WO2024072200A1 - Dispositif de stockage d'énergie gravitaire renforcé par des ressorts de compression et de traction à fonctionnement simultané - Google Patents

Dispositif de stockage d'énergie gravitaire renforcé par des ressorts de compression et de traction à fonctionnement simultané Download PDF

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Anisa EMRANI
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    • F05B2260/42—Storage of energy
    • F05B2260/422—Storage of energy in the form of potential energy, e.g. pressurized or pumped fluid

Definitions

  • This innovation concerns the field of energy storage.
  • the latter has increasingly become a vital issue for society and industries, especially in the current energy context characterized by increased penetration of renewable energies and focused on reducing emissions.
  • the innovation involves the conversion of electrical energy into two forms of green energy, namely gravity potential energy and elastic potential energy. This is a recovery and restitution of energy by combination of a hydraulic installation, a large mass piston and a network of springs of two types (compression and traction), this is with the aim to increase energy storage capacity while optimizing resources.
  • Energy storage technologies are proving increasingly necessary in the current context requiring a response to the global increase in energy demand while taking into account economic and environmental considerations. Energy storage helps reduce losses due to overproduction of energy and thus reduce overall consumption and costs.
  • This present innovation constitutes a strengthening of the energy capacity of the gravity energy storage system by adding a double network of springs of two types (compression and traction).
  • This system will be able to provide a high range of power (Gigawatts); it is a durable system that requires little maintenance and can be placed near renewable energy sources and power transfer lines.
  • the spring gravity energy storage system is a mechanical energy storage technology that ensures the storage of electricity in three forms of energy namely hydraulic energy, gravitational energy and elastic energy.
  • the main goal of this innovation is to increase the energy capacity of the traditional gravitational storage system by adding a two-type spring network (compression and traction) on either side of the piston.
  • This technology consists of a cylindrical shaped tank (1), which contains a piston (2), the piston divides the tank into two chambers, the lower chamber (3) and the upper chamber (4).
  • a pipe internal to the piston (5) is dug to connect the two chambers via a reversible pump-turbine (7).
  • the latter is placed in the piston and moves with it. It functions like a turbine or a pump depending on the direction of rotation and the need in terms of storage or generation.
  • the turbine pump is connected by the motor shaft (8) to an asynchronous motor-generator (9).
  • a compression spring pack placed in the upper chamber (4), attached to the piston (2) and to the ceiling of the tank.
  • Another pack of tension springs (11) is placed in the lower chamber (3) and linked to the piston (2) and to the foundation on which the system is built ( ).
  • the tension springs (13) are forced to extend, and on the other hand the compression springs (14) compress depending on the movement of the piston and the available energy.
  • the energy is therefore stored in the springs, and in the form of gravity potential depending on the altitude of the piston.
  • a control loop controls the valve to regulate the amount of energy produced and stored.
  • the control valve can adjust the fluid flow according to power fluctuations. Storage is maintained by closing the regulation valve. The latter maintains the pressure of the fluid to support the weight of the piston which also maintains the obtained length of the springs until the need for electricity is declared.
  • the control valve (6) is open.
