Dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique et procédé de stockage et de restitution d'énergie électrigue par un tel dispositif

La présente invention concerne un dispositif et des procédés de stockage et de restitution d'énergie électrique à grande échelle (plusieurs dizaines voir centaines de MW (mégawatts) et plusieurs centaines de MWH (mégawatt heure)), pour lequel le stockage d'énergie est notamment réalisé sous la forme à la fois d'air comprimé ou liquéfié et d'énergie thermique, celle ci étant à la fois générée par la compression de l'air et par des procédés électrothermiques.

Le stockage de l'énergie électrique est devenu un enjeu majeur afin de pouvoir participer à la stabilité des réseaux électriques, répondre aux pics de demande en période de pointe, participer à l'intégration des énergies intermittentes comme le solaire et l'éolien, permettre le stockage de l'énergie peu chère ou peu polluante en période de faible demande pour la restituer en période de forte demande, compléter en période de pointe des moyens de production de base peu réactifs, pour ne citer que quelques applications.

De nombreuses techniques ont été développées, les plus utilisées, s'agissant de stockage à grande échelle, étant le pompage turbinage avec stockage hydraulique et le stockage de l'énergie électrique par l'intermédiaire d'air comprimé.

A noter que quelques indicateurs permettent de comparer à l'intérieur d'une même technologie différents cycles de stockage. Il s'agit :

· du rendement du cycle défini comme le rapport de l'énergie sortante sur l'énergie entrante dans le stockage

• de la densité énergétique du stockage défini comme l'énergie sortante stockée par m3 (mètre cube) de stockage, en kwh/m3 (kilowatts heure par mètre cube)

Ces deux indicateurs seront largement utilisés dans la présente demande.

D'autres techniques sont en cours de développement comme le stockage sous forme chimique (batteries) ou sous forme d'énergie thermique.

Dans le stockage sous forme d'air comprimé, l'énergie électrique est utilisée pour comprimer de l'air, cet air étant stocké sous forme comprimée dans des réservoirs artificiels ou naturels. La détente de cet air à travers des machines de détente permet de restituer une partie de l'énergie électrique utilisée pour la compression.

Différents cycles thermodynamiques sont utilisés dans le cadre de cette technique. Le plus simple consiste à comprimer de l'air au moyen de compresseurs (entraînés par des moteurs électriques) permettant une compression multi-étagée, avec refroidissements intermédiaires pour approcher d'une compression isotherme et dépenser le moins d'énergie possible durant la compression de l'air. L'air comprimé est alors stocké dans un ou des réservoirs. Lorsque l'on veut restituer de l'énergie électrique, l'air comprimé est extrait du réservoir, réchauffé par appoint d'énergie thermique extérieure (grâce à du fuel, du gaz naturel, de l'énergie électrique ou tout autre source de chaleur) et détendu à travers une turbine qui entraîne un générateur électrique. Ce cycle présente des rendements assez faibles compte tenu notamment de la nécessité de fournir de l'énergie thermique extérieure pour réchauffer l'air avant passage dans la turbine et du fait que la chaleur générée lors de la compression de l'air est perdue pour le cycle.

De nombreux autres cycles thermodynamiques ont été proposés améliorant ce cycle, par exemple avec récupération de chaleur à la sortie de la turbine.

Un des cycles, dit « adiabatique », consiste à utiliser des compresseurs polytropiques, et à stocker à la fois la chaleur générée lors de la compression de l'air et l'air comprimé. On peut soit stocker directement l'air chaud, ce qui diminue considérablement la densité énergétique du réservoir comparé à de l'air froid, soit stocker séparément la chaleur résultant de la compression de l'air et l'air comprimé refroidi. Lorsque l'on veut restituer de l'énergie électrique, l'air comprimé est extrait du réservoir, réchauffé grâce à la chaleur stockée lors de sa compression et détendu à travers une turbine qui entraîne un générateur électrique. Ce cycle « adiabatique » permet de ne pas utiliser de complément de chaleur extérieur et présente des rendements supérieurs à 70% compte tenu de la récupération de la chaleur produite lors de la compression. Il n'émet aucun C02. On peut noter également qu'à ce jour la température en sortie des compresseurs industriels est limitée à environ 650°C ce qui limite nécessairement la densité énergétique du stockage (le nombre de kwh électrique que l'on peut restituer par m3 de stockage dépendant à la fois de la pression de stockage et de la température en entrée de la machine de détente).

A ce jour, les installations de stockage d'air de capacité importante utilisent des cavités souterraines, naturelles ou artificielles, ou des réservoirs rigides manufacturés pour stocker l'air sous pression.

Les cavités souterraines nécessitent un contexte géologique particulier en termes d'étanchéité, de pression admissible par la roche environnante et de risque sismique. Les possibilités d'implantation sont donc limitées et ne correspondent pas nécessairement aux localisations où le stockage de l'énergie électrique est souhaité (éloignement des lieux de consommation ou de production, réseau électrique insuffisant). Elles permettent des densités de stockage énergétique limitées d'autant plus que l'on utilise le stockage que dans un intervalle de pression limité pour maintenir les machines de compression et de détente dans des zones de fonctionnement acceptables.

Les réservoirs rigides manufacturés présentent l'avantage majeur de pouvoir être installés sans contrainte de site particulière mais ne permettent pas également des densités de stockage énergétiques fortes lorsqu'il s'agit de réservoir à volume constant.

Un concept a été proposé qui permet le maintien d'une pression contrôlée lors des opérations de stockage et de déstockage de l'air dans un réservoir rigide grâce à un système de contre-pression hydraulique permettant de faire varier le volume de la partie air comprimé. Ce concept améliore très largement la densité de stockage énergétique du réservoir, la pression étant maintenue constante et l'intégralité de l'air contenu dans le réservoir étant utilisé.

