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 de 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 des cycles de Rankine, et le procédé selon l’invention peut assurer la regazéification dudit courant d’hydrocarbures 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.

Il 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 cycle ORC (pour 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 ils 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 US-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 d’un premier fluide de travail ayant une première pression haute 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 premier passage,

b) sortie du premier fluide de travail issu de l’étape a) du premier passage et détente jusqu’à une première pression basse inférieure à la première pression haute, 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 au moins ledit troisième passage, d) sortie du premier fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape c) du troisième passage, élévation de la pression dudit premier fluide de travail jusqu’à la première pression haute (Ph1 ) et réintroduction dans le premier passage, et le deuxième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :

e) introduction d’un deuxième fluide de travail ayant une deuxième pression haute 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 circulant dans au moins un sixième passage (6) en relation d’échange thermique avec le cinquième passage,

f) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape e) du cinquième passage (5) et détente jusqu’à une deuxième pression basse inférieure à la deuxième pression haute, 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 septième 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 huitième passage en relation d’échange thermique avec au moins le septième passage,

h) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape g) du septième passage, élévation de la pression dudit deuxième fluide de travail jusqu’à la deuxième pression haute et réintroduction dudit deuxième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape g) dans le cinquième passage, caractérisé en ce que le premier courant froid sortant du quatrième passage après l’étape c) est introduit dans le huitième passage, le premier courant froid formant ainsi le deuxième courant froid du deuxième cycle de Rankine. Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

le premier courant froid est introduit dans ledit au moins un quatrième 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 courant froid est soit réchauffé dans le quatrième passage par échange de chaleur avec le premier fluide) et le deuxième courant froid est totalement vaporisé dans le huitième passage par échange de chaleur avec le deuxième fluide, soit vaporisé partiellement dans le quatrième passage par échange de chaleur avec le premier fluide et le deuxième courant froid est au moins partiellement vaporisé dans le huitième passage par échange de chaleur avec le deuxième fluide, soit seulement réchauffé dans le quatrième passage et le deuxième courant froid est au moins partiellement vaporisé dans le huitième passage.

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 cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine sont des cycles organiques, le premier fluide de travail et le deuxième fluide de travail étant des corps purs constitués respectivement d’un premier hydrocarbure et d’un deuxième hydrocarbure.

le deuxième courant froid sortant du huitième passage est introduit dans au moins un neuvième passage pour y être réchauffé contre un troisième courant chaud circulant dans au moins un douzième passage en relation d’échange thermique avec le neuvième passage.

le premier courant chaud, le deuxième courant chaud et/ou le troisième courant sont formés d’eau de mer, de préférence de l’eau de mer introduite dans le deuxième passage, le sixième passage et/ou le douzième passage à une température strictement supérieure à 0 °C, de préférence comprise entre 10 et 30 °C, l’eau de mer ayant éventuellement subi une étape de réchauffage avant introduction dans lesdits passages.

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, 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 5 et 15 bar.

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

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

le premier courant froid est un courant d’hydrocarbures liquéfié, tel du gaz naturel liquéfié, introduit totalement liquéfié dans le quatrième passage à une température comprise entre -140 et -170°C et le deuxième courant froid sort du huitième passage et/ou du neuvième passage totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et

50 °C.

le premier fluide de travail est introduit dans le premier passage à une première température T1 et le deuxième fluide de travail est introduit dans le cinquième passage à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1 avec, de préférence, T1 comprise entre -1 10 et -70 °C et T2 comprise entre -60 et -30 °C.

les premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, sixième, septième, huitième, neuvième, dixième, onzième et/ou douzième 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 des séries de plusieurs passages au sein dit échangeur.

les premier et deuxième passages font partie d’un premier échangeur de chaleur, les troisième et quatrième passages avec éventuellement les dixièmes passages font partie d’un deuxième échangeur de chaleur, les cinquième et sixième passages font partie d’un troisième échangeur de chaleur et les septième et huitième passages avec éventuellement les onzième passages font partie d’un quatrième échangeur, lesdits échangeurs formant des entités physiquement distinctes.

les premier et deuxième passages, les cinquième et sixième passages et éventuellement les neuvième passages font partie d’un même échangeur de chaleur, le premier fluide de travail 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 deuxième courant chaud 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 au bout froid de l’échangeur et le deuxième fluide de travail issu des septième passages étant introduit dans l’échangeur par une troisième entrée agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur situé entre le bout froid et le bout chaud, le deuxième courant froid étant éventuellement introduit dans l’échangeur par une quatrième entrée agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout chaud de l’échangeur.