  • a number of compression (10) and tension (11) springs are arranged in a network on either side of the piston.
  • the piston helps distribute the compressive and tensile force of each individual spring evenly across the spring array.
  • ( -5) indicate the dimensions of the spring necessary for calculating the amount of potential energy that can be stored.
  • ( ) shows a compression spring (10) and a tension spring (11) characterized by their diameters (D) and their lengths (L). They are also defined by their free lengths (L0), their working lengths (L), their number of turns (N) and their stiffness constant K with
  • FIG. 10 shows the relationship between a spring in the uncompressed state and a compressed spring in terms of forces.
  • the spring (10.1) in its uncompressed state is at its free length L0, so it provides zero force (F0) as shown in the diagram.
  • the pumping of the water and the rise of the piston generate a force which compresses the spring (10.2) from L0 to Lf.
  • the potential energy (Ep) stored in the spring can be calculated by multiplying the force (F) applied to the spring (13) by the square of the working distance. Therefore, the potential energy (Ep) in a spring can be expressed by the equation
  • the cylindrical tank (1) is made and dimensioned so that it is robust and resistant to mechanical stress due to high pressure.
  • Materials that may be used include, but are not limited to, reinforced concrete, a metal such as steel or iron, or a composite material.
  • the tank has a central channel in which the piston is supported to move from one altitude to another.
  • the lower chamber contains a network of tension springs connected to the piston (2) and the foundation, the lower chamber receives the water in storage mode. Its maximum volume is reached when the piston reaches its maximum altitude.
  • the upper chamber contains a compression spring network connected to the piston (2) and to the ceiling of the structure, the upper chamber receives the water in generation mode. Its maximum volume is reached when the system is completely unloaded and the piston is in its lowest position.
  • the piston (2) can be divided into several sections for easier construction and transportation.
  • the internal return pipe is dug through the piston which will minimize pressure losses and have a less bulky system.
  • the piston is designed to maximize the storage capacity of the system and to slide easily in a vertical movement inside the cylindrical tank (1).
  • the piston is made using a material whose density is sufficiently high in order to maximize the storage capacity, these materials are such as, but not limited to, concrete, heavy concrete, steel, iron, lead or similar.
  • the dimensions of the piston (2) (height and diameter relative to those of the tank (1) are also optimized to maximize the amount of gravitational potential energy.
  • An anti-friction coating is applied to the walls of the tank to ensure easy sliding of the piston inside.
  • the seals (12) are fixed between the tank (1) and the piston (2) and are designed and dimensioned to prevent phenomena that can cause energy losses, namely, water leaks and wear due to friction.
  • Gaskets are made using a flexible, durable material such as, but not limited to, plastic, rubber or similar.
  • a pressure seal can be placed at the lower and upper end of the piston.
  • a diagram which represents the connection of this system to the network is shown on the .
  • the power plant is positioned inside the piston and moves with it.
  • the power plant (7), in particular, the motor/generator (9) is connected to an external source of electrical energy, such as renewable or non-renewable energy sources on the one hand; and on the other hand, it is connected to the electricity network via a substation.
  • the pump-turbine (7) is connected to the internal pipe (5) and the 2 chambers of the tank, and it is connected by the drive shaft to the motor / generator (9).

