Brevet FR2866096A1 — publié le 20050812

La présente invention concerne un dispositif destiné au stockage de l'énergie, sous forme d'air comprimé, en vue de réguler la puissance disponible sur un réseau électrique. Stocker massivement l'énergie pendant les heures creuses et satisfaire la demande pendant les heures de pointe, est utile pour la sécurité de la consommation, pour les économies d'énergie et même pour la sécurité de la production, qui serait moins soumise à la contrainte des urgences. Le but de cette invention est de pallier l'insuffisance des moyens actuels dans ce domaine. Produire de l'air comprimé, le stocker dans une cavité aménagée dans un sol calcaire ou dans une lentille de sel, a été réalisé mais ce dispositif présente deux inconvénients: Le volume de la cavité étant inchangé, il en résulte que la compression ainsi que la détente, s'effectue de manière isochore alors qu'un fonctionnement isobare serait préférable. D'autre part, la combustion d'hydrocarbures pour le chauffage de l'air avant sa détente, est un inconvénient, puisque ce procédé consomme une énergie non renouvelable. La présente invention propose d'effectuer le stockage dans une fosse marine de grande profondeur, proche de la côte. En France le Gouf de Cap Breton est particulièrement intéressant. A 60 Km environ du rivage, il y a un fond marin d'une profondeur de 1000 mètres. Il y règne une pression approximative de 100 bars. Une cuve stockant de l'air comprimé à cette pression, ne nécessiterait pas une parois épaisse pour résister à cette contrainte. L'intérêt essentiel de cette invention résulte de cette simple évidence. Le stockage de l'énergie pendant une période au cours de laquelle la production est excédentaire, en vue de son utilisation ultérieure comporte dans le cas présent 3 étapes: É Production d'air comprimé. É Stockage de l'air comprimé. É Transformation de l'air comprimé en énergie électrique. La première étape (production d'air comprimé), concerne un engin semblable au dispositif produisant de l'énergie électrique il sera décrit à la fin. La description du dispositif de stockage comporte les moyens pour sa fabrication, sa mise en place et son fonctionnement. En conséquence la description de cette invention comporte 4 parties - Description et fonctionnement du dispositif de stockage d'air comprimé. - Mise en place de l'engin de stockage. Dispositif assurant la production d'énergie électrique. - Dispositif produisant en partie ou en totalité l'air comprimé destiné à être stocké. - 2 - Le dispositif de stockage de l'air comprimé comporte une partie fixe que l'on appellera la cuve et une partie mobile que l'on appellera le piston. Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente en coupe, le dispositif de stockage (cuve et piston). La figure 2 représente en coupe un étage de la turbine. En référence au dessin de la figure 1, le dispositif comporte une cuve cylindrique (1) dont la partie supérieure bombée est raccordée à un cylindre (2), servant de guide à l'axe (3) du piston (4). Cette cuve repose sur le fond marin (5). Une enveloppe cylindrique (6) met en communication l'eau environnante avec le fond de la cuve, grâce à des ouvertures (7). Des entretoises, entre la cuve et l'enveloppe (6), assurent la rigidité de la paroi verticale de la cuve. Deux symboles différents représentent les fluides en présence; Il s'agit de l'air comprimé confiné à la partie supérieure de la cuve et de l'eau de mer en (8) et en (9). L'eau de mer entourant la cuve, n'est pas symbolisée. Deux autres symboles différents représentent le fond marin (5) et un matériau de flottabilité (10), plus léger que l'eau, inclus dans le piston (4). Ce matériau peut être un liquide ou un solide, que les spécialistes de l'exploration sous marine, désignent sous le vocable de mousse syntactique . Le but recherché est de conférer au piston une légèreté suffisante pour qu'il ne tombe pas au fond de la cuve et assure une séparation permanente entre la phase liquide et la phase gazeuse. Un guidage à billes (11) permet au piston de monter ou de descendre selon qu'il y a sortie ou entrée d'air dans la cuve. Le piston ne joue aucun rôle mécanique, son mouvement étant en outre très lent, l'espace (12) est tel que sans frottement, le contact air eau est réduit au minimum. Cette séparation entre l'air et l'eau est nécessaire car sans le piston, une quantité importante d'air sous pression serait dissoute dans l'eau, ce qui serait une perte d'énergie et une atteinte à l'environnement. Un ou plusieurs orifices (13) munis de vannes télécommandées, assurent l'entrée ou la sortie de l'air comprimé. La protection contre la corrosion est assurée concurremment par un revêtement et par une mise à un potentiel approprié selon les normes en usage en milieu marin. Par souci de clarté, les dispositifs de mesure du volume d'eau stocké (hauteur du piston), ainsi que de pression (variable avec le marnage ainsi que la hauteur du piston) et de débit (air entrant ou sortant) ne sont pas représentés. Afin d'éviter les effets de la houle qui compliqueraient la dépose de l'engin, au moyen de câbles depuis la surface, un dispositif