Brevet FR2125377A1 — publié le 19720929

La présente invention se rapporte aux installations d'accumulation et d'utilisation d'énergie et concerne, plus particulièrement, un procédé et une installation permettant d'utiliser de l'air comprimé pour accumuler et utiliser de l'énergie. 5 Etant donné que la demande en énergie électrique petit varier considérablement d'une période à l'autre, de nombreux services publics de distribution d'électricité ont recherché un moyen permettant d'accumuler de grandes quantités d'énergie. En effet, un tel moyen permettrait de produire librement l'énergie un excès 10 disponible au cours de périodes de faible demande et de l'accumuler jusqu'à ce que son utilisation devienne nécessaire au cours de périodes de forte demande. De cette manière, on pourrait réaliser des centrales électriques principales capables de produire de l'énergie électrique à un régime relativement constant, ce qui ré-15 duirait la complexité et les prix de revient de ces centrales. L'un des moyens possibles pour procéder à une accumulation d'énergie sur une grande échelle consiste à utiliser l'énergie électrique en excès au cours des périodes hors pointe pour pomper de l'eau en la refoulant à un niveau plus élevé où elle est recueillie 20 dans un réservoir convenable. L'énergie potentielle de l'eau ainsi accumulée est utilisée ultérieurement pour actionner des dispositifs hydro-électriques pendant des périodes de pointe de demande d'énergie, de sorte que des génératrices supplémentaires peuvent être mises en ligne. De telles installations ont l'inconvénient 25 d'exiger des caractéristiques géographiques convenables, d'occuper une surface au sol considérable et d'être d'une implantation difficile et coûteuse. Un moyen de variante d'accumulation d'énergie, qui présente des avantages substantiels par rapport à l'accumulation par pômpa-30 ge hydro-électrique décrite ci-dessus est l'utilisation d'air comprimé pour l'accumulation d'énergie. Généralement, dans une installation de ce genre, on procède à une accumulation d'air comprimé dans une caverne naturelle ou creusée à cet effet, maintenue sous une pression hydrostatique, par exemple, au moyen d'un réservoir 35 d'eau convenable. L'énergie électrique en excès est utilisée pour actionner des compresseurs qui compriment l'air à accumuler au cours de périodes de faible demande électrique. L'air comprimé accumulé est ensuite récupéré au cours de périodes de forte demande pour actionner des turbines qui commandent un équipement de géné-40 ration électrique supplémentaire pendant ces périodes. Des instal 72 04620 2 2125377 lations de ce genre ont été décrites dans des articles parus dans les périodiques Business Week du 1er Août 1970, page 74 et Mecha-nical Engineering, novembre 1970, page 20. Les installations d'accumulation d'air comprimé connues, bien 5 qu'elles soient assez prometteuses pour le but visé exigent, généralement, un transfert de la quasi-totalité de la chaleur de compression dans de l'air ou de l'eau de refroidissement pour augmenter le volume d'air accumulé dans une cavité de capacité donnée. Lorsque l'air est utilisé pour la production d'énergie, il est 10 nécessaire de le réchauffer par apport d'énergie et, par exemple, en brûlant un combustible fossile. La chaleur nécessaire implique une énergie d'entrée supplémentaire qui peut réduire le rendement global et la rentabilité de la centrale électrique. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a, notamment, pour 15 objet de créer un procédé nouveau et une installation perfectionnée : - permettant d'utiliser de l'air comprimé pour accumuler et utiliser de l'énergie ; - dont le rendement est considérablement amélioré ; 20 - qui permet de réduire considérablement la quantité de com bustible à brûler ou même d'éviter entièrement cette combustion. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint qui en représente, à titre d'exemple non limitatif, deux modes de réalisation. 25 Sur ce dessin : la figure 1 est une représentation schématique d'une installation réalisée conformément à l'invention et permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, et la figure 2 est une vue schématique fragmentaire représentant 30 line variante de l'installation de. la figure 1. Le procédé et l'installation suivant l'invention impliquent essentiellement la compression d'une certaine quantité d'air et son accumulation dans un réservoir cdnvenalîI'er-Hnë fraction appréciable de la chaleur de compression de l'air est extraite de ce-35 lui-ci avant son accumulation et cette chaleur extraite est également accumulée. Sur demande, au moins une partie de l'air comprimé accumulé est récupérée et une fraction appréciable de la chaleur de compression accumulée est recyclée pour réchauffer l'air comprimé récupéré. On fait ensuite produire un travail à l'air compri-40 mé chauffé en lui permettant de se détendre. 