SYSTEME DE STOCKAGE ET DE RECUPERATION D’ENERGIE AMELIORE

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 sa détente. De telles installations fonctionnent depuis un certain nombre d’années déjà, comme par exemple l’unité de Huntorf en Allemagne fonctionnant depuis 1978 ou celle de Macintosh aux USA (Alabama) fonctionnant depuis 1991 . Ces deux installations ont la particularité d’utiliser l’air comprimé stocké pour alimenter des turbines à gaz. Ces turbines à gaz brûlent du gaz naturel en présence d’air sous pression afin de générer des gaz de combustion très chauds (550°C et 825°C) et à haute pression (40 bar et 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. 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.

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.

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.

Pour refroidir et/ou réchauffer l’air, des échangeurs de chaleur sont utilisés. Plusieurs technologies d’échangeurs de chaleur existent.

Parmi elles, plusieurs types d’échangeurs de chaleur permettent des échanges entre deux fluides (souvent, un gaz et un liquide). 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 le système.

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.

Une autre technologie d’échangeur de chaleur est basée sur des particules de stockage et de restitution de chaleur. Dans ce type d’échangeur de chaleur, une enceinte est rempli par un lit, dit fixe, de particules de stockage et de restitution de chaleur. Les particules de stockage et de restitution de chaleur sont des éléments solides réalisés à partir d’un matériau qui a de bonnes propriétés pour emmagasiner et restituer de le chaleur. Ces particules sont mises en place en vrac dans le lit. On parle de « lit fixe » pour indiquer que les particules ne sont pas mises en mouvement volontairement. Elles peuvent néanmoins subir des mouvements induits par des dilatations thermiques ou par la circulation du gaz à l’intérieur de l’enceinte, par exemple. Dans ce type d’échangeur, appelé par la suite « Thermocline », le gaz circule dans l’enceinte, à travers le lit fixe des particules de stockage et de restitution de chaleur :

- Soit le gaz réchauffe les particules de stockage et de restitution de chaleur ;

- Soit le gaz est, au contraire, réchauffé par les particules de stockage et de restitution de chaleur.

Dans ces échangeurs de type Thermocline, le gaz et les particules de stockage et de restitution de chaleur échangent donc de la chaleur directement (pas d’utilisation de fluide intermédiaire comme un liquide par exemple).

Lors de la compression du gaz, la température de l’air augmente. Afin d’éviter de stocker l’air comprimé à une température élevée engendrant un surcoût du moyen de stockage, la chaleur de l’air est récupérée et l’air est ainsi refroidi.

Le brevet US 2013/0042601 décrit un refroidissement de l’air entre les étages de compressions par de l’eau à travers des échangeurs sans contact direct. L’eau chaude est ensuite refroidie. La chaleur nécessaire lors de la détente est apportée par une combustion d’hydrocarbures dans des brûleurs à haute pression et à basse pression. Une description similaire est faite dans le brevet US 2014/0026584A1 et US 2016/0053682A1. L’utilisation de la chambre de combustion et d’hydrocarbures présentent les inconvénients suivants : coût de la chambre de combustion élevée et émission importante de C0 ₂ .

Dans les brevets US 201 1/01 13781 A1 et WO 2016/0749485 A1 , la chaleur résultant de la compression de l’air est utilisée pour alimenter des cycles parallèles de Rankine et/ou Kalina basés sur l’utilisation de butane, de pentane, d’isopentane. La chaleur nécessaire lors de la détente de l’air est apportée par une source extérieure (brûleurs...). Dans ce cas, le coût des brûleurs et de l’utilisation de gaz inflammable est également élevé. De plus, ces solutions sont polluantes.

