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 de froid d'un cycle thermodynamique moteur. La différence de température entre la source chaude et la source de froid 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 terme d'efficacité.

D'autres cycles thermodynamiques ont été développés dans le but de récupérer cette énergie thermique par exemple les cycles de Kalina, d'Uehara ou de Guohai.

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 (14), puis après avoir été détendu (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 au moyen du ballon de séparation (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 (1 1 ) avant d'être mélangé (13) avec ce liquide en entrée de la pompe (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 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.

On connaît également un cycle modifié d'Uehara, décrit par exemple sur le site internet http://www.thermoptim.org/. Le procédé d'Uehara est légèrement modifié en ce qu'il n'y a pas de séparation du liquide et du gaz en entrée du condenseur (voir figure 2). Cette séparation n'a comme objet que de réduire la quantité de liquide à refroidir pour ne condenser que la partie gazeuse et donc réduire partiellement la taille de l'échangeur avec l'eau froide.

Le cycle de Kalina (figure 3) est une version simplifiée du cycle d'Uehara: Le fluide gazeux sortant du ballon de séparation (2) est envoyé à la turbine HT (3) qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. Ce fluide gazeux est ensuite mélangé au fluide liquide détendu en (16) à sa sortie de l'échangeur de chaleur (15). Ce mélange est alors envoyé au condenseur (9) puis à la pompe (14).

Le cycle de Guohai (figure 4) diffère du cycle d'Uehara par le traitement subit par les fluides sortant du régénérateur (15) et du réchauffeur (12). Dans le cycle de Guohai, ces deux flux sont détendus (16 et 17) puis mélangé au flux sortant de la turbine BT (5) dans le mélangeur (6)

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. 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. Suivant une réalisation de l'invention, la vapeur circule successivement dans deux turbines de ce circuit, et on chauffe le fluide de travail en amont d'une étape de séparation vapeur/liquide. Suivant une autre réalisation de l'invention, la vapeur circule dans une turbine de ce circuit, et on chauffe le fluide de travail en amont d'une étape de séparation vapeur/liquide.. Le procédé et le système selon l'invention

De façon générale, 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. Le procédé comporte les étapes suivantes :

a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une 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'au moins une première turbine (3) ;

d) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions.

Selon l'invention, on chauffe ledit fluide de travail entre l'étape a) et l'étape b) au moyen d'au moins une source de chaleur (H1 ).

Selon l'invention, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :

on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ;

- on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).

On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.

Selon un mode de réalisation, l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique comporte en sus les étapes suivantes :

c') en sortie de la première turbine (3), on extrait de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide au moyen d'un extracteur (4) ;

c") on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine (5) ; et on chauffe ladite première portion en amont d'au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2, H3).

Selon ce mode de réalisation, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :

on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (1 1 ) ;

- on préchauffe le flux sortant de la pompe (1 1 ) au moyen d'un échangeur (12) ;

- on envoie le flux préchauffé vers une pompe (14) ; et

- on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).

Selon ce mode de réalisation, on peut préchauffer le flux sortant de la pompe (1 1 ) en faisant circuler dans l'échangeur (12) la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux préchauffé (12) entrant dans la pompe (14).

Selon un mode de réalisation :

- on extrait une partie liquide de ladite première portion (7) ;

- on condense au niveau du condenseur (9) uniquement la partie gazeuse de ladite première portion ;

- on mélange (10) la partie non gazeuse et le flux issu du condenseur (9).

Selon l'invention, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :

on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ;

- on préchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur (12) ;

- on réchauffe à nouveau le flux sortant de l'échangeur (12) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).

On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.

On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (1 1 ) au moyen d'un échangeur de chaleur (12), en faisant circuler la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux sortant de la pompe (1 1 ). Selon l'invention, le fluide de travail peut comporter de l'ammoniac et de l'eau. Il peut par exemple, comporter entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.

Selon l'invention, les sources de chaleur et de froid (SF ; SC) peuvent être constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.

Selon l'invention, on peut chauffer ladite première portion en amont de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2).

L'objet de 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. Le circuit fermé comporte consécutivement :

un premier échangeur de chaleur (1 ) pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une 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,

des moyens (9 ; 6) pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un second échangeur de chaleur (9) pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un mélangeur (6) pour mélanger lesdites deux portions.

Selon l'invention, ledit circuit fermé comporte une source de chaleur (H1 ) entre ledit premier échangeur de chaleur (1 ) et ledit ballon de séparation (2) pour chauffer ledit fluide de travail.

Selon l'invention, le circuit fermé comporte, après la première turbine (3), un extracteur

(4) pour extraire de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide, et une deuxième turbine (5) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique.

