FR2866096A1 - Electrical energy storing device, has air compression assembly with air compressor that produces compressed air utilizing electrical energy, and turbine assuring expansion and reheating of compressed air, using geothermal and solar energy - Google Patents

Abstract

The device has a cylindrical tank (1) disposed on sea bottom (5) near shore at a depth between 500 to 1000 meters. An air compression assembly has an air compressor that produces compressed air utilizing electrical energy during idle period. A turbine connected to the tank by a conduit assures the expansion and reheating of the compressed air, using geothermal and solar energy.

Description

Translated fromFrench

La présente invention concerne un dispositif destiné au stockage deThe present invention relates to a device for the storage of

l'énergie, sous forme d'air comprimé, en vue de réguler la puissance disponible sur un réseau électrique.  energy, in the form of compressed air, to regulate the power available on an electrical network.

Stocker massivement l'énergie pendant les heures creuses et satisfaire la demande pendant les heures de pointe, est utile pour la sécurité de la consommation, pour les économies d'énergie et même pour la sécurité de la production, qui serait moins soumise à la contrainte des urgences. Le but de cette invention est de pallier l'insuffisance des moyens actuels dans ce domaine.  Massively store energy during off-peak hours and meet demand during peak hours, is useful for safety of consumption, for energy savings and even for safety of production, which would be less constrained emergencies. The purpose of this invention is to overcome the inadequacy of the current means in this field.

Produire de l'air comprimé, le stocker dans une cavité aménagée dans un sol calcaire ou dans une lentille de sel, a été réalisé mais ce dispositif présente deux inconvénients: Le volume de la cavité étant inchangé, il en résulte que la compression ainsi que la détente, s'effectue de manière isochore alors qu'un fonctionnement isobare serait préférable. D'autre part, la combustion d'hydrocarbures pour le chauffage de l'air avant sa détente, est un inconvénient, puisque ce procédé consomme une énergie non renouvelable. La présente invention propose d'effectuer le stockage dans une fosse marine de grande profondeur, proche de la côte. En France le Gouf de Cap Breton est particulièrement intéressant. A 60 Km environ du rivage, il y a un fond marin d'une profondeur de 1000 mètres. Il y règne une pression approximative de 100 bars. Une cuve stockant de l'air comprimé à cette pression, ne nécessiterait pas une parois épaisse pour résister à cette contrainte. L'intérêt essentiel de cette invention résulte de cette simple évidence.  Producing compressed air, storing it in a cavity made in a calcareous soil or in a salt lens, has been realized, but this device has two disadvantages: The volume of the cavity being unchanged, it follows that the compression as well as the relaxation is isochoric while isobaric operation is preferable. On the other hand, the combustion of hydrocarbons for heating the air before expansion is a disadvantage, since this process consumes non-renewable energy. The present invention proposes to carry out the storage in a deep marine pit, close to the coast. In France the Guf of Cape Breton is particularly interesting. About 60 km from the shore, there is a seabed with a depth of 1000 meters. There is an approximate pressure of 100 bars. A tank storing compressed air at this pressure would not require a thick wall to resist this constraint. The essential interest of this invention results from this simple evidence.

Le stockage de l'énergie pendant une période au cours de laquelle la production est excédentaire, en vue de son utilisation ultérieure comporte dans le cas présent 3 étapes: É Production d'air comprimé.  The storage of energy during a period during which the production is surplus for later use involves in this case 3 steps: Production Production of compressed air.

É Stockage de l'air comprimé.É Storage of compressed air.

É Transformation de l'air comprimé en énergie électrique.  É Transformation of compressed air into electrical energy.

La première étape (production d'air comprimé), concerne un engin semblable au dispositif produisant de l'énergie électrique il sera décrit à la fin.  The first step (production of compressed air), concerns a machine similar to the device producing electrical energy it will be described at the end.

La description du dispositif de stockage comporte les moyens pour sa fabrication, sa mise en place et son fonctionnement. En conséquence la description de cette invention comporte 4 parties - Description et fonctionnement du dispositif de stockage d'air comprimé. - Mise en place de l'engin de stockage.  The description of the storage device comprises the means for its manufacture, its implementation and its operation. Accordingly the description of this invention comprises 4 parts - Description and operation of the compressed air storage device. - Installation of the storage vehicle.

Dispositif assurant la production d'énergie électrique.  Device ensuring the production of electrical energy.

