FR2983246A1

FR2983246A1 - Installation de stockage et de restitution d'energie sous forme de gaz comprime isobare et procede de stockage et de restitution d'energie correspondant

Info

Publication number: FR2983246A1
Application number: FR1160795A
Authority: FR
Inventors: Alain Delsupexhe; Frederic Guyard
Original assignee: ASAH LM
Current assignee: ASAH LM
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-05-31
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: FR2983246B1

Abstract

Cette installation de stockage d'énergie sous forme de gaz comprimé isobare et de restitution de l'énergie stockée sous forme d'énergie électrique, comporte une unité (2) de production comprenant un ensemble fonctionnel constitué par un ensemble de compression de gaz (3) alimenté en air ambiant et en énergie électrique produite à partir de l'énergie à stocker et relié aux moyens (R ;A) de stockage de gaz comprimé à une pression constante produite par une colonne d'eau agissant sur les moyens de stockage, des moyens de stockage (5) de la chaleur dégagée lors de la compression du gaz, un échangeur de chaleur (6) apte à réchauffer le gaz issu des moyens de stockage de gaz et une turbine à gaz (8) à cycle simple ou à cycle combiné associée à un générateur (9) d'énergie électrique et alimentée en comburant par l'air réchauffé issu de l'échangeur de chaleur (6).

Description

B11-4813FR 1 Installation de stockage et de restitution d'énergie sous forme de gaz comprimé isobare et procédé de stockage et de restitution d'énergie correspondant L'invention concerne, de manière générale, le stockage d'énergie et plus particulièrement le stockage d'énergie sous forme de gaz comprimé isobare. Selon une application particulièrement intéressante de l'invention, l'énergie stockée est une énergie renouvelable, par exemple et de manière nullement limitative l'énergie éolienne, l'énergie de la houle, l'énergie des courants ou des marées, ou l'énergie solaire. Ainsi, de manière générale, l'invention concerne le stockage d'une énergie intermittente ou d'une énergie dont la production n'est pas synchrone avec sa consommation. Toutefois, elle se rapporte également au stockage d'une énergie de base, par exemple nucléaire, disponible de manière excédentaire pendant des périodes de relativement faible consommation (la nuit ou le week-end par exemple), ou au stockage d'une énergie en vue de satisfaire à une demande en énergie malgré l'existence d'une limitation ou d'un bridage lié à son transport ou à son approvisionnement. Dans ce dernier cas, le bridage ou la limitation de la production peut, par exemple, résulter de contraintes liées aux infrastructures de transport de l'énergie, notamment lorsque le réseau d'alimentation d'un bassin de consommation isolé est sous-capacitaire, de sorte que la capacité de transport du réseau est insuffisante pour satisfaire à des pics de consommation, ce qui nécessite la mise en oeuvre localement de sources d'énergie complémentaires couteuses ou polluantes.

Le stockage d'énergie sous forme de gaz comprimé, connu également sous l'appellation de CAES (« compressed air energy storage », en langue anglaise) est une technique connue qui consiste à comprimer un gaz et à le stocker dans des réservoirs de stockage pressurisés. L'énergie stockée peut ainsi être récupérée pour être, notamment, convertie en énergie électrique et fournie à un réseau de transport ou de distribution d'énergie électrique. Pour comprimer le gaz, on utilise un ensemble de compression qui peut, par exemple, être alimenté en énergie électrique prélevée sur le réseau de transport ou de distribution dans des périodes creuses, l'énergie ainsi stockée pouvant être par la suite réinjectée dans le réseau en période de forte consommation. Cette technique permet ainsi de rentabiliser la production d'énergie électrique en prélevant sur le réseau de l'énergie à moindre coût et en la restituant aux exploitants des réseaux de distribution ou de transport d'énergie électrique aux périodes pleines, à une tarification plus élevée. La technologie de stockage d'énergie CAES peut également être utilisée pour stocker une énergie renouvelable sous forme de gaz comprimé. Cette technologie CAES est particulièrement avantageuse pour stocker l'énergie produite par un parc éolien dont l'intermittence oscille sur des périodes de quelques heures à quelques jours. En effet, l'énergie éolienne est par nature intermittente de sorte qu'un parc éolien ne peut assurer une production constante. Dans ce contexte, il est souhaitable de pouvoir stocker l'énergie fournie par le parc éolien lorsque la production d'énergie est supérieure à la consommation, pour la restituer lorsque la production est inférieure à la demande. Dans ce but, le compresseur de l'installation de stockage d'énergie CAES est entraîné notamment par l'énergie électrique produite par le parc éolien. En ce qui concerne la technique de stockage du gaz comprimé, il est connu d'utiliser des réservoirs immergés en mer, à grande profondeur, la pression de l'eau s'exerçant sur les réservoirs permettant d'obtenir un stockage isobare du gaz comprimé, dans la mesure où, dans l'hypothèse où l'air est comprimé à une pression identique à celle de la colonne d'eau au dessus du stockage, la pression régnant dans les réservoirs reste constante quel que soit leur niveau de remplissage et notamment lorsqu'ils sont presque vides, la pression ne dépendant que de la profondeur, et non pas du taux de remplissage des réservoirs. On pourra notamment se référer au document JP 07-119485 qui décrit une installation CAES dans laquelle un compresseur est alimenté en énergie électrique prélevée sur un réseau de transport ou de distribution en période creuse pour comprimer un gaz et le stocker dans des réservoirs. On pourra également se référer aux documents US 2011/00731 et US 2011/00732 qui décrivent un autre type d'installation CAES dans laquelle un compresseur, qui est également capable d'opérer en tant que turbine, et un générateur d'énergie électrique sont placés sur une plateforme flottante située en mer pour stocker de l'énergie sous forme de gaz comprimé dans des réservoirs immergés à grande profondeur, et dans laquelle le compresseur est alimenté en énergie électrique à période creuse et le générateur est destiné à produire de l'énergie électrique à partir du gaz stocké, en période pleine. On pourra enfin se référer au document US 2004/0191000 dans lequel le compresseur est placé à terre, alors que les réservoirs sont immergés.