72 04620 3 2125377 Le procédé suivant l'invention est plus facile à comprendre en se référant au dessin sur lequel est représentée une installation réalisée conformément à l'invention. Sur la figure 1, le niveau du sol est indiqué en 11. Les éléments souterrains de l'instal-5 lation comprennent une chambre d'accumulation (ou réservoir) 12 partiellement remplie d'eau 13, de manière à maintenir une pression hydrostatique convenable à travers une conduite d'eau 14 communiquant avec un réservoir de surface lo. Les organes mécaniques de l'installation suivant l'invention 10 disposés au-dessus du sol comprennent un alternateur/moteur 17 lié, par l'intermédiaire d'un embrayage 16, à un compresseur 19. Le compresseur 19 est représenté sur le dessin comme ne comportant qu'un seul étage, mais il va de soi qu'il pourrait être remplacé par une série de compresseurs ou par plusieurs étages de compresseur, 15 comme il est connu dans cette technique. L'embrayage 18 accouple l'arbre 21 du compresseur à l'arbre 22 de l'alternateur/moteur. L'arbre de l'alternateur est également accouplé, par l'intermédiaire d'un embrayage 23, avec l'arbre 24 d'un moyen moteur primaire ou turbine 26. Exactement comme dans le cas du compresseur 20 19, la turbine 26 est représentée comme comportant un unique étage, mais il va de soi qu'elle pourrait en comporter plusieurs ou être remplacée par plusieurs turbines. Au cours de périodes de faible demande, l'énergie électrique provenant du réseau de distribution principal, non représenté, est 25 utilisée pour faire fonctionner l'alternateur/moteur 17 en moteur. Dans ces conditions, l'embrayage 23 est débrayé et l'embrayage 18 est embrayé, de sorte que 1'alternateur/moteur 17 entraîne le compresseur 19. De l'air est aspiré dans le compresseur 19 à travers l'entrée d'air 27 et traverse un robinet à trois voies 28 qui, 30 dans la position représentée, fait communiquer la conduite de refoulement 29 du compresseur avec une conduite 31. Une valve commandée 32 est prévue sur la conduite 31 et l'air comprimé traverse cette valve 32 et peut ainsi être transférée du compresseur 19 dans un régénérateur 33.' Le fonctionnement et la construction de 35 ce régénérateur seront décrits plus loin de façon plus détaillée. Après avoir traversé le régénérateur 33, l'air comprimé parvient dans la chambre d'accumulation ou réservoir 12 à travers une conduite 34. Une pression hydrostatique convenable est maintenue dans la chambre 12, comme il est connu dans cette technique, grâce 40 à l'utilisation du réservoir d'eau 16 installé à la surface du sol 72 04620 4 2125377 et qui assure une contre-pression convenable pour maintenir l'air comprimé accumulé. Au cours de périodes de forte demande, l'alternateur/ moteur 17 est branché dans le système de sortie électrique de l'installa-5 tion principale non représenté et est entraîné en alternateur de manière à fournir une entrée d'énergie auxiliaire à cette installation. Dans ces conditions, l'embrayage 18 est débrayé et l'embrayage 23 est embrayé, de sorte que l'alternateur/moteur 17 est entraîné par la turbine 26. 2,0 Pour faire fonctionner la turbine 26, on amène le robinet 28, de la position représentée à une position dans laquelle la conduite 31 communique avec la conduite d'admission 36 de la turbine. On ouvre la valve 32 de sorte que l'air comprimé accumulé dans le réservoir 12 peut traverser successivement la conduite 34, le ré-15 générateur 33, la valve 32, la conduite 31* le robinet 28 et la conduite 36, pour parvenir dans la turbine 2b. L'air comprimé en se détendant dans l'atmosphère entraîne alors la turbine 26 d'où il s'échappe à travers une conduite 37. Comme précédemment décrit, l'air, sur son parcours d'accumula-20 tion dans le réservoir 12, traverse le régénérateur 33• Au cours de sa compression dans le compresseur 19, l'air subit une élévation de température. Dans de nombreuses installations, le travail que le compresseur doit fournir est réduit par interposition d'étages de refroidissement intermédiaires et la capacité nécessaire 25 pour emmagasiner l'air est réduite par interposition d'un étage de post-refroidissement. Ces divers étages exigent des moyens de refroidissement séparés et, par conséquent, augmentent