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

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

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 électrique produit de l’énergie électrique simultanément à partir du premier cycle, du deuxième cycle de Rankine et/ou du troisième cycle de Rankine. le procédé met en œuvre un troisième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes : i) introduction à une troisième pression haute d’un troisième fluide de travail dans au moins un treizième passage et vaporisation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail contre au moins un quatrième courant chaud,

j) sortie du troisième fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape i) du au moins un treizième passage et détente jusqu’à une troisième pression basse inférieure à la troisième pression haute, dans un troisième organe de détente coopérant avec un troisième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,

k) introduction du troisième fluide de travail détendu à l’étape f) dans le deuxième passage, de façon à former au moins en partie, le premier courant chaud du premier cycle de Rankine, et condensation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail contre au moins le premier fluide de travail qui se vaporise dans le premier passage,

L) sortie dudit troisième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape k) du deuxième passage et réintroduction, après élévation de pression jusqu’à la troisième pression haute, dans le treizième passage. 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 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 septième 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 huitième passage configuré pour l’écoulement d’un deuxième courant froid, ledit huitième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit septième passage de sorte que, en fonctionnement, le deuxième fluide de travail circulant dans le septième passage est condensé au moins en partie contre le deuxième courant froid,

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

- le huitième passage étant agencé en aval du quatrième passage et mis en communication fluidique avec le quatrième passage et de sorte que le premier courant froid sortant du quatrième passage forme le deuxième courant froid introduit dans le huitième passage.

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

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.

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 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.

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.

Etant entendu que ces caractéristiques structurelles sont applicables en tout ou partie aux autres échangeurs décrits dans la présente demande.

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 premier passage 1 à partir d’une entrée 1 a jusqu’à une sortie 1 b. 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 réchauffé, vaporisé au moins partiellement 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 entre 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 dans 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 à l’état liquide par 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 de détente 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 cycle de Rankine est mis en œuvre et utilise un deuxième fluide de travail W2, de préférence de composition différente de celle du premier fluide de travail W1 . Le deuxième fluide de travail W2 est introduit dans un troisième échangeur E3 par une entrée 51 jusqu’à une sortie 52 et circule dans au moins un cinquième passage 5 dans lesquels il est réchauffé, vaporisé au moins partiellement par échange de chaleur avec un deuxième courant chaud C2 circulant dans au moins un sixième passage 6 entre une entrée 61 et une sortie 62.

Le deuxième fluide de travail W2 est détendu selon les mêmes principes que le premier cycle et introduit, éventuellement à l’état diphasique et éventuellement avec séparation des phases, dans un quatrième échangeur de chaleur E4 à partir d’une entrée 71 jusqu’à une sortie 72 d’au moins un septième passage 7 dans lesquels il est condensé en réchauffant un deuxième courant froid F2 circulant dans au moins un huitième passage 8. Le quatrième échangeur E4 forme le condenseur du deuxième cycle. Le deuxième fluide de travail W2 issu de la sortie 72 à l’état liquide est pompé et réintroduit par l’entrée 51 des passages 5, ce qui referme le deuxième cycle.

Notons que Fig. 1 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 dixième passage 10, avant d’être réintroduit dans le premier passage 1 . Cette configuration est privilégiée quand le premier 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 à laquelle le premier fluide de travail W1 sort du deuxième échangeur E2.

Selon le même principe, le deuxième fluide de travail W2 sortant condensé des passages 7 peut aussi être réintroduit dans au moins un onzième passage 1 1 du quatrième échangeur E4, avant d’être réintroduit dans le cinquième passage 5 du troisième échangeur.

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. Ce principe de passes supplémentaires dans le ou les échangeurs de condensation est applicable aux autres modes de réalisation décrits dans la présente demande.

De façon alternative, on pourra envisager d’introduire les premier et deuxième fluides de travail W1 , W2 directement dans les premier et troisième échangeurs respectivement, sans passe supplémentaire dans les deuxième et quatrième échangeurs (Fig. 2).

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 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, F2 peut donc éventuellement être à l’état diphasique.

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 F1 dans le passage 4 et la température du courant froid F2 à la sortie du huitième passage 8. En effet, la récupération des frigories du courant froid s’effectue séparément sur des portions de passages 4, 8 où il présente des niveaux de températures différents. Il est alors possible d’adapter au mieux les caractéristiques de chacun des premiers et deuxième fluide de travail, afin qu’ils présentent des températures d’ébullition adaptées à ces niveaux de températures, aux niveaux de pressions hautes et basses que l’on aura choisies pour chacun des deux cycles. On dispose ainsi d’un très 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 F1 à réchauffer, notamment sa pression, sa température, sa composition...

