Claims (13)
REVENDICATIONS1. De nombreux autres cycles thermodynamiques ont été proposés améliorant ce cycle, par exemple avec récupération de chaleur à la sortie de la turbine. Un des cycles, dit « adiabatique », consiste à utiliser des compresseurs polytropiques, et à stocker à la fois la chaleur générée lors de la compression de l'air et l'air comprimé. On peut soit stocker directement l'air chaud ce qui diminue considérablement la densité énergétique du réservoir comparé à de l'air froid soit stocker séparément la chaleur résultant de la compression de l'air et l'air comprimé refroidi. Lorsque l'on veut restituer de l'énergie électrique, l'air comprimé est extrait du réservoir, réchauffé grâce à la chaleur stockée lors de sa compression et détendu à travers une turbine qui entraîne un générateur électrique. Ce cycle « adiabatique » permet de ne pas utiliser de complément de chaleur extérieur et présente des rendements supérieurs à 70% compte tenu de la récupération de la chaleur produite lors de la compression. Il n'émet aucun CO2 . On peut noter également qu'à ce jour la température en sortie des compresseurs industriels est limitée à environ 650°C ce qui limite nécessairement la densité énergétique du stockage ( le nombre de kwh électrique que l'on peut restituer par m3 de stockage dépendant à la fois de la pression de stockage et de la température en entrée de la machine de détente). A ce jour, les installations de stockage d'air de capacité importantes utilisent des cavités souterraines ( naturelles ou artificielles) ou des réservoirs rigides manufacturés pour stocker l'air sous pression. Les cavités souterraines nécessitent un contexte géologique particulier en terme d'étanchéité, de pression admissible par la roche environnante et de risque sismique. Les possibilités d'implantation sont donc limitées et ne correspondent pas nécessairement aux localisations ou le stockage de l'énergie électrique est souhaité ( éloignement des lieux de consommation ou de production, réseau électrique insuffisant). Elles permettent des densités de stockage énergétique limitées d'autant plus que l'on utilise le stockage que dans un intervalle de pression limité pour maintenir les machines de compression et de détente dans des zones de fonctionnement acceptables. Les réservoirs rigides manufacturés présentent l'avantage majeur de pouvoir être installés sans contrainte de site particulière mais ne permettent pas également des densités de stockage énergétiques fortes lorsqu'il s'agit de réservoir à volume constant. Un concept a été proposé qui permet le maintien d'une pression contrôlée lors des opérations de stockage et de déstockage de l'air dans un réservoir rigide grâce à un système de contre pression hydraulique permettant de faire varier le volume de la partie air comprimé. Ce concept améliore très largement la densité de stockage énergétique du réservoir, la pression étant maintenue constante et l'intégralité de l'air contenu dans le réservoir étant utilisé. Des concepts ont été décrits dans lesquels l'air est stocké sous forme liquide, le procédé de liquéfaction faisant appel à des dispositifs de compression avec ou non stockage de la chaleur générée lors de la compression et la phase de restitution de l'énergie faisant appel à des dispositifs de détente avec ou non apport de chaleur extérieure. Dans le stockage de l'énergie électrique sous forme thermique, les concepts proposés font appel :- lors de la phase de stockage à des cycles type pompe à chaleur avec compression d'un gaz, chauffage d'un stockage thermique grâce à la chaleur générée pendant la compression, détente du gaz et refroidissement d'une source froide (un stockage thermique ou une source froide à température constante suivant les applications ). - Lors de la phase de déstockage à des cycles type moteur, avec chauffage d'un gaz, la source chaude étant constituée du stockage thermique chauffé pendant le cycle de stockage, détente du gaz et récupération d'énergie électrique, refroidissement du gaz par la source froide ( la source froide étant constituée du stockage thermique refroidi durant le cycle de stockage ou d'une source froide à température constante suivant les applications ) et compression du gaz. Le rendement de restitution de l'énergie électrique et surtout la densité du stockage énergétique de tous ces procédés dépendent largement des températures auxquels on peut à la fois produire de la chaleur par compression lors du cycle de stockage et à la fois stocker cette chaleur. Si le stockage de chaleur dans des réfractaires ou des matériaux minéraux à plus de 1200°C est actuellement possible, les températures de sortie des compresseurs industriels restent aujourd'hui limités à des températures d'environ 650°C ce qui réduit considérablement les densités énergétiques de stockage et les rendements que l'on peut espérer de ces cycles. Des recherches sont en cours pour développer des compresseurs acceptant des températures de sortie plus importantes mais sont encore très loin d'un développement industriel. Une alternative permettant d'obtenir des températures de source chaude largement supérieures aux températures accessibles par la simple compression consiste à générer de la chaleur par un procédé électrothermique ( résistance électrique ou autre ), ce qui permet aucune émission de CO2 contrairement aux cycles utilisant des combustibles. Un concept a été proposé dans le brevet US 7086231. Dans ce concept, le matériau composant un stockage thermique est chauffé par une résistance électrique, permettant d'élever la température de l'air avant sa détente. Bien qu'intéressant, le cycle proposé présente des inconvénients majeurs : l'unité de stockage et d'échange de chaleur chauffée par résistance électrique doit être dimensionnée pour résister à la pression de l'air à sa pression de stockage donc à la pression maximum dans le cycle tout en étant à haute température. La simple tenue des matériaux va nécessiter de limiter pression ou température, malgré l'intérêt pour un tel cycle de travailler avec de fortes pressions de stockage et des températures de restitution importantes, le cycle doit nécessairement intégrer un stockage de chaleur supplémentaire si l'on veut stocker la chaleur issue de la compression avec un coût supplémentaire l'échangeur de chaleur entre l'air et l'échappement de la turbine étant positionné en aval du stockage de chaleur résultant de la compression, seule une partie de la chaleur d'échappement de la turbine pourra être récupérée lorsque les 2 dispositifs sont associés.Un concept faisant également appel à un chauffage électrothermique a également été proposé dans la demande de brevet GB 2472128. La encore, il s'agit de chauffer un stockage thermique au moyen d'une chauffage électro thermique, ce stockage permettant de chauffer l'air avant sa détente. Le concept proposé ne permet pas la récupération de chaleur issue de la compression. Le dispositif selon l'invention permet d'apporter une réponse à ces difficultés : il permet d'utiliser des machines industrielles de compression et de détente de l'air dans des gammes de pression et de température existant à ce jour sur le marché et de récupérer et stocker pour restitution la chaleur générée par la compression. Il permet d'obtenir des rendements du cycle et des densités énergétiques de stockage élevées en utilisant conjointement un stockage de l'air comprimé à température ambiante ou un stockage de l'air sous forme liquide et un stockage thermique à très haute température, permettant de réaliser un cycle thermodynamique à très haute température de la source chaude et de réduire ainsi le volume de stockage de l'air et par conséquence le coût global de l'installation. Il permet d'utiliser le même stockage de chaleur pour la chaleur issue de la compression de l'air ( moyenne température) et celle issue du chauffage électrothermique ( haute température) qui viendra compléter la chaleur issue de la compression. Il permet, si nécessaire, de limiter à une pression intermédiaire la pression de l'air au niveau du stockage de chaleur Il permet de choisir une pression dans le stockage d'air comprimé qui est optimisée économiquement et techniquement pour permettre également une bonne récupération de la chaleur de l'échappement de la turbine principale. La densité énergétique de stockage élevée ( haute pression et température avant détente élevée) implique un volume de stockage moindre et permet donc l'utilisation économique de réservoirs manufacturés pour le stockage de l'air comprimé ( à pression constante ou non) permettant de s'affranchir des contraintes de site des réservoirs souterrains. Le cycle est adiabatique et n'émet aucun CO2 Le rendement du cycle est optimisé grâce à la récupération efficace de la chaleur générée par la compression et à la récupération quasi complète de la chaleur à l'échappement de la turbine de détente principale Il n'utilise aucun fluide présentant des risques pour l'environnement. Le dispositif selon l'invention concerne un dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique caractérisé en ce qu'il comprend au moins: pour la phase de stockage de l'énergie électrique : - Des moyens de compression (1) qui compriment l'air ambiant en utilisant de l'énergie électrique - Des moyens de chauffage électrothermiques (2) permettant de produire de la chaleur à partir d'énergie électrique à un niveau de température supérieur à celui de la chaleurgénérée par la compression de l'air et à transférer cette chaleur à l'air à sa sortie des moyens de compression (1) - Un dispositif de stockage de chaleur (3) permettant d'extraire et de stocker la chaleur contenue dans l'air à sa sortie des moyens de chauffage électrothermiques (2) - un dispositif (5) permettant de stocker l'air pour la phase de restitution de l'énergie électrique: - Le dispositif de stockage de chaleur (3) permettant de transmettre à l'air la chaleur stockée lors de la phase de stockage de l'énergie électrique - Des moyens de détente (8) utilisant l'air réchauffé à sa sortie du dispositif de stockage de chaleur (3) pour produire de l'énergie électrique - L'ensemble des