THERMIQUE A LA DETENTE

Domaine technique

La présente invention concerne le domaine technique du stockage et de la récupération d’énergie par gaz comprimé, notamment d’air comprimé.

Alors que les objectifs énergétiques mondiaux visent à favoriser les énergies renouvelables afin d’augmenter progressivement la proportion des énergies renouvelables dans le mix énergétique, le caractère variable et intermittent de ces énergies renouvelables demeure leur inconvénient majeur. Pour répondre à cette problématique, le stockage d’énergie apparait comme une solution très avantageuse. En stockant le surplus d’énergie produit au pic de production afin d’en disposer lorsque celle-ci devient inférieure à la demande, le stockage permet de s’affranchir de la contrainte de variabilité et apporte une flexibilité, voire une continuité, aux énergies renouvelables. Ainsi, le besoin en procédé et en système de stockage d’énergie devrait s’accroître dans les prochaines années, avec la proportion des énergies renouvelables dans le mix mondial.

De nombreuses technologies de stockage existent à l’heure actuelle comme les stockages de type mécanique tels que les Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) utilisant l’hydroélectricité produite par deux réservoirs d’eau situés à différentes altitudes. En phase de stockage d’électricité, l’eau du réservoir inférieur est pompée vers le réservoir supérieur et stockée à cette altitude. Lorsque la demande en électricité augmente, l’eau du réservoir supérieur est renvoyée vers le réservoir inférieur en passant par une turbine hydraulique qui va alors générer, via un alternateur, de l’électricité. Les barrages hydroélectriques fonctionnent également sur le même concept : le barrage retient l’eau à une altitude plus importante en amont qu’en aval et lorsque la demande en électricité augmente, le barrage libère l’eau en la faisant passer par des turboalternateurs hydrauliques produisant l’électricité.

Des technologies de type électrochimique peuvent être également utilisées pour le stockage d’énergie telles que les batteries lithium-ion, plomb-acide ou encore nickel-cadmium, ou bien des batteries à circulation par exemple utilisant des électrolytes.

Le stockage et la récupération d’énergie par air comprimé, connu sous le nom de CAES (de l’anglais « Compressed Air Energy Storage ») est une technologie pour laquelle une première installation a été construite en Allemagne fin des années 1970, d’une puissance de 290 MW. Le principe de cette technologie est d’utiliser l’électricité produite et non consommée pour comprimer un gaz, typiquement, de l’air. Afin d’éviter tout dommage sur les compresseurs, la chaleur résultant de la compression est évacuée entre chaque étage. L’air comprimé à moyenne ou haute pression (40 bar à 300 bar) est envoyé dans un stockage de type naturel tel qu’une cavité saline, une mine (sel, calcaire, charbon) ou encore dans un stockage artificiel en attendant la phase de décharge de l’énergie. Lors de la phase de production d’électricité, l’air stocké est extrait du stockage afin d’être détendu dans des turboalternateurs.

Une variante de la technologie CAES est le procédé adiabatique, également appelé AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage »). La différence principale avec le CAES est que la chaleur résultant de la compression n’est plus seulement évacuée entre chaque étage, c’est-à-dire perdue, mais stockée afin de pouvoir réchauffer l’air en amont des turbines en phase de récupération d’énergie. Grâce à cette réutilisation de l’énergie thermique interne au procédé, le rendement de l’AACAES peut atteindre environ 70% au lieu d’environ 50% pour le procédé CAES. Le refroidissement de l’air en phase de compression peut se faire dans un échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur chaud sera alors stocké afin de pouvoir céder sa chaleur à l’air lors de la phase de détente.

Technique antérieure

Une première solution pour limiter l’endommagement des compresseurs est d’extraire l’eau de la ligne de compression, au moyen d’un séparateur gaz/liquide prévu à chaque étage de compression. La figure 6 de l’art antérieur illustre, schématiquement sous la forme de schéma bloc, un tel système et procédé AACAES. Sur cette figure, sont représentées la phase de stockage d’énergie par compression d’un gaz, et la phase de production d’énergie par détente d’un gaz. Le système selon l’art antérieur se compose d’une ligne de compression 1 , incluant un ou plusieurs étages de compression 3 en fonction de la pression de l’air à atteindre ainsi que des recommandations des fournisseurs. Dans le mode de réalisation illustré, la ligne de compression 1 comprend trois étages de compression 3. Chaque étage de compression 3 comporte un moyen de compression 100, 101 , 102, appelé également compresseur. Le compresseur 100 est un compresseur basse pression, le compresseur 101 est un compresseur moyenne pression, et le compresseur 102 est un compresseur haute pression. Le gaz utilisé dans le procédé illustré est de l’air ambiant, contenant une saturation en eau liée à sa température et sa pression. Durant la phase de stockage d’énergie, l’air est comprimé dans la ligne de compression 1 puis envoyé dans un moyen de stockage d’air comprimé 500 adapté aux hautes pressions. Des moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 , 202 sont disposés après chaque compresseur 100, 101 , 102 de chaque étage de compression 3 afin de refroidir l’air comprimé chaud en sortie de compression tout en stockant cette énergie thermique. Le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 est adapté à la basse pression, le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 est adapté à la moyenne pression et le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 est adapté à la haute pression. Des moyens de refroidissement 600, 601 , 602 peuvent être disposés à la suite des moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 , 202 si nécessaire afin de finir le refroidissement de l’air comprimé avant le prochain étage de compression ou avant son stockage. Une fois l’air refroidi et avant l’étage de compression suivant, l’eau condensée, issue de l’humidité de l’air, est extraite du flux de compression d’air par des séparateurs gaz- liquide S1 , S2, S3 afin d’avoir en entrée de compresseur un air sans aucune trace d’eau liquide. Cette condensation de l’eau peut avoir lieu dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 , 202 et/ou dans les moyens de refroidissement 600, 601 , 602. Durant la phase de production d’énergie, l’air comprimé est détendu via une ou plusieurs turbines 300, 301 , 302 ou étage de détente, selon les recommandations des fournisseurs, afin de produire de l’électricité via des alternateurs, non représentés sur le schéma. La turbine 302 est une turbine basse pression, la turbine 301 est une turbine moyenne pression et la turbine 300 est une turbine haute pression. Pour ce système et ce procédé, l’eau condensée est juste extraite, l’énergie associée est donc perdue.

La demande de brevet WO2016/079485 concerne un système de stockage et de récupération d’énergie dans lequel la chaleur fatale en sortie de la dernière turbine est utilisée pour réchauffer l’air en amont de la première turbine. Ce système laisse néanmoins une quantité d’énergie perdue en sortie de l’échangeur de chaleur destiné à réchauffer l’air en amont de la première turbine.

Le but de l’invention est d’améliorer les performances de stockage et de récupération d’énergie d’un système par air comprimé.

Ce but est atteint par un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :

- une ligne de compression de gaz avec au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant un moyen de compression et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur en aval, dans le sens de circulation du gaz, du moyen de compression,

- un moyen de stockage de gaz comprimé situé en sortie de la ligne de compression de gaz pour stocker le gaz comprimé,

- une ligne de détente pour détendre du gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé, la ligne de détente comprenant au moins deux étages de détente successifs, chaque étage de détente comprenant des conduites et un moyen de détente, les conduites étant configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur d’un étage de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant le moyen de détente. De plus, la ligne de détente comprend au moins un moyen de circulation pour faire circuler le gaz détendu sortant du premier étage de détente, dans le sens de circulation du gaz dans la ligne de détente, dans un premier moyen d’échange de chaleur situé sur le premier étage de détente, le premier moyen d’échange de chaleur étant conçu pour réchauffer le gaz au préalable du passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur dans lequel circule le gaz comprimé du premier étage de détente et avant que le gaz comprimé ne soit envoyé vers l’étage de détente suivant de la ligne de détente. De manière surprenante, en utilisant le gaz sortant du premier étage de détente pour réchauffer le gaz en amont de cet étage avant de diriger ce gaz vers le deuxième étage de détente, les performances de récupération d’énergie sont accrues.

L’invention concerne aussi un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :

- En phase de stockage d’énergie : a) on comprime au moins une fois un gaz dans une ligne de compression comprenant au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant au moins un moyen de compression ; b) après chaque étape de compression, on récupère la chaleur du gaz comprimé dans au moins un moyen de stockage et de récupération de la chaleur ; c) on stocke le gaz comprimé refroidi dans un moyen de stockage de gaz comprimé.

