroi externe. Ainsi, le moyen de stockage de la chaleur est fixe par rapport à la paroi externe. On peut par exemple bloquer le moyen de stockage de la chaleur dans la direction transversale (orthogonale à la direction longitudinale horizontale et orthogonale à la direction verticale) ou dans la direction verticale.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les moyens de blocage en position (horizontale) peuvent comprendre des pièces de maintien à la jonction entre les extrémités inférieures du moyen de stockage de la chaleur (c’est-à-dire aux extrémités inférieures des parties érigées) et la paroi externe. Ces pièces de maintien peuvent par exemple comprendre des pattes qui permettent une liaison mécanique et un maintien en position des parties érigées sur la paroi externe.
Avantageusement, les moyens de blocage en position horizontale peuvent comprendre des blocs de renforts fixés sur la paroi externe et en appui sur la surface interne des parties érigées. Ainsi, ces moyens de blocage empêchent le glissement transversal du moyen de stockage de la chaleur relativement à la paroi externe.
De préférence, l’une au moins des surfaces externe et/ou interne d’une des parties érigées peut être sensiblement verticale. Par sensiblement verticale, on entend un angle inférieur à 2° par rapport à l’axe vertical. De ce fait, la tenue mécanique de la partie érigée peut être améliorée tout en assurant une bonne répartition entre les volumes interne et externe, de manière à améliorer les performances de stockage et de récupération de chaleur.
De manière encore préférée, les surfaces externe et/ou interne des deux parties érigées peuvent être sensiblement verticales.
De préférence, les parties érigées peuvent être symétriques l’une de l’autre par rapport à un plan médian vertical. De ce fait, le moyen de stockage de chaleur ne génère pas de chemin de passage privilégié pour le fluide, ce qui pourrait induire une baisse des performances de stockage et de récupération de chaleur.
Avantageusement, l’une au moins des surfaces externe et interne d’au moins une des parties érigées peut être inclinée par rapport à l’axe vertical, l’axe d’inclinaison étant de préférence compris entre 2 et 30°. Ainsi, il est possible de faire varier l’épaisseur des parties érigées de manière à améliorer les efforts de reprise mécanique, notamment du poids du moyen de stockage de la chaleur.
Selon une configuration de l’invention, l’épaisseur de chaque partie érigée peut décroitre en partant de son extrémité inférieure. En d’autres termes, l’épaisseur de chaque partie érigée peut décroitre en fonction de l’altitude verticale de la partie érigée. L’épaisseur de l’extrémité supérieure de la partie érigée est ainsi inférieure à l’épaisseur de l’extrémité inférieure de la partie érigée. De préférence, cette variation d’épaisseur peut être continue et avantageusement elle peut varier de manière linéaire. Ainsi, la forme du moyen de stockage de la chaleur permet d’améliorer la reprise des efforts soumis au moyen de stockage de la chaleur.
Préférentiellement, le couvercle supérieur peut avoir une épaisseur sensiblement constante. Ainsi, le fluide peut se répartir de manière homogène depuis l’un des volumes externe et interne vers l’autre des volumes externe et interne, ce qui permet d’améliorer les performances de stockage et de récupération de chaleur.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la paroi externe peut être obtenue par extrusion d’une section le long d’un axe. Par extrusion d’une section le long d’un axe, on entend une forme obtenue par prolongement de la section sur une longueur prédéfinie le long d’un axe ou d’une génératrice (ligne rectiligne ou non rectiligne). Ainsi, la paroi externe est une forme extrudée qui peut être réalisée de manière simple.
Avantageusement, la paroi externe peut être cylindrique. Ainsi, elle peut être une forme extrudée. De plus, cette forme cylindrique est particulièrement avantageuse pour la tenue à la pression.
Alternativement, la surface interne de la paroi externe peut comprendre une portion espacée d’une distance constante de la surface externe du moyen de stockage de la chaleur. De préférence, cette portion s’étend le long du couvercle supérieur et des parties érigées. Ainsi, le fluide peut se répartir de manière homogène dans le moyen de stockage de la chaleur.
