EP3555430A1 - Installation de production d'électricité comprenant un stockage de chaleur - Google Patents

Installation de production d'électricité comprenant un stockage de chaleur

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EP3555430A1
EP3555430A1 EP17828952.6A EP17828952A EP3555430A1 EP 3555430 A1 EP3555430 A1 EP 3555430A1 EP 17828952 A EP17828952 A EP 17828952A EP 3555430 A1 EP3555430 A1 EP 3555430A1
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EP
European Patent Office
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power cycle
heat
storage device
thermochemical
reactor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17828952.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nathalie Mazet
Sylvain Mauran
Pierre Neveu
Driss Stitou
Lingai Luo
Yilin Fan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Nantes Université
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Nantes filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3555430A1 publication Critical patent/EP3555430A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/003—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using thermochemical reactions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F28D21/001—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases for thermal power plants or industrial processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
    • F28D2021/0063—Condensers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to an electricity generation installation comprising a heat storage.
  • thermal storage of an installation according to the invention is inserted between a heat source and a steam power cycle.
  • solar power plants include thermal storage, with storage periods of up to 15 hours.
  • Storage technologies are essentially based on the sensible heat of materials and are therefore low energy densities, typically between 20 and 50 kWh / m 3 . It being understood that the energy density is the ratio between the useful thermal energy restored to the power cycle and the volume occupied by the storage material.
  • Phase change materials such as, for example, nitrate salts, are also studied for their best energy density, between 50 and 100 kWh / m 3 .
  • the low conductivity of these materials limits the return power of the stored thermal energy.
  • the costs, availability and risks of nitrates can be prohibitive.
  • the subject of the invention is an installation for producing electricity from a heat source, making it possible to dissociate electricity production from the use of said heat source over time.
  • thermochemical storage device coupled to a cycle of power (CDP)
  • CDP cycle of power
  • said storage device being constituted by a reactor in which a reversible sorption process and an evaporator and a condenser occur, at least one of the components of the thermochemical device being mass-coupled and / or thermal to at least one element of said power cycle.
  • thermochemical storage system into a power cycle, which may for example be a thermodynamic steam cycle.
  • the proposed designs are adapted to different external heat sources, for example solar power or heat rejects, and to different steam power cycles.
  • thermochemical storage device coupled by mass and / or heat to a power cycle, it becomes possible to shift the electrical production over time to tighter and more interesting periods of time. an environmental or economic point of view.
  • thermochemical storage system involves on the one hand a reversible chemical reaction between a solid and a gas (for example: Ca (OH) 2 ° CaO + H 2 O, and on the other hand another monovariant transformation involving the same reactive gas (eg H 2 0 change in liquid / vapor state)
  • a gas for example: Ca (OH) 2 ° CaO + H 2 O
  • another monovariant transformation involving the same reactive gas eg H 2 0 change in liquid / vapor state
  • This method makes it possible to control the operation of the storage and destocking phases, this enthalpy being stored without loss as long as the reagents (CaO and H 2 0 in the previous example) are kept separately, this which allows, for example, to shift the storage and restitution of several days. It is thus possible to carry out a long-term storage of the heat, the losses by sensible heat being negligible
  • thermochemical storage device allowing high storage energy densities, typically between 100 and 600 kWh / m 3 of storage material, depending on the nature of the reactive couples, while avoiding the disadvantages noted in the state of the art relating to the availability and risks associated with the storage material.
  • various temperature sources may be used. These sources of temperatures can be high, for example, of the order of 1000 ° C with the possible reaction Ba (OH) 2 ⁇ > BaO + H 2 0.
  • thermochemical storage method makes it possible to store a large amount of heat with high energy densities, and a control of the storage and rendering phases. It helps to provide electric power at all times, especially when demand is high (peak hours) or when the external heat source is no longer available (at night for example in the case of energy solar) or insufficient power.
  • An installation according to the invention produces improved energy densities and increased overall efficiency compared to a conventional solar power plant without storage.
  • thermochemical storage and the power cycle for the storage and / or destocking phase
  • mass-type integration consisting of a steam exchange between the thermochemical storage and the power cycle, in the case where the thermochemical process and the engine cycle operate with the same working fluid, for example water vapor.
  • the steam engine circuit can then serve as a source / sink of reactive gas for the thermochemical storage system. The resulting energy densities will thus remain closer to those of the reactor alone.
  • the proposed designs allow the operation of a thermal power plant using for example solar energy as external source of heat, driving in a wide range of storage / retrieval scenarios from continuous production day and night, to a production of duration limited during peak periods.
  • Thermochemical storage is integrated between the energy source and the steam power cycle. It allows operation of a longer duration than that from the sole use of intermittent energy (solar) or even continuous power cycle.
  • the duration of storage could vary between 4h and 10h, while the retrieval period could vary between 1h and 14h.
  • thermochemical storage with a power cycle make it possible to reduce, depending on the type of integration envisaged, the amount of heat taken from the source. external, ie the amount of heat released to the environment.
  • the proposed integrations thus make it possible, according to proposed configurations, to increase the efficiency, to reduce the size of the solar field in the case of a thermodynamic solar power station, or to reduce the size of the exchangers for heat discharges towards the ambient environment.
  • the integration of the thermochemical storage system not only improves the adaptability of thermodynamic solar power plants, but also increases the overall efficiency of the cycle.
  • a mass coupling between said at least one component of the thermochemical device and said at least one element of the power cycle results in a steam exchange.
  • a thermal coupling between said at least one component of the thermochemical device and said at least one element of the power cycle results in a heat transfer.
  • the external heat source is constituted by at least one element to be chosen from heat generating devices such as a solar power plant, a boiler, a geothermal source, or heat rejections of any thermal process. .
  • the power cycle is to be chosen from steam cycles such as organic Rankine cycles or not, Hirn or Kalina.
  • the power cycle is a Rankine cycle and comprises a heat exchanger accepting heat from an external source, a heat exchanger rejecting heat at a lower temperature, and a vapor expansion member, preferably a steam turbine.
  • the heat source has intermittent availability and / or variability in thermal power and / or temperature and / or economic value.
  • Another object of the invention is a first method of producing electricity in an installation according to the invention.
  • thermochemical STC
  • CDP power generation stage by the power cycle
  • the external heat source simultaneously feeds the power cycle and the thermochemical storage device, and a thermal coupling is realized between the desuperheating and the condensation of the steam of the thermochemical storage device, and at least one of the elements a preheater, evaporator, superheater of a working fluid of the power cycle.
  • the external heat source feeds the power cycle, and thermal coupling is performed between the reactor of the thermochemical storage device and the expanded vapors from an expansion member of the power cycle.
  • the external heat source simultaneously feeds the power cycle and the thermochemical storage device, and a mass coupling is made between the reactor of the thermochemical storage device and an expansion stage of a turbine of the power cycle or of an additional independent turbine.
  • the external heat source supplies only the thermochemical storage device, and a thermal coupling is made between the condenser of the thermochemical storage device and a preheater, an evaporator and possibly a superheater of the power cycle.
  • the external heat source supplies only the thermochemical storage device, and a mass coupling is made between the reactor of the thermochemical storage device and an expansion stage of a turbine of the power cycle.
  • a method of producing electricity according to the invention comprises a step of implementing an intermediate heat exchanger supplied by the external heat source to increase the temperature of the vapors desorbed by the thermochemical storage reactor.
  • Another object of the invention is a second method of producing electricity in an installation according to the invention.
  • the main characteristic of a second method according to the invention is that it comprises the following functions:
  • thermochemical storage device A thermal coupling step between the reactor of the thermochemical storage device and an assembly constituted by a preheater, an evaporator and possibly a superheater belonging to the power cycle, A step of destocking and generating electricity from the heat destocked by said thermochemical reactor and transmitted to said assembly.
  • a second method according to the invention comprises a step of thermal coupling between a condenser of the power cycle and an evaporator of the thermochemical storage device, so as to recover heat from said condenser to supply said evaporator.