Des concepts ont été décrits dans lesquels l'air est stocké sous forme liquide, le procédé de liquéfaction faisant appel à des dispositifs de compression avec ou sans stockage de la chaleur générée lors de la compression et la phase de restitution de l'énergie faisant appel à des dispositifs de détente avec ou sans apport de chaleur extérieure. Dans le stockage de l'énergie électrique sous forme thermique, les concepts proposés font appel :

• lors de la phase de stockage à des cycles type pompe à chaleur avec compression d'un gaz, chauffage d'un stockage thermique grâce à la chaleur générée pendant la compression, détente du gaz et refroidissement d'une source froide (un stockage thermique ou une source froide à température constante suivant les applications).

• lors de la phase de restitution à des cycles type moteur, avec chauffage d'un gaz, la source chaude étant constituée du stockage thermique chauffé pendant le cycle de stockage, détente du gaz et récupération d'énergie électrique, refroidissement du gaz par la source froide (la source froide étant constituée du stockage thermique refroidi durant le cycle de stockage ou d'une source froide à température constante suivant les applications) et compression du gaz.

Le rendement de restitution de l'énergie électrique et surtout la densité du stockage énergétique de tous ces procédés dépendent largement des températures auxquelles on peut à la fois produire de la chaleur par compression lors du cycle de stockage et à la fois stocker cette chaleur.

Si le stockage de chaleur dans des réfractaires ou des matériaux minéraux à plus de 1200°C est actuellement possible, les températures de sortie des compresseurs industriels restent aujourd'hui limitées à des températures d'environ 650 Ό ce qui réduit considérablement les densités énergétiques de stockage et les rendements que l'on peut espérer de ces cycles.

Des recherches sont en cours pour développer des compresseurs acceptant des températures de sortie plus importantes mais sont encore très loin d'un développement industriel.

Une alternative permettant d'obtenir des températures de source chaude largement supérieures aux températures accessibles par la simple compression consiste à générer de la chaleur par un procédé électrothermique (résistance électrique ou autre), ce qui permet aucune émission de C02 contrairement aux cycles utilisant des combustibles.

Un concept a été proposé dans le brevet US 7086231 .

Dans ce concept, le matériau composant un stockage thermique est chauffé par une résistance électrique, permettant d'élever la température de l'air avant sa détente.

Bien qu'intéressant, le cycle proposé présente des inconvénients majeurs :

l'unité de stockage et d'échange de chaleur chauffée par résistance électrique doit être dimensionnée pour résister à la pression de l'air à sa pression de stockage donc à la pression maximum dans le cycle tout en étant à haute température. La simple tenue des matériaux va nécessiter de limiter pression ou température, malgré l'intérêt pour un tel cycle de travailler avec de fortes pressions de stockage et des températures de restitution importantes,

le cycle doit nécessairement intégrer un stockage de chaleur supplémentaire si l'on veut stocker la chaleur issue de la compression avec un coût supplémentaire

- l'échangeur de chaleur entre l'air et l'échappement de la turbine étant positionné en aval du stockage de chaleur résultant de la compression, seule une partie de la chaleur d'échappement de la turbine pourra être récupérée lorsque les deux dispositifs sont associés.

Un concept faisant également appel à un chauffage électrothermique a également été proposé dans la demande de brevet GB 2472128. La encore, il s'agit de chauffer un stockage thermique au moyen d'un chauffage électrothermique, ce stockage permettant de chauffer l'air avant sa détente. Le concept proposé ne permet pas la récupération de chaleur issue de la compression.

Le dispositif selon l'invention permet d'apporter une réponse à ces difficultés :

- il permet d'utiliser des machines industrielles de compression et de détente de l'air dans des gammes de pression et de température existant à ce jour sur le marché et de récupérer et stocker pour restitution la chaleur générée par la compression.

Il permet d'obtenir des rendements du cycle et des densités énergétiques de stockage élevées en utilisant conjointement un stockage de l'air comprimé à température ambiante ou un stockage de l'air sous forme liquide et un stockage thermique à très haute température, permettant de réaliser un cycle thermodynamique à très haute température de la source chaude et de réduire ainsi le volume de stockage de l'air et par conséquent le coût global de l'installation.

Il permet d'utiliser le même stockage de chaleur pour la chaleur issue de la compression de l'air (moyenne température) et celle issue du chauffage électrothermique (haute température) qui viendra compléter la chaleur issue de la compression.

Il permet, si nécessaire, de limiter à une pression intermédiaire la pression de l'air au niveau du stockage de chaleur.

Il permet de choisir une pression dans le stockage d'air comprimé qui est optimisée économiquement et techniquement pour permettre également une bonne récupération de la chaleur de l'échappement de la turbine principale.

La densité énergétique de stockage élevée (haute pression et température avant détente élevée) implique un volume de stockage moindre et permet donc l'utilisation économique de réservoirs manufacturés pour le stockage de l'air comprimé (à pression constante ou non) permettant de s'affranchir des contraintes de site des réservoirs souterrains.

- Le cycle est adiabatique et n'émet aucun C02.

Le rendement du cycle est optimisé grâce à la récupération efficace de la chaleur générée par la compression et à la récupération quasi complète de la chaleur à l'échappement de la turbine de détente principale.

Il n'utilise aucun fluide présentant des risques pour l'environnement.

