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WO 2013/124548 PCT/FR2013/000038
DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE STOCKAGE ÉCOLOGIQUE D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE
RÉCUPÉRABLE A HAUT RENDEMENT ÉNERGÉTIQUE GLOBAL
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de stockage
écologique d'énergie
électrique permettant de prélever et d'accumuler de l'énergie électrique d'un
réseau, puis de
redistribuer cettedite énergie au réseau lorsqu'il en a besoin de façon à
équilibrer l'offre et la
demande.
Cette invention a plus particulièrement comme objet la récupération, le
stockage et la
restitution d'énergie électrique.
Elle a aussi plus particulièrement pour objet le stockage d'énergie sous forme
d'énergie
potentielle de gravitation et la restitution d'énergie cinétique et d'énergie
potentielle de gravitation
résultant de la perte d'altitude d'un lest.
Elle s'applique notamment au stockage et à la fourniture de grandes quantités
d'énergie
électrique, dans un temps relativement court.
Elle convient tout à fait, également, à la fourniture d'énergie pour compenser
les pics de
consommation électrique.
Elle concerne également et plus particulièrement un dispositif de stockage
d'énergie
potentielle d'un lest à haut rendement utilisant une cavité de circulation
insensible aux chocs
engendrés par un lest dans cettedite cavité tout en évitant que lesdits chocs
provoquent une
perturbation de l'environnement où est conçu le dispositif, notamment un
éventuel tremblement de
terre ou une éventuelle destruction des équipements.
L'invention se rapporte plus particulièrement au domaine de stockage d'énergie
potentielle de
pesanteur.
Actuellement, l'énergie électrique est utilisée pratiquement partout, dans
tous les domaines.
Les besoins énergétiques en électricité croissent régulièrement d'année en
année. Les utilisateurs
sont peu contraints dans leur utilisation de la ressource électrique. Il s'en
suit des demandes très
variables. Des pics de consommation apparaissent et sont très difficiles à
couvrir par les moyens
existants. De plus, les énergies renouvelables constituent une ressource
aléatoire, sans couplage
avec le besoin.
Le stockage d'énergie est donc un enjeu primordial qui devient de plus en plus
important.
Pour les états, l'indépendance énergétique est stratégique et économiquement
essentielle. Pour
les individus, les collectivités et les entreprises, une énergie disponible à
la demande, stable et sans
coupure inopinée est également indispensable.
Même pour un producteur d'énergie électrique le stockage peut être primordial.
En réalité, ce
qu'on appelle couramment et économiquement production d'énergie n'est pas
physiquement de la
production, mais de la transformation d'un stock d'énergie dit primaire,
accumulé sous une forme
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physique stable (charbon, eau stockée en hauteur, matière fissile ...), en une
énergie directement
distribuable sur le réseau électrique.
Ainsi l'invention propose un stockage qui consiste à constituer un stock
d'énergie potentielle
de gravitation à partir d'énergie dont on n'a pas usage immédiat. Le but est
de pouvoir en disposer
plus tard, lorsque la demande sera plus importante. Cela est en particulier
indispensable quand
l'énergie immédiatement disponible est variable dans le temps, comme c'est le
cas des énergies
renouvelables intermittentes (solaire, éolienne) ou lors des pics de
consommation.
L'opération de stockage d'énergie est toujours associée à l'opération inverse,
consistant à
récupérer l'énergie stockée (le déstockage). Ces deux opérations de
stockage/déstockage constituent
un cycle de stockage. A la fin d'un cycle, le système de stockage retrouve son
état initial
(idéalement "chargé en énergie"). On a alors régénéré le stock. Le rendement
global d'un cycle
correspond au rapport entre la quantité d'énergie récupérée sur la quantité
d'énergie que l'on a
cherché initialement à stocker. En effet, chacune des deux opérations de
stockage et de déstockage
induit invariablement des pertes d'énergie. Une partie de l'énergie initiale
n'est pas réellement
stockée et une partie de l'énergie stockée n'est pas réellement récupérée. Le
rendement d'un cycle
de stockage d'énergie dépend grandement de la nature du stockage et des
processus physiques mis
en oeuvre pour assurer les opérations de stockage et de déstockage.
Le stockage est directement lié à l'usage qu'on fait de l'énergie.
La combustion étant l'usage énergétique le plus courant, le stockage de
combustible est aussi
le plus développé. Tous les États disposent de stocks stratégiques de pétrole.
Même en excluant ces
éléments fossiles, il faut rappeler l'importance pratique du bois-énergie dont
on fait des stocks pour
l'hiver et le développement des biocarburants.
Longtemps avant la découverte des énergies fossiles, il y avait des formes de
stockage
d'énergie déjà disponibles : le bois à brûler, les briquettes de tourbe, les
barrages hydrauliques, afin
de satisfaire les besoins à tout moment de la journée et pendant l'année.
Le stockage sous forme d'énergie potentielle hydraulique (par remontée d'eau
en amont des
barrages quand il y a surproduction d'électricité) est déjà utilisé pour la
régulation et l'équilibrage
des réseaux électriques. C'est une solution qui améliore l'équilibrage entre
l'offre et la demande et
la disponibilité des énergies renouvelables. Malheureusement, ces solutions
existantes ont un
rendement global faible et un temps de réponse dépassant plusieurs dizaines de
minutes.
A plus faible échelle, le stockage d'énergie en vue de la production
d'électricité
(électrochimique dans les piles et les batteries, électrique dans les
condensateurs) est bien moindre
en terme de quantité d'énergie stockée, mais permet de développer des
puissances importantes en
un temps très court.
Le stockage de la chaleur existe également. Au-delà de l'usage du cumulus, des
habitations de
grande inertie thermique (murs épais, bonne isolation) permettent de lisser
les variations
quotidiennes de température et de diminuer les besoins de chauffage et de
climatisation permettant
des économies directes.
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Une autre forme de stockage thermique est l'utilisation de matériaux à
changement de phase
dans les bâtiments ou pour accumuler l'énergie solaire thermique de chauffe-
eau solaires
individuels. Les matériaux à changement de phase permettent de lisser la
production d'énergie
fournie par le soleil (gratuite) et d'augmenter la capacité de stockage grâce
à leur grande densité
énergétique volumique. A l'échelle industrielle, on peut stocker la chaleur
solaire dans des
réservoirs avant la production d'électricité, pour lisser l'apport solaire ;
ce type d'usage est marginal
en volume, mais est une voie intéressante de recherche dans le cadre d'une
production électrique
par une centrale solaire thermodynamique.
Le stockage mécanique est une disposition souvent nécessaire dans les moteurs,
sous forme de
volant d'inertie, pour régulariser le mouvement à des très courtes échelles de
temps inférieures à la
seconde. Il n'est pratiquement pas utilisé pour le stockage à long terme, car
les quantités d'énergie
stockées sont trop faibles.
Il existe également des volants d'inertie tournant à grande vitesse dans une
cavité où on a fait
le vide.
Aujourd'hui, avec l'émergence de technologies nouvelles, il existe de
nombreuses
technologies permettant de stocker de l'énergie restituable. Malgré les
avantages que ces
technologies existantes peuvent offrir, elles ont toutes des inconvénients. On
peut citer à titre
d'exemple :
- les batteries rechargeables sont relativement chères en terme de coût de
possession, car
elles doivent être changées régulièrement et doivent être remplacées après un
nombre de
cycles charges/décharges limité et elles ne sont pas neutres pour
l'environnement ;
- les systèmes capacitifs, qui ne peuvent pas accumuler de grande quantité
d'énergie ;
- les systèmes dits à volant d'inertie dont la capacité reste limitée et
qui utilisent des
composants de hautes technologies qui rendent ces systèmes relativement chers,
surtout
quand on rapporte le coût d'achat à la puissance fournie ;
- les systèmes à air comprimé qui n'ont pas un rendement suffisant ;
- les systèmes hydrauliques composés de pompes et turbines, avec des
réservoirs de
stockage, qui ont également un rendement très faible.
Dès que l'on parle du développement généralisé des énergies renouvelables, on
est confronté
aux critiques concernant l'intermittence du soleil et du vent. En effet, il
est difficile de nier qu'un
soir d'hiver sans vent, au moment du pic de consommation, les sources
d'énergie solaire et éolienne
peuvent être nulles.
On connait également du document FR 2 929 659 qui est un dispositif de
stockage d'énergie
mécanique de manière illimitée dans le temps comprenant un lest relié à un
arbre dont la rotation
conduit à une montée ou à une descente d'un lest. Malheureusement, ce
dispositif ne comprend pas
une cavité de circulation dans laquelle le lest peut se déplacer librement.
De la publication US 20110241354 est connu un dispositif de stockage d'énergie
potentielle
comprenant au moins un lest d'au moins 1 tonne susceptible de se déplacer dans
une cavité, de
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préférence une cavité de forme courbe, notamment un puits de forage, tout en
évitant un bourrage
du lest sur les parois de ladite cavité, ladite cavité comprenant des liquides
tels que l'eau ou le
pétrole.
On connait le document WO 2009100211 et le document DE 10037678, qui
présentent chacun
un dispositif et un procédé de stockage de l'énergie potentielle de pesanteur
d'un lest utile par
exemple pour stocker l'énergie produite pendant les heures creuses et/ou de
l'énergie générée à
partir de sources renouvelables, telles que le vent et le soleil ou pour
déplacer des objets sur des
profondeurs susceptibles de fonctionner sur terre et dans un environnement
aquatique, notamment
dans un puits de mine ou dans la mer. Ces dispositifs de stockage comprennent
un lest en matériau
dense d'au moins 100 tonnes, suspendu par un lien, par exemple un câble. Ce
lest peut se déplacer
sous l'effet de la gravité dans une cavité suivant un axe vertical ou incliné
d'une première position
d'élévation vers une seconde position d'élévation sur une trajectoire d'au
moins 200 mètres. Ces
dits dispositifs de stockage comprennent aussi un générateur d'énergie
électrique et des moyens de
commande couplés à un opérateur conçu pour faire fonctionner la liaison afin
de déplacer de
manière contrôlable le lest, ce qui permet de fournir de l'électricité au
réseau lors du déplacement
du lest de la première position d'élévation vers une seconde position
d'élévation en transformant
l'énergie potentielle de gravitation en énergie électrique lorsque le réseau
le demande et de
transformer l'énergie électrique prélevée au réseau en énergie potentielle de
gravitation lorsque
l'énergie électrique du réseau est abondante et disponible.
On connait également le document WO 2010/049492 qui présente un dispositif
électromécanique de stockage d'énergie qui permet de stocker à partir de
sources d'énergie
renouvelables de l'énergie en fonction des besoins du réseau. Ce dispositif
est connecté
électriquement à une source d'énergie. Ce dispositif comprend un lest de masse
comprise entre 500
et 1000 tonnes susceptible de se déplacer sur une trajectoire d'au moins 100
mètres et permet de
stocker de l'énergie. Il comprend en outre un générateur électrique, un moteur
électrique et des
moyens de commande couplés à un opérateur. Comme dans les documents
précédemment cités, ce
dispositif permet de fournir de l'électricité au réseau lors du déplacement du
lest de la première
position d'élévation vers une seconde position d'élévation en transformant
l'énergie potentielle de
gravitation en énergie électrique lorsque le réseau le demande et de
transformer l'énergie électrique
prélevée au réseau en énergie potentielle de gravitation lorsque l'énergie
électrique du réseau est
abondante et disponible.
Les dispositifs et procédés précédemment cités, notamment le document US
2011/0241354,
WO 2009/100211, DE 10037678 et WO 2010/ 049492 apportent une solution sur la
manière de
stocker de l'énergie, particulièrement sous forme d'énergie potentielle de
gravitation, en
fournissant de l'énergie pour compenser les pics de consommation électrique.
Malheureusement,
ces dispositifs et procédés associés présentent comme principaux inconvénients
majeurs :
- Risque d'éboulement et/ou d'un tremblement de thèse relative à un
mauvais ou
dysfonctionnement du dispositif, caractérisé par une insuffisance de moyens
optimums de
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sécurité permettant de fournir des conditions de sécurité suffisantes et
nécessaire pour que
la cavité puisse résister à un choc de grande énergie correspondant à la chute
libre ou un
choc du lest sur les parois de la cavité. En effet, la masse du lest étant
importante et la
structure de la cavité n'étant pas définie, un mauvais fonctionnement et/ou
une vitesse
5 excessive et/ou un rapprochement de la partie inférieure ou des parois
de la cavité seraient
à l'origine de la destruction complète du dispositif de stockage. De tels
inconvénients
peuvent entraîner un tremblement de terre dans la zone d'exploitation du
dispositif de
stockage, ayant des conséquences néfastes pour les structures environnantes
et/ou sur ledit
dispositif de stockage, paralysant ainsi lesdits dispositifs de stockage
d'énergie, ce qui
pourrait les rendre inutilisables. Ainsi dans le cas critique de la rupture
d'un ou plusieurs
câbles suspendant le lest, deux conséquences majeures sont identifiables dont
on peut
citer : la destruction du dispositif et la propagation d'ondes sismiques
résultant du choc
entre le lest et les parois de la cavité.
- Amplification de l'énergie résultat de la chute du lest dans le cas
critique de mauvais
fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de rapprochement de la partie
inférieure.
En effet, à des profondeurs considérables, un gradient de température apparait
entre la
plateforme et l'intérieur de la cavité. A 3 mètres ce gradient de température
est d'environ 2
degrés Celsius.
- La vitesse du fluide contenu dans la cavité peut être supérieure à
3 mètres par seconde.
- La forme du lest n'est pas adaptée pour faire fonctionner le dispositif de
façon optimal. En
effet, il n'est pas prévu une forme privilégiée au lest lui permettant de
minimiser toutes
sortes de forces de frottements susceptibles d'influencer son mouvement, car
les forces de
frottements fluides peuvent être plus ou moins importantes selon les
environnements,
cesdites forces peuvent influencer suffisamment la trajectoire et/ou le
mouvement du lest,
ce qui pourrait avoir des conséquences néfastes sur le gain de production
d'énergie
électrique. Dans ces documents, le lest à une forme rectangulaire ou
cylindrique ou oblong.
Cette forme est inadaptée avec un dispositif de stockage d'énergie susceptible
se mouvoir
dans un fluide résistif, de préférence un fluide visqueux, car, pour cettedite
forme définie
au lest selon ces documents précédemment cités, la force fluide n'est pas
prise en compte
et semble être forte pour modifier le fonctionnement du dispositif et/ou le
gain de
production. Ceci étant, les faces planes et les angles droits définissant le
lest participe
activement au freinage du lest lors de sa descente dans la cavité.
