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Title:
METHOD FOR RECOVERING REFRIGERATING ENERGY WITH ELECTRICITY PRODUCTION OR LIQUEFYING OF A GASEOUS STREAM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/019143
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for recovering refrigerating energy from a cold stream (F), in a system comprising a storage tank (203), at least one electric generator (G) and at least one heat exchange device comprising a plurality of passages configured for the flow of fluids to be placed in a thermal exchange relationship, said method comprising, in a first operating mode, vaporising at least some of the first working fluid (W1) in at least one first passage against at least one first hot stream (C1), expanding the first working fluid (W1) originating from step a) of the first passage (1) in a first expansion component cooperating with a first electric generator so as to produce electric energy, condensing at least some of the first working fluid (W1) expanded against at least the first cold stream (F), increasing the pressure of the first working fluid (W1) and reintroducing the first working fluid (W1) in the first passage. According to the invention, a second operating mode comprises the following steps: introducing a supply stream (200), condensing at least some of said supply stream (200) against the cold stream (F) so as to produce an at least partially liquefied supply stream (201), and filling the storage tank (203) with the at least partially liquefied supply stream (201).

Inventors:
REDON EMILIEN (FR)
LE BOT PATRICK (FR)
Application Number:
PCT/FR2020/051287
Publication Date:
February 04, 2021
Filing Date:
July 16, 2020
Export Citation:
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Assignee:
AIR LIQUIDE (FR)
International Classes:
F25J1/00; F01K25/00; F01K25/08; F17C9/04; F25J1/02
Foreign References:
CN105545390A2016-05-04
CA2567586A12008-04-02
US20160109180A12016-04-21
CN105865149A2016-08-17
EP2278210A12011-01-26
US20090293503A12009-12-03
CN105545390A2016-05-04
US20160109180A12016-04-21
CN105865149A2016-08-17
EP2278210A12011-01-26
Attorney, Agent or Firm:
DEBECKER, Isabelle (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 . Procédé de récupération d’énergie frigorifique à partir d’un courant froid (F), dans un système comprenant un réservoir de stockage (203), au moins un générateur électrique (G) et 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 procédé comprenant, dans un premier mode de fonctionnement, les étapes suivantes :

a) introduction d’un premier fluide de travail (W1 ) ayant une première pression haute (Ph1 ) dans au moins un premier passage (1 ) et vaporisation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1 ) contre au moins un premier courant chaud (C1 ) circulant dans au moins un deuxième passage (2) en relation d’échange thermique avec ledit au moins un premier passage (1 ),

b) sortie du premier fluide de travail (W1 ) issu de l’étape a) du premier passage (1 ) et détente jusqu’à une première pression basse (Pb1 ), Pb1 étant inférieure à Ph1 , 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 (W1 ) détendu à l’étape b) dans au moins un troisième passage (3) et condensation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1 ) contre au moins le courant froid (F) circulant dans au moins un quatrième passage (4) en relation d’échange thermique avec au moins le troisième passage (3), d) sortie du premier fluide de travail (W1 ) au moins partiellement condensé à l’étape c) du troisième passage (3), élévation de la pression dudit premier fluide de travail (W1 ) jusqu’à la première pression haute (Ph1 ) et réintroduction dans le premier passage (1 ), caractérisé en ce que, dans un deuxième mode de fonctionnement, ledit procédé comprend les étapes suivantes :

e) introduction d’un courant d’alimentation (200) dans au moins un dixième passage (10) en relation d’échange thermique avec au moins le quatrième passage (4), f) condensation d’au moins une partie dudit courant d’alimentation (200) contre le courant froid (F) de sorte à produire, en sortie du dixième passage (10), un courant d’alimentation (201 ) au moins partiellement liquéfié, et

g) remplissage du réservoir de stockage (203) avec le courant d’alimentation (201 ) produit à l’étape f).

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes suivantes :

h) introduction du courant d’alimentation (201 ) issu de l’étape f) dans un sur- refroidisseur (205),

i) sortie du courant d’alimentation (201 ) du sur-refroidisseur (205) et détente dans un troisième organe de détente (202) de façon à former une phase gazeuse (204) et une phase liquide dudit courant d’alimentation (201 ),

j) introduction desdites phases gazeuse (204) et liquide dans le réservoir de stockage (203),

k) extraction, à partir du réservoir de stockage (203), d’au moins une partie de la phase gazeuse (204) et introduction dans le sur-refroidisseur (205) de sorte à refroidir le courant d’alimentation (201 ) circulant dans le sur-refroidisseur (205) par échange de chaleur avec la phase gazeuse (204),

L) compression de la phase gazeuse (204) dans un dispositif de compression pour former une phase gazeuse comprimée (206) et introduction de ladite phase gazeuse comprimée (206) dans le courant d’alimentation (200) avant introduction dans le dixième passage (10).

3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant froid (F) sortant du quatrième passage (4) est introduit dans au moins un huitième passage (8), le procédé comprenant, dans le premier mode de fonctionnement, les étapes supplémentaires suivantes :

m) introduction d’un deuxième fluide de travail (W2) ayant une deuxième pression haute (Ph2) dans au moins un cinquième passage (5) et vaporisation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant chaud (C2) circulant dans au moins un sixième passage (6) en relation d’échange thermique avec au moins le cinquième passage (5),

n) sortie du deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement vaporisé à l’étape m) du cinquième passage (5) et détente jusqu’à une deuxième pression basse (Pb2), avec Pb2 inférieure à Ph2, dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,

o) introduction du deuxième fluide de travail (W2) détendu à l’étape n) dans au moins un septième passage (7) en relation d’échange thermique avec au moins le huitième passage (8), et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre le courant froid (F) circulant dans le huitième passage (8), p) sortie du deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement condensé à l’étape g) du septième passage (7), élévation de la pression dudit deuxième fluide de travail (W2) jusqu’à la deuxième pression haute (Ph2) et réintroduction dudit deuxième fluide de travail (W2) dans le cinquième passage (5).

et le procédé comprenant, dans le deuxième mode de fonctionnement, les étapes supplémentaires suivantes :

q) préalablement à l’étape f), introduction du courant d’alimentation (200) dans au moins un onzième passage (1 1 ) en relation d’échange thermique avec le huitième passage (8),

r) refroidissement, avec éventuellement condensation d’au moins une partie, dudit courant d’alimentation (200) contre le courant froid (F) de sorte à obtenir, en sortie du onzième passage (1 1 ), un courant d’alimentation (200) refroidi, et introduction dudit courant d’alimentation (200) refroidi dans le dixième passage (10).