L'invention concerne, selon un premier aspect, un dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique qui comprend au moins:

• des moyens de compression qui compriment l'air atmosphérique en utilisant de l'énergie électrique,

• des moyens de chauffage électrothermiques permettant de produire de la chaleur à partir d'énergie électrique à une température supérieure à la température de l'air en sortie des moyens de compression et de transférer cette chaleur à l'air à sa sortie des moyens de compression,

• un dispositif de stockage de l'air,

• un dispositif de stockage de chaleur permettant, dans une phase de stockage de l'énergie électrique, d'extraire et de stocker la chaleur contenue dans l'air à sa sortie des moyens de chauffage électrothermiques et permettant, dans une phase de restitution de l'énergie électrique, de restituer la chaleur stockée lors de la phase de stockage de l'énergie électrique à l'air en sortie du dispositif de stockage de l'air,

• des moyens de détente utilisant l'air réchauffé à sa sortie du dispositif de stockage de chaleur pour produire de l'énergie électrique,

• un ensemble des canalisations permettant la circulation de l'air entre les différents composants de l'installation et des dispositifs de contrôle et de commande nécessaires à son fonctionnement. Selon des modes particuliers de l'invention, le dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique peut présenter les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :

- les moyens de compression comprennent un ou plusieurs compresseurs, avec ou sans refroidissement de l'air pendant sa compression, permettant la compression de l'air atmosphérique et entraînés par un ou des moteurs électriques ;

- les moyens de chauffage électrothermiques de l'air peuvent être basés sur l'effet Joule, par exemple des résistances électriques, ou tout autre technique électrothermique faisant appel à l'électricité pour produire de la chaleur ;

- le dispositif de stockage de la chaleur comprend un stockage thermique composé d'un matériau solide de stockage de chaleur sous forme de chaleur sensible et un dispositif d'échange de chaleur soit directement entre l'air et le matériau de stockage de chaleur soit par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur.

- le dispositif de stockage de la chaleur comprend un fluide de transfert et de stockage de la chaleur, un ou plusieurs réservoirs de stockage sans mélange la portion froide de ce fluide et la portion chaude de ce même fluide et de un ou des échangeurs permettant des transferts de chaleur entre l'air et ce fluide ;

- les moyens de détente comprennent une ou plusieurs machines de détente permettant une détente de l'air jusqu'à la pression atmosphérique après son réchauffement dans le dispositif et entraînant un ou des générateurs électriques ;

- un dispositif de récupération de la chaleur des gaz d'échappement des moyens de détente et de transformation de cette chaleur en énergie électrique est relié à la sortie des moyens de détente ;

- lorsque les moyens de détente comprennent plusieurs machines de détente, l'air peut être réchauffé par au moins un dispositif placé entre deux machines de détente successives de stockage de la chaleur issue d'un moyen de chauffage électrothermique pendant une phase de stockage et permettant de restituer cette chaleur à l'air pendant une phase de restitution.

- pour la phase de stockage de l'énergie, d'autres moyens de compression sont ajoutés qui compriment l'air en utilisant de l'énergie électrique à sa sortie du dispositif de stockage de chaleur, et en amont du dispositif de stockage de l'air, les moyens de compression comprenant un ou plusieurs compresseurs de préférence avec refroidissement de l'air pendant sa compression permettant une compression complémentaire de l'air après son refroidissement dans le dispositif de stockage de chaleur et entraînés par un ou des moteurs électriques ;

- un échangeur de chaleur est relié à la sortie du dispositif de stockage de l'air permettant de réchauffer l'air à sa sortie du dispositif de stockage de l'air grâce à la chaleur disponible en échappement des moyens de détente de l'air, ainsi que des moyens secondaires de détente de l'air, reliés à la sortie de l'échangeur de chaleur et en amont du dispositif de stockage, permettant de produire de l'énergie électrique, les moyens de détente comprenant une ou plusieurs machines de détente permettant une détente partielle de l'air après son réchauffement dans l'échangeur de chaleur et entraînant un ou des générateurs électriques ;

- le dispositif de stockage de l'air peut comprendre une cavité souterraine ou tout réservoir manufacturé permettant le stockage de l'air comprimé à pression variable ou non ;

- le dispositif de stockage la chaleur est constitué d'au moins :

• un dispositif permettant de liquéfier l'air comprimé,

• un dispositif de stockage de l'air sous forme liquide,

« un dispositif permettant de pomper l'air liquide à haute pression et de le vaporiser pour le restituer sous forme de gaz comprimé.

- la chaleur complémentaire est apportée à l'air comprimé en amont immédiat des moyens de détente par un brûleur alimenté par un combustible.

- le dispositif de chauffage électrothermique comprend des moyens de contrôle de la température aptes à prendre en compte une consigne de température pour maintenir la température de l'air en sortie du dispositif de chauffage électrothermique conforme à la consigne.

- il comprend des moyens pour établir la consigne de température en fonction de la température de l'air en sortie des moyens de compression.

- le dispositif de chauffage électrothermique comprend des moyens d'ajustement de la charge électrique aptes à prendre en compte une consigne de charge pour maintenir la charge électrique totale conforme à la consigne.

- il comprend des moyens pour établir la consigne de charge en fonction des variations de fourniture de l'électricité ;

- le dispositif de stockage de l'air comprend :

· un compresseur permettant de comprimer de l'air en phase gazeuse, et dont la sortie est reliée à la sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur ;

• un échangeur et stockage de chaleur permettant de refroidir l'air entrant par échange avec une phase gazeuse recyclée et avec l'air froid stocké et restitué durant la phase de restitution de l'énergie électrique, dont une entrée est reliée à une sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur ;

• un dispositif de détente, dont une entrée est reliée à la sortie de l'échangeur et stockage de chaleur, et permettant de liquéfier en partie l'air à sa sortie de l'échangeur ; • un séparateur, dont une entrée est reliée à une sortie du dispositif de détente et permettant de séparer la phase liquide de la phase gazeuse, et dont une sortie est reliée à l'échangeur et stockage de chaleur ;

• un réservoir de stockage, par exemple cryogénique, dont une entrée est reliée à une sortie du séparateur ;

• une pompe cryogénique, reliée à une sortie du réservoir de stockage.

Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique par un dispositif tel que décrit ci-dessus, comprenant :

une phase de stockage de l'énergie électrique, comprenant les étapes successives suivantes :

• la compression d'air atmosphérique par les moyens de compression,

• l'augmentation de la température de l'air comprimé par les moyens de chauffages électrothermiques,

• le stockage de la chaleur de l'air comprimé et réchauffé dans le dispositif de stockage de chaleur,

• le stockage de l'air dans le dispositif de stockage de l'air ;

une phase de restitution de l'énergie électrique, comprenant les étapes successives suivantes :

• l'extraction de l'air stocké,

· la transmission de la chaleur stockée dans le dispositif de stockage de chaleur à l'air stocké dans le dispositif de stockage de l'air,

• la détente de l'air réchauffé.

Selon des modes particuliers de l'invention, le procédé de stockage et de restitution d'énergie électrique peut présenter les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :

- l'étape de compression d'air atmosphérique pendant la phase de stockage est simultanée à une étape de refroidissement de l'air ;

l'étape de détente pendant la phase de restitution est simultanée à une étape de réchauffement de l'air ;

pendant la phase de stockage, entre l'étape de stockage de la chaleur et l'étape de stockage de l'air, le procédé comprend une étape supplémentaire de compression de l'air ;

l'étape supplémentaire de compression est simultanée à une étape de refroidissement de l'air ;

le procédé comprend une étape supplémentaire d'échange de la chaleur dans un échangeur de chaleur entre l'air à sa sortie du dispositif de stockage de l'air et l'air détendu ;

- le procédé comprend, pendant la phase de restitution, après l'étape d'extraction et avant l'étape de transmission de la chaleur stockée dans le dispositif de stockage de chaleur à l'air, une étape supplémentaire d'augmentation de la température dans l'échangeur de chaleur suivie d'une étape supplémentaire de détente dans des moyens secondaires de détente. le procédé comprend, pendant la phase de stockage, l'étape de stockage comprend la liquéfaction de l'air comprimé et son stockage sous forme liquide, et dans lequel, pendant la phase de restitution, l'étape d'extraction de l'air stocké comprend le pompage de l'air liquide et sa vaporisation.

Les dessins annexés illustrent l'invention :

La figure 1 représente parmi l'art antérieur un schéma d'un cycle adiabatique avec stockage de la chaleur issue de la compression.

La figure 2 représente parmi l'art antérieur le cycle proposé dans le brevet US 7086231

La figure 3 représente parmi l'art antérieur le cycle proposé dans la demande de brevet GB 2472128.

La figure 4 représente un mode de réalisation d'un dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique conforme à l'invention.

La figure 5 représente un autre mode de réalisation du dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique.

La figure 6 représente un autre mode de réalisation du dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique, avec stockage de l'air sous forme liquide.

La figure 7 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif de stockage de la chaleur. La figure 8 représente un autre mode de réalisation du dispositif de stockage de la chaleur .

La figure 9 représente un autre mode de réalisation du dispositif de la chaleur.

La figure 10 représente un autre mode de réalisation du dispositif de la chaleur.

La figure 1 représente une des dispositions parmi l'art antérieur d'un cycle adiabatique de stockage de l'énergie par air comprimé.

Dans la phase de stockage de l'énergie, l'air ambiant, également appelé air atmosphérique, est comprimé au moyen de l'installation de compression (1 1 ) qui consomme de l'énergie électrique. La chaleur issue de la compression est stockée dans le dispositif (13) de stockage et d'échange de chaleur. L'air comprimé refroidi est alors stocké dans un réservoir (15) qui peut être une cavité souterraine. Dans ce cas, les pressions de stockage sont en général dans un intervalle de 60 à 80 bars.

Dans la phase de restitution de l'énergie, l'air froid extrait du réservoir (1 5) est tout d'abord réchauffé à travers le stockage de chaleur (13) puis détendu à travers une installation de détente (18) qui produit de l'énergie électrique.

Ce cycle adiabatique présente des rendements intéressants (rapport de l'énergie restituée à l'énergie stockée) de l'ordre de 70%. Cependant, compte tenu des limites actuelles des compresseurs industriels en terme de température, une compression sans refroidissement ne pourra pas permettre d'excéder une pression d'environ 30 bars et une température de l'ordre de 600°C ce qui limite nécessairement la densité énergétique du stockage (kWh restitué par m3 de stockage). Un refroidissement de la compression permettra d'augmenter la pression sans augmenter la température de restitution ce qui n'augmentera qu'en partie la densité énergétique du stockage tout en diminuant le rendement du cycle. Une solution consiste bien sur à équiper l'installation de détente (18) d'un brûleur permettant de réchauffer l'air avant sa détente, mais nous sommes alors dans le cas d'une combustion avec émission de C02.

La figure 2 représente le dispositif revendiqué dans le brevet US 7086231 B2. Le dispositif proposé permet d'augmenter la température de l'air en entrée de la machine de détente (28) grâce à de la chaleur stockée dans un dispositif de stockage (23) , chaleur générée grâce à un dispositif électrothermique durant la phase de stockage de l'électricité. Il permet d'augmenter la densité énergétique du stockage tout en ne générant pas d'émission de C02, la production de chaleur étant générée par un dispositif électrothermique. Cependant, la configuration proposée présente quelques désavantages majeurs.