Il a par ailleurs été constaté que ce type d'installation présente un certain nombre d'inconvénients, notamment en raison du rendement relativement mauvais de la conversion de l'énergie à stocker, la compression d'un gaz comprimé s'accompagnant de pertes thermiques relativement importantes.

Le document US 2011/00732 préconise, à cet égard, de récupérer l'énergie thermique générée lors de la compression pour la restituer au gaz lors de son expansion. Il s'agit, notamment, dans ce document, de contrôler la température du compresseur afin d'éviter qu'elle ne dépasse des valeurs de seuil d'alarme.

Au vu de ce qui précède, le but que se propose d'atteindre l'invention est de proposer une installation et un procédé de stockage d'énergie sous forme de gaz comprimé isobare, capable d'augmenter considérablement le rendement de conversion de l'énergie stockée en énergie électrique, tant sur un plan thermique que mécanique.

L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, une installation de stockage d'énergie sous forme de gaz comprimé isobare et de restitution de l'énergie stockée sous forme d'énergie électrique, comprenant une unité de production de gaz comprimé alimentée en air ambiant et en énergie électrique produite à partir de l'énergie à stocker et des moyens de stockage de gaz comprimé pour le stockage du gaz à une pression constante produite par une colonne d'eau agissant sur les moyens de stockage. Cette installation de stockage et de restitution d'énergie comporte une unité de production comprenant un ensemble fonctionnel comprenant un ensemble de compression de gaz, des moyens de stockage de la chaleur dégagée lors de la compression du gaz, un échangeur de chaleur apte à réchauffer le gaz issu des moyens de stockage de gaz et une turbine à gaz à cycle simple ou à cycle combiné associée à un générateur d'énergie électrique et alimentée en comburant par l'air réchauffé issu de l'échangeur de chaleur. On notera que par le terme isobare, on entend une pression constante engendrée par la colonne d'eau. Toutefois, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque l'on crée une surpression ou une dépression dans les moyens de stockage par rapport à la pression constante engendrée par la colonne d'eau, par exemple sous l'action de l'ensemble de compression ou d'une décompression dynamique engendrée par une aspiration de gaz liée par exemple au fonctionnement de l'installation.

Ainsi, la pression régnant dans les moyens de stockage et dans un réseau de tuyaux transportant le gaz comprimé stocké jusqu'à la turbine à gaz comprise dans l'unité de production pourra éventuellement varier de quelques bar, de manière cyclique ou non, plus spécifiquement jusqu'à 10 bar de variation, par rapport à la pression de référence exercée par la colonne d'eau sur le stockage. On notera que des filtres à air standard seront installés à l'entrée de l'ensemble de compression de gaz. De plus, un système permettant de déshumidifier l'air pourra être avantageusement installé à l'entrée et/ou la sortie de l'ensemble de compression de gaz.

