Rankine combinés

La présente invention concerne un procédé de production d’énergie électrique mettant en œuvre une combinaison de plusieurs cycles de Rankine à rendement amélioré. Dans le cas où un courant d’un liquide cryogénique tel que le gaz naturel liquéfié est vaporisé pour être distribué dans des réseaux de distribution, il peut être utilisé comme source de froid de cycles de Rankine, et le procédé selon l’invention peut assurer la regazéification dudit courant de liquide cryogénique avec valorisation de son contenu frigorifique.

Il est d’usage que le gaz naturel issu de champs éloignés des lieux de consommation soit liquéfié avant d’être stocké à bord de navires spécialement adaptés, les méthaniers, pour être transporté sur de longues distances. En effet, le gaz naturel occupe, à l’état liquide, un volume plus petit pour une masse donnée et n’a pas besoin d’être stocké à une pression élevée.

Avant d’alimenter les réseaux de distribution, le gaz naturel liquéfié (GNL) doit être regazéifié, ou dit autrement revaporisé, à une pression de l’ordre de 10 à 90 bar selon les réseaux. Cette revaporisation s’effectue dans des terminaux méthaniers, généralement à température ambiante en échangeant de la chaleur avec de l’eau de mer, éventuellement de l’eau de mer chauffée au gaz naturel. Le contenu frigorifique du gaz naturel liquéfié n’est alors aucunement valorisé.

II existe différentes méthodes pour générer de l’électricité à partir des frigories du gaz naturel liquéfié et ainsi valoriser son contenu énergétique.

Une méthode connue repose sur une expansion directe du gaz naturel. Le gaz naturel liquéfié est pompé à une pression supérieure à celle du réseau de distribution, vaporisé par échange de chaleur avec une source chaude telle que l’eau de mer, puis détendu jusqu’à la pression du réseau dans une turbine de détente associée à un générateur électrique.

D’autres méthodes reposent sur des cycles thermodynamiques utilisant un fluide intermédiaire, ou fluide de travail. Parmi ces méthodes, on connaît le cycle de Rankine, dans lequel un fluide de travail est vaporisé sous pression contre une source chaude telle que de l’eau de mer dans un premier échangeur de chaleur, puis détendu dans une turbine couplée à un générateur électrique. Le fluide de travail détendu est ensuite condensé dans un deuxième échangeur contre du GNL qui est utilisé comme source froide du cycle. Il en résulte un fluide de travail liquide à basse pression qui est pompé et reconduit à haute pression dans le premier échangeur, fermant ainsi le cycle.

Si le cycle de Rankine peut fonctionner avec de l’eau comme fluide de travail pour des applications telles que la récupération de chaleur d’origine géothermique, l’utilisation de fluides organiques s’évaporant à basse température permet d’exploiter des sources froides à faible température. On parle alors de cycle organique de Rankine (ou Organic Rankine Cycle).

Les cycles ORC sont classiquement industrialisés en utilisant le GNL comme source froide et de l’eau de mer comme source chaude, mais présentent des rendements énergétiques relativement faibles, de l’ordre de 20 kWh par tonne de GNL vaporisée, c’est-à-dire 0,015 kWh/Nm ³ . En particulier, les cycles ORC classiques utilisant du propane en tant que fluide de travail sont limités par la température basse à laquelle ils peuvent travailler, la température de la source chaude étant toujours celle de l’eau de mer compte-tenu des propriétés du propane.

Afin d’augmenter le rendement énergétique, il a été proposé de combiner plusieurs cycles fonctionnant avec plusieurs fluides de travail. Ainsi, on connaît du document US-A-2015/0075164 une combinaison de plusieurs cycles dans laquelle une source chaude alimente en série les échangeurs de vaporisation de chaque cycle et une source froide alimente en parallèle les échangeurs de condensation de chaque cycle. On connaît par ailleurs du document U S-A-2009/0100845 une combinaison de plusieurs cycles dans laquelle du GNL est utilisé comme source froide dans l’échangeur de condensation des cycles et dans lesquels le même fluide de travail se condense à plusieurs niveaux de pressions contre la source froide, selon les niveaux de températures. Toutefois, les arrangements selon l’art antérieur ne donnent pas entière satisfaction pour différentes raisons.

Ainsi, US-A-2015/0075164 est adapté à une récupération de calories contenues dans une source chaude, qui cède sa chaleur au fluide de travail et dont la température diminue donc au fur et mesure des passages successifs dans les échangeurs de récupération de chaleur. Cette solution ne résout pas le problème de récupérer le froid d’une source froide. Par ailleurs, US 2009/0100845 utilise un fluide de travail unique. Dans ce cas, plus la source froide se réchauffe, plus la pression de condensation est élevée. La détente dans la turbine associée génère donc moins de puissance.

La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé de génération d’électricité dans lequel la récupération de froid est améliorée et le rendement énergétique encore augmenté par rapport à l’art antérieur.

La solution selon l’invention est alors un procédé de production d’énergie électrique mettant en œuvre au moins un premier cycle de Rankine et un deuxième cycle de Rankine, lesdits cycles étant opérés dans au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, ledit premier cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :

a) introduction à une première pression haute d’un premier fluide de travail dans au moins un premier passage et vaporisation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail contre au moins un premier courant chaud circulant dans au moins un deuxième passage en relation d’échange thermique avec au moins ledit au moins un premier passage,

b) sortie du premier fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape a) du premier passage et détente jusqu’à une première pression basse dans un premier organe de détente coopérant avec un premier générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,

c) introduction du premier fluide de travail détendu à l’étape b) dans au moins un troisième passage et condensation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail contre au moins un premier courant froid circulant dans au moins un quatrième passage en relation d’échange thermique avec ledit au moins un troisième passage, d) sortie dudit premier fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape c) du troisième passage et réintroduction après élévation de pression jusqu’à la première pression haute dans le premier passage, et le deuxième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :

e) introduction à une deuxième pression haute d’un deuxième fluide de travail dans au moins un cinquième passage et vaporisation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail contre au moins un deuxième courant chaud, f) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape e) du cinquième passage et détente jusqu’à une deuxième pression basse dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,

g) introduction du deuxième fluide de travail détendu à l’étape f) dans au moins un sixième passage et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail contre au moins un deuxième courant froid circulant dans au moins un septième passage en relation d’échange thermique avec au moins le sixième passage, h) sortie dudit deuxième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape g) du sixième passage et réintroduction, après élévation de pression jusqu’à la deuxième pression haute, dans le cinquième passage,

caractérisé en ce que, à l’étape e), le deuxième courant chaud du deuxième cycle de Rankine est formé au moins en partie par le premier fluide de travail circulant à l’étape c) dans le troisième passage et, à l’étape c), le premier courant froid est formé par le deuxième courant froid sortant du septième passage.

Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- le deuxième courant froid est introduit dans le septième passage à une température inférieure à -100°C.

- à l’étape c), le premier fluide de travail circule à contre-courant avec le premier courant froid et/ou à l’étape g), le deuxième fluide de travail circule à contre- courant avec le deuxième courant froid.

- le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine sont des cycles organiques, le premier fluide de travail et le deuxième fluide de travail comprenant respectivement un premier mélange d’hydrocarbures et un deuxième mélange d’hydrocarbures, de préférence le premier et le deuxième mélange d’hydrocarbures contiennent chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane, éventuellement additionnés d’au moins un composant additionnel choisi parmi l'azote, l’argon, l’hélium, le dioxyde de carbone, le néon.

- le premier courant chaud est formé d’eau de mer, de préférence à une température strictement supérieure à 0 °C, de préférence encore comprise entre 10 et 30 °C, l’eau de mer ayant éventuellement subi une étape de réchauffage avant introduction dans le deuxième passage.

- la première pression haute est supérieure à la première pression basse du premier fluide de travail d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15 et/ou la deuxième pression haute est supérieure à la deuxième pression basse du deuxième fluide de travail d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15, de préférence, les première et/ou deuxième pressions hautes sont comprises entre 10 et 40 bar et/ou les première et/ou deuxième pressions basses sont comprises entre 1 ,5 et 5 bar.

à l’étape d), le premier fluide de travail sortant du troisième passage est introduit dans au moins un neuvième passage en relation d’échange thermique avec lesdits troisième, quatrième et/ou cinquième passages, avant d’être réintroduit dans le premier passage et/ou, à l’étape h), le deuxième fluide de travail sortant du sixième passage est introduit dans au moins un dixième passage en relation d’échange thermique avec les sixième et/ou septième passages, avant d’être réintroduit dans le cinquième passage.

- le deuxième courant froid est un courant d’hydrocarbures liquéfié tel du gaz naturel liquéfié ou un courant de liquide cryogénique choisi de préférence parmi : un courant d’azote liquéfié, un courant d’oxygène liquéfié, un courant d’hydrogène liquéfié.

- le deuxième courant froid est un courant d’hydrocarbures, en particulier de gaz naturel, introduit totalement liquéfié dans le septième passage à une température comprise entre -140 et -170 °C et le premier courant froid sort du au moins un quatrième passage totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et 50 °C.

- à l’issue de l’étape c), le premier fluide de travail présente une première température et, à l’issue de l’étape g), le deuxième fluide de travail présente une deuxième température inférieure à la première température, avec de préférence T 1 comprise entre -110 et -80 °C et T2 comprise entre -120 et -160 °C.

- le premier courant froid sortant du quatrième passage est introduit dans au moins un huitième passage pour y être réchauffé contre le premier courant chaud et/ou le premier fluide de travail, de préférence le premier courant froid sort du huitième passage totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et 50 °C. - les premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, sixième, septième, huitième, neuvième et/ou dixième passages font partie d’au moins un échangeur de chaleur du type à plaques brasé, ledit échangeur comprenant un empilement de plusieurs plaques parallèles et espacées les unes par rapport aux autres de façon à délimiter entre elles plusieurs séries de passages au sein dudit échangeur.

- les premier et deuxième passages font partie d’un premier échangeur de chaleur, les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages font partie d’un deuxième échangeur de chaleur et les sixième, septième et/ou dixième passages font partie d’un troisième échangeur de chaleur, lesdits premier, deuxième et troisième échangeurs formant des entités physiquement distinctes.

- les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages et les sixième, septième et/ou dixième passages font partie d’un même échangeur de chaleur, le deuxième courant froid étant introduit à partir d’une première entrée située à un bout froid dudit échangeur et présentant la température la plus basse de l’échangeur, le premier fluide de travail détendu à l’étape b) étant introduit à partir d’une deuxième entrée située à un bout chaud dudit échangeur et présentant la température la plus haute de l’échangeur jusqu’à une deuxième sortie agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur situé entre le bout froid et le bout chaud et le deuxième fluide de travail détendu à l’étape f) étant introduit dans l’échangeur par une troisième entrée agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur.

- les premier et deuxième passages, les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages et les sixième, septième et/ou dixième passages font partie du même échangeur, le deuxième courant froid étant introduit à partir d’une première entrée située à un bout froid dudit échangeur et présentant la température la plus basse de l’échangeur, le premier courant chaud étant introduit à partir d’une cinquième entrée située à un bout chaud dudit échangeur et présentant la température la plus haute de l’échangeur, le premier fluide de travail détendu à l’étape b) étant introduit à partir d’une deuxième entrée agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud et sortant dudit échangeur par une deuxième sortie agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur situé entre le troisième niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur et le deuxième fluide de travail détendu à l’étape f) étant introduit dans l’échangeur par une troisième entrée agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur.

- le deuxième courant froid est un courant de liquide cryogénique introduit dans le septième passage à une température inférieure à -180 °C, de préférence comprise entre -180 et -253 °C.

- le procédé met en œuvre un troisième cycle de Rankine opéré en amont du deuxième cycle de Rankine, le troisième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :

i) introduction du deuxième courant froid dans au moins un douzième passage préalablement à son introduction dans le au moins un septième passage,

j) introduction d’un troisième fluide de travail à une troisième pression haute dans au moins un treizième passage en relation d’échange thermique avec ledit sixième passage et vaporisation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail contre le deuxième fluide de travail circulant dans le sixième passage,

k) détente du troisième fluide de travail issu de l’étape j) jusqu’à une troisième pression basse dans un troisième organe de détente coopérant avec un troisième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,

L) introduction du troisième fluide de travail dans au moins un quatorzième passage en relation d’échange thermique avec le douzième passage et condensation d’au moins en partie du troisième fluide de travail contre le deuxième courant froid,

m) réintroduction, après élévation de pression jusqu’à troisième pression haute, du troisième fluide de travail issu de l’étape I) dans le treizième passage.

- les premier, deuxième et/ou troisième générateurs sont confondus un seul et même générateur électrique, le premier organe de détente, le deuxième organe de détente et/ou le troisième organe de détente étant couplés à ce même générateur électrique de sorte que ledit générateur produit de l’énergie électrique simultanément à partir du premier cycle, du deuxième cycle et/ou du troisième cycle de Rankine.

