FR3097593A1 - Dispositif hybride de stockage ou de conversion énergétiques, à fluide propulseur liquide, gazeux ou supercritique - Google Patents

Abstract

Dispositif hybride de stockage ou de conversion énergétiques à fluide propulseur liquide, gazeux ou supercritique L’invention concerne un dispositif stockant ou convertissant des énergies, réduisant les limitations des solutions précédentes. Il est constitué de réservoirs étanches principaux (1), contenant un liquide hydraulique (3) et un fluide propulseur (2), de bassins de réception (4), de communications liquides (7), équipées d’ensembles de conversion hydroélectrique de pompage (6) ou turbinage (5) et comporte des systèmes d’échanges de chaleur (8). Le dispositif peut inclure des séparations physiques mobiles (11) entre fluides, des réserves annexes chaudes (15), froides (16), des sas (12), des réservoirs secondaires (13) communiquant aux réservoirs principaux (1) par des conduites (14). Le dispositif est destiné au stockage énergétique, en particulier des énergies renouvelables intermittentes et aux productions économiques de Froid et de Chaud. Figure pour l’abrégé: Fig. 2

Description

Dispositif hybride de stockage ou de conversion énergétiques, à fluide propulseur liquide, gazeux ou supercritique

La présente invention concerne un dispositif hybride de stockage ou de conversion énergétiques pour stocker, produire ou déplacer de l’énergie thermique ou électrique.

DEFINITION. Dans l’usage du mot « Chaud » utilisé comme un substantif, il faut comprendre l’énergie correspondant à des besoins d’apports de chaleur pour des utilisateurs externes, ou correspondant à des apports de chaleur vers des réserves thermiques de températures plus hautes que la température ambiante. Dans l’usage du mot « Froid » utilisé comme un substantif, il faut comprendre l’énergie correspondant à des besoins d’extraction de chaleur à céder par des utilisateurs externes, ou correspondant à des extractions de chaleur de la part de réserves thermiques de températures plus basses que la température ambiante. Dans l’usage des mots « fluide propulseur » il faut comprendre un fluide qui a pour fonction d’exercer une pression mais également comprendre que ce fluide inclue une fonction d’échange de chaleur ; dans les articles traitant de thermodynamique, c’est l’expression « fluide de travail », souvent circulant mais ici non-circulant, qui est généralement utilisée pour définir ce que ce document nomme « fluide propulseur ». Dans l’usage des mots « stockage thermo-électrique », il faut comprendre un mode de stockage d’électricité basé sur la création préalable d’une réserve thermique de matière chaude ou d’une réserve thermique de matière froide, ou souvent des deux types de réserves, puis sur la conversion de cette énergie thermique en énergie mécanique et finalement en électricité. Dans le mot « turbinage » il faut comprendre l’action de convertir de l’énergie hydraulique en énergie mécanique ou en énergie électrique par une ou plusieurs machines hydrauliques motrices (à turbine, à piston, à rotor, à vis, etc).

Avec la production croissante d’énergies renouvelables intermittentes se pose dans la plupart des pays le problème de stockage de l’énergie ainsi que le problème de la conversion de l’électricité renouvelable en Froid et en Chaud ainsi que l’opportunité de la conversion inverse. L’invention propose une solution hybride proche du pompage-turbinage hydroélectrique, incluant le stockage thermique, incluant la conversion d’électricité en énergie thermique ainsi que la conversion d’énergie thermique en électricité. De plus, dans des situations par lesquelles l’on disposerait de sources froides ou de sources chaudes externes, ces dernières peuvent être mises à profit, soit pour améliorer le rendement énergétique du stockage énergétique souhaité, soit pour permettre à l’invention de devenir productrice nette d’énergie.

Outre les systèmes de stockage d’énergie hydraulique par gravité très répandus dans les zones de montagnes, ont été inventés dans les dernières décennies des systèmes de stockage hydropneumatiques d’énergie hydraulique par lesquels la gravité terrestre est remplacée par la pression d’un gaz propulseur. Ces dispositifs sont constitués par un réservoir étanche contenant un liquide hydraulique mis en pression par un gaz propulseur.

Le plus souvent, c’est de l’énergie électrique qui sera ainsi transformée et stockée en énergie hydraulique, grâce à un moteur électrique alimentant un ensemble de pompage hydraulique à des périodes de surplus de production d’un réseau électrique local ou national. Le plus souvent c’est aussi sous forme d’énergie électrique que sera transformée et récupérée l’énergie hydraulique grâce à un ensemble de turbinage hydraulique entraînant un générateur électrique à des périodes de carence de production du même réseau électrique Le dispositif précédemment connu est ingénieux en ce qu’il permet d’utiliser les équipements bien éprouvés de l’industrie hydro-électrique tels que pompes, moteurs, turbines, générateurs, etc. tout en s’affranchissant des fortes dénivellations de centaines de mètres généralement nécessaires aux stockages d’énergie hydraulique par gravité (pumped hydro). L’ingéniosité du système réside en ce que, dans le réservoir étanche, chaque bar de pression du gaz propulseur produit le même travail, au niveau de la pompe hydraulique et de la turbine hydraulique, qu’une dizaine de mètre de dénivellation (par exemple 75 bar de pression du gaz propulseur produit le même effet que 735 mètres de dénivellation, quand le liquide hydraulique est de l’eau).

Lors de la période de stockage d’énergie, la pompe pousse le liquide hydraulique du bassin de réception vers le réservoir étanche, compressant ainsi le gaz propulseur à une pression supérieure à la pression initiale à laquelle il se trouvait auparavant. Lors de la période de restitution d’énergie, la turbine récupère l’énergie du liquide hydraulique présent dans le réservoir étanche, qui se retrouve expulsé par le gaz propulseur vers le bassin de réception, qui le plus souvent est et demeure à la simple pression atmosphérique.

De tels systèmes ont donc été présentés, parfois dans des configurations dans lesquelles le ou les réservoirs étanches se trouvent au-dessus du sol, et aussi dans des configurations où ces réservoirs sont enterrés affleurant sous la surface du sol pour économiser de l’espace extérieur, et aussi présentés dans des configurations où ces réservoirs sont constitués de dômes de sel, d’anciennes mines, ou de cavernes souterraines, ou de réservoirs sous-marins. Ces cavernes sont soit naturelles soit artificielles et dans la seconde alternative pourraient avantageusement être placées sous des falaises, sous des collines ou même sous des constructions de forte masse.

A ce stade, il est opportun de faire une relation avec certaines cavernes artificielles de stockage de gaz naturel compressé en Suède, au Japon et en Corée du Sud, excavées à dessein en forme de cylindres ou de cône allongés, verticaux ou horizontaux, aux extrémités demi-sphériques, ou parfois présentées en forme de vastes spirales horizontales souterraines. A de faibles profondeurs (50-150m), dépendant principalement de la section unitaire de la caverne, de la nature de la roche et de la pression autorisée souhaitée, le tenseur multidimensionnel des pressions de la roche naturelle y génère en tout point des parois des forces capables de contenir la pression des fluides comprimés. Ces cavernes nécessitent simplement l’emploi d’un matériau d’étanchéité interne ainsi que la mise en place d’une mince coque de béton (30 cm – 150 cm) accolée à la paroi rocheuse. De telles cavernes, présentant l’avantage d’accepter de très hautes pressions (jusqu’à 520 bar) à de faibles profondeurs sont souvent répertoriés depuis les années 1990 sous le vocable « Cavernes Rocheuses à Liner » et en langue anglaise sous le vocable « Lined Rock Caverns » (LRC).

De même, ont été présenté des configurations dans lesquelles le ou les bassins de réception du liquide hydraulique se trouvent au-dessus du sol, et aussi des configurations où ces bassins sont enterrés affleurant sous la surface du sol, et enfin présentés des configurations où ces bassins sont constitués de cavernes souterraines, naturelles ou artificielles, généralement mises à la pression atmosphérique. En outre, le bassin de réception du liquide hydraulique est parfois simplement constitué par une étendue naturelle d’eau telle qu’un étang, un lac, une rivière, une mer ou un océan. Le liquide hydraulique étant alors l’eau douce ou l’eau salée constituant cette étendue d’eau.

