Brevet FR3014182A1 — publié le 20150605

Le domaine de la présente invention concerne le stockage d'énergie par air comprimé (CAES pour "Compressed Air Energy Storage"). En particulier, il s'agit d'un procédé 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. Plusieurs variantes existent actuellement à ce système. 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 et l'objectif principal est de proposer des améliorations au stockage de chaleur utilisé dans l'approche AACAES. Plus généralement, l'idée principale est de stocker de la chaleur de façon à 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 après passage dans des turbines. Ainsi, la présente invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par air comprimé, comportant des moyens de stockage d'air comprimé et des moyens de stockage de chaleur. Le système comporte plusieurs moyens de compression étagée, plusieurs moyens de détente étagée pour la récupération de l'énergie, et une pluralité d'éléments de stockage de la chaleur de l'air en sortie de chaque étage de compression, lesdits éléments comportant plusieurs niveaux de température de stockage de la chaleur, lesdits niveaux de température étant compris entre la température de sortie de l'air du premier compresseur et la température de stockage de l'air comprimé. Les éléments de stockage de la chaleur situés en aval d'un étage de compression peuvent être à la pression de l'air en sortie dudit étage. Les éléments de stockage de la chaleur peuvent comporter des matériaux à 25 changement de phase (MCP). Les moyens de compression étagés peuvent comporter au moins quatre compresseurs, les moyens de stockage de chaleur peuvent comporter au moins trois niveaux de température, et les moyens de détente peuvent comporter au 30 moins quatre turbines. Le stockage peut se faire sensiblement à 20°C et 80 bar. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront 5 plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 montre un exemple de profil de température refroidissement et réchauffage pour trois niveaux de température de stockage dans trois stockages de chaleur. 10 - la figure 2 montre l'élévation de la température en fonction du taux de compression pour différents rendements, - les figures 3a et 3b illustrent un exemple de stockage et déstockage d'air selon l'invention avec 3 niveaux de température de stockage de la chaleur, - les figures 4a et 4b illustrent un autre exemple de stockage et déstockage 15 d'air selon l'invention avec 2 niveaux de température de stockage de la chaleur. Il faut noter que la chaleur peut être stockée sous forme latente ou sensible. Si on souhaite stocker de la chaleur à une température Tsi et que notre source a une température T1, la quantité de chaleur stockée Q est : 20 Q-m.Cp(Ti-Ts1) où m et Cp sont respectivement la masse et la capacité thermique de la source. Pour de l'air, on a environ mf, = 1 kJ/°C. Dans le cas de chaleur sensible, lorsqu'on réchauffe notre source avec la 25 chaleur stockée, le niveau de température du stockage de chaleur baisse. La température maximale atteignable Te," est : m' Cp' T si- mCpT 'id T= mCp + m' Cp' avec Tcold, température de la source. m' et Cp' sont respectivement la masse et la capacité thermique du stockage de chaleur. Il est clair que Te," est toujours clairement inférieur à Tsi. 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 procédé 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. Généralement, lorsqu'on souhaite comprimer de l'air, on utilise plusieurs étages de compression avec un taux de compression faible à chaque étage et un refroidissement entre chaque étage. En effet, lors de sa compression, l'air se réchauffe jusqu'à une température Tchaud. Afin de diminuer le volume de stockage, on refroidit l'air jusqu'à une température Tfroed. Ainsi, la chaleur disponible est : Cp (T chaud - T froid) Si on stocke la chaleur à un seul niveau de température Tsi, on souhaite que cette température soit atteignable lors du réchauffage. C'est-à-dire, que la chaleur stockée soit égale à la chaleur de réchauffage. On a ainsi dans un cas idéal : Cp(Tchaud -Ts1)=Cp(Ts1-T froid ) =Tchaud +Tfroid Ts1 2 et l'énergie stockée est : CP(Tchaud TS 1)= Ch Tc haud chaud froid T +T Cp 2 2 (Tchaud -Tfroid) 10 Ainsi, seule la moitié de la chaleur disponible est stockée. Ceci conduit au fait que la température de réchauffage est bien inférieure à la température chaude. Afin de résoudre cette limitation, on propose de stocker à plusieurs niveaux 15 de température entre deux étages de compression. On suppose que l'on stocke à N niveaux de température Ti,S TS2.,..., TSN avec Tchaud >TS1> TS2 >...