Domaine technique

La présente invention concerne le domaine des systèmes d’échange de chaleur, en particulier pour le stockage de la chaleur dans un système ou un procédé de type AA-CAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic - Compressed Air Energy Storage »).

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 1500, mais il est refroidi avant le stockage. De plus, le rendement d’un système CAES n’est pas optimal, car ensuite 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 -1910). 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, volumineux et coûteux (stockage adiabatique). • 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. Selon certaines conceptions envisagées, la chaleur est stockée dans le système de stockage au moyen de particules solides.

Par ailleurs, de tels systèmes d’échange de chaleur TES sont utilisés dans d’autres domaines : le stockage de l’énergie solaire, marine, dans les procédés de métallurgie, etc.

Technique antérieure

Un des critères de design des systèmes d’échange et de stockage de chaleur est leur capacité à contrôler la stratification thermique (ou thermocline) des faibles températures vers des températures élevées. En effet, le rendement et l’efficacité de stockage de la chaleur en dépendent.

Dans ce but, plusieurs types de système d’échange de chaleur ont été développés. Certains types de système d’échange de chaleur concernent un lit fixe de particules solides, ou des échanges thermiques de fluides circulant à co-courant. Cependant, ces échanges de chaleur ne sont pas optimaux en termes d’efficacité.

Par exemple, les demandes de brevet WO 201 1/027309 et WO 201 1/135501 décrivent des systèmes de stockage de la chaleur comprenant des particules solides sous forme de lit fluidisé. Toutefois, pour ces solutions, les échanges de chaleur entre le fluide et les particules solides se font indirectement au moyen d’un échangeur de chaleur plongé dans le lit fluidisé. Ainsi, l’efficacité de l’échange de chaleur entre le fluide de stockage et les particules solides n’est pas optimale, notamment car l’échange de chaleur est indirect, et car toutes les particules ne sont pas en contact avec le fluide de stockage.

De plus, la demande de brevet FR 3004245 propose plusieurs configurations d’un système d’échange de chaleur thermique faisant appel à la fluidisation des particules au moyen de réactions thermochimiques. Toutefois, cette solution nécessite également un échangeur de chaleur traversant le lit fluidisé, ce qui ne permet pas une optimisation de l’échange de chaleur, notamment car l’échange est indirect, et car toutes les particules ne sont pas en contact avec le fluide.

La demande de brevet FR 3044749 concerne un système d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur. Le système d’échange comporte une zone d’échange, dans laquelle le fluide et les particules de stockage de chaleur (sous forme de lit fluidisé) s’écoulent à contre-courant et courant-croisé. Cet écoulement à contre-courant et à courant-croisé permet une efficacité élevée de l’échange de chaleur entre le fluide et les particules. Ce type de système d’échange de chaleur donne satisfaction notamment en termes de performances. Néanmoins, cette technologie est difficile à mettre en oeuvre, en particulier dans les étages supérieurs de compression. En effet, le système ne permet pas de découpler les pressions d’échange de chaleur et de stockage, les réservoirs de stockage des particules doivent résister à la pression du fluide. Ainsi, le système est bien adapté pour les pressions du fluide basses, pour lesquelles un réservoir de stockage standard peut être utilisé. Cependant, pour les pressions du fluide élevées, le réservoir de stockage des particules doit être dimensionné pour pouvoir résister aux pressions envisagées (par exemple 13 MPa), ce qui engendre des contraintes sur les matériaux utilisés, sur les épaisseurs, et par conséquent sur le coût des réservoirs de stockage de particules.

Résumé de l’invention

La présente invention a notamment pour but de stocker de la chaleur en minimisant les coûts de ce stockage, et en simplifiant la conception des réservoirs de stockage des particules. Dans ce but, la présente invention concerne un système et un procédé d’échange de chaleur entre un fluide et un lit fluidisé de particules de stockage de la chaleur, au moyen de deux réservoirs de stockage de particules et d’au moins une zone d’échange de chaleur à contre- courant entre le fluide et le lit fluidisé de particules. Pour ce système et ce procédé, les réservoirs de stockage des particules sont à basse pression, et les zones d’échange de chaleur sont à haute pression. Pour cela, les réservoirs de stockage de particules sont séparées de la zone d’échange de chaleur d’une part par un moyen d’alimentation de particules à haute pression, et d’autre part par un moyen de dépressurisation.

La présente invention concerne également un système et un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé mettant en oeuvre le système et le procédé de stockage de la chaleur selon l’invention.

L’invention concerne un système d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur comprenant au moins deux réservoirs de stockage desdites particules, et au moins une zone d’échange de chaleur disposée entre lesdits deux réservoirs de stockage desdites particules, ledit fluide et un lit fluidisé desdites particules de stockage de chaleur s’écoulant à contre-courant dans ladite zone d’échange de chaleur. Ledit système d’échange de chaleur comprend des moyens d’alimentation en particules de stockage de chaleur à haute pression disposés entre un premier réservoir de stockage desdites particules et ladite au moins une zone d’échange de chaleur, ainsi que des moyens de dépressurisation disposés entre ladite au moins une zone d’échange de chaleur et un deuxième réservoir de stockage desdites particules.

Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d’alimentation en particules de stockage de chaleur à haute pression sont choisis parmi une vanne rotative, une trémie à sas, un distributeur de boue, un distributeur de bouchons, un distributeur dynamique, et un distributeur à pistons.

Conformément à une mise en oeuvre, ledit système d’échange de chaleur comporte un premier réservoir de stockage desdites particules, un deuxième réservoir de stockage desdites particules, au moins une première zone d’échange de chaleur étant formée entre lesdites premier et deuxième réservoirs de stockage desdites particules, et un troisième réservoir de stockage desdites particules, au moins une deuxième zone d’échange de chaleur étant formée entre lesdits deuxième et troisième réservoirs de stockage de particules.

De préférence, ledit système d’échange de chaleur comporte des moyens de transport desdites particules de stockage de chaleur dudit troisième réservoir de stockage desdites particules vers ledit premier réservoir de stockage desdites particules.