Les limitations du système ci-dessus sont de quatre natures concomitantes, liées aux caractéristiques thermodynamiques des gaz, répondant de manière proche à la formule bien connue PV=nRT des gaz parfaits. La première limitation est que pendant la période de stockage d’énergie, par laquelle l’entrée du liquide hydraulique compresse le gaz propulseur au-dessus de sa pression initiale, celui-ci va malheureusement temporairement s’échauffer et donc monter en pression. Cette montée en pression, supplémentaire à celle causée par l’entrée du liquide hydraulique, va coûter une énergie supplémentaire de pompage par rapport à celle attendue du stockage en l’absence de ce phénomène d’échauffement du gaz. Ce surcoût énergétique ne sera pas récupéré dans le temps, le gaz propulseur se contentant de s’équilibrer en température avec les parois extérieures du réservoir. De plus, pour un réservoir de dimensions et de pression maximale autorisée données, la pression maximale va être plus rapidement atteinte et l’exploitant se verra contraint de stocker un volume de liquide hydraulique moindre par rapport à celui attendu en l’absence de ce phénomène d’échauffement du gaz. La deuxième limitation est que pendant la période de récupération d’énergie, le gaz va au contraire se détendre en poussant le liquide hydraulique vers la turbine et va malheureusement temporairement se refroidir et donc diminuer en pression. Cette descente en pression, supplémentaire à celle causée par la sortie du liquide hydraulique, va empêcher de récupérer une partie de l’énergie stockée. Cette perte par rapport à l’énergie de restitution attendue en l’absence de ce phénomène de refroidissement du gaz ne sera pas récupérée dans le temps, le gaz se contentant de s’équilibrer en température avec les parois extérieures du réservoir.

Une troisième limitation est que, pour un réservoir de dimensions et de pression maximale autorisée données, il faut réserver un grand pourcentage du volume de ce réservoir pour le gaz propulseur. Généralement on ne pourra permettre au liquide hydraulique que de remplir, au maximum de son niveau, moins de la moitié du volume du réservoir. Ceci car la pression du gaz propulseur, résolument contrainte en son maximum par la pression maximale définie par la conception du réservoir, va malheureusement diminuer rapidement lors des sorties du liquide hydraulique hors du réservoir. Par exemple, si l’on autorisait un stockage maximal de liquide hydraulique égal à la moitié du volume du réservoir, alors la pression finale poussant sur les dernières quantités du liquide hydraulique quittant le réservoir (le gaz propulseur remplissant alors presque complètement le réservoir) descendrait, hors phénomène de refroidissement, à la moitié de la pression maximale autorisée du réservoir et ne permettrait à ces dernières quantités liquides que de restituer une énergie divisée par deux, par rapport à l’énergie restituée par les premières quantités liquides quittant le réservoir. En conséquence, seule une fraction minoritaire du réservoir peut être utilisée pour accueillir le liquide hydraulique. Une quatrième limitation, est que même avec la précaution par laquelle une fraction majoritaire du réservoir est attribuée au gaz propulseur pour ne pas diminuer trop rapidement la pression poussant sur le liquide hydraulique, l’énergie stockée et restituée par le liquide hydraulique est bien inférieure à un maximum théorique espéré de l’énergie du modeste volume de liquide hydraulique admis dans le réservoir. Ce maximum théorique suivrait le produit Emax = Pmax . Vliquide (Emax représentant l’énergie potentielle maximale théorique d’un liquide hydraulique dans un réservoir approuvé pour une pression autorisée, Pmax représentant la pression maximale autorisée du réservoir et Vliquide représentant le volume maximum imparti au liquide hydraulique dans le même réservoir). La raison pour laquelle l’énergie stockée et restituée est bien inférieure au maximum théorique est que le déplacement du liquide hydraulique ne se fait malheureusement pas à pression constante et que cette énergie est en fait égale, aux pertes de rendement près, à l’intégrale des P.dV sur le volume de liquide. Cette intégrale produit une quantité fortement inférieure au simple produit Pmax . Vliquide puisque la pression poussant sur le liquide hydraulique ne sera égale à son maximum Pmax que pour les premières quantités liquides quittant le réservoir.

Alternativement, outre de très nombreux systèmes purement pneumatiques de stockage par compression d’air gazeux (CAES et AACAES), ont été présenté quelques autres systèmes hydropneumatiques par lequel le liquide hydraulique est au contraire un moyen, à circuit principalement fermé, de convertir l’énergie potentielle d’un air comprimé en énergie mécanique. De l’air neuf y est nouvellement incorporé à chaque cycle pour être ensuite perdu. L’inconvénient majeur de tous ces systèmes réside dans les inévitables écarts de température lors des compressions et des détentes, lesquels écarts nuisent fortement au rendement du stockage énergétique.

Concernant la conversion d’énergie thermique en production nette d’électricité telle la conversion de géothermie ou la conversion de chaleur fatale récupérée de procédés tiers, ont été proposés depuis la fin du XIXème siècle de très nombreux dispositifs basés sur la conversion d’énergie thermique en électricité via des machines mécaniques motrices à multiples mouvements rapides d’une turbine ou d’un piston, opérant purement en phase gazeuse ou supercritique. Ces machines sont couteuses et de rendements médiocres (inférieurs à 70%). Le dispositif objet de l’invention pourrait permettre, par une conversion d’énergie thermique ne requérants pas de telles machines, de se rapprocher des conditions de réversibilité thermodynamique, et ainsi de dégager un rendement énergétique proche de 85%.

Concernant le stockage thermo-électrique ont été proposés au cours du XXème siècle de nombreux dispositifs. La plupart de ces systèmes, basés sur des circuits fermés à fluide frigorigène, convertissent l’énergie mécanique en réserves thermiques et convertissent ensuite cette énergie thermique en énergie mécanique par le recours obligatoire à trois ou quatre machines à multiples mouvements rapides d’une turbine ou d’un piston, opérant toutes purement en phase gazeuse ou supercritique. Ces machines sont couteuses et de rendements médiocres (inférieurs à 70% pour chaque sens de conversion), alors que, pour des raisons de dispense de telles machines, une quasi-réversibilité et des rendements proches de 85% pour chaque sens de conversion sont attendus du dispositif objet de l’invention.

Se distinguant de l’invention, il existe au moins une conception de stockage thermo-électrique provenant de Suisse utilisant de sophistiqués petits cylindres et soupapes à « pistons liquides » animés de nombreux mouvements rapides et alternatifs. Cette conception, qui utilise un liquide hydraulique soumis à la pression d’un fluide de travail, élimine ainsi deux machines opérant en phase purement gazeuse ou supercritique et permet aussi de tenter de réchauffer/refroidir le fluide de travail pendant les compressions/détentes inhérentes à toutes les conversions thermodynamiques basées sur des circuits fermés à fluide frigorigène. Cependant ces petits cylindres à « pistons liquides » ne sont que les éléments novateurs d’un classique circuit à cycle continu du fluide de travail frigorigène. La séquence constituée d’une expansion puis d’une contraction du fluide de travail s’effectue dans la conception suisse de manière rapide et continue par un classique circuit de recirculation du fluide de travail, de type pompe à chaleur à circuit de fluide frigorigène en mode de production ou d’extraction de chaleur, et de type moteur thermique à circuit de fluide frigorigène en mode de conversion mécanique de la chaleur, exploitant classiquement dans les deux modes d’importantes variations de pression en différentes zones du circuit. Dans le dispositif objet de l’invention, cette séquence constituée d’une expansion puis d’une contraction du fluide de travail s’effectue au contraire de manière relativement lente et quantitativement bornée en masse (non-circulante et non-continue), dans le simple confinement, à pression possiblement semblables en toutes zones, des volumineux réservoirs qui contiennent ce fluide de travail. Comme système de stockage thermo-électrique, en contrepartie de la moindre compacité de sa composante de conversion énergétique, le dispositif objet de l’invention est mécaniquement beaucoup plus simple et probablement plus proche des conditions de réversibilité thermodynamique, et donc d’un rendement élevé, que la conception suisse à « pistons liquides ».