- En phase de récupération d’énergie : d) on fait circuler le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans une ligne de détente d’au moins deux étages de détente, et dans chaque étage de détente, on réchauffe le gaz comprimé grâce à la chaleur stockée lors de l’étape de compression en le faisant circuler dans un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur puis on détend le gaz comprimé réchauffé dans un moyen de détente ; et on utilise la chaleur d’au moins une partie du gaz détendu en sortie du moyen de détente du premier étage de détente pour réchauffer le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans un premier moyen d’échange de chaleur positionné en amont du moyen de stockage et de récupération de la chaleur.

Résumé de l’invention

L’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant : - une ligne de compression de gaz avec au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant un moyen de compression et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur en aval, dans le sens de circulation du gaz, dudit moyen de compression,

- au moins un moyen de stockage de gaz comprimé situé en sortie de la ligne de compression de gaz pour stocker le gaz comprimé,

- une ligne de détente pour détendre du gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé, la ligne de détente comprenant au moins deux étages de détente successifs, chaque étage de détente comprenant des conduites et un moyen de détente, les conduites étant configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur des étages de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant le moyen de détente. De plus, la ligne de détente comprend au moins un moyen de circulation pour faire circuler le gaz détendu sortant du premier étage de détente, dans le sens de circulation du gaz dans la ligne de détente, dans un premier moyen d’échange de chaleur situé dan le premier étage de détente, le premier moyen d’échange de chaleur étant conçu pour réchauffer le gaz au préalable du passage du gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur dans lequel circule le gaz comprimé du premier étage de détente et avant que le gaz comprimé refroidi ne soit envoyé vers l’étage de détente suivant de la ligne de détente.

De préférence, ledit moyen de stockage et de récupération de la chaleur comprend des particules de stockage de la chaleur.

Avantageusement, ladite ligne de compression comprend autant d’étages de compression que la ligne de détente comprend d’étages de détente, chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur d’un étage de compression étant utilisé dans l’étage de détente à la pression correspondante.

Selon un mode de réalisation préféré, la ligne de détente et la ligne de compression comprennent chacune trois étages.

Selon une mise en oeuvre de l’invention, au moins un étage de compression comprend un moyen de refroidissement en aval du moyen de stockage et de récupération de chaleur, de préférence, ledit moyen de refroidissement comprenant un aéro-réfrigérant.

Selon un mode de réalisation de l’invention, au moins un étage de compression comprend un moyen de séparation pour séparer le gaz comprimé d’une phase liquide avant que le gaz comprimé n’atteigne l’étage de compression suivant ou le moyen de stockage de gaz comprimé, chaque étage de compression comprenant un moyen de stockage de liquide pour stocker ladite phase liquide à la pression de l’étage de compression.

De préférence, au moins un étage de détente comprend un moyen de mélange pour mélanger audit gaz comprimé ladite phase liquide sortant d’un des moyens de stockage de liquide des étages de compression avant ledit premier moyen d’échange de chaleur et/ou avant le moyen de stockage et de récupération de chaleur.

Selon une configuration avantageuse de l’invention, ledit moyen de mélange est positionné en amont dudit premier moyen d’échange de chaleur sur le premier étage de détente et en amont du moyen de stockage et de récupération de chaleur sur les autres étages de détente.

Avantageusement, la ligne de détente comprend une ligne de récupération de chaleur pour faire circuler le gaz détendu en sortie du dernier étage de détente, dans le sens de circulation du gaz dans la ligne de détente, dans un deuxième moyen d’échange de chaleur situé sur le deuxième étage de détente, en amont du moyen de stockage et de récupération de chaleur du deuxième étage de détente.

En outre, l’invention concerne un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :

- En phase de stockage d’énergie : a) on comprime au moins une fois un gaz dans une ligne de compression comprenant au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant au moins un moyen de compression ; b) après chaque étape de compression, on récupère la chaleur dudit gaz comprimé dans au moins un moyen de stockage et de récupération de la chaleur ; c) on stocke le gaz comprimé refroidi dans un moyen de stockage de gaz comprimé.

- En phase de récupération d’énergie : d) on fait circuler le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans une ligne de détente d’au moins deux étages de détente, et dans chaque étage de détente, on réchauffe le gaz comprimé en le faisant circuler dans un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur grâce à la chaleur stockée lors de l’étape de compression puis on détend le gaz comprimé réchauffé dans un moyen de détente ; de plus, on utilise la chaleur d’au moins une partie du gaz détendu en sortie du moyen de détente du premier étage de détente pour réchauffer le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans un premier moyen d’échange de chaleur positionné en amont du moyen de stockage et de récupération de la chaleur.

De préférence, on réalise autant d’étapes de compression que d’étapes de détente, et on utilise le moyen de stockage et de récupération de la chaleur de chacune des étapes b) pour réchauffer le gaz comprimé de l’étape de détente à la pression correspondante.

Avantageusement, on récupère la chaleur du gaz comprimé par des particules de stockage de la chaleur. Selon un mode de réalisation de l’invention, après chaque étape de récupération de la chaleur, on refroidit le gaz comprimé en sortie du moyen de stockage et de récupération de la chaleur dans un moyen de refroidissement avant que le gaz ne soit envoyé dans l’étape de compression suivante ou dans le moyen de stockage de gaz comprimé.

Préférentiellement, on récupère la chaleur du gaz détendu en sortie du dernier étage de détente pour réchauffer le gaz comprimé entrant dans le deuxième étage de détente, en amont du moyen de stockage et de récupération de la chaleur du deuxième étage de détente.

Selon une configuration de l’invention, on sépare le gaz comprimé d’une phase liquide qu’il contient dans un moyen de séparation, avant que le gaz comprimé ne soit envoyé dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage du gaz comprimé, le liquide sortant de chaque moyen de séparation étant stocké à la pression dans laquelle il se trouve dans un moyen de stockage de liquide.

Selon une mise en oeuvre préférée de l’invention, dans chaque étage de détente, on injecte le liquide stocké d’un moyen de stockage de liquide, et on le mélange au gaz comprimé, avant chaque étape de réchauffage.

Liste des figures

D'autres caractéristiques et avantages du système et/ou 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 représente un premier mode de réalisation de l’invention.

La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation de l’invention.

La figure 3 représente un troisième mode de réalisation de l’invention.

La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation de l’invention.

La figure 5 représente un cinquième mode de réalisation de l’invention.

La figure 6 illustre un système de stockage et de récupération de chaleur selon l’art antérieur.

Description des modes de réalisation

La présente invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. Il comprend notamment :

- une ligne de compression de gaz avec au moins un étage de compression, la compression du gaz permettant de stocker de l’énergie, cette énergie pouvant être récupérée aisément ultérieurement par exemple en faisant passer le gaz comprimé dans une turbine. Une ligne de compression est une ligne permettant de faire circuler le gaz depuis une entrée jusqu’à au moins un moyen de stockage du gaz comprimé. De ce fait, la ligne de compression peut comprendre plusieurs étages de compression montés en série (étages de compression successifs). Chaque étage de compression comprend un moyen de compression (une pompe ou un compresseur par exemple) et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur en aval, dans le sens de circulation du gaz, du moyen de compression. Par exemple, les compresseurs peuvent être des compresseurs axiaux ou centrifuges.

De ce fait, dans chaque étage de compression, on peut comprimer le gaz puis on peut récupérer la chaleur induite par la compression du gaz de manière à améliorer les performances de récupération d’énergie du système. De plus, l’utilisation d’un moyen de stockage et de récupération de la chaleur après chaque moyen de compression permet de refroidir le gaz comprimé avant chaque étage de compression suivant, permettant d’assurer l’intégrité du moyen de compression suivant en évitant une détérioration possible de celui-ci en cas de température trop élevée et d’améliorer le rendement de la phase de compression. De plus, cela permet de stocker la chaleur induite par chaque étage de compression, à une température dépendante de chaque moyen de compression. Chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur est adapté à la pression de chaque étage de compression sur lequel il est installé.

- au moins un moyen de stockage de gaz comprimé (un réservoir de stockage par exemple) situé en sortie de la ligne de compression de gaz pour stocker le gaz comprimé, en attente d’un besoin énergétique ultérieure.

