TEIXEIRA DAVID (FR)
WO2003008767A2 | 2003-01-30 |
US4819437A | 1989-04-11 | |||
US4573321A | 1986-03-04 | |||
EP0649985A1 | 1995-04-26 | |||
US6769256B1 | 2004-08-03 |
Revendications Procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, dans lequel on fait circuler dans un circuit fermé un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes, caractérisé en ce qu'on réalise les étapes suivantes : a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une première source de chaleur (SC) à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide ; b) on sépare ledit fluide de travail réchauffé en une première portion sous forme vapeur comportant essentiellement ledit premier fluide et une deuxième portion sous forme liquide comportant au moins ledit deuxième fluide ; c) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique au moyen d'une première turbine (3) ; d) on chauffe ladite première portion en sortie de ladite première turbine (3) par un échange thermique avec ladite deuxième portion ; e) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion réchauffée en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine (5) ; et f) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une deuxième source de chaleur (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions. 2) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau. 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit fluide de travail comporte entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites sources de chaleur (SF ; SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes. 5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel la deuxième source de chaleur (SF) est constituée d'eau de mer prélevée à une profondeur supérieure ou sensiblement égale à 1000m. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on chauffe ledit fluide de travail chauffé à l'étape a) avant l'étape de séparation. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on chauffe ladite première portion chauffé à l'étape a) avant au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique. 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel après l'étape d) on refroidit ladite deuxième portion avec ledit fluide de travail reformé. 9) Procédé selon la revendication 8, dans lequel on détend ladite première portion après ladite deuxième étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique et après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion, on sépare ladite deuxième portion en deux phases et on mélange une desdites phases avec la première portion. 10) Procédé selon la revendication 8, dans lequel après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion, on mélange lesdites deux portions et on sépare le mélange en deux phases : une phase vapeur dudit premier fluide et une phase liquide dudit deuxième fluide, seul le premier fluide étant condensé à l'étape f). 1 1 ) Procédé selon la revendication 10, dans lequel on détend ladite première portion avant ledit mélange desdites deux portions. 12) Procédé selon la revendication 8, dans lequel après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion et on mélange lesdites deux portions, lesdits deux fluides étant condensés à l'étape f). 13) Procédé selon la revendication 8, dans lequel ladite première portion avant la mise en œuvre de la condensation est refroidie par ladite première portion après la mise en œuvre de la condensation. 14) Système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique comportant un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes, caractérisé en ce que ledit circuit fermé comporte consécutivement : - un premier échangeur de chaleur (1 ) pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une première source de chaleur (SC) à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, un ballon de séparation (2), dans lequel ledit fluide de travail est séparé en une première portion comportant essentiellement ledit premier fluide sous forme vapeur et en une deuxième portion liquide comportant au moins ledit deuxième fluide, - une première turbine (3) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique, un deuxième échangeur (17) de chaleur pour chauffer ladite première portion au moyen de ladite deuxième portion, une deuxième turbine (5) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique, des moyens (9 ; 21 ) pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un troisième échangeur de chaleur (9) pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une deuxième source de chaleur (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un mélangeur (21 ) pour mélanger lesdites deux portions. 15) Système selon la revendication 14, dans lequel ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau. 16) Système selon la revendication 15, dans lequel ledit fluide comporte entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac. 17) Système selon l'une des revendications 14 à 16, dans lequel lesdites sources de chaleur (SF, SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes. 18) Système selon l'une des revendications 14 à 17, dans lequel ledit circuit comporte en outre au moins un moyen de chauffage (22 ; 23 ; 24) avant ledit ballon de séparation (2) et/ou avant la première turbine (3) et/ou avant ladite deuxième turbine (5). 