  • a second method according to the invention comprises a step of thermal coupling between the evaporator of the thermochemical storage device and an expansion stage of a turbine of the power cycle, so as to recover heat by means of an exchanger, on a vapor withdrawal at one or more intermediate stages of said turbine to supply said evaporator.
  • a method according to the invention comprises a step of mass coupling between the reactor of the thermochemical device and the output of a turbine of the power cycle, so that a part of the expanded vapors at the turbine outlet is absorbed by said reactor in destocking phase.
  • Another subject of the invention is a third method for producing electricity in an installation according to the invention.
  • the main characteristic of a third method according to the invention is that the step of producing electricity by the power cycle is carried out simultaneously using the external heat source and the destocking of the heat accumulated in the storage device. thermochemical.
  • This method has the advantage of allowing the production of electrical power greater than that achievable using only the external heat source.
  • This process makes it possible to target the periods when the demand for electrical energy is crucial and for which current installations are not able to provide this electrical energy in the best conditions.
  • These periods may, for example, correspond to periods when the demand for electrical energy is high (periods for which there is a peak in consumption), or to periods when the power supplied by the source external, in the case of a variable source, decreases and becomes insufficient to power the power cycle and provide the demand for electricity.
  • a third method according to the invention comprises a step of thermal coupling between a condenser of the power cycle and an evaporator of the thermochemical storage device, so as to recover heat from said condenser to supply said evaporator.
  • a third method according to the invention comprises a step of thermal coupling between an evaporator of the thermal storage device and an expansion stage of a turbine of the power cycle, so as to recover heat by means of an exchanger on a withdrawal at the stages of said turbine to supply said evaporator, and a thermal coupling step between the reactor of the thermal storage device and the previous withdrawal so as to superheat this steam, by means of a superheater for supplying the next expansion stage of a turbine of the power cycle.
  • a third method according to the invention comprises a step of mass coupling between the reactor of the thermochemical storage device and the output of a turbine of the power cycle, so that a part of the expanded steam at the turbine outlet is absorbed by said reactor in destocking phase.
  • FIG. 1 is a logic diagram showing exhaustively all the possibilities of integrating a thermochemical storage device into an installation according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an installation according to the invention during a heat storage phase
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a first example of an installation according to the invention, during a phase of heat storage
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a second example of an installation according to the invention, during a heat storage phase
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a third example of an installation according to the invention, during a heat storage phase,
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a fourth example of an installation according to the invention, during a heat storage phase,
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a fifth example of an installation according to the invention, during a heat storage phase,
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a sixth example of an installation according to the invention during a heat storage phase
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a seventh example of an installation according to the invention, during a heat storage phase,
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an installation according to the invention during a heat destocking phase
  • FIG. 11 is a schematic diagram of an eighth example of an installation according to the invention, during a heat destocking phase,
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a ninth example of an installation according to the invention, during a heat destocking phase,
  • FIG. 13 is a schematic diagram of an installation according to the invention for a greater production of electrical energy during peak hours, or to compensate for a decrease in the external source,
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a tenth example of an installation according to the invention, for a larger electrical energy production
  • FIG. 15 is a schematic diagram of an eleventh example of an installation according to the invention, for a larger electric power production
  • FIG. 16 is a schematic diagram of a twelfth example of an installation according to the invention, using a vapor withdrawal, during a heat storage phase,
  • FIG. 17 is a schematic diagram of a thirteenth example of an installation according to the invention, using a vapor withdrawal, during a heat destocking phase,
  • FIG. 18 is a schematic diagram of a fourteenth example of an installation according to the invention, using a vapor withdrawal, for a larger electric power production.
  • thermochemical storage system in a plant installation that overcomes the intermittency of the availability of the external power source or the variation of the power of the source or the demand for electricity produced.
  • the general integration methodology shown in FIG. 1 consists in associating one or more exothermic elements of one system with one or more endothermic elements of the other system (thermal integration), or a generator of the steam of a system with one steam consumer element of the other system (mass integration).
  • FIG. 1 shows, through a logic diagram, the different possibilities of integration and cascades between the three components of a method of generating electricity according to the invention, and based on a thermochemical storage device.
  • An external thermal energy source system 1 which may for example be a concentrated solar field, A power cycle (CDP) is to be chosen from steam cycles such as organic or non-organic Rankine cycles, Hirn or Kalina.
  • the steam power cycle is described in FIG. 2. It comprises, in a conventional manner, a steam expansion turbine 3 that may comprise several expansion stages separated by steam heaters and vapor withdrawals. for generating a work convertible into electrical energy, a preheater 6 / evaporator 2 / superheater 7 operating at high pressure, a condenser 4 operating at low pressure and ensuring the desuperheating of the steam and its condensation, and a fluid reservoir working liquid 5,
  • thermochemical storage method described in FIG. 2, comprising a thermochemical reactor 12 in which a reversible sorption process occurs, either coupled to a condenser 13 for the desuperheating of the steam coming from the reactor and its condensation during the storage phase.
  • thermal energy either to an evaporator 11 during the heat destocking phase, and a liquid phase reactive fluid reservoir 14.
  • an intermittent source such as a solar source
  • the implementation of these configurations depends on the availability of said source. In other words, in the example of a solar source, it must be taken into account that it is day or night.
  • the installation can realize several functions: - Electrical production and / or storage from the external heat source, storage from the external heat source, and, in cascade, production of electricity through the power cycle fed by the steam from the reactor in storage, either by recovering its sensible and latent heat (thermal integration), or by exploiting the steam itself (mass integration). Destocking and cascading electricity production using the heat removed from the reactor. This configuration allows the production of electricity in the absence of external heat source. Production of electricity from the external heat source and in parallel another production from the destocking of the reactor.
  • This configuration is particularly interesting for boosting electricity production when the source is available and meeting demand peaks.
  • thermochemical reactor 12 is heated for the decomposition of the reagent (eg: Ca (OH) 2 hydroxide).
  • the discharged reagent (the oxide CaO in this example) produced is stored in the same reactor 12, while the vapors (water vapor in this example) condense via an exchanger 13 and are stored as a liquid in a tank 14. This configuration simultaneously allows the production of electricity and the storage of heat.
  • the liquid stored in the reservoir 14 is evaporated in the evaporator 11, and this water vapor then enters the reactor 12 and reacts exothermically with the oxide salt to form the hydroxide salt.
  • the heat released by this exothermic reaction subsequently makes it possible to produce high pressure steam in the evaporator 2 of the power cycle and thus maintains the operation of the Rankine cycle for the production of electricity.
  • the steam generator function is provided by the thermochemical reactor 12.
  • Figure 13 shows an example of the invention according to a third object.
  • o high temperature external heat source typically greater than 150 ° C corresponding to reference 1
  • o evaporator of the power cycle corresponding to the reference 2 o turbine of the power cycle corresponding to the reference 3, o condenser of the power cycle corresponding to the reference 4, o water tank of the evaporator of the cycle of CDP power (also constituting a condensed vapor recovery tank), corresponding to reference 5, o preheater of working fluid (liquid) of the power cycle, corresponding to reference 6,
  • thermochemical storage device STC
  • thermochemical storage device corresponding to reference 12
  • thermochemical storage device corresponding to the reference 13
  • the heat source feeds both the STC storage and the CDP power cycle independently (no connection between the two systems). This is the classic configuration in storage phase.
  • the advantage of such a configuration is that the systems management is done independently. There is therefore no constraint on the powers implemented, and the sizing of the storage is only related to the duration of the destocking and the electrical power required.
  • the heat source simultaneously feeds the CDP power cycle and the STC thermochemical storage.
  • the advantage of such a configuration is that there is preheating of the working fluid of the CDP by steam from the STC reactor, which reduces the external heat input to the CDP and thus partially compensates for the use of the solar field for storage.