4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le courant froid (F) sortant du quatrième passage (4) est introduit dans au moins un huitième passage (8), le procédé comprenant, dans le premier mode de fonctionnement, les étapes supplémentaires suivantes :

s) introduction d’un deuxième fluide de travail (W2) ayant une deuxième pression haute (Ph2) dans au moins un cinquième passages (5) et vaporisation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant chaud (C2) circulant dans au moins un sixième passage (6) en relation d’échange thermique avec au moins le cinquième passage (5),

t) sortie du deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement vaporisé à l’étape s) du cinquième passages (5) et détente jusqu’à une deuxième pression basse (Pb2), avec Pb2 inférieure à Ph2, dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,

u) introduction du deuxième fluide de travail (W2) détendu à l’étape t) dans le deuxième passage (2) et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins le courant froid (F) circulant dans le huitième passage (8),

v) sortie du deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement condensé à l’étape w) du deuxième passage (2), élévation de la pression dudit deuxième fluide de travail (W2) jusqu’à la deuxième pression haute (Ph2) et réintroduction dudit deuxième fluide de travail (W2) dans le cinquième passage (5),

le premier courant chaud (C1 ) circulant à l’étape a) étant formé au moins en partie par le deuxième fluide de travail (W2) circulant à l’étape u) dans le deuxième passage (2), et le procédé comprenant, dans le deuxième mode de fonctionnement, les étapes supplémentaires suivantes :

w) préalablement à l’étape f), introduction du courant d’alimentation (200) dans au moins un onzième passage (1 1 ) en relation d’échange thermique avec au moins le huitième passage (8),

x) refroidissement, avec éventuellement condensation d’au moins une partie, dudit courant d’alimentation (200) contre le courant froid (F) de sorte à obtenir, en sortie du onzième passage (1 1 ), un courant d’alimentation (200) refroidi, et introduction dudit courant d’alimentation (200) refroidi dans le dixième passage (10).

5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier fluide de travail (W1 ) et/ou le deuxième fluide de travail (W2) sont des fluides organiques, le premier fluide de travail (W1 ) et/ou le deuxième fluide de travail (W2) 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.

6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier fluide de travail (W1 ) et/ou le deuxième fluide de travail (W2) sont des fluides organiques, le premier fluide de travail (W1 ) et/ou le deuxième fluide de travail (W2) étant des corps purs constitués respectivement d’un premier hydrocarbure et d’un deuxième hydrocarbure.

7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant d’alimentation (200) est formé majoritairement, de préférence en totalité ou en quasi-totalité, d’un gaz de l’air, de préférence de l’azote, de l’oxygène ou de l’argon.

8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant froid (F) 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.

9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant chaud (C1 ), le deuxième courant chaud (C2) et/ou le troisième courant (C3) sont formés d’eau de mer, de préférence de l’eau de mer introduite 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 préalable de réchauffage.

10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé est opéré sélectivement suivant le premier mode de fonctionnement ou le deuxième mode de fonctionnement.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la sélection du premier ou du deuxième mode de fonctionnement est réalisée en fonction de la valeur d’au moins un paramètre représentatif d’une demande en électricité, de préférence, le procédé comprend au moins une étape de détermination d’au moins une valeur de puissance électrique instantanée et/ou d’énergie électrique consommée sur un réseau de fourniture d’électricité et/ou par une installation industrielle, le procédé étant opéré dans le premier mode de fonctionnement lorsque ladite valeur est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé ou dans le deuxième mode de fonctionnement lorsque ladite valeur est inférieure au seuil prédéterminé.

12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le deuxième mode de fonctionnement, on réduit, voire on stoppe, les débits de circulation d’au moins l’un parmi : le premier courant chaud (C1 ), le deuxième courant chaud (C2), le premier fluide de travail (W1 ) et/ou le deuxième fluide de travail (W2).

13. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le procédé est opéré simultanément suivant le premier mode de fonctionnement et le deuxième mode de fonctionnement de façon à produire simultanément de l’énergie électrique et un courant d’alimentation (201 ) au moins partiellement liquéfié, ledit procédé incluant au moins une étape d’ajustement du fonctionnement au moyen d’une variation du débit de circulation d’au moins le premier fluide de travail (W1 ) et/ou le deuxième fluide de travail (W2).

14. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant d’alimentation (201 ) issu de l’étape f) présente une pression d’au moins 5 bar, de préférence au moins 20 bar, de préférence encore au moins 30 bar.

15. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant froid (F) sortant du huitième passage (8) est introduit dans au moins un neuvième passage (9) pour y être réchauffé contre le deuxième courant chaud (C2), le deuxième fluide de travail (W2) et/ou un troisième courant chaud (C3) et le courant d’alimentation (200) est introduit, préalablement à son introduction dans le onzième passage (1 1 ), dans au moins un treizième passage (13) en relation d’échange thermique avec au moins le neuvième passage (9).

16. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant froid (F) et le courant d’alimentation (200) circulent à contre-courant.

17. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les des premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, sixième, septième, huitième, neuvième, dixième, onzième, douzième et/ou treizième 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 plusieurs passages au sein dudit échangeur.

18. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant d’alimentation (200) est introduit à l’état gazeux dans le dixième passage (10), le onzième passage (1 1 ) et/ou le treizième passage (13) et sort totalement condensé du dixième passage (10), de préférence à une température comprise entre -200 et -130 °C, de préférence entre -170°C et -130°C, de préférence encore entre -160°C et -140°C.

19. Installation de récupération d’énergie frigorifique à partir d’un courant froid (F), dans un système comprenant un réservoir de stockage (203), au moins un générateur électrique et au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, ladite installation comprenant :

- au moins un premier passage (1 ) configuré pour l’écoulement d’un premier fluide de travail (W1 ),

- au moins un deuxième passage (2) configuré pour l’écoulement d’un premier courant chaud (C1 ), ledit deuxième passage (2) étant en relation d’échange thermique avec ledit premier passage (1 ) de sorte que, dans un premier mode de fonctionnement, le premier fluide de travail (W1 ) introduit dans le premier passage (1 ) est vaporisé en moins en partie contre le premier courant chaud (C1 ),

- un premier organe de détente agencé en aval dudit premier passage (1 ) et configuré pour réduire la pression du premier fluide de travail (W1 ) sortant du premier passage (1 ) depuis une première pression haute (Ph1 ) jusqu'à une première pression basse (Pb1 ),

- un générateur électrique couplé au premier organe de détente,

- au moins un troisième passage (3) agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail (W1 ) détendu par le premier organe de détente,

- au moins un quatrième passage (4) configuré pour l’écoulement d’un courant froid (F), ledit quatrième passage (4) étant en relation d’échange thermique avec ledit troisième passage (3) de sorte que, dans le premier mode fonctionnement, le premier fluide de travail (W1 ) introduit dans le troisième passage (3) est condensé au moins en partie contre le courant froid (F) qui se vaporise au moins en partie,

- un premier organe élévateur de pression agencé en aval dudit troisième passage (3) et configuré pour augmenter la pression du premier fluide de travail (W1 ) sortant du troisième passage (3) depuis la première pression basse (Pb1 ) jusqu'à la première pression haute (Ph1 ),

caractérisée en ce qu’elle comprend en outre :

- au moins un dixième passage (10) configuré pour l’écoulement d’un courant d’alimentation (200), ledit passage (10) étant en relation d’échange thermique avec le passage (4), de sorte que, dans un deuxième mode de fonctionnement, le courant d’alimentation (200) introduit dans le dixième passage (10) est condensé au moins en partie contre le courant froid (F), et

- un réservoir de stockage (203) relié fluidiquement au dixième passage (10).

