Brevet FR2167262A1 — publié le 19730824

Dans les centrales électriques, thermiques, hydrauliques ou nucléaires, la puissance installée pour satisfaire à la consoflation aux heures de pointe est notablement surabondante en heures creuses, principale Ment la nuit. S'il est relativement facile de remédier à cet inconvénient dans les centrales hydrauliques de haute chute par l'arrêt de certaines turbines dont on interrompt l'alimentation en eau, voire dans les centrales therMiques en mettant en rés certaines chaudires, il n'en est pas de même pour les centrales hydrauliques dites "au fil de l'eau" et les centrales nucléaires pour lesquelles la solution idéale serait de stocker l'énergie supplémentaire fournie en heures creuses afin de pouvoir l'utiliser sans pertes appréciables, notamment conte complément aux heures dc pointe. Cette énergie pourrait être stockée, soit massivement au voisinage des centrales, ou plus généralement au niveau de la production, soit de facon plus répartie au niveau de l'utilisation, dans des appareils susceptibles de restituer dans la journée l'énergie emmagasinée la nuit. Le me.e problème se pose dans les industries utilisant l'énergie thermique, industrie chimique, pétro-chimique et métallurgique, par exemple. Dans Ces industries, il est souvent nécessaire, pour des raisons économiques, de Maintenir en activité des foyers dont l'énergie thermique est momentané- Ment perdue. l,à aussi, un stockqe momentané de cette énergie perdue serait très appréciable afin de pouvoir l'utiliser économiquement par la suite en vue d'opérations complémentaires. On a déjà utilisé l'eau cose matériau de stockage thermique d'énergie, soit directement (cas du chauffage à accumulation), soit sous forme de vapeur pour l'entraînement de moteurs thermiques tels que turbines ou moteurs à piston. Mais, en raison de la valeur relativement faible de la température critique de l'eau, les volumes d'eau ou de vapeur nécessaires peur le stockage de quantités importantes d' énergie, telles que des centaines de kilowatts-heures ou plusieurs mégawatts-heures, sont prohibitifs. D'autre part, ce stockage doit s'effectuer à pression élevée. On a aussi songé àutiliser comme matériaux de stockage d'énergie thermique soit des métaux alcalins fondus, sodium par exemple, soit des hydroxydes de métaux alcalins tels que la soude. Toutefois, les valeurs relativement faibles des chaleurs spécifiques et des chaleurs de fusion de ces corps empêchent leur utilisation pour un stockage tres important d'énergie thermique. La présente invention a pour objet un appareillage de stockage thermique d'énergie dans lequel le matériau de stockage est constitué par de l'hydrure de lithium utilisé entre 3QOeC et 9000C. Cette substance produite industriellement fond à 6880C avec une chaleur de fusion de 650 cal/g et présente å 200C une chaleur spécifique de 1,09 kg cal/kgoc qui croît de 50 % jusqu'au point de fusion. Ces propriétés lui assurent une compacité très importante pour le stockage thermique d'énergie, 1 kg d'hydrure de lithium pouvant, en effet, stocker dans la gamme de températures précitée au moins 1,5 kilowatt-heure sous forme d'énergie thermique. L'invention a, en outre, pour objet les applications industrielles de l'appareillage de stockage thermique d'énergie spécifié ci-dessus, notamment cosse accumulateur d'énergie thermique, échangeur-récupErateur et récupérateur. En particulier, un accumulateur d'énergie thermique du genre spécifié peut être avantageusement utilisé comme accumulateur d'énergie électrique sous forme d'énergie thermique pour la propulsion sans pollution et meme sans aucun dégagement gazeux de véhicules terrestres, marins, sousmarins, ou pour la conservation de énergie fournie par une centrale nuclékira. