EP4336124A1 - Système et procédé de transfert d'énergie thermique - Google Patents

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EP4336124A1
EP4336124A1 EP22194662.7A EP22194662A EP4336124A1 EP 4336124 A1 EP4336124 A1 EP 4336124A1 EP 22194662 A EP22194662 A EP 22194662A EP 4336124 A1 EP4336124 A1 EP 4336124A1
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EP
European Patent Office
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circuit
heat transfer
energy
transfer fluid
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
EP22194662.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François Ignace GEINOZ
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Original Assignee
Wise Open Foundation
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F25B23/006—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect boiling cooling systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/24—Storage receiver heat

Definitions

  • the present invention relates to the field of energy and more particularly the field of capturing thermal energy in a given location, its transport and its storage in another location, with a view to its use, either immediate or deferred in the weather.
  • This heat transfer fluid is generally in a specific state of matter, liquid or gas, and remains in this state throughout the circuit. Maintaining the heat transfer fluid in a specific state of matter is often sought.
  • There fluid temperature varies depending on the location of the circuit. More precisely, the circuit is generally associated with at least one hot source and at least one cold source. The heat transfer fluid passes near the hot source and is heated by this hot source, for example using a heat exchanger. This hot heat transfer fluid is then moved in the circuit and transfers part of its energy to the cold source, for example also by means of a heat exchanger. The transport of heat energy is carried out by changes in the temperature of the fluid in the circuit.
  • the heat transfer fluids used may in particular be liquid (water, brine, etc.) or gas (HFC, NH3, etc.). Some of these fluids require special precautions. Particularly when the liquid is water, it is necessary to take precautions so that the water remains in a liquid state. In fact, the circuit is no longer usable if the water changes state and goes from liquid to solid state. It should be noted that when a thermal energy transfer system is used in an environment in which conditions are close to normal temperature and pressure conditions, this phase transition occurs naturally.
  • the precautions to be taken may include the addition of antifreeze and/or the installation of pipes at a depth to avoid freezing. This can increase the cost, complicate implementation and involve polluting products in particular.
  • Certain other heat transfer fluids may in particular be toxic, explosive, harmful to the environment and/or expensive and their implementation may be relatively complex and also require special precautions.
  • the heat transfer fluid it is advantageous for the heat transfer fluid to have a high volume enthalpy. Indeed, the greater the volume enthalpy, the greater the quantity of energy stored per unit of volume.
  • a large volume enthalpy prevents the quantity of fluid from being very large to transport or store a given quantity of energy. This notably avoids the use of very large diameter tubes, which would pose problems during the concrete implementation of an energy transport system.
  • one way to “transport” or transfer energy in a fluid is to change its temperature.
  • Another way consists of keeping the fluid at a constant temperature, while modifying its state, in particular by changing it from the liquid state to the gaseous state and vice versa.
  • the quantity of energy per unit of mass or specific enthalpy may be more or less significant.
  • Carbon dioxide is currently already used in particular for refrigeration installations such as supermarket refrigerators. In this type of installation, the energy required for refrigeration is generally electrical energy. Thermal energy or heat produced during refrigeration is rarely recovered.
  • the energy transfer circuits need a geothermal resource, for example a groundwater table from which the cold can be extracted in summer and the heat in winter.
  • a geothermal resource for example a groundwater table from which the cold can be extracted in summer and the heat in winter.
  • Such an energy transfer circuit is connected to one or more heat pumps or cooling systems which act as an interface for heating or cooling buildings.
  • a balancing unit is responsible for regulating the system so that a balance between liquid CO 2 and gaseous CO 2 is ensured.
  • the goal of such an energy transfer system is to create synergies by producing cold for a specific application and heat for another application.
  • the present invention aims to resolve the problems of prior art systems by proposing a thermal energy transfer system which is capable, on the one hand, of capturing thermal energy and, on the other hand, of storing it. in the medium or long term. Therefore, unlike existing systems, the captured energy does not need to be used immediately and it is not necessary to balance the production and consumption of this energy. In addition, it is possible to manage the energy stock in a relatively flexible and simple manner due to the elimination of the temporal constraints linked to energy capture and its use.
  • a possible use temperature range could be between 5°C and 30°C and preferably of the order of 12°C to 15°C and a possible use pressure range could be between 40 bars and 60 bars and preferably of the order of 45 to 55 bars.
  • carbon dioxide can change from gas to liquid and vice versa without changing temperature.
  • the energy transfer is carried out by a change of state of the heat transfer fluid or phase change. It is also possible to combine the principle of the invention with the principle used in the systems of the prior art, in which the transfer of energy is carried out by a change in temperature without change in the state of the matter.
  • carbon dioxide as a heat transfer fluid is particularly interesting for another reason. Indeed, as indicated above in connection with current projects using CO 2 , in heat transfer or exchange systems, it is common to use geothermal energy, by drawing heat from the ground, for example in a water table. The ground acts as a hot spring. When heat is drawn from the ground, particularly in ground/water heat pump systems or geothermal heat pumps, essentially two collection systems are used, namely horizontal collection and vertical collection. .
  • the horizontal collection comprises a circuit formed of one or more tubes in which a heat transfer fluid circulates. These tubes are buried at a shallow depth, over a large area.
  • the vertical capture also includes a heat transfer fluid circuit formed of tubes, the tubes being buried vertically.
  • energy can be produced by a source, for example a renewable energy source such as solar energy, captured by an appropriate sensor, then stored in a storage register, so to recharge this register with energy.
  • a source for example a renewable energy source such as solar energy
  • the energy thus stored can be used later, when the needs are greater than external resources in particular.
  • the temperatures used are compatible with storage in the terrestrial register and with the use of this terrestrial register as a cold source.
  • the invention therefore makes it possible to store energy in the medium or long term, in particular in the terrestrial register. This is particularly interesting because certain renewable energies such as solar energy are available in the greatest quantities at the time when they are least useful. It is therefore advantageous to be able to capture solar energy in summer, when it is abundant, and to store it to be able to use it in winter, when it is scarce, but the energy demand is high.
  • energy storage makes it possible to replace the energy that has been taken from the storage register. This makes it possible in particular to avoid the cooling of the land in which horizontal geothermal probes are installed. This also makes it possible to use bodies of water or groundwater as a storage register.
  • the system according to the invention can also be used as an element providing thermal energy to its environment.
  • a heat exchanger as used in the invention can be used as an element providing energy to its environment has several advantages. It can in particular be used in places or in volumes from which the energy drawn is not considered negligible compared to the energy available. In conventional sensor systems, probes must be sufficiently far from each other so that they do not influence each other. Otherwise, the energy taken by one of the probes would cool the ground near another probe, thus reducing the overall efficiency.
  • the storage register is recharged with energy regularly, so that it is possible to take energy from probes close to each other.