- Le procédé de fonctionnement du dispositif décrit dans ces
documents ne semble pas
adapter pour le faire fonctionner dans un milieu complexe et/ou hétérogène
comprenant au
minimum deux fluides tels que l'eau et l'air, qui représente les conditions
habituelles de
fonctionnement, notamment des puits de mine abandonnés. En effet, le procédé
défini dans
ces documents n'est pas configuré pour faire fonctionner le dispositif dans de
telles
configurations, car le procédé divulgué n'est pas en mesure de piloter les
différents
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mouvements du lest dans le cas d'un milieu comprenant au moins deux fluides de
densités
différentes. Le mouvement du lest serait opposé aux frottements fluides,
rendant le
mouvement dudit lest difficile, ce qui pourrait avoir des conséquences
néfastes sur la
sécurité et le fonctionnement du dispositif dans l'ensemble.
- En fonctionnement normal, la vitesse de descente du lest semble trop
excessive pour éviter
tout devers ou dysfonctionnement du dispositif. En effet, en fonctionnement
normal, le
dispositif de stockage selon le document DE10037678, fonctionne à une vitesse
de 10 m/s.
Cette vitesse parait excessive par le fait que, dans les conditions où la
cavité comprend au
moins deux fluides Fi et/ou F2, les forces de frottements fluides peuvent
devenir trop
importantes et influencer le mouvement du lest dans la cavité de circulation.
De ce fait, le
contrôle du lest par l'opérateur devient inopérant.
Dans la description qui suit, les termes listés ci-après auront la définition
suivante :
- Écologique : sans émission des gaz à effet de serre.
- Forme hydrodynamique : qualifie l'apparence de la forme d'un corps
en mouvement dans
un fluide et sa résistance à l'avancement.
- Forme aérodynamique : qualifie l'apparence de la forme d'un corps
en mouvement dans
l'air et sa résistance à l'avancement.
- Multiunivoque: une liaison où à plusieurs éléments d'un ensemble
correspond un élément
et un seul de l'autre ensemble. Exemple pour un couple (x, y) d'un ensemble
correspond un
élément et un seul z de l'autre ensemble.
- Co-univoque : une liaison où à chaque élément d'un ensemble
correspond plusieurs
éléments de l'autre ensemble. Exemple pour un élément x d'un ensemble
correspond les
éléments y et z de l'autre ensemble.
- multivoque : une liaison où plusieurs éléments d'un ensemble
correspondent plusieurs
éléments de l'autre ensemble. Exemple pour les éléments x et t d'un ensemble
correspond
les éléments y et z de l'autre ensemble.
A cet effet, l'invention vise donc à remédier à ces inconvénients. Plus
particulièrement, la
présente invention vise à prévoir un dispositif et un procédé de stockage
écologique d'énergie
récupérable à haut rendement énergétique global, permettant de prélever de
l'énergie électrique sur
un réseau de distribution lorsque l'énergie électrique est abondante et
disponible sur ce réseau,
redistribuant de l'énergie électrique au réseau lorsque cedit réseau en a
besoin, ledit réseau
comprenant au moins un générateur d'énergie électrique, au moins un
consommateur d'énergie
électrique et au moins une ligne électrique.
L'invention permet également de proposer un procédé sécurisé de fonctionnement
du
dispositif de stockage écologique d'énergie selon l'invention.
Un but de l'invention est de fournir un dispositif et un procédé de stockage
écologique
d'énergie sécurisé remédiant totalement aux inconvénients évoqués et connu de
l'art antérieur.
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L'invention a pour objet un dispositif de stockage écologique d'énergie
récupérable à haut
rendement énergétique global comprenant :
- au moins un lest M compacte et dense, de section S2, ayant une
densité au moins égale à 1,
de préférence une densité égale à 4, et au moins une masse de 10000 kg,
- au moins une cavité de circulation, définissant un domaine de mobilité du
lest M, cette
cavité a une hauteur d'au moins 20 m, une dimension caractéristique de passage
d d'au
moins 1 m, de préférence 3 ou 10 m, une section S1 limitant le milieu interne,
une partie
inférieure P1 formant un fond, une partie supérieure P2 accessible ouverte sur
une
plateforme. La cavité a un axe principal de circulation YY' et comprend au
moins un fluide
F, au moins un câble C qui permet de relier le lest M à au moins un tambour T
et à au
moins un premier moyen qui comprend un système de blocage et de déblocage du
tambour
T. Ce premier moyen permet de maintenir le lest à l'intérieur de la cavité ou
sur la
plateforme de ladite cavité pendant un temps donné, en position d'équilibre à
une altitude
donnée sans perte d'énergie potentielle,
- au moins un deuxième moyen qui comprend au moins un moteur électrique ME qui
permet
de transformer l'énergie électrique prélevée au réseau électrique en énergie
potentielle de
gravitation en entraînant le tambour T. Ce deuxième moyen permet d'augmenter
l'altitude
du lest M lorsque l'énergie électrique du réseau est abondante et disponible,
- au moins un troisième moyen qui comprend au moins une génératrice
électrique GE. Cette
génératrice est connectée mécaniquement au tambour T et assure la régulation
de la vitesse
du lest M d'une part, et fournit au réseau la puissance électrique dont il a
besoin d'autre
part. Ce troisième moyen permet de diminuer l'altitude du lest M lorsque le
réseau
demande de l'énergie électrique, en transformant l'énergie potentielle de
gravitation et
éventuellement l'énergie cinétique du lest M en une énergie électrique, ladite
énergie
potentielle de gravitation et éventuellement l'énergie cinétique transformée
sont fournies
au réseau,
- au moins un quatrième moyen qui permet de mesurer l'altitude du
lest M au moins lorsque
ledit lest est proche du fond de la cavité,
- au moins un cinquième moyen de commande en temps réel ou différé,
comprenant un
calculateur qui permet de piloter les premier, deuxième et troisième moyens
précédemment
cités, en fonction de l'abondance et de la disponibilité de l'énergie
électrique du réseau, de
l'énergie électrique demandée par ce réseau et de la position du lest M.
Avantageusement, ladite cavité précédemment définie est susceptible de
supporter sans risque un
choc de grande énergie correspondant à l'énergie maximale de chute du lest M
dans ladite cavité.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le lest M précédemment défini
a une forme
hydrodynamique ou aérodynamique adaptée de telle sorte que, en fonctionnement
normal, les
frottements hydrodynamiques et/ou aérodynamiques appliqués sur ce lest M par
le fluide F soient
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en général négligeables de manière à ce que le fluide F contenu dans la cavité
puisse circuler
librement sans gêner les mouvements du lest M dans ladite cavité.
Avantageusement, la cavité de circulation du dispositif selon l'invention
comprend au moins une
structure en béton armé ou une structure rapportée, ladite structure étant
refermée sur elle-même.
L'invention proposée permet de résoudre simultanément les différents problèmes
précédemment définis tels que:
- l'utilisation des ressources énergétiques lorsque ces énergies sont
peu coûteuses et
disponibles ;
- le stockage d'une grande quantité d'énergie pendant un temps long
sans perte d'énergie ;
- la restitution de l'énergie accumulée avec un bon rendement global, dans un
temps dont la
durée est adaptable et en une ou plusieurs fois ;
- un grand nombre de restitutions possibles (cycles) couvrant les
besoins pour une longue
période de temps ;
- une puissance instantanée restituable importante ;
- un coût d'installation faible,
- un coût de possession minimal pendant une longue période de temps
(prix minimal de
possession vis-à-vis de l'énergie restituable et prix minimal vis-à-vis de la
puissance
maximale restituable),
- et un impact environnemental minimal même au démantèlement de
l'installation,
- une fiabilité contre tout risque de choc ou collision du lest avec les
parois ou le fond de la
cavité,
- la fourniture de puissance électrique au réseau lors d'un pic de
demande,
- l'absorption de puissance du réseau lors d'un surplus de puissance
fournie pas le réseau,
- lissage de la puissance électrique fournie par les génératrices
d'énergie renouvelable telle
que les éoliennes et les panneaux solaires.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la
lecture de la description
détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux
dessins annexés
représentant, à titre d'exemple non limitatif, quelques modes de réalisation
de ce dispositif selon
l'invention dans lesquelles :
- La figure 1 est une coupe latérale A-A de la partie haute d'un premier mode
de réalisation
du dispositif selon l'invention ;
- La figure 2 ou la figure 3 est une coupe longitudinale d'un premier
mode préféré de
réalisation du dispositif selon l'invention ;
- La figure 4a montre des courbes de variation du facteur sécurité en
fonction du coefficient
de freinage pour différentes valeurs de la vitesse du lest choisies ;
- La figure 4b montre des courbes de variation du facteur sécurité en
fonction de la vitesse
du lest dans la cavité de circulation pour différentes valeurs du coefficient
de freinage ;
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- La figure 4c est une coupe longitudinale d'une variante du premier
mode préféré de
réalisation du dispositif selon l'invention ;
- La figure 4d est une coupe longitudinale d'une autre variante du
premier mode préféré de
réalisation du dispositif selon l'invention ;
- La figure 4e et la figure 4f sont des coupes longitudinales d'un lest
selon l'invention ;
- La figure 4g et la figure 4h sont d'autres coupes longitudinales
d'un lest selon l'invention ;
- La figure 4i et la figure 4j sont également d'autres coupes
longitudinales d'un lest selon
l'invention ;
- La figure 5 est une séquence de descente représentant un procédé de
fonctionnement du
dispositif de stockage d'énergie selon l'invention ;
- La figure 6a ou 6b est une coupe longitudinale d'un deuxième mode
préféré de réalisation
du dispositif selon l'invention ;
- La figure 6c est une coupe longitudinale d'une variante du premier
et deuxième mode
préféré de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- La figure 6d est une coupe longitudinale d'une autre variante des deux
premiers modes
préférés de réalisation selon l'invention ;
- La figure 7 est une coupe longitudinale d'un troisième mode préféré
de réalisation du
dispositif selon l'invention ;
- La figure 8 est une coupe longitudinale d'un quatrième mode préféré
de réalisation du
dispositif selon l'invention ;
- La figure 9 est une coupe longitudinale d'un cinquième mode préféré
de réalisation du
dispositif selon l'invention ;
- La figure 10 est une coupe transversale d'un sixième mode préféré
de réalisation du
dispositif selon invention ;
- La figure 11 est une coupe longitudinale d'une variante de réalisation du
dispositif selon
l'invention ;
- La figure 12 est une coupe transversale d'une variante de
réalisation du dispositif selon
l'invention.
En référence à la figure 1 qui est une coupe latérale A-A de la partie haute
d'un premier mode
de réalisation du dispositif selon invention, le dispositif conforme à
l'invention comprend un
moteur électrique ME qui permet de prélever de l'énergie électrique sur un
réseau (1) de
distribution lorsque l'énergie électrique est abondante et disponible sur ce
réseau (1), cette énergie
est stockée dans le dispositif de stockage. Cettedite énergie est redistribuée
par un générateur
électrique GE au réseau (1) ou éventuellement à un autre réseau lorsque cedit
réseau (1) ou
éventuellement l'autre réseau en a besoin. Ce dispositif est écologique, car
il n'émet pas les gaz à
effet de serre.
La figure 2 ou la figure 3 montre un dispositif de stockage d'énergie selon un
premier mode de
réalisation du dispositif de stockage selon invention. Dans cet exemple non
limitatif de réalisation
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du dispositif de stockage d'énergie selon l'invention, le dispositif comprend
au moins un lest M,
compact et dense, de section S2. Ce lest a une densité par rapport à l'eau au
moins égale à 1 de
façon à stocker une masse importante dans un petit volume. Le lest choisi a
une masse d'au moins
10000 kg. Il est fait en matériaux dense tels que l'acier au carbone, l'acier
au tungstène, l'acier inox,
Selon l'invention, le lest peut se déplacer dans la cavité (2) de circulation
suivant une direction
YY' de façon à ce que cette cavité de circulation définie un domaine de
mobilité du lest M. La
cavité (2) a une hauteur H d'au moins 20 m, une dimension caractéristique de
passage d d'au moins
un fond, une partie supérieure P2 accessible, ouverte sur une plateforme P2.
La dimension
caractéristique de passage d de la cavité dépend de deux paramètres qui sont :
la vitesse du lest ou
du fluide contenu dans la cavité, la surface S2 du lest. De ce fait, il est
possible d'écarter tout risque
d'éboulement résultant d'une vibration sévère environnante.
Un éboulement est un effondrement ou un écroulement de la cavité. Dans le cas
où la cavité
est un puits de mine abandonné ou plus en activité, ce phénomène peut
toutefois avoir lieu. Ce
phénomène correspond précisément à une désolidarisation soudaine et brutale
d'une structure
naturelle ou artificielle avec chutes des matériaux constituants la cavité.
La cavité (2) selon l'invention a un axe principal de circulation YY' vertical
et comprend au
De manière générale, la densité Dl du premier fluide Fi est inférieure à 0,02
et la densité du
Par définition, la densité ou densité relative du lest est le rapport de sa
masse volumique à la
masse volumique d'un corps pris comme référence. De manière générale, il est
connu que le corps
de référence est l'eau pure à 4 C pour les liquides et les solides.
30 Selon l'invention, la densité du lest est déterminée par rapport à la
densité des fluides contenus
dans la cavité (2) de telle sorte que ledit lest soit plus dense que lesdits
fluides de façon à faciliter
sa descente dans ladite cavité (2) sans pour autant modifier le gain de
production d'énergie
électrique au réseau (1).
En entend par compact, une structure constituée par un bloc de matériaux dont
les parties sont
Selon l'invention, le lest est constitué par un bloc de matériaux comprenant
un ou plusieurs
matériaux dont les parties sont étroitement liées et/ou serrées et ne se
séparent que très
difficilement.
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La cavité de circulation du dispositif selon l'invention est construite avec
une structure en
béton armé ou une structure rapportée, ladite structure étant refermée sur
elle-même.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la cavité (2) peut être un
puits de mine, renforcé
soit par du béton armé ou toutes autres structures lui conférant une structure
solide et compacte,
résistant au choc de très grande énergie, comme l'énergie maximale
correspondant à la chute libre
du lest. La cavité (2) peut être aussi une cavité busée. Les buses peuvent
être pleines ou perforées.
La paroi de la cavité (2) peut être dans certains cas renforcée par une couche
de matériau élastique,
de préférence en élastomère.
Dans le cas de puits de mine en inactivité ou de tout autre puits creusé, la
cavité peut être
taillée en pleine roche et éventuellement renforcée par des parements en acier
ou en brique ou en
béton armé ou par des cuvelages métalliques ou par tout autre type de
matériaux ayant de bonne
propriété physique précédemment définies, notamment de résistivité, de
compacité et de solidité.
