EP4673640A1 - Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie avec assistance au demarrage des moyens de compression - Google Patents

Systeme et procede de stockage et de recuperation d'energie avec assistance au demarrage des moyens de compression

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Publication number
EP4673640A1
EP4673640A1 EP24704027.2A EP24704027A EP4673640A1 EP 4673640 A1 EP4673640 A1 EP 4673640A1 EP 24704027 A EP24704027 A EP 24704027A EP 4673640 A1 EP4673640 A1 EP 4673640A1
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EP
European Patent Office
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compression
expansion
compressed gas
stage
storage
Prior art date
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Pending
Application number
EP24704027.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Elsa MULLER-SHERNETSKY
David Teixeira
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F05D2270/301—Pressure

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of storage and recovery of energy by compressed gas, in particular compressed air.
  • Electrochemical technologies can also be used for energy storage, such as lithium-ion, lead-acid or nickel-cadmium batteries, or flow batteries.
  • CAES Compressed air energy storage and recovery
  • CAES Compressed Air Energy Storage
  • a variant of CAES technology is the adiabatic process, also called AACAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage).
  • AACAES Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage
  • the main difference with CAES is that the heat resulting from compression is no longer just evacuated between each stage, i.e. lost, but stored in order to be able to heat the air upstream of the turbines in the energy recovery phase. Thanks to this reuse of the thermal energy internal to the process, the efficiency of AACAES can reach around 70% instead of around 50% for the CAES process.
  • the air can be cooled in the compression phase in a heat exchanger with a heat transfer fluid.
  • the hot heat transfer fluid will then be stored in order to be able to release its heat to the air during the expansion phase.
  • Patent application FR 31 17165 A1 (WO2022/117398) concerns an AACAES system.
  • Figure 1 schematically illustrates in the form of a block diagram such an AACAES system and method.
  • This figure shows the phase of storing energy by compressing a gas, and the phase of producing energy by expanding a gas.
  • the system according to the prior art consists of a compression line (1), including one or more compression stages (3) depending on the air pressure to be achieved and the recommendations of the suppliers.
  • the compression line (1) comprises three compression stages (3).
  • Each compression stage (3) comprises a compression means (100, 101, 102), also called a compressor.
  • the compressor (100) is a low-pressure compressor
  • the compressor (101) is a medium-pressure compressor
  • the compressor (102) is a high-pressure compressor.
  • the gas used (10) in the illustrated method is ambient air, containing a water saturation linked to its temperature and pressure.
  • the air is compressed in the compression line (1) and then sent to a compressed air storage means (1000) suitable for high pressures.
  • Heat storage and recovery means (200, 201, 202) are arranged after each compressor (100, 101, 102) of each compression stage (3) in order to cool the hot compressed air at the compression outlet while storing this thermal energy.
  • the heat storage and recovery means (200) is suitable for low pressure
  • the heat storage and recovery means (201) is suitable for medium pressure
  • the heat storage and recovery means (202) is suitable for high pressure.
  • Cooling means (300, 301, 302) may be arranged at the continuation of the heat storage and recovery means (200, 201, 202) if necessary in order to finish cooling the compressed air before the next compression stage or before its storage.
  • the condensed water resulting from the humidity of the air, is extracted from the air compression flow by gas-liquid separators (400, 401, 402) in order to have at the compressor inlet air without any trace of liquid water.
  • This condensation of the water can take place in the heat storage and recovery means (200, 201, 202) and/or in the cooling means (300, 301, 302).
  • the compressed air is expanded via one or more turbines (700, 701, 702) or expansion stages, according to the suppliers' recommendations, in order to produce electricity via alternators, not shown in the diagram.
  • the turbine (702) is a low pressure turbine
  • the turbine (701) is a medium pressure turbine
  • the turbine (700) is a high pressure turbine.
  • AACAES systems are designed for high power in the order of several megawatts. It is therefore necessary for the compressors to be powered by electric motors of several megawatts. Starting electric motors of this power is difficult. To do this, an electronic progressive starter (or soft starter) or a starter with a frequency converter is generally used. In both cases, a significant delay (at least half an hour) is necessary to reach the nominal point of the compressor. In addition, an investment in equipment dedicated to start-up is also necessary. Thus, starting the compressors therefore induces high energy consumption and start-up difficulties.
  • the object of the invention is to facilitate the starting of compressors, by accelerating the start-up, and to limit the energy consumption of the start-up.
  • the invention relates to a compressed gas energy storage and recovery system comprising:
  • each compression stage comprising a compression means and at least two heat storage and recovery means downstream, in the direction of gas flow, of said compression means, the at least two heat storage and recovery means being mounted in parallel,
  • At least two compressed gas storage means located at the outlet of the gas compression line for storing the compressed gas, said at least two compressed gas storage means being mounted in parallel, - an expansion line for expanding compressed gas stored in the compressed gas storage means, the expansion line comprising at least one expansion stage, each expansion stage comprising pipes and an expansion means, the pipes being configured to circulate the compressed gas in said at least two heat storage and recovery means of the same compression stage so as to reheat the compressed gas before the expansion means.
  • the energy storage and recovery system comprises at least one mechanical connection/disconnection means for connecting/disconnecting at least one compression means of a compression stage to at least one expansion means of an expansion stage, preferably to a single expansion means of an expansion stage.
  • the system includes as many compression stages as expansion stages.
  • each compression stage of the compression line is defined by a passage number (or passage order), the passage number corresponding to the passage order of the compressed gas in this compression stage within the compression line, for which each expansion stage of the expansion line is defined by an outlet number, the outlet number corresponding to the order of this expansion stage within the expansion line, in the opposite direction to the passage of the compressed gas in the expansion line and for which each connection/disconnection means is configured to connect/disconnect the compression means of the compression stage of the defined passage number by means of the stage of the expansion stage of the defined outlet number, the defined passage number being equal to the outlet number.
  • the compression line comprises three compression stages and the expansion line comprises three expansion stages.
  • the system comprises a first connection/disconnection means for the connection between the compression means of the last compression stage and the expansion means of the first expansion stage, a second connection/disconnection means for the connection between the compression means of the intermediate compression stage and the expansion means of the intermediate expansion stage and a third connection/disconnection means for the connection between the compression means of the first compression stage and the expansion means of the last expansion stage.
  • the at least one connection/disconnection means comprises a shaft for mechanically connecting at least one compression means to at least one expansion means.
  • each compression stage comprises a cooling means downstream of said at least two storage and recovery means of the heat and preferably a gas/liquid separation means, downstream of the cooling means.
  • At least one expansion means is connected to an electrical machine capable of generating electricity in the expansion phase and capable of participating in the starting of the compression means at the start of the compression phase.
  • first valves and/or second valves are positioned upstream and/or downstream of each heat storage and recovery means.
  • first and second opening/closing means are positioned upstream and/or downstream of each compressed gas storage means.
  • the invention also relates to a method for storing and recovering energy using compressed gas, in which a compressed gas energy storage and recovery system is used according to one of the variants or combinations of variants described above, and in which at least the following steps are carried out:
  • the compressed gas from said at least two compressed gas storage means is expanded and the expansion phase is stopped when the compressed gas pressure in at least one of said at least two compressed gas storage means reaches a predetermined pressure and/or when the outlet temperature of at least one of the heat storage and recovery means reaches a predefined temperature;
  • the compressed gas remaining in the at least one of said at least two compressed gas storage means is transferred into the expansion line and, in each expansion stage, the remaining heat is recovered from said heat storage and recovery means before passing the compressed gas into the expansion means, the expansion means then being mechanically connected to a compression means of a compression stage, via a connection/disconnection means; then when the compression phase has started and once the compressed gas is completely discharged from said at least two compressed gas storage means, the disconnection of each connection/disconnection means is activated so as to mechanically disconnect the compression means from the associated expansion means and the compression means are then driven by an electric motor.
  • the heat contained in the heat storage and recovery means is discharged.
  • each electrical machine connected to the expansion means is used to participate in starting the compression means.
  • Figure 1 represents a compressed gas energy storage and recovery system according to the prior art.
  • Figure 2 shows a compressed gas energy storage and recovery system according to the invention.
  • Figure 3 represents the compressed gas energy storage and recovery system according to the invention of Figure 2 in the start-up phase of the compression means.
  • the invention relates to a system for storing and recovering energy using compressed gas (in particular air and more particularly air taken from the ambient environment) comprising:
  • each compression stage comprising a compression means and at least two heat storage and recovery means downstream, in the direction of gas flow, of said compression means, the at least two heat storage and recovery means being mounted in parallel;
  • At least two compressed gas storage means located at the outlet of the gas compression line for storing the compressed gas, said at least two compressed gas storage means being mounted in parallel;
  • expansion line for expanding compressed gas stored in the compressed gas storage means
  • the expansion line comprising at least one expansion stage, each expansion stage comprising pipes and an expansion means, the pipes being configured to circulate the compressed gas in said at least two heat storage and recovery means of the same compression stage so as to heat the compressed gas before the expansion means.
  • the compression line allows gas to be compressed when electricity production is greater than demand, the compressed gas can then be used to supply electricity when the demand for electricity is high.
  • the compression line therefore makes it possible to store energy by compressed gas (in particular by compressed air, the air being advantageously taken from the ambient environment).
  • the expansion line allows the stored compressed gas to be transformed into mechanical energy, for example rotary, via the expansion means (a turbine for example) of each expansion stage.
