Brevet FR3060668A1 — publié le 20180622

La présente invention se rapporte au domaine des énergies renouvelables et notamment au stockage de telles énergies. Les énergies renouvelables sont généralement produites de façon intermittente, le soleil ou le vent, par exemple n'étant pas disponibles vingt-quatre heures sur 15 vingt-quatre et pas toujours avec la même intensité. Pour permettre une disponibilité constante de l'énergie produite, il est donc nécessaire de stocker cette énergie entre l'unité de production et l'utilisateur. De nombreuses solutions ont été proposées, notamment le stockage de cette 20 énergie sous forme électrique, dans des batteries, par exemple des batteries au lithium. Cependant ces batteries sont particulièrement onéreuses et ne sont pas exemptes de répercussions environnementales négatives. Le document US 2015/0214815 décrit un stockage de l'énergie sous forme 25 mécanique, grâce de l'air stocké sous pression dans des ballons. Cette solution a un impact environnemental sensiblement plus réduit ; cependant, elle nécessite la présence d'une étendue d'eau suffisamment profonde, d'au moins cinquante mètres. En outre, l'énergie produite initialement par une éolienne ou un panneau photovoltaïque, comme l'énergie distribuée, l'est sous forme 30 électrique ; ainsi, même en présence d'une étendue d'eau convenable, il faut 3060668 2 d'abord transformer l'énergie électrique produite en énergie pneumatique, puis retransformer cette énergie pneumatique en énergie électrique appropriée au réseau de distribution. Les pertes de rendements sont alors particulièrement importantes. 5 Le but de l'invention est de proposer un système de production et de stockage d'énergie, peu polluant et ayant des rendements meilleurs que les solutions précédemment exposées. Pour atteindre son but, l'invention propose un système pour produire et stocker de l'énergie, comprenant au moins une éolienne munie d'une hélice entrainant un compresseur pour de l'air ambiant, et, au moins un réservoir immergé à une profondeur sous la surface d'une étendue d'eau, ce réservoir étant prévu pour le stockage de l'air comprimé par le compresseur. De préférence le volume du réservoir est variable sous l'effet de la pression de l'eau à la profondeur d'immersion et d'une quantité d'air stocké dans le réservoir. De préférence, ce réservoir est un ballon. Avantageusement, le système comprend au moins un treuil pour faire varier la profondeur d'immersion du réservoir. L'étendue d'eau peut être un lac ou une mer ; elle peut être naturelle ou artificielle. Avantageusement, l'éolienne est implantée dans l'étendue d'eau, de préférence à proximité du réservoir. L'éolienne est de préférence à hauteur variable, c'est-25 à-dire que l'hélice peut être déplacée à une hauteur variable, le long d'un mât de l'éolienne. Le système peut en outre comprendre des moyens pour convertir l'air comprimé en énergie électrique et/ou des moyens pour distribuer de l'air 30 comprimé. Ces moyens de conversion peuvent comprendre une turbine à air 3060668 entrainant un générateur électrique. Avantageusement, ces moyens de conversion sont immergés, de préférence à proximité du réservoir. Selon un autre objet, l'invention porte sur la dépollution d'eaux usées à l'aide 5 d'air comprimé fourni par un système selon l'invention. Selon encore un autre objet, l'invention porte sur la compression d'un réseau de distribution d'eau à l'aide d'air comprimé fourni par un système selon l'invention. 10 Plusieurs modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique illustrant un système de production 15 et de stockage pneumatique d'énergie selon l'invention ; et, - la figure 2 est une vue illustrant différentes étapes d'un stockage pneumatique d'énergie selon l'invention. La figure 1 illustre un système 1 pour la fourniture d'électricité. Le système est 20 installé en mer. Il comprend : - une éolienne 2 ancrée sur le fond marin 3 - des moyens 4 pour stocker l'énergie produite ; - des moyens 5 pour fournir l'énergie électrique à un réseau 11. L'éolienne 2 comprend une hélice 6 entrainant un compresseur d'air 7. L'éolienne et le compresseur sont montés sur un mât 8 ancré dans le fond 3 de la mer. Les moyens de stockage 4 comprennent un ballon gonflable 4 immergé à un niveau N sous la surface N9 de la mer 9. Les moyens de fourniture d'énergie sont un turbogénérateur 5 comprenant une turbine 12 entrainant un générateur 13 et une ligne 14, reliant le générateur 13 au réseau 11. 