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Title:
SYSTEM AND METHOD FOR HEAT STORAGE AND RELEASE, WITH A COLLAR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/105735
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a system and a method for heat storage and recovery, comprising at least one fixed bed (2) of storage particles. The fixed bed (2) of particles comprises an obstacle (4), for example a collar, arranged on the periphery of the fixed bed (2) of storage particles, and substantially perpendicularly to the circulation flow (3) of said fluid. The invention also relates to a system and a method for energy storage and recovery using the heat storage and recovery system and method.

Inventors:
PLAIS, Cecile (29 L-D LES ACACIAS, LES HAIES, 69420, FR)
BALZ, Pierre (0052 BD DES CASTORS, LYON, 69005, FR)
PONCET, Stéphane (0079 RUE DE LA BUSSIERE, OULLINS, 69600, FR)
SANZ, Elena (0011 ALLEE DES MESANGES, FRANCHEVILLE, 69340, FR)
VINAY, Guillaume (0153 RUE DU LT-COLONEL DE MONTBRISSON, RUEIL-MALMAISON, 92500, FR)
Application Number:
EP2018/081172
Publication Date:
June 06, 2019
Filing Date:
November 14, 2018
Export Citation:
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Assignee:
IFP ENERGIES NOUVELLES (1 & 4 avenue du Bois-Préau, RUEIL-MALMAISON, 92852, FR)
International Classes:
F28D20/00; F02C6/16; F28D17/00; F28F9/22
Domestic Patent References:
WO2011053411A12011-05-05
Foreign References:
US20150114590A12015-04-30
FR3044751A12017-06-09
US20170226900A12017-08-10
US20130111904A12013-05-09
US20040123523A12004-07-01
EP2447501A22012-05-02
EP2530283A12012-12-05
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Claims:
Revendications

1 ) Système de stockage et de restitution de la chaleur (10,20) comprenant au moins une enceinte de stockage (1 ), au moins un lit fixe (2) de particules de stockage et de restitution de la chaleur étant placé dans ladite enceinte de stockage (1 ), et au moins un fluide pouvant circuler à travers ledit lit fixe (2) dans ladite enceinte de stockage (1 ), ladite enceinte de stockage (1 ) comprenant au moins une entrée (8) dudit fluide dans ladite enceinte de stockage (1 ) et au moins une sortie (9) dudit fluide de ladite enceinte de stockage (1 ), caractérisé en ce qu’au moins un obstacle (4) est positionné dans ledit lit fixe (2), sensiblement perpendiculairement au flux de circulation (3) dudit fluide, ledit obstacle (4) étant positionné à la périphérie dudit lit fixe (2) desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur, ledit obstacle (4) étant réparti sur le pourtour de la périphérie dudit lit fixe (2) desdites particules de stockage.

2) Système selon la revendication 1 , dans lequel ledit système (10,20) comporte au moins deux obstacles (4) régulièrement espacés le long dudit flux de circulation (3) dudit fluide.

3) Système selon la revendication 2, dans lequel l’espacement (E) entre deux desdits obstacles (4) successifs suivant ledit flux de circulation (3) dudit fluide est au minimum de deux fois la dimension dudit obstacle (4), perpendiculaire audit flux de circulation (3) dudit fluide.

4) Système selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’enceinte de stockage (1 ) comporte au moins un distributeur (5) pour distribuer ledit fluide dans ledit lit fixe (2), et de préférence, au moins deux distributeurs (5).

5) Système selon la revendication 4, dans lequel ledit obstacle (4) est positionné au niveau dudit distributeur (5).

6) Système selon l’une des revendications précédentes pour lequel ledit obstacle (4) est constitué d’une plaque.

7) Système selon l’une des revendications précédentes pour lequel la dimension (L) dudit obstacle, perpendiculaire audit flux de circulation (3) dudit fluide, est située entre 1 et 10 fois le diamètre équivalent de Sauter desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur dudit lit fixe (2), de préférence entre 3 et 5 fois le diamètre équivalent de Sauter desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur dudit lit fixe (2).

8) Système selon l’une des revendications précédentes pour lequel ladite enceinte de stockage (1 ) est cylindrique ou sensiblement cylindrique.

9) Système selon la revendication 8 pour lequel ledit flux de circulation (3) dudit fluide à l’intérieur de ladite enceinte de stockage (1 ) se fait selon l’axe de ladite enceinte de stockage (1 ). 10) Système selon la revendication 9 pour lequel ledit obstacle (4) est constitué d’une plaque annulaire, disposée sur la face interne de la paroi cylindrique de ladite enceinte de stockage (1 ).

1 1 ) Système selon la revendication 8 pour lequel ledit flux de circulation (3) dudit fluide à l’intérieur de ladite enceinte de stockage (1 ) se fait selon un axe perpendiculaire à l’axe de ladite enceinte de stockage (1 ), au moins deux plateaux de support (6) dudit lit fixe (2) étant positionnés à l’intérieur de ladite enceinte de stockage (1 ), lesdits plateaux de support (6) étant perpendiculaires à l’axe de ladite enceinte de stockage (1 ).

12) Système selon la revendication 1 1 pour lequel ledit obstacle (4) est positionné sur lesdits plateaux de support (6), l’obstacle (4) formant alors un morceau de cylindre sur chacun des deux plateaux de support (6) dudit lit fixe (2) desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur.

13) Système selon l’une des revendications précédentes pour lequel ledit obstacle (4) est réparti de manière continue sur le pourtour de la périphérie dudit lit fixe (2).

14) Système selon l’une des revendications précédentes pour lequel ledit obstacle (4) est réparti de manière discontinue sur le pourtour de la périphérie dudit lit fixe (2).

15) Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz (40), au moins un moyen de stockage du gaz comprimé (30), au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé (50) pour générer une énergie, et au moins un moyen de stockage de la chaleur (10, 20) selon l’une des revendications précédentes.