20. Installation selon la revendication 19, caractérisée en en ce qu’elle comprend en outre :

- au moins un cinquième passage (5) configuré pour l’écoulement d’un deuxième fluide de travail (W2)

- au moins un sixième passage (6) configuré pour l’écoulement d’un deuxième courant chaud (C2), ledit sixième passage (6) étant en relation d’échange thermique avec ledit cinquième passage (5) de sorte que, dans le premier mode de fonctionnement, le deuxième fluide de travail (W2) introduit dans le cinquième passage (5) est vaporisé au moins en partie contre le deuxième courant chaud (C2), - un deuxième organe de détente agencé en aval dudit premier passage (1 ) et configuré pour réduire la pression du deuxième fluide de travail (W2) sortant du cinquième passage (5) depuis une deuxième pression haute (Ph2) jusqu'à une deuxième pression basse (Pb2),

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

- au moins un deuxième passage (2) agencé en aval du deuxième organe de détente et configuré pour l’écoulement du deuxième fluide de travail (W2) détendu par le deuxième organe de détente,

- au moins un huitième passage (8) configuré pour l’écoulement du courant froid (F), ledit huitième passage (8) étant en relation d’échange thermique avec ledit deuxième passage (2) de sorte que, dans le premier mode fonctionnement, le deuxième fluide de travail (W2) introduit dans le deuxième passage (2) est condensé au moins en partie contre le courant froid (F) qui se vaporise au moins en partie,

- un deuxième organe élévateur de pression agencé en aval dudit deuxième passage (3) et configuré pour augmenter la pression du deuxième fluide de travail (W2) sortant du deuxième passage (2) depuis la deuxième pression basse (Pb2) jusqu'à la deuxième pression haute (Ph2),

- au moins un onzième passage (1 1 ) configuré pour l’écoulement du courant d’alimentation (200), ledit onzième passage (1 1 ) étant en relation d’échange thermique avec le huitième passage (8), de sorte que, dans un deuxième mode de fonctionnement, le courant d’alimentation (200) introduit dans le dixième passage (10) est refroidi, éventuellement au moins en partie condensé, contre le courant froid (F) préalablement à son introduction dans le dixième passage (10).

21 . Système formé par une installation selon l’une des revendications 19 ou 20, une unité de production, telle qu’une unité de séparation d’air par distillation cryogénique, apte à produire un courant d’alimentation (200) à au moins une sortie de ladite unité de production, ladite au moins une sortie étant reliée fluidiquement à ladite installation.

Description:
DESCRIPTION

Titre : Procédé de récupération d’énergie frigorifique avec production

d’électricité ou liquéfaction d’un courant gazeux

La présente invention concerne un procédé de récupération d’énergie frigorifique à partir d’un courant froid permettant de produire de l’énergie électrique à partir d’au moins un cycle de Rankine ou de liquéfier un courant d’alimentation. Dans le cas où le courant froid est un courant de liquide cryogénique tel que le gaz naturel liquéfié, le courant peut être regazéifié pour être distribué dans des réseaux de distribution tout en valorisant 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.

De tels cycles de Rankine sont divulgués notamment dans les documents CN-A- 105545390, US-A-2016109180, CN-A-105865149, EP-A-2278210.

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. Ces cycles permettant de regazéifier un courant de GNL tout en produisant de l’électricité avec des rendements énergétiques de l’ordre de 20 kWh par tonne de GNL vaporisée, c’est-à-dire 0,015 kWh/Nm 3 .

Par ailleurs, la demande en électricité n’est pas constante et les méthodes de production d’électricité doivent se montrer de plus en plus flexibles. Cela s’explique notamment par le fait que l'électricité se stocke difficilement. Il est donc nécessaire d'équilibrer en permanence l'offre et la demande afin d’éviter d’occasionner des tensions sur le réseau électrique se traduisant par des fluctuations importantes des prix de l’électricité.

La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé de récupération d’énergie frigorifique offrant une flexibilité accrue afin de pouvoir s’adapter aux fluctuations de la demande en électricité.

La solution selon l’invention est alors un procédé de récupération d’énergie frigorifique à partir d’un courant froid, dans un système comprenant un réservoir de stockage, au moins un générateur électrique et 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 procédé comprenant, dans un premier mode de fonctionnement, 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 ledit au moins un 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 le courant froid circulant dans au moins un quatrième passage en relation d’échange thermique avec au moins le 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 et réintroduction dans le premier passage, caractérisé en ce que, dans un deuxième mode de fonctionnement, ledit procédé comprend les étapes suivantes :

e) introduction d’un courant d’alimentation dans au moins un dixième passage en relation d’échange thermique avec au moins le quatrième passage,

f) condensation d’au moins une partie dudit courant d’alimentation contre le courant froid de sorte à produire, en sortie du dixième passage, un courant d’alimentation au moins partiellement liquéfié, et

g) remplissage du réservoir de stockage avec le courant d’alimentation produit à l’étape f). Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- le procédé comprend en outre les étapes suivantes :

h) introduction du courant d’alimentation issu de l’étape f) dans un sur-refroidisseur, i) sortie du courant d’alimentation du sur-refroidisseur et détente dans un troisième organe de détente de façon à former une phase gazeuse et une phase liquide dudit courant d’alimentation,

j) introduction desdites phases gazeuse et liquide dans le réservoir de stockage, k) extraction, à partir du réservoir de stockage, d’au moins une partie de la phase gazeuse et introduction dans le sur-refroidisseur de sorte à refroidir le courant d’alimentation circulant dans le sur-refroidisseur par échange de chaleur avec la phase gazeuse,

L) compression de la phase gazeuse dans un dispositif de compression pour former une phase gazeuse comprimée et introduction de ladite phase gazeuse comprimée dans le courant d’alimentation avant introduction dans le dixième passage.