Alternativement, ont été proposés des systèmes de stockage cryogénique multiphasique d’air ou d’azote (LAES). Ces systèmes de stockage thermo-électrique n’utilisent généralement pas de liquide hydraulique. Selon le diagramme Enthalpie-Pression bien connu des corps chimiques, ces systèmes permettent lors de la gazéification et de la liquéfaction de l’air ou de l’azote, le déplacement de grosses quantités d’énergie thermique sous forme d’enthalpie de changement d’état. Ces systèmes fonctionnent en boucle ouverte, de l’air ou de l’azote neuf étant nouvellement incorporés à chaque cycle pour être ensuite perdus. Les trois inconvénients majeurs de ce système original sont le cout et la complexité des équipements nécessaires pour pouvoir travailler en cryogénie à très basses températures, le niveau de sécurité permanente pour s’assurer que la température du lieu de stockage d’air ou d’azote ne se rapproche pas de la température ambiante, et un rendement énergétique relativement faible dû à la difficulté de récupérer la chaleur générée lors de la compression-liquéfaction.

En rapport lointain, ont été proposés des systèmes diphasiques de récupération d’énergie lors de la regazéification du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) transporté liquide par bateaux. Il s’agit, toujours selon le diagramme Enthalpie-Pression, de récupérer du Froid, et aussi de l’énergie mécanique, qui seraient ainsi perdus lors de la regazéification du GNL pour introduction de ce dernier dans le réseau commercial moyenne ou basse pression. Cette technologie d’efficacité énergétique ne concerne pas le stockage énergétique en soi mais une optimisation énergétique de la chaine logistique de transport de cet hydrocarbure, dont la liquéfaction préalable dépense une grande quantité d’énergie.

Le dispositif objet de l’invention est un nouveau système hybride de stockage ou de conversion énergétiques qui présente au moins deux qualités spécifiques de simplicité et de quasi-reversibilité en comparaison des systèmes précédemment exposés. Il utilise des éléments sélectionnés de disciplines éloignées que sont - le stockage d’énergie par pompage turbinage hydroélectrique des zones de montagnes, - les réservoirs étanches à haute pression, en particulier les cavernes LRC souterraines, - les principes de déplacement de chaleur par des fluides frigorigènes, - les principes des moteurs thermiques, - et le stockage thermique de Froid et de Chaud.

De plus, le dispositif objet de l’invention fait usage de fluides qui, à la différence de l’air ou de l’azote cryogéniques, sont sélectionnés pour changer des états Liquide-Gazeux-Supercritique (ou pour réaliser de larges variations de masse volumique à l’état supercritique) aux températures proches des températures ambiantes, ou à des températures et pressions compatibles avec le domaine du pompage turbinage hydroélectrique.

Le dispositif est constitué par un ou plusieurs réservoirs principaux étanches, y compris sous de hautes pressions, dont au moins un d’entre eux contient au moins un liquide hydraulique et contient au moins un fluide propulseur travaillant grâce aux variations de sa masse volumique, par au moins un système d’échange de chaleur échangeant avec le fluide propulseur, et par au moins une communication liquide accolée au réservoir principal étanche, équipée par au moins une machine de conversion hydroélectrique telle qu’un ensemble de pompage ou un ensemble de turbinage. Les caractéristiques novatrices du dispositif résident - en ce que le fluide propulseur est contenu hermétiquement sans être perdu, - en ce que la séquence thermodynamique constituée d’une expansion puis d’une contraction du fluide propulseur s’effectue de manière relativement lente, discontinue et quantitativement bornée en masse dans le simple confinement des volumineux réservoirs qui le contiennent, et non pas à haute vitesse et de manière continue grâce à un classique circuit de recirculation de fluide de travail, - et en ce que ce fluide propulseur soit travaille par changements d’états alternés d’au moins deux états parmi les trois états liquide, gazeux, supercritique, soit travaille dans l’état exclusivement supercritique par larges variations alternées de sa masse volumique supercritique.

Les dispositifs de stockage d’énergie où un fluide de travail travaille exclusivement en phase gazeuse, ainsi que ceux où un fluide de travail travaille en états Liquide-Gazeux en circuit ouvert et se trouve perdu, ont été proposés par le passé et se distinguent du champ de l’invention.

Les dispositifs où un fluide de travail travaille sans être perdu dans les états Liquide-Gazeux, ou Liquide-Supercritique, ou Gazeux-Supercritique, ou Supercritique, en utilisant un circuit de recirculation continue du fluide de travail capable de régénérer les variations de masse volumique de ce fluide, constituent la famille bien connue des pompes à chaleur et des machines frigorifiques, ou la famille bien connue des nombreux moteurs thermique à circuit fermés de fluide frigorigène (par exemple à cycle organique de Rankine, à cycle transcritique, à cycle de Kalina, à cycle de Brayton, à cycle de Hirn, etc.), ainsi que la famille des dispositifs de stockages énergétiques plus complexes associant plusieurs composants des 2 familles précédentes. Tous ces dispositifs à circuit de recirculation du fluide de travail ont été proposés par le passé et se distinguent du champ de l’invention.

Il est précisé que le dispositif travaillera le plus souvent en un étage unique, mais que si des pressions plus élevées devaient être souhaitables, il est possible de chainer les éléments du dispositif sous la forme d’un dispositif global à plusieurs étages. Dans cette configurations multi-étage, en prévoyant plusieurs ensembles de pompage ou de turbinage, ainsi que des réservoirs étanches intermédiaires si les technologies de conversion hydroélectrique l’imposaient, on peut élever la pression du liquide hydraulique ainsi que la pression de travail du fluide propulseur, bien au-dessus de celles d’une configuration à un unique ensemble de pompage ou de turbinage.

Des apports et extractions alternés de chaleur sont nécessaires aux contractions et aux expansions du fluide propulseur dans le volume des réservoirs étanches. Des systèmes d’échange de chaleur sont incorporés au dispositif pour permettre d’extraire de la chaleur du fluide propulseur préalablement à et pendant la période de pompage du liquide hydraulique. Des systèmes d’échange de chaleur permettent également d’apporter de la chaleur au fluide propulseur préalablement à et pendant la période de turbinage du liquide hydraulique. Ces systèmes d’échange de chaleur doivent évidemment être construits de manière suffisamment robuste pour résister aux hautes pressions auxquelles travaille le fluide propulseur. Par l’usage de pompes, de vannes ou d’autres activateurs spécifiques, ces systèmes d’échange de chaleur sont mis en service soit manuellement soit automatiquement en fonction des différentes périodes programmées d’opération. Les systèmes d’échange de chaleur seront le plus souvent placés à l’intérieur des réservoirs étanches mais peuvent également être déportés à l’extérieur de ces réservoirs. Ils peuvent être constitués par des échangeurs multi-fluides classiques, et/ou par des insertions de matériaux conducteurs tels que l’aluminium, le cuivre, le carbone, etc. et/ou par des caloducs, et/ou par tout autre moyen d’échange de chaleur.

Selon un mode particulier de fonctionnement, des sources thermiques chaudes ou des sources thermiques froides extérieures sont connectées au dispositif principal, par exemple sous forme d’énergie solaire thermique, ou de disposition e de glace, d’eau ou d’air froids, ou de disposition de vapeur, d’eau ou d’air chauds, ou de géothermie naturelle ou artificielle, ou d’énergie fatale de procédés tiers, etc. et réalisent, au niveau des systèmes d’échange de chaleur, la majorité de l’échange avec la chaleur extraite et apportée au fluide propulseur, ceci via un ou plusieurs fluides caloporteurs, ou via une ou plusieurs surfaces d’échange thermique du fluide propulseur au contact direct de ces sources thermiques chaudes ou froides, ou via une ou plusieurs boucles ouvertes d’eau ou d’air. En outre, cet échange peut mettre à profit des équipements annexes de réfrigération évacuant de la chaleur, ou un réchauffage par combustion de déchets ou de biomasse, ou la récupération de gaz de combustion industriels, ou la disposition de masses minérales ou de masses métalliques froides ou chaudes, ou la disposition d’effluents industriels ou d’effluents d’assainissement urbain ou la disposition de mers, lacs, rivières, ou aquifères souterrains d’origine naturelle ou artificielle, etc. Ces sources thermiques externes froides ou chaudes sont mises à profit, soit pour améliorer le rendement énergétique des opérations de stockage électrique, soit pour accroitre le niveau d’énergie thermique des réserves annexes froides et chaude intégrées au dispositif, soit pour permettre à l’invention de devenir directement productrice d’électricité. A noter que, si il y fait appel en tant que source, l’environnement ambiant peut constituer une source froide ou peut alternativement constituer une source chaude.