  • the expansion means can be coupled to a generator (also called an alternator) to transform the mechanical energy into electricity.
  • the different stages compression or expansion respectively are successive, that is to say they are positioned in series, one after the other in the direction of gas circulation in the compression or expansion line respectively.
  • the first stage of compression or expansion is called the first stage of the line considered through which the gas passes in the direction of circulation of the compressed gas in the system.
  • the "last" compression or expansion stage is the last stage of the line considered through which the gas passes in the direction of circulation of the compressed gas in the system.
  • Each heat storage and recovery means allows the recovery of thermal energy in addition to the energy of the compressed gas, which improves the efficiency of the system, the thermal energy being recovered by the compressed gas during the expansion phase.
  • the heat storage and recovery means can be direct or indirect heat storage and recovery means.
  • direct heat storage and recovery means allows a direct heat exchange between the compressed gas (the heat of which is to be recovered in the compression phase and which is to be reheated in the expansion phase) and a heat storage material (which may be liquid, gaseous or solid, such as balls or gravel in particular). In other words, it may be a direct heat exchanger between the compressed gas and a heat storage and recovery material, such as a tank containing balls or gravel of a heat storage material.
  • indirect heat storage and recovery means that this heat storage and recovery means allows an indirect heat exchange between the compressed gas (the heat of which is to be recovered in the compression phase and which is to be reheated in the expansion phase) and a heat storage material (advantageously liquid or gaseous fluid).
  • the heat storage material is separated from the compressed gas by a wall which thus prevents the direct heat exchange between these two elements, hence the name “indirect exchange”.
  • it may be an indirect heat exchanger such as than a tube or plate exchanger, to allow the exchange of heat between the compressed gas and a heat storage and recovery fluid.
  • the means of storing compressed gas can be an artificial reservoir or more advantageously an underground cavity, such as a salt cavity, an old mine or an aquifer.
  • the system may comprise as many compression stages as expansion stages.
  • the heat storage and recovery means of each compression stage may be used in one (and only one) expansion stage, preferably operating at substantially the same pressure level.
  • the system may comprise a number of compression stages different from the number of expansion stages.
  • the energy storage and recovery system comprises at least one mechanical connection/disconnection means for mechanically connecting/disconnecting at least one compression means (preferably each compression means) of a compression stage to at least one expansion means of an expansion stage, preferably to a single expansion means of an expansion stage.
  • the connection/disconnection means may in particular mechanically connect/disconnect a shaft of the compression means to a shaft of the expansion means, so that one of these shafts drives the other in rotation.
  • a single relaxation means can be coupled or decoupled to a single compression means by the connection/disconnection means;
  • relaxation means can be coupled or decoupled to a single compression means by at least one connection/disconnection means (one connection/disconnection means for each relaxation means for example);
  • a single relaxation means can be coupled or decoupled to several compression means by the connection/disconnection means (one connection/disconnection means for each compression means for example).
  • connection/disconnection means can be coupled or decoupled to several compression means by the connection/disconnection means (one connection/disconnection means for each compression means and/or for each relaxation means for example).
  • connection/disconnection means also allows the compression means to be disconnected from the expansion means to which it can be connected, when the compressor start-up phase is complete. Heat can thus be stored in the two heat storage and recovery means of each compression stage and in the two compressed gas storage means. This disconnection allows the compression phase to continue, independently of the expansion (and vice versa).
  • each compression stage of the compression line can be defined by a passage number (or order) corresponding to the order of passage of the compressed gas in this compression stage within the compression line
  • each expansion stage of the expansion line can be defined by an output number corresponding to the order of this expansion stage within the expansion line, in the opposite direction to the passage of the compressed gas in the expansion line
  • each connection/disconnection means can be configured to connect/disconnect the compression means of the compression stage of the defined passage number to the expansion means of the expansion stage of the defined output number, the defined passage number being equal to the output number.
  • each compression means can be connected to an expansion means operating at substantially the same torque and/or the same power, preferably with substantially the same pressure (at the same pressure level) of the compressed gas, and therefore substantially the same rotation speed.
  • the pressure increases in each successive compression stage while in the expansion line, the pressure progressively decreases in each successive expansion stage (in the direction of gas flow in the expansion line and in the compression line).
  • the compression line may comprise three compression stages and the expansion line may comprise three expansion stages.
  • This configuration generally provides good system efficiency while limiting the number of compression stages. compression and relaxation. It therefore offers a good compromise between performance and size/mass.
  • the system may comprise a first connection/disconnection means for the connection between the compression means of the last compression stage (i.e. the compression stage whose passage number is three) and the expansion means of the first expansion stage (i.e. the expansion stage whose output number is three), a second connection/disconnection means for the connection between the compression means of the intermediate compression stage (i.e. the compression stage whose passage number is two) and the expansion means of the intermediate expansion stage (i.e. the expansion stage whose output number is two) and a third connection/disconnection means for the connection between the compression means of the first compression stage (i.e. the compression stage whose passage number is one) and the expansion means of the last expansion stage (i.e. the expansion stage whose output number is one).
  • a first connection/disconnection means for the connection between the compression means of the last compression stage (i.e. the compression stage whose passage number is three) and the expansion means of the first expansion stage (i.e. the expansion stage whose output number is three)
  • At least one (preferably each) connection/disconnection means may comprise a shaft for mechanically connecting at least one compression means to at least one expansion means.
  • the shaft allows a mechanical connection capable of transmitting the high powers required to drive the compression means, while limiting efficiency losses.
  • At least one (preferably each) connection/disconnection means may comprise a clutch which makes it possible to connect or disconnect each compression means to the expansion means(s) to which it can be connected/disconnected.
  • the clutch provides a reliable connection capable of transmitting the powers necessary to drive the compression means.
  • the clutch may be mounted on a shaft connected to one of said compression or expansion means and the clutch may be connected to the other of said compression or expansion means.
  • the connection/disconnection means is simple and robust.
  • the shaft can be short (of short length, for example whose length is less than or equal to 3 times its diameter) so as to increase its reliability and limit the risk of failures.
  • At least one expansion means can be connected to an electrical machine capable of generating electricity in the expansion phase and capable of participating in the starting of the compression means at the start of the compression phase.
  • each electrical machine can participate, in motor mode, in the driving of a compression means to facilitate their starting.
  • first and second opening/closing means may be positioned upstream and/or downstream of each compressed gas storage means, so as to allow or not the passage of compressed gas into the compressed gas storage means. compressed gas and to authorize or not this passage arriving from the compression line or leaving towards the expansion line, the compressed gas storage means being used both for storage in the compression phase and for energy recovery in the expansion phase.
  • the remaining compressed gas is sent to at least one of said at least two compressed gas storage means, into the expansion line and, in each expansion stage, the remaining heat is recovered from at least one of said heat storage and recovery means before passing the compressed gas into the expansion means of this expansion stage, the expansion means then being mechanically connected to a compression means of a compression stage, by means of a connection/disconnection means; the compressed air leaving each compression means then passes into the at least one other heat storage and recovery means, such that each heat storage and recovery means is dedicated either to operation on the expansion line or to operation on the compression line, then when the compression phase has started and preferably once the compressed gas is completely discharged from said at least two compressed gas storage means, the disconnection of each connection/disconnection means is activated so as to mechanically disconnect the compression means from the associated expansion means and the compression means are then driven by an electric motor mechanically connected to the compression means.
  • each electrical machine connected to the expansion means, connected to the associated compression means by the connection/disconnection means can be used to participate in the starting of the compression means.
  • Figure 2 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a compressed air energy storage and production system according to the invention.
  • the gas is compressed and then sent to two compressed gas storage means (1000A) and (1000B).
  • These compressed gas storage means (1000A) and (1000B) are arranged in parallel and are suitable for high pressures.
  • These compressed gas storage means (1000A) and (1000B) may be natural cavities such as a salt cavity, an old mine or an aquifer or artificial storage, such as reservoirs.
  • At least two heat storage and recovery means (200A, 200B, 201A, 201B, 202A, 202B) are arranged in parallel in order to cool the hot compressed air at the compression outlet while storing this thermal energy.
  • the heat storage and recovery means (200A and 200B) are suitable for low pressure
  • the heat storage and recovery means (201 A and 201 B) are suitable for medium pressure
  • the heat storage and recovery means (202A and 202B) are suitable for high pressure.
  • the exchange/storage of thermal energy can be carried out by direct contact between the hot compressed gas and an inert material or by indirect contact between the hot compressed air and a fluid, gas or liquid, or a solid.
  • the material can be stones, concrete, gravel or any other suitable solid material.
  • the exchange fluid can be any heat transfer fluid suitable for the temperature and pressure conditions.
  • the system comprises an expansion line (2), with several expansion stages (4), here three expansion stages but a different number could be used provided that it is identical to the number of compression stages.
  • Each expansion stage (4) comprises an expansion means (700, 701, 702).
  • the expansion means (700) is here a high pressure turbine
  • the expansion means (701) is here a medium pressure turbine
  • the expansion means (702) is here a low pressure turbine.
  • the high-pressure compression means (102) is connected by a third connection/disconnection means C to the low-pressure expansion means (702). connection/disconnection C by means of high pressure expansion (700).
  • the thermal energy stored in the heat storage and recovery means (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) is returned to the gas flow upstream of each expansion means in accordance with its pressure range.