On peut constater que ce dispositif nécessite soit de limiter la pression de stockage dans le réservoir de stockage de l'air comprimé (25) à la pression correspondant au couple pression / température maximum admissible par l'ensemble compresseur (21 ) soit d'accepter de perdre de la chaleur issue de la compression en refroidissant l'air pendant la compression pour obtenir une pression de stockage supérieure. Il apparaît également que la chaleur issue de l'échappement de la turbine (28) ne peut être intégralement récupérée, le récupérateur (29) se situant en aval de l'échangeur de chaleur avec l'air issu de la compression (27). Avec cette disposition, la chaleur issue de l'échappement de la turbine (28) à des températures comprises entre la température atmosphérique et la température de sortie de l'échangeur de chaleur (27) est perdue et ne réchauffe pas l'air avant détente. . De plus, le stockage de chaleur (23) alimenté par la chaleur provenant d'une résistance doit nécessairement pouvoir réaliser l'échange thermique avec de l'air à la pression maximum dans le cycle, ce qui peut entraîner de sévères difficultés de tenue des matériaux compte tenu à la fois de la température élevée et de la pression élevée. Enfin, le dispositif présenté comprend deux dispositifs de stockage de chaleur (27) et (23), un premier permettant la récupération de la chaleur de compression et un second permettant la récupération de la chaleur provenant du dispositif de chauffage électrothermique.

La figure 3 représente le dispositif revendiqué dans la demande de brevet GB 2472128 A.

Le cycle proposé ne permet pas la récupération de la chaleur issue de la compression ce qui limite nécessairement le rendement du cycle. En effet, dans ce document, un compresseur (31 ) est directement relié à un réservoir (35) de stockage de l'air. Pour produire l'électricité, l'air est extrait du réservoir (35) de stockage, et est réchauffé dans un récupérateur (36) par de l'air issu d'une turbine (31 ) basse pression. L'air sortant du récupérateur (36) est ensuite détendu dans un détendeur (37) haute pression, réchauffé dans un système (33) de stockage d'énergie thermique, utilisant par exemple des moyens électriques, puis détendu dans une turbine (31 ) basse pression. La figure 4 représente une des configurations du cycle proposé dans la présente demande d'invention. Le cycle proposé inclut un ensemble de dispositifs déjà disponibles industriellement à ce jour, notamment des turbomachines dont les coûts et les délais de développement sont extrêmement importants. Il apparaît en effet que de nombreux cycles proposés dans l'art antérieur n'ont jamais vu le jour à l'échelle industrielle, malgré leur intérêt théorique indiscutable, pour des raisons de coût trop élevé de développement de turbomachines spécifiques. Les valeurs indiquées à titre d'exemple correspondent donc à des machines industrielles disponibles à ce jour.

• Lors de la phase de stockage de l'énergie électrique :

L'air ambiant, après filtration si nécessaire, est comprimé dans les moyens de compression (1 ). Les moyens de compression (1 ) peuvent comprendre un ou plusieurs compresseurs, de préférence de type axial, de technologie tout à fait similaire aux compresseurs qui équipent les turbines à combustion ou centrifuge ou encore correspondant à une combinaison de compresseurs axiaux et de compresseurs centrifuges. Les compresseurs d'air permettent à ce jour, sans refroidissement de l'air, d'atteindre des pressions jusqu'à 32 bars et des températures de sortie jusqu'à 650 °C avec de bonnes efficacités. Les compresseurs sont entraînés par des moteurs électriques.

Il est intéressant pour optimiser le rendement du cycle, de monter à des pressions et des températures les plus élevées possibles compatibles avec la technologie industriellement disponible, la chaleur étant récupérée. S'il est nécessaire, pour optimiser la densité énergétique de stockage, de monter à des pressions supérieures à 32 bars, la compression peut être partiellement refroidie afin de limiter la température de sortie du compresseur à une température compatible avec ses capacités.

L'air chauffé par la compression entre dans le dispositif (2) de chauffage électrothermique qui peut être basé, par exemple, sur l'effet Joule. Par « chauffage électrothermique » on désigne ici tout moyen permettant de convertir de l'énergie électrique en chaleur.

Les températures de sortie de l'air du dispositif (2) de chauffage électrothermique peuvent atteindre 1 100 à 1200Ό, ce qui est à la fois compatible avec les capacités technologiques des stockages de chaleur et avec les températures limites d'entrée dans l'ensemble de détente (8), les turbines à combustion actuelles fonctionnant à des températures jusqu'à 1300 °C.

L'air à haute température entre ensuite dans un dispositif (3) de stockage de chaleur qui permet à la fois d'extraire et de stocker la chaleur contenue dans l'air à sa sortie du dispositif de chauffage (2).

On peut donc obtenir, grâce au cycle présenté, une récupération totale de la chaleur générée par la compression jusqu'à prés de 650Ό, complétée par la chaleur apportée par le dispositif (2) de chauffage électrothermique à des températures jusqu'à 1 100 Ό, avec un seul dispositif de stockage de chaleur (3).

Dans une variante de réalisation de l'invention, le dispositif (2) de chauffage électrothermique permet d'apporter une quantité de chaleur limitée permettant un accroissement de température de quelques degrés à quelques dizaines de degrés de l'air chauffé par la compression. A cet effet, le dispositif (2) de chauffage peut comprendre des moyens de contrôle de la température. Ainsi, le chauffage électrothermique est utilisé pour maintenir l'air en sortie du dispositif (2) de chauffage électrothermique à une température conforme à une consigne de température, malgré les variations de la température de l'air en sortie du compresseur (1 ), laquelle température dépendant notamment de la charge du compresseur (1 ). Des moyens permettent d'établir la consigne de température. La consigne de température peut être une valeur constante, prédéterminée, ou une valeur prenant en compte par exemple la température de l'air en sortie des moyens (1 ) de compression. Le dispositif permet ainsi d'optimiser les températures du stockage de chaleur et les températures de restitution de l'air aux moyens de détente (8).

