Brevet FR2948417A1 — publié le 20110128

SYSTEME DE STOCKAGE D'ENERGIE La présente invention concerne généralement un système de stockage d'énergie et plus particulièrement, un système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé (CAES û Compressed Air Energy Storage) incluant le chauffage direct. La puissance électrique et/ou mécanique est utilisée à la fois pour la compression d'air, ainsi que pour le chauffage du flux d'air d'expansion grâce à l'utilisation d'un système de stockage d'énergie thermique (TES û Thermal Energy Storage). Les systèmes CAES amortissent les déséquilibres entre la production d'énergie électrique et l'utilisation de l'énergie (servent de générateur ou de charge), et offrent également la capacité de stocker de l'énergie électrique bon marché ou indésirable. Les systèmes CAES stockent cette énergie grâce à la compression d'air. Lors de la production d'énergie, l'air dilaté est chauffé pour accroître la production d'énergie, afin d'utiliser de manière plus efficace l'air stocké et pour éviter les besoins de détendeurs cryogéniques. Les systèmes CAES diabatiques reposent sur la combustion de combustible préférentiel pour parvenir au chauffage voulu, grâce à des chambres de combustion ou des turbines à combustion individuelles. Les systèmes CAES adiabatiques ou sans combustible deviennent plus attrayants en raison du prix élevé des combustibles préférentiels (tels que le gaz naturel) et de la nécessité de réduire les émissions des gaz à effet de serre. Le besoin d'un mécanisme de stockage d'énergie à faible empreinte carbonique est particulièrement important pour les applications à intégration éolienne. Les cycles CAES diabatiques élaborés comprennent généralement une turbine à combustion et, en conséquence, ne peuvent pas obtenir ou approcher un fonctionnement adiabatique ou sans CO2. Il est à noter cependant que les systèmes CAES diabatiques élaborés peuvent réduire les émissions relatives de NOX et de CO2 dans une perspective plus large en facilitant le fonctionnement de type à pleine charge ou de conception proche des centrales thermiques dans le système. Les problèmes et inconvénients que présentent les diverses approches adiabatiques sont centrés sur l'adaptation et la rentabilité des diverses sources de chaleur. Pour des températures de dilatation et des niveaux de production d'énergie acceptables, un certain nombre de sources de chaleur peuvent uniquement être utilisées pour le chauffage supplémentaire ou initial. Celles-ci comprennent les pompes à chaleur, les sources géothermiques et la chaleur de compression issue de trains de compresseur industriels standards. Ces sources sont toutes limitées à des températures en dessous d'environ 500 °F. Par exemple, les sources géothermiques sont dans la plage de 200 à 400 °F, avec certaines exceptions géographiques, la chaleur de compression issue des trains de compresseur industriels standards est dans la plage de 200 à 500 °F, et les pompes à chaleur industrielles à haute température sont limitées à des températures d'environ 400 °F avec un faible décalage de température à cette température de sortie ù ce qui signifie qu'elles ne peuvent pas pomper la chaleur tout du long, de la température ambiante jusqu'à 400 °F. Ceci est un résultat des propriétés frigorigènes et des limitations thermodynamiques fondamentales. En termes de performance, avec une température de sortie élevée, les pompes à chaleur ont fondamentalement un faible coefficient de performance, d'ordinaire inférieur à 1,5 à 400 °F. La chaleur primaire peut être fournie par des sources telles que le chauffage thermosolaire (750 °C) ou des trains de compression à haute température en cours de développement (objectifs techniques de 750 à 1 200 °F). Les systèmes thermosolaires sont écologiquement attractifs mais sont relativement coûteux. Les systèmes de compression à température élevée présentent un certain nombre de problèmes de développement. Le développement du compresseur classique cherche à améliorer l'efficacité principalement en réduisant les températures du flux d'air. Au contraire, les conceptions de CAES à compression à haute température (HTCCAES) ont l'objectif opposé et le fonctionnement à haute température et le cyclage aboutissent à des problèmes de tension thermique et de durabilité importants qui n'ont pas été solutionnés de manière appropriée. Ces