  • the heat recovered on this steam may be either sensible (steam desuperheating only, this vapor being condensed later in the STC condenser) or latent by direct condensation in the CDP preheater (thus reducing the heat to be discharged from the STC to the condenser). the atmosphere).
  • the heat source simultaneously feeds the CDP power cycle and the STC thermochemical storage.
  • the advantage of such a configuration is that there is all or part of the preheating and evaporation of the CDP working fluid by the steam from the STC reactor, which reduces the heat input to the CDP and thus partially compensates for the use of the solar field for storage.
  • the heat recovered on this steam can be either sensible (desuperheating of the steam only, this steam being condensed subsequently in the condenser of the STC) or latent by direct condensation in the preheater or evaporator of the CDP (thus reducing the heat to be discharged to the condenser of the condenser. STC to the mood).
  • thermochemical storage device STC thermochemical storage device
  • the heat recovered on this expanded steam can be either sensible (desuperheating the steam) or latent if it condenses directly into the storage reactor (thus removing the condenser from the CDP).
  • the heat source 1 supplies only the STC storage.
  • the sensible heat and condensing vapors from the STC is used for electricity generation on the last stage of a turbine or an additional turbine.
  • the heat source supplies only the STC thermochemical storage.
  • the vapors from the high temperature reactor are expanded in a final stage of a power cycle turbine or an additional independent turbine for additional power generation.
  • thermochemical reactor 12 This is to achieve a thermal coupling of the thermochemical reactor 12 and the heat source 1 with the preheater 6 / evaporator 2 / superheater 7 of the power cycle.
  • This configuration corresponds to a recovery of the condensation heat of the CDP power cycle to the evaporator 11 of the thermochemical storage STC so that the STC and CDP assembly operates at a higher temperature.
  • the CDP cycle operates at higher pressure and thus has improved performance.
  • external energy 1 which may for example be solar energy
  • a steam generator 2 for operating a conventional Rankine cycle.
  • the thermochemical reactor 12 is heated for the decomposition of the reagent.
  • Steam produced water vapor in this example
  • Steam produced condenses via a first exchanger 13 and is stored as a saturated liquid in an independent water tank 14.
  • the liquid water stored in the tank 14 is first evaporated at 11 thanks to the heat recovered from the vapors of extraction 8 of the first stage of the turbine 3.
  • This water vapor thus produced then enters the reactor 12 and reacts exothermically with the oxide in the example presented.
  • the heat released by this exothermic reaction subsequently makes it possible to produce high pressure steam in the evaporator 2 of the power cycle and thus maintains the operation of the Rankine cycle for the production of electricity.
  • the steam generator function is replaced by the thermochemical reactor 12 - Configurations using the external heat source and the STC reactor in destocking phase.

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Abstract

L'invention se rapporte à une installation (20) de production d'électricité à partir d'une source de chaleur (1), permettant de déconnecter la production d'électricité de ladite source de chaleur. La principale caractéristique d'une installation selon l'invention est qu'elle comporte un dispositif de stockage thermochimique (STC) couplé à un cycle de puissance (CDP), ledit dispositif de stockage étant constitué d'un réacteur (12) dans lequel se produit un processus de sorption renversable et d'un évaporateur 11 et d'un condenseur (13), l'un au moins des composants du dispositif thermochimique étant couplé par voie massique et/ou thermique à au moins un élément dudit cycle de puissance.

Description

I NSTALLATI ON DE PRODUCTI ON D'ELECTRI Cl TE COMPRENANT UN
STOCKAGE DE CHALEUR
L'invention se rapporte à une installation de production d'électricité comprenant un stockage de chaleur.
De cette manière, dans le cas par exemple où cette installation fonctionnerait à partir d'une source de chaleur solaire, ladite installation pourrait grâce à ce stockage de chaleur, produire de l'électricité lors de périodes pendant lesquelles ladite source ne serait pas disponible, comme par exemple la nuit, et produire un supplément d'électricité qui viendrait s'ajouter à l'électricité directement produite à partir de la source de chaleur solaire.
Pour ce faire, un stockage thermique d'une installation selon l'invention est inséré entre une source de chaleur et un cycle de puissance à vapeur. Actuellement, des centrales solaires incluent un stockage thermique, dont les durées de stockages sont au maximum de 15h.
Les technologies de stockage sont essentiellement basées sur la chaleur sensible de matériaux et sont donc de faibles densités énergétiques, typiquement comprises entre 20 et 50kWh/m3. Étant entendu que la densité énergétique est le rapport entre l'énergie thermique utile restituée au cycle de puissance et le volume occupé par le matériau de stockage. Les matériaux à changement de phase, tels que par exemple les sels de nitrate, sont également étudiés pour leur meilleure densité énergétique, comprises entre 50 et 100kWh/m3. Toutefois, la faible conductivité de ces matériaux limite la puissance de restitution de l'énergie thermique stockée. De plus, les coûts, les disponibilités et les risques liés aux nitrates peuvent s'avérer rédhibitoires.
L'invention a pour objet une installation de production d'électricité à partir d'une source de chaleur, permettant de dissocier dans le temps la production d'électricité de l'utilisation de ladite source de chaleur.
La principale caractéristique d'une installation selon l'invention est qu'elle comporte un dispositif de stockage thermochimique (STC) couplé à un cycle de puissance (CDP), ledit dispositif de stockage étant constitué d'un réacteur dans lequel se produit un processus de sorption renversable et d'un évaporateur et d'un condenseur, l'un au moins des composants du dispositif thermochimique étant couplé par voie massique et/ou thermique à au moins un élément dudit cycle de puissance.
Le principe d'une installation selon l'invention consiste à intégrer un système de stockage thermochimique à un cycle de puissance, qui peut par exemple être un cycle thermodynamique à vapeur.
Les conceptions proposées s'adaptent aux différentes sources de chaleur externes, pouvant par exemple être une énergie solaire ou des rejets thermiques, et aux différents cycles de puissance à vapeur.
Les énergies renouvelables sont vouées à prendre une part significative dans les divers scénarios de réduction des émissions des gaz à effet de serre mais leur intermittence demeure un point clé à résoudre pour le développement de leur utilisation. D'autre part, les rejets thermiques, en particulier sur les sites industriels, représentent une quantité considérable d'énergie thermique dont la disponibilité n'est pas toujours en phase avec l'utilisation potentielle. Grâce à une telle installation dotée d'un dispositif de stockage thermochimique couplé par voie massive et/ou thermique à un cycle de puissance, il devient possible de décaler dans le temps la production électrique vers des périodes plus tendues et à plus fort intérêt d'un point de vue environnemental ou économique.
De manière générale, un système de stockage thermochimique implique d'une part une réaction chimique renversable entre un solide et un gaz (par exemple : Ca(OH) 2 ° CaO+ H20, et d'autre part une autre transformation monovariante impliquant le même gaz réactif (par exemple le changement d'état liquide/vapeur de H20). Ce stockage de chaleur est basé sur les enthalpies de ces équilibres phase gazeuse / phase condensée, ce qui conduit à des densités énergétiques plus élevées que les stockages de l'état de l'art.
Ce procédé permet de contrôler le fonctionnement des phases de stockage et de déstockage, cette enthalpie étant stockée sans perte tant que les réactifs (CaO et H20 dans l'exemple précédent) sont conservés séparément, ce qui permet, par exemple, de décaler le stockage et la restitution de plusieurs jours. On peut ainsi réaliser un stockage de longue durée de la chaleur, les pertes par chaleur sensible étant négligeables
Une installation selon l'invention permet de mettre en œuvre un dispositif de stockage thermochimique permettant des densités énergétiques de stockage élevées, typiquement comprises entre 100 et 600kWh/m3 de matériau stockeur, selon la nature des couples réactifs, tout en s'affranchissant des inconvénients relevés dans l'état de la technique relatifs à la disponibilité et aux risques liés au matériau stockeur. Selon le réactif utilisé, des sources de températures variées peuvent être utilisées. Ces températures de sources peuvent être élevées, par exemple, de l'ordre de 1000°C envisageable avec la réaction Ba(OH) 2 <^> BaO+ H20.
