Brevet FR3019640A1 — publié le 20151009

Le domaine de la présente invention concerne des procédés de stockage d'énergie par air comprimé (CAES pour "Compressed Air Energy Storage"). D'une manière plus générale, il concerne des procédé et système pour optimiser la récupération d'énergie. Dans ce système, l'énergie, pouvant provenir d'électricité, que l'on souhaite utiliser à un autre moment, peut être stockée sous forme d'air comprimé. L'électricité produite en excès alimente donc un ou plusieurs compresseurs dont le but est de comprimer une quantité d'air donnée. Cette compression d'air implique une augmentation de la température. La présente invention concerne plus particulièrement des moyens spécifiques pour le transfert et le stockage de la chaleur résultante. Plusieurs variantes existent actuellement au système de stockage de l'énergie par air comprimé. On peut citer notamment : - CAES (Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à température ambiante et la chaleur due à la compression est évacuée. - ACAES (Adiabatic Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à la température due à la compression. - AACAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) dans lequel l'air est stocké à température ambiante et la chaleur due à la compression est également stockée dans un TES (Thermal Energy Storage). Dans les procédés CAES, on n'utilise que l'énergie mécanique de l'air, c'est-à-dire qu'on rejette toute la chaleur produite lors de la compression. L'air est stocké typiquement à 8 MPa (80 bar) et à température ambiante. Ceci implique que, si on désire récupérer l'énergie par une détente, la décompression de l'air suivra à nouveau une courbe isentropique, mais cette fois à partir des conditions initiales de 8 MPa et 300 K. L'air se refroidit donc jusqu'à des températures non réalistes (83 K = -191 °C). Il est donc nécessaire de le réchauffer, ce qui se fait à l'aide d'un brûleur à gaz, ou autre carburant. La présente invention a notamment pour objectif d'éviter de dépenser de la chaleur par combustion lors de la récupération de l'énergie. Ainsi, c'est le système AACAES qui est privilégié, mais l'objectif principal est de proposer des améliorations aux moyens de stockage de chaleur en général, et en particulier dans une utilisation dans l'approche AACAES. Plus généralement, l'idée principale est donc de proposer des moyens de stockage de la chaleur d'un gaz, notamment de l'air comprimé dans le cas de stockage d'énergie. Dans ce cas, l'objet principal est de minimiser les pertes d'énergie lors du stockage sous pression de l'air, et de maximiser le niveau de température atteignable lors de la restitution de la chaleur à l'air lors de sa décompression avant passage dans des turbines. Ainsi, la présente invention concerne un système d'échange thermique entre un gaz et un matériau solide. Le système comporte un réservoir contenant un volume de particules formées à partir d'au moins ledit matériau solide, ledit réservoir étant soumis à une circulation interne dudit gaz entre une conduite d'entrée et une conduite d'évacuation, ladite circulation étant déterminée pour que les particules soient en lit fluidisé. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, lesdites particules peuvent comporter une enveloppe métallique. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, lesdites particules peuvent comporter des matériaux à changement de phase (MCP). Avantageusement, lesdites particules peuvent avoir un diamètre moyen compris entre 0,1 mm et 2 cm. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, les moyens de contrôle de la circulation peuvent comporter un régulateur de débit de gaz. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on peut disposer de plusieurs réservoirs, en série ou en parallèle par rapport à la circulation du gaz. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit gaz peut être comprimé par un compresseur pour être stocké sous pression dans une enceinte, et le gaz chauffé en sortie de compresseur peut passer par ledit réservoir de manière à stocker la chaleur. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, ledit gaz stocké sous pression dans une enceinte peut passer par ledit réservoir de manière à absorber de la chaleur avant d'être introduit dans une turbine. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre le principe du lit fluidisé ou bouillonnant ; - la figure 2 illustre le schéma de principe d'un système AACAES utilisant les moyens de stockage de la chaleur selon l'invention. Il faut noter que la chaleur peut être stockée sous forme latente ou sensible. Si on souhaite stocker de la chaleur à une température Ts, et que notre source a une température Tl, la quantité de chaleur stockée Q est : Q m.0 p(Ti -Ts1) où m et Cp sont respectivement la masse et la capacité thermique de la source. Pour de l'air, on a environ m.C, = 1 kJ/°C. Dans le cas de chaleur sensible, lorsqu'on réchauffe notre source avec la chaleur stockée, le niveau de température du stockage de chaleur baisse. La température maximale atteignable -reg est : m' Cp' Tsi- mCpT'id Teq mCp + m' Cp' avec Tcoid, température de la source, m' et Cp' sont respectivement la masse et la capacité thermique du stockage de chaleur. Il est clair que -reg est toujours clairement inférieur à Ts, - La chaleur latente