  • This makes it possible in particular to arrange several probes close to each other, which allows installation in places where space is limited.
  • the sensors are horizontal in particular, they can only be placed in areas in which the available land is large enough. If geothermal sensors are to be installed in areas with little land, vertical probes must be installed, which involves high costs.
  • the probes are installed at shallow depth, which avoids the costs associated with deep drilling.
  • the system according to the invention can also be interesting with regard to the capture of thermal energy coming from an energy source called a hot source.
  • a hot source uses solar energy
  • the system of the invention comprises one or more photovoltaic panels
  • the efficiency of the panels varies as a function of their temperature.
  • the temperature of a photovoltaic panel exceeds 25°C, its efficiency decreases by approximately 0.4% per degree.
  • the panels are covered with snow, their performance can become completely zero.
  • the temperature of the solar panels can be controlled and maintained within a determined range. This range can for example be between 12°C and 15°C. In this way, the efficiency of photovoltaic panels is interesting since the temperature does not exceed 25°C. In the event of snow, this temperature allows the panels to be heated sufficiently to melt the snow and therefore allow the operation of these panels in virtually any climatic condition.
  • the thermal energy transfer system 10 of the invention cooperates with an energy source, called hot source 11 and with an energy sink or storage register or terrestrial register 12, called cold source.
  • This system essentially comprises a circuit 13 in which a heat transfer fluid circulates, a first heat exchanger 14 arranged between the hot source 11 and the heat transfer fluid circuit 13, a second heat exchanger 15 arranged between the cold source or storage register 12 and the heat transfer fluid circuit 13 and a member 16 for setting the heat transfer fluid in motion in the circuit.
  • the hot source 11 is the sun and its energy is captured by at least one solar panel 17 of the thermal solar panel type. It is advantageous, for reasons of cost and respect for the environment in particular, for the hot source to be a renewable energy source.
  • the potential energy sources that can be used include heat from the sun, thermal energy produced by geothermal energy, recovery of losses from buildings, industrial or domestic installations, etc. Other energy sources, and in particular non-renewable energy sources, can also be used.
  • the temperature that the hot source can reach must be above a threshold value called vaporization temperature. However, it is not necessary that the temperature of the hot source always be above this vaporization temperature.
  • the vaporization temperature is the temperature at which the heat transfer fluid undergoes a phase change from the liquid state to the gaseous state under the pressure conditions encountered in the heat transfer fluid circuit. This vaporization temperature being the temperature at which the heat transfer fluid circulates in the circuit, it is also called circulation temperature in this text.
  • the first heat exchanger 14 is arranged to transfer heat from the hot source 11 to a portion of the heat transfer fluid which passes in the circuit near the hot source. This heat exchanger 14 is of course adapted to the type of hot source used.
  • the heat transfer fluid circulates in circuit 13 at a given pressure, compatible with a phase change of carbon dioxide, and linked to the vaporization or circulation temperature.
  • the carbon dioxide circulates at a pressure between 45 and 60 bars.
  • the temperature at which a phase transition can occur is between approximately 10°C and 20°C as can be seen from the Figure 5 .
  • a particularly interesting temperature range extends from 12°C to 15°C.
  • There vaporization temperature mentioned above is included in this range. It is common for a solar panel to reach a temperature equal to or higher than this vaporization temperature. It is therefore common for the heat transfer fluid contained in the heat transfer fluid circuit 13 to be partially or totally in the gas phase, near the hot source and/or in the first heat exchanger 14.
  • the terrestrial register plays the role of cold source for the heat transfer fluid circuit, sensor or energy sink and storage register.
  • This terrestrial register 12 can be understood in the broad sense in that it also includes storage in a water reserve such as a lake, a basin, a reservoir, a water table, etc.
  • This cold source must be able to reach a temperature below a threshold value, called liquefaction temperature. Symmetrically with the hot source, however, it is not necessary for the temperature of the cold source to always be lower than this liquefaction temperature.
  • the vaporization temperature and the liquefaction temperature are equal to the phase transition temperature of CO 2 at the pressure of this CO 2 in the heat transfer fluid circuit.
  • This liquefaction temperature is also called circulation temperature.
  • the liquefaction temperature can also be between 12°C and 15°C.
  • the temperature of the earth register When storage is carried out in the terrestrial register, it is relatively common for the temperature of the earth register to be lower than the liquefaction temperature. Thus, the fluid circulating in the circuit near the cold source can pass from the gaseous state to the liquid state.
  • the second heat exchanger 15 is arranged to transfer heat from the fluid contained in the circuit 13 to the storage register.
  • This heat exchanger 15 comprises at least one heat transfer fluid circuit 18 illustrated from the front by the figure 4a and from above by figure 4b .
  • the heat exchanger 15 comprises a heat transfer fluid inlet conduit 19 and a heat transfer fluid outlet conduit 20.
  • This inlet conduit 19 and this conduit outlet 20 are connected by tubes 21.
  • the tubes and the conduits are dimensioned so as to allow the circulation of carbon dioxide at a temperature and at a pressure corresponding to the temperature and pressure of the carbon dioxide in the fluid circuit heat carrier 13.
  • the second heat exchanger 15 comprises a water circuit 22.
  • the water circuit 22 comprises two conduits, namely a water inlet conduit 23 and a water outlet conduit 24, arranged concentrically respectively to the inlet conduit 19 of heat transfer fluid and to the heat transfer fluid outlet conduit 20.
  • These water conduits are connected by a body of water 25 delimited by two panels 26 and closed upwards and downwards so as to be able to circulate water between the two water conduits.
  • the carbon dioxide conduits 19, 20 as well as the carbon dioxide tubes 21 of this heat exchanger are bathed in water and are able to transfer energy to this water.
  • the panels 26 delimiting the body of water can have different configurations, in particular to resist pressure.
  • the second heat exchanger 15 is intended to be placed in the storage register, in particular the land register.
  • the energy carried by carbon dioxide is first transferred to the water and the energy transferred in the water is then transferred to the land register.
  • the second heat exchanger plays a dual role. This can be interesting in that the second heat exchanger is also used as a water storage element.
  • earth or a material ensuring thermal contact between the earth register and the heat exchanger can be placed.
  • This material may in particular be earth, clay, mud, clay, etc.
  • the system further comprises a member 16 for setting the heat transfer fluid in movement in the circuit.
  • the heat transfer fluid is in the form of gas in one part of the circuit and in the form of liquid in another part of the circuit.
  • the member 16 for setting the heat transfer fluid in motion has the function of circulating the heat transfer fluid in the circuit 13.
  • it may take the form of a pump, intended to set a liquid in motion, or of a compressor, intended to set a gas in motion.
  • it is generally more advantageous to use a pump and place it in the area in which the heat transfer fluid is in the liquid phase, rather than a compressor.
  • the circuit includes a pump 27 arranged to circulate the carbon dioxide in the liquid phase.