la consommation d'énergie totale de l'installation. Suivant l'invention, l'air est comprimé sans post-refroidisse-30 ment, de sorte qu'au moment où il pénètre dans le régénérateur 33, il est à une température relativement élevée en raison de la chaleur de compression. La chaleur de compression est ainsi éliminée de l'air et accumulée dans le régénérateur. Le régénérateur assure efficacement la fonction d'un post-refroidisseur, mais sans perte 35 de chaleur. De la même manière que dans le cas où l'on utilise un post-refroidisseur, on peut ainsi accumuler davantage, d'air dans un réservoir de dimensions données, du fait que l'air refroidi occupe moins de volume. En outre, la nécessité d'utiliser de l'énergie pour faire fonctionner des dispositifs de refroidissement sé-40 parés, tels que des refroidisseurs intermédiaires et des post-re- 72 04620 5 2125377 froidisseurs, peut ainsi être entièrement évitée. Lorsque l'air est renvoyé dans l'installation pour entraîner la turbine 26, il traverse le régénérateur 33 et récupère sa chaleur de compression, ce qui augmente la quantité d'énergie disponible dans 1'installa-5 tion. L'étage régénérateur 33 est représenté comme étant constitué par une cavité souterraine remplie de roche brisée. Généralement, la roche brisée comporte un volume d'interstices de 10 à 25#« Pour indiquer des dimensions approximatives, une installation type per-10 mettant d'accumuler une énergie correspondant à 1.000.000 de kilowatts pour une période de 10 heures nécessiterait une cavité creusée à 425 mètres environ au-dessous de la surface du réservoir 12. Celul-ei pourrait avoir un volume de l'ordre de 1,3 millions de mètres cubes et le régénérateur, un volume d'environ 75«000 mètres 15 cubes. Les études de rentabilité d'une telle installation indiquent que les frais d'exploitation sont moins élevés à raison de plusieurs centimes* par kilowatt que ceux d'une installation construite suivant la technique antérieure, utilisant des refroidisseurs intermédiaires et un post-refroidisseur dans les étages de compression et 20 ne comportant pas de régénérateur. En outre, l'installation suivant 1'invention élimine les problèmes associés au' transport et au stockage du combustible, ainsi que le problème de la pollution de l'air associé à la combustion de celui-ci. La cavité du régénérateur doit être creusée à une profondeur 25 permettant de maintenir la pression interne voulue dans le régénérateur. Cette pression est généralement de l'ordre de 42 kg/cm2. Une telle pression exige une profondeur minimale comprise entre 200 et 300 mètres environ. Le choix de l'emplacement doit tenir compte de la disponibilité d'une roche convenable et il peut être ^0 désirable d'implanter le régénérateur à une plus grande profondeur si line roche convenant mieux pour le fonctionnement à haute température est disponible à ce niveau. On peut construire le régénérateur en préparant la cavité au moyen de techniques minières classiques de creusement de roche 35 dure et en remplissant ultérieurement la cavité de roche brisée ou de matière céramique préfabriquée. Selon une variante, on pourrait former la cavité en la creusant jusqu'à concurrence d'environ 10 % de la capacité finale désirée du régénérateur, en la remplissant d'explosif et en mettant à feu celui-ci. On obtiendrait ainsi vin 40 tas de roche brisée qui pourrait convenir pour le régénérateur. 72 04620 6 2125377 Les explosifs classiques convienner.t généralement, mais il est concevable de pratiquer certaines excavations au moyen d'explosifs nucléaires. Dans la plupart des cas, la formation de roche naturelle dans 5 laquelle la cavité du régénérateur est creusée suffit pour assurer l'étanchéité de la cavité et éviter toute perte de charge. Toutefois, à certains emplacements, il peut être nécessaire de cimenter les parois de la cavité pour réduire les fuites au minimum. Dans certains cas, il peut être désirable de prévoir uneisolation ther-10 mique autour de la cavité du régénérateur et l'on peut, à cet effet, utiliser de la brique réfractaire ou un autre type de matière céramique isolante. Une isolation thermique analogue peut être désirable dans la conduite qui fait communiquer le régénérateur avec la surface du sol. 15 Bien qu'on ait représenté et décrit ici un régénérateur souter rain, il est parfois possible de construire un régénérateur disposé au-dessus du niveau du sol. Dans ce cas, ledit régénérateur exigerait une enceinte convenable conçue de manière à pouvoir supporter les pressions internes qui sont, généralement, de l'ordre