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente schématiquement un accumulateur thermique d'alcrgie, conforme à l'invention, utilisé avec un cycle vapeur. La figure 2 est une vue en perspective du corps d'accuulateur thermique d'énergie de la fig. 1. La figure 3 représente schématiquement un accumulateur thermique d'énergie du genre de celui de la fig. 1 dans son utilisation avec un moteur du genre Stirling. La figure 4 est une coupe de la fig. 3 suivant la ligne Iv-Iv. La figure 5 et la figure 6 sont respectivement une vue extérieure en perspective d'un échangeur récupérateur conforme à l'invention et une coupe de la fig. 5 suivant le plan VI-VI. La figure 7 représente schématiquement un récupérateur conforme à 1' invention. Le matériau de stockage thermique d' énergie employé dans les dispositifs illustrés & titre d'exemple est constitué par de l'hydrure de lithium utilisé entre 3000C et 9000C dont la chaleur de fusion est de 650 cal/g et dont la chaleur spécifique de 1,09 kg cal/kg0C à 204C croit de 50 % jusqu'au point de fusion de 688*C. Dans la gamme de température précitée, 1 kg d'hydrure de lithium peut stocker au moins 1,5 kilowatt-heure thermique représentant, compte tenu du poids des appareils qui seront décrits ultérieurement et du rendement probable de transformation en énergie mécanique, de 0,400 à 0,500 kWh à l'utilisation, quantité très notablement supérieure à celles de 0,020 k w kg d'une batterie au plomb, de 0,085 kWh/kg d'une batterie argent-zinc et de 0,058 k w kg de Na OH utilisé entre 3190C et 343*C. L'hydrure de lithium utilisé sera de préférence additionné d'une légère quantité de lithium, dans le but de diminuer la pression d'équilibre de l'hydrogène dans la réaction de décomposition de l'hydrure de lithium qui s'amorce aux températures supérieures à la température de fusion de l'hydrure. Cette addition a également pour effet d'abaisser et de stabiliser vers 680 la température de fusion. L'accwulateur d'énergie thermique illustré aux figs. 1 et 2 comprend un corps 1 parallélépipédique dans lequel sont montés en lits superposés,suivant deux directions horizontales perpendiculaires, des enveloppes cylindriques 2 servant au logement de cannes résistantes 3. La distance entre les enveloppes 2 et, par suite, entre les cannes résistantes 3 est progressivement croissante du sommet vers la base du corps 1. Des tubes verticaux 4 débouchant sur les parois inférieure 5 et supérieure 6 de ce corps sont disposés dans les mailles du quadrillage formé par les enveloppes 2. Ces tubes 4 débouchent dans des chambres inférieure 7 et supérieure 8 aménagées entre le corps 1 et des couvercles renforcés 9 et 10. Le volume 11 compris entre le corps 1, les enveloppes 2 et les tubes 4 est rempli d'hydrure de lithium dont le niveau t froid est en 12, au-dessous de la paroi supérieure 6 du corps. Cet hydrure est; de préférence, additionné d'un pourcentage relativement faible de lithium. Les cannes résistantes 3 - sont reliées électriquement en série, série parallèle ou parallèle, selon la tension, dans chaque alignement vertical, le courant circulant, par exemple, de la canne supérieure vers la canne inférieure. In reliant les cannes résistantes à une source de coursant, la chaleur qu'elles dégagent tend à faire fondre l'hydrure de lithium du haut vers le bas en raison de la disposition de ces cannes et à accumuler ainsi sous forme thermique l'énergie fournie par la source de courant, centrale électrique classique ou nucléaire. L'énergie thermique ainsi accumulée est transférable à tout fluide gazeux ou liquide mis en circulation entre les chambres 7 et 8 à travers les tubes 4. Dans le cas d'une utilisation avec cycle vapeur, comme illustré à la fig. 1, dans une entrée 13 du couvercle 9 est disposé un injecteur 14 alimenti en eau par une turbo-pompe 15 qui la puise dans un condenseur 16. Cette turbo-pompe est entrarnée par un moteur électrique 17 alimenté par une source de courant électrique 18 à travers un rhéostat 19. L'eau injectée dans la chambre inférieure 7 sc vaporise dans les tubes 4 et est conduite depuis la chambre supérieure 8 par une canalisation 20 piquée sur le couvercle 10 à un moteur 21, turbine ou moteur volumétrique. L'échappement de ce moteur 21 est relié par une canalisation 22 au condenseur 16. Après accuxulation d'énergie électrique sous forme thermique dans l'hydrure de lithium porté à la température maximale de 9000C, le groupe ainsi constitué est mis en marche par alimentation du moteur 17 sous l'action du rhéostat 19. Le moteur 21 peut alors entraSner tout dispositif connu avec une consommation d'énergie