Par la formulation ou la conception précédemment définie, il est clair que la
cavité (2) est
conçue et/ou renforcée avec des matériaux de structures particulières
précédemment définis,
susceptible de supporter, quelque soit les circonstances, sans risque un choc
de grande énergie
correspondant à l'énergie maximale de chute du lest dans la cavité (2).
Une étude sismique a permis d'évaluer les conséquences potentielles, qui sont
la destruction
du dispositif et/ou des parois et/ou du fond de la cavité (2) et la
propagation d'ondes sismiques
résultant du choc du lest dans ladite cavité en cas de mauvais fonctionnement
ou de collision du
lest avec la paroi de la cavité (2). Cette étude révèle que la cavité (2) doit
être conçue avec des
parois lui permettant d'emmagasiner l'énergie maximale de chute du lest en cas
de mauvais
fonctionnement. Comme évoqué au paragraphe précédent, la cavité (2) est conçue
avec une
structure comprenant des parois étanches susceptibles de supporter sans risque
un choc de très
grande énergie correspondant à l'énergie maximale de chute du lest M dans la
cavité (2).
Dans certains cas, la cavité (2) comprend en outre un bloc (4) en matériau, de
préférence en
matériau élastique. Cedit bloc (4) formant le fond de la cavité (2) appelé
partie inférieure Pi, est
susceptible d'emmagasiner toute l'énergie de chute du lest dans ladite cavité
(2). De ce fait, en cas
de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de rapprochements
importants de la
partie inférieure Pl formant le fond de la cavité (2), le lest pourrait
heurter la paroi interne de la
cavité (2) sans pour autant endommager ladite cavité tout en évitant un
possible tremblement de
terre dans la zone d'exploitation du dispositif.
Avantageusement, la cavité (2) a une dimension caractéristique de passage d
d'au moins 1
mètre, de préférence 6 mètres ou 10 mètres.
Une étude faite sur les frottements fluides a permis de définir deux
paramètres de sécurité
importants, qui sont : le facteur de sécurité Q et le coefficient de freinage
J. Cette étude a permis
aussi de définir une vitesse nominale de fonctionnement du dispositif de
stockage selon l'invention.
De façon empirique, dans la cavité de circulation (2) comprenant un fluide Fi
et/ou F2, les
forces de frottements fluides sont définies par la relation suivante :
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f = 1 -' x Cxx s2 x Vr2
2
où C, est le coefficient de tramée, p est la masse volumique du fluide Fi
et/ou F2 présent dans
ladite cavité (2) et V, est la vitesse relative du fluide par rapport au lest
dans ladite cavité de
circulation (2), S2 étant défini précédemment.
Quand le lest est engagé dans la cavité (2) pour produire une puissance
donnée, une turbulence
s'établit entre le lest M et le fluide Fi et/ou F2 entrainant une augmentation
significative des forces
de frottements fluides dans cette dite cavité (2). Dans ces conditions, la
vitesse relative du fluide
V, par rapport au lest est une fonction qui dépend de trois paramètres : la
vitesse du lest, la vitesse
du fluide et de la capacité ou volume du fluide Fi et/ou F2 dans la cavité
(2).
A partir des relations de conservation de débit, il est possible de déterminer
le facteur de
sécurité noté Q. Ledit facteur de sécurité est défini comme étant le rapport
des forces de
frottements fluides sur le poids du lest. Ce facteur de sécurité dépend
particulièrement de deux
paramètres : la vitesse V du lest M dans la cavité (2) et du coefficient de
freinage J, tel que Q = Q
(V, J). Le coefficient de freinage J est défini comme étant le rapport de la
section S2 du lest sur la
section S1 de la cavité (2).
Après quelque itération de calcul mathématique, le facteur de sécurité s'écrit
alors :
V2
Q = Q (V, J) = constante x _________________________
(1 - J)2
La constante définie ici dépend de manière générale de la masse volumique du
fluide Fi et/ou
F2, du coefficient de tramée C, de la taille du lest, de sa densité et de la
constante de gravitation.
Cx Étant un paramètre qui dépend de manière générale de la géométrie du lest.
La figure 4a montre les courbes de variations du facteur de sécurité Q(J) en
fonction du
coefficient de freinage J pour des vitesses V du lest M choisit. Le facteur de
sécurité Q est défini
comme étant le rapport des forces de frottements Fi et/ou F2 sur le poids du
lest M. On rappelle
que le coefficient de freinage J est défini comme étant le rapport de la
section S2 du lest M sur la
section S1 de la cavité de circulation (2). Ces courbes montrent qu'une
augmente de la vitesse V du
lest M entraine une augmente la pente de la courbe traduisant la variation du
facteur de sécurité Q
(J) en fonction du coefficient de freinage J.
Selon l'invention, le cas idéal est considéré comme étant le cas où le
dispositif fonctionne
normalement sans contrainte. Dans ce cas idéal, le facteur de sécurité Q (V,
J) est inférieur à 1 pour
une vitesse V donnée du lest et le coefficient de freinage J est également
inférieur à 1. Car dans la
pratique, le facteur de sécurité Q (V, J) ou le coefficient de freinage J ne
peut pas être supérieur à 1.
Lorsque le facteur de sécurité Q (V, est proche de 1 ou tend vers 1, les
turbulences sont d'autant
plus importantes et le dispositif ne peut pas fonctionner, car le mouvement du
lest M est freiné par
les forces de frottements fluides environnants. De même, lorsque le
coefficient de freinage J est
proche de 1 ou tend vers 1, le lest ne peut être contenu dans la cavité, car
sa section est
sensiblement égale à la section de la cavité.
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En d'autres termes, lorsque le facteur de sécurité Q (V, J) est tend vers à 1
ou lorsque cedit
facteur de sécurité approche la valeur Q = 1, les frottements, notamment
fluides, deviennent de plus
en plus importants et peuvent avoir des conséquences néfastes sur les
mouvements du lest M. En
effet, les forces de frottements fluides peuvent influencer la trajectoire
et/ou le mouvement du lest
dans la cavité, ce qui conduit à des conséquences néfastes sur le gain de
production de puissance
électrique au réseau et sur les mesures nécessaires de sécurité prévues pour
un bon fonctionnement
du dispositif de stockage selon l'invention. Il est donc prévu que le lest M
ait une forme privilégiée
lui permettant de minimiser toutes sortes de forces de frottements
susceptibles d'influencer son
mouvement et/ou sa trajectoire. Cettedite forme privilégiée correspond à une
forme qui présente de
bonnes propriétés aérodynamiques et hydrodynamiques, notamment un faible
coefficient
hydrodynamique et faible coefficient aérodynamique : coefficient de tramée, de
portance et de
dérive.
Pour éviter que cesdites forces de frottements fluides, qui peuvent être dans
certains cas
importantes, n'influencent suffisamment la trajectoire et/ou le mouvement du
lest M, le lest est
conçu avec une forme hydrodynamique ou aérodynamique adaptée de telle sorte
que les
frottements hydrodynamiques et/ou aérodynamiques appliqués au lest M par le
fluide Fi et/ou F2
contenu dans la cavité (2) soient en général négligeables et de telle sorte
que le fluide Fi et/ou F2
contenu dans la cavité (2) puisse circuler librement sans engendrer des forces
résistantes
significatives, particulièrement les forces de frottements, lors des
mouvements du lest M dans cette
dite cavité (2). En effet, lorsque le lest se déplace dans la cavité (2), il
se comporte comme un
mobile se déplaçant dans un milieu où les forces hydrodynamiques et/ou
aérodynamiques sont
importantes, conduisant à un écoulement turbulent. Il est donc utile de
définir une forme
particulière au lest. Pour cela, la surface de contact ou encore la surface
avant du lest doit être plus
faible que la surface arrière du lest. Typiquement, le lest peut avoir à
l'avant une forme conique ou
ovoïde. En d'autres termes, l'aérodynamisme et/ou l'hydrodynamisme joue un
rôle essentiel sur
des détails comme à l'avant et l'arrière ou sur les bords du lest M où on peut
fortement réduire le
coefficient de traînée grâce à une forme conique ou arrondie à l'avant comme
on peut le voir sur les
figures 4e à 4j.
Selon l'invention, les formes du lest sont choisies de façon à ce que le lest
présente une faible
résistance au liquide visqueux. En effet, lesdites formes choisies
précédemment ne possèdent pas
des faces planes et des angles droits qui freinent le lest grandement lors de
sa descente dans le
fluide. En d'autres termes, la descente du lest est beaucoup plus rapide. Il
est donc clair que le lest
est conçu avec une forme hydrodynamique et/ou aérodynamique adaptée de telle
sorte que le fluide
F et/ou F2 contenus dans la cavité (2) puissent circuler librement sans gêner
les mouvements dudit
lest dans ladite cavité. Le profil du lest choisi a un coefficient
aérodynamique et/ou
hydrodynamique inférieur à 0,4, de préférence un coefficient hydrodynamique
et/ou
aérodynamique de l'ordre de 0,04.
Avantageusement, le lest a un profil ovoïde avec des bordures arrondies.
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Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la partie avant du lest est
arrondie ou conique.
En effet, cette forme présente beaucoup moins de frottements dans un fluide
qu'un lest M de forme
cubique. Donc un faible coefficient hydrodynamique et/ou aérodynamique.
Selon l'invention, le profil typique du lest M est calqué sur la forme d'une
goutte d'eau :
l'avant est une sorte de demi-sphère ou un cône qui présente un coefficient
aérodynamique et/ou
hydrodynamique égal à 0.04.
En tenant de la structure et de la forme du lest et des calculs portés sur la
figure 4a et 4b, le
coefficient de freinage J, définissant le rapport S2/S1 est adapté de telle
sorte que les forces de
frottements entre le lest M et au moins un des fluides Fi et/ou F2 soient
inférieures à 0,7 du poids
du lest M lorsque le dispositif selon l'invention fonctionne normalement,
c'est-à-dire que le facteur
de sécurité Q doit être inférieur à 0,7. De ce fait, le fluide Fi et/ou F2
peut circuler librement dans
la cavité (2) sans pour autant gêner les mouvements du lest dans cettedite
cavité.
Ce coefficient de freinage J est aussi adapté de telle sorte que les forces de
frottements entre le
lest M et au moins un des fluides F, Fi et/ou F2 soient supérieurs à 0,7 du
poids du lest M en cas de
mauvais fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de rapprochement de la
partie inférieure
P1 formant un fond, c'est-à-dire que le facteur de sécurité Q doit être
supérieur à 0,7. De
préférence, Q tend vers 1 en cas de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse
excessive. En effet,
lorsque Q tend vers 1, les forces de frottements fluides peuvent s'équilibrer
avec le poids du lest, et
le lest est freiné dans la cavité (2) sans pour autant causer un inconvénient
majeur au dispositif de
stockage selon l'invention. De même lorsque le facteur de sécurité Q est
supérieur à 0,7, les forces
de frottements deviennent importantes et participent activement au freinage du
lest dans la cavité
en cas de mauvais fonctionnement.
La figure 4b montre les courbes de variations du facteur de sécurité Q(V) en
fonction de la
vitesse du lest M dans la cavité (2) de circulation, pour un coefficient de
freinage J choisi. Ces
courbes montrent que ledit facteur de sécurité Q(V) varie comme une fonction
polynôme, de
préférence de degré 2. Elles montrent également qu'une augmentation de la
vitesse du lest entraine
une augmentation dudit facteur de sécurité Q(V). Il est donc nécessaire de
réguler et/ou de limiter
la vitesse du lest lors de sa chute dans la cavité (2) afm d'éviter que les
forces de frottements
deviennent plus importantes et influencent le mouvement dudit lest M.
Le facteur de sécurité Q = Q(V, J) est un donc une fonction à double variable,
ayant pour
variable la vitesse du lest V et coefficient de freinage J. Cette fonction Q =
Q(V, J), qui définit les
conditions de fonctionnement du dispositif de stockage d'énergie selon
l'invention, fonctionnement
normal ou anormal, est le couplage de deux variables qui sont : la vitesse du
lest V et le coefficient
de freinage J, ceci pour une dimension caractéristique de passage d de la
cavité (2) d'au moins I
mètre, de préférence 3 mètres ou 10 mètres.
La figure 4b montre également que pour un coefficient de freinage J supérieur
à 0,5
correspondant à une vitesse V de 9 m/s, le facteur de sécurité Q (V, J),
représentant le couplage V
et J est sensiblement égal à 1. Pour un coefficient de freinage J de 0,35
correspondant à une vitesse
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est égale à 14 m/s, le facteur de sécurité Q (V, J) est aussi sensiblement
égal à 1. On voit bien que
d'autant que le coefficient de freinage J est grand, les forces de frottements
sont d'autant plus
grandes. Par cette formulation, il est clair de définir une mode de
fonctionnement dont lequel le
dispositif selon l'invention devra fonctionnement normalement, car les
enregistrements du
5 coefficient de freinage J et celui de la vitesse V du lest sont couplés.
Ainsi, Il est choisi, à partir des
calculs théoriques non représentés ici tenant compte du profil ou de la forme
hydrodynamique et/ou
aérodynamique du lest et de toute sorte des contraintes susceptibles
d'influencer le mouvement du
lest, un mode de fonctionnement normal. Ce mode de fonctionnement normal
comprend trois
paramètres dépendants les uns des autres : la vitesse du lest V, le
coefficient de freinage J et le
10 facteur de sécurité Q (V, J) représentant le couplage de Q(V) et Q(J).
On représente par QI = Q(J) les mesures selon la figure 4a et Q2 = Q(V) les
mesures selon la
figure 4b. Pour déterminer les conditions de fonctionnement normal et anormal,
en toute sécurité,
du dispositif selon l'invention, on considère une matrice Q (V, J) formée par
les composantes QI et
Q2 correspondant respectivement à la mesure du facteur de sécurité pour chaque
valeur de V
15 constant et à la mesure du facteur de sécurité pour chaque valeur de J
constant.
