Domaine technique

[0001] Le présent exposé concerne la compression d'un gaz et en particulier la récupération d'énergie de compression du gaz.

Technique antérieure

[0002] La liquéfaction d'un gaz requiert généralement une étape de compression du gaz à pression élevée. Cette étape de compression est qualifiée d'isotherme et est généralement réalisée par une succession d'étapes de compression adiabatique au cours desquelles le gaz est réchauffé. Ainsi, entre chaque étape de compression, le gaz est refroidi avant d'entrer dans l'étage de compression suivant.

[0003] Le refroidissement du gaz est réalisé dans un échangeur de chaleur. [0004] Dans les liquéfacteurs, aussi appelés « liquéfier » en anglais, la chaleur récupérée dans cet échangeur de chaleur est soit perdue dans l'atmosphère, soit, par exemple comme décrit dans JP2005241232, utilisée comme source chaude pour la vaporisation du gaz naturel liquide.

[0005] Le couplage liquéfacteur-installation de gaz naturel liquéfié implique que le liquéfacteur et l'installation de gaz naturel liquéfié soient en un même lieu. Aussi, cette solution de récupération de la chaleur limite très fortement la possibilité de récupérer cette chaleur de part notamment le nombre de sites de d'installation de gaz naturel liquéfié, de la fluctuation de demande en gaz naturel liquéfié qui aura un impact sur le refroidissement du gaz comprimé entre deux étages de compression ainsi que des contraintes de sécurité liées à la présence de gaz naturel liquéfié et d'hydrogène liquide par exemple.

Exposé de l'invention

[0006] Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.

[0007] A cet effet, le présent exposé concerne un système de récupération d'énergie de compression d'un gaz, le système comprenant un module à cycle organique de Rankine et un compresseur adiabatique, le module à cycle organique de Rankine comportant un fluide caloporteur et le compresseur adiabatique comprenant N étages de compression adiabatique du gaz, N étant supérieur ou égal à 2, et, en aval de chaque étage de compression adiabatique, deux échangeurs de chaleurs, un premier échangeur de chaleur configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant de l'étage de compression adiabatique et réchauffer le fluide caloporteur traversant le premier échangeur de chaleur et un deuxième échangeur de chaleur configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant du premier échangeur de chaleur vers une source froide traversant le deuxième échangeur de chaleur.

[0008] Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal du gaz dans le système. Ainsi, un deuxième élément disposé en aval d'un premier élément reçoit le gaz qui sort du premier élément.

[0009] Grâce au module à cycle organique de Rankine, il est possible de ne pas perdre dans l'atmosphère la chaleur du gaz comprimé dans un étage de compression adiabatique et ce, en s'affranchissant de la contrainte de couplage direct avec une unité de gaz naturel liquéfié.

[0010] De manière connue, un module à cycle organique de Rankine comprend au moins un échangeur de chaleur configuré pour réchauffer le fluide caloporteur circulant dans le module à partir d'une source chaude externe au module, un dispositif détente du fluide caloporteur réchauffé, un condenseur pour refroidir le fluide caloporteur et une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur dans le module. Le dispositif de détente permet de détendre le fluide caloporteur réchauffé et sous pression et de transformer l'énergie récupérée sous forme de chaleur en énergie mécanique. Le dispositif de détente est généralement couplé à un dispositif de récupération d'énergie permettant de transformer l'énergie mécanique récupérée à la sortie du dispositif de détente en énergie exploitable. Dans le présent exposé, la source chaude est le gaz sortant d'un étage de compression du compresseur adiabatique. [0011] Le système comportant, après chaque étage de compression, un premier échangeur configuré pour échanger de la chaleur entre le gaz sortant d'un étage de compression et le fluide caloporteur du module à cycle organique de Rankine, une partie de la chaleur générée pendant la compression adiabatique du gaz est récupérée dans le fluide caloporteur du module à cycle organique de Rankine, le fluide caloporteur réchauffé est ensuite détendu afin de produire de l'énergie.

[0012] A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de détente peut être une turbine ou un dispositif de détente volumétrique, par exemple de type spirale, aussi identifié selon le terme en anglais comme des dispositifs de détente volumétrique de type « scroll ». De manière générale, pour des rapports de détente importants, par exemple supérieur ou égal à 7, on privilégiera une turbine et pour les rapports de détente moindre, on privilégiera un dispositif de détente volumétrique. Des critères autres que le rapport de détente peuvent également entrer en considération dans le choix du dispositif de détente.

[0013] A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de détente peut être couplé à un générateur électrique pour récupérer l'énergie sous forme électrique.

[0014] On peut également envisager de coupler un autre dispositif au dispositif de détente pour transformer l'énergie en énergie mécanique.