19) Système selon la revendication 18, dans lequel ledit moyen de chauffage (22 ; 23 ; 24) est une pompe à chaleur ou un chauffe-eau solaire. 20) Système selon l'une des revendications 14 à 19, dans lequel ledit circuit comprend en outre un quatrième échangeur de chaleur (25) disposé après le deuxième échangeur de chaleur (17), pour refroidir ladite deuxième portion au moyen dudit fluide de travail reformé. 21 ) Système selon la revendication 20, dans lequel ledit circuit comprend en outre des moyens de détente (26) de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur (25), un moyen de séparation (29 ; 29') pour séparer ladite deuxième portion en deux phases et un mélangeur (28) pour mélanger une desdites phases avec ladite première portion. 22) Système selon la revendication 20, dans lequel le circuit comprend en outre des moyens de détente (26) de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur (25), un deuxième mélangeur (30) pour mélanger lesdites deux portions et un deuxième ballon de séparation (31 ) pour séparer le mélange en une phase vapeur constituée essentiellement dudit premier fluide et une phase liquide comprenant au moins ledit deuxième fluide. 23) Système selon la revendication 22, dans lequel le circuit comprend en outre des moyens de détente (27) de la première portion avant ledit deuxième mélangeur (30). 24) Système selon la revendication 20, dans lequel ledit système comprend en outre des moyens de détente (26) de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur (25) et un deuxième mélangeur (30) pour le mélange desdites deux portions. 25) Système selon la revendication 20, dans lequel ledit système comprend en outre un cinquième échangeur (34) de chaleur entre ladite première portion en entrée dudit troisième échangeur de chaleur (9) et ladite première portion en sortie dudit troisième échangeur de chaleur (9). |
MERS La présente invention concerne le domaine de la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique, en particulier pour la conversion de l'énergie thermique des mers (ETM).
Une application de la présente invention se situe dans le domaine de l'Énergie Thermique des Mers (ETM ou OTEC pour Océan Thermal Energy Conversion) qui concerne l'utilisation d'une énergie obtenue en mettant à profit la différence de température existant dans les régions tropicales et subtropicales entre les eaux de mer de surface et les eaux situées en profondeurs, en particulier de l'ordre de 1000 m. Les eaux de surface sont utilisées pour la source chaude et les eaux profondes pour la source froide d'un cycle thermodynamique moteur. La différence de température entre la source chaude et la source froide étant relativement faible, les rendements énergétiques attendus sont eux aussi faibles.
Les centrales ETM conventionnelles fonctionnent généralement selon un cycle de Rankine. La demande de brevet WO 81 /002229 A1 décrit l'utilisation du cycle de Rankine dans le cas de ΙΈΤΜ. Par ailleurs, il est connu une variante de ce cycle avec surchauffe (cycle de Hirn). Le cycle de Hirn consiste à chauffer suffisamment le fluide moteur pour que, après la détente, il soit toujours gazeux. Mais ces centrales ne présentent pas une optimisation maximale en termes d'efficacité.
D'autres cycles thermodynamiques ont été développés dans le but de récupérer cette énergie thermique. Un exemple de cycle d'Uehara est décrit en figure 1 . Pour ce cycle, on utilise un fluide de travail composé d'ammoniac (NH 3 ) et d'eau (H 2 0). Le fluide de travail est partiellement vaporisé dans l'évaporateur (1 ) au moyen de la source d'eau de mer chaude (SC). Le flux de NH 3 vapeur presque pur est séparé du liquide dans un ballon de séparation (2) et est envoyé à une première turbine (3) qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. En sortie de la turbine (3) une partie seulement de ce flux est envoyé à une deuxième turbine (5) au moyen d'un extracteur (4).
Le liquide en sortie du ballon de séparation (2) sert à réchauffer au moyen d'un échangeur de chaleur (15) le mélange liquide qui sort d'une pompe "riche" (14), puis après avoir été détendue (16) il est mélangé (6) au flux de NH 3 vapeur presque pur en sortie de la deuxième turbine (5). En entrée d'un condenseur (9) la partie liquide du flux est extraite afin de n'envoyer au condenseur (9) que la partie gazeuse (7). Le condenseur (9) permet un échange de chaleur entre la partie gazeuse du flux et une source d'eau de mer froide (SF). Ces deux flux sont mélangés (10) en sortie du condenseur (9). Le flux extrait du fluide de travail sert à un préchauffage (12) du liquide en sortie de la pompe "pauvre" (1 1 ) avant d'être mélangé (13) avec ce liquide en entrée de la pompe "riche" (14).