Dans une autre variante de réalisation de l'invention, le dispositif (2) de chauffage électrothermique permet d'ajuster la charge électrique totale pendant la phase de stockage de l'énergie électrique. A cet effet, le dispositif (2) de chauffage électrothermique comprend des moyens d'ajustement de la charge électrique. Des moyens permettent d'établir une consigne de charge. La consigne de charge peut être une valeur constante, prédéterminée, ou être établie en fonction des variations de fourniture de l'électricité, notamment dans le cas par exemple des énergies dites fatales. L'ajustement de la charge est un des rôles importants des installations de stockage d'énergie. En effet, il est parfois nécessaire de pouvoir faire varier cette charge très rapidement, hors des capacités des installations de compression. Le dispositif (2) de chauffage électrothermique, notamment s'il s'agit d'un dispositif basé sur l'effet Joule, dispose d'une capacité de réaction très rapide. Cela permet d'ajuster la charge électrique totale pendant une phase transitoire en augmentant ou en diminuant la charge sur le dispositif (2) de chauffage électrothermique, l'installation de compression variant dans un délai plus long vers la puissance nécessaire et le dispositif (2) de chauffage électrothermique s'ajustant progressivement.

Plusieurs possibilités de réalisations du dispositif (3) de stockage de chaleur sont présentés dans les figures 7 ,8 ,9 et 10.

L'air refroidi à sa sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur est ensuite stocké dans le dispositif de stockage de l'air (5).

Le dispositif (5) de stockage de l'air peut permettre de stocker l'air sous forme de gaz comprimé. Dans ce cas il peut s'agir d'une cavité souterraine, artificielle ou non, ou de réservoirs manufacturés. Les tubes du type utilisés pour la réalisation de gazoducs représentent une alternative intéressante. Le stockage peut être réalisé à pression variable dans un intervalle de pression minimum et maximum ou à pression constante grâce au maintien d'une contre pression hydraulique.

Le dispositif (5) de stockage de l'air peut également comprendre un dispositif permettant de liquéfier l'air comprimé, de le stocker sous forme liquide, un dispositif permettant de le pomper sous forme liquide à haute pression et un dispositif permettant de le vaporiser sous forme d'air comprimé à haute pression en sortie du dispositif (5) de stockage de l'air. Une possibilité de réalisation d'un tel dispositif est décrit en figure 6.

• Lors de la phase de restitution de l'énergie électrique :

L'air sous forme de gaz comprimé est extrait du dispositif (5) de stockage de l'air.

Il est ensuite réchauffé à travers le dispositif (3) de stockage de chaleur qui restitue à l'air la chaleur stockée pendant la phase précédente. Les températures de l'air en sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur peuvent atteindre 10 à 20°C de moins que la température de l'air en entrée pendant la phase de stockage avec un échange de bonne efficacité.

En option, un complément de chaleur à haute température peut être apporté à l'air avant détente de l'air grâce à un brûleur alimenté par un combustible. Ce combustible peut être émetteur de C02 fossile (fioul, gaz naturel, ou autre) ou issue d'une source renouvelable (biogaz) en étant neutre en émission de C02 ou ne pas émettre de C02 (hydrogène).

L'air chaud est ensuite détendu à travers les moyens de détente (8).

Les moyens de détente (8) comprennent une ou plusieurs machines de détente de l'air jusqu'à la pression atmosphérique entraînant un ou des générateurs électriques.

Lorsque les moyens de détente comprennent plusieurs machines de détente successives de l'air, des dispositifs de réchauffage de l'air peuvent être ajoutés entre deux machines de détente successives. La chaleur nécessaire au réchauffement de l'air peut alors être fournie par tout moyen et de préférence par un dispositif (10) supplémentaire de stockage de la chaleur issue d'un chauffage électrothermique pendant la phase de stockage de l'énergie électrique du dispositif (10) supplémentaire et de restituer cette chaleur à l'air pendant la phase de restitution de l'énergie électrique .

L'air détendu en sortie des moyens de détente (8) peut être à température supérieure à la température ambiante. Dans ce cas, afin d'optimiser le cycle, un dispositif de récupération de cette chaleur (9) peut être installé en sortie des moyens de détente (8). Il peut s'agir d'un dispositif permettant de produire de l'énergie électrique ou de valoriser la chaleur contenue dans l'air.

La figure 5 représente une autre configuration du cycle proposé dans la présente invention.

En effet, le cycle proposé dans la figure 4 présente un certain nombre de contraintes :

L'air est à sa pression maximum dans le cycle dès la sortie des moyens de compression (1 ). Afin d'optimiser la densité énergétique du stockage et minimiser son coût, on aura très souvent intérêt à choisir la pression maximum compatible avec la tenue mécanique du dispositif (5) de stockage de l'air (de l'ordre de 80 bars pour les cavités souterraines et de 120 bars voire plus pour les réservoirs manufacturés). En conséquence, le dispositif (2) de chauffage électrothermique et le dispositif (3) de stockage de chaleur devront pouvoir supporter de l'air à la fois à très haute pression et à très haute température ce qui risque d'être un facteur limitant du dispositif.

De la même façon, l'air en sortie du dispositif (5) de stockage d'air est à sa pression maximale à son entrée dans le dispositif (3) de stockage de chaleur.

