Brevet FR2418422A1 — publié le 19790921

La présente invention concerne le stockage de énergie et la restitution de énergie stockée en vue de son utilisation, notamment pour produire de l'électricité. On sait qu'un certain nombre de composés chimiques se dissocient suivant une réaction endothermique en un composant volatil et un composant non volatil, et que ces deux composants mis au contact ltun de ltautre se recombinent suivant une réaction exothermique, inverse de la précédente, en fournissant de la chaleur en quantité suffisante pour être utilisable comme source d' énergie. Suivant ce principe connu, on a déjà réalisé un dispositif capable de décarbonater du carbonate de calcium selon la réaction endothermique : L'apport de chaleur nécessaire est obtenu, par exemple, au moyen de résistances électriques noyées dans la masse du carbonate de calcium C03Ca. Cette masse se transforme ainsi en chaux vive CaO avec dégagement de gaz carbonique C02 que l'on recueille dans un réservoir prévu à cet effet par leintermédiaire dwune conduite munie dtune vanne d'isolement. La réwuverture de la vanne permet au gaz carbonique de revenir au contact de la chaux vive ce qui provoque la réaction exothermique La chaleur dégagée par cette réaction doit ensuite etre évacuée.A cet effet, la masse de carbonate de calcium est placée à l'intérieur d'un réservoir parcouru par un courant d'air apte à véhiculer les calories produites. Un tel dispositif présente un certain nombre dtinconvénienh En premier lieu, sa réalisation est relativement compliquée, étant donné surtout la nécessité de placer au contact de la chaux vive, lors de la réaction exothermique, la même masse de gaz que celle produite par la réaction endothermique préPédente, D'où la nécessité de prévoir un réservoir de stockage de gaz carbonique, une conduite pour ltécoulesent de ce gaz et une vanne montée sur ladite conduite. En second lieu, un tel dispositif implique un fonctionnement suivant lequel les périodes de stockage et les périodes de restitution d'énergie sont alternées, donc dépendantes les unes des autres. I1 est de ce fait inadapté à un fonctionnement exigeant une indépendance desdites périodes. I1 est par ailleurs inadapté au cas où il est nécessaire de prévoir le stockage d'énergie et la restitution de celle-ci en des points séparés les uns des autres par une certaine distance. L'invention a pour but d'éviter les inconvénients susmentionnés. Elle vise essentiellement à prévoir le stockage d'un seul des composants, en l'occurence la chaux vive, et à faire réagir sur ladite chaux vive un gaz industriel chargé en gaz carbonique produit par une installation éventuellement située à une grande distance du point de décarbonatation du carbonate de calcium, la chaux vive étant transportée par un moyen quelconque du lieu de stockage au point où s'effectue sa recarbonatation. Les périodes de stockage et de restitution d'énergie peuvent ainsi Qtre rendues indépendantes les unes des autres, le stockage de la chaux vive formant un volant d1énergie. Le gaz carbonique produit au cours de la réaction endothermique est rejeté à l'atmosphère, tandis que la réaction exothermique est obtenue au moyen d'un gaz industriel fourni par une installation telle qu'unie centrale thermique, une raffinerie de pétrole, une installation à turbine à gaz, ou une cimenterie par exemple. Ltinvention présente alors l'avantage d'utiliser le gaz vecteur du gaz carbonique, ctest-à-dire, le gaz industriel débarrassé de son gaz carbonique, pour véhiculer la chaleur dégagée.Elle présente de ce fait l'avantage supplémentaire d'assurer l'épuration du gaz industriel avant son rejet à l'atmosphère. On notera en outre, que l'invention offre une possibilité d'application particulièrement idfiressante de énergie solaire. On peut ainsi restituer pendant l'hiver énergie stockée en toute saison pendant des périodes de longue durée. L'invention a plus précisément pour objet un procédé de stockage et de restitution d'énergie suivant lequel on chauffe du carbonate de calcium de manière a effectuer la décarbonatation de ce matériau ainsi transformé en chaux vive avec dégagement de