Selon un mode plus autonome de fonctionnement, la chaleur extraite ou apportée au fluide propulseur au niveau des systèmes d’échange de chaleur requiert peu ou pas d’échange avec l’extérieur et résulte principalement, soit des réserves chaudes ou froides de stockage thermique annexes intégrées au dispositif objet de l’invention, soit d’un échange avec tout ou partie du liquide hydraulique du dispositif. Ce liquide hydraulique, qui constitue alors le fluide caloporteur circulant au contact des systèmes d’échange de chaleur, se réchauffera de quelques degrés Celsius en augmentant sa chaleur sensible intrinsèque lorsqu’il s’agit d’extraire de la chaleur du fluide propulseur et se refroidira de la même différence de température en cédant une partie de sa chaleur sensible intrinsèque lorsqu’il s’agit d’apporter de la chaleur au fluide propulseur.

Un fonctionnement faisant usage de combinaisons des modes externes et des modes autonomes d’échanges de chaleur exposés ci-dessus est également possible.

Le nombre, la surface d’échange et la puissance spécifique des systèmes d’échange de chaleur doivent être largement dimensionnés aux fins que l’extraction massive et l’apport massif de chaleur provoquent le ou les changements d’état thermodynamique du ou des fluides propulseurs. Dans le cas où un fluide propulseur travaille exclusivement dans son état supercritique, une importante extraction et un important apport de chaleur sont également nécessaires.

On veillera à sélectionner en choix du fluide propulseur, un corps chimique, ou un mélange de corps chimiques, dont la pression de vapeur saturante, aux températures maximales rencontrées dans les réservoirs étanches, n’est pas supérieure à la pression maximale autorisée par ces réservoirs.

Des exemples de fluides propulseurs peu coûteux pouvant satisfaire, en état multiphasique ou supercritique, cette condition de fonctionnement sont le dioxyde de carbone (CO2), dont la pression de vapeur saturante à 30 degrés Celsius est d’environ 72 bar et l’éthane (C2H6), dont la pression de vapeur saturante à 30 degrés Celsius est d’environ 47 bar. Sont également intéressants des mélanges constitué d’un fluide propulseur principal et incluant de faibles pourcentages d’autres molécules chimiques.

Dans le cas d’utilisation du dioxyde de carbone comme fluide propulseur, il est prévu qu’un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires peuvent assumer le rôle supplémentaire de séquestration-stockage de quantités excédentaires de dioxyde de carbone (CO2), qui sous forme gazeuse est un gaz à effet de serre. De plus comme le dispositif nécessite d’importants échanges d’énergie thermique à chaque séquence d’extension et de contraction du fluide propulseur, il peut s’avérer intéressant, pour combattre l’inertie thermique, de réchauffer ou de refroidir de manière anticipée, dans des réservoirs étanches secondaires, et par différents moyens internes et externes dont ceux évoqués plus hauts, des quantités excédentaires du fluide propulseur pour substituer physiquement tout ou partie de ces excédents avec des masses équivalentes du fluide propulseur régulier, à des moments optimum de la séquence.

Comme exemple de fonctionnement, dans le mode Liquide-Gazeux, grâce à l’extraction massive et l’apport massif de chaleur, le fluide propulseur se déplacera, sur la courbe de changement d’état du diagramme Enthalpie-Pression du fluide propulseur choisi, en équilibre Liquide-Gazeux en fonction du volume de liquide hydraulique cohabitant avec lui dans le réservoir et en fonction de la chaleur apportée ou extraite à ce fluide propulseur. Le fluide propulseur, soumis à une importante extraction de chaleur préalablement à et pendant la période de stockage d’énergie par pompage du liquide hydraulique provenant du bassin, subira une condensation en phase liquide, et occupera donc un volume final réduit. Cette liquéfaction du fluide propulseur présente l’important avantage de permettre d’utiliser la quasi-totalité du réservoir étanche pour le déplacement du liquide hydraulique. Cette liquéfaction du fluide propulseur présente le second important avantage que le fluide propulseur étant soumis à un important apport de chaleur préalablement à et pendant la période de turbinage du liquide hydraulique, ce fluide propulseur repassera de l’état liquide à l’état gazeux à sa pression de vapeur saturante et expulsera le liquide hydraulique à une pression constante.

Comme exemple de fonctionnement incluant l’état supercritique, ce bénéfice d’une masse volumique fortement accrue, contraction proche de la masse volumique en phase liquide, se retrouve après un fort refroidissement. De même une expansion à pression constante et une extrême augmentation de volume sont possibles lors d’un important apport de chaleur. Au-dessus du point critique de température et de pression, le fluide supercritique se conduit à températures modérés comme proche d’un liquide et à hautes températures comme proche d’un gaz.

Dans la plupart des cas, le ou les fluides propulseurs bénéficieront de l’adjonction d’un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires dédiés et communiquant avec le réservoir étanche principal par une ou plusieurs conduites. L’insertion de vannes entre les réservoirs permet d’isoler les réservoirs étanches secondaires et optionnellement de contribuer à réguler la pression régnant dans ces réservoirs, contribuant ainsi à piloter les températures souhaitées de condensation-liquéfaction et de gazéification des fluides propulseurs (en états Liquide-Gazeux) ou contribuant ainsi à piloter les conditions physiques du fluide en état supercritique. En outre, dans un objectif d’homogénéisation du fluide propulseur par brassage, il est intéressant d’équiper plusieurs conduites ci-dessus d’éventuels mécanismes de convections forcées entre les réservoirs secondaires et le réservoir principal. A propos de la détente volontaire du fluide propulseur pour créer du Froid de basse température, il est précisé qu’il existe des équipements optionnels à piston(s) ou à turbine(s) qui en récupèrent l’énergie mécanique. A noter que l’adjonction au dispositif d’au moins un réservoir étanche secondaire est obligatoire si l’on désire faire travailler le dispositif avec plus d’un fluide propulseur de manière non-simultanée, le ou les réservoirs étanches secondaires isolant hermétiquement le ou les fluides propulseurs non utilisés.

Une amélioration peut être apportées au dispositif en ce que, pour limiter les risques de dissolution du ou des fluides propulseurs dans le liquide hydraulique, dissolution préjudiciable au maintien de sa masse dans le dispositif et préjudiciable au bon fonctionnement des machines de conversion hydroélectrique de pompage ou de turbinage, peut également être prévue une séparation physique mobile entre le liquide hydraulique et le fluide propulseur. Cette séparation peut être par exemple obtenue par le confinement du liquide hydraulique, ou par le confinement du fluide propulseur, au moyen d’une bâche étanche flexible, par exemple sous la forme d’une vessie centrale à extension radiale ou d’une membrane installée dans un plan sécant du réservoir principal , ou par le double confinement du liquide hydraulique et du fluide propulseur au moyen de deux bâches flexibles différentes, ou par l’incorporation d’un liquide spécifique de séparation flottant à la surface du liquide hydraulique, ou d’un piston ou flotteur étanches. Il est également possible d’augmenter le PH du liquide hydraulique ou d’y dissoudre des additifs pour y réduire la dissolution du fluide propulseur. En outre, une séparation physique mobile doit également être prévue entre des fluides propulseurs si l’on envisage de faire travailler simultanément plusieurs fluides propulseurs dans le réservoir étanche principal

Un dispositif supplémentaire peut être apportée au dispositif principal, amélioration par laquelle des masses de fluides caloporteurs ou de liquide hydraulique, ayant échangé de la chaleur avec les systèmes d’échange de chaleur précités lors des périodes de stockage et de production d’énergie, sont immédiatement entreposés dans plusieurs volumes différenciés selon leur température plus froide ou plus chaude. Cette différentiation permet une meilleure efficacité d’échange lors des échanges successifs de ces fluides caloporteurs avec les systèmes d’échange de chaleur précités. Ceci permet également d’exploiter les disponibilités de températures variées pour optimiser les usages tels que la conversion d’énergie thermique en électricité, la réfrigération, la climatisation, le chauffage ou la production d’eau chaude d’utilisateurs tiers (quartiers urbains, data-centers, complexes hôteliers, hôpitaux, supermarchés, industries, etc.).

En outre, ces volumes différenciés, ainsi que les réserves annexes froides ou chaudes incorporées au dispositif, peuvent faire usage de différents matériaux à changement de phase (MCP) en phases Liquide-Solide (paraffines, acides gras, MCP inorganiques, MCP eutectiques, mélange aqueux aux états Liquide-Solide, glace, eau salée solidifiée, etc.) pour en accroître la densité énergétique de stockage par usage de chaleur latente de changement d’état.