La demande de brevet EP 0 649 985 décrit également un cycle d'Uehara.
Le cycle d'Uehara permet d'obtenir une efficacité thermique légèrement meilleure que celle du cycle de Rankine mais nécessite un apport plus important de calories. L'efficacité thermique est le rapport entre l'énergie générée nette sur les calories apportées au procédé par le condenseur (9) et l'évaporateur (1 ). Pour calculer l'énergie générée nette on additionne l'énergie mécanique en sortie des turbines. A cette somme on soustrait l'énergie consommée par les pompes incluses dans le procédé.
L'invention concerne un procédé et un système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'un cycle thermodynamique qui présente une efficacité thermique élevée et qui ne nécessite pas un apport de calories ou de frigories trop important. Pour cela, l'invention utilise un cycle thermodynamique pour lequel un fluide de travail composé de deux fluides miscibles et présentant des températures de vaporisation distinctes circule dans un circuit fermé. Dans ce circuit, la totalité de la vapeur circule successivement dans deux turbines, la vapeur étant réchauffée avant de passer dans la deuxième turbine.
Le procédé et le système selon l'invention
L'invention concerne un procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, dans lequel on fait circuler dans un circuit fermé un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes. Pour ce procédé, on réalise les étapes suivantes :
a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une première source de chaleur à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide ;
b) on sépare ledit fluide de travail réchauffé en une première portion sous forme vapeur comportant essentiellement ledit premier fluide et une deuxième portion sous forme liquide comportant au moins ledit deuxième fluide ;
c) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique au moyen d'une première turbine ;
d) on chauffe ladite première portion en sortie de ladite première turbine par un échange thermique avec ladite deuxième portion ;
e) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion réchauffée en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine ; et f) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une deuxième source de chaleur à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions.
Selon l'invention, ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau.
De préférence, ledit fluide de travail comporte entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
Avantageusement, lesdites sources de chaleur sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
De manière avantageuse, la deuxième source de chaleur est constituée d'eau de mer prélevée à une profondeur supérieure ou sensiblement égale à 1000m.
Selon une variante de réalisation de l'invention, on chauffe ledit fluide de travail chauffé à l'étape a) avant l'étape de séparation.
Selon une autre variante de réalisation de l'invention, on chauffe ladite première portion chauffée à l'étape a) avant au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, après l'étape d) on refroidit ladite deuxième portion avec ledit fluide de travail reformé.
Selon un mode de réalisation de l'invention, on détend ladite première portion après ladite deuxième étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique et après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion, on sépare ladite deuxième portion en deux phases et on mélange une desdites phases avec la première portion.
Selon un mode de réalisation de l'invention, après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion, on mélange lesdites deux portions et on sépare le mélange en deux phases : une phase vapeur dudit premier fluide et une phase liquide dudit deuxième fluide, seul le premier fluide étant condensé à l'étape f).
Selon un mode de réalisation de l'invention, on détend ladite première portion avant ledit mélange desdites deux portions.
Selon un mode de réalisation de l'invention, après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion et on mélange lesdites deux portions, lesdits deux fluides étant condensés à l'étape f).
Alternativement, ladite première portion avant la mise en œuvre de la condensation est refroidie par ladite première portion après la mise en œuvre de la condensation.
L'invention concerne également un système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique comportant un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes. Ledit circuit fermé comporte consécutivement :
un premier échangeur de chaleur pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une première source de chaleur à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide,
un ballon de séparation, dans lequel ledit fluide de travail est séparé en une première portion comportant essentiellement ledit premier fluide sous forme vapeur et en une deuxième portion liquide comportant au moins ledit deuxième fluide,
- une première turbine pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique,
un deuxième échangeur de chaleur pour chauffer ladite première portion au moyen de ladite deuxième portion,
une deuxième turbine pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique,
des moyens pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un troisième échangeur de chaleur pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une deuxième source de chaleur à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un mélangeur pour mélanger lesdites deux portions.