Selon un autre aspect, l’invention concerne une installation de production d’énergie électrique comprenant des moyens de mise en œuvre d’un premier cycle de Rankine et d’un deuxième cycle de Rankine comprenant au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, les moyens de mise en œuvre du premier cycle de Rankine comprenant :

- au moins un premier passage configuré pour l’écoulement d’un premier fluide de travail,

- au moins un deuxième passage configuré pour l’écoulement d’un premier courant chaud, ledit deuxième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit premier passage de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail introduit dans le premier passage est vaporisé en moins en partie contre le premier courant chaud,

- un premier organe de détente agencé en aval dudit premier passage et configuré pour réduire la pression du premier fluide de travail sortant du premier passage depuis une première pression haute jusqu'à une première pression basse,

- un premier générateur électrique couplé au premier organe de détente,

- au moins un troisième passage agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail détendu par le premier organe de détente,

- au moins un quatrième passage configuré pour l’écoulement d’un premier courant froid, ledit quatrième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit troisième passage de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail introduit dans le troisième passage est condensé au moins en partie contre le premier courant froid,

- un premier organe élévateur de pression agencé en aval dudit troisième passage et configuré pour augmenter la pression du premier fluide de travail sortant du troisième passage depuis la première pression basse jusqu'à la première pression haute,

- et les moyens de mise en œuvre du deuxième cycle de Rankine comprenant :

- au moins un cinquième passage configuré pour l’écoulement d’un deuxième fluide de travail,

- un deuxième organe de détente agencé en aval dudit cinquième passage et configuré pour réduire la pression du deuxième fluide de travail sortant du cinquième passage depuis une deuxième pression haute jusqu'à une deuxième pression basse, - un deuxième générateur électrique couplé au deuxième organe de détente,

- au moins un sixième passage agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail détendu par le deuxième organe de détente,

- au moins un septième passage configuré pour l’écoulement d’un deuxième courant froid, ledit septième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit sixième passage de sorte que, en fonctionnement, le deuxième fluide de travail circulant dans le sixième passage est condensé au moins en partie contre le deuxième courant froid,

- un deuxième organe élévateur de pression agencé en aval dudit sixième passage et configuré pour augmenter la pression du deuxième fluide de travail sortant du sixième passage depuis la deuxième pression basse jusqu'à la deuxième pression haute,

caractérisé en ce que le cinquième passage est mis en relation d’échange thermique avec le troisième passage de sorte que le deuxième fluide de travail est vaporisé au moins en partie contre le premier fluide de travail introduit dans le troisième passage et en ce que le septième passage est agencé en amont du quatrième passage et mis en communication fluidique avec ledit quatrième passage et de sorte que le premier courant froid introduit dans le quatrième passage est formé par le deuxième courant froid sortant du septième passage.

En particulier, ladite installation peut comprendre en outre au moins un neuvième passage en relation d’échange thermique avec lesdits troisième, quatrième et/ou cinquième passages, ledit neuvième passage étant configuré de sorte que le premier fluide de travail sortant du troisième passage est introduit dans ledit au moins un neuvième passage avant d’être réintroduit dans le premier passage. De façon alternative ou complémentaire, ladite installation peut comprendre au moins un dixième passage en relation d’échange thermique avec les sixième et/ou septième passages à l’étape h), le dixième passage étant configuré de sorte que le deuxième fluide de travail sortant du sixième passage est introduit dans le au moins un dixième passage avant d’être réintroduit dans le cinquième passage.

L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques.

La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures ci- annexés, parmi lesquelles:

Fig. 1 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 2 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 3 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 4 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 5 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 6 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 7 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 8 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 9 représente des diagrammes d’échange de procédés selon des modes de réalisation de l’invention.

Fig. 1 schématise un procédé de production d’électricité par récupération de froid à partir de courants d’hydrocarbures F2, F1 utilisés comme courants froids, i. e. sources froides, dans une combinaison d’un premier et d’un deuxième cycle de Rankine. Les cycles de Rankine sont mis en œuvre dans au moins un dispositif d’échange de chaleur, qui peut être tout dispositif comprenant des passages adaptés à l’écoulement de plusieurs fluides et permettant des échanges de chaleur direct ou indirect entre lesdits fluides.

Etant entendu qu’un procédé selon l’invention peut comprendre un nombre supérieur à deux cycles de Rankine combinés selon les mêmes principes que ceux exposés ci-après dans le cas de deux cycles de Rankine.

En particulier, les courants froids F2, F1 peuvent être du gaz naturel. Dans les modes de réalisation détaillés ci-après, les différents fluides du procédé circulent dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur du type à plaques et ailettes brasé, avantageusement formés d’aluminium. Ces échangeurs permettent de travailler sous des écarts de températures faibles et avec des pertes de charges réduites, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé de liquéfaction décrit ci-dessus. Les échangeurs à plaques offrent aussi l’avantage d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange dans un volume limité.

Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de plusieurs séries de passages, les uns étant destinés à la circulation d’un fluide calorigène, en l’occurrence le fluide de travail du cycle, d’autres étant destinés à la circulation d’un fluide frigorigène, en l’occurrence le liquide cryogénique tel le gaz naturel liquéfié à vaporiser.

Des structures d’échange thermique, telles des ondes d’échange thermique ou ailettes, sont généralement disposées dans les passages de l’échangeur. Ces structures comprennent des ailettes qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur et permettent d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur.

Notons que d’autres types d’échangeurs peuvent toutefois être utilisés, tels des échangeurs à plaques, des échangeurs à tube et à calandre (« Shell and tube » en anglais), ou des assemblages de type « core in kettle », c’est-à-dire des échangeurs à plaques ou à plaques et ailettes noyés dans une calandre dans laquelle se vaporise le fluide frigorigène.

Fig. 1 schématise un mode de réalisation dans lequel un premier cycle de Rankine est mis en œuvre au moyen d’un premier échangeur E1 et d’un deuxième échangeur E2.

Avantageusement, les échangeurs E1 , E2 comprennent chacun un empilement de plusieurs plaques (non visibles) disposées parallèlement les unes au-dessus des autres avec espacement suivant une direction dite d’empilement, qui est orthogonale aux plaques. On obtient ainsi une pluralité de passages pour les fluides du procédé qui sont mis en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. Un passage est formé entre deux plaques adjacentes. De préférence, l’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive, de sorte que chaque passage de l’échangeur a une forme parallélépipédique et plate. Les passages destinés à la circulation d’un même fluide forment une série de passages. Chaque échangeur comprend plusieurs séries de passages configurés pour canaliser les différents fluides du procédé parallèlement à une direction globale d’écoulement z, les passages d’une série étant agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages d’une autre série, c’est-à-dire destinée à l’écoulement d’un autre fluide.