canalisations permettant la circulation du gaz entre les différents composants de l'installation et des dispositifs de contrôle et de commande nécessaires à son fonctionnement. Selon des modes particuliers de réalisation : - Les moyens de compression (1) comprennent un ou plusieurs compresseurs avec ou sans refroidissement de l'air pendant sa compression permettant la compression de l'air atmosphérique et entraînés par un ou des moteurs électriques. - Les moyens de chauffage électrothermiques (2) de l'air peuvent être basés sur l'effet Joule , par exemple des résistances électriques, ou tout autre technique électrothermique faisant appel à l'électricité pour produire de la chaleur. - Le dispositif (3) peut être constitué par un stockage thermique composé d'un matériau solide stockant la chaleur sous forme de chaleur sensible et d'un dispositif d'échange de chaleur soit directement entre l'air et le matériau de stockage de chaleur soit par l'intermédiaire d'un fluide de transfert - Le dispositif ( 3) peut également être constitué d'un fluide de transfert et de stockage de la chaleur, d'un ou plusieurs stockages permettant de stocker sans mélange la portion froide de ce fluide et la portion chaude de ce même fluide et de un ou des échangeurs permettant des transferts de chaleur entre l'air et ce fluide. - Les moyens de détente (8) comprennent une ou plusieurs machines de détente permettant une détente de l'air jusqu'à la pression atmosphérique après son réchauffement dans le dispositif (3) et entraînant un ou des générateurs électriques. - Un dispositif (9) de récupération de la chaleur des gaz d'échappement des moyens de détente (8) et de transformation de cette chaleur en énergie électrique peut être ajouté. - Lorsque les moyens de détente (8) comprennent plusieurs machines de détente, l'air peut être réchauffé entre les machines grâce au transfert de chaleur depuis un dispositif ( 10) permettant de stocker de la chaleur issue d'un moyen de chauffage électrothermique pendant la phase de stockage et permettant de restituer cette chaleur à l'air pendant la phase de restitution- Dans une variante, pour la phase de stockage de l'énergie, d'autres moyens de compression (4) sont ajoutés qui compriment l'air en utilisant de l'énergie électrique à sa sortie du dispositif (3) et en amont du dispositif (5) de stockage de l'air. Les moyens de compression (4) comprennent un ou plusieurs compresseurs de préférence avec refroidissement de l'air pendant sa compression ( compression quasi isotherme) permettant une compression complémentaire de l'air après son refroidissement dans le dispositif (3) et entraînés par un ou des moteurs électriques. - Dans une autre variante, pour la phase de restitution de l'énergie, un échangeur de chaleur (6) est ajouté permettant de réchauffer l'air à sa sortie du dispositif (5) grâce à la chaleur disponible en échappement des moyens de détente de l'air (8) ainsi qu'un dispositif secondaire (7) de détente de l'air, à sa sortie de l'échangeur de chaleur (6) et en amont du dispositif de stockage (3), permettant de produire de l'énergie électrique. Les moyens de détente (7) comprennent une ou plusieurs machines de détente permettant une détente partielle de l'air après son réchauffement dans l'échangeur (6) et entraînant un ou des générateurs électriques. - Le dispositif ( 5 ) de stockage de l'air peut comprendre une cavité souterraine ou tout réservoir manufacturé permettant le stockage de l'air comprimé à pression variable ou non. - Dans une variante le dispositif (5) peut être constitué d'au moins : d'un dispositif permettant de liquéfier l'air comprimé d'un dispositif permettant de stocker l'air sous forme liquide d'un dispositif permettant de pomper l'air liquide à haute pression et de le vaporiser pour le restituer sous forme de gaz comprimé. - Dans une variante, de la chaleur complémentaire est apportée à l'air comprimé en amont immédiat des moyens de détente (8) par un brûleur alimenté par un combustible. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente parmi l'art antérieur un schéma d'un cycle adiabatique avec stockage de la chaleur issue de la compression La figure 2 représente parmi l'art antérieur le cycle proposé dans le brevet US 7086231 La figure 3 représente parmi l'art antérieur le cycle proposé dans la demande de brevet GB 2472128 La figure 4 représente un mode de réalisation du dispositf La figure 5 représente un autre mode de réalisation du dispositif La figure 6 représente un autre mode de réalisation du dispositif avec stockage de l'air sous forme liquide La figure 7 représente un mode de réalisation du dispositif (3) La figure 8 représente un autre mode de réalisation du dispositif (3) La figure 9 représente un autre mode de réalisation du dispositif (3) La figure 10 représente un autre mode de réalisation du dispositif (3).La figure 1 représente une des dispositions parmi l'art antérieur d'un cycle adiabatique de stockage de l'énergie par air comprimé. Dans la phase de stockage de l'énergie, l'air ambiant est comprimé au moyen de l'installation de compression (11) qui consomme de l'énergie électrique. La chaleur issue de la compression est stockée dans le dispositif (13) de stockage et d'échange de chaleur. L'air comprimé refroidi est alors stocké dans un réservoir (15) qui peut être une cavité souterraine. Dans ce cas, les pressions de stockage sont en général dans un intervalle de 60 à 80 bars. Dans la phase de restitution de l'énergie, l'air froid extrait du réservoir (15) est tout d'abord réchauffé à travers le stockage de chaleur (13) puis détendu à travers une installation de détente (18) qui produit de l'énergie électrique. Ce cycle adiabatique présente des rendements intéressants ( rapport de l'énergie restituée à l'énergie stockée) de l'ordre de 70%. Cependant, compte tenu des limites actuelles des compresseurs industriels en terme de température, une compression sans refroidissement ne pourra pas permettre d'excéder une pression d'environ 30 bars et une température de l'ordre de 600°C ce qui limite nécessairement la densité énergétique du stockage ( kwh restitué par m3 de stockage ). Un refroidissement de la compression permettra d'augmenter la pression sans augmenter la température de restitution ce qui n'augmentera qu'en partie la densité énergétique du stockage tout en diminuant le rendement du cycle. Une solution consiste bien sur à équiper la machine de détente d'un brûleur permettant de réchauffer l'air avant sa détente, mais nous sommes alors dans le cas d'une combustion avec émission de CO2. La figure 2 représente le dispositif revendiqué dans le brevet US 7086231 B2. Le dispositif proposé permet d'augmenter la température de l'air en entrée de la machine de détente (28) grâce à de la chaleur stockée dans un dispositif de stockage (23), chaleur générée grâce à un dispositif électrothermique durant la phase de stockage de l'électricité. Il permet d'augmenter la densité énergétique du stockage tout en ne générant pas d'émission de CO2, la production de chaleur étant générée par un dispositif électrothermique. Cependant, la configuration proposée présente quelques désavantages majeurs. On peut constater que ce dispositif nécessite soit de limiter la pression de stockage dans le réservoir de stockage de l'air comprimé (25) à la pression correspondant au couple pression température maximum admissible par l'ensemble compresseur (21) soit d'accepter de perdre de la chaleur issue de la compression en refroidissant l'air pendant la compression pour obtenir une pression de stockage supérieure. De la même façon, la chaleur issue de l'échappement de la turbine (28) ne peut être intégralement récupérée, le récupérateur (29) se situant en aval de l'échangeur de chaleur avec l'air issu de la compression (27). De plus, le stockage de chaleur (23) alimenté par la chaleur provenant d'une résistance doit nécessairement pouvoir réaliser l'échange thermique avec de l'air à la pression maximum dans le cycle ce qui peut entraîner de sévères difficultés de tenue des matériaux compte tenu à la fois de la température élevée et de la pression élevée. Enfin, le dispositif présenté nécessite 2 stockages de chaleur (27) et (23), un premierpermettant la récupération de la chaleur de compression et un second permettant la récupération de la chaleur provenant du dispositif de chauffage électrothermique. La figure 3 représente le dispositif revendiqué dans la demande de brevet GB 2472128 A. Le cycle proposé ne permet pas la récupération de la chaleur issue de la compression ce qui limite nécessairement le rendement du cycle. La figure 4 représente une des configurations du cycle proposé dans la présente demande d'invention. Le cycle proposé inclut un ensemble de dispositifs déjà disponibles industriellement à ce jour, notamment des turbomachines dont les coûts et les délais de développement sont extrêmement importants. Il apparaît en effet que de nombreux cycles proposés dans l'art antérieur n'ont jamais vu le jour à l'échelle industrielle, malgré leur intérêt théorique indiscutable, pour des raisons de coût trop élevé de développement de turbomachines spécifiques. Les valeurs indiqués à titre d'exemple correspondent donc à des machines industriels disponibles à ce jour. - Lors de la phase de stockage de l'énergie électrique : L'air ambiant après filtration si nécessaire est comprimé dans les moyens de compression (1).Le ou les compresseurs peuvent, de préférence, être de type axial de technologie tout à fait similaire aux compresseurs qui équipent les turbines à combustion ou centrifuge ou encore la combinaison de compresseurs axiaux et de compresseurs centrifuges. Les compresseurs d'air permettent à ce jour, sans refroidissement de l'air, d'atteindre des pressions jusqu'à 32 bars et des températures de sortie jusqu'à 650 °C avec de bonnes efficacités. Les compresseurs sont entraînés par des moteurs électriques. Il est intéressant pour optimiser le rendement du cycle, de monter à des pressions et des températures les plus élevées compatibles avec la technologie industriellement disponible, la chaleur étant récupérée. Si il est nécessaire, pour