  • the compressed gas storage means (1000A) is discharged of the compressed gas it contains and the compressed gas storage means (1000B) is partially discharged of its compressed gas: in other words, a reserve of compressed gas is kept in only one of the two compressed gas storage means in order to be able to use it for starting the compression means during the next compression phase.
  • the first heat storage and recovery means (200A, 201A, 202A) are discharged of their thermal energy and the second heat storage and recovery means (200B, 201B, 202B), those which are in parallel with said first heat storage and recovery means (200A, 201A, 202A) respectively, are partially discharged of their thermal energy: in other words, a reserve of heat to be recovered is kept in only one of the two parallel heat storage and recovery means of each stage, in order to be able to use it to facilitate the start-up of the compression means in the next compression phase.
  • the second compressed gas storage means (1000B) thus maintains a sufficient reserve of compressed gas and the second heat storage and recovery means (200B, 201B, 202B) each maintain a sufficient reserve of thermal energy to provide the energy necessary to overcome the inertia of starting the compressors of the following compression phase.
  • Figure 3 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, the start-up phase of the compression means with the compressed gas energy storage and recovery system of Figure 2 according to the invention.
  • the gas remaining in the (second) compressed gas storage means (1000B) is sent to the second high-pressure heat storage and recovery means (202B).
  • the compressed gas then rises in temperature and enters the high-pressure expansion means (700).
  • the compressed gas flow is sent to the second medium-pressure heat storage and recovery means (201B).
  • the compressed gas then rises in temperature and enters the medium-pressure expansion means (701).
  • the compressed gas flow is sent to the second low-pressure heat storage and recovery means (200B).
  • the compressed gas then rises in temperature and enters the medium-pressure expansion means (701).
  • low pressure relaxation (701) to be preferably relaxed to atmospheric pressure.
  • the low-pressure compression means (100) compresses the incoming gas, here atmospheric air (10).
  • the compressed and hot gas leaving the compression means (100) is sent to the first low-pressure heat storage and recovery means (200A) only, because the second low-pressure heat storage and recovery means (200B) participates in the expansion of the compressed gas from the second compressed gas storage means (1000B) and used to start the low-pressure compression means (100).
  • the compressed gas flow may then comprise water, from the humidity of the air, condensed during the cooling phases in the heat storage and recovery means (200A) and/or in the cooling means (300).
  • This condensed water can advantageously be separated from the compression line in the gas-liquid separation means (400) (which is therefore optional) operating at the pressure of the flow.
  • the gas is then compressed by the medium-pressure compression means (101).
  • the compressed and hot gas is sent to the first medium-pressure heat storage and recovery means (201 A) only, because the second medium-pressure heat storage and recovery means (201 B) participates in the expansion of the compressed gas from the second compressed gas storage means (1000B) and used to start the medium-pressure compression means (101 ).
  • the compressed gas flow may then comprise water, from the humidity of the air, condensed during the cooling phases in the first heat storage and recovery means (201 A) and/or in the cooling means (301). This condensed water may then be advantageously separated from the compression line in the gas-liquid separation means (401) (which is therefore optional) operating at the pressure of the flow.
  • the gas is then compressed by the high-pressure compression means (102).
  • the hot compressed gas is sent to the first high-pressure heat storage and recovery means (202A) only, because the second high-pressure heat storage and recovery means (202B) participates in the expansion of the compressed gas from the second compressed gas storage means (1000B) and used to start the high-pressure compression means (102).
  • the compressed gas flow may then comprise water, from the humidity of the air, condensed during the cooling phases in the first heat storage and recovery means (202A) and/or in the cooling means (302). This condensed water may advantageously be separated from the compression line in the gas-liquid separation means (402) (which is therefore optional) operating at the pressure of the flow.
  • the gas is then sent only to the first compressed gas storage means (1000A), the second compressed gas storage means (1000B) being used for expansion.
  • connection/disconnection means C allow the coupling of each compression means (associated with an electric motor for driving the compression means after the start-up phase) to an expansion means (preferably at substantially the same pressure).
  • each compression means associated with an electric motor
  • the start-up problem concerns both the compression means and the electric motor with which it is associated. Once the inertia of the two is overcome, i.e. after the start-up phase, the electrical power supply of the electric motor is sufficient to drive the compression means.
  • valves In order to direct the gas flow from the compression phase and the expansion phase, in the heat storage and recovery means and in the compressed gas storage means, valves (not shown) or other opening/closing means are used upstream and/or downstream of each of these means.
  • the compressed gas storage means (1000B) and the heat storage and recovery means (200B, 201B, 202B) are discharged, respectively of their compressed gas and their thermal energy.
  • the expansion means (700, 701, 702) stop operating and are decoupled via the connection/disconnection means C from the compression means (100, 101, 102).
  • the compression means (100, 101, 102) then draw their power from the electrical network via electric motors to which they are connected, for example, by electric motors for example, for the remainder of the compression phase.
  • the hot compressed gas can then charge in parallel all of the heat storage and recovery means (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) by using the first and second valves upstream and/or downstream of the heat storage and recovery means (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B).
  • the compressed gas can then be stored in parallel in the compressed gas storage means (1000A) and (1000B) by using the first and second opening means upstream and/or downstream of the compressed gas storage means.
  • connection/disconnection means C allow the decoupling of each compression means from the expansion means (preferably substantially the same pressure) to which it can be coupled.
  • each compression means is decoupled from the associated expansion means by the connection/disconnection means C.
  • the hot compressed gas is directed only to the second heat storage and recovery means (200B, 201B, 202B) in order to complete their charging with thermal energy.
  • the compressed gas is directed only to the second compressed gas storage means (1000B) in order to complete its charging with compressed gas.
  • connection/disconnection means C allow the decoupling of each compression means from the expansion means (preferably at substantially the same pressure) to which it can be coupled. In other words, each compression means is decoupled from the associated expansion means by the connection/disconnection means C.
  • connection/disconnection means comprising in particular a mechanical shaft and a clutch

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Abstract

L'invention concerne un système de stockage et de récupération d'énergie par gaz comprimé comprenant : - une ligne de compression (1) avec au moins un étage de compression (3), chacun comprenant un moyen de compression (100, 101, 102) et au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201A, 201B, 202A, 202B) en parallèle, - au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B) en parallèle, - une ligne de détente (2) comprenant au moins un étage de détente (4) et des conduites pour faire circuler le gaz comprimé dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201A, 201B, 202A, 202B) De plus, le système de stockage et de récupération d'énergie comprend au moins un moyen de connexion/déconnexion (C) mécanique pour connecter/déconnecter au moins un moyen de compression (100, 101, 102) d'un étage de compression à au moins un moyen de détente (700, 701, 702) d'un étage de détente.

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE STOCKAGE ET DE RECUPERATION D’ENERGIE AVEC
ASSISTANCE AU DEMARRAGE DES MOYENS DE COMPRESSION
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine technique du stockage et de la récupération d’énergie par gaz comprimé, notamment d’air comprimé.
Alors que les objectifs énergétiques mondiaux visent à favoriser les énergies renouvelables afin d’augmenter progressivement la proportion des énergies renouvelables dans le mix énergétique, le caractère variable de ces énergies renouvelables demeure leur inconvénient majeur. Pour répondre à cette problématique, le stockage d’énergie apparait comme une solution très avantageuse. En stockant le surplus d’énergie produit au pic de production afin d’en disposer lorsque celle-ci devient inférieure à la demande, le stockage permet de s’affranchir de la contrainte de variabilité et apporte une flexibilité, voire une continuité, aux énergies renouvelables. Ainsi, le besoin en procédé et en système de stockage d’énergie devrait s’accroître dans les prochaines années, avec la proportion des énergies renouvelables dans le mix mondial.
De nombreuses technologies de stockage existent à l'heure actuelle comme les stockages de type mécanique tels que les Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) utilisant l’hydroélectricité produite par deux réservoirs d’eau situés à différentes altitudes. En phase de stockage d’électricité, l’eau du réservoir inférieur est pompée vers le réservoir supérieur et stockée à cette altitude. Lorsque la demande en électricité augmente, l’eau du réservoir supérieur est renvoyée vers le réservoir inférieur en passant par une turbine hydraulique qui va alors générer, via un alternateur, de l’électricité. Les barrages hydroélectriques fonctionnent également sur le même concept : le barrage retient l’eau à une altitude plus importante en amont qu’en aval et lorsque la demande en électricité augmente, le barrage libère l’eau en la faisant passer par des turboalternateurs hydrauliques produisant l’électricité.
Des technologies de type électrochimique peuvent être également utilisées pour le stockage d’énergie telles que les batteries lithium-ion, plomb-acide ou encore nickel-cadmium, ou bien des batteries à circulation.
Le stockage et la récupération d’énergie par air comprimé, connu sous le nom de CAES (de l’anglais « Compressed Air Energy Storage >>) est une technologie pour laquelle une première installation a été construite en Allemagne fin des années 1970, d’une puissance de 290 MW. Le principe de cette technologie est d’utiliser l’électricité produite et non consommée pour comprimer un gaz, typiquement, de l’air. Afin d’éviter tout dommage sur les compresseurs, la chaleur résultant de la compression est évacuée entre chaque étage. L’air comprimé à moyenne ou haute pression (40 bar à 300 bar, soit de 4 à 30 MPa) est envoyé dans un stockage de type naturel tel qu’une cavité saline, une mine (sel, calcaire, charbon) ou encore dans un stockage artificiel en attendant la phase de décharge de l’énergie. Lors de la phase de production d’électricité, l’air stocké est extrait du stockage afin d’être détendu dans des turboalternateurs.