Abstract

Dispositif de stockage d'énergie reposant sur une combinaison de deux types de stockage d'énergie : stockage par énergie potentielle de pesanteur et stockage par énergie potentielle élastique emmagasinée dans les ressorts. Le système est composé d'un réservoir (1) profond rempli d'eau dans lequel est placé un piston pesant (2). Le piston divise le réservoir (1) en deux chambres, (3) et (4), liées par une conduite interne (5). Cette dernière passe par une pompe-turbine réversible (7) placé à l'intérieur du piston (2). Deux packs de ressorts (10) sont placés de part et d'autre du piston (2). Le pack inférieur est constitué de ressorts de traction tandis que le pack supérieur est constitué de ressorts de compression (10). L'excès d'énergie générée par les sources renouvelables est utilisé pour comprimer les ressorts de compression (10) et étendre les ressorts de traction (11) pendant le mouvement du piston provoqué par pompage d'eau. En cas de besoin d'énergie, la descente du piston en plus de l'énergie potentielle élastique emmagasinée dans les ressorts sont utilisés pour presser l'eau et faire fonctionner la turbine-générateur qui fournit de l'énergie aux consommateurs.

Description

Dispositif de stockage d’énergie gravitaire renforcé par des ressorts de compression et de traction à fonctionnement simultané
Cette innovation concerne le domaine du stockage d'énergie. Ce dernier est devenu de plus en plus un enjeu vital pour la société et les industries, spécialement dans le contexte énergétique actuel caractérisé par une pénétration accrue des énergies renouvelables et focalisé sur la réduction des émissions. L’innovation fait appel à la conversion d’énergie électrique en deux formes d’énergies vertes à savoir l’énergie potentielle de gravité et l’énergie potentielle élastique. Il s'agit d’une récupération et restitution de l’énergie par combinaison d’une installation hydraulique, d’un piston à grande masse et d’un réseau de ressorts à deux types (compression et traction), ceci est dans le but d’augmenter la capacité énergétique de stockage tout en optimisant les ressources.
Les technologies de stockage d’énergie s’avèrent de plus en plus nécessaires dans le contexte actuel exigeant la réponse à l’accroissement mondial de la demande énergétique toute en tenant compte des considérations économiques et environnementales. Le stockage d’énergie permet de réduire les pertes dues à la surproduction d’énergie et ainsi de réduire la consommation globale et les coûts.
Nombreux sont les types de technologies de stockage d’énergie qui ont été mise en jeu. Ces derniers peuvent se classer selon la nature de l’énergie stockée, on distingue donc le stockage mécanique, électrique, électrochimique ou thermique. Toutefois, ces méthodes de stockage comportent diverses difficultés. En effet les systèmes existants sont souvent coûteux, inefficaces, ont une durée de vie limitée et/ou une capacité de stockage limitée. D'autre part seuls quelques types de stockage sont exploitables à grande échelle à l’exemple des STEP hydrauliques, du stockage par air comprimé et de quelques types de batteries. De ce fait, le besoin d’améliorer et de développer des dispositifs de stockages efficaces, durables et peu couteux est toujours parlant.
Les batteries chimiques ont toujours été considérées parmi les méthodes principales de stockage d’énergie. Toutefois elles présentent une courte durée de vie et doivent être remplacées périodiquement. Par ailleurs, les stations de transfert d’énergie par pompages hydrauliques ont été utilisé pour remplacer les batteries électrochimiques à grand échelle. Leur principe repose sur l’écoulement d’un fluide à forte pression d’un premier réservoir à un second réservoir sous l’influence de la gravité, ainsi l’énergie cinétique du fluide est convertie en énergie électrique à l’aide d’un turbogénérateur. En plus des défis géographiques, ce système nécessite des quantités importantes d’eau afin de stocker une quantité significative d’énergie. D’où l’intérêt d’apporter des améliorations au concept des STEP hydrauliques. La recherche a conduit à la conceptualisation de systèmes de stockage d’énergie reposant sur la gravité. Ces systèmes se servent d’une grande masse à déplacer verticalement via des systèmes de levage mécaniques notamment les systèmes poulie courroie ou des systèmes de levage hydrauliques comme les pompes-turbine. Dans tous les scénarios le déplacement de la masse fournit et/ou stocke l’énergie potentielle selon la demande.