est mis en place pour en assurer une descente autonome. Des pales sont fixées autour de l'engin, elle sont orientables individuellement - 3 - grâce à des servomoteurs;elles ne sont pas représentées dans la figure 1. Après avoir été remorqué depuis le lieu de fabrication, jusqu'au dessus du lieu de mise en service, l'engin est rempli d'eau; il n'y a plus alors d'air dans la cuve; le piston est au plus haut de sa course et la cuve commence sa descente. L'orientation des pales permet de donner à l'engin une assiette appropriée, elles peuvent également le mettre en rotation. Un ombilical établit une liaison électrique entre la cuve et un organe de commande contrôlé par un ordinateur placé sur un navire. Un programme effectue les calculs en tenant compte, de la zone d'atterrissage déterminée à l'avance, de la courantologie et de la situation de l'engin à chaque instant de sa trajectoire. A la fin de l'opération, l'assiette de l'engin ainsi que l'arrêt de sa rotation est assuré, pour un atterrissage en douceur. Un revêtement épais (14) protége le fond de la cuve en empêchant les blessures que les irrégularités du fond marin pourraient occasionner. Un lest est introduit en 8, sans obturer le passage de l'eau. La production d'énergie électrique s'effectue dans un groupe turboalternateur très différent des machines usuelles: - L'axe auquel sont fixés les aubages et qui est solidaire de l'alternateur est d'une grande longueur, il est porté par de nombreux paliers. Entre deux couples d'aubages se trouve une zone dans laquelle, des tubes à eau réchauffent l'air refroidi par la détente dans l'étage précèdent de la turbine. Dans une variante, un faisceau de tubes assure le passage de l'air d'un étage à un autre; l'eau de réchauffage entoure dans ce cas, le faisceau de tubes. Le dessin de la figure 2, représente une partie de la turbine. L'air comprimé en provenance de la cuve de stockage circule dans le sens (1), il se détend en (2) dans un étage de la turbine dont les aubages en rotation sont solidaires de l'axe (3). L'air est réchauffé par un faisceau de tubes (4) dans lequel circule de l'eau dans le sens (5). Après réchauffage l'air subit une nouvelle détente dans un autre étage, et ainsi de suite, jusqu'à détente complète et retour à l'atmosphère. Au niveau de chaque étage se trouve une bâche (6), à laquelle sont raccordés les faisceaux de tubes entrants et sortants. Chaque enceinte (7) dans laquelle s'effectue le réchauffage de l'air, a la forme d'un tronc de cône, pour adapter la dimension de chaque étage à l'augmentation du volume de l'air. La géothermie est mise en oeuvre dans cette invention de différentes manières, selon les ressources locales. La plus intéressante est la géothermie à haute température car dans ce cas le système produit en moyenne plus d'énergie électrique qu'il n'en reçoit. Une ressource de température modérée est cependant acceptable dans la plupart des cas. La production d'air comprimé peut avoir deux origines - Le dispositif étant dans une zone maritime, il est opportun d'utiliser l'énergie éolienne. Il est avantageux dans ce cas d'adapter les éoliennes pour qu'elles deviennent des générateurs d'air comprimé, comme cela a été proposé par ailleurs. - L'air comprimé est également produit â partir de l'énergie disponible pendant les heures creuses. D'une manière inverse au turboalternateur, le dispositif comporte successivement des étages de compression et des zones de refroidissement. La présente invention complète les moyens de stockage de l'énergie électrique utilisés actuellement, particulièrement les systèmes gravitaires qui sont insuffisants. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à stocker de l'énergie électrique sous forme d'air comprimé, caractérisé en ce qu'il comporte une cuve reposant sur un fond marin de grande profondeur, au voisinage du rivage; d'un groupe turboalternateur assurant simultanément la détente et le réchauffage de l'air en provenance de la cuve d'un ensemble produisant de l'air comprimé soit en provenance d'une éolienne, soit d'un compresseur d'air utilisant l'énergie électrique en période creuse. 2) Dispositif selon la revendication 1 comportant dans la cuve figure 1: un piston (4) d'une masse volumique inférieure à celle de l'eau ambiante; une colonne à billes (3) guidant ce piston et des ouvertures (7) permettant l'entrée ou la sortie de l'eau selon l'entrée ou la sortie de l'air comprimé. 3) Dispositif selon la revendication 1 comportant une turbine figure 2, raccordée par une conduite, à la cuve figure 1. 4) Turbine-selon la revendication 3 comportant alternativement des aubages (2) et des tubes de réchauffage (4) dans lesquels circulent de l'eau qui est soumise à une action géothermique et éventuellement solaire extérieure. La figure 2 représente un élément de la turbine accouplé à un alternateur par l'axe (3). 5) Ensemble de compression d'air, selon la revendication 1,comprenant des compresseurs utilisant l'énergie électrique en période creuse avec une réfrigération entre les divers étages. L'air comprimé pouvant également provenir d'éoliennes, qui ne sont pas décrites dans cette invention.