défauts et autres défauts de l'art antérieur sont solutionnés par la présente invention, qui propose un système CAES adiabatique de chauffage direct économique. Selon un aspect de la présente invention, un système de stockage d'énergie comprend un compresseur servant à comprimer l'air ambiant, un réservoir de stockage d'air conçu pour stocker l'air comprimé issu du compresseur, et un système de stockage d'énergie thermique conçu pour fournir de la chaleur au système de stockage d'énergie de telle sorte que l'air comprimé soit chauffé pour augmenter la production de travail de l'air comprimé. Selon un autre aspect de la présente invention, un système de stockage d'énergie à air comprimé comprend un compresseur servant à comprimer l'air ambiant, un réservoir de stockage d'air conçu pour stocker l'air comprimé issu du compresseur et un système de stockage d'énergie thermique conçu pour fournir de la chaleur au système de stockage d'énergie à air comprimé de telle sorte que l'air comprimé soit chauffé pour augmenter la production de travail de l'air comprimé. Le système de stockage d'énergie thermique est chauffé en utilisant de l'électricité en heures creuses. L'objet qui est considéré comme l'invention ressortira plus clairement à la 10 lecture de la description suivante faite en conjugaison avec les figures des dessins joints, sur lesquels : la figure 1 montre un système CAES à chauffage direct selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 montre un système de chauffage TES selon un mode de réalisation 15 de l'invention ; et la figure 3 montre un système CAES à chauffage direct selon un mode de réalisation de l'invention. Si nous regardons les dessins, un exemple de système de stockage d'énergie en vrac selon la présente invention est illustré sur la figure 1 et indiqué généralement 20 par le numéro de référence 10. Le système de stockage d'énergie en vrac 10 est un système de stockage d'énergie à air comprimé (CAES) qui peut être utilisé dans des applications telles qu'intégration de l'éolien, arbitrage, nivellement des charges, réserve tournante et cycle de chargement. Le système CAES 10 atteint un rendement thermique nul avec le chauffage direct d'un système de stockage d'énergie thermique 25 (TES) 11 utilisant de l'électricité en heures creuses ou n'importe quelle électricité de coût relativement faible. Le chauffage direct permet une rétention et une efficacité énergétiques importantes par rapport à d'autres options de chauffage. L'électricité est utilisée à la fois pour la compression d'air et le chauffage d'un matériau TES, tel que du sel fondu, contenu dans le système TES 11. Un chauffage supplémentaire du 30 matériau TES peut également être obtenu à partir d'autres sources telles que les sources géothermiques, thermosolaires et de biomasse avec des émissions de dioxyde de carbone nettes faibles ou inexistantes. Tel que représenté, le système CAES 10 comprend un train de compresseur 12 pour comprimer l'air ambiant. Le train de compresseur 12 est alimenté en électricité en heures creuses et comprime l'air ambiant à une pression de service et de stockage souhaitée. L'air comprimé est ensuite stocké dans un réservoir de stockage d'air 13, tel qu'une cavité souterraine. Pendant les périodes de demande, l'air comprimé du réservoir de stockage d'air 13 est libéré dans le récupérateur 17 où il est préchauffé. Afin d'accroître l'efficacité, le récupérateur 17 utilise la chaleur du gaz d'échappement issu du détendeur à basse pression 19 pour préchauffer l'air comprimé issu du réservoir de stockage d'air 13 et pour introduire l'air comprimé préchauffé dans l'échangeur de chaleur haute pression 14. L'échangeur de chaleur haute pression 14 reçoit de la chaleur du système TES 11 pour ajouter de la chaleur à l'air comprimé préchauffé reçu du récupérateur 17. L'air comprimé est ensuite chauffé à une température souhaitée par l'échangeur de chaleur haute pression 14 et envoyé au détendeur haute pression 16 où l'air comprimé est dilaté pour produire du travail. L'air dilaté est ensuite reçu par l'échangeur de chaleur basse pression 18 où une chaleur supplémentaire est ajoutée à l'air dilaté. Comme l'échangeur de chaleur haute pression 14, la chaleur est fournie à l'échangeur de chaleur basse pression 18 par le système TES 11. L'air dilaté quitte l'échangeur de chaleur basse pression 18 et est