Une variante de la technologie CAES est le procédé adiabatique, également appelé AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage »). La différence principale avec le CAES est que la chaleur résultant de la compression n’est plus seulement évacuée entre chaque étage, c’est-à-dire perdue, mais stockée afin de pouvoir réchauffer l’air en amont des turbines en phase de récupération d’énergie. Grâce à cette réutilisation de l’énergie thermique interne au procédé, le rendement de l’AACAES peut atteindre environ 70% au lieu d’environ 50% pour le procédé CAES. Le refroidissement de l’air en phase de compression peut se faire dans un échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur chaud sera alors stocké afin de pouvoir céder sa chaleur à l’air lors de la phase de détente.
Technique antérieure
La demande de brevet FR 31 17165 A1 (WO2022/117398) concerne un système AACAES.
La figure 1 illustre, schématiquement sous la forme de schéma bloc, un tel système et procédé AACAES. Sur cette figure, sont représentées la phase de stockage d’énergie par compression d’un gaz, et la phase de production d’énergie par détente d’un gaz. Le système selon l’art antérieur se compose d’une ligne de compression (1), incluant un ou plusieurs étages de compression (3) en fonction de la pression de l’air à atteindre ainsi que des recommandations des fournisseurs. Dans le mode de réalisation illustré, la ligne de compression (1 ) comprend trois étages (3) de compression. Chaque étage de compression (3) comporte un moyen de compression (100, 101 , 102), appelé également compresseur. Le compresseur (100) est un compresseur basse pression, le compresseur (101 ) est un compresseur moyenne pression, et le compresseur (102) est un compresseur haute pression. Le gaz utilisé (10) dans le procédé illustré est de l’air ambiant, contenant une saturation en eau liée à sa température et sa pression. Durant la phase de stockage d’énergie, l’air est comprimé dans la ligne de compression (1 ) puis envoyé dans un moyen de stockage d’air comprimé (1000) adapté aux hautes pressions. Des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201 , 202) sont disposés après chaque compresseur (100, 101 , 102) de chaque étage de compression (3) afin de refroidir l’air comprimé chaud en sortie de compression tout en stockant cette énergie thermique. Le moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200) est adapté à la basse pression, le moyen de stockage et de récupération de la chaleur (201) est adapté à la moyenne pression et le moyen de stockage et de récupération de la chaleur (202) est adapté à la haute pression. Des moyens de refroidissement (300, 301 , 302) peuvent être disposés à la suite des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201 , 202) si nécessaire afin de finir le refroidissement de l’air comprimé avant le prochain étage de compression ou avant son stockage. Une fois l’air refroidi et avant l’étage de compression suivant, l’eau condensée, issue de l’humidité de l’air, est extraite du flux de compression d’air par des séparateurs gaz-liquide (400, 401 , 402) afin d’avoir en entrée de compresseur un air sans aucune trace d’eau liquide. Cette condensation de l’eau peut avoir lieu dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200, 201 , 202) et/ou dans les moyens de refroidissement (300, 301 , 302). Durant la phase de production d’énergie, l’air comprimé est détendu via une ou plusieurs turbines (700, 701 , 702) ou étage de détente, selon les recommandations des fournisseurs, afin de produire de l’électricité via des alternateurs, non représentés sur le schéma. La turbine (702) est une turbine basse pression, la turbine (701 ) est une turbine moyenne pression et la turbine (700) est une turbine haute pression.
Les systèmes AACAES sont prévus pour de fortes puissances de l’ordre de plusieurs mégawatts. Il est donc nécessaire que les compresseurs soient alimentés par des moteurs électriques de plusieurs mégawatts. Le démarrage de moteurs électriques de cette puissance est difficile. Pour ce faire, on utilise généralement un démarreur progressif électronique (ou soft starter) ou un démarreur avec variateur de fréquence. Dans les deux cas, un délai important (une demi-heure au moins environ) est nécessaire pour atteindre le point nominal du compresseur. De plus, un investissement en équipements dédiés au démarrage est également nécessaire. Ainsi, le démarrage des compresseurs induit donc une forte consommation d’énergie, et des difficultés de démarrage.
Résumé de l’invention
L’objet de l’invention consiste à faciliter le démarrage des compresseurs, en accélérant le démarrage, et à limiter la consommation d’énergie du démarrage.
L’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :
- une ligne de compression de gaz avec au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant un moyen de compression et au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur en aval, dans le sens de circulation du gaz, dudit moyen de compression, les au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur étant montés en parallèle,
- au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé situés en sortie de la ligne de compression de gaz pour stocker le gaz comprimé, lesdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé étant montés en parallèle, - une ligne de détente pour détendre du gaz comprimé stocké dans les moyen de stockage de gaz comprimé, la ligne de détente comprenant au moins un étage de détente, chaque étage de détente comprenant des conduites et un moyen de détente, les conduites étant configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans les dits au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur d’un même étage de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant le moyen de détente.
De plus, le système de stockage et de récupération d’énergie comprend au moins un moyen de connexion/déconnexion mécanique pour connecter/déconnecter au moins un moyen de compression d’un étage de compression à au moins un moyen de détente d’un étage de détente, de préférence à un unique moyen de détente d’un étage de détente.
De préférence, le système comprend autant d’étages de compression que d’étages de détente.
Avantageusement, chaque étage de compression de la ligne de compression est défini par un numéro de passage (ou ordre de passage), le numéro de passage correspondant à l’ordre de passage du gaz comprimé dans cet étage de compression au sein de la ligne de compression, pour lequel chaque étage de détente de la ligne de détente est défini par un numéro de sortie, le numéro de sortie correspondant à l’ordre de cet étage de détente au sein de la ligne de détente, en sens inverse du passage du gaz comprimé dans la ligne de détente et pour lequel chaque moyen de connexion/déconnexion est configuré pour connecter/déconnecter le moyen de compression de l’étage de compression du numéro de passage défini au moyen de l’étage de l’étage de détente du numéro de sortie défini, le numéro de passage défini étant égal au numéro de sortie.
Préférentiellement, la ligne de compression comprend trois étages de compression et la ligne de détente comprend trois étages de détente.
De manière avantageuse, le système comprend un premier moyen de connexion/déconnexion pour la connexion entre le moyen de compression du dernier étage de compression et le moyen de détente du premier étage de détente, un deuxième moyen de connexion/déconnexion pour la connexion entre le moyen de compression de l’étage de compression intermédiaire et le moyen de détente de l’étage de détente intermédiaire et un troisième moyen de connexion/déconnexion pour la connexion entre le moyen de compression du premier étage de compression et le moyen de détente du dernier étage de détente.
Selon une variante de l’invention, l’au moins un moyen de connexion/déconnexion comprend un arbre pour relier mécaniquement au moins un moyen de compression à au moins un moyen de détente.
De préférence, l’au moins un moyen de connexion/déconnexion comprend un embrayage. Selon une configuration de l’invention, chaque étage de compression comprend un moyen de refroidissement en aval desdits au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur et de préférence un moyen de séparation gaz/liquide, en aval du moyen de refroidissement.
Avantageusement, au moins un moyen de détente, de préférence chaque moyen de détente, est connecté à une machine électrique apte à générer de l’électricité en phase de détente et apte à participer au démarrage des moyens de compression au démarrage de la phase de compression.
Selon une variante de l’invention, des premières vannes et/ou des deuxièmes vannes sont positionnées en amont et/ou en aval de chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur.
De manière préférée, des premier et deuxième moyens d’ouverture/fermeture sont positionnés en amont et/ou en aval de chaque moyen de stockage de gaz comprimé.
L’invention concerne aussi un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on utilise un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des variantes ou combinaisons de variantes décrites précédemment, et dans lequel on réalise au moins les étapes suivantes :
- En phase de détente, on détend le gaz comprimé desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé et on arrête la phase détente lorsque la pression de gaz comprimé dans au moins un desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé atteint une pression prédéterminée et/ou lorsque la température de sortie d’au moins un des moyens de stockage et de récupération de chaleur atteint une température prédéfinie ;
- Au moment du démarrage de la phase de compression, on transfère le gaz comprimé restant dans l’au moins un desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé, dans la ligne de détente et, dans chaque étage de détente, on récupère la chaleur restante desdits moyens de stockage et de récupération de la chaleur avant de faire passer le gaz comprimé dans le moyen de détente, le moyen de détente étant alors connecté mécaniquement à un moyen de compression d’un étage de compression, par l’intermédiaire d’un moyen de connexion/déconnexion ; puis lorsque la phase de compression a démarré et une fois que le gaz comprimé est totalement déchargé desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé, on active la déconnexion de chaque moyen de connexion/déconnexion de manière à déconnecter mécaniquement le moyen de compression du moyen de détente associé et les moyens de compression sont alors entraînés par un moteur électrique.
Avantageusement, avant d’activer mécaniquement la déconnexion de chaque moyen de connexion/déconnexion, on décharge la chaleur contenue dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur.