16) Procédé de stockage et de récupération de chaleur, dans lequel on réalise les étapes suivantes :

a) On stocke la chaleur dans un lit fixe (2) de particules de stockage et de restitution de chaleur, en faisant circuler (3) un fluide dans ledit lit fixe (2) ; et

b) On restitue la chaleur récupérée par ledit lit fixe (2), en faisant circuler (3) un fluide dans ledit lit fixe,

caractérisé en ce que pour stocker et restituer la chaleur, ledit fluide est soumis à au moins un obstacle (4) positionné dans le lit fixe (2), perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement, au flux (3) dudit fluide, ledit obstacle (4) étant positionné à la périphérie dudit lit fixe (2) desdites particules de stockage et de restitution de chaleur, ledit obstacle (4) étant réparti sur le pourtour de la périphérie dudit lit fixe (2) desdites particules de stockage et de restitution de chaleur,

17) Procédé selon la revendication 16, dans lequel ledit fluide traverse un agencement étagé formé par une pluralité desdits lits fixes (2) contenus dans ledit moyen de stockage et de restitution de la chaleur (10, 20). 18) Procédé selon l’une des revendications 16 et 17, pour lequel ledit moyen de stockage et de restitution de la chaleur (10, 20) est de forme sensiblement cylindrique

19) Procédé selon la revendication 18, dans lequel ledit fluide traverse radialement ledit lit fixe (2) dudit moyen de stockage et de restitution de la chaleur (10, 20).

20) Procédé selon la revendication 18, dans lequel ledit fluide traverse axialement ledit lit fixe

(2) dudit moyen de stockage et de restitution de la chaleur (10, 20).

21 ) Procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :

a) on comprime un gaz ;

b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur avec un lit fixe de particules de stockage et de restitution de la chaleur ;

c) on stocke ledit gaz refroidi ;

d) on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dudit lit fixe desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur ; et

e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie.

pour lequel le stockage et la restitution de la chaleur sont réalisés suivant le procédé de stockage et de restitution de la chaleur selon l’une des revendications 16 à 20.

Description:
SYSTEME ET PROCEDE DE STOCKAGE ET DE RESTITUTION DE LA CHALEUR AVEC COLLERETTE

La présente invention concerne le domaine du stockage d'énergie par gaz comprimé, notamment de l’air (CAES de l’anglais « Compressed Air Energy Storage »). En particulier, la présente invention concerne un système AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel est prévu le stockage du gaz et le stockage de la chaleur générée.

Dans un système de stockage d’énergie par air comprimé (CAES), l'énergie, que l'on souhaite utiliser à un autre moment, est stockée sous forme d'air comprimé. Pour le stockage, une énergie, notamment électrique, entraîne des compresseurs d’air, et pour le déstockage, l’air comprimé entraîne des turbines, qui peuvent être reliées à une génératrice électrique. Le rendement de cette solution n’est pas optimal car une partie de l’énergie de l’air comprimé se retrouve sous forme de chaleur qui n’est pas utilisée. En effet, dans les procédés CAES, on n’utilise que l’énergie mécanique de l’air, c’est-à-dire qu’on rejette toute la chaleur produite lors de la compression. A titre d’exemple, de l’air comprimé à 8 MPa (80 bar) se réchauffe pendant la compression jusqu’à environ 150°C, mais il est refroidi avant le stockage. De plus, le système nécessite de chauffer l’air stocké pour réaliser la détente de l’air. En effet, si l’air est stocké à 8 MPa (80 bar) et à température ambiante et si l’on désire récupérer l’énergie par une détente, la décompression de l’air suit à nouveau une courbe isentropique, mais cette fois à partir des conditions initiales de stockage (environ 8 MPa et 300 K). L’air se refroidit donc jusqu’à des températures non réalistes (83 K soit -191 °C). Il est donc nécessaire de le réchauffer, ce qui peut se faire à l’aide d’un brûleur à gaz, ou autre carburant.

Plusieurs variantes existent actuellement à ce système. On peut citer notamment les systèmes et procédés :

• ACAES (de l’anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à haute température due à la compression. Toutefois, ce type de système nécessite un système de stockage spécifique (stockage adiabatique), volumineux et coûteux.

• AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à température ambiante, et la chaleur due à la compression est également stockée, séparément, dans un système de stockage de la chaleur TES (de l’anglais « Thermal Energy Storage »). La chaleur stockée dans le TES est utilisée pour chauffer l’air avant sa détente. Une première solution envisagée pour le système de stockage de chaleur TES est l’utilisation d’un fluide caloporteur permettant de stocker la chaleur issue de la compression pour la restituer à l’air avant la détente au moyen d’échangeurs de chaleur. Par exemple, la demande de brevet EP 2447501 décrit un système AACAES dans lequel de l’huile, utilisée en tant que fluide caloporteur, circule en circuit fermé pour échanger de la chaleur avec l’air. Par ailleurs, les demandes de brevet EP 2530283 et WO 201 105341 1 décrivent un système AACAES, dans lequel les échanges de chaleur sont réalisés par un fluide caloporteur circulant dans un circuit fermé, le circuit fermé comprenant un unique réservoir de fluide caloporteur.

Toutefois, les systèmes décrits dans ces demandes de brevet nécessitent des moyens spécifiques de stockage et de circulation du fluide caloporteur. De plus, pour ces systèmes, des pertes de charge importantes sont générées par les échangeurs de chaleur utilisés.