gaz carbonique, caractérisé en ce que lton refroidit la chaux vive résultant de cette réaction de décarbonatation, la chaleur sensible de la chaux vive étant utilisée pour assurer le préchauffage du carbonate de calcium, on stocke ladite chaux vive refroidie, et on restitue, à la demande, l'énergie stockée en mettant la chaux vive au contact d'un courant de gaz chargé de gaz carbonique de manière à effectuer la carbonatation de la chaux vive, en vue d'utiliser la chaleur dégagée par cette réaction de carbonatation, ladite chaleur étant véhiculée par le gaz vecteur du gaz carbonique. Le gaz vecteur chargé de gaz carbonique est fourni par une installation industrielle telle qu'unie centrale thermique, une raffinerie de pétrole, une installation à turbine à gaz ou une cimenterie. Les opérations de décarbonatation du carbonate de calcium et de refroidissement de la chaux vive, d'une part, l'opération de carbonatation de la chaux vive, d'autre part, s'effectuent dans deux unités distinctes physiquement séparées. Suivant un premier mode opératoire, l'opération de décarbonatation du carbonate de calcium est effectuée au moyen d'un four solaire, et l'opération de refroidissement de la chaux vive est assurée par échange thermique avec un courant d'air froid, l'air ainsi réchauffé étant mélangé avecle gaz carbonique dégagé, en vue d'assurer le préchauffage du carbonate de calcium à décarbonater. Suivant un deuxième mode opératoire, l'opération de décarbonatation du carbonate de calcium est effectuée au moyen d'un four électrique, et l'opération de refroidissement de la chaux vive est assurée par échange thermique avec un courant de gaz auxiliaire froid circulant en circuit fermé, le gaz carbonique dégagé assurant le préchauffage du carbonate de calcium à décarbonater. I1 peut être prévu un transfert de chaleur entre le gaz auxiliaire réchauffé par la chaux vive et le gaz carbonique pour accrottre la température de ce dernier à sa sortie du circuit de préchauffage. Suivant un troisième mode opératoire, l'opération de décarbonatation du carbonate de calcium est effectuée au moyen d'un four électrique, et ltopération de refroidissement de la chaux vive est assurée par échange thermique avec un courant d'air froid, l'air ainsi réchauffé étant admis dans le four et mélangé à sa sortie du four avec le gaz carbonique dégagé, en vue d'assurer le préchauffage du carbonate de calcium à décarbonater. Indépendamment des trois modes opératoires susmentionnés, ltopération de carbonatation de la chaux vive s'effectue dans un réacteur en amont duquel la chaux vive est pré chauffée par la chaleur sensible du carbonate de calcium, ladite chaleur étant véhiculée par un gaz auxiliaire circulant en circuit fermé. La chaleur véhiculée par le gaz vecteur débarrassé du gaz carbonique est utilisée pour alimenter une chaudière, par exemple. L'invention a également pour objet une unité de décarbonatation du carbonate de calcium et de refroidissement de la chaux vive, pour la mise en oeuvre du procédé suivant le premier mode opératoire précité, comportant un four solaire pour le chauffage du carbonate de calcium en vue de sa décarbonatation, deux colonnes de cyclones échangeurs de chaleur1 respectivement pour le refroidissement de la chaux vive et le pré chauffage du carbonate de calcium, et un mayen de stockage de la chaux vive refroidie. L'invention a également pour objet une unité de décar- bonatation du carbonate de calcium et de refroidissement de la chaux vive1 pour la mise en oeuvre du procédé suivant le deuxieme ou le troisième mode opératoire précité., comportant un four électrique pour le chauffage du carbonate de calcium en vue de sa décarbonatation, deux colonnes de cyclones échangeurs de shaleurw respectivement pour le refroidissement de la chaux vive et le préchauffage du carbonate de calcium, et un moyen de stockage de la chaux vive refroidie. Une telle unité peut comporter un échangeur de chaleur dont un faisceau est parcouru par le gaz carbonique et dont l'autre faisceau est parcouru par le gaz de refroidissement de la chaux vive. L'invention a aussi pour objet une unité de carbonatation de la chaux