De préférence, les volumes externe et interne et le moyen de stockage de la chaleur peuvent s’étendre sensiblement sur toute la longueur axiale de la paroi externe (c’est-à-dire selon la direction longitudinale). De ce fait, le stockage et la récupération de chaleur peuvent être optimisés.
Avantageusement, le volume occupé par le moyen de stockage de la chaleur peut représenter au moins 70% du volume délimité par la paroi externe, de préférence au moins 80% du volume délimité par la paroi externe. De ce fait, le volume de moyen de stockage permet un grand volume de stockage de chaleur.
De préférence, le système de stockage et de récupération de chaleur comprend au moins deux moyens d’injection/soutirage de fluide, l’un des deux moyens d’injection/soutirage de fluide étant connecté à l’un des volumes externe et interne, l’autre des moyens d’injection/soutirage étant connecté à l’autre des volumes externe et interne. Ainsi, le système est configuré de manière à ce que le fluide arrive depuis l’un des deux moyens d’injection/soutirage vers l’un des deux volumes externe et interne, puis traverse le moyen de stockage de chaleur dans lequel soit la chaleur qu’il contient est stocké, soit le fluide récupère la chaleur contenue dans le moyen de stockage de la chaleur. Puis, le fluide atteint l’autre des volumes externe et interne puis ressort du système de stockage de la chaleur par l’autre des deux moyens d’injection/soutirage de fluide. De ce fait, l’un des volumes externe et interne est plus chaud que l’autre.
L’invention concerne également un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins un moyen de compression de gaz (un compresseur ou une pompe par exemple), au moins un moyen de stockage de gaz comprimé (un réservoir de stockage par exemple), au moins un moyen de détente du gaz comprimé (une turbine par exemple) pour générer une énergie (énergie mécanique, ou électrique à l’aide d’une génératrice par exemple), et au moins un système de stockage et de récupération de la chaleur tel que décrit précédemment. Le système de stockage et de récupération de chaleur décrit précédemment permet d’améliorer les performances de stockage et de récupération de chaleur et ainsi d’améliorer les performances de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé (air comprimé par exemple).
En outre, l’invention concerne également un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé (de l’air comprimé par exemple) comprenant au moins les étapes suivantes :
- une étape de compression d’un gaz pour augmenter la pression du gaz.
- une étape de stockage de la chaleur dans un système de stockage et de récupération de chaleur tel que décrit précédemment. En effet, la compression du gaz entraîne une augmentation de chaleur. Le système de stockage de la chaleur permet de récupérer la chaleur et de la stocker efficacement.
- une étape de stockage du gaz comprimé. Ainsi, le gaz comprimé est stocké froid, ce qui réduit les contraintes de dimensionnement du réservoir de stockage du gaz comprimé et permet ainsi de réduire le coût du réservoir de stockage de gaz comprimé tout en améliorant les performances de stockage et de récupération d’énergie.
- une étape de récupération de la chaleur dans le système de stockage et de récupération de chaleur. En effet, cela permet de réchauffer le gaz comprimé froid, avant sa détente de manière à faire fonctionner le moyen de détente à un point de fonctionnement proche de son point optimal.
- une étape de détente du gaz comprimé, qui permet de récupérer l’énergie stockée lors de la phase de stockage. La figure 3 illustre, de manière schématique et non limitative, un premier mode de réalisation d’un système de stockage et de récupération de chaleur selon l’invention. La figure 3 est une coupe selon un plan transversal (x, z), z étant dans la direction verticale.
Le système de stockage et de récupération de chaleur comprend une paroi externe 23, ici cylindrique, de manière à améliorer la résistance à la pression et ainsi à réduire la masse de la paroi externe 23. A l’intérieur de cette paroi externe 23 formant une enveloppe fermée, se trouve un moyen de stockage de la chaleur 20 comprenant des particules de stockage de la chaleur (des billes de béton, des roches ou des matériaux à changement de phase par exemple). Ce moyen de stockage de la chaleur 20 a sensiblement la forme d’un U inversé avec deux parties érigées 21 , s’étendant sensiblement dans la direction verticale. Les extrémités inférieures des parties érigées 21 reposent sur des pièces de maintien Sup1 , ici des pattes, qui permettent la fixation du moyen de stockage de la chaleur 20 sur la paroi externe 23 cylindrique.