Dans un mode de réalisation, l'unité de production est implantée sur une barge flottante ou sur une plateforme sur l'eau, les moyens de stockage de gaz comprimé comprenant un ensemble de réservoirs sous-marins et un réseau de tuyaux de raccordement desdits réservoirs. On notera que la plateforme peut être destinée à être placée en mer. Elle peut également être prévue pour être implantée sur un lac. Par conséquent, le terme réservoir sous-marin désigne les réservoirs destinés aussi bien à être implantés en mer qu'au fond d'un lac.

Par exemple, la plateforme est destinée à être implantée à une distance de la côte comprise entre 10 et 30 km. Selon une variante, l'unité de production est adaptée pour être implantée à terre. Comme dans l'exemple de réalisation défini ci-dessus, les moyens de stockage de gaz comprimé peuvent comprendre un ensemble de réservoirs sous-marins. Dans ce mode de réalisation, les réservoirs sont généralement adaptés pour être placés à une distance de la côte inférieure à 5 km. Dans ces différents modes de réalisation, les réservoirs de gaz comprimé sont adaptés pour être placés à une profondeur comprise entre environ 200 et 1000m, et notamment comprise entre 500 et 700 mètres. On obtient ainsi une pression de stockage pouvant atteindre 100 bar, et notamment une pression comprise entre 50 et 70 bar. Par exemple, l'installation comporte un parc éolien en mer alimentant en énergie électrique l'ensemble de compression, nommé par simplicité « compresseur » de gaz dans la suite du texte. Elle peut toutefois être alimentée à partir d'un réseau de transport ou de distribution d'énergie électrique. Elle peut en outre comporter un réseau de cellules thermosolaires couplées à l'étage de stockage de chaleur.

Elle peut encore comporter une unité de transformation de l'énergie de la houle en énergie électrique, et/ou une unité de transformation des courants marins en énergie électrique, et/ou une usine marémotrice transformant l'énergie des marées en énergie électrique et/ou un ensemble de panneaux photovoltaïques L'ensemble de compression peut constituer un moyen pour engendrer une surpression dans l'ensemble de réservoirs sous-marins par rapport à la pression de référence du stockage isobare exercée par la colonne d'eau.

L'installation peut en outre comporter un ou plusieurs échangeurs permettant de refroidir l'air utilisé par le compresseur lié à la turbine à gaz, à l'aspiration du compresseur et/ou à un soutirage intermédiaire, en utilisant de l'air comprimé provenant de l'ensemble de réservoirs sous-marins.

Avantageusement, la turbine à gaz est dimensionnée pour une pression du gaz naturel en sortie des buses d'injection dans la turbine à gaz égale ou proche, dans un intervalle allant jusqu'à 15 bar au-dessus et jusqu'à 15 bar en-dessous, de la pression à laquelle l'air comprimé est stocké dans l'ensemble de réservoirs sous-marins.

On peut en outre prévoir un système de déshumidification de l'air installé à l'entrée et/ou à la sortie de l'ensemble de compression de gaz. Selon encore un autre mode de réalisation, l'unité de production est adaptée pour être implantée à terre, les moyens de stockage de gaz utilisant un aquifère dont la pression est maintenue constante par une colonne d'eau, éventuellement reliée à un lac ou à une réserve d'eau en surface. Dans ce mode de réalisation, l'installation peut également comporter un parc d'éoliennes terrestres alimentant le compresseur de gaz en énergie électrique. Dans les divers modes de réalisation, l'installation peut en outre comporter un réseau de cellules thermo-solaires éventuellement CSP (« Concentrating Solar Power plant », en anglais) couplées aux moyens de stockage de chaleur ou un réseau de panneaux photovoltaïques. On notera que le générateur d'énergie électrique est raccordé à un réseau d'électricité. L'installation peut encore comporter une ou plusieurs turbines à vapeur ou à air alimentées soit par l'ensemble de compression soit par le gaz comprimé issu des moyens de stockage. On pourra également prévoir de stocker la chaleur dégagée par la turbine à gaz dans les moyens de stockage de la chaleur ou d'échanger la chaleur dégagée avec l'air provenant du stockage.

