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Title:
IMPROVED METHOD FOR STORING AND PRODUCING ENERGY WITH OPTIMISED WATER MANAGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/115121
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a system and method for storing and recovering energy using compressed gas comprising at least one first and at least one second heat exchanger, a means for storing cold liquid and the means for storing hot liquid, as well as a separation means. The separation means is positioned after at least one first heat exchanger. The system comprises at least one means for introducing liquid leaving the separation means to convey it towards the means for storing cold liquid.

Inventors:
BRIOT, Patrick (0374 CHE DE LA MAROLIERE, POMMIER DE BEAUREPAIRE, 38260, FR)
TEIXEIRA, David (0003 RUE DES MOULINS, CROISSY-SUR-SEINE, 78290, FR)
Application Number:
EP2018/081169
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
November 14, 2018
Export Citation:
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Assignee:
IFP ENERGIES NOUVELLES (1 & 4 avenue du Bois-Préau, RUEIL-MALMAISON, 92852, FR)
International Classes:
F02C6/16; F01D25/32; F02C1/04; F02C7/143
Domestic Patent References:
WO2016079485A12016-05-26
WO2016012764A12016-01-28
WO2011076926A22011-06-30
WO2016079485A12016-05-26
Foreign References:
US5537822A1996-07-23
EP2494170A22012-09-05
US9404512B22016-08-02
DE102010055750A12012-06-28
US20110016864A12011-01-27
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Claims:
Revendications

1 ) Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :

- au moins un moyen de compression du gaz (K-101 , K-102, K-103, K-104),

- au moins un moyen de stockage dudit gaz comprimé (T-201 ),

- au moins un moyen de détente (EX-201 , EX-202, EX-203, EX-204) dudit gaz comprimé,

- au moins un premier échangeur de chaleur (E-101 , E-102, E-103, E-104), ledit premier échangeur de chaleur étant situé en aval dudit moyen de compression (K-101 , K-102, K- 103, K-104) dudit gaz comprimé,

- au moins un second échangeur de chaleur (E-106, E-107, E-201 , C-105, C-106, C-107, C-108, C-208), ledit second échangeur de chaleur étant positionné en amont dudit moyen de détente (EX-201 , EX-202, EX-203, EX-204) dudit gaz comprimé.

- au moins un moyen de stockage d’un liquide froid (T-406) et au moins un moyen de stockage du liquide chaud (T-402, T-403, T-404, T-405),

- au moins un moyen de séparation (V-101 , V-102, V-103, V-104) dudit gaz et dudit liquide,

lesdits premier (E-101 , E-102, E-103, E-104) et second (E-106, E-107, E-201 , C-105, C-

106, C-107, C-108, C-208) échangeurs de chaleur transférant de la chaleur entre ledit gaz et ledit liquide, lesdits premier (E-101 , E-102, E-103, E-104) et second (E-106, E-

107, E-201 , C-105, C-106, C-107, C-108, C-208) échangeurs de chaleur étant positionnés entre ledit moyen de stockage de liquide froid (T-406) et ledit moyen de stockage de liquide chaud (T-402, T-403, T-404, T-405), ledit moyen de séparation (V- 101 , V-102, V-103, V-104) étant positionné après au moins un premier échangeur de chaleur (E-101 , E-102, E-103, E-104), caractérisé en ce que le système comporte au moins un moyen d’introduction (81 ) dudit liquide sortant du moyen de séparation (V-101 , V-102, V-103, V-104) dans au moins un moyen de stockage du liquide froid (T -406).

2) Système selon la revendication 1 , dans lequel ledit gaz est de l’air.

3) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit liquide est de l’eau.

4) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits premier (E-101 , E-102, E-103, E-104) et second (E-106, E-107, E-201 , C-105, C-106, C-107, C-108, C- 208) échangeurs de chaleur sont confondus.

5) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel plusieurs moyens de compression de gaz (K-101 , K-102, K-103, K-104) et/ou plusieurs moyens de détente (EX-201 , EX-202, EX-203, EX-204) dudit gaz sont utilisés, de préférence au moins trois.

6) Système selon la revendication 5 dans lequel, plusieurs premiers échangeurs de chaleur (E-101 , E-102, E-103, E-104) sont utilisés, de préférence au moins un premier échangeur de chaleur (E-101 , E-102, E-103, E-104) après chacun desdits moyens de compression ( K- 101 , K-102, K-103, K-104).

7) Système selon la revendication 6, dans lequel, plusieurs moyens de séparation (V-101 , V-102, V-103, V-104) sont utilisés, de préférence au moins un moyen de séparation (V- 101 , V-102, V-103, V-104) après chacun desdits premiers échangeurs de chaleur (E-101 , E-102, E-103, E-104).

8) Système selon l’une des revendications 5 à 7, dans lequel plusieurs seconds échangeurs de chaleur (E-106, E-107, E-201 , C-105, C-106, C-107, C-108, C-208) sont utilisés, de préférence au moins un second échangeur de chaleur (E-106, E-107, E-201 , C-105, C- 106, C-107, C-108, C-208) en amont de chacun desdits moyens de détente (EX-201 , EX- 202, EX-203, EX-204).

9) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins un second échangeur de chaleur (E-106, E-107, E-201 , C-105, C-106, C-107, C-108, C-208) est un échangeur à contact direct (C-105, C-106, C-107, C-108, C-208) entre ledit liquide et ledit gaz.

10) Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen d’introduction (81 ) du liquide sortant du moyen de séparation (V-101 , V-102, V-103, V- 104) comprend un bac de stockage intermédiaire (T-301 ).

1 1 ) Procédé de stockage et de récupération d’énergie dans lequel on réalise les étapes suivantes :

a) On comprime un gaz ;

b) On refroidit un gaz comprimé par un échange de chaleur avec un liquide froid et on stocke le liquide chaud en sortie de l’échangeur de chaleur (E-101 , E-102, E-103, E- 104) ;

c) On sépare ledit gaz comprimé refroidi et ledit liquide condensé et on stocke ledit liquide condensé ;

d) On stocke ledit gaz comprimé refroidi ;

e) On réchauffe ledit gaz comprimé refroidi par un échangeur de chaleur utilisant le liquide chaud stocké à l’étape c) et on stocke ledit liquide froid ;

f) On détend ledit gaz comprimé ;

g) On injecte ledit liquide condensé stocké à l’étape c) dans ledit liquide froid stocké

12) Procédé selon la revendication 1 1 , pour lequel au moins une des étapes a) à c) est réalisée plusieurs fois avant de passer à l’étape suivante.

13) Procédé selon l’une des revendications 1 1 ou 12, dans lequel au moins une des étapes l’étape e) et f) est réalisée plusieurs fois avant de réaliser l’étape g).

14) Procédé selon l’une des revendications 1 1 à 13, dans lequel ledit gaz est de l’air.

15) Procédé selon l’une des revendications 1 1 à 14, dans lequel ledit liquide est de l’eau. 16) Procédé selon l’une des revendications 1 1 à 15, dans lequel lors d’au moins une étape e), ledit gaz est réchauffé par un échange de chaleur à contact direct avec ledit liquide chaud.

17) Procédé selon l’une des revendications 1 1 à 16, pour lequel on stocke séparément ledit liquide condensé et ledit liquide stocké à l’étape e).

Description:
PROCEDE AMELIORE DE STOCKAGE ET DE PRODUCTION D’ENERGIE AVEC UNE GESTION DE L’EAU OPTIMISEE

La présente invention concerne le domaine du stockage et de la production d'énergie par compression et détente d’air.