Le brevet WO 2016/012764A1 décrit un échange de chaleur sans contact direct entre l’air chaud issu de la compression et un sel fondu par l’intermédiaire d’échangeurs de chaleur. L’air est réchauffé, avant sa détente, à l’aide du sel fondu chaud préalablement obtenu. Un tel système est aussi utilisé dans le brevet DE 10 2010 055 750 A1 où le fluide servant au transfert de la chaleur de la compression vers la détente est une solution d’eau saline à travers des échangeurs. L’utilisation de sels fondus ou de solution saline présentent un inconvénient pour la conception des équipements à cause du risque de corrosion. Par ailleurs, la mise en oeuvre de ces solutions utilisant des matériaux à changement de phase est complexe.

Le refroidissement de l’air peut se faire aussi à l’aide d’échangeurs dits à contact direct, qui peuvent être par exemple, des colonnes à garnissage, structuré ou en vrac, ou des colonnes à plateaux. L’air chaud est envoyé dans une colonne dans laquelle un liquide froid est envoyé à contre-courant de l’air. La chaleur de l’air va être transférée au fluide froid qui va se réchauffer au contact de l’air. En plus de la chaleur, des transferts de matières peuvent se produire lors du contact. Ces colonnes, de façon générale, contiennent des éléments permettant d’améliorer le contact entre la phase gazeuse (l’air) et la phase liquide (fluide froid) pour faciliter le transfert gaz-liquide. Ces éléments peuvent être par exemple des garnissages, structurés ou en vrac, ou des plateaux distributeurs équipés de cheminées. Il existe aussi des systèmes à contact direct basés sur des solides. Le brevet US 2016/0326958A1 décrit un système où le transfert de chaleur se fait par un contact direct avec des matériaux à changement de phase. Le brevet US201 1/0016864A1 utilise une technologie de transfert de chaleur à contact direct avec des sels fondus. Dans ce cas, les échanges de chaleur à contact direct se font sur la ligne de compression et sur la ligne de détente. Sur la ligne de compression, cela représente l’inconvénient de charger le gaz en liquide ou en solide, risquant d’endommager le reste du système. Par ailleurs, la mise en oeuvre de solutions utilisant des matériaux à changement de phase est complexe. Pour minimiser le coût de matériel, les mêmes équipements peuvent être utilisés pour le refroidissement de l’air chaud issu de la compression et le réchauffement de l’air avant détente car le procédé fonctionne de façon cyclique. Ce fait est décrit dans le brevet DE 10 2010 055 750 A1 pour la technologie sans contact direct et dans les brevets US 201 1/0016864A1 et US 2016/0326958A1 pour la technologie d’échange de chaleur à contact direct.

Les différentes solutions de l’état de l’art ne présentent pas de solution avec un rendement optimal, notamment en raison des échanges thermiques.

Pour remédier aux inconvénients précités de l’art antérieur, la présente invention concerne un système et un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé, amélioré par l’utilisation :

- d’au moins un échangeur de chaleur sans contact direct, sur la ligne de compression, en aval des moyens de compression ;

- d’au moins un échangeur de chaleur à contact direct, positionné sur la ligne de détente, en amont des moyens de détente.

L’utilisation d’un mix d’échangeurs de chaleur à contact direct et sans contact direct permet d’optimiser le rendement du 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 pour générer une énergie,

- 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.

Lesdits premier échangeurs de chaleur comportent au moins un échangeur de chaleur sans contact direct et au moins un second échangeur de chaleur est un échangeur à contact direct. Lesdits échangeurs de chaleur à contact direct et lesdits échangeurs de chaleur sans contact direct transfèrent de la chaleur entre ledit gaz et ledit liquide. Lesdits échangeurs de chaleur à contact direct et lesdits échangeurs de chaleur sans contact direct sont positionnés entre ledit moyen de stockage de liquide froid et le dit moyen de stockage de liquide chaud.

De préférence, ledit gaz est de l’air.

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

Selon un mode de mise en œuvre de l’invention, lesdits premiers échangeurs de chaleur sont tous des échangeurs de chaleur sans contact direct entre ledit liquide et ledit gaz.