thermique de 1,5 kwh par kilog d'hydrure de lithium, compte tenu de son propre rendement énergétique. La caractéristique de la turbo-pompe 15 sera choisie de façon que la pression maximum qu'elle peut fournir à débit nul soit égale ou légèrement inférieure au timbre de l'appareil à sa température de fonctionnement, de façon à assurer automatiquement une sécurité contre les surpressions.En raison de la grandeur relativement élevée de la température finale, la résistance et l'enveloppe des cannes 3, ainsi que les parois de l'accumulateur, sont réalisées en un métal conservant à cette température ses caractéristiques mécaniques, par exemple en béryllium qui possède par ailleurs lui-même une forte chaleur spécifique, et l'isolant en alumine ou céramique à haute chaleur spécifique. L'accumulateur d'énergie des figs. 3 et 4 diffère essentiellement de celui des figs. 1 et 2 en ce qu'il est adapté pour son utilisation avec un noteur du genre Stirling. Il comprend un corps cylindrique la comportant une chambre centrale 23 dans laquelle est logée la chambre chaude 24 d'un moteur Stirling à balayeur 25. Dans le corps la sont montés en lits superposés des enveloppes cylindriques 2a servant au logement de cannes résistantes non représentées. Ces enveloppes sont parallèles aux génératrices du corps la et disposées à des distances progressivement croissantes du sommet vers la base de ce Corps. Elles sont supportées à leurs extrémités par des plaques tubulaires 26.Ce volume lla compris entre le corps la et les enveloppes 2a est rempli d'hydrure de lithium, éventuellement additionné d'un pourcentage rela vivement faible de lithium. Le niveau à froid de cet hydrure de lithium est en 12a au-dessous de la portion supérieure du corps la. Après accumulation d'énergie électrique sous forme thermique dans l'hydrure de lithium, le moteur Stirling est mis en route et peut alors cntrafnar tout dispositif connu avec une conçommation d'énergie thermique de 1,5 kWh par kilog d'hydrure de lithium, compte tenu de son propre rendement én q étique. Il y a lieu de noter que l'énergie à stocker au lieu d'entre d'origine électrique peut être d'origine thermique, les cannes résistantes étant retirées des enveloppes 2 ou 2a qui servent alors directement à la circulation du fluide, vapeur ou gaz, dont l'énergie thermique est à stocker. Des accumulateurs d'énergie thermique tels que ceux des figs. 1 et 2 ou 3 et 4 peuvent avantageusement etre utilisés pour assurer la propulsion sans pollution, voire même sans aucun dégagement gazeux de véhicules terrestres, marins ou sousnarins. C'est ainsi que, dans le cas d'un véhicule automobile de tourisme à utilisation jeuzalière de 100 km, la consommation d'énergie correspondante est d'environ 40 kWh électriques soit, en tenant compte des rendements, de 700 à 120 kwh thermiques. Le poids d'hydrure de lithium, matériau stockeur, pour fournir cette énergie thermique, est d'environ 100 kg et celui de l'accu ialateur complet d'environ 150 kg. Si nous considérons un autobus parcourant journellement 300 km, la consoneation d'énergie correspondante est d'environ 400 kWh électriques nécessitant, en raison des pertes, de 1 000 à 1 200 kWh thermiques. il suffit pour fournir cette dernière quantité d'énergie d'environ 800 kg d'hydrure de lithium, l'accumulateur correspondant pesant environ 1 200 kg. il est aussi possible d'utiliser les accumulateurs du genre de ceux des figs. 1 et 2 ou 3 et 4, pour l'accumulation d'énergie électrique perdue des centrales thermiques, hydrauliques ou nucléaires. Soit, par exem- ple, une centrale nucléaire d'une puissance de 106 kW électrique pour laquelle il y aurait lieu de stocker 300 000 kW pendant 8 heures. L'énergie électrique à accumuler serait de 2 400 000 kWh correspondant à environ 6 000 000 kwh thermiques. Compte tenu du stockage thermique de 1,5 kWh par kg pour l'hydrure de lithium, une telle accumulation nécessiterait environ 4 000 tonnes de cette substance soit, à raison de sa densité égale à 0,8, environ 5 000 m3. Il suffirait alors d'environ 12 réservoirs de 5 m de diamètre et 20 m de hauteur occupant une surface inférieure à 1 000 m2.Cette substance présente donc une compacité très