Selon l'invention, ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau.
De préférence, ledit fluide comporte entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
Avantageusement, lesdites sources de chaleur sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit circuit comporte en outre au moins un moyen de chauffage avant ledit ballon de séparation et/ou avant la première turbine et/ou avant ladite deuxième turbine.
De manière avantageuse, ledit moyen de chauffage est une pompe à chaleur ou un chauffe-eau solaire.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit circuit comprend en outre un quatrième échangeur de chaleur disposé après le deuxième échangeur de chaleur, pour refroidir ladite deuxième portion au moyen dudit fluide de travail reformé.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit circuit comprend en outre des moyens de détente de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur, un moyen de séparation (29 ; 29') pour séparer ladite deuxième portion en deux phases et un mélangeur (28) pour mélanger une desdites phases avec ladite première portion. Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit comprend en outre des moyens de détente de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur, un deuxième mélangeur pour mélanger lesdites deux portions et un deuxième ballon de séparation pour séparer le mélange en une phase vapeur constituée essentiellement dudit premier fluide et une phase liquide comprenant au moins ledit deuxième fluide.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit comprend en outre des moyens de détente de la première portion avant ledit deuxième mélangeur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit système comprend en outre des moyens de détente de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur et un deuxième mélangeur pour le mélange desdites deux portions.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit système comprend en outre un cinquième échangeur de chaleur entre ladite première portion en entrée dudit troisième échangeur de chaleur et ladite première portion en sortie dudit troisième échangeur de chaleur.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 , déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique selon l'art antérieur.
La figure 2 illustre le cycle thermodynamique selon l'invention.
La figure 3 est une courbe montrant l'évolution de l'énergie générée et de l'efficacité en fonction de la composition du fluide de travail.
La figure 4 est une courbe montrant l'évolution de l'énergie générée et de l'efficacité en fonction de la pression en entrée du condenseur.
La figure 5 est une courbe montrant l'évolution de l'énergie générée et de l'efficacité en fonction des pertes de charge.
La figure 6 illustre une variante de réalisation de l'invention.
Les figures 7 à 12 illustrent une portion du cycle selon l'invention pour différents modes de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
L'invention concerne un procédé et un système de conversion d'énergie thermique provenant de sources de chaleur en énergie mécanique. Les sources de chaleur peuvent être par exemple constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes : la source chaude (par exemple à 28 'C) peut être prélevée à la surface de la mer, alors que la source froide (par exemple à 4 < C) peut être prélevée à des profondeurs proches ou supérieures de 1000 m.
Le procédé et le système sont basés sur l'utilisation d'un cycle thermodynamique mettant en œuvre un fluide de travail composé de deux fluides miscibles dans un circuit fermé. Ces deux fluides présentent également la caractéristique de posséder des températures de vaporisation distinctes. Par exemple, les deux fluides utilisés peuvent être de l'ammoniac (NH 3 ) et de l'eau (H 2 0), ces deux fluides étant miscibles et la pression de vapeur saturante à 26^ de l'ammoniac est de 1013 kPa alors que pour l'eau elle est de l'ordre de 23 kPa.
Le circuit fermé utilisé par le procédé et le système selon l'invention est illustré en figure 2. Sur cette figure 2, les éléments similaires aux éléments utilisés pour la figure 1 possèdent les mêmes signes de référence.
Le fluide de travail (par exemple composé de NH 3 et H 2 0) est partiellement vaporisé dans un premier échangeur de chaleur, dit évaporateur (1 ) au moyen d'un échange de chaleur avec la source chaude (SC). La source chaude est à une température supérieure à la température de vaporisation du premier fluide composant le fluide de travail mais inférieure à la température de vaporisation du deuxième fluide composant le fluide de travail. Ainsi, dans l'évaporateur (1 ), on vaporise quasiment uniquement le premier fluide. Une source d'eau chaude (SC) à une température d'environ 28 'C est adaptée dans le cas où le premier fluide est de l'ammoniac et le deuxième de l'eau.
