Brevet FR2267648A1 — publié le 19751107

a présente invention concerne l'exploitation des centrales productrices d'énergie électrique; elle vise plus particulièrement à améliorer cette exploitation en vue d'économiser le combustible (charbon, fuel, gaz ou combustible nucléaire) dans les centrales thermiques classiques et les centrales nucléaires. On sait que de telles centrales productrices d'énergie électrique sont prévues pour un régime optimal de fonctionnement qui leur assure le meilleur rendement énergétique (c'est-à-dire une utilisation optimale du combustible). On voit donc qu'il y a in térêt à faire fonctionner d'une manière permanente les centrales électriques à un régime constant, en leur faisant débiter une quantité constante de puissance électrique sur le réseau. Par contre l'utilisation de l'énergie électrique varie, d'une part, au cours d'une journée suivant les heures, la consommation étant plus forte le jour que la nuit, et, d'autre part, suivant les jours de la semaine, la consommation étant plus forte du lundi au vendredi que les samedis et dimanches. I1 y a donc des heures creuses et des heures de pointe, d'une part, ainsi que des jours creux et des jours de pointe, d'autre part. On sait qu'il n'est pas pratique de stocker l'énergie sous forme électrique, les batteries d'accumulateurs ou dispositifs analogues étant coûteux et encombrants. On a donc pensé à utiliser d'autres moyens pour faire varier le débit d'énergie sur le réseau tout en faisant fonctionner les centrales électriques à un régime constant. On a ainsi proposé d'utiliser, dans les centrales électriques, l'énergie inemployée aux heures creuses pour alimenter, par des pompes, des réservoirs hydrauliques en charge, dont l'eau est utilisée ensuite aux heures de pointe dans des turbines alimentant ces centrales On a également-proposé d'utiliser, pendant les heures creuses, l'énergie disponible des centrales thermiques ou nucléaires pour comprimer de l'air dans des réservoirs, notamment dans des réservoirs souterrains, l'air ainsi comprimé étant utilisé aux heures de pointe comme comburant pour la marche de la centrale, en particulier pour alimenter les chambres de combustion des turbines à gaz des centrales thermiques fonctionnant au gaz. On a aussi envisagé de stocker 1-' énergie de pointe destinée aux turbines à gaz d'une centrale électrique en alimentant la turbine par un fluide chauffé par un réacteur, en stockant, dans un corps accumulateur de chaleur, au moins une partie de l'éner- gie calorifique fournie à ce fluide, et en récupérant l'énergie calorifique stockée (brevet français n" 1.535.729 déposé le 30 juin 1967 par le Commissariat à l'Energie Atomique et son addition n" 95.867 déposée le 17 juin 1968). Tous ces procédés présentent un certain nombre d'inconvénients, notamment d'exiger de grands volumes de stockage étant donné que l'on stocke de l'énergie sous une forme peu concentrée. En ce qui concerne les procédés applicables aux centrales thermiques et nucléaires, ceux-ci ne permettent un stockage que pendant une courte période de temps et ne peuvent donc s'appliquer que pour compenser les différences de consommation entre les heures creuses et les heures de pointe. La présente invention vise à stocker de l'énergie sous une forme très concentrée, en particulier sous forme d'hydrogène, notamment à l'état comprimé, et également sous forme d'air comprimé. Plus particulièrement, le procédé selon l'invention consiste -- tout en utilisant, à la manière connue, l'énergie électrique disponible pendant les heures creuses pour comprimer de l'air, l'air ainsi comprimé étant stocké dans des réservoirs -- à utiliser l'énergie électrique disponible pendant les jours creux pour fabriquer de l'hydrogène à partir d'eau, hydrogène qui est stocké, de préférence à l'état comprimé, dans d'autres réservoirs, notamment dans des réservoirs souterrains, la combustion de l'hydrogène stocké par de l'air stocké servant à engendrer de l'énergie électrique en périodes de pointe de consommation d'énergie électrique. Le type de centrale électrique particulièrement bien adapté à la mise en oeuvre du procédé est la centrale à turbine à gaz. Toutefois l'invention s'applique également en complément aux centrales thermiques et nucléaires à grande puissance ne comportant pas de turbine à gaz lorsque la puissance appelée sur le réseau varie fortement, une centrale à turbine à gaz comportant les perfectionnements selon l'invention étant ajoutée à cette centrale thermique ou nucléaire. Etant donné le pouvoir calorifique très élevé de l'hydrogène, le coût du stockage d'une unité d'énergie (kilowatt-heure), sous forme d'hydrogène est beaucoup moins élevé que dans les autres procédés (par exemple sous forme d'air comprimé), ce qui permet des durées de stockage plus longues. et donc l'utilisation du procédé pour réaliser une compensation entre les jours creux et les jours de pointe, alors que le stockage d'air comprimé seul n'est réalisable pratiquement que pour