- une ligne de détente pour détendre le gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé. La ligne de détente comprend au moins deux étages de détente successifs, c’est-à-dire montés en série. On entend par « ligne de détente » une ligne permettant de faire circuler le gaz comprimé depuis le moyen de stockage de gaz comprimé vers une sortie en passant par des étages de détente en série. Chaque étage de détente comprend des conduites et un moyen de détente (une turbine par exemple, la turbine pouvant être couplée à une génératrice électrique, aussi appelé alternateur, pour générer de l’électricité), les conduites étant configurées pour faire circuler le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé (pour le premier étage de détente) ou de l’étage de détente précédent, dans au moins un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur des étages de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant son passage dans le moyen de détente associé à cet étage de détente. Réchauffer le gaz comprimé avant chaque moyen de détente permet d’optimiser le rendement de la phase de détente. De plus, en utilisant un moyen de stockage et de récupération de chaleur utilisé sur la ligne de compression, le réchauffage du gaz est possible par la récupération de la chaleur stockée à la compression et ne nécessite donc pas de source d’énergie supplémentaire.

De plus, la ligne de détente comprend au moins un moyen de circulation pour faire circuler le gaz détendu sortant du premier étage de détente, dans le sens de circulation du gaz dans la ligne de détente, dans un premier moyen d’échange de chaleur situé dans le premier étage de détente. Ce premier moyen d’échange de chaleur (un échangeur de chaleur à tubes/calandres, spiralés ou à plaques par exemple, à contact indirect entre le fluide arrivant froid et le fluide arrivant chaud de manière à éviter tout échange entre le gaz froid sortant du moyen de stockage de gaz et le gaz chaud sortant du moyen de détente) est configuré pour préchauffer le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé, avant son passage dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur dans lequel circule le gaz comprimé du premier étage de détente. Le gaz comprimé sortant du premier moyen de détente et passant dans le premier moyen d’échange de chaleur ressort refroidi avant d’être envoyé vers l’étage de détente suivant (le deuxième étage de détente) de la ligne de détente. Utiliser la chaleur du gaz en sortie du premier étage de détente pour réchauffer le gaz le plus frais en sortie du moyen de stockage de compression permet de diminuer les dimensions du moyen de stockage et de récupération de la chaleur du premier étage de détente, qui est le moyen de stockage et de récupération de la chaleur qui possède les contraintes de pression les plus élevées, par conséquent, il s’agit du moyen de stockage et de récupération de la chaleur le plus onéreux.

De plus, de manière surprenante, réchauffer le gaz avec le gaz en sortie du premier étage de détente plutôt que d’envoyer le gaz sortant du premier étage de détente directement vers le deuxième étage de détente permet d’améliorer les performances de récupération d’énergie du système et de diminuer les dimensions du moyen de stockage et de récupération de la chaleur.

Conformément à un mode de réalisation de l’invention, le gaz peut être de l’air. Il peut s’agir de l’air prélevé dans le milieu ambiant. En variante, il peut comporter d’autres gaz.

Selon un aspect de l’invention, le liquide peut être de l’eau. Il peut s’agir notamment de l’humidité présente dans le gaz, en particulier quand le gaz est de l’air. En variante, il peut comporter d’autres liquides.

Le premier moyen d’échange de chaleur est distinct du ou des moyens de stockage et de récupération de la chaleur de manière à améliorer les performances de réchauffage du gaz comprimé en amont de la turbine.

De préférence, à chaque étage de détente, le gaz comprimé peut circuler dans un moyen de stockage et de récupération de chaleur différent issu d’un étage de compression différent au lieu de circuler dans un moyen de stockage et de récupération de chaleur qui servirait dans au moins deux étages de détente différents. En effet, de ce fait, les pressions et températures de chaque moyen de stockage et de récupération de chaleur sont adaptées à la fois à chaque étage de détente et à chaque étage de compression.

Le moyen de stockage de gaz comprimé peut être un stockage artificiel comme un réservoir cylindrique ou une cavité naturelle telle qu’une cavité saline, une ancienne mine ou un aquifère.

Dans le sens de l’invention, les termes successifs comme « premier », « deuxième », « troisième », « précédent », « suivant », « dernier » « amont » et « aval » s’entendent dans le sens de circulation du gaz comprimé dans les lignes de détente ou de compression. Ainsi, le premier étage de détente est l’étage de détente dans lequel le gaz comprimé passe en premier après le moyen de stockage de gaz comprimé.

De préférence, le moyen de stockage et de récupération de la chaleur peut comprendre des particules de stockage de la chaleur, par exemple il peut s’agir d’un réservoir renfermant un lit fixe de particules de stockage de chaleur. Ainsi, le gaz chaud sortant d’un moyen de compression peut réchauffer les particules de stockage de la chaleur par échange direct entre le gaz comprimé et les particules de stockage de la chaleur, qui peuvent par exemple être des billes de béton, des pierres, des graviers, des matériaux à changement de phase. En phase de récupération d’énergie, on peut alors faire passer le gaz comprimé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur. Ainsi, la chaleur stockée dans les particules de stockage de la chaleur réchauffe le gaz comprimé avant qu’il ne soit détendu dans le moyen de détente. L’utilisation de moyen de stockage et de récupération de la chaleur avec des particules de stockage de chaleur permet d’éviter l’utilisation d’échangeur de chaleur de types tubes/calandres, spiralés ou à plaques qui nécessite la circulation d’un fluide caloporteur et en sus au moins un réservoir pour stocker la chaleur. De ce fait, le système de l’invention peut avoir un encombrement et un coût réduits. De plus, les pertes énergétiques sont réduites également compte tenu de l’absence de conduites nécessaires entre un échangeur de chaleur et un réservoir de stockage de chaleur.

Selon une configuration avantageuse de l’invention, la ligne de compression peut comprendre autant d’étages de compression que la ligne de détente comprend d’étages de détente, chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur d’un étage de compression pouvant être utilisé dans l’étage de détente à la pression correspondante. Par « pression correspondante », on n’entend pas une pression absolue mais celle de l’étage concernée. En d’autres termes, le nombre d’étages de compression et le nombre d’étages de détente peuvent être identiques. Cette réalisation permet une conception « symétrique » des lignes de compression et de détente, avec notamment des pressions et des températures de fonctionnement similaires, ce qui favorise les échanges de chaleur dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur. Ainsi, le système et le procédé sont simplifiés.

Par exemple, lorsque la ligne de compression et la ligne de détente comprennent chacune trois étages, le premier étage de compression est un étage dit « basse pression », le deuxième étage de compression est un étage dit « moyenne pression », et le dernier étage est un étage dit « haute pression ». La ligne de détente comprend alors un premier étage de détente « haute pression », un deuxième étage de détente « moyenne pression » et un troisième étage de détente « basse pression ». Les terminologies « haute pression », « moyenne pression » et « basse pression » s’entendent relativement entre les différents étages de la ligne de compression et de la ligne de détente. Ainsi, le moyen de stockage et de récupération de chaleur utilisé pour le troisième étage de compression (« haute pression ») est utilisé pour réchauffer le gaz comprimé du premier étage de détente (« haute pression »). Le moyen de stockage et de récupération de chaleur utilisé pour le deuxième étage de compression (« moyenne pression ») est utilisé pour réchauffer le gaz comprimé du deuxième étage de détente (« moyenne pression ») et le moyen de stockage et de récupération de chaleur utilisé pour le premier étage de compression (« basse pression ») est utilisé pour réchauffer le gaz comprimé du troisième étage de détente (« basse pression »). Cette configuration est avantageuse car la pression et la température de chaque étage de compression correspond sensiblement à la pression et à la température de chaque étage de détente, ce qui permet encore d’améliorer les performances du système.

De manière avantageuse, la ligne de détente et la ligne de compression peuvent comprendre chacune trois étages. Cette configuration permet d’améliorer les performances de compression et de détente tout en limitant le coût.

Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, chaque étage de compression peut comprendre un moyen de refroidissement en aval du moyen de stockage et de récupération de chaleur. Le moyen de refroidissement sert à refroidir encore le gaz comprimé avant qu’il n’entre dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage de gaz de manière à améliorer encore la compression du gaz de l’étage suivant et/ou à réduire les contraintes de conception du moyen de stockage de gaz comprimé. De préférence, le moyen de refroidissement peut comprendre un aéro-réfrigérant. Un aéroréfrigérant permet de refroidir le gaz comprimé seulement avec l’air extérieur ambiant. De ce fait, il s’agit d’un moyen de refroidissement simple à mettre en oeuvre et peu coûteux.