Selon un aspect, ledit fluide et ledit lit fluidisé desdites particules de stockage de chaleur s’écoulent à courant-croisé dans ladite au moins une zone d’échange de chaleur.

De plus, l’invention concerne 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 dudit gaz comprimé, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie. Ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte au moins un système d’échange de chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes.

Selon une caractéristique, ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte une pluralité d’étages de compression et/ou de détente, constituée d’une pluralité de moyens de compression dudit gaz et/ou d’une pluralité de moyens de détente dudit gaz, et dans lequel au moins une zone d’échange de chaleur d’un système d’échange de chaleur, est disposée entre deux étages de compression et/ou de détente consécutifs.

Avantageusement, ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte, pour chaque étage de compression et/ou de détente, trois réservoirs de stockage desdites particules, au moins une zone d’échange de chaleur en sortie de chaque étage de compression, et/ou au une moins zone d’échange de chaleur en entrée de chaque étage de détente, chaque zone d’échange de chaleur reliant deux desdits réservoirs de stockage desdites particules.

De manière avantageuse, ledit système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comporte trois réservoirs de stockage desdites particules, et, pour chaque étage de compression et/ou de détente, au moins une zone d’échange de chaleur en sortie de chaque étage de compression, et/ou au moins une zone d’échange de chaleur en entrée de chaque étage de détente, chaque zone d’échange de chaleur reliant deux desdits réservoirs de stockage desdites particules.

Préférentiellement, chaque zone d’échange de chaleur comporte un moyen d’alimentation de particules à haute pression.

En variante, chaque réservoir de stockage desdites particules comporte un moyen d’alimentation de particules à haute pression.

Alternativement, un unique moyen d’alimentation de particules à haute pression relie lesdits réservoirs de stockage desdites particules et lesdites zones d’échange de chaleur.

Conformément à un mode de réalisation, un unique moyen de dépressurisation relie lesdites zones d’échange de chaleur et lesdits réservoirs de stockage desdites particules.

L’invention concerne également un procédé d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur au moyen d’un système d’échange de chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes, dans lequel on met en oeuvre les étapes suivantes :

a) on stocke lesdites particules de stockage de chaleur dans un premier réservoir de stockage de particules ;

b) on réalise ledit échange de chaleur entre lesdites particules stockées dans ledit premier réservoir de stockage de particules avec un fluide dans une première zone d’échange de chaleur ;

c) on stocke lesdites particules, en sortie de la première zone d’échange de chaleur, dans un deuxième réservoir de stockage de particules ;

d) on réalise ledit échange de chaleur entre lesdites particules stockées dans le deuxième réservoir de stockage de particules avec un fluide dans une deuxième zone d’échange de chaleur ; et

e) on stocke lesdites particules, en sortie de la deuxième zone d’échange de chaleur, dans ledit premier réservoir de stockage de particules ou dans un troisième réservoir de stockage de particules.

En outre, l’invention concerne 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 dans un système d’échange de chaleur selon l’une caractéristiques précédentes ;

c) on stocke ledit gaz refroidi ;

d) on chauffe ledit gaz comprimé refroidi par restitution de la chaleur dans ledit système d’échange de chaleur ; et

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

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.

Liste des figures

La figure 1 illustre un système d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 2 illustre un système d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 3 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un premier mode de réalisation de l’invention.

La figure 4 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

La figure 5 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un troisième mode de réalisation de l’invention.

La figure 6 illustre un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.

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

Description des modes de réalisation

L’invention concerne un système d’échange de chaleur (TES) entre un fluide et des particules de stockage de chaleur comprenant au moins une zone d’échange de chaleur dans laquelle s’écoulent ledit fluide et un lit fluidisé comprenant les particules de stockage de chaleur. Le système d’échange de chaleur comporte en outre au moins deux réservoirs de stockage des particules de stockage de la chaleur. La zone d’échange de chaleur est disposée entre les deux réservoirs de stockage de particules. En d’autres termes, les particules de stockage de la chaleur circulent depuis un premier réservoir de stockage des particules vers un deuxième réservoir de stockage des particules en passant au sein de la zone d’échange de chaleur. De préférence, un des réservoirs de stockage des particules peut contenir des particules chaudes, et un autre des réservoirs peut contenir des particules froides. Grâce à ces réservoirs, il est donc possible de stocker la chaleur échangée entre le fluide et les particules. Entre deux réservoirs de stockage des particules, plusieurs zones d’échange de chaleur peuvent être prévues en parallèle. Le fait que l’échange de chaleur n’ait pas lieu dans les réservoirs mais dans une zone d’échange de chaleur externe aux réservoirs de stockage de particules, permet d’avoir un volume de stockage des particules à température uniforme, ce qui est important pour l’efficacité du système. En effet, dans chaque réservoir de stockage des particules, toutes les particules ont sensiblement une température constante.

Selon l’invention, dans la zone d’échange de chaleur, le fluide et le lit fluidisé de particules de stockage de chaleur circulent à contre-courant. En d’autres termes, le fluide circule de la sortie vers l’entrée du lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur.

Les particules de stockage de la chaleur sont des éléments de petites dimensions (par exemple entre 0.02 et 1 mm) aptes à stocker de la chaleur.

Un lit fluidisé est constitué d’une phase solide composé de particules de petite taille et d’une phase fluide en écoulement. Par exemple, la phase fluide peut être gazeuse, sous forme d’air ou de gaz rare. La phase fluide peut être injectée à une extrémité de la zone d’échange de chaleur, à proximité de l’entrée (injection) des particules pour former le lit fluidisé.