- le courant froid sortant du quatrième passage est introduit dans au moins un huitième passage, le procédé comprenant, dans le premier mode de fonctionnement, les étapes supplémentaires suivantes : m) 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 en relation d’échange thermique avec au moins le cinquième passage,

n) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape m) du cinquième passage et détente jusqu’à une deuxième pression basse, avec Pb2 inférieure à Ph2, dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,

o) introduction du deuxième fluide de travail détendu à l’étape n) dans au moins un septième passage en relation d’échange thermique avec au moins le huitième passage, et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail contre le courant froid circulant dans le huitième passage,

p) 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.

et le procédé comprenant, dans le deuxième mode de fonctionnement, les étapes supplémentaires suivantes :

q) préalablement à l’étape f), introduction du courant d’alimentation dans au moins un onzième passage en relation d’échange thermique avec le huitième passage, r) refroidissement, avec éventuellement condensation d’au moins une partie, dudit courant d’alimentation contre le courant froid de sorte à obtenir, en sortie du onzième passage, un courant d’alimentation refroidi, et introduction dudit courant d’alimentation refroidi dans le dixième passage.

- le courant froid sortant du quatrième passage est introduit dans au moins un huitième passage, le procédé comprenant, dans le premier mode de fonctionnement, les étapes supplémentaires suivantes :

s) introduction d’un deuxième fluide de travail ayant une deuxième pression haute dans au moins un cinquième passages 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 au moins le cinquième passage,

t) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape s) du cinquième passages et détente jusqu’à une deuxième pression basse, avec Pb2 inférieure à Ph2, dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,

u) introduction du deuxième fluide de travail détendu à l’étape t) dans le deuxième passage et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail contre au moins le courant froid circulant dans le huitième passage,

v) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape w) du deuxième 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 w) dans le cinquième passage,

le premier courant chaud circulant à l’étape a) étant formé au moins en partie par le deuxième fluide de travail circulant à l’étape u) dans le passage,

et le procédé comprenant, dans le deuxième mode de fonctionnement, les étapes supplémentaires suivantes :

w) préalablement à l’étape f), introduction du courant d’alimentation dans au moins un onzième passage en relation d’échange thermique avec au moins le huitième passage, x) refroidissement, avec éventuellement condensation d’au moins une partie, dudit courant d’alimentation contre le courant froid de sorte à obtenir, en sortie du onzième passage, un courant d’alimentation refroidi, et introduction dudit courant d’alimentation refroidi dans le dixième passage.

- le premier fluide de travail et le deuxième fluide de travail sont des fluides 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 fluide de travail et le deuxième fluide de travail sont des fluides 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 courant d’alimentation est formé majoritairement, de préférence en totalité ou en quasi-totalité, d’un gaz de l’air, de préférence de l’azote, de l’oxygène ou de l’argon.

- le 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 chaud, le deuxième courant chaud et/ou le troisième courant sont formés d’eau de mer, de préférence de l’eau de mer introduite 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 préalable de réchauffage.

- le procédé est opéré sélectivement suivant le premier mode de fonctionnement ou le deuxième mode de fonctionnement.

- la sélection du premier ou du deuxième mode de fonctionnement est réalisée en fonction de la valeur d’au moins un paramètre représentatif d’une demande en électricité, de préférence, le procédé comprend au moins une étape de détermination d’au moins une valeur de puissance électrique instantanée et/ou d’énergie électrique consommée sur un réseau de fourniture d’électricité et/ou par une installation industrielle, le procédé étant opéré dans le premier mode de fonctionnement lorsque ladite valeur est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé ou dans le deuxième mode de fonctionnement lorsque ladite valeur est inférieure au seuil prédéterminé.

- dans le deuxième mode de fonctionnement, on réduit, voire on stoppe, les débits de circulation d’au moins l’un parmi : le premier courant chaud, le deuxième courant chaud, le premier fluide de travail et/ou le deuxième fluide de travail.

- le procédé est opéré simultanément suivant le premier mode de fonctionnement et le deuxième mode de fonctionnement de façon à produire simultanément de l’énergie électrique et un courant d’alimentation au moins partiellement liquéfié, ledit procédé incluant au moins une étape d’ajustement du fonctionnement au moyen d’une variation du débit de circulation d’au moins le premier fluide de travail et/ou le deuxième fluide de travail (W2).

- le courant d’alimentation issu de l’étape f) présente une pression d’au moins 5 bar, de préférence au moins 20 bar, de préférence encore au moins 30 bar.

- le courant froid sortant du huitième passage est introduit dans au moins un neuvième passage pour y être réchauffé contre le deuxième courant chaud, le deuxième fluide de travail et/ou un troisième courant chaud et le courant d’alimentation est introduit, préalablement à son introduction dans le onzième passage, dans au moins un treizième passage en relation d’échange thermique avec au moins le neuvième passage.

- le courant froid et le courant d’alimentation circulent à contre-courant.

- les premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, sixième, septième, huitième, neuvième, dixième, onzième, douzième et/ou treizième 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 plusieurs passages au sein dudit échangeur.

- le courant d’alimentation est introduit à l’état gazeux dans le dixième passage, le onzième passage et/ou le treizième passage et sort totalement condensé du dixième passage, de préférence à une température comprise entre -200 et -130 °C, de préférence entre -170°C et -130°C, de préférence encore entre -160°C et -140°C.

Selon un autre aspect, l’invention concerne une installation de récupération d’énergie frigorifique à partir d’un courant froid, dans un système comprenant un réservoir de stockage, au moins un générateur électrique et au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, ladite installation 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, dans un premier mode de 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 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 courant froid, ledit quatrième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit troisième passage de sorte que, dans le premier mode fonctionnement, le premier fluide de travail introduit dans le troisième passage est condensé au moins en partie contre le courant froid qui se vaporise au moins en partie,

- 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, ladite installation comprenant en outre :

- au moins un dixième passage configuré pour l’écoulement d’un courant d’alimentation, ledit passage étant en relation d’échange thermique avec le passage, de sorte que, dans un deuxième mode de fonctionnement, le courant d’alimentation introduit dans le dixième passage est condensé au moins en partie contre le courant froid, et

- un réservoir de stockage relié fluidiquement au dixième passage.

De préférence, ladite installation comprend en outre :

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

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

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

- au moins un huitième passage configuré pour l’écoulement du courant froid, ledit huitième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit deuxième passage de sorte que, dans le premier mode fonctionnement, le deuxième fluide de travail introduit dans le deuxième passage est condensé au moins en partie contre le courant froid qui se vaporise au moins en partie,

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

- au moins un onzième passage configuré pour l’écoulement du courant d’alimentation, ledit onzième passage étant en relation d’échange thermique avec le huitième passage, de sorte que, dans un deuxième mode de fonctionnement, le courant d’alimentation introduit dans le dixième passage est refroidi, éventuellement au moins en partie condensé, contre le courant froid préalablement à son introduction dans le dixième passage.