[0015] Le couplage du module à cycle organique de Rankine avec les premiers échangeurs de chaleur permet d'augmenter le débit du fluide caloporteur qui est vaporisé et ainsi augmenter la taille de la turbine. Quand on augmente la taille de la turbine, les jeux relatifs dans la turbine diminuent et donc les performances de la turbine sont améliorées, permettant ainsi d'augmenter le rendement de la récupération d'énergie.

[0016] L'énergie électrique produite peut être utilisée pour alimenter des composants du système lui-même ou des composants extérieurs au système, voire être injectée dans le réseau électrique.

[0017] A titre d'exemple non limitatif, le compresseur de l'étage de compression isotherme peut être un compresseur volumique ou un compresseur centrifuge.

[0018] Dans certains modes de réalisation, le deuxième échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz-air. [0019] Dans certains modes de réalisation, le deuxième échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz-eau.

[0020] Dans certains modes de réalisation, le fluide caloporteur peut avoir une température d'ébullition comprise entre une température d'entrée de la source froide et une température de sortie du gaz dans l'étage de compression adiabatique.

[0021] Dans certains modes de réalisation, le fluide caloporteur peut être du méthanol, de l'isobutane ou de l'éthanol.

[0022] Le présent exposé concerne également un liquéfacteur comprenant un système tel que défini précédemment.

[0023] L'énergie électrique produite peut être utilisée pour alimenter des composants du liquéfacteur lui-même ou des composants extérieurs au liquéfacteur, voire être injectée dans le réseau électrique. La récupération d'énergie peut être d'environ 2% à 5% de la puissance requise pour faire fonctionner le liquéfacteur ce qui est non négligeable au regard de la durée de vie d'un liquéfacteur qui peut être au moins de 20 ans.

[0024] Dans certains modes de réalisation, le gaz peut être le gaz à liquéfier.

[0025] Dans certains modes de réalisation, le liquéfacteur peut être un liquéfacteur réfrigéré comprenant au moins un circuit de refroidissement et le gaz est le gaz du au moins un circuit de refroidissement du liquéfacteur réfrigéré et/ou le gaz à liquéfier.

[0026] Dans le cas d'un cycle de liquéfaction réfrigéré à circuits de refroidissement multiples, le système de récupération d'énergie de compression d'un gaz peut être mis en œuvre au niveau des étages de compression d'au moins un circuit de refroidissement.

[0027] On comprend que le gaz du circuit de refroidissement du liquéfacteur réfrigéré peut être un gaz pur ou un mélange de gaz. On entend par gaz pur un gaz comprenant au moins 99% d'un composé gazeux.

[0028] Dans certains modes de réalisation, le gaz à liquéfier peut être de l'hydrogène, de l'azote, de l'hélium ou du gaz naturel.

[0029] Le présent exposé concerne également un procédé de récupération d'énergie de compression d'un gaz, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) compression adiabatique du gaz dans un étage de compression adiabatique ; b) extraction d'une partie de la chaleur du gaz compressé dans un premier échangeur de chaleur comprenant un fluide caloporteur d'un module à cycle organique de Rankine ; c) extraction d'une partie de la chaleur du gaz provenant du premier échangeur de chaleur dans un deuxième échangeur de chaleur comprenant une source froide ; répétition des étapes a) à c) N fois, N étant supérieur ou égal à 2 ; utilisation de la chaleur extraite dans le premier échangeur de chaleur pour produire de l'énergie dans le module à cycle organique de Rankine.

Brève description des dessins

[0030] D’autres caractéristiques et avantages de l’objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées.

[0031] [Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique d'un liquéfacteur.

[0032] [Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique d'un système de récupération d'énergie de compression d'un gaz.

[0033] [Fig. 3] La figure 3 est une vue schématique d'un étage de compression du système de la figure 2.

[0034] [Fig. 4] La figure 4 est un ordinogramme représentant les étapes d'un procédé de récupération d'énergie de compression d'un gaz.

[0035] Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.

Description détaillée

[0036] La figure 1 est une vue schématique d'un liquéfacteur 10, par exemple un liquéfacteur d'hydrogène (H ₂ ) utilisant le cycle de Collins. Un liquéfacteur comprend une boîte froide 12, aussi désignée par l'expression « Cold box » en anglais, un compresseur adiabatique 14 et un échangeur de chaleur 16 alimentant la boîte froide 12 en hydrogène sous pression. L'ensemble du compresseur adiabatique 14 et de l'échangeur de chaleur 16 formant un compresseur isotherme. La boîte froide 12 est connue en soi et comprend une pluralité de régénérateurs 18 disposés en série pour arriver à un réservoir de stockage d'hydrogène liquide 24 en passant par une vanne de détente isenthalpique Joie-Thompson 22. Une partie de l'hydrogène, sous forme gazeuse, sortant d'un étage de régénération 18 est dirigée vers un échangeur de chaleur 20 et redirigée vers le compresseur adiabatique 14.