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.

Il existe de nombreuses technologies permettant cet équilibre.

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.

L’utilisation de batteries de différents types (lithium, nickel, sodium-soufre, plomb- acide...) peut également répondre à ce besoin de stockage d’énergie.

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.

La technologie de stockage d’énergie par utilisation d’un gaz 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.

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 d’éviter des températures trop basses (-50°C) entraînant des dommages dans les turbines, l’air peut être réchauffé avant détente. De telles installations fonctionnent depuis un certain nombre

FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) 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 1 1 bar) avant de les détendre dans des turbines générant de l’électricité. Ce type de procédé émet du dioxyde de carbone. L’unité d’Huntorf pourrait émettre environ 830 kg de C0 2 par mégawatt d’électricité produit.

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 Energy Storage »).

Dans cette technologie, l’air est souvent de l’air prélevé en milieu environnant. Il peut donc contenir de l’eau sous forme de vapeur. Cette humidité varie selon la localisation géographique et la température et/ou la saison. Lors du refroidissement de l’air à l’issue de la compression, l’eau contenue dans l’air peut se condenser totalement ou partiellement. Cette condensation peut représenter des quantités importantes à gérer. Par exemple, à Nice (France), en janvier, l’air contient environ 4 grammes d’eau par kilogramme d’air. En août, cette quantité d’eau passe à 12 grammes d’eau par kilogramme d’air à l’aspiration des compresseurs. Peu de brevets citent ce problème de la gestion d’eau. Certains brevets (WO 2016/012764, WO 201 1/076926 et WO2016/079485) proposent de récupérer l’eau de condensation pour la stocker dans un simple bac de stockage. Par ailleurs, lorsqu’elle n’est pas prélevée au gaz, l’eau contenue dans le gaz peut entraîner des détériorations des compresseurs et autres équipements, dans lesquels circule le gaz comprimé.

De plus, lorsque l’air est refroidi ou réchauffé, des échangeurs de chaleur sont utilisés. Ces échangeurs permettent de refroidir un gaz chaud, à partir d’un fluide froid (souvent un liquide froid), ou de réchauffer un gaz froid, à partir d’un fluide chaud (souvent un liquide chaud).

On appelle « Echangeurs de chaleur à contact direct » les échangeurs de chaleur dans lesquels il existe un contact direct entre un fluide (souvent liquide) et un gaz. Lorsque des échangeurs de chaleur à contact direct sont utilisés, des échanges de matières entre le fluide et le gaz peuvent également se produire.

Dans le cas d’utilisation d’échangeurs de chaleur à contact direct, le gaz peut se charger partiellement en fluide sous forme de gaz ou de gouttelettes liquides et/ou une partie du gaz peut se condenser ou être absorbée par le fluide. Cela dépend à la fois du fluide, du gaz, des pressions et températures ainsi que du mode d’échange (chauffage ou refroidissement du gaz). Il peut donc s’avérer nécessaire d’ajouter du fluide dans le circuit ou au contraire d’en extraire, complexifiant la gestion et la régulation de ces flux. Sans gestion de ces flux, les performances du système sont réduites et les risques d’endommagement des éléments du système sont accrus.

On appelle « Echangeurs de chaleur sans contact direct » les échangeurs de chaleur dans lesquels il n’existe pas de contact direct entre le fluide et le gaz. Dans ce type d’échangeurs de chaleur sans contact direct, l’échange de chaleur se fait par l’intermédiaire par exemple d’une paroi solide mais aucun transfert de matière ne peut se faire entre le fluide et le gaz. Les échangeurs à plaques ou à tubes/calandres sont des exemples d’échangeurs de chaleur sans contact direct.

Pour remédier aux problématiques de gestion de l’eau non traitées jusque-là, la présente invention propose d’améliorer la performance du système de stockage et de récupération d’énergie en fournissant une gestion optimisée du liquide contenu dans le système. Pour cela, le système dispose d’au moins un séparateur liquide/gaz positionnés après au moins un échangeur de chaleur, dans la zone de compression de l’air. Le liquide récupéré des séparateurs est collecté et stocké avec le liquide froid, de manière à améliorer le flux de liquide dans le système.

Le procédé et le système selon l’invention

L’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :

- au moins un moyen de compression du gaz,

- au moins un moyen de stockage dudit gaz comprimé,

- au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé,

- au moins un premier échangeur de chaleur, ledit premier échangeur de chaleur étant situé en aval dudit moyen de compression dudit gaz comprimé,

- au moins un second échangeur de chaleur, ledit second échangeur de chaleur étant positionné en amont dudit moyen de détente dudit gaz comprimé.

- au moins un moyen de stockage d’un liquide froid et au moins un moyen de stockage du liquide chaud,

- au moins un moyen de séparation dudit gaz et dudit liquide.

Lesdits premier et second échangeurs de chaleur transfèrent de la chaleur entre ledit gaz et ledit liquide, lesdits premier et second échangeurs de chaleur étant positionnés entre ledit moyen de stockage de liquide froid et ledit moyen de stockage de liquide chaud, ledit moyen de séparation étant positionné après au moins un premier échangeur de chaleur. Le système comporte au moins un moyen d’introduction dudit liquide sortant du moyen de séparation dans au moins un moyen de stockage dudit liquide froid.

Préférentiellement, ledit gaz est de l’air.

Avantageusement, ledit liquide est de l’eau.

De manière avantageuse, lesdits premier et second échangeurs de chaleur sont confondus.

Selon un mode de réalisation du système selon l’invention, plusieurs moyens de compression de gaz et/ou plusieurs moyens de détente dudit gaz sont utilisés, de préférence au moins trois.

Selon une variation de l’invention, plusieurs premiers échangeurs de chaleur sont utilisés, de préférence au moins un premier échangeur de chaleur après chacun desdits moyens de compression.

De manière avantageuse, plusieurs moyens de séparation sont utilisés, de préférence au moins un moyen de séparation après chacun desdits premiers échangeurs de chaleur.

De préférence, plusieurs seconds échangeurs de chaleur sont utilisés, de préférence au moins un second échangeur de chaleur en amont de chacun desdits moyens de détente.

Selon une mise en oeuvre de l’invention, au moins un second échangeur de chaleur est un échangeur à contact direct entre ledit liquide et ledit gaz.

Selon un mode de réalisation, ledit moyen d’introduction du liquide sortant du moyen de séparation comprend un bac de stockage intermédiaire.

L’invention concerne aussi un procédé de stockage et de récupération d’énergie dans lequel on réalise les étapes suivantes :

a) On comprime un gaz ;

b) On refroidit un gaz comprimé par un échange de chaleur avec un liquide froid et on stocke le liquide chaud en sortie de l’échangeur de chaleur;

c) On sépare ledit gaz comprimé refroidi et ledit liquide condensé et on stocke ledit liquide condensé ; d) On stocke ledit gaz comprimé refroidi ;

e) On réchauffe ledit gaz comprimé refroidi par un échangeur de chaleur utilisant le liquide chaud stocké à l’étape c) et on stocke ledit liquide froid ;

f) On détend ledit gaz comprimé ;

g) On injecte ledit liquide condensé stocké à l’étape c) dans ledit liquide froid stocké.

Avantageusement, au moins une des étapes a) à c) est réalisée plusieurs fois avant de passer à l’étape suivante.

Préférentiellement, au moins une des étapes l’étape e) et f) est réalisée plusieurs fois avant de réaliser l’étape g).

De manière préférée, ledit gaz est de l’air.