Selon un mode de réalisation, le circuit fermé comporte une source de chaleur (H3) en amont de la deuxième turbine (5), pour chauffer ladite première portion. Le circuit peut comporter en outre :

- une pompe (1 1 ) dans laquelle est envoyé le flux issu du condenseur (9);

- un échangeur (12) pour préchauffer le flux sortant de la pompe (1 1 ) ;

- une pompe (14) dans laquelle est envoyé le flux préchauffé ; et

- un échangeur de chaleur (15) pour réchauffer le flux sortant de la pompe (14) ;

Selon un mode de réalisation, le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, circule dans l'échangeur de chaleur (15), et dans lequel le circuit comporte un détendeur (16) et un mélangeur (6) pour détendre et mélanger ladite deuxième portion à ladite première portion sortant de la deuxième turbine (5).

Le fluide peut comporter entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.

Les sources de chaleur et de froid (SF, SC) peuvent être constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.

Les sources chaudes (H1 , H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur.

Enfin, le système selon l'invention peut comprendre une source de chaleur (H2) en amont de la première turbine (3) pour chauffer ladite première portion.

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 d'Uehara selon l'art antérieur.

- La figure 2, déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique d'Uehara modifié,selon l'art antérieur.

- La figure 3, déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique de Kalina selon l'art antérieur.

- La figure 4, déjà décrite, illustre le cycle thermodynamique de Guohai selon l'art antérieure

La figure 5 illustre trois modes de réalisation du cycle thermodynamique d'Uehara selon l'invention.

- La figure 6 illustre deux modes de réalisation du cycle thermodynamique de Kalina selon l'invention.

- La figure 7 illustre trois modes de réalisation du cycle thermodynamique de Guohai selon 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 'Ό) peut être prélevée à la surface de la mer, alors que la source de froid (par exemple à 4 ^< Ό) 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.

Des modes de réalisation de circuits fermés utilisés par le procédé et le système selon l'invention sont illustrés sur les figures 5, 6 et 7. Sur ces figures, les éléments similaires aux éléments utilisés pour les figures 1 à 4 possèdent les mêmes signes de référence.

Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Kalinaa, d'Uehara ou de Guohai en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé.

Premier mode de réalisation : Améliorations du cycle d'Uehara selon l'invention.

Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé d'Uehara tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail.

Différents modes de réalisation sont envisagés :

1 . Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT.

2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H2) en amont de la turbine HT ;

3. Un troisième mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H3) en amont de la turbine BT. On peut aussi envisager un autre mode de réalisation dans lequel on ajoute les trois sources chaudes H1 , H2 et H3.

Le procédé est décrit selon un exemple où le fluide de travail est composé d'ammoniac (NH ₃ ) et d'eau (H ₂ 0), et en se référant à la figure 5.

Le fluide de travail (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 de l'eau de mer par exemple, à une température supérieure à la température de vaporisation du premier fluide (ammoniac) composant le fluide de travail mais inférieure à la température de vaporisation du deuxième fluide (eau) composant le fluide de travail. Les conditions de pression dans le cycle sont choisies pour que la température de vaporisation de l'ammoniac corresponde bien au critère ci-dessus. Ainsi, dans l'évaporateur (1 ), on vaporise quasiment uniquement l'ammoniac. 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.

Selon un premier mode de réalisation, ce flux composé de NH ₃ vapeur et d'eau liquide est chauffé au moyen d'une première source chaude (H1 ), avant d'être envoyé dans un ballon de séparation (2), dit ballon "Flash HT".

Au sein de ce ballon de séparation (2), une première portion comprenant essentiellement du NH ₃ sous forme vapeur presque pure, chauffée selon le premier mode de réalisation, est séparée du liquide (deuxième portion).

Selon un second mode de réalisation, cette première portion du fluide de travail est chauffée au moyen d'une seconde source chaude (H2).

Ensuite, cette première portion, chauffée (selon le second mode de réalisation) ou non chauffée, 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 la turbine (3), la première portion est envoyée vers un extracteur (4), de façon à extraire partiellement une partie du flux de NH ₃ vapeur presque pur.

Le flux principal gazeux sorti de l'extracteur (4) est ensuite envoyé 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 partie gazeuse de la première portion en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un générateur. Selon un troisième mode de réalisation, la partie gazeuse sortie de l'extracteur (4) est chauffée au moyen d'une troisième source chaude (H3), avant d'être envoyée à la deuxième turbine (5).

En sortie de la deuxième turbine (5), la première portion essentiellement sous forme vapeur est envoyée dans un troisième échangeur de chaleur, appelé "condenseur" (9) pour être liquéfiée. Le condenseur (9) permet un échange de chaleur de la première portion avec la source de froid (SF). Ce fluide est à une température inférieure aux températures de vaporisation des deux fluides composant le fluide de travail. Une source de froid (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 flux issu du condenseur (9) est envoyé vers une pompe (1 1 ).

Le liquide en sortie du ballon de séparation (2), (appelé deuxième portion) sert à réchauffer au moyen d'un échangeur de chaleur (15) appelé "régénérateur" le mélange liquide qui sort d'une pompe (14), puis après avoir été détendu (16) il est mélangé par un mélangeur (6) au flux de NH ₃ vapeur presque pur en sortie de la deuxième turbine (5).

