Brevet FR3125873A1 — publié le 20230203

Enceinte de stockage thermique (1) verticale comportant une paroi externe cylindrique (6) isolée thermiquement (9) fixée sur un socle (2) ancré à des fondations (8), et fermée par un couvercle (4), apte à être reliée par des prises (3, 5) d'un gaz caloporteur à un système de stockage de production électrique renouvelable, du type de celles comprenant une partie interne (7) constituée de plusieurs couches d'un matériau de stockage thermique (10) s'étendant horizontalement et séparées par des grilles (11, 19) métalliques. La partie interne (7) comportant un liner (21) non-relié à la paroi externe (6), et dont les grilles (11, 19) sont supportées sans liaison fixe par des segments tubulaires (12) emboitables, forme une structure flottante. Cette enceinte (1) est modulaire, ses éléments (2, 4, 6, 11, 12, 19, 21) sont fabriqués en usine et facilement transportables sous forme de kit d'un assemblage simplifié sans équipement ou main d'œuvre spécifiques. Enceinte de stockage thermique, et ensemble d'éléments de construction d'enceintes de stockage thermique correspondant. Domaine technique de l’invention La présente invention concerne une enceinte de stockage thermique, et un ensemble d'éléments de construction d'enceintes de stockage correspondant. Arrière-plan technologique Le stockage d’électricité représente un enjeu majeur pour la transition énergétique car il permet de stocker des excédents de production renouvelable et de les valoriser au moment nécessaire. La conversion réversible de l’électricité sous forme thermique est une solution intéressante pour stocker de grandes quantités d’énergie. L’intérêt de cette approche est que la densité énergétique (capacité de stockage par unité de volume ou de masse) est élevée et que la capacité de stockage peut être facilement augmentée, en accroissant la masse de matériau utilisée. Étant donné que les matériaux de stockage répondant aux contraintes techniques de cette technologie sont disponibles en abondance, sont peu coûteux et sont non polluants, ce principe est particulièrement adapté à de fortes capacités en énergie ou plus efficace que d’autres solutions existantes (batteries électrochimiques, volants d’inertie, hydrogène...). L’électricité excédentaire est donc convertie en chaleur et est emmagasinée dans un matériau sous la forme d’une élévation de sa température. Cette énergie est ensuite restituée par l’abaissement de la température moyenne des matériaux. L’apport et la récupération de chaleur se font par la circulation forcée d’un gaz (typiquement de l’air) mis en mouvement par un ensemble de turbomachines (turbines, compresseurs) et qui sert de fluide caloporteur pour les échanges de chaleur. Le matériau est placé dans des enceintes pour être isolé thermiquement de l’environnement. Les matériaux de stockage pouvant être utilisés sont naturels (par exemple des roches de type basaltique) ou produits industriellement à partir de matières minérales (par exemple des céramiques ou des matériaux réfractaires). À l’intérieur de chaque enceinte, le matériau est chauffé par le haut et refroidi par le bas, en considérant de plus la stratification naturelle entre le gaz chaud et le gaz froid, cela conduit à la formation d’un « front thermique », c’est-à-dire d’une zone de transition entre la température « haute » en haut de l’enceinte et la température « basse » en bas de l’enceinte. Pour le bon fonctionnement du procédé ce front doit être le moins large possible et doit rester le plus horizontal possible. Pour cela il est avantageux de disposer de plusieurs couches séparées de matériau de stockage, chacune séparées de la suivante par une lame d’air permettant au front de ne pas se déstabiliser. Un système de stockage thermique de l'électricité est par exemple connu du brevet américain US4405010. Dans ce système, l'enceinte de stockage thermique est monobloc et se présente sous la forme d'un logement cylindrique comportant une entrée et une sortie pour la circulation d'un flux d'air. Ce logement est rempli notamment d'un matériau réfractaire formant des strates séparées par exemple par des tiges métalliques supportées par les parois de l'enceinte. Cette structure monobloc est simple; cependant elle n'est pas adaptée à des enceintes d'une capacité en énergie importante car cela conduirait à devoir concevoir des parois renforcées pour résister aux efforts latéraux et verticaux exercés par les tiges et le grand volume de matériau correspondant. Les zones les plus favorables au déploiement de capacités massives de stockage sont souvent des zones isolées. En effet, celles-ci disposent souvent d’un réseau électrique faible et dépendent d’une électricité majoritairement produite par des moyens fossiles (fioul en particulier). Le déploiement de moyens de production renouvelables obéit donc à une logique de réduction de la dépendance énergétique face aux énergies fossiles, de la facture énergétique et de l’empreinte carbone du secteur électrique. Cependant, la pénétration des énergies décarbonnées est limitée car il est nécessaire d’assurer l’approvisionnement en électricité quel que soit les conditions météorologiques. Ces zones sont donc propices au développement du stockage en remplacement d’une production thermique. Cependant, il peut être problématique d’acheminer des installations comprenant des enceintes de stockage thermique monoblocs du type de celle décrite dans le brevet US4405010 dans des endroits isolés, car ils peuvent être difficiles d’accès. Afin de pallier ces inconvénients, il existe donc un premier besoin d’une enceinte de stockage thermique présentant