De manière avantageuse, ledit liquide est de l’eau.

Selon une mise en oeuvre du procédé selon l’invention, lors d’au moins une étape e), ledit gaz est réchauffé par un échange de chaleur à contact direct avec ledit liquide chaud.

Selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention, on stocke séparément ledit liquide condensé et ledit liquide stocké à l’étape e).

Présentation succincte des figures

D'autres caractéristiques et avantages du système et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.

La figure 1 illustre un exemple de système de stockage et de récupération d’énergie selon l’art antérieur.

La figure 2 illustre un deuxième exemple de système de stockage et de récupération d’énergie selon l’art antérieur.

La figure 3 illustre un troisième exemple de système de stockage et de récupération d’énergie selon l’art antérieur.

La figure 4 illustre un premier mode de réalisation d’un système de stockage et de récupération d’énergie selon l’invention.

La figure 5 illustre un deuxième mode de réalisation d’un système de stockage et de récupération d’énergie selon l’invention.

Description détaillée de l'invention

La présente invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. Le système selon l’invention comprend : - au moins un moyen de compression du gaz, permettant d’augmenter la pression du gaz, en vue de son stockage ;

- au moins un moyen de stockage du gaz comprimé, pour stocker le gaz comprimé afin de le réutiliser ultérieurement ;

- au moins un moyen de détente du gaz comprimé pour générer une énergie,

- au moins un premier échangeur de chaleur, situé en aval du moyen de compression du gaz. Ce premier échangeur de chaleur refroidit le gaz comprimé faisant circuler dans l’échangeur de chaleur, un liquide qui arrive froid et ressort chaud.

- au moins un second échangeur de chaleur, positionné en amont du moyen de détente du gaz comprimé. Ce second échangeur de chaleur réchauffe le gaz comprimé avant sa détente, en faisant circuler un liquide qui arrive chaud et ressort froid.

- au moins un moyen de stockage de liquide froid et au moins un moyen de stockage de liquide chaud, ces moyens permettant l’utilisation de liquide froid pour les premiers échangeurs de chaleur et l’utilisation de liquide chaud pour les seconds échangeurs de chaleur.

- au moins un moyen de séparation permettant de séparer le gaz et le liquide, permettant d’éliminer les traces de liquide qui pourraient être contenues dans le gaz après son refroidissement et qui pourraient endommager le système, notamment les moyens de compression. Le moyen de séparation est positionné après au moins un premier échangeur de chaleur.

- au moins un moyen d’introduction du liquide sortant du moyen de séparation, dans au moins un moyen de stockage de liquide froid, rendant ainsi possible l’utilisation de liquide récupéré de condensation, avec le liquide servant aux échangeurs de chaleur.

Dans cette mise en oeuvre, au moins un moyen de compression (par exemple un compresseur) est utilisé pour comprimer le gaz. Le gaz est ensuite refroidi à travers au moins un échangeur de chaleur, appelé « premier échangeur de chaleur ».

Lors du refroidissement, une partie du gaz (typiquement de la vapeur d’eau contenue dans de l’air) peut se condenser. De manière à éviter que ce liquide ne détériore les équipements du système, un moyen de séparation (par exemple, un séparateur gaz/liquide) est positionné en aval d’au moins un premier échangeur de chaleur de manière à récupérer le liquide formé lors du refroidissement.

Le gaz comprimé refroidi et séparé du liquide de condensation est ensuite stocké dans au moins un moyen de stockage du gaz comprimé.

Par la suite, on appelle « ligne de compression », la ligne de gaz allant de l’entrée de gaz jusqu’au moyen de stockage de gaz comprimé passant par au moins un moyen de compression. Lors de la récupération d’énergie, le gaz comprimé contenu dans au moins un moyen de stockage de gaz comprimé est envoyé vers au moins un échangeur de chaleur, dit « second échangeur de chaleur », pour être réchauffé avant d’être envoyé vers au moins un moyen de détente (une turbine par exemple) qui permet de récupérer l’énergie.

On appelle « ligne de détente », la ligne de gaz allant du moyen de stockage de gaz comprimé jusqu’à la sortie de gaz passant par au moins un moyen de détente.

Le liquide récupéré dans au moins un moyen de séparation de la ligne de compression et le liquide sortant froid d’au moins un second échangeur de chaleur utilisé sur la ligne de détente peuvent être stockés ensemble dans au moins un moyen de stockage de liquide froid.

Le liquide contenu dans ce moyen de stockage de liquide froid sert ensuite pour le refroidissement du gaz, sur la ligne de compression, à travers les premiers échangeurs de chaleur positionnés sur cette ligne.

Ainsi, le flux de liquide est géré au sein du système, limitant ainsi l’ajout ou le retrait de liquide à l’intérieur de la « boucle liquide ». On appelle « boucle liquide », le circuit de liquide partant du moyen de stockage du liquide froid, vers le moyen de stockage de liquide chaud et retournant ensuite vers le moyen de stockage de liquide froid.

Les premier et second échangeurs de chaleur sont positionnés sur cette boucle liquide, entre le moyen de stockage de liquide froid et le moyen de stockage de liquide chaud.

La gestion du flux de liquide dans le système permet d’améliorer les performances du système, d’augmenter la durée de vie des équipements et limiter les consommations d’énergie et de liquide. Elle permet également d’éviter de gérer le flux de liquide récupéré du moyen de séparation, séparément du liquide servant aux échangeurs de chaleur.

De préférence, le gaz peut être de l’air. Avantageusement, il peut être prélevé dans le milieu ambiant. Cela a l’avantage d’éviter un coût lié à la production du gaz, son stockage et la logistique associée.

De préférence, le liquide peut être de l’eau. En effet, le gaz utilisé, notamment l’air ambiant peut contenir de l’eau. En choisissant l’eau comme liquide servant dans les échangeurs, un seul liquide est utilisé dans le système, simplifiant ainsi la mise en oeuvre du système. Par ailleurs, l’utilisation de l’eau en tant que liquide caloporteur est peu onéreuse.

Selon une variante de l’invention, les premiers et seconds échangeurs de chaleur peuvent être confondus, de manière à limiter les coûts de ces matériels. Selon une mise en œuvre de l’invention, plusieurs moyens de compression et/ou de détente du gaz peuvent être utilisés, de préférence au moins 3 moyens de compression et/ou au moins 3 moyens de détente. Cette caractéristique permet d’améliorer les performances du système. En effet, en utilisant plusieurs moyens de compression et/ou détente, la pression finale du gaz comprimé peut être augmentée et les plages de pressions de fonctionnement entrée/sortie de chaque moyen de compression et/ou détente sont réduites, ce qui permet l’optimisation des performances de ces moyens.

De plus, plusieurs premiers échangeurs de chaleur pour refroidir le gaz peuvent être utilisés, de préférence un premier échangeur de chaleur après chaque moyen de compression. Cela permet d’améliorer les performances du système en permettant à chaque moyen de compression de fonctionner à une température optimale.

Selon une autre variante, plusieurs moyens de séparation peuvent être utilisés, de préférence un après chaque premier échangeur de chaleur. De cette manière, le liquide de condensation qui peut se produire dans chaque premier échangeur de chaleur est éliminé avant d’atteindre le prochain moyen de compression ou le moyen de stockage de gaz comprimé. L’élimination de toute trace de liquide au plus tôt après sa formation permet d’éviter les risques de détérioration des équipements et d’éviter les pertes de performances liées à la présence de liquide dans le système.