Le cycle proposé dans la figure 5 permet grâce à certaines modifications par rapport au cycle de la figure 4 d'éliminer les contraintes précédentes. Les modifications consistent à :

- ajouter d'autres moyens de compression (4) en sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur dans la phase de stockage de l'énergie électrique. Les moyens (4) de compression ajoutés comprennent par exemple un ou plusieurs compresseurs, entraînés par un ou des moteurs électriques. Afin de minimiser la consommation électrique, ces moyens de compression seront de préférence avec refroidissement de l'air pendant la compression, afin d'obtenir une compression quasi-isotherme. Ainsi, la pression en sortie des moyens de compression (1 ) pourra être optimisée en fonction des contraintes de température maximum en sortie de compresseur et de tenue mécanique des dispositifs (2) et (3) alors que les moyens de compression (4) ajoutés permettront d'ajuster la pression maximale au mieux en fonction des contraintes du dispositif (5) de stockage de l'air et des contraintes de récupération optimisée de l'énergie en sortie des moyens de détente (8).

et/ou ajouter un échangeur de chaleur (6) en sortie du dispositif (5) de stockage de l'air permettant de réchauffer l'air grâce à la chaleur disponible en échappement des moyens de détente (8) ainsi que des moyens de détente supplémentaires (7) en sortie de l'échangeur de chaleur (6) et en amont du dispositif de stockage de chaleur (3). De la même façon que précédemment, ces moyens de détente (7) supplémentaires permettront d'ajuster au mieux les pressions dans le dispositif de stockage (3) et la récupération d'énergie en sortie des moyens de détente (8). Les moyens de détente (7) supplémentaires comprennent par exemple une ou plusieurs machines de détente permettant une détente partielle de l'air après son réchauffement dans l'échangeur de chaleur (6) et entraînant un ou plusieurs générateurs électriques

Un brûleur (51 ) optionnel a également été représenté sur la figure 5.

La figure 6 représente une variante du cycle proposé dans laquelle le dispositif de stockage de l'air (5) comporte une installation de liquéfaction de l'air, son stockage sous forme liquide ainsi que sa restitution sous forme comprimée à haute pression. Le cycle est également optimisé en fonction des spécificités du stockage sous forme liquide de l'air.

Le cycle présenté ne comporte pas de moyens de compression (4) complémentaires en sortie du dispositif de stockage de chaleur (3). En effet, la pression permettant une dépense énergétique moindre pour le procédé de liquéfaction de l'air n'est pas nécessairement élevée (elle peut être par exemple 30 bars) ce qui permet de récupérer intégralement la chaleur issue de la compression, les températures de sortie de compresseur restant dans les possibilités techniques.

Le dispositif (5) a été détaillé pour l'exemple. De nombreux autres dispositifs peuvent être proposés. Dans l'exemple détaillé, le dispositif (5) de stockage de l'air comprend :

un compresseur (61 ) permettant de comprimer de l'air en phase gazeuse, et dont la sortie est reliée à la sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur (3) ;

- un échangeur et stockage de chaleur (62) permettant de refroidir l'air entrant par échange avec une phase gazeuse recyclée et avec l'air froid stocké et restitué durant la phase de restitution de l'énergie électrique, dont l'entrée est reliée à la sortie d'air du dispositif de stockage de chaleur (3) ;

un dispositif de détente (63), dont l'entrée est reliée à la sortie de l'échangeur et stockage de chaleur (62), et permettant de liquéfier en partie l'air à sa sortie de l'échangeur (62) ;

un séparateur (64), dont l'entrée est reliée à la sortie du dispositif de détente (63) et permettant de séparer la phase liquide de la phase gazeuse, et dont une sortie est reliée à l'échangeur et stockage de chaleur (62) ; un réservoir (65) de stockage, par exemple cryogénique, dont l'entrée est reliée à une autre sortie du séparateur (64) ;

une pompe (66) cryogénique, reliée à la sortie du réservoir (65) de stockage.

Pendant la phase de stockage de l'énergie électrique, l'air, sous forme gazeuse, entre dans l'échangeur et stockage de chaleur (62), où il est refroidi par échange de chaleur. Une partie de l'air sort alors de l'échangeur et stockage de chaleur (62) en phase liquide et une autre partie reste en phase gazeuse. La phase gazeuse et la phase liquide sont séparées dans le séparateur (64). La phase gazeuse est recyclée à travers l'échangeur (62) où elle cède son froid à l'air entrant pour être ensuite comprimée grâce au compresseur (61 ) et réinjectée dans le circuit entrant de l'échangeur et stockage de chaleur (62). La phase liquide est stockée dans le réservoir de stockage cryogénique (65).

Pendant la phase de restitution de l'énergie électrique, l'air en phase liquide, dans le réservoir de stockage cryogénique (65), est pompé à haute pression grâce à la pompe cryogénique (66). L'air liquide est alors réchauffé et vaporisé à travers l'échangeur et stockage de chaleur (62) où il cède son froid qui est stocké dans l'échangeur et stockage de chaleur (62). A sa sortie du dispositif (62) l'air est à l'état de gaz sous haute pression.

Un tel dispositif permet de récupérer et de stocker le froid contenu dans l'air liquide pendant la phase de restitution de l'énergie électrique et de restituer ce froid lors de la liquéfaction de l'air entrant pendant la phase de stockage de l'énergie électrique.

Ce procédé est donc largement optimisé en termes de consommation énergétique par rapport aux dispositifs classiques de liquéfaction de l'air

Dans le cycle représenté en figure 6, les moyens de détente (8) comprennent 2 machines de détente successives (8a) et (8b), un dispositif d'échange et de stockage de chaleur (10) étant placé entre les deux machines pour réchauffer l'air. Ce dispositif (10) est lui même chauffé par des moyens électrothermiques durant la phase de stockage de l'énergie électrique.

La détente de l'air est donc assuré par trois moyens de détente successifs (7), (8a) et (8b) avec un réchauffage complémentaire au moyen du dispositif (10) ce qui semble particulièrement adapté à l'exemple présenté où l'air est stocké sous forme liquide et où la pression de restitution à la sortie du dispositif (5) de stockage de l'air peut être extrêmement élevée.

La figure 7 représente, à titre d'exemple, en coupe, une représentation schématique d'une configuration du dispositif (3) de stockage de chaleur.

Le dispositif (3) de stockage de chaleur peut être constitué d'une pluralité d'éléments tel que représenté dans la figure 7 placés en série.