Selon une variante, le moyen de refroidissement peut être un échangeur de chaleur à tubes/calandres, à plaques et/ou spiralés de manière à échanger de la chaleur entre le gaz comprimé et un fluide caloporteur qui peut être de l’eau, du propane, du butane par exemples.

Selon une mise en oeuvre préférée de l’invention, chaque étage de compression peut comprendre un moyen de séparation pour séparer le gaz comprimé d’une phase liquide avant que le gaz comprimé n’atteigne l’étage de compression suivant ou le moyen de stockage de gaz comprimé. En effet, lorsque la chaleur du gaz comprimé est récupérée dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur ou dans le moyen de refroidissement, le gaz comprimé est refroidi et de fait, de la condensation peut se produire. Cela peut notamment être le cas lorsque le gaz est de l’air prélevé dans le milieu ambiant ; il peut alors contenir de la vapeur d’eau. Cette vapeur d’eau peut alors se condenser et la phase liquide produite est susceptible d’engendrer des dommages dans les étages de compression ou au moyen de stockage de gaz comprimé (par de la corrosion par exemple). De plus, chaque étage de compression peut comprendre un moyen de stockage de liquide pour stocker la phase liquide à la pression de l’étage de compression. Ainsi, chaque phase liquide récupérée dans chaque étage de compression peut être stockée à la pression de chaque étage de compression, cette phase pouvant être injectée à la phase de détente à la pression la plus proche correspondante.

De préférence, chaque étage de détente peut comprendre un moyen de mélange pour injecter et mélanger au gaz comprimé la phase liquide sortant d’un des moyens de stockage de liquide issu de la condensation au niveau des étages de compression avant le premier moyen d’échange de chaleur (pour le premier étage de détente) ou avant le moyen de stockage et de récupération de chaleur (pour les étages de détente autres que le premier étage de détente). Ainsi, on peut injecter une phase liquide qui est vaporisée dans le premier moyen d’échange de chaleur ou le moyen de stockage et de récupération de chaleur avant chaque moyen de détente. L’ajout de la phase liquide permet d’augmenter le débit du gaz en entrée du moyen de détente (de la turbine par exemple) et ainsi d’en améliorer les performances.

Avantageusement, le moyen de mélange peut être positionné en amont du premier moyen d’échange de chaleur sur le premier étage de détente et/ou en amont du moyen de stockage et de récupération de chaleur sur les autres étages de détente. De ce fait, l’injection de liquide est réalisée avant que le mélange gaz/liquide ne soit réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur et/ou dans le premier moyen d’échange de chaleur. Ainsi, le mélange peut être vaporisé avant son entrée dans le moyen de détente de manière à éviter les risques d’endommagement.

Selon une variante préférée de l’invention, la ligne de détente peut comprendre une ligne de récupération de chaleur pour faire circuler le gaz détendu en sortie du dernier étage de détente, dans le sens de circulation du gaz dans la ligne de détente, dans un deuxième moyen d’échange de chaleur (un échangeur de chaleur à tubes/calandres, spiralé ou à plaques par exemple) situé sur le deuxième étage de détente, en amont du moyen de stockage et de récupération de chaleur du deuxième étage de détente. Cette ligne de récupération de chaleur permet de récupérer la chaleur fatale en sortie de la ligne de détente. La chaleur fatale est la chaleur qui serait normalement perdue. L’idée de la ligne de récupération de chaleur est au contraire d’utiliser cette chaleur pour réchauffer le gaz comprimé sortant du premier moyen d’échange de chaleur, en entrée du deuxième étage de détente. Ainsi, la chaleur du gaz en sortie de la ligne de détente est utilisée pour réchauffer le gaz entrant dans le deuxième étage de détente, ce qui permet de diminuer les dimensions du moyen de stockage et de récupération de la chaleur du deuxième étage de détente, qui est le moyen de stockage et de récupération de la chaleur qui possède les contraintes de pression les plus élevées après celui du premier étage de détente. Cela permet de réduire le coût du système. La chaleur fatale pourrait alternativement être utilisée pour réchauffer le gaz entrant dans un autre étage de détente, mais de manière moins efficace.

Le deuxième moyen d’échange de chaleur est distinct du premier moyen d’échange de chaleur et des moyens de stockage et de récupération de chaleur de manière à maximiser la récupération d’énergie thermique et à éviter les pertes calorifiques et à réduire la taille et donc le coût de chacun de ces équipements.

Le moyen de refroidissement est distinct du premier moyen d’échange de chaleur, du deuxième moyen d’échange de chaleur et des moyens de stockage et de récupération de la chaleur de manière à améliorer les performances thermiques.

En outre, l’invention concerne aussi un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant au moins les étapes suivantes :

- En phase de stockage d’énergie : a) on comprime au moins une fois un gaz dans une ligne de compression comprenant au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant au moins un moyen de compression ; de préférence, on comprime le gaz en plusieurs étapes de manière à ce que chaque compression ait un bon rendement. b) après chaque étape de compression, on récupère la chaleur du gaz comprimé dans au moins un moyen de stockage et de récupération de la chaleur; cette récupération de la chaleur permet d’améliorer le rendement du stockage d’énergie. c) on stocke le gaz comprimé refroidi dans au moins un moyen de stockage de gaz comprimé dans le but de le récupérer lorsque le besoin d’énergie se fera sentir.

- En phase de récupération d’énergie : d) on fait circuler le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans une ligne de détente comprenant au moins deux étages de détente, et dans chaque étage de détente, on réchauffe le gaz comprimé en le faisant circuler dans un des moyens de stockage et de récupération de la chaleur grâce à la chaleur stockée lors de l’étape de compression puis on détend le gaz comprimé réchauffé dans un moyen de détente. La multiplication des étages (et étapes) de détente permet d’améliorer le rendement global de la ligne de détente. De plus, réchauffer le gaz grâce aux moyens de stockage et de récupération de la chaleur des étages de compression permet d’améliorer le rendement du système tout en évitant toute source d’énergie supplémentaire pour réchauffer le gaz.

De plus, on utilise la chaleur d’au moins une partie du gaz détendu en sortie du moyen de détente du premier étage de détente pour réchauffer le gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé dans un premier moyen d’échange de chaleur positionné en amont du moyen de stockage et de récupération de la chaleur. De manière surprenante, utiliser le gaz en sortie du premier étage pour réchauffer le gaz en amont au lieu d’envoyer ce gaz encore chaud dans le deuxième étage de détente, permet d’augmenter les performances globales de récupération d’énergie du procédé.

De plus, cette solution permet de réduire la taille du moyen de stockage et de récupération de la chaleur du premier étage de détente, et donc son coût.

Conformément à un mode de réalisation de l’invention, le gaz peut être de l’air. Il peut s’agir de l’air prélevé dans le milieu ambiant. En variante, il peut comporter d’autres gaz.

Selon un aspect de l’invention, le liquide peut être de l’eau. Il peut s’agir notamment de l’humidité présente dans le gaz, en particulier quand le gaz est de l’air. En variante, il peut comporter d’autres liquides.

Avantageusement, on peut réaliser autant d’étapes de compression que d’étapes de détente, et on peut utiliser le moyen de stockage et de récupération de la chaleur de chacune des étapes b) pour réchauffer le gaz comprimé de l’étape de détente à la pression correspondante. Ainsi, chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur d’un étage de compression est particulièrement adapté pour réchauffer un étage de détente. De ce fait, la récupération de la chaleur dans la ligne de détente est optimisée.

De manière préférée, on peut récupérer la chaleur du gaz comprimé par des particules de stockage de la chaleur. L’utilisation de particules de stockage de la chaleur permet facilement de stocker la chaleur et de la récupérer en évitant l’utilisation d’échangeur de chaleur à contact indirect faisant intervenir l’utilisation d’un fluide caloporteur permettant de stocker la chaleur et d’au moins un réservoir de stockage dudit fluide. Ainsi, le système est plus simple et génère moins de pertes de chaleur. Cette solution permet de s’affranchir des échangeurs de chaleur qui nécessite un fluide caloporteur et au moins un réservoir de stockage pour stocker la chaleur.

L’utilisation d’un lit fixe de particules de stockage de la chaleur permet d’éviter la circulation de particules de stockage qui génère des pertes de charge, nécessite une pompe spécifique et qui génère des pertes calorifiques.