Il est précisé que ces optionnels matériaux à changement de phase selon les phases Liquide-Solide sont sans rapport avec la novatrice application du fluide propulseur lui-même comme un rare exemple d’un Matériau à Changement de Phase changeant d’état selon les états Liquide-Gazeux, ou Liquide-Supercritique, ou Gazeux-Supercritique, en répondant aux apports ou aux extractions de chaleur. Dans le dispositif de stockage énergétique objet de l’invention de grandes quantités de chaleur sont déplacées et de fait durablement stockées sous forme d’un changement d’état de la masse du fluide propulseur vu comme un MCP (à l’exception du fonctionnement en mode purement supercritique).

Une observation qui permet de confirmer que nous sommes en présence d’un fluide propulseur travaillant de manière quantitativement bornée en masse, et non en présence d’une pompe à chaleur à circuit de recirculation continue, est que la production de Froid et de Chaud ne pourra pas persister au-delà du changement d’état complet du fluide propulseur (ou au-delà de la variation maximale de masse volumique du fluide propulseur, dans le cas d’un fonctionnement de ce dernier dans l’état purement supercritique).

Concernant le déstockage de Froid inhérent au dispositif, lors du turbinage le fluide propulseur quitte la phase liquide et se gazéifie spontanément en produisant du Froid (ou subit une expansion en produisant du Froid dans un fonctionnement en mode purement supercritique). C’est une situation d’autonomie idéale du dispositif vis-à-vis des énergies renouvelables intermittentes et des périodes de pénurie du réseau électrique, à fortiori pour les utilisateurs isolés d’un réseau national (off-grid), car le dispositif peut ainsi déstocker simultanément de l’électricité et déstocker, comme réserve géante de Froid, de grandes quantités de Froid (l’extraction thermique est environ 5 fois plus importantes que la quantité d’énergie électrique disponible, dans l’exemple du CO2 utilisé comme fluide propulseur).

Dans toutes les situations où des quantités de Froid s’avèrent nécessaires en dehors des périodes de turbinage, il convient tout de même de munir le dispositif d’une réserve froide annexe intégrée au dispositif (stockage par chaleur sensible, ou par chaleur latente ou par stockage thermochimique). On stockera ainsi thermiquement pendant les périodes de restitution d’énergie hydraulique, le surplus de Froid que l’on souhaite utiliser de manière ultérieure et asynchrone de ces restitutions d’énergie hydraulique, ainsi que le Froid que l’on désire produire spécifiquement pour les réserves froides d’un stockage thermo-électrique. Ce stockage nécessite de faire appel à une ou plusieurs masses de matière liquide ou solide, y compris l’eau salée à l’état liquide et solide, préférablement organisées selon des températures différenciées, dont éventuellement des réservoirs à thermoclines ou des zones du sol terrestre.

Inversement, la contraction du fluide propulseur restitue la chaleur préalablement apportée, cette fois pour produire de grandes quantité de Chaud lors du stockage d’énergie mécanique par pompage (la quantité de Chaud produite est, dans le cas du CO2 utilisé comme fluide propulseur, environ 5 fois plus importante que la quantité d’énergie électrique disponible). La situation de stockage de Chaud est légèrement moins idéale que celle du stockage de Froid car les principes thermodynamiques ne permettent de récupérer la chaleur stockée dans la masse de fluide propulseur qu’uniquement à l’occasion de sa contraction lors de recharges d’énergie électrique et non pas en totale pénurie d’électricité.

Pour permettre la récupération de de Chaud à la demande, y compris en dehors des périodes de stockage d’énergie électrique, il conviendra de munir le dispositif d’une réserve chaude annexe intégrée au dispositif (stockage par chaleur sensible, ou par chaleur latente ou par stockage thermochimique). On stockera ainsi thermiquement pendant les périodes de recharges hydrauliques, le surplus de chaleur que l’on souhaite récupérer de manière ultérieure et asynchrone de ces recharges hydrauliques, ainsi que le Chaud que l’on désire produire spécifiquement pour les réserves chaudes d’un stockage thermo-électrique. Ce stockage nécessite de faire appel à une ou plusieurs masses de matière liquide ou solide, préférablement organisées selon des températures différenciées, dont éventuellement des réservoirs à thermoclines ou des zones du sol terrestre.

En outre, une partie de la chaleur collectée au niveau des systèmes d’échange de chaleur peut avantageusement être utilisée, après stockage de courte durée, pour préchauffer préalablement le fluide propulseur chaque fois que nécessaire, par exemple avant la période de pompage du liquide hydraulique dans le but d’obtenir une température plus élevée lors de la production de Chaud. De même, il est avantageux de stocker temporairement les fluides caloporteurs de basses températures issus des systèmes échanges de chaleur pour provoquer préalablement des refroidissements sélectifs du fluide propulseur. A noter que l’environnement ambiant ou des sources thermiques externes froides ou chaudes peuvent être utilisées aux mêmes fins de préchauffage ou de refroidissement préalables du fluide propulseur.

Dans le cas de quantités multiples du dispositif (cluster), il est avantageux de faire communiquer entre eux par des conduites supplémentaires munies de vannes et éventuellement de pompes tout ou partie des éléments des dispositifs tels que les réservoirs étanches principaux, les réservoirs étanches secondaires, les systèmes d’échange de chaleur, les compartiments différenciés de fluides caloporteurs, les ensembles de pompage ou de turbinage, les bassins de réception, les réserves froides annexes, les réserves chaudes annexes, etc., ceci dans un objectif de flexibilité et de redondance.

Dans le cas de quantités multiples du dispositifs (cluster) il est possible de faire travailler ceux-ci de manières légèrement décalée dans le temps pour uniformiser l’intensité de la puissance du stockage ou de la conversion énergétique, compensant ainsi partiellement, vis-à-vis des dispositifs unitaires, le caractère discontinu de chaque séquence d’expansion et de contraction du fluide propulseur. Lors de ces opérations de manière décalée dans le temps, il est avantageux de satisfaire les besoins d’apports et d’extractions de chaleur des dispositifs unitaires afin que les apports de l’un correspondent en partie aux extractions de l’autre.

Le dispositif objet de l’invention fonctionne alternativement par relativement longues périodes de pompage et par relativement longues périodes de turbinage, éventuellement entrecoupées de périodes d’attente, et non pas par un cycle de circulation continue de multiples compressions-détentes rapides d’une petite quantité d’un fluide frigorigène circulant rapidement dans une pompe à chaleur ou dans une machine motrice à circuit fermé. De plus le fluide propulseur du dispositif objet de l’innovation travaille de manière quantitativement bornée en masse et ne bénéficie pas de la régénération offerte par les circuits de recirculation. On constate cependant qu’aux différences de temps près, les chemins de ces deux solutions opposés peuvent remarquablement coïncider sur le diagramme Enthalpie-Pression du fluide frigorigène sélectionné choisi. Le ou les fluides propulseurs sont par ailleurs des fluides frigorigènes de plein droit. Par exemple le code commercial du dioxyde de carbone (CO2) utilisé comme fluide frigorigène est R744 et celui de l’éthane (C2H6) utilisé comme fluide frigorigène est R170. Dans les deux cas de fonctionnement de manière quantitativement bornée en masse et de fonctionnement en circuit de recirculation, il y a transformation d’énergie mécanique (ici transformation d’une petite partie de l’énergie de pompage) pour déplacer de la chaleur d’une source froide vers une source chaude. Dans les deux cas, le coefficient de performance (COP) du Froid ou du Chaud, obtenu relativement au travail mécanique spécifiquement consommé, est généralement supérieur à l’unité, pour atteindre 2 ou plus. Il est probable que le dispositif objet de l’invention, outre offrir un stockage d’énergie hydroélectrique, outre offrir un unique stockage de Froid que ne peuvent offrir les machines à circuit fermé, bénéficie d’un coefficient de performance bien supérieur aux pompes à chaleur et aux machines frigorifiques classiques du fait que les multiples mouvements rapides du compresseur en phase gazeuse ou supercritique de ces dernières, de rendement inférieur à 70%, est ici remplacé par le travail de machines hydrauliques complémenté par une expansion et une contraction volumétriques lentes, quasi isotherme et donc quasi réversible. Des coefficients de performance proches de 10 sont possibles, en fonction des niveaux des températures basses et hautes souhaitées.