La représentation de la figure 7 représente le sens d'écoulement de l'air pendant la phase de stockage de l'énergie électrique, ce sens étant inversé pendant la phase de restitution de l'énergie électrique. L'air chaud à une température Te initiale entre dans le dispositif (3) de stockage de chaleur au niveau du point A par un conduit (71 ). Il circule ensuite dans des conduits (75) aménagés dans le matériau de stockage (74). Il cède sa chaleur au matériau de stockage (74) lorsque la température de celui ci est inférieure à la température Te initiale jusqu'à être refroidi à une température Tf finale correspondant à la température du matériau de stockage (74) froid, c'est- à-dire à une température inférieure ou égale à la température du milieu dans lequel il est placé. L'air ainsi refroidi poursuit alors son cheminement sans échanger de chaleur avec le matériau de stockage (74) jusqu'à la sortie B du dispositif (3) de stockage de chaleur. Durant la phase de stockage, nous avons donc, en suivant le cheminement de l'air, une première partie où le matériau de stockage (74) est à la température Te initiale, suivie d'une zone de transition où la température du matériau de stockage passe de la température Te initiale à la température Tf finale et enfin le reste du matériau de stockage à la température Tf finale jusqu'à la sortie B. Les différentes zones d'écoulement sont séparées par une isolation thermique (73) afin de garder une bonne stratification de la chaleur le long du cheminement de l'air dans les différentes conduites. Les conduits d'extrémité (71 ) permettent de limiter les échanges de chaleur entre zones d'écoulement successives (77).

Le matériau (74) de stockage de chaleur peut être constitué de tout matériau réfractaire par exemple des argiles cuites, des céramiques à base de magnésie ou d'alumine, des matériaux issus de déchets industriels comme l'amiante fondue. De préférence, le matériau (74) de stockage est solide.

Les flèches (76) représentent le sens de l'écoulement dans la phase de stockage de la chaleur. Ce sens est inversé au déstockage de chaleur.

Les échanges de chaleur entre l'air et le matériau (74) de stockage peuvent se faire directement, soit indirectement, par exemple par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur.

La figure 8 représente une variante du dispositif (3) de stockage de chaleur utilisant un fluide caloporteur.

Dans cette variante, l'échange de chaleur est tout d'abord réalisé à travers un échangeur de chaleur (81 ) permettant de transférer la chaleur de l'air chaud (82) à un fluide caloporteur (83). Ce fluide (83) cède ensuite sa chaleur au dispositif décrit dans la figure 7 où il remplace l'air.

L'intérêt de cette variante est qu'elle permet d'utiliser un fluide à pression modérée et à bonne capacité d'échange à l'intérieur du stockage de chaleur alors que l'air chaud et sous haute pression est limité à l'échangeur de chaleur (81 ).

Le fluide caloporteur peut être liquide ou gazeux aux températures considérées.

II peut s'agir par exemple d'un gaz neutre comme l'argon, l'hélium ou le néon.

La figure 9 représente une autre variante du dispositif (3) de stockage de chaleur.

Il est constitué d'un échangeur de chaleur (95) permettant de transférer la chaleur depuis l'air chaud (96) à un fluide (93) de transfert et de stockage de la chaleur. La flèche (91 ) représente le sens d'écoulement du fluide durant la phase de stockage. Le fluide est tout d'abord stocké froid, c'est-à-dire à une température inférieure ou égale à la température du milieu dans lequel il est placé, dans un réservoir (92) dit froid puis après passage dans l'échangeur (95) et réchauffement stocké dans un réservoir (94) chaud dit chaud. Le fluide de stockage sera liquide sur l'intervalle de température considéré.

Le fluide de stockage peut être par exemple des sels fondus ou un métal sous forme liquide. Dans cette configuration du dispositif (3) de stockage de chaleur le cycle décrit en figure 4 peut être sensiblement modifié dans une variante, le dispositif (2) de chauffage électrothermique ne servant pas à chauffer l'air à sa sortie des moyens de compression (1 ) mais à chauffer directement le fluide de stockage (93) après son passage dans l'échangeur (95) ou directement dans le réservoir chaud (94).

La figure 10 représente une variante du dispositif décrit en figure 9.

Le fluide de stockage, au lieu d'être stocké dans un réservoir froid quand il est froid et dans un réservoir chaud quand il est chaud, est stocké dans un réservoir unique (102), le fluide de stockage chaud étant au dessus du fluide de stockage froid.

La stratification peut être uniquement thermique ou résulter de la présence d'un séparateur (101 ) de préférence isolant thermiquement et dont la densité lui permet de flotter sur le fluide froid et de couler sur le fluide chaud.

Enfin, afin de montrer clairement les avantages du cycle proposé dans la présente demande d'invention un comparatif de performances chiffré a été établi entre les différents cycles de l'art antérieur et celui proposé dans la présente demande d'invention.

Afin de pouvoir établir une comparaison, des hypothèses communes ont été prises pour les différents cycles :

• Intervalle de fonctionnement du stockage d'air comprimé en cavité souterraine : de 60 à 80 bars ;

• Pression de stockage d'air comprimé en réservoir manufacturé à pression constante: 120 bars ;

• Rendement isentropique des turbomachines (compresseurs et machines de détente) : 85%

• Température maximum en sortie de compresseur : 600°C ;

• Température maximum de stockage de chaleur : 1 100 °C ;

• Les autres hypothèses de rendement et d'efficacité des différents composants ont été choisies compatibles avec des machines industrielles.

Le dispositif proposé suivant l'invention permet donc d'obtenir la meilleure combinaison des indicateurs, entraînant une meilleure compétitivité économique du procédé. Le dispositif selon l'invention permet de stocker et de restituer de l'énergie électrique sous la forme d'air comprimé et de stockage de chaleur en permettant des densités de stockage et des rendements élevés.