En outre, l’invention a trait à un système formé par une installation selon l’invention, une unité de production, telle qu’une unité de séparation d’air par distillation cryogénique, apte à produire un courant d’alimentation à au moins une sortie de ladite unité de production, ladite au moins une sortie étant reliée fluidiquement à ladite installation.

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 récupération d’énergie frigorifique selon un mode de réalisation de l’invention.

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

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

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

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

Fig. 6 représente des diagrammes d’échange obtenus dans des procédés selon des modes de réalisation de l’invention.

Le procédé selon l’invention est mis en œuvre notamment au moyen d’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.

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 tubes et à calandre (« Shell and tubes » 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. 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 procédé de récupération de froid à partir d’un courant froid F d’hydrocarbures. En particulier, le courant froid F peut être du gaz naturel.

Dans ce mode de réalisation, un seul 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 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 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 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.

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.

Le premier fluide de travail W1 est mis en relation d’échange thermique avec le courant froid F 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 cycle de Rankine.

De préférence, le courant froid F est introduit par l’entrée 41 du deuxième échangeur E2 à l’état liquide, de préférence totalement liquide et sort au moins partiellement, de préférence totalement vaporisé par la sortie 42.

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. Selon l’invention, le cycle de Rankine décrit ci-dessus est mis en œuvre dans un premier mode de fonctionnement dans lequel le procédé selon l’invention assure une récupération du contenu frigorifique du courant froid F afin de produire de l’électricité.

Selon l’invention, le procédé présente en outre un deuxième mode de fonctionnement, dans laquelle le contenu frigorifique du courant froid F est récupéré non pas pour produire de l’électricité mais pour liquéfier un courant d’alimentation.

Dans ce deuxième mode de fonctionnement, un courant d’alimentation 200 est introduit dans au moins un dixième passage 10 du deuxième échangeur E2 qui est en relation d’échange thermique avec au moins le quatrième passage 4 dans lequel circule le courant froid F. Au moins une partie du courant d’alimentation 200 se condense contre le courant froid F, donnant lieu, en sortie du passage 10, à un courant d’alimentation 201 au moins partiellement liquéfié, de préférence totalement liquéfié. De préférence le courant froid F circule à contre-courant avec le courant d’alimentation 200 dans le premier mode de fonctionnement et/ou à contre-courant avec le fluide de travail W1 condensé dans le deuxième échangeur E2 dans le deuxième mode de fonctionnement. Le courant froid F peut être vaporisé en tout ou partie dans le passage 4 contre le fluide de travail W1 , c’est-à-dire par échange de chaleur avec le fluide de travail W1 .

Le courant d’alimentation 201 ainsi obtenu est envoyé vers un réservoir de stockage 203. Le courant 201 au moins partiellement liquéfié peut ainsi être stocké à une pression de stockage comprise de préférence entre 1 et 10 bar, de préférence entre 1 et 5 bar et à une température cryogénique de l’ordre de la température d’équilibre du fluide à la pression de stockage.

Notons que le courant d’alimentation 201 peut éventuellement être détendu dans un troisième organe de détente 202 de façon à former une phase gazeuse et une phase liquide dudit courant d’alimentation 201 . Une telle détente du courant d’alimentation 201 au moins partiellement liquéfié est opérée lorsque le stockaqe dans le réservoir 203 est réalisé à la pression atmosphérique ou du moins à une pression relativement basse par rapport à celle du réseau de liquéfaction qui peut aller jusqu’à 20 bar, voire jusqu’à 40 bar. En effet, la liquéfaction du courant d’alimentation 200 se fait de façon plus efficace dans l’échangeur lorsqu’on travaille à ces hautes pressions.

Le procédé de l’invention permet une récupération efficace des frigories du courant froid F avec une flexibilité accrue puisque les frigories peuvent être utilisés pour générer de l’électricité ou liquéfier un courant d’alimentation, le choix du mode de fonctionnement se faisant selon les besoins du moment. Dans le cas où le courant froid est un liquide cryogénique, en particulier du gaz naturel, le procédé permet de regazéifier le courant froid tout en valorisant son contenu frigorifique. Le passage de l’un à l’autre des modes de fonctionnement est relativement simple et ne nécessite pas de modifier l’installation industrielle. De plus, la liquéfaction de courants d’alimentation permet de constituer des stocks de fluide à l’état liquide à des coûts réduits afin d’assurer une continuité de fourniture de gaz, par exemple lorsqu’une usine de production est à l’arrêt.

Il est à noter que Fig. 1 illustre une configuration dans laquelle, optionnellement, le courant d’alimentation 201 issu des passages 10 circule dans un sur-refroidisseur 205 préalablement à sa détente et à son introduction dans le réservoir de stockage 203. Par « sur-refroidisseur », on entend tout dispositif d’échange de chaleur configuré pour produire à sa sortie un liquide à une température inférieure à sa température d’équilibre à la pression opératoire.

En sortie du sur-refroidisseur 205, le courant d’alimentation 201 est détendu dans le troisième organe de détente 202, formant une phase gazeuse et une phase liquide (phénomène dit de « flash ») qui sont introduites ensemble dans le réservoir 203. On récupère, en tête du réservoir de stockage 203, un flux gazeux 204 résultant du flash que l’on introduit dans le sur-refroidisseur 205 de sorte à refroidir encore plus le courant d’alimentation 201 par échange de chaleur dans le sur-refroidisseur 205, de préférence à contre-courant. Cette configuration offre l’avantage de valoriser les frigories du flux gazeux 204 qui sont habituellement évacués du stockage et perdus. Après sa sortie du sur-refroidisseur 205, le flux gazeux 204 peut être comprimé dans un dispositif de compression pour former un flux gazeux comprimé 206 qui peut être recyclé dans le courant d’alimentation 200 avant introduction dans le dixième passage 10.

Il est aussi envisageable que le courant d’alimentation 201 au moins partiellement liquéfié soit introduit directement dans le réservoir 203.

De préférence, le procédé selon l’invention fonctionne de façon alternée entre le premier et le deuxième mode de fonctionnement. La sélection entre le premier et le deuxième mode est réalisée en fonction de la détermination d’au moins un paramètre représentatif d’une demande en électricité. Le procédé peut être opéré dans le premier mode de fonctionnement lorsque le paramètre est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé ou dans le deuxième mode de fonctionnement lorsque le paramètre est inférieur au seuil prédéterminé.