La première portion (par exemple comprenant essentiellement du NH 3 ) sous forme vapeur presque pur est séparée du liquide (deuxième portion) dans le ballon de séparation (2), dit ballon "Flash HT". Ce flux est appelé première portion du fluide de travail. Ensuite, cette première portion est envoyée à une première turbine (3), dite "turbine HT" (HT : haute température). La première turbine (3) permet la transformation d'une partie de l'énergie thermique contenue dans la première portion en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un générateur.
En sortie de cette première turbine (3), la première portion est réchauffée dans un deuxième échangeur de chaleur, dit "surchauffeur" (17) qui permet un échange de chaleur avec le flux liquide sortant du ballon de séparation (2), ce flux est appelé deuxième portion du fluide de travail. La première portion presque pur est ensuite envoyée à une deuxième turbine (5), dite "turbine BT" (BT : basse température). La deuxième turbine (5) permet la transformation d'une partie de l'énergie thermique contenue dans la première portion en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un générateur. Le "surchauffeur" (17) permet donc de réchauffer la phase vapeur, et donc de lui apportée de l'énergie qui sera ensuite partiellement récupérée dans la "turbine BT" (5) et avec la certitude qu'en sortie de cette turbine la première portion reste essentiellement en phase vapeur. Ainsi, on peut réutiliser entièrement le flux de vapeur passant dans la première turbine (3) dans la deuxième turbine (5). Ce qui permet une meilleure efficacité du cycle selon l'invention.
En sortie de la deuxième turbine (5), la première portion essentiellement sous forme vapeur est envoyé dans un troisième échangeur de chaleur, appelé "condenseur" (9) pour être liquéfié. Le condenseur (9) permet un échange de chaleur de la première portion avec la source froide (SF). Ce fluide est à une température inférieure aux températures de vaporisation des deux fluides composant le fluide de travail. Une source froide (SF) à une température d'environ 4 < C est adaptée dans le cas où le premier fluide est de l'ammoniac et le deuxième fluide est de l'eau.
Le premier fluide condensé est ensuite remis en pression dans une pompe (18), dite "pompe NH3", le cas échéant.
En sortie du ballon de séparation (2), la deuxième portion contenant un mélange des deux fluides comportant la quasi-totalité du deuxième fluide est envoyé au "surchauffeur" (17) pour réchauffer la première portion sortant de la première turbine (3). La deuxième portion passe ensuite par une pompe, dite "pompe riche" (20). Sur le schéma, une vanne (19) a été représentée pour symboliser les pertes de charges pour cette partie du procédé.
Les deux flux sont ensuite mélangés dans un mélangeur (21 ) pour reformer le fluide de travail. Le flux résultant est alors envoyé à l'évaporateur (1 ).
Comparaison avec les cycles de l'état de la technique
Afin de montrer les avantages du procédé et du système selon l'invention, différents essais ont été menés. Pour mener ces essais, nous avons pris comme hypothèses :
> les sources de chaleur (SF; SC) sont constituées d'eau de mer, de telle sorte que : o température de l'eau chaude (SC) : 28 °C,
o température de l'eau froide (SF) : 4 < C,
> température du fluide de travail en sortie du condenseur (1 ) : +2 °C par rapport à celle de l'eau de mer,
> température du fluide de travail en sortie de l'évaporateur (9) : -2 °C par rapport à celle de l'eau de mer,
> le fluide de travail est composé de 94% d'ammoniac et 6% d'eau,
> les pertes de charge sont représentées par la vanne (19) et la pompe (20) permet de contrecarrer cette perte de charge.