  • the circulation of carbon dioxide is shown clockwise on the figures 1 to 3 .
  • Circuit 13 includes the first exchanger 14 mentioned above and arranged to transfer heat from the hot source to the heat transfer fluid.
  • This first heat exchanger 14 includes an inlet 28 of liquid carbon dioxide. Due to the capture of energy from the hot source, the liquid carbon dioxide entering the first heat exchanger undergoes a phase change and becomes at least partially gaseous. This gas is evacuated through an outlet 29 of the first heat exchanger 14. This gas then circulates in the heat transfer fluid circuit 13 towards the second heat exchanger 15.
  • This second heat exchanger 15 comprises an inlet 30 arranged to receive carbon dioxide in gaseous form coming from the outlet of the first heat exchanger.
  • This second heat exchanger is in contact with the energy sink, this energy sink taking energy from the heat transfer fluid circulating in this second heat exchanger.
  • Carbon dioxide undergoes a new phase transition to become liquid again, as explained in more detail below.
  • the second heat exchanger 15 allows energy storage in the terrestrial register.
  • This terrestrial register can be used as an energy source for one or more heat pumps 31, in particular water-water type heat pumps.
  • the use of the terrestrial register as a storage element linked to the use of carbon dioxide is particularly interesting for different reasons.
  • the quantity of energy that can be stored with little change in the temperature of the storage location is significant.
  • the average ground temperature at a depth of between 1m and 10m in many places around the globe is compatible with the temperatures required for a phase change of carbon dioxide, at technically achievable pressures.
  • the use of stored energy, in particular by means of heat pumps, makes it possible to reduce the temperature of the storage register in the event that it becomes too high for a change in state of the heat transfer fluid. It is therefore relatively simple to manage the damper temperature to ensure proper operation of the system.
  • the temperature of the earth's register is relatively constant over a temperature range. This temperature range depends on the location on earth, but in regions with temperate climates it is typically between 12°C and 15°C. It is clear that at these temperatures the water used in water-water heat pumps does not freeze and does not need antifreeze. This results in a better calorific value compared to a water-antifreeze mixture, less clogging of the circuits in which this water circulates and a lower cost.
  • the heat transfer fluid circuit 13 comprises an annex branch 32 provided with an inlet 33 materialized by a three-way inlet valve and an outlet 34 also materialized by a three-way valve, called a three-way outlet valve.
  • a third heat exchanger 35 is provided, this being arranged to use as an energy source, energy linked to a building and generally considered as losses. These losses may in particular be heat escaping from the envelope of a building, such as through the walls or the roof.
  • This third heat exchanger 35 has an inlet 36 and an outlet 37, the outlet 37 being connected to the three-way outlet valve.
  • One of the outlets of the valve is used when the carbon dioxide emerges from this third heat exchanger 35 in liquid form and reinjects the liquid carbon dioxide into a zone of the heat transfer fluid circuit 13 in which the carbon dioxide is present. in liquid form.
  • the second outlet of the three-way valve is used when the carbon dioxide emerges from this third heat exchanger 35 in gaseous form and reinjects the gaseous carbon dioxide before the entry of the second heat exchanger 15 in the direction of circulation of the fluid heat carrier.
  • the energy stored in the storage register can be used for example by means of a heat pump 31.
  • the energy recovered from the building envelope is not sent to the second exchanger heat for storage, but is used directly. It is clear that part of the energy can be used directly and another sent to the second heat exchanger for storage. It is also clear that the choice of direct use or storage can be changed at any time, depending on immediate or future energy needs.
  • the heat transfer fluid circuit 13 is similar to the circuit of the figure 2 , apart from the fact that it includes an expansion tank 38 arranged to control and adjust the pressure of the heat transfer fluid in circuit 13.
  • This expansion tank 38 is interesting in particular because it allows a particular use of the system of the invention.
  • FIG 3 illustrates in particular a device allowing the use of energy in a manner similar to the embodiment illustrated by the figure 2 , implementing in particular a heat pump 31.
  • This Figure 3 further illustrates a compressor 39 comprising an inlet connected to a part of the heat transfer fluid circuit 13 in which carbon dioxide circulates under gaseous form.
  • This compressor 39 is associated with a fourth heat exchanger 40 whose function is described below.
  • the pressurized gas emerging from the fourth heat exchanger 40 can be reinjected into the heat transfer fluid circuit 13, as is represented by the broken line arrows on the Figure 3 .
  • the pressure of the reinjected gas being greater than the pressure in the heat transfer fluid circuit, the latter uses the expansion tank 38 to adjust the pressure and the temperature of the carbon dioxide in the circuit.
  • storage register 12 can be used as a power source for users.
  • the use of heat pumps is particularly suitable for using the storage register as an energy source and for bringing this energy to the place of use.
  • the system of the invention operates in the following way.
  • the physical parameters of the heat transfer fluid are set so as to allow a phase transition of this fluid along circuit 13. Maintaining the heat transfer fluid in the conditions corresponding to these parameters is ensured by at least one regulator. pressure and/or temperature.
  • the carbon dioxide in liquid form moves along the circuit and part of this heat transfer fluid is found in the first heat exchanger 14, near the solar panel 17.
  • the heat transfer fluid is carbon dioxide and the pressure is set at approximately 50 bars. At this pressure, a phase transition takes place at a temperature of around 12°C to 15°C.
  • carbon dioxide is in liquid form.
  • the member 16 for setting the heat transfer fluid in motion is located in this part of the circuit and includes the pump 27.
  • the carbon dioxide in liquid form moves along the circuit 13 and part of this heat transfer fluid is found in the first heat exchanger 14, near the solar panel.
  • the first heat exchanger is arranged in such a way that the energy captured by the solar panel is transferred to the heat transfer fluid. This energy has the effect of inducing a phase change in carbon dioxide which goes from the liquid state to the gaseous state, without changing temperature.
  • the temperature of the CO 2 can increase , which allows a greater quantity of energy to be stored.
  • the specific enthalpy that carbon dioxide can contain when its state is at the start of the phase transition on the gaseous side is of the order of 235 kJ/kg.
  • This enthalpy at the end of the phase transition, on the liquid state side, is of the order of 415 kJ/kg.
  • This energy is transported along the heat transfer fluid circuit 13 to the second heat exchanger 15.
  • This is placed in the energy storage location, so as to be able to transfer energy from the heat transfer fluid circuit in the storage register 12.
  • storage can advantageously be done in the terrestrial register.
  • the carbon dioxide in gaseous form is circulated in the second heat exchanger 15, the latter being placed in the ground.
  • the ground can have a temperature generally between 12°C and 15°C while the temperature of the gas circulating in the circuit at this location generally has a higher temperature.
  • the circulation in the second heat exchanger has the effect of transferring part of the energy from the carbon dioxide to the terrestrial register which then serves as energy storage.