- Dispositif produisant en partie ou en totalité l'air comprimé destiné à être stocké. - 2 -  - Device producing part or all of the compressed air to be stored. - 2 -

Le dispositif de stockage de l'air comprimé comporte une partie fixe que l'on appellera la cuve et une partie mobile que l'on appellera le piston.  The device for storing the compressed air comprises a fixed part that will be called the vessel and a movable part that will be called the piston.

Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente en coupe, le dispositif de stockage (cuve et piston).  The accompanying drawings illustrate the invention. FIG. 1 represents in section, the storage device (tank and piston).

La figure 2 représente en coupe un étage de la turbine.  Figure 2 shows in section a stage of the turbine.

En référence au dessin de la figure 1, le dispositif comporte une cuve cylindrique (1) dont la partie supérieure bombée est raccordée à un cylindre (2), servant de guide à l'axe (3) du piston (4). Cette cuve repose sur le fond marin (5). Une enveloppe cylindrique (6) met en communication l'eau environnante avec le fond de la cuve, grâce à des ouvertures (7). Des entretoises, entre la cuve et l'enveloppe (6), assurent la rigidité de la paroi verticale de la cuve. Deux symboles différents représentent les fluides en présence; Il s'agit de l'air comprimé confiné à la partie supérieure de la cuve et de l'eau de mer en (8) et en (9). L'eau de mer entourant la cuve, n'est pas symbolisée. Deux autres symboles différents représentent le fond marin (5) et un matériau de flottabilité (10), plus léger que l'eau, inclus dans le piston (4). Ce matériau peut être un liquide ou un solide, que les spécialistes de l'exploration sous marine, désignent sous le vocable de mousse syntactique . Le but recherché est de conférer au piston une légèreté suffisante pour qu'il ne tombe pas au fond de la cuve et assure une séparation permanente entre la phase liquide et la phase gazeuse. Un guidage à billes (11) permet au piston de monter ou de descendre selon qu'il y a sortie ou entrée d'air dans la cuve. Le piston ne joue aucun rôle mécanique, son mouvement étant en outre très lent, l'espace (12) est tel que sans frottement, le contact air eau est réduit au minimum. Cette séparation entre l'air et l'eau est nécessaire car sans le piston, une quantité importante d'air sous pression serait dissoute dans l'eau, ce qui serait une perte d'énergie et une atteinte à l'environnement. Un ou plusieurs orifices (13) munis de vannes télécommandées, assurent l'entrée ou la sortie de l'air comprimé. La protection contre la corrosion est assurée concurremment par un revêtement et par une mise à un potentiel approprié selon les normes en usage en milieu marin. Par souci de clarté, les dispositifs de mesure du volume d'eau stocké (hauteur du piston), ainsi que de pression (variable avec le marnage ainsi que la hauteur du piston) et de débit (air entrant ou sortant) ne sont pas représentés.  Referring to the drawing of Figure 1, the device comprises a cylindrical vessel (1) whose convex upper portion is connected to a cylinder (2), serving as a guide to the axis (3) of the piston (4). This tank rests on the seabed (5). A cylindrical envelope (6) communicates the surrounding water with the bottom of the tank, through openings (7). Spacers, between the tank and the casing (6), ensure the rigidity of the vertical wall of the tank. Two different symbols represent the fluids present; This is compressed air confined to the upper part of the tank and sea water in (8) and (9). The sea water surrounding the tank is not symbolized. Two other different symbols represent the seabed (5) and a buoyancy material (10), lighter than water, included in the piston (4). This material can be a liquid or a solid, which specialists in underwater exploration, refer to as syntactic foam. The aim is to give the piston a light enough to not fall to the bottom of the tank and ensures a permanent separation between the liquid phase and the gas phase. A ball guide (11) allows the piston to ascend or descend depending on whether there is an outlet or inlet of air into the tank. The piston plays no mechanical role, its movement being moreover very slow, the space (12) is such that without friction, the water air contact is reduced to a minimum. This separation between air and water is necessary because without the piston, a large amount of pressurized air would be dissolved in the water, which would be a loss of energy and an attack on the environment. One or more orifices (13) provided with remote-controlled valves ensure entry or exit of the compressed air. The protection against corrosion is ensured concurrently by a coating and by setting to a suitable potential according to the standards used in marine environment. For the sake of clarity, the devices for measuring the volume of water stored (piston height), as well as the pressure (variable with the tide and the height of the piston) and the flow rate (air entering or leaving) are not represented. .