optimiser la densité énergétique de stockage, de monter à des pressions supérieurs à 32 bars, la compression peut être partiellement refroidie afin de limiter la température de sortie compresseur à une température compatible avec ses capacités. L'air chauffé par la compression entre dans le dispositif (2) de chauffage électrothermique qui peut être basé, par exemple, sur l'effet Joule. Les températures de sortie de l'air du dispositif (2) de chauffage électrothermique peuvent atteindre 1100 à 1200°C ce qui est à la fois compatible avec les capacités technologiques des stockages de chaleur et avec les températures limites d'entrée dans l'ensemble de détente (8), les turbines à combustion actuelles fonctionnant à des températures jusqu'à 1300 °C. L'air à haute température entre ensuite dans le dispositif (3) qui permet à la fois d'extraire et de stocker la chaleur contenue dans l'air à sa sortie du dispositif de chauffage (2) On peut donc obtenir, grâce au cycle présenté, une récupération totale de la chaleur générée par la compression jusqu'à prés de 650°C, complétée par la chaleur apportée par le dispositif (REVENDICATIONS1. Many other thermodynamic cycles have been proposed improving this cycle, for example with heat recovery at the outlet of the turbine. One of the cycles, called "adiabatic", consists of using polytropic compressors, and storing both the heat generated during the compression of the air and the compressed air. The hot air can be stored directly, which considerably reduces the energy density of the tank compared to cold air or separately stores the heat resulting from the compression of the air and the cooled compressed air. When it is desired to restore electrical energy, the compressed air is extracted from the tank, heated by the heat stored during its compression and expanded through a turbine that drives an electric generator. This "adiabatic" cycle makes it possible not to use additional external heat and presents efficiencies greater than 70% taking into account the recovery of the heat produced during the compression. It emits no CO2. It may also be noted that to date the temperature at the output of the industrial compressors is limited to approximately 650 ° C which necessarily limits the energy density of the storage (the number of electric kwh that can be restored per m3 of storage depending on both the storage pressure and the inlet temperature of the expansion machine). To date, large capacity air storage facilities use underground cavities (natural or artificial) or rigid tanks manufactured to store pressurized air. The underground cavities require a particular geological context in terms of sealing, permissible pressure by the surrounding rock and seismic risk. The implementation possibilities are therefore limited and do not necessarily correspond to locations where the storage of electrical energy is desired (distance from the places of consumption or production, insufficient electrical network). They allow limited energy storage densities especially as storage is used only in a limited pressure range to keep the compression and expansion machines in acceptable operating areas. The rigid tanks manufactured have the major advantage of being able to be installed without particular site constraints but also do not allow high energy storage densities when it comes to constant volume tank. A concept has been proposed that allows the maintenance of a controlled pressure during storage and retrieval operations of air in a rigid tank through a hydraulic back pressure system for varying the volume of the compressed air part. This concept greatly improves the energy storage density of the tank, the pressure being kept constant and all of the air contained in the tank being used. Concepts have been described in which air is stored in liquid form, the liquefaction process using compression devices with or without storage of the heat generated during compression and the energy recovery phase using to expansion devices with or without external heat input. In the storage of electrical energy in thermal form, the proposed concepts call upon: - during the storage phase to heat pump type cycles with compression of a gas, heating of a thermal storage thanks to the heat generated during compression, expansion of the gas and cooling of a cold source (a thermal storage or a constant temperature cold source depending on the applications). - During the phase of destocking at engine-type cycles, with heating of a gas, the hot source consisting of the thermal storage heated during the storage cycle, expansion of the gas and recovery of electrical energy, cooling of the gas by the cold source (the cold source being the thermal storage cooled during the storage cycle or a constant temperature cold source depending on the applications) and compression of the gas. The return efficiency of the electrical energy and especially the energy storage density of all these processes largely depend on the temperatures at which both heat can be produced by compression during the storage cycle and both store this heat. If heat storage in refractories or mineral materials above 1200 ° C is currently possible, the output temperatures of industrial compressors today remain limited to temperatures of about 650 ° C which significantly reduces energy densities storage and the yields that can be expected from these cycles. Research is under way to develop compressors that accept higher output temperatures but are still far from industrial development. An alternative for obtaining hot source temperatures much higher than the temperatures accessible by simple compression is to generate heat by an electrothermal process (electrical resistance or other), which allows no CO2 emissions unlike cycles using fuels . A concept has been proposed in US Pat. No. 7,086,231. In this concept, the material constituting a thermal storage is heated by an electrical resistance, making it possible to raise the temperature of the air before it is released. Although interesting, the proposed cycle has major disadvantages: the storage unit and heat exchange heated by electrical resistance must be sized to withstand the pressure of the air at its storage pressure and therefore at maximum pressure in the cycle while being at high temperature. The simple behavior of the materials will require limiting pressure or temperature, despite the interest for such a cycle to work with high storage pressures and high restitution temperatures, the cycle must necessarily incorporate additional heat storage if one wants to store the heat resulting from the compression with an additional cost the heat exchanger between the air and the exhaust of the turbine being positioned downstream of the heat storage resulting from the compression, only part of the exhaust heat The turbine can be recovered when the two devices are associated. A concept that also uses electrothermal heating has also been proposed in the patent application GB 2472128. Again, it is a question of heating a thermal storage by means of an electro-thermal heating, this storage allowing to heat the air before its relaxation. The proposed concept does not allow heat recovery from compression. The device according to the invention makes it possible to provide an answer to these difficulties: it makes it possible to use industrial machines for compression and expansion of the air in pressure and temperature ranges existing on the market today and for recover and store for restitution the heat generated by the compression. It achieves high cycle efficiencies and storage energy densities by using compressed air storage at room temperature or liquid storage and thermal storage at very high temperatures, allowing perform a thermodynamic cycle at very high temperature of the hot source and thus reduce the storage volume of the air and consequently the overall cost of the installation. It allows to use the same heat storage for the heat resulting from the compression of the air (average temperature) and that resulting from the electrothermal heating (high temperature) which will complete the heat resulting from the compression. It allows, if necessary, to limit to an intermediate pressure the air pressure at the heat storage It allows to choose a pressure in the compressed air storage which is optimized economically and technically to also allow a good recovery of the heat of the exhaust of the main turbine. The high energy storage density (high pressure and high temperature before relaxation) implies a lesser storage volume and thus allows the economical use of manufactured tanks for the storage of compressed air (at constant pressure or not) allowing to overcome site constraints of underground reservoirs. The cycle is adiabatic and emits no CO2 The efficiency of the cycle is optimized thanks to the efficient recovery of the heat generated by the compression and the almost complete recovery of the heat at the exhaust of the main expansion turbine. uses no fluids that pose a risk to the environment. The device according to the invention relates to a device for storing and restoring electrical energy, characterized in that it comprises at least: for the storage phase of the electrical energy: compression means (1) which compress the ambient air using electric energy - Electrothermal heating means (2) for generating heat from electrical energy at a temperature level greater than that of heat generated by compression of air and transferring this heat to the air at its outlet from the compression means (1) - A heat storage device (3) for extracting and storing the heat contained in the air at its outlet from the electrothermal heating means (2) - a device (5) for storing air for the phase of restitution of the electrical energy: - The heat storage device (3) for transmitting to the air the heat stored during the phasefor storing electrical energy - Expansion means (8) using the heated air at its outlet from the heat storage device (3) to produce electrical energy - The set of pipes for the circulation of the gas between the various components of the installation and the