Cette présente innovation constitue un renforcement de la capacité énergétique du système de stockage d’énergie par gravité en ajoutant un double réseau de ressorts à deux types (compression et traction). Ainsi, avoir un système innovant qui exploite la force gravitationnelle et l’énergie potentielle élastique afin de stocker de façon écologique l’énergie. Ce système sera en mesure de fournir une haute gamme de puissance (des Gigawatts) ; c’est un système durable qui nécessite peu d’entretien et peut être placé à la proximité des sources d’énergie renouvelables et des lignes de transfert d’électricité.
Le système de stockage d'énergie gravitaire à ressort est une technologie de stockage d'énergie mécanique qui assure le stockage d’électricité sous trois formes d’énergies à savoir l’énergie hydraulique, l’énergie gravitationnelle et l’énergie élastique. Le but principal de cette innovation est d'augmenter la capacité énergétique du système de stockage gravitationnel traditionnel par l’ajout d’un réseau de ressort à deux types (compression et traction) de part et d’autre du piston.
Cette technologie se compose d'un réservoir de forme cylindrique (1), qui contient un piston (2), le piston divise le réservoir en deux chambres, la chambre basse (3) et la chambre haute (4). Une conduite interne au piston (5) est creusée pour relier les deux chambres par l’intermédiaire d’une pompe-turbine réversible (7). Cette dernière est placée dans le piston et se déplace avec lui. Elle fonctionne comme une turbine ou une pompe selon la direction de rotation et le besoin en termes de stockage ou de génération. La pompe turbine est reliée par l’arbre moteur (8), à un moteur-générateur asynchrone (9). À ces composants, s’ajoute un pack de ressort de compression (10) placée dans la chambre haute (4), attaché au piston (2) et au plafond du réservoir. Un autre pack de ressorts de traction (11) est placé dans la chambre basse (3) et lié au piston (2) et à la fondation sur laquelle le système est bâti ( ).
En cas d’excès de production d’énergie renouvelable, on est en mode stockage d’énergie ( ), La vanne de régulation (6) est ainsi actionnée ouvertes. Le surplus d’énergie électrique est converti en énergie mécanique de rotation par le biais du moteur (9), ce dernier entraîne la pompe hydraulique (7) qui convertit de sa part l’énergie mécanique de rotation en énergie hydraulique. Un flux d’eau est généré par la pompe passant de la chambre haute (4) vers la chambre basse (3) du réservoir et traverse, sous pression, la conduite interne (5) avec un débit que la vanne de régulation contrôle (6). La pompe augmente la pression de l’eau dans la direction indiquée sur la ( ). Par conséquent, la pression de l’eau augmente en dessous du piston (2), ce qui provoque un mouvement vertical du piston vers le haut. En ce moment, d’une part les ressorts de traction (13) sont forcés à s’étendre, et d’autre part les ressorts de compression (14) se compriment en fonction du mouvement du piston et de l’énergie disponible. L’énergie est donc stockée et dans les ressorts, et en forme potentiel gravitaire selon l’altitude du piston. Une boucle de régulation commande la vanne pour réguler la quantité d’énergie produite et stockée. La vanne de régulation peut ajuster le débit du fluide en fonction des fluctuations de puissance. Le maintien du stockage est réalisé par la fermeture de la vanne de régulation. Cette dernière garde la pression du fluide pour supporter le poids du piston ce qui maintient aussi la longueur obtenue des ressorts jusqu’à ce que le besoin en électricité soit déclaré. Pour générer de l’énergie ( ), la vanne de régulation (6) est ouverte. L’énergie est régénérée suite à la descente du piston (2) induit par force gravitationnelle d’une part et d’autre part par le retour des ressorts à leurs positions initiales. L'eau est ainsi forcée par la somme des forces à s'écouler à travers la conduite interne dans le sens indiqué sur ( ), passant par la turbine celle-ci entraine le générateur pour produire de nouveau l’électricité. Cette configuration innovante, combinant les deux installations hydraulique et élastique permet donc d’augmenter la capacité énergétique par rapport au système de stockage gravitaire tout seul.
Pour pouvoir stocker une quantité maximale d’énergie, un nombre de ressorts de compression (10) et de traction (11) sont disposés dans un réseau de part et d’autre du piston. Le piston permet de répartir uniformément la force de compression et de traction de chaque ressort individuel sur le réseau de ressorts.
( -5) indiquent les dimensions du ressort nécessaire pour le calcul de la quantité d’énergie potentielle qui peut être stockée. ( ) montre un ressort de compression (10) et un ressort de traction (11) caractérisé par leurs diamètres (D) et leurs longueurs (L). Ils sont définis aussi par leurs longueurs libre (L0), leurs longueurs de travail (L), leurs nombres des spires (N) et leur constante de raideur K avec