3060668 -4 Le ballon 4 est disposé à proximité de l'éolienne afin de réduire la longueur de la première conduite 16 et donc des pertes de charge entre le compresseur 7 et le ballon 4. 5 Le ballon 4 est relié au turbogénérateur 5 par une deuxième conduite 17. Il est maintenu au fond 3 par un câble 18. Dans l'exemple illustré, le système comprend un treuil immergé 20, ancré sur le fond 3. Le câble 18 est relié au treuil, de sorte qu'une action du treuil 20 sur le câble fait monter ou descendre 10 le ballon. De préférence, le turbogénérateur 5 est immergé, de façon à limiter les pertes de charges dans la deuxième conduite 17, entre le ballon 4 et la turbine 12. 15 Une seule éolienne 2 est représentée, pour des raisons de simplification de la figure 1 ; néanmoins, le système peut comprendre plusieurs éoliennes, par exemple un champ d'éoliennes dit « off-shore ». De la même façon, un seul ballon 4 est représenté ; néanmoins, plusieurs ballons peuvent être utilisés, en fonction des quantités d'énergie pneumatique à y stocker. 20 La figure 2 illustre une utilisation du ballon 4 avec l'aide du treuil 20. Dans la procédure de stockage illustrée à la figure 2, le ballon est prévu pour être immergé à trois niveaux N différents sous la surface N9 de l'eau. Dans cet exemple, les valeurs de ces trois niveaux sont : 25 - premier niveau Ni = 15 mètres, environ, sous le niveau N9 de l'eau ; - deuxième niveau N2 = 55 mètres, environ, sous le niveau N9 de l'eau ; - troisième niveau N3 = 105 mètres, environ, sous le niveau N9 de l'eau. La figure 2 illustre, de gauche à droite, cinq configurations successives 4A-4E 30 du ballon 4. 3060668 5 Dans la première configuration 4A, le ballon 4 est au premier niveau Ni, proche de la surface. Le ballon a été gonflé par de l'air sous pression produit par le compresseur 7 ; il a atteint un volume nominal VN, qui est un maximum 5 prévu dans le cadre du système décrit. Pour augmenter la capacité de stockage on descend le ballon, à l'aide du treuil 20, jusqu'à ce qu'il atteigne le deuxième niveau N2 ; le ballon 4 se trouve alors dans la deuxième configuration 4B. A cette profondeur, la pression a augmenté 10 de quatre bars environ, et le volume du ballon est donc fortement réduit, d'environ deux-tiers, c'est-à-dire que sa capacité de stockage est sensiblement multipliée par trois. Il peut de nouveau être rempli par de l'air comprimé, jusqu'à atteindre de nouveau son volume nominal VN, correspondant à la troisième configuration 4C. 15 Pour augmenter la capacité de stockage on descend le ballon, à l'aide du treuil 20, jusqu'à ce qu'il atteigne le troisième niveau N3 ; le ballon 4 se trouve alors dans la quatrième configuration 4D. A cette profondeur, la pression a augmenté de 5 bars environ, et le volume du ballon est donc fortement réduit, d'environ 20 la moitié, c'est-à-dire que sa capacité de stockage est sensiblement multipliée par deux. Il peut de nouveau être rempli par de l'air comprimé, jusqu'à atteindre de nouveau son volume nominal VN, correspondant à la cinquième configuration 4E. 25 De la même façon, lorsque l'air est déstocké pour produire de l'électricité, le ballon est remonté du troisième niveau N3 au deuxième niveau N2 puis au premier niveau Ni. Il est particulièrement avantageux de maintenir, autant que possible, le ballon à 30 une profondeur réduite, de préférence tant qu'il n'a pas atteint son volume 3060668 6 nominal VN afin de réduire la pression de stockage et donc à la sortie du compresseur 7. On améliore ainsi le rendement du système 1. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation préférés qui 5 viennent d'être décrits mais, au contraire, l'invention est définie par les revendications qui suivent. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de 10 l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Pour simplifier le dessin, l'éolienne illustrée à la figure 1 est une éolienne fixe. De préférence, on peut utiliser une éolienne à hauteur variable, telle que celle illustré au document FR3028895. 