de 20 42 kg/cm2 ainsi que les températures régnant dans le régénérateur qui sont, généralement, de 650°C environ. Les parois de l'enceinte sous pression peuvent être construite de manière à supporter les hautes températures ou bien l'on peut prévoir une isolation thermique convenable entre les parties structurelles des parois et l'in-25 térieur du régénérateur. Cette dernière solution serait probablement la plus économique. La capacité nécessaire du régénérateur, qui est de l'ordre de 75*000 mètres cubes, implique des dimensions assez grandes de l'enceinte sous pression nécessaire pour loger le régénérateur. En conséquence, il est probablement plus économique 30 de disposer le régénérâteur dans une cavité souterraine. Dans certaines circonstances, il peut être désirable d'utiliser une seule et même cavité souterraine pour loger à la fôis^é réservoir d'ac-cumulation 12 et le régénérateur 33* Jtens j&e -câs-ï---àii peut construire une cloison en béton à l'intérieur de la cavité unique pour sé-35 parer le compartiment utilisé pour l'accumulation du compartiment utilisé pour la régénération. ~ Dans le cas où les consommations d'énergie de pointe subsistent après l'appauvrissement de l'alimentation en air, il peut être nécessaire de faire fonctionner l'installation connue une turbine à 40 gaz classique, c'est-à-dire d'assurer l'entraînement du compresseur 72 04620 7 2125377 19 et de l'alternateur 17 par la turbine 26. Dans ce cas, des dispositions (non représentées) sont adoptées pour assurer un apport d'énergie sous forme de chaleur à l'air fourni à la turbine par le compresseur. Le robinet 28 peut alors être modifié pour 5 établir un by-pass évitant à la fois la chambre d'accumulation et le régénérateur. Dans ce mode de fonctionnement en turbine à gaz classique, la puissance de sortie de l'alternateur est égale à la différence entre celle de la turbine et la puissance du compresseur. Pour 10 produire de l'électricité avec ce mode de fonctionnement, il est nécessaire d'adopter certaines dispositions pour empêcher la puissance du compresseur de dépasser celle de la turbine. A cet effet, l'installation suivant l'invention utilise une source d'agent de refroidissement 41 telle qu'une source convenable d'eau sous pres-15 sion, avec un système d'injection d'eau interne incorporé au compresseur 19. L'injection d'eau dans le compresseur 19 peut être assurée par les techniques bien connues utilisées dans les moteurs à réaction et a pour but de réduire le travail de compression à peu près de la même manière que lorsqu'on utilise des refroidis-20 seurs intermédiaires. Si l'on prévoit une injection d'eau, de préférence en plusieurs points du compresseur, la puissance de celui-ci est maintenue inférieure à celle de la turbine et, par conséquent, on dispose d'une puissance résiduelle suffisante de la turbine pour assurer la production d'électricité. Dans ce mode de 25 fonctionnement, le rendement serait probablement de l'ordre d'un tiers de celui qu'on peut obtenir lorsque de l'air accumulé est disponible. Ainsi, l'installation suivant l'invention présente une souplesse supplémentaire en ce sens qu'elle est capable de fonctionner aussi bien en tant que système à turbine à gaz qu'en tant 30 que système à air accumulé. Il peut être désirable dans certaines circonstances d'utiliser un refroidisseur intermédiaire et/ou un réchauffeur en plus d'un régénérateur. Cette variante est représentée sur la figure 2. Les parties de l'installation de la figure 2 qui correspondent à des 35 parties déjà représentées sur la figure 1, sont désignées par les mêmes références numériques que sur celle-ci mais précédées du chiffre "1". Les différences essentielles résident en ce que le compresseur comprend deux étages 119 et 119a et en ce que l'air traverse un refroidisseur intermédiaire 141 entre les deux étages 40 du compresseur. Bien entendu, si l'on utilise plus de deux compres 72 04620 8 2125377 seurs ou plus de deux étages de compresseur, il peut également être désirable de prévoir plusieurs refroidisseurs intermédiaires, iin outre, un réchauffeur 142 est inséré sur la conduite d'admission 13oa-13o de la turbine. 