Face aux limites des systèmes de stockage de chaleur existants, un procédé de stockage thermochimique selon l'invention, permet de stocker une quantité de chaleur importante avec des densités énergétiques élevées, et un contrôle des phases de stockage et de restitution. Il permet de contribuer à fournir de l'énergie électrique à tout instant, notamment lorsque la demande est importante (heures de pointe) ou lorsque la source externe de chaleur n'est plus disponible (de nuit par exemple dans le cas de l'énergie solaire) ou de puissance insuffisante. Une installation selon l'invention produit des densités énergétiques améliorées et un rendement global augmenté par rapport à une centrale solaire conventionnelle sans stockage.
Pour une installation selon l'invention, deux types de configurations d'intégration principales sont proposées : - Une intégration de type thermique réalisée par le couplage via des échangeurs de chaleur intermédiaires : d'une part entre un circuit de source de chaleur externe et le dispositif de stockage pour la phase de stockage, et d'autre part, entre le stockage thermochimique et le cycle de puissance pour la phase de stockage et/ou de déstockage ; - Une intégration de type massique consistant en un échange de vapeur entre le stockage thermochimique et le cycle de puissance, dans le cas où le procédé thermochimique et le cycle moteur fonctionnent avec le même fluide de travail, par exemple de la vapeur d'eau. Le circuit de l'installation motrice à vapeur peut alors servir de source/puits de gaz réactif pour le système de stockage thermochimique. Les densités énergétiques résultantes resteront ainsi plus proches de celles du réacteur seul.
Les conceptions proposées permettent le fonctionnement d'une centrale thermique utilisant par exemple de l'énergie solaire comme source externe de chaleur, motrice dans une gamme large de scénarios stockage/déstockage depuis une production continue jour et nuit, jusqu'à une production de durée limitée pendant les périodes de pointe.
Le stockage thermochimique est intégré entre la source d'énergie et le cycle de puissance à vapeur. Il permet un fonctionnement d'une durée plus longue que celle à partir de la seule utilisation de l'énergie intermittente (solaire) voire continu du cycle de puissance. La durée de stockage pourrait varier entre 4h et 10h, tandisque la durée de déstockage pourrait varier entre 1 h et 14h.
Par rapport à un stockage thermochimique de base, les configurations d'intégration d'un stockage thermochimique à un cycle de puissance selon l'invention permettent de réduire, selon le type d'intégration envisagée, soit la quantité de la chaleur prélevée à la source externe, soit la quantité de chaleur rejetée au milieu ambiant. Les intégrations proposées permettent donc selon des configurations proposées d'augmenter le rendement, de réduire la taille du champ solaire dans le cas d'une centrale solaire thermodynamique, ou de réduire la taille des échangeurs pour les rejets thermiques vers le milieu ambiant. L'intégration du système de stockage thermochimique améliore non seulement l'adaptabilité des centrales solaires thermodynamiques, mais augmente aussi le rendement global du cycle.
De façon préférentielle, un couplage massique entre ledit au moins un composant du dispositif thermochimique et ledit au moins un élément du cycle de puissance se traduit par un échange de vapeur. Préférentiellement, un couplage thermique entre ledit au moins un composant du dispositif thermochimique et ledit au moins un élément du cycle de puissance se traduit par un transfert de chaleur.
De façon avantageuse, la source de chaleur externe est constituée par au moins un élément à choisir parmi les dispositifs de génération de chaleur tels qu'une centrale solaire, une chaudière, une source géothermique, ou des rejets de chaleur d'un procédé thermique quelconque.
Avantageusement, le cycle de puissance est à choisir parmi des cycles à vapeur tel que les cycles de Rankine organiques ou non, de Hirn ou de Kalina. De façon préférentielle, le cycle de puissance est un cycle de Rankine et comprend un échangeur de chaleur acceptant de la chaleur d'une source externe, un échangeur rejetant de la chaleur à plus basse température, et un organe de détente de vapeur, préférentiellement une turbine à vapeur.
De façon avantageuse, la source de chaleur présente une disponibilité intermittente et/ou une variabilité en puissance thermique et/ou en température et/ou en valeur économique.
L'invention a pour autre objet un premier procédé de production d'électricité dans une installation conforme à l'invention.
La principale caractéristique d'un premier procédé selon l'invention, est qu'il comprend une étape de couplage entre la source de chaleur externe et au moins un élément de l'installation pour réaliser une étape de stockage de chaleur dans le dispositif de stockage thermochimique (STC) et une étape de production d'électricité par le cycle de puissance (CDP).
Avantageusement, la source de chaleur externe alimente simultanément le cycle de puissance et le dispositif de stockage thermochimique, et un couplage thermique est réalisé entre la désurchauffe et la condensation de la vapeur du dispositif de stockage thermochimique, et l'un au moins des éléments d'un ensemble préchauffeur, évaporateur, surchauffeur d'un fluide de travail du cycle de puissance. De façon préférentielle, la source de chaleur externe alimente le cycle de puissance, et un couplage thermique est réalisé entre le réacteur du dispositif de stockage thermochimique et les vapeurs détendues issues d'un organe de détente du cycle de puissance. Préférentiellement, la source de chaleur externe alimente simultanément le cycle de puissance et le dispositif de stockage thermochimique, et un couplage massique est réalisé entre le réacteur du dispositif de stockage thermochimique et un étage de détente d'une turbine du cycle de puissance ou d'une turbine indépendante additionnelle. De façon avantageuse, la source de chaleur externe alimente uniquement le dispositif de stockage thermochimique, et un couplage thermique est réalisé entre le condenseur du dispositif de stockage thermochimique et un préchauffeur, un évaporateur et éventuellement un surchauffeur du cycle de puissance. Avantageusement, la source de chaleur externe alimente uniquement le dispositif de stockage thermochimique, et un couplage massique est réalisé entre le réacteur du dispositif de stockage thermochimique et un étage de détente d'une turbine du cycle de puissance.
De façon préférentielle, un procédé de production d'électricité selon l'invention comprend une étape de mise en œuvre d'un échangeur de chaleur intermédiaire alimenté par la source de chaleur externe pour augmenter la température des vapeurs désorbées par le réacteur de stockage thermochimique.
L'invention a pour autre objet un second procédé de production d'électricité dans une installation conforme à l'invention. La principale caractéristique d'un second procédé selon l'invention, est qu'il comprend les fonctions suivantes :
Une étape de couplage thermique entre le réacteur du dispositif de stockage thermochimique et un ensemble constitué par un préchauffeur, un évaporateur et éventuellement un surchauffeur appartenant au cycle de puissance, Une étape de déstockage et de production d'électricité à partir de la chaleur déstockée par ledit réacteur thermochimique et transmise audit ensemble.
Avantageusement, un second procédé selon l'invention comprend une étape de couplage thermique entre un condenseur du cycle de puissance et un évaporateur du dispositif thermochimique de stockage, de manière à récupérer de la chaleur dudit condenseur pour alimenter ledit évaporateur.
De façon préférentielle, un second procédé selon l'invention comprend une étape de couplage thermique entre l'évaporateur du dispositif de stockage thermochimique et un étage de détente d'une turbine du cycle de puissance, de manière à récupérer de la chaleur au moyen d'un échangeur, sur un soutirage de vapeur au niveau d'un ou plusieurs étages intermédiaires de ladite turbine pour alimenter ledit évaporateur.
Préférentiellement, un procédé selon l'invention comprend une étape de couplage massique entre le réacteur du dispositif thermochimique et la sortie d'une turbine du cycle de puissance, de sorte qu'une part des vapeurs détendues en sortie de turbine soit absorbée par ledit réacteur en phase de déstockage.