Selon l’invention, le système d’échange de chaleur comprend en outre un moyen d’alimentation en particules de stockage à haute pression (HPSF de l’anglais « high pressure solid feeder ») et un moyen de dépressurisation. Le moyen d’alimentation en particules de stockage à haute pression est disposé à une extrémité de la zone d’échange de chaleur, et le moyen de dépressurisation est disposé à l’autre extrémité de la zone d’échange de chaleur. Ainsi, la pression régnant dans les réservoirs de stockage des particules peut être distincte de la pression régnant dans la zone d’échange de chaleur, qui peut correspondre à la pression du fluide. De préférence, les réservoirs de stockage des particules peuvent être à basse pression, et la zone d’échange de chaleur peut être à haute pression. Autrement dit, la pression au sein des réservoirs de stockage des particules peut être inférieure à la pression de la zone d’échange de chaleur. De cette manière, les réservoirs de stockages des particules peuvent être standard, de conception simple et peu onéreux. Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen d’alimentation en particules de stockage à haute pression HPSF peut être choisi parmi une vanne rotative (de l’anglais « rotary valve »), une trémie à sas (de l’anglais « lock hopper ») ou un distributeur à pistons (de l’anglais « piston feeder ») ou un distributeur à bouchons (de l’anglais « plug form feeder »), ou un distributeur dynamique (de l’angalis « dynamic feeder »), ou un distributeur de boue (de l’anglais « slurry feeder »).

Pour ce mode de réalisation, le type de moyen d’alimentation en particules de stockage à haute pression HPSF peut être choisi en fonction des pressions mises en oeuvre dans la zone d’échange de chaleur (pression du fluide). Par exemple, pour des pressions du fluide inférieures ou égales à 12 bars (1.2 MPa), on peut utiliser une vanne rotative, pour des pressions du fluide inférieures ou égales à 85 bars (8.5 MPa), on peut utiliser une trémie à sas, et pour des pressions du fluide inférieures ou égales à 120 bars (12 MPa), on peut utiliser un distributeur à pistons.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de dépressurisation peut être une vanne de régulation de pression pouvant fonctionner avec fluide chargé de particules solides.

Selon un mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut comporter des moyens de circulation du fluide configurés pour former une circulation à courant-croisé du fluide par rapport au lit fluidisé dans ladite zone d’échange de chaleur et pour former une circulation du fluide de la sortie vers l’entrée dudit lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur (tel que décrit dans la demande de brevet FR 3044749). L’écoulement est dit à courant-croisé, car la direction de l’écoulement du fluide n’est pas parallèle à l’écoulement du lit fluidisé : le fluide croise le lit fluidisé. Cette circulation à courant-croisé et contre-courant permet de bonnes performances en termes d’échange thermiques entre le fluide et les particules de stockage de chaleur. Selon un mode de réalisation de l’invention, le fluide s’écoule selon une direction sensiblement perpendiculaire, par exemple entre 60 et 120°, de préférence entre 75 et 105°, à la direction d’écoulement du lit fluidisé.

Pour ce mode de réalisation de l’invention, les moyens de circulation dudit fluide peuvent comporter des moyens d’injection et des moyens de soutirage du fluide aptes à faire circuler le fluide selon une direction sensiblement perpendiculaire à la circulation du lit fluidisé. Lorsque les moyens de circulation de fluide comportent une pluralité de moyens d’injection et de soutirage, ceux-ci peuvent être répartis tout le long de la zone d’échange. De préférence, dans ce cas, les moyens d’injection et de soutirage peuvent être associés de manière à ce que le fluide circule consécutivement dans tous les moyens d’injection et de soutirage. Ainsi, il est possible de favoriser les échanges de chaleur au moyen de plusieurs passages consécutifs du fluide dans le lit fluidisé.

Avantageusement, les moyens d’injection du fluide sont situés dans la partie inférieure de la zone d’échange, et les moyens de soutirage du fluide sont situés dans la partie supérieure de la zone d’échange. Ainsi, le fluide entre dans la partie inférieure de la zone d’échange, traverse la zone d’échange, en croisant le lit fluidisé, puis ressort dans la partie supérieure de la zone d’échange. De plus, le fluide qui pénètre dans les moyens de soutirage peuvent être reconduits dans les moyens d’injection adjacents par des moyens extérieurs à la zone d’échange de chaleur. Les moyens d’injection adjacents, dans lesquels le fluide est reconduit, sont les moyens d’injection situés en amont des précédents moyen d’injection dans le sens de circulation du lit fluidisé.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la zone d’échange de chaleur est formée par une conduite, un canal, une colonne, ou tout moyen analogue. La conduite (ou canal) peut être de section circulaire, rectangulaire, elliptique, etc. La conduite ou canal peut être prévue pour résister à la pression du fluide. Par exemple la conduite ou canal peut être réalisée en acier ou en béton précontraint, etc.

Selon une variante de réalisation de l’invention, le système d’échange de chaleur selon l’invention peut comprendre des particules solides ou des particules, sous forme de capsules contenant un matériau à changement de phase (MCP). Ces matériaux permettent également une réduction du volume des éventuels moyens de stockage, car ils permettent de stocker une grande quantité d’énergie sous la forme de chaleur latente. Un compromis entre efficacité et coût peut également être trouvé en mélangeant des MCP et des matériaux de stockage, utilisant la chaleur sensible pour stocker la chaleur, dans le lit fluidisé. 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 3000, 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. De préférence, les particules sont sous la forme de billes, de manière à limiter les problèmes d’attrition. La taille de particules peut varier entre 0.02 mm et 1 mm, de manière préférée entre 0.05 et 0.5 mm et de manière encore plus préférée entre 0.07 et 0.2 mm.

Conformément à une variante de réalisation de l’invention, le fluide peut être un gaz, notamment de l’air. Le fluide peut être un gaz à refroidir ou à chauffer par les particules dans la zone d’échange de chaleur.

Selon une variante, le lit fluidisé peut s’écouler par gravité dans la zone d’échange de chaleur. Ainsi, l’énergie nécessaire pour permettre l’écoulement du lit fluidisé est moindre. Dans ce cas, la zone d’échange de chaleur peut être inclinée par rapport à l’horizontale. De préférence, l’angle d’inclinaison de la zone d’échange par rapport à l’horizontale peut être compris entre 5 et 60°.