L’étanchéité des passages le long des bords des plaques est généralement assurée par des barres d’étanchéité latérales et longitudinales fixées sur les plaques. Les barres d’étanchéité latérales n’obturent pas complètement les passages mais laissent des ouvertures d’entrée et de sortie servant à l’introduction et à l’évacuation des fluides. Ces ouvertures d’entrée et de sortie sont réunies par des collecteurs, généralement de forme semi-tubulaire, assurant une répartition et une récupération homogène du fluide sur l’ensemble des passages d’une même série. Dans la suite, on parlera d’un ou au moins un passage, étant entendu que le passage peut faire partie d’une série de plusieurs passages destinés à l’écoulement d’un même fluide.

Le premier échangeur E1 joue le rôle de vaporiseur dans le premier cycle de Rankine. Comme on le voit sur Fig. 1 , un premier fluide de travail W1 circule dans au moins un passage 1 à partir d’une entrée 1 1 jusqu’à une sortie 12. Un premier courant chaud est introduit dans le premier échangeur à partir d’une entrée 21 jusqu’à une sortie 22. Le premier fluide de travail W1 est vaporisé par échange de chaleur avec le premier courant chaud C1 .

Après sa sortie du premier échangeur E1 , le premier fluide de travail W1 vaporisé est détendu dans un premier organe de détente, de préférence une turbine, couplée à un premier générateur électrique G convertissant l’énergie cinétique produite par le fluide détendu en énergie électrique.

Après sa détente, le premier fluide de travail W1 est introduit dans le deuxième échangeur de chaleur E2 à partir d’une entrée 31 jusqu’à une sortie 32 d’au moins un troisième passage 3. Le premier fluide de travail W1 est mis en relation d’échange thermique avec un premier courant froid F1 circulant d’au moins un quatrième passage 4 du deuxième échangeur E2 à partir d’une entrée 41 jusqu’à une sortie 42. Le premier fluide de travail W1 est condensé en réchauffant le premier courant froid F1 et sort de la sortie 32 pour être ensuite reconduit dans le premier échangeur E1 , après pressurisation par un organe élévateur de pression tel une pompe, ce qui ferme le premier cycle. Il est à noter que le premier fluide de travail W1 issu de la détente dans le premier organe peut éventuellement être à l’état diphasique et être introduit avec ou sans séparation des phases liquide et gazeuse en amont du deuxième échangeur E2.

Par « courant chaud » ou « courant froid », on entend un courant formé d’un ou plusieurs fluides fournissant une source de chaleur ou de froid par échange de chaleur avec un autre fluide.

En outre, un deuxième fluide de travail W2, de préférence de composition différente de celle du premier fluide de travail W1 est introduit dans le deuxième échangeur E2 par une entrée 51 jusqu’à une sortie 52 et circule dans d’au moins un cinquième passage 5 dans lesquels il est vaporisé par échange de chaleur avec le premier fluide de travail W1 introduit dans le deuxième échangeur E2, ledit fluide de travail étant refroidi et condensé dans le troisième passage 3. Le deuxième échangeur E2 fait à la fois office de condenseur pour le premier cycle et de vaporiseur pour le deuxième cycle.

Le deuxième fluide de travail W2 est détendu selon les mêmes principes que le premier cycle et introduit, éventuellement à l’état diphasique, avec ou sans séparation préalable des phases dudit fluide diphasique, dans un troisième échangeur de chaleur E3 à partir d’une entrée 61 jusqu’à une sortie 62 d’au moins un sixième passage 6 dans lesquels il est condensé en réchauffant un deuxième courant froid F2 circulant dans au moins un septième passage. Le troisième échangeur forme le condenseur du deuxième cycle. Le deuxième fluide de travail W2 issu de la sortie 62 est pompé par un organe élévateur de pression et réintroduit par l’entrée 51 du passage 5, ce qui referme le deuxième cycle. Les caractéristiques structurelles décrites précédemment pour les échangeurs E1 et E2 sont applicables en tout ou partie à E3.

Selon l’invention, le premier courant froid F1 du premier cycle de Rankine est formé par le deuxième courant froid F2 issu du deuxième cycle de Rankine, c’est-à- dire qu’un même courant froid alimente en série les cycles, dans lesquels il est au moins partiellement vaporisé et réchauffé progressivement contre les deuxième et premier fluides de travail W2, W1 c’est-à-dire par échange de chaleur avec lesdits fluides. A ce titre, F1 peut donc éventuellement être un courant diphasique.

En outre, on utilise le premier fluide de travail W1 introduit dans le troisième passage 3 du deuxième échangeur pour former au moins une partie, de préférence la totalité, du courant chaud du deuxième cycle de Rankine. La source chaude du deuxième cycle est ainsi fournie au moins en partie par le refroidissement et la condensation du fluide de travail du premier cycle.

Un tel arrangement permet de regazéifier le courant froid en assurant une récupération plus efficace du froid sur l’ensemble du gradient de température entre la température d’entrée du courant froid F2 dans le au moins un septième passage et la température du courant froid F1 à la sortie du au moins un quatrième passage. En effet, la récupération des frigories du courant froid s’effectue séparément sur des portions de passages 7, 4 où il présente des niveaux de températures différents. Il est alors possible d’adapter au mieux les caractéristiques de chacun des premier et deuxième fluide de travail, afin qu’ils présentent des températures d’ébullition adaptées à ces niveaux de températures. On dispose ainsi d’un grand degré de liberté pour augmenter le rendement énergétique du procédé, notamment en ajustant les températures, les pressions et/ou les compositions des fluides de travail en fonction des caractéristiques du courant froid F2 à réchauffer, notamment sa pression, sa température, sa composition...

Notons que le deuxième courant froid F2 peut être vaporisé en tout ou partie et/ou réchauffé dans le deuxième cycle de Rankine (passage 7) par échange de chaleur avec le deuxième fluide W2. Le premier courant froid F1 peut être vaporisé en tout ou partie et/ou réchauffé (passage 4) dans le premier cycle de Rankine par échange de chaleur avec le premier fluide W1 .

Avantageusement, le premier courant froid F1 sortant en 42 du quatrième passage 4 est introduit dans au moins un huitième passage 8 du premier échangeur E1 , afin d’y poursuivre son réchauffement contre le premier courant chaud C1 . Ceci est avantageux dans les cas où la température obtenue en sortie 42 de l’échangeur E2 est trop basse et incompatible avec le matériau composant le réseau de distribution, en particulier dans le cas d’un réseau de distribution de gaz naturel.