L'invention a pour autre objet un troisième procédé de production d'électricité dans une installation conforme à l'invention. La principale caractéristique d'un troisième procédé selon l'invention, est que l'étape de production d'électricité par le cycle de puissance est réalisée en utilisant simultanément la source de chaleur externe et le déstockage de la chaleur accumulée dans le dispositif de stockage thermochimique.
Ce procédé a l'avantage de permettre la production d'une puissance électrique supérieure à celle réalisable en utilisant uniquement la source de chaleur externe. Ce procédé permet de cibler les périodes où la demande en énergie électrique est cruciale et pour lesquelles les installations actuelles ne sont pas en mesure de fournir dans les meilleures conditions cette énergie électrique. Ces périodes peuvent par exemple correspondre à des périodes où la demande en énergie électrique est importante (périodes pour lesquelles il y a un pic de consommation), ou à des périodes ou la puissance fournie par la source externe, dans le cas d'une source variable, diminue et devient insuffisante pour alimenter le cycle de puissance et fournir la demande en électricité.
Avantageusement, un troisième procédé selon l'invention comprend une étape de couplage thermique entre un condenseur du cycle de puissance et un évaporateur du dispositif thermochimique de stockage, de manière à récupérer de la chaleur dudit condenseur pour alimenter ledit évaporateur.
De façon préférentielle, un troisième procédé selon l'invention, comprend une étape de couplage thermique entre un évaporateur du dispositif de stockage thermique et un étage de détente d'une turbine du cycle de puissance, de manière à récupérer de la chaleur au moyen d'un échangeur sur un soutirage au niveau des étages de ladite turbine pour alimenter ledit évaporateur, et une étape de couplage thermique entre le réacteur du dispositif de stockage thermique et le précédent soutirage de manière à surchauffer cette vapeur , au moyen d'un surchauffeur pour alimenter l'étage de détente suivant d'une turbine du cycle de puissance.
Préférentiellement, un troisième procédé selon l'invention, comprend une étape de couplage massique entre le réacteur du dispositif thermochimique de stockage et la sortie d'une turbine du cycle de puissance, de sorte qu'une part de la vapeur détendue en sortie de turbine soit absorbée par ledit réacteur en phase de déstockage.
On donne ci-après, une description détaillée de plusieurs modes de réalisation préférés d'une installation selon l'invention, en se référant aux figures suivantes :
- la figure 1 est un logigramme montrant de façon exhaustive toutes les possibilités d'intégration d'un dispositif de stockage thermochimique dans une installation selon l'invention,
- la figure 2 est un diagramme schématique d'une installation selon l'invention pendant une phase de stockage de la chaleur,
- la figure 3 est un diagramme schématique d'un premier exemple d'une installation selon l'invention, pendant une phase de stockage de la chaleur La figure 4 est un diagramme schématique d'un deuxième exemple d'une installation selon l'invention, pendant une phase de stockage de la chaleur,
La figure 5 est un diagramme schématique d'un troisième exemple d'une installation selon l'invention, pendant une phase de stockage de la chaleur,
La figure 6 est un diagramme schématique d'un quatrième exemple d'une installation selon l'invention, pendant une phase de stockage de la chaleur,
La figure 7 est un diagramme schématique d'un cinquième exemple d'une installation selon l'invention, pendant une phase de stockage de la chaleur,
La figure 8 est un diagramme schématique d'un sixième exemple d'une installation selon l'invention pendant une phase de stockage de la chaleur,
La figure 9 est un diagramme schématique d'un septième exemple d'une installation selon l'invention, pendant une phase de stockage de la chaleur,
La figure 10 est un diagramme schématique d'une installation selon l'invention pendant une phase de déstockage de la chaleur,
La figure 11 est un diagramme schématique d'un huitième exemple d'une installation selon l'invention, pendant une phase de déstockage de la chaleur,
La figure 12 est un diagramme schématique d'un neuvième exemple d'une installation selon l'invention, pendant une phase de déstockage de la chaleur,
La figure 13 est un diagramme schématique d'une installation selon l'invention pour une production d'énergie électrique plus importante pendant les heures de pointe, ou pour compenser une diminution de la source externe,
La figure 14 est un diagramme schématique d'un dixième exemple d'une installation selon l'invention, pour une production d'énergie électrique plus importante, La figure 15 est un diagramme schématique d'un onzième exemple d'une installation selon l'invention, pour une production d'énergie électrique plus importante,
La figure 16 est un diagramme schématique d'un douzième exemple d'une installation selon l'invention, utilisant un soutirage de vapeur, pendant une phase de stockage de la chaleur,
La figure 17 est un diagramme schématique d'un treizième exemple d'une installation selon l'invention, utilisant un soutirage de vapeur, pendant une phase de déstockage de la chaleur,
La figure 18 est un diagramme schématique d'un quatorzième exemple d'une installation selon l'invention, utilisant un soutirage de vapeur, pour une production d'énergie électrique plus importante
Le problème clé à résoudre est l'intégration d'un tel système de stockage thermochimique dans une installation de centrale qui permet de vaincre l'intermittence de la disponibilité de la source d'énergie externe ou de la variation de la puissance de la source ou de la demande d'électricité produite.
Deux types d'installations sont envisagés :
Une installation correspondant à une intégration massique,
Une installation correspondant à une intégration thermique.
La méthodologie générale d'intégration représentée en figure 1 consiste à associer un ou plusieurs éléments exothermiques d'un système à un ou plusieurs éléments endothermiques de l'autre système (intégration thermique), ou un générant de la vapeur d'un système à un élément consommateur de vapeur de l'autre système (intégration massique).
La figure 1 montre à travers un logigramme les différentes possibilités d'intégration et de cascades entre les trois composantes d'un procédé de production d'électricité selon l'invention, et basé sur un dispositif thermochimique de stockage.
Ces trois composantes sont :
Un système source d'énergie thermique externe 1, pouvant par exemple être un champ solaire à concentration, Un cycle de puissance (CDP) est à choisir parmi des cycles à vapeur tels que les cycles de Rankine organiques ou non, de Hirn ou de Kalina. Dans l'exemple de la figure 1, le cycle de puissance à vapeur est décrit figure 2. Il comprend de manière classique une turbine de détente de vapeur 3 pouvant comporter plusieurs étages de détente séparés par des réchauffeurs de vapeur et des soutirages de vapeur, pour la génération d'un travail convertible en énergie électrique, un ensemble préchauffeur 6/évaporateur 2/surchauffeur 7 fonctionnant à haute pression, un condenseur 4 fonctionnant à basse pression et assurant la désurchauffe de la vapeur et sa condensation, et un réservoir du fluide de travail liquide 5,
Un procédé de stockage thermochimique (STC), décrit figure 2, comprenant un réacteur thermochimique 12 dans lequel se produit un processus de sorption renversable couplé soit à un condenseur 13 assurant la désurchauffe de la vapeur issue du réacteur et sa condensation durant la phase de stockage de l'énergie thermique, soit à un évaporateur 11 durant la phase de déstockage de chaleur, et un réservoir de fluide réactif en phase liquide 14.
Dans le cas d'une source intermittente telle qu'une source solaire, la mise en œuvre de ces configurations dépend de la disponibilité de ladite source. Autrement dit, dans l'exemple d'une source solaire, il faut tenir compte du fait qu'il fasse jour ou qu'il fasse nuit.
Selon la disponibilité de la source externe, l'installation peut réaliser plusieurs fonctionnalités : - Production électrique et/ou stockage à partir de la source de chaleur externe, stockage à partir de la source de chaleur externe, et, en cascade, production d'électricité par le cycle de puissance alimenté par la vapeur issue du réacteur en stockage, soit en récupérant sa chaleur sensible et latente (intégration thermique), soit en exploitant la vapeur elle-même (intégration massique). Déstockage et en cascade production d'électricité en utilisant la chaleur déstockée du réacteur. Cette configuration permet la production d'électricité en l'absence de source de chaleur externe. Production d'électricité à partir de la source de chaleur externe et en parallèle une autre production à partir du déstockage du réacteur.