Selon une variante de réalisation de l’invention, plusieurs zones d’échange de chaleur sont placées en parallèle. Ainsi, il est possible de limiter la longueur des zones d’échange de chaleur, tout en favorisant l’échange de chaleur.

Conformément à une caractéristique de l’invention, le fluide peut circuler selon une trajectoire sensiblement ascendante.

De manière avantageuse, le fluide peut être un gaz, notamment de l’air.

La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention. Le système d’échange de chaleur 1 comprend un premier réservoir de stockage de particules 2, une conduite 4 formant une zone d’échange de chaleur, et un deuxième réservoir de stockage de particules 3. La conduite 4 relie le premier réservoir de stockage de particules 2 et le deuxième réservoir de stockage de particules 3. La circulation des particules de stockage de la chaleur est illustrée par la flèche grisée. Les particules de stockage de chaleur circulent du premier réservoir de stockage des particules 2 vers le deuxième réservoir de stockage de particules 3, en passant au sein de la conduite 4. Le fluide F circule dans la conduite 4 à contre-courant des particules de stockage de chaleur. La circulation du fluide F est illustrée schématiquement par les flèches blanches. Le système d’échange de chaleur 1 comporte en outre un moyen d’alimentation en particules à haute pression FIPSF 5 et un moyen de dépressurisation 6. Le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5 est disposé à une extrémité de la conduite 4 à proximité du premier réservoir de particules 2. Le moyen de dépressurisation 6 est disposé à l’autre extrémité de la conduite 4 à proximité du deuxième réservoir de particules 3. Ainsi les premier et deuxième réservoirs de particules 2 et 3 sont à basse pression BP, et la conduite 4 est à haute pression HP.

Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, ledit système d’échange de chaleur peut comporter un premier réservoir de stockage des particules, un deuxième réservoir de stockage des particules, au moins une première zone d’échange de chaleur étant formée entre les premier et deuxième réservoirs de stockage des particules, et un troisième réservoir de stockage des particules, au moins une deuxième zone d’échange de chaleur étant formée entre les deuxième et troisième réservoirs de stockage des particules. Cette mise en oeuvre de l’invention est particulièrement avantageuse pour une utilisation d’un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. En effet, la première zone d’échange de chaleur peut être prévue pour récupérer de la chaleur d’un fluide chaud, et la deuxième zone d’échange de chaleur peut être prévue pour transférer de la chaleur à un fluide froid, les particules stockant la chaleur dans le deuxième réservoir de stockage des particules.

Selon ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut comporter trois réservoirs et au moins deux zones d’échanges de chaleur.

Par exemple, les premier et le troisième réservoirs de stockage des particules peuvent stocker des particules froides, et le deuxième réservoir peut stocker des particules chaudes. Ainsi, dans la première zone d’échange de chaleur, le fluide est refroidi, et dans la deuxième zone d’échange de chaleur le fluide est chauffé.

Avantageusement, ledit système peut comporter des moyens de transport desdites particules de stockage de chaleur dudit troisième réservoir vers ledit premier réservoir. Ces moyens de transport peuvent être pneumatiques, comprendre un système de vis sans fin, etc. Ainsi, il est possible de prévoir une circulation des particules de stockage de chaleur en boucle fermée.

Les principaux avantages du système d’échange et de stockage de chaleur selon l’invention sont :

- Les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et les particules sont maximisés, et la taille du système d’échange de chaleur est réduite en conséquence, grâce à deux facteurs :

• Les échanges se font dans un régime de fluidisation du solide • Le profil thermique établi dans la zone d’échange de chaleur est proche de celui d’un échangeur à contre-courant.

- La température chaude et froide du système sont maintenues constantes. En effet, les particules chaudes et froides sont stockées à température uniforme dans des volumes isolés, ce qui permet de s’affranchir du problème du maintien du thermocline dans le réservoir, comme c’est le cas dans les systèmes de stockage de la chaleur en lit fixe (point chaud et point froid au sein d’un même réacteur).

- Par rapport à un système de stockage en lit fixe, il n’y a pas de risques liés à des mauvaises distributions du solide.

- Le système d’échange de chaleur permet de la souplesse car les charges et décharges partielles sont facilitées. En effet, il est possible de couper à tout moment l’alimentation du solide dans la zone d’échange de chaleur et de ne chauffer/refroidir qu’une partie de ce dernier.

La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, la circulation des particules de stockage de chaleur est représentée par des flèches grisées, la circulation du fluide est représentée par des flèches blanches. Le système d’échange de chaleur comporte un premier réservoir 2 de stockage des particules de stockage de chaleur. Les particules du premier réservoir 2 sont déchargées dans une première zone d’échange de chaleur 4, et sont fluidisées par des moyens de fluidisation (non représentés). La zone d’échange de chaleur 4 comprend au moins une conduite inclinée. Le fluide circule à contre-courant (et optionnellement à courant-croisé) dans la première zone d’échange de chaleur 4 par rapport à l’écoulement du lit fluidisé. En sortie de la première zone d’échange de chaleur 4, les particules sont stockées dans le deuxième réservoir de stockage des particules 3. A proximité du premier réservoir de stockage des particules 2, la première zone d’échange de chaleur 4 comprend un moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, et à proximité du deuxième réservoir de particules 3, la première zone d’échange de chaleur 4 comprend un moyen de dépressurisation 6. Les particules du deuxième réservoir de stockage des particules 3 sont déchargées dans une deuxième zone d’échange 7, et sont fluidisées par des moyens de fluidisation (non représentés). La deuxième zone d’échange 7 comprend au moins une conduite inclinée. Le fluide circule à contre-courant (et optionnellement à courant- croisé) dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7 par rapport à l’écoulement du lit fluidisé. En sortie de la deuxième zone d’échange de chaleur 7, les particules sont stockées dans le troisième réservoir de stockage des particules 10. A proximité du deuxième réservoir de particules 3, la deuxième zone d’échange de chaleur 7 comprend un moyen d’alimentation en particules à haute pression 8, et à proximité du troisième réservoir de particules 10, la deuxième zone d’échange de chaleur 7 comprend un moyen de dépressurisation 9. Les particules du troisième réservoir de stockage des particules 10 sont transportées par des moyens de transport 1 1 dans le premier réservoir de stockage des particules 2. Les premier et troisième réservoirs de stockage des particules 2 et 10 peuvent être des réservoirs de particules froides, et le deuxième réservoir de stockage des particules 3 peut être un réservoir de particules chaudes. Dans ce cas, la première zone d’échange de chaleur 4 permet le refroidissement du fluide F, et la deuxième zone d’échange de chaleur 7 permet le chauffage du fluide F. Pour le mode de réalisation illustré, les premier, deuxième et troisième réservoirs de particules 2, 3 et 10 sont à basse pression BP, et les première et deuxième zones d’échange de chaleur 4 et 7 sont à haute pression HP, grâce aux moyens d’alimentation en particules à haute pression 5 et 8, et aux moyens de dépressurisation 6 et 9.