Il est notable que dans les situations déjà décrites par lesquelles des sources froides externes ou des sources chaudes externes, idéalement les deux types de sources, sont disponibles, il devient possible de demander au dispositif de réaliser une production nette d’énergie mécanique sur une séquence complète aller-retour de contraction puis d’expansion du fluide propulseur. Par exemple, grâce à la seule disposition d’une source froide à zéro degrés Celsius, qui serait appliquée au système d’échange de chaleur au contact du CO2 employé comme fluide propulseur, la pression de pompage du liquide hydraulique vers le réservoir principal sera d’environ de 40 Bar seulement, alors que la pression de restitution d’énergie au turbinage sera d’environ 55 Bar, pression de vapeur saturante du CO2 réchauffé au contact de la chaleur d’eau ou d’air ambiants, dans l’hypothèse d’une température ambiante de 20 degrés Celsius. Dans cet exemple, une production nette d’énergie mécanique est générée par le différentiel des pressions égal à 15 bar.

Poursuivant sur les éléments précédents, en particulier sur l’excellent COP espéré d’un fonctionnement relativement proche de la réversibilité, dans les cas où d’importants besoins Froid ou d’importants besoins de Chaud l’emportent temporairement sur le besoin de stockage d’énergie électrique, il est intéressant de coupler au moins deux dispositifs objets de l’invention pour les faire travailler en mode opposé et alterné pour de la pure production de Froid ou de Chaud, à des fins de consommation immédiate aussi bien qu’à des fins de création artificielle de réserve froide annexe ou de réserve chaude annexe. Dans cette utilisation particulière, au moins deux réservoirs étanches principaux sont directement mis en communication liquide via le travail des pompes, fonctionnant de façon opposée et alternée (par exemple la pompe intitulée A équipant le réservoir principal intitulé A refoule dans ce réservoir A mais aspire désormais le liquide hydraulique à partir d’un second réservoir principal intitulé B, et de manière alternée la pompe intitulée B équipant le réservoir B refoulera ultérieurement dans le réservoir B mais aspirera le liquide hydraulique à partir du réservoir A). Pendant ce mode de fonctionnement en opposition les ensembles de turbinage et les bassins de réception sont isolés car d’aucun d’usage. Les pompes, ou au minimum l’une d’entre elles, restent nécessaires aux déplacements alternés du liquide hydraulique commun aux réservoirs principaux. Celles-ci consomment relativement peu d’énergie car elles travaillent à une pression égale au simple différentiel de pression entre les deux réservoirs principaux des deux dispositifs. Ce différentiel de pression est principalement dicté par le différentiel des températures de Froid et de Chaud souhaitées, les deux différentiels variant dans le même sens. Ce mode de fonctionnement en opposition ne stocke et ne restitue pas d’énergie hydroélectrique mais remplit les fonctions de puissants et économiques déplacements de chaleur, similairement à une pompe à chaleur ou à une machine frigorifique géantes, à l’importante différence près que les fluides propulseurs des dispositifs objets de l’invention opèrent de manière relativement lente et quantitativement bornée en masse, et non pas à haute vitesse par un circuit de recirculation continue. Cette disposition de deux dispositifs unitaires travaillant en mode opposé et alterné est également intéressante pour stocker le Froid et/ou le Chaud d’un stockage thermo-électrique (les réserves thermiques annexes froides et/ou chaudes intégrées au dispositif se trouvant ainsi rechargées)

De même, il peut s’avérer intéressant de coupler au moins deux dispositifs objets de l’invention pour les faire travailler en mode opposé et alterné pour de la production d’énergie mécanique à partir d’une source froide externe ou à partir d’une source chaude externe (l’environnement ambiant pouvant remplacer soit la source froide manquante, soit la source chaude manquante) couplées de manière alternée aux systèmes d’échanges de chaleur provoquant les séquences de contraction et d’expansion des fluides propulseurs des deux dispositifs individuels. Dans cette utilisation particulière, au moins deux réservoirs étanches principaux sont directement mis en communication liquide via le travail des ensembles de turbinage fonctionnant de façon opposée et alternée. Pendant ce mode de fonctionnement en opposition les pompes hydrauliques et les bassins de réception sont isolés car d’aucun d’usage. Les ensembles de turbinage ou au minimum l’un d’entre eux, restent nécessaires pour récupérer l’énergie générée par les déplacements alternés du liquide hydraulique commun aux réservoirs principaux. Les ensembles de turbinage génèrent tour à tour une énergie proportionnelle au différentiel de pression entre les deux réservoirs principaux des deux dispositifs. Ce différentiel de pression est principalement dicté par le différentiel des températures chaude et froide provenant de la source froide et de la source chaude, les deux différentiels variant dans le même sens. Ce mode particulier de fonctionnement en opposition ne produit pas de Froid ni de Chaud mais remplit les fonctions d’un puissant moteur thermique, comme le fait par exemple un Cycle Organique de Rankine, à l’importante différence près que les fluides propulseurs des dispositifs objets de l’invention opèrent de manière relativement lente et quantitativement bornée en masse, et non pas à haute vitesse par la recirculation continue d’un circuit à fluide frigorigène. Cette disposition de deux dispositifs unitaires travaillant en mode opposé et alterné est également intéressante pour récupérer sous forme d’énergie mécanique l’énergie d’un stockage thermo-électrique (les réserves thermiques annexes froides et/ou chaudes intégrées au dispositif se déchargent alors, en apportant et extrayant de la chaleur de la même manière que des sources externes froides ou chaudes, vis-à-vis des dispositifs couplés en opposition).

Dans une application plus éloignée des objectifs primordiaux du dispositif, on pourrait concevoir de faire bénéficier des avantages de production de Froid et de Chaud et des avantages de détente élastique à pression constante offerts par le dispositif (unitaire ou couplé en opposition), les nombreux besoins de stockages pressurisés tels que le stockage physique d’hydrocarbures liquides ou gazeux, d’hydrogène, d’air, d’azote, de méthanol, etc. Soit le fluide à stocker serait stocké en pression contre le fluide propulseur, intercalé entre le fluide propulseur et le liquide hydraulique, soit le fluide à stocker remplacerait lui-même le liquide hydraulique (généralement sans possibilité turbinage), soit le fluide à stocker serait stocké sous pression dans un réservoir étanche annexe placé en aval de l’ensemble de turbinage. Les objectifs de ces configurations sont de profiter des importants déplacements de chaleur lors des stockages et déstockages physiques des fluides à stocker, d’éventuellement récupérer lors des déstockages une partie de l’énergie de pompage ou de compression préalablement utilisée pour stocker les fluides, et dans le cas particulier de stockages de gaz, de profiter d’une pression constante lors des stockages et déstockages physiques, ainsi que de profiter d’une restitution physique complète à pression constante quand la quantité résiduelle de gaz dans le réservoir est quasiment épuisée. Là encore, l’adjonction de séparations physiques (membranes, bâches, vessies, etc.) s’avérera généralement nécessaire pour limiter les échanges physiques entre les différents fluides.

Un dispositif supplémentaire peut être apporté pour améliorer les changements d’état du ou des fluides propulseurs, amélioration par laquelle la portion supérieure d’une partie des réservoirs étanches est munie de systèmes d’aspersion et de chute par gravité de gouttelettes des fluides propulseurs ou de gouttelettes du liquide hydraulique, présents au bas des réservoirs étanches ou entreposés dans d’autres réservoirs.

Une amélioration peut être apportées au dispositif principal pour éviter d’avoir à complètement dépressuriser le ou les réservoirs étanches jusqu’à la pression atmosphérique lors d’inspections et d’interventions internes postérieures à la première mise en service, cette dépressurisation provoquant une inversion des élongations et une fatigue accrue des matériaux qui le constituent. Cette amélioration consiste, plutôt que de faire appel à une fermeture unique, à réaliser la fermeture du ou des réservoirs étanches au moyen d’un sas, enceinte munie de deux systèmes étanches de fermeture. Ainsi, on pourra laisser le ou les réservoirs étanches sous une pression de quelques bar pendant les inspections ou les interventions internes au moyen de drones et de robots, ou même au moyen de personnes équipées de scaphandre autonome ou rigide. Ce sas se prêtera également à être utilisé comme caisson de décompression lente, si une longue intervention humaine le requérait.