De préférence, lors du démarrage de la phase de compression, alternativement ou additionnellement à l’utilisation du gaz comprimé sortant des moyens de stockage de gaz comprimé, on utilise chaque machine électrique connectée au moyen de détente pour participer au démarrage des moyens de compressions.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et/ou du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 (déjà décrite) représente un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’art antérieur.
La figure 2 représente un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’invention.
La figure 3 représente le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’invention de la figure 2 en phase de démarrage des moyens de compressions.
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé (notamment de l’air et plus particulièrement de l’air prélevé dans le milieu ambiant) comprenant :
- une ligne de compression de gaz avec au moins un étage de compression, chaque étage de compression comprenant un moyen de compression et au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur en aval, dans le sens de circulation du gaz, dudit moyen de compression, les au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur étant montés en parallèle ;
- au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé situés en sortie de la ligne de compression de gaz pour stocker le gaz comprimé, lesdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé étant montés en parallèle ;
- une ligne de détente pour détendre du gaz comprimé stocké dans le moyen de stockage de gaz comprimé, la ligne de détente comprenant au moins un étage de détente, chaque étage de détente comprenant des conduites et un moyen de détente, les conduites étant configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans les dits au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur d’un même étage de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant le moyen de détente.
Ainsi, la ligne de compression permet de comprimer du gaz, lorsque la production d’électricité est supérieure à la demande, le gaz comprimé pouvant ensuite être utilisé pour fournir de l’électricité lorsque la demande d’électricité est importante. La ligne de compression permet donc de stocker de l’énergie par gaz comprimé (notamment par air comprimé, l’air étant prélevé avantageusement dans l’environnement ambiant).
La ligne de détente permet de transformer le gaz comprimé stocké en énergie mécanique, par exemple rotative, par l’intermédiaire du moyen de détente (une turbine par exemple) de chaque étage de détente. Avantageusement, le moyen de détente peut être couplé à un générateur (aussi appelé alternateur) pour transformer l’énergie mécanique en électricité.
Dans la ligne de compression comme dans la ligne de détente, les différents étages (de compression ou de détente respectivement) sont successifs, c’est-à-dire qu’ils sont positionnés en série, les uns après les autres dans le sens de circulation du gaz dans la ligne de compression ou de détente respectivement.
On appelle « premier » étage de compression ou de détente, le premier étage de la ligne considérée qui est traversé par le gaz dans le sens de circulation du gaz comprimé dans le système.
On appelle « dernier « étage de compression ou de détente, le dernier étage de la ligne considérée qui est traversé par le gaz dans le sens de circulation du gaz comprimé dans le système.
Chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur permet de récupérer l’énergie thermique en plus de l’énergie du gaz comprimé, ce qui permet d’améliorer le rendement du système, l’énergie thermique étant récupérée par le gaz comprimé lors de la phase de détente. Les moyens de stockage et de récupération de la chaleur peuvent être des moyens de stockage et de récupération de la chaleur direct ou indirect.
Par « moyen de stockage et de récupération de la chaleur direct >>, on entend que ce moyen de stockage et de récupération de la chaleur permet un échange de chaleur direct entre le gaz comprimé (dont la chaleur est à récupérer en phase de compression et qui est à réchauffé en phase de détente) et un matériau de stockage de la chaleur (qui peut être liquide, gazeux ou solides, comme des billes ou des graviers notamment). En d’autres termes, il peut s’agir d’un échangeur de chaleur direct entre le gaz comprimé et un matériau de stockage et de récupération de la chaleur, tel qu’un réservoir contenant des billes ou des graviers d’un matériau de stockage de chaleur.
Par « moyen de stockage et de récupération de la chaleur indirect », on entend que ce moyen de stockage et de récupération de la chaleur permet un échange de chaleur indirect entre le gaz comprimé (dont la chaleur est à récupérer en phase de compression et qui est à réchauffé en phase de détente) et un matériau de stockage de la chaleur (avantageusement fluide liquide ou gazeux). Le matériau de stockage de la chaleur est séparé du gaz comprimé par une paroi qui empêche ainsi l’échange direct de chaleur entre ces deux éléments, d’où la dénomination « échange indirect ». En d’autres termes, il peut s’agir d’un échangeur de chaleur indirect tel qu’un échangeur à tubes ou à plaques, pour permettre l’échange de chaleur entre le gaz comprimé et un fluide de stockage et de récupération de la chaleur.
Les moyens de stockage du gaz comprimé peuvent être un réservoir artificiel ou plus avantageusement une cavité sous-terraine, telle qu’une cavité saline, une ancienne mine ou un aquifère.
De préférence, le système peut comprendre autant d’étages de compression que d’étages de détente. Ainsi, les moyens de stockage et de récupération de la chaleur de chaque étage de compression peuvent être utilisés dans un (et un seul) étage de détente, de préférence travaillant sensiblement au même niveau de pression. Alternativement, le système peut comprend un nombre d’étages de compression différent du nombre d’étages de détente.
Selon l’invention, le système de stockage et de récupération d’énergie comprend au moins un moyen de connexion/déconnexion mécanique pour connecter/déconnecter mécaniquement au moins un moyen de compression (de préférence chaque moyen de compression) d’un étage de compression à au moins un moyen de détente d’un étage de détente, de préférence à un unique moyen de détente d’un étage de détente. Le moyen de connexion/déconnexion peut notamment connecter/déconnecter mécaniquement un arbre du moyen de compression à un arbre du moyen de détente, de manière à ce qu’un de ces arbres entraîne l’autre en rotation.
Plusieurs configurations peuvent être envisagées :
- Un seul moyen de détente peut être couplé ou découplé à un seul moyen de compression par le moyen de connexion/déconnexion ;
- Plusieurs moyens de détente peuvent être couplés ou découplés à un seul moyen de compression par au moins un moyen de connexion/déconnexion (un moyen de connexion/déconnexion pour chaque moyen de détente par exemple) ;
- Un seul moyen de détente peut être couplé ou découplé à plusieurs moyens de compression par le moyen de connexion/déconnexion (un moyen de connexion/déconnexion pour chaque moyen de compression par exemple).
- Plusieurs moyens de détente peuvent être couplés ou découplés à plusieurs moyens de compression par le moyen de connexion/déconnexion (un moyen de connexion/déconnexion pour chaque moyen de compression et/ou pour chaque moyen de détente par exemple).
De plus, le système peut comprendre plusieurs des configurations ci-dessus, par exemple un moyen de compression couplé/découplé à une turbine unique et deux autres moyens de compression peuvent être couplés/découplés à deux autres turbines (ou à une seule turbine). Grâce au moyen de connexion/déconnexion, on peut coupler au moins un moyen de compression à au moins un moyen de détente (associé) qui permet de faciliter le démarrage du moyen de compression auquel il est associé. En d’autres termes, le moyen de détente entraîne le démarrage du moyen de compression par l’intermédiaire du moyen de connexion/déconnexion. Cette configuration permet en outre de démarrer les moyens de compression rapidement (en moins de 2 minutes par exemple).
Le moyen de connexion/déconnexion permet aussi de déconnecter le moyen de compression au moyen de détente auquel il peut être connecté, lorsque la phase de démarrage des compresseurs est terminée. On peut ainsi stocker la chaleur dans les deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur de chaque étage de compression et dans les deux moyens de stockage de gaz comprimé. Cette déconnexion permet de poursuivre la phase de compression, indépendamment de la détente (et inversement).
De préférence, chaque moyen de connexion/déconnexion peut être configuré pour coupler/découpler au moins un moyen de compression à au moins un moyen de détente qui fonctionne sensiblement au même couple et/ou à la même puissance et/ou à la même vitesse de rotation.
Selon une configuration avantageuse de l’invention, chaque étage de compression de la ligne de compression peut être défini par un numéro (ou ordre) de passage correspondant à l’ordre de passage du gaz comprimé dans cet étage de compression au sein de la ligne de compression, et chaque étage de détente de la ligne de détente peut être défini par un numéro de sortie correspondant à l’ordre de cet étage de détente au sein de la ligne de détente, en sens inverse du passage du gaz comprimé dans la ligne de détente. De plus, chaque moyen de connexion/déconnexion peut être configuré pour connecter/déconnecter le moyen de compression de l’étage de compression du numéro de passage défini au moyen de détente de l’étage de détente du numéro de sortie défini, le numéro de passage défini étant égal au numéro de sortie. Ainsi, chaque moyen de compression peut être connecté à un moyen de détente fonctionnant sensiblement au même couple et/ou à la même puissance, de préférence sensiblement avec la même pression (au même niveau de pression) du gaz comprimé, et donc sensiblement la même vitesse de rotation. En effet, dans la ligne de compression, la pression augmente dans chaque étage de compression successif alors que dans la ligne de détente, la pression diminue progressivement dans chaque étage de détente successif (dans le sens de circulation du gaz dans la ligne de détente et dans la ligne de compression).
De préférence, la ligne de compression peut comprendre trois étages de compression et la ligne de détente peut comprendre trois étages de détente. Cette configuration permet généralement un bon rendement du système tout en limitant le nombre d’étages de compression et de détente. Il offre donc un bon compromis entre performance et encombrement/masse.