Selon une autre variante, plusieurs seconds échangeurs de chaleur peuvent être utilisés, de préférence un juste en amont de chaque moyen de détente. Ainsi, on évite des températures qui pourraient être trop froides en sortie des moyens de détente. En effet, des températures non adaptées aux moyens de détente sont à l’origine de pertes de performances des moyens de détente.

Selon une mise en œuvre de l’invention, au moins un second échangeur de chaleur peut être un échangeur de chaleur à contact direct entre le liquide et le gaz. De cette manière, une partie du liquide est intégrée au gaz comprimé réchauffé avant sa détente, améliorant ainsi les performances du système et optimisant le flux de liquide au sein du système. L’objet de l’invention est particulièrement adapté à ce mode de réalisation.

Alternativement, les premier et second échangeurs de chaleur peuvent être des échangeurs de chaleur sans contact direct entre le liquide et le gaz.

Selon une mise en œuvre de l’invention, le moyen d’introduction du liquide sortant du moyen de séparation peut comprendre un bac de stockage intermédiaire avant que ce liquide sortant du moyen de séparation ne soit stocké dans au moins un moyen de stockage de liquide froid, comprenant également le liquide servant aux échangeurs de chaleur. Ce bac de stockage intermédiaire peut notamment être utilisé pour estimer la quantité de liquide condensé, faire des analyses de fluide condensé, homogénéiser les températures etc...

L’invention concerne également un procédé de stockage et de récupération d’énergie dans lequel on réalise les étapes suivantes :

a) On comprime un gaz

b) On refroidit un gaz comprimé par un échange de chaleur avec un liquide froid et on stocke le liquide chaud en sortie de l’échangeur de chaleur

c) On sépare le gaz comprimé refroidi et le liquide condensé et on stocke le liquide condensé

d) On stocke le gaz comprimé refroidi

e) On réchauffe le gaz comprimé refroidi par un échangeur de chaleur utilisant le liquide chaud stocké à l’étape c) et on stocke le liquide froid

f) On détend le gaz comprimé

g) On injecte le liquide condensé stocké à l’étape c) dans le liquide froid stocké.

De cette manière, le procédé intègre une gestion du liquide intégré au système, permettant de limiter la consommation de liquide, la consommation d’énergie et d’améliorer les performances du système.

De préférence, au moins une des étapes a) à c) (par exemple a) ou a) et b) ou a) à c) ) peut être réalisée plusieurs fois avant de passer à l’étape suivante. Ainsi, en réalisant plusieurs opérations de compression, la pression totale est augmentée, limitant le volume du moyen de stockage de gaz comprimé et donc son coût. De plus, les moyens de compression peuvent être optimisés sur des plages de fonctionnement plus réduites. Utiliser plusieurs premiers échangeurs de chaleur permet de faire fonctionner chaque moyen de compression à une température optimale, améliorant ainsi leur fonctionnement. De plus, utiliser plusieurs moyens de séparation permet d’éliminer au mieux les traces de liquide qui permettent d’une part, d’améliorer les performances du système et d’autre part, d’éviter les détériorations des équipements et donc d’augmenter leur durée de vie.

De préférence, au moins une des étapes e) et f) (par exemple, l’étape f) ou les étapes e) et f)) peut être réalisée plusieurs fois avant de réaliser l’étape g). En utilisant plusieurs moyens de détente, chaque moyen de détente peut être conçu de manière optimale sur une plage de fonctionnement réduite. Cela permet d’améliorer les performances du système. De la même manière, utiliser plusieurs seconds échangeurs de chaleur permet de faire fonctionner chaque moyen de détente sur une plage de température optimale, maximisant ainsi le rendement de chaque moyen de détente. Préférentiellement, le gaz peut être de l’air et de préférence, de l’air prélevé dans le milieu ambiant. Ainsi, les coûts de production du gaz et de sa logistique sont nuis.

Préférentiellement, le liquide peut être de l’eau. De cette manière, l’eau contenu dans le gaz, notamment l’air ambiant, est le même liquide que celui utilisé dans les échangeurs de chaleur, facilitant ainsi la mise en œuvre du procédé de l’invention.

Selon une variante du procédé selon l’invention, lors d’au moins une étape e), le gaz peut être réchauffé par un échange de chaleur à contact direct avec le liquide chaud. Par ce type d’échange de chaleur, une partie du liquide est intégrée au gaz avant sa détente, permettant ainsi une gestion du flux de liquide optimisée dans le système et améliorant les performances du système.

Selon une autre variante du procédé, le liquide condensé peut être stocké seul avant d’être injecté dans le liquide froid sortant d’au moins un second échangeur de chaleur. Cela peut permettre d’effectuer des analyses, prélèvements, ou encore d’homogénéiser les températures avant d’introduire ce liquide avec le liquide froid sortant d’au moins un second échangeur de chaleur.

D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.

Les exemples 1 à 3 sont des variantes de l’état de l’art. Les exemples 4 et 5 sont des variantes de réalisation selon l’invention.

Les exemples sont réalisés avec 4 étages de compression et 4 étages de détente mais ce nombre d’étages n’est pas limitatif.

Dans la description de ces différents exemples, les mêmes équipements (compresseurs pour les moyens de compression et turbines pour les moyens de détente) ont été utilisés pour la compression et la détente de l’air. Les caractéristiques des compresseurs et turbines utilisés sont présentées dans le tableau suivant.

Exemple 1 : Selon l’art antérieur (figure 1).

Cet exemple peut correspondre au système ou au procédé avec de l’eau comme fluide thermique au lieu d’une solution saline tel que décrit dans le brevet DE 10 2010 055 750 A1.

51 350 kg/h d’air extérieur (flux 1 ), à une température de 20°C et une pression de 1.014 bar contenant 4.2% molaire d’eau, rentre dans un étage de compresseur K- 101 d’où il sort à une pression plus élevée et à une température supérieure (flux 2).

Ce flux 2 est ensuite refroidi à 50°C dans un échangeur E-101 sans contact direct par de l’eau à 40°C (flux 29). L’eau sort de l’échangeur à une température supérieure (flux 30) pour rejoindre un moyen de stockage de liquide chaud T-402.

L’air refroidi est envoyé dans un séparateur gaz-liquide V-101 qui sépare l’humidité de l’air condensée (flux 23) de l’air (flux 4). Cette eau condensée rejoint ensuite un moyen de stockage de liquide condensé T-301.

L’air rentre alors dans un deuxième étage de compression K-102 d’où il sort à une pression et température plus élevées (flux 5). Il est alors refroidi dans un échangeur sans contact direct E-102 avec de l’eau froide (flux 31 ).

L’eau chaude sortant de l’échangeur (flux 32) est envoyé vers le moyen de stockage de liquide chaud T-402.

L’air refroidi (flux 6) pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-102 séparant l’humidité condensée (flux 24) de l’air froid (flux 7). L’humidité condensée est envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T-301.

L’air refroidi (flux 7) pénètre dans un troisième étage de compression K-103 d’où il ressort (flux 8) à une pression et à une température plus élevées. Il est ensuite refroidi dans un échangeur sans contact direct E-103 avec de l’eau froide (flux 33).

Cette eau chaude est ensuite envoyée vers le moyen de stockage de liquide chaud T-402.

L’air froid, quant à lui, pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-103 où l’humidité condensée (flux 25) est séparée de l’air (flux 10). Cette humidité condensée est ensuite envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T- 301. L’air froid (10) sortant du séparateur V-103 rentre alors dans un dernier étage de compression K-104 d’où il ressort (flux 1 1 ) à une pression et température plus élevées.