> TSN > Tfroed. La chaleur stockée doit être égale à la chaleur de réchauffage pour chaque niveau de température : Cp(Tchaud -Ts1)= Cp(Tsi-Ts2 ) Cp(Tsi-Ts2 ) Cp(Ts2 - Ts3 ) Cp(TS(N-i) -TSN) Cp(TsN -T froid) La résolution de ce système (avec l'hypothèse de Cp constant) permet d'obtenir la température pour l'étage n : (N +1- n) chaud+ nTfroid N +1 d'où 20 25 T Sn = La température que l'on peut atteindre lors du réchauffage est Ts1. On note que cette température tend vers Tchaud quand N tend vers l'infini. La figure 1 présente un exemple de AACAES pour trois niveaux de température. Dans cet exemple, l'air sort à une température de 140 °C d'un étage du compresseur et on souhaite le refroidir à 20 °C avant l'étage suivant de compression. Les lignes horizontales A, B, C représentent les températures du matériau à changement de phase (ici trois), respectivement 115°C, 82°C, 50°C. Les lignes selon les flèches 1, 2, 3 qui descendent de gauche à droite présentent l'évolution de la température de l'air lorsqu'on le refroidit après compression, en mode stockage d'énergie. Les lignes parallèles avec les flèches 4, 5, 6 illustrent la température de l'air en mode de réchauffage, lorsqu'on détend l'air en mode récupération d'énergie, à partir d'une température de stockage à 15°C. Étages de compression L'accroissement de température au travers du compresseur dépend du taux de compression et du rendement de ce dernier. La figure 2 présente ce phénomène en faisant l'hypothèse d'une compression polytropique. Le taux de compression est sensiblement égal au taux de détente. Étant donné que la température de stockage doit être égale ou supérieur à la température d'entrée de turbine, le nombre d'étages de compression doit être égale ou inférieur au nombre d'étages de détente. Niveaux de température Si le taux de compression et le rendement du compresseur sont connus, il est possible de déterminer la température de sortie du compresseur. Une fois cette valeur connue, il faut déterminer à quelle température va être stockée la chaleur dans le cas de la chaleur latente. Idéalement il faut pouvoir réchauffer l'air le plus possible. On décrit deux exemples basés sur un train de compression à quatre 5 étages. On néglige ici le pincement dans les systèmes de transfert thermiques. La température en sortie de compresseur est de 140 °C. On propose de stocker la chaleur à 2 ou 3 niveaux de température. - Cas de deux niveaux de stockage: 10 - on stocke à 100°C et 60°C. On a ainsi récupéré la chaleur entre 140 et 100°C et entre 100 et 60°C. La chaleur entre 60°C et 20°C (hypothèse sur la température entrée compresseur) est perdue. Lors de la décharge, si l'air est stocké à 20°C, le premier niveau de température permet de réchauffer l'air à 60°C et le second permet de continuer la progression jusqu'à 100°C. Ainsi, en entrée turbine l'air 15 aura été réchauffé jusqu'à 100°C. - Cas de trois niveaux de stockage : - on stocke à 110°C, 80°C et 50°C. On a ainsi récupéré la chaleur entre 140 et 110°C, entre 110 et 80°C et entre 80 et 50°C. La chaleur entre 50°C et 20°C 20 (hypothèse sur la température entrée compresseur) est perdue. Lors de la décharge, si l'air est stocké à 20°C, le premier niveau de température permet de réchauffer l'air à 50°C et le second permet de continuer la progression jusqu'à 80°C et enfin le dernier permet d'atteindre 110°C. Ainsi, en entrée turbine l'air aura été réchauffé jusqu'à 110°C. 25 La première solution ne permet pas d'atteindre 110°C en entrée