est la chaleur de changement d'état d'un corps. Pour les corps purs, le changement d'état se fait à pression et température constante. Ainsi, lors de l'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP), le stockage et le réchauffage se font à température constante. Ainsi la température maximale de réchauffage est sensiblement la température de stockage. Il apparait donc que l'avantage majeur du stockage sous forme de chaleur latente est la plus grande quantité de chaleur qui peut être stockée par unité de volume (ou de masse). En effet, dans le cas de chaleur sensible (pour une hypothèse d'un cyclage en température de 10°C), on arrive à environ 20 MJ/m3, alors qu'en chaleur latente, on peut atteindre 200 MJ/m3. Dans la description qui suit, on illustrera le système de stockage de la chaleur par sa mise en oeuvre préférée avec l'utilisation de chaleur latente. L'utilisation de stockage de chaleur sensible est possible mais apporte moins d'avantage. La technologie proposée ici permet de réaliser un transfert efficace de la chaleur et un stockage simple de cette même chaleur. Cette technologie repose sur le principe bien connu des lits fluidisés. Un lit fluidisé est utilisé notamment pour réaliser des réactions chimiques. L'intérêt de ce concept réside dans sa capacité à augmenter considérablement les échanges entre les phases fluide (souvent gaz) et solide. Si, dans des réactions chimiques, il s'agit d'échange de matière, les échanges de chaleur sont également fortement améliorés. En effet dans ces deux cas, plus la surface d'échange est importante plus il y aura d'échanges, qu'ils soient thermique ou de masse. La figure 1 illustre le principe du lit fluidisé. Le lit est un ensemble de particules (2) contenues dans une cuve (1) qui comporte un passage de gaz (3) pour introduire le gaz par le bas, et un passage d'évacuation (4) du gaz en partie supérieure de la cuve. Bien entendu, il est clair que les dispositions des moyens d'entrée et de sortie du gaz peuvent être tout autre, en fonction de la technologie et la forme de la cuve ou réservoir. Plus le débit de gaz augmente, plus les billes seront « portées » par le courant de celui-ci. Dans un premier temps (b), le lit gonflera simplement, ensuite il deviendra fluidisé et finalement « bouillonnant » (c). C'est dans cette dernière configuration que les échanges thermiques sont les plus efficaces. Les conditions pour obtenir un lit bouillonnant sont basées sur la vitesse de gaz dans la cuve. La vitesse nécessaire peut être calculée à partir de corrélations qui prennent en compte la masse volumique des particules, leur taille, la densité et la viscosité du gaz. La présente invention est fondée sur la détermination des particules adaptées : - un matériau adapté au captage de la chaleur (sensible ou latente) dans la gamme de la température de stockage, ce matériau étant de préférence à changement de phase, mais pas exclusivement ; - une enveloppe des particules (par exemple métallique) adaptée à résister aux chocs, - des dimensions de particules comprises entre quelques micromètres et quelques centimètres. Dans le système selon l'invention, les billes sont contenues dans une "cuve" permettant le passage d'air chaud, ou froid, sous pression. Cette cuve peut être de plusieurs formes (cylindrique, en forme de silo...). La figure 2 illustre dans son principe schématique un système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé. L'énergie produite Em, généralement électrique actionne un compresseur C, l'air comprimé chaud est amené par une conduite 5 dans la partie inférieure du réservoir LF pour fluidifier le lit de particules contenu dans ce réservoir. L'échange thermique se fait dans le lit bouillonnant. L'air refroidi sort du réservoir par une conduite 7 pour être stocké dans une enceinte S. Lors d'une étape de récupération, l'air comprimé sort de l'enceinte par une conduite 8 pour fluidifier le lit de particules du réservoir LF afin d'en absorber la chaleur. L'air réchauffé sort par une conduite 9 pour entrer dans une turbine T qui fournit, généralement par une génératrice, une énergie électrique Er. Bien entendu, ce schéma de principe peut être modifié en multipliant les étages de compression, et de turbinage dans lesquels s'intercale les réservoirs du type LF pour les échanges thermiques de stockage ou de restitution de la chaleur. De même, chaque étage de compression peut comprendre un ou plusieurs réservoirs de type LF. Il faut noter que l'augmentation du nombre de billes permet d'augmenter la surface d'échange pour un volume de matériau à changement de phase (MCP) donné. Autrement dit, on pourra stocker la même quantité de chaleur, tout en ayant amélioré les échanges de chaleur. Les avantages principaux sont : - le système permet un accroissement de la surface d'échange et donc l'amélioration des transferts thermiques. - Le système est naturellement bidirectionnel. Pour le faire fonctionner dans les deux sens, il suffit de faire entrer de l'air chaud qui sortira refroidi par une conduite adaptée. On peut faire entrer de l'air froid qui ressortira réchauffé. Les « cuves » ou réservoirs contenant les particules peuvent être le lieu même de stockage de la chaleur, et seul le courant d'air est dirigé vers les bonnes cuves en fonction de ce qu'on désire. Bien que plus complexe, on