Les dessins annexés illustrent l’invention :

représente en coupe, le dispositif de l’invention dans son mode le plus autonome de fonctionnement par lequel le liquide hydraulique, échangeant sa chaleur intrinsèque, constitue le fluide caloporteur, de plus dans une configuration où les réservoirs étanches sont placés au-dessus du sol.

représente en coupe, une variante de ce dispositif dans une configuration où les réservoirs étanches sont constitués par des cavernes souterraines artificielles, de plus dans une configuration présentant une réserve froide annexe et une réserve chaude annexe intégrées au dispositif.

représente en coupe, une variante souterraine dans une configuration où, dans l’objectif exclusif de déplacer économiquement de la chaleur, deux dispositifs objets de l’invention sont couplés en opposition au niveau de leur réservoirs étanches principaux, au moyen de leurs ensembles de pompage.

représente en coupe, une variante souterraine dans une configuration où, dans l’objectif exclusif de générer économiquement de l’électricité à partir d’une source froide et d’une source chaude, deux dispositifs objets de l’invention sont couplés en opposition au niveau de leur réservoirs étanches, au moyen de leurs ensembles de turbinage.

représente sur un diagramme Enthalpie-Pression une illustration d’un des modes de fonctionnements thermodynamiques possibles du dispositif, ici dans un mode à 3 états Liquide-Gazeux-Supercritique, et dans le cas particulier où le fluide propulseur est le dioxyde de carbone (CO2). L’axe horizontal des abscisses indique l’enthalpie du corps dioxyde de carbone en kJ/kg et l’axe vertical des ordonnées indique la pression à laquelle ce fluide est soumis en MPa.

En référence à ces dessins, le dispositif comporte au moins un réservoir étanche (1), contenant au moins un liquide hydraulique (3), et au moins un fluide propulseur (2), comporte au moins une communication liquide (7) équipée par au moins une machine de conversion hydroélectrique (5) (6) et comporte au moins un système d’échange de chaleur (8) en contact avec le fluide propulseur (2).

En référence à ces dessins, le dispositif peut également comporter, un bassin de réception (4) du liquide hydraulique (3), plusieurs compartiments différenciés (9) pour entreposer selon leur température plus froide et plus chaude le ou les fluides caloporteurs circulant au contact des systèmes d’échange de chaleur (8). Le dispositif peut également inclure des réserves thermique annexes chaude (15) ou des réserves thermiques annexes froides (16), notamment pour réaliser du stockage thermo-électrique. Le dispositif peut inclure un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires (13) dédiés aux fluides propulseurs (2) nécessairement reliés au réservoir étanche principal au moyen de conduites (14). Le dispositif peut également inclure, dans la portion supérieure des réservoirs (1) (13) des systèmes d’aspersion et de chute par gravité de gouttelettes (10) du fluide propulseur (2) ou du liquide hydraulique (3). Le dispositif peut également inclure une ou plusieurs séparations physiques mobiles (11) entre le liquide hydraulique (3) et le ou les fluides propulseurs (2). Finalement la fermeture des réservoirs étanches (1) (13) du dispositif peut être réalisée au moyen d’un sas (12).

En référence au dessin utilisant le diagramme Enthalpie-Pression du corps dioxyde de carbone, au début de la période de déstockage d’énergie hydraulique, on provoque dans cet exemple une forte détente (17) pour fixer la température du Froid que l’on souhaite récupérer, puis on réalise une gazéification à température et pression quasi constantes (18) pour produire le Froid et produire de l’énergie mécanique. Par la suite comme on désire dans cet exemple récupérer ultérieurement du Chaud à haute température, on procède à un préchauffage préalable (19) du gaz sec entre la période de déstockage et la future période de stockage d’électricité, par un apport de chaleur provenant de l’environnement ambiant, ou d’une source externe de chaleur, ou de la chaleur résiduelle des opérations précédentes (22). Plus tard, au début de la période de stockage d’énergie hydraulique, on provoquera une forte compression du fluide (20) jusqu’à la pression qui va fixer la température maximale de température du Chaud souhaité, puis on réalisera en état supercritique une importante extraction de chaleur à pression quasi-constante qui provoquera une extrême contraction de volume du fluide (21) en stockant de l’énergie mécanique. A la fin de la contraction, l’extraction de chaleur ne récupère plus que de la chaleur de faible température (22), néanmoins intéressante à stocker temporairement pour réaliser le préchauffage (19) du gaz sec de l’opération suivante. Il est intéressant d’avoir pu confirmer sur le diagramme que pour extraire le bénéfice de températures clairement froides et/ou de températures clairement chaudes, il est nécessaire de pomper à une pression plus forte que la pression qui règnera lors de la restitution d’énergie. Il est remarquable de constater sur ce diagramme la possible superposition des périodes discontinue de travail du fluide propulseur (2) du dispositif avec la visualisions des étapes de recirculation des fluides de travail des pompes à chaleur et des machines frigorifiques conventionnelles.

Dans la forme de réalisation selon la figure 2, et pour un mode spécifique de fonctionnement visant principalement le stockage d’énergie mécanique et la restitution d’énergie mécanique et selon les états Liquide-Gazeux, le dispositif fonctionne selon les 2 périodes bien distinctes décrites ci-dessous. Pendant la période de stockage d’énergie mécanique, période pilotée par plusieurs vannes non indiquées dans la figure, l’ensemble de pompage (6) entrainée grâce à l’énergie externe à stocker pousse le liquide hydraulique (3) du bassin de réception (4) vers le réservoir étanche (1) via des conduits de communication liquide (7), diminuant ainsi dans le réservoir étanche (1) le volume occupé par le fluide propulseur (2) qui, soumis simultanément à une intense extraction de chaleur grâce aux systèmes d’échange de chaleur (8), va commencer à se condenser à sa pression de vapeur saturante, augmenter en masse volumique globale, puis va passer en phase liquide en occupant un volume réduit. Dans l’alternative où le fluide propulseur (2) aurait été en son état supercritique préalablement au stockage d’énergie mécanique, celui-ci augmenterait fortement de masse volumique au cours de l’extraction de sa chaleur, occuperait un volume réduit, et comme dans l’alternative non-supercritique, laisserait pénétrer le fluide hydraulique (3).

Dans la forme de réalisation selon la figure 2 et selon le même mode spécifique et les même états de fonctionnement, lors de la période de restitution d’énergie mécanique, période pilotée par plusieurs vannes non indiquées dans la figure, le fluide propulseur (2), soumis simultanément à un intense apport de chaleur grâce aux systèmes d’échange de chaleur (8) va passer de l’état liquide à l’état gazeux, et va ainsi expulser à sa pression de vapeur saturante vers le bassin de réception (4) le liquide hydraulique (3) du réservoir (1) via les conduits de communication liquide (7) et via l’ensemble de turbinage (5) qui récupère ainsi l’énergie mécanique stockée. Dans l’alternative où le fluide propulseur (2) aurait été en état supercritique préalablement à la restitution d’énergie mécanique, celui-ci diminuerait fortement de masse volumique au cours de l’apport de chaleur, occuperait un volume beaucoup plus important, et comme dans l’alternative non-supercritique, expulserait le fluide hydraulique (3).

Le plus souvent, le dispositif inclura un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires (13) dédiés aux fluides propulseurs (2) et communiquant avec le réservoir étanche principal (1) au moyen d’une ou plusieurs conduites (14), pouvant éventuellement inclure des mécanismes non-représentés de convections forcées entre les réservoirs. L’insertion de vannes non-représentées dans la conduite (14) entre les réservoirs (1) (13) permet d’isoler ceux-ci et éventuellement de contribuer à réguler la pression régnant dans le ou les réservoirs étanches secondaires (13), ceci aux possibles fins de contribuer à piloter les températures souhaitées de condensation-liquéfaction et de gazéification des fluides propulseurs (2) en états Liquide-Gazeux, ou de piloter la pression du fluide propulseur (2) en son état supercritique.

Souvent, le dispositif incorporera une ou plusieurs réserves thermiques annexes chaudes (15) ou une ou plusieurs réserves thermiques annexes froides (16), ou souvent les deux types, afin de permettre la restitution de Chaud et de Froid de manière asynchrone du stockage et déstockage d’énergie hydraulique. De plus, ces réserves thermiques annexes (15)(16) sont des composants obligatoires lors d’un fonctionnement du dispositif en mode de stockage thermo-electrique.