Pour cette variante, le système peut comprendre un premier moyen de connexion/déconnexion pour la connexion entre le moyen de compression du dernier étage de compression (c’est-à-dire l’étage de compression dont le numéro de passage est trois) et le moyen de détente du premier étage de détente (c’est-à-dire l’étage de détente dont le numéro de sortie est trois), un deuxième moyen de connexion/déconnexion pour la connexion entre le moyen de compression de l’étage de compression intermédiaire (c’est-à-dire l’étage de compression dont le numéro de passage est deux) et le moyen de détente de l’étage de détente intermédiaire (c’est-à-dire l’étage de détente dont le numéro de sortie est deux) et un troisième moyen de connexion/déconnexion pour la connexion entre le moyen de compression du premier étage de compression (c’est-à-dire l’étage de compression dont le numéro de passage est un) et le moyen de détente du dernier étage de détente (c’est-à-dire l’étage de détente dont le numéro de sortie est un). Ainsi, chaque moyen de compression peut être connecté à un moyen de détente fonctionnant sensiblement au même couple et/ou à la même puissance, de préférence sensiblement avec la même pression du gaz comprimé, et donc sensiblement la même vitesse de rotation. En effet, le premier moyen de compression et le dernier moyen de détente fonctionnent sensiblement à basse pression, les moyens de compression et moyen de détente intermédiaires fonctionnent sensiblement à moyenne pression et le dernier moyen de compression et le premier moyen de détente fonctionnent sensiblement à haute pression, les termes « basse », « moyenne >> et « haute » étant relatif entre les différents étages de compression et de détente respectivement.
Préférentiellement, au moins un (de préférence chaque) moyen de connexion/déconnexion peut comprendre un arbre pour relier mécaniquement au moins un moyen de compression à au moins un moyen de détente. L’arbre permet une connexion mécanique apte à transmettre les fortes puissances nécessaires pour entraîner les moyens de compression, et ce en limitant les pertes de rendement.
Avantageusement, au moins un (de préférence chaque) moyen de connexion/déconnexion peut comprendre un embrayage qui permet de connecter ou déconnecter chaque moyen de compression au(x) moyen(s) de détente au(x)quel(s) il peut être connecté/déconnecté. L’embrayage permet une liaison fiable et apte à transmettre les puissances nécessaires pour entraîner les moyens de compressions.
De préférence, l’embrayage peut être monté sur un arbre connecté à l’un desdits moyens de compression ou de détente et l’embrayage peut être connecté à l’autre desdits moyens de compression ou de détente. Ainsi, le moyen de connexion/déconnexion est simple et robuste. Avantageusement, l’arbre peut être court (de longueur courte, par exemple dont la longueur est inférieure ou égale à 3 fois son diamètre) de manière à augmenter sa fiabilité et limiter des risques de défaillances.
Selon une configuration avantageuse de l’invention, chaque étage de compression peut comprendre un moyen de refroidissement en aval (dans le sens de circulation du gaz comprimé) desdits au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur de manière à refroidir le gaz au maximum avant qu’il entre dans l’étage de compression suivant ou dans les moyens de stockage de gaz comprimé. En outre, chaque étage de compression peut également comprendre un moyen de séparation gaz/liquide, en aval (dans le sens de circulation du gaz comprimé) du moyen de refroidissement. En effet, lors du refroidissement le gaz comprimé, de la condensation peut apparaître. Cette eau, sous forme liquide, peut être issue de la vapeur d’eau contenue initialement dans le gaz prélevé, notamment s’il s’agit d’air ambiant, et elle peut endommager le moyen de compression de l’étage suivant ou les moyens de stockage de gaz comprimé, notamment s’il s’agit d’un compresseur. Le moyen de séparation gaz/liquide permet alors d’éliminer la phase liquide contenue dans le gaz comprimé.
De manière préférée, au moins un moyen de détente, de préférence chaque moyen de détente, peut être connecté à une machine électrique apte à générer de l’électricité en phase de détente et apte à participer au démarrage des moyens de compression au démarrage de la phase de compression. Ainsi, chaque machine électrique peut participer, en mode moteur, à l’entraînement d’un moyen de compression pour faciliter leur démarrage.
Selon une variante avantageuse de l’invention, des premières vannes et/ou des deuxièmes vannes peuvent être positionnées en amont et/ou en aval de chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur, de manière à permettre ou non le passage du gaz comprimé dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur et à autoriser ou non ce passage dans la ligne de détente ou dans la ligne de compression, les moyens de stockage et de récupération de la chaleur étant utilisés à la fois pour le stockage en phase compression et à la fois pour la récupération d’énergie en phase de détente.
De préférence, les premières et/ou deuxièmes vannes peuvent comprendre des vannes trois positions pour orienter le gaz depuis la ligne de compression ou depuis la ligne de détente et/ou vers la ligne de compression ou vers la ligne de détente.
Alternativement ou additionnellement, des premier et deuxième moyens d’ouverture/fermeture (qui peuvent également être des troisième et quatrièmes vannes respectivement) peuvent être positionnés en amont et/ou en aval de chaque moyen de stockage de gaz comprimé, de manière à permettre ou non le passage du gaz comprimé dans les moyens de stockage de gaz comprimé et à autoriser ou non ce passage arrivant de la ligne de compression ou partant vers la ligne de détente, les moyens de stockage de gaz comprimé étant utilisés à la fois pour le stockage en phase compression et à la fois pour la récupération d’énergie en phase de détente.
L’invention concerne également un procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on utilise un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des variantes ou combinaisons de variantes décrites précédemment. Le procédé peut notamment comprendre une étape de compression, une étape de stockage de gaz comprimé et une étape de détente. De plus, dans ce procédé, on récupère la chaleur du gaz générée lors de l’étape de compression et on utilise la chaleur ainsi récupérée pour réchauffer le gaz avant de le détendre lors de la phase de détente. Dans ce procédé, on réalise au moins les étapes suivantes :
- En phase de détente, on détend le gaz comprimé desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé et on arrête la phase de détente lorsque la pression de gaz comprimé dans au moins un desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé atteint une pression prédéterminée et/ou lorsque la température de sortie d’au moins un des moyens de stockage et de récupération de chaleur atteint une température prédéfinie ;
- Au moment du démarrage de la phase de compression, on envoie le gaz comprimé restant dans l’au moins un desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé, dans la ligne de détente et, dans chaque étage de détente, on récupère la chaleur restante d’au moins un desdits moyens de stockage et de récupération de la chaleur avant de faire passer le gaz comprimé dans le moyen de détente de cet étage de détente, le moyen de détente étant alors connecté mécaniquement à un moyen de compression d’un étage de compression, par l’intermédiaire d’un moyen de connexion/déconnexion ; l’air comprimé sortant de chaque moyen de compression passe alors dans l’au moins un autre moyen de stockage et de récupération de la chaleur, de manière à ce que chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur soit dédié soit au fonctionnement sur la ligne de détente, soit au fonctionnement sur la ligne de compression puis lorsque la phase de compression a démarré et de préférence une fois que le gaz comprimé est totalement déchargé desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé, on active la déconnexion de chaque moyen de connexion/déconnexion de manière à déconnecter mécaniquement le moyen de compression du moyen de détente associé et les moyens de compression sont alors entraînés par un moteur électrique connecté mécaniquement au moyen de compression.
Par ce procédé, on profite d’une partie du gaz comprimé restant dans un des deux moyens de stockage de gaz comprimé et d’une partie de la chaleur restante dans un des deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur de chaque étage de compression, pour alimenter les turbines qui vont aider à entraîner la rotation des moyens de compressions pour faciliter leur démarrage et pour l’accélérer.
Avantageusement, avant d’activer mécaniquement la déconnexion de chaque moyen de connexion/déconnexion, on peut décharger la chaleur contenue dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur, de manière à récupérer toute l’énergie thermique issue de la phase de compression.
De préférence, lors du démarrage de la phase de compression, alternativement ou additionnellement à l’utilisation du gaz comprimé sortant des moyens de stockage de gaz comprimé, on peut utiliser chaque machine électrique connectée au moyen de détente, connectée au moyen de compression associé par le moyen de connexion/déconnexion, pour participer au démarrage des moyens de compressions.
La figure 2 illustre, de manière schématique et non limitative, un système de stockage et de production d’énergie par air comprimé selon l’invention.
Le système comprend une ligne de compression (1 ), avec plusieurs étages de compression (3), ici trois étages de compression mais un nombre différent pourrait être utilisé, chaque étage de compression (3) comprenant un moyen de compression (100, 101 , 102) (qui peuvent être des compresseurs notamment). Le nombre d’étages de compression peut être fonction de la pression de l’air à atteindre ainsi que des recommandations des fournisseurs. Les moyens de compressions (100, 101 , 102) peuvent être des compresseurs axiaux ou centrifuges par exemple. Le moyen de compression (100) est ici un compresseur basse pression, le moyen de compression (101) est ici un compresseur moyenne pression et le moyen de compression (102) est ici un compresseur haute pression. Le gaz comprimé (10) dans le procédé est de l’air ambiant, contenant une saturation en eau liée à sa température et sa pression mais un autre gaz pourrait bien entendu être utilisé.
Dans la ligne de compression (1 ), le gaz est comprimé puis envoyé dans deux moyens de stockage de gaz comprimé (1000A) et (1000B). Ces moyens de stockage de gaz comprimé (1000A) et (1000B) sont disposés en parallèle et ils sont adaptés aux hautes pressions. Ces moyens de stockage de gaz comprimé (1000A) et (1000B) peuvent être des cavités naturelles telles qu’une cavité saline, une ancienne mine ou un aquifère ou encore des stockages artificiels, tel que des réservoirs.