vive, comportant un réacteur de carbonatation de la chaux vive alimenté par ladite chaux vive et par un gaz industriel charge de gaz carbonique, une chaudière alimentée -en chaleur par le gaz vecteur débarrassé du gaz carbonique sortant du réacteur et deux colonnes de cyclones échangeurs de chaleur effectuant respectivement la récupération de la chaleur sensible du carbonate de calcium et le préchauffage de la chaux vive avant sont introduction dans le réacteur de carbonatation. L'invention sera mieux comprise en se reférant à la description qui suit, faite en regard des desslns annexés, concernant différentes forés de réalisation, données a titre drexemples non limitatifs. La figure 1 est un diagramme du procédé conforme a, l'invention. La figure 2 représente, de façon schématique, une unité de décarbonatation du carbonate de calcium t de refroidissement de la chaux vive avant stockage. La figure 3 représente une unité analogue à la précédente suivant une variante d'exécution. La figure 4 représente une unité analogue suivant une deuxième variante dtexécution. La figure 5 représente, de façon schématique, une unité de carbonatation de la chaux vive. La figure 6 illustre, de façon également schématique, un exemple d'application de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une unité de décarbonatation du carbonate de calcium désignée globalement par le repère 1, et une unité de carbonatation de la chaux vive désignée globalement par le repère 2. Ces deux unités peuvent éventuellement être situées à une certaine distance l'une de l'autre. L'unité 1 est alimentée en carbonate de calcium qui est chauffé par un moyen quelconque de telle sorte que ladite unité se comporte comme un four (électrique ou solaire par exemple) a l'intérieur duquel se produit la réaction endothermique. Comme il sèra expliqué plus loin, la chaleur sensible de ladite chaux vive et celle du gaz carbonique sont utilisés pour préchauffer le carbonate de calcium. La chaux vive refroidie est dirigée vers un moyen de stockage 3 qui peut etre un silo ou une aire de stockage en tas. Le gaz carbonique refroidi est rejeté à l'atmosphère, par exemple. La chaux vive est transportée de l'unité 1 à l'unité 2 par un moyen quelconque suivant le trajet 4. Lorsque les unités 1 et 2 sont situées à grande distance, 100 kilomètres ou plus, le transport effectue au moyen de véhicules routiers. Dans le cas où les deux unités sont voisines l'une de ltautre, le trajet 4 peut être matérialisé par un transporteur à bande, par exemple. L'unité 2 est donc alimentée en chaux vive. Elle est aussi alimentée par un gaz industriel chargé de gaz carbonique provenant d'une installation voisine, centrale thermique, raffine- rie de pétrole, installation à turbine à gaz, ou cimenterie, par exemple. L'unité 2 se comporte comme un réacteur à l'intérieur duquel s'effectue la réaction exothermique. Le carbonate de calcium est extrait de l'unité 2 et sa chaleur sensible est utilisée, comme il sera expliqué plus loin, pour assurer le pré chauffage de la chaux vive avant son introduction dans le réacteur de carbonatation. Le gaz vecteur du gaz carbonique sort de l'unité 2 en véhiculant la chaleur dégagée par la réaction ci-dessus. Ce gaz alimente en chaleur une chaudière 5. Cette dernière alimente en vapeur une turbine à vapeur 6 qui entraine un alternateur 7 produisant du courant électrique. Sur la figure 2, on a représenté de façon plus détaillée la structure de unité 1, sous une forme plus particulièrement adaptée au cas du chauffage du carbonate de calcium au moyen d'un four solaire. Le repère 8 désigne un tel four solaire à l'intérieur duquel s'effectue la réaction endothermique de décarbonatation. La chaux vive produite sort du four 8 avec le gaz carbonique. Un cyclone séparateur 10 effectue leur séparation. La chaux vive sortant du cyclone 10 est refroidie au moyen d'un courant d'air frais fourni par un ventilateur 9, l'air circulant à contre-courant avec la chaux vive à travers une colonne de cyclones échangeurs de chaleur désignés de haut en bas par les repères 10 a, 10 b, 10 c. Chaque cyclone, 10 b par exemple, reçoit latéralement de