Brevet FR3048075A1 — publié le 20170825

La présente invention concerne le domaine du stockage et de la restitution de chaleur, en particulier pour le stockage de la chaleur dans un système ou un procédé de type AACAES (de l'anglais « Advanced Adiabatic - Compressed Air Energy Storage »). Dans un système de stockage d'énergie par air comprimé (CAES), l'énergie, que l'on souhaite utiliser à un autre moment, est stockée sous forme d'air comprimé. Pour le stockage, une énergie, notamment électrique, entraîne des compresseurs d'air, et pour le déstockage, l'air comprimé entraîne des turbines, qui peuvent être reliées à une génératrice électrique. Le rendement de cette solution n'est pas optimal car une partie de l'énergie de l'air comprimé se retrouve sous forme de chaleur qui n'est pas utilisée. En effet, 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. A titre d'exemple, de l'air comprimé à 8 MPa (80 bar) se réchauffe pendant la compression jusqu'à environ 150°C, mais il est refroidi avant le stockage. De plus, le rendement d'un système CAES n'est pas optimal, car ensuite le système nécessite de chauffer l'air stocké pour réaliser la détente de l'air. En effet, si l'air est stocké à 8 MPa (80 bar) et à température ambiante et si l'on désire récupérer l'énergie par une détente, la décompression de l'air suit à nouveau une courbe isentropique, mais cette fois à partir des conditions initiales de stockage (environ 8 MPa et 300 K soit environ 27°C). L'air se refroidit donc jusqu'à des températures non réalistes (83 K soit -191 °C). Il est donc nécessaire de le réchauffer, ce qui peut se faire à l'aide d'un brûleur à gaz, ou autre carburant. Plusieurs variantes existent actuellement à ce système. On peut citer notamment les systèmes et procédés : - ACAES (de l'anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à haute température due à la compression. Toutefois, ce type de système nécessite un système de stockage spécifique, volumineux et coûteux (stockage adiabatique). - AACAES (de l'anglais « 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, séparément, dans un système de stockage de la chaleur TES (de l'anglais « Thermal Energy Storage »). La chaleur stockée dans le TES est utilisée pour chauffer l'air avant sa détente. Selon certaines conceptions envisagées, la chaleur est stockée dans le système de stockage au moyen de particules solides. Par ailleurs, de tels systèmes d'échange de chaleur sont utilisés dans d'autres domaines : le stockage de l'énergie solaire, marine, dans les procédés de métallurgie, etc. 3048075 2 Un des critères de design des systèmes d'échange et de stockage de chaleur est leur capacité à contrôler la stratification thermique (ou thermocline) des faibles températures vers des températures élevées. En effet, le rendement et l'efficacité de stockage de la chaleur en 5 dépendent. Dans ce but, plusieurs types de système d'échange de chaleur ont été développés. Certains types de système d'échange de chaleur concernent un lit fixe de particules solides, un lit mobile de particules solides, dans lequel des échanges thermiques de fluides circulant 10 à co-courant, etc.. Cependant, ces échanges de chaleur ne sont pas optimaux en termes d'efficacité et de rendement. Par exemple, la demande de brevet FR2990502 concerne un réservoir de stockage de chaleur à stratification thermique améliorée. Pour ce système de stockage de la chaleur, l'échange de chaleur est réalisé au moyen d'une matrice de particules solides réparties en 15 plusieurs étages de lit fixe, et d'un fluide caloporteur traversant les espaces entre les étages. Cette conception permet une homogénéisation de la température dans le système de stockage. Toutefois, ce système ne permet pas un bon maintien du gradient thermique dans la cuve. Selon un autre exemple décrit dans la demande de brevet WO 2013015834, le 20 système consiste à commander le transfert du gaz entre différents lits fixes ou différentes cuves, lorsque la température de sortie du gaz est inférieure à un seuil, c'est-à-dire lorsqu'une certaine quantité de chaleur a été stockée dans le lit fixe. Toutefois, ce système est encombrant, et ne semble pas optimal en termes d'efficacité. 25 La figure 1 illustre un système de stockage et de restitution de la chaleur 1 classique selon l'art antérieur, lors d'une phase de charge (stockage) CH, et lors d'une phase de décharge (restitution) DE. Ce système de stockage et de restitution de la chaleur 1 a sensiblement une forme de colonne qui comporte un lit fixe de particules 2, et des moyens d'injection et/ou soutirage 3 du fluide qui va échanger de la chaleur avec les particules. 