Après chaque moyen de compression (100, 101 , 102), au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) sont disposés en parallèle afin de refroidir l’air comprimé chaud en sortie de compression tout en stockant cette énergie thermique. Les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A et 200B) sont adaptés à la basse pression, les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (201 A et 201 B) sont adaptés à la moyenne pression et les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (202A et 202B) sont adaptés à la haute pression. L’échange/stockage d’énergie thermique peut s’effectuer par contact direct entre le gaz comprimé chaud et un matériau inerte ou par contact indirect entre l’air comprimé chaud et un fluide, gaz ou liquide, ou un solide. Dans le cas d’un contact direct, le matériau peut être des pierres, du béton, des graviers ou tout autre matériau solide adapté. Dans le cas d’un contact indirect, le fluide d’échange peut être tout fluide de transfert thermique adapté aux conditions de température et de pression.
Des moyens de refroidissement (300, 301 , 302) peuvent être disposés à la suite des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) si nécessaire afin de finir le refroidissement du gaz comprimé avant l’étage de compression suivant ou avant son stockage. Une fois le gaz refroidi et avant l’étage de compression suivant, l’eau condensée, issue de l’humidité du gaz (notamment lorsqu’il s’agit d’air ambiant), est extraite du flux de compression d’air par des moyens de séparations gaz-liquide (400, 401 , 402) (des séparateurs par exemple) afin d’avoir en entrée du moyen de compression de l’étage de compression suivant ou du moyen de stockage de gaz comprimé un gaz sans présence de liquide, notamment sans eau liquide. Cette condensation de l’eau peut avoir lieu dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) et/ou dans les moyens de refroidissement (300, 301 , 302).
Le système comprend une ligne de détente (2), avec plusieurs étages de détente (4), ici trois étages de détente mais un nombre différent pourrait être utilisé à condition qu’il soit identique au nombre d’étages de compression.
Chaque étage de détente (4) comprend un moyen de détente (700, 701 , 702). Le moyen de détente (700) est ici une turbine haute pression, le moyen de détente (701) est ici une turbine moyenne pression et le moyen de détente (702) est ici une turbine basse pression.
Dans la ligne de détente (2), le gaz comprimé est détendu via les moyens de détente (700, 701 , 702) des étages de détente (4), afin de produire de l’électricité via des alternateurs, non représentés sur le schéma, un alternateur (une machine électrique) étant connecté à chaque moyen de détente (700, 701 , 702). Des moyens de connexion/déconnexion C permettent de coupler ou découpler chaque moyen de compression et chaque moyen de détente associés au même niveau de pression. Ces moyens de connexion/déconnexion C peuvent notamment comprendre un arbre de liaison et un embrayage. Le moyen de compression basse pression (100) est relié par un premier moyen de connexion/déconnexion C au moyen de détente basse pression (702), le moyen de compression moyenne pression (101) est relié par un deuxième moyen de connexion/déconnexion C au moyen de détente moyenne pression (701 ). Le moyen de compression haute pression (102) est relié par un troisième moyen de connexion/déconnexion C au moyen de détente haute pression (700). Afin d’améliorer le rendement de chaque moyen de détente, l’énergie thermique stockée dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) est restituée au flux de gaz en amont de chaque moyen de détente en accord avec sa gamme de pression. En fin de la phase de détente précédente à la phase de compression, le moyen de stockage de gaz comprimé (1000A) est déchargé du gaz comprimé qu’il contient et le moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) est partiellement déchargé de son gaz comprimé : en d’autres termes, on conserve dans un seulement des deux moyens de stockage de gaz comprimé une réserve de gaz comprimé afin de pouvoir l’utiliser pour le démarrage des moyens de compression lors de la prochaine phase de compression. De la même façon, les premiers moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 201 A, 202A) sont déchargés de leur énergie thermique et les deuxièmes moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200B, 201 B, 202B), ceux qui sont en parallèles desdits premiers moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A , 201A, 202A) respectivement, sont partiellement déchargés de leur énergie thermique : en d’autres termes, on conserve dans un seulement des deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur en parallèle de chaque étage, une réserve de chaleur à récupérer, afin de pouvoir l’utiliser pour faciliter le démarrage des moyens de compression à la prochaine phase de compression. Le deuxième moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) conserve ainsi une réserve de gaz comprimé suffisante et les deuxièmes moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200B, 201 B, 202B) conservent chacun une réserve d’énergie thermique suffisante pour fournir l’énergie nécessaire pour vaincre l’inertie du démarrage des compresseurs de la phase de compression suivante.
La figure 3 illustre, de manière schématique et non limitative, la phase de démarrage des moyens de compression avec le système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé de la figure 2 selon l’invention.
Lors du démarrage de la phase de compression suivante, le gaz restant dans le (deuxième) moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) est envoyé vers le deuxième moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression (202B). Le gaz comprimé monte alors en température et entre dans le moyen de détente haute pression (700). En sortie du moyen de détente haute pression (700), le flux de gaz comprimé est envoyé vers le deuxième moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression (201 B). Le gaz comprimé monte alors en température et entre dans le moyen de détente moyenne pression (701 ). Enfin, en sortie du moyen de détente moyenne pression (701), le flux de gaz comprimé est envoyé vers le deuxième moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression (200B). Le gaz comprimé monte alors en température et entre dans le moyen de détente basse pression (701) pour y être détendu de préférence jusqu’à la pression atmosphérique.
Le moyen de compression basse pression (100) comprime le gaz entrant, ici de l’air atmosphérique (10). Le gaz comprimé et chaud sortant du moyen de compression (100) est envoyé au premier moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression (200A) uniquement, car le deuxième moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression (200B) participe à la détente du gaz comprimé issu du deuxième moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) et utilisé pour démarrer le moyen de compression basse pression (100). Une fois refroidi dans le premier moyen de stockage et de récupération de la chaleur basse pression (200A) et éventuellement dans le moyen de refroidissement (300), le flux de gaz comprimé peut alors comprendre de l’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200A) et/ou dans le moyen de refroidissement (300). Cette eau condensée peut avantageusement être séparée de la ligne de compression dans le moyen de séparation gaz- liquide (400) (qui est donc optionnel) opérant à la pression du flux. Le gaz est alors comprimé par le moyen de compression moyenne pression (101). Le gaz comprimé et chaud est envoyé au premier moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression (201 A) uniquement, car le deuxième moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression (201 B) participe à la détente du gaz comprimé issu du deuxième moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) et utilisé pour démarrer le moyen de compression moyenne pression (101 ). Une fois refroidi dans le premier moyen de stockage et de récupération de la chaleur moyenne pression (201 A) et éventuellement dans le moyen de refroidissement (301), le flux de gaz comprimé peut alors comprendre de l’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le premier moyen de stockage et de récupération de la chaleur (201 A) et/ou dans le moyen de refroidissement (301 ). Cette eau condensée peut alors être avantageusement séparée de la ligne de compression dans le moyen de séparation gaz-liquide (401 ) (qui est donc optionnel) opérant à la pression du flux. Le gaz est ensuite comprimé par le moyen de compression haute pression (102). Le gaz comprimé et chaud est envoyé au premier moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression (202A) uniquement, car le deuxième moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression (202B) participe à la détente du gaz comprimé issu du deuxième moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) et utilisé pour démarrer le moyen de compression haute pression (102). Une fois refroidi dans le premier moyen de stockage et de récupération de la chaleur haute pression (202A) et éventuellement dans le moyen de refroidissement (302), le flux de gaz comprimé peut alors comprendre de l’eau, issue de l’humidité de l’air, condensée durant les phases de refroidissement dans le premier moyen de stockage et de récupération de la chaleur (202A) et/ou dans le moyen de refroidissement (302). Cette eau condensée peut avantageusement être séparée de la ligne de compression dans le moyen de séparation gaz- liquide (402) (qui est donc optionnel) opérant à la pression du flux. Le gaz est alors envoyé uniquement au premier moyen de stockage de gaz comprimé (1000A), le deuxième moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) étant utilisé à la détente.
Lors de cette phase de démarrage des moyens de compression, les moyens de connexion/déconnexion C permettent le couplage de chaque moyen de compression (associé à un moteur électrique pour l’entraînement du moyen de compression après la phase de démarrage) à un moyen de détente (de préférence à sensiblement la même pression). En d’autres termes, chaque moyen de compression (associé à un moteur électrique) est couplé à un moyen de détente par un moyen de connexion/déconnexion C. En effet, la problématique du démarrage concerne autant le moyen de compression que le moteur électrique auquel il est associé. Une fois, que l’inertie des deux est vaincue, c'est-à-dire après la phase de démarrage, l’alimentation électrique de du moteur électrique est suffisante pour entrainer le moyen de compression.
De manière à orienter le flux de gaz de la phase de compression et de la phase de détente, dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur et dans les moyens de stockage de gaz comprimé, des vannes (non représentées) ou autres moyens d’ouverture/fermeture sont utilisés en amont et/ou en aval de chacun de ces moyens.