Cette configuration est particulièrement intéressante pour amplifier la production d'électricité lorsque la source est disponible et satisfaire des pics de demande.
Les détails des modes opératoires de l'installation qui remplissent les trois objets de l'invention décrits précédemment, sont les suivants :
- Pendant la phase de stockage, comme l'illustre l'exemple de la figure 2, de l'énergie fournie par la source externe 1, solaire par exemple, est fournie à un évaporateur 2 pour faire fonctionner un cycle de Rankine classique. Simultanément, le réacteur thermochimique 12 est chauffé pour la décomposition du réactif (par ex : hydroxyde Ca(OH)2). Le réactif déchargé (l'oxyde CaO dans cet exemple) produit est stocké dans ce même réacteur 12, tandis que les vapeurs (vapeur d'eau dans cet exemple) se condensent via un échangeur 13 et sont stockées sous forme de liquide dans un réservoir d'eau 14. Cette configuration permet simultanément la production d'électricité et le stockage de chaleur.
- En se référant à l'exemple de la figure 10, et pour la même réaction CaO/Ca(OH)2, pendant la phase de déstockage quand la source d'énergie externe n'est plus disponible, le liquide stocké dans le réservoir 14 est évaporé dans l'évaporateur 11 , et cette vapeur d'eau rentre ensuite dans le réacteur 12 et réagit de manière exothermique avec le sel oxyde pour former le sel hydroxyde. La chaleur libérée par cette réaction exothermique permet par la suite de produire de la vapeur à haute pression dans l'évaporateur 2 du cycle de puissance et maintient ainsi le fonctionnement du cycle de Rankine pour la production d'électricité. Dans ce cas-là, la fonction de générateur de vapeur est assurée par le réacteur thermochimique 12. - La figure 13 présente un exemple de l'invention selon un troisième objet. Cette conception de fonctionnement permet notamment d'augmenter la puissance nominale de la production d'électricité pour satisfaire la demande pendant les heures de pointe ou lorsque la puissance de la source externe baisse et est insuffisante pour faire fonctionner le cycle de Rankine. En se référant à la figure 13, qui illustre ce procédé, la configuration de la phase de déstockage demeure identique à celle qui vient d'être décrite. Pendant les heures de pointe, il s'agit d'une configuration de chauffage du fluide de travail du cycle de puissance en utilisant la source externe mais aussi les chaleurs libérées par la réaction exothermique, afin de produire un travail supplémentaire dans les étages de turbine 3. Avec cette configuration, le générateur 2 de vapeur et le réacteur 12 fonctionnent en parallèle pour augmenter la puissance nominale de la production d'électricité pendant les heures de pointe.
Selon les modes opératoires, seuls certains couplages sont réalisables. Plusieurs configurations d'intégration sont ainsi retenues préférentiellement, combinant différents couplages entre la source thermique externe (par exemple énergie solaire concentrée), le système de stockage thermochimique, et le cycle de puissance.
Plusieurs exemples de configurations d'intégration vont être décrits ci- après en se référant aux figures 2 à 18.
Pour les figures suivantes, voici la liste des légendes et leurs définitions, o cycle de puissance CDP
o système de stockage thermochimique STC
o source de chaleur externe haute température, typiquement supérieure à 150°C correspondant à la référence 1 ,
o évaporateur du cycle de puissance correspondant à la référence 2, o turbine du cycle de puissance correspondant à la référence 3, o condenseur du cycle de puissance correspondant à la référence 4, o bâche d'alimentation en eau de l'évaporateur du cycle de puissance CDP (constituant également un réservoir de récupération des vapeurs condensées), correspondant à la référence 5, o préchauffeur du fluide de travail (liquide) du cycle de puissance, correspondant à la référence 6,
o surchauffeur de la vapeur du cycle de puissance en amont d'une turbine 3, correspondant à la référence 7,
o soutirage de vapeur du cycle de puissance, correspondant à la référence 8,
o échangeur de chaleur pour la récupération de chaleur sur un soutirage de vapeur du cycle de puissance, correspondant à la référence 9,
o pompe de pressurisation du fluide de travail liquide du cycle de puissance , correspondant à la référence 10,
o évaporateur du dispositif de stockage thermochimique (STC), correspondant à la référence 11 ,
o réacteur du dispositif de stockage thermochimique, correspondant à la référence 12,
o condenseur du dispositif de stockage thermochimique, correspondant à la référence 13,
o réservoir du fluide actif du stockage thermochimique correspondant à la référence 14,
o installation globale correspondant à la référence 20.
1- Configurations utilisant une source de chaleur externe lorsqu'elle est disponible, soit pour une production d'électricité, soit pour le stockage soit les deux simultanément.
> 1a) configurations à stockage de chaleur et production d'électricité simultanés à partir de la source de chaleur externe.
- Configuration de base correspondant à la figure 2.
La source de chaleur alimente à la fois le stockage STC et le cycle de puissance CDP de manière indépendante (sans connexion entre les deux systèmes). Il s'agit de la configuration classique en phase de stockage. L'avantage d'une telle configuration est que la gestion des systèmes s'effectue de manière indépendante. Il n'y a donc pas de contrainte sur les puissances mises en œuvre, et le dimensionnement du stockage est uniquement lié à la durée du déstockage et de la puissance électrique demandée.
- Configuration de type intégration thermique et correspondant à la figure 3.
La source de chaleur alimente simultanément le cycle de puissance CDP et le stockage thermochimique STC. Il existe une connexion thermique entre le condenseur 13 du stockage STC et le préchauffeur 6 du cycle de puissance CDP. L'avantage d'une telle configuration est qu'il y a un préchauffage du fluide de travail du CDP par la vapeur issue du réacteur du STC, ce qui réduit l'apport de chaleur externe au CDP et compense ainsi partiellement l'utilisation du champ solaire pour le stockage. La chaleur récupérée sur cette vapeur peut être soit sensible (désurchauffe de la vapeur uniquement, cette vapeur étant condensée ultérieurement dans le condenseur du STC) soit latente par condensation directe dans le préchauffeur du CDP (réduisant ainsi la chaleur à évacuer au condenseur du STC vers l'ambiance).
- Configuration de type intégration thermique et correspondant à la figure 4.
La source de chaleur alimente simultanément le cycle de puissance CDP et le stockage thermochimique STC. Il existe une connexion thermique entre le condenseur 13 du stockage STC et une partie ou les trois composants de l'ensemble préchauffeur 6/ évaporateur 21 surchauffeur 7 du CDP.
L'avantage d'une telle configuration est qu'il y a tout ou partie du préchauffage et de l'évaporation du fluide de travail du CDP par la vapeur issue du réacteur du STC, ce qui réduit l'apport de chaleur au CDP et compense ainsi partiellement l'utilisation du champ solaire pour le stockage. La chaleur récupérée sur cette vapeur peut être soit sensible (désurchauffe de la vapeur uniquement, cette vapeur étant condensée ultérieurement dans le condenseur du STC) soit latente par condensation directe dans le préchauffeur ou évaporateur du CDP (réduisant ainsi la chaleur à évacuer au condenseur du STC vers l'ambiance).
- Autre configuration de type intégration thermique et correspondant à la figure 5 La source de chaleur alimente uniquement le cycle de puissance CDP. L'enthalpie résiduelle disponible sur les vapeurs détendues en sortie de la turbine est stockée dans le dispositif thermochimique de stockage STC. Il y a une connexion thermique entre la vapeur détendue du cycle de puissance CDP et le réacteur de stockage 12 du STC. La chaleur récupérée sur cette vapeur détendue peut être soit sensible (désurchauffe de la vapeur) soit latente si on condense directement dans le réacteur de stockage (supprimant ainsi le condenseur du CDP).