L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé de stockage d'énergie sous forme de gaz comprimé isobare et de restitution de l'énergie stockée sous forme d'énergie électrique, pour la mise en oeuvre d'une installation telle que définie ci-dessus. Ce procédé comporte une phase de stockage d'énergie comprenant les étapes de compression d'un gaz, de stockage de la chaleur dégagée lors de la compression, et de stockage isobare du gaz comprimé dans des moyens de stockage de gaz comprimé, et une phase de restitution d'énergie comprenant les étapes de prélèvement du gaz comprimé stocké dans les moyens de stockage de gaz, réchauffage du gaz comprimé prélevé et alimentation en comburant d'une turbine à gaz associée à un générateur d'énergie électrique à partir du gaz réchauffé. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique fonctionnelle de la partie émergée d'une installation de stockage et de restitution d'énergie renouvelable conforme à un premier mode de réalisation de l' invention ; - la figure 2 illustre de manière schématique, l'installation de la figure 1 couplée aux réservoirs de stockage d'énergie de gaz comprimé ; - la figure 3 illustre une variante de l'installation de la figure 2 ; et - la figure 4 illustre un troisième mode de réalisation d'une installation conforme à l'invention, dans lequel le gaz comprimé est stocké dans un aquifère.

En se référant tout d'abord aux figures 1 et 2, on va décrire un premier mode de réalisation d'une installation de stockage et de restitution d'une énergie. Dans l'exemple de réalisation considéré, l'énergie à stocker est une énergie renouvelable constituée par l'énergie éolienne produite par un parc éolien P comprenant un ensemble d'éoliennes E flottantes ou sur fondations, l'énergie électrique éolienne étant transformée et stockée, sous forme de gaz comprimé, dans un ensemble de réservoirs sous pression, tels que R implantés en mer, à grande profondeur.

Par exemple, l'énergie éolienne captée par le parc éolien est stockée en heures creuses, c'est-à-dire en période de faible consommation et de prix bas, pour être ensuite restituée sous forme d'énergie électrique à un réseau électrique Res, schématiquement représenté sur la figure 1, en heures pleines, c'est-à-dire en période de forte consommation et de tarif élevé. Dans le cadre de la présente description, on entend, par réseau électrique, un réseau de transport ou de distribution d'énergie électrique. L'installation est dotée d'une barge flottante ou d'une plateforme 1 sur l'eau embarquant une unité 2 de production de gaz comprimé et de génération d'énergie électrique. Comme on le voit, l'unité 2 constitue un ensemble fonctionnellement compact et indépendant qui incorpore tous les moyens lui permettant de fournir aux réservoirs R un gaz à température et sous pression adéquates et de générer de l'énergie électrique à partir du gaz comprimé stocké dans les réservoirs R. La plateforme 1, dotée de l'unité 2 de production de gaz comprimé et de génération d'énergie électrique, constitue un système FPSO (« Floating Production, Storage and Offloading unit », en anglais), c'est-à-dire une plateforme ou barge flottante. Elle peut être placée typiquement à une distance de la côte comprise entre 10 km et 30 km. L'unité 2 de production de gaz comprimé et de génération d'énergie électrique comprend ainsi un ensemble de compression de gaz 3, de type classique, alimenté en énergie électrique par le parc éolien P et sélectivement raccordé aux réservoirs R par un réseau de tuyaux de raccordement des réservoirs, lors du stockage de l'énergie. Le gaz comprimé par l'ensemble de compression de gaz 3 est ici constitué par de l' air ambiant prélevé de l'atmosphère, éventuellement filtré ou déshumidifié. L'ensemble de compression de gaz 3 est couplé à des moyens 5 de stockage de la chaleur dégagée lors de la compression, associés à un échangeur de chaleur 6 éventuellement par l'intermédiaire d'un système de déshumidification installé à l'entrée et/ou à la sortie de l'ensemble de compression. L'air comprimé provenant de l'ensemble R de réservoirs sous-marins pourra être utilisé pour refroidir l'air utilisé par le compresseur lié à la turbine à gaz, à l'aspiration du compresseur et/ou à un soutirage intermédiaire, en prévoyant un ou plusieurs échangeurs de chaleur.

Les moyens de stockage 5 de la chaleur sont constitués par des moyens de stockage de type classique, à la portée d'un homme du métier. Ils ne seront donc pas décrits en détail par la suite. On notera cependant que diverses techniques de stockage peuvent être utilisées à cet égard, sans sortir du cadre de l'invention. On pourra à cet égard réaliser les moyens de stockage sous la forme d'un ensemble unitaire comprenant un matériau de stockage thermique ayant une capacité calorifique apte à stocker la chaleur issue de la compression, un échangeur thermique d'entrée raccordé aux tuyaux 4 et destiné à transférer les calories issues de la compression vers le matériau de stockage thermique, et l'échangeur 6 pour restituer les calories stockées au gaz issu des réservoirs. Par ailleurs, l'ensemble de compression 3 peut comporter un ou plusieurs étages de compression, aptes à réaliser une compression adiabatique, isotherme ou polytropique. Dans le cas d'une compression multi-étagée, selon laquelle on utilise plusieurs étages de compression pourvus chacun d'un échangeur thermique, on pourra avantageusement utiliser plusieurs blocs de stockage thermique pour le stockage à plusieurs niveaux de températures.