control and control devices necessary for its operation. According to particular embodiments: - The compression means (1) comprises one or more compressors with or without air cooling during compression for compressing atmospheric air and driven by one or more electric motors. - The electrothermal heating means (2) of the air may be based on the Joule effect, for example electrical resistors, or any other electrothermal technique using electricity to produce heat. - The device (3) may consist of a thermal storage consisting of a solid material storing the heat in the form of sensible heat and a heat exchange device either directly between the air and the heat storage material either via a transfer fluid - The device (3) can also consist of a heat transfer and storage fluid, one or more storage facilities for storing without mixing the cold portion of this fluid and the hot portion of the same fluid and one or exchangers for heat transfer between the air and the fluid. - The expansion means (8) comprise one or more expansion machines for an expansion of the air to atmospheric pressure after heating in the device (3) and driving one or more electric generators. - A device (9) for recovering the heat of the exhaust gas of the expansion means (8) and converting this heat into electrical energy can be added. - When the expansion means (8) comprise several expansion machines, the air can be heated between the machines by transferring heat from a device (10) for storing heat from an electrothermal heating means during the storage phase and to return this heat to the air during the restitution phase- In a variant, for the energy storage phase, other compression means (4) are added which compress the air using electrical energy at its output device (3) and upstream of the device (5) for storing air. The compression means (4) comprise one or more compressors preferably with cooling of the air during its compression (quasi-isothermal compression) allowing a complementary compression of the air after cooling in the device (3) and driven by one or electric motors. - In another variant, for the energy recovery phase, a heat exchanger (6) is added for heating the air at its output from the device (5) with the heat available in the exhaust of the expansion means air (8) and a secondary device (7) for expanding the air, at its outlet from the heat exchanger (6) and upstream of the storage device (3), making it possible to produce electrical energy. The expansion means (7) comprise one or more expansion machines allowing partial expansion of the air after heating in the exchanger (6) and driving one or more electric generators. - The device (5) for storing air may comprise an underground cavity or any manufactured tank for storing compressed air with variable pressure or not. In a variant the device (5) may consist of at least: a device for liquefying the compressed air of a device for storing the air in liquid form of a device for pumping the high pressure liquid air and vaporize it to return it as a compressed gas. In a variant, additional heat is supplied to the compressed air immediately upstream of the expansion means (8) by a burner fed with a fuel. The accompanying drawings illustrate the invention: FIG. 1 represents, from the prior art, a diagram of an adiabatic cycle with storage of heat resulting from compression FIG. 2 represents, from the prior art, the cycle proposed in US Pat. No. 7086231 FIG. 3 shows, from the prior art, the cycle proposed in patent application GB 2472128. FIG. 4 represents an embodiment of the device. FIG. 5 represents another embodiment of the device. FIG. 6 represents another embodiment of FIG. Figure 7 shows an embodiment of the device (3) Figure 8 shows another embodiment of the device (3) Figure 9 shows another embodiment of the device (3). FIG. 10 represents another embodiment of the device (3). FIG. 1 represents one of the prior art arrangements of an adiabatic storage cycle of compressed air energy. In the energy storage phase, the ambient air is compressed by means of the compression installation (11) which consumes electrical energy. The heat resulting from the compression is stored in the device (13) for storing and exchanging heat. The cooled compressed air is then stored in a reservoir (15) which may be an underground cavity. In this case, the storage pressures are generally in a range of 60 to 80 bar. In the energy recovery phase, the cold air extracted from the tank (15) is first heated through the heat storage (13) and then expanded through an expansion device (18) which produces heat. 'electric energy. This adiabatic cycle presents interesting yields (ratio of the energy restored to the stored energy) of the order of 70%. However, given the current limits of industrial compressors in terms of temperature, a compression without cooling can not allow to exceed a pressure of about 30 bar and a temperature of the order of 600 ° C which necessarily limits the density energy storage (kwh restored per m3 of storage). Cooling of the compression will increase the pressure without increasing the restitution temperature, which will only increase part of the energy density of the storage while reducing the efficiency of the cycle. One solution is of course to equip the expansion machine with a burner to heat the air before expansion, but we are then in the case of a combustion with CO2 emission. Figure 2 shows the device claimed in US 7086231 B2. The proposed device makes it possible to increase the temperature of the air entering the expansion machine (28) by means of heat stored in a storage device (23), heat generated by an electrothermal device during the storage phase. electricity. It makes it possible to increase the energy density of the storage while not generating CO2 emission, the production of heat being generated by an electrothermal device. However, the proposed configuration has some major disadvantages. It can be seen that this device requires either to limit the storage pressure in the storage tank of the compressed air (25) to the pressure corresponding to the maximum pressure allowable temperature torque by the compressor assembly (21) or to accept lose heat from compression by cooling the air during compression to obtain a higher storage pressure. In the same way, the heat resulting from the exhaust of the turbine (28) can not be fully recovered, the recuperator (29) being located downstream of the heat exchanger with the air resulting from the compression (27) . In addition, heat storage (23) supplied with heat from a resistor must necessarily be able to achieve heat exchange with air at the maximum pressure in the cycle which can lead to severe difficulties in holding materials. considering both the high temperature and the high pressure. Finally, the device presented requires 2 storage of heat (27) and (23), a first allowing the recovery of compression heat and a second allowing the recovery of heat from the electrothermal heating device. FIG. 3 represents the device claimed in patent application GB 2472128 A. The proposed cycle does not allow the recovery of the heat resulting from compression, which necessarily limits the efficiency of the cycle. Figure 4 shows one of the configurations of the cycle proposed in the present invention. The proposed cycle includes a set of devices already available industrially to date, including turbomachines whose costs and development time are extremely important. It appears in fact that many cycles proposed in the prior art have never emerged on an industrial scale, despite their indisputable theoretical interest, for reasons of too high cost of development of specific turbomachines. The values given by way of example therefore correspond to industrial machines available to date. - During the storage phase of the electrical energy: The ambient air after filtration if necessary is compressed in the compression means (1) .The compressor or compressors can preferably be of the axial type of technology quite similar to the compressors that equip the combustion or centrifugal turbines or the combination of axial compressors and centrifugal compressors. The air compressors allow today, without cooling the air, to reach pressures up to 32 bar and outlet temperatures up to 650 ° C with good efficiencies. Compressors are driven by electric motors. It is interesting to optimize the efficiency of the cycle, to rise to the highest pressures and temperatures compatible with the industrially available technology, the heat being recovered. If it is necessary, in order to optimize the energy storage density, to increase to pressures greater than 32 bar, the compression may be partially cooled in order to limit the compressor outlet temperature to a temperature compatible with its capacities. The air heated by the compression enters the electrothermal heating device (2) which can be based, for example, on the Joule effect. The air outlet temperatures of the electrothermal heating device (2) can reach 1100 to 1200 ° C which is both compatible with the technological capabilities of the heat storage and with the overall inlet limit temperatures. (8), the current combustion turbines operating at temperatures up to 1300 ° C. The high temperature air then enters the device (3) which allows both to extract and store the heat contained in the air at its output from the heating device (2). presented, a total recovery of the heat generated by the compression up to about 650 ° C, supplemented by the heat brought by the device (