reçu par le détendeur basse pression 19 où il est dilaté pour produire un travail supplémentaire. Le gaz d'échappement issu de ce procédé est ensuite reçu par le récupérateur 17 pour le préchauffage de l'air comprimé. Le fonctionnement du système 10 nécessite que de la chaleur soit fournie par le système TES 1 à au moins un des échangeurs de chaleur 14, 18 ou aux deux. Le récupérateur 17 est en option et n'est pas nécessairement utile, selon les conditions opérationnelles et d'autres facteurs. Les échangeurs de chaleur TES peuvent en variante être des systèmes à écoulement d'air direct. Le système TES 11 est chauffé au moyen d'électricité. Les options de milieu TES comprennent les sels fondus, les huiles thermiques, les lits céramiques et les lits de pierres/de galets. Les options de confinement comprennent les structures en béton, les structures de tuyauteries, le confinement sphérique et le confinement tubulaire. Si nous regardons la figure 2, un système de chauffage TES selon un mode de réalisation de l'invention est représenté généralement par le numéro de référence 100. Le système de chauffage TES 100 comprend une structure de confinement 101 de géométrie tubulaire ou autre, telle qu'une tuyauterie en acier ou autre matériau de gros diamètre et contient un matériau TES tel qu'un matériau de type pierre ou céramique. La structure de confinement 101 peut être revêtue ou isolée à l'intérieur avec un matériau tel que des briques réfractaires. Plutôt que le chauffage interne ou direct du matériau TES, le chauffage externe peut être fourni au moyen de réchauffeurs à circulation d'air 102, tels que des réchauffeurs de pare-brise et réchauffeurs à plasma, évitant ainsi les problèmes d'accessibilité et de fiabilité pour la maintenance des éléments chauffants. Le système de chauffage TES 100 peut être chauffé à des températures excédant celles qui sont nécessaires pour le chauffage par dilatation, augmentant considérablement la densité de l'énergie thermique, tout en permettant à la température de l'air de sortie d'être régulée à une valeur constante lors de la décharge. En outre, le système de chauffage TES 100 peut fonctionner à des pressions proches de la pression ambiante au cours des périodes de charge, réduisant ainsi en outre le capital et les coûts d'exploitation. Si nous regardons la figure 3, un système CAES selon un mode de réalisation de l'invention est indiqué généralement par le numéro de référence 200. Comme le système CAES 10, le système CAES 200 comprend un train de compresseur 212, un réservoir de stockage d'air 213, un détendeur haute pression 216, un récupérateur 217 et un détendeur basse pression 219. Le système CAES 200 comprend le système de chauffage TES 100 de la figure 2 et permet un ajout de chaleur de TES basse pression, avec récupération mais sans ajout de chaleur de TES haute pression. Dans cet agencement, le système de chauffage de TES 100 est thermiquement dense tout en fonctionnant à des pressions inférieures à celles qui seraient nécessaires pour chauffer préalablement le détendeur haute pression 216. L'ajout de chaleur à haute pression est éliminé ainsi que les prouesses techniques et le coût relativement élevé qui y sont associés. L'ajout de chaleur à basse pression présente des exigences techniques relativement souples. Ce système de TES et de chauffage peut être actionné en variante pour l'ajout de chaleur avant dilatation à haute pression. Lors du chargement, l'électricité est utilisée pour faire fonctionner les réchauffeurs à circulation d'air 102 et pour faire circuler l'air à travers le lit de TES 101 pour le chauffer. Lors du déchargement du TES, l'air issu du réservoir de stockage d'air 213 est chauffé lors de la production d'énergie, l'air d'entrée pénètre dans le lit de TES 101, alors qu'une partie du flux peut contourner le lit 101, se mélangeant à nouveau avant de quitter la sortie du système de TES 100. Ce contournement permet à la température de sortie d'être régulée lors du déchargement même si la température du lit de TES varie sur une plage étendue, en temps et en position le long du lit 101. Lors du chargement du TES, le matériau de TES doit être chauffé à une température arbitrairement élevée ou limitée du matériau au-dessus de ce qui est nécessaire pour que le système de dilatation atteigne une densité de stockage d'énergie thermique élevée. En utilisant