L'unité 2 de production de gaz comprimé et de génération d'énergie électrique est encore dotée d'un ensemble comprenant une turbine à gaz 8 associée à un générateur 9 d'énergie électrique. La turbine à gaz 8 est alimentée en carburant, par exemple en gaz naturel, éventuellement liquéfié, fourni par les citernes C d'un méthanier (figure 1) et est sélectivement raccordée aux tuyaux 4 lors de phases de génération d'énergie électrique pour être alimentée en air comburant à partir du gaz comprimé stocké dans les réservoirs R. Elle sera notamment dimensionnée pour délivrer une pression du gaz naturel en sortie des buses d'injection dans la turbine à gaz égale ou proche, dans un intervalle allant jusqu'à 15 bar au-dessus et jusqu'à 15 bar en-dessous, de la pression à laquelle l'air comprimé est stocké dans l'ensemble R de réservoirs sous-marins. En fonctionnement, lors de phases de stockage d'énergie, l'air ambiant prélevé de l'extérieur, éventuellement filtré et déshumidifié, est comprimé par l'ensemble de compression 3 alimenté en électricité notamment par le parc éolien P et est injecté via le réseau de tuyaux 4 dans les réservoirs R pour y être stocké. L'énergie thermique générée lors de la compression est stockée dans les moyens de stockage de chaleur 5. Lors de phases de restitution d'énergie, les réservoirs R sont mis en communication avec la turbine 8, en passant par l'échangeur 6. Le gaz comprimé est ainsi délivré en tant que gaz comburant à la turbine 8, après avoir éventuellement été réchauffé par l'échangeur 6 en relation d'échange thermique avec les moyens de stockage 5 et humidifié avant d'être injecté dans la turbine. La turbine 8 entraîne alors en rotation le générateur 9 qui fournit l'énergie électrique produite au réseau d'électricité Res par l'intermédiaire d'un câble 10 conducteur. Bien entendu, lors de la phase de stockage d'énergie, l'étage de compression peut également être alimenté en électricité à partir du réseau d'électricité en période creuse. On notera que les réservoirs R peuvent être réalisés soit à partir de conteneurs rigides dont un élément de paroi au moins est mobile sous l'action de la pression de l'eau ou être constitués de conteneurs souples de manière à profiter de la pression naturelle de l'eau et à constituer de la sorte un système de stockage isobare du gaz comprimé. Ils peuvent être associés à des systèmes de lestage, par exemple en béton ou en granite. Toutefois, comme cela sera rappelé par la suite, le volume des conteneurs peut atteindre 5000 m3 de sorte qu'ils sont en outre associés à un système d'ancrage, par exemple de type par succion afin de garantir leur maintien au fond marin. Tel est également le cas de la plateforme 1 qui est également avantageusement ancrée. Dans l' exemple de réalisation représenté, l'énergie renouvelable est essentiellement constituée par l'énergie cinétique du vent. On notera cependant que l'installation peut avantageusement être complétée par un réseau de cellules thermo-solaires 11 couplées à l'étage 5 de stockage de la chaleur. De telles cellules peuvent, par exemple, être constituées de cellules CSP, aptes à concentrer les rayons solaires pour chauffer un fluide caloporteur et augmenter, de la sorte, la quantité d'énergie calorifique stockée dans les moyens 5 de stockage de chaleur. Comme on le voit, l'unité 2 peut encore être couplée à une unité 12 de récupération de l'énergie houlomotrice, de type classique, capable de récupérer et transformer l'énergie de la houle en énergie électrique pour, par exemple, entraîner le compresseur 3. En variante ou en complément, on peut également utiliser un ensemble d'hydroliennes 13 aptes à transformer l'énergie du courant en énergie électrique et/ou des machines marémotrices pour transformer l'énergie de la marée en énergie électrique et/ou un ensemble de panneaux photovoltaïques. Comme indiqué précédemment, les réservoirs R peuvent être immergés à une profondeur allant de 200 m à 1000 m et notamment comprise entre 500 et 700 mètres. Ils peuvent avantageusement avoir un volume compris entre 700 m3 et 1000 m3, un ancrage étant nécessaire pour des réservoirs de capacité de 1000 m3. On notera toutefois que leur volume peut atteindre voire dépasser 5000 m3. Comme on le sait, la colonne d'eau ainsi créée permet un stockage du gaz à une pression naturelle constante comprise entre 20 et 100 bars pour une profondeur comprise entre 200 et 1000m. Pour des profondeurs préférées comprises entre 500 et 700 m, on obtient des pressions de stockage comprises entre 50 et 70 bars, en fonction de la profondeur. Le stockage de l'énergie à des pressions supérieures est toutefois contraignant en raison des pertes élevées lors de la compression. On notera par ailleurs qu'à de telles profondeurs, le gaz comprimé est couramment stocké à une température positive inférieure à 10°C.

