Brevet FR3038349A1 — publié le 20170106

DISPOSITIF DE SOCKAGE D'ENERGIE ELECTRIQUE UTILISANT DE L'AIR COMPRIME 1.DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L'air comprimé est utilisée pour le stockage d'électricité, notamment en Allemagne pour le lissage de la production des énergies alternatives. Dans ce cas, l'air est stocké sous pression dans des cavernes. Le rendement du cycle de stockage/destockage, de ces systèmes dits CAES, est obéré par les pertes thermiques dues à la compression très importantes et non re-transformables directement en énergie électrique. Des tentatives de récupérer cette chaleur perdue sont en cours : on parle alors de technologie Advanced Adiabatique-CAES. Des projets tels que ADELE (Allemagne) et des projets portés par des starts-up, tels que LightSail Energy et Enairys et son module HyPES, visent des rendements supérieur à 70%. Il n'y a actuellement pas d'offre commercialisée sur ces technologies. Par ailleurs, d'autres approches de certains constructeurs de compresseur tel Atlas Copco consistent à valoriser la chaleur de compression à basse température via un circuit d'eau,. Le stockage d'énergie mécanique sous forme d'air comprimé est également utilisé dans les véhicules produits par la compagnie Tata en Inde ou sur tous les systèmes de freinage 20 ferroviaires avec des rendements énergétiques relativement faibles. 2. EXPOSE DE L'INVENTION 25 L'invention concerne un dispositif de stockage d'énergie à base d'air comprimé qui permet d'obtenir un bon rendement de stockage/destockage d'énergie électrique à l'échéance d'une dizaine de jours à quelques mois. L'énergie électrique primaire peut être produite par une source instationnaire comme des éoliennes ou des panneaux photovoltaïques en 30 jour /nuit. Elle est convertie en air comprimé par un compresseur industiel refroidi par l'air ambiant sans récupération de chaleur. Le destockage sous forme de production d'énergie électrique et de froid se fait par le biais d'un module de conversion d'énergie de pression en énergie cinétique utilisant un 35 écoulement di phasique isotherme eau /air à grande vitesse et une turbine à action de type Pelton couplée à un alternateur.( tel que décrit dans le Brevet français FR 29/70038 A1). 3038349 2 Dans ce procédé de stockage d'énergie le milieu naturel est utilisé comme stockeur d'énergie thermique et comme source chaude du cycle thermodynamique de l'air (cycle de JOULE) dans le système de conversion. 5 L'énergie thermique nécessaire à cette quasi isothermicité est véhiculée par un débit d'eau à une température de 5 à 6°C qui se réchauffe de quelques degrés dans des appareils de production de froid ( lequels sont des absorbeurs de chaleur) : aéro réfrigérant, chambre froide, convecteur de climatisation lesquels absorbent des calories dans l'air ambiant en intérieur ou en extérieur. 10 3. PRESENTATION DES FIGURES La figure 1 /2 donne un schéma de procédé du dispositif de stockage d'énergie électrique 15 utilisant de l'air comprimé. La figure 2 /2 donne une coupe du détendeur isotherme. 4. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERENTIEL DU SYSTEME 20 Dans un mode préféré de réalisation, le dispositif de stockage d'énergie électrique utilisant de l'air comprimé, représenté par la figure 1/2, est constitué d'une source d'énergie électrique intermittente 1 laquelle fait tourner le moteur 2 d'un compresseur d' air 3 alimenté par de l'air atmosphérique et refroidi par de l'air ambiant sans récupération de 25 chaleur. Celui-ci gonffle le réservoir sous pression 4 quand la source est disponible. Quand celle-ci ne l'est plus, un module de conversion 10 permet, à partir de l'air comprimé disponible dans le réservoir 4 ,de produire de l'électricité et de l'eau glacée. La conversion d'énergie de pression en énergie mécanique puis électrique se fait par la 30 génération d'un écoulement quasi isotherme double phase air/ eau à grande vitesse à travers un détendeur isotherme 6 puis d'une tuyère accélératrice 33, entrainant une turbine à action 5 couplée à un alternateur 7. Le détendeur isotherme 6 mélange de l'eau en provenance d'un circuit de réchauffage comportant un aéro réfrigérant 13 monté en parallèle avec par exemple une chambre froide 35 14 et des climatiseurs 15. 3038349 3 En sortie du réservoir 4, l'air est injecté, via la vanne de régulation 12, dans la tuyère accélératrice 33 dans lequel il se détend de façon quasi isotherme en pompant les calories du débit d'eau en provenance de l'aéro réfrigérant 13 ou d'une chambre froide 14 et de convecteur de climatisation 15. 