  • the ground temperature on the one hand varies little depending on the change in surface temperature and on the other hand is practically always below 15°C.
  • the circulation of carbon dioxide in the second heat exchanger implies that it undergoes a phase change from the gaseous state to the liquid state. Energy is therefore transferred from the gas to the terrestrial register.
  • the gas therefore continues its circulation in circuit 13, returning to the starting point in liquid form.
  • the energy stored in the terrestrial register or storage register can serve as an energy source in particular for one or more heat pumps, in particular water-water type heat pumps, operating in a conventional manner.
  • medium or long term storage such as storage in the terrestrial register proposed by the invention is therefore particularly interesting. .
  • geothermal energy is reinjected into the storage register. This allows good management of stored energy and drawn energy to ensure efficient operation of the system.
  • this circuit may include a by-pass allowing the heat transfer fluid to circulate in a or several chosen branches of the circuit depending on the available temperatures. For example, it is possible to close the circuit passing near the solar panels when the temperature of the panels is below a threshold value, while keeping the building envelope circuit open. The reverse is also of course possible. It is also possible to keep both circuits open or to close the circuits if the temperatures are not compatible with use of the system.

Abstract

La présente invention concerne un système de transfert d'énergie thermique d'au moins une source d'énergie vers un registre de stockage. Ce système comporte au moins un circuit de fluide caloporteur formé de dioxyde de carbone, au moins un premier échangeur de chaleur agencé pour capter de l'énergie de la source d'énergie et pour transférer de l'énergie au fluide caloporteur circulant dans le circuit et au moins un organe de mise en circulation du fluide dans ce circuit. Ce système comporte en outre au moins un régulateur de pression et/ou de température du fluide caloporteur, agencé pour régler la pression et/ou la température de ce fluide de telle façon qu'il subisse une transition de phase dans ledit circuit. Le système comporte en outre au moins un deuxième échangeur de chaleur agencé pour transférer de l'énergie du fluide caloporteur vers ledit registre de stockage.L'invention concerne également un procédé de transfert d'énergie thermique d'une source d'énergie vers le registre de stockage au moyen du système décrit ci-dessus. Ce procédée comporte une étape de détermination d'une température de circulation du fluide caloporteur dans le circuit, cette température étant telle que la température du premier échangeur de chaleur puisse être supérieure à la température de circulation du fluide dans le circuit; que la température du deuxième échangeur de chaleur puisse être inférieure à la température de circulation du fluide dans le circuit, et qu'une transition de phase du fluide puisse se produire dans ce circuit. Le procédé comporte également les étapes de détermination d'une pression de circulation du fluide caloporteur telle qu'une transition de phase puisse se produire à la température et à la pression de circulation; de réglage de la pression et de la température de circulation du fluide dans le circuit, et de mise en circulation du fluide dans le circuit à la pression et à la température de circulation.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention concerne le domaine de l'énergie et plus particulièrement le domaine du captage d'énergie thermique dans un endroit donné, de son transport et de son stockage dans un autre endroit, en vue de son utilisation, soit immédiate, soit différée dans le temps.
  • Cette invention concerne plus spécifiquement un système de transfert d'énergie thermique d'au moins une source d'énergie vers un registre de stockage, comportant :
    • au moins un circuit de fluide caloporteur, ce fluide caloporteur comportant du dioxyde de carbone ;
    • au moins un premier échangeur de chaleur agencé pour capter de l'énergie de ladite au moins une source d'énergie et pour transférer de l'énergie au fluide caloporteur circulant dans ledit circuit ;et
    • au moins un organe de mise en circulation du fluide calorifique dans ledit circuit.
  • L'invention concerne également un procédé de transfert d'énergie thermique d'au moins une source d'énergie vers un registre de stockage au moyen d'un système comportant :
    • au moins un circuit de fluide caloporteur comportant du dioxyde de carbone ; et
    • au moins un premier échangeur de chaleur agencé pour capter de l'énergie de ladite au moins une source d'énergie et pour transférer de l'énergie au fluide caloporteur circulant dans ledit circuit.
    ART ANTÉRIEUR
  • Actuellement, il existe de nombreux systèmes de transfert de chaleur ou d'énergie thermique ou calorifiques utilisant un fluide caloporteur circulant dans un circuit. Ce fluide caloporteur se trouve généralement dans un état spécifique de la matière, liquide ou gazeux, et reste dans cet état sur l'ensemble du circuit. Le maintien du fluide caloporteur dans un état spécifique de la matière est souvent recherché. La température du fluide varie en fonction de l'endroit du circuit. Plus précisément, le circuit est généralement associé à au moins une source chaude et au moins une source froide. Le fluide caloporteur passe à proximité de la source chaude et est chauffé par cette source chaude par exemple en utilisant un échangeur de chaleur. Ce fluide caloporteur chaud est ensuite déplacé dans le circuit et cède une partie de son énergie à la source froide, par exemple également au moyen d'un échangeur de chaleur. Le transport d'énergie calorifique est réalisé par les modifications de la température du fluide dans le circuit.
  • Les fluides caloporteurs utilisés peuvent être notamment du liquide (eau, eau glycolée, etc.) ou du gaz (HFC, NH3, etc.). Certains de ces fluides demandent des précautions particulières. Notamment lorsque le liquide est de l'eau, il est nécessaire de prendre des précautions pour que l'eau reste à l'état liquide. En effet, le circuit n'est plus utilisable si l'eau change d'état et passe de l'état liquide à l'état solide. Il est à noter que lorsqu'un système de transfert d'énergie thermique est utilisé dans un environnement dans lequel les conditions sont proches des conditions normales de température et de pression, cette transition de phase se produit naturellement. Les précautions à prendre peuvent notamment comprendre l'adjonction d'un antigel et/ou la mise en place de canalisations à une profondeur permettant d'éviter le gel. Ceci peut renchérir le coût, compliquer la mise en œuvre et impliquer des produits polluants notamment.
  • En ce qui concerne l'utilisation d'eau au niveau des utilisateurs, par exemple avec une pompe à chaleur, l'utilisation d'un antigel a pour effet de diminuer le pouvoir calorifique du mélange eau-antigel et d'encrasser plus rapidement les conduits dans lesquels le mélange circule.
  • Certains autres fluides caloporteurs peuvent notamment être toxiques, explosifs, nocifs pour l'environnement et/ou coûteux et leur mise en œuvre peut être relativement complexe et également nécessiter des précautions particulières.
  • Il existe donc un besoin pour un système de captage, de transport et de stockage d'énergie qui soit bon marché, non toxique, non polluant, non nocif pour les êtres vivants et la nature en général, efficace et facile à mettre en œuvre.