Optionnellement, le dispositif peut inclure une séparation physique mobile (11) entre le fluide propulseur (2) et le liquide hydraulique (3) pour éviter la dissolution du premier dans le second.

Optionnellement la fermeture du réservoir étanche (1) du dispositif peut être réalisée au moyen d’un sas (12) pour éviter d’avoir à complètement dépressuriser le réservoir étanche jusqu’à la pression atmosphérique lors d’inspections et d’interventions internes.

Le dispositif selon l’invention est destiné au stockage et à la conversion énergétique pour stocker, produire ou déplacer de l’énergie électrique ou thermique, en particulier pour apporter une solution économique à l’intermittence des énergies renouvelables alimentant les réseaux électriques locaux et nationaux en quantité croissante dans le cadre de la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre.

Claims (18)

1. Dispositif de stockage ou de conversion énergétiques constitué par un ou plusieurs réservoirs étanches principaux (1), dont au moins un d’entre eux contient au moins un liquide hydraulique (3) et contient au moins un fluide propulseur (2), par au moins un système d’échange de chaleur (8) échangeant avec le fluide propulseur (2), et par au moins une communication liquide (7) accolée au réservoir étanche principal (1), équipée par au moins une machine de conversion hydroélectrique (5)(6) caractérisé en ce que - le fluide propulseur (2) est contenu hermétiquement sans être perdu, - la séquence thermodynamique constituée d’une expansion puis d’une contraction du fluide propulseur (2) s’effectue de manière discontinue et quantitativement bornée en masse, s’effectue par la variation du volume restant disponible pour ce fluide propulseur (2) dans les réservoirs (1)(13), et ne s’effectue pas de manière continue grâce à un classique circuit de recirculation de fluide de travail, - en ce que le fluide propulseur (2) n’est pas un corps chimique exclusivement gazeux, - et que de plus ce fluide propulseur (2), soit travaille par changements d’états alternés d’au moins deux états parmi les trois états liquide, gazeux, supercritique, soit travaille dans l’état exclusivement supercritique par larges variations alternées de sa masse volumique supercritique.
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ce sont des sources thermiques chaudes ou des sources thermiques froides extérieures connectées au dispositif principal, par exemple sous forme d’énergie solaire thermique, ou de disposition de glace, d’eau ou d’air froids, ou de disposition de vapeur, d’eau ou d’air chauds, ou de géothermie naturelle ou artificielle, ou d’énergie fatale de procédés tiers, etc. qui réalisent au niveau des systèmes d’échange de chaleur (8), la majorité de l’échange avec la chaleur extraite et apportée au fluide propulseur (2), ceci via un ou plusieurs fluides caloporteurs, ou via une ou plusieurs surfaces d’échange thermique du fluide propulseur (2) au contact direct de ces sources thermiques chaudes ou froides, ou via une ou plusieurs boucles ouvertes d’eau ou d’air.
3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ce sont des apports et des extractions de chaleur provenant des réserves chaudes annexes (15) ou des réserves froides annexes (16) intégrées au dispositif principal ou provenant de variations de la chaleur sensible de tout ou partie du liquide hydraulique (3) interne au dispositif principal, qui réalisent de manière autonome, au niveau des systèmes d’échanges de chaleur (8), la majorité de l’échange avec la chaleur extraite et apportée au fluide propulseur (2).
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des masses de fluides caloporteurs, ou des masses de liquide hydraulique (3), ayant échangée de la chaleur avec les systèmes d’échange de chaleur (8) sont temporairement entreposés selon leurs températures plus froides ou plus chaudes dans plusieurs compartiments différenciés (9).
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif incorpore au moins une réserve froide annexe (16) ou au moins une réserve chaude annexe (15) de stockage d’énergie thermique via une ou plusieurs masses de matière liquide ou solide, dont éventuellement des réservoirs à thermoclines ou des zones du sol terrestre.
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que tout ou partie des compartiments différenciés d’entreposage temporaire de fluides selon leurs températures (9) ou tout ou partie des réserves thermiques annexes froides (16) ou chaudes (15) intégrées au dispositif utilise des Matériaux à Changement de Phase, dont éventuellement la glace d’eau salée, ou utilise un mélange aqueux sous les états Liquide-Solide.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les fluides propulseurs (2) bénéficient de l’adjonction d’un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires dédiés (13) et communiquant avec les réservoirs étanches principaux (1) par une ou plusieurs conduites (14) équipées de vannes et d’éventuels mécanismes de convections forcées entre les réservoirs secondaires (13) et les réservoir principaux (1).
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la portion supérieure de tout ou partie des réservoirs étanches (1) (13) est munie d’un système d’aspersion et de chute par gravité de gouttelettes (10) de fluide propulseur (2) ou de liquide hydraulique (3).
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les fluides propulseurs (2) sont des corps chimiques ou des mélanges de corps chimiques sélectionnés pour posséder, aux températures maximales rencontrées dans le ou les réservoirs étanches (1) (13), des pressions de vapeur saturante inférieures aux pressions maximales autorisées par ces réservoirs étanches (1) (13) tel que le dioxyde de carbone, dont la pression de vapeur saturante à 30 degrés Celsius est de 72 bar et l’éthane, dont la pression de vapeur saturante à 30 degrés Celsius est de 47 bar ou tels que des mélanges composés d’un fluide propulseur principal avec un pourcentage minoritaire d’autres molécules chimiques.
10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que tout ou partie du ou des fluides propulseurs (2) est préalablement préchauffé (19) ou préalablement refroidi par un apport ou une extraction de chaleur exploitant les hautes ou les basses températures de fluides chauds ou froids stockés lors des opérations antérieures, ou l’environnement ambiant, ou exploitant une source thermique externe froide ou chaude.
11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’est prévue des moyens de réduire les dissolutions entre les différents fluides tels qu’une ou plusieurs séparations physiques mobiles (11) entre les différents fluides, des augmentations du PH chimique, l’emploi d’additifs.
12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des volumes étanches supplémentaires sont créés au contact du fluide propulseur (2) ou au contact du liquide hydraulique (3) pour accommoder des besoins de stockages pressurisés tels que le stockage physique d’hydrocarbures liquides ou gazeux, d’hydrogène, d’air, d’azote, de méthanol.
13. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que un ou plusieurs réservoirs étanches secondaires (13) sont utilisés pour effectuer de la séquestration et stockage physique de quantités excédentaires de dioxyde de carbone (CO2), qui sous forme gazeuse est un gaz à effet de serre, y compris en réchauffant ou refroidissant optionnellement de manière anticipée des portions de ce CO2 excédentaire afin de les substituer physiquement à des masses équivalentes du CO2 régulier utilisé comme fluide propulseur (2), à des moments optimaux des opérations.
14. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’au moins un réservoir étanche (1) (13) est constitué par une caverne souterraine naturelle ou artificielle ou par un réservoir sous-marin.
15. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’au moins un bassin de réception (4) du liquide hydraulique (3) ou au moins une réserve annexe froide (16) ou réserve annexe chaude (15) est constitué par une rivière ou une étendue naturelle d’eau.
16. Ensemble comportant une pluralité de dispositifs selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins deux dispositifs sont couplés d’une manière telle que les réservoirs étanches principaux (1) des dispositifs sont directement mis en communication de liquide hydraulique (3) entre eux, via le travail d’au moins une machine de conversion hydroélectrique (5) (6) des dispositifs unitaires, qui sont alors exploités de façon opposée et alternée.
17. Ensemble comportant une pluralité de dispositifs selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les éléments des dispositifs tels que les réservoirs étanches principaux (1), les réservoirs étanches secondaires (13), les liquides hydrauliques (3), les fluides propulseurs (2), les systèmes d’échange de chaleur (8), les compartiments différenciés d’entreposage des fluides selon leurs températures (9), les communications liquides (7), les conduites (14) de fluide propulseur (2), les ensembles de pompage (6), les ensembles de turbinages (5) , les réserves froides annexes (16), les réserves chaudes annexes (15), les bassins de réception (4) sont reliés entre eux par des conduites munies de vannes.
18. Utilisation d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 15 ou d’un ensemble selon l’une quelconque des revendications 16 à 17 pour stocker ou convertir de l’énergie.