turbine. Or dans cette exemple, la température en sortie turbine va être plus faible (12°C) que la température de stockage (20°C). Ainsi lors de l'étage suivant de détente, la chaleur disponible ne permettra pas d'atteindre la même température (98°C 30 contre 100°C). Les figures 3b et 4b représentent l'évolution de la température dans les deux cas. On note que la température en entrée des turbines diminue dans le cas où la température est stockée à deux niveaux de températures. Mise en oeuvre d'ensemble On prend dans cet exemple le cas de quatre étages de compression avec 3 niveaux de températures et quatre étages de turbines de récupération d'énergie. La mise en oeuvre peut être représentée comme dans les figures 3a et 3b. La figure 3a illustre donc comment, de gauche (basse pression) à droite (haute pression), l'air traverse successivement quatre compresseurs Cl, C2, C3, 10 C4 qui augmentent la pression, mais aussi la température, et après chaque étage de compression dans trois échangeurs à matériau à changement de phase (MCP). La figure 3a illustre une "matrice" de récupération de chaleur constituée 12 éléments de stockage de la chaleur sous quatre pressions (3, 9, 27 et 80 bar) et 15 de trois températures (50, 80 et 110°C). Les 12 éléments de stockage de chaleur peuvent être indépendants pour chaque élément de la matrice ou peuvent être commun pour un même niveau de température. On choisira d'utiliser la technologie la plus rentable pour chaque élément de la matrice. 20 La figure 3b illustre le déstockage par quatre turbines, à partir du stockage à 20°C et 80 bar. Les passages de l'air dans les éléments de stockage de la chaleur permettent de réchauffer l'air à 110°C après chacune des détentes, et d'obtenir une détente finale à 20°C. 25 Les modes de réalisation pour les éléments de la matrice de stockage sont les échangeurs classiques, notamment à matériau à changement de phase (MCP). Ci-après quelques exemples pour le stockage d'un ou plusieurs éléments : - chaque élément peut être constitué d'un échangeur dans lequel circule un fluide caloporteur stocké ensuite par niveau de température ; - chaque élément peut être constitué d'un matériau à changement de phase immobile intégré à l'échangeur. Dans ce cas, la chaleur de l'air chaud qui passe au travers de l'échangeur est stockée sur place. Le volume de l'échangeur sera alors plus grand mais aucun espace de stockage extérieur n'est nécessaire. Dans ce cas, le stockage est indépendant par couple de température et pression. Les figures 4a et 4b illustrent le cas de stockage à deux niveaux de température : 60°C et 100°C. On constate une déperdition de chaleur plus importante que dans le cas trois niveaux de température.10 REVENDICATIONS1) Système de stockage et de récupération d'énergie par air comprimé, comportant des moyens de stockage d'air comprimé et des moyens de stockage de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs moyens de compression étagée, plusieurs moyens de détente étagée pour la récupération de l'énergie, et une pluralité d'éléments de stockage de la chaleur de l'air en sortie de chaque étage de compression, lesdits éléments comportant plusieurs niveaux de température de stockage de la chaleur, lesdits niveaux de température étant compris entre la température de sortie de l'air du premier compresseur et la température de stockage de l'air comprimé. 2) Système selon la revendication 1, dans lequel les éléments de stockage de la chaleur situés en aval d'un étage de compression sont à la pression de l'air en sortie dudit étage. 3) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits éléments de stockage de la chaleur comportent des matériaux à changement de phase (MCP). 4) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de compression étagés comportent au moins quatre compresseurs, les moyens de stockage de chaleur comportent au moins trois niveaux de température, et les moyens de détente comportent au moins quatre turbines. 5) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le stockage se fait sensiblement à 20°C et 80 bar.30