  • De plus, il est avantageux que le fluide caloporteur ait une enthalpie volumique importante. En effet, plus l'enthalpie volumique est importante, plus la quantité d'énergie stockée par unité de volume est grande. Une enthalpie volumique importante évite que la quantité de fluide soit très importante pour transporter ou stocker une quantité d'énergie donnée. Ceci évite notamment l'utilisation de tubes de très grand diamètre, qui poseraient des problèmes lors de la mise en place concrète d'un système de transport d'énergie.
  • Comme indiqué ci-dessus, une manière de « transporter » ou de transférer de l'énergie dans un fluide consiste à modifier sa température. Une autre manière consiste à conserver le fluide à une température constante, tout en modifiant son état, en particulier en le faisant passer de l'état liquide à l'état gazeux et inversement. Selon le fluide caloporteur utilisé, la quantité d'énergie par unité de masse ou enthalpie massique peut être plus ou moins importante.
  • Il existe actuellement des systèmes de transfert de chaleur utilisant du dioxyde de carbone comme fluide caloporteur, ce fluide subissant une transition de phase. Ce fluide présente un certain nombre d'avantages. En particulier, il n'y a pas de risque de transition de phase vers l'état solide dans les conditions dans lesquelles le système est généralement utilisé. Par ailleurs, le dioxyde de carbone a une enthalpie massique ou volumique importante. A titre de comparaison, lorsque de l'eau est utilisée comme fluide caloporteur, des tubes de diamètre de l'ordre d'un mètre sont utilisé pour transporter une certaine quantité d'énergie. Si du dioxyde de carbone est utilisé pour transporter la même quantité d'énergie, des tubes d'un diamètre de l'ordre de 15 cm sont suffisants. De ce fait, l'utilisation de CO2 comme fluide caloporteur est particulièrement intéressante.
  • Dans le cas de l'utilisation de dioxyde de carbone comme fluide caloporteur, il existe un domaine de pressions et de températures qui présente les caractéristiques suivantes :
    • une transition de phase de l'état liquide à l'état gazeux et inversement peut se produire dans une plage de température compatible avec une utilisation dans un environnement « courant » ;
    • la transition de phase peut se produire dans une plage de pression compatible avec des installations techniquement réalisables.
  • Le dioxyde de carbone est actuellement déjà utilisé notamment pour des installations de réfrigération telles que des réfrigérateurs de supermarchés. Dans ce type d'installations, l'énergie nécessaire pour la réfrigération est généralement de l'énergie électrique. L'énergie thermique ou chaleur produite lors de la réfrigération est rarement récupérée.
  • Il existe également des projets pour l'élaboration de systèmes ayant pour objectif de créer un circuit fermé dans lequel du dioxyde de carbone est utilisé pour produire du chaud et/ou du froid par le biais d'une transition de phase. Dans ces projets, les circuits de transfert d'énergie ont besoin d'une ressource géothermique, par exemple une nappe phréatique dont on peut extraire le froid en été et le chaud en hiver. Un tel circuit de transfert d'énergie est relié à une ou plusieurs pompes à chaleur ou à des systèmes de refroidissement qui jouent le rôle d'interface pour chauffer ou refroidir des bâtiments. Une centrale d'équilibrage est chargée de réguler le système pour qu'un équilibre entre CO2 liquide et CO2 gazeux soit assuré.
  • Le but d'un tel système de transfert d'énergie est de créer des synergies en produisant du froid pour une application spécifique et du chaud pour une autre application.
  • Si les besoins des utilisateurs étaient tout le temps complémentaires, le recours à une centrale d'équilibrage et à une ressource géothermique telle que la nappe phréatique ne serait pas nécessaire. En pratique, les besoins des utilisateurs sont rarement complémentaires. La solution proposée pour résoudre les problèmes dus à la différence entre l'offre et la demande en énergie dans les projets actuels est de connecter différents circuits entre eux, à large échelle.
  • Dans la réalité, cette solution de connexion à large échelle ne fait qu'aggraver le problème. En effet, la très grande majorité des réseaux ayant besoin des mêmes ressources au même moment, par exemple du froid en été et du chaud en hiver, la connexion de plusieurs circuits a un effet additif et non un effet compensatoire.
  • Il est bien connu que les besoins en énergie sont moindres en été, en particulier lorsque l'énergie solaire est disponible en grande quantité et relativement simple à capter, plutôt qu'en hiver, quand cette énergie solaire est disponible en moins grandes quantités et plus difficile à capter. Il existe donc un besoin pour répartir l'énergie non pas en termes de localisation des utilisateurs, comme le proposent les projets mentionnés ci-dessus, mais en termes de temps. En d'autres termes, il existe un besoin pour stocker de l'énergie lorsque les ressources externes en énergie sont plus élevées que les besoins et pour puiser l'énergie dans le registre de stockage lorsque les besoins en énergie sont plus importants que les ressources externes.
    • DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • La présente invention se propose de résoudre les problèmes des systèmes de l'art antérieur en proposant un système de transfert d'énergie thermique qui soit en mesure d'une part de capter de l'énergie thermique et d'autre part, de la stocker à moyen ou long terme. De ce fait, contrairement aux systèmes existants, l'énergie captée n'a pas besoin d'être utilisée immédiatement et il n'est pas nécessaire d'équilibrer la production et la consommation de cette énergie. De plus, il est possible de gérer le stock d'énergie de façon relativement souple et simple du fait de la suppression des contraintes temporelles liées à la captation d'énergie et à son utilisation.
  • Les buts de l'invention sont atteints par un système d'échange d'énergie thermique tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'il comporte :
    • au moins un régulateur de pression et/ou de température agencé pour régler la pression et/ou la température du dioxyde de carbone dans ledit circuit de telle façon que le fluide caloporteur subisse une transition de phase dans ledit circuit ; et
    • au moins un deuxième échangeur de chaleur agencé pour transférer de l'énergie du fluide caloporteur vers ledit registre de stockage.
  • Les buts de l'invention sont également atteints par un procédé d'échange d'énergie thermique tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à :
    • déterminer une température de circulation du fluide caloporteur dans le circuit, cette température de circulation étant telle que :
      • ∘ la température du premier échangeur de chaleur soit susceptible d'être supérieure à la température de circulation du fluide caloporteur dans ledit circuit ;
      • ∘ la température du deuxième échangeur de chaleur soit susceptible d'être inférieure à la température de circulation du fluide caloporteur dans ledit circuit ;
      • ∘ une transition de phase du fluide caloporteur entre l'état liquide et l'état gazeux soit susceptible de se produire dans ledit circuit ;
    • déterminer une pression de circulation du fluide caloporteur dans le circuit telle qu'une transition de phase du fluide caloporteur entre l'état liquide et l'état gazeux soit susceptible de se produire à ladite température de circulation du fluide caloporteur ;
    • régler ladite pression de circulation et ladite température de circulation du fluide caloporteur dans le circuit ;
    • mettre en circulation ledit fluide caloporteur dans le circuit à la pression de circulation et à la température de circulation choisies.