Il a été constaté qu'un tel agencement, dans lequel une turbine à gaz dédiée à la production d'énergie électrique est alimentée en air comburant sous pression, jusqu'à 70 bars, voire jusqu'à 100 bars, puis réchauffé à partir de l'énergie thermique dégagée lors de la compression du gaz ou par la sortie de la turbine à gaz elle-même, permettait d'améliorer considérablement la puissance fournie par la turbine et permettait également une économie en gaz naturel pouvant dépasser 50%. On notera par ailleurs que l'on améliore en outre considérablement le rendement de l'installation grâce au réchauffage de l'air comburant prélevé à une température de l'ordre de 10°C avant son injection dans les chambres de combustion de la turbine. Comme on le voit sur la figure 2, l'installation de stockage et de restitution d'énergie peut encore être dotée d'une turbine à gaz 14 alimentée directement par le compresseur 3, en cas de besoin, sans passer par les réservoirs, ou alimentée par ces derniers, en passant par les moyens de stockage de la chaleur 5 et en particulier par l'échangeur 6, pour fournir de l'énergie électrique au réseau. On notera à cet égard que la chaleur dégagée par la turbine à gaz peut encore être récupérée pour chauffer l'air comburant admis dans les chambres de combustion de la turbine 8, ou encore pour alimenter en chaleur un système d'humidification de l'air issu des réservoirs R ou pour contribuer au stockage de la chaleur dans les moyens de stockage 5.

Les moyens de stockage de la chaleur 5 peuvent être ainsi réalisés sous la forme d'un bloc de matériaux de stockage thermique emplissant le fond de la barge et alimenté en calories par le compresseur, par la turbine à gaz et, le cas échéant, par la turbine à vapeur. Par ailleurs, l'installation d'un ou de plusieurs échangeurs refroidissant l'air utilisé par le compresseur lié à la turbine à gaz, à l'aspiration du compresseur et/ou à un soutirage intermédiaire, en utilisant de l'air provenant de l'ensemble R de réservoirs sous-marins permettra d'améliorer le rendement du système global. Enfin, l'installation décrite ici suppose que le gaz naturel est injecté dans la turbine à gaz à une pression proche de celle de l'air comprimé dans les moyens R, A de stockage. Ceci permet d'éviter des pertes de rendement global liées à une détente libre de l'air comprimé entre le stockage et la turbine à gaz qui serait inutile. Par exemple, dans un cas où l'air comprimé serait stocké à 500 m de profondeur, le gaz naturel serait injecté à une pression proche de 50 bar. Dans l'exemple de réalisation décrit en référence aux figures 1 et 2, l'unité 2 de production de gaz comprimé et de génération d'énergie électrique est embarquée sur une plateforme flottante 1. L'invention n'est toutefois pas limitée à ce mode de réalisation. Il serait également possible, selon un autre mode de mise en oeuvre, de prévoir d'implanter l'unité 2 au sol, sur terre à proximité du rivage, les réservoirs R, le parc éolien P électrique restant situé en mer. Comme dans l'exemple de réalisation décrit précédemment, l'installation peut également être pourvue d'une hydrolienne pour la transformation de l'énergie des courants marins en énergie électrique et/ou d'unité marémotrice pour la conversion de l'énergie des marées en énergie électrique et/ou d'un parc solaire photovoltaïque. On a représenté un tel mode de réalisation sur la figure 3, sur laquelle on reconnait le parc éolien P, les réservoirs de stockage de gaz comprimé R, l'unité 12 de transformation de l'énergie de la houle en énergie électrique et l'hydrolienne 13, ainsi que l'unité 2 de production de gaz comprimé et de génération d'énergie électrique, comprenant le compresseur 3, l'étage 5 de stockage de chaleur, l'échangeur de chaleur 6, la turbine à gaz 8 et le générateur 9. Comme on le voit sur cette figure, l'étage 5 de stockage de la chaleur peut également être couplé, dans ce cas, à un réseau de cellules thermo-solaires 11. Toutefois, dans cet exemple de réalisation, les réservoirs R peuvent être placés à une distance de la côte comprise entre 2 et 5 km, ou de manière générale à une distance inférieure à 5 km.