Selon une variante de l’invention, après chaque étape de récupération de la chaleur, on peut refroidir le gaz comprimé en sortie du moyen de stockage et de récupération de la chaleur dans un moyen de refroidissement avant que le gaz ne soit envoyé dans l’étape de compression suivante ou dans le moyen de stockage de gaz comprimé. Ainsi, la température du gaz comprimé en entrée de l’étage de compression suivant est proche de la température optimale de fonctionnement du moyen de compression de cet étage.

De plus, le moyen de refroidissement est distinct des premier et deuxième moyens d’échange de chaleur et des moyens de stockage et de récupération de la chaleur de manière à optimiser les performances thermiques.

Selon une configuration préférée de l’invention, on peut récupérer la chaleur du gaz détendu en sortie du dernier étage de détente pour réchauffer le gaz comprimé entrant dans le deuxième étage de détente, en amont du moyen de stockage et de récupération de la chaleur du deuxième étage de détente. De ce fait, une partie de la chaleur fatale n’est plus perdue mais récupérée pour réchauffer le gaz comprimé et ainsi augmenter les capacités de récupération d’énergie de la ligne de détente. De plus, cette solution permet de réduire la taille et le coût du moyen de stockage et de récupération de la chaleur du deuxième étage de détente. Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, on peut séparer le gaz comprimé d’une phase liquide qu’il contient dans un moyen de séparation (un séparateur par exemple), avant que le gaz comprimé ne soit envoyé dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage du gaz comprimé. En effet, lorsque le gaz est de l’air prélevé dans le milieu ambiant, il peut contenir de la vapeur d’eau. Lorsque le gaz comprimé est refroidi, de la condensation peut se produire et peut endommager les moyens de compression suivant ou le moyen de stockage de gaz comprimé. Un moyen de séparation peut alors récupérer la phase liquide de manière à ce que seule une phase gazeuse ne soit envoyée dans l’étage de compression suivant ou dans le moyen de stockage de gaz comprimé. De plus, le liquide sortant de chaque moyen de séparation peut être stocké à la pression dans laquelle il se trouve dans un moyen de stockage de liquide. Ainsi, le liquide peut être réutilisé sur la ligne de détente.

De préférence, dans chaque étage de détente, on peut injecter le liquide stocké d’un moyen de stockage de liquide, et on peut le mélanger au gaz comprimé, avant chaque étape de réchauffage. Ainsi, le débit du gaz passant dans le moyen de détente est augmenté, ce qui permet d’augmenter les performances du moyen de détente. De plus, chaque moyen de stockage de liquide étant à une pression et à une température déterminées, chaque étage de détente peut avantageusement utiliser l’un des moyens de stockage de liquide d’un étage de compression.

La figure 1 illustre, de manière schématique et non limitative, un premier mode de réalisation du système selon l’invention.

Sur cette figure, le système de stockage et de récupération d’énergie comprend une ligne de compression 1 et une ligne de détente 2 ainsi qu’un réservoir de stockage de gaz comprimé 500.

La ligne de compression 1 comprend deux étages de compression successifs 3, chaque étage de compression 3 comprenant un moyen de compression 100, 101 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201. Ainsi, le premier étage de compression comprend un compresseur 100 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 et le deuxième étage de compression comprend un compresseur 101 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 .

Les moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200 et 201 sont des réservoirs de stockage comprenant un lit fixe de particules de stockage de la chaleur. Ainsi, le gaz qui sort comprimé et chaud des compresseurs 100 ou 101 traversent respectivement les réservoirs de stockage de particules de stockage de la chaleur 200 et 201 où la chaleur du gaz comprimé est transmise par contact direct aux particules de stockage de la chaleur. Ainsi, le gaz qui ressort des réservoirs de stockage des particules de stockage de la chaleur 200 et 201 est plus froid qu’il n’y ait entré et les particules de stockage de la chaleur ont récupéré la chaleur. En sortie du deuxième étage de compression, le gaz est stocké dans le réservoir de stockage de gaz comprimé 500 (appelé aussi moyen de stockage de gaz comprimé).

Lorsque l’on veut récupérer l’énergie précédemment stockée, le gaz comprimé du réservoir de stockage de gaz comprimé 500 est envoyé dans la ligne de détente 2.

La ligne de détente comprend deux étages de détente successifs 4. Chaque étage de détente 4 comprend au moins un moyen de détente 300, 301 et le passage dans un réservoir de stockage de particules de stockage de chaleur utilisé dans les étages de compression 3. De plus, le premier étage de détente comprend un premier moyen d’échange de chaleur 400, ici un échangeur de chaleur de type à plaques.

Le gaz comprimé sortant du réservoir de stockage de gaz comprimé 500 passe dans le premier moyen d’échange de chaleur 400 où il est réchauffé avec le gaz sortant du moyen de détente 300 du premier étage de détente. Le gaz comprimé réchauffé sortant du premier moyen d’échange de chaleur 400 passe alors dans le réservoir de stockage de particules de stockage de chaleur 201 du deuxième étage de compression où il est une nouvelle fois réchauffé.

Une fois suffisamment réchauffé, le gaz comprimé passe dans un moyen de détente 300 comme une turbine où l’énergie peut être récupérée. La turbine peut être couplée à une génératrice pour produire de l’électricité. Selon une variante, la turbine peut entraîner des équipements mécaniques par exemple par une courroie, une chaîne ou un système de transmission.

Comme indiqué précédemment, le gaz sortant du moyen de détente 300, au lieu d’être directement envoyé dans le deuxième étage de détente (vers le réservoir de stockage des particules de stockage 200 puis du moyen de détente 301), est envoyé dans le premier moyen d’échange de chaleur 400 pour réchauffer le gaz sortant du réservoir de stockage de gaz comprimé 500. Le gaz qui sort du premier étage de détente et qui entre dans le premier moyen d’échange de chaleur 400 en sort refroidi et entre dans le réservoir de stockage des particules du stockage de chaleur 200 du deuxième étage de détente (et utilisé dans le premier étage de compression) où il est alors réchauffé avant de passer dans le moyen de détente 301 du deuxième étage de détente. De manière surprenante, ne pas envoyer directement le gaz comprimé sortant du premier étage de détente vers le deuxième étage de détente et le faire passer dans un moyen d’échange de chaleur qui le refroidit permet d’améliorer les performances de récupération d’énergie de la phase de détente.

La figure 2 illustre, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation du système selon l’invention. Sur cette figure, le système de stockage et de récupération d’énergie comprend une ligne de compression 1 et une ligne de détente 2 ainsi qu’un réservoir de stockage de gaz comprimé 500.

La ligne de compression 1 comprend trois étages de compression successifs 3, chaque étage de compression 3 comprenant un moyen de compression 100, 101 , 102 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 , 202. Ainsi, le premier étage de compression comprend un compresseur 100 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 ; le deuxième étage de compression comprend un compresseur 101 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 ; le troisième étage de compression comprend un compresseur 102 et un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202.

Les moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 et 202 sont des réservoirs de stockage de particules de stockage de la chaleur. Ainsi, le gaz qui sort comprimé et chaud des compresseurs 100, 101 ou 102 traversent respectivement les réservoirs de stockage de particules de stockage de la chaleur 200, 201 et 202 où la chaleur du gaz comprimé est transmise par contact direct au lit fixe des particules de stockage de la chaleur. Ainsi, le gaz qui ressort des réservoirs de stockage des particules de stockage de la chaleur 200, 201 et 202 est plus froid qu’il n’y ait entré et les particules de stockage de la chaleur ont récupéré la chaleur. En sortie du troisième étage de compression, le gaz est stocké dans le réservoir de stockage de gaz comprimé 500.

Lorsque l’on veut récupérer l’énergie précédemment stockée, le gaz comprimé du réservoir de stockage de gaz comprimé 500 est envoyé dans la ligne de détente 2.

La ligne de détente 2 comprend trois étages de détente successifs 4. Chaque étage de détente 4 comprend au moins un moyen de détente 300, 301 , 302 et le passage dans un réservoir de stockage de particules de stockage de chaleur utilisé dans les étages de compression 3. De plus, le premier étage de détente comprend un premier moyen d’échange de chaleur 400, ici un échangeur de chaleur du type à plaques.