( ) montre la relation entre un ressort à l’état non comprimé et un ressort comprimé en termes de forces. Le ressort (10.1) dans son état non comprimé est à sa longueur libre L0, ainsi il fournit une force nulle (F0) comme indiqué dans le diagramme. Le pompage de l’eau et la montée du piston engendrent une force qui comprime le ressort (10.2) de L0 à Lf. L’énergie potentielle (Ep) stockée dans le ressort peut être calculé en multipliant la force (F) appliquée au ressort (13) par le carré de la distance de travail. Par conséquent, l’énergie potentielle (Ep) dans un ressort peut être exprimée par l’équation
( ) montre aussi la relation entre un ressort de traction (11) à l’état non tendu (11.1) et un ressort de traction tendu (11.2) en termes de forces. Les caractéristiques et l’expression de l’énergie potentielle élastique des ressorts de compression (10) reste valable dans le cas des ressorts de traction (11).
Le réservoir cylindrique (1) est réalisé et dimensionné de sort qu’il soit robuste et résistant aux sollicitations mécaniques dues à la pression élevée. Les matériaux pouvant être utilisés sont, tels que, mais sans s'y limiter, le béton armé, un métal tel que l’acier ou le fer ou un matériau composite. Le réservoir a un canal central dans lequel le piston est supporté pour se déplacer d’une altitude à une autre. La chambre basse contient un réseau de ressort de traction relié au piston (2) et à la fondation, la chambre basse reçoit l’eau en mode stockage. Son volume maximal est atteint lorsque le piston parvient à son altitude maximale. La chambre haute contient un réseau de ressort de compression relié au piston (2) et au plafond de la structure, la chambre haute reçoit l’eau en mode génération. Son volume maximal est atteint lorsque le système est complètement déchargé et le piston est dans sa position la plus basse.
Le piston (2) peut être divisé en plusieurs tranches pour faciliter la construction et le transport. La conduite de retour interne est creusée à travers le piston ce qui permettra de minimiser les pertes de charge et d’avoir un système moins encombrant. Le piston est conçu de façon à maximiser la capacité de stockage du système et à coulisser facilement dans un mouvement vertical à l'intérieur du réservoir cylindrique (1). Pour ce faire, le piston est réalisé à l’aide d'un matériau dont la densité est suffisamment élevée afin de maximiser la capacité de stockage, ces matériaux sont tels que, mais sans s'y limiter, le béton, le béton lourd, l'acier, le fer, le plomb ou similaire. Les dimensions du piston (2) (la hauteur et diamètre par rapport à ceux du réservoir (1) sont également optimisées de façon à maximiser la quantité d'énergie potentielle gravitationnelle. Un revêtement antifriction est appliqué pour les murs du réservoir afin d’assurer un coulissement aisé du piston dedans.
Les joints d'étanchéité (12) sont fixés entre le réservoir (1) et le piston (2) et sont conçus et dimensionnés pour empêcher les phénomènes pouvant causer les pertes d’énergie, à savoir, les fuites d’eau et l’usure due au frottement. Les joints d'étanchéité sont réalisés à l’aide d'un matériau flexible et durable tel que, mais sans s'y limiter, du plastique, du caoutchouc ou similaire. Un joint de pression peut être placé à l'extrémité inférieure et supérieure du piston.
Un schéma qui représente le raccordement de ce système au réseau est représenté sur la . La centrale électrique est positionnée à l’intérieur du piston et se déplace avec lui. La centrale électrique (7), en particulier, le moteur/générateur (9) est connecté à une source externe d’énergie électrique, telle que les sources d’énergie renouvelable ou non renouvelable d’une part ; et d’autre part, il est raccordé au réseau électrique par l’intermédiaire d’une sous-station. La pompe-turbine (7) est reliée à la conduite interne (5) et aux 2 chambres du réservoir, et elle est reliée par l’arbre d'entraînement au moteur / générateur (9).
 Fig.1
La présente une vue d’ensemble du système de stockage d'énergie gravitaire à ressort
Fig.2
La montre le mode de stockage du système.
Fig.3
La présente le système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts en mode de décharge.
Fig.4
La présente la caractérisation des ressorts de compression et de traction
Fig.5
La schématise la relation entre la force et la longueur de travail des ressorts
Fig.6
La schématise le raccordement du système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts au réseau électrique et aux ressources renouvelables.