l'électricité en heures creuses à la fois pour la compression d'air et 10 le chauffage direct du matériau de TES, les systèmes CAES 10, 200 sont capables de parvenir à un fonctionnement adiabatique et sans CO2. Les systèmes CAES 10 et 200 décrits ci-dessus offrent une variante rentable aux autres systèmes CAES. En raison de sa simplicité, le système CAES 10, 200 permet un faible coût d'immobilisation et de faibles coûts opérationnels qui 15 dépendent principalement du coût de l'alimentation électrique. Le coût de l'électricité indésirable ou en heures creuses peut être assez bas, en particulier pour les applications à intégration éolienne. Pour les parcs éoliens, il en va ainsi en particulier pour les systèmes CAES sur place. Par exemple, on estime qu'une usine utilisant les systèmes CAES ci-dessus 10, 20 200 aurait un rapport énergétique de 2,00. Prenons un prix de l'électricité d'entrée de 0,20 $/kWh, un coût d'exploitation de 0,005 $/kWh et un rapport énergétique de 2,00, le coût de l'électricité en heure de pointe résultant est estimé comme étant d'environ 4,500/kWh. De plus, des avantages liés au fait qu'il s'agit d'un fonctionnement écologique existent. Par exemple, il n'y a aucune production de CO2, de CO ou de 25 NOS, aucune dépendance opérationnelle sur le coût du combustible û uniquement une dépendance sur les coûts de l'électricité d'entrée qui auront tendance à chuter lorsque les niveaux de pénétration renouvelable augmenteront, ou l'usine est située sur un parc éolien. En outre, les systèmes CAES 10, 200 n'ont pas besoin de systèmes à chambres de combustion, d'injection d'eau et de commande ni de 30 systèmes de réduction catalytique sélective (SCR û Selective Catalytic Reduction) pour l'élimination du NOS. Nous venons d'effectuer la description d'un système de stockage d'énergie. Bien que des modes de réalisation spécifiques de la présente invention aient été décrits, il ressortira clairement pour l'homme du métier que diverses modifications peuvent y être apportées sans s'écarter de l'esprit ni de la portée de l'invention. En conséquence, la description du mode de réalisation préféré de l'invention qui précède et le meilleur mode de réalisation de l'invention ne sont fournis qu'à titre illustratif et non à titre limitatif. REVENDICATIONS1. Système de stockage d'énergie (10) comprenant : (a) un compresseur pour comprimer l'air ambiant ; (b) un réservoir de stockage d'air (13, 213) conçu pour stocker l'air comprimé issu du compresseur ; et (c) un système de stockage d'énergie thermique conçu pour fournir de la chaleur au système de stockage d'énergie (10) de telle sorte que l'air comprimé soit chauffé pour accroître la production de travail de l'air comprimé. 2. Système de stockage d'énergie selon la revendication 1, comprenant en outre un 10 détendeur basse pression (19, 219) conçu pour dilater l'air comprimé pour produire du travail. 3. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un détendeur haute pression (16, 216) conçu pour 15 dilater l'air comprimé pour produire du travail. 4. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes,, comprenant en outre un récupérateur (17, 217) conçu pour recevoir l'air comprimé issu du réservoir de stockage d'air (13, 213) et préchauffer l'air comprimé. 5. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un échangeur de chaleur haute pression (14) conçu pour recevoir de la chaleur du système de stockage d'énergie thermique et ajouter de la chaleur à l'air comprimé. 6. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un échangeur de chaleur basse pression (18) conçu pour recevoir de la chaleur du système de stockage d'énergie thermique (11) et ajouter de la chaleur à l'air comprimé. 20 25 7. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel de l'électricité en heures creuses est utilisée pour fournir un chauffage direct au système de stockage d'énergie thermique (11). 8. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de stockage d'énergie thermique comprend au moins un réchauffeur à circulation d'air (102) alimenté en électricité en heures creuses pour fournir de la chaleur au système de stockage d'énergie thermique (11). 9. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de stockage d'énergie thermique (11) comprend un lit de matériau choisi dans le groupe comprenant sels fondus, huiles thermiques, lits céramiques et lits de pierre et de galets. 