WO2020114836A1 - Reservoir de stockage d'un fluide sous pression avec une couche d'isolation thermique interne - Google Patents

Reservoir de stockage d'un fluide sous pression avec une couche d'isolation thermique interne Download PDF

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WO2020114836A1
WO2020114836A1 PCT/EP2019/082588 EP2019082588W WO2020114836A1 WO 2020114836 A1 WO2020114836 A1 WO 2020114836A1 EP 2019082588 W EP2019082588 W EP 2019082588W WO 2020114836 A1 WO2020114836 A1 WO 2020114836A1
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David Teixeira
Navid SAEEDI
Florence Richard
Fabrice DELEAU
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IFP Energies Nouvelles
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    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to the field of heat storage under pressure, in particular containers for the storage of large-volume heat, as used for energy storage by compressed air of the AACAES type (from the English “Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ”) in which the storage of air and the storage of heat generated independently is planned.
  • a compressed air energy storage system (also called CAES, from the English “Adiabatic Compressed Air Energy Storage”) aims to store energy in the form of compressed air, for later use.
  • energy especially electrical energy
  • drives air compressors and for destocking, compressed air drives turbines, which can be connected to an electric generator.
  • AACAES from the English “Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage” in which air is stored at room temperature, and the heat due to compression is also stored, separately, in a TES heat storage system ( from English “Thermal Energy Storage”).
  • the heat stored in the TES is used to heat the air before it expands.
  • the heat is stored using a heat transfer fluid making it possible to store the heat resulting from the compression of the air and to return it to the air before its expansion by means of heat exchangers.
  • a heat transfer fluid making it possible to store the heat resulting from the compression of the air and to return it to the air before its expansion by means of heat exchangers.
  • patent application EP 2447501 describes an AACAES system in which oil, used as a heat transfer fluid, circulates in a closed circuit to exchange heat with air.
  • heat is stored by means of static solids contained in one or more containers.
  • the heat is stored in a material in the form of particles in a fixed bed placed in one or more containers, and traversed by the air to be cooled. The heat is returned to the cold air which crosses the fixed bed in the opposite direction during a discharge phase.
  • such a compressed air energy storage system requires one or more TES which is at least both resistant to the storage pressure and impermeable to the gas flowing in the component.
  • Pressure resistance is in particular an important issue since the storage pressures of the compressed air are at least equal to 100 bar in the last stage of the AACAES system, which has the highest pressure.
  • all-steel tanks to withstand internal pressure is conventional. Indeed, steel has properties of both sealing and resistance to pressure. However, if the sealing is ensured from fairly small thicknesses of steel (a few mm), it is necessary to use greater thicknesses of steel when it is desired to store a fluid under high pressure (it that is to say a pressure greater than 100 bar, and preferably of the order of 125 bar). For example, a 56 ”(1422.4 mm) diameter cylindrical tank must have a minimum thickness of 33.5 mm to withstand an internal pressure of 125 bar (calculation according to the CODAP standard for a grade of steel X80 ).
  • an all-steel tank is a technically and economically advantageous solution for small volumes at high pressure, an all-steel tank becomes unthinkable in the event of large volumes at high pressure. Indeed, due to the cost of steel, the economic profitability of the system is strongly penalized, but also the design of such a tank generates strong manufacturing constraints. Indeed, the larger the diameter of a spherical or cylindrical storage tank, the greater the thickness necessary to hold the pressure. For large storage volumes, the manufacture and especially the welding of an element having a very large thickness is not always possible. In this case, the storage of a large volume is done by assembling several elements of smaller dimensions, connected together. Having smaller dimensions, these elements are technically manufacturable and thus the manufacturing constraints are overcome. On the other hand, the economic profitability of system may be affected due to the amount of steel required and assembly costs.
  • patent application FR 3055942 (WO 2018050455) describes a tank comprising a sealing layer of steel, and a mechanical resistance layer of concrete prestressed by tensile metal wires.
  • This tank although satisfactory in particular from a mechanical strength point of view, is not optimal from a thermal point of view and protection of the internal layers.
  • patent application EP 1857614 describes an energy storage system using adiabatic compressed air capable of operating at high temperatures, for example 650 C and high pressure, in particular 65 bars.
  • the storage system is formed of two capsules spaced apart by a thickness of air.
  • this storage system is complex and bulky.
  • the use of heat storage particles is not compatible with this system, as a risk of crushing remains.
  • the present invention relates to a closed tank for the storage of a pressurized fluid.
  • the tank includes a base, a running section and a cover.
  • the current section is produced by a juxtaposition of concentric layers, comprising, from the outside to the inside of the tank, a mechanical resistance layer, a sealing layer and a thermal insulation layer, the thermal insulation layer not being fluid tight.
  • the thermal insulation layer is in equi-pressure, and makes it possible to separate the functions of thermal storage and of resistance to pressure.
  • the heat remains contained in the heart of the tank, which makes it possible to size the structure for resistance to pressure at ambient temperature:
  • the mixed design according to the invention makes it possible to better use the mechanical capacity of each material and consequently reduce the size and cost of the system.
  • such a structure is of simple design.
  • the invention relates to a system for storing and restoring energy by compressed gas which comprises such a tank.
  • the invention relates to a tank for storing a pressurized fluid, such as compressed air, said tank comprising a running section closed on either side by a base and a cover, said running section being formed by a juxtaposition.
  • concentric layers comprising, going from the outside to the inside of said tank, a mechanical resistance layer formed of prestressed concrete and a sealing layer of said fluid.
  • Said running section comprises a thermal insulation layer juxtaposed on the inner face of said sealing layer, said internal thermal insulation layer being non-waterproof to said fluid.
  • said internal thermal insulation layer comprises at least one underlay of cellular concrete.
  • said internal thermal insulation layer comprises a juxtaposition of concentric sub-layers comprising, going from the outside towards the inside of said tank, a sub-layer of mineral wool, such as glass wool, and said sub-layer. - cellular concrete layer.
  • said internal thermal insulation layer also includes reinforcements between said aerated concrete sub-layer and said sealing layer.
  • said cellular concrete sub-layer is produced by an assembly of blocks.
  • said sealing layer is formed of a layer of metal, in particular of steel, or of polymer, in particular of polytetrafluoroethylene PTFE, or of a juxtaposition of an internal sublayer of concrete and of '' an external metal sublayer, in particular steel, or in polymer, in particular in polytetrafluoroethylene PTFE.
  • said mechanical resistance layer is formed by at least one wire, strand or ring of metal, in particular steel, embedded or on the periphery of a concrete layer, said wire, strand or ring being subjected to a circumferential tension preload.
  • the concrete layer of said mechanical resistance layer is traversed axially by at least one wire or strand made of metal, in particular steel, subjected to an axial tensile preload.
  • At least one axial end of said current section is covered with a flange, in particular made of metal, preferably steel.
  • said current section includes an external protective layer, in particular made of concrete.
  • said base comprises a layer of metal, in particular steel.
  • said base comprises, a superposition of layers with from the outside towards the inside of said tank, a layer of mechanical resistance, a sealing layer and a support layer.
  • said mechanical resistance layer and said sealing layer of said base are formed in a similar manner respectively to said mechanical resistance layer and to said sealing layer of said current section.
  • said base and said cover include an injection orifice and / or withdrawal of said pressurized fluid.
  • said cover has a flat or hemispherical shape.
  • said cover comprises a superposition of layers with from the outside towards the inside of said tank, a juxtaposition of a sealing layer and an internal thermal insulation layer.
  • said cover further comprises an outer layer of mechanical resistance.
  • said sealing layer and / or said internal thermal insulation layer and / or said mechanical resistance layer of said cover are formed in a similar manner respectively to said sealing layer and / or to said insulation layer internal thermal and or to said mechanical resistance layer of said current section.
  • said tank comprises particles for storing heat.
  • the invention relates to a system for storing and returning energy by compressed gas comprising at least one gas compression means, at least one tank for storing heat storage according to one of the preceding characteristics, at least one means for expanding said compressed gas to generate energy.
  • Figure 1 schematically illustrates a pressurized fluid reservoir according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 illustrates the current section of a tank according to an embodiment of the invention.
  • Figure 3 illustrates a layer of thermal insulation of the current section according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 4 illustrates a thermal insulation layer of the current section according to a second variant embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates a flange of the current section according to an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 6 illustrates a base of a reservoir according to a first alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 7 illustrates a base of a tank according to a second variant embodiment of the invention.
  • FIG 8 illustrates a base of a tank according to a third alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 9 illustrates a base of a tank according to a fourth alternative embodiment of the invention. [Fig 10]
  • FIG. 10 illustrates a cover of a reservoir according to a first alternative embodiment of the invention.
  • Figure 1 1 illustrates a cover of a tank according to a second alternative embodiment of the invention.
  • the present invention relates to a closed tank for storing a pressurized fluid.
  • the tank may contain in particular a pressurized gas, and for example compressed air.
  • the tank is suitable for any pressurized fluid.
  • the tank includes a running section closed on either side by a base and a cover.
  • the current section forms the side wall of the tank, and may have substantially a tubular shape of circular section, or a polygonal shape, for example octagonal.
  • the reservoir can have substantially the shape of a column.
  • the interior of the current section delimits the storage volume of the pressurized fluid.
  • the base and / or the cover of the reservoir conventionally comprise orifices for the injection and / or withdrawal of the fluid under pressure. Outside the openings for injection and / or withdrawal of the fluid, the tank is closed.
  • the tank may contain heat storage particles, allowing the heat contained in the fluid to be stored. Thus, it is possible to achieve more efficient energy storage.
  • Figure 1 illustrates, schematically and without limitation, a tank 1 according to an embodiment of the invention.
  • the reservoir 1 has a current section 2, delimiting a storage volume 28 for the storage of the pressurized fluid and possibly of the heat storage particles.
  • the current section 2 has a substantially cylindrical shape. At its lower end, the current section 2 is closed by a base 3.
  • the base 3 is arranged on a floor 5. Alternatively, the base 3 can be partially or completely buried.
  • the current section is closed by a cover 4.
  • the base 3 and the cover 4 are shown flat. However, they can take different forms, including hemispherical.
  • the current section of the tank according to the invention is formed by a juxtaposition of concentric layers having their own functions. These layers are said to be juxtaposed and concentric because they are arranged around one another with no free space between them.
  • the inside diameter (or distance to the center of the tank in the case of a non-circular section) of an outer layer corresponds to the diameter (or the distance to the center of the tank in the case of a section non-circular) outside of an inner layer consecutive to the outer layer.
  • a layer forms a continuous wall having the shape of the current section.
  • the current section includes:
  • a fluid sealing layer to prevent the fluid from passing into the mechanical resistance layer
  • an internal thermal insulation layer to prevent the heat of the fluid from heating the sealing layer and the mechanical resistance layer
  • the thermal insulation layer is not fluid-tight.
  • the thermal insulation layer is in equi-pressure: the internal and external faces of the thermal insulation layer are subjected to the same pressure.