emmagasiner de faibles quantités d'énergie, par exemple celle disponible pendant les heures creuses. Le dispositif préféré pour la mise en oeuvre du procédé précité comprend, en combinaison, un alternateur apte à fonctionner, d'une part, en générateur et, d'autre part, en moteur, un compres seur à air entraînable par ledit alternateur lorsqu'il fonctionne en moteur, des moyens pour stocker l'air comprimé par ledit compresseur, un générateur d'hydrogène apte à produire de l'hydrogè- ne à partir d'eau en consommant de l'énergie du réseau, éventuellement un moteur électrique et un compresseur d'hydrogène actionné par ledit moteur électrique, des moyens de stockage pour l'hydrogène, éventuellement comprimé par ledit compresseur, une chambre de combustion apte à être alimentée, d'une part, par de- l'hydro- gène combustible à partir desdits moyens de stockage de l'hydro- gène et de l'air comprimé comburant à partir desdits moyens de stockage de l'air comprimé et une turbine a gaz alimentéepar les gaz de combustion de ladite chambre de combustion et apte à en tralner ledit alternateur qui fonctionne alors en générateur L'invention pourra, de toute façon, etre bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que du dessin ci-annexé, lesquels complément et dessin sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. Sur la figure unique on a illustré d'une manière schématique les différents éléments d'un dispositif d'exploitation des centrales électriques mettant en oeuvre les caractéristiques selon l'invention. Selon l'invention, et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un procédé et un dispositif pour l'exploitation des centrales électriques, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue Pour pouvoir stocker de l'énergie disponible sur le réseau électrique 1 à la fois pendant les heures creuses (de nuit) et pendant les jours creux (du week-end) de consommation de courant électrique et renvoyer une quantité supplémentaire de courant sur ledit réseau pendant les périodes de consommation accrue de cou rant (heures de pointe et jours de semaine), on prévoit le dispositif illustré sur la figure I qui comprend en combinaison - un alternateur 2 apte à fonctionner tant en générateur, en débitant alors dans le réseau 1 par des conducteurs la du courant électrique dans le sens de la flèche f, qu'en moteur, en consommant alors de l'énergie électrique qui lui est fournie par le réseau 1 par les conducteurs la dans le sens de la flèche g; - un compresseur 3 recevant de l'air pa-r la conduite 4 dans le sens de la flèche E et renvoyant de l'air comprimé par la conduite 5 lorsque ce compresseur 3 est accouplé par l'embrayage 6 à l'alternateur 2 fonctionnant en moteur; - des moyens de stockage 7 pour l'air comprimé, ces moyens de stockage pouvant être constitués-par des chambres souterraines;; - des moyens de commutation ou de vannage pour l'air comprimé, constitués par des vannes 8 et 9 actionnées par un élément de commande 10 du type relais qui permet l'ouverture soit de la vanne 8, soit de la vanne 9 l'ouverture de la vanne 8 (avec fermeture concomitante de la vanne 9) permettant l'alimentation des moyens de stockage 7 en air comprimé arrivant par la conduite 5 dans le sens de la flèche H, tandis que l'ouverture de la vanne 9 (alors que la vanne 8 est fermée) permet l'envoi de l'air comprimé dans le sens de la flèche J par la conduite Il; - un générateur d'hydrogène 12 apte à produire de l'hydro- gène lorsqu'il est alimenté en courant à partir du réseau 1 par des conducteurs lb, ce courant arrivant dans le sens de la flèche k; ce générateur d'hydrogène peut être du type électroChimique. et il débite de l'hydrogène dans la canalisation 13 dans le sens de la flèche L; - un compresseur 14 apte à comprimer l'hydrogène qui lui arrive par la conduite 13 à partir du générateur 12, l'hydrogène comprimé étant envoyé dans la conduite 15; - un moteur 16 alimenté à partir du réseau 1 par de l'énergie arrivant dans le sens de la flèche m par des conducteurs lc, ce-moteur 16 entrainant le compresseur 14; - des moyens de stockage 17 pour l'hydrogène comprimé débité par le compresseur 14 dans la conduite 15; - des moyens de vannage constitués par une vanne 18, une vanne 19 et un relais de commande 20; lorsque la vanne 18 est ouverte (et la vanne 19 fermée), l'hydrogène comprimé arrivant par la conduite 15 dans le sens de la flèche N est stocké dans les moyens de stockage 17, tandis que lorsque la vanne 19 est ouverte (et la vanne 18 fermée) l'hydrogène comprimé peut quitter le réservoir 17 dans le sens de la flèche P pour atteindre la conduite 21; - une chambre de combustion 22 apte à recevoir, lorsqu'elle fonctionne, d'une part, de lthydrogène comprimé débité par la conduite 21 dans le sens de la flèche Q, et, d'autre part, de l'air comprimé arrivant par la conduite Il dans le sens de la flèche R; l'hydrogène constituant le combustible et l'air le comburant dans la chambre de combustion 22; - une turbine à gaz 23 