5 Le réchauffeur ou brûleur 142 peut être utilisé si l'on désire un réchauffage supplémentaire de l'air comprimé avant sa détente dans la turbine. Dans ce cas, une consommation de combustible est nécessaire mais elle est considérablement plus faible, pour une température d'entrée donnée de la turbine, que dans une installait) tion où un régénérateur n'est pas utilisé. L'utilisation d'un réchauffeur conjointement au régénérateur augmente la puissance de sortie de 20 à 30 par rapport à celle d'une installation comportant un régénérateur mais ne comprenant pas de réchauffeur. L'utilisation d'un réchauffeur intermédiaire peut également 15 être désirable dans certaines circonstances. A mesure qu'on augmente le degré de refroidissement intermédiaire, le travail de compression diminue, mais la consommation de combustible nécessaire pour obtenir une température d'entrée donnée de la turbine augmente. Pour diverses combinaisons entre le coût de l'énergie hors pointe 20 et le prix de revient du combustible, le prix optimal de l'énergie peut impliquer un certain degré de refroidissement intermédiaire. D'après ce qui précède, on peut voir que l'invention permet de réaliser un nouveau procédé et une installation perfectionnée permettant d'utiliser de l'air comprimé pour accumuler et utiliser de 25 l'énergie. Le procédé e& l'installation suivant l'invention assurent un rendement amélioré par rapport aux procédés et aux installations antérieurs connus, ce qui permet d'obtenir une puissance de sortie plus élevée pour une consommation de combustible ou d'énergie donnée. 30 Bien entendu, l'invention n'est nuîlsment limitée aux modes de réalisation décrits ; elle est susceptible de nombreuses variantes, selon les applications envisagées, sans qu'on s'écarte pour cela du domaine de l'invention. 72 04620 9 2125377 SEVENDICATIQNS 1. Procédé d'accumulation d'énergie en vue de son utilisation ultérieure, au moyen d'air comprimé, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à comprimer une 5 certaine quantité d'air et à l'accumuler, à extraire une fraction appréciable de la chaleur de compression de l'air et à accumuler la chaleur ainsi extraite, à récupérer au moins une partie de l'air comprimé accumulé, à chauffer l'air comprimé récupéré par récupération d'une fraction appréciable de la chaleur de compression accu-10 mulée et à faire fournir un travail à l'air comprimé récupéré et. chauffé en lui permettant de se détendre. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chaleur est extraite au cours de la compression de l'air. 3» Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au 15 moins une partie de la chaleur est extraite par refroidissement intermédiaire au cours de la compression de l'air. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'air comprimé récupéré subit un réchauffage supplémentaire après récupération de la chaleur accumulée et antérieurement à sa détente. 20 5. Installation permettant, au moyen d'air comprimé, d'accumu ler de l'énergie en vue de son utilisation ultérieure, ladite installation étant caractérisée par des moyens compresseurs pour comprimer une certaine quantité d'air, un réservoir pour accumuler l'air ainsi comprimé, un régénérateur monté entre les moyens com-25 presseurs et le réservoir pour extraire une fraction appréciable de la chaleur de compression de l'air transféré des moyens compresseurs au réservoir et pour accumuler la chaleur ainsi extraite, des moyens moteurs primaires, et des moyens pour conduire au moins une partie de l'air comprimé accumulé, en réponse à la demande, dudit 30 réservoir auxdits moyens moteurs primaires, lesdits moyens conducteurs faisant passer l'air comprimé récupéré à travers le régénérateur de manière à rendre à l'air une fraction appréciable de sa chaleur de compression accumulée, avant sa détente dans lesdits moyens moteurs primaires. 35 6. Installation suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'elle comprend, en outre, des moyens de refroidissement intermédiaires incorporés aux moyens compresseurs. 7. Installation suivant l'une ou l'autre des revendications 5 et 6, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un réchauf-40 feur assurant un réchauffage supplémentaire de l'air comprimé 72 04620 10 2125377 entre le régénérateur et les moyens moteurs primaires. 8. Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le réservoir comprend une cavité souterraine et en ce que le régénérateur comprend une capacité rem-5 plie de roche brisée. 9. Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la roche brisée présente un pourcentage d'interstices de 10 à 25 %. 10. Installation suivant la revendication 8, caractérisée en 10 ce que le régénérateur comprend une cavité souterraine. 11. Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, des moyens pour refroidir les moyens compresseurs par injection d'eau, de manière à permettre à l'installation de fonctionner en système à 15 turbine à gaz classique.