peut également utiliser ces particules comme vecteur de chaleur. Dans ce cas, le lit fluidisé est déplacé par des conduites vers un lieu de stockage distant. Les lits fluidisés présentent le risque d'attrition, c'est-à-dire la dégradation des particules. Comme pour un catalyseur, les billes abimées seront remplacées au fur et à mesure. Exemple de mise en oeuvre d'ensemble On considère des billes de 1 mm de diamètre environ revêtues d'une peau métallique pour deux raisons : (1) il faut résister aux nombreux chocs entre particules, en évitant autant que possible l'attrition et donc la formation de fines ; (2) il faut que le transfert thermique entre l'extérieur et l'intérieur de la bille soit le meilleur possible. Dans les conditions préférentielles, on obtient une vitesse minimale de fluidisation de 23 cm/s. Si on considère un mini-CAES de 20MWh, le débit d'air nécessaire est de l'ordre de 10 kg/s. La conversion en débit (m3/s), et donc l'aire de la cuve, ou son diamètre, dépendront de la masse volumique et donc des conditions P (pression) et T (température) de l'air. A titre d'exemple, le tableau 1 ci-dessous fournit quelques estimations pour un débit total de 10 kg/s, et pour différents couples pression-température. A chaque étape représentée par une ligne du tableau, on stocke une quantité d'énergie supposée identique (1/12 des 20 MWh). On note que, si pour certains cas le diamètre semble élevé, il est toujours possible d'utiliser plusieurs cuves de plus petite dimension disposées en parallèle. Si la hauteur parait parfois trop grande, on peut disposer plusieurs cuves en série. La hauteur de remplissage des lits se calcule à partir du diamètre et de la quantité de MCP nécessaire pour capter l'énergie calorifique disponible et de la capacité thermique de ces matériaux (200 MJ/m3). La perte de charge AP dans ce type d'équipement est évaluée par la formule AP = pgh, avec comme masse volumique moyenne, environ la moitié de la masse volumique du matériau qui remplit le lit. Si l'on considère p =0,7 kg/m3, on obtient les résultats présentés dans la dernière colonne du tableau. Ce tableau donne quelques ordres de grandeur nécessaires pour dimensionner le système de stockage. On remarque que, si la perte de charge est effectivement négligeable, la taille des équipements peut être relativement conséquente. Cependant, il ne faut pas oublier qu'il n'y a pas besoin d'autre lieu de stockage pour la chaleur, l'échangeur est aussi stockage. Dans les compartiments basse pression, le diamètre de la cuve est grand et la hauteur faible, car la masse volumique de l'air est telle que le débit doit être réparti sur une large surface pour entraîner les particules. Au contraire, lorsque la masse volumique est forte, à haute pression, le diamètre devient beaucoup plus raisonnable, mais à capacité de stockage équivalent, il faut que la hauteur du lit soit plus grande. T P Masse Débit Aire Diamètre Hauteur AP volumique volumique MCP °C (MPa) (kg/m3) m3/s m2 m m Pa 115 0.3 2.9 3.5 15.2 4.4 2.0 12.2 82 0.3 3.1 3.2 13.9 4.2 2.2 13.3 50 0.3 3.4 2.9 12.7 4.0 2.4 14.6 115 0.9 8.6 1.2 5.1 2.5 5.9 36.5 82 0.9 9.4 1.1 4.6 2.4 6.5 39.9 50 0.9 10.3 1.0 4.2 2.3 7.1 43.9 115 2.7 25.7 0.4 1.7 1.5 17.8 109.5 82 2.7 28.1 0.4 1.5 1.4 19.4 119.7 50 2.7 30.9 0.3 1.4 1.3 21.3 131.6 115 8 76.3 0.1 0.6 0.9 52.6 324.6 82 8 83.4 0.1 0.5 0.8 57.5 354.7 50 8 91.6 0.1 0.5 0.8 63.2 389.9 Tableau 1 : Diamètre des cuves de lit bouillonnant en fonction des conditions pression et température, avec un débit d'air de 10 kg/s Dans le cas d'un système AACAES, ou plus généralement de récupération de chaleur d'un gaz, l'invention propose des moyens permettant d'obtenir des transferts thermiques à haute efficacité et de réaliser dans le même temps un stockage de chaleur à température constante. ) REVENDICATIONS1. Système d'échange thermique entre un gaz et un matériau solide, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir contenant un volume de particules formées à partir d'au moins ledit matériau solide, ledit réservoir étant soumis à une circulation interne dudit gaz entre une conduite d'entrée et une conduite d'évacuation, ladite circulation étant déterminée pour que les particules soient en lit fluidisé. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdites particules comportent une enveloppe métallique. 3. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites particules comportent des matériaux à changement de phase (MCP). 4. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites particules ont un diamètre moyen compris entre 0,1 mm et 2 cm. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des moyens de contrôle de la circulation comportent un régulateur de débit de gaz. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on dispose de plusieurs réservoirs, en série ou en parallèle par rapport à la circulation du gaz. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit gaz est comprimé par un compresseur pour être stocké sous pression dans une enceinte, et dans lequel le gaz chauffé en sortie de compresseur passe par ledit réservoir de manière à stocker la chaleur. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit gaz stocké sous pression dans une enceinte passe par ledit réservoir de manière à absorber de la chaleur avant d'être introduit dans une turbine.