Pour chaque paire de mesure (Q1, Q2) de la matrice Q(V, J), est déterminé un
facteur de
sécurité Q correspondant au couplage qui reflète la mesure dans laquelle il
est probable que la paire
de mesure (Q1, Q2) soit un appariement correspondant au bon fonctionnement ou
au mauvais
fonctionnement du dispositif de stockage selon l'invention. De cette façon, il
est possible de choisir
une valeur de Q correspondant à un fonctionnement normal sécurisé et les
autres paramètres,
notamment V et J s'ajuste eux-mêmes : c'est la co-univocité. Inversement, il
est possible de choisir
J est V et Q s'ajuste lui-même : c'est la multiunivocité. Donc le facteur de
sécurité Q = Q(V, J)
définissant le fonctionnement normal et/ou anormal, est multiunivoque ou co-
univoque ou
multivoque, ceci pour une dimension caractéristique de passage d'au moins 1
mètre, de préférence
3 mètres ou 10 mètres. Le fait que Q soit multiunivoque ou co-univoque ou
multivoque permet
d'augmenter la quantité d'information disponible pour définir ou assurer le
bon fonctionnement du
dispositif de stockage d'énergie selon l'invention car toutes les combinaisons
possibles des
différentes valeurs de V et J sont prises en compte pour définir un mode de
fonctionnement normal
et optimal. Et permet aussi d'informer et/ou d'alerter l'opérateur et/ou de
déclencher d'autre
diagnostic ci-après défini en cas de mauvais fonctionnement comme détaillé
précédemment en
tenant compte de la valeur de Q. donc en fonctionnement normal, Q est
inférieur à 0,7, et en
fonctionnement anormal, Q est supérieur à 0,7, de préférence temps vers 1.
Selon l'invention, le coefficient de freinage J est inférieur ou égal à 0,4,
la vitesse du lest est
inférieure à 6 mètres par seconde et le facteur de sécurité est toutefois
inférieur ou égal à 0,7. Ce
couple de valeurs est choisi de façon multiunivoque ou co-univoque ou
multivoque de telles sortes
les forces de frottements fluides soient en général négligeables, c'est-à-dire
que le facteur de
sécurité Q, étant une fonction multiunivoque ou co-univoque ou multivoque,
doit à priori être
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toutefois inférieure à 0,7 en fonctionnement normal, ceci pour une dimension
caractéristique de
passage d'au moins 1 mètre.
La vitesse moyenne inférieure à 6 m/s choisit, permet de faire fonctionner
normalement le
dispositif avec un bon gain de production de puissance, de préférence une
vitesse inférieure ou
égale à 5 mètres par seconde est choisie pour plus de sécurité. En effet,
lorsque la vitesse est
supérieure à 6 mètres par seconde, le facteur de sécurité Q (J) peut, dans
certain cas, tendre vers 1
pour un coefficient de freinage de l'ordre de 0,4 comme le montre la figure
4a. Ce cas de
fonctionnement peut être néfaste pour le mouvement du lest dans la cavité (2).
C'est pour cette
raison qu'il est choisi, en fonctionnement normal, un coefficient de freinage
inférieur à 0,4.
Le fait de maintenir le lest à une vitesse V inférieure à 6 m/s permet
d'éviter que le facteur de
sécurité Q tend vers 1 en cas de mauvais fonctionnement. Dans le cas de
mauvais fonctionnement
où le lest M a acquis une vitesse excessive supérieure à 6 mètres par seconde,
le facteur de sécurité
tend vers 1. De ce fait, le lest est freiné dans la partie inférieure de la
cavité (2) pour se reposer en
toute sécurité, avec une vitesse adaptée correspondant à l'énergie minimale
que pourrait supporter
la cavité (2).
De même la valeur de la vitesse choisie ainsi que les valeurs du coefficient
de freinage J et du
facteur de sécurité Q choisie obéit à au principe de multiunivocité ou co-
univocité de la fonction Q
(V, J) et permet d'assurer le bon fonctionnement du dispositif de stockage
selon invention en toute
sécurité.
De façon formelle, le facteur de sécurité ne doit pas être supérieur à 1. Ce
qui explique la
limite choisi sur les figure 4a et 4b. En effet, au-delà de Q = 1, plusieurs
phénomène physique entre
en jeux et il est difficile d'étudier l'aérodynamisme et ou l'hydrodynamisme
du dispositif de
stockage selon l'invention.
Avantageusement, le facteur de sécurité Q correspondant au fonctionnement
normal et
anormal dudit dispositif de stockage d'énergie, étant multiunivoque ou co-
univoque ou multivoque,
ledit facteur Q étant inférieur à une valeur Qmin prédéfinie en mode normal et
à une valeur
supérieur à Qmin en mode anormal.
En référence à la figure 3, la cavité de circulation (2) comprend en outre une
ébauche de
section S3 située dans la partie inférieure de cette cavité (2), sur une
hauteur 113. Cette ébauche de
section S3 de la cavité (2) est destinée à freiner le lest en cas de mauvais
fonctionnement et/ou de
vitesse excessive et/ou de rapprochement de la partie inférieure Pl. En effet,
la section S3 est plus
faible que la section Si. Donc, le coefficient de freinage J1 qui correspond
ici au rapport de la
section S2 sur la section S3 (S2/S3) doit être supérieur à 0,7, de préférence
inférieur ou égal à 0,9,
de manière à ce que le fluide freine quasiment le lest M en augmentant le
facteur de sécurité Q
Q(V, J1). Dans ce cas, le facteur de sécurité Q tend vers 1.
Cette ébauche de section S3 permet d'augmenter les forces de frottements
fluides dans la
cavité circulation (2) ou dans cette partie de la cavité de circulation (2),
ce qui entraîne une perte
significative de la vitesse du lest M dans cettedite partie de la cavité (2).
Par conséquent, le lest M
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est freiné par le fluide Fi et/ou F2 et peut reposer dans la partie inférieure
P1 formant un fond en
toute sécurité, avec une vitesse quasiment nulle.
L'ébauche de section S3 est faite en matériau ou en béton ou en élastomère ou
encore de la
même matière que la cavité (2). Ladite ébauche de section S3 est introduite
dans la cavité (2) par
l'intermédiaire d'une rainure adaptée ou d'un autre moyen, qui permet de le
faire glisser facilement
sans contrainte jusqu'au fond de la cavité (2) comme le montre la figure 3.
Selon l'invention, la structure de conception de cette ébauche de section S3
précédemment
définie est adaptée pour supporter un choc de grande énergie correspondant à
l'énergie maximale
du lest M dans la cavité (2). Elle joue également le rôle d'une paroi de
revêtement pour la cavité (2)
ayant double fonction, la fonction protectrice contre les chocs intenses et la
fonction de freinage.
Selon une variante, toute la cavité(2) peut être renforcée par cette ébauche
section S3 sur toute
sa longueur.
Selon une variante de réalisation de l'invention, le lest M et l'ébauche de
section S3
comprend, une ou plusieurs rainures permettant de diriger et/ou de guider le
lest M dans ladite
ébauche de section S3 et ladite ébauche de S3 dans la cavité (2). De cette
façon, le lest M peut
facilement coulisser sur le tronçon de la cavité (2) de section S3 en toute
sécurité pour finir sa
course en toute sécurité avec une vitesse quasiment nulle sur la partie
inférieure P1 formant le fond
de la cavité (2).
Afin d'améliorer les conditions de sécurité dans la partie inférieure de la
cavité (2), le
coefficient de freinage J1, qui correspond au rapport S2/53, est adapté pour
que les forces de
frottements entre un des fluides Fl et/ou F2 présent dans cette dite partie
inférieure et le lest M
soient suffisamment importantes en cas de mauvais fonctionnement et/ou de
vitesse excessive et/ou
de rapprochement de la partie inférieure Pl formant un fond. C'est-à-dire que
le facteur de sécurité
Q doit être tendre vers 1. De ce fait, le lest M est freiné avant d'atteindre
la partie inférieure Pl.
Dans ces conditions, les forces de frottements fluides joueront le rôle de
frein ou de force de rappel
permettant d'empêcher que le lest M touche la partie inférieure P1 formant un
fond de la cavité (2),
avec une vitesse excessive.
En se référant au calcul précédemment développé, les coefficients de freinages
J1 et J
expriment la même chose à des profondeurs ou endroits diffèrent(e)s de la
cavité (2).
En cas de mauvais fonctionnement, par exemple lors de la rupture du câble, la
vitesse du lest
risque d'être largement excessive, par exemple supérieure à 9 mètres par
seconde. Dans ces
conditions, le lest M peut avoir une énergie assez importante pour détruire la
partie inférieure
formant le fond P1 ou encore causer un tremblement de terre dans les environs
du dispositif de
stockage, ce qui pourrait rendre le dispositif inutilisable dans la suite. De
ce fait, il est prévu que la
partie inférieure de la cavité soit conçue en matériau pouvant supporter des
énergies suffisamment
grandes correspondant à l'énergie maximale de chute du lest dans cette dite
partie inférieure
formant le fond PI.
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La partie inférieure P1 formant de fond est également renforcé par un bloc(4)
en matériaux ou
en élastomère, ceci pour éviter toute destruction de ladite partie inférieur
Pl formant le fond en cas
de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse excessive du dispositif de stockage
d'énergie selon
l'invention.
En référence à la figure 4c ou à la figure 4d qui représente une coupe
longitudinale du
dispositif selon l'invention, ladite partie inférieure Pl formant le fond
comprend un bloc (4) de
matériau élastique comme l'élastomère ou de matériau dur comme le béton. Ce
bloc (4) comprend
des trous pour réguler la circulation du fluide lorsque le lest M approche la
partie inférieure Pi
formant le fond de la cavité (2). Cettedite partie inférieure formant le fond
Pl est un bloc de
matériau défini précédemment ou un bloc de béton déposé au fond de la cavité
(2). Ces blocs (4) de
matériaux peuvent être amovibles dans la cavité (2) et comprennent des
plusieurs trous permettant
d'évacuer le fluide Fi et/ou F2 lors de son installation dans la cavité (2) de
circulation et lorsque le
lest M approche à la partie inférieure Pl. Ces matériaux appropriés présentent
des performances
mécaniques et thermodynamiques adaptées à l'énergie maximale de chute du lest
dans la cavité (2)
de façon à ce qu'ils soient susceptibles d'emmagasiner toute l'énergie du lest
M lors de sa chute
libre dans la cavité (2).
Dans la variante de la figure 4c, le bloc (4) de matériau constituant la
partie inférieure Pl
formant le fond de la cavité (2) peut contenir une ou plusieurs rainures ou
avoir un coefficient
freinage qui tend vers 1, permettant de l'installer facilement au fond de la
cavité (2). C'est dire que
la section du bloc(4) est sensiblement égale à la section SI de la cavité (2).
Dans la variante de la figure 4d, la cavité (2) comprend au moins deux blocs
(4) en matériau
élastique et des moyens de suspensions élastiques (5). L'ensemble blocs (4) et
moyens de
suspensions élastiques (5) constituent un système de suspension élastique
antivibratoire et/ou
antichoc. Cedit système de suspension comprend un ou plusieurs blocs
élastiques (4) par exemple
des blocs en élastomère, et un ou plusieurs amortisseurs (5) par exemple des
amortisseurs à ressort
de compression et/ou des amortisseurs à pistons. Comme le montre la figure 4d,
les amortisseurs
sont intercalés entre deux blocs (4) élastiques ou en béton. Ces blocs (4)
sont installés au fond de la
cavité (2) par l'intermédiaire des moyens de roulement, permettant à cedit
bloc de glisser
facilement dans la cavité ou par tout autre moyen. Ces moyens de roulement
peuvent être des roues
ou des rainures. De ce fait, en cas de rupture du câble et/ou de mauvais
fonctionnement et/ou de
vitesse excessive, les blocs (4) sont susceptibles d'absorber l'énergie
maximale correspondant à la
chute du lest M dans la cavité (2) ou au fond de la cavité (2).
Les deux variantes de réalisations précédemment définies selon l'invention,
principalement le
dispositif de la figure 4c et/ou 4d, ont pour avantage d'écartés efficacement
ou totalement les
risques de destruction du fond de la cavité (2) et les risques de propagation
d'ondes sismiques
résultantes du choc du lest M avec le fond P et ou les parois de la cavité
(2), notamment en cas de
mauvais fonctionnement et/ou de vitesse excessive. En effet, le bloc (4) et
les moyens de
suspension (5) amortit les efforts des chocs du lest M avec la partie
inférieure formant le fond de la
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cavité (2), puis emmagasine les ondes sismique et/ou l'énergie maximale de
chute du lest M dans
ladite cavité (2) en réduisant considérablement les probabilités sismiques.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le dispositif de la figure 4c
ou de la figure 4d,
peut comprendre en outre une ébauche de section S3, non représentée, située
dans la partie
inférieure de cette cavité (2) comme dans le cas de la figure 3, sur une
hauteur H3. Cette ébauche
de section S3 de la cavité (2) est destinée tout de même à freiner le lest en
cas de mauvais
fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de rapprochement de la partie
inférieure Pl.
Avantageusement, le dispositif de la figure 4e et de la figure 4d peut
fonctionner normalement
avec ou en absence de l'ébauche de section S3 en toute sécurité.
Une autre variante de réalisation selon l'invention est représentée sur les
figures 4e, 4f, 4i, 4j.
Dans cette variante, le lest M comprend au moins un orifice (6) et au moins un
moyen (7). Le
moyen (7) est amovible et est libre de se déplacer suivant l'axe ZZ' sur une
partie de l'orifice (6)
par l'intermédiaire des moyens de roulements ou tous autres moyens et faisant
un angle BETA
supérieur ou égal à 5 degrés avec l'axe horizontal )OC'.
Lors de la descente du lest M dans la cavité (2), le fluide Fi et/ou F2 peut
s'introduire
librement dans la partie inférieure (point B) du lest M à travers l'orifice
(6).
En fonctionnement normal, d'après des lois de l'hydrodynamique et/ou de
l'aérodynamique, la
pression au point A noté PA est sensiblement égale à la pression au point B
noté PB, le facteur
sécurité Q de préférence inférieur à 0,7 et le coefficient de freinage et la
vitesse du lest M sont
adaptés en fonction de la valeur choisie du facteur de sécurité.
Quand la vitesse V du lest M est nulle, la pression sur la partie supérieure A
est sensiblement
égale à la pression sur la partie inférieure B. En cas de vitesse excessive
et/ou de mauvais
fonctionnement et/ou de la pénétration du lest M dans un autre fluide de
densité plus grande, la
pression PB au point B devient différent, de préférence supérieure, à la
pression PA au point A.
Cette variation de pression étant proportionnelle à la vitesse du lest M,
permet au fluide présent
dans la cavité (6) de déplacer le moyen (7) vers l'extérieur du lest M, ce qui
permet d'augmenter le
facteur de sécurité Q et le coefficient de freinage J et de diminuer la
vitesse du lest. De cette façon,
le lest M est ralenti et/ou freiné dans la cavité (2) en toute sécurité.
Pendant le ralentissement du lest M dans la cavité (2), la pression PA en A
peut-être
quasiment égale à la pression PB en B et le moyen (7) peut revenir dans son
état précédent dans
l'orifice (6). Ainsi, le lest M peut alors reposer en toute sécurité sur la
partie inférieure Pl de la
cavité (2) ou continuer à produire de la puissance électrique avec une vitesse
nominale
correspondant au fonctionnement normal du dispositif selon l'invention.