recevant, par la conduite 24, les gaz de combustion produits dans la chambre de combustion 22 et circulant dans cette conduite dans le sens de la flèche S, cette turbine 23 entrainant en rotation l'alternateur 2, fonctionnant alors en moteur, lorsque l'embrayage 25 est en prise; dans ce cas 1 t alternateur 2 débite du courant électrique dans le réseau 1 dans le sens de la flèche. Pendant les heures creuses l'alternateur 2 fonctionne en moteur et entraîne le compresseur 3 (l'embrayage 6 étant en prise) qui débite de l'air comprimé dans les moyens de stockage 7, la vanne 8 étant ouverte, tandis que pendant les jours creux le générateur d'hydrogène 12 consomme du courant en débitant de l'hy- drogène qui est comprimé dans le compresseur 14 (entrainé par le moteur 16 qui assomme également du courant), l'hydrogène comprimé étant envoyé dans les moyens de stockage 17, la vanne 18 étant ouverte En pratique, on commence par comprimer de l'air, puis quand les réservoirs de stockage de l'air sont remplis, on produit de l'hydrogène. Au contraire en période de pointe, c'est-à-dire de consommation accrue de courant, l'alternateur 2 fonctionne en générateur en débitant du courant dans le réseau du fait qu'il est entraîné (grâce à la venue en prise de l'embrayage 25) en rotation par la turbine à gaz 23, cette turbine à gaz étant actionnée par les gaz de combustion arrivant à la chambre de combustion 22 alimentée, d'une part, en hydrogène comprimé à partir des moyens de stockage 17, la vanne 19 étant ouverte, et, d'autre part, en air comprimé à partir des moyens de stockage 7, la vanne 9 étant ouverte. Au cours des périodes creuses suivantes on recomprime de l'air et/ou on produit de l'hydrogène. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. Dans une variante, au lieu de comprimer de l'air dans le compresseur 3 et de stocker l'air comprimé dans les moyens de stockage 7,on peut produire de l'oxygène en même temps que l'hydro- gène à partir de l'eau, enrichir l'air en oxygène et comprimer et stocker de l'air enrichi en oxygène, la conduite 4 amenant de l'air enrichi en oxygène, tandis que la conduite 5 débite de l'air enrichi à l'état comprimé, le générateur 12 étant alors un générateur d'hydrogène et d'oxygène (pour enrichir l'air) à partir de l'eau. Dans une autre variante, on pourrait stocker l'hydrogène sans le comprimer, le compresseur 14 et le moteur 16 étant supprimés REVENDICATIONS 1. Procédé pour permettre une exploitation plus rationnelle des centrales électriques, caractérisé par le fait que -- tout en utilisant l'énergie électrique disponible pendant les heures creuses pour comprimer de l'air, l'air ainsi comprimé étant stocké dans des réservoirs -- on utilise l'énergie électrique disponible pendant les jours creux pour fabriquer de l'hydrogène à partir d'eau, hydrogène qui est stocké dans d'autres réservoirs, la combustion de l'hydrogène stocké par de l'air stocké servant à engendrer de l'énergie électrique en périodes de pointe de consommation d'énergie électrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'hydrogène est stocké après avoir été comprimé. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'hydrogène est emmagasiné dans des réservoirs souterrains. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'hydrogène et l'air comprimé sont utilisés dans une turbine à gaz pour engendrer de l'éner- gie en périodes de pointe. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'air servant à la 'combustion de l'hydrogène est enrichi en oxygène obtenu en même temps que l'hydrogène lors de la décomposition de l'eau. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre-du procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend en combi- naison un alternateur apte à fonctionner, d'une part, en générateur et, d'autre part, en moteur1 un compresseur à air entratnable par ledit alternateur lorsqu'il fonctionne en moteur, des moyens pour stocker l'air comprimé par ledit compresseur, un générateur d'hydrogène apte à produire de l'hydrogène à partir d'eau en consommant de l'énergie du réseau, des moyens de stockage pour l'hydrogène, une chambre de combustion apte à être alimentée, d'une part, par de'l'hydrogène combustible à partir desdits moyens de stockage de l'hydrogène et de l'air comprimé comburant à partir desdits moyens de stockage de l'air comprimé et une turbine à gaz alimentée par les gaz de combustion de ladite chambre de combustion et apte à entraîner ledit alternateur qui fonctionne alors en générateur. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un moteur électrique et un compresseur à hydrogène actionné par ledit moteur électrique et comprimant I'hydrogène produit par le générateur, les moyens de stockage stockant l'hydrogène ainsi comprimé. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que le générateur d'hydrogène produit également de ltoxy- gène et que le dispositif comprend des moyens pour enrichir l'air, comprimé et stocké,en oxygène avec l'oxygène produit par le générateur.