Selon une variante de réalisation de l’invention, le système comporte au moins un échangeur de chaleur avec un lit fixe de particules de stockage de chaleur, ledit échangeur de chaleur avec lit fixe de particules de stockage de chaleur étant configuré pour être à la fois un premier et un second échangeur de chaleur.

Selon une variante de l’invention, lesdits seconds échangeurs de chaleur sont tous des échangeurs de chaleur à contact direct entre ledit liquide et ledit gaz.

Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits seconds échangeurs de chaleur comportent des échangeurs de chaleur à contact direct et des échangeurs de chaleur sans contact direct, lesdits seconds échangeurs de chaleur à contact directs étant positionnés parmi les derniers échangeurs de chaleur.

Selon un mode de réalisation de l’invention, les échangeurs de chaleurs sans contact direct sont des échangeurs à plaques, soudées ou non et/ou des échangeurs tubes/calandres

Selon un variante de l’invention, les échangeurs de chaleur à contact direct sont des colonnes à garnissage et/ou des colonnes à plateaux.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le système comporte au moins un moyen de séparation dudit gaz et dudit liquide, ledit moyen de séparation étant positionné après au moins un premier échangeur de chaleur.

De manière avantageuse, plusieurs moyens de compression de gaz et/ou plusieurs moyens de détente dudit gaz sont utilisés, de préférence au moins 3.

De manière préférée, plusieurs premiers échangeurs de chaleur sont utilisés, de préférence au moins un premier échangeur de chaleur après chacun desdits moyens de compression.

Avantageusement, 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.

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 stocke ledit gaz comprimé refroidi ;

d) 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 ;

e) On détend ledit gaz comprimé.

Au moins un échange de chaleur réalisé à l’étape b) se fait sans contact direct entre le liquide et le gaz et au moins un échange de chaleur réalisé à l’étape d) se fait au moins partiellement par un contact direct entre le liquide et le gaz.

Avantageusement, ledit gaz est de l’air.

Préférentiellement, ledit liquide est de l’eau.

Préférentiellement, entre l’étape b) et l’étape c), on réalise l’étape b bis) qui consiste à séparer ledit gaz comprimé refroidi et ledit liquide condensé et on stocke ledit liquide condensé.

De manière avantageuse, au moins une des étapes a), b) et/ou b bis) est réalisée plusieurs fois avant de passer à l’étape suivante.

Préférentiellement, au moins une des étapes d) et e) est réalisée plusieurs fois.

Selon une variante du procédé selon l’invention, chaque échange de chaleur de la phase d) entre ledit liquide et ledit gaz se fait par un contact direct entre le liquide et le gaz.

Selon une mise en œuvre du procédé selon l’invention, les échanges de chaleur de la phase d) entre le liquide et le gaz se font par des échangeurs de chaleur à contact direct et par des échangeurs de chaleur sans contact direct, les échangeurs de chaleur à contact direct étant positionnés parmi les derniers échangeurs de chaleur.

Selon une variante du procédé, au moins un échange de chaleur de l’étape b) et au moins un échange de chaleur de l’étape d) sont remplacés par un échange de chaleur entre un lit fixe de particules de stockage de chaleur et ledit gaz, la chaleur dudit gaz comprimé étant stockée dans lesdites particules de stockage de chaleur lors d’au moins une étape b), la chaleur stockée desdites particules de stockage de chaleur étant restituée au gaz comprimé lors d’au moins une étape d).

Selon une variante du procédé selon l’invention, l’échange de chaleur sans contact direct de l’étape b) se fait au moyen d’au moins un échangeur à plaques, soudées ou non ou d’au moins un échangeur tubes/calandres

Selon un mode de mise en œuvre du procédé selon l’invention, l’échange de chaleur à contact direct de l’étape d) se fait au moins partiellement à travers une colonne à garnissage ou une colonne à plateaux. 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

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

- 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, le premier échangeur de chaleur étant situé en aval du moyen de compression du gaz comprimé et permettant de refroidir le gaz après sa compression ;