Une deuxième solution envisagée pour le système de stockage de chaleur TES repose sur un stockage statique de la chaleur (sans déplacement du lit de particules de stockage de la chaleur ou du fluide caloporteur). Dans ce cas, le moyen de stockage de chaleur peut être réalisé avec un ou plusieurs lit(s) fixe(s) de particules de stockage de chaleur. Lors de la charge, le gaz comprimé chaud traverse le moyen de stockage de la chaleur. Par échange de chaleur entre ce gaz et les particules de stockage, celles-ci sont réchauffées et le gaz comprimé est refroidi. De la même manière, lors de la décharge, l’échange de chaleur généré entre les particules de stockage et le gaz comprimé, refroidit les particules de stockage et réchauffe le gaz comprimé. Le lit fixe de particules de stockage est généralement maintenu dans le moyen de stockage, par une structure de maintien, qui peut être directement la paroi du moyen de stockage, ou une structure montée à l’intérieur du moyen de stockage. Lors de la charge ou de la décharge du système de stockage de chaleur, la température du lit fixe dans un plan orthogonal au flux du gaz comprimé est sensiblement homogène, sauf à proximité de la structure de maintien. En effet, la proximité de la paroi induit, dans la structure granulaire du milieu, un arrangement particulier des particules à la paroi (effet de bord). Cet arrangement particulier a une incidence sur le profil de vitesses des flux de gaz à la paroi et par conséquent, sur le profil de températures des particules.

Il en résulte que le gradient thermique, le long dans une section orthogonale au flux du gaz comprimé est nul, ou quasiment nul, excepté au niveau de la structure de maintien, juxtaposée au lit fixe, à la périphérie du lit fixe : cela indique que la température est homogène ou quasiment homogène dans cette section, orthogonale à l’axe du flux de gaz comprimé, excepté à la périphérie du lit fixe, au niveau de la structure de maintien. Cette hétérogénéité du profil de températures, dans le lit fixe induit une perte du rendement global du moyen de stockage et une perte de performances globales du système.

Pour pallier ces inconvénients, et en particulier limiter la perte de rendement lié aux effets de bord, la présente invention concerne un moyen de stockage de la chaleur constitué d’au moins un lit fixe de particules de stockage de chaleur. A l’intérieur du moyen de stockage, au moins un obstacle, orthogonal ou sensiblement orthogonal au flux d’air est positionné, en périphérie du lit de particules de stockage. Cet obstacle est réparti le long de la périphérie du lit fixe (de manière continue ou discontinue). Il permet d’éloigner localement le flux de gaz comprimé de l’extrémité du lit fixe de particules, et donc de la structure de maintien juxtaposant le lit fixe, réduisant ainsi l’effet de bord par la structure de maintien.

Le procédé et le système selon l’invention

L’invention concerne un système de stockage et de restitution de la chaleur comprenant au moins une enceinte de stockage, au moins un lit fixe de particules de stockage et de restitution de la chaleur étant placé dans ladite enceinte de stockage et au moins un fluide pouvant circuler à travers ledit lit fixe dans ladite enceinte de stockage, ladite enceinte de stockage comprenant au moins une entrée dudit fluide dans ladite enceinte de stockage et au moins une sortie dudit fluide de ladite enceinte de stockage, caractérisé en ce qu’au moins un obstacle est positionné dans ledit lit fixe, sensiblement perpendiculairement au flux de circulation dudit fluide, ledit obstacle étant positionné à la périphérie dudit lit fixe desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur, ledit obstacle étant réparti sur le pourtour de la périphérie dudit lit fixe desdites particules de stockage.

Selon une variante de l’invention, le système comporte au moins deux obstacles régulièrement espacés le long dudit flux de circulation dudit fluide.

De préférence, l’espacement entre deux obstacles successifs suivant ledit flux de circulation dudit fluide est au minimum de deux fois la dimension dudit obstacle, perpendiculaire audit flux de circulation dudit fluide.

Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite enceinte de stockage comporte au moins un distributeur pour distribuer ledit fluide dans ledit lit fixe, et de préférence, au moins deux distributeurs.

De préférence, ledit obstacle est positionné au niveau dudit distributeur.

Conformément à une mise en oeuvre, ledit obstacle est constitué d’une plaque.

De manière avantageuse, la dimension dudit obstacle, perpendiculaire audit flux de circulation dudit fluide, est située entre 1 et 10 fois le diamètre équivalent de Sauter desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur dudit lit fixe, de préférence entre 3 et 5 fois le diamètre équivalent de Sauter desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur dudit lit fixe.

Selon un mode de réalisation, ladite enceinte de stockage est cylindrique ou sensiblement cylindrique.

Selon une variante de réalisation, ledit flux de circulation dudit fluide à l’intérieur de ladite enceinte de stockage se fait selon l’axe de ladite enceinte de stockage.

Avantageusement, ledit obstacle est constitué d’une plaque annulaire, disposée sur la face interne de la paroi cylindrique de ladite enceinte de stockage.

Selon une autre variante de réalisation, ledit flux de circulation dudit fluide à l’intérieur de ladite enceinte de stockage se fait selon un axe perpendiculaire à l’axe de ladite enceinte de stockage, au moins deux plateaux de support dudit lit fixe étant positionnés à l’intérieur de ladite enceinte de stockage, lesdits plateaux de support étant perpendiculaires à l’axe de ladite enceinte de stockage.

De manière avantageuse, ledit obstacle est positionné sur lesdits plateaux de support, ledit obstacle formant alors un morceau de cylindre sur chacun des deux plateaux de support dudit lit fixe desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur.

Selon un mode de réalisation, ledit obstacle est réparti de manière continue sur le pourtour de la périphérie dudit lit fixe.

Alternativement, ledit obstacle est réparti de manière discontinue sur le pourtour de la périphérie dudit lit fixe.

L’invention concerne également un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un moyen de stockage du gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie, et au moins un moyen de stockage de la chaleur selon l’un des caractéristiques précédentes.

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

a) On stocke la chaleur dans un lit fixe de particules de stockage et de restitution de chaleur, en faisant circuler un fluide dans ledit lit fixe ; et

b) On restitue la chaleur récupérée par ledit lit fixe, en faisant circuler un fluide dans ledit lit fixe.