Il est ensuite refroidi dans un échangeur sans contact direct E-104 avec de l’eau (flux 36) froide. Ce flux 36 peut être refroidi, grâce à un échangeur E-105, à une plus basse température que celle de l’eau servant au refroidissement aux échangeurs de chaleur E-101 , E-102 et E-103. L’eau chaude (flux 37) sortant de l’échangeur E- 104 est ensuite envoyée vers le moyen de stockage de liquide chaud T-402.

L’air froid (flux 12) pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-104 où l’humidité condensée (flux 26) est envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T- 301.

L’air froid (flux 13), 50 000 kg/h, sortant à une pression de 136.15 bar et à une température de 30°C est envoyé dans le moyen de stockage de gaz comprimé T-201 , qui peut être soit naturel, soit artificiel. Il ne contient plus que 300 ppm d’eau. La consommation électrique pour l’étape de compression est égale à 10.9 MW. Le refroidissement de l’air lors de la compression utilise 54 689 kg/h d’eau de refroidissement et la condensation de l’humidité de l’air représente une quantité de 1 ,35 tonne/heure qu’il faut stocker ou éliminer.

L’eau stockée dans le moyen de stockage de liquide condensé T-301 n’est pas gérée : par exemple, on vide régulièrement le moyen de stockage de liquide condensé T-301.

Lors de la production d’électricité, l’air stocké (flux 14) est envoyé du moyen de stockage de gaz comprimé T-201 vers un échangeur sans contact direct E-106 avec l’eau chaude (flux 39) provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-402. L’échangeur E-106 peut être identique à l’échangeur E-104 ayant servi lors du refroidissement. Alternativement, l’échangeur E-106 et l’échangeur E-104 peuvent être confondus pour des économies d’équipements. Ceci est possible car le fonctionnement est cyclique : soit l’échangeur E-104/E-106 est utilisé lors de la compression, soit lors de la détente.

L’air chaud (flux 15) rentre dans une turbine EX-201 où il subit une détente. L’eau refroidie (flux 40), sortant de l’échangeur E-106, est envoyée vers l’échangeur E-107 sans contact direct où elle réchauffe l’air détendu et refroidi (flux 16). Cet air réchauffé (flux 17) est envoyé vers une deuxième turbine EX-202 où il est détendu à une pression plus faible (flux 18).

L’eau refroidie (flux 41 ) sortant de l’échangeur E-107 est envoyée vers l’échangeur sans contact direct E-108 où elle réchauffe l’air sortant de la turbine EX- 202 qui est alors réchauffé (flux 19). Cet air chaud est ensuite envoyé dans une troisième turbine EX-203 pour être détendu à une pression plus faible (flux 20).

L’eau moins chaude (flux 42) sortant de l’échangeur E-108 est envoyée vers un autre échangeur sans contact direct E-109. Cet échangeur sert à réchauffer l’air sortant (flux 20) de la turbine EX-203 avant de pénétrer (flux 21 ) dans la dernière turbine EX-204.

L’air, après détente finale, est relâché dans l’atmosphère (flux 22) à une pression de 1.02 bar et une température de 10°C. L’eau ayant servie aux différents réchauffements de l’air avant détente, sortant de l’échangeur E-109, (flux 43) est à une température finale de 126°C.

Avant d’être recyclée, cette eau a besoin d’être refroidie, par exemple par un échangeur à eau ou par un refroidisseur à air. La puissance de refroidissement nécessaire est à 5.5 MW thermique, soit une puissance électrique consommée de 38.7 kW électrique.

La puissance électrique produite par les détentes successives est égale à 5,2 MW électrique.

Exemple 2 : Selon l’art antérieur (figure 2).

Cet exemple décrit un système ou procédé avec de l’eau comme fluide thermique au lieu de sels fondus tels que décrits dans le brevet US 201 1/0016864A1 .

51 350 kg/h d’air extérieur (flux 1 ), à une température de 20°C et une pression de 1.014 bar contenant 4.2% molaire d’eau, rentre dans un étage de compresseur K- 101 d’où il sort à une pression plus élevée et à une température supérieure (flux 2).

Ce flux 2 est ensuite refroidi à 50°C dans un échangeur de chaleur E-101 sans contact direct (flux 3) par de l’eau à 40°C (flux 29). L’eau sort de l’échangeur à une température supérieure (flux 30) pour rejoindre un moyen de stockage de liquide chaud T-402.

L’air refroidi voit son humidité de l’air condensée (flux 23). Un séparateur V- 101 permet de séparer l’air (flux 4) de l’humidité condensée (flux 23). Cette eau condensée rejoint ensuite un moyen de stockage de liquide condensé T-301.

L’air rentre alors dans un deuxième étage de compression K-102 d’où il sort à une pression et température plus élevées (flux 5).

Il est alors refroidi dans un échangeur sans contact direct E-102 avec de l’eau froide (flux 31 ). L’eau chaude sortant de l’échangeur (flux 32) est envoyé vers un moyen de stockage de liquide chaud T-403. L’air refroidi (flux 6) pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-102 séparant l’humidité condensée (flux 24) de l’air froid (flux 7).

L’humidité condensée est envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T-301.

L’air refroidi (flux 7) pénètre dans un troisième étage de compression K-103 d’où il ressort (flux 8) à une pression et à une température plus élevées.

Il est ensuite refroidi dans un échangeur sans contact direct E-103 avec de l’eau froide (flux 33).

L’eau chaude (flux 34), en sortie de l’échangeur E-103, est ensuite envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-404.

L’air froid, quant à lui, pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-103 où l’humidité condensée (flux 25) est séparée de l’air (flux 10). Cette humidité condensée est ensuite envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T- 301.

L’air froid (10) sortant du séparateur V-103 rentre alors dans un dernier étage de compression K-104 d’où il ressort (flux 1 1 ) à une pression et température plus élevées.

Il est ensuite refroidi dans un échangeur sans contact direct E-104 avec de l’eau (flux 36) froide. Ce flux 36 peut être refroidi, grâce à un échangeur de chaleur E- 105, à une plus basse température que celle de l’eau servant aux échangeurs E-101 , E-102 et E-103. L’eau chaude (flux 37) sortant de l’échangeur E-104 est ensuite envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-405.

L’air froid (flux 12) pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-104 où l’humidité condensée (flux 26) est envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T- 301.

L’air froid (flux 13), 50 000 kg/h, sortant à une pression de 136.15 bar et à une température de 30°C est envoyé dans un moyen de stockage de gaz comprimé T- 201 , qui peut être soit naturel, soit artificiel. Il ne contient plus que 300 ppm d’eau. La consommation électrique pour l’étape de compression est égale à 10.9 MW.

Comme dans l’exemple précédent, le refroidissement de l’air lors de la compression utilise 54 689 kg/h d’eau de refroidissement et la condensation de l’humidité de l’air représente une quantité de 1 ,35 tonne/heure qu’il faut stocker ou éliminer.

Comme pour l’exemple 1 , l’eau de condensation stockée dans le moyen de stockage de liquide condensé T-301 n’est pas gérée : par exemple, on vide régulièrement le moyen de stockage de liquide condensé T-301. Lors de la production d’électricité, l’air stocké (flux 14) est envoyé du moyen de stockage de gaz comprimé T-201 vers un échangeur sans contact direct E-106 avec l’eau chaude provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-405. L’échangeur E-106 peut être le même que l’échangeur E-104 ayant servi lors du refroidissement. Alternativement, les échangeurs E-106 et E-104 peuvent être confondus pour des économies d’équipements. Ceci est possible car le fonctionnement du système est cyclique : soit il est utilisé pour comprimer l’air, soit pour le détendre.