- au moins un second échangeur de chaleur, le second échangeur de chaleur étant positionné en amont du moyen de détente du gaz comprimé et permettant de réchauffer le gaz avant sa détente, afin de faire fonctionner le moyen de détente à une température permettant un rendement optimal ;

- au moins un moyen de stockage d’un liquide froid et au moins un moyen de stockage du liquide chaud, ces moyens permettant l’utilisation de liquide froid pour au moins un premier échangeurs de chaleur et l’utilisation de liquide chaud pour au moins un second échangeur de chaleur. Les premiers échangeurs de chaleur comportent au moins un échangeur de chaleur sans contact direct, d’une part de manière à optimiser la récupération thermique et d’autre part à limiter les risques de présence de liquide dans le gaz. En effet, les échangeurs de chaleur sans contact direct ne permettent pas d’échanges de matière entre le liquide et le gaz. Ainsi, les seules traces de liquide qui pourraient être éventuellement présentes dans le gaz sont liées à la condensation. L’utilisation d’échangeurs de chaleur à contact direct pour les premiers échangeurs de chaleur pourrait entraîner un partie du liquide caloporteur dans le gaz, liquide qui s’ajouterait à la condensation. Ainsi, des moyens de séparation du liquide et du gaz seraient fortement utiles, compte tenu de la quantité d’eau importante qui serait alors intégrée au gaz.

Par ailleurs, au moins un second échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur à contact direct. Utiliser un échangeur de chaleur à contact direct dans la ligne de détente est intéressant, en termes de performances du système. En effet, en utilisant ce type d’échangeurs, des échanges de matière se produisent entre le gaz et le liquide : une partie du liquide est alors dissous dans le gaz, augmentant ainsi sa masse volumique et le débit massique du gaz. Ces caractéristiques permettent d’augmenter le rendement au niveau du moyen de détente.

Les échangeurs de chaleur à contact direct et les échangeurs de chaleur sans contact direct transfèrent de la chaleur entre le gaz et le liquide. Ces échangeurs permettent de bonnes performances thermiques et simples à mettre en œuvre. Par ailleurs, les pertes de charges générées par ces systèmes sont relativement faibles. Les échangeurs de chaleur à contact direct et les échangeurs de chaleur sans contact direct sont positionnés entre le moyen de stockage de liquide froid et le moyen de stockage de liquide chaud. De cette manière, le liquide est stocké chaud et froid, en vue de ces utilisations ultérieures.

De manière préférée, le gaz peut être de l’air, et préférentiellement, de l’air prélevé dans le milieu ambiant. Ainsi, les coûts liés à la mise en production, au conditionnement et à la logistique du gaz sont éliminés.

Préférentiellement, le liquide peut être de l’eau. En effet, l’eau est un fluide caloporteur à faible coût, ce qui représente un excellent compromis.

Selon une mise en œuvre du système selon l’invention, les premiers échangeurs de chaleur peuvent tous être des échangeurs de chaleur sans contact direct entre le liquide et le gaz. Ainsi, le système est simplifié par une seule technologie d’échangeurs de chaleur à utiliser sur la ligne de compression.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le système comporte au moins un échangeur de chaleur avec un lit fixe de particules de stockage de chaleur. Cet échangeur de chaleur avec un lit fixe de particules de stockage de chaleur, dit Thermocline, est alors configuré pour être à la fois un premier et un second échangeur de chaleur. Dans cet échangeur, le gaz et les particules de stockage de chaleur échangent de la chaleur directement et le gaz circule à travers le lit fixe de particules de stockage de chaleur. En effet, le lit de particules étant fixe, la chaleur issue du gaz comprimé chaud et absorbée par les particules de stockage est ensuite restituée par ces mêmes particules de stockage, au gaz qui circule dans l’échangeur. Autrement dit, l’échangeur sert ici, à la fois comme premier et comme second échangeur de chaleur. Cela permet de simplifier le système et de réduire le coût, en limitant le nombre d’échangeurs, en limitant les tuyauteries et systèmes de vannage/pompage nécessaires aux technologies d’échangeurs entre un gaz et un autre fluide (échangeurs de chaleur à contact direct et échangeurs de chaleur sans contact direct par exemple). Par ailleurs, les particules de stockage de chaleur peuvent être réalisées à partir de matériaux peu onéreux.