Pour stocker et restituer la chaleur, ledit fluide est soumis à au moins un obstacle positionné dans le lit fixe, perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement, au flux dudit fluide, ledit obstacle étant positionné à la périphérie dudit lit fixe desdites particules de stockage et de restitution de chaleur, ledit obstacle étant réparti sur le pourtour de la périphérie dudit lit fixe desdites particules de stockage et de restitution de chaleur,

Selon une variante de l’invention, ledit fluide traverse un agencement étagé formé par une pluralité desdits lits fixes contenus dans ledit moyen de stockage et de restitution de la chaleur.

Selon un mode de réalisation, ledit moyen de stockage et de restitution de la chaleur est de forme sensiblement cylindrique.

Selon une variante, ledit fluide traverse radialement ledit lit fixe dudit moyen de stockage et de restitution de la chaleur.

Alternativement, ledit fluide traverse axialement ledit lit fixe dudit moyen de stockage et de restitution de la chaleur.

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

a) on comprime un gaz ;

b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur avec un lit fixe de particules de stockage et de restitution de la chaleur ;

c) on stocke ledit gaz refroidi ;

d) on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dudit lit fixe desdites particules de stockage et de restitution de la chaleur ; et

e) on détend ledit gaz comprimé chauffé pour générer une énergie.

pour lequel le stockage et la restitution de la chaleur sont réalisés suivant le procédé de stockage et de restitution de la chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes.

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 système de stockage et de restitution de la chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 2 illustre un système de stockage et de restitution de la chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

La figure 3 illustre un système de stockage et de restitution de la chaleur selon un troisième mode de réalisation de l’invention. La figure 4 illustre un système de stockage et de restitution de la chaleur selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.

La figure 5 illustre la répartition des températures dans un plan perpendiculaire à la direction de la circulation du fluide selon un système de stockage et de restitution de la chaleur de l’art antérieur.

La figure 6 montre une comparaison de l’évolution des températures au cours du temps pour deux points diamétralement opposés de deux systèmes de stockage et de restitution de la chaleur, un premier selon l’art antérieur et un second selon l’invention.

La figure 7 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’invention.

Description détaillée de l'invention

La présente invention concerne un système de stockage et de restitution de la chaleur. Dans cette mise en œuvre, un fluide (par exemple un gaz comprimé) circule à travers un lit fixe de particules de stockage et de restitution de chaleur, permettant un échange thermique entre le fluide et les particules. Les particules sont choisies dans un matériau apte à stocker et à restituer la chaleur.

Le système selon l’invention comporte :

- Au moins une enceinte de stockage ;

- Au moins un fluide qui circule dans l’enceinte de stockage ;

- Au moins un lit fixe de particules de stockage et de restitution de la chaleur. Ces particules solides, appelées dans la suite de la description « particules de stockage », échangent de la chaleur avec le fluide lors des phases de stockage et de restitution de chaleur, la chaleur étant stockée dans les particules entre ces deux phases. Selon l’invention, les particules de stockage de la chaleur sont réparties sur au moins un lit fixe. On appelle lit fixe, un agencement de particules de stockage de chaleur, dans lequel les particules sont immobiles. Les particules de stockage de la chaleur permettent le passage du gaz dans le lit fixe ;

- Au moins deux entrée/sortie de fluide au niveau de l’enceinte de stockage, sachant que la direction du flux est inversée entre les opérations de stockage et de restitution de la chaleur. De préférence, les entrée/sortie peuvent être situées à des extrémités éloignées du lit fixe.

- Au moins un obstacle positionné dans le lit fixe, perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement au flux de circulation du fluide, à la périphérie du lit fixe de particules de stockage, l’obstacle étant réparti sur le pourtour de la périphérie du lit fixe, de manière continue ou discontinue. o Par obstacle positionné perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement au flux de circulation du fluide, on entend que le plan principal de l’obstacle (par exemple, plan de la plaque dans le cas d’une plaque ou d’une plaque annulaire) est orthogonal ou sensiblement orthogonal au flux de circulation du fluide

o L’obstacle est positionné à la périphérie du lit fixe des particules de stockage : lorsque le lit fixe est délimité par des parois, par exemple les parois de l’enceinte de stockage ou des plaques de support de lit fixe, l’obstacle peut être positionné au contact de la paroi de l’enceinte de stockage ou au contact des plaques de support, positionnées en périphérie du lit fixe.

o Par obstacle réparti sur le pourtour de la périphérie du lit fixe, on entend que le profil de l’obstacle, est reproduit sur une majeur partie de la périphérie du lit fixe, de préférence sensiblement toute la périphérie du lit fixe. Par exemple, pour une enceinte cylindrique, il peut être représenté par une plaque annulaire (obstacle réparti de manière continue) ou par une plaque annulaire avec des trous (obstacle réparti de manière continue), éventuellement répartis régulièrement sur la plaque, ou encore par une multitude de petites plaques réparties régulièrement (obstacle réparti de manière discontinue) sur tout le cylindre intérieur de l’enceinte. La présence de cet obstacle permet localement d’éloigner le fluide de la périphérie du lit fixe, améliorant ainsi l’homogénéité de la température à l’intérieur du lit fixe de particules, et donc le rendement global de l’installation. En effet, un profil de température dans un plan perpendiculaire au flux de circulation du fluide plus homogène entraîne un meilleur échange thermique entre le fluide et le lit fixe de particules de stockage. Il en résulte que les performances globales du système de stockage sont améliorées. Par ailleurs, la nature de l’obstacle n’engendre pas d’augmentation significative des pertes de charges et donc n’impacte pas le fonctionnement global du système de stockage et de restitution de chaleur.