  • the thermal insulation layer is not intended to take up internal pressure.
  • the thermal insulation layer is the innermost layer of the current section (no layer covers the thermal insulation layer).
  • each layer forming the current section has a precise function.
  • the thermal insulation layer makes it possible to separate the thermal storage and pressure resistance functions. In this way, the heat remains contained in the heart of the tank, which makes it possible to size the structure for resistance to pressure at ambient temperature: the mixed design according to the invention makes it possible to better use the mechanical capacity of each material and consequently reduce the size and cost of the system.
  • such a structure is of simple design.
  • FIG. 2 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, a current section 2 of a tank according to an embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a three-dimensional sectional view of the running section 2. From the outside to the inside of the running section 2, the running section comprises a protective layer 1 1, a layer of mechanical resistance 8, a layer d seal 7 and a thermal insulation layer 6.
  • the mechanical resistance layer 8 is prestressed in a circumferential direction, by circumferential prestressing elements 9 , such as wires, strands or rings, and in an axial direction, by axial prestressing elements 10, such as wires or strands.
  • the circumferential prestressing elements 9 are regularly distributed over the height of the running section 2, and the axial prestressing elements 10 are regularly distributed over the circumference of the running section 2.
  • the protective layer 1 1 is used in particular for protecting the corrosion of the circumferential prestressing elements.
  • the axial ends of the current section 2 are covered by flanges 12.
  • the flanges 12 cover the sealing layers 7 and mechanical strength layers 8.
  • the base and the cover of the tank can be adapted to the design of the current section, with the aim of separating the functions of the different layers, and with the aim of facilitating fixing, while making it possible to form a pressure-resistant tank. and temperature. Different embodiments of the base and of the cover will be described in the following description. All these variants contribute to a simple and low cost design of the tank.
  • the internal thermal insulation layer aims to separate the functions of thermal storage and pressure resistance.
  • the heat remains contained in the heart of the tank.
  • the thermal insulation can be ensured by a material making it possible both to thermally isolate the content and the container and to maintain the content without being damaged (in the case where the tank comprises heat storage particles).
  • the use of aerated concrete can be a solution to achieve these two functions.
  • Aerated concrete is light concrete thanks to the presence of gas bubbles which it contains, this gas coming from a chemical reaction which takes place during its manufacture. Due to its porous structure, cellular concrete is not fluid tight.
  • the thermal insulation layer can be made by a wall of aerated concrete blocks. The blocks can be rectangular or can take any shape.
  • Figure 3 illustrates, schematically and without limitation, the first alternative embodiment.
  • Figure 3 is a three-dimensional sectional view of the thermal insulation layer 6.
  • the thermal insulation layer 6 is formed of a layer of aerated concrete 13, formed of an assembly of blocks 27 of aerated concrete.
  • the thermal insulation can be subdivided into two sub-layers: an internal one whose purpose is to contain the content (for example the heat storage particles) and another providing thermal insulation.
  • an internal one whose purpose is to contain the content (for example the heat storage particles)
  • another providing thermal insulation we can thus achieve the thermal insulation layer by a first underlay made of cellular concrete to contain the heat storage material, in the form of gravel for example, then thermal insulation in the form of mineral wool, for example glass wool. Mineral wool is not fluid tight.
  • reinforcements between the sub-layer supporting the content and the sealing layer allow in particular to avoid the crushing of the mineral wool underlay.
  • Figure 4 illustrates, schematically and without limitation, the second alternative embodiment.
  • Figure 4 is a three-dimensional sectional view of the thermal insulation layer.
  • the thermal insulation layer 6 is formed from a layer of aerated concrete 13, and a layer of mineral wool 14.
  • the layer of aerated concrete can be formed from blocks 27 of aerated concrete.
  • reinforcements 15 are provided between the cellular concrete layer 13 and the sealing layer 7.
  • the sealing layer aims to contain the fluid, for example air, at all times in the tank. Only the connections (means of injection and withdrawal of pressurized fluid) from the tank must influence the amount of material present in the column.
  • the sealing layer can be provided by a first underlay formed from concrete followed by an underlay formed from metal, preferably steel.
  • the role of the first concrete underlay is to protect, on the one hand, the internal face of the formed steel underlay against physical and / or chemical damage (corrosion in particular), to avoid collapse of the same underlay ( due to the prestresses applied to steel wires) and, in general, withstand the stress induced by the pressurized fluid.
  • the sealing layer can be provided directly by a metal layer, preferably steel, resistant to the constraints and physical and / or chemical damage induced by the medium in contact.
  • the metal layer or the metal underlay can be replaced directly by a polymer layer or underlay resistant to the stresses and physical and / or chemical damage induced by the medium in contact (the fluid under pressure).
  • the polytetrafluoroethylene PTFE we can cite, for example, the polytetrafluoroethylene PTFE.
  • the production of the polymer underlay makes it possible to reduce the weight and the cost of the sealing layer, while the production of the metal underlay provides better mechanical characteristics.
  • FIG. 2 illustrates a sealing layer 7 formed of a layer of steel.
  • the mechanical resistance layer allows resistance to pressure and to its variations over time of the pressurized fluid in the tank.
  • the mechanical resistance layer is made of prestressed concrete.
  • the prestressing can be implemented by at least one wire, a strand or a prestressed ring, called “circumferential prestressing elements” in a circumferential direction or in an axial direction.
  • the wire, the strand or the ring is made of metal, preferably of steel.
  • the layer formed by a winding of metal prestressing elements subjected to a circumferential prestressing on a concrete underlayment, called subsequently “prestressed concrete layer”, has the role of reducing the circumferential stress supported by the layer in steel when the tank according to the invention is put into service.
  • the application of a prestress in circumferential traction therefore makes it possible to size a tank for the storage of a pressurized fluid with a smaller thickness of concrete and steel than if no prestress was applied.
  • prestressing subjects the concrete layer (s) in compression which will contribute to the resistance of the assembly during the service phase. Consequently, the tank according to the invention is more economical than an all-steel tank, and may be more technically feasible.
  • the prestress in circumferential tension can be obtained by a winding under tension of metal prestressing elements on the concrete underlay.
  • the use of steel strands or rings makes it possible to apply greater prestressing than steel wires.
  • wires or strands of metal preferably of steel, called “axial prestressing elements”
  • axial prestressing elements wires or strands of metal, preferably of steel, called “axial prestressing elements”
  • the concrete underlay allows the sealing layer to be separated from the axial prestressing elements themselves.
  • the prestressed underlay also plays a role in the mechanical strength of the entire tank.
  • the circumferential prestressing elements can be embedded in the concrete layer, or can be placed on its outer surface.
  • the mechanical resistance layer can be formed by one or more means of stressing a concrete underlay.
  • the concrete underlay can be made with several qualities of concrete depending on the thickness. Each quality of concrete in thickness is chosen according to the constraints and the most favorable cost / performance ratio.
  • the circumferential or axial prestressing elements can be regularly distributed in or on the concrete layer, for a uniform prestressing on the concrete layer.
  • FIG. 2 illustrates a mechanical resistance layer 8 formed of a concrete layer 8 prestressed circumferentially by wires, strands or rings 9 and axially by wires or strands 10.
  • the upper and / or lower part of the current section may include a flange.
  • the flanges can be used to anchor the axial steel wires, to fix the cover, to fix the base and to facilitate the continuity of the sealing.
  • the flanges can preferably be made of metal, preferably steel.
  • the flanges cover at least the mechanical resistance layer.
  • this may be welded directly to the flanges.
  • the embodiment of Figure 2 has a flange 12 on either side of the current section.
  • FIG. 5 illustrates, schematically and without limitation, a flange according to an embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a partial three-dimensional view of an upper end of the current section of the tank.
  • the thermal insulation layer is not shown.
  • the sealing layer 7 is made by a steel layer
  • the mechanical resistance layer 8 is formed by a layer of concrete prestressed circumferentially by wires, strands or rings 9 and axially by wires or strands 10.
  • the current section of the tank comprises a protective layer 1 1.
  • the flange 12 covers the sealing layers 7 and mechanical resistance 8 as well as the protective layer 1 1.
  • the ends of the wires or strands 10 are fixed in the flange 12.
  • the flange 12 is welded to the sealing layer 7 by a weld 16 at the contact surface between the two elements.
  • the mechanical resistance layer can also provide a sealing function by being formed by one or more means for stressing a concrete underlay.
  • the concrete underlay can provide a more or less complete seal. Indeed, depending on the prestress, the thickness of the concrete, the quality of the concrete, it is possible to make this layer waterproof. If the sealing level is sufficient, in this case, the tank does not include an additional sealing layer.
  • the external protective layer aims to preserve chemical (corrosion type) and / or physical attack on the wires, strands or rings (in particular made of metal) of the tank according to the invention. Therefore, the outer protective layer can be concrete, or mortar or any other protective material against chemical and / or physical attack.
  • This protective layer is therefore particularly advantageous when the mechanical resistance layer comprises circumferential prestressing elements at the periphery.
  • this layer may not have a mechanical strength function. This is why this layer can be thinner than the mechanical resistance layer.
  • the embodiment of Figure 2 comprises a protective layer 1 1 of concrete.
  • the base of the container according to the invention aims to:
  • the base can be produced by a flat disc formed from a single layer or from an arrangement of superimposed layers. Such a flat shape is easy to implement.
  • the base can be made by a hemispherical bottom formed by a single layer or by an arrangement of superimposed layers.
  • a hemispherical bottom requires a smaller thickness to take up the pressure compared to a flat bottom.
  • this layer can be made of metal, preferably steel, in order to ensure the tightness of the tank and to have sufficient mechanical strength.
  • This alternative embodiment makes it possible to facilitate the design of the reservoir, while retaining the expected characteristics of the latter (sealing, mechanical strength, etc.).
  • the superimposed layers of the base of the storage tank for a pressurized medium can be ordered, going from the inside to the outside of said column, from the as follows:
  • At least one layer providing part or all of the mechanical strength of the base of the tank.
  • the retaining layers of the heat storage material, layers of sealing and mechanical strength of the base of the tank can be provided by a steel wall.
  • the retaining layer can be made of concrete.
  • the sealing and mechanical resistance layers can be formed in a similar manner to the sealing and mechanical resistance layers of the current section. Similarly indicates that the layer has the same characteristics thanks to the same material (s), to substantially equal thicknesses, and where appropriate to the same sub-layers. This realization allows an ease of realization and assembly.
  • the base is made by a steel wall, this can be connected to the current section by bolting on a flange placed at the end of the current section. Then, the continuity of the seal can be achieved in one of the following ways:
  • - seal for example made of elastomer placed between the base and the current section in the case where the concrete seals the current section.
  • FIG. 6 illustrates a base according to a first alternative embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a partial three-dimensional view in section. This figure shows the lower part of the current section.
  • the current section is formed of a thermal insulation layer 6, a sealing layer 7, a mechanical resistance layer 8 reinforced by circumferential wires 9 and axial wires 10 and a protective layer 1 1.