L'avantage de cette variante réside par le fait qu'un système hydromécanique
ou
hydroélectromécanique permet au lest M de réguler son mouvement en fonction du
facteur de
sécurité Q du milieu, de la vitesse dudit lest M et du fluide Fi et/ou F2. Ce
système
hydromécanique ou Hydroélectromécanique comprend le moyen (7), l'orifice (6)
et le fluide Fi
et/ou F2. Le déplacement du moyen (7) est dû à une poussée exercée par le
fluide.
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De même, une autre variante de réalisation selon l'invention est représentée
sur la figure 4g et
la figure 4h avec le même objectif que celui des figures 4e, 4f, 4i, 4j. Elle
différence de ceux de
cesdites figures par le fait que le lest M comprend au moins un orifice (6)
comprenant un moyen
(7), ledit orifice étant placé dans la partie supérieure du lest M et ne
présentant pas un lien direct
5 avec le point B. l'ouverture et la fermeture du moyen (7) est gouverné
par deux capteurs de
pression placées au point A et B.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le lest comprend en outre un
capteur de mesure
de pression, un capteur de mesure de vitesse et/ou de l'altitude. L'avantage
de cette alternative
réside par le fait que le système hydroélectromécanique précédemment défini
comprend des
10 moyens embarqués solidaires au lest M, desdits moyens pouvant être
pilotés par différents moyens
de commande permettant de faire fonctionner le dispositif de stockage
d'énergie selon l'invention.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le dispositif de stockage
d'énergie comprend au
moins un ou plusieurs câbles C permettent de relier le lest M à un ou
plusieurs tambours T. Le
câble C s'enroule sur le tambour T. Le tambour T a un axe de rotation XX' fixe
par rapport à la
15 cavité non représenté ici. Dans ce cas le tambour est maintenu fixe par
un moyen de blocage
empêchant le lest de se déplacer. Il est possible également de déposer le lest
à même le sol pour
maintenir le lest au repos sans consommation d'énergie.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention Le dispositif de stockage
d'énergie comprend au
moins un premier moyen comprenant un système de blocage et de déblocage du
tambour T, ledit
20 premier moyen permettant de maintenir le lest à l'intérieur de la cavité
(2) et/ou sur la plateforme
P2 de ladite cavité (2) pendant un temps donné, aussi longtemps que l'on veut,
en position
d'équilibre stable à une altitude donnée sans perte d'énergie potentielle et
de consommation
d'énergie. Ce premier moyen est parfaitement écologique, c'est-à-dire sans
émission de gaz à effet
de serre, car ce moyen n'utilise pas une technique nécessitant l'émission du
gaz carbonique dans
l'air.
Avantageusement ledit dispositif de stockage d'énergie comprend en outre au
moins un
deuxième moyen permet d'augmenter l'altitude du lest M dans l'axe principal de
circulation Y'Y,
lorsque l'énergie électrique du réseau est abondante et disponible, en
transformant l'énergie
électrique du réseau en énergie potentielle de gravitation. Ce deuxième moyen
est aussi
parfaitement écologique sans émission de gaz à effet de serre. Ce deuxième
moyen comprend au
moins un moteur électrique ME qui permet de transformer l'énergie électrique
prélevée au réseau
(1) en énergie potentielle de gravitation en entraînant le tambour T. De ce
fait, l'altitude du lest M
augmente lorsque l'énergie électrique est abondante et disponible.
Avantageusement le dispositif selon l'invention comprend également un
troisième moyen
permet de diminuer l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation
YY' lorsque le réseau
demande de l'énergie électrique, en transformant l'énergie potentielle de
gravitation du lest M et
éventuellement son énergie cinétique en une énergie électrique. L'énergie
potentielle de gravitation
du lest M et éventuellement l'énergie cinétique ainsi transformées sont
fournies au réseau. Ce
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troisième moyen est également parfaitement écologique sans émission de gaz à
effet de serre. Ce
troisième moyen comprend au moins une génératrice GE connectée mécaniquement
au tambour T,
qui assure la régulation de la vitesse du lest M d'une part et fournit au
réseau la puissance
électrique utile dont il a besoin d'autre part. Pour adapter la vitesse de
rotation du tambour à la
vitesse de rotation de la génératrice, la génératrice est connectée
mécaniquement au tambour par
l'intermédiaire d'un train d'engrenage. Ce qui permet d'assurer en toute
sécurité la régulation de la
vitesse du lest et la redistribution au réseau de la puissance électrique.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention le dispositif de stockage
d'énergie comprend un
quatrième moyen permettant de mesurer l'altitude du lest M au moins lorsque ce
lest M est proche
de la partie inférieure P1 formant un fond de la cavité (2). Ce moyen est très
utile, car il permet
d'éviter que le lest M n'atteigne le fond avec une vitesse trop élevée ou
excessive. Il permet aussi
d'éviter les accidents ou les incidents dus à de mauvaises conditions de fond
de la cavité de
circulation (2). La connaissance de l'altitude du lest permet également de
connaître la masse totale
soumise à l'accélération de la pesanteur. En effet la masse du câble n'est pas
toujours négligeable
par rapport à la masse du lest M, surtout lorsque le lest M se trouve dans une
position proche du
fond. La masse totale (masse du lest M + masse verticale de câble) augmente
donc au fur et à
mesure de la descente du lest dans la cavité.
Le dispositif selon l'invention comprend en outre un cinquième moyen est un
moyen de
pilotage qui permet de commander en temps réel ou différé, les différents
premier, deuxième, et
troisième moyens précédemment cités, en fonction de l'abondance et de la
disponibilité de
l'énergie électrique du réseau, de l'énergie électrique demandée par le réseau
et de l'altitude du lest
M. Ledit cinquième moyen de commande comprend un calculateur qui a la capacité
de traduire les
consignes permettant de défmir
- dans le premier fluide FI l'instant initial TO pour lequel le
premier moyen sera actionné et
pour lequel au moins un lest M sera libéré, le temps TCL1 d'accélération d'au
moins un
lest M, la puissance redistribuée au réseau à partir de l'instant Tl à la fin
de l'accélération,
le temps TVC1 pendant lequel la vitesse de descente sera pilotée par le
troisième moyen
pour avoir une vitesse adaptée à la puissance demandée par le réseau, le temps
TVD de
décélération pendant lequel la vitesse d'au moins un lest M sera adaptée pour
franchir le
deuxième fluide F2 en toute sécurité ;
- dans le deuxième fluide F2, le temps TCL2 d'accélération d'au moins
un lest M, le temps
TVC2 pendant lequel la vitesse de descente sera pilotée par le troisième moyen
pour avoir
'une vitesse adaptée à la puissance demandée par le réseau, un temps TF
pendant lequel
ladite vitesse sera pilotée pour revenir à une vitesse nulle.
On démontre que le temps requis d'accélération est sensiblement égal, en
secondes, au rapport
de la puissance requise en Watt divisé par 80 fois la masse du lest M exprimée
en kilogramme.
Cette relation doit être pondérée par l'influence de la hauteur de la cavité,
par l'influence des
frottements et par l'inertie des poulies.
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Par exemple pour un puits de 1000 m de hauteur comprenant un lest d'une masse
de 106 kg et
pour fournir une puissance mécanique à la génératrice de 100 MW, il faut que
le temps
d'accélération TCL1 et/ou TCL2 soit environ égal à 1,2 s.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le dispositif comprend en
outre un accumulateur
d'énergie à restitution très rapide, cet accumulateur est placé entre le
générateur et le réseau. Il
permet de fournir une énergie au réseau pendant le temps de latence TCL1 et/ou
TCL2. Ce temps
de latence est le temps nécessaire pour qu'au moins un lest M arrive à la
vitesse désirée V dans le
premier fluide Fi et/ou V' dans le deuxième fluide F2. Comme définie plus haut
en
fonctionnement normal, la vitesse est inférieure à 6 m/s. Cettedite vitesse
est choisie de telle sorte
que les mesures de sécurité soient optimales.
Le dispositif selon l'invention comprend aussi un sixième moyen est un moyen
embarqué et
solidaire au lest M, il comprend des moyens de détections électroniques et/ou
électromagnétiques,
et permet, en temps réel ou différé, à quelques mètres du lest M, de repérer
en toute sécurité les
différentes positions du lest M lors de sa descente et/ou de sa montée, dans
la cavité (2). Cedit
sixième moyen permet également de repérer en toute sécurité les obstacles
et/ou les variations de
densité et/ou de pression du fluide Fi et/ou F2 et/ou la vitesse relative du
fluide Fi et/ou F2 par
rapport au lest M et de modérer localement le déplacement dudit lest M dans la
cavité (2).
Les moyens de détection précédemment définis permettent aussi de modérer et de
piloter la
vitesse de déplacement du lest M lors du passage du fluide de densité Dl vers
le fluide de densité
D2 et inversement lors du passage du fluide de densité D2 vers le fluide de
densité Dl, de telle
sorte que le changement de milieu s'effectue sans impact violent, évitant tout
devers ou
renversement du lest M. Ainsi, le dispositif peut fonctionner en toute
sécurité dans un milieu
complexe comprenant au moins deux fluides, par exemple de l'air et de l'eau,
sans pour autant
porter préjudice au mouvement du lest M dans la cavité (2). De ce fait, la
puissance peut être
régulée en fonction des besoins du réseau (1).
Avantageusement, la cavité (2) peut être un puits de mine abandonné, adapté
aux conditions
définies plus haut pour ce dispositif de stockage d'énergie selon l'invention.
La figure 5 montre les différents mouvements et étapes de descente du lest M
correspondant à
un cas particulier de réalisation, définissant un procédé de fonctionnement du
dispositif de stockage
d'énergie selon l'invention. Les différents mouvements du lest M sont pilotés
par le cinquième
moyen et/ou le sixième moyen.
A l'instant initial TO, le lest M est au repos et il est maintenu par le
premier moyen, par
exemple sur la plateforme P2 de la cavité (2), en position d'équilibre stable
à une altitude donnée,
sans perte d'énergie. A cet instant TO, dès que le réseau est demandeur
d'énergie électrique ou
légèrement avant, le premier moyen libère le lest M en le lâchant sans vitesse
initiale à cet instant
initial TO. Le lest M est alors accéléré sous l'effet de la pesanteur,
particulièrement sous l'effet de
son poids pendant un temps d'accélération égal à TCL1, TCL1 = Ti ¨ TO, jusqu'à
atteindre une
vitesse désirée VI, V1=V, à l'instant Ti. Pendant ce temps TCL1, le lest M a
parcouru une
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distance donnée et la puissance électrique augmente progressivement jusqu'à
atteindre à l'instant
Ti une valeur PU1, PU1=PU. Ce temps d'accélération TCL I permet d'obtenir la
puissance
électrique nécessaire redistribuée au réseau à l'instant Tl.
A partir de cet instant TI où le lest M a acquis une vitesse V, le troisième
moyen permet de
fournir au réseau la puissance électrique demandée et ceci jusqu'à atteindre
l'instant T2. Pendant
un temps TVC1, TVC1 = T2 ¨ Ti, temps écoulé entre T2 et Ti, le mouvement du
lest M est régulé
à une vitesse adaptée pour fournir la puissance électrique demandée par le
réseau. Par exemple, si
la vitesse V est constante, alors la puissance électrique fournie au réseau
est constante et
inversement.
Entre T2 et T3, le sixième moyen détecte le deuxième fluide et le mouvement du
lest est piloté
pendant un laps de temps égal à TVD, TVD =T3-T2, de sorte que la vitesse à
l'instant T3 soit
adaptée pour permettre au lest de franchir le deuxième fluide en toute
sécurité, de préférence à une
vitesse V3 inférieure à V à l'instant T3. La puissance fournie pendant ce laps
de temps TVD est
régulée avec le mouvement du lest M et dans certains cas, s'il y a perte de
puissance, ces pertes
peuvent être régulées de telle sorte que la puissance fournie au réseau reste
quasiment constante
pendant le laps de temps TVD.
A l'instant T3, le lest franchit le deuxième fluide en toute sécurité avec la
vitesse V3 et est de
nouveau accéléré de manière régulée au besoin électrique du réseau (1), sous
l'effet de son poids
pendant un temps d'accélération égal à TCL2 = T4-T3 jusqu'à atteindre une
vitesse V4, V4=V' à
l'instant T4, de préférence V'=V. Pendant ce temps TCL2, la puissance augmente
progressivement
jusqu'à atteindre une puissance PU2, PU2 = PU' à l'instant T4, de préférence
PU'=PU.
A partir de cet instant T4, le troisième moyen fournit au réseau électrique la
puissance
électrique PU' demandée et ceci jusqu'à l'instant T5. Le temps écoulé pendant
cette période est
TCL2, TCL2 =T5-T4. Pendant cette période TCL2, la vitesse du lest M est
adaptée pour fournir la
puissance électrique demandée par le réseau électrique, par exemple si la
demande de puissance est
constante, alors la vitesse de descente sera constante et inversement.
Entre T5 et T6, le quatrième moyen et le sixième moyen détectent la partie
inférieure de la
cavité (2) et également la section S3 de cettedite cavité (2). Le mouvement du
lest est piloté
pendant un laps de temps égal à TF, TF = T6-T5, de sorte que la vitesse du
lest à l'instant T6
redevient nulle. Ainsi, le lest M est freiné et peut, soit reposer en toute
sécurité sur la partie
inférieure formant le fond Pl, soit s'arrêter dans la partie inférieure de la
cavité (2).
Enfin, lorsque plusieurs cycles de production d'électricité au réseau
électrique ont été réalisés
et dès que l'électricité est abondante et disponible sur le réseau (1), le
lest M est remonté pour
revenir à sa position de départ.
Pendant la phase de descente du lest M, correspondant à la demande d'énergie
électrique par
le réseau (1), le mouvement du lest M est régi dans le premier fluide par
trois types de mouvements
entre TO et T3 :
- par un mouvement accéléré pendant un temps TCL1 entre TO et T1 ;
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- par un mouvement adapté au besoin de puissance électrique du réseau
pendant un temps
TVC1 entre T1 et T2;
- par un mouvement adapté à des conditions de sécurité suffisantes
pour franchir le
deuxième fluide en toute sécurité pendant un temps TVD entre T2 et T3.
Dans le deuxième fluide, le mouvement du lest M est également régi par trois
types de
mouvements entre T3 et T6:
- D'abord par un mouvement accéléré de manière régulé au besoin
électrique du réseau (1)
pendant un temps TCL2 ;
- puis par un mouvement adapté au besoin de puissance électrique du
réseau pendant un
temps TVC2 ;
- et enfin, par un mouvement décéléré pendant un temps TF.