Chaque lit fixe peut comprendre des particules solides ou des particules contenant un matériau à changement de phase (MCP). Pour cela, les particules peuvent avoir la forme de capsules contenant des MCP. L’utilisation de lit de particules contenant des MCP permet de mieux contrôler le gradient thermique dans la cuve, par l’utilisation de différentes températures de fusion. Un compromis entre efficacité et coût peut également être trouvé en mélangeant des MCP et des matériaux de stockage par chaleur sensible dans un même lit. Parmi les matériaux à changement de phase, on peut utiliser les matériaux suivants : les paraffines, dont la température de fusion est inférieure à 130°C, les sels qui fondent à des températures supérieures à 300°C, des mélanges (eutectiques) qui permettent d’avoir une large gamme de température de fusion.

Les particules solides (qu’elles soient ou non à changement de phase) peuvent avoir toutes les formes connues des milieux granulaires classiques (billes, cylindres, extrudés, trilobés ...), ainsi que toute autre forme permettant de maximiser la surface d’échange avec le gaz. La taille de particules peut varier entre 0.5 mm et 10 cm, de manière préférée entre 2 et 50 mm et de manière encore plus préférée entre 5 et 20 mm.

La plage de températures sur laquelle le moyen de stockage de la chaleur peut fonctionner est comprise entre 0° et 500°C, plus préférentiellement entre 100 et 400°C, et de manière encore plus préférée entre 100 et 350°C. Les niveaux de température dépendent à la fois du procédé complet AACAES et du type de matériau utilisé pour les particules du moyen de stockage de la chaleur.

Selon une mise en oeuvre de l’invention, le système peut comporter au moins deux obstacles régulièrement espacés le long du flux de circulation du fluide. La présence de ces obstacles régulièrement espacés améliore l’homogénéité des températures et ainsi la performance. Par exemple, les obstacles peuvent être positionnés aux niveaux des entrées/sorties du lit fixe et/ou au milieu et de manière préférée, à l’entrée, au milieu et à la sortie du lit fixe. Cette configuration permet une répartition optimisée du flux thermique dans le lit fixe.

Selon une variante de réalisation de l’invention, l’espacement entre les deux obstacles successifs peut être au minimum égal à deux fois la dimension de l’obstacle perpendiculaire au flux de circulation. En effet, en respectant cet espacement minimal, l‘écoulement qui est localement dévié par l’obstacle vers le centre du lit fixe de particules peut à nouveau approcher les parois du lit avant de rencontrer l’obstacle suivant. Ainsi, l’écoulement de gaz qui approche l’obstacle suivant est très proche de celui qu’il verrait si l’obstacle précédent n’existait pas.

Selon une variante de réalisation de l’invention, l’enceinte de stockage peut comporter au moins un distributeur. On entend par « distributeur » un dispositif qui permet de distribuer le fluide de manière la plus homogène possible, dans le lit fixe de particules de stockage, de manière à optimiser les échanges thermiques entre le fluide et le lit fixe de particules de stockage. De préférence, au moins deux distributeurs peuvent être mis en place, le premier à une extrémité du lit fixe de particules de stockage et le deuxième à l’autre extrémité du lit fixe de particules de stockage Par exemple, lorsque le fluide circule dans un sens de circulation (par exemple lors de la charge), le premier distributeur peut être mis en place à l’entrée du lit fixe de particules de stockage, juste avant que le fluide ne rentre dans le lit fixe de particules de stockage et le deuxième à la sortie du lit fixe de particules de stockage, juste après la sortie du fluide du lit fixe de particules de stockage. Dans le cas où le fluide circule à la décharge, dans le sens opposé de circulation, le deuxième distributeur se retrouve alors à l’entrée du gaz dans le lit fixe de particules de stockage, juste avant que le fluide ne rentre dans le lit fixe de particules de stockage, et le premier distributeur se retrouve alors à la sortie du gaz du lit fixe de particules de stockage, juste après la sortie du lit fixe de particules de stockage. Alternativement, d’autres distributeurs peuvent être ajoutés et positionnés à l’intérieur du lit fixe de particules de stockage.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’obstacle peut être positionné au niveau du distributeur. Ainsi, l’accélération locale et le déplacement du flux de gaz par synergie entre la présence de l’obstacle et celle du distributeur, sont améliorés.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’obstacle peut être constitué d’une plaque. Cette conception permet une fabrication simple et peu onéreuse de l’obstacle. Par ailleurs, la plaque n’a pas besoin d’être mécaniquement fixée, ce qui simplifie sa mise en œuvre et rend l’invention utilisable en lors de la modernisation ou du remodelage d’une installation. Dans ce cas, la plaque est posée sur le lit fixe de particules.

Selon une caractéristique de l’invention, la dimension de l’obstacle, perpendiculaire au flux de circulation du fluide peut être égale à une valeur entre 1 et 10 fois le diamètre équivalent de Sauter des particules de stockage, de préférence entre 3 et 5 fois le diamètre équivalent de Sauter des particules de stockage. On appelle diamètre équivalent de Sauter, la grandeur caractéristique des particules de stockage d 32 défini par : d 32 = 6 — Ap avec V p le volume des particules et A p l’aire des particules. Cette caractéristique de l’invention permet de limiter la perte de charge induite par l’obstacle tout en optimisant l’effet de la présence de l’obstacle sur l’évolution des températures dans un plan perpendiculaire au flux de circulation du fluide.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’enceinte de stockage peut être cylindrique ou sensiblement cylindrique.

En outre, le flux de circulation du fluide à l’intérieur de l’enceinte de stockage, cylindrique ou sensiblement cylindrique, peut se faire, selon l’axe de l’enceinte de stockage. On parle alors de « flux axial » pour désigner ce mode de circulation du fluide à l’intérieur de l’enceinte de stockage et de « système à flux axial » pour désigner un système de stockage et de restitution de la chaleur avec un mode de circulation du fluide à flux axial.

Par ailleurs, l’obstacle dans l’enceinte de stockage cylindrique ou sensiblement cylindrique, peut être une plaque annulaire. Ce type d’obstacle est simple à fabriquer, peu onéreux et répond bien à la problématique souhaitée d’éloignement local du flux de circulation du fluide de la périphérie du lit fixe.