Selon une variante de l’invention, les seconds échangeurs de chaleur peuvent tous être des échangeurs de chaleur à contact direct entre le liquide et le gaz. Cette mise en œuvre permet de simplifier la ligne de détente par une seule technologie d’échangeur de chaleur sur cette ligne de détente, c’est-à-dire proche de la sortie finale de l’air.

Selon une autre variante de l’invention, les seconds échangeurs de chaleur peuvent comporter des échangeurs de chaleur à contact direct et des échangeurs de chaleur sans contact direct. Dans cette variante, les seconds échangeurs de chaleur à contact direct sont positionnés de préférence, parmi les derniers échangeurs de chaleur de la ligne de détente, de préférence aux derniers étages de la ligne de détente. De cette manière, on peut trouver un meilleur compromis entre le rendement thermique et le transfert de matière permettant d’augmenter le débit massique du gaz avant l’entrée dans les moyens de détente.

Selon un mode de réalisation de l’invention, les échangeurs de chaleurs sans contact direct peuvent être des échangeurs à plaques, soudées ou non et/ou des échangeurs tubes/calandres.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, les échangeurs de chaleur à contact direct peuvent être des colonnes à garnissage, structuré ou en vrac, et/ou des colonnes à plateaux.

Selon une mise en œuvre de l’invention, le système peut comporter au moins un moyen de séparation du gaz et du liquide. Le moyen de séparation peut être placé après au moins un premier échangeur de chaleur afin d’éliminer les traces de condensation qui pourraient se produire lors du refroidissement du gaz, traces qui pourraient endommager les autres équipements du système et notamment les prochains étages de compression.

De manière avantageuse, plusieurs moyens de compression de gaz et/ou plusieurs moyens de détente du gaz peuvent être utilisés, de préférence au moins trois. En utilisant des moyens de compression et/ou de détente étagés, le rendement et les performances du système sont améliorés.

Selon une mise en oeuvre de l’invention, plusieurs premiers échangeurs de chaleur peuvent être utilisés, de préférence au moins un premier échangeur de chaleur après chaque moyen de compression. Ainsi, la température du gaz est refroidie avant le stockage du gaz comprimé ou avant son entrée dans le prochain moyen de compression. S’il est stocké, la température de stockage plus faible induit des coûts de stockage plus faibles. S’il rentre dans un prochain moyen de compression, le rendement de ce moyen de compression est meilleur lorsque la température est abaissée.

De préférence, plusieurs moyens de séparation peuvent être utilisés, de préférence, au moins un moyen de séparation après chaque premier échangeur de chaleur. Ainsi, les traces de condensation qui pourraient se produire lors du refroidissement du gaz sont éliminés, évitant ainsi d’endommager le reste du système et notamment les prochains étages de compression.

De manière avantageuse, plusieurs seconds échangeurs de chaleur peuvent être utilisés, de préférence au moins un second échangeur de chaleur en amont de chaque moyen de détente. De cette manière, la température du gaz est augmentée en amont du moyen de détente, évitant ainsi des températures trop faibles et néfastes en sortie du moyen de détente. De plus, plus la température est élevée, plus le gaz contient d’énergie et donc plus la restitution d’énergie est élevée.

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 stocke le gaz comprimé refroidi ;

d) 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 ;

e) On détend le gaz comprimé.

Dans cette mise en oeuvre, au moins un échange de chaleur réalisé à l’étape b) se fait, sans contact direct entre le liquide et le gaz. Ainsi, le rendement thermique de récupération de chaleur est optimisé et aucun transfert de masse entre le liquide et le gaz ne peut se faire. On évite ainsi d’ajouter du liquide à l’eau de condensation qui se forme dans le gaz.