Claims (11)

  1. This Un dispositif de stockage et reproduction d’énergie
    gravitaire à ressort reposant sur une installation hydraulique comprenant :
    • Un réservoir cylindrique fermé (1) ayant un volume intérieur pour contenir l’eau et le piston et se divise par ce dernier en deux chambres : haute (4) et basse (3)
    • Un piston (2) à poids élevé placé dans le réservoir cylindrique.
    • Un réseau de ressorts de compression (10) placé dans la chambre haute, relié au piston (2) et au plafond du réservoir fermé 1.
    • Un Réseau de ressorts de traction (11) placé dans la chambre basse, couplé au piston (2) et à la fondation du réservoir fermé (1).
    • Une conduite interne (5) qui relie la chambre basse (3) et la chambre haute (4).
    • Une vanne de régulation (6).
    • Un joint d’étanchéité (12)
    • Une centrale (7) interne au piston, composé d’une pompe-turbine réversible (8) couplée à un moteur-générateur asynchrone (9).
  2. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 1, dans lequel l’énergie est stockée par le levage hydraulique du piston lourd générant l’extension d’un réseau de ressorts de traction (11) placé dans la chambre basse (3) du réservoir et la compression d’un réseau de ressorts de compression placés dans la chambre haute du réservoir.
  3. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 1, dans lequel le stockage d’énergie se fait, simultanément, par le levage du piston par pompage d’eau, la compression du réseau de ressort de compression, et l’extension de réseau de ressort de traction.
  4. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 3, dans lequel la quantité de l’énergie stockée est fonction de la compression et la traction de la pluralité des ressorts, placés de part et d’autre du piston, sans avoir besoin d’augmenter les dimensions du réservoir et du piston.
  5. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 1, dans lequel le piston est fait d'un matériau dont la densité est élevée pour maximiser la capacité de stockage, tel que du fer, plomb, béton lourd, des matériaux composites, de l'acier,
  6. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 1, dans lequel le piston (2) est modulaires pour faciliter la construction et le transport.
  7. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 1, dans lequel la conduite de retour ainsi que la centrale électrique (7) sont construit à l’intérieur du piston ce qui permet de minimiser les pertes de charge et de réduire la taille du système.
  8. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 7, comprenant une pompe/turbine (8) reliée mécaniquement au moteur-générateur (9) qui génère de l'électricité lors du mouvement descendant du piston par gravité et pression supplémentaire des ressorts.
  9. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 8, dans lequel le joint d’étanchéité est fixé entre le piston et le réservoir pour éviter les fuites d’eau entre la chambre haute et basse du réservoir cylindrique.
  10. Système de stockage d'énergie gravitaire à ressorts selon la revendication 1, dans lequel une vanne de régulation (6) est actionnée pour passer du mode stockage au mode génération ou le contraire.
  11. Méthode de stockage d'énergie gravitaire à ressorts comprenant les étapes suivantes, en mode de stockage d’énergie :
    • Ouverture de la vanne (6)
    • Le moteur-générateur entraîne la pompe hydraulique (8) pour augmenter la pression de l’eau à l'intérieur de la chambre basse du réservoir cylindrique
    • Le piston se déplace vers le haut par l’eau sous pression en comprimant les ressorts de compression et en étendant les ressorts de traction simultanément.
    • Arrêt du moteur générateur et fermeture de la vanne (6).
PCT/MA2023/050011 2022-09-29 2023-07-21 Dispositif de stockage d'énergie gravitaire renforcé par des ressorts de compression et de traction à fonctionnement simultané WO2024072200A1 (fr)

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