Alternativement, le flux de circulation du fluide à l’intérieur de l’enceinte de stockage, cylindrique ou sensiblement cylindrique, peut se faire, selon un axe perpendiculaire à l’axe de l’enceinte de stockage. Dans ce cas, on parle de « flux radial » pour la circulation du fluide à l’intérieur de l’enceinte de stockage et de « système à flux radial » pour désigner un système de stockage et de restitution de la chaleur avec un mode de circulation du fluide à flux radial. Pour se faire, des plateaux dits « plateaux de support » peuvent être utilisés et positionnés à l’intérieur de l’enceinte de stockage. Ils servent à maintenir les lits fixes de particules de stockage et à orienter le flux de circulation du fluide, dans le sens radial, à l’intérieur de l’enceinte de stockage.

Dans le système à flux radial, l’obstacle peut être positionné sur les plateaux de support. L’obstacle est alors divisé en deux parties, une première partie positionnée sur le plateau de support dit « supérieur » et une deuxième partie sur le plateau de support dit « inférieur ». Sur chacun de ces deux plateaux de support, l’obstacle représente par exemple un morceau de cylindre.

Selon un mode de réalisation, l’obstacle peut être réparti de manière continue sur le pourtour de la périphérie du lit fixe, par exemple, par une plaque ou une collerette. Cela permet l’utilisation d’une forme simple à fabriquer.

Alternativement, l’obstacle peut être réparti de manière discontinue sur le pourtour de la périphérie du lit fixe, par exemple par plusieurs obstacles, répartis sur le pourtour. Cela présente l’avantage de disposer de plusieurs éléments de tailles réduites, plus facilement transportables, et pour lesquels la mise en place et le positionnement dans le moyen de stockage est plus aisée.

Les figures 1 à 3 montrent des exemples non limitatifs de modes de réalisation d’un système de stockage et de restitution de la chaleur à flux axial selon l’invention.

La figure 1 représente, schématiquement et de manière non limitative, un moyen de stockage et de restitution de chaleur 10 équipé d’une enceinte de stockage 1 , d’un lit fixe 2 de particules de stockage, d’un fluide dont la circulation 3 est matérialisée par des flèches. En mode stockage, la circulation du fluide se faisant par une entrée 8 du fluide dans l’enceinte de stockage 1 jusqu’à une sortie 9 de l’enceinte de stockage 1 . En mode restitution, la circulation du fluide 3 peut être inversée dans l’enceinte de stockage 1 : le fluide entre alors par l’entrée 9 et ressort par la sortie 8. L’enceinte de stockage 1 comprend deux distributeurs 5 et un obstacle 4 positionné à la périphérie du lit fixe 2, l’obstacle 4 étant perpendiculaire au flux de circulation 3 du fluide, l’obstacle 4 étant également réparti et continu sur la périphérie du lit fixe 2 et positionné à la périphérie du lit fixe 2. Dans l’exemple de la figure 1 , l’obstacle 4 est une plaque annulaire. Alternativement, d’autres formes d’obstacles peuvent être utilisées.

La figure 2 montre, schématiquement et de manière non limitative, une variante de réalisation où deux obstacles 4 sont mis en place dans l’enceinte de stockage 1 , à la périphérie du lit fixe 2, perpendiculairement au flux de circulation 3. Ces deux obstacles sont continus sur le pourtour de la périphérie du lit fixe 2. La dimension caractéristique de l’obstacle 4, perpendiculaire au flux de circulation 3 du fluide 3 est matérialisée par la lettre L. Par exemple, pour un obstacle 4 qui aurait la forme d’une plaque annulaire comme sur la Figure 2, L correspond à la largeur de la plaque annulaire. L’espacement entre deux obstacles successifs 4, est matérialisé par la distance E, dans le sens du flux de circulation 3. De manière préférée, la dimension L peut être égale à une valeur entre 1 et 10 fois le diamètre équivalent de Sauter des particules de stockage, de préférence entre 3 et 5 fois le diamètre équivalent de Sauter des particules de stockage. Egalement de préférence, l’espacement E peut être au minimum égal à deux fois la dimension L de l’obstacle, perpendiculaire au flux de circulation.

La figure 3 montre, schématiquement et de manière non limitative, un exemple d’une variante de réalisation de l’invention où plusieurs obstacles sont utilisés, notamment un obstacle 4 est positionné au niveau des distributeurs d’entrée et sortie 5. Alternativement, l’obstacle 4 peut également être positionné au niveau de l’un ou l’autre des distributeurs d’entrée ou sortie 5 ou bien encore sur un distributeur intermédiaire, qui serait positionné à l’intérieur du lit fixe 2 (non représenté). La figure 3 montre également un obstacle positionné à un niveau où aucun distributeur n’est présent.

Sur la figure 4, schématiquement et de manière non limitative, un système de stockage et de restitution de chaleur à flux radial 20 est représenté. Dans cet exemple, le système comporte 6 couches de lits fixes 2, chaque couche ayant une section annulaire. En mode stockage, le fluide entre par l’entrée 8 dans l’enceinte de stockage. En mode restitution de chaleur, la circulation de fluide peut être inversée. Puis le flux de circulation, matérialisé par les flèches, est dirigé par les plateaux de support 6 qui alternativement dirige le flux depuis le centre de l’enceinte vers l’extérieur ou depuis l’extérieur de l’enceinte vers le centre, en fonction du nombre et de la position du lit fixe 2. La partie à droite de la figure 4 montre par exemple, deux manières différentes de positionner les obstacles 4, dans ce système à flux radial 20. Le schéma en haut à droite, montre deux obstacles 4 positionnés aux niveaux des distributeurs 5 à l’entrée et la sortie de chaque lit fixe 2. Le schéma en bas à droite, montre un obstacle 4 positionné à environ mi- largeur du lit fixe 2, c’est-à-dire à équidistance des deux distributeurs 5 d’entrée et de sortie de chaque lit fixe 2. On note que pour les deux schémas de la partie droite, l’obstacle 4 est divisé en deux parties, chacune des parties étant une paroi cylindrique d’axe confondu avec l’axe de l’enceinte de stockage, une partie supérieure positionnée en haut du lit fixe 2, à proximité du plateau de support 6 dit supérieur et une partie inférieure en bas du lit fixe 2, à proximité du plateau de support 6 dit inférieur. Ces exemples ne sont pas limitatifs : d’autres nombres d’obstacles, d’autres positions d’obstacles et d’autres formes d’obstacles peuvent être envisagés.