Afin d'éviter les effets de la houle qui compliqueraient la dépose de l'engin, au moyen de câbles depuis la surface, un dispositif est mis en place pour en assurer une descente autonome. Des pales sont fixées autour de l'engin, elle sont orientables individuellement - 3 - grâce à des servomoteurs;elles ne sont pas représentées dans la figure 1. Après avoir été remorqué depuis le lieu de fabrication, jusqu'au dessus du lieu de mise en service, l'engin est rempli d'eau; il n'y a plus alors d'air dans la cuve; le piston est au plus haut de sa course et la cuve commence sa descente. L'orientation des pales permet de donner à l'engin une assiette appropriée, elles peuvent également le mettre en rotation. Un ombilical établit une liaison électrique entre la cuve et un organe de commande contrôlé par un ordinateur placé sur un navire. Un programme effectue les calculs en tenant compte, de la zone d'atterrissage déterminée à l'avance, de la courantologie et de la situation de l'engin à chaque instant de sa trajectoire. A la fin de l'opération, l'assiette de l'engin ainsi que l'arrêt de sa rotation est assuré, pour un atterrissage en douceur. Un revêtement épais (14) protége le fond de la cuve en empêchant les blessures que les irrégularités du fond marin pourraient occasionner. Un lest est introduit en 8, sans obturer le passage de l'eau.  To avoid the effects of waves that would complicate the removal of the machine, by means of cables from the surface, a device is put in place to ensure an autonomous descent. Blades are fixed around the machine, they are individually adjustable by means of servomotors, they are not shown in Figure 1. After being towed from the place of manufacture, to the top of the place of placing in use, the machine is filled with water; there is no longer air in the tank; the piston is at its highest point and the tank begins its descent. The orientation of the blades gives the machine a proper attitude, they can also rotate it. An umbilical establishes an electrical connection between the tank and a control member controlled by a computer placed on a ship. A program performs the calculations by taking into account, from the landing zone determined in advance, the currents and the situation of the craft at each moment of its trajectory. At the end of the operation, the attitude of the machine as well as the stop of its rotation is assured, for a soft landing. A thick coating (14) protects the bottom of the tank by preventing injuries that irregularities of the seabed could cause. A ballast is introduced at 8, without closing the passage of the water.

La production d'énergie électrique s'effectue dans un groupe turboalternateur très différent des machines usuelles: - L'axe auquel sont fixés les aubages et qui est solidaire de l'alternateur est d'une grande longueur, il est porté par de nombreux paliers.  The production of electrical energy is carried out in a turbo-alternator group very different from the usual machines: - The axis to which the blades are attached and which is integral with the alternator is of great length, it is carried by many bearings .

Entre deux couples d'aubages se trouve une zone dans laquelle, des tubes à eau réchauffent l'air refroidi par la détente dans l'étage précèdent de la turbine. Dans une variante, un faisceau de tubes assure le passage de l'air d'un étage à un autre; l'eau de réchauffage entoure dans ce cas, le faisceau de tubes.  Between two pairs of blades is a zone in which water tubes heat the air cooled by the expansion in the previous stage of the turbine. In a variant, a bundle of tubes ensures the passage of air from one floor to another; in this case, the heating water surrounds the bundle of tubes.

Le dessin de la figure 2, représente une partie de la turbine. L'air comprimé en provenance de la cuve de stockage circule dans le sens (1), il se détend en (2) dans un étage de la turbine dont les aubages en rotation sont solidaires de l'axe (3). L'air est réchauffé par un faisceau de tubes (4) dans lequel circule de l'eau dans le sens (5). Après réchauffage l'air subit une nouvelle détente dans un autre étage, et ainsi de suite, jusqu'à détente complète et retour à l'atmosphère. Au niveau de chaque étage se trouve une bâche (6), à laquelle sont raccordés les faisceaux de tubes entrants et sortants. Chaque enceinte (7) dans laquelle s'effectue le réchauffage de l'air, a la forme d'un tronc de cône, pour adapter la dimension de chaque étage à l'augmentation du volume de l'air.  The drawing of Figure 2 represents a portion of the turbine. The compressed air from the storage tank circulates in the direction (1), it expands in (2) in a stage of the turbine whose rotating blades are integral with the axis (3). The air is heated by a bundle of tubes (4) in which water flows in the direction (5). After reheating the air undergoes a new relaxation in another floor, and so on, until complete relaxation and return to the atmosphere. At each floor is a cover (6), to which are connected the bundles of incoming and outgoing tubes. Each enclosure (7) in which is carried out the heating of the air, has the form of a truncated cone, to adapt the size of each floor to increase the volume of air.