Dans ce mode de réalisation, l'installation peut également être dotée d'une turbine à vapeur. En outre, la chaleur dégagée par la turbine à gaz et, le cas échéant, par la turbine à vapeur, peut également être utilisée, comme indiqué précédemment, notamment pour stocker de la chaleur dans les moyens de stockage.

Toutefois, dans ce mode de réalisation, dans laquelle l'installation est dotée d'un parc éolien P, on utilisera majoritairement l'énergie électrique disponible sur le réseau pour alimenter le compresseur 3 dans des périodes creuses dans lesquelles l'énergie est excédentaire. Ce mode de réalisation est ainsi avantageux pour stocker l'énergie électrique de source nucléaire. Dans ce mode de réalisation, on prévoira avantageusement un tunnel T de 50 à 100 m de profondeur par lequel une conduite de gaz issue du réseau de tuyaux 4 et éventuellement des câbles électriques émergent au niveau de la côte pour s'affranchir des secousses créées par la houle, la marée et éventuellement les courants. Un tel tunnel T peut également être prévu dans le mode de réalisation de la figure 2. On notera toutefois que l'invention n'est pas limitée aux deux modes de réalisation décrits dans lesquels les moyens de stockage des gaz comprimés sont constitués par des réservoirs R placés à grande profondeur, notamment inférieure à 1000 mètres. Il est également possible de prévoir une telle installation à terre, et d'utiliser un aquifère pour le stockage du gaz comprimé délivré par le compresseur.

Comme on le sait, un aquifère, désigné ici par la référence générale A, est une formation géologique délimitée par une calotte étanche dans laquelle une certaine quantité d'eau est piégée. Comme on le voit, ce mode de réalisation est également fondé sur l'utilisation de l'unité 2 de production de gaz comprimé et de génération d'énergie électrique, identique à l'unité 2 décrite précédemment en référence aux figures 2 et 3, couplée à un parc éolien P terrestre. On a représenté sur la figure 4 un tel agencement. L'aquifère est ici utilisé en creusant un puits P de manière à faire déboucher la sortie du compresseur 3 sous la calotte étanche de manière à y injecter le gaz, lequel étant conservé sous pression grâce à la pression de l'eau piégée dans l'aquifère. On notera toutefois que, dans ce cas, un puits secondaire P", artificiel ou naturel formé à partir d'une réserve d'eau ou d'un lac naturel ou artificiel L, devra en outre être prévu de manière à créer une colonne d'eau capable de maintenir à pression constante l'eau piégée dans l'aquifère, et, par conséquent, le gaz comprimé stocké. Dans ce mode de réalisation, le compresseur 3 est en outre couplé au réseau de transport ou de distribution, comme indiqué précédemment, afin d'être alimenté en énergie électrique en période creuse. En outre, dans ce mode de réalisation, on pourra également utiliser une turbine à vapeur alimentée directement à partir du compresseur ou à partir du gaz stocké dans l'aquifère. On pourra également, récupérer la chaleur dégagée lors du fonctionnement de la turbine à gaz 8, voire de la turbine à vapeur, pour la stocker dans les moyens de stockage 5. On notera enfin que, dans les divers modes de réalisation, l'unité 2 de production de gaz comprimé et de génération d'énergie électrique comprend un échangeur de chaleur en relation d'échange thermique avec un étage de stockage de la chaleur, lui-même couplé à un compresseur. Avantageusement, les divers éléments sont implantés de manière à former un ensemble fonctionnel compact de stockage et de production ayant une longueur maximale de l'ordre de 500 m afin d'éviter les pertes thermiques et permettant d'implanter l'ensemble sur une plateforme ou une barge en mer.