Le tableau 1 donne les valeurs principales en divers points du procédé : Tableau 1 - État du fluide de travail au cours du procédé
Pour cet exemple, le bilan énergétique est donné dans le tableau 2 :
Tableau 2 - Bilan énergétique du procédé selon l'invention
Unité Énergie générée
Turbine HT (3) MW 1 ,61
Turbine BT (5) MW 1 ,35
Total MW 2,96
Énergie consommée
Pompe NH 3 (18) MW 0,029
Pompe (20) MW 0,002
Total MW 0,05
Bilan MW 2,93 Les échanges thermiques au condenseur (9) et à l'évaporateur (1 ) sont respectivement de 62,57 et 65,50 MW. En conséquence l'efficacité thermique de ce procédé calculé pour ce point de fonctionnement est de 4,48 %. L'efficacité thermique est le rapport entre l'énergie générée nette sur les calories apportées au procédé par le condenseur (9) et l'évaporateur (1 ). Pour calculer l'énergie générée nette on additionne l'énergie mécanique en sortie des turbines. A cette somme on soustrait l'énergie consommée par les pompes incluses dans le procédé.
Ensuite, on compare le cycle selon l'invention à différents cycles utilisés dans l'art antérieur : il s'agit du cycle de Rankine, du cycle d'Uehara (cf. figure 1 ) et du cycle de Guohai, cycle dérivé du cycle d'Uehara. La comparaison est faite en gardant la même composition du fluide de travail pour les trois cycles utilisant un mélange : 94% en mole de NH 3 et 6% en mole d'H 2 0. Les températures de l'eau chaude et froide sont respectivement 28 °C et 4 < Ό. Enfin pour les échangeurs avec l'eau on fixe un écart de 2 °C avec la température de l'eau, en moins coté évaporateur et en plus coté condenseur.
Le tableau 3 résume les différentes simulations. Pour chaque procédé, sauf le procédé de Rankine, pour lequel cela n'a pas de sens, on a recherché les points de fonctionnement optimisé soit en énergie générée, soit en efficacité. Tableau 3 - Comparaison énergétiques du cycle selon l'invention aux cycles de l'art antérieur
On note que le procédé selon l'invention permet : > d'atteindre une efficacité thermique maximale de 4,77 % tout en générant plus d'énergie que le cycle de Rankine avec pour conséquences des échanges d'énergie thermique à l'évaporateur et au condenseur très proches de ceux du cycle de Rankine.
> de générer le maximum d'énergie (3,4 MW) tout en gardant une bonne efficacité thermique (4,09 %). Pour le point de fonctionnement du procédé selon l'invention optimisé en énergie, il est produit deux fois plus d'énergie que le cycle de Rankine.
> d'obtenir un meilleur rapport d'énergie générée par frigories apportées par rapport aux procédés de l'art antérieur. Pour l'énergie thermique des mers (ETM), ce rapport est important car meilleur il est, plus petit sera la taille du condenseur et de la conduite (riser) qui amène l'eau froide et donc plus faibles seront les coûts d'investissements.
Optimisation du procédé selon l'invention :
Le procédé selon l'invention a de nombreux paramètres d'optimisation dont
> la composition du fluide de travail,
> la pression en aval des pompes, et
> la chute de pression dans les turbines. Pour la composition du fluide de travail, nous avons étudié l'influence du pourcentage d'eau dans l'ammoniac à débit total constant.
Pour ces essais, les valeurs maintenues constantes sont le débit total en amont de l'évaporateur (1 ) : 100 kg/s, la pression en aval des pompes (18, 20) : 9 bar et les pertes de charge à la première turbine (3) : 2,5 bar et à la deuxième turbine (5) : 1 ,1 bar.
La figure 3 montre l'évolution de l'énergie (Ene) et de l'efficacité (Eff) en fonction de la composition en ammoniac du fluide de travail. Ce graphique montre que plus le pourcentage d'eau est réduit, plus on génère d'énergie. Au delà de 98 % en mole, le surchauffeur (17) en amont de la deuxième turbine (5) ne peut plus fonctionner car il n'apporte plus d'énergie, le flux liquide en sortie du ballon de séparation (2) devenant quasi nul. On remarque que l'efficacité maximale est obtenue pour 95 % en mole de NH 3 .