Notons que le premier courant froid F1 peut être vaporisé en tout ou partie et/ou réchauffé dans le premier cycle de Rankine (passage 4) par échange de chaleur avec le premier fluide W1 . Le deuxième courant froid F2 peut être vaporisé en tout ou partie dans le deuxième cycle de Rankine (passage 8) par échange de chaleur avec le deuxième fluide W2.

Selon une possibilité, le premier courant froid F1 est seulement réchauffé dans le au moins un quatrième passage 4 et c’est le deuxième courant froid F2 qui est vaporisé dans le huitième passage 8. Le premier cycle a pour source froide uniquement la chaleur sensible de dé-sous refroidissement du premier courant. Selon une autre possibilité, le premier courant froid F1 est partiellement vaporisé dans le au moins un quatrième passage 4. Le premier cycle a pour source froide la chaleur sensible de dé-sous refroidissement du premier courant et une partie de la chaleur latente de vaporisation du premier courant froid.

Selon une autre possibilité, le premier courant froid F1 est vaporisé uniquement dans le au moins un quatrième passage 4, i. e. sort totalement vaporisé du quatrième passage 4. Le premier cycle a pour source froide la chaleur sensible de dé-sous refroidissement du premier courant et toute la chaleur latente de vaporisation du premier courant froid, avec éventuellement une chaleur sensible de réchauffage du premier courant vaporisé.

Le premier courant froid F1 peut aussi être partiellement vaporisé dans le quatrième passage 4 et le deuxième courant froid F2 peut être partiellement vaporisé dans le huitième passage 8.

Avantageusement, le deuxième courant froid F2 sortant en 82 du huitième passage 8 est introduit dans au moins un neuvième passage 9 d’un cinquième échangeur E5, afin d’y poursuivre son réchauffement contre un troisième courant chaud C3. Ceci est avantageux dans les cas où la température obtenue en sortie 82 de l’échangeur E4 est trop basse et incompatible avec le matériau formant les canalisations du réseau de distribution du gaz naturel.

Selon la configuration adoptée, le courant froid F2 récupéré à l’issue des sorties 82 ou 92 alimente au moins une canalisation d’un réseau de distribution de fluide (en 100 sur Fig. 1 ), en particulier un réseau de distribution d’hydrocarbures tel que le gaz naturel.

De préférence, les entrées et sorties des passages 3, 7 de condensation sont agencées de sorte que le 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 courants chauds C1 , C2 des cycles circulent à contre-courant des fluides de travail vaporisés dans chaque cycle. De préférence, le troisième courant C3 circule à contre-courant du courant froid F2 circulant éventuellement dans les passages 9.

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 les turbines durant la détente.

Fig. 1 et Fig. 2 illustrent des configurations dans lesquelles les cycles de Rankine sont opérés dans des échangeurs formant des entités physiquement distinctes les unes des autres, i. e. formant chacun au moins un empilement distinct de plaques et de passages.

Dans le cadre de l’invention, il est également possible d’agencer certains des passages de fluide au sein d’un même empilement. 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. 3 représente un mode de réalisation dans lequel le premier échangeur E1 et le troisième échangeur E3, avec éventuellement le cinquième échangeur E5, forment un même échangeur E commun. Dans le cas illustré, les passages 1 , 2, 5, 6 et 9 font partie du même échangeur E.

De préférence, le premier fluide de travail W1 est introduit à partir d’une première entrée 1 a située à un bout froid dudit échangeur E et présentant la température la plus basse de l’échangeur E. Le deuxième courant chaud C2 est introduit à partir d’une deuxième entrée 61 située à un bout chaud dudit échangeur E, la deuxième entrée 61 présentant la température la plus haute de l’échangeur E, jusqu’à une deuxième sortie 22 agencée au bout froid de l’échangeur E.

Par « bout froid », on entend le point d’entrée dans un échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse de toutes les températures de l’échangeur. Par « bout chaud », on entend le point d’entrée dans un échangeur où un fluide est introduit à la température la plus élevée de toutes les températures de cet échangeur.

Le deuxième fluide de travail W2 issu des passages 7, soit directement, soit via les passages 1 1 supplémentaires, est introduit dans l’échangeur E par une troisième entrée 51 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 deuxième courant froid F2 peut éventuellement être introduit dans l’échangeur E par une quatrième entrée 91 agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout chaud de l’échangeur E.

En fait, lorsque l’on considère des passages d’une série et des passages d’une autre série dans lesquels un 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. Ainsi, selon Fig. 3, les passages 2 de la deuxième série sont formés entre les mêmes plaques de l’échangeur E et sont agencés dans la continuité des passages 6 de la sixième série. Un passage 2 et un passage 6 formant ainsi un seul et même passage de l’échangeur E délimité entre deux même plaques de l’échangeur E et dans lequel le courant chaud C2 circule depuis l’entrée 61 jusqu’à la sortie 22.