En outre, la présente invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé équipé d’un moyen de stockage de la chaleur (par exemple du type AACAES). Dans cette mise en oeuvre, le gaz sous pression (souvent de l’air) est stocké froid. Le système de stockage et de récupération d’énergie selon l’invention comporte :

- au moins un moyen de compression de gaz (ou compresseur), et de préférence plusieurs moyens de compression de gaz étagés. Le moyen de compression de gaz peut être entraîné par un moteur, notamment un moteur électrique ;

- au moins un moyen de stockage du gaz comprimé (appelé également réservoir) par le moyen de compression du gaz. Le moyen de stockage du gaz comprimé peut être un réservoir naturel (par exemple une cavité souterraine) ou non. 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 ;

- au moins un moyen de détente du gaz (appelé également détendeur ou turbine), permettant de détendre le gaz comprimé et stocké, et de préférence plusieurs moyens de détente de gaz étagés. Le moyen de détente du gaz permet de générer une énergie, notamment une énergie électrique au moyen d’un générateur ;

- au moins un système d’échange de la chaleur, permettant le stockage de la chaleur issue du gaz comprimé lors de la phase de stockage d’énergie, et permettant la restitution de la chaleur stockée au gaz comprimé lors de la phase de la restitution d’énergie, le système d’échange de la chaleur est de préférence placé en sortie des moyens de compression et en entrée des moyens de détente. Selon l’invention, le système d’échange de la chaleur comprend des particules solides de stockage de la chaleur. Ces particules solides échangent de la chaleur avec le gaz lors des phases de stockage et de restitution d’énergie, cette chaleur étant stockée dans les particules entre ces deux phases. Selon l’invention, les systèmes de stockage de la chaleur sont conformes à l’une quelconque des variantes de réalisation décrites précédemment, ou à l’une quelconque des combinaisons des variantes précédemment décrites.

On utilise les termes « moyens de compression étagés » (respectivement « moyens de détente étagés »), lorsque une pluralité de moyens de compression (respectivement de détente) sont montés successivement les uns après les autres en série : le gaz comprimé (respectivement détendu) en sortie du premier moyen de compression (respectivement de détente) passe ensuite dans un deuxième moyen de compression (respectivement de détente) et ainsi de suite. On appelle alors un étage de compression ou de détente, un moyen de compression ou de détente de la pluralité de moyens de compression ou de détente étagés. Avantageusement, lorsque le système comporte une pluralité d’étages de compression et/ou de détente, un système d’échange de chaleur est disposé entre chaque étage de compression et/ou de détente. Ainsi, le gaz comprimé est refroidi après chaque compression, ce qui permet d’optimiser le rendement de la compression suivante, et le gaz détendu est chauffé avant chaque détente, ce qui permet d’optimiser le rendement de la détente suivante. Le nombre d’étages de compression et le nombre d’étages de détente peut être compris entre 2 et 10, de préférence entre 3 et 5. De préférence, le nombre d’étages de compression est identique au nombre d’étages de détente. Alternativement, le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé (par exemple de type AACAES) selon l’invention peut contenir un seul moyen de compression et un seul moyen de détente.

Selon une variante de réalisation de l’invention, les moyens de compression, étagés ou non, peuvent être réversibles, c’est-à-dire qu’ils peuvent fonctionner à la fois pour la compression et pour la détente. Ainsi, il est possible de limiter le nombre de dispositifs utilisés dans le système selon l’invention, ce qui permet un gain en poids et en volume du système selon l’invention.

Selon une variante de réalisation, les systèmes d’échange de chaleur utilisés entre les étages de compression peuvent être ceux utilisés entre les étages de détente. Le système selon l’invention est adapté à tout type de gaz, notamment pour l’air. Dans ce cas, l’air en entrée utilisé pour la compression peut être prélevé de l’air ambiant, et l’air en sortie après la détente peut être relâché dans l’air ambiant. Dans la suite de la description, seule la variante de réalisation avec de l’air comprimé, et son application AACAES seront décrites. Toutefois, le système et le procédé sont valables pour tout autre gaz.

Pour le mode de réalisation pour lequel le système de stockage de la chaleur comporte une pluralité d’étages de compression ou de détente, l’échange de chaleur entre le gaz et les particules de stockage de chaleur peut être réalisé dans au moins une zone d’échange de chaleur (d’un système d’échange de chaleur) qui est disposée entre deux réservoirs de stockage de particules.

Selon un premier mode de réalisation, tous les systèmes d’échange de chaleur du système AACAES peuvent être découplés, ce qui permet de rendre les systèmes d’échange de chaleur indépendant les uns des autres. Pour ce mode de réalisation, chaque étage de compression et/ou de détente peut comporter trois réservoirs de stockage de particules et au moins deux zones d’échange de chaleur équipées chacune d’un moyen d’alimentation en particules à haute pression et d’un moyen de dépressurisation. L’une des zones d’échange de chaleur est prévue pour le refroidissement du gaz dans la phase de compression du gaz du système AACAES et l’autre zone d’échange de chaleur est prévue pour le chauffage du gaz dans la phase de détente du gaz du système AACAES. Selon une variante de réalisation de ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut être conforme au mode de réalisation de la figure 2. Pour ce mode de réalisation, on peut adapter le moyen d’alimentation en particules à haute pression à la pression du gaz dans l’étage de compression et/ou de détente.