2 ) de chauffage électrothermique à des températures jusqu'à 1100°C, avec un seul stockage de chaleur (3).Plusieurs possibilités de réalisations du dispositif (3) de stockage de chaleur sont présentés dans les figures 7,8,9 et 10. L'air refroidi à sa sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur est ensuite stocké dans le dispositif de stockage de l'air (5). Le dispositif de stockage de l'air (5) peut permettre de stocker l'air sous forme de gaz comprimé. Dans ce cas il peut s'agir d'une cavité souterraine, artificielle ou non, ou de réservoirs manufacturés. Les tubes du type utilisés pour la réalisation de gazoducs représentent une alternative intéressante. Le stockage peut être réalisé à pression variable dans un intervalle de pression minimum et maximum ou à pression constante grâce au maintien d'une contre pression hydraulique. Le dispositif de stockage de l'air (5) peut également permettre de liquéfier l'air comprimé, de le stocker sous forme liquide, de le pomper sous forme liquide à haute pression et de le vaporiser sous forme d'air comprimé à haute pression en sortie du dispositif (5). Une possibilité de réalisation d'un tel dispositif est décrit en figure 6. - Lors de la phase de restitution de l'énergie électrique : L'air sous forme de gaz comprimé est extrait du dispositif (5) de stockage de l'air. Il est ensuite réchauffé à travers le dispositif (3) de stockage de chaleur qui restitue à l'air la chaleur stockée pendant la phase précédente. Les températures de l'air en sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur peuvent atteindre 10 à 20°C de moins que la température de l'air en entrée pendant la phase de stockage avec un échange de bonne efficacité. En option, un complément de chaleur à haute température peut être apporté à l'air avant détente de l'air grâce à un brûleur alimenté par un combustible. Ce combustible peut être émetteur de CO2 fossile ( fioul, gaz naturel, ou autre) ou issue d'une source renouvelable ( bio gaz) en étant neutre en émission de CO2 ou ne pas émettre de CO2 ( hydrogène). L'air chaud est ensuite détendu à travers les moyens de détente (8) . Les moyens de détente (8) comprennent une ou plusieurs machines de détente de l'air jusqu'à la pression atmosphérique entraînant un ou des générateurs électriques. Lorsque les moyens de détente comprennent plusieurs machines de détente successives de l'air, des dispositifs de réchauffage de l'air peuvent être ajoutés entre les machines de détente. La chaleur nécessaire au réchauffement de l'air peut alors être fournie par tout moyen et de préférence par un dispositif (10) permettant de stocker de la chaleur issue d'un chauffage électrothermique pendant la phase de stockage de l'énergie électrique et de restituer cette chaleur à l'air pendant la phase de restitution de l'énergie électrique. L'air détendu en sortie des moyens de détente (8) peut être à température supérieure à la température ambiante. Dans ce cas, afin d'optimiser le cycle, un dispositif de récupération de cette chaleur (9) peut être installé en sortie du dispositif (8). Il peut s'agir d'un dispositif permettant de produire de l'énergie électrique ou de valoriser la chaleur contenue dans l'air. La figure 5 représente une autre configuration du cycle proposé dans la présente invention.En effet, le cycle proposé dans la figure 4 présente un certain nombre de contraintes : - l'air est à sa pression maximum dans le cycle dès la sortie des moyens de compression (1). Afin d'optimiser la densité énergétique du stockage et minimiser son coût, on aura très souvent intérêt à choisir la pression maximum compatible avec la tenue mécanique du dispositif (5) de stockage de l'air ( de l'ordre de 80 bars pour les cavités souterraines et de 120 bars voir plus pour les réservoirs manufacturés). En conséquence, le dispositif (2) et le dispositif (3) devront pouvoir supporter de l'air a la fois à très haute pression et à très haute température ce qui risque d'être un facteur limitant du dispositif. - De la même façon, l'air en sortie du dispositif (5) de stockage d'air est à sa pression maximum à son entrée dans le dispositif (3). Le cycle proposé dans la figure 5 permet grâce à certaines modifications par rapport au cycle de la figure 4 d'éliminer les contraintes précédentes. Les modifications consistent à: - ajouter d'autres moyens de compression (4) en sortie du dispositif (3) de stockage de chaleur dans la phase de stockage de l'énergie électrique. Afin de minimiser la consommation électrique, ces moyens de compression seront de préférence avec refroidissement de l'air pendant la compression. Ainsi, la pression en sortie des moyens de compression (1) pourront être optimisés en fonction des contraintes de température maximum en sortie de compresseur et de tenue mécanique des dispositifs (2) et (3) alors que les moyens de compression (4) permettront d'ajuster la pression maximale au mieux en fonction des contraintes du dispositif (5) de stockage de l'air et des contraintes de récupération optimisée de l'énergie en sortie des moyens de détente (8). - Ou/et ajouter un échangeur de chaleur (6) en sortie du dispositif (5) de stockage de l'air permettant de réchauffer l'air grâce à la chaleur disponible en échappement des moyens de détente (8) ainsi que des moyens de détente supplémentaires (7) en sortie de l'échangeur de chaleur (6) et en amont du dispositif de stockage de chaleur (3). De la même façon que précédemment, ces moyens de détente (7) permettront d'ajuster au mieux les pressions dans le dispositif de stockage (3) et la récupération d'énergie en sortie des moyens de détente (8). Un brûleur (51) optionnel a également été représenté sur la figure 5. Le figure 6 représente une variante du cycle proposé dans lequel le dispositif de stockage de l'air (5) comporte une installation de liquéfaction de l'air, son stockage sous forme liquide ainsi que sa restitution sous forme comprimée à haute pression. Le cycle est également optimisé en fonction des spécificités du stockage sous forme liquide de l'air. Le cycle présenté ne comporte pas de moyens de compression (4) complémentaires en sortie du dispositif de stockage de chaleur (3). En effet, la pression permettant une dépense énergétique moindre pour le procédé de liquéfaction de l'air n'est pas necessairement élevée ( Ce peut être par exemple 30 bars ) ce qui permet de récupérer intégralement la chaleur issue de la compression, les températures de sortie de compresseur restant dans les possibilités techniques.Le dispositif (5) a été détaillé pour I 'exemple. De nombreux autres dispositifs peuvent être proposés. Dans l'exemple détaillé, le dispositif (5) se compose comme suit pour la phase de stockage de l'énergie électrique: un échangeur et stockage de chaleur (62) permettant de refroidir l'air entrant par échange avec la phase gazeuse recyclée et avec le froid stocké durant la phase de restitution de l'énergie électrique. Un dispositif de détente (63) permettant de liquéfier en partie l'air à sa sortie de l'échangeur (62) Un séparateur (64) permettant de séparer la phase liquide de la phase gazeuse. La phase gazeuse est recyclée à travers l'échangeur (62) ou elle cède son froid à l'air entrant pour être ensuite comprimée grâce au compresseur (61) et réinjectée dans le circuit entrant. La phase liquide est stockée dans le stockage cryogénique (65) Pendant la phase de restitution de l'énergie électrique : L'air liquide est pompé à haute pression depuis le réservoir (65) grâce à une pompe cryogénique (66) L'air liquide est alors réchauffé et vaporisé à travers l'échangeur et stockage de chaleur (62) ou il cède son froid qui est stocké dans le dispositif (62). A sa sortie du dispositif (62) l'air est à l'état de gaz sous haute pression . Un tel dispositif permet de récupérer et de stocker le froid contenu dans l'air liquide pendant la phase de restitution de l'énergie électrique et de restituer ce froid lors de la liquéfaction de l'air entrant pendant la phase de stockage de l'énergie électrique. Ce procédé est donc largement optimisé en terme de consommation énergétique par rapport aux dispositifs classiques de liquéfaction de l'air Dans le cycle représenté, les moyens de détente (8) comprennent 2 machines de détente successives (8a) et (8b), un dispositif d'échange et de stockage de chaleur (10) étant placé entre les 2 machines pour réchauffer l'air. Ce dispositif (10) est lui même chauffé par des moyens électrothermiques durant la phase de stockage de l'énergie électrique. La détente de l'air est donc assuré par 3 moyens de détente successifs (7), (8a) et (8b) avec un réchauffage complémentaire au moyen du dispositif (10) ce qui semble particulièrement adapté à l'exemple présenté ou l'air est stocké sous forme liquide et ou la pression de restitution à la sortie du dispositif de stockage de l'air (5) peut être extrêmement élevée. Le figure 7 représente, à titre d'exemple, en coupe, une représentation schématique d'une configuration du dispositif (3). Le dispositif (3) peut être constitué d'une pluralité d'éléments tel que représenté dans la figure 7 placés en série. La représentation de la figure 7 représente le sens d'écoulement de l'air pendant la phase de stockage de l'énergie électrique, ce sens étant inversé pendant la phase de restitution de l'énergie électrique. L'air chaud à une température Tc entre dans le dispositif (3) au niveau dupoint A par le conduit (71). Il circule ensuite dans les conduits 75 aménagés dans le matériau de stockage (74). Il cède sa chaleur au matériau de stockage lorsque la température de celui ci est inférieure à Tc jusqu'à être refroidi à la température Tf correspondant à la température du matériau de stockage froid. Il poursuit alors son cheminement sans échanger de chaleur avec le matériau de stockage jusqu'à la sortie B du dispositif (3). Durant la phase de stockage, nous avons donc, en suivant le cheminement de l'air, une première partie ou le matériau de stockage est à la température Tc, suivi d'une zone de transition ou la température du matériau de stockage passe de Tc à Tf et enfin le reste du matériau de stockage à la température Tf jusqu'à la sortie B. les différentes zones d'écoulement sont séparées par une isolation thermique (73) afin de garder une bonne stratification de la chaleur le long du cheminement de l'air dans les différents conduites. Les conduits d'extrémité (71) permettent de limiter les échanges de chaleur entre zones d'écoulement successives (77). Le matériau (75) de stockage de chaleur peut être constitué de tout matériau réfractaire par exemple des argiles cuites, des céramiques à base de magnésie ou d'alumine, des matériaux issus de déchets industriels comme l'amiante fondue. Les flèches (76) représente le