Le gaz comprimé sortant du réservoir de stockage de gaz comprimé 500 passe dans le premier moyen d’échange de chaleur 400 où il est réchauffé avec le gaz sortant du moyen de détente 300 du premier étage de détente. Le gaz comprimé réchauffé sortant du premier moyen d’échange de chaleur 400 passe alors dans le réservoir de stockage de particules de stockage de chaleur 202 où il est une nouvelle fois réchauffé.

Une fois suffisamment réchauffé, le gaz comprimé passe dans un moyen de détente 300 comme une turbine où l’énergie peut être récupérée. La turbine peut être couplée à une génératrice pour produire de l’électricité. Selon une variante, la turbine peut entraîner des équipements mécaniques par exemple par une courroie, une chaîne ou un système de transmission. Comme indiqué précédemment, le gaz sortant du moyen de détente 300, au lieu d’être directement envoyé dans le deuxième étage de détente (vers le réservoir de stockage des particules de stockage 201 puis du moyen de détente 301), est envoyé dans le premier moyen d’échange de chaleur 400 pour réchauffer le gaz sortant du réservoir de stockage de gaz comprimé 500. Le gaz qui sort du premier étage de détente et qui entre dans le premier moyen d’échange de chaleur 400 en sort refroidi et entre dans le réservoir de stockage des particules du stockage de chaleur 201 du deuxième étage de détente où il est alors réchauffé avant de passer dans le moyen de détente 301 du deuxième étage de détente.

Puis, le gaz sortant du deuxième étage de détente entre dans le troisième étage de détente. Il est alors réchauffé dans le réservoir de stockage des particules de stockage de chaleur 200 puis il est détendu dans le moyen de détente 302 du troisième étage de détente. Le gaz sortant du moyen de détente 302 est alors rejeté. Par exemple, si le gaz est de l’air, il peut être rejeté à l’atmosphère.

De manière surprenante, ne pas envoyer directement le gaz comprimé sortant du premier étage de détente vers le deuxième étage de détente et le faire passer dans un moyen d’échange de chaleur qui le refroidit permet d’améliorer les performances de récupération d’énergie de la phase de détente 2.

La figure 3 illustre, de manière schématique et non limitative, un troisième mode de réalisation d’un système de l’invention.

Le mode de réalisation de la figure 3 est une variante de celui de la figure 2. Les références identiques à celles de la figure 2 correspondent aux mêmes éléments et ne seront donc pas décrites plus en détail.

La figure 3 diffère de la figure 2 en ce qu’une ligne de récupération d’énergie supplémentaire est mise en place. En effet, en sortie du moyen de détente 302 du dernier étage de détente (le troisième étage de détente), une conduite est mise en place pour alimenter le gaz sortant du moyen de détente 302 vers un deuxième moyen d’échange de chaleur 401 , un échangeur de chaleur à plaques par exemple, pour réchauffer le gaz sortant du premier moyen d’échange de chaleur 400, en sortie du premier étage de détente. De ce fait, le gaz sortant du premier étage de détente refroidi par le premier moyen d’échange de chaleur 400 est réchauffé par la chaleur fatale avant d’entrer dans le deuxième étage de détente. Cette configuration est particulièrement avantageuse car elle permet de récupérer une quantité d’énergie, sous forme de chaleur, qui serait normalement perdue, comme dans le cas de la figure 2. La figure 4 illustre, de manière schématique et non limitative, un quatrième mode de réalisation d’un système selon l’invention. Les éléments de même référence que sur les schémas précédents correspondent aux mêmes éléments et ne seront donc pas décrits en détails ici.

Le système de la figure 4 comprend une ligne de compression 1 avec trois étages de compression 3 en série. Chacun de ces étages de compression 3 comprend un moyen de compression 100, 101 , 102 tel qu’un compresseur ou une pompe, suivi d’un moyen de stockage et de récupération de chaleur 200, 201 et 202 comprenant un lit fixe de particules de stockage de chaleur telles que, des pierres, des graviers, des billes de béton ou des matériaux à changement de phase qui peuvent facilement stocker la chaleur à un moindre coût. Par ailleurs, dans chaque étage de compression 3, le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 et 202 est suivi d’un moyen de refroidissement 600, 601 , 602 de manière à refroidir le gaz au maximum avant son entrée dans l’étage de compression suivant. Ici, chacun des moyens de refroidissement comprend un aéro-réfrigérant qui permet de refroidir aisément le gaz comprimé à partir de l’air ambiant de manière simple et peu onéreuse.

En outre, chaque étage de compression 3 comprend un séparateur S1 , S2 et S3 après chaque moyen de refroidissement 600, 601 et 602. En effet, lorsque le gaz est de l’air prélevé dans le milieu ambiant, il comprend généralement de la vapeur d’eau qui peut se condenser. Or, le refroidissement de l’air comprimé dans les moyens de stockage et de récupération de chaleur 200, 201 et 202 puis dans les moyens de refroidissement 600, 601 et 602 entraîne un risque de condensation de l’eau contenue dans l’air comprimé entré dans la ligne de compression 1. Cette condensation peut endommager les équipements, notamment les moyens de compression 100, 101 , 102 et les moyens de stockage de gaz comprimé. Utiliser un séparateur permet de protéger chaque équipement sensible des risques de présence d’eau et donc d’augmenter la durée de vie de ces équipements.

De plus, chaque séparateur S1 , S2, S3 est connecté à un moyen de stockage de liquide 700, 701 et 702, ces moyens de stockage de liquide pouvant être des réservoirs de stockage de liquide adaptés à la pression et à la température du liquide sortant de chaque séparateur S1 , S2 et S3. Ainsi, le liquide de chaque séparateur est stocké à une pression et à une température différente, ce qui ne serait pas le cas si le liquide était envoyé vers un seul réservoir de liquide commun à tous les séparateurs.

En sortie de la ligne de compression, le gaz comprimé (de l’air comprimé par exemple) est stocké dans un réservoir de stockage de gaz comprimé 500. En phase de récupération d’énergie, l’air comprimé stocké dans le réservoir de stockage de gaz comprimé 500 est envoyé dans la ligne de détente 2 qui comprend trois étages de détente 4.

Chaque étage de détente comprend un moyen de mélange M1 , M2 ou M3, un moyen de stockage et de récupération de chaleur 200, 201 , 202, et un moyen de détente 302, 301 , 300. Dans chaque étage de détente, le liquide stocké dans un des réservoirs de stockage de liquide 700, 701 , 702 arrive à un moyen de mélange M1 , M2, M3 pour être mélangé au gaz comprimé entrant dans l’étage de détente considéré. Une fois que le liquide est mélangé au gaz comprimé, le mélange gaz/liquide est alors réchauffé grâce au moyen de stockage et de récupération de chaleur 200, 201 , 202. Les moyens de stockage et de récupération de la chaleur 200, 201 et 202 de la ligne de détente 2 sont ceux utilisés avec les mêmes références dans la ligne de compression 1 mais la représentation ne le fait pas apparaître pour ne pas alourdir inutilement le schéma. Une fois réchauffé, le mélange gaz/liquide traverse alors le moyen de détente 300, 301 ou 302 permettant la récupération d’énergie.

Par ailleurs, en sortie du premier étage de détente, le gaz comprimé est suffisamment chaud pour pouvoir réchauffer le gaz comprimé sortant du réservoir de stockage de gaz comprimé 500. De ce fait, le gaz comprimé sortant du premier moyen de détente 300 est dirigé vers un premier moyen d’échange de chaleur 400 positionné entre le moyen de mélange M3 et le moyen de stockage et de récupération de chaleur 202. Le gaz sortant plus froid de ce moyen d’échange de chaleur est alors envoyé dans le deuxième étage de détente.

Il convient de noter que ce mode de réalisation comporte avantageusement autant d’étages de compression 3 que d’étages de détente 4. Les moyens de compression 100, 101 et 102 peuvent être qualifiés respectivement de moyens de compression « basse pression », « moyenne pression » et « haute pression ». Les moyens de détente 302, 301 et 300 peuvent être qualifiés respectivement de moyens de détente « basse pression », « moyenne pression » et « haute pression ». De plus, la pression de chaque étage de compression 3 (haute pression, moyenne pression et basse pression) est sensiblement la même que celle dans l’étage de détente correspondant. Ainsi, l’utilisation du moyen de stockage et de récupération de chaleur de chaque étage de compression haute pression 202, moyenne pression 201 et basse pression 200 est avantageusement utilisé sur l’étage de détente correspondant, les pressions et températures étant proches et permettant ainsi une optimisation du stockage et de la récupération de chaleur par les particules de stockage de la chaleur.

