Brevet FR3094069A1 — publié le 20200925

Description Titre de l'invention : réservoir de pression avec éléments de renforts circonférentiels Domaine technique [0001] La présente invention concerne principalement le domaine de stockage d'énergie par air comprimé mais pourrait s'appliquer à d'autres systèmes de réservoirs sous pression. [0002] La production d'électricité à partir d'énergies renouvelables, par exemple par l'intermédiaire de panneaux solaires, ou d'éoliennes terrestres ou marines, est en plein essor. Les principaux inconvénients de ces moyens de production sont l'intermittence de la production et la possible non-adéquation entre la période de production et la période de consommation. Il est donc important de disposer d'un moyen de stockage de l'énergie lors de la production pour la restituer lors d'une période de consommation. [0003] Il existe de nombreuses technologies permettant cet équilibre. [0004] Parmi elles, la plus connue est la Station de Transfert d'Eau par Pompage (STEP) qui consiste en l'utilisation de deux réservoirs d'eau à des altitudes différentes. L'eau est pompée du bassin inférieur vers le bassin supérieur lors de la phase de charge. L'eau est ensuite envoyée vers une turbine, en direction du bassin inférieur, lors de la décharge. [0005] L'utilisation de batteries de différents types (lithium, nickel, sodium-soufre, plomb- acide...) peut également répondre à ce besoin de stockage d'énergie. 100061 Une autre technologie, le stockage d'énergie par rotor (FES pour Flywheel Energy Storage) consiste à accélérer un rotor (volant) à une vitesse très élevée et à maintenir l'énergie dans le système sous forme d'énergie cinétique. Lorsque l'énergie est extraite de ce système FES, la vitesse de rotation du volant est réduite en conséquence du principe de conservation de l'énergie. L'ajout d'énergie au système FES entraîne, en conséquence, une augmentation de la vitesse du volant. 100071 La technologie de stockage d'énergie par utilisation d'un gai comprimé, (souvent de l'air comprimé) est prometteuse. L'énergie produite et non consommée est utilisée pour comprimer de l'air à des pressions comprises entre 40 bar et 200 bar à l'aide de compresseurs (pouvant être multi-étagés). Lors de la compression, la température de l'air augmente. Afin de limiter le coût des réservoirs de stockage et minimiser la consommation d'électricité du compresseur, l'air peut être refroidi entre chaque étage de compression. L'air comprimé est alors stocké sous pression, soit dans des cavités naturelles (cavernes), soit dans des réservoirs artificiels. 100081 Lors de la phase de production d'électricité, l'air stocké est alors envoyé dans des turbines afin de produire de l'électricité. Lors de la détente, l'air se refroidit. Afin 2 d'éviter des températures trop basses (-50°C) entraînant des dommages dans les turbines, l'air peut être réchauffé avant sa détente. De telles installations fonctionnent depuis un certain nombre d'années déjà, comme par exemple l'unité de Huntorf en Allemagne fonctionnant depuis 1978 ou celle de Macintosh aux USA (Alabama) fonctionnant depuis 1991. Ces deux installations ont la particularité d'utiliser l'air comprimé stocké pour alimenter des turbines à gaz. Ces turbines à gaz brûlent du gaz naturel en présence d'air sous pression afin de générer des gaz de combustion très chauds (550°C et 825°C) et à haute pression (40 bar et 11 bar) avant de les détendre dans des turbines générant de l'électricité. Ce type de procédé émet du dioxyde de carbone. [0009] Il existe une variante en développement. Il s'agit d'un procédé dit adiabatique dans lequel la chaleur issue de la compression de l'air est récupérée, stockée et restituée à l'air avant de le détendre. Il s'agit de la technologie AACAES (issue de l'anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Encrgy Storage »). [0010] Dans un système AACAES, l'air comprimé est stocké dans un réservoir de manière indépendante au stockage de chaleur. Dans un tel système, l'air est stocké à une température proche de la température ambiante (à priori inférieure à 50°). Technique antérieure [0011] A cc jour, les réservoirs d'air comprimé et de manière plus large, les réservoirs sous pression, sont des capacités fermées constituées d'au moins deux extrémités, aussi appelées « fonds », et éventuellement reliée par une partie intermédiaire tel que sur la Fig 1, où P représente la pression interne. Sur cette figure, le réservoir est représenté, de manière non limitative par une partie cylindrique (la direction r étant la direction radiale et la direction z la direction axiale d'un repère cylindrique associé au réservoir - cc repère est utilisé sur les autres figures et ne sera pas re-détaillé sur chaque figure) de diamètre interne Di. Ainsi, cc type de réservoirs peut être par exemple, une sphère constituée par deux demi-sphères ou bien par une capacité cylindrique constituée de deux fonds reliés entre eux par une section cylindrique. Les liaisons entre les différentes parties sont rigides, de type encastrement. [0012] De plus, ces réservoirs sont le plus souvent en acier, pour résister à des pressions im- portantes. Compte tenu des volumes de stockage important et des pressions élevées, le coût de réalisation de ces réservoirs de pression de grand volume est très élevé notamment à cause de la masse d'acier nécessaire. [0013] Dans un réservoir cylindrique fermé, les effets de fond, issus de l'application de la pression interne sur les fonds du réservoir, génèrent des efforts de traction dans le sens longitudinal et donc des contraintes axiales ail, tel qu'illustrées sur la Fig. 1. Quelle que soit la forme du fond (plate, bombée, hémisphérique, etc.), les effets de fond de ce 3 type de réservoir génèrent la contrainte longitudinale moyenne suivante dans la partie courante du réservoir : [0014] [Math.1] P D 2i ait- 4 t (D + t) [0015] Où P : est la pression appliquée dans le réservoir [0016] Di: le diamètre interne du réservoir [0017] t: l'épaisseur dc la paroi du réservoir au niveau de la partie cylindrique [0018] Lorsque le réservoir dc pression est à paroi mince, on obtient : [0019] [Math.2] P Di cjI1-) 4t 100201 On entend par un réservoir de pression à paroi mince, un réservoir de pression dont l'épaisseur du réservoir est très faible devant son diamètre (par épaisseur faible devant son Diamètre, on entend un rapport t/Di