la chaux vive en provenance du cyclone 10 a et de ltair en provenance du cyclone 10 c; l'air sort du cyclone 10 b à la partie supérieure dê celui-ci en direction du cyclone 10 a tandis que la chaux vive refroidie sort à la partie inférieure du cyclone 10 b en direction du cyclone 10 c. A la sortie du cyclone 10 c, la chaux vive refroidie est dirigée vers le stockage 3. Lut air réchauffé à la sortie du cyclone 10 a est mélangé au gaz carbonique sortant du cyclone séparateur 10. Ce mélange gazeux est utilisé pour préchauffer le carbonate de calcium avant son admission dans le four 8. Cette opération de préchauffage est effectuée au moyen d'une colonne de trois cyclones échangeurs de chaleur désignés de haut en bas par les repères lIa, Il b et 11 c fonctionnant dune manière analogue à la colonne susmentionnée. Le carbonate de calcium est introduit en îa dans le circuit. I1 traverse les cyclones 11 c, 11 b et 11 a, et à la sortie du cyclone 11 a, il est admis en 13 dans le four 8. Le mélange d'air et de gaz carbonique qui circule à contre-courant est évacué à l'atmosphère par exemple, par un ventilateur 14 à la sortie du cyclone 11 c. Sur la figure 3, on a représenté la structure de l'unité 2 sous une forme plus particulièrement adaptée au cas du chauffage du carbonate de calcium par four électrique. Le repère 8' désigne un tel four électrique à l'intérieur duquel s'effectue la réaction endothermique de décarbonatation. Sur cette figure, on a conservé les m8es repères que sur la précédente pour désigner les éléments identiques ou équivalents. Le refroidissement de la chaux vive est ici assurée par un gaz auxiliaire neutre (éventuellement de ltair) qui circule en circuit fermé à travers les cyclones 10 c, 10 b et 10 a grace à un ventilateur 9'. A la sortie du cyclone 10 c, la chaux vive refroidie est dirigée vers le stockage 3. Le cyclone 10 assure, à la sortie du four 8', la séparation de la chaux vive et du gaz carbonique. Ce dernier assure seul le préchauffage du carbonate de calcium, introduit dans le circuit en 12. I1 traverse successivement les cyclones 11 c, ll b et 11 a à la sortie duquel il est admis en 13 dans le four 8' en même temps que du gaz carbonique qui a traversé les mimes cyclones en sens inverse Cette circulation est assurée au moyen d'un ventilateur 14'. Un échangeur de chaleur 15 dont un faisceau est parcouru par le gaz carbonique, en aval du ventilateur 14', et dont ltautre faisceau est parcouru par le gaz auxiliaire de refroidissement de la chaux vive, assure un transfert de chaleur entre ces fluides, de telle sorte que, en aval de l'entrée 12 de carbonate de calcium, la Xmpérature de ce dernier est accrue par le gaz carbonique réchauffé par la chaux vive. A l'entrée de ltéchangeur 15 est prévue une purge de gaz carbonique 16. Le gaz carbonique qui est introduit dans le four 8' avec le carbonate de calcium, assure le transfert de chaleur entre le carbonate de calcium et les résistances électriques du four. Sur la figure 4, on a également conservé les mimes repères que sur les figures 2 et 3 pour désigner les éléments identiqlles ou équivalents. L'unité 1 fonctionne sensiblement d'une manière analogue à celle de la figure précédente, mais le refroidissement de la chaux vive est assuré par de l'air circulant en circuit ouvert, et le circuit de préchauffage du carbonate de calcium est dépourvu d'échangeur analogue à 11 échangeur 15 de la figure 3. Ce préchauffage est assuré par le courant de gaz carbonique sortant du cyclone séparateur 10, à travers les cyclones 11 a, Il b et 11 c. Le gaz carbonique refroidi est rejeté à l'atmosphère en aval du ventilateur 18" qui assure sa circulation.Le four 8t est alimenté en 13 par le carbonate de calcium uniquement, tandis que l'air réchauffé par la chaux vive à la sortie du cyclone 10 a est admis dans le four électrique 8' où il joue le même rale que le gaz carbonique dans le cas de la figure précédente. Cet air est ensuite éliminé du four en meme temps que le gaz carbonique avec lequel il participe au préchauffage du carbonate de calcium et avec lequel il est rejeté à l'atmosphère. Sur la figure 5, on a représenté de façon