Selon la configuration adoptée, le courant froid F1 récupéré à l’issue des sorties 42 ou 82 alimente au moins une canalisation d’un réseau de distribution de fluide, en particulier un réseau de distribution d’hydrocarbures tel que le gaz naturel.

Fig. 2 représente une variante de réalisation dans laquelle le premier courant froid F1 poursuit son réchauffement dans un quatrième échangeur E1’ physiquement distinct du premier échangeur E1 . L’échangeur E1’ comprend les passages 8 pour la circulation du premier courant froid F1 et des passages supplémentaires 2’ pour l’introduction d’un premier courant chaud supplémentaire C1’ distinct du courant chaud C1 . Cette configuration offre l’avantage de pouvoir utiliser, pour les échangeurs E1 et E1’ des technologies plus simples telles que des échangeurs de type « shell and tubes » dans lesquels deux fluides circulent uniquement. Notons qu’une telle variante est applicable à d’autres modes de réalisation, notamment celui illustré par Fig. 4.

De préférence, les entrées et sortie des passages 3, 6 de condensation sont agencées de sorte que les premier et deuxième fluides de travail W1 , W2 circulent, au cours des étapes c) et g) à contre-courant avec les premier et deuxième courants froids F1 , F2 respectivement. De préférence, les entrées et sortie des passages 4, 7, 1 , 5 de réchauffage sont agencées de sorte que les premier et deuxième fluides de travail W1 , W2 circulent, au cours des étapes a) et e) à co-courant avec les premier et deuxième courants froids F1 , F2 respectivement. De préférence, les courants chauds des cycles circulent à contre-courant des fluides de travail vaporisés dans chaque cycle.

Ces directions d’écoulement des fluides permettent de maximiser la température de sortie des fluides de travail W1 et W2, et donc de maximiser la puissance délivrée par la turbine durant la détente.

Fig. 3 notamment représente un mode de réalisation avantageux dans lequel le premier fluide de travail W1 sortant condensé du passage 3 est réintroduit dans le deuxième échangeur E2 pour y circuler dans au moins un neuvième passage 9 entre une entrée 91 et une sortie 92, avant d’être réintroduit dans le passage 1 . Cette configuration est privilégiée quand le fluide de travail W1 n’est pas un corps pur mais un mélange de plusieurs constituants, car il offre l’avantage de réchauffer encore la température de sortie du fluide de travail.

Selon le même principe et pour les mêmes avantages, le deuxième fluide de travail W2 sortant condensé des passages 6 peut aussi être réintroduit dans au moins un dixième passage 10 du troisième échangeur, avant d’être réintroduit dans le cinquième passage 5.

L’un et/ou l’autre des premier et deuxième fluides de travail condensés peut faire l’objet de telles réintroductions. Comme déjà expliqué, la réintroduction du ou des fluides condensés dans le ou les échangeurs concernés permet de les réchauffer et de maximiser leur température de sortie au bout chaud et donc la production d’électricité lors de leur détente. Avantageusement, on procède à une réintroduction pour chacun des fluides de travail, ce qui rend le procédé encore plus favorable énergétiquement. Fig. 1 à Fig. 4 illustrent des configurations dans lesquelles les cycles de Rankine sont opérés dans des échangeurs formant des entités physiquement distinctes, c’est- à-dire, dans le cas d’échangeurs à plaques ou plaques et ailettes, formant chacun au moins un empilement distinct de plaques et de passages. Ce mode de réalisation avec des échangeurs distincts peut être mis en œuvre en particulier dans le cas où les passages sont formés au sein d’échangeurs d’autres types que les échangeurs à plaques ou plaques et ailettes, comme des échangeurs à tubes et calandre, à tubes et ailettes ou du type core-in-kettle.

Notons que dans le cas où les échangeurs sont des échangeurs à tubes, les passages peuvent être formés par les espaces dans, autour et entre les tubes.

Dans le cadre de l’invention, il est également possible d’agencer certains des passages de fluide au sein d’un même échangeur. Cela est envisageable en particulier avec des échangeurs du type à plaques brasés et permet de réduire la complexité et les coûts de fabrication de l’installation mettant en œuvre plusieurs cycle de Rankine combinés.

Ainsi, Fig. 5 représente un mode de réalisation dans lequel le deuxième échangeur E2 et le troisième échangeur E3 forment un même échangeur E commun. Dans ce cas, le deuxième courant froid F2 circule depuis une première entrée 71 située au bout froid de l’échangeur E, c’est-dire le point d’entrée dans l’échangeur où un fluide, ici le courant F2, est introduit à la température la plus basse de toutes les températures de l’échangeur E. Le deuxième courant froid F2 sort par une première sortie 42 de l’échangeur E, les passages 4 étant formés entre les mêmes plaques de l’échangeur E que les passages 7 et étant agencés dans la continuité des passages 7.

Les passages 3, 5, 6, voire aussi les passages 9, 10 lorsque les fluides de travail recirculent après condensation dans l’échangeur E, sont aussi formés au sein du même échangeur E.

En fait, lorsque l’on considère des passages d’une série et des passages d’une autre série dans lesquels un même fluide circule en série, chaque passage de ladite série forme un prolongement d’un passage correspondant de l’autre série, et donc un seul et même passage de l’échangeur E formé entre deux mêmes plaques. Par exemple, sur Fig. 5, un passage 4 et un passage 7 formant ainsi un seul et même passage de l’échangeur E délimité entre deux même plaques de l’échangeur E et s’étendant depuis l’entrée 71 jusqu’à la sortie 42. Lorsque l’on considère des passages d’une série et des passages d’une autre série dans lesquels des fluides différents circulent, ces passages sont superposés au sein d’un même empilement, de façon adjacente ou non.

De préférence, le premier fluide de travail W1 est introduit après détente par une deuxième entrée 31 située au bout chaud de l’échangeur E et présentant la température la plus haute de toutes les températures de l’échangeur E. Le premier fluide de travail W1 circule dans les troisièmes passages 3 jusqu’à une deuxième sortie 32 agencée à un premier niveau intermédiaire situé, suivant la direction d’écoulement z, entre le bout froid et le bout chaud de l’échangeur E. Le premier fluide de travail W1 récupéré à la sortie 32 peut être réintroduit, après pompage, dans les passages 9 de l’échangeur E avant d’alimenter l’entrée 1 1 du premier échangeur E1 , comme illustré sur Fig. 5, ou bien alimenter directement l’entrée 1 1 (non illustré).