De manière similaire, le liquide sortant de chaque moyen de stockage de liquide sortant du séparateur des étages de compression « basse pression », « moyenne pression » et « haute pression » est réinjecté dans l’étage de détente correspondant, permettant ainsi d’améliorer les performances du système. La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative un cinquième mode de réalisation de l’invention, qui est une variante du mode de réalisation de la figure 4.

Les références identiques à celles de la figure 4 correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas détaillés ici.

La figure 5 diffère de la figure 4 par l’ajout d’une ligne de récupération d’énergie (de chaleur). En effet, le gaz sortant du moyen de détente 302 du dernier étage de détente est suffisamment chaud pour réchauffer le gaz comprimé entrant dans le deuxième étage. Ainsi, le gaz sortant du moyen de détente 302 est envoyé vers un deuxième moyen d’échange de chaleur 401 permettant de réchauffer le gaz comprimé, mélangé au liquide. Ainsi, sur le deuxième étage de détente, le deuxième moyen d’échange de chaleur est positionné entre le moyen de mélange M2 et le moyen de stockage et de récupération de chaleur 201. Cet arrangement permet de récupérer une partie de la chaleur fatale qui serait perdue dans la solution de la figure 4.

Bien entendu, les modes de réalisation représentés sur les différentes figures peuvent comprendre plus ou moins d’étages de compression ou d’étages de détente sans sortir du cadre de l’invention. De la même manière, sur ces différentes figures, il est possible d’ajouter ou de retirer des moyens de refroidissement, des moyens de séparations, des moyens de mélange et/ou des moyens de stockage de liquide.

Exemples

Les systèmes des figures 4 et 5 de l’invention ont été comparés au système de l’art antérieur illustré sur la figure 6.

Sur la figure 6 de l’art antérieur, pendant la phase de compression 1 , un flux d’air extérieur, à une pression de 1.02 bar (0.102 MPa) et une température de 27°C et possédant une humidité de 14.6 gramme d’eau par kilogramme d’air, est comprimé par un compresseur basse pression 100 d’où il sort à une température de 255°C et une pression de 6 bar (0.6 MPa). Ce flux est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression 200 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 90°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le flux de gaz comprimé est refroidi une nouvelle fois par le moyen de refroidissement 600 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le flux est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement en 200 et/ou 600. Cette eau condensée est séparée de la ligne de compression 1 dans un séparateur gaz-liquide S1 opérant à la pression du flux du premier étage de compression 3. Le flux, de nouveau totalement gazeux, est comprimé par un compresseur moyenne pression 101 d’où il ressort 16 à une température de 275°C et une pression de 28 bar (2.8 MPa). Le gaz comprimé est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression 201 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 100°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le gaz comprimé est refroidi une nouvelle fois par un moyen de refroidissement 601 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le flux est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement en 201 et/ou 601. Cette eau condensée est séparée de la ligne de compression 1 dans un séparateur gaz- liquide S2 opérant à la pression du flux dans le deuxième étage de compression 3. Le flux sortant du séparateur S2, de nouveau totalement gazeux, est comprimé par un compresseur haute pression 102 d’où il ressort à une température de 250°C et une pression de 117 bar (11.7 MPa). Le gaz comprimé est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression 202 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 45°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le gaz comprimé est refroidi une nouvelle fois par un moyen de refroidissement 602 jusqu’à atteindre une température de 30°C en sortie, 30°C étant la température de stockage de l’air. Le flux est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement en 202 et/ou 602. Cette eau condensée est séparée de la ligne de compression 1 dans un séparateur gaz-liquide S3 opérant à la pression du flux.

Le flux d’air comprimé à une pression de 117 bar (11 .7 MPa) et une température de 30°C est alors envoyé vers le moyen de stockage d’air comprimé 500 en attendant la phase de récupération de l’énergie 2.

Lorsque l’on veut produire de l’électricité, le flux d’air comprimé à une pression de 117 bar (11.7 MPa) et une température de 30°C, sortant du moyen de stockage d’air comprimé 500 est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression 202 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux atteigne une température de 240°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine haute pression 300 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 28 bar (2.8 MPa) et une température de 85°C. Le gaz comprimé est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression 201 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux atteigne une température de 265°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine moyenne pression 301 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 5 bar (0.5 MPa) et une température de 75°C. Le flux est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression 200 qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux atteigne une température de 245°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine basse pression 302 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 1 .02 bar (0.102 MPa) et une température de 80°C.

Le rendement du procédé de stockage d’énergie de la figure 6 (non conforme à l’invention) est de 69.6% pour une puissance consommée de 100 MW aux compresseurs. Le débit total d’eau condensée aux trois étages de compression est de 7.5 t/h. La puissance de stockage thermique est de 87 MW et la puissance de refroidissement nécessaire est de 20.5 MW.

Sur le système et le procédé du mode de réalisation de la figure 4 (conforme à l’invention), pendant la phase de compression 1 , un flux d’air prélevé dans le milieu ambiant, à une pression de 1.02 bar et une température de 27°C et possédant une humidité de 14.6 grammes d’eau par kilogramme d’air, est comprimé par un compresseur basse pression 100 d’où il sort à une température de 255°C et une pression de 6 bar. Ce flux est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 qui comprend des particules de stockage de la chaleur et qui refroidit l’air jusqu’à une température de 85°C. La chaleur extraite du gaz comprimé est alors stockée jusqu’à la phase de détente 2. Le flux d’air comprimé sortant du moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 est refroidi une nouvelle fois par l’échangeur de refroidissement 600 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le flux sortant de l’échangeur 600 est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 et/ou dans l’échangeur de refroidissement 600. L’eau condensée est séparée du flux d’air comprimé dans un séparateur gaz-liquide S1 , opérant à la pression du flux sortant de l’échangeur 600, puis envoyée vers un moyen de stockage de liquide 700 sous une pression maintenue de 6 bar. L’air sortant du séparateur gaz-liquide S1 ne contenant plus de phase liquide, donc de nouveau totalement gazeux, entre dans un nouvel étage de compression où il est comprimé par un compresseur moyenne pression 101 d’où il ressort à une température de 275°C et une pression de 28 bar. L’air comprimé est ensuite envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 45°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. L’air comprimé peut ensuite être encore refroidi une nouvelle fois par un échangeur de refroidissement 601 . En sortie du moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 ou de l’échangeur 601 , le fluide est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant la phase de récupération de la chaleur ou durant la phase de refroidissement. Cette eau condensée est séparée du flux d’air comprimé dans un séparateur gaz-liquide S2, opérant à la pression du flux, puis envoyée vers un moyen de stockage de liquide 701 sous une pression maintenue de 28 bar. L’air sortant du séparateur gaz-liquide S2, de nouveau totalement gazeux, est comprimé dans un troisième étage de compression par un compresseur haute pression 102 d’où il ressort à une température de 245°C et une pression de 117 bar. L’air comprimé sortant du compresseur 102 est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 75°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le flux d’air comprimé est ensuite refroidi une nouvelle fois par un échangeur 602 jusqu’à atteindre une température de 30°C en sortie, 30°C étant la température de stockage de l’air dans le moyen de stockage de gaz comprimé 500. Le fluide sortant de l’échangeur 602 est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 et/ou dans l’échangeur de refroidissement 602. Cette eau condensée est séparée du flux de gaz comprimé dans un séparateur gaz-liquide S3, opérant à la pression du flux de gaz comprimé, puis envoyée vers un moyen de stockage de liquide 702 sous une pression maintenue de 117 bar.

Le flux d’air comprimé sortant du séparateur gaz-liquide S3 à une pression de 117 bar et une température de 30°C est alors envoyé vers le moyen de stockage de gaz comprimé 500 en attendant la phase de déstockage dans la ligne de détente 2.