  • Lorsque du dioxyde de carbone est utilisé comme fluide caloporteur, il existe un domaine de pressions et de températures dans lequel une transition de phase peut se produire et qui réponde aux contraintes mentionnées ci-dessus, à savoir que les conditions du changement de phase doivent être compatibles avec l'environnement externe tel qu'il existe couramment d'une part et d'autre part, que les installations soient techniquement réalisables. A titre d'exemple, une plage de température d'utilisation possible pourrait être comprise entre 5°C et 30°C et de préférence de l'ordre de 12°C à 15°C et une plage de pressions d'utilisation possible pourrait être comprise entre 40 bars et 60 bars et de préférence de l'ordre de 45 à 55 bars.
  • Dans ces plages de paramètres, le dioxyde de carbone peut passer de l'état gazeux à l'état liquide et inversement, sans changer de température.
  • Dans la description de l'invention, il est indiqué que le transfert d'énergie est réalisé par un changement d'état du fluide caloporteur ou changement de phase. Il est également possible de combiner le principe de l'invention avec le principe utilisé dans les systèmes de l'art antérieur, dans lesquels le transfert d'énergie est réalisé par un changement de température sans changement de l'état de la matière.
  • Concrètement, lorsque par exemple de l'énergie est apportée à un liquide, à une certaine pression, si la température et la pression sont compatibles avec un changement de phase, le fluide se trouve tout d'abord en totalité dans un état liquide. L'apport d'énergie a pour effet de transformer petit à petit une partie du liquide en gaz, sans changement de température. Ce changement d'état se poursuit jusqu'à ce que la totalité du fluide se trouve à l'état gazeux. Un apport supplémentaire d'énergie a pour effet d'augmenter la température du fluide.
  • De manière similaire, dans l'invention, il est possible de dépasser l'état de changement de phase et de poursuivre la transformation du fluide caloporteur par une modification de la température. Dans tous les cas toutefois, le fluide caloporteur passe par un changement d'état de la matière.
  • L'utilisation de dioxyde de carbone comme fluide caloporteur est particulièrement intéressante pour une autre raison. En effet, comme indiqué ci-dessus en lien avec les projets actuels utilisant du CO2, dans les systèmes de transfert ou d'échange de chaleur, il est courant d'utiliser de la géothermie, en puisant de la chaleur dans le sol, par exemple dans une nappe phréatique. Le sol joue le rôle de source chaude. Lorsque de la chaleur est puisée dans le sol, en particulier dans le cadre de systèmes de pompes à chaleur de type sol/eau ou de pompes à chaleur géothermiques, essentiellement deux systèmes de captage sont utilisés, à savoir le captage horizontal et le captage vertical.
  • Le captage horizontal comporte un circuit formé d'un ou plusieurs tubes dans lequel circule un fluide caloporteur. Ces tubes sont enterrés à faible profondeur, sur une grande surface. Le captage vertical comporte également un circuit de fluide caloporteur formé de tubes, les tubes étant enterrés verticalement.
  • Dans les systèmes de captage existants utilisant une pompe à chaleur de type sol/eau ou eau/eau, de l'énergie est extraite du registre de stockage. L'énergie extraite est considérée comme négligeable par rapport à la quantité totale d'énergie disponible. Le registre de stockage, en particulier le registre terrestre n'est jamais rechargé artificiellement ou volontairement en énergie, les capteurs n'étant pas susceptibles de transférer de l'énergie au registre de stockage. Ceci implique qu'il est indispensable d'installer les capteurs dans des zones et de telle manière que l'énergie extraite soit réellement négligeable par rapport à la quantité d'énergie disponible dans la zone considérée. Pour cette raison, en cas de captage horizontal, la surface des capteurs doit être importantes et en cas de captage vertical, la profondeur des capteurs doit être importante.
  • Dans le système selon l'invention, de l'énergie peut être produite par une source, par exemple une source d'énergie renouvelable telle que l'énergie solaire, captée par un capteur approprié, puis stockée dans un registre de stockage, de façon à recharger ce registre en énergie. L'énergie ainsi stockée peut être utilisée plus tard, lorsque les besoins sont plus importants que les ressources externes en particulier.
  • Les températures utilisées sont compatibles avec un stockage dans le registre terrestre et avec l'utilisation de ce registre terrestre comme source froide.
  • L'invention permet donc de stocker de l'énergie à moyen ou long terme, en particulier dans le registre terrestre. Ceci est particulièrement intéressant notamment parce que certaines énergies renouvelables comme l'énergie solaire sont disponibles dans les quantités les plus importante au moment où elles sont le moins utiles. Il est donc avantageux de pouvoir capter de l'énergie solaire en été, lorsqu'elle est abondante, et de la stocker pour pouvoir l'utiliser en hiver, lorsqu'elle est peu abondante, mais que la demande en énergie est importante.
  • Par ailleurs, le stockage de l'énergie permet de remplacer l'énergie qui a été prélevée du registre de stockage. Ceci permet notamment d'éviter le refroidissement des terrains dans lesquels des sondes géothermiques horizontales sont installées. Ceci permet également d'utiliser des plans d'eau ou des nappes phréatiques comme registre de stockage.
  • Contrairement aux sondes géothermiques existantes qui ne sont utilisés que comme éléments prélevant de l'énergie de l'environnement, le système selon l'invention peut également être utilisé comme élément apportant de l'énergie thermique à son environnement.
  • Le fait qu'un échangeur de chaleur tel qu'utilisé dans l'invention puisse être utilisé comme élément fournissant de l'énergie à son environnement présente plusieurs avantages. Il peut notamment être utilisé dans des endroits ou dans des volumes dans lesquels l'énergie puisée n'est pas considérée comme négligeable par rapport à l'énergie disponible. Dans les systèmes de capteurs conventionnels, les sondes doivent être suffisamment éloignées les unes des autres pour qu'elles ne s'influencent pas mutuellement. A défaut, l'énergie prélevée par l'une des sondes refroidirait le terrain à proximité d'une autre sonde, diminuant ainsi le rendement global.
  • Dans l'invention au contraire, le registre de stockage est rechargé en énergie de façon régulière, de sorte qu'il est possible de prélever de l'énergie de sondes proches les unes des autres. Ceci permet notamment de disposer plusieurs sondes de façon proche les unes des autres, ce qui autorise une mise en place dans des endroits dans lesquels la place est limitée. Lorsque les capteurs sont horizontaux en particulier, ils ne peuvent être mis en place que dans des zones dans lesquels le terrain disponible est suffisamment grand. Si des capteurs géothermiques doivent être mis en place dans des zones disposent de peu de terrain, des sondes verticales doivent être installées, ce qui implique des coûts élevés.
  • Dans l'invention, des surfaces relativement faibles sont nécessaires puisque les sondes peuvent être nettement plus proches les unes des autres que dans les systèmes existants. Par ailleurs, les sondes sont installées à faible profondeur, ce qui évite les coûts liés à des forages profonds.