De plus, au moins un échange de chaleur réalisé à l’étape d) se fait par un contact direct entre le liquide et le gaz. En utilisant ce type d’échange de chaleur, on récupère une partie du liquide dans le gaz, ce qui permet d’augmenter le débit massique du gaz et ainsi d’augmenter la performance des moyens de détente.

De manière avantageuse, le gaz peut être de l’air, et préférentiellement, de l’air prélevé dans le milieu ambiant. Ainsi, les coûts liés à la mise en production, au conditionnement et à la logistique du gaz sont éliminés.

De manière préférée, le liquide peut être de l’eau. En effet, l’eau est un fluide caloporteur à faible coût, ce qui représente un excellent compromis.

Selon un mode de réalisation de l’invention, entre l’étape b) et l’étape c), on peut réaliser l’étape b bis) qui consiste à séparer le gaz comprimé refroidi et le liquide condensé et on peut stocker le liquide condensé (étape b bis) entre l’étape b) et l’étape c). Ainsi, on peut éliminer les traces de liquide condensé qui pourrait se former au cours du refroidissement du gaz lors de l’étape b).

Selon une variante de l’invention, au moins une des étapes a), b) et b bis) (par exemple, plusieurs fois l’étape a) ou plusieurs fois les étapes a) et b) ou plusieurs fois les étapes a), b) et b bis)) peut être réalisée plusieurs fois avant de passer à l’étape suivante. Ainsi, les performances du procédé sont améliorées par la possibilité d’étager ces différentes étapes.

Selon une autre variante de l’invention, au moins une des étapes d) et e) peut être réalisée plusieurs fois (par exemple, plusieurs fois l’étape d) ou plusieurs fois les étapes d) et e). De cette manière, on étage les moyens de détente permettant ainsi de maximiser le rendement de récupération d’énergie et/ou on réchauffe le gaz en plusieurs étapes, par exemple avant chaque étape de détente, afin que la température du gaz à l’entrée du moyen de détente soit proche d’une valeur optimale.

Selon une mise en œuvre de l’invention, chaque échange de chaleur de la phase d) entre le liquide et le gaz peut se faire par un contact direct entre le liquide et le gaz. De cette manière, on simplifie la ligne de détente, en utilisant une seule technologie d’échangeurs sur cette ligne.

Selon une variante de réalisation de l’invention, les échanges de chaleur de la phase d) entre le liquide et le gaz peuvent se faire à travers des échangeurs de chaleur à contact direct et à travers des échangeurs de chaleur sans contact direct, les échangeurs de chaleur à contact direct étant positionnés parmi les derniers échangeurs de chaleur, de préférence lors des dernières étapes de détente. De cette manière, on optimise la récupération de chaleur, par l’utilisation d’échanges de chaleur sans contact direct puis on maximise l’augmentation du débit massique en entrée des moyens de compression, et donc de leur rendement, par les échanges de chaleur à contact direct. Cette configuration est un compromis optimal permettant de maximiser le rendement global du système.