De préférence, le deuxième fluide de travail W2 est introduit après détente, éventuellement diphasique et éventuellement avec séparation de ses phases gazeuse et liquide, dans l’échangeur E par une troisième entrée 61 agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé, suivant la direction d’écoulement z, entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur E. Le deuxième fluide de travail W2 est récupéré après avoir été condensé dans les passage 6 à la sortie 62 peut être réintroduit, après pompage, dans les passages 10 par une entrée 101 située au bout froid de l’échangeur E, avant d’alimenter les passages 5, comme illustré sur Fig. 5. Les passages 5 sont agencés dans la continuité des passages 10. Le deuxième fluide W2 peut aussi alimenter directement une entrée des passages 5 située à un niveau intermédiaire de l’échangeur E (non illustré).

Fig. 6 représente un mode de réalisation dans lequel le premier échangeur E1 , le deuxième échangeur E2 et le troisième échangeur E3 forment un même échangeur E commun. Dans ce cas, le premier courant chaud C1 est introduit à partir d’une quatrième entrée 21 située au bout chaud de l’échangeur E. De préférence, le premier fluide de travail W1 est introduit après détente, éventuellement à l’état diphasique, par une deuxième entrée 31 agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud et sort dudit échangeur E par une deuxième sortie 32 agencée à un premier niveau intermédiaire situé entre le troisième niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur E. Le deuxième fluide de travail W2 est introduit après détente, éventuellement à l’état diphasique, par une troisième entrée 61 agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé, suivant la direction d’écoulement z, entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur E.

Le premier fluide de travail W1 récupéré sous forme liquide à la sortie 32 peut être réintroduit après pompage dans des passages 9 par une entrée 91 avant d’alimenter les passages 1 , comme illustré sur Fig. 6. Les passages 1 sont agencés dans la continuité des passages 9. Le premier fluide W1 peut aussi alimenter directement une entrée des passages 1 située à un niveau intermédiaire de l’échangeur E (non illustré).

Le deuxième fluide de travail W2 récupéré à la sortie 62 sous forme liquide peut être réintroduit après pompage dans les passages 10 par une entrée 101 située au bout froid de l’échangeur E, avant d’alimenter les passages 5, comme illustré sur Fig. 6. Les passages 5 sont agencés dans la continuité des passages 10. Le deuxième fluide W2 peut aussi alimenter directement une entrée des passages 5 située à un niveau intermédiaire de l’échangeur E (non illustré).

Ces agencements d’entrées et sorties à des niveaux intermédiaires entre les bouts froid et chaud de l’échangeur permettent de respecter un ordre croissant des températures d’entrée et sortie des différents fluides, depuis le bout froid jusqu’au bout chaud de l’échangeur E.

Fig. 7 et Fig. 8] illustrent des modes de réalisation dans lesquels on utilise un même générateur couplé à la fois au premier organe de détente et au deuxième organe de détente. Les premier et deuxième générateurs sont donc confondus. Ainsi, on économise un générateur et simplifie l’installation. Cet agencement est possible car les deux cycles de génération d’électricité ont un mode de fonctionnement généralement simultané.

Dans le cadre de la présente invention, le deuxième courant froid F2 peut être un courant d’hydrocarbures liquéfié tel du gaz naturel liquéfié ou un courant de liquide cryogénique tel un courant d’azote liquéfié, un courant d’oxygène liquéfié, un courant d’hydrogène liquéfié.

De préférence, la température d’introduction du deuxième courant froid F2 dans le au moins un septième passage 7 est inférieure à -100 °C.

Avantageusement, le courant froid F2, F1 est formé d’un courant d’hydrocarbures, en particulier du gaz naturel, comprenant de préférence, en fraction molaire, au moins 60% de méthane (CFU), de préférence au moins 80%. Le gaz naturel peut éventuellement comprendre de l’éthane (C2H6), du propane (C3H8), du butane (nC ₄ Hio) ou de l’isobutane (1C4H 10), de l’azote, de préférence dans des teneurs entre 0 et 10% (% molaire). Grâce au procédé de l’invention, on effectue la regazéification nécessaire avant d’injecter le gaz naturel dans le réseau de distribution, tout en valorisant les frigories du gaz naturel liquéfié.

Des courants froids d’autre nature peuvent avantageusement alimenter le procédé selon l’invention pour être revaporisés avant utilisation. En particulier de l’oxygène liquide, de l’azote liquide, ou encore de l’hydrogène liquide peuvent être utilisés. La vaporisation de tels liquides peut permettre d’assurer une continuité de fourniture de gaz lorsqu’une usine de production est à l’arrêt, et permettre d’économiser une partie de l’énergie dépensée pour la constitution des stocks de liquide.

Les températures de vaporisation de ces constituants étant bien inférieures à celles du gaz naturel, il pourra être avantageux d’utiliser un nombre supérieur à deux cycles de Rankine, dans la continuité d’une des descriptions précédentes.

Selon un mode de réalisation particulier, le procédé selon l’invention met en œuvre trois cycles de Rankine avec un troisième cycle de Rankine opéré en amont du deuxième cycle de Rankine. Plus précisément, en se référant à la configuration selon Fig. 1 sans que cela n’y soit illustré, le deuxième courant froid F2 est introduit dans un cinquième échangeur E5 agencé en amont du troisième échangeur E3. Un troisième fluide de travail W3 est introduit à une troisième pression haute Ph3 dans au moins un passage supplémentaire du troisième échangeur E3 et se vaporise au moins en partie contre le deuxième fluide de travail W2 circulant dans le au moins un sixième passage 6 du troisième échangeur E3. Le deuxième fluide de travail W2 fait ainsi office de troisième courant chaud dans le troisième cycle de Rankine.

Le troisième fluide de travail W3 sortant des passages supplémentaires est détendu jusqu’à une troisième pression basse Pb3 dans un troisième organe de détente coopérant avec un troisième générateur électrique, éventuellement confondu avec au moins un autre générateur, de façon à produire de l’énergie électrique. Le fluide de travail W3 détendu est introduit dans le quatrième échangeur et se condense au moins en partie contre le troisième courant froid F3 qui se réchauffe et/ou se vaporise au moins en partie par échange de chaleur avec W3. Le troisième fluide de travail W3 ainsi condensé sort du quatrième échangeur et est réintroduit, après élévation de pression jusqu’à la troisième pression haute Ph3 dans le troisième échangeur E3. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans le cas où le courant froid à revaporiser est un liquide cryogénique à très basse température, c’est- à-dire une température qui peut être inférieure à -170°C, voire inférieure à -200°C.

En fait, plus l’écart de température entre le courant froid à revaporiser par le procédé et la température ambiante est grand, plus il est intéressant d’augmenter le nombre de cycles de Rankine combinés afin de pouvoir atteindre la température souhaitée pour la distribution dans le réseau.