Les deux parties érigées 21 comprennent une surface externe verticale Surf 1 et une surface interne inclinée Surf2. L’épaisseur des parties érigées 21 décroît linéairement depuis l’extrémité inférieure de chaque partie érigée 21 jusqu’à l’extrémité supérieure.
Un couvercle supérieur 22, ici sous forme d’arche et d’épaisseur constante relie les extrémités supérieures des deux parties érigées 21 de manière à ce que le moyen de stockage de la chaleur 20 forme un volume continu depuis l’extrémité inférieure d’une des parties érigées 21 jusqu’à l’extrémité inférieure de l’autre des parties érigées 21. Un jeu J1 non nul existe entre la surface supérieure du couvercle supérieur 22 et la paroi externe 23. Ainsi le fluide peut se répartir dans tout le volume du moyen de stockage de la chaleur 20 de manière à améliorer les performances de stockage et de récupération de chaleur.
Le moyen de stockage de la chaleur 20 sépare un volume externe V1 et un volume interne V2, de manière à ce que ces deux volumes puissent être à des températures différentes. De plus, le moyen de stockage de la chaleur est configuré de manière à ce que le fluide qui passe d’un des volumes externe et interne V1 et V2 à l’autre des volumes externe et interne V1 et V2 passe nécessairement par le moyen de stockage de la chaleur 20.
De plus, le moyen de stockage de la chaleur 20 et la paroi externe 23 ont un plan de symétrie matérialisé par la ligne mixte Sym, le plan de symétrie étant vertical.
Un tel système de stockage de la chaleur est particulièrement adapté pour être positionné à l’axe horizontal, l’axe x de la figure étant l’axe transversal et l’axe z l’axe vertical.
La figure 4 illustre, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation d’un système de stockage et de récupération de chaleur selon l’invention. La figure 4 est une coupe selon un plan transversal (x, z), z étant dans la direction verticale. Le système de stockage et de récupération de chaleur comprend une paroi externe 23, ici cylindrique, de manière à améliorer la résistance à la pression et ainsi à réduire la masse de la paroi externe 23. A l’intérieur de cette paroi externe 23 formant une enveloppe fermée, se trouve un moyen de stockage de la chaleur 20 comprenant des particules de stockage de la chaleur (des billes de béton, des roches ou des matériaux à changement de phase par exemple). Ce moyen de stockage de la chaleur 20 a sensiblement la forme d’un V inversé avec deux parties érigées 21 , s’étendant en direction de la direction verticale, avec une orientation d’environ 20° par rapport à l’axe vertical z. Les extrémités inférieures des parties érigées 21 reposent sur la paroi externe cylindrique 23 et des pièces de renforts Rf positionnées sur la paroi externe 23 sont en appui sur les surfaces internes Surf2, ici planes, des parties érigées 21 de manière à empêcher le déplacement transversal (selon l’axe transversal x) des parties érigées 21. Ainsi, le moyen de stockage de la chaleur 20 est maintenu en position dans le volume délimité par la paroi externe 23.
Les deux parties érigées 21 comprennent une surface externe inclinée Surfl , ici plane, et une surface interne plane inclinée Surf2. L’épaisseur des parties érigées 21 décroît linéairement depuis l’extrémité inférieure de chaque partie érigée 21 jusqu’à l’extrémité supérieure.
Un couvercle supérieur 22, ici plat et d’épaisseur constante relie les extrémités supérieures des deux parties érigées 21 de manière à ce que le moyen de stockage de la chaleur 20 forme un volume continu depuis l’extrémité inférieure d’une des parties érigées 21 jusqu’à l’extrémité inférieure de l’autre des parties érigées 21 . Un jeu J1 non nul existe en tout point de la surface supérieure du couvercle supérieur 22 et la paroi externe 23. Ainsi le fluide peut se répartir dans tout le volume du moyen de stockage de la chaleur 20 de manière à améliorer les performances de stockage et de récupération de chaleur.