une structure allégée et optimisée pour faciliter son transport. De plus, il peut être difficile de trouver dans ces endroits isolés des équipements ou de la main-d’œuvre spécifiques si le montage est complexe. Il existe donc également un second besoin d'un ensemble d'éléments de construction d'enceintes de stockage spécifique pour simplifier la construction et l’assemblage de celles-ci. Présentation de l’invention Le but de la présente invention est par conséquent de satisfaire ces besoins en réalisant une enceinte de stockage thermique du type de celles s'étendant sensiblement verticalement et présentant une partie externe comportant une partie inférieure munie au moins d'une première prise d'un fluide caloporteur, une partie supérieure munie au moins d'une seconde prise de ce fluide et une partie intermédiaire de forme sensiblement cylindrique enveloppant une partie interne comprenant une ou plusieurs couches sensiblement horizontales d'un matériau de stockage thermique supportées par des moyens de séparation s'étendant sensiblement horizontalement. Selon l'invention, cette partie interne forme de manière remarquable une structure flottante. Les moyens de séparation sont formés, selon l'invention, d'une ou plusieurs plaques ajourées supportées par au moins trois supports verticaux s'appuyant sur des fondations extérieures à la partie externe. La partie inférieure de l'enceinte de stockage thermique s'appuie également avantageusement sur ces fondations. Selon l'invention, les plaques et les supports sont avantageusement munis respectivement de premières et secondes surfaces inclinées complémentaires en contact. Selon l'invention encore, les supports sont fort avantageusement constitués d'un ou plusieurs segments d'un élément tubulaire présentant chacun une extrémité inférieure d'une dimension extérieure sensiblement plus petite qu'une dimension intérieure dudit élément tubulaire. De préférence, les secondes surfaces sont formées de collerettes agencées à une extrémité supérieure de chacun des segments présentant une section radiale inclinée d'un angle compris entre 0° et 45° par rapport à un plan horizontal. Dans l'enceinte de stockage thermique selon l'invention, les supports sont répartis régulièrement dans des directions tangentielle et radiale d'une section transversale de la structure flottante et, remarquablement, une projection verticale des plaques forme un pavage de la section transversale entre des traces de ces supports. Selon l'invention, chacune des plaques adjacente à la partie intermédiaire est avantageusement munie d'une ailette périphérique en regard de cette partie intermédiaire coopérant intérieurement avec un bord inférieur d'une enveloppe cylindrique entourant chacune des couches du matériau de stockage thermique. De préférence, la partie externe est revêtue intérieurement d'un isolant thermique en contact avec cette enveloppe. Afin de satisfaire plus particulièrement le second besoin, on tirera bénéfice d'un ensemble d'éléments de construction d'enceintes de stockage thermique selon l'invention, comprenant: - des premiers tubes métalliques présentant une première extrémité évasée et une deuxième extrémité réduite, cette deuxième extrémité étant destinée à s'emboîter dans la première extrémité; - un socle métallique sensiblement en forme d'un hémisphère comportant des seconds tubes métalliques traversants présentant chacun d'un côté concave de cet hémisphère une troisième extrémité apte à recevoir la deuxième extrémité d'un exemplaire des premiers tubes et d'un côté opposé au côté concave, une quatrième extrémité présentant une bride apte à être fixée à un ancrage, et comportant en outre une première ouverture apte à être reliée à un système de stockage thermique; - un couvercle métallique sensiblement hémisphérique comportant une seconde ouverture apte à être reliée à ce système de stockage thermique; - un ou plusieurs éléments de cylindres métalliques destinés à former une paroi extérieure de ces enceintes; - des premiers éléments de grilles métalliques comportant chacun des premières pattes destinées à coopérer avec la première extrémité de chacun des premiers tubes; - des seconds éléments de grilles métalliques comportant chacun des secondes pattes destinées à coopérer avec la première extrémité de chacun des premiers tubes et comportant chacun de plus en partie un rebord périphérique; - des éléments de liner métalliques destinés à coopérer chacun avec ce rebord périphérique; - un matériau de stockage de la chaleur; - un matériau d'isolation thermique destiné à revêtir intérieurement le socle, le couvercle et la paroi des enceintes. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par l'enceinte de stockage thermique, et l'ensemble d'éléments de construction d'enceintes de stockage correspondant, décrits ci-dessus par rapport à l'état de la technique antérieur, au plan des facilités de transport, de construction et d'assemblage. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. Brève description des figures est une coupe axiale de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention. est une vue de détail de la zone A de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention montrée sur la . est une vue de détail de la zone B de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention montrée sur la . est une vue de détail de la zone C de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention montrée sur la . est une vue de détail de la zone D de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention montrée sur la . est une vue de détail de la zone E de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention montrée sur la . est une coupe transversale selon FF de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention montrée sur la . représente schématiquement une première phase d'un assemblage de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention. représente schématiquement une deuxième phase d'un assemblage de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention. représente schématiquement une troisième phase d'un assemblage de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention. représente schématiquement une quatrième phase d'un assemblage de l'enceinte de stockage thermique selon l'invention. Enceinte de stockage thermique (1) du type de celles s'étendant sensiblement verticalement et présentant une partie externe (2, 4, 6) comportant une partie inférieure (2) munie au moins d'une première prise (3) d'un fluide caloporteur, une partie supérieure (4) munie au moins d'une seconde prise (5) dudit fluide et une partie intermédiaire (6) de forme sensiblement cylindrique enveloppant une partie interne (7) comprenant une ou plusieurs couches sensiblement horizontales d'un matériau de stockage thermique (10) supportées par des moyens de séparation (11, 19,) s'étendant sensiblement horizontalement, caractérisée en ce que ladite partie interne (7) forme une structure flottante. Enceinte de stockage thermique (1) selon la revendication 1 précédente, caractérisée en ce que lesdits moyens de séparation (11, 19) sont formés d'une ou plusieurs plaques ajourées supportées par au moins trois supports verticaux (12) s'appuyant sur des fondations (8) extérieures à ladite partie externe (2, 4, 6). Enceinte de stockage thermique (1) selon la revendication 2 précédente, caractérisée en ce que ladite partie inférieure (2) s'appuie sur lesdites fondations (8). Enceinte de stockage thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 précédentes, caractérisée en ce que lesdites plaques (11, 19) et lesdits supports (12) sont munis respectivement de premières (16) et secondes (15) surfaces inclinées complémentaires en contact. Enceinte de stockage thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 précédentes, caractérisée en ce que lesdits supports (12) sont constitués d'un ou plusieurs segments d'un élément tubulaire présentant chacun une extrémité inférieure (13) d'une dimension extérieure sensiblement plus petite qu'une dimension intérieure dudit élément tubulaire. Enceinte de stockage thermique (1) selon la revendication 5 précédente, caractérisée en ce que lesdites secondes surfaces (15) sont formées de collerettes (15) agencées à une extrémité supérieure (14) de chacun desdits segments présentant une section radiale inclinée d'un angle compris entre 0° et 45° par rapport à un plan horizontal. Enceinte de stockage thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 précédentes, caractérisée en ce que lesdits supports (12) sont répartis régulièrement dans des directions tangentielle et radiale d'une section transversale de ladite structure flottante (7) et en ce qu'une projection verticale desdites plaques (11, 19) forme un pavage de ladite section transversale entre des traces desdits supports (12). Enceinte de stockage thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 précédentes, caractérisée en ce que chacune desdites plaques (19) adjacente à ladite partie intermédiaire (6) est munie d'une ailette périphérique (20) en regard de ladite partie intermédiaire (6) coopérant intérieurement avec un bord inférieur d'une enveloppe cylindrique (21) entourant chacune desdites couches (10). Enceinte de stockage thermique (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite partie externe (2, 4, 6) est revêtue intérieurement d'un isolant thermique (9) en contact avec ladite enveloppe (21). Ensemble d'éléments de construction d'enceintes de stockage thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 précédentes, comprenant: des premiers tubes métalliques (24) présentant une première extrémité évasée (25) et une deuxième extrémité réduite (26), ladite deuxième extrémité (26) étant destinée à s'emboîter dans ladite première extrémité (25); un socle (2) métallique sensiblement en forme d'un hémisphère comportant des seconds tubes (22) métalliques traversants présentant chacun d'un côté concave dudit hémisphère une troisième extrémité (27) apte à recevoir ladite deuxième extrémité (26) d'un exemplaire desdits premiers tubes (24) et, d'un côté opposé audit côté concave, une quatrième extrémité (28) présentant une bride apte à être fixée à un ancrage (23), et comportant en outre une première ouverture (3) apte à être reliée à un système de stockage thermique; un couvercle (4) métallique sensiblement hémisphérique comportant une seconde ouverture (5) apte à être reliée audit système de stockage thermique; un ou plusieurs éléments de cylindres métalliques destinés à former une paroi extérieure (6) desdites enceintes (1); des premiers éléments de grilles métalliques (29) comportant chacun des premières pattes (30) destinées à coopérer avec ladite première extrémité (25) de chacun desdits premiers tubes (24); des seconds éléments de grilles métalliques comportant chacun des secondes pattes destinées à coopérer avec ladite première extrémité (25) de chacun desdits premiers tubes (24) et comportant chacun de plus en partie un rebord périphérique (20); des éléments de liner métalliques destinés à coopérer chacun avec ledit rebord périphérique (20); un matériau de stockage de la chaleur (31); un matériau d'isolation thermique (9) destiné à revêtir intérieurement ledit socle (2), ledit couvercle (4) et ladite paroi (6).