Pour un courant froid de liquide cryogénique ayant une température initiale donnée, on opère donc un réchauffage dudit courant froid contre un troisième fluide de travail se condensant dans un troisième cycle de Rankine puis contre le deuxième fluide de travail se condensant dans le deuxième cycle de Rankine puis contre le premier fluide de travail W1 se condensant dans le premier cycle de Rankine.

Par exemple, pour un liquide cryogénique à revaporiser ayant une température initiale de l’ordre de -250°C, comme c’est la cas par exemple avec un courant d’hydrogène liquide, on opérera avantageusement un réchauffage du courant d’environ -250 à -170°C dans un troisième cycle thermodynamique, le courant de liquide cryogénique se réchauffant jouant le rôle de la source froide du cycle, ce qui permet d’augmenter encore la production d’électricité par unité de débit vaporisé. Par la suite, on revient à la situation précédemment décrite avec un réchauffage d’environ -170 à -90°C environ dans le deuxième cycle de Rankine, puis un réchauffage de -90 à -50°C environ dans le premier cycle de Rankine.

De préférence, le troisième cycle de Rankine n’est pas un cycle organique, le troisième fluide de travail W3 étant de préférence exempt de composant organique.

Bien sûr ce mode de réalisation à trois ou plus cycles est applicable aux configurations autres que celle selon Fig. 1 décrites dans la présente demande. De préférence, en particulier lorsque le courant froid à vaporiser est du GNL, le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 sont des fluides organiques, c’est-à-dire des fluides comprenant un ou plusieurs composants organiques tels des hydrocarbures.

Il est aussi envisageable que les cycles de Rankine du procédé selon l’invention ne soient pas des cycles organiques.

Avec des liquides cryogéniques à vaporiser ayant des constituants à plus bas point d’ébullition que le GNL, le fluide de travail du cycle travaillant à la plus basse température pourra comprendre un ou plusieurs composants tels que l’hydrogène, l'azote, l’argon, l’hélium, le néon en complément ou substitution de tout ou partie des composants organiques. On pourra ainsi envisager de travailler avec des fluides de travail exempts de composants organiques.

Selon une première possibilité, on pourra utiliser des corps purs de nature différente pour former le premier fluide W1 et/ou le deuxième fluide W2. En particulier, on pourra utiliser de l’éthylène comme deuxième fluide de travail W2 et de l’éthane comme premier fluide de travail W1 . Ce choix s’explique par les propriétés physiques de ces constituants qui présentent des pressions de vapeur saturantes pour la gamme de température balayée par la vaporisation de GNL compatibles avec une bonne tenue mécanique des échangeurs en aluminium brasé et des composants des turbines de détente. Ainsi l’utilisation de tels composants dans les cycles ORC permet de concevoir des systèmes compacts et efficaces.

Dans le cadre de l’invention, on utilise préférentiellement des fluides de travail de compositions différentes dans les différents cycles de Rankine mais notons qu’il reste envisageable d’utiliser des fluides de travail de même composition, en ajustant alors de façon appropriée les pressions opératoires de ces fluides. Ceci est possible pour des écarts de températures relativement faibles entre les courants froids et chauds des cycles, par exemple lorsque le deuxième courant froid est un gaz liquéfié à très haute pression et le premier courant chaud est de l’eau de mer à température suffisamment basse.

Selon une autre possibilité, on pourra utiliser des fluides de travail mixtes comprenant respectivement un premier mélange d’hydrocarbures et un deuxième mélange d’hydrocarbures, de préférence le premier et le deuxième mélange d’hydrocarbures contiennent chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthylène (C2H4) le propane, l’éthane, le propylène, le butène, le butane ou l’isobutane.

Le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 peuvent éventuellement comprendre au moins un composant additionnel choisi parmi l’hydrogène, l'azote, l’argon, l’hélium, le néon, en complément ou substitution des composants organiques, et ce en particulier si le liquide cryogénique à vaporiser présente un point d’ébullition plus bas que celui du méthane.

L’utilisation de fluides de travail mixtes permet de diminuer les pertes énergétiques liées à l’irréversibilité des échanges de chaleurs entre fluides froids et chauds en réduisant les écarts de températures entre les courants froids et les fluides de travail en chaque point selon la longueur de l’échangeur. Les compositions, pressions avant et après détente et/ou températures de chaque fluide pourront être adaptées afin d’assurer la meilleure récupération d’énergie possible.

Notons que dans le cas où les fluides de travail sont mixtes, i.e. sont des mélanges, ceux-ci sortent du ou des échangeurs liquides à très basse température et qu’il est alors avantageux d’opérer une réintroduction des fluides condensés dans le ou les échangeurs concernés afin de les réchauffer et maximiser leur température de sortie au bout chaud et donc la production d’électricité lors de leur détente dans la turbine.

En particulier, les proportions en fractions molaires (%) des composants du premier mélange d’hydrocarbures peut être (% molaire) :

Méthane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%

Propane : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%

Ethylène : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%

Isobutane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%

Les proportions en fractions molaires (%) des composants du deuxième mélange d’hydrocarbures peuvent être:

Méthane : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%

Propane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%

Ethylène : 20 à 70%, de préférence 30 à 60%

De préférence, le premier courant chaud C1 , et le cas échéant le courant chaud supplémentaire C1’, sont formés d’eau de mer, de préférence à une température d’entrée dans l’échangeur comprise entre 10 et 30 °C.

De préférence, le deuxième courant froid F2 est un courant d’hydrocarbures introduit totalement liquéfié à l’entrée 71 à une température comprise entre -140 et -170 °C.

Dans le cas où le deuxième courant froid F2 est formé par un fluide liquide d’une autre nature, tel de l’oxygène, de l’azote, de l’hydrogène, la température du fluide à l’entrée 71 est de préférence de l’ordre de sa température d’équilibre à la pression de stockage.

De préférence, le premier courant froid F1 présente une température comprise entre -85 et -105°C à la sortie 72 du troisième échangeur E3, une température comprise entre -10 et -20°C à la sortie 42 du deuxième échangeur E2 ou de l’échangeur E et/ou une température comprise entre 5 et 25°C à la sortie 82 du premier échangeur E3 ou de l’échangeur E, pour être introduit à cette température dans un réseau de distribution. De préférence, le premier courant froid F1 sort totalement vaporisé par la sortie 82 ou la sortie 42.

De préférence, le deuxième courant froid et le premier courant froid présentent des pressions comprises entre 10 et 100 bar tout au long des passages 7, 4, 8 dans lesquels ils s’écoulent.

De préférence, le premier fluide de travail W1 présente, après sa condensation dans le troisième passage 3, une première température T1 . Le deuxième fluide de travail W2 présente, après sa condensation dans le sixième passage 6, une deuxième température T2, avec T2 inférieure à T1 . De préférence, T1 est comprise entre -1 10 et -80 °C et T2 comprise entre -120 et -160 °C.