Pour étudier l'influence de la pression en entrée de l'évaporateur (1 ), nous avons étudié l'influence de la pression en sortie des pompes (18, 20).
Pour ces essais, les valeurs maintenues constantes sont le débit total en amont de l'évaporateur (1 ) : 100 kg/s, la composition du fluide de travail : 96 % en mole de NH 3 et 4 % en mole d'eau et les pertes de charge à la première turbine (3) : 2,5 bar et à la deuxième turbine (5) : 1 ,1 bar. La figure 4 montre l'évolution de l'énergie (Ene) et de l'efficacité (Eff) en fonction de la pression des pompes. On constate un optimum d'énergie générée à 8,4 bar et d'efficacité thermique à 9,2 bar. Un point de fonctionnement ayant à la fois une efficacité thermique élevée sans trop dégrader l'énergie pourrait être choisi vers 8,8 bar.
Pour la perte de charge dans les turbines, l'étude porte sur les chutes de pression dans les turbines (3, 5). En fait ces chutes de pression sont liées car leur somme doit être égale au gain en pression de la Pompe (18). Aussi il n'est nécessaire que d'étudier l'effet de la détente dans la "Turbine HT" (3).
Pour ces essais, les valeurs maintenues constantes sont le débit total en amont de l'évaporateur (1 ) : 100 kg/s, la composition du fluide de travail 96 % en mole de NH 3 et 4 % en mole d'eau, pression en sortie des pompes : 9 bar et pression en sortie de la turbine (5) : 5,4 bar.
La figure 5 montre l'évolution de l'énergie (Ene) et de l'efficacité (Eff) en fonction de la de la chute de pression. L'optimum pour l'énergie générée et pour l'efficacité sont atteints à la même valeur de la détente de la turbine (3) : 2,2 bar.
Variantes de réalisation de l'invention
Selon une première variante de réalisation, on peut apporter des calories en certains points du cycle pour améliorer l'énergie produite ou l'efficacité thermique. On peut apporter l'énergie thermique par au moins un moyen de chauffage (22 ; 23 ; 24) disposé en au moins un des trois points suivants : en amont du ballon de séparation (2), en amont de la première turbine (3) et/ou en amont de la deuxième turbine (5). Cette variante de réalisation avec les trois moyens de chauffage (22 ; 23 ; 24) est illustrée en figure 6. Les moyens de chauffage (22 ; 23 ; 24) peuvent être constituées par exemple d'une pompe à chaleur ou d'un chauffe- eau solaire. Les moyens de chauffage (23) en amont de la première turbine (3) sont les plus efficaces. Toutefois et dans le cas considéré, au delà de 2 MW apportés la température en sortie de la première turbine (5) devient supérieure à la température du fluide sortant du ballon de séparation (2). En outre, les moyens de chauffage (22) en amont du ballon de séparation (2) sont légèrement plus efficaces que les moyens de chauffage (24) en amont de la deuxième turbine (5).
Les figures 7 à 12 illustrent une partie du cycle selon l'invention (en aval de la deuxième turbine (5)) pour différents modes de réalisation de l'invention. Ces différents modes de réalisation permettent d'augmenter l'énergie générée et/ou l'efficacité du procédé selon l'invention. Tous ces modes de réalisation comportent en plus du mode de réalisation de la figure 2, un régénérateur (25), qui est un quatrième échangeur de chaleur entre le fluide en sortie du surchauffeur (17) et le fluide de travail reformé en sortie du mélangeur (21 ). Le premier mode de réalisation des figures 7a) et 7b), comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> Le gaz sortant de la deuxième turbine (5) est détendu dans un diffuseur gazeux (27), qui réalise une détente du gaz.