La géothermie est mise en oeuvre dans cette invention de différentes manières, selon les ressources locales. La plus intéressante est la géothermie à haute température car dans ce cas le système produit en moyenne plus d'énergie électrique qu'il n'en reçoit. Une ressource de température modérée est cependant acceptable dans la plupart des cas.  Geothermal energy is used in this invention in different ways, depending on local resources. The most interesting is the geothermal energy at high temperature because in this case the system produces on average more electrical energy than it receives. A moderate temperature resource is however acceptable in most cases.

La production d'air comprimé peut avoir deux origines - Le dispositif étant dans une zone maritime, il est opportun d'utiliser l'énergie éolienne. Il est avantageux dans ce cas d'adapter les éoliennes pour qu'elles deviennent des générateurs d'air comprimé, comme cela a été proposé par ailleurs.  The production of compressed air can have two origins - The device being in a maritime area, it is appropriate to use wind energy. It is advantageous in this case to adapt the wind turbines to become generators of compressed air, as has been proposed elsewhere.

- L'air comprimé est également produit â partir de l'énergie disponible pendant les heures creuses. D'une manière inverse au turboalternateur, le dispositif comporte successivement des étages de compression et des zones de refroidissement.  - Compressed air is also produced from the available energy during off-peak hours. In a manner that is the reverse of the turbo-alternator, the device successively comprises compression stages and cooling zones.

La présente invention complète les moyens de stockage de l'énergie électrique utilisés actuellement, particulièrement les systèmes gravitaires qui sont insuffisants.  The present invention completes the means for storing electrical energy currently used, particularly gravity systems which are insufficient.

Claims (5)

Translated fromFrench

REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à stocker de l'énergie électrique sous forme d'air comprimé, caractérisé en ce qu'il comporte une cuve reposant sur un fond marin de grande profondeur, au voisinage du rivage; d'un groupe turboalternateur assurant simultanément la détente et le réchauffage de l'air en provenance de la cuve d'un ensemble produisant de l'air comprimé soit en provenance d'une éolienne, soit d'un compresseur d'air utilisant l'énergie électrique en période creuse.  1) Device for storing electrical energy in the form of compressed air, characterized in that it comprises a vessel resting on a deep seabed, near the shore; a turboalternator group simultaneously providing expansion and reheating of air from the tank of a unit producing compressed air either from a wind turbine or an air compressor using the electrical energy during the off-peak period. 2) Dispositif selon la revendication 1 comportant dans la cuve figure 1: un piston (4) d'une masse volumique inférieure à celle de l'eau ambiante; une colonne à billes (3) guidant ce piston et des ouvertures (7) permettant l'entrée ou la sortie de l'eau selon l'entrée ou la sortie de l'air comprimé.  2) Device according to claim 1 comprising in the tank Figure 1: a piston (4) of a density lower than that of ambient water; a ball column (3) guiding this piston and openings (7) for the entry or exit of water according to the inlet or the outlet of the compressed air. 3) Dispositif selon la revendication 1 comportant une turbine figure 2, raccordée par une conduite, à la cuve figure 1.  3) Device according to claim 1 comprising a turbine Figure 2, connected by a pipe to the tank Figure 1. 4) Turbine-selon la revendication 3 comportant alternativement des aubages (2) et des tubes de réchauffage (4) dans lesquels circulent de l'eau qui est soumise à une action géothermique et éventuellement solaire extérieure. La figure 2 représente un élément de la turbine accouplé à un alternateur par l'axe (3).  4) Turbine-according to claim 3 comprising alternately blades (2) and heating tubes (4) in which circulate water which is subjected to a geothermal action and possibly solar outdoor. FIG. 2 represents an element of the turbine coupled to an alternator by the axis (3). 5) Ensemble de compression d'air, selon la revendication 1,comprenant des compresseurs utilisant l'énergie électrique en période creuse avec une réfrigération entre les divers étages. L'air comprimé pouvant également provenir d'éoliennes, qui ne sont pas décrites dans cette invention.  5) An air compressor assembly as claimed in claim 1, including compressors utilizing electrical energy during the off-peak period with refrigeration between the various stages. Compressed air can also come from wind turbines, which are not described in this invention.