sens de l'écoulement dans la phase de stockage de la chaleur. Ce sens est inversé au déstockage de chaleur. La figure 8 représente une variante du dispositif (3). Dans cette variante, l'échange de chaleur est tout d'abord réalisé à travers un échangeur de chaleur (81) permettant de transférer la chaleur de l'air chaud (82) à un fluide caloporteur (83). Ce fluide cède ensuite sa chaleur au dispositif décrit dans la figure 7 ou il remplace l'air. L'intérêt de cette variante est qu'elle permet d'utiliser un fluide à pression modérée et à bonne capacité d'échange à l'intérieur du stockage de chaleur alors que l'air chaud et sous haute pression est limité à l'échangeur de chaleur (81) Le fluide caloporteur peut être liquide ou gazeux aux températures considérées. Il peut s'agir par exemple d'un gaz neutre comme l'argon, l'hélium ou le néon. La figure 9 représente une autre variante du dispositif (3) Il est constitué d'un échangeur de chaleur (95) permettant de transférer la chaleur depuis l'air chaud (96) à un fluide de stockage (93). La flèche (91) représente le sens d'écoulement du fluide durant la phase de stockage. Le fluide est tout d'abord stocké froid dans un réservoir (92) puis après passage dans l'échangeur (95) et réchauffement stocké dans le réservoir chaud (94). Le fluide de stockage sera liquide sur l'intervalle de température considéré. Il peut s'agir par exemple de sels fondus ou de métal sous forme liquide. Dans cette configuration du dispositif (3) le cycle décrit en figure 4 peut être sensiblement modifié dans une variante, le dispositif de chauffage électrothermique ne servant pas à chauffer l'air à sa sortie des moyens de compression (1) mais à chauffer directement le fluide de stockage (93) après son passage dans l'échangeur (95) ou directement dans le réservoir chaud (94). La figure 10 représente une variante du dispositif décrit en figure 9 .Le fluide de stockage, au lieu d'être stocké dans un réservoir froid quand il est froid et dans un réservoir chaud quand il est chaud, est stocké dans un réservoir unique (102) le fluide de stockage chaud étant au dessus du fluide de stockage froid. La stratification peut être uniquement thermique ou résulter de la présence d'un séparateur (101) de préférence isolant thermiquement et dont la densité lui permet de flotter sur le fluide froid et de couler sur le fluide chaud. Enfin, afin de montrer clairement les avantages du cycle proposé dans la présente demande d'invention un comparatif de performances chiffré a été établi entre les différents cycles de l'art antérieur et celui proposé dans la présente demande d'invention. Afin de pouvoir établir une comparaison, des hypothèses communes ont été prises pour les différents cycles : - Intervalle de fonctionnement du stockage d'air comprimé en cavité souterraine : de 60 à 80 bars - Pression de stockage d'air comprimé en réservoir manufacturé à pression constante: 120 bars - Rendement isentropique des turbomachines ( compresseurs et machines de détente) : 85% - Température maximum en sortie de compresseur : 600°C - Température maximum de stockage de chaleur : 1100 °C - Les autres hypothèses de rendement et d'efficacité des différents composants ont été choisies compatibles avec des machines industrielles. Cycle fig.1 Cycle fig.2 Cycle fig.3 Cycle fig.5 Cavité souterraine Réservoir Cavité souterraine Réservoir Cavité souterraine Réservoir Cavité souterraine Réservoir pression pression pression pression constante constante constante constante Rendement du cycle (%) 74 67 67 64 62 59 70 68 Densité énergétique du stockage ( kwh/m3) 2.5 19 4.0 30 4.0 30 4.4 33 Le dispositif proposé suivant l'invention permet donc d'obtenir la meilleure combinaison des indicateurs, entraînant une meilleure compétitivité économique du procédé. Le dispositif selon l'invention permet de stocker et de restituer de l'énergie électrique sous la forme d'air comprimé et de stockage de chaleur en permettant des densités de stockage et des rendements élevés.30revendications 1) Dispositif de stockage et de restitution d'énergie électrique caractérisé en ce qu'il comprend au moins: pour la phase de stockage de l'énergie électrique : - Des moyens de compression (1) qui compriment l'air ambiant en utilisant de l'énergie électrique - Des moyens de chauffage électrothermiques (2) permettant de produire de la chaleur à partir d'énergie électrique à un niveau de température supérieur à celui de la chaleur générée par la compression de l'air et à transférer cette chaleur à l'air à sa sortie des moyens de compression (1) - Un dispositif de stockage de chaleur (3) permettant d'extraire et de stocker la chaleur contenue dans l'air à sa sortie des moyens de chauffage électrothermiques (2) - un dispositif (5) permettant de stocker l'air pour la phase de restitution de l'énergie électrique : - Le dispositif de stockage de chaleur (3) permettant de transmettre à l'air la chaleur stockée lors de la phase de stockage de l'énergie électrique - Des moyens de détente (8) utilisant l'air réchauffé à sa sortie du dispositif de stockage de chaleur (3) pour produire de l'énergie électrique - L'ensemble des canalisations permettant la circulation du gaz entre les différents composants de l'installation et des dispositifs de contrôle et de commande nécessaires à son fonctionnement. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de compression (1) comprennent un ou plusieurs compresseurs avec ou sans refroidissement de l'air pendant sa compression permettant la compression de l'air atmosphérique et entraînés par un ou des moteurs électriques.2) electrothermal heating at temperatures up to 1100 ° C, with a single heat storage (3). Several possibilities of realization of the device (3) heat storage are shown in Figures 7,8,9 and 10 The cooled air at the outlet of the heat storage device (3) is then stored in the air storage device (5). The air storage device (5) can store the air in the form of compressed gas. In this case it may be an underground cavity, artificial or not, or manufactured tanks. The tubes of the type used for the realization of gas pipelines represent an interesting alternative. The storage can be carried out at variable pressure in a minimum and maximum pressure range or at constant pressure by maintaining a hydraulic back pressure. The air storage device (5) can also be used to liquefy the compressed air, to store it in liquid form, to pump it in liquid form at high pressure and to vaporize it in the form of compressed air at high pressure at the output of the device (5). An embodiment of such a device is described in FIG. 6. - During the phase of restitution of the electrical energy: The air in the form of compressed gas is extracted from the device (5) for storing air. It is then reheated through the heat storage device (3), which restores the heat stored in the previous phase to air. The air temperatures at the outlet of the heat storage device (3) can reach 10 to 20 ° C lower than the inlet air temperature during the storage phase with an exchange of good efficiency. As an option, additional heat at high temperatures can be provided to the air before the air is released by means of a fuel-fed burner. This fuel can emit fossil CO2 (fuel oil, natural gas, or other) or from a renewable source (bio gas) while being neutral in CO2 emission or not emitting CO2 (hydrogen). The hot air is then expanded through the expansion means (8). The expansion means (8) comprise one or more machines for expanding the air up to atmospheric pressure resulting in one or more electric generators. When the expansion means comprise several successive air expansion machines, air heating devices can be added between the expansion machines. The heat required for the heating of the air can then be provided by any means and preferably by a device (10) for storing heat from electrothermal heating during the storage phase of the electrical energy and to restore this heat to the air during the phase of restitution of the electrical energy. The expanded air at the outlet of the expansion means (8) may be at a temperature higher than the ambient temperature. In this case, in order to optimize the cycle, a device for recovering this heat (9) can be installed at the output of the device (8). It can be a device for producing electrical energy or to enhance the heat contained in the air. FIG. 5 represents another configuration of the cycle proposed in the present invention. Indeed, the cycle proposed in FIG. 4 presents a certain number of constraints: the air is at its maximum pressure in the cycle as soon as the means of compression (1). In order to optimize the energy density of the storage and minimize its cost, it will very often be advantageous to choose the maximum pressure compatible with the mechanical strength of the air storage device (5) (of the order of 80 bars for underground cavities and 120 bars see more for manufactured tanks). Consequently, the device (2) and the device (3) must be able to withstand air at both very high pressure and very high temperature which may be a limiting factor of the device. - In the same way, the air output of the device (5) for air storage is at its maximum pressure at its entry into the device (3). The cycle proposed in FIG. 5 makes it possible, by virtue of certain modifications with respect to the cycle of FIG. 4, to eliminate the preceding constraints. The modifications consist in: - adding other compression means (4) at the output of the heat storage device (3) in the storage phase of the electrical energy. In order to minimize the power consumption, these compression means will preferably be with cooling of the air during compression. Thus, the pressure at the outlet of the compression means (1) can be optimized as a function of the maximum temperature constraints at the compressor outlet and the mechanical strength of the devices (2) and (3) while the compression means (4) will allow to adjust the maximum pressure to the best according to the constraints of the device (5) for storing the air and constraints for optimized recovery of the energy output of the expansion means (8). - Or / and