  • the base 3 is fixed to the current section.
  • the base 3 has the shape of a flat disc and has a central orifice 20 for the injection and / or withdrawal of pressurized fluid.
  • the base 3 is formed by a superposition of different layers, going from the outside towards the inside of the tank, a layer 19 of mechanical resistance in reinforced or prestressed concrete, a sealing layer 18 in steel, and a layer of steel support 17.
  • the axial prestress wires 10 pass through the base 3 and are fixed to the latter, for example by means of bolts.
  • FIG. 7 illustrates a base according to a second variant embodiment of the invention.
  • Figure 7 is a partial three-dimensional view in section. This figure shows the lower part of the current section.
  • the current section is formed of a thermal insulation layer (not shown), a sealing layer 7, a mechanical resistance layer 8 reinforced by circumferential wires 9 and axial wires 10 and a protective layer 1 1.
  • the base 3 is fixed to the current section.
  • the base 3 has the shape of a flat disc and has a central orifice 20 for the injection and / or withdrawal of fluid under pressure.
  • the base 3 is formed of a single sealing layer 21 of steel (which can also act as a retaining layer and mechanical strength).
  • the sealing layer 21 has substantially the shape of a disc whose diameter corresponds to the outside diameter of the current section.
  • the sealing layer 21 of the base 3 is fixed to the sealing layer 7 of the current section, by means of a weld 22, provided at the intersection of the two sealing layers.
  • the weld 22 can be provided on the inside diameter of the sealing layer 7.
  • FIG. 8 illustrates a base according to a third alternative embodiment of the invention.
  • Figure 8 is a partial three-dimensional view in section. This figure shows the lower part of the current section.
  • the current section is formed of a thermal insulation layer (not shown), a sealing layer 7, a mechanical resistance layer 8 reinforced by circumferential wires 9 and axial wires 10 and a protective layer 1 1.
  • the base 3 is fixed to the current section.
  • the base 3 has the shape of a flat disc and has a central orifice 20 for the injection and / or withdrawal of pressurized fluid.
  • the base 3 is formed by a superposition of different layers, going from the outside towards the inside of the tank, a layer 19 of mechanical resistance in reinforced or prestressed concrete and a sealing layer 18 in steel, which can also be used retaining layer.
  • the axial prestress wires 10 pass through the base 3 and are fixed to the latter, for example by means of bolts.
  • the sealing layer 18 of the base 3 is fixed to the sealing layer 7 of the current section, by means of a weld 23, provided at the intersection of the two sealing layers.
  • the weld 23 can be provided on the inside diameter of the sealing layer 7.
  • FIG. 9 illustrates a base according to a fourth variant embodiment of the invention.
  • Figure 9 is a partial three-dimensional view in section. This figure shows the lower part of the current section.
  • the current section is formed of a thermal insulation layer (not shown), a sealing layer 7, a mechanical resistance layer 8 reinforced by circumferential wires 9 and axial wires 10 and a protective layer 1 1.
  • the base 3 is fixed to the current section.
  • the base 3 has the shape of a flat disc and has a central orifice 20 for the injection and / or withdrawal of fluid under pressure.
  • the base 3 is formed of a single sealing layer 21 made of steel (which can also play the role of retaining layer and mechanical strength).
  • the sealing layer 21 has substantially the shape of a disc whose diameter corresponds to the inside diameter of the sealing layer 7 of the current section.
  • the sealing layer 21 of the base 3 is fixed to the sealing layer 7 of the current section, by means of a weld 29, provided at the intersection of the two sealing layers.
  • the weld 29 can be provided on the inside diameter of the sealing layer 7.
  • tank cover according to the invention is in particular to:
  • the cover can be produced by a flat disc formed from a single layer or from an arrangement of superimposed layers. This implementation allows an easier realization, especially for a concrete cover.
  • the cover can be produced by a hemispherical wall produced by a single layer or by an arrangement of superimposed layers. This alternative makes it possible to produce a less expensive cover, in particular for a metal cover.
  • this layer can be made of metal, preferably steel, in order to ensure the tightness of the tank and to have sufficient mechanical strength.
  • the superimposed layers of the cover of the storage tank for a pressurized medium can be ordered, going from the inside to the outside of said column, as follows :
  • the sealing and mechanical resistance layers of the tank cover can be provided by a steel wall.
  • the sealing and mechanical resistance layers of the cover can be formed in a similar manner to the sealing and mechanical resistance layers of the current section. Similarly indicates that the layer has the same characteristics thanks to (x) same (s) material (s), to substantially equal thicknesses, and where appropriate to the same sublayers.
  • This realization allows an ease of realization and assembly.
  • the cover is made by a steel wall, this can be connected to the current section by bolting on a flange placed at the end of the current section. Then, continuity of sealing can be achieved by:
  • the cover if the cover is made by a steel wall, it can be connected to the current section by bolting without using an intermediate flange.
  • the connection can be made by metal anchor rods sealed in the concrete of the current part on which the cover is fixed with metal nuts. Continuity of thermal insulation can be achieved by continuing thermal insulation of the current section along the internal part of the cover.
  • the layers of sealing and mechanical strength of the column cover can be provided by an internal steel sublayer bonded to a layer formed by reinforced concrete.
  • the connection between the two elements can be carried out by bolting with the presence of flanges.
  • the connection between the two elements can be made by anchoring on the current section of the steel wires of the cover.
  • the connection between the two elements can be made by anchoring on the base of the steel wires of the cover passing through the current section.
  • the continuity of the seal can be achieved by:
  • FIG. 10 illustrates a cover according to a first alternative embodiment of the invention.
  • Figure 10 is a partial three-dimensional view in section. This figure shows the upper part of the current section.
  • the current section is formed of a thermal insulation layer 6, a sealing layer 7, a mechanical resistance layer 8 reinforced by circumferential wires 9 and axial wires 10 and a protective layer 1 1.
  • the cover 4 is fixed to the current section.
  • the cover 4 has the shape of a flat disc and has a central orifice 26 for the injection and / or withdrawal of pressurized fluid.
  • the cover 4 is formed by a superposition of different layers, going from the outside towards the inside of the tank, a layer 25 of mechanical resistance in reinforced or prestressed concrete, a sealing layer 24 in steel, and a layer of thermal insulation 23.
  • the axial prestress wires 10 pass through the cover 4 and are fixed thereto for example by means of bolts.
  • Figure 1 1 illustrates a cover according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 1 1 is a partial three-dimensional view in section. This figure shows the upper part of the current section.
  • the current section is formed of a thermal insulation layer 6, a sealing layer 7, a mechanical resistance layer 8 reinforced by circumferential wires 9 and axial wires 10 and a protective layer 1 1.
  • the cover 4 is fixed to the current section.
  • the cover 4 has a hemispherical shape and has a central orifice 26 for the injection and / or withdrawal of fluid under pressure.
  • the cover 4 is formed by a superposition of different layers, going from the outside towards the inside of the tank, a sealing layer 24 of steel, which also serves as a layer of mechanical resistance, and a layer of thermal insulation. 23.
  • the invention also relates to a means of energy storage and restitution comprising at least one compression means, at least one expansion means, at least one heat storage means according to one of the preceding characteristics and at least one pressurized fluid tank.
  • a pressurized fluid reservoir as described above is suitable for the high pressures and temperatures of the pressurized gas used in such a system.
  • the tank according to the invention makes it possible to considerably reduce the cost of the pressurized fluid tank, which is particularly useful by means of energy storage and return, the pressurized fluid tank being a significant cost factor. energy storage and return means. It is particularly suitable for the operation of AACAES type systems.
  • the present invention also relates to a method of storage and return by compressed gas, in which the following steps are carried out:
  • a gas is compressed, in particular by means of a compressor
  • the heated compressed gas is expanded to generate energy, for example by means of a turbine to produce electrical energy.
  • the reservoir according to the invention is suitable for other uses of storage of fluids under pressure at temperature, such as the storage of working fluid in thermodynamic cycles such as that of Rankine for example, or in a gas, nuclear or charcoal.
  • thermodynamic cycles such as that of Rankine for example, or in a gas, nuclear or charcoal.
  • the reservoir used for the example is formed of a current section according to the variant of FIG. 2, of a base according to the variant of FIG. 6 and of a cover according to the variant of FIG. 1 1.
  • the thermal insulation layer is formed of cellular concrete and a mineral wool
  • the sealing layer is formed of a polymer layer (PTFE)
  • the resistance layer Mechanical is made of prestressed concrete by circumferential prestressing strands, and axial prestressed strands
  • the protective layer is concrete.
  • the tank base in the example includes a concrete retaining layer, a steel waterproofing layer, and a reinforced concrete layer.
  • the tank cover in the example includes a thermal insulation layer of mineral wool, and a sealing and mechanical strength layer of steel.
  • the main characteristics are:
  • Thickness of cellular concrete (Passifbloc TM marketed by Cellumat with lambda 0.65): 0.5 m
  • the example relates to the use of such a tank for the storage of compressed air, in an AACAES type system.
  • the realization of a pressure storage tank with a conventional implementation leads to very large dimensions.
  • the heat storage material is directly placed in a steel column with external insulation.
  • the calculated steel thickness is 193mm for an internal diameter of 3.5m. This range of thickness brings manufacturing problems as much for welding, as rolling sheets or heat treatments.
  • the weight of the structure becomes very important with such a thickness, therefore difficult to transport.
  • the equivalent internal diameter must be reduced by 2.
  • the thickness is almost halved but remains very large, greater than 100mm. This becomes possible, but it still has a strong impact on all manufacturing and transport operations for the entire structure.
  • the P460NH is a smart choice.
  • the required thickness drops to 82mm, which is more acceptable in view of all the operations that have to be carried out.
  • the thickness of the shell is estimated at 85mm.
  • the dimensioning carried out with the same software indicates that the thickness must be increased: it is 95mm which corresponds to 7 tonnes per bottom. This software takes into account the decrease in mechanical characteristics with the increase in sheet thicknesses.
  • the implementation described according to the invention makes it possible to reach much larger diameters: 7 m in the example presented here.
  • This first of all makes it possible to reduce the surface area to volume ratio of the column and thus to limit the heat losses.
  • the problem of transport is greatly reduced because the system is mainly built on site.
  • the internal insulation guarantees optimal / dedicated operation of the heat storage material. Indeed, the wall does not thermally disturb the storage material or the fluid flowing in the tank. Thermal insulation also limits the impact of temperature on the sizing of the system at internal pressure. Sealing, for its part, limits the loss of material, in particular air, which is the vector of energy transfer in the AACAES. A loss of material quantity would decrease the overall yield.

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Abstract

La présente invention concerne un réservoir fermé pour le stockage d'un fluide sous pression. Le réservoir comprend une base (3), une section courante (2) et un couvercle (4). La section courante (2) est réalisée par une juxtaposition de couches concentriques, comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur du réservoir, une couche de résistance mécanique (8), une couche d'étanchéité (7) et une couche d'isolation thermique (6), la couche d'isolation thermique n'étant pas étanche au fluide.