Avantageusement, le dispositif de stockage selon l'invention comprend entre le
lest M et le
tambour T une poulie ou un train de poulies formant un palan, afin de diriger
et/ou de réduire
l'effort de traction présent dans le câble. De plus, lorsque l'énergie
électrique du réseau est
abondante, le lest M est remonté par le deuxième moyen jusqu'à rejoindre la
position haute de
départ.
Le dispositif peut comprendre en outre un accumulateur d'énergie à restitution
rapide. Cet
accumulateur est placé entre le générateur et le réseau et permet de fournir
une énergie au réseau
pendant le temps de latence TCL1 et/ou TCL2. Ce temps de latence est le temps
nécessaire pour
que le lest M arrive à la vitesse désirée V et/ou V'.
On voit bien qu'il est possible de réaliser un dispositif économique, très
réactif, avec un bon
rendement de restitution et sans perte d'énergie pendant le stockage, pouvant
accumuler une grande
quantité d'énergie, capable d'assurer un bon fonctionnement pendant un grand
nombre de cycles,
parfaitement écologique et sans émission de gaz à effet de serre.
La figure 6a ou 6b montrent une coupe longitudinale d'un deuxième mode préféré
de
réalisation du dispositif selon invention. Ce dispositif est, dans l'ensemble,
pratiquement le même
que celui décrit dans les figures précédentes. De même, le procédé de
fonctionnement de ce
deuxième mode de réalisation objet de la présente invention est dans
l'ensemble le même que celui
décrit précédemment. La différence avec le dispositif précédemment décrit
réside par le fait que
dans ce dispositif, l'ensemble constitué par les câbles, la ou les poulie(s)
est(sont) remplacée(s) par
au moins une crémaillère fixe, fixée sur la paroi interne de la cavité de
circulation (2). La
crémaillère est adaptée pour entraîner en rotation autour d'un axe fixe par
rapport au lest M, une
roue dentée. La roue dentée est reliée à un moteur et/ou à un générateur qui
est placé et fixé sur le
lest M ou sur la plateforme. Ce dispositif comprend en outre au moins un
ensemble mécanique qui
permet d'éviter tout dévers ou renversement du lest M. Ainsi, en cas de
mauvais fonctionnement
et/ou de vitesse excessive et/ou du rapprochement du lest M de la partie
inférieure PI, l'ébauche de
section S3 empêche le lest M d'atteindre la partie inférieure P1 formant un
fond de la cavité (2) et
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le lest M est arrêté en toute sécurité sans pour autant détruire le dispositif
selon l'invention ou sans
pour autant causer un tremblement de terre local car toutes les ondes
sismiques sont emmagasinées
par l'ébauche de section S3. En effet, l'ébauche de section S3 est en
matériaux présentant des
bonnes propriétés élastiques ou d'amortissements susceptibles de supporter
sans risque un choc de
5 très grande énergie.
Avantageusement, cette ébauche de section (3) peut être conçue avec la même
structure ou
matériau que la cavité (2). Elle peut être en matériau élastique tel que
l'élastomère pour qu'elle
joue le rôle d'amortisseur antichoc et antivibratoire. Ainsi en cas de mauvais
fonctionnement et/ou
de vitesse excessive, le Lest M peut rebondir sans pour autant causer un
préjudice à la cavité de
10 circulation (2) et sans atteindre le fond de ladite cavité (2) tout en
évitant de diffuser les vibrations
susceptibles de provoquer un tremblement de terre.
Avantageusement, dans les modes de réalisations précédemment défini ou ci-
après, tous les
moyens définis précédemment restent inchangés.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le dispositif de stockage
comprend deux
15 crémaillères fixées sur les parois internes de la cavité de circulation
(2). Chacune des crémaillères
utilisées sont adaptées pour entraîner en rotation autour d'un axe fixe par
rapport au lest M,
chacune une roue dentée. Cette roue dentée est reliée à un moteur et/ou un
générateur qui est placé
et fixé sur le lest M. Ce dispositif comprend en outre au moins un moyen
électronique et/ou
mécanique permettant de synchroniser le mouvement des roues dentées afin
d'éviter tout dévers ou
20 renversement du lest M.
Les figures 6c et 6d sont des coupes longitudinales d'une variante des deux
premiers modes de
réalisations du dispositif de stockage d'énergie selon l'invention.
En référence à la figure 6c la cavité (2) a la forme d'une vallée ou une
cuvette, inclinée d'un
angle ALFA par rapport l'axe vertical.
25 En
référence à la figure 6d, la cavité (2) n'est pas un puits (ou une tour), mais
une cuvette
naturelle ou artificielle adaptée aux conditions et aux normes de sécurités
précédemment définies.
Cette cavité (2), qui est une très grande cuvette naturelle ou artificielle
est remplie de deux fluides,
l'eau et l'air par exemple. C'est le cas par exemple d'une fosse marine ou
océanique ou d'un lac
profond. Le système de pilotage et tous les autres moyens associés au
dispositif se trouvent sur une
plateforme flottante, ancrée ou posée sur un fond voisin ou stabilisée par un
moyen dynamique et le
lest M peut effectuer son mouvement comme défini dans le premier mode préféré
de réalisation ou
selon un plan incliné d'angle ALFA comme défini précédemment.
Avantageusement, une l'ébauche de section S3 est placée dans la partie
inférieure Pi formant
un fond de la cuvette non représenté ici. La partie inférieure Pl formant le
fond est reformée par un
bloc de matériaux également non représenté ici. Cettedite ébauche et cettedite
partie inférieure
Pi formant le fond sont adaptées pour supporter sans risque et en toute
sécurité un choc de grande
énergie correspondant à l'énergie maximale de chute du lest. Cettedite partie
inférieure peut être
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conçue avec les matériaux ou caractéristiques défini(e)s précédemment dans les
autres modes de
réalisations.
Avantageusement, le lest M repose sur un dispositif à faible frottement comme
des roues par
exemple, et peut circuler librement sur une surface inclinée. Le retour du
lest M à la position
initiale peut se faire par un autre chemin que celui de la descente. Cette
possibilité permet
principalement d'améliorer notablement la continuité de la restitution de
l'énergie.
Avantageusement, l'angle ALFA peut être compris entre 0 et 85 mais, de façon
non
limitative, il est compris entre 30 et 80 . De ce fait, une chute de la masse
peut générer une
puissance suffisante et nécessaire pour alimenter les besoins énergétiques du
réseau (1).
La figure 7 est une coupe longitudinale d'un troisième mode préféré de
réalisation du
dispositif objet de la présente invention. Le dispositif selon ce mode de
réalisation présente les
mêmes caractérisations structurales et fonctionnelles que les modes précédents
de réalisation. Il
diffère des autres modes de réalisation par le fait qu'il comprend une cavité
(2) comprenant en
outre une autre cavité (3) de section S4 située dans la partie inférieure de
la cavité (2). Ladite cavité
(3) a une hauteur H4 et comprend des trous de section supérieure à 3
centimètres carrés sur sa
surface latérale et au moins un fluide de densité au moins inférieure à 1,1.
La partie inférieure
formant le fond de cette dite cavité (3) notée P3 est faite en matériaux,
notamment les matériaux
précédemment définis, de préférence en matériau susceptible d'emmagasiné toute
l'énergie
maximale de chute du lest M dans cette dite cavité (3). De préférence, le fond
de la cavité (3) et/ou
la cavité (3) est (sont) faite(s) en matériau élastique comme l'élastomère.
Pour la sécurité et le bon fonctionnement du dispositif, il est défini un
coefficient de freinage
J2, qui correspond au rapport S2/S4. En se référant aux explications
développés précédemment
pour J et J1, ce coefficient de freinage J2, comme J1 et J, est adapté pour
que les forces de
frottements entre un des fluides F1 et/ou F2 présents dans cavité (3) et le
lest M soient
=
suffisamment importants en cas de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse
excessive et/ou de
rapprochement de la partie inférieure P1 et/ou P3 de sorte que le lest M soit
freiné avant d'atteindre
la partie inférieure P1 et/ou P3 en évacuant une certaine quantité de fluide
FI et/ou F2 dans lesdits
trous. C'est-à-dire que le facteur de sécurité Q = Q (V, J2) doit être
suffisamment important, de
préférence supérieur ou égal à 1. De ce fait, la cavité (3) est susceptible de
supporter sans risque un
choc de très grande énergie correspondant à l'énergie maximale de chute dudit
lest M.
De même, le sixième moyen embarqué et solidaire au lest M, qui comprend des
moyens de
détection, peut repérer et modérer localement le déplacement du lest M dans la
cavité (2) et/ou dans
la cavité (3). Le lest M peut alors être freiné dans la cavité (3) en toute
sécurité sans détruire le
dispositif de stockage selon l'invention et repose dans la partie inférieure
formant le fond P3 de
cettedite cavité (3) en toute sécurité.
La figure 8, qui est une coupe longitudinale d'un quatrième mode préféré de
réalisation du
dispositif de stockage d'énergie selon invention. Ce mode de réalisation est
le même que les modes
précédents. Il diffère des autres modes de réalisation par le fait que la
cavité (3) est mobile et peut
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se déplacer au moment voulu dans la cavité (2) sans enfreindre le mouvement du
fluide FI et/ou
F2, en respectant bien entendu les conditions de sécurités définies dans les
modes de réalisations
précédents.
Avantageusement, le dispositif de stockage selon l'invention comprend un ou
plusieurs trous,
de préférence un trou situé dans sa partie inférieure, ayant la même fonction
que les trous se
trouvant sur le dispositif de la figure 7. La cavité (3) est maintenue à
l'équilibre dans la cavité (2)
de façon flottante, dans la zone où la densité du fluide est importante,
particulièrement proche de la
partie inférieure Pi de telle sorte que le sixième moyen le détecte
facilement. La densité de cette
cavité (3) est adaptée de manière à ce qu'elle puisse facilement flotter, dans
le fluide Fi et/ou F2.
Il est avantageux d'utiliser cette cavité (3), car elle est utilisée pour
recevoir le lest à une
certaine altitude et à le diriger en toute sécurité vers la partie inférieure
formant le fond tout en le
freinant efficacement. De ce fait, la partie inférieure PI formant le fond
peut recevoir un choc
suffisamment faible et amorti, évitant ainsi de détruire le dispositif de
stockage en cas de mauvais
fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de rapprochement du lest de la
partie inférieure Pl
et/ou P3.
. En se référant aux explications développés précédemment pour J, J1 et J2, le
coefficient de
freinage J3, défini comme étant le rapport S4/S1, est adapté de telle sorte
que le facteur de sécurité
Q (V, J3) tend vers 1 en absence du lest M dans la cavité (3) de section S4 et
de manière à ce que le
facteur de sécurité soit compris entre 0,7 et 1 en présence du lest M dans
cettedite cavité (3) de
section S4. Ainsi, le lest M freiné dans la cavité (3) de section S4 peut
reposer en toute sécurité
dans ladite cavité (3) puis dans la partie inférieure P1 et/ou P3 formant le
fond de la cavité (2) et/ou
de la cavité (3).
La cavité (3) peut être faite en matériau dense ou en matériau élastique ou en
mousse ou tout
autre matériau présentant de bonnes caractéristiques adéquates au bon
fonctionnement du dispositif
de stockage selon l'invention.
La figure 9 est une coupe longitudinale d'un cinquième mode préféré de
réalisation du
dispositif objet de la présente invention. Le dispositif selon ce mode de
réalisation présente les
mêmes caractérisations structurales et fonctionnelles que les précédents modes
de réalisation. Ce
dispositif diffère de cesdits précédents modes de réalisation par le fait que
ce dispositif comprend
plusieurs lests Ml, M2, M3, ... de masse égale ou différente. Ces lests sont
stockés au sommet de
la cavité de circulation (2). Ces lests sont mis en action l'un après l'autre
dans la même cavité de
circulation en fonction des besoins électriques du réseau (1), ce qui permet
ainsi d'augmenter
l'énergie totale redistribuable au réseau.
Avantageusement, le lest comprend, comme le montrent les figure 4i et 4j, un
alésage 8
permettant de stocker les masses les unes après les autres de façon plus
efficace tout en respectant
un empilement linéaire.
Avantageusement, les lests sont stockés au sommet de la cavité (2), notamment
sur la
plateforme dans des alésages ou poches (10) de façon à ce qu'ils restent
stables en cas de mauvais
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fonctionnement ou d'une perturbation vibratoire de la surface du milieu,
notamment un
tremblement de terre. Les poches ou alésages (10) étant conçus en béton ou en
élastomère.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les lests Ml, M2, M3, ...
peuvent être mis en
action simultanément sans collision, respectant ainsi un temps de latence
entre deux lests successifs
ou consécutifs. Ce temps de latence étant suffisant pour empiler les lests les
unes après les autres
au fond de la cavité (2). Cette action simultanée permet augmenter la
puissance redistribuable au
réseau et les lests ne peuvent pas entrer en collision entre eux pendant la
descente.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le dispositif comprend en
outre au moins deux
ou plusieurs cavités (2). Lesdites cavités (2) comprennent chacune des moyens
de pilotage et au
moins un ou plusieurs lests. Les moyens de pilotage de toutes les cavités (2)
sont coordonnés pour
fournir de manière continue l'énergie au réseau et/ou une énergie plus grande
et /ou une puissance
instantanée plus grande fournie au réseau.
Avantageusement, toutes les cavités (2) comprenant au moins un lest
fonctionnent
simultanément.
Avantageusement, les cavités (2) comprenant au moins un lest fonctionnent les
unes après les
autres.
La figure 10 ou la figure 12 est une coupe transversale d'un sixième mode
préféré de
réalisation du dispositif objet de la présente invention.
Dans ce mode préféré de réalisation de la figure 10 et/ou de la figure 12, la
cavité de
circulation (2) comprend au moins trois lests Ml, M2, M3, de sections
respectives S21, S22, S23.
Ils sont distants l'un de l'autre de d12, d13 et d23. Ces lests peuvent se
déplacer au même moment
ou de façon différées dans la cavité (2) en toute sécurité, respectant toutes
les conditions de
fonctionnement du dispositif comme définies dans les précédents modes de
réalisation. D'autres
conditions de sécurité supplémentaires sont ajoutées comme le coefficient de
freinage J4 qui
correspond au rapport (S21+S22+S23)/S1 et les rapports d12/d, d23/d, dl 3/d
qui correspondent aux
coefficients d'échange de charge. Ces paramètres J4 et d12/d, d23/d, dl 3/d
permettent adaptés le
dispositif aux normes précédemment définies de telle sorte que le facteur de
sécurité Q (V, J4) soit
supérieur à 0,7, de préférence tends vers 1 en cas de mauvais fonctionnement
et/ou de vitesse
excessive et/ou de rapprochement de la partie inférieure Pl. C'est-à-dire que
les forces de
frottements entre un des fluides Fi et/ou F2 présents dans la cavité (2) sont
supérieures à 0,7 du
poids de chacun des lests Ml, M2, M3. De ce fait, les lests Ml, M2, M3 peuvent
être freinés
facilement en toute sécurité, sans détruire la partie inférieure formant le
fond Pl ou la cavité (2).