5 Le mélange di phasique est séparé en sortie de turbine par effet gravitaire dans le caisson de la turbine 8: l'air est rejeté à l'atmosphère par l'évent 16, l'eau est renvoyée à l'aspiration de la pompe 9 pour être recyclée via l'aéro réfrigérant 13, la chambre froide Re 14 et les climatiseurs 15. Le détendeur 13 est composé d'une aiguille mobile 36 accouplée à un servo-moteur 37 qui 10 coopère avantageusement avec un siège poreux au caloporteur 35. Ce siège peut être réalisé soit en matériaux poreux fritté soit à partir d'une pièce massive perforée d'une pluralite de trous de faible diamètre. Un espace annulaire 34 permet d'alimenter le siège en caloporteur de façon homogène à partir d'un collecteur 32. L'eau en provenance de la vanne 11 est injecté de façon répartie sur tout le trajet de l'air qui 15 se détend dans le détendeur 13 de façon à le réchauffer en continu. Le réglage du jeu entre l'aiguille 36 et le siège 35, effectué par le servomoteur 37, permet de controler la détente entre la pression règnant dans le collecteur 31 et l'entrée dans la tuyère accélératrice 33, laquelle est maintenue constante pendant tout le temps de la vidange du réservoir 4 dont la pression décroit pendant sa décharge. La disposition en ligne du couple aiguille/siège 35 et 34 et de la tuyére 33 permet de convertir l'énergie de pression en énergie cinétique avec des pertes limitées par turbulence. Ce mélange à grande vitesse est envoyé sur les augets de la roue à action 30 à laquelle il cède son énergie cinétique en la transformant en énergie de rotation. 7. AVANTAGES COMPLEMENTAIRES DE L'INVENTION Le dispositif faisant l'objet de l'invention allie la simplicité d'un stockage à l'air comprimé au bon rendement du convertisseur à turbine à action double phase il permet la production simultanée d'eau glacée permettant de faire fonctionner des convecteurs de climatisation ou des chambre froides. L'énergie thermique étant récupérée dans le milieu naturel le système fonctionne comme un stockage adiabatique. 3038349 4 8. APPLICATIONS INDUSTRIELLES Ce dispositif est applicable à toute les source d'énergie électrique intermittente : éoliennes et panneaux photo voltaïques spécialement dans les zones chaudes de la planète en site isolés 5 pour produire simultanément du froid et de l'électricité. 10 15 20 25 30 35 40 REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage d'énergie électrique utilisant de l'air comprimé caractérisé par le fait qu'il utilise un module de conversion d'énergie de pression en énergie cinétique générant un écoulement di phasique isotherme eau /air à grande vitesse et une turbine à action de type Pelton couplée à un alternateur. 2. Dispositif de stockage d'énergie électrique utilisant de l'air comprimé suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il utilise un compresseur industriel refroidi par l'air ambiant sans récupération de chaleur. 3. Dispositif de stockage d'énergie électrique suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que c'est le milieu naturel qui fournit l'énergie thermique nécessaire à une détente de l'air quasi isotherme. 4. Dispositif de stockage d'énergie électrique utilisant de l'air comprimé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que l'énergie thermique fournit par le milieu naturel ,nécessaire à la quasi isothermicité de la détente de l'air, est véhiculée par un débit d'eau qui se réchauffe dans des appareils de production de froid (lequels sont des absorbeurs de chaleur) : aéro réfrigérant , chambre froide , convecteur de climatisation qui absorbent des calories dans l'air ambiant intérieur ou exterieur. 5. Dispositif de stockage d'énergie électrique utilisant de l'air comprimé selon l'une des revendications 3 ou 4 , caractérisé par le fait qu'un détendeur 6 est composé d'une aiguille mobile 36 accouplée à un servo-moteur 37 qui coopère avantageusement avec un siège poreux au caloporteur 35. 6. Dispositif de stockage d'énergie électrique utilisant de l'air comprimé suivant la revendication 5 , caractérisé par le fait que le caloporteur en provenance d'une vanne 11 est injectée de façon répartie sur tout le trajet de l'air qui se détend dans le détendeur 6 de façon à le réchauffer en continu, le réglage du jeu entre l'aiguille 36 et le siège 35, effectué par le servomoteur 37, permettant de controler la détente entre la pression régnant dans un collecteur 31 et l'entrée dans une tuyère accélératrice 33, laquelle est maintenue constante pendant tout 3038349 6 le temps de la vidange du réservoir 4 dont la pression décroit pendant sa décharge. 5 7. Dispositif de stockage d'énergie électrique utilisant de l'air comprimé selon la revendications 6, caractérisé par le fait que le couple aiguille/siège 36 et 35 et la tuyére 33 sont disposés en ligne permettant ainsi de convertir l'énergie de pression en énergie cinétique avec des pertes par turbulence limitées. 10 8. Dispositif de stockage d'énergie électrique utilisant de l'air comprimé selon l'une des revendications 5 à 7 , caractérisé par le fait que le siège 35 du détendeur peut être réalisé: soit en matériaux poreux fritté ,soit à partir d'une pièce massive perforée d'une pluralite de trous de faible diamètre, un espace annulaire 34 15 permettant d'alimenter le siège en caloporteur de façon homogène à partir d'un collecteur 32. 20 25 30