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26) qui réalise une détente de la deuxième portion. Un moyen de séparation (29 ; 29'), sépare le gaz produit lors de la détente, ce gaz étant alors mélangé au moyen d'un mélangeur (28) avec celui sortant du diffuseur gazeux (27). Le gaz mélangé est ensuite introduit dans le condenseur (9). Le moyen de séparation (29 ; 29') peut être un ballon de séparation, dit ballon "Flash BT" tel qu'illustré en figure 7a) ou un séparateur (ou splitter) tel qu'illustré en figure 7b). Un splitter (29') est réglable : on décide du pourcentage des débits des sorties quelque soit leur phase alors que dans un ballon de flash (29) on sépare les flux gazeux des flux liquide. Ainsi, le flux sortant du ballon de flash (29) et allant vers la source froide (SF) ou un mixer est essentiellement gazeux et, dans le cas d'un mélange NH3-H20, essentiellement constitué d'ammoniac. Dans la deuxième variante, le flux sortant du splitter (29') et redirigé via le mixer vers le condensateur (SF) est un mélange de H 2 0 et NH 3 . Le fait d'apporter d'amener un mélange d'H 2 0 et NH 3 à l'entrée du condenseur (SF) permet d'améliorer de façon importante les performances du cycle. > Après une possible remise en pression par la pompe (19) et la pompe (18), les deux flux sont mélangés (21 ) pour être envoyés au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 )-
Le deuxième mode de réalisation de la figure 8, comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26) qui réalise une détente du liquide. Il est alors mélangé dans le mélangeur (30) au flux gazeux en provenance de la deuxième turbine (5).
> Un ballon de séparation (31 ), dit "Flash BT" sépare le liquide du gaz. Seul le gaz est envoyé au condenseur (9). > Après remise en pression par la pompe (19) et la pompe (18) les deux flux sont mélangés au moyen d'un mélangeur (21 ) pour être envoyés au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 ). Le troisième mode de réalisation de la figure 9, comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26). Il est alors mélangé au moyen d'un mélangeur (30) au flux gazeux (première portion) en provenance de la deuxième turbine (5).
> Suite au mélange, la totalité du fluide traverse le condenseur (9).
> Après remise en pression par la pompe (18) le flux est envoyé au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 ). Le quatrième mode de réalisation de la figure 10 correspond au deuxième mode de réalisation, dans lequel on réalise une étape supplémentaire de détente du flux gazeux (première portion) en sortie de la pompe BT (5) et avant le mélange dans le mélangeur (30) au moyen d'un diffuseur gazeux (27). Le cinquième mode de réalisation de la figure 1 1 , comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26). Le diffuseur (26) représente dans ce cas les pertes de charge de cette portion du procédé.
> Le gaz (première portion) en sortie de la deuxième pompe (5) est envoyé au condenseur (9).
> Après remise en pression par la pompe (19) et la pompe (18), les deux flux sont mélangés au moyen du mélangeur (21 ) pour être envoyés au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 ).
Le sixième mode de réalisation de la figure 12, comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> Le gaz sortant de la deuxième turbine passe dans un cinquième échangeur de chaleur, appelé pré-condenseur (32) qui réalise un échange de chaleur du gaz en sortie de la deuxième turbine (5) avec la première portion en sortie du condenseur (9). Le flux en sortie du condenseur étant préalablement remis en pression par la pompe (18).
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26).
> Après remise en pression par la pompe (19) et la pompe (18) les deux flux sont mélangés au moyen du mélangeur (21 ) pour être envoyés au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 ).
La comparaison des différents modes de réalisation pour des conditions de fonctionnement identiques donne les résultats suivants :
Tableau 4 - Comparaison des modes de réalisation de l'invention
Les différents modes de réalisation nécessitent donc un échange de frigories différent, ce qui influe sur l'efficacité du procédé. De plus, la puissance nécessaire pour la pompe (18) varie également d'un mode de réalisation à l'autre. Par ailleurs, on remarque que le mode de réalisation de la figure 12 permet de baisser légèrement la puissance à échanger au condenseur (9) par rapport au mode de réalisation de la figure et donc on peut avantageusement diminuer la taille du condenseur (9).