Lorsque l’on veut produire de l’électricité, un flux d’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide haute pression 702 à une pression de 117 bar et une température de 30°C est réinjecté dans le flux d’air comprimé sortant du stockage 500 via le mélangeur M3 pour former un mélange air/eau. Ce mélange est préchauffé dans un échangeur de chaleur 400 afin d’atteindre en sortie une température de 70°C. Le mélange est alors réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur 202 utilisé dans le dernier étage de compression qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le mélange atteigne une température de 235°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine haute pression 300 du premier étage de détente produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 28 bar et une température de 80°C. Le gaz comprimé sortant de la turbine 300 est alors utilisé dans l’échangeur de chaleur 400 pour préchauffer le mélange, sa température étant supérieure à la température du gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé 500. Le gaz comprimé récupéré en sortie de la turbine 300 ressort de l’échangeur 400 en ayant cédé sa chaleur et atteint une température de 35°C. Un flux d’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide moyenne pression 701 (celui qui sert au deuxième étage de compression) à une pression de 28 bar et une température de 50°C est réinjecté dans le flux d’air comprimé ressortant refroidi de l’échangeur 400 via le mélangeur M2 pour former un deuxième mélange air/eau. Ce deuxième mélange est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression 201 (celui qui est utilisé dans le deuxième étage de compression) qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le deuxième mélange atteigne une température de 265°C. Ce mélange est détendu dans la turbine moyenne pression 301 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 5 bar et une température de 75°C. Un flux d’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide 700 à une pression de 6 bar et une température de 50°C est réinjecté dans le flux d’air comprimé sortant de la turbine 301 et entrant dans le troisième et dernier étage de détente via le mélangeur M1 pour former un troisième mélange air/eau. Ce mélange est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression 200 (celui qui est utilisé dans le premier étage de compression) qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le troisième mélange atteigne une température de 245°C. Ce mélange est alors détendu dans la turbine basse pression 302 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 1 .02 bar et une température de 80°C.

Le rendement de ce procédé et système de stockage d’énergie selon un mode de réalisation de l’invention est de 70.8% pour une puissance consommée de 100.0 MW en phase de compression alors que le rendement de la solution de la figure 6 de l’art antérieur est de 69,6%, ce qui permet d’augmenter le rendement de plus de 1%. Le débit total d’eau condensée aux trois étages de compression est de 7.5 tonnes par heure. La puissance de stockage thermique est de 93.4 MW et la puissance de refroidissement nécessaire est de 14.1 MW, ce qui permet de réduire la puissance de refroidissement d’environ 30% par rapport à la solution de la figure 6 de l’art antérieur. Cette configuration permet également de diminuer la taille du moyen de stockage et de récupération de chaleur haute pression 202 de 24% par rapport à la solution de la figure 6 de l’art antérieur.

Sur le système et le procédé de la figure 5 (conforme à l’invention), pendant la phase de compression 1 , un flux d’air prélevé dans le milieu ambiant, à une pression de 1.02 bar et une température de 27°C et possédant une humidité de 14.6 gramme d’eau par kilogramme d’air, est comprimé par un compresseur basse pression 100 d’où il sort à une température de 255°C et une pression de 6 bar. L’air comprimé est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 80°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. L’air comprimé est refroidi une nouvelle fois par un échangeur 600 jusqu’à atteindre une température de 50°C en sortie. Le fluide est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 200 et/ou l’échangeur de refroidissement 600. Cette eau condensée est séparée du flux de gaz comprimé dans un séparateur gaz-liquide S1 , opérant à la pression du flux, puis envoyée vers un moyen de stockage de liquide 700 sous une pression maintenue de 6 bar. L’air ressortant du séparateur S1 , de nouveau totalement gazeux, est comprimé dans un deuxième étage de compression par un compresseur moyenne pression 101 d’où il ressort à une température de 275°C et une pression de 28 bar. L’air comprimé est envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression 201 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 75°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le flux est refroidi une nouvelle fois dans un échangeur 601 pour atteindre une température de 50°C en sortie. Le fluide est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 201 et/ou l’échangeur de refroidissement 601. Cette eau condensée est séparée du flux de gaz comprimé dans un séparateur gaz-liquide S2, opérant à la pression du flux, puis envoyée vers un moyen de stockage de liquide 701 sous une pression maintenue de 28 bar. Le gaz sortant du séparateur S2, de nouveau totalement gazeux, est comprimé dans un troisième étage de compression par un compresseur haute pression 102 d’où il ressort à une température de 250°C et une pression de 117 bar. Le gaz comprimé est ensuite envoyé vers un moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 qui refroidit l’air jusqu’à une température de 85°C et stocke cette énergie thermique jusqu’à la phase de détente 2. Le gaz comprimé est refroidi une nouvelle fois par un échangeur 602 jusqu’à atteindre une température de 30°C en sortie, 30°C étant la température de stockage de l’air. Le fluide est alors composé d’air et d’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur 202 et/ou dans l’échangeur de refroidissement 602. Cette eau condensée est séparée du gaz comprimé dans un séparateur gaz-liquide S3, opérant à la pression du flux, puis envoyée vers un moyen de stockage de liquide 702 sous une pression maintenue de 117 bar.

Le flux d’air comprimé à une pression de 117 bar et une température de 30°C est alors envoyé vers le moyen de stockage de gaz comprimé 500 en attendant la phase de détente 2.

Lorsque l’on veut produire de l’électricité, un flux d’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide haute pression 702 (celui qui est utilisé pour le troisième étage de compression) à une pression de 117 bar et une température de 30°C est réinjecté dans le flux d’air comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé 500 via le mélangeur M3 pour former un premier mélange air/eau. Ce mélange est préchauffé dans un échangeur de chaleur 400 afin d’atteindre en sortie une température de 73°C. Le mélange est ensuite réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression 202 (celui utilisé dans le troisième étage de compression) qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux de gaz comprimé atteigne une température de 240°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine haute pression 300 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 28 bar et une température de 85°C. Ce flux sortant de la turbine 300 est alors utilisé dans l’échangeur de chaleur 400 pour préchauffer le flux de gaz comprimé sortant du moyen de stockage de gaz comprimé 500. Le gaz comprimé sortant refroidi de l’échangeur de chaleur 400 ressort à une température de 35°C avant d’entrer dans un deuxième étage de détente. Un flux d’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide moyenne pression 701 (celui utilisé dans le deuxième étage de compression) à une pression de 28 bar et une température de 50°C est réinjecté dans le flux d’air comprimé via le mélangeur M2 pour former un deuxième mélange air/eau. Ce mélange est préchauffé dans l’échangeur de chaleur 401 jusqu’à atteindre une température en sortie de 65°C avant d’être réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur moyenne pression 201 (celui utilisé dans le deuxième étage de compression) qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux atteigne une température de 260°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine moyenne pression 301 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 5 bar et une température de 70°C. Un flux d’eau condensée provenant du moyen de stockage de liquide basse pression 700 (celui utilisé dans le premier étage de compression) à une pression de 6 bar et une température de 50°C est réinjecté dans le flux d’air comprimé entrant dans le troisième étage de détente via le mélangeur M1 pour former un troisième mélange air/eau. Ce mélange est réchauffé dans le moyen de stockage et de récupération de chaleur basse pression 200 (celui qui est utilisé dans le premier étage de compression) qui libère la chaleur stockée durant la phase de compression 1 jusqu’à ce que le flux atteigne une température de 245°C. Ce flux d’air chaud et comprimé est détendu dans la turbine basse pression 302 produisant de l’électricité via un alternateur, jusqu’à atteindre en sortie une pression de 1.02 bar et une température de 85°C. L’air sortant de la dernière turbine 302 de la ligne de détente est alors envoyé dans l’échangeur de chaleur 401 afin de réchauffer le flux de deuxième mélange dans le deuxième étage de détente. En sortie de l’échangeur de chaleur 401 , l’air comprimé ressort refroidi à une température de 40°C.

Le rendement du procédé de stockage d’énergie est de 70.2% pour une puissance consommée de 100.0 MW aux compresseurs, ce qui permet d’augmenter le rendement de 0,3% par rapport à la solution de la figure 6 de l’art antérieur. Le débit total d’eau condensée aux trois étages de compression est de 7.5 tonnes par heure. La puissance de stockage thermique est de 86.6 MW et la puissance de refroidissement nécessaire est de 21 .0 MW. Cette configuration permet de diminuer la taille du moyen de stockage et de récupération de chaleur haute pression 202 de 23% par rapport à la solution technique de la figure 6 de l’art antérieur. Elle permet également une réduction de la taille du moyen de stockage et de récupération de chaleur moyenne pression 201 de 24% par rapport à la solution technique de la figure 4 de l’invention.