La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, ce premier mode de réalisation de l’invention. Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois systèmes d’échange de chaleur 1 , 1’, 1” (conformes au mode de réalisation de la figure 2), et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz est illustrée par des flèches courbes épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Pour ce mode de réalisation, chaque zone d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7” comprend un moyen d’alimentation en particules à haute pression (représentés schématiquement par des triangles) et un moyen de dépressurisation (représentés schématiquement par des doubles triangles formant des sabliers). En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4 du système d’échange de chaleur 1 , dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’ du système d’échange de chaleur 1’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange 4” de chaleur du système d’échange de chaleur 1” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules du système d’échange de chaleur 1 circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf 1 ) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc1 ) en passant au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, les particules du système d’échange de chaleur 1’ circulent du premier réservoir de particules 2’ (dit réservoir froid Rf2) vers le deuxième réservoir de particules 3’ (dit réservoir chaud Rc2) en passant au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et les particules du système d’échange de chaleur 1” circulent du premier réservoir de particules 2” (dit réservoir froid Rf3) vers le deuxième réservoir de particules 3” (dit réservoir chaud Rc3) en passant au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”.

En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone 7” du système de stockage de chaleur 1”, dans la turbine T3, dans la deuxième zone 7’ du système de stockage de chaleur 1’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone 7 du système de stockage de chaleur 1 , dans la turbine T1 . Pendant cette phase, les particules du système d’échange de chaleur 1” circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3” (dit réservoir chaud Rc3) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10” (dit réservoir froid Rf3’) en passant au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, les particules du système d’échange de chaleur 1’ circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3’ (dit réservoir chaud Rc2) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10’ (dit réservoir froid Rf2’) en passant au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et les particules du système d’échange de chaleur 1 circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc1 ) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf3) en passant au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7.

Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage des particules 10, 10’, 10” vers le premier réservoir de stockage des particules 2, 2’, 2”.

Selon un deuxième mode de réalisation, les réservoirs de stockage de particules des systèmes d’échange de chaleur du système AACAES peuvent être couplés, ce qui permet de mutualiser les réservoirs de stockage de particules et donc de limiter le nombre de composants du système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. Ainsi, le système de stockage comporte un unique premier réservoir de stockage de particules, un unique deuxième réservoir de stockage de particules et un unique troisième réservoir de stockage de particules. Et pour ce mode de réalisation, chaque étage de compression et/ou de détente peut comporter au moins deux zones d’échange de chaleur. L’une des zones d’échange de chaleur est prévue pour le refroidissement du gaz dans la phase de compression du gaz du système AACAES et l’autre zone d’échange de chaleur est prévue pour le chauffage du gaz dans la phase de détente du gaz du système AACAES. Chacune des zones d’échange de chaleur comporte un moyen d’alimentation en particules à haute pression et un moyen de dépressurisation. Selon une variante de réalisation de ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut être conforme au mode de réalisation de la figure 2. Pour ce mode de réalisation, on peut adapter le moyen d’alimentation en particules à haute pression à la pression du gaz dans l’étage de compression et/ou de détente.

La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, ce deuxième mode de réalisation de l’invention. Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois réservoirs de stockage de chaleur 2, 3 et 10, six zones d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7”, et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz F est illustrée par des flèches épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Pour ce mode de réalisation, chaque zone d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7” comprend respectivement un moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, 5’, 5”, 8, 8’, 8” et un moyen de dépressurisation 6, 6’, 6”, 9, 9’, 9”.

En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4, dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange de chaleur 4” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) en passant (en parallèle) au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”. En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, dans la turbine T3, dans la deuxième d’échange de chaleur 7’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7, dans la turbine T1. Pendant cette phase, les particules circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf) en passant (en parallèle) au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7.

Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage de particules 10 vers le premier réservoir de stockage 2.

Selon un troisième mode de réalisation, les réservoirs de stockage de particules des systèmes d’échange de chaleur du système AACAES peuvent être couplés, ce qui permet de mutualiser les réservoirs de stockage de particules et donc de limiter le nombre de composants du système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. De plus, les moyens d’alimentation en particules à haute pression peuvent être également mutualisés. Ainsi, le système de stockage comporte un unique premier réservoir de stockage de particules, un unique deuxième réservoir de stockage de particules, un unique troisième réservoir de particules, et seulement deux moyens d’alimentation en particules à haute pression. Et pour ce mode de réalisation, chaque étage de compression et/ou de détente peut comporter au moins deux zones d’échange de chaleur. L’une des zones d’échange de chaleur est prévue pour le refroidissement du gaz dans la phase de compression du gaz du système AACAES et l’autre zone d’échange de chaleur est prévue pour le chauffage du gaz dans la phase de détente du gaz du système AACAES. Chacune des zones d’échange de chaleur comporte un moyen de dépressurisation. Selon une variante de réalisation de ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut être conforme au mode de réalisation de la figure 2.

La figure 5 illustre, schématiquement et de manière non limitative, ce troisième mode de réalisation de l’invention. Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois réservoirs de stockage de chaleur 2, 3 et 10, six zones d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7”, et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz est illustrée par des flèches épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprend uniquement deux moyens d’alimentation en particules à haute pression 5 et 8 : un premier 5 en sortie du premier réservoir de stockage de particules 2, et un deuxième 8 en sortie du deuxième réservoir de stockage de particules 3. Pour ce mode de réalisation, chaque zone d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7” comprend respectivement un moyen de dépressurisation 6, 6’, 6”, 9, 9’, 9”.