De préférence, dans le deuxième mode de fonctionnement, on stoppe les débits de circulation dans les passages d’échange de chaleur d’au moins l’un parmi : le premier courant chaud C1 , le deuxième courant chaud C2, le premier fluide de travail W1 et/ou le deuxième fluide de travail W2. En particulier, le procédé peut comprendre au moins une étape de détermination d’au moins une valeur de puissance électrique instantanée et/ou d’énergie électrique qui peut être prédéterminée ou bien mesurée sur un réseau de fourniture d’électricité ou une installation industrielle, par exemple à partir de mesures directes des paramètres physiques de l'installation, tels que la tension électrique d'alimentation, l'intensité du courant électrique délivré,... ou bien à partir d’un historique de consommations de ladite installation. De même pour un réseau électrique, la consommation peut être déterminée instantanément ou à partir d’un historique de données, en fonction par exemple de l’heure de la journée ou de la période de l’année.

Le procédé est opéré dans le premier mode de fonctionnement lorsque ladite valeur est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé ou dans le deuxième mode de fonctionnement lorsque ladite valeur est inférieure au seuil prédéterminé. Cela permet d’effacer les pics de consommation de ladite installation et ainsi réduire les tensions sur le réseau électrique.

On peut ainsi réagir plus efficacement aux variations de la demande en énergie et éviter un phénomène de surproduction par rapport à la consommation électrique réelle des utilisateurs du réseau de fourniture d’électrique, tout en continuant à valoriser l’énergie frigorifique du courant froid par une autre utilisation.

De façon alternative ou complémentaire, le procédé peut comprendre une étape de détermination d’au moins une autre valeur de puissance électrique instantanée et/ou d’énergie électrique produite par une unité de production d’électricité distincte. Le procédé est opéré dans le premier mode de fonctionnement lorsque ladite valeur est inférieure ou égale à un autre seuil prédéterminé ou dans le deuxième mode de fonctionnement lorsque ladite valeur est supérieure à l’autre seuil prédéterminé. On peut ainsi s’adapter à une production intermittente d’électricité, comme c’est le cas par exemple en production photovoltaïque ou éolienne, en particulier en choisissant d’utiliser les frigories du courant froid pour liquéfier le courant d’alimentation lorsqu’un surplus d’énergie est produit par l’unité de production.

On peut aussi envisager un fonctionnement simultanément du procédé suivant le premier et le deuxième modes. Dans ce cas, une partie des frigories du courant froid est récupérée pour produire de l’énergie électrique et une autre partie des frigories du courant froid est utilisée pour liquéfier le courant d’alimentation. On adapte le premier mode et le deuxième mode de façon à produire plus de courant d’alimentation liquéfié et moins d’énergie électrique lorsque la demande en électricité diminue et inversement lorsque la demande en électricité augmente. Un mode d’adaptation peut être de faire varier le débit de circulation d’au moins le premier fluide de travail W1 et/ou le deuxième fluide de travail W2 dans leurs passages respectifs En réduisant le débit de circulation du ou des fluides de travail, on a besoin de récupérer moins de frigories du courant froid pour condenser les fluides de travail, ce qui augmente les frigories disponibles pour liquéfier le courant d'alimentation 200. On produit ainsi plus de courant d’alimentation liquide et moins d'électricité. Une augmentation du débit de circulation du ou des fluides de travail produit le phénomène inverse et privilégie donc la production d’électricité lorsque la demande l’exige, tout en continuant à produire une quantité réduite de courant liquide. De préférence, le procédé selon l’invention fonctionne de sorte à produire soit de l’énergie électrique uniquement, soit à la fois de l’énergie électrique dans une marche sensiblement réduite et du courant d’alimentation liquide. Pour opérer le deuxième mode de fonctionnement, on peut ainsi mettre en œuvre des baisses de débits de fluide pour le premier fluide W1 et/ou le deuxième fluide W2 comprises entre 2 et 50%, de préférence au moins 5% et/ou au plus 20%, de préférence encore entre 5 et 15%. De préférence, en fonctionnement à deux cycles combinés, la réduction de débit appliquée au premier fluide est plus importante que la réduction appliquée au deuxième fluide.

Avantageusement, le procédé selon l’invention peut mettre en œuvre dans le premier mode de fonctionnement, une combinaison de plusieurs cycles de Rankine afin d’augmenter le rendement énergétique du procédé.

Fig. 2 illustre la combinaison d’un premier et d’un deuxième cycles de Rankine selon une première variante de réalisation. 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, que ce soit dans la première variante ou la deuxième variante décrite plus bas.

Le premier cycle de Rankine est mis en œuvre au moyen d’un premier échangeur E1 et d’un deuxième échangeur E2, conformément à la description du cycle simple faite ci-dessus.

Le deuxième cycle de Rankine 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 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 avant introduction, 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 le courant froid F 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 courant froid F 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 courant froid F est seulement réchauffé dans le au moins un quatrième passage 4 et il est vaporisé seulement dans le huitième passage 8. Le premier cycle a pour source froide uniquement la chaleur sensible de dé-sous refroidissement du courant froid.

Selon une autre possibilité, le courant froid est partiellement vaporisé dans le quatrième passage 4. Le premier cycle a pour source froide la chaleur sensible de dé sous refroidissement du courant froid et une partie de la chaleur latente de vaporisation du courant froid.

Selon une autre possibilité, le courant froid F 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 courant froid et toute la chaleur latente de vaporisation du courant froid, avec éventuellement une chaleur sensible de réchauffage du courant froid vaporisé.

Le courant froid F peut aussi être partiellement vaporisé dans le quatrième passage 4 et être partiellement vaporisé dans le huitième passage 8.

Notons qu’il est possible, dans le cadre de l’invention, que le premier fluide de travail W1 sortant condensé du troisième passage 3 soit réintroduit dans le deuxième échangeur E2 pour y circuler avant d’être réintroduit dans le premier échangeur E1 . 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 le quatrième échangeur E4, avant d’être réintroduit dans le troisième échangeur E3. Fig. 3 représente ce type de configuration.

Ce principe de passes supplémentaires dans le ou les échangeurs de condensation est applicable aux autres modes de réalisation décrits dans la présente demande (voir par exemple Fig. 4, passages 14, 15).

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.

Dans le premier mode de fonctionnement, le courant froid F alimente en série le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine dans lesquels il est vaporisé et réchauffé progressivement contre les deuxième et premier fluides de travail W2, W1 . A ce titre, F peut donc éventuellement être à l’état diphasique. Le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine permettent de générer de l’électricité.

Dans le deuxième mode de fonctionnement, le courant froid F alimente en série le deuxième échangeur E2 et le quatrième échangeur E4 dans lesquels il est vaporisé et réchauffé progressivement contre le courant d’alimentation 200. Le courant d’alimentation 200 alimente en série le quatrième échangeur E4 et le deuxième échangeur E2 dans lesquels il est refroidi et condensé progressivement.

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 F dans le quatrième passage 4 et la température du courant froid F 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 F à réchauffer, notamment sa pression, sa température, sa composition...