30 Selon cette configuration, pour la charge, le fluide entre chaud, à une température T1, par le haut de la colonne, et sort froid (refroidi par les particules qui stockent une partie de la chaleur du fluide), à une température T2 (T2 REVENDICATIONS1) Système de stockage et de restitution de la chaleur comprenant au moins un lit de particules (2) de stockage de la chaleur, et des moyens d'injection et de soutirage (3) d'un fluide dans ledit lit de particules (2), caractérisé en ce que ledit système de stockage et de restitution de la chaleur (1) comporte à chaque extrémité dudit lit de particules (2) un moyen de régulation thermique desdites particules (2). 2) Système selon la revendication 1, dans lequel ledit système de stockage comporte un premier moyen de régulation thermique apte à chauffer lesdites particules (2) à une première extrémité dudit lit de particules (2), et un deuxième moyen de régulation thermique apte à refroidir lesdites particules (2) à une deuxième extrémité dudit lit de particules (2). 3) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen de régulation thermique comporte des moyens de chauffage et/ou de refroidissement desdites particules (2). 4) Système selon les revendications 2 et 3, dans lequel lesdits moyens de chauffage et lesdits moyens de refroidissement des premier et deuxième moyens de régulation thermique sont reliés au moyen d'un dispositif de pompe à chaleur. 5) Système selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens de chauffage et/ou de refroidissement desdites particules (2) comprennent un échangeur de chaleur (7) et/ou une résistance électrique (6) et/ou des moyens de circulation d'un fluide thermique (5). 6) Système selon l'une des revendications 3 ou 5, dans lequel lesdits moyens de chauffage et/ou de refroidissement sont situés au sein dudit lit de particules (2). 7) Système selon l'une des revendications 3 ou 5, dans lequel lesdits moyens de chauffage et/ou de refroidissement sont situés en périphérie dudit lit de particules (2). 8) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit lit fixe comporte une couche (4) de matériau isolant thermique, au sein dudit lit de particules (2), délimitant ledit moyen de régulation thermique. 3048075 21 9) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage et de restitution de la chaleur (1) comporte des moyens de mesure de la température desdites particules (2). 5 10) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide est un gaz, notamment de l'air. 11) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites particules (2) sont des particules de matériau à changement de phase. 10 12) Système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression du gaz (12), au moins un moyen de stockage de gaz comprimé (13), au moins un moyen de détente (14) dudit gaz comprimé pour générer une énergie, et au moins un système de stockage et de restitution de la chaleur (1) selon 15 l'une des revendications précédentes. 13) Procédé de stockage de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) on fait circuler un fluide dans un lit de particules (2) de stockage de la chaleur d'un système de stockage et de restitution de la chaleur (1) selon l'une des revendications 20 1 à11 ;et b) on stocke une partie de la chaleur dudit fluide dans lesdites particules (2), et on régule la température desdites particules (2) à au moins une extrémité dudit lit de particules (2). 25 14) Procédé de restitution de la chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) on stocke de la chaleur dans un lit de particules (2) de stockage de la chaleur d'un système de stockage et de restitution de la chaleur (1) selon l'une des revendications 1 à 11, en régulant la température desdites particules (2) à au moins une extrémité 30 dudit lit de particules (2) ; et b) on fait circuler un fluide dans ledit lit de particules (2) pour restituer ladite chaleur desdites particules (2) audit fluide. 15) Procédé de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé, caractérisé en ce 35 qu'il comprend les étapes suivantes au moyen d'un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé selon la revendication 12 : a) on comprime un gaz ; 3048075 22 b) on refroidit un gaz dans un système de stockage et de restitution de la chaleur (1); c) on stocke ledit gaz refroidi ; d) on chauffe ledit gaz refroidi dans ledit système de stockage et de restitution de la chaleur (1) ; et 5 e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie. 16) Procédé selon la revendication 15, dans lequel entre les étapes de refroidissement du gaz et de chauffage du gaz, on régule la température à au moins une extrémité dudit lit de particules (2). 10 17) Procédé selon la revendication 16, dans lequel, à l'étape b), on régule la température de dudit lit de particules (2) en chauffant lesdites particules (2) à l'extrémité dudit lit de particules (2) par laquelle ledit gaz est sorti. 15 18) Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17, dans lequel, à l'étape d), on régule la température dudit lit de particules (2) en refroidissant lesdites particules (2) à l'extrémité dudit lit de particules (2) par laquelle ledit gaz est sorti.