De plus, une distance minimale d12, d13, d23 est nécessaire pour éviter que
les lests se touchent
entre eux, causant ainsi une destruction du dispositif ou une
disfonctionnement. Egalement, un
écart de sécurité déterminé par les coefficients d'échange de charge est
nécessaire pour éviter que
les lests touchent la cavité(2) causant ainsi une destruction du dispositif ou
un disfonctionnement
ou une onde sismique. De préférence, chaque coefficient d'échange est égal à
0.3 ou 0.2.
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Avantageusement, le facteur de sécurité Q (V, J4) est inférieur à 0,7 en
fonctionnement
normal, c'est-à-dire que les forces de frottements entre un des fluides FI
et/ou F2 présent dans la
cavité (2) sont inférieures à 0,7 du poids du lest M.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, un coefficient de freinage 35
correspondant au
rapport (S21+S22+S23)/S3 est également adapté pour que les forces de
frottements entre un des
fluides Fi et/ou F2 présents dans la partie inférieure de la cavité (2) et les
lests Ml, M2, M3 soient
suffisamment importants en cas de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse
excessive et/ou de
rapprochement de la partie inférieure formant un fond Pl, de sorte que lesdits
lests MI, M2 M3 soit
freiné avant d'atteindre la partie inférieure Pl. C'est-à-dire que le facteur
de sécurité Q (V, J5) doit
être tendre vers 1 en cas de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse excessive
et/de rapprochement
de la partie inférieure formant un fond Pl.
Cependant, dans le cas particulier du sixième mode de réalisation du
dispositif de stockage
selon invention, un procédé particulier peut dans certain cas être mis en
place.
Selon une variante de réalisation du procédé de stockage d'énergie selon
l'invention le
premier lest M1 est lâché en premier, le deuxième lest M2 est lâché avec un
retard delta par rapport
au premier lest et le troisième lest M3 est lâché avec un retard delta2 par
rapport au premier lest.
Delta et delta2 pouvant varier entre 0 et quelques secondes de telle sorte que
l'on puisse piloter le
dispositif pour fournir une puissance électrique suffisante et nécessaire au
fonctionnement du
réseau (1). Ainsi, la puissance totale fournie par ce procédé peut être
régulée en fonction des
besoins du réseau (1), par exemple la puissance totale peut rester constante,
quel que soit le
mouvement de l'un des lests, tel que l'arrêt et/ou la décélération et/ou
l'accélération et/ou un
mouvement rectiligne uniforme.
Selon une autre variante de réalisation du procédé de stockage d'énergie selon
l'invention le
premier lest M1 est dans le deuxième fluide, sa production énergétique est
coupée pour qu'il gagne
de nouveau de la vitesse pour atteindre une vitesse nominale de fonctionnement
choisie. Pendant ce
temps, la production de puissance électrique est générée par les lests M2 et
M3. Ce choix est
soutenu par le fait qu'il est plus commode et sécurisant que les trois lests
ne franchissent pas le
deuxième fluide au même moment, car, les forces de frottement peuvent devenir
plus importantes.
Selon une autre variante de réalisation du procédé de stockage d'énergie selon
l'invention,
lorsque le premier lest M1 approche la vitesse nominale, les deux autres lests
M2 et M3 sont
ralentis pour atteindre une vitesse nulle et seul le lest de masse M1 produit
une puissance électrique
utile aux besoins du réseau. A l'approche de la partie inférieure de la cavité
(2) et/ou (3) formant le
fond, le lest M1 est freiné et le mouvement du lest M2 devient accéléré pour
atteindre une vitesse
nominale choisie, nécessaire pour produire une puissance électrique
suffisante. Suivra ensuite le
mouvement du lest M3. De cette manière, les trois lests effectuent les mêmes
mouvements. Le
mouvement du deuxième lest a un retard delta3 par rapport au premier lest et
celui du troisième lest
a un retard delta4 par rapport au premier lest et/ou au deuxième lest. Pendant
la production de
puissance électrique par le lest M2, le lest Ml est remonté, puis pendant la
production de puissance
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électrique par le lest 3, le lest 2 est remonté. Ainsi se répète le cycle de
production de puissance
nominale nécessaire pour le bon fonctionnement du réseau électrique.
Selon une autre variante de réalisation du procédé de stockage d'énergie selon
l'invention, la
puissance électrique est produite avec les lests M2 et M3 avec une puissance
régulée pour qu'un
5 couple résistif résultant compense l'accélération initiale, ce qui
permettrait de produire de la
puissance électrique avec le lest Ml. Cettedite puissance étant plus faible
que celle correspondant à
un couple résistif qui compense l'accélération initiale. Cettedite puissance
peut être augmentée
progressivement en maintenant une accélération différente de zéro,
particulièrement à une valeur
positive.
10 Selon d'autres variantes de réalisation de l'invention telle représentée
sur la figure 11, la cavité (2)
comprenant en outre au moins deux rails ou deux glissières (10) fixées
solidement sur la structure
interne de ladite cavité (2) permettant de déplacer le lest ou de faire glacer
le lest dans la cavité de
circulation.
Avantageusement, le lest, de préférence chaque lest, comprenant en outre au
moins deux roues,
15 lesdites roues ayant un axe de rotation solidaire au lest et étant
susceptibles de se mouvoir sur au
moins un rail (10).
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, telle que représenté sur la
figure 12,1a cavité
comprend au moins deux lests, de préférence trois lests et au moins deux
supports de rails (11), de
préférence trois supports de rail (11), chaque support de rail (11) comprenant
deux rails (10). De
20 cette façon, il est possible de faire glisser trois lests dans une même
cavité sur des trajectoires
différentes et bien définies.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention selon, le dispositif comprend
en outre au moins 2"
câbles C de même nature ou de nature différente, N étant un nombre entier
naturel, de préférence
16 câbles C, reliés à un au moins un palonnier (12) équilibrant les efforts
sur tous les câbles, ledit
25 palonnier (12) étant relié à au moins un moyen mécanique d'accrochage
(13) permettant de libérer
ou maintenir le lest du palonnier (12), ledit palonnier et/ou ledit moyen
mécanique étant guidé par
un ensemble d'au moins 2 roues.
Avantageusement, le dispositif comprend en outre au moins un tambour T mobile
sur la
plateforme. Ce qui permet de supporter le poids du lest, car celui-ci est
directement repartit sur les
30 différents câbles. Ce qui permet également au tambour T de se déplacer
facilement et de piloter les
différents lests. Également, en cas de rupture d'un câble, le lest peut être
toujours maintenu par
d'autres câbles.
Avantageusement, le lest comprend un moyen d'accrochage mécanique (14) servant
de point
d'accrochage ou de fixation du lest avec le moyen mécanique d'accrochage (13).
Ces moyens
d'accrochages peuvent être des crochés ou tout autre moyen d'accrochage connu
dans d'autre
domaine de la mécanique.
Avantageusement le lest à une densité au moins égal à 3 ou comprise entre 3 et
10 de telle
sorte qu'elle peut facilement circuler dans le fluide FI et/ou F2.
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Avantageusement la cavité à un diamètre d d'au moins égal à 3 mètres ou 10
mètres.
Une autre variante de réalisation de l'invention consiste à coupler le
dispositif de stockage
d'énergie selon l'invention avec une centrale de production d'électricité par
exemple une centrale
d'éolienne en mer. Dans cette variante de réalisation, l'électricité produite
par la centrale éolienne
offshore ou onshore est transformée par un élévateur de la tension où
amplifier par le dispositif de
stockage afin de la transporter sur un réseau de consommation une puissance
nécessaire à
l'alimentation du réseau.
L'invention permet de résoudre les problèmes énoncés précédemment en proposant
un
dispositif de stockage écologique d'énergie récupérable à haut rendement
énergétique global
comprenant :
- au moins un lest M compact et dense, de section S2, ayant une densité au
moins égale à 1 et
au moins une masse de 10000 kilogrammes,
- au moins une cavité (2) de circulation, définissant un domaine de mobilité
du lest M, ladite
cavité (2) ayant une hauteur H d'au moins 20 m, une dimension caractéristique
de passage d d'au
moins 1 m, de préférence 10 m, une section S1 limitant le milieu interne, une
partie inférieure P1
formant un fond, une partie supérieure P2 accessible ouverte sur une
plateforme, ladite cavité (2)
ayant un axe principal de circulation YY' et comprenant au moins un fluide F,
- au moins un câble C permettant de relier le lest M à au moins un tambour T
et au moins un
premier moyen comprenant un système de blocage et de déblocage du tambour T,
ledit premier
moyen permettant de maintenir le lest à l'intérieur de la cavité (2) ou sur la
plateforme de ladite
cavité (2) pendant un temps donné, en position d'équilibre à une altitude
donnée sans perte
d'énergie potentielle,
- au moins un deuxième moyen comprenant au moins un moteur électrique ME
permettant de
transformer l'énergie électrique prélevée au réseau électrique (1) en énergie
potentielle de
gravitation en entrainant le tambour T, ledit deuxième moyen permettant
d'augmenter l'altitude du
lest M lorsque l'énergie électrique du réseau est abondante et disponible,
- au moins un troisième moyen comprenant au moins une génératrice électrique
GE, ladite
génératrice étant connectée mécaniquement au tambour T et assurant la
régulation de la vitesse du
lest M d'une part et fournissant au réseau la puissance électrique dont il a
besoin d'autre part, ledit
troisième moyen permettant de diminuer l'altitude du lest M lorsque le réseau
demande de
l'énergie électrique, en transformant l'énergie potentielle de gravitation et
éventuellement l'énergie
cinétique du lest M en une énergie électrique, ladite énergie potentielle de
gravitation et
éventuellement l'énergie cinétique transformées étant fournies au réseau,
- au moins un quatrième moyen permettant de mesurer l'altitude du lest M au
moins lorsque
ledit lest est proche du fond de la cavité (2),
- au moins un cinquième moyen de commande en temps réel ou différé comprenant
un
calculateur permettant de piloter les premier, deuxième et troisième moyens
précédemment cités,
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en fonction de l'abondance et de la disponibilité de l'énergie électrique du
réseau, de l'énergie
électrique demandée par ce réseau et de la position du lest M.
Il est avantageux que:
- la cavité (2) précédemment définie soit conçue et/ou renforcée avec des
matériaux de
structure particulière et complexe susceptible de supporter sans risque un
choc de grande énergie
correspondant à l'énergie maximale de chute dudit lest M dans ladite cavité
(2),
- le lest M précédemment définie ait une forme hydrodynamique et/ou
aérodynamique adaptée
de telle sorte que, en fonctionnement normal, les frottements hydrodynamiques
et/ou
aérodynamiques appliqués sur ledit lest M par le fluide F soient en général
négligeables et de telle
sorte que le fluide F contenu dans la cavité (2) puisse circuler, en général,
librement sans gêner de
façon significative les mouvements dudit lest M dans ladite cavité (2).
- le facteur de sécurité Q correspondant au fonctionnement normal et anormal
dudit dispositif
de stockage d'énergie, soit multiunivoque ou co-univoque ou multivoque, ledit
facteur Q étant
inférieur à une valeur Qmin prédéfinie en mode normal et à une valeur
supérieur à Qmin en mode
anormal.
- la cavité (2) ait dimension caractéristique de passage d de la cavité (2)
d'au moins 1 mètre,
de préférence 6 mètres ou 10 mètres.
Il est avantageux que:
- la cavité (2) comprenne au moins un premier fluide Fi et un
deuxième fluide F2, de
densité respective Dl et D2, telle que Dl soit très inférieure à D2, lesdits
fluides Fi et F2
étant répartis dans la cavité de manière à occuper respectivement en totalité
chacun un
volume V1 et V2 correspondant à une hauteur Hl et H2 respectivement ;
- la cavité (2) comprenne dans sa partie inférieure au moins un
système de suspension
élastique antivibratoire et/ou antichoc, cedit système est installé au fond de
la cavité (2) par
l'intermédiaire des moyens de roulement permettant à cedit système de glisser
facilement
dans ladite cavité (2) de façon à ce qu'en cas de rupture du câble et/ou de
mauvais
fonctionnement et/ou de vitesse excessive, ledit système soit susceptible
d'absorber
l'énergie maximale correspondant à la chute du lest M dans ladite cavité (2) ;
- le coefficient de freinage J soit adapté de telle sorte que le
facteur de sécurité Q soit
inférieur à 0,7 en fonctionnement normal et/ou ledit coefficient de freinage J
soit adapté de
telle sorte que le facteur de sécurité Q soit supérieur à 0,7, de préférence
tend vers 1, en cas
de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de rapprochement de
la partie
inférieure Pi;
- le lest M comprenne un système hydromécanique ou
hydroélectromécanique, ledit système
hydromécanique comprenne au moins un moyen (7) et au moins un orifice (6)
placé dans
la partie inférieure du lest M, le moyen (7) étant libre de se déplacer dans
une partie de
l'orifice (6) sous l'effet d'une force de poussée exercée par le fluide ;
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- le facteur de sécurité Q du milieu, la vitesse V du lest M soient
cordonnées au dit système
hydromécanique ou hydroélectromécanique pour permettre au lest M de réguler
et/ou de
freiner son mouvement en fonction du facteur de sécurité Q du milieu, de la
vitesse dudit
lest M et du fluide Fi et/ou F2.
- le lest comprenne un alésage ou un poche (8) ;
- la plateforme comprenne un alésage ou une poche (9) nécessaire pour
stocker les masses.
- la cavité (2) comprenne en outre, une section S3 située dans la
partie inférieure de cavité
(2), sur une hauteur 113, et le coefficient de freinage Ji soit adapté pour
que le facteur de
sécurité Q dans cette dite section S3 soit suffisamment important en cas de
mauvais
fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de rapprochement de la partie
inférieure
Pi, de telle sorte que ledit lest M soit freiné avant d'atteindre la partie
inférieure Pl.