En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4, dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange de chaleur 4” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) en passant par le premier moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis, (en parallèle) au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”.

En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, dans la turbine T3, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7, dans la turbine T1. Pendant cette phase, les particules circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf) en passant par le deuxième moyen d’alimentation en particules à haute pression 8, puis en passant, (en parallèle) au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7.

Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage de particules 10 vers le premier réservoir de stockage de particules 2.

Selon un quatrième mode de réalisation, les réservoirs de stockage de particules des systèmes d’échange de chaleur du système AACAES peuvent être couplés, ce qui permet de mutualiser les réservoirs de stockage de particules et donc de limiter le nombre de composants du système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé. De plus, les moyens d’alimentation en particules à haute pression peuvent être également mutualisés. Ainsi, le système de stockage comporte un unique premier réservoir de stockage de particules, un unique deuxième réservoir de stockage de particules, un unique troisième réservoir de particules, et un unique moyen d’alimentation en particules à haute pression. Et pour ce mode de réalisation, chaque étage de compression et/ou de détente peut comporter au moins deux zones d’échange de chaleur. L’une des zones d’échange de chaleur est prévue pour le refroidissement du gaz dans la phase de compression du gaz du système AACAES et l’autre zone d’échange de chaleur est prévue pour le chauffage du gaz dans la phase de détente du gaz du système AACAES. Chacune des zones d’échange de chaleur comporte un moyen de dépressurisation. Selon une variante de réalisation de ce mode de réalisation, le système d’échange de chaleur peut être conforme au mode de réalisation de la figure 2.

La figure 6 illustre, schématiquement et de manière non limitative, ce quatrième mode de réalisation de l’invention. Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois réservoirs de stockage de chaleur 2, 3 et 10, six zones d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7”, et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz F est illustrée par des flèches épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprend uniquement un moyen d’alimentation en particules à haute pression 5 : il est relié à la sortie du premier réservoir de stockage de particules 2, et à la sortie du deuxième réservoir de stockage de particules 3. Pour ce mode de réalisation, chaque zone d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7” comprend respectivement un moyen de dépressurisation 6, 6’, 6”, 9, 9’, 9”.

En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4, dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange de chaleur 4” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) en passant par le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis, (en parallèle) au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”.

En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, dans la turbine T3, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7, dans la turbine T1. Pendant cette phase, les particules circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf) en passant par le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis en passant, (en parallèle) au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7.

Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage de particules 10 vers le premier réservoir de stockage de particules 2.

Selon un mode de réalisation, les moyens de dépressurisation peuvent être mutualisés, de manière à limiter le nombre de composants. Ce mode de réalisation peut être combiné à l’un quelconque des modes de réalisation décrits précédemment.

La figure 7 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une combinaison de ce mode de réalisation avec le quatrième mode de réalisation de l’invention (figure 6). Le système de stockage et de récupération d’énergie comporte trois étages de compression (au moyen des compresseurs C1 , C2, C3), trois étages de détente (au moyen des turbines T1 , T2, T3), trois réservoirs de stockage de chaleur 2, 3 et 10, six zones d’échange de chaleur 4, 4’, 4”, 7, 7’, 7”, et un réservoir de stockage d’air comprimé 12. Sur cette figure, la circulation du gaz est illustrée par des flèches épaisses grisées et la circulation des particules est illustrée par des flèches rectilignes fines. Le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprend uniquement un moyen d’alimentation en particules à haute pression 5 : il est relié à la sortie du premier réservoir de stockage de particules 2, et à la sortie du deuxième réservoir de stockage de particules 3. De plus, le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprend uniquement un moyen de dépressurisation 6 : il est relié à l’entrée du deuxième réservoir de stockage de particules 3 et à l’entrée du troisième réservoir de stockage de particules 10.

En phase de stockage d’énergie (compression), le gaz F passe consécutivement dans le compresseur C1 , dans la première zone d’échange de chaleur 4, dans le compresseur C2, dans la première zone d’échange de chaleur 4’, dans le compresseur C3, dans la première zone d’échange de chaleur 4” puis est stocké dans le réservoir de stockage d’air comprimé 12. Pendant cette phase, les particules circulent du premier réservoir de particules 2 (dit réservoir froid Rf) vers le deuxième réservoir de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) en passant par le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis, (en parallèle) au sein de la première zone d’échange de chaleur 4, au sein de la première zone d’échange de chaleur 4’, et au sein de la première zone d’échange de chaleur 4”, et enfin dans le moyen de dépressurisation 6.

En phase de récupération d’énergie (détente), le gaz F passe consécutivement du réservoir de stockage du gaz comprimé 12, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, dans la turbine T3, dans la deuxième d’échange de chaleur 7’, dans la turbine T2, dans la deuxième zone d’échange de chaleur 7, dans la turbine T1. Pendant cette phase, les particules circulent depuis le deuxième réservoir de stockage de particules 3 (dit réservoir chaud Rc) vers le troisième réservoir de stockage de particules 10 (dit réservoir froid Rf) en passant par le moyen d’alimentation en particules à haute pression 5, puis en passant, (en parallèle) au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7”, au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7’, et au sein de la deuxième zone d’échange de chaleur 7, et enfin dans le moyen de dépressurisation 6.

Après cette phase de récupération d’énergie, les particules de stockage de chaleur sont transportées du troisième réservoir de stockage de particules 10 vers le premier réservoir de stockage de particules 2.

En outre, la présente invention concerne un procédé d’échange de chaleur entre un fluide et des particules de stockage de chaleur. Pour ce procédé, on peut réaliser les étapes suivantes : a) on fait circuler un lit fluidisé comprenant les particules de stockage de la chaleur dans une zone d’échange de chaleur depuis un premier réservoir de stockage de particules vers un deuxième réservoir de stockage de particules ; et b) on fait circuler le fluide dans la zone d’échange de chaleur à contre-courant par rapport au lit fluidisé, depuis la sortie vers l’entrée du lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur (c’est-à-dire selon une direction globalement à contre-courant du lit fluidisé).