[0037] Par simplicité, le compresseur adiabatique 14 et l'échangeur de chaleur 16 ont été représentés sur la figure 1 comme des éléments uniques. Toutefois, le compresseur adiabatique 14 est un compresseur adiabatique comprenant plusieurs étages de compression adiabatique 14A, 14B, 14C, comme représenté sur la figure 2. De même, l'échangeur de chaleur 16 comprend une pluralité d'échangeurs de chaleurs 50, 52. En particulier, l'échangeur de chaleur 16 comprend, en aval de chaque étage de compression adiabatique 14A, 14B, 14C, deux échangeurs de chaleurs.

[0038] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le compresseur adiabatique 14 comprend trois étages de compression adiabatique 14A, 14B, 14C. Aussi, N le nombre d'étage de compression adiabatique est égal à 3. On comprend que N n'est pas limité à 3 tant que N est supérieur ou égal à 2.

[0039] Dans le mode de réalisation de la figure 2, en aval de chaque étage de compression adiabatique 14A, 14B, 14C, l'échangeur de chaleur 16 comprend, un premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C et un deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, 52C.

[0040] La figure 2 représente un système de récupération d'énergie de compression du gaz à liquéfier du liquéfacteur, par exemple de l'hydrogène. [0041] Le système de récupération d'énergie comprend le compresseur adiabatique 14 et l'échangeur de chaleur 16. Le système de récupération d'énergie comprend également un module 40 à cycle organique de Rankine. [0042] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le gaz 56 à compresser entre dans le premier étage de compression adiabatique 14A. Le premier étage de compression adiabatique 14A est alimenté en gaz 56 par une canalisation d'alimentation 26 et par le gaz récupéré de la boîte froide 12 par une canalisation 28.

[0043] Le module 40 à cycle organique de Rankine comprend un fluide caloporteur 54 circulant dans le module 40.

[0044] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le module 40 à cycle organique de Rankine comprend trois premiers échangeurs de chaleur 50A, 50B, 50C configurés pour réchauffer le fluide caloporteur 54 circulant dans le module 40 à partir d'une source chaude externe au module 40, un dispositif de détente 42, un condenseur 46 pour refroidir le fluide caloporteur 54 et une pompe 48 pour faire circuler le fluide caloporteur 54 dans le module 40. Le dispositif de détente 42 permet de détendre le fluide caloporteur 54 réchauffé dans les échangeurs de chaleur 50A, 50B, 50C et sous pression et de transformer l'énergie récupérée sous forme de chaleur en énergie mécanique. [0045] A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de détente 42 peut être une turbine ou un dispositif de détente volumétrique.

[0046] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le dispositif de détente 42 est couplé à un dispositif de récupération d'énergie 44.

[0047] A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de détente 42 peut être une turbine et le dispositif de récupération d'énergie 44 peut être un générateur électrique pour transformer l'énergie mécanique récupérée de la turbine en énergie électrique. On comprend que le dispositif de détente 42 du module 40 à cycle organique de Rankine peut être couplée à un autre dispositif de récupération d'énergie 44, permettant par exemple de transformer l'énergie récupérée sous forme mécanique, par exemple.

[0048] Dans le mode de réalisation de la figure 2, la source chaude est le gaz 56 sortant des étages de compression 14A, 14B, 14C et le condenseur 46 est un échangeur de chaleur utilisant l'air ambiant 60 comme source froide pour refroidir le fluide caloporteur 54 qui est sorti du dispositif de détente 42.

[0049] Le fluide caloporteur 54 passe successivement dans les premiers échangeurs de chaleur 50A, 50B, 50C, où, par échange de chaleur avec le gaz 56 sortant des étages de compression 14A, 14B, 14C, le fluide caloporteur 54 est porté à ébullition. Le fluide caloporteur 54, sous forme de vapeur, est ensuite détendu dans le dispositif de détente 42 qui est couplée au dispositif de récupération d'énergie 44. La vapeur est ensuite condensée dans le condenseur 46 par échange avec l'air ambiant 60. Le fluide caloporteur 54 est à nouveau sous forme de liquide et peut parcourir à nouveau les premiers échangeurs de chaleur 14A, 14B, 14C.

[0050] Le gaz 56 à la sortie de chaque étage de compression adiabatique 14 A, 14B, 14C passe dans le premier échangeur de chaleur 50, 50B, 50C et échange une partie de la chaleur emmagasinée dans le gaz 56 lors de la compression avec le fluide caloporteur 54 circulant dans le premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C. Le gaz 56 sortant du premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C passe ensuite dans le deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, 52C et échange le reste de la chaleur emmagasinée avec une source froide 58. [0051] A titre d'exemple non limitatif, la source froide 58 peut être l'air ambiant ou de l'eau.