plus détaillée la structure de l'unité 2. La chaux vive en provenance du stockage 3 est introduite en 17 et elle est préchauffée avant son introduction dans le réacteur 18. Deux colonnes de cyclones échangeurs de chaleur respectivement 20 a, 20 b, 20 c et 21 a, 21 b, 21 c assurent respectivement la récupération de la chaleur sensible du carbonate de calcium et le préchauffage de la chaux vive. A cet effet, un gaz auxiliaire mis en circulation par un ventilateur 19, circule en circuit fermé à travers les cyclones 20 c, 20 b et 20 a puis à travers les cyclohes 21 a, 21 b et 21 c A travers la première colonne précitée le gaz auxiliaire est réchauffé par le carbonate de calcium provenant du réacteur 18.A la sortie du cyclone 20 a, ce gaz auxiliaire est introduit dans la deuxième colonne précitée de manière à assurer le préchauffage de la chaux vive avant que cette dernière soit admise dans le réacteur 18 à la sortie du cyclone 21 c. Le réacteur 18 est alimenté par ailleurs en un gaz industriel chargé de gaz carbonique provenant d'une centrale thermique, d'une raffinerie de pétrole, d'une installation à turbine à gaz ou d'une cimenterie par exemple. A l'intérieur du réacteur 18 se produit a réaction exothermique La chaleur dégagée par cette réaction est véhiculée par le gaz industriel débarrassé de son gaz carbonique en vue de son utilisation, notamment pour alimenter en chaleur une chaudière. La figure 6 illustre un cas particulier d'utilisation de la chaleur produite par la réaction exothermique dans le réacteur 18 de l'unité 2. Sur cette figure, le repère 22 désigne une chaudière. Dans le carneau de fumées 23 de cette chaudière sont placés à la suite les une des autres un surchauffeur 24, un économiseur 25 et un réchauffeur dtair de combustion 25. Le gaz industriel chargé de gaz carbonique est dans ce cas formé par des fumées prélevées par exemple dans le carneau 23 entre ltéconomiseur 25 et le réchauffeur dwair 26 Ce gaz est introduit dans l'unité 2 alimentée par ailleurs en chaux vive provenant du stockage 3.Ce gaz débarrassé de son gaz carbonique à la sortie de l'unité 2, alimente en chaleur la chaudière 5, laquelle alimente en vapeur la turbine 6 qui entrain l'alternateur 7. Le gaz partiellement refroidi à la sortie de la chaudière 5 est ramené dans le carneau de fumées 23 par la conduite 27. Bien que l'invention ait été décrite en référence à plusieurs formes particulières de réalisation, il va de soi qu'elle nty est en rien limitée et que des modifications peuvent lui être apportées dans sortir de son domaine. On pourra faire appel à un moyen de chauffage différent de ceux décrits (nucléaire par exemple) et éventuellement à un moyen de chauffage mixte (à électricité et combustible fossile par exemple). On pourra notamment remplacer l'un quelconque des moyens décrits par un moyen techniquement équivalent. Les cyclones pourront par exemple autre remplacés par tout autre moyen échangeur de chaleur du type habituellement utilisé pour le chauffage ou le refroidissement de matières pulvérulentes. L'invention couvre donc, outre les exemples représentés, leurs différentes variantes d'exécution possibles. R E V~E N~D I CA'i:5 qN S 1. Procédé de stockage et de restitution d'énergie suivant lequel on chauffe du carbonate de calcium de manière à effectuer la décarbonatation de ce matériau ainsi transformé en chaux vive avec dégagement de gaz carbonique, caractérisé en ce que l'on refroidit la chaux vive résultant de cette réaction de décarbonatation, la chaleur sensible de la chaux vive étant utilisée pour assurer le préchauffage du carbonate de calcium, on stocke ladite chaux vive refroidie, et on restitue, à la demande, l'énergie stockée en mettant la chaux vive au contact d'un courant de gaz chargé de gaz carbonique de manière à effectuer la carbonatation de la chaux vive, en vue d'utiliser la chaleur dégagée par cette réaction de carbonatation, ladite chaleur étant véhiculée par le gaz vecteur du gaz carbonique. 2. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que le gaz vecteur chargé de gaz carbonique est fourni par une installation industrielle, telle qu'une centrale thermique, une raffinerie de pétrole, une installation à turbine à gaz, ou une cimenterie. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les opérations de décarbonatation du carbonate de calcium et de refroidissement de la chaux vive, d'une part, ltopération de carbonatation de la chaux vive, d'autre part, s'effectuent dans deux unités distinctes physiquement séparées. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ltopération de décarbonatation du carbonate de calcium est effectuée au moyen d'un four solaire, et en ce que l'opération de refroidissement de la chaux vive est assurée par échange thermique avec un courant flair froid, l'air ainsi réchauffé étant mélangé avec le gaz carbonique dégagé, en vue d'assurer le préchauffage du carbonate de calcium à décarbonater. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ltopération de décarbonatation du carbonate de calcium est effectuée au moyen dtun four électrique, et en ce que l'opération de refroidissement de la chaux vive est assurée par échange thermique avec un courant de gaz auxiliaire froid circulant en circuit fermé, le gaz carbonique dégagé assurant le préchauffage du carbonate de calcium à décarbonater. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est prévu un transfert de chaleur entre le gaz auxiliaire réchauffé par la chaux vive et le gaz carbonique pour accroître la température de ce dernier à sa sortie du circuit de préchauffage. 7. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ltopération de décarbonatation du carbonate de calcium est effectuée au moyen d'un four électrique, et en ce que ltopéra- tion de refroidissement de la chaux vive est assurée par échange thermique avec un courant d'air froid, ltair ainsi réchauffé étant admis dans le four et mélangé à sa sortie du four avec le gaz carbonique dégagé, en vue d'assure le préchauffage du carbonate de calcium à décarbonater. 8. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'opération de carbonatation de la chaux vive s'effectue dans un réacteur en amont duquel la chaux vive est préchauffée par la chaleur sensible du carbonate de calcium1 ladite chaleur étant véhiculée par un gaz auxiliaire circulant en circuit fermé. 9. Procédé suivant 11 une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaleur véhiculée par le gaz vecteur débarrassé du gaz carbonique est utilisée pour alimenter une chaudière. 10. Unité de décarbonatation du carbonate de calcium et de refroidissement de la chaux vive, pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte - un four solaire pour le chauffage du carbonate de calcium en vue de sa décarbonatation, - deux colonnes de cyclones échangeurs de chaleur1 respectivement pour le refroidissement de la chaux vive et le préchauffage du carbonate de calcium , et - un moyen de stockage de la chaux vive refroidie. 11. Unité de decarbonatation du carbonate de calcium et de refroidissement de la chaux vive, pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 5 ou 7, caractérisée en ce quelle comporte - un four électrique pour le chauffage du carbona-te de calcium en vue de sa décarbonatation, - deux colonnes de cyclones échangeurs de chaleur, respectivement pour le rtfroidissement de la chaux vive et le pré chauffage du carbonate de calcium et, - un moyen de stockage de la chaux vive refroidie. 12. Unité suivant la revendication 11 caroctérisée ce comporte un echangeur de chaleur dont un ais ce est parcouru par le gaz carbonique et dont l'autre faisceau est parcouru par le gaz de refroidissement de la chaux vive. 13 Unité de carbonatation de la chaux vive pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 8, caractérisée en ce qu t elle comporte - un réacteur de carbonatation de la chaux vive alimenté par ladite chaux vive et par un gaz industriel chargé de gaz carbonique, - une chaudière alimentée en chaleur par le gaz vecteur débarrassé du gaz carbonique sortantdu réacteur, et - deux colonnes de cyclones échangeurs de chaleur effectuant respectivement la récupération de la chaleur sensible du carbonate de calcium et le préchauffage de la chaux vive avant son introduction dans le réacteur de carbonatation.