Description

RESERVOIR DE STOCKAGE D’UN FLUIDE SOUS PRESSION AVEC UNE COUCHE D’ISOLATION THERMIQUE INTERNE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine du stockage de chaleur sous pression, en particulier les conteneurs pour le stockage de chaleur de grand volume, tels qu’utilisés pour le stockage d’énergie par air comprimé de type AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel est prévu le stockage de l’air et le stockage de la chaleur générée de manière indépendante.
Un système de stockage d’énergie par air comprimé (aussi appelé CAES, de l’anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») vise à stocker une énergie sous forme d'air comprimé, en vue d’une utilisation ultérieure. Pour le stockage, une énergie, notamment électrique, entraîne des compresseurs d’air, et pour le déstockage, l’air comprimé entraîne des turbines, qui peuvent être reliées à une génératrice électrique.
Il existe différentes variantes de système de stockage d’énergie par air comprimé, qui ont pour objectif notamment d’améliorer le rendement de tels systèmes. On peut citer notamment les systèmes et procédés suivants:
• ACAES (de l’anglais « Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à la température due à la compression.
• AACAES (de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ») dans lequel l'air est stocké à température ambiante, et la chaleur due à la compression est également stockée, séparément, dans un système de stockage de la chaleur TES (de l’anglais « Thermal Energy Storage »). Dans ce cas, la chaleur stockée dans le TES est utilisée pour chauffer l’air avant sa détente.
Technique antérieure
Selon certaines conceptions envisagées de l’AACAES, la chaleur est stockée en utilisant un fluide caloporteur permettant de stocker la chaleur issue de la compression de l’air et de la restituer à l’air avant sa détente au moyen d’échangeurs de chaleur. Par exemple, la demande de brevet EP 2447501 décrit un système AACAES dans lequel de l’huile, utilisée en tant que fluide caloporteur, circule en circuit fermé pour échanger de la chaleur avec l’air.
Selon d’autres conceptions envisagées de l’AACAES, la chaleur est stockée au moyen de solides statiques contenus dans un ou plusieurs conteneurs. Par exemple, la chaleur est stockée dans un matériau sous forme de particules en lit fixe disposé dans un ou plusieurs conteneurs, et traversé par l’air à refroidir. La chaleur est restituée à l’air froid qui traverse le lit fixe en sens opposé lors d’une phase de décharge.
Dans tous les cas, un tel système de stockage d’énergie par air comprimé requiert un ou plusieurs TES qui soit au moins à la fois résistant à la pression de stockage et étanche au gaz circulant dans le composant. La résistance à la pression est notamment un enjeu important puisque les pressions de stockage de l’air comprimé sont au moins égales à 100 bar dans le dernier étage du système AACAES, qui possède la pression la plus élevée.
L’utilisation de réservoirs tout en acier pour résister à une pression interne est classique. En effet, l’acier a des propriétés à la fois d’étanchéité et de résistance à la pression. Toutefois, si l’étanchéité est assurée à partir d’épaisseurs d’acier assez faibles (quelques mm), il est nécessaire d’utiliser des épaisseurs d’acier plus importantes lorsque l’on veut stocker un fluide sous haute pression (c’est-à-dire une pression supérieure à 100 bar, et préférentiellement de l’ordre de 125 bar). Par exemple, un réservoir cylindrique de diamètre 56” (1422,4 mm) doit avoir une épaisseur minimale de 33,5 mm pour résister à une pression interne de 125 bar (calcul d’après la norme CODAP pour un grade d’acier X80).
Si un réservoir tout en acier est une solution techniquement et économiquement avantageuse pour de faibles volumes à haute pression, un réservoir entièrement en acier devient inenvisageable en cas d’importants volumes à haute pression. En effet, du fait du coût de l’acier, la rentabilité économique du système est fortement pénalisée, mais également la conception d’un tel réservoir engendre des contraintes de fabrication fortes. En effet, plus le diamètre d’un réservoir de stockage sphérique ou cylindrique est important, plus l’épaisseur nécessaire pour tenir la pression est importante. Pour de grands volumes de stockage, la fabrication et surtout le soudage d’un élément ayant une épaisseur très importante n’est pas toujours réalisable. Dans ce cas, le stockage d’un grand volume se fait par assemblage de plusieurs éléments de dimensions plus faibles, raccordés entre eux. Ayant des dimensions plus faibles, ces éléments sont techniquement fabricables et ainsi les contraintes de fabrication sont surmontées. En revanche, la rentabilité économique du système peut être mise en cause du fait de la quantité d’acier nécessaire et des coûts d’assemblage.
Dans le but de remplacer les réservoirs tout en acier, des réservoirs formés de plusieurs couches, notamment en béton et en acier, ont été développés.
Par exemple, la demande de brevet FR 3055942 (WO 2018050455) décrit un réservoir comprenant une couche d’étanchéité en acier, et une couche de résistance mécanique en béton précontraint par des fils en métal en traction. Ce réservoir bien que donnant satisfaction notamment d’un point de vue résistance mécanique, n’est pas optimal d’un point de vue thermique et de protection des couches internes.
D’autres solutions prévoient des moyens d’isolation thermique. Selon un premier exemple, la demande de brevet EP 1857614 décrit un système de stockage d’énergie par air comprimé adiabatique pouvant fonctionner à hautes températures, par exemple 650 C et haute pression, notamment 65 bars. Pour cela, le système de stockage est formé de deux capsules espacées d’une épaisseur d’air. Ainsi, ce système de stockage est complexe et encombrant. De plus, l’utilisation de particules de stockage de chaleur n’est pas compatible avec ce système, car un risque d’écrasement subsiste.
Une autre solution est décrite dans la demande de brevet FR 2998556. Pour cette solution, une couche d’isolation thermique est disposée entre une couche en béton et une couche en acier. Par conséquent, la couche interne de ce réservoir n’est pas protégée de la chaleur. La couche interne doit donc être dimensionnée pour prendre en compte la chaleur du fluide stocké. De plus, ce système est complexe et encombrant, notamment en raison du système de fixation des grilles dans les parois en béton.
Une troisième solution est décrite dans la demande de brevet EP 2578981. De l’intérieur vers l’extérieur du système, il y a une cage contenant le matériau de stockage de la chaleur, un bouclier thermomécanique, un matériau isolant thermiquement, une couche de béton, puis une structure de renforcement avec des tendons. La structure en sandwich formée par l’ensemble permet de réduire les pertes thermiques en isolant le matériau de stockage thermique, permet de réduire la température de la paroi en béton, limitant ainsi la dégradation des caractéristiques de cette dernière, permet de limiter la température de peau de la coque en acier, améliorant ainsi la sécurité, et permet de contenir la pression régnant dans le conteneur fonction de l’épaisseur de la coque en acier. Cependant, le concept ne présente pas de couche permettant de réaliser l’étanchéité de la paroi à un gaz. De plus, la cage et le bouclier thermomécanique sont soumis à la chaleur du fluide stocké. Ces éléments doivent donc être dimensionnés pour prendre en compte la chaleur du fluide stocké. Ainsi, ce système ne semble pas adapté à une utilisation à haute pression dans un système de type AACAES.
Résumé de l’invention
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne un réservoir fermé pour le stockage d’un fluide sous pression. Le réservoir comprend une base, une section courante et un couvercle. La section courante est réalisée par une juxtaposition de couches concentriques, comprenant, de l’extérieur vers l’intérieur du réservoir, une couche de résistance mécanique, une couche d’étanchéité et une couche d’isolation thermique, la couche d’isolation thermique n’étant pas étanche au fluide. Ainsi, la couche d’isolation thermique est en équi-pression, et permet de séparer les fonctions de stockage thermique et de résistance à la pression. De cette manière, la chaleur reste contenue au cœur du réservoir, ce qui permet de dimensionner la structure pour une résistance à la pression à température ambiante : la conception mixte selon l’invention permet de mieux utiliser la capacité mécanique de chaque matériau et par conséquent de réduire les dimensions et le coût du système. En outre, une telle structure est de conception simple.
L’invention concerne un système de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé qui comprend un tel réservoir.
L’invention concerne un réservoir de stockage d’un fluide sous pression, tel que l’air comprimé, ledit réservoir comprenant une section courante fermée de part et d’autre par une base et un couvercle, ladite section courante étant formée par une juxtaposition de couches concentriques, comprenant, en allant de l’extérieur vers l’intérieur dudit réservoir, une couche de résistance mécanique formée de béton précontraint et une couche d’étanchéité dudit fluide. Ladite section courante comprend une couche d’isolation thermique juxtaposée sur la face intérieure de ladite couche d’étanchéité, ladite couche d’isolation thermique interne étant non étanche audit fluide.
Selon un mode de réalisation, ladite couche d’isolation thermique interne comprend au moins une sous-couche en béton cellulaire.
Avantageusement, ladite couche d’isolation thermique interne comprend une juxtaposition de sous-couches concentriques comprenant, en allant de l’extérieur vers l’intérieur dudit réservoir, une sous-couche en laine minérale, telle que la laine de verre, et ladite sous-couche en béton cellulaire. De préférence, ladite couche d’isolation thermique interne comporte en outre des renforts entre ladite sous-couche en béton cellulaire et ladite couche d’étanchéité.
De manière avantageuse, ladite sous-couche en béton cellulaire est réalisée par un assemblage de blocs.
Conformément à une mise en œuvre, ladite couche d’étanchéité est formée d’une couche en métal, notamment en acier, ou en polymère, notamment en polytétrafluoroéthylène PTFE, ou d’une juxtaposition d’une sous-couche interne en béton et d’une sous-couche externe en métal, notamment en acier, ou en polymère, notamment en polytétrafluoroéthylène PTFE.
Selon un aspect, ladite couche de résistance mécanique est formée par au moins un fil, un toron ou un anneau en métal, notamment en acier, noyé ou en périphérie d’une couche en béton, ledit fil, toron ou anneau étant soumis à une précontrainte de traction circonférentielle.
Selon une caractéristique, la couche en béton de ladite couche de résistance mécanique est traversée axialement par au moins un fil ou toron en métal, notamment en acier, soumis à une précontrainte de traction axiale.
Conformément à un mode de réalisation, au moins une extrémité axiale de ladite section courante est recouverte d’une bride, notamment en métal, de préférence en acier.
De manière avantageuse, ladite section courante comporte une couche externe de protection, notamment en béton.
Selon une mise en œuvre, ladite base comprend une couche en métal, notamment en acier.
Selon un aspect, ladite base comprend, une superposition de couches avec de l’extérieur vers l’intérieur dudit réservoir, une couche de résistance mécanique, une couche d’étanchéité et une couche de soutien.
Avantageusement, ladite couche de résistance mécanique et ladite couche d’étanchéité de ladite base sont formées de manière similaire respectivement à ladite couche de résistance mécanique et à ladite couche d’étanchéité de ladite section courante.