L’air chaud (flux 15) rentre dans une turbine EX-201 où il subit une détente. L’eau refroidie (flux 40), sortant de l’échangeur E-106, est envoyée vers un moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air sortant de la turbine EX-201 est envoyé (flux 16) vers l’échangeur E-107 sans contact direct où il est réchauffé (flux 17) par de l’eau provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-404.

L’eau refroidie (flux 41 ) est envoyée vers le moyen de stockage de liquide froid T-406.

Cet air réchauffé (flux 17) est envoyé vers une deuxième turbine EX-202 où il est détendu à une température et à une pression plus faibles (flux 18).

Il est alors réchauffé dans l’échangeur de chaleur sans contact direct E-108 par de l’eau provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-403.

L’eau refroidie (flux 42) sortant de l’échangeur E-108 est envoyée vers le moyen de stockage de liquide froid T-406. L’air réchauffé (flux 19) est envoyé vers une turbine EX-203 où il est détendu à une pression plus faible (flux 20).

Cet air froid est réchauffé par de l’eau chaude provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-402 dans l’échangeur sans contact direct E-109. Cette eau refroidie (flux 43) est envoyée dans le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air réchauffé (flux 21 ) est ensuite envoyé dans une dernière turbine EX-204 pour être détendu à une pression plus faible (flux 22).

L’air, 50 000 kg/h, après détente finale est relâché dans l’atmosphère (flux 22) à une pression de 1 .02 bar et une température de 17°C.

L’eau ayant servie aux différents réchauffements de l’air avant détente à travers les échangeurs E-106, E-107, E-108 et E-109 est à une température finale de 129°C.

Avant d’être recyclée, cette eau a besoin d’être refroidie, par exemple par un échangeur à eau ou un refroidisseur à air. La puissance de refroidissement nécessaire est à 4.2 MW thermique, soit une puissance électrique consommée de 31 kW électrique. La puissance électrique produite par les détentes successives est égale à 5.4 MW électrique.

Exemple 3 : Selon l’art antérieur (figure 3).

51 350 kg/h d’air extérieur (flux 1 ), à une température de 20°C et une pression de 1.014 bar contenant 4.2% molaire d’eau, rentre dans un étage de compresseur K- 101 d’où il sort à une pression plus élevée et à une température supérieure (flux 2).

Ce flux 2 est ensuite refroidi à 50°C dans un échangeur de chaleur C-101 à contact direct, par de l’eau à 40°C (flux 21 ). Cet échangeur de chaleur C-101 est constitué d’une colonne à garnissage où l’air chaud (flux 2) rentre par le bas de la colonne. L’eau froide (flux 21 ) est injectée en haut de la colonne, les flux sont à courant croisés : un flux monte (l’air) et l’autre descend (l’eau). L’eau chaude sort de la colonne en bas à une température supérieure (flux 22) pour rejoindre un moyen de stockage de liquide chaud T-402.

L’air refroidi sort de l’échangeur de chaleur C-101 par le haut (flux 3) et rentre alors dans un deuxième étage de compression K-102 d’où il sort à une pression et température plus élevées (flux 4). Il est alors refroidi dans un échangeur de chaleur à contact direct C-102 avec de l’eau froide (flux 25). L’eau chaude sortant de l’échangeur de chaleur C-102 vers le bas (flux 26) est envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-403.

L’air refroidi (flux 5) pénètre dans un troisième étage de compression K-103 d’où il ressort (flux 6) à une pression et à une température plus élevées. Il est ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur à contact direct C-103 avec de l’eau froide (flux 29). Cette eau chaude (flux 30) est ensuite envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-404.

L’air froid (flux 7) sort par le haut de l’échangeur de chaleur C-103 et rentre alors dans un dernier étage de compression K-104 d’où il ressort (flux 8) à une pression et température plus élevées. Il est ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur à contact direct C-104 avec de l’eau (flux 34) froide. Ce flux 34 peut être refroidi, grâce à un échangeur de chaleur E-105, à une plus basse température que celle de l’eau servant aux échangeurs de chaleur C-101 , C-102 et C103.

L’eau chaude (flux 35) sortant du bas de l’échangeur de chaleur C-104 est ensuite envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-405.

L’air froid (flux 9), 50 000 kg/h, sortant à une pression de 134.34 bar et à une température de 30°C est envoyé dans un moyen de stockage de gaz comprimé T- 201 qui peut être soit naturel, soit artificiel. Il ne contient plus que 320 ppm d’eau. La consommation électrique pour l’étape de compression est égale à 10.9 MW, identique à celles des exemples 1 et 2.

Dans cet exemple de mise en œuvre, il n’y a pas de flux d’eau condensée. Par contre, l’humidité de l’air s’ajoute à l’eau injectée pour le refroidissement, si bien qu’il y a, après compression, plus d’eau recueillie à la sortie que d’eau injectée initialement.

Dans l’exemple 3, 178 338 kg/h d’eau sont injectés pour le refroidissement et 179 715 kg/h sortent du procédé soit 1 377 kg/h de plus que la quantité injectée initialement. Toute l’humidité condensée a été transférée dans l’eau de refroidissement.

Lors de la production d’électricité, l’air stocké (flux 14) est envoyé du moyen de stockage de gaz comprimé T-201 vers un échangeur de chaleur à contact direct C-105 avec l’eau chaude (flux 54) ou provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-405. L’échangeur de chaleur C-105 peut être identique à l’échangeur C-104. Alternativement, les échangeurs de chaleur C-104 et C-105 peuvent être confondus pour des raisons d’économies d’équipements. Cela est possible car le fonctionnement du système est cyclique : soit il est utilisé lors de la compression, soit lors de la détente.

L’air chaud (flux 15) sort par le haut de la colonne et rentre dans une turbine EX-201 où il subit une détente.

L’eau refroidie (flux 40), sortant du bas de l’échangeur C-105, est envoyée vers un moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air sortant de la turbine EX-201 est envoyé (flux 16) vers l’échangeur de chaleur C-106 à contact direct où il est réchauffé par de l’eau circulant à contre- courant provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-404 (flux 53).

L’eau refroidie (flux 41 ) est envoyée vers le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air réchauffé (flux 17) est envoyé vers une deuxième turbine EX-202 où il est détendu à une pression plus faible (flux 18).

Il est alors réchauffé par l’échangeur de chaleur à contact direct C-107 par de l’eau (flux 52) provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-403.

L’eau refroidie (flux 42) sortant du bas de l’échangeur de chaleur C-107 est envoyée vers le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air réchauffé (flux 19) est envoyé vers une turbine EX-203 où il est détendu à une pression plus faible (flux 20). Cet air froid est réchauffé par de l’eau chaude (flux 51 ) provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-402 dans l’échangeur de chaleur à contact direct C- 108.

Cette eau refroidie (flux 43) est envoyée dans le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air réchauffé (flux 21 ) est ensuite envoyé dans une dernière turbine EX-204 pour être détendu à une pression plus faible (flux 22). Cet air froid est ensuite envoyé dans un séparateur gaz-liquide V-201 afin de séparer l’air (flux 50) de l’eau liquide pouvant être présent (flux 90). Cette eau est envoyée dans le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air, 50 800 kg/h, après détente finale est relâché dans l’atmosphère (flux 50) à une pression de 1 .02 bar et une température de 22°C.