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. C’est le cas des passages 5, 1 , voire 9, sur Fig. 1 .

Fig. 4 représente un mode de réalisation dans lequel le deuxième échangeur E2 et le quatrième échangeur E4 forment un même échangeur E’ commun. Les premier et troisième échangeurs E1 , E3 forment un même échangeur E mais pourraient tout aussi bien rester distincts.

Les passages 4 et 8 pour la circulation du courant froid F1 sont agencés dans la continuité les uns des autres.

Comme on le voit sur Fig. 4, le premier courant froid F1 est introduit à partir d’une cinquième entrée 41 située à un bout froid de l’autre échangeur E’ et au niveau de laquelle la température est la plus basse de l’échangeur E’. De préférence, le deuxième fluide de travail W2 détendu à l’étape f) est introduit, éventuellement à l’état diphasique, dans l’autre échangeur E’ à partir d’une sixième entrée 71 située à un bout chaud de l’autre échangeur E’ et présentant la température la plus haute de l’autre échangeur E’, le premier fluide de travail W1 détendu à l’étape b) étant introduit, éventuellement à l’état diphasique, à partir d’une septième entrée 31 agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud de l’autre échangeur E’.

De préférence, le deuxième fluide de travail W2 sort de l’autre échangeur E’ par une troisième sortie 72 agencée à un quatrième niveau intermédiaire situé, suivant la direction générale d’écoulement z pour le courant froid, entre le troisième niveau intermédiaire et le bout chaud de l’échangeur E’.

Ces agencements d’entrées et sorties à des niveaux intermédiaires entre les bouts froid et chaud des échangeurs permettent de respecter un ordre croissant des températures d’entrée et sortie des différents fluides, depuis les bouts froids jusqu’au bouts chauds des échangeurs E et/ou E’

Notons qu’il est envisageable que le cinquième échangeur E5 des configurations selon Fig. 3 ou Fig. 4 soit conservé distinct de l’échangeur E.

Selon un mode de réalisation particulier, on peut utiliser un même générateur couplé à la fois au premier organe de détente du premier cycle et au deuxième organe de détente du deuxième cycle (non illustré). Ainsi, on économise un générateur et on simplifie l’installation. Cet agencement est possible car les deux cycles de génération d’électricité ont un mode de fonctionnement généralement simultané.

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, un liquide cryogénique, par exemple 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 de mettre en œuvre un procédé combinant 3 cycles de Rankine, voire plus, dans la continuité d’une des descriptions précédentes.

De préférence, et lorsque le fluide 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’ethylène comme premier fluide de travail W1 et de l’éthane comme deuxième fluide de travail W2. 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 compatible 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 butane ou l’isobutane, le butène, le propylène. 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 peuvent être (% molaire) :

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%

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

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%

De préférence, le premier courant chaud C1 , le deuxième courant chaud C2 et/ou le troisième courant chaud C3, sont formés d’eau de mer, de préférence à une température d’entrée dans l’échangeur supérieure à 0 °C, de préférence comprise entre 10 et 30 °C.

Notons que le premier courant chaud C1 , le deuxième courant chaud C2 et ou le troisième courant chaud C3 peuvent éventuellement être issus d’une même source chaude de fluide alimentant en série le deuxième passage 2, le sixième passage 6 et/ou le douzième passage 12.

De préférence, le premier courant froid F1 est un courant d’hydrocarbures introduit totalement liquéfié à l’entrée 41 à une température comprise entre -140 et -170 °C.

Dans le cas où le premier courant froid F1 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 deuxième courant froid F2 présente une température comprise entre -85 et -105°C à la sortie 42 du deuxième échangeur E2, une température comprise entre -10 et -20°C à la sortie 82 du quatrième échangeur E4 (ou de l’échangeur E’ le cas échéant) et/ou une température comprise entre 5 et 50°C à la sortie 92 du cinquième échangeur E5 (ou de l’échangeur E le cas échéant), pour être introduit à cette température dans un réseau de distribution 100. De préférence, le deuxième courant froid F2 sort totalement vaporisé par la sortie 82 ou la sortie 92.

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 4, 8, 9 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 septième passage 7, une deuxième température T2, avec T2 supérieure à T1 . De préférence, T2 est comprise entre - 60 et - 30 °C et T1 comprise entre -1 10 et -70 °C.

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

De préférence, le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 sortent du troisième passage 3 et du septième passage 7 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.