Selon un mode de réalisation, ladite base et ledit couvercle comprennent un orifice d’injection et/ou de soutirage dudit fluide sous pression.
Conformément à une mise en œuvre, ledit couvercle a une forme plane ou hémisphérique.
Selon une caractéristique, ledit couvercle comprend une superposition de couches avec de l’extérieur vers l’intérieur dudit réservoir, une juxtaposition d’une couche d’étanchéité et d’une couche d’isolation thermique interne.
De préférence, ledit couvercle comprend en outre une couche externe de résistance mécanique. De manière avantageuse, ladite couche d’étanchéité et/ou ladite couche d’isolation thermique interne et/ou ladite couche de résistance mécanique dudit couvercle sont formées de manière similaire respectivement à ladite couche d’étanchéité et/ou à ladite couche d’isolation thermique interne et ou à ladite couche de résistance mécanique de ladite section courante.
Selon un aspect, ledit réservoir comporte des particules de stockage de la chaleur.
En outre, l’invention concerne un système de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un réservoir pour le stockage de stockage de la chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
[Fig 1]
La figure 1 illustre schématiquement un réservoir de fluide sous pression selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig 2]
La figure 2 illustre la section courante d’un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig 3] La figure 3 illustre une couche d’isolation thermique de la section courante selon une première variante de réalisation de l’invention.
[Fig 4]
La figure 4 illustre une couche d’isolation thermique de la section courante selon une deuxième variante de réalisation de l’invention. [Fig 5] La figure 5 illustre une bride de la section courante selon une variante de réalisation de l’invention.
[Fig 6]
La figure 6 illustre une base d’un réservoir selon une première variante de réalisation de l’invention.
[Fig 7]
La figure 7 illustre une base d’un réservoir selon une deuxième variante de réalisation de l’invention.
[Fig 8] La figure 8 illustre une base d’un réservoir selon une troisième variante de réalisation de l’invention.
[Fig 9]
La figure 9 illustre une base d’un réservoir selon une quatrième variante de réalisation de l’invention. [Fig 10]
La figure 10 illustre un couvercle d’un réservoir selon une première variante de réalisation de l’invention.
[Fig 1 1 ]
La figure 1 1 illustre un couvercle d’un réservoir selon une deuxième variante de réalisation de l’invention.
Description des modes de réalisation
La présente invention concerne un réservoir fermé de stockage d’un fluide sous pression. Le réservoir peut contenir notamment un gaz sous pression, et par exemple de l’air comprimé. Toutefois, le réservoir est adapté à tout fluide sous pression.
Le réservoir comprend une section courante fermée de part et d’autre par une base et un couvercle. La section courante forme la paroi latérale du réservoir, et peut avoir sensiblement une forme tubulaire de section circulaire, ou une forme polygonale, par exemple octogonale. Ainsi, le réservoir peut avoir sensiblement la forme d’une colonne. L’intérieur de la section courante délimite le volume de stockage du fluide sous pression. La base et/ou le couvercle du réservoir comportent classiquement des orifices pour l’injection et/ou le soutirage du fluide sous pression. En dehors des orifices pour l’injection et ou le soutirage du fluide, le réservoir est fermé. Pour certaines applications du réservoir, le réservoir peut contenir des particules de stockage de chaleur, permettant de stocker la chaleur contenue dans le fluide. Ainsi, il est possible de réaliser un stockage d’énergie plus efficace.
La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un réservoir 1 selon un mode de réalisation de l’invention. Le réservoir 1 comporte une section courante 2, délimitant un volume de stockage 28 pour le stockage du fluide sous pression et éventuellement de particules de stockage de la chaleur. La section courante 2 a une forme sensiblement cylindrique. A son extrémité inférieure, la section courante 2 est fermée par une base 3. Pour le mode de réalisation représenté, la base 3 est disposée sur un sol 5. Alternativement, la base 3 peut être partiellement ou totalement enterrée. A son extrémité supérieure, la section courante est fermée par un couvercle 4. Pour simplifier la figure, la base 3 et le couvercle 4 sont représentés plats. Toutefois, ils peuvent prendre différentes formes, notamment hémisphériques.
La section courante du réservoir selon l’invention est formée par une juxtaposition de couches concentriques ayant des fonctions propres. Ces couches sont dites juxtaposées et concentriques car elles sont disposées les unes autour des autres sans espace libre entre elles. En d’autres termes, le diamètre (ou la distance au centre du réservoir dans le cas d’une section non circulaire) intérieur d’une couche externe correspond au diamètre (ou la distance au centre du réservoir dans le cas d’une section non circulaire) extérieur d’une couche interne consécutive à la couche externe. Une couche forme une paroi continue ayant la forme de la section courante.
De l’extérieur vers l’intérieur du réservoir la section courante comporte :
- éventuellement une couche de protection de la couche de résistance mécanique,
- une couche de résistance mécanique en béton précontraint, pour la résistance mécanique du réservoir, notamment vis-à-vis de la pression du fluide,
- une couche d’étanchéité au fluide, pour empêcher le fluide de passer dans la couche de résistance mécanique, et - une couche d’isolation thermique interne, pour empêcher la chaleur du fluide de chauffer la couche d’étanchéité et la couche de résistance mécanique.
Selon l’invention, la couche d’isolation thermique est non étanche au fluide. En d’autres termes, la couche d’isolation thermique est en équi-pression : les faces interne et externe de la couche d’isolation thermique sont soumises à la même pression. De plus, la couche d’isolation thermique n’est pas destinée à reprendre la pression interne. Avantageusement, la couche d’isolation thermique est la couche la plus interne de la section courante (aucune couche ne recouvre la couche d’isolation thermique).
Ainsi, chaque couche formant la section courante a une fonction précise. En particulier, la couche d’isolation thermique permet de séparer les fonctions de stockage thermique et de résistance à la pression. De cette manière, la chaleur reste contenue au cœur du réservoir, ce qui permet de dimensionner la structure pour une résistance à la pression à température ambiante : la conception mixte selon l’invention permet de mieux utiliser la capacité mécanique de chaque matériau et par conséquent de réduire les dimensions et le coût du système. En outre, une telle structure est de conception simple.
La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une section courante 2 d’un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 2 est une vue tridimensionnelle en coupe de la section courante 2. De l’extérieur vers l’intérieur de la section courante 2, la section courante comprend une couche de protection 1 1 , une couche de résistance mécanique 8, une couche d’étanchéité 7 et une couche d’isolation thermique 6. Tel qu’illustré (et tel que cela sera expliqué dans la suite de la description) la couche de résistance mécanique 8 est précontrainte selon une direction circonférentielle, par des éléments de précontrainte circonférentielle 9, tels que des fils, des torons ou des anneaux, et selon une direction axiale, par des éléments de précontrainte axiale 10, tels que des fils ou des torons. Les éléments de précontrainte circonférentielle 9 sont régulièrement répartis sur la hauteur de la section courante 2, et les éléments de précontrainte axiale 10 sont régulièrement répartis sur la circonférence de la section courante 2. La couche de protection 1 1 sert notamment à la protection de la corrosion des éléments de précontrainte circonférentielle. En outre, les extrémités axiales de la section courante 2 sont recouvertes par des brides 12. Tel qu’illustré, les brides 12 recouvrent les couches d’étanchéité 7 et de résistance mécanique 8. Avantageusement, la base et le couvercle du réservoir peuvent être adaptés à la conception de la section courante, dans un but de séparer les fonctions des différentes couches, et dans un but de fixation facilitée, tout en permettant de former un réservoir résistant à la pression et à la température. Différents modes de réalisation de la base et du couvercle seront décrits dans la suite de la description. Toutes ces variantes concourent à une conception simple et de coût réduit du réservoir.
Dans la suite de la description, différentes variantes de réalisation des différentes couches de la section courante, de la base et du couvercle sont détaillées. Ces variantes peuvent être combinées entre elles de manière à combiner leurs effets.
Couche d’isolation thermique de la section courante
Selon l’invention, la couche interne d’isolation thermique, vise à séparer les fonctions de stockage thermique et de résistance à la pression. Ainsi, la chaleur reste contenue dans le cœur du réservoir.
Selon une première variante de réalisation de l’invention, l’isolation thermique peut être assurée par un matériau permettant à la fois d’isoler thermiquement le contenu et le contenant et de maintenir le contenu sans être détérioré (dans le cas où le réservoir comporte des particules de stockage de chaleur). L’utilisation de béton cellulaire peut être une solution pour réaliser ces deux fonctions. Le béton cellulaire est un béton léger grâce à la présence de bulles de gaz qu’il contient, ce gaz provenant d'une réaction chimique qui a lieu lors de sa fabrication. De par sa structure poreuse, le béton cellulaire est non étanche au fluide. Par exemple, la couche l’isolation thermique peut être réalisée par une paroi en blocs de béton cellulaire. Les blocs peuvent être parallélépipédique ou peuvent prendre toute forme.
La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, la première variante de réalisation. La figure 3 est une vue tridimensionnelle en coupe de la couche d’isolation thermique 6. La couche d’isolation thermique 6 est formée d’une couche en béton cellulaire 13, formée d’un assemblage de blocs 27 de béton cellulaire.
Selon une deuxième variante de réalisation, l’isolation thermique peut être subdivisée en deux sous-couches : une interne dont le but est de contenir le contenu (par exemple les particules de stockage de chaleur) et une autre réalisant l’isolation thermique. On peut ainsi réaliser la couche d’isolation thermique par une première sous-couche réalisée en béton cellulaire permettant de contenir le matériau de stockage de la chaleur, sous forme de gravier par exemple, puis une isolation thermique sous forme de laine minérale, par exemple la laine de verre. La laine minérale est non étanche au fluide.
Pour cette variante de réalisation, il est possible d’ajouter des renforts entre la sous- couche supportant le contenu et la couche d’étanchéité. Les renforts permettent notamment d’éviter l’écrasement de la sous-couche en laine minérale.
La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, la deuxième variante de réalisation. La figure 4 est une vue tridimensionnelle en coupe de la couche d’isolation thermique. La couche d’isolation thermique 6 est formée d’une couche en béton cellulaire 13, et d’une couche en laine minérale 14. La couche en béton cellulaire peut être formée à partir de blocs 27 de béton cellulaire. De manière optionnelle, des renforts 15 sont prévus entre la couche en béton cellulaire 13 et la couche d’étanchéité 7.
Couche d’étanchéité de la section courante
La couche d’étanchéité vise à contenir le fluide, par exemple l’air, à chaque instant dans le réservoir. Seules les connectiques (moyens d’injection et de soutirage du fluide sous pression) du réservoir doivent influer sur la quantité de matière présente dans la colonne. Selon une variante de réalisation, la couche d’étanchéité peut être assurée par une première sous-couche formée en béton suivi d’une sous-couche formée en métal, de préférence en acier. La première sous-couche en béton a pour rôle de protéger d’une part la face interne de la sous-couche formée en acier contre les dommages physiques et/ou chimiques (corrosion notamment), éviter le collapse de la même sous-couche (en raison des précontraintes appliquées aux fils en acier) et, de façon générale, résister à la contrainte induite par le fluide sous pression.