Un fois la période d’inertie du démarrage des compresseurs terminée, le moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) ainsi que les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200B, 201 B, 202B) sont déchargés, respectivement de leur gaz comprimé et de leur énergie thermique. Les moyens de détente (700, 701 , 702) cessent de fonctionner et sont découplés via les moyens de connexion/déconnexion C des moyens de compression (100, 101 , 102). Les moyens de compression (100, 101 , 102) puisent alors leur alimentation sur le réseau électrique via des moteurs électriques auquel ils sont connectés par exemple, par des moteurs électriques par exemple, pour le reste de la phase de compression. Durant la phase de compression, une fois les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200B, 201 B, 202B) déchargés, le gaz comprimé chaud peut alors charger en parallèle l’intégralité des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) par l’utilisation des premières et deuxièmes vannes en amont et/ou en aval des moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B). De la même façon, une fois le deuxième moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) déchargé, le gaz comprimé peut alors être stocké en parallèle dans les moyens de stockage de gaz comprimé (1000A) et (1000B) par l’utilisation des premier et deuxième moyens d’ouverture en amont et/ou en aval des moyens de stockage de gaz comprimé.
Dans ce mode de fonctionnement, les moyens de connexion/déconnexion C permettent le découplage de chaque moyen de compression du moyen de détente (de préférence à sensiblement la même pression) auquel il peut être couplé. En d’autres termes, chaque moyen de compression est découplé du moyen de détente associé par le moyen de connexion/déconnexion C.
En fin de la phase de compression, une fois les premiers moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 201 A, 202A) totalement chargés, le gaz comprimé chaud est dirigé uniquement vers les deuxièmes moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200B, 201 B, 202B) afin de terminer leur charge en énergie thermique. De la même façon, une fois le premier moyen de stockage de gaz comprimé (1000A) totalement chargé, le gaz comprimé est dirigé uniquement vers le deuxième moyen de stockage de gaz comprimé (1000B) afin de terminer sa charge en gaz comprimé.
Dans ce mode de fonctionnement, les moyens de connexion/déconnexion C permettent le découplage de chaque moyen de compression du moyen de détente (de préférence à sensiblement la même pression) auquel il peut être couplé. En d’autres termes, chaque moyen de compression est découplé du moyen de détente associé par le moyen de connexion/déconnexion C.
Grâce à l’invention, le couplage moyen de compression - moyen de détente par un moyen de connexion/déconnexion (comprenant notamment un arbre mécanique et un embrayage) pour chaque étage de pression (compression/détente sensiblement au même niveau de pression) permet de vaincre l’inertie du démarrage des moyens de compression et de diminuer le pic d’appel électrique au réseau électrique en début de phase de compression.
Pour chaque étage de pression (compression/détente sensiblement au même niveau de pression), le fait de détendre le gaz comprimé via les moyens de détente actionne le moyen de connexion/déconnexion qui est alors couplé au moyen de compression associé, ce qui permet ainsi d’entrainer le moyen de compression associé à chaque moyen de détente. L’énergie nécessaire au démarrage des moyens de compression et surtout au pic d’énergie dû à l’inertie du démarrage est alors fournie par le gaz comprimé de la fin de la phase de détente précédente, ce qui permet de lisser l’impact de la demande en énergie sur le réseau.

Claims

Revendications
1 .Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé comprenant :
- une ligne de compression (1) de gaz avec au moins un étage de compression (3), chaque étage de compression (3) comprenant un moyen de compression (100, 101 , 102) et au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) en aval, dans le sens de circulation du gaz, dudit moyen de compression (100, 101 , 102), les au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) étant montés en parallèle,
- au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B) situés en sortie de la ligne de compression (1 ) de gaz pour stocker le gaz comprimé, lesdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B) étant montés en parallèle,
- une ligne de détente (2) pour détendre du gaz comprimé stocké dans les moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B), la ligne de détente (2) comprenant au moins un étage de détente (4), chaque étage de détente (4) comprenant des conduites et un moyen de détente (700, 701 , 702), les conduites étant configurées pour faire circuler le gaz comprimé dans les dits au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) d’un même étage de compression de manière à réchauffer le gaz comprimé avant le moyen de détente (700, 701 , 702), caractérisé en ce que le système de stockage et de récupération d’énergie comprend au moins un moyen de connexion/déconnexion (C) mécanique pour connecter/déconnecter au moins un moyen de compression (100, 101 , 102) d’un étage de compression à au moins un moyen de détente (700, 701 , 702) d’un étage de détente, de préférence à un unique moyen de détente (700, 701 , 702) d’un étage de détente.
2. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 1 , pour lequel le système comprend autant d’étages de compression (3) que d’étages de détente (4) .
3. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé la revendication
2, pour lequel chaque étage de compression (3) de la ligne de compression (1 ) est défini par un numéro de passage, le numéro de passage correspondant à l’ordre de passage du gaz comprimé dans cet étage de compression (3) au sein de la ligne de compression (1 ), pour lequel chaque étage de détente (4) de la ligne de détente (2) est défini par un numéro de sortie, le numéro de sortie correspondant à l’ordre de cet étage de détente (4) au sein de la ligne de détente (2), en sens inverse du passage du gaz comprimé dans la ligne de détente et pour lequel chaque moyen de connexion/déconnexion (C) est configuré pour connecter/déconnecter le moyen de compression (100, 101 , 102) de l’étage de compression (3) du numéro de passage défini au moyen de l’étage de détente (4) du numéro de sortie défini, le numéro de passage défini étant égal au numéro de sortie.
4. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications 2 ou 3, pour lequel la ligne de compression (1) comprend trois étages de compression (3) et la ligne de détente (2) comprend trois étages de détente (4).
5. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 4, pour lequel le système comprend un premier moyen de connexion/déconnexion (C) pour la connexion entre le moyen de compression (100) du dernier étage de compression et le moyen de détente (702) du premier étage de détente, un deuxième moyen de connexion/déconnexion (C) pour la connexion entre le moyen de compression (101 ) de l’étage de compression intermédiaire et le moyen de détente (701) de l’étage de détente intermédiaire et un troisième moyen de connexion/déconnexion (C) pour la connexion entre le moyen de compression (102) du premier étage de compression et le moyen de détente (700) du dernier étage de détente.
6. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications précédentes, pour lequel l’au moins un moyen de connexion/déconnexion (C) comprend un arbre pour relier mécaniquement au moins un moyen de compression (100, 101 , 102) à au moins un moyen de détente (700, 701 , 702).
7. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications précédentes, pour lequel l’au moins un moyen de connexion/déconnexion (C) comprend un embrayage.
8. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications précédentes, pour lequel chaque étage de compression (1) comprend un moyen de refroidissement (300, 301 , 302) en aval desdits au moins deux moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) et de préférence un moyen de séparation gaz/liquide (400, 401 , 402), en aval du moyen de refroidissement (300, 301 , 302).
9. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins un moyen de détente (700, 701 , 702), de préférence chaque moyen de détente, est connecté à une machine électrique apte à générer de l’électricité en phase de détente et apte à participer au démarrage des moyens de compression (100, 101 , 102) au démarrage de la phase de compression.
10. Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel des premières vannes et/ou des deuxièmes vannes sont positionnées en amont et/ou en aval de chaque moyen de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B).
11 . Système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel des premier et deuxième moyens d’ouverture/fermeture sont positionnés en amont et/ou en aval de chaque moyen de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B).
12. Procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé, dans lequel on utilise un système de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon l’une des revendications précédentes, et dans lequel on réalise au moins les étapes suivantes :
- En phase de détente, on détend le gaz comprimé desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B) et on arrête la phase détente lorsque la pression de gaz comprimé dans au moins un desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B) atteint une pression prédéterminée et/ou lorsque la température de sortie d’au moins un des moyens de stockage et de récupération de chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) atteint une température prédéfinie ;
- Au moment du démarrage de la phase de compression, on transfère le gaz comprimé restant dans l’au moins un desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B), dans la ligne de détente (2) et, dans chaque étage de détente (4), on récupère la chaleur restante desdits moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B) avant de faire passer le gaz comprimé dans le moyen de détente (700, 701 , 702), le moyen de détente (700, 701 , 702) étant alors connecté mécaniquement à un moyen de compression (100, 101 , 102) d’un étage de compression (3), par l’intermédiaire d’un moyen de connexion/déconnexion (C) ; puis lorsque la phase de compression a démarré et une fois que le gaz comprimé est totalement déchargé desdits au moins deux moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B), on active la déconnexion de chaque moyen de connexion/déconnexion (C) de manière à déconnecter mécaniquement le moyen de compression (100, 102, 102) du moyen de détente (700, 701 , 702) associé et les moyens de compression (100, 101 , 102) sont alors entraînés par un moteur électrique.
13. Procédé de stockage et de récupération d’énergie par gaz comprimé selon la revendication 12, dans lequel avant d’activer mécaniquement la déconnexion de chaque moyen de connexion/déconnexion (C), on décharge la chaleur contenue dans les moyens de stockage et de récupération de la chaleur (200A, 200B, 201 A, 201 B, 202A, 202B).
14. Procédé de stockage et de récupération d’énergie selon l’une des revendications 12 ou 13, utilisant le système de stockage et de récupération d’énergie selon la revendication
9, dans lequel, lors du démarrage de la phase de compression, alternativement ou additionnellement à l’utilisation du gaz comprimé sortant des moyens de stockage de gaz comprimé (1000A, 1000B), on utilise chaque machine électrique connectée au moyen de détente (700, 701 , 702) pour participer au démarrage des moyens de compressions (100, 101 , 102).
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