Selon une mise en œuvre du procédé selon l’invention, au moins un échange de chaleur de l’étape b) et au moins un échange de chaleur de l’étape d) peuvent être remplacés par un échange de chaleur entre un lit fixe de particules de stockage de chaleur et le gaz. Par exemple, la ligne de compression peut comprendre au moins un échangeur de chaleur sans contact direct entre le liquide et le gaz et au moins un échangeur de chaleur, de type Thermocline, entre un lit fixe de particules de stockage de chaleur et le gaz ; la ligne de détente peut, par exemple, comprendre au moins un échangeur de chaleur à contact direct entre le liquide et le gaz et au moins un échangeur de chaleur de type Thermocline entre un lit fixe de particules de stockage de chaleur et le gaz, cet échangeur type Thermocline étant confondu avec celui de la ligne de compression. Dans les échangeurs de chaleur de type Thermocline, la chaleur du gaz comprimé est stockée dans les particules de stockage de chaleur, lors d’au moins une étape b). La chaleur ainsi stockée dans les particules de stockage de chaleur est ensuite restituée au gaz comprimé, lors d’au moins une étape d). Le lit de particules étant fixe, pour stocker ou restituer la chaleur dans les particules de chaleur, il est nécessaire de faire circuler le gaz. Ainsi, si un échangeur de chaleur de type Thermocline est utilisé sur la ligne de compression, il est aussi utilisé sur la ligne de détente. L’utilisation de ce type d’échangeur présente l’avantage d’être simple à mettre en œuvre et de diminuer les coûts, en limitant le nombre d’échangeurs de chaleur, un même échangeur étant utilisé comme premier et second échangeur de chaleur, en limitant les tuyauteries et systèmes de vannage/pompage nécessaires aux échanges de type gaz/liquide (échangeurs de chaleur à contact direct et échangeur de chaleur sans contact direct). Par ailleurs, les particules de stockage de chaleur peuvent être réalisées à partir de matériaux peu onéreux.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’échange de chaleur sans contact direct de l’étape b) peut se faire au moyen d’au moins un échangeur à plaques, soudées ou non et/ou d’au moins un échangeur tubes/calandres.

Selon une variante de réalisation de l’invention, l’échange de chaleur à contact direct de l’étape d) peut se faire, au moins partiellement, à travers une colonne à garnissage, structuré ou en vrac, et/ou une colonne à plateaux.

D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du système 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 modes 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.

Compte tenu de ces quantités d’eau importantes, on vide régulièrement l’eau stockée dans 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 , on vide régulièrement l’eau de condensation stockée dans 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 envoyé 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.

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.

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, 52 900 kg/h, après détente finale est relâché dans l’atmosphère (flux 50) à une pression de 1.02 bar et une température de 43°C.

L’eau chaude ayant servie aux différents réchauffements de l’air à travers les échangeurs E-106, E-107, E-201 et C-208 et stocké dans le moyen de stockage de liquide froid T-406 est à une température finale de 84.2°C. Avant d’être recyclée, cette eau aura besoin d’être refroidie soit par un échangeur à eau soit avec un refroidisseur à air. La puissance de refroidissement nécessaire est à 2.7 MW thermique, soit une puissance électrique consommée de 29 kW électrique.

La puissance électrique produite par les détentes successives est égale à 5.7 MW électrique.

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

Les exemples 4 et 5, selon l’invention, montrent un gain d’électricité produite, par rapport aux exemples 1 à 3 de l’art antérieur, alors que la puissance de refroidissement requise est fortement abaissée. Les exemples 1 à 3 de l’art antérieur nécessitent entre 4.2 et 5.5 MW de puissance de refroidissement alors que les exemples 4 et 5 selon l’invention n’en nécessitent qu’entre 2.7 et 3.3 MW. Le rendement global du système selon l’invention est donc nettement amélioré, par rapport aux systèmes de l’art antérieur, d’une part, par l’augmentation de l’électricité produite et d’autre part, par la réduction de la puissance de refroidissement requise.

La configuration de l’exemple 5 est particulièrement intéressante car il représente le meilleur rendement avec à la fois, la plus grande électricité produite et la plus faible puissance de refroidissement requise. Ce résultat s’explique par :

- la récupération de liquide dans le gaz, sur la ligne de détente, qui permet d’augmenter le débit massique du gaz en entrée de turbines ;

- un bon compromis entre utilisation d’échangeurs à contact direct et sans contact direct, sur la ligne de détente, notamment en utilisant les échangeurs à contact direct parmi les derniers échangeurs de la ligne de détente, au niveau des derniers étages de détente. Cela permet de maximiser la récupération d’énergie thermique et d’augmenter le débit massique du gaz ;

- l’utilisation d’échangeurs sans contact direct sur la ligne de compression pour limiter la récupération de liquide sur la ligne de détente.