La partie gazeuse extraite partiellement du fluide de travail au moyen de l'extracteur (4) sert à un préchauffage (12) du liquide en sortie de la pompe (1 1 ) avant d'être mélangé (13) avec ce liquide en entrée de la pompe (14). Ce flux, après avoir été réchauffé dans l'échangeur de chaleur (15), reconstitue le fluide de travail qui est alors envoyé à l'évaporateur (1 ).

Avant d'être envoyé dans le condenseur (9) la partie liquide du flux sortant du mélangeur (6) peut être extraite (comme illustré figure 1 ) afin de n'envoyer au condenseur (9) que la partie gazeuse, au moyen d'un séparateur (7). Dans ce cas, la partie non gazeuse et le flux issu du condenseur (9) sont mélangés par un mélangeur (10) en sortie du condenseur (9), avant d'être envoyés vers une pompe (1 1 ).

Selon l'invention, les sources chaudes (H1 , H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur.

Pour la source H1 , on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Uehara. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide (deuxième portion) sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1 , on trouve un flux de 17 % (contre 38 % dans le procédé original).

La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de flash permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.

En amont de la turbine BT l'ammoniac est presque pur. En réchauffant ce gaz au moyen de la source H3, on fait fonctionner la turbine dans de meilleures conditions ce qui permet de baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.

A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1 , H2 et H3 :

- H1 : 3 MW

- H2 : 1 MW

- H3 : 1 .75 MW

Second mode de réalisation : Améliorations du cycle de Kalina selon l'invention.

Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Kalina en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé (figure 6).

Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé de Kalina tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail.

Différents modes de réalisation sont envisagés :

1 . Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT.

2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H2) en amont de la turbine HT.

Selon l'invention, les sources chaudes (H1 et H2) peuvent être des pompes à chaleur. Pour la source H1 , on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Kalina. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1 , on trouve un flux de 60% (contre 63 % dans le procédé original). La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de "flash HT" (2) permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.

A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1 et H2 :

- H1 : 3 MW

- H2 : 1 MW Troisième mode de réalisation : Amélioration du cycle de Guohai selon l'invention.

Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Guohai en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé (figure 7).

Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé Guohai tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail.

Différents modes de réalisation sont envisagés :

1 . Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT ;

2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H2) en amont de la turbine HT ;

3. Un troisième mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H3) en amont de la turbine BT.

Selon l'invention, les sources chaudes (H1 , H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur.

Pour la source H1 , on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Guohai. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1 , on trouve un flux de 27 % (contre 31 % dans le procédé original). La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de flash permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.

En amont de la turbine BT l'ammoniac est presque pur. En réchauffant ce gaz au moyen de la source H3, on fait fonctionner la turbine dans de meilleures conditions ce qui permet de baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.

A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1 , H2 et H3 :

- H1 : 3 MW

- H2 : 1 MW

- H3 : 1 .75 MW

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 chaque cycle on cherché les points de fonctionnement pour la fourniture d'énergie maximale, et les points de fonctionnement en efficacité thermique maximale. Ces cycles dit optimisés, sont comparés aux cycles selon l'invention. Pour mener ces essais, nous avons pris comme hypothèses :

> les sources de chaleur/froid (SF; SC) sont constituées d'eau de mer, de telle sorte que :

o température de l'eau chaude en entrée de l'évaporateur (SC) : 28 'C, o température en sortie de l'évaporateur : 26 °C

o température de l'eau froide en entrée du condenseur (SF) : 4 ^< C,

o température en sortie du condenseur : 6°C

> Le fluide de travail est composé de 97% d'ammoniac en mole et 3% d'eau en mole pour tous les cycles.

> débit total du mélange ammoniac plus eau est de 100 kg/s

L'apport de 5.75 MW par les différentes sources H1 , H2 et H3 permet d'améliorer l'efficacité thermique. Par exemple elle passe de 3.93% pour le procédé d'Uehara (avec des paramètres optimisés) à 5.42%. Cet apport permet aussi d'augmenter la production d'énergie qui passe de 2.6 MW à 3.6 MW soit 1 MW en plus.

Des simulations de pompes à chaleur ont été effectuées avec comme base la même température pour l'eau chaude (28 'Ό). Le fluide de travail de ces pompes est l'ammoniac. On obtient pour la puissance nécessaire au compresseur :

- H1 : 0.025 MW

- H2 : 0.019 MW

- H3 : 0.050 MW

Soit 0.094 MW que l'on arrondit à 0.1 MW. Le bilan total est donc un gain en énergie produite de 0.9 MW et au final 3.5 MW sont générés. L'énergie maximale générée est obtenue avec le cycle de Kalina amélioré selon l'invention. La meilleure efficacité thermique est obtenue avec le cycle d'Uehara amélioré suivant l'invention.

Avantages

L'étude menée ci-dessus montre que pour les procédés Ammoniac-Eau de Kalina, d'Uehara et de Guohai, cet apport de chaleur permet d'améliorer à la fois l'efficacité thermique et la quantité d'énergie électrique produite par rapport au procédé de Rankine.