10. Système de stockage d'énergie à air comprimé, comprenant : (a) un compresseur pour comprimer l'air ambiant ; (b) un réservoir de stockage d'air (13, 213) conçu pour stocker l'air comprimé issu du compresseur ; et (c) un système de stockage d'énergie thermique (11) conçu pour fournir de la chaleur au système de stockage d'énergie à air comprimé de telle sorte que l'air comprimé soit chauffé pour accroître la production de travail de l'air comprimé, dans lequel le système de stockage d'énergie thermique (11) est chauffé en utilisant l'électricité en heures creuses. 11. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon la revendication 10, comprenant en outre : (a) un récupérateur (17, 217) conçu pour recevoir l'air comprimé issu du réservoir de stockage d'air (13, 213) et préchauffer l'air comprimé ; (b) un détendeur haute pression (16, 216) conçu pour recevoir l'air comprimé 30 préchauffé du récupérateur (17, 217) et dilater l'air comprimé pour produire du travail ; et(c) un détendeur basse pression (19, 219) conçu pour recevoir l'air comprimé dilaté du détendeur haute pression (16, 216) et dilater en outre l'air comprimé pour produire du travail. 12. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon la revendication 11, dans lequel le récupérateur (17, 217) reçoit au moins une partie de l'air comprimé dilaté du détendeur basse pression (19, 219) pour préchauffer l'air comprimé issu du réservoir de stockage d'air (13, 213). 13. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, comprenant en outre : (a) un échangeur de chaleur haute pression (14) conçu pour recevoir de la chaleur du système de stockage d'énergie thermique (11) et ajouter de la chaleur à l'air comprimé issu du réservoir de stockage d'air (13, 213) ; (b) un détendeur haute pression (16, 216) conçu pour recevoir de l'air comprimé chauffé de l'échangeur de chaleur haute pression (14) et dilater l'air comprimé chauffé pour produire du travail ; (c) un échangeur de chaleur basse pression (18) conçu pour recevoir de la chaleur du système de stockage d'énergie thermique (11) et ajouter de la chaleur à l'air 20 comprimé dilaté issu du détendeur haute pression (16, 216) ; et (d) un détendeur basse pression (19, 219) conçu pour recevoir de l'air comprimé chauffé de l'échangeur de chaleur basse pression (18) et dilater en outre l'air comprimé chauffé pour produire du travail. 25 14. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon la revendication 13, comprenant en outre un récupérateur (17, 217) pour recevoir de l'air comprimé du réservoir de stockage d'air (13, 213) et préchauffer l'air comprimé avant que l'air comprimé ne soit reçu par l'échangeur de chaleur haute pression (14). 30 15. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon l'une quelconque des revendications 10 à 14,comprenant en outre : (a) un détendeur haute pression (16, 216) conçu pour recevoir l'air comprimé issu du réservoir de stockage d'air (13, 213) et dilater l'air comprimé, l'air comprimé dilatéétant délivré au système de stockage d'énergie thermique (11) à l'endroit où l'air comprimé dilaté est chauffé ; et (b) un détendeur basse pression (19, 219) conçu pour recevoir de l'air comprimé chauffé du système de stockage d'énergie thermique (11) et dilater l'air comprimé chauffé pour produire du travail. 16. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, dans lequel le système de stockage d'énergie thermique (11) comprend : (a) une structure de confinement conçue pour contenir un matériau de stockage d'énergie thermique ; et (b) au moins un réchauffeur à circulation d'air (102) conçu pour fournir de la chaleur au matériau de stockage d'énergie thermique. 17. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon la revendication 16, dans lequel la structure de confinement est revêtue ou isolée à l'intérieur avec un matériau isolant. 18. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon la revendication 16 ou 17, 20 dans lequel l'au moins un réchauffeur à circulation d'air (102) fournit un chauffage externe au matériau de stockage d'énergie thermique. 19. Système de stockage d'énergie à air comprimé selon la revendication 16 ou 17, dans lequel l'au moins un réchauffeur à circulation d'air (102) est choisi dans le 25 groupe comprenant un réchauffeur d'écran, un élément chauffant et un réchauffeur à plasma.