Selon l’invention, on limite la pression au sein des premier et deuxième réservoirs de stockage de particules, au moyen d’un moyen d’alimentation en particules à haute pression à une extrémité de la zone d’échange de chaleur (entrée du lit fluidisé), et au moyen d’un moyen de dépressurisation à l’autre extrémité de la zone d’échange de chaleur (sortie du lit fluidisé).

Selon un mode de réalisation, la circulation du fluide peut être à courant croisé. La circulation à courant-croisé et globalement en sens inverse (le fluide s’écoulant depuis la sortie vers l’entrée du lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur) permet d’obtenir une efficacité élevée de l’échange de chaleur.

Le procédé d’échange de chaleur peut être réalisé au moyen du système d’échange de chaleur selon l’invention, par exemple selon l’un des modes de réalisation des figures 2 et 3.

Le fluide peut être un gaz, notamment de l’air.

Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut faire circuler le lit fluidisé selon une trajectoire descendante, et le fluide selon une trajectoire ascendante. De préférence, on peut faire circuler le lit fluidisé dans la zone d’échange de chaleur par gravité, de manière préférée au moyen d’une zone d’échange de chaleur inclinée par rapport à l’horizontale.

Conformément à une configuration de ce mode de réalisation, on peut mettre en oeuvre les étapes suivantes : a) on stocke les particules dans un premier réservoir de stockage de particules ; b) on réalise l’échange de chaleur dans une première zone d’échange de chaleur entre un lit fluidisé comprenant les particules stockées dans le premier réservoir de stockage de particules et un fluide ; c) on stocke les particules, en sortie de l’échange de chaleur, dans un deuxième réservoir de stockage de particules ; d) on réalise l’échange de chaleur dans une deuxième zone d’échange de chaleur entre un lit fluidisé comprenant les particules stockées dans le deuxième réservoir de stockage de particules et un fluide ; et e) on stocke les particules, en sortie de la zone d’échange de chaleur, dans le premier réservoir de stockage de particules ou dans un troisième réservoir de stockage des particules.

Dans le cas où on stocke les particules dans un troisième réservoir de stockage des particules, le procédé peut comprendre une étape additionnelle de transport des particules du troisième réservoir de stockage des particules vers le premier réservoir de stockage des particules.

La présente invention concerne également un procédé de stockage et de récupération par gaz comprimé (dit procédé AACAES), dans lequel on réalise les étapes suivantes : a) on comprime un gaz, notamment au moyen d’un compresseur ;

b) on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur, dans un système d’échange de chaleur selon l’invention ;

c) on stocke le gaz comprimé refroidi, notamment par un moyen de stockage de gaz comprimé ;

d) on chauffe le gaz comprimé stocké, par échange de chaleur, dans le système d’échange de chaleur selon l’invention ; et

e) on détend le gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, par exemple au moyen d’une turbine pour générer une énergie électrique.

Selon l’invention, l’échange de chaleur entre le gaz et les particules est réalisé dans une zone d’échange de chaleur avec un écoulement du fluide à contre-courant par rapport au lit fluidisé qui comporte les particules. Ainsi, le stockage et la restitution d’énergie du procédé de type AACAES sont optimisés.

Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, le procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé peut mettre en oeuvre le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’un quelconque des modes de réalisation ou des combinaisons de modes de réalisation décrits ci-dessus, par exemple un des modes de réalisation des figures 3 à 7.

Selon un aspect de l’invention, le procédé peut comporter plusieurs étapes de compression successives, au moyen de compresseurs placés en série, également appelés compressions étagées. Dans ce cas, on réitère les étapes a) et b) pour chaque étage de compression. Ainsi, le gaz est comprimé et refroidi plusieurs fois.

Selon une caractéristique de l’invention, le procédé peut comporter plusieurs étapes de détente successives, par des moyens de détente placés en série, également appelés détentes étagées. Dans ce cas, on réitère les étapes d) et e) pour chaque étage de détente. Ainsi, le gaz est chauffé et détendu plusieurs fois.

L’étape a) concerne la compression d’un gaz, par exemple de l’air. Il peut s’agir notamment d’air prélevé dans le milieu ambiant.

L’étape b) permet de refroidir le gaz comprimé après chaque étape de compression, ce qui permet d’optimiser le rendement de la compression suivante et/ou le stockage d’énergie. Les moyens de stockage de la chaleur permettent, lors du stockage du gaz comprimé (compression), de récupérer un maximum de chaleur issue de la compression du gaz en sortie des compresseurs et de diminuer la température du gaz avant le passage à la compression suivante ou avant le stockage. Par exemple, le gaz comprimé peut passer d’une température supérieure à 150 O, par exemple environ 190 °C à une température inférieure à 80 O, par exemple environ 50 O.

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 gaz comprimé est stocké jusqu’au moment où on souhaite récupérer l’énergie stockée. L’étape d) et les suivantes sont réalisées au moment où on souhaite récupérer l’énergie stockée.

L’étape d) permet de chauffer l’air comprimé avant chaque détente, ce qui permet d’optimiser le rendement de la détente suivante. Pour l’étape d), on peut utiliser les particules de stockage de la chaleur qui ont servi à refroidir lors de l’étape b). Les moyens de stockage de la chaleur permettent, lors de la restitution de l’énergie, de restituer un maximum de chaleur stockée en augmentant la température du gaz avant le passage à la détente suivante. Par exemple, le gaz peut passer d’une température inférieure à 80 O, par exemple environ 50 O, à une température supérieure à 150 O, par exemple environ 180 O.

Lors de l’étape e), le gaz comprimé est détendu. La détente du gaz comprimé permet de générer une énergie. Cette détente peut être réalisée au moyen d’une turbine qui génère une énergie électrique. Si le gaz est de l’air, l’air détendu peut être évacué dans le milieu ambiant.

Le procédé et le système de stockage et récupération d’énergie par gaz comprimé (AACAES) 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.

Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation décrits ci- dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.