15 L'éolienne peut comprendre plusieurs hélices. Une des hélices peut être couplée avec un compresseur, pour produite de l'air comprimé, et une autre éolienne peut être couplée avec un générateur, pour produite de l'électricité. 20 Le système peut comprendre plusieurs réservoirs, chacun à une pression de stockage spécifique ; ainsi, chaque réservoir peut être prévu pour fournir de l'air comprimé en vue d'une utilisation spécifique. De l'air à faible pression, par exemple 1 bar, peut être utilisé pour aérer des eaux usées. De l'air à une pression de 3 à 5 bars peut être utilisé pour re-comprimer un réseau de 25 distribution d'eau. Une telle utilisation est particulièrement avantageuse pour un réseau d'incendie ; en effet, notamment au Québec où il y a peu de châteaux d'eau, des groupes électrogènes sont entretenus pour fournir la pression au réseau, ce qui est particulièrement coûteux. 3060668 Un système selon l'invention, est particulièrement adapté aux territoires ayant une grande surface maritime, notamment la Polynésie. Ainsi, le système selon l'invention, permet à la fois de produire et stocker localement l'énergie nécessaire à une île, ainsi que l'air comprimé nécessaire à la dépollution des 5 eaux usées dans des zones sensibles à la pollution, telles que des lacs, des lagunes ou des lagons. Ainsi, le système, au lieu d'être prévu pour fournir de l'électricité, peut être prévu pour distribuer de l'air sous pression au consommateur, par exemple 10 pour l'aération d'eaux usées. La transformation d'énergie électrique en énergie pneumatique a un rendement voisin de 60%, et la restitution d'énergie électrique, à partir de l'énergie pneumatique stockée, a un rendement voisin de 75%. Ainsi, les systèmes de 15 stockage de l'art antérieur ont un rendement nettement inférieur à 50%. Au contraire, un système de stockage selon l'invention, qui ne nécessite pas la transformation préalable de l'électricité produite initialement en air comprimé, a un rendement voisin de 75%. Un système selon l'invention est donc particulièrement avantageux, puisqu'il permet de produire une quantité 20 d'énergie électrique au moins supérieure de 50% à la quantité produite par les systèmes de l'art antérieur. La production d'air comprimé, directement utilisée sous la forme d'air comprimé, par exemple pour l'aération d'eaux usées, a un rendement voisin de . Un système selon l'invention est donc susceptible de fournir à la fois l'air comprimé et l'énergie électrique nécessaires au fonctionnement d'une station d'épuration d'eaux usées ; les eaux usées peuvent ensuite être rejetées dans le plan d'eau dans lequel est installé le système. REVENDICATIONS1. Système (1) pour produire et stocker de l'énergie, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une éolienne (2) munie d'une hélice (6) entrainant un compresseur (7) pour de l'air ambiant, et, au moins un réservoir (4) immergé à une profondeur (N) sous la surface (N9) d'une étendue d'eau (9), ledit réservoir étant prévu pour le stockage de l'air comprimé par ledit compresseur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir a un volume variable, ce réservoir étant de préférence un ballon (4). 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un treuil (20) pour faire varier la profondeur (N, Ni-N3) d'immersion du réservoir. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'éolienne (2) est une éolienne implantée dans ladite étendue d'eau, de préférence à proximité du réservoir (4). 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'hélice (6) peut être déplacée à une hauteur variable, le long d'un mât (8) de l'éolienne (2). 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (5) pour convertir l'air comprimé, stocké dans le réservoir (4), en énergie électrique. 3060668 9 7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de conversion comprennent une turbine à air (12) entrainant un générateur électrique (13). 5 8. Système selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de conversion sont immergés, de préférence à proximité du réservoir. 9. Utilisation d'un système selon l'une des revendications 1 à 8, pour fournir de l'air comprimé pour la dépollution d'eaux usées. 10. Utilisation d'un système selon l'une des revendications 1 à 8, pour fournir de l'air comprimé pour la compression d'un réseau de distribution d'eau.15