Avantageusement, le courant froid F sortant en 82 du huitième passage 8 est introduit dans au moins un neuvième passages 9 d’un cinquième échangeur E5, afin d’y poursuivre son réchauffement contre un troisième courant chaud C3 dans le premier mode de fonctionnement ou contre le courant d’alimentation 200 dans le deuxième mode de fonctionnement. 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. Dans ce cas, le courant d’alimentation est introduit dans au moins un treizième passage 13 en amont de son introduction dans les passages 1 1 , ce qui permet, dans le deuxième mode de fonctionnement, de refroidir encore plus efficacement le courant d’alimentation 200.

De préférence, le courant d’alimentation 200 est introduit dans le procédé, c’est- à-dire dans l’échangeur traversé en premier lieu par le courant 200, qui peut être E2, E5, E4, E3 selon la configuration retenue, à une température comprise entre 0 et 30°C. De préférence, le courant d’alimentation 200 est introduit dans le procédé à l’état totalement gazeux.

Avantageusement, le courant d’alimentation 200 est formé majoritairement, de préférence en totalité ou en quasi-totalité, d’un gaz de l’air, de préférence de l’azote, de l’oxygène ou de l’argon.

Par gaz de l’air, on entend un gaz entrant dans la composition de l’air tel que l'argon, le dioxyde de carbone, l'hélium, l'azote et l'oxygène.

En particulier, l’installation mettant en œuvre le procédé selon l’invention peut être intégré à un système comprenant au moins une unité de production dudit courant d’alimentation, par exemple une unité de séparation d’air (ou ASU pour « Air Séparation Unit »), de préférence par distillation cryogénique, reliée fluidiquement à ladite installation, en particulier aux passages 10, 1 1 et/ou 13 selon le mode de réalisation considéré, de préférence via au moins une canalisation. Dans le deuxième mode de fonctionnement, l’installation peut ainsi être utilisée pour liquéfier, avant stockage, le courant d’alimentation issu de l’unité de production. L’installation mettant en œuvre le procédé selon l’invention peut aussi être reliée fluidiquement à un réseau de distribution de gaz de l’air.

Selon la configuration adoptée, le courant froid F récupéré à l’issue des sorties 82 ou 92 alimente au moins une canalisation d’un réseau de distribution de fluide (en 100), 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 sont condensés à contre-courant avec le courant froid F. 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 F circulant éventuellement dans les passages 9. A noter qu’un même courant chaud peut former C1 , C2 voire C3 en circulant en série dans le troisième échangeur, le premier échangeur et éventuellement le cinquième échangeur.

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. 2 et suivantes 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, le premier échangeur E1 , le troisième échangeur E3, avec éventuellement le cinquième échangeur E5, peuvent former un même échangeur commun et/ou le deuxième échangeur E2 et le quatrième échangeur E4 peuvent forment un autre échangeur commun.

Dans le cas d’échangeurs mis en commun, 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, si on considère E1 et E3 formant un même échangeur, les passages 2 de la deuxième série et le passages 6 de la sixième série sont formés entre les mêmes plaques de l’échangeur E et sont agencés dans la continuité les uns des autres. Un passage 2 et un passage 6 forment 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.

Fig. 4 et Fig.5 illustrent la combinaison d’un premier cycle et d’un deuxième cycle de Rankine selon une deuxième variante de réalisation.

Dans le premier mode de fonctionnement de cette variante, un deuxième fluide de travail W2 ayant une deuxième pression haute Ph2 est introduit dans au moins un cinquième passage 5 d’un troisième échangeur E3 et vaporisé au moins en partie contre au moins un deuxième courant chaud C2 circulant dans au moins un sixième passage 6. Le deuxième fluide de travail W2 sortant des passages (5) est détendu jusqu’à une deuxième pression basse (Pb2) dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique.

Le deuxième fluide de travail W2 ainsi détendu est introduit, éventuellement à l’état diphasique, dans le deuxième passage 2 et forme ainsi, au moins en partie, le courant chaud dans le premier cycle pour vaporiser le premier fluide de travail W1 circulant dans le premier passage 1 .

Le deuxième fluide de travail W2 est condensé contre au moins le courant froid F circulant dans le huitième passage 8. Après sortie des passages 2, on élève la pression du deuxième fluide de travail W2 jusqu’à la deuxième pression haute Ph2 et on réintroduit le deuxième fluide de travail W2 dans le passage 5.

L’utilisation du deuxième fluide de travail comme premier courant chaud du premier cycle permet de récupérer dans le deuxième cycle les frigories de la vaporisation ayant lieu dans le premier cycle froid, et ce lors de la liquéfaction ayant lieu dans le deuxième cycle. La quantité d’énergie récupérée est ainsi plus importante que dans des arrangements où ces frigories ne sont pas valorisés puisqu'on vient simplement refroidir du courant chaud.

En outre, dans un arrangement en série tel que décrit en référence aux figures 2 ou 3, le premier cycle fonctionne entre la température froide du courant froid et la température du courant chaud du cycle. Alors que dans un arrangement en cascade où le deuxième fluide de travail est utilisé comme premier courant chaud du premier cycle, tel que décrit en référence aux figures 4 ou 5, le premier cycle fonctionne entre la température froide du courant froid, et la température froide du deuxième cycle (qui est inférieure à la température du courant chaud). Cela offre l’avantage de garder un taux de détente modéré et techniquement acceptable pour les turbines.

Dans le deuxième mode de fonctionnement, le courant d’alimentation 200 est introduit, préalablement à son introduction dans le dixième passage, dans au moins un onzième passage 1 1 en relation d’échange thermique avec au moins le huitième passages 8. Le courant d’alimentation 200 est refroidi, avec éventuellement condensation au moins partielle, contre le courant froid F. On obtient ainsi, en sortie du onzième passage 1 1 , un courant d’alimentation 200 refroidi qui est ensuite introduit dans le dixième passage 10.

Le courant d’alimentation 200 peut éventuellement être introduit dans au moins un treizième passage 13 en amont de son introduction dans les passages 1 1 , ce qui permet, dans le deuxième mode de fonctionnement, de refroidir encore plus efficacement le courant d’alimentation 200.

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

Fig. 4 montre une combinaison de cycles dans laquelle les fluides de travail condensés sont réintroduits dans la partie condenseur avant d’être réintroduits dans la partie vaporiseur et Fig. 5 montre une combinaison dans laquelle les fluides de travail condensés sont réintroduits directement dans la partie vaporiseur.

Il est aussi possible de mettre en œuvre une telle combinaison de cycles mais sans passe supplémentaire du ou des fluides de travail condensés dans les échangeurs de condensation, comme illustré sur Fig. 5.