Le moyen de stockage de la chaleur 20 sépare un volume externe V1 et un volume interne V2, de manière à ce que ces deux volumes puissent être à des températures différentes. De plus, le moyen de stockage de la chaleur est configuré de manière à ce que le fluide qui passe d’un des volumes externe et interne V1 et V2 à l’autre des volumes externe et interne V1 et V2 passe nécessairement par le moyen de stockage de la chaleur 20.
De plus, le moyen de stockage de la chaleur 20 et la paroi externe 23 ont un plan de symétrie matérialisé par la ligne mixte Sym, le plan de symétrie étant vertical.
Un tel système de stockage de la chaleur est particulièrement adapté pour être positionné à l’axe horizontal, l’axe x étant l’axe transversal et l’axe z l’axe vertical. La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative, un troisième mode de réalisation d’un système de stockage et de récupération de chaleur selon l’invention. La figure 5 est une coupe selon un plan transversal (x, z), z étant dans la direction verticale.
Le système de stockage et de récupération de chaleur comprend une paroi externe 23, ici de section rectangulaire. A l’intérieur de cette paroi externe 23 formant une enveloppe fermée, se trouve un moyen de stockage de la chaleur 20 comprenant des particules de stockage de la chaleur (des billes de béton, ou des matériaux à changement de phase par exemple). Ce moyen de stockage de la chaleur 20 a sensiblement la forme d’un V inversé avec deux parties érigées 21 , s’étendant en direction de la direction verticale, avec une orientation d’environ 25° par rapport à l’axe vertical z. Les extrémités inférieures des parties érigées 21 reposent directement sur la paroi externe de section rectangulaire 23. Elles peuvent être vissées sur la paroi externe 23 de manière à empêcher des mouvements relatifs entre le moyen de stockage de la chaleur 20 et la paroi externe 23. Ainsi, le moyen de stockage de la chaleur 20 est maintenu en position dans le volume délimité par la paroi externe 23.
Les deux parties érigées 21 comprennent une surface externe Surfl , ici plane et inclinée et une surface interne Surf2, ici plane inclinée, les surfaces interne et externe Surfl et Surf2 de chaque partie érigée 21 étant sensiblement parallèles de manière à ce que l’épaisseur des parties érigées 21 restent constantes depuis l’extrémité inférieure jusqu’à l’extrémité supérieure. Une épaisseur constante permet une meilleure répartition du fluide dans le moyen de stockage de la chaleur.
Un couvercle supérieur 22 relie les extrémités supérieures des deux parties érigées 21 de manière à ce que le moyen de stockage de la chaleur 20 forme un volume continu depuis l’extrémité inférieure d’une des parties érigées 21 jusqu’à l’extrémité inférieure de l’autre des parties érigées 21. Ici, la surface inférieure du couvercle supérieure 22 est plate alors que la partie supérieure du couvercle supérieur 22 a la forme d’une arche.
Un jeu J1 non nul existe en tout point de la surface supérieure du couvercle supérieur 22 et la paroi externe 23. Ainsi le fluide peut se répartir dans tout le volume du moyen de stockage de la chaleur 20 de manière à améliorer les performances de stockage et de récupération de chaleur.
Le moyen de stockage de la chaleur 20 sépare un volume externe V1 et un volume interne V2, de manière à ce que ces deux volumes puissent être à des températures différentes. De plus, le moyen de stockage de la chaleur 20 est configuré de manière à ce que le fluide qui passe d’un des volumes externe et interne V1 et V2 à l’autre des volumes externe et interne V1 et V2 passe nécessairement par le moyen de stockage de la chaleur 20.
De plus, le moyen de stockage de la chaleur 20 et la paroi externe 23 ont un plan de symétrie matérialisé par la ligne mixte Sym, le plan de symétrie étant vertical. Bien entendu, les caractéristiques des figures 3 à 5 pourraient être combinées entre elles sans sortir du cadre de l’invention. Un tel système de stockage de la chaleur est particulièrement adapté pour être positionné à l’axe horizontal, l’axe x étant l’axe transversal et l’axe z l’axe vertical et pour être fabriqué de manière simple et peu onéreuse.