De préférence, le premier fluide de travail W1 sort vaporisé du premier passage 1 à une température comprise entre 5 et 25 °C et/ou le deuxième fluide de travail W2 sort vaporisé du cinquième passage 5 à une température comprise entre 0 et -30 °C.

De préférence, le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 sortent du troisième passage 3 et du sixième passage 6 respectivement à des première et deuxième pressions dites basses Pb1 , Pb2 et entrent dans le premier passage 1 et dans le cinquième passage 5 respectivement à des première et deuxième pressions dites hautes Ph1 , Ph2, avec Ph1 >Pb1 et Ph2>Pb2.

De préférence, les première et/ou deuxième pressions hautes Ph1 , Ph2 sont comprises entre 10 et 40 bar, de préférence inférieures à 30 bar, de préférence encore inférieures à 20 bar et/ou les première et/ou deuxième pressions basses Pb1 , Pb2 sont comprises entre 1 et 5 bar.

De préférence encore, la première pression haute Ph1 est supérieure à la première pression basse Pb1 d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15 et/ou la deuxième pression haute Ph2 est supérieure à la deuxième pression basse Pb2 d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15, de préférence entre 2,5 et 10. Ces valeurs et rapports de pressions permettent d’adapter le procédé aux courbes enthalpiques des fluides et d’ajuster au mieux les températures d’équilibre. Plus on travaille à pression élevée, plus la quantité d’énergie récupérée est importante. Un facteur multiplicateur d’au moins 2,5 permet de récupérer une quantité d’énergie suffisamment intéressante. En pratique, les pressions sont limitées par la capacité des organes de détente. Afin de démontrer l’efficacité d’un procédé selon l’invention, des simulations ont été réalisées pour calculer les rendements énergétiques obtenus avec un cycle de Rankine simple (simulation n°1 ) selon l’art antérieur, et des combinaisons de cycles de Rankine selon des modes de réalisations de l’invention (simulations n°2 et n°3). En particulier, l’influence de la nature des fluides de travail utilisés dans une combinaison de cycle a été évaluée. Les courants froids étaient du GNL comprenant 90,5% de méthane, 7,3% d’éthane, 1 ,5% de propane, 0,2% de butane, 0,3% d’isobutane, 0,2% d’azote (% molaire). Pour la simulation n°2, la configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig. 1 et pour la simulation n°3, la configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig. 3.

Simulation n°1 (hors invention):

L’unique fluide de travail était du propane. La pression du fluide de travail W1 était de 7,5 bar à l’entrée de l’échangeur de vaporisation et de 1 ,5 bar à la sortie 32 de l’échangeur de condensation. Le courant chaud était de l’eau de mer à une pression de 5 bar et une température de 23 °C à l’entrée de l’échangeur de vaporisation.

Simulation n°2 (invention):

Le premier fluide de travail W1 était de l’éthane. Le deuxième fluide de travail était de l’éthylène. La pression du premier fluide de travail W1 était de 27 bar à l’entrée 1 1 et de 5,8 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 8,1 bar à l’entrée 51 et de 2,1 bar à la sortie 62. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée 71 et de 89 bar à la sortie 82. Le courant chaud C1 était de l’eau de mer à une pression de 5 bar en entrée et en sortie des passages 2. Tableau 1 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages.

Tableau 1

Simulation n°3 (invention):

Le premier fluide de travail W1 était un mélange d’hydrocarbures comprenant 46% d’éthylène, 38% de propane, 8% de méthane, 8% d’isobutane (% molaire). Le deuxième fluide de travail était un mélange d’hydrocarbures comprenant 55,4% d’éthylène, 41 % de méthane, 3,6% de propane (% molaire). La pression du premier fluide de travail W1 était de 12 bar à l’entrée 91 et de 4,2 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 16,7 bar à l’entrée 101 et de 1 ,7 bar à la sortie 62. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée 71 et de 89,5 bar à la sortie 82. Le courant chaud C1 était de l’eau de mer à une pression de 5 bar en entrée et en sortie des passages 2. Tableau 2 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages.

Tableau 2

Avec la simulation n°1 , le rendement énergétique obtenu était de 0,016 kWh/Nm ³ .

Avec la simulation n°2, le rendement énergétique du deuxième cycle de Rankine était de 0,0045 kWh/Nm ³ et le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,0134 kWh/Nm ³ , soit un rendement total de 0,0179 kWh/Nm ³ , représentant un gain de l’ordre de 12% par rapport à la simulation n°1 .

Avec la simulation n°3, le rendement énergétique du deuxième cycle de Rankine était de 0,012 kWh/Nm ³ et le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,021 kWh/Nm ³ , soit un rendement total de 0,033 kWh/Nm ³ , représentant un gain de l’ordre de 106% par rapport à la simulation n°1 .

L’utilisation d’un premier fluide de travail et d’un deuxième fluide de travail W2 mixtes permet d’augmenter significativement les performances du procédé, grâce à l’amélioration des diagrammes d’échange entre le gaz naturel liquéfié et les fluides de travail. Les schémas de réintroduction des fluides de travail dans les passages d’échanges tels que décrit précédemment participent également à la plus grande efficacité énergétique du procédé.

Fig. 9 montre un comparatif des diagrammes d’échange Chaleur échangée (« heat flow ») - Température (DH - T), ou courbes enthalpiques, obtenus d’une part avec une combinaison de cycles avec fluides de travail purs selon la simulation n°2 (en (a)) et d’autre part avec une combinaison de cycles avec fluides de travail mixtes selon la simulation n°3 (en (b)). Les diagrammes illustrés sont obtenus pour un débit de 3000 Nm ³ /h de GNL traité (soit environ une échelle 1/100 d’une unité industrielle). Les courbes A, B, C, D illustrent l’évolution de la quantité de chaleur échangée en fonction de la température pour l’ensemble des fluides frigorigènes qui se réchauffent et/ou se vaporisent dans les procédés, incluant le GNL (courbes A et C) et l’ensemble des fluides calorigènes qui se refroidissent et/ou se condensant dans les procédés, incluant les premier et deuxièmes fluides de travail (courbes B et D), et ce pour chacune des deux configurations simulées. On peut voir sur Fig. 9 (b) que l’écart moyen de température est significativement réduit par l’utilisation de fluides de travail composés d’un mélange de constituants, ce qui explique la meilleure efficacité de ce cycle.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple d’autres configurations d’injection et de d’extraction des fluides du ou des échangeurs, d’autre sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides sont envisageables.