Selon une alternative, la couche d’étanchéité peut être assurée directement par une couche en métal, de préférence en acier, résistant aux contraintes et dommages physiques et/ou chimiques induits par le milieu en contact. Alternativement, pour les deux variantes de réalisation décrites ci-dessus, la couche en métal ou la sous-couche en métal peut être remplacée directement par une couche ou une sous-couche en polymère résistant aux contraintes et dommages physiques et/ou chimiques induits par le milieu en contact (le fluide sous pression). On peut citer, par exemple, le polytétrafluoroéthylène PTFE. La réalisation de la sous-couche en polymère permet de réduire le poids et le coût de la couche d’étanchéité, alors que la réalisation de la sous- couche en métal apporte de meilleures caractéristiques mécaniques.
Le mode de réalisation de la figure 2 illustre une couche d’étanchéité 7 formée d’une couche d’acier.
Couche de résistance mécanique de la section courante
La couche de résistance mécanique permet la résistance à la pression et à ses variations dans le temps du fluide sous pression dans le réservoir. La couche de résistance mécanique est formée d’un béton précontraint. La précontrainte peut être mise en œuvre par au moins un fil, un toron ou un anneau précontraint, appelés « éléments de précontrainte circonférentielle » selon une direction circonférentielle ou selon une direction axiale. De préférence, le fil, le toron ou l’anneau est réalisé en métal, de préférence en acier. La couche formée d’un enroulement d’éléments de précontrainte en métal soumis à une précontrainte circonférentielle sur une sous-couche en béton, appelée « couche de béton précontraint » par la suite, a pour rôle de diminuer la contrainte circonférentielle supportée par la couche en acier lorsque le réservoir selon l’invention est mis en service. L’application d’une précontrainte en traction circonférentielle permet donc de dimensionner un réservoir pour le stockage d’un fluide sous pression avec une plus faible épaisseur de béton et d’acier que si aucune précontrainte n’était appliquée. En outre, la précontrainte soumet le(s) couche(s) de béton en compression qui vont contribuer à la résistance de l’ensemble en phase de service. Par conséquent, le réservoir selon l’invention est plus économique qu’un réservoir tout en acier, et peut être qui plus est techniquement réalisable. Selon un mode de mise en œuvre de l’invention, la précontrainte en traction circonférentielle peut être obtenue par un enroulement sous tension de d’éléments de précontrainte en métal sur la sous-couche en béton. L’utilisation de torons ou d’anneaux en acier permet d’appliquer une précontrainte plus importante que les fils en acier.
Alternativement ou en outre, des fils ou des torons en métal, de préférence en acier, appelés « éléments de précontrainte axiale », traversent la sous-couche en béton axialement et sont soumis à une précontrainte en traction axiale. La sous-couche en béton permet de séparer la couche d’étanchéité des éléments de précontrainte axiale eux-mêmes. La sous- couche précontrainte joue également un rôle dans la résistance mécanique de l’ensemble du réservoir. Les éléments de précontrainte (fils, torons, anneaux) circonférentielle peuvent être noyés dans la couche en béton, ou peuvent être placés sur sa surface extérieure.
Selon un aspect de l’invention, la couche de résistance mécanique peut être formée par un ou plusieurs moyens de mise en contrainte d’une sous-couche en béton. La sous- couche en béton peut être réalisée avec plusieurs qualités de béton suivant l’épaisseur. Chaque qualité de béton dans l’épaisseur étant choisie en fonction des contraintes subies et du rapport coût/performance le plus favorable.
De manière avantageuse, les éléments de précontrainte (fils, torons, anneaux) circonférentielle ou axiale peuvent être régulièrement répartis dans ou sur la couche en béton, pour une précontrainte homogène sur la couche de béton.
Le mode de réalisation de la figure 2 illustre une couche de résistance mécanique 8 formée d’une couche en béton 8 précontrainte circonférentiellement par des fils, torons ou anneaux 9 et axialement par des fils ou torons 10.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la partie supérieure et/ou inférieure de la section courante peuvent comporter une bride. Les brides peuvent permettre d’ancrer les fils d’acier axiaux, de fixer le couvercle, de fixer la base et de faciliter la continuité de l’étanchéité. Les brides peuvent être préférentiellement réalisées en métal, de préférence en acier. Avantageusement, les brides recouvrent au moins la couche de résistance mécanique.
Conformément à un exemple de ce mode de réalisation, si l’étanchéité est réalisée par une couche en acier, celle-ci peut-être soudée directement aux brides.
Le mode de réalisation de la figure 2 comporte une bride 12 de part et d’autre de la section courante.
La figure 5 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une bride selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 5 est une vue tridimensionnelle partielle d’une extrémité supérieure de la section courante du réservoir. Sur cette figure, la couche d’isolation thermique n’est pas représentée. Pour le mode de réalisation illustré, la couche d’étanchéité 7 est réalisée par une couche en acier, et la couche de résistance mécanique 8 est formée d’une couche en béton précontraint circonférentiellement par des fils, torons ou anneaux 9 et axialement par des fils ou torons 10. De plus, la section courante du réservoir comprend une couche de protection 1 1 . La bride 12 recouvre les couches d’étanchéité 7 et de résistance mécanique 8 ainsi que la couche de protection 1 1. Les extrémités des fils ou torons 10 sont fixés dans la bride 12. De plus la bride 12 est soudée à la couche d’étanchéité 7 par une soudure 16 au niveau de la surface de contact entre les deux éléments.
Selon un mode de réalisation, la couche de résistance mécanique peut également assurer une fonction d’étanchéité en étant formée par un ou plusieurs moyens de mise en contrainte d’une sous-couche en béton. Ici, la sous-couche formée en béton peut assurer une étanchéité plus ou moins complète. En effet, en fonction de la précontrainte, de l’épaisseur du béton, de la qualité du béton, il est possible de rendre cette couche étanche. Si le niveau d’étanchéité est suffisant, dans ce cas, le réservoir n’inclut pas de couche d’étanchéité supplémentaire.
Couche de protection de la section courante
On rappelle qu’il s’agit d’une couche optionnelle de la conception de la section courante du réservoir. La couche externe de protection vise à la préservation des agressions chimiques (type corrosion) et/ou physiques des fils, torons ou anneaux (notamment en métal) du réservoir selon l’invention. De ce fait, la couche externe de protection peut être en béton, ou bien du mortier ou tout autre matériau protecteur contre les agressions chimiques et/ou physiques. Cette couche de protection est par conséquent particulièrement avantageuse lorsque la couche de résistance mécanique comprend des éléments de précontrainte circonférentielle en périphérie. Avantageusement, cette couche peut ne pas posséder de fonction de résistance mécanique. C’est pourquoi cette couche peut être moins épaisse que la couche de résistance mécanique.
Le mode de réalisation de la figure 2 comporte une couche de protection 1 1 en béton.
Base du réservoir
La base du conteneur selon l’invention a pour but de :
- soutenir le cas échéant le matériau de stockage de chaleur,
- soutenir la section courante du réservoir,
- fermer la section courante du réservoir,
- assurer l’injection et/ou le soutirage du fluide sous pression, - prolonger l’étanchéité du réservoir, et
- assurer la continuité de la résistance mécanique de la colonne.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, la base peut être réalisée par un disque plat formé d’une unique couche ou d’un arrangement de couches superposées. Une telle forme plate est facile à mettre en oeuvre.
Alternativement, la base peut être réalisée par un fond hémisphérique formé d’une unique couche ou d’un arrangement de couches superposées. Un fond hémisphérique demande une épaisseur plus faible pour reprendre la pression par rapport à un fond plat.
Lorsque la base est réalisée en une seule couche, cette couche peut être en métal, de préférence en acier, afin d’assurer l’étanchéité du réservoir et de posséder une résistance mécanique suffisante. Cette variante de réalisation permet de faciliter la conception du réservoir, tout en conservant les caractéristiques attendues de celui-ci (étanchéité, résistance mécanique, etc.).
Pour une réalisation de la base avec un arrangement de couches superposées, les couches superposées de la base du réservoir de stockage d’un milieu sous pression peuvent être ordonnées, en allant de l’intérieur vers l’extérieur de la dite colonne, de la façon suivante :
- une couche soutenant (couche de soutènement) le matériau de stockage de chaleur ;
- une couche d’étanchéité pour éviter les fuites de fluide sous pression ;
- au moins une couche assurant une partie ou la totalité de la résistance mécanique de la base du réservoir.
Selon une variante de réalisation de l’invention, les couches de soutènement du matériau de stockage de chaleur, des couches d’étanchéité et de résistance mécanique de la base du réservoir, peuvent être assurées par une paroi en acier.
Selon un exemple de réalisation, la couche de soutènement peut être réalisée en béton.
Selon une autre réalisation de l’invention, les couches d’étanchéité et de résistance mécanique peuvent être formées de manière similaire aux couches d’étanchéité et de résistance mécanique de la section courante. De manière similaire indique que la couche comporte les mêmes caractéristiques grâce au(x) même(s) matériau(x), à des épaisseurs sensiblement égales, et le cas échéant à des mêmes sous-couches. Cette réalisation permet une facilité de réalisation et d’assemblage.
Si la base est réalisée par une paroi en acier, celle-ci peut être connectée à la section courante par boulonnage sur une bride placée en extrémité de la section courante. Puis, la continuité de l’étanchéité peut être réalisée par l’une des manières suivantes :
- soudage de la paroi acier avec la plaque d’acier de la section courante,
- débordement sur une partie de la paroi acier par le polymère placé sur la section courante,
- joint d’étanchéité par exemple en élastomère placé entre la base et la section courante dans le cas où le béton assure l’étanchéité de la section courante.
La figure 6 illustre une base selon une première variante de réalisation de l’invention. La figure 6 est une vue tridimensionnelle partielle en coupe. Sur cette figure, est représentée la partie inférieure de la section courante. Pour le mode de réalisation représenté, la section courante est formée d’une couche d’isolation thermique 6, d’une couche d’étanchéité 7, d’une couche de résistance mécanique 8 renforcée par des fils circonférentiels 9 et des fils axiaux 10 et d’une couche de protection 1 1. La base 3 est fixée à la section courante. La base 3 a une forme de disque plat et comporte un orifice 20 central pour l’injection et/ou le soutirage de fluide sous pression. La base 3 est formée d’une superposition de différentes couches, allant de l’extérieur vers l’intérieur du réservoir, une couche 19 de résistance mécanique en béton armé ou précontraint, une couche d’étanchéité 18 en acier, et une couche de soutènement 17 en acier. Les fils axiaux 10 de précontrainte traversent la base 3 et sont fixés à celle-ci par exemple au moyen de boulons.