  • Le système selon l'invention peut également être intéressant en ce qui concerne le captage d'énergie thermique provenant d'une source d'énergie dite source chaude. Lorsque cette source chaude utilise l'énergie solaire, en particulier lorsque le système de l'invention comporte un ou plusieurs panneaux photovoltaïques, le rendement des panneaux varie en fonction de leur température. En particulier, lorsque la température d'un panneau photovoltaïque dépasse 25°C, son rendement diminue d'environ 0.4% par degré. De manière similaire, lorsque les panneaux sont recouverts de neige, leur rendement peut devenir totalement nul. Dans le cas du système selon l'invention, la température des panneaux solaires peut être contrôlée et maintenue dans une plage déterminée. Cette plage peut par exemple être comprise entre 12°C et 15°C. De cette façon, le rendement de panneaux photovoltaïques est intéressant puisque la température ne dépasse pas 25°C. En cas de neige, cette température permet de chauffer les panneaux suffisamment pour faire fondre la neige et donc permettre le fonctionnement de ces panneaux dans pratiquement n'importe quelle condition climatique.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La présente invention et ses avantages seront mieux compris en référence aux figures annexées et à la description détaillée d'un mode de réalisation particulier, dans lesquelles :
    • la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un système de transfert et de stockage d'énergie selon l'invention ;
    • la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation d'un système de transfert et de stockage d'énergie selon l'invention ;
    • la figure 3 illustre un troisième mode de réalisation d'un système selon la présente invention ;
    • la figure 4a est une vue de face d'une partie d'un échangeur de chaleur tel qu'utilisé dans un système selon l'invention ;
    • la figure 4b est une vue de dessus de la partie de l'échangeur de chaleur de la figure 4a;
    • la figure 4c est une vue de face d'une autre partie de l'échangeur de chaleur partiellement représenté par la figure 4a ;
    • la figure 4d est une vue de dessus de la partie de l'échangeur de chaleur de la figure 4c;
    • la figure 4e est une vue de dessus de l'échangeur de chaleur comportant les parties illustrées par les figures 4a à 4d ; et
    • la figure 5 est un abaque représentant les différents états du dioxyde de carbone en fonction de la pression et de la température, ainsi que l'enthalpie massique en fonction de ces paramètres.
    MODE DE REALISATION DE L'INVENTION
  • En référence à la figure 1, le système de transfert d'énergie thermique 10 l'invention coopère avec une source d'énergie, dite source chaude 11 et avec un puit d'énergie ou registre de stockage ou registre terrestre 12, dit source froide. Ce système selon l'invention comporte essentiellement un circuit 13 dans lequel circule un fluide caloporteur, un premier échangeur de chaleur 14 disposé entre la source chaude 11 et le circuit 13 de fluide caloporteur, un deuxième échangeur de chaleur 15 disposé entre la source froide ou registre de stockage 12 et le circuit 13 de fluide caloporteur et un organe 16 de mise en mouvement du fluide caloporteur dans le circuit.
  • Dans le mode de réalisation illustré, la source chaude 11 est le soleil et son énergie est captée par au moins un panneau solaire 17 du type panneau solaire thermique. Il est avantageux, pour des questions de coût et de respect de l'environnement notamment, que la source chaude soit une énergie renouvelable. Les sources d'énergies potentielles utilisables sont notamment la chaleur du soleil, de l'énergie thermique produite par géothermie, la récupération de pertes de bâtiments, d'installations industrielles ou domestiques, etc. D'autres sources d'énergie, et en particulier des sources d'énergie non-renouvelables peuvent également être utilisées.
  • La température que la source chaude peut atteindre doit être supérieure à une valeur de seuil appelée température de vaporisation. Il n'est toutefois pas nécessaire que la température de la source chaude soit toujours au-dessus de cette température de vaporisation. La température de vaporisation est la température à laquelle le fluide caloporteur subit un changement de phase de l'état liquide à l'état gazeux dans les conditions de pressions rencontrées dans le circuit de fluide caloporteur. Cette température de vaporisation étant la température à laquelle circule le fluide caloporteur dans le circuit, elle est également appelée température de circulation dans le présent texte.
  • Le premier échangeur de chaleur 14 est agencé pour transférer de la chaleur de la source chaude 11 vers une portion du fluide caloporteur qui passe dans le circuit à proximité de la source chaude. Cet échangeur de chaleur 14 est bien entendu adapté au type de source chaude utilisée.
  • Le fluide caloporteur circule dans le circuit 13 à une pression donnée, compatible avec un changement de phase du dioxyde de carbone, et en lien avec la température de vaporisation ou de circulation. Selon un mode de réalisation concret, le dioxyde de carbone circule à une pression comprise en 45 et 60 bars. A cette pression, la température à laquelle une transition de phase peut se produire est comprise entre environ 10°C et 20°C comme cela est visible à partir de la figure 5. En pratique, une plage de températures particulièrement intéressante s'étend de 12°C à 15°C. La température de vaporisation mentionnée précédemment est comprise dans cette plage. Il est fréquent qu'un panneau solaire atteigne une température égale ou supérieure à cette température de vaporisation. Il est donc fréquent que le fluide caloporteur contenu dans le circuit 13 de fluide caloporteur soit partiellement ou totalement en phase gazeuse, à proximité de la source chaude et/ou dans le premier échangeur de chaleur 14.
  • Dans les modes de réalisation illustrés par les figures 1 à 3, le registre terrestre joue le rôle de source froide pour le circuit de fluide caloporteur, de capteur ou puit d'énergie et de registre de stockage. Ce registre terrestre 12 peut être compris au sens large en ce qu'il englobe notamment également un stockage dans une réserve d'eau tel qu'un lac, un bassin, un réservoir, une nappe phréatique, etc. Cette source froide doit pouvoir atteindre une température inférieure à une valeur de seuil, appelée température de liquéfaction. De façon symétrique à la source chaude, il n'est toutefois pas nécessaire que la température de la source froide soit toujours inférieure à cette température de liquéfaction.
  • En règle générale, la température de vaporisation et la température de liquéfaction sont égales à la température de transition de phase du CO2 à la pression de ce CO2 dans le circuit de fluide caloporteur. Cette température de liquéfaction est également appelée température de circulation. Selon un mode de réalisation concret, la température de liquéfaction peut également être comprise entre 12°C et 15°C.
  • Lorsque le stockage est réalisé dans le registre terrestre, il est relativement courant que la température du registre terrestre soit inférieure à la température de liquéfaction. Ainsi, le fluide circulant dans le circuit à proximité de la source froide peut passer de l'état gazeux à l'état liquide.
  • Le deuxième échangeur de chaleur 15 est agencé pour transférer de la chaleur du fluide contenu dans le circuit 13 vers le registre de stockage.