- Configuration de type intégration massique correspondant à la figure 6. La source de chaleur alimente simultanément le cycle de puissance CDP et le stockage thermochimique STC. Il y a une connexion massique entre le réacteur de stockage 12 du STC et le dernier étage de détente d'une turbine 3 du CDP, ou une turbine indépendante additionnelle. Les avantages d'une telle configuration sont qu'il y a une production directe d'électricité additionnelle à partir de la détente des vapeurs désorbées. Cette production compense en partie l'utilisation de la source de chaleur externe 1 (champ solaire par exemple) par le réacteur de stockage 12 du STC pour le stockage de chaleur. Le retour de liquide entre le réservoir 5 du CDP et le réservoir 14 du STC est réalisé par des moyens de transferts hydrauliques classiques (non représentés sur la figure). > 1b) Configurations pour laquelle il y a stockage de chaleur à partir de la source de chaleur externe, et production d'électricité à partir des rejets thermiques et massiques issus du stockage STC.
L'intérêt de cet ensemble de configurations est qu'il y a une production d'électricité même lorsque la source thermique externe est totalement dédiée au stockage thermochimique.
- Configuration de type intégration thermique et correspondant à la figure 7
La source de chaleur 1 alimente uniquement le stockage STC. La chaleur sensible et de condensation des vapeurs issues du STC est utilisée pour une production d'électricité sur le dernier étage d'une turbine ou une turbine additionnelle. Il y a une connexion thermique entre le condenseur 13 du STC et le préchauffeur 6 et évaporateur 2 et éventuellement surchauffeur 7 du CDP.
- Configuration de type intégration massique correspondant à la figure 8.
La source de chaleur alimente uniquement le stockage thermochimique STC. Les vapeurs issues du réacteur à haute température sont détendues dans un dernier étage d'une turbine du cycle de puissance ou une turbine indépendante additionnelle pour une production additionnelle d'électricité. Il y a une connexion massique entre le réacteur de stockage 12 du STC et le dernier étage de la turbine 3 du CDP ou une turbine indépendante additionnelle. Les avantages d'une telle configuration sont qu'il y a une production d'électricité additionnelle uniquement à partir de la détente des vapeurs désorbées à haute température par le réacteur de stockage STC, et que le champ solaire est dimensionné et utilisé pour le stockage thermochimique.
- Autre configuration de type intégration massique et correspondant à la figure 9.
Si dans la configuration précédente (correspondant à la figure 8), la température des vapeurs désorbées par le réacteur 12 n'est pas suffisante pour qu'elles soient détendues dans la turbine, un échangeur de chaleur intermédiaire 7 alimenté par la source de chaleur peut être utilisé pour augmenter cette température. 2. Configurations utilisant le stockage thermochimique STC en phase de déstockage :
Ces configurations utilisent uniquement la chaleur issue du stockage STC pour permettre une production d'électricité par le cycle de puissance CDP, même en cas de non disponibilité temporaire de la source de chaleur externe (par exemple intermittence en journée, ou de nuit pour une source solaire).
- configurations de base correspondant à la figure 10.
Pour cette configuration, le déstockage et la production d'électricité sont assurés à partir de la chaleur déstockée par le réacteur du STC. Il y a donc une connexion thermique entre le réacteur 12 et l'ensemble préchauffeur 6 /évaporateur 2 /surchauffeur 7 du cycle de puissance. - configurations de type intégration thermique correspondant à la figure 11.
Pour cette configuration, le déstockage de la chaleur et la production d'électricité sont assurés à partir de la chaleur déstockée par le réacteur. Il y a donc une connexion thermique entre ledit réacteur 12 et l'ensemble préchauffeur 6 /évaporateur 2 /surchauffeur 7. Il y a de plus, une connexion thermique entre le condenseur 4 du cycle de puissance et l'évaporateur 11 du stockage thermochimique STC. Les avantages d'une telle configuration sont qu'il y a une réduction de la chaleur évacuée au condenseur du CDP, et que le l'évaporateur du STC fonctionne à plus haute température donc à plus haute pression, d'où une restitution de chaleur par le réacteur 12 du STC à plus haute température. Il en résulte que le cycle CDP fonctionne à plus haute température et possède donc des performances améliorées.
- Configurations de type intégration massique correspondant à la figure 12.
Pour cette configuration, il existe une connexion massique entre le réacteur et la sortie de turbine : une part des vapeurs détendues en sortie de turbine 3 est absorbée par le réacteur 12. Une variante possible consisterait à réaliser une connexion massique par soutirage de vapeur entre deux étages de turbine 3. De cette manière, la pression des vapeurs serait plus importante et donc la température de déstockage au niveau du réacteur 12 serait plus élevée. Le retour de liquide entre le réservoir 14 du STC et le réservoir 5 du CDP est réalisé par des moyens de transferts hydrauliques classiques.
3- Configurations utilisant la source de chaleur externe et le réacteur STC en phase de déstockage
Ces configurations décrites ci-dessous utilisent la source de chaleur externe pour la production d'électricité et simultanément le déstockage pour une production additionnelle d'électricité.
Les intérêts de telles configurations sont les suivants : assurer les pics de production, assurer une production d'électricité donnée même lorsque la source de chaleur baisse en intensité (variabilité de la source en fin de journée par exemple dans le cas solaire).
- Configurations de base correspondant à la figure 13.
Il s'agit de réaliser un couplage thermique du réacteur thermochimique 12 et de la source de chaleur 1 avec l'ensemble préchauffeur 6 /évaporateur 2 /surchauffeur 7 du cycle de puissance.
- Configurations de type intégration thermique et correspondant à la figure 14.
Cette configuration correspond à une récupération de la chaleur de condensation du cycle de puissance CDP vers l'évaporateur 11 du stockage thermochimique STC pour que l'ensemble STC et CDP fonctionne à plus haute température. Il en résulte que le cycle CDP fonctionne à plus haute pression et possède donc des performances améliorées.
- Configurations de type intégration massique et correspondant à la figure 15.
Pour cette configuration, il y a une connexion massique qui permet le transfert des vapeurs détendues en sortie de turbine 3, ou soutirées entre deux étages de turbine, vers le réacteur 12 en phase de déstockage de chaleur où elles sont absorbées. Cette configuration augmente la température de fonctionnement du réacteur 12 en déstockage et réduit la quantité d'énergie à évacuer par le condenseur 4 du cycle de puissance.
4 - Cas de cycles de puissance avec des soutirages de vapeur.
Les soutirages de vapeur entre deux étages du cycle de puissance permettent d'autres configurations d'intégration décrites dans la suite - Configurations utilisant la source externe pour simultanément la production d'électricité et le stockage de chaleur
Comme l'illustre l'exemple de la figure 16, pendant la phase de stockage, de l'énergie externe 1 pouvant par exemple être de l'énergie solaire, est fournie à un générateur 2 de vapeur pour faire fonctionner un cycle de Rankine classique avec soutirage 8. Simultanément, le réacteur thermochimique 12 est chauffé pour la décomposition du réactif. La vapeur produite (vapeur d'eau dans cet exemple) se condense via un premier échangeur 13 et est stockée sous forme de liquide saturé dans un réservoir d'eau indépendant 14. Il existe une connexion thermique entre le condenseur 13 du stockage STC et le préchauffeur 6 du cycle de puissance CDP. Avec cet échange thermique, les chaleurs sensibles et latentes des vapeurs de stockage sont récupérées pour le pré chauffage 6 du fluide de travail (liquide) du cycle de Rankine.