Claims

REVENDICATIONS1. Installation de stockage d'énergie sous forme de gaz comprimé isobare et de restitution de l'énergie stockée sous forme d'énergie électrique, comprenant une unité (2) de production de gaz comprimé alimentée en air ambiant et en énergie électrique produite à partir de l'énergie à stocker et des moyens (R ; A) de stockage de gaz comprimé pour le stockage du gaz à une pression constante produite par une colonne d'eau agissant sur les moyens de stockage, caractérisée en ce que l'unité (2) de production comporte un ensemble fonctionnel comprenant un ensemble de compression de gaz (3), des moyens de stockage (5) de la chaleur dégagée lors de la compression du gaz, un échangeur de chaleur (6) apte à réchauffer le gaz issu des moyens de stockage de gaz et une turbine à gaz (8) à cycle simple ou à cycle combiné associée à un générateur (9) d'énergie électrique et alimentée en comburant par l'air réchauffé issu de l'échangeur de chaleur (6).
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'unité de production est implantée sur une plateforme (1) sur l'eau ou sur une barge flottante, les moyens de stockage de gaz comprimé comprenant un ensemble de réservoirs (R) sous-marins et un réseau de tuyaux (4) de raccordement desdits réservoirs.
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plateforme (1) est destinée à être implantée à une distance de la côte comprise entre 10 et 30 km.
4. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'unité de production est adaptée pour être implantée à terre, les moyens de stockage de gaz comprimé comprenant un ensemble de réservoirs sous-marins (R).
5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les réservoirs sont adaptés pour être placés à une distance de la côte inférieure à 5 km.
6. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les réservoirs sont adaptés pour être placés à une profondeur comprise entre 200 et 1000 m.
7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un parc éolien (P) en mer alimentant le compresseur de gaz (3) en énergie électrique.
8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le compresseur est alimenté en énergie électrique prélevée à partir d'un réseau d'électricité.
9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément choisi parmi un réseau de cellules thermo-solaires (11) couplées à l'étage de stockage de chaleur, une unité (12) de transformation d'énergie de la houle en énergie électrique, une unité de transformation des courants marins en énergie électrique, une unité de transformation des marées en énergie électrique et un ensemble de panneaux photovoltaïques.
10. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'ensemble de compression constitue un moyen pour engendrer une surpression dans l'ensemble (R) de réservoirs sous-marins par rapport à la pression de référence du stockage isobare exercée par la colonne d'eau.
11. Installation 10, caractérisée en ce permettant de refroidir à gaz, à l'aspiration du en utilisant de l'air réservoirs sous-marins. selon l'une quelconque des revendications 1 à qu'elle comporte un ou plusieurs échangeurs l'air utilisé par le compresseur lié à la turbine compresseur et/ou à un soutirage intermédiaire, comprimé provenant de l'ensemble (R) de
12. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée par le fait que la turbine à gaz est dimensionnée pour une pression du gaz naturel en sortie des buses d'injection dans la turbine à gaz égale ou proche, dans un intervalle allant jusqu'à 15 bar au-dessus et jusqu'à 15 bar en-dessous, de la pression à laquelle l'air comprimé est stocké dans l'ensemble (R) de réservoirs sous-marins.
13. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée par le fait qu'un système de déshumidification de l'air est installé à l'entrée et/ou à la sortie de l'ensemble de compression de gaz.
14. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'unité de production est adaptée pour être implantée à terre, les moyens de stockage de gaz utilisant un aquifère (A) dont la pression est maintenue constante par une colonne d'eau (P'').
15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comporte un parc éolien (P) alimentant le compresseur de gaz en énergie électrique.
16. Installation selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisée en ce qu'elle comporte un réseau de cellules thermosolaires CSP (11) couplées à l'étage de stockage de chaleur ou un réseau de panneaux photovoltaïques.
17. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que le générateur d'énergie électrique est raccordé à un réseau (Res) d'électricité.
18. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce qu'elle comporte un système permettant d'humidifier l'air provenant du stockage (R; A) avant de l'injecter dans la turbine à gaz.
19. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une ou plusieurs turbines à vapeur ou à air alimentées soit par le gaz issu de l'ensemble de compression soit par le gaz comprimé issu des moyens de stockage (R ; A).
20. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour stocker dans les moyens de stockage (5) de la chaleur, la chaleur dégagée par la turbine à gaz.
21. Procédé de stockage d'énergie sous forme de gaz comprimé isobare et de restitution d'énergie stockée sous forme d'énergie électrique, pour la mise en oeuvre d'une installation selon l'unequelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il comporte une phase de stockage d'énergie comprenant une compression d'un gaz, un stockage de la chaleur dégagée lors de la compression, le stockage isobare du gaz comprimé dans des moyens de stockage (R ; A) de gaz comprimé, et une phase de restitution d'énergie comprenant les étapes de : prélèvement du gaz comprimé stocké dans les moyens de stockage de gaz comprimé, réchauffage du gaz comprimé prélevé et alimentation en comburant d'une turbine à gaz (8) à cycle simple ou à cycle combiné associée à un générateur (9) d'énergie électrique à partir du gaz réchauffé.