Claims

Revendications
1 .Système de stockage et de récupération de la chaleur comprenant au moins une paroi externe (23), le système de stockage et de récupération de chaleur comprenant au moins un moyen de stockage de la chaleur (20) comprenant un lit de particules de stockage de la chaleur, ledit moyen de stockage de la chaleur (20) séparant un volume externe (V1 ) et un volume interne (V2), le moyen de stockage de la chaleur (20) étant configuré pour permettre le passage d’un fluide depuis l’un des volumes externe (V1) et interne (V2) vers l’autre des volumes externe (V1 ) et interne (V2), caractérisé en ce que le moyen de stockage de la chaleur (20) comprend deux parties érigées (21) et un couvercle supérieur (22), chacune desdites deux parties érigées (21 ) étant délimitée par une surface externe (Surfl) et par une surface interne (Surf2), lesdites deux parties érigées (21 ) étant reliées entre elles, à leurs extrémités supérieures, par ledit couvercle supérieur (22), ledit volume externe (V1) séparant ledit couvercle supérieur (22) de ladite paroi externe (23).
2. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon la revendication 1 , pour lequel ledit moyen de stockage de la chaleur (20) est posé directement au moins partiellement sur la paroi externe (23).
3. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le moyen de stockage de la chaleur (20) a sensiblement la forme d’un U ou d’un V inversé.
4. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le couvercle supérieur (22) est plat.
5. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications 1 à 3, pour lequel le couvercle supérieur (22) est bombé formant une arche.
6. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le système de stockage et de récupération de la chaleur comprend des moyens de blocage en position pour bloquer le moyen de stockage de la chaleur.
7. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon la revendication 6, pour lequel les moyens de blocage en position horizontale comprennent des pièces de maintien (Sup1 ) à la jonction entre les extrémités inférieures du moyen de stockage de la chaleur (20) et la paroi externe (23).
8. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications 6 ou 7, pour lequel les moyens de blocage en position horizontale comprennent des blocs de renforts (Rf) fixés sur la paroi externe (23) et en appui sur la surface interne (Surf2)des parties érigées (21).
9. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel l’une au moins des surfaces externe (Surfl) et/ou interne (Surf2) d’une des parties érigées (21) est sensiblement verticale, de préférence les surfaces externe (Surfl) et/ou interne (Surf2) des deux parties érigées (21) sont sensiblement verticales.
10. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel l’une au moins des surfaces externe (Surfl) et interne (Surf2) d’au moins une des parties érigées (21 ) est inclinée par rapport à l’axe vertical, l’angle d’inclinaison étant de préférence compris entre 2 et 30°.
11 . Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel l’épaisseur de chaque partie érigée (21) décroit en partant de son extrémité inférieure.
12. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le couvercle supérieur (22) a une épaisseur sensiblement constante.
13. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la paroi externe (23) est obtenue par extrusion d’une section le long d’un axe.
14. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la paroi externe (23) est cylindrique.
15. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications 1 à 13, pour lequel la surface interne de la paroi externe (23) comprend une portion espacée d’une distance constante de la surface externe du moyen de stockage de la chaleur (20).
16. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel lesdits volumes externe et interne (V1 , V2) et le moyen de stockage de la chaleur (20) s’étendent sensiblement sur toute la longueur axiale de la paroi externe (23).
17. Système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le volume occupé par le moyen de stockage de la chaleur (20) représente au moins 70% du volume délimité par la paroi externe (23), de préférence au moins 80% du volume délimité par la paroi externe (23).
18. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un moyen de stockage de gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie et au moins un système de stockage et de récupération de la chaleur selon l’une des revendications précédentes.
19. Procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :
- une étape de compression d’un gaz,
- une étape de stockage de la chaleur dans un système de stockage et de récupération de chaleur selon l’une des revendications 1 à 17,
- une étape de stockage du gaz comprimé,
- une étape de récupération de la chaleur dans ledit système de stockage et de récupération de chaleur selon l’une des revendications 1 à 17,
- une étape de détente du gaz comprimé.
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