add a heat exchanger (6) at the outlet of the device (5) for storing air to heat the air thanks to the heat available in exhaust of the expansion means (8) and means of additional expansion (7) at the outlet of the heat exchanger (6) and upstream of the heat storage device (3). In the same way as before, these expansion means (7) will make it possible to better adjust the pressures in the storage device (3) and the energy recovery at the outlet of the expansion means (8). An optional burner (51) has also been shown in FIG. 5. FIG. 6 represents a variant of the proposed cycle in which the air storage device (5) comprises an air liquefaction installation, its storage under liquid form and its return in compressed form at high pressure. The cycle is also optimized according to the specificities of liquid storage of air. The cycle presented does not comprise complementary compression means (4) at the outlet of the heat storage device (3). Indeed, the pressure allowing a lesser energy expenditure for the liquefaction process of the air is not necessarily high (This may be for example 30 bars) which allows to fully recover the heat resulting from the compression, the temperatures of Compressor output remaining in the technical possibilities. The device (5) has been detailed for the example. Many other devices can be offered. In the detailed example, the device (5) is composed as follows for the storage phase of the electrical energy: a heat exchanger and storage (62) for cooling the incoming air by exchange with the recycled gas phase and with the cold stored during the phase of restitution of the electrical energy. An expansion device (63) for partially liquefying the air at its outlet from the exchanger (62) A separator (64) for separating the liquid phase from the gas phase. The gaseous phase is recycled through the exchanger (62) or it gives up its cold to the incoming air to be then compressed by the compressor (61) and reinjected into the incoming circuit. The liquid phase is stored in the cryogenic storage (65) During the phase of restitution of the electrical energy: The liquid air is pumped at high pressure from the reservoir (65) by means of a cryogenic pump (66). Liquid air is then reheated and vaporized through the heat exchanger and storage (62) or it gives up its cold which is stored in the device (62). At its output from the device (62), the air is in the state of gas under high pressure. Such a device makes it possible to recover and store the cold contained in the liquid air during the phase of restitution of the electrical energy and to restore this cold during liquefaction of the incoming air during the energy storage phase. electric. This process is therefore largely optimized in terms of energy consumption compared to conventional air liquefaction devices. In the cycle shown, the expansion means (8) comprise two successive expansion machines (8a) and (8b), a device exchange and heat storage (10) being placed between the two machines to heat the air. This device (10) is itself heated by electrothermal means during the storage phase of the electrical energy. The expansion of the air is thus ensured by 3 successive expansion means (7), (8a) and (8b) with a supplementary heating by means of the device (10) which seems particularly adapted to the example presented or the air is stored in liquid form and the restitution pressure at the outlet of the air storage device (5) can be extremely high. FIG. 7 represents, by way of example, in section, a schematic representation of a configuration of the device (3). The device (3) may consist of a plurality of elements as shown in Figure 7 placed in series. The representation of FIG. 7 represents the direction of flow of the air during the storage phase of the electrical energy, this direction being reversed during the phase of restitution of the electrical energy. The hot air at a temperature Tc enters the device (3) at the point A through the conduit (71). It then flows in the conduits 75 arranged in the storage material (74). It transfers its heat to the storage material when the temperature thereof is less than Tc until it is cooled to the temperature Tf corresponding to the temperature of the cold storage material. It then continues its path without exchanging heat with the storage material to the output B of the device (3). During the storage phase, we have, following the path of the air, a first part where the storage material is at temperature Tc, followed by a transition zone where the temperature of the storage material changes from Tc at Tf and finally the rest of the storage material at the temperature Tf to the outlet B. the different flow zones are separated by a thermal insulation (73) in order to keep a good stratification of the heat along the path of the air in the different pipes. The end ducts (71) make it possible to limit heat exchanges between successive flow zones (77). The heat storage material (75) may be made of any refractory material, for example fired clays, ceramics based on magnesia or alumina, materials derived from industrial waste such as molten asbestos. The arrows (76) represent the direction of flow in the heat storage phase. This meaning is reversed at the heat destocking. Figure 8 shows a variant of the device (3). In this variant, the heat exchange is first performed through a heat exchanger (81) for transferring the heat of the hot air (82) to a coolant (83). This fluid then gives up its heat to the device described in FIG. 7 where it replaces the air. The advantage of this variant is that it allows the use of a medium pressure fluid with good exchange capacity inside the heat storage while the hot air and under high pressure is limited to the heat exchanger heat (81) The coolant can be liquid or gaseous at the temperatures considered. It may be for example a neutral gas such as argon, helium or neon. Figure 9 shows another variant of the device (3) It consists of a heat exchanger (95) for transferring heat from the hot air (96) to a storage fluid (93). The arrow (91) represents the flow direction of the fluid during the storage phase. The fluid is first stored cold in a tank (92) then after passing through the exchanger (95) and warming stored in the hot tank (94). The storage fluid will be liquid over the temperature range considered. It may be, for example, molten salts or metal in liquid form. In this configuration of the device (3), the cycle described in FIG. 4 can be substantially modified in a variant, the electrothermal heating device not being used to heat the air at its outlet from the compression means (1) but to directly heat the storage fluid (93) after passing through the exchanger (95) or directly into the hot reservoir (94). FIG. 10 represents a variant of the device described in FIG. 9. The storage fluid, instead of being stored in a cold reservoir when it is cold and in a hot reservoir when it is hot, is stored in a single reservoir (102). ) the hot storage fluid being above the cold storage fluid. The stratification may be solely thermal or result from the presence of a separator (101) preferably thermally insulating and whose density allows it to float on the cold fluid and flow on the hot fluid. Finally, in order to clearly show the advantages of the cycle proposed in the present application, an encrypted performance comparison has been established between the different cycles of the prior art and that proposed in the present invention. In order to be able to make a comparison, common assumptions have been made for the different cycles: - Operating interval of compressed air storage in underground cavities: from 60 to 80 bar - Pressurized storage pressure of compressed air in manufactured pressure tanks constant: 120 bar - Isentropic efficiency of turbomachines (compressors and expansion machines): 85% - Maximum temperature at compressor outlet: 600 ° C - Maximum temperature of heat storage: 1100 ° C - Other performance assumptions and assumptions Efficiency of the different components were chosen compatible with industrial machines. Cycle fig.1 Cycle fig.2 Cycle fig.3 Cycle fig.5 Underground cavity Tank Underground cavity Tank Underground cavity Tank Underground cavity Tank pressure pressure pressure constant pressure constant constant constant Cycle efficiency (%) 74 67 67 64 62 59 70 68 Energy storage density (kwh / m3) 2.5 19 4.0 30 4.0 30 4.4 33 The device proposed according to the invention thus makes it possible to obtain the best combination of the indicators, leading to a better economic competitiveness of the process. The device according to the invention makes it possible to store and restore electrical energy in the form of compressed air and heat storage by allowing storage densities and high yields. Claims 1) Device for storing and retrieving electricity electrical energy characterized in that it comprises at least: for the storage phase of the electrical energy: - Compression means (1) which compresses the ambient air by using electrical energy - Heating means electrothermal systems (2) for producing heat from electric energy at a temperature level higher than that of the heat generated by the compression of air and transferring this heat to the air at its output from the means of compression (1) - A heat storage device (3) for extracting and storing the heat contained in the air at its outlet electrothermal heating means (2) - a device (5) allows ant to store the air for the phase of restitution of the electrical energy: - The heat storage device (3) for transmitting to the air the heat stored during the storage phase of the electrical energy - expansion means (8) using the heated air at its outlet from the heat storage device (3) to produce electrical energy - The set of pipes allowing the flow of gas between the various components of the installation and control and command devices necessary for its operation. 2) Device according to claim 1 characterized in that the compression means (1) comprise one or more compressors with or without air cooling during compression for compressing atmospheric air and driven by one or more electric motors .