L’eau ayant servie aux différents réchauffements de l’air à travers les échangeurs C-105, C-106, C-107 et C-108 avant détente est à une température finale de 65.7°C.

Avant d’être recyclée, cette eau a besoin d’être refroidie par exemple par un échangeur à eau ou par un refroidisseur à air. La puissance de refroidissement nécessaire est à 5.3 MW thermique, soit une puissance électrique consommée de 74.5 kW électrique.

La puissance électrique produite par les détentes successives est égale à 4,45 MW électrique.

La quantité d’eau sortant après détente de l’air est égale à 179 030 kg/h, soit 690 kg/h de plus que la quantité nécessaire pour le refroidissement.

En augmentant la pression de sortie de la turbine EX4 à 2,48 bar au lieu de 1 ,02 bar, la quantité d’eau recueillie en sortie est égale à la quantité d’eau nécessaire au refroidissement mais cela se fait au détriment de la puissance électrique générée qui diminue à 3,6 MW électrique.

Exemple 4 : Selon l’invention (figure 4).

51 350 kg/h d’air extérieur (flux 1 ), à une température de 20°C et une pression de 1.014 bar contenant 4.2% molaire d’eau, rentre dans un étage de compresseur K- 101 d’où il sort à une pression plus élevée et à une température supérieure (flux 2).

Ce flux 2 est ensuite refroidi à 50°C dans un échangeur de chaleur E-101 sans contact direct (flux 3) par de l’eau à 40°C (flux 29). L’eau sort de l’échangeur à une température supérieure (flux 30) pour rejoindre un moyen de stockage de liquide chaud T-402. L’air refroidi voit son humidité de l’air condensée (flux 23). Un moyen de séparation (par exemple un séparateur gaz/liquide) V-101 du liquide et du gaz permet de séparer l’air (flux 4) du liquide condensé. Cette eau condensée rejoint ensuite un moyen de stockage intermédiaire du liquide condensé T-301.

L’air rentre alors dans un deuxième étage de compression K-102 d’où il sort à une pression et température plus élevées (flux 5). Il est alors refroidi dans un échangeur de chaleur sans contact direct E-102 avec de l’eau froide (flux 31 ).

L’eau chaude sortant de l’échangeur E-102 (flux 58) est envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-404.

L’air refroidi (flux 6) pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-102 séparant l’humidité condensée (flux 24) de l’air froid (flux 7). L’humidité condensée est envoyée vers le moyen de stockage intermédiaire de liquide condensée T-301.

L’air refroidi (flux 7) pénètre dans un troisième étage de compression K-103 d’où il ressort (flux 8) à une pression et à une température plus élevées. Il est ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur sans contact direct E-103 avec de l’eau froide (flux 33). L’eau qui ressort de l’échangeur E-103 (flux 59) est ensuite envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-403.

L’air froid, quant à lui, pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-103 où l’humidité condensée (flux 25) est séparée de l’air (flux 10). Cette humidité condensée est ensuite envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T- 301.

L’air froid (flux 10) sortant du séparateur V-103 rentre alors dans un dernier étage de compression K-104, d’où il ressort (flux 1 1 ) à une pression et température plus élevées. Il est ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur sans contact direct E-104 avec de l’eau (flux 36) froide. Ce flux 36 peut être refroidi, grâce à un échangeur de chaleur E-105, à une plus basse température que celle de l’eau servant aux échangeurs E-101 , E-102 et E-103.

L’eau chaude (flux 37) sortant de l’échangeur de chaleur E-104 est ensuite envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-405.

L’air froid (flux 12) pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-104 où l’humidité condensée (flux 26) est envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T- 301.

L’air froid (flux 13), 50 000 kg/h, sortant à une pression de 136.15 bar et à une température de 30°C est envoyé dans un moyen de stockage de gaz comprimé T- 201 qui peut être soit naturel, soit artificiel. Il ne contient plus que 300 ppm d’eau. La consommation électrique pour l’étape de compression est égale à 10.9 MW. Comme dans les exemples 1 et 2, le refroidissement de l’air lors de la compression utilise 54 689 kg/h d’eau de refroidissement et la condensation de l’humidité de l’air représente une quantité de 1 ,35 tonne/heure qu’il faut stocker ou éliminer.

L’eau de condensation stockée dans le moyen de stockage intermédiaire de liquide condensé T301 , est renvoyée via le flux 81 , vers le moyen de stockage de liquide froid T-406. Ainsi, l’eau de condensation est récupérée et peut servir en tant que fluide caloporteur.

Lors de la production d’électricité, l’air stocké (flux 14) est envoyé du moyen de stockage du gaz comprimé T-201 vers un échangeur de chaleur à contact direct C-205 avec l’eau chaude (flux 60) ou provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-402.

L’air chaud (flux 15) sort par le haut de l’échangeur de chaleur C-205 et rentre dans une turbine EX-201 où il subit une détente.

L’eau refroidie (flux 40), sortant du bas de l’échangeur de chaleur C-205, est envoyée vers un moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air sortant de la turbine EX-201 est envoyé (flux 16) vers l’échangeur de chaleur à contact direct C-206 où il est réchauffé par de l’eau circulant à contre- courant provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-403 (flux 61 ). L’eau refroidie (flux 41 ) est envoyée vers le moyen de stockage de liquide froid T-406.

Cet air réchauffé (flux 17) est envoyé vers une deuxième turbine EX-202 où il est détendu à une pression plus faible (flux 18).

Il est alors réchauffé, dans l’échangeur de chaleur à contact direct C-206, par de l’eau (flux 62) provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-404.

L’eau refroidie (flux 42) sortant du bas de l’échangeur de chaleur C-206 est envoyée vers le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air réchauffé (flux 19) est envoyé vers une turbine EX-203 où il est détendu à une pression plus faible (flux 20).

Cet air froid est réchauffé par de l’eau chaude (flux 63) provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-405 dans l’échangeur à contact direct C-208.

Cette eau refroidie (flux 43) est envoyée dans le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air réchauffé (flux 21 ) est ensuite envoyé dans une dernière turbine EX-204 pour être détendu à une pression plus faible (flux 22). Cet air froid est ensuite envoyé dans un séparateur gaz-liquide V-201 afin de séparer l’air (flux 50) de l’eau liquide pouvant être présent (flux 90). Cette eau est envoyée dans le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air, 52 240 kg/h, après détente finale est relâché dans l’atmosphère (flux 50) à une pression de 1 .02 bar et une température de 39°C.

L’eau ayant servi aux différents réchauffements de l’air à travers les échangeurs de chaleur C-205, C-206, C-207 et C-208 et stockée dans le moyen de stockage de liquide froid T-406 est à une température finale de 93.3°C.

Avant d’être recyclée, cette eau a besoin d’être refroidie par exemple par un échangeur à eau ou par un refroidisseur à air. La puissance de refroidissement nécessaire est à 3.3 MW thermique, soit une puissance électrique consommée de 31 .6 kW électrique.

La puissance électrique produite par les détentes successives est égale à 5,6 MW électrique.

La quantité sortant du procédé après détente de l’air est égale à 53 792 kg/h soit moins que la quantité d’eau nécessaire pour le refroidissement. Malgré l’ajout de l’eau de condensation au réseau d’eau, il faut rajouter 900 kg/h d’eau au réseau. Le procédé consomme de l’eau.

Exemple 5 : Selon l’invention (figure 5).

51 350 kg/h d’air extérieur (flux 1 ), à une température de 20°C et une pression de 1.014 bar contenant 4.2% molaire d’eau, rentre dans un étage de compresseur K- 101 d’où il sort à une pression plus élevée et à une température supérieure (flux 2).