La figure 7 illustre une base selon une deuxième variante de réalisation de l’invention. La figure 7 est une vue tridimensionnelle partielle en coupe. Sur cette figure, est représentée la partie inférieure de la section courante. Pour le mode de réalisation représenté, la section courante est formée d’une couche d’isolation thermique (non représentée), d’une couche d’étanchéité 7, d’une couche de résistance mécanique 8 renforcée par des fils circonférentiels 9 et des fils axiaux 10 et d’une couche de protection 1 1. La base 3 est fixée à la section courante. La base 3 a une forme de disque plat et comporte un orifice 20 central pour l’injection et/ou le soutirage de fluide sous pression. La base 3 est formée d’une unique couche d’étanchéité 21 en acier (qui peut également jouer le rôle de couche de soutènement et de résistance mécanique). La couche d’étanchéité 21 a sensiblement la forme d’un disque dont le diamètre correspond au diamètre extérieur de la section courante. La couche d’étanchéité 21 de la base 3 est fixée à la couche d’étanchéité 7 de la section courante, au moyen d’une soudure 22, prévue au niveau de l’intersection des deux couches d’étanchéité. La soudure 22 peut être prévue sur le diamètre intérieur de la couche d’étanchéité 7.
La figure 8 illustre une base selon une troisième variante de réalisation de l’invention. La figure 8 est une vue tridimensionnelle partielle en coupe. Sur cette figure, est représentée la partie inférieure de la section courante. Pour le mode de réalisation représenté, la section courante est formée d’une couche d’isolation thermique (non représentée), d’une couche d’étanchéité 7, d’une couche de résistance mécanique 8 renforcée par des fils circonférentiels 9 et des fils axiaux 10 et d’une couche de protection 1 1. La base 3 est fixée à la section courante. La base 3 a une forme de disque plat et comporte un orifice 20 central pour l’injection et/ou le soutirage de fluide sous pression. La base 3 est formée d’une superposition de différentes couches, allant de l’extérieur vers l’intérieur du réservoir, une couche 19 de résistance mécanique en béton armé ou précontraint et une couche d’étanchéité 18 en acier, qui peut servir également de couche de soutènement. Les fils axiaux 10 de précontrainte traversent la base 3 et sont fixés à celle-ci par exemple au moyen de boulons. La couche d’étanchéité 18 de la base 3 est fixée à la couche d’étanchéité 7 de la section courante, au moyen d’une soudure 23, prévue au niveau de l’intersection des deux couches d’étanchéité. La soudure 23 peut être prévue sur le diamètre intérieur de la couche d’étanchéité 7.
La figure 9 illustre une base selon une quatrième variante de réalisation de l’invention. La figure 9 est une vue tridimensionnelle partielle en coupe. Sur cette figure, est représentée la partie inférieure de la section courante. Pour le mode de réalisation représenté, la section courante est formée d’une couche d’isolation thermique (non représentée), d’une couche d’étanchéité 7, d’une couche de résistance mécanique 8 renforcée par des fils circonférentiels 9 et des fils axiaux 10 et d’une couche de protection 1 1. La base 3 est fixée à la section courante. La base 3 a une forme de disque plat et comporte un orifice 20 central pour l’injection et ou le soutirage de fluide sous pression. La base 3 est formée d’une unique couche d’étanchéité 21 en acier (qui peut également jouer le rôle de couche de soutènement et de résistance mécanique). La couche d’étanchéité 21 a sensiblement la forme d’un disque dont le diamètre correspond au diamètre intérieur de la couche d’étanchéité 7 de la section courante. La couche d’étanchéité 21 de la base 3 est fixée à la couche d’étanchéité 7 de la section courante, au moyen d’une soudure 29, prévue au niveau de l’intersection des deux couches d’étanchéité. La soudure 29 peut être prévue sur le diamètre intérieur de la couche d’étanchéité 7. Couvercle du réservoir
Le couvercle du réservoir selon l’invention a notamment pour but de :
- isoler thermiquement l’intérieur du réservoir,
- fermer le réservoir,
- assurer l’injection et/ou le soutirage du fluide sous pression,
- prolonger l’étanchéité du réservoir, et assurer la continuité de la résistance mécanique du réservoir.
Selon une mise en œuvre l’invention, le couvercle peut être réalisé par un disque plat formé d’une unique couche ou d’un arrangement de couches superposées. Cette mise en œuvre permet une réalisation plus facile, notamment pour un couvercle en béton.
Alternativement, le couvercle peut être réalisé par une paroi hémisphérique réalisée par une unique couche ou par un arrangement de couches superposées. Cette alternative permet de réaliser un couvercle moins onéreux, en particulier pour un couvercle en métal.
Lorsque le couvercle est réalisé en une seule couche, cette couche peut être en métal, de préférence en acier, afin d’assurer l’étanchéité du réservoir et de posséder une résistance mécanique suffisante.
Pour une réalisation du couvercle avec un arrangement de couches superposées, les couches superposées du couvercle du réservoir de stockage d’un milieu sous pression peuvent être ordonnées, en allant de l’intérieur vers l’extérieur de la dite colonne, de la façon suivante :
- une couche d’isolation thermique,
- une couche d’étanchéité au fluide, et
- au moins une couche assurant une partie ou la totalité de la résistance mécanique du couvercle de la colonne. Selon une variante de réalisation de l’invention, les couches d’étanchéité et de résistance mécanique du couvercle du réservoir, peuvent être assurées par une paroi en acier.
Selon une autre réalisation de l’invention, les couches d’étanchéité et de résistance mécanique du couvercle peuvent être formées de manière similaire aux couches d’étanchéité et de résistance mécanique de la section courante. De manière similaire indique que la couche comporte les mêmes caractéristiques grâce au(x) même(s) matériau(x), à des épaisseurs sensiblement égales, et le cas échéant à des mêmes sous-couches. Cette réalisation permet une facilité de réalisation et d’assemblage. Selon un mode de réalisation de l’invention, si le couvercle est réalisé par une paroi en acier, celle-ci peut être connectée à la section courante par boulonnage sur une bride placée en extrémité de la section courante. Puis, la continuité de l’étanchéité peut être réalisée par :
- soudage de la paroi acier avec la plaque d’acier de la section courante, ou
- débordement sur une partie de la paroi acier par le polymère placé sur la partie courante, ou
- joint placé entre la base et la partie courante dans le cas où le béton assure l’étanchéité de la section courante.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, si le couvercle est réalisé par une paroi en acier, celui-ci peut être connecté à la section courante par boulonnage sans utiliser de bride intermédiaire. Dans ce cas, la connexion peut se faire par des tiges d'ancrage métalliques scellées dans le béton de la partie courante sur lesquelles vient se fixer le couvercle à l’aide d'écrous métalliques. La continuité de l’isolation thermique peut quant à elle être réalisée en poursuivant l’isolation thermique de la section courante le long de la partie interne du couvercle. Selon un mode de réalisation de l’invention, les couches d’étanchéité et de résistance mécanique du couvercle de la colonne peuvent être assurées par une sous-couche interne en acier liée à une couche formée par du béton armé.
Conformément à une mise en œuvre, si le couvercle est réalisé par une paroi en acier fixée à une couche en béton armé ou précontraint, la connexion entre les deux éléments peut être réalisée par boulonnage avec la présence de brides. Selon un aspect de l’invention, si le couvercle est réalisé par une paroi en acier fixée à une couche en béton précontraint, la connexion entre les deux éléments peut être réalisée par un ancrage sur la section courante des fils en acier du couvercle.
Selon un mode de réalisation, si le couvercle est réalisé par une paroi en acier fixée à une couche en béton précontraint, la connexion entre les deux éléments peut être réalisée par un ancrage sur la base des fils en acier du couvercle traversant la section courante.
Selon une mise en œuvre de l’invention, si le couvercle est réalisé par une paroi en acier fixée sur une couche en béton armé et/ou précontraint, la continuité de l’étanchéité peut être réalisée par :
- soudage de la paroi acier avec la plaque d’acier de la section courante, ou
- débordement sur une partie de la paroi acier par le polymère placé sur la partie courante, ou
- joint placé entre le couvercle et la partie courante dans le cas où le béton assure l’étanchéité de la section courante.
La figure 10 illustre un couvercle selon une première variante de réalisation de l’invention. La figure 10 est une vue tridimensionnelle partielle en coupe. Sur cette figure, est représentée la partie supérieure de la section courante. Pour le mode de réalisation représenté, la section courante est formée d’une couche d’isolation thermique 6, d’une couche d’étanchéité 7, d’une couche de résistance mécanique 8 renforcée par des fils circonférentiels 9 et des fils axiaux 10 et d’une couche de protection 1 1 . Le couvercle 4 est fixé à la section courante. Le couvercle 4 a une forme de disque plat et comporte un orifice 26 central pour l’injection et/ou le soutirage de fluide sous pression. Le couvercle 4 est formé d’une superposition de différentes couches, allant de l’extérieur vers l’intérieur du réservoir, une couche 25 de résistance mécanique en béton armé ou précontraint, une couche d’étanchéité 24 en acier, et une couche d’isolation thermique 23. Les fils axiaux 10 de précontrainte traverse le couvercle 4 et sont fixés à celui-ci par exemple au moyen de boulons.
La figure 1 1 illustre un couvercle selon une deuxième variante de réalisation de l’invention. La figure 1 1 est une vue tridimensionnelle partielle en coupe. Sur cette figure, est représentée la partie supérieure de la section courante. Pour le mode de réalisation représenté, la section courante est formée d’une couche d’isolation thermique 6, d’une couche d’étanchéité 7, d’une couche de résistance mécanique 8 renforcée par des fils circonférentiels 9 et des fils axiaux 10 et d’une couche de protection 1 1 . Le couvercle 4 est fixé à la section courante. Le couvercle 4 a une forme hémisphérique et comporte un orifice 26 central pour l’injection et/ou le soutirage de fluide sous pression. Le couvercle 4 est formé d’une superposition de différentes couches, allant de l’extérieur vers l’intérieur du réservoir, une couche d’étanchéité 24 en acier, qui sert aussi de couche de résistance mécanique, et une couche d’isolation thermique 23.
Système et procédé de stockage et de restitution d’énergie
L’invention concerne aussi un moyen de stockage et de restitution d’énergie comprenant au moins un moyen de compression, au moins un moyen de détente, au moins un moyen de stockage de la chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes et au moins un réservoir de fluide sous pression. En effet, l’utilisation d’un réservoir de fluide sous pression tel que décrit précédemment est adaptée aux pressions et températures élevées du gaz sous pression mis en oeuvre dans un tel système. De plus, le réservoir selon l’invention permet de réduire considérablement le coût du réservoir de fluide sous pression, ce qui est particulièrement utile au moyen de stockage et de restitution d’énergie, le réservoir de fluide sous pression étant un facteur de coût important du moyen de stockage et de restitution d’énergie. Il est particulièrement adapté pour le fonctionnement des systèmes de type AACAES.