De préférence, les première et/ou deuxième pressions hautes Ph1 , Ph2 sont comprises entre 10 et 40 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. 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.

Selon un mode de réalisation particulier, illustré par Fig. 5 et Fig. 6, le procédé selon l’invention peut en outre mettre en œuvre au moins un troisième cycle de Rankine combiné au premier cycle de Rankine de façon à ce que le troisième fluide de travail circulant dans ce troisième cycle forme au moins en partie le premier courant chaud du premier cycle de Rankine.

Plus précisément, comme on le voit sur Fig. 5 illustrant un cas particulier où les passages sont agencés au sein d’échangeurs distincts, un troisième fluide de travail W3 est introduit à une troisième pression haute Ph3 dans au moins un treizième passage 13 d’un sixième échangeur E6 et vaporisation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail W3 contre au moins un quatrième courant chaud C4 circulant dans des passages de l’échangeur E6 qui sont en relation d’échange thermique avec les passages 13.

Le troisième fluide de travail W3 sortant au moins partiellement vaporisé des passages 13 est détendu dans un troisième organe de détente jusqu’à une troisième pression basse Pb3, Pb3 étant inférieure à Ph3, les facteurs et plages fournies ci- dessus pouvant s'appliquer.

Le troisième organe de détente est relié à un troisième générateur électrique, qui peut éventuellement être commun au premier et/ou deuxième cycles, de façon à produire de l’énergie électrique.

Le troisième fluide de travail W3 détendu est ensuite introduit dans le deuxième passage 2 et se condense au moins en partie contre au moins le premier fluide de travail W1 qui se vaporise dans le premier passage 1 . Le troisième fluide de travail W3 sortant du deuxième passage 2 est réintroduit, après élévation de sa pression jusqu’à la troisième pression haute Ph3, dans le treizième passage 13, fermant ainsi le troisième cycle.

Ce mode de réalisation permet d’augmenter encore plus le rendement énergétique du procédé et de réduire les écarts de température entre les fluides et les irréversibilités liés auxdits écarts, afin de récupérer le plus d’énergie possible.

A noter que le troisième fluide de travail sortant condensé des passages 2 peut aussi être réintroduit dans l’échangeur E1 , avant d’être réintroduit dans le treizième passage 13 du cinquième échangeur (voir Fig. 6). Ceci est avantageux quand le troisième fluide de travail est un mélange de plusieurs constituants, car cela permet de réchauffer encore la température à laquelle le troisième fluide de travail W3 sort du premier échangeur E1 .

Sur le même modèle de combinaison entre le premier cycle et le troisième cycle de Rankine, on pourra aussi envisager de combiner encore un cycle de Rankine au troisième cycle de Rankine et/ou combiner un autre cycle de Rankine au deuxième cycle de Rankine (non illustré).

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 gaz naturel 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. 2 et pour la simulation n°3, la configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig.1 . 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’éthylène. Le deuxième fluide de travail était de l’éthane. La pression du premier fluide de travail W1 était de 32 bar à l’entrée 1 a et de 2 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 27 bar à l’entrée 51 et de 5,7 bar à la sortie 72. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée 41 et de 89 bar à la sortie 92. Les courants chauds C1 , C2, C3 était de l’eau de mer à une pression de 5 bar en entrée et en sortie des passages 2, 6, 12. 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 53% d’éthylène, 41 % de méthane, 6% de propane (% molaire). Le deuxième fluide de travail W2 était un mélange d’hydrocarbures comprenant 46% d’éthylène, 38% de propane, 8% de méthane, 8% d’isobutane (% molaire). La pression du premier fluide de travail W1 était de 31 ,0 bar à l’entrée 101 et de 1 ,8 bar à la sortie 92. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 12,4 bar à l’entrée 1 1 1 et de 4,6 bar à la sortie 72. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée

41 et de 89,5 bar à la sortie 82. Les courants chauds C1 , C2, C3 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 premier cycle de Rankine était de 0,01 14 kWh/Nm ³ et le rendement énergétique du deuxième cycle de Rankine était de 0,0049 kWh/Nm ³ , soit un rendement total de 0,01634 kWh/Nm ³ , représentant un gain de l’ordre de 2% par rapport à la simulation n°1 .

Avec la simulation n°3, le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,016 kWh/Nm ³ et le rendement énergétique du deuxième cycle de Rankine était de 0,01 1 kWh/Nm ³ , soit un rendement total de 0,027 kWh/Nm ³ , représentant un gain de l’ordre de 68% 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. 7 montre un comparatif des diagrammes d’échange Chaleur échangée (« heat flow ») - Température (AFI - 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. 5 (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.