Ce flux 2 est ensuite refroidi à 50°C dans un échangeur de chaleur E-101 sans contact direct (flux 3) par de l’eau à 40°C (flux 29).

L’eau sort de l’échangeur à une température supérieure (flux 30) pour rejoindre un moyen de stockage de liquide chaud T-402.

L’air refroidi voit son humidité de l’air condensée (flux 23) qui est séparée de l’air (flux 4) dans un séparateur gaz-liquide V-101 . Cette eau condensée rejoint ensuite un moyen de stockage intermédiaire de liquide condensé T-301 .

L’air rentre alors dans un deuxième étage de compression K-102 d’où il sort à une pression et température plus élevées (flux 5). Il est alors refroidi dans un échangeur de chaleur sans contact direct E-102 avec de l’eau froide (flux 31 ).

L’eau chaude sortant de l’échangeur E-102 (flux 32) est envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-403. L’air refroidi (flux 6) pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-102 séparant l’humidité condensée (flux 24) de l’air froid (flux 7). L’humidité condensée est envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T-301.

L’air refroidi (flux 7) pénètre dans un troisième étage de compression K-103 d’où il ressort (flux 8) à une pression et à une température plus élevées.

Il est ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur sans contact direct E-103 avec de l’eau froide (flux 33). L’eau qui ressort chaude (flux 34) de l’échangeur de chaleur E-103 est ensuite envoyée vers le moyen de stockage de liquide chaud T- 404.

L’air froid, quant à lui, pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-103 où l’humidité condensée (flux 25) est séparée de l’air (flux 10). Cette humidité condensée est ensuite envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T- 301.

L’air froid (flux 10) sortant du séparateur V-103 rentre alors dans un dernier étage de compression K-104 d’où il ressort (flux 1 1 ) à une pression et température plus élevées.

Il est ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur sans contact direct E-104 avec de l’eau (flux 36) froide. Ce flux 36 peut être refroidi, grâce à un échangeur de chaleur E-105, à une plus basse température que celle de l’eau servant aux échangeurs de chaleur E-101 , E-102 et E-103.

L’eau chaude (flux 37) sortant de l’échangeur de chaleur E-104 est ensuite envoyée vers un moyen de stockage de liquide chaud T-405.

L’air froid (flux 12) pénètre dans un séparateur gaz-liquide V-104 où l’humidité condensée (flux 26) est envoyée vers le moyen de stockage de liquide condensé T- 301.

L’air froid (flux 13), 50 000 kg/h, sortant à une pression de 136.15 bar et à une température de 30°C est envoyé dans un moyen de stockage de gaz comprimé T- 201 qui peut être soit naturel, soit artificiel. Il ne contient plus que 300 ppm d’eau. La consommation électrique pour l’étape de compression est égale à 10.9 MW.

L’eau de condensation stockée dans le moyen de stockage intermédiaire de liquide condensé T301 , est renvoyée via le flux 81 , vers le moyen de stockage de liquide froid T-406. Ainsi, l’eau de condensation est récupérée et peut servir en tant que fluide caloporteur.

Lors de la production d’électricité, l’air stocké (flux 14) est envoyé du moyen de stockage de gaz comprimé T-201 vers un échangeur de chaleur sans contact direct E-106 avec l’eau chaude (flux 60) ou provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-402. L’échangeur de chaleur E-106 peut être identique à l’échangeur E-104. Alternativement, les échangeurs E-106 et E-104 peuvent être confondus pour des raisons d’économies d’équipements. Cela est possible car le procédé est cyclique : soit il est utilisé lors de la compression, soit lors de la détente.

L’air chaud (flux 15) rentre dans une turbine EX-201 où il subit une détente.

L’eau refroidie (flux 40), sortant de l’échangeur E-106, est envoyée vers le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air sortant de la turbine EX-201 est envoyé (flux 16) vers l’échangeur de chaleur E-107 sans contact direct où il est réchauffé (flux 17) par de l’eau provenant du moyen de stockage de liquide chaud T-403 (flux 61 ). L’eau refroidie (flux 89) est envoyée vers un autre échangeur de chaleur sans contact direct E-108.

Cet air réchauffé (flux 17) est envoyé vers une deuxième turbine EX-202 où il est détendu à une pression plus faible (flux 18).

Il est alors réchauffé dans un échangeur sans contact direct E-208 par de l’eau provenant de l’échangeur E-107 (flux 89).

L’air réchauffé (flux 19) est envoyé vers une turbine EX-203 où il est détendu à une pression plus faible (flux 20).

Cet air froid est réchauffé dans un échangeur à contact direct C-201 par de l’eau chaude (flux 87) provenant d’un mélangeur en ligne, mélangeant les eaux chaudes provenant de l’échangeur E-201 (flux 88), du moyen de stockage de liquide chaud T-404 (flux 85) et du moyen de stockage de liquide chaud T-405 (flux 86).

L’eau refroidie (flux 43) sortant du bas de l’échangeur de chaleur C-208 est envoyée vers le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air réchauffé (flux 21 ) est ensuite envoyé dans une dernière turbine EX-204 pour être détendu à une pression plus faible (flux 22).

Cet air détendu est ensuite envoyé dans un séparateur gaz-liquide V-201 afin de séparer l’air (flux 50) de l’eau liquide pouvant être présent (flux 90). Cette eau est ensuite envoyée dans le moyen de stockage de liquide froid T-406.

L’air, 51 320 kg/h, après détente finale est relâché dans l’atmosphère (flux

50).

La pression de sortie de la dernière turbine EX-204 (2.50 bar) a été sélectionnée de façon à ce que la quantité d’eau finale en sortie du procédé soit égale à la quantité d’eau utilisée initialement pour le refroidissement de l’air lors de la compression soit 54 688 kg/h. Une quantité d’eau équivalente à la quantité d’eau condensée (humidité) a été intégrée à l’air rejeté dans l’atmosphère. L’enchaînement judicieux des flux thermiques et de l’augmentation de masse de matière traversant la dernière turbine EX-204 a permis de gagner de la production d’électricité.

La puissance électrique produite par les détentes successives est égale à 6.4 MW électrique.

L’eau chaude ayant servi aux différents réchauffements de l’air à travers les échangeurs E-106, E-107, E-201 et C-208 et stockée dans le moyen de stockage de liquide froid T-406 est à une température finale de 85.4°C.

Avant d’être recyclée, cette eau a besoin d’être refroidie par exemple par un échangeur à eau ou par un refroidisseur à air. La puissance de refroidissement nécessaire est à 2.9 MW thermique, soit une puissance électrique consommée de 30 kW électrique.

Le tableau récapitulatif ci-dessous résume les principaux résultats des différents exemples.

Les exemples 4 et 5 où l’eau de condensation est réintroduite dans le circuit de fluide caloporteur montrent une augmentation de la puissance électrique produite.

Par ailleurs, les exemples 1 à 3 suivant l’art antérieur montre qu’une quantité d’eau importante est présente et non utilisée. Il est donc avantageux de gérer le flux d’eau de condensation pour réutiliser la quantité d’eau présente.

L’exemple 5 est quant à lui, particulièrement intéressant car il montre un flux de liquide nul, ce qui signifie que le flux de liquide est géré de façon optimale dans le système : aucun ajout ou retrait de liquide n’est nécessaire. Cet exemple montre, de plus, un gain d’électricité produite, nettement supérieur aux autres exemples.