La présente invention concerne également un procédé de stockage et de restitution par gaz comprimé, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on comprime un gaz, notamment au moyen d’un compresseur,
b) on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur, en particulier dans un moyen de stockage de la chaleur,
c) on stocke le gaz comprimé refroidi, notamment dans un réservoir pour le stockage d’un fluide sous pression selon l’invention,
d) on chauffe le gaz comprimé stocké, par échange de chaleur, dans le moyen de stockage de la chaleur,
e) on détend le gaz comprimé chauffé pour générer une énergie, par exemple au moyen d’une turbine pour produire une énergie électrique.
Le réservoir selon l’invention est adapté à d’autres utilisations de stockage de fluides sous pression en température, telles que le stockage de fluide de travail dans des cycles thermodynamique comme celui de Rankine par exemple, ou dans une central à gaz, nucléaire ou au charbon. Exemple
Les caractéristiques et avantages du réservoir selon l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de l’exemple d’application ci-après.
Le réservoir utilisé pour l’exemple est formé d’une section courante selon la variante de la figure 2, d’une base selon la variante de la figure 6 et d’un couvercle selon la variante de la figure 1 1. De plus, pour la section courante du réservoir de l’exemple : la couche d’isolation thermique est formée de béton cellulaire et d’une laine minérale, la couche d’étanchéité est formée d’une couche en polymère (PTFE), la couche de résistance mécanique est formée de béton précontraint par des torons de précontrainte circonférentielle, et des torons de précontrainte axiale, et la couche de protection est en béton. La base du réservoir de l’exemple comprend une couche de soutènement en béton, une couche d’étanchéité en acier, et une couche de béton armé. Le couvercle du réservoir de l’exemple comprend une couche d’isolation thermique en laine minérale, et une couche d’étanchéité et de résistance mécanique en acier.
Pour l’exemple mise en oeuvre les principales caractéristiques sont :
• Température : 59 - 263 Ό
• Pression du fluide : 70.6 - 125.6 bar
• Volume interne : 672 m3
• Diamètre interne : 7 m
• Hauteur interne : 17.5 m
• Epaisseur béton cellulaire (Passifbloc™ commercialisé par Cellumat avec lambda 0.65) : 0.5 m
• Epaisseur Laine minérale : 0.30 m
• Classe de résistance du béton : fck = 60 MPa
• Résistance ultime de l’acier de précontrainte : 1860 MPa
Limite élastique de l’acier de précontrainte : 1650 MPa
Torons utilisées pour précontrainte : T15.7 Section des câbles de précontrainte circonférentiels : 4 x 13 T15.7
• Espacement des câbles de précontrainte circonférentiels : 250 mm
• Section des câbles de précontrainte axiaux : 4 x 13 T15.7
• Nombre des câbles de précontrainte axiaux : 60 (tous les 6°)
• Epaisseur de la paroi en béton : 1.4 m
• Epaisseur couche d’acier d’étanchéité : 2 mm
• Limite élastique de l’acier du couvercle : 355 MPa
• Epaisseur du couvercle en acier : 100 mm
L’exemple concerne l’utilisation d’un tel réservoir pour le stockage d’air comprimé, dans un système de type AACAES.
Pour répondre au même besoin de stockage de gaz comprimé, la réalisation d’un réservoir de stockage de pression avec une mise en œuvre classique (selon l’art antérieur) conduit à des dimensions très importantes. En effet, dans ce cas le matériau de stockage de chaleur est directement placé dans une colonne en acier avec une isolation extérieure. L’épaisseur d’acier calculée est de 193mm pour un diamètre interne de 3.5m. Cette gamme d’épaisseur amène des problématiques de fabrication autant pour le soudage, que le roulage des tôles ou que les traitements thermiques. De plus, le poids de la structure devient très important avec une telle épaisseur, donc difficilement transportable. De plus, il est difficile de réaliser des soudures sur site pour des épaisseurs supérieures à 60mm. Donc ce concept se révèle irréalisable.
Pour diminuer l’épaisseur nécessaire, le diamètre interne équivalent doit être réduit par 2. L’épaisseur est presque divisée par deux mais reste très importante, supérieure à 100mm. Cela devient réalisable mais cela impacte encore fortement toutes les opérations de fabrication et de transport de la structure totale.
Pour gagner encore sur l’épaisseur, on peut choisir un acier qui a une plus haute limite élastique pour les températures considérées. Le P460NH est un choix judicieux. L’épaisseur nécessaire descend à 82mm, ce qui est plus acceptable au regard de toutes les opérations qui sont à effectuer.
Les calculs faits analytiquement pour la solution avec l’acier P460NH, ont été confirmés par le calcul sous pression avec le logiciel SICAPNet™. L’épaisseur de la virole est estimée à 85mm. Pour le couvercle et la base, le dimensionnement réalisé avec le même logiciel indique que l'épaisseur doit être augmentée : elle est de 95mm ce qui correspond à 7 tonnes par fond. Ce logiciel tient compte de la baisse des caractéristiques mécaniques avec l'augmentation des épaisseurs de tôles.
La réalisation du même système suivant la mise en œuvre décrite dans FR3054028A1 (US2018016984) conduit à des dimensions plus raisonnables. Dans ce cas, une paroi en béton (10cm) et un isolant (10cm) sont contenus dans la virole en acier. Ainsi, pour le même système, le diamètre interne de la virole passe à 3.9m. L’épaisseur d’acier ainsi nécessaire est de 146mm contre 193mm pour la mise en œuvre classique. Bien que plus avantageuse, cette mise en œuvre ne règle pas toutes les problématiques de fabrication autant pour le soudage, que le roulage des tôles ou que les traitements thermiques.
La mise en œuvre décrite selon l’invention permet d’atteindre des diamètres beaucoup plus importants : 7 m dans l’exemple présenté ici. Ceci permet tout d’abord de réduire le rapport surface sur volume de la colonne et ainsi de limiter les pertes thermiques. La problématique du transport est fortement réduite car le système est construit majoritairement sur place. L’isolation interne garanti un fonctionnement optimal/dédié du matériau de stockage de chaleur. En effet, la paroi ne perturbe pas thermiquement le matériau de stockage ni le fluide circulant dans le réservoir. L’isolation thermique permet également de limiter l’impact de la température sur le dimensionnement du système à la pression interne. L’étanchéité quant à elle permet le limiter les pertes de matière, notamment, d’air qui est le vecteur de transfert d’énergie dans le AACAES. Une perte de quantité de matière diminuerait le rendement global.

Claims

Revendications
1. Réservoir de stockage d’un fluide sous pression, tel que l’air comprimé, ledit réservoir (1 ) comprenant une section courante (2) fermée de part et d’autre par une base (3) et un couvercle (4), ladite section courante (2) étant formée par une juxtaposition de couches concentriques, comprenant, en allant de l’extérieur vers l’intérieur dudit réservoir (1 ), une couche de résistance mécanique (8) formée de béton précontraint et une couche d’étanchéité (7) dudit fluide, caractérisé en ce que ladite section courante (2) comprend une couche d’isolation thermique (6) juxtaposée sur la face intérieure de ladite couche d’étanchéité (7), ladite couche d’isolation thermique (6) interne étant non étanche audit fluide.
2. Réservoir selon la revendication 1 , dans lequel ladite couche d’isolation thermique (6) interne comprend au moins une sous-couche en béton cellulaire (13).
3. Réservoir selon la revendication 2, dans lequel ladite couche d’isolation thermique (6) interne comprend une juxtaposition de sous-couches concentriques comprenant, en allant de l’extérieur vers l’intérieur dudit réservoir, une sous-couche en laine minérale (14), telle que la laine de verre, et ladite sous-couche en béton cellulaire (13).
4. Réservoir selon la revendication 3, dans lequel ladite couche d’isolation thermique (6) interne comporte en outre des renforts (15) entre ladite sous-couche en béton cellulaire (13) et ladite couche d’étanchéité (7).
5. Réservoir selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel ladite sous-couche en béton cellulaire (13) est réalisée par un assemblage de blocs (27).
6. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite couche d’étanchéité (7) est formée d’une couche en métal, notamment en acier, ou en polymère, notamment en polytétrafluoroéthylène PTFE, ou d’une juxtaposition d’une sous-couche interne en béton et d’une sous-couche externe en métal, notamment en acier, ou en polymère, notamment en polytétrafluoroéthylène PTFE.
7. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite couche de résistance mécanique (8) est formée par au moins un fil, un toron ou un anneau (9) en métal, notamment en acier, noyé ou en périphérie d’une couche en béton (8), ledit fil, toron ou anneau étant soumis à une précontrainte de traction circonférentielle.
8. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche en béton de ladite couche de résistance mécanique (8) est traversée axialement par au moins un fil ou toron (10) en métal, notamment en acier, soumis à une précontrainte de traction axiale.
9. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins une extrémité axiale de ladite section courante (2) est recouverte d’une bride (12), notamment en métal, de préférence en acier.
10. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite section courante (2) comporte une couche externe de protection (1 1 ), notamment en béton.
1 1 . Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite base (3) comprend une couche en métal (18, 21 ), notamment en acier.
12. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite base (3) comprend, une superposition de couches avec de l’extérieur vers l’intérieur dudit réservoir (1 ), une couche de résistance mécanique (17), une couche d’étanchéité (18) et une couche de soutien (19).
13. Réservoir selon la revendication 12, dans lequel ladite couche de résistance mécanique (17) et ladite couche d’étanchéité (18) de ladite base (3) sont formées de manière similaire respectivement à ladite couche de résistance mécanique (8) et à ladite couche d’étanchéité (7) de ladite section courante (2).
14. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite base (3) et ledit couvercle (4) comprennent un orifice d’injection et/ou de soutirage (20, 26) dudit fluide sous pression.
15. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit couvercle (4) a une forme plane ou hémisphérique.
16. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit couvercle (4) comprend une superposition de couches avec de l’extérieur vers l’intérieur dudit réservoir, une juxtaposition d’une couche d’étanchéité (24) et d’une couche d’isolation thermique (23) interne.
17. Réservoir selon la revendication 16, dans lequel ledit couvercle comprend en outre une couche externe de résistance mécanique (25).
18. Réservoir selon l’une des revendications 16 ou 17, dans lequel ladite couche d’étanchéité (24) et/ou ladite couche d’isolation thermique (23) interne et ou ladite couche de résistance mécanique (25) dudit couvercle (25) sont formées de manière similaire respectivement à ladite couche d’étanchéité (7) et/ou à ladite couche d’isolation thermique interne (6) et/ou à ladite couche de résistance mécanique (8) de ladite section courante (2).
19. Réservoir selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit réservoir (1 ) comporte des particules de stockage de la chaleur.
20. Système de stockage et de restitution d’énergie par gaz comprimé comportant au moins un moyen de compression de gaz, au moins un réservoir (1 ) pour le stockage de stockage de la chaleur selon l’une des revendications précédentes, au moins un moyen de détente dudit gaz comprimé pour générer une énergie.
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