- Configurations utilisant le stockage thermochimique STC en phase de déstockage :
Pendant la phase de déstockage quand l'énergie externe n'est plus disponible, comme dans l'exemple de la figure 17, l'eau liquide stockée dans le réservoir 14 est d'abord évaporée en 11 grâce à la chaleur récupérée des vapeurs de soutirage 8 du premier étage de la turbine 3. Cette vapeur d'eau ainsi produite rentre ensuite dans le réacteur 12 et réagit de manière exothermique, avec l'oxyde dans l'exemple présenté. La chaleur libérée par cette réaction exothermique permet par la suite de produire de la vapeur à haute pression dans l'évaporateur 2 du cycle de puissance et maintient ainsi le fonctionnement du cycle de Rankine pour la production d'électricité. Dans ce cas- là, la fonction de générateur de vapeur est remplacée par le réacteur thermochim ique 12 - Configurations utilisant la source de chaleur externe et le réacteur STC en phase de déstockage.
En se référant à la figure 18 qui illustre ce procédé, la configuration de la phase de déstockage demeure identique à celle qui vient d'être décrite. Pendant les heures de pointe, il s'agit d'une configuration de chauffage du fluide de travail du cycle de puissance en utilisant des turbines 3 en cascade. Plus précisément, les vapeurs du cycle qui sortent du soutirage 8 du premier étage de turbine 3 sont utilisées pour l'évaporation 11 de l'eau liquide stockée dans le réservoir 14 pendant le stockage. Les chaleurs libérées par la réaction exothermique en 12 sont utilisées pour le réchauffage des vapeurs du cycle de Rankine à une haute température, afin de dégager le travail dans le deuxième étage de turbine 3. Avec cette configuration, le générateur 2 de vapeur et le réacteur 12 fonctionnent en parallèle pour augmenter la puissance nominale de la production d'électricité pendant les heures de pointe.

Claims

REVENDI CATI ONS
1. Installation (20) de production d'électricité à partir d'une source de chaleur externe motrice (1) présentant une disponibilité intermittente et/ou une variabilité en puissance thermique et/ou température et/ou en valeur économique, et choisie parmi les dispositifs de génération de chaleur tels qu'une centrale solaire, une chaudière, une source géothermique ou des rejets de chaleur d'un procédé thermique quelconque, permettant de dissocier dans le temps la production d'électricité de l'utilisation de ladite source de chaleur, caractérisée,
- en ce qu'elle comporte un dispositif de stockage thermochimique (STC) couplé à un cycle de puissance(CDP) à choisir parmi des cycles à vapeur tels que les cycles de Rankine organiques ou non, de Hirn ou de Kalina,
- et en ce que ledit dispositif de stockage est constitué ■ d'un réacteur (12) dans lequel se produit un processus de sorption renversable et
d'un évaporateur (11) et d'un condenseur (13), l'un au moins des composants du dispositif thermochimique étant couplé :
■ par voie massique comme un échange de vapeur, et/ou ■ par voie thermique comme un transfert de chaleur, à au moins un élément dudit cycle de puissance.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le cycle de puissance est un cycle de Rankine et comprend un échangeur de chaleur
(2) acceptant de la chaleur d'une source externe, un échangeur (4) rejetant de la chaleur à plus basse température, et un organe de détente
(3) de vapeur, préférentiellement une turbine à vapeur.
3. Procédé de production d'électricité dans une installation conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de couplage entre la source de chaleur externe et au moins un élément de l'installation pour réaliser une étape de stockage de chaleur dans le dispositif de stockage thermochimique (STC) et une étape de production d'électricité par le cycle de puissance (CDP).
4. Procédé de production d'électricité selon la revendication 3 caractérisé en ce que la source de chaleur externe alimente simultanément le cycle de puissance et le dispositif de stockage thermochimique, et en ce qu'un couplage thermique est réalisé entre la désurchauffe et la condensation de la vapeur du dispositif de stockage thermochimique, et l'un au moins des éléments d'un ensemble préchauffeur, évaporateur, surchauffeur d'un fluide de travail du cycle de puissance.
5. Procédé de production d'électricité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de chaleur (1) alimente le cycle de puissance, et en ce qu'un couplage thermique est réalisé entre le réacteur (12) du dispositif de stockage thermochimique et les vapeurs détendues issues d'un organe de détente (3) du cycle de puissance.
6. Procédé de production d'électricité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de chaleur (1) externe alimente simultanément le cycle de puissance et le dispositif de stockage thermochimique, et en ce qu'un couplage massique est réalisé entre le réacteur (12) du dispositif de stockage thermochimique et un étage de détente d'une turbine (3) du cycle de puissance ou d'une turbine indépendante additionnelle.
7. Procédé de production d'électricité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de chaleur (1) externe alimente uniquement le dispositif de stockage thermochimique, et en ce qu'un couplage thermique est réalisé entre le condenseur (13) du dispositif de stockage thermochimique et un préchauffeur (6) et un évaporateur (2) et éventuellement un surchauffeur (7) du cycle de puissance.
8. Procédé de production d'électricité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de chaleur (1) externe alimente uniquement le dispositif de stockage thermochimique, et en ce qu'un couplage massique est réalisé entre le réacteur (12) du dispositif de stockage thermochimique et un étage de détente d'une turbine (3) du cycle de puissance.
9. Procédé de production d'électricité selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en œuvre d'un échangeur de chaleur intermédiaire alimenté par la source de chaleur externe pour augmenter la température des vapeurs désorbées par le réacteur de stockage thermochimique.
10. Procédé de production d'électricité dans une installation conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
Une étape de couplage thermique entre le réacteur (12) du dispositif de stockage thermochimique et un ensemble constitué par un préchauffeur (6), un évaporateur (2) et un surchauffeur (7) appartenant au cycle de puissance,
Une étape de déstockage et de production d'électricité à partir de la chaleur déstockée par ledit réacteur (12) et transmise audit ensemble.
11. Procédé de production d'électricité selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de couplage thermique entre un condenseur (4) du cycle de puissance et un évaporateur (11) du dispositif thermochimique de stockage, de manière à récupérer de la chaleur dudit condenseur (4) pour alimenter ledit évaporateur (11).
12. Procédé de production d'électricité selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de couplage thermique entre l'évaporateur (11) du dispositif de stockage thermochimique et un étage de détente d'une turbine (3) du cycle de puissance, de manière à récupérer de la chaleur, au moyen d'un échangeur (9), sur un soutirage de vapeur (8) au niveau d'un ou plusieurs étages intermédiaires de ladite turbine (3) pour alimenter ledit évaporateur (11).
13. Procédé de production d'électricité selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de couplage massique entre le réacteur (12) du dispositif thermochimique et la sortie d'une turbine (3) du cycle de puissance, de sorte qu'une part des vapeurs détendues en sortie de turbine (3) soit absorbée par ledit réacteur (12) en phase de déstockage.
14. Procédé de production d'électricité dans une installation conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de production d'électricité par le cycle de puissance est réalisée en utilisant simultanément la source de chaleur (1) et le déstockage de la chaleur accumulée dans le dispositif de stockage thermochimique (STC).
15. Procédé de production d'électricité selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de couplage thermique entre un condenseur (4) du cycle de puissance et un évaporateur (11) du dispositif thermochimique de stockage, de manière à récupérer de la chaleur dudit condenseur (4) pour alimenter ledit évaporateur (11).
16. Procédé de production d'électricité selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de couplage thermique entre un évaporateur (11) du dispositif de stockage thermique et d'un étage de détente d'une turbine (3) du cycle de puissance, de manière à récupérer de la chaleur, au moyen d'un échangeur (9), sur un soutirage (8) au niveau des étages de ladite turbine (3) pour alimenter ledit évaporateur (11), et une étape de couplage thermique entre le réacteur (12) du dispositif de stockage thermique et le précédent soutirage (8) de manière à surchauffer cette vapeur, au moyen d'un surchauffeur (7) pour alimenter l'étage de détente suivant d'une turbine (3) du cycle de puissance.
17. Procédé de production d'électricité selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de couplage massique entre le réacteur (12) du dispositif thermochimique de couplage et la sortie d'une turbine
(3) du cycle de puissance, de sorte qu'une part des vapeurs détendues en sortie de turbine (3) soit absorbée par ledit réacteur (12) en phase de déstockage.
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