Selon un mode de réalisation particulier, applicable à la première ou à la deuxième variante, 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). Le premier générateur et le deuxième générateur sont donc confondus. 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.

Dans le cadre de la présente invention, le courant froid F 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 courant froid F dans le quatrième passage 4 est inférieure à -100 °C.

Avantageusement, le courant froid F 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 (nC4Hio) ou de l’isobutane (iC 4 Hio), 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 trois cycles de Rankine, voire plus, dans la continuité d’une des descriptions précédentes.

Le courant froid à revaporiser peut être 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. La mise en œuvre de trois ou plus cycle sera alors avantageuse.

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. 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 composés 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 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 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 des mélange d’hydrocarbures, de préférence des mélanges d’hydrocarbures contenant chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthylène (C2H4), le propane, l’éthane, le butane ou l’isobutane, le butène. 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.

De préférence, le courant froid F 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 courant froid F est formé par un liquide d’une autre nature, tel de l’oxygène, de l’azote, de l’hydrogène liquide, la température du fluide à l’entrée 41 est de préférence de l’ordre de sa température d’équilibre à la pression de stockage.

De préférence, le courant froid F présente une température comprise entre -85 et -105°C à la sortie 42, une température comprise entre -10 et -20°C à la sortie 82 et/ou une température comprise entre 5 et 50°C à la sortie 92, pour être introduit à cette température dans un réseau de distribution 100. De préférence, le courant froid F sort totalement vaporisé par les sorties 42, 82 ou 92 selon le cas.

De préférence, le courant froid présente une pression comprise entre 10 et 100 bar tout au long des passages dans lesquels il s’écoule.

De préférence, dans le cadre de l’invention, le courant d’alimentation 200 présente une température comprise entre -170 et -140°C en sortie du quatrième passage 4, une température comprise entre -1 10 et -80°C en sortie du huitième passage 8 et/ou une température comprise entre -20 et -10°C en sortie du neuvième passage 9.

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. Selon une autre possibilité, T2 est comprise entre -1 10 et -80 °C et T1 comprise entre -160 et -120 °C.

De préférence, le premier fluide de travail W1 sort vaporisé du au moins un 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.

Bien entendu, tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus pour le premier fluide de travail et le deuxième fluide de travail sont applicables au cas où un unique fluide de travail est mis en œuvre, par exemple comme sur Fig. 1 .

Afin de démontrer l’efficacité de l’invention, des simulations ont été réalisées pour calculer les rendements énergétiques obtenus avec un cycle de Rankine simple (simulation n°1 ) et des combinaisons de cycles de Rankine selon des modes de réalisations de l’invention (simulations n°2 n°3 et n°4).

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).

Simulation n°1 :

La configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig. 1 . 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 :

La configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig. 2. Les fluides de travail étaient des corps purs. 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 5,8 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 :

La configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig. 3, 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 23 et de 1 ,8 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 12,4 bar à l’entrée 43 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, 6 et 12. Tableau 2 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages.

Tableau 2

Simulation n°4:

La configuration d’échangeurs utilisées était selon Fig. 5. Les fluides de travail étaient des corps purs. 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 8,1 bar à l’entrée 1 a et de 2,1 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 27 bar à l’entrée 51 et de 5,8 bar à la sortie 22. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée 41 et de 89 bar à la sortie 92. Le courant chaud C2 était de l’eau de mer à une pression de 5 bar en entrée et en sortie des passages 6. Tableau 3 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages.

Tableau 3

Simulation n°5:

La configuration d’échangeurs utilisées était selon Fig. 4. Le premier fluide de travail W1 était un mélange d’hydrocarbures comprenant 55,4% d’éthylène, 41 % de méthane, 3,6% de propane (% molaire). Le deuxième fluide de travail était un mélange d’hydrocarbures comprenant 46% d’éthylène, 38% de propane, 8% de méthane, 8% d’isobutane. La pression du premier fluide de travail W1 était de 16,7 bar à l’entrée 141 et de 1 ,7 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 12 bar à l’entrée 151 et de 4,2 bar à la sortie 22. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée 41 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 3 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages.

Tableau 4

Avec la simulation n°1 , le rendement énergétique obtenu dans le premier mode de fonctionnement du procédé était de 0,016 kWh/Nm 3 .

Avec la simulation n°2, le rendement énergétique obtenu dans le premier mode de fonctionnement du premier cycle 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 du procédé 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 .

Avec la simulation n°4, le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,0045 kWh/Nm 3 et le rendement énergétique du deuxième 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°5, le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,012 kWh/Nm 3 et le rendement énergétique du deuxième 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 .

Dans chaque cas, le procédé a été simulé dans les deux modes de fonctionnement. Considérons à titre d’exemple, le procédé selon la simulation n° 5. Dans le premier mode de fonctionnement, le débit de premier fluide de travail était de 1055 Nm 3 /h et le débit de deuxième fluide de travail était de 3617 Nm 3 /h.

Dans le deuxième mode de fonctionnement, le débit de premier fluide de travail était de 927 Nm 3 /h, soit une réduction de 12% (écart relatif) par rapport au premier mode de fonctionnement, et le débit de deuxième fluide de travail était de 3400 Nm 3 /h, soit une réduction de 6% (écart relatif) par rapport au premier mode de fonctionnement. Un courant d’alimentation 200 formé d’azote était introduit dans l’échangeur E3. Il présentait une pression de l’ordre de 35 bar et une température de l’ordre de 20°C à l’entrée du deuxième échangeur E2.

Un courant d’alimentation 201 liquéfié a été obtenu en sortie du deuxième échangeur, ledit courant 201 ayant une température de l’ordre de -150°C et une pression de l’ordre de 34.5 bar.

Avec un débit de l’ordre de 3000 Nm 3 /h de GNL, on a pu stocker de l’ordre de 175 Nm 3 /h d’azote dans le réservoir 203, à une pression de stockage de 10 bar après détente flash préalable et à une température de stockage de -170°C. Cette production d’azote liquide s’accompagnait également d’une génération d’électricité de l’ordre de 0,029 kWh/Nm 3 GNL, soit une diminution de l’énergie électrique produite de 0,004 kWh/Nm 3 par rapport à la simulation n°5 dans le premier mode de fonctionnement seul.

On notera que l’utilisation d’un premier fluide de travail et d’un deuxième fluide de travail 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. A titre illustratif, Fig. 6 montre un comparatif des diagrammes d’échange Chaleur échangée - Température (DH - T), ou courbes enthalpiques, obtenus d’une part avec une combinaison de cycles avec fluides de travail purs selon la simulation n°4 (en (a)) et d’autre part avec une combinaison de cycles avec fluides de travail mixtes selon la simulation n°5 (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, respectivement pour le Gaz naturel et 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 refroid issaent 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. 6 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.