[0052] A la sortie du deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, le gaz 56 entre dans l'étage de compression adiabatique disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur 52A, 52C. A la sortie du deuxième échangeur de chaleur 52C disposé en aval du dernier étage de compression adiabatique 14C, le gaz 56 est envoyé dans la boîte froide par une canalisation 30.

[0053] A titre d'exemple non limitatif, le fluide caloporteur 54 peut être du méthanol. Le méthanol a une température d'ébullition à 1 bar environ égale à 338 K (Kelvin) et la source froide 58 peut être l'air ambiant estimé à 300 K. [0054] Par simplicité de représentation, la figure 3 représente un seul étage de compression adiabatique, par exemple le premier étage de compression adiabatique 14A. Les éléments communs aux différentes figures sont identifiés par les mêmes références numériques.

[0055] A titre d'exemple non limitatif, on limitera la température du gaz en sortie de l'étage de compression adiabatique à 400 K. Aussi, la température d'ébullition du fluide caloporteur 54 est comprise entre la température de la température d'entrée de la source froide 58 dans le deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, 52C et la température du gaz à la sortie de l'étage de compression adiabatique 14A, 14B, 14C.

[0056] Ainsi, dans un exemple idéal, l'hydrogène entrant dans le premier étage de compression adiabatique 14A a une température ambiante d'environ 300 K (repère 1 de la figure 3). Après compression adiabatique, l'hydrogène sort à une température de 400 K (repère 2 de la figure 3). Après passage dans le premier échangeur de chaleur 50A, le gaz 56 est à une température de 338 K (repère 3 de la figure 3), qui est la température d'ébullition du fluide caloporteur 56). Après passage dans le deuxième échangeur de chaleur 52A, le gaz 56 est à une température d'environ 300 K (repère 4 de la figure 3). On comprend qu'en pratique, dans un système non idéal, la température du gaz 56 sera légèrement supérieure à 338 K. De même, après passage dans le deuxième échangeur de chaleur 52A, la température du gaz 56 sera légèrement supérieure à la température de l'air ambiant. [0057] Le système de récupération d'énergie de compression peut également être mis en œuvre dans un cycle de liquéfaction réfrigéré.

[0058] Les cycles de Les cycles de liquéfaction réfrigérés sont bien connus de l'état de l'art et mettent en œuvre des circuits de refroidissement/réfrigération du gaz à liquéfier par l'utilisation d'un autre gaz ou d'un mélange de gaz maintenu à basse température par un cycle de réfrigération qui comprend des étages de compression propres à ce gaz ou à ce mélange gazeux et des étages de détente, cet autre gaz ou mélange de gaz étant utilisé comme réfrigérant pour le circuit de liquéfaction principal. La nature des gaz ou des mélanges de gaz utilisés comme gaz réfrigérants dans de tels cycles peut être distincte de la nature du gaz à liquéfier du circuit de liquéfaction principal.

[0059] On comprend alors que dans le cadre d'un cycle de liquéfaction réfrigéré, le système de récupération d'énergie de compression peut être mis en œuvre au niveau des étages de compression propres au circuit de refroidissement du cycle de liquéfaction réfrigéré.

[0060] Dans le cas d'un cycle de liquéfaction réfrigéré à circuits de refroidissement multiples, le système de récupération d'énergie de compression d'un gaz peut être mis en œuvre au niveau des étages de compression d'un ou de plusieurs circuits de refroidissement.

[0061] Le procédé 100 de récupération d'énergie de compression du gaz 56 va être décrite en référence aux figures à 4.

[0062] Le procédé 100 comprend : a) une étape de compression adiabatique 102 du gaz 56 dans un étage de compression adiabatique 14A, 14A, 14C ; b) une étape d'extraction 104 d'une partie de la chaleur du gaz compressé dans un premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C comprenant le fluide caloporteur 54 du module 40 à cycle organique de Rankine ; c) une étape d'extraction 106 d'une partie de la chaleur du gaz provenant du premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C dans un deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, 52C comprenant une source froide 58 ;

[0063] Les étapes a) à c) sont répétées 108 N fois, N étant supérieur ou égal à 2.

[0064] Dans le mode de réalisation de la figure 2, les étapes a) à c) sont répétées trois fois. [0065] Le procédé 100 comprend une étape d'utilisation 110 de la chaleur extraite dans le premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C pour produire de l'énergie dans le module 40 à cycle organique de Rankine.

[0066] Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.