La figure 5 montre les iso-contours de température à un instant t lors du stockage de la chaleur dans un lit fixe de particules de stockage pour un système de stockage et de restitution de chaleur selon l’art antérieur, c’est-à-dire sans obstacle. Les nuances de gris de la figure 5 indiquent des variations de température. L’évolution du front de température 25 dans un plan orthogonal au flux de circulation 3 du fluide illustre :

- que le front de température est quasiment constant dans un plan orthogonal au flux de circulation 3 du fluide, lorsqu’on se positionne à proximité du centre du lit fixe.

- qu’on obtient des évolutions locales de températures 7 à proximité de la périphérie du lit fixe.

Ces évolutions locales de températures traduisent une non-homogénéité du profil de températures 25 dans un plan orthogonal à la direction du flux de circulation du fluide. Ce défaut d’homogénéité induit une baisse de performances du système de stockage et de restitution de la chaleur. La présente invention permet de limiter voire d’éviter ces évolutions locales de températures dans le lit fixe.

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

- au moins un moyen de compression de gaz ;

- au moins un moyen de stockage de gaz comprimé ;

- au moins un moyen de détente du gaz comprimé ;

- au moins un moyen de stockage et de restitution de la chaleur, selon au moins une variante décrite ci-dessus. Le moyen de stockage et de restitution de la chaleur est positionné entre le moyen de compression ou de détente et le moyen de stockage de gaz comprimé.

En utilisant le moyen de stockage et de restitution de la chaleur suivant l’invention, les performances thermiques du système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé sont optimisées et par conséquence, le rendement global du système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé est augmenté.

De préférence, plusieurs étages de compression et de détente peuvent être mis en œuvre afin d’optimiser les performances globales du système. Dans ce cas, au moins un moyen de stockage et de restitution de la chaleur peut être placé entre deux étages de compression ou de détente. Le nombre d’étages et le rapport de chaque étage peuvent être choisis en fonction notamment du gaz et des différentes contraintes du système pour améliorer le rapport coût/qualité.

Le gaz utilisé peut notamment être de l’air, par exemple de l’air prélevé dans le milieu ambiant.

De préférence également, plusieurs réservoirs de stockage du gaz comprimé peuvent être utilisés. Ces réservoirs peuvent avoir des caractéristiques différentes les uns des autres, par exemple, volumes et/ou pressions différents.

Préférentiellement, plusieurs moyens de stockage et de restitution de la chaleur peuvent également être mis en œuvre, chacun pouvant avoir des caractéristiques différentes, afin d’optimiser le fonctionnement global du système.

Le moyen de compression peut notamment être un compresseur ; le moyen de détente peut notamment être une turbine.

La figure 7 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un exemple de réalisation d’un système AACAES selon l’invention. Sur cette figure, les flèches en trait continu illustrent la circulation du gaz lors des étapes de compression (stockage d’énergie), et les flèches en pointillés illustrent la circulation du gaz lors des étapes de détente (restitution d’énergie). Cette figure illustre un système AACAES comprenant un seul étage de compression 40, un seul étage de détente 50 et un système de stockage de la chaleur 10. Le système comporte un réservoir de stockage 30 du gaz comprimé. Le système de stockage de la chaleur 10 est intercalé entre l’étage de compression/détente 40 ou 50 et le réservoir de stockage 30 du gaz comprimé. Le système de stockage de chaleur est réalisé selon au moins une variante de réalisation décrite précédemment. Classiquement, en phase de stockage d’énergie (compression), l’air est d’abord comprimé dans le compresseur 40, puis refroidi dans le système de stockage de la chaleur 10. Le gaz comprimé et refroidi est stocké dans le réservoir 30. Les particules de stockage de la chaleur du système de stockage de la chaleur 10 sont chaudes suite au refroidissement du gaz comprimé dans la phase de compression. Lors de la récupération de l’énergie (détente), le gaz comprimé stocké est chauffé dans le système de stockage de la chaleur 10. Ensuite, de manière classique, le gaz passe au travers d’un ou plusieurs étages de détente 50 (un étage selon l’exemple illustré en figure 7).

La présente invention concerne aussi un procédé de stockage et de restitution de chaleur dans lequel on réalise les étapes suivantes :

a) On stocke la chaleur dans un lit fixe de particules de stockage et de restitution de chaleur, en faisant circuler un fluide dans le lit fixe ; et

b) On restitue la chaleur récupérée par le lit fixe, en faisant circuler un fluide dans le lit fixe

et dans lequel, pour stocker et restituer la chaleur, le fluide est soumis à au moins un obstacle positionné dans le lit fixe, perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement, au flux de circulation du fluide, l’obstacle étant positionné à la périphérie du lit fixe de particules de stockage, l’obstacle étant réparti sur le pourtour de la périphérie du lit fixe de particules de stockage, de manière continue ou discontinue. La présence de l’obstacle ainsi positionné dans le moyen de stockage et de restitution de chaleur permet d’éloigner localement le flux de circulation du fluide de la périphérie du lit fixe. Cela génère une modification locale du champ de vitesse et donc de température qui permet d’homogénéiser la température dans le lit de particules. De cette manière, les performances thermiques du procédé sont améliorées.