3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de chauffage électrothermiques (2) de l'air peuvent être basés sur l'effet Joule , par exemple des résistances électriques, ou tout autre technique électrothermique faisant appel à l'électricité pour produire de la chaleur.3) Device according to claim 1 or 2 characterized in that the electrothermal heating means (2) of the air can be based on the Joule effect, for example electrical resistors, or any other electrothermal technique using the electricity to produce heat.
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif (3) est constitué par un stockage thermique composé d'un matériau solide stockant la chaleur sous forme de chaleur sensible et d'un dispositif d'échange de chaleur soit directement entre l'air et le matériau de stockage de chaleur soit par l'intermédiaire d'un fluide de transfert de chaleur.4) Device according to any one of the preceding claims characterized in that the device (3) is constituted by a thermal storage consisting of a solid material storing the heat in the form of sensible heat and a heat exchange device either directly between the air and the heat storage material or via a heat transfer fluid.
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif ( 3) est constitué d'un fluide de transfert et de stockage de la chaleur, d'un ou plusieurs stockages permettant de stocker sans mélange la portion froide de ce fluideet la portion chaude de ce même fluide et de un ou des échangeurs permettant des transferts de chaleur entre l'air et ce fluide.5) Device according to any one of claims 1 to 3 characterized in that the device (3) consists of a transfer fluid and heat storage, one or more storage for storing without mixing the portion cold of this fluidet the hot portion of the same fluid and one or exchangers for heat transfer between the air and the fluid.
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de détente (8) comprennent une ou plusieurs machines de détente permettant une détente de l'air jusqu'à la pression atmosphérique après son réchauffement dans le dispositif (3) et entraînant un ou des générateurs électriques.6) Device according to any one of the preceding claims characterized in that the expansion means (8) comprise one or more expansion machines for an expansion of the air to atmospheric pressure after heating in the device (3). ) and driving one or more electric generators.
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un dispositif (9) de récupération de la chaleur des gaz d'échappement des moyens de détente (8) et de transformation de cette chaleur en énergie électrique est ajouté.7) Device according to any one of the preceding claims characterized in that a device (9) for recovering heat from the exhaust gas of the expansion means (8) and converting this heat into electrical energy is added.
8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lorsque les moyens de détente (8) comprennent plusieurs machines de détente, l'air peut être réchauffé entre les machines grâce au transfert de chaleur depuis un dispositif ( 10) permettant de stocker de la chaleur issue d'un moyen de chauffage électrothermique pendant la phase de stockage et permettant de restituer cette chaleur à l'air pendant la phase de restitution8) Device according to any one of the preceding claims characterized in that when the expansion means (8) comprise several expansion machines, the air can be heated between the machines through the heat transfer from a device (10) allowing storing heat from an electrothermal heating means during the storage phase and making it possible to return this heat to the air during the restitution phase
9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que pour la phase de stockage de l'énergie d'autres moyens de compression (4) sont ajoutés qui compriment l'air en utilisant de l'énergie électrique à sa sortie du dispositif (3) et en amont du dispositif (5) de stockage de l'air. Les moyens de compression (4) comprennent un ou plusieurs compresseurs de préférence avec refroidissement de l'air pendant sa compression ( compression quasi isotherme) permettant une compression complémentaire de l'air après son refroidissement dans le dispositif (3) et entraînés par un ou des moteurs électriques.9) Device according to any one of the preceding claims characterized in that for the energy storage phase of other compression means (4) are added which compress the air using electrical energy at its output of the device (3) and upstream of the device (5) for storing air. The compression means (4) comprise one or more compressors preferably with cooling of the air during its compression (quasi-isothermal compression) allowing a complementary compression of the air after cooling in the device (3) and driven by one or electric motors.
10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que pour la phase de restitution de l'énergie un échangeur de chaleur (6) est ajouté permettant de réchauffer l'air à sa sortie du dispositif (5) grâce à la chaleur disponible en échappement des moyens de détente de l'air (8) ainsi que des moyens secondaires (7) de détente de l'air, à sa sortie de l'échangeur de chaleur (6) et en amont du dispositif de stockage (3), permettant de produire de l'énergie électrique. Les moyens de détente (7) comprennent une ou plusieurs machines de détente permettant une détente partielle de l'air après son réchauffement dans l'échangeur (6) et entraînant un ou des générateurs électriques.10) Device according to any one of the preceding claims characterized in that for the energy recovery phase a heat exchanger (6) is added to heat the air at its output device (5) through the heat available in exhaust air expansion means (8) and secondary means (7) of expansion of the air, at its outlet from the heat exchanger (6) and upstream of the storage device ( 3) for producing electrical energy. The expansion means (7) comprise one or more expansion machines allowing partial expansion of the air after heating in the exchanger (6) and driving one or more electric generators.
11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif ( 5 ) de stockage de l'air peut comprendre une cavité souterraine ou tout réservoir manufacturé permettant le stockage de l'air comprimé à pression variable ou non.11) Device according to any one of the preceding claims characterized in that the device (5) for storing air may comprise an underground cavity or any manufactured tank for storing compressed air with variable pressure or not.
12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif (5) est constitué d'au moins : - un dispositif permettant de liquéfier l'air comprimé- un dispositif permettant de stocker l'air sous forme liquide - un dispositif permettant de pomper l'air liquide à haute pression et de le vaporiser pour le restituer sous forme de gaz comprimé.12) Device according to any one of the preceding claims characterized in that the device (5) consists of at least: - a device for liquefying compressed air - a device for storing the air in liquid form - a device for pumping liquid air at high pressure and vaporize it to return it as a compressed gas.
13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que de la chaleur complémentaire est apportée à l'air comprimé en amont immédiat des moyens de détente (8) par un brûleur alimenté par un combustible. 1513) Device according to any one of the preceding claims characterized in that complementary heat is supplied to the compressed air immediately upstream of the expansion means (8) by a burner fueled by a fuel. 15