importante. En dehors de son utilisation dans les accumulateurs d'énergie, l'hydrure de lithium peut avantageusement être utilisé dans les échangeursrécupérateurs et dans les récupérateurs. L'changeur-récupérateur illustré aux figs. 5 et 6 comprend un corps parallélépipédique 27 à fonds renforcés 28 et 29 dans lequel sont dispo sés des tubes 30 pour le fluide de réchauffage et suivant une direction perpendiculaire des tubes 31 pour le fluide à réchauffer. Le fluide de réchauffa- ge amené à l'entrée 32 pratiquée sur le couvercle 33 s'échappe par la sortie 34 du couvercle 35, alors que le fluide à réchauffer pénètre par l'entrée 36 du couvercle 37 et sort par la sortie du couvercle opposé. Le volume compris entre le corps 27, les fonds 28 et 29 et les tubes 30 et 31 est rempli dthy- drure de lithium dont le niveau à froid est en 38. Le récupérateur suivant la fig. 7 comporte un corps 39 fermé par des fonds 40 et 41 à travers lesquels débouchent des tubes 42 logés dans ce corps. Le couvercle renforcé supérieur 43 est relié à un robinet à trois voies 44 inséré dans la canalisation 45 d'amenée du fluide chauffant et d'évacuation du fluide chauffé. Pareillement, le couvercle renforcé inférieur 46 est relié au robinet à trois voies 47 inséré dans la canalisation 48 d'amenée du fluide à chauffer et d'évacuation du fluide chauffant. Le volume 49 compris entre le corps 39, les fonds 40 et 41 et les tubes 42 est rempli jusqutau niveau 50, à froid, d'hydrure de lithium éventuellement additionné d'un faible pourcentage de lithium. Par la manoeuvre des robinets 44 et 47, l'hydrure de lithium stocke l'énergie fournie par le fluide chauffant qui circule dans le sens des flèches en traits pleins et la restitue par la suite au fluide à chauffer qui circule dans le sens des flèches en pointillé, ces circulations s'effectuent en sens inverse. iEVENDICATIONS 10 Appareillage de stockage d' énergie sous forme thermique utilisant canne matériau de stockage de l'hydrure de lithium entre 3000C et 900-C, caractérisé en ce qu'il comprend un corps dans lequel sont pontées des enveloppes débouchant dans ses parois latérales et disposées en lits horizontaux superposés à des distances progressivement croissantes du haut vers le bas, l'hydrure de lithium remplissant le volume compris entre ledit corps et lesdites enveloppes jusqu'à un niveau disposé à froid au-dessous de la paroi supérieure dudit corps, et des noyens pour utiliser l'énergie stockée. 2 Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il cerprend, en outre, des tubes verticaux débouchant dans les parois supérieure et inférieure dudit corps. 30 Appareillage selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour utiliser l'énergie stockée sous forme thermique conpren- nent une turbe-pospe å connande réglable alimentant en fluide un injecteur disposé dans une chambre aménagée sous la paroi inférieure du corps, un moteur à fluide gazeux dont l'aspiration est reliée à une chambre aménagée au-dessus de la paroi supérieure du corps et un condenseur interposé entre l'échappement de ce moteur à fluide gazeux et l'aspiration de cette turbo-pompe. 4 Appareillage selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite turbo-pompe a une caractéristique pression-débit telle que la pression maximum correspondant à un débit nul soit égale ou légèrement inférieure au timbre dudit corps. Se Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens consistent en une chambre centrale placée dans la partie inférieure dudit corps, dans laquelle est logée la chambre chaude d'un moteur du genre Stirling. 60 Appareillage selon l'une quelconque des revendications précé- dentes dans lequel 1' hydrure de lithium est chauffé au moyen de cannes résistantes alimentées en courant électrique placées à l'intErieur desdites enveloppes. 70 Appareillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'hydrure de lithium est chauffé au moyen d'un fluide circulant dans lesdites enveloppes. 80 Appareillage selon la revendication 1, dans lequel un fluide réchauffant circule dans une partie desdites enveloppes et un autre fluide circule dans les autres enveloppes qui communiquent avec lesdits moyens pour utiliser l'énergie.