Le fluide utilisé pour la restitution de chaleur peut être identique ou différent du fluide utilisé pour le stockage de chaleur.

Selon une variante de réalisation du procédé selon l’invention, le fluide peut traverser un agencement étagé formé par une pluralité de lits fixes contenus dans le moyen de stockage et de restitution de chaleur. Le système peut ainsi être optimisé vis-à-vis de différents critères, comme par exemple et de manière non limitative, pour améliorer le rendement ou minimiser le coût de fabrication.

Selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention, le fluide peut circuler à travers un moyen de stockage et de restitution de chaleur cylindrique ou sensiblement cylindrique. Cette forme géométrique particulière a l’avantage d’être simple à fabriquer et permet de diriger facilement le flux de circulation du fluide de manière homogène à travers le moyen de stockage et de restitution de chaleur.

Selon une variante de réalisation du procédé selon l’invention, le fluide peut traverser le lit fixe du moyen de stockage et de restitution de la chaleur de manière radiale, c’est-à-dire selon une direction perpendiculaire à l’axe du moyen de stockage et de restitution de chaleur, cylindrique ou sensiblement cylindrique. La spécificité du flux radial permet de mieux homogénéiser les températures à l’intérieur de l’enceinte de stockage par rapport à un flux axial et par conséquence, d’améliorer les performances thermiques du moyen de stockage et de restitution de chaleur.

Alternativement, le fluide peut traverser le lit fixe du moyen de stockage et de restitution de chaleur de manière axiale, c’est-à-dire que la direction du flux de circulation du fluide est colinéaire à l’axe du moyen de stockage et de restitution de chaleur. En utilisant un procédé de stockage et de restitution de chaleur à flux axial, le procédé est plus simple à mettre en œuvre et le coût global du procédé peut être minimisé.

En outre, la présente invention concerne également un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :

a) on comprime un gaz ;

b) on refroidit ledit gaz comprimé par échange de chaleur avec un lit fixe de particules de stockage;

c) on stocke le gaz refroidi ;

d) on chauffe le gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur du lit fixe de particules de stockage ; et

e) on détend le gaz comprimé chauffé pour générer une énergie.

pour lequel le stockage (refroidissement du gaz comprimé) et la restitution (chauffe du gaz comprimé) de la chaleur sont réalisés suivant le procédé de stockage et de restitution de la chaleur tel que décrit ci-dessus. L’utilisation du procédé de stockage et de restitution de chaleur, selon au moins une des variantes décrites ci-dessous, dans le procédé de stockage et de récupération d’énergie, permet d’améliorer les performances de stockage et de restitution de chaleur. En améliorant ces performances, on améliore les performances globales de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé.

Le gaz utilisé peut notamment être de l’air, par exemple de l’air prélevé dans le milieu ambiant. Les étapes b) et d) peuvent être de préférence mises en œuvre par le système de stockage et de restitution de la chaleur selon au moins une variante décrite précédemment.

Les étapes de compression et/ou de détente peuvent être décomposées en plusieurs sous-étapes de compression et/ou de détente. Cela peut permettre d’améliorer les performances globales du système et/ou d’optimiser le rendement coût/qualité, en fonction des contraintes du système et du gaz utilisé. On peut également utiliser des moyens de compression et/ou de détente standard, ce qui permet de limiter les coûts de conception et fabrication d’éléments de compression et/ou détente spécifiques au besoin.

Les étapes de compression et de détente peuvent notamment être réalisées respectivement par un compresseur et une turbine. Lors de la détente, la turbine peut générer une énergie électrique. Si le gaz est de l’air, l’air détendu peut être évacué dans le milieu ambiant.

L’étape c) peut être réalisée au sein d’un moyen de stockage du gaz comprimé, qui peut être un réservoir naturel ou non (par exemple une cavité souterraine). Le moyen de stockage du gaz comprimé peut être en surface ou en sous-sol. De plus, il peut être formé d’un unique volume ou d’une pluralité de volumes connectés entre eux ou non. Lors du stockage, on ferme le moyen de stockage du gaz comprimé.

Le procédé et le système selon l’invention peuvent être utilisés pour le stockage d’une énergie intermittente, telle que l’énergie éolienne ou solaire, afin de pouvoir utiliser cette énergie au moment désiré.

La figure 6 représente un exemple comparatif de mise en œuvre de l’invention. La figure 6 illustre l’évolution de la température au niveau de deux points diamétralement opposés A et B, positionnés à mi-hauteur de l’enceinte de stockage de la chaleur, pour deux moyens de stockage et de restitution de chaleur cylindrique à flux axial différents. Le premier système de stockage et de restitution de chaleur correspond à un système selon l’art antérieur (sans obstacle) ; le deuxième système correspond à un mode de réalisation suivant l’invention (selon la configuration de la figure 1 ). Les courbes A1 et B1 donnent les évolutions de températures au cours du temps sur les points A et B pour le système de stockage et de restitution de chaleur selon l’art antérieur ; les courbes A2 et B2 donnent les évolutions de températures au cours du temps sur les points A et B pour un système de stockage et de restitution de la chaleur selon un mode de réalisation de l’invention. Sur ces courbes, on distingue notamment trois zones identifiées par les lettres E, S et R correspondant respectivement à des durées pendant lesquelles le système emmagasine de la chaleur (zone E), stocke la chaleur ainsi emmagasinée (Zone S) puis restitue la chaleur stockée (Zone R). Les deux systèmes de stockage et de restitution de chaleur, mis à part l’ajout de l’obstacle pour celui réalisé selon un mode de réalisation de l’invention, sont identiques. On observe sur la figure 6, que les pics de température observés sur les courbes A1 et B1 sont considérablement réduits sur les courbes A2 et B2. Par ailleurs, la température moyenne sur la durée du stockage est plus élevée, ce qui montre de meilleures performances du système selon l’invention, par rapport au système selon l’art antérieur.