- la cavité (2) comprenne en outre une autre cavité (3) de section S4
située dans la partie
inférieure de cettedite cavité (2), sur une hauteur H4, ladite cavité (3)
comprenne un ou
plusieurs trous de section supérieure à 3 centimètres carrés sur sa surface
latérale et au
moins un fluide de densité au moins inférieure à 1,1, et /ou le coefficient de
freinage J2 soit
adapté pour que le facteur de sécurité Q dans cettedite cavité (3) soit
suffisamment
important en cas de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de
rapprochement de la partie inférieure P1 de sorte que ledit lest M soit freiné
avant
d'atteindre la partie inférieure P1 en évacuant une certaine quantité de
fluide F, FI et/ou F2
dans lesdits trous, ladite cavité (3) étant conçu avec des matériaux adéquate
et particulière
susceptible de supporter sans risque un choc de très grande énergie
correspondant à
l'énergie maximale de chute dudit lest M dans ladite cavité (3).
- la cavité (3) soit amovible, comprenne un trou situé dans sa partie
inférieure et puisse se
déplacer au moment voulu dans la cavité (2) sans enfreindre le mouvement du
fluide F, Fi
et/ou F2, et ladite cavité (3) soit maintenue à l'équilibre dans la cavité (2)
de façon flottante
dans la zone où la densité du fluide est importante, de préférence proche de
la partie
inférieure formant un fond Pl, ladite cavité (3) permet de recevoir le lest à
une certaine
altitude et de le diriger en toute sécurité vers la partie inférieure Pi
formant un fond tout en
le freinant efficacement.
II est aussi avantageux que:
- le dispositif comprenne en outre au moins un sixième moyen embarqué
et solidaire au lest
M, ledit moyen comprend des moyens de détections électroniques et/ou
électromagnétiques, lesdits moyens de détections permettent en temps réel ou
différé, à
quelques mètres du lest M, de repérer en toute sécurité les différentes
positions du lest M
lors de sa descente et de sa montée, de repérer en toute sécurité les
obstacles et/ou les
variations de densité et/ou de pression du fluide F, Fi et/ou F2 et/ou la
vitesse relative du
fluide F, FI et/ou F2 par rapport au lest M et de modérer localement le
déplacement dudit
lest M dans la cavité (2) et/ou dans la cavité (3) et/ ou lesdits moyens de
détection
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permettent de piloter la vitesse du lest M lors du passage du fluide de
densité Dl vers le
fluide de densité D2 et inversement de telle sorte que le changement du milieu
s'effectue
en toute sécurité.
Il est également avantageux que:
- le calculateur du cinquième moyen de commande ait une capacité de
traduire les consignes
permet de définir, dans le premier fluide, l'instant initial TO pour lequel le
premier moyen
sera actionné et pour lequel au moins un lest M sera libéré, le temps TCL1
d'accélération
d'au moins un lest M, la puissance redistribuée au réseau à partir de
l'instant Ti à la fin de
l'accélération, le temps TVC1 pendant lequel la vitesse de descente sera
pilotée par le
troisième moyen pour avoir une vitesse adaptée à la puissance demandée par le
réseau, le
temps TVD de décélération pendant lequel la vitesse d'au moins un lest M sera
adaptée
pour franchir le deuxième fluide F2 en toute sécurité, le temps TCL2
d'accélération d'au
moins un lest M dans le deuxième fluide, le temps TVC2 pendant lequel la
vitesse de
descente sera pilotée par le troisième moyen pour avoir une vitesse adaptée à
la puissance
demandée par le réseau dans le deuxième fluide, un temps TF pendant lequel
ladite vitesse
sera pilotée pour revenir à une vitesse nulle ;
- le dispositif comprenne en outre un accumulateur d'énergie à
restitution très rapide, ledit
accumulateur soit placé entre le générateur et le réseau et permet de fournir
une énergie au
réseau pendant le temps de latence TCL1 et/ou TCL2, ce dit temps de latence
soit le temps
nécessaire pour qu'au moins un lest M arrive à la vitesse désirée V ou V', en
fonctionnement normal, ladite vitesse soit inférieure à 6 mètres par seconde.
Il est avantageux que
- le dispositif comprenne plusieurs lests de masses égales ou
différentes, stockés au sommet
de la cavité de circulation (2), lesdits lests sont mis en action les uns
après les autres dans
la même cavité de circulation, en fonction des besoins électriques du réseau
(1), permettant
ainsi d'augmenter l'énergie totale redistribuable et/ou la puissance
instantanée fournie au
réseau, et/ou ledit dispositif comprend en outre plusieurs cavités de
circulation (2), lesdites
cavités comprennent chacune, des moyens de pilotage et au moins un ou
plusieurs lests,
lesdits moyens de pilotage sont coordonnés pour fournir un temps de réponse
plus court
et/ou une énergie plus grande et /ou une puissance instantanée plus grande au
réseau ;
- la cavité (2) comprenne au moins trois lests MI, M2, M3 de sections
respectives S21, S22,
S33 distants l'un de l'autre de d12, d13, et d23, lesdits lests peuvent se
déplacer au même
moment ou de façon différée dans ladite cavité ;
- le coefficient de freinage J4 soit adapté de telle sorte que le
facteur de sécurité dans la
cavité (2) soit supérieur à 0,7, de préférence tend vers 1, en cas de mauvais
fonctionnement
et/ou de vitesse excessive et/ou de rapprochement de la partie inférieure Pi,
et/ou ledit
facteur de sécurité Q soit inférieur à 0,7 en fonctionnement normal et/ou le
coefficient de
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freinage J5 soit adapté pour que le facteur de sécurité Q dans cette dite
partie inférieure soit
suffisamment important en cas de mauvais fonctionnement et/ou de vitesse
excessive et/ou
de rapprochement de la partie inférieure PI, de préférence supérieur ou égal à
1, de telle
sorte que ledit lest M soit freiné avant d'atteindre la partie inférieure Pi;
5 - la cavité (2) comprenne en outre au moins deux supports de rail
(11), de préférence trois
supports de rail (11), chaque support de rail (11) comprenant deux rails ou
deux glissières
fixées solidement sur la structure interne de ladite cavité (2)
- le lest comprenne en outre au moins deux roues, lesdites roues
ayant un axe de rotation
solidaire au lest et étant susceptible de se mouvoir sur au moins un rail.
10 - le dispositif comprenne en outre au moins 2N câbles, N étant un nombre
entier naturel, de
préférence 16 câbles, reliés à un au moins un palonnier équilibrant les
efforts sur tous les
câbles, ledit palonnier étant relié à au moins un moyen mécanique d'accrochage
permettant
de libérer ou maintenir le lest du palonnier, ledit palonnier et/ou ledit
moyen mécanique
étant guidé par un ensemble d'au moins 2 roues ;
15 - le dispositif comprenne en outre au moins un tambour T mobile sur la
plateforme.
- la cavité (2) soit un puits de mines sensiblement vertical ou une
cuvette naturelle ou
artificielle.
- le dispositif soit couplé avec une centrale de production
d'électricité par exemple une
centrale d'éolienne offshore ou onshore.
20 L'invention permet également de résoudre les problèmes énoncés
précédemment en proposant
un procédé de stockage d'énergie récupérable à haut rendement énergétique
global, permettant de
prélever de l'énergie électrique sur un réseau (1) lorsqu'elle est abondante
et disponible sur ce
réseau (1), redistribuant de l'énergie électrique au réseau (1) lorsque celui-
ci en a besoin, ce dit
procédé permettant de faire fonctionner le dispositif selon l'un quelconque
des modes de réalisation
25 précédents.
Le cycle d'accumulation et de restitution d'énergie électrique peut être
piloté selon les étapes
suivantes :
- étape a) dès que l'énergie électrique est abondante et disponible sur le
réseau, le deuxième
moyen augmente l'altitude du lest M dans l'axe principal de circulation ou
suivant un autre chemin
30 en transformant l'énergie électrique du réseau en énergie potentielle de
gravitation, si ladite énergie
électrique abondante et disponible le permet, le lest M est remonté jusqu'à
son altitude maximale,
sur la plateforme P2 par exemple, ledit lest M ayant donc acquis une énergie
potentielle de
gravitation, cette dite énergie pouvant être restituée en tout ou partie
ultérieurement,
- étape b) au moins un lest M est maintenu par le premier moyen, par exemple
sur la
35 plateforme P2 de la cavité (2), en position d'équilibre stable, à une
altitude donnée, sans perte
d'énergie,
- étape c) à l'instant T=TO, dès que le réseau a besoin d'énergie ou
légèrement avant, le
premier moyen libère au moins un lest M sans vitesse initiale, ledit lest est
alors accéléré sous
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l'effet de son poids pendant un temps d'accélération égal à TCL1 jusqu'à
atteindre une vitesse
désirée V1 =V à l'instant T1, pendant ce temps TCL1, la puissance augmente
progressivement
jusqu'à atteindre une puissance électrique PU1 = PU à l'instant Ti,
- étape d) à partir de cet instant Ti le troisième moyen permet de fournir au
réseau la
puissance électrique PU demandée et ceci jusqu'à l'instant T2, la vitesse
dudit lest étant adaptée
pour fournir la puissance électrique demandée par le réseau par exemple, si la
demande de
puissance est constante alors la vitesse de descente sera constante, le temps
écoulé entre T2 et Ti
étant égal à TVC1,
- étape e) entre T2 et T3, le sixième moyen détecte le deuxième fluide et le
mouvement du lest
est piloté pendant un laps de temps égal à TVD de sorte que la vitesse à
l'instant T3 soit adaptée
pour permettre au lest de franchir le deuxième fluide en toute sécurité, de
préférence à une vitesse
V3 inférieure à V à l'instant T3.
- étape 0 à l'instant T=T3, ledit lest franchit le deuxième fluide en toute
sécurité avec la
vitesse V3 et ce dit lest est de nouveau accéléré, de manière régulée aux
besoins énergétiques du
réseau (1), sous l'effet de son poids pendant un temps d'accélération égal à
TCL2 jusqu'à atteindre
une vitesse V4=V' à l'instant T4, pendant ce temps TCL2, la puissance augmente
progressivement
jusqu'à atteindre une puissance électrique PU2 = PU' à l'instant T4, de
préférence PU1=PU2
- étape g) à partir de cet instant T4 le troisième moyen fourni au réseau (1)
la puissance
électrique PU' demandée et ceci jusqu'à l'instant T5, la vitesse dudit lest
étant adaptée pour fournir
- étape h) entre T5 et T6, le quatrième moyen et le sixième moyen détectent la
partie inférieure
de la cavité (2) et /ou de la cavité (3) et le mouvement du lest est piloté
pendant un laps de temps
égal à TF de sorte que la vitesse du dit lest à l'instant T6 redevient nulle,
- étape i) lorsque plusieurs cycles de production d'électricité au réseau ont
été réalisés et dès
que l'électricité est abondante et disponible sur le réseau, on revient à
l'étape a).
Il est avantageux que ledit procédé comprenne au moins deux lests Ml, M2, le
premier lest
MI soit lâché en premier, le deuxième lest soit lâché avec un retard delta t
par rapport au premier
lest et par le fait que la puissance totale fournie par ledit procédé puisse
être régulée en fonction des
Il est avantageux que ledit procédé permette au lest M de réguler et/ou de
freiner son mouvement
dans le cas d'un mauvais fonctionnement et/ou de vitesse excessive et/ou de
rapprochement de la
- en fonctionnement normal la pression PA est sensiblement égale à la pression
PB, le facteur
sécurité Q est inférieur à 0,7 et le coefficient de freinage est adapté en
fonction du facteur de
sécurité et de la vitesse du lest M.
CA 02863473 2014-07-31
WO 2013/124548
PCT/FR2013/000038
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-Lorsque la pression PB est différents de la pression PA, de préférence
supérieure à la
pression PA, et/ou lorsque le facteur de sécurité Q est tend vers 1 lors du
fonctionnement
anormal, de préférence supérieure à 0,7, le fluide Fi et/ou F2 présent dans
l'orifice (6)
exerce une force de poussée importante sur le moyen (7),
-le moyen (7) se déplace vers l'extérieur de l'orifice entrainant une
augmentation du facteur
de sécurité Q et du coefficient de freinage J et/ou J1 et/ou J2 et/ou J3, de
préférence un
coefficient de freinage inférieur ou égal à 1, suivi d'une diminution de la
vitesse du lest M,
-lorsque la vitesse du lest redevient normale et/ou lorsque la pression PA
devient
sensiblement égale à la pression PB, le moyen (7) reprend sa position initiale
et le lest M
peuvent produire une puissance nominale au réseau ou reposer en toute sécurité
dans la
partie inférieure P1 formant le fond de la cavité (2) et/ou (3).
Avantageusement pendant la phase de descente du lest M, correspondant à la
demande d'énergie
électrique par le réseau (1), le mouvement du lest M est régi dans le premier
fluide par trois types
de mouvements entre TO et T3:
- par un mouvement accéléré pendant un temps TCL1 entre TO et Ti;
- par un mouvement adapté au besoin de puissance électrique du réseau
pendant un temps
TVC1 entre Ti et T2;=
- par un mouvement adapté à des conditions de sécurité suffisantes
pour franchir le
deuxième fluide en toute sécurité pendant un temps TVD entre T2 et T3.
Avantageusement dans le deuxième fluide, le mouvement du lest M est également
régi par trois
types de mouvements entre T3 et T6:
- D'abord par un mouvement accéléré de manière régulé au besoin
électrique du réseau (1)
pendant un temps TCL2 ;
- puis par un mouvement adapté au besoin de puissance électrique du
réseau pendant un
temps TVC2 ;
- et enfin, par un mouvement décéléré pendant un temps TF.
Le dispositif de stockage d'énergie selon l'invention utilise des techniques
et des moyens
simples. On voit donc qu'il est possible de réaliser de façon industrielle un
dispositif et de définir
un procédé permettant d'emmagasiner une grande quantité d'énergie quand celle-
ci est abondante
et bon marché sur un réseau et de la redistribuer avec une grande réactivité
et une grande puissance
au réseau quand celui-ci en a besoin, et ceci, à coût faible et de façon
écologique.
Contrairement aux préjugés qui consistaient à croire qu'il était impossible
d'emmagasiner à
coût faible de grandes quantités d'énergie restituable avec une grande
réactivité à un réseau, le
dispositif et procédé objet de l'invention permet donc de proposer une
solution technique au
problème technique énoncé précédemment.
L'homme de l'art pourra appliquer l'invention à de nombreux autres systèmes
similaires sans
sortir du cadre de l'invention défini dans les revendications jointes. Par
exemple il est possible de
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WO 2013/124548 PCT/FR2013/000038
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remplacer le câble C par une chaîne ou de combiner le moteur et la génératrice
dans un
motogénérateur comprenant un système de commutation électronique permettant
d'utiliser les
bobinages soit en mode moteur soit en mode générateur.
La présente invention n'est nullement limitée aux modes et variantes de
réalisation décrits et
représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à
son esprit.
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