  • Un exemple d'un tel échangeur de chaleur est en particulier illustré par les figures 4a à 4d. Cet échangeur de chaleur 15 comporte au moins un circuit de fluide caloporteur 18 illustré de face par la figure 4a et de dessus par la figure 4b. De façon plus détaillée, l'échangeur de chaleur 15 comporte un conduit d'entrée 19 de fluide caloporteur et un conduit de sortie 20 de fluide caloporteur. Ce conduit d'entrée 19 et ce conduit de sortie 20 sont reliés par des tubes 21. Les tubes et les conduits sont dimensionnés de façon à permettre la circulation du dioxyde de carbone à une température et à une pression correspondant à la température et à la pression du dioxyde de carbone dans le circuit de fluide caloporteur 13.
  • Dans le mode de réalisation illustré en particulier par les figures 4c et 4d, le deuxième échangeur de chaleur 15 comporte un circuit d'eau 22. Différents modes de réalisation sont possibles pour ce circuit d'eau. Selon un mode de réalisation particulier, le circuit d'eau 22 comporte deux conduits, à savoir un conduit d'entrée d'eau 23 et un conduit de sortie d'eau 24, disposés de façon concentrique respectivement au conduit d'entrée 19 de fluide caloporteur et au conduit de sortie 20 de fluide caloporteur. Ces conduits d'eau sont reliés par un plan d'eau 25 délimité par deux panneaux 26 et fermés vers le haut et le bas de façon à pouvoir faire circuler de l'eau entre les deux conduits d'eau. De cette façon, les conduits 19, 20 de dioxyde de carbone ainsi que les tubes 21 de dioxyde de carbone de cet échangeur de chaleur baignent dans l'eau et sont en mesure de transférer de l'énergie à cette eau. Il est à noter que les panneaux 26 délimitant le plan d'eau peuvent avoir différentes configurations, en particulier pour résister à des pressions.
  • Le deuxième échangeur de chaleur 15 est destiné à être placé dans le registre de stockage, en particulier le registre terrestre. Dans ce cas, l'énergie transportée par le dioxyde de carbone est tout d'abord transférée à l'eau et l'énergie transférée dans l'eau est ensuite transférée au registre terrestre. Ainsi, le deuxième échangeur de chaleur joue un rôle double. Ceci peut être intéressant en ce sens que le deuxième échangeur de chaleur est également utilisé comme élément de stockage d'eau.
  • Lorsqu'un tel échangeur de chaleur est mis en place dans le sol, de la terre ou un matériau assurant un contact thermique entre le registre terrestre et l'échangeur de chaleur peut être mis en place. Ce matériau peut être notamment de la terre, de la terre glaise, de la boue, de l'argile,...
  • Il est possible de placer plusieurs échangeurs de chaleur 15 à proximité l'un de l'autre afin d'augmenter la surface d'échange entre le registre de stockage et les échangeurs de chaleur et afin d'augmenter le volume de stockage.
  • Comme indiqué plus haut, le système comporte en outre un organe 16 de mise en mouvement du fluide caloporteur dans le circuit. Comme également mentionné, le fluide caloporteur se présente sous forme de gaz dans une partie du circuit et sous forme de liquide dans une autre partie du circuit. L'organe 16 de mise en mouvement du fluide caloporteur a pour fonction de faire circuler le fluide caloporteur dans le circuit 13. En fonction de l'état du fluide caloporteur et en fonction de l'endroit où cet organe 16 se trouve, il pourra prendre la forme d'une pompe, destinée à mettre en mouvement un liquide, ou d'un compresseur, destiné à mettre en mouvement un gaz. Pour des questions économiques, il est généralement plus avantageux d'utiliser une pompe et de la placer dans la zone dans laquelle le fluide caloporteur se trouve en phase liquide, plutôt qu'un compresseur.
  • Dans les figures 1 à 3, les zones du circuit de fluide caloporteur dans lesquelles le dioxyde de carbone se présente sous forme liquide sont représentées en traits pleins. Les zones du circuit dans lesquelles le dioxyde de carbone se présente sous forme gazeuse sont représentées en traits interrompus.
  • Dans le mode de réalisation illustré par la figure 1, le circuit comporte une pompe 27 agencée pour faire circuler le dioxyde de carbone en phase liquide. La circulation du dioxyde de carbone est représentée dans le sens horaire sur les figures 1 à 3. Le circuit 13 comporte le premier échangeur 14 mentionné précédemment et agencé pour transférer de la chaleur de la source chaude vers le fluide caloporteur. Ce premier échangeur de chaleur 14 comporte une entrée 28 de dioxyde de carbone liquide. Du fait du captage d'énergie provenant de la source chaude, le dioxyde de carbone liquide entrant dans le premier échangeur de chaleur subit un changement de phase et devient au moins partiellement gazeux. Ce gaz est évacué par une sortie 29 du premier échangeur de chaleur 14. Ce gaz circule ensuite dans le circuit 13 de fluide caloporteur en direction du deuxième échangeur de chaleur 15.
  • Ce deuxième échangeur de chaleur 15 comporte une entrée 30 agencée pour recevoir du dioxyde de carbone sous forme gazeuse provenant de la sortie du premier échangeur de chaleur. Ce deuxième échangeur de chaleur est en contact avec le puit d'énergie, ce puit d'énergie prélevant de l'énergie du fluide caloporteur circulant dans ce deuxième échangeur de chaleur. Le dioxyde de carbone subit une nouvelle transition de phase pour redevenir liquide, comme cela est expliqué plus en détail plus bas.
  • Le deuxième échangeur de chaleur 15 permet le stockage d'énergie dans le registre terrestre. Ce registre terrestre peut être utilisé comme source d'énergie pour une ou plusieurs pompes à chaleur 31, notamment des pompes à chaleur de type eau-eau.
  • L'utilisation du registre terrestre comme élément de stockage en lien avec l'utilisation de dioxyde de carbone est particulièrement intéressant pour différentes raisons. D'une part, la quantité d'énergie qu'il est possible de stocker en modifiant peu la température du lieu de stockage est importante. La température moyenne du sol à une profondeur comprise entre 1m et 10m, dans de nombreux endroits du globe est compatible avec les températures requises pour un changement de phase du dioxyde de carbone, à des pressions techniquement atteignables. L'utilisation d'énergie stockée, notamment au moyen de pompes à chaleur permet de diminuer la température du registre de stockage dans le cas où celle-ci deviendrait trop élevée pour un changement d'état du fluide caloporteur. Il est donc relativement simple de gérer la température du registre pour assurer un bon fonctionnement du système.
  • Un autre élément important est le fait que la température du registre terrestre est relativement constante dans une plage de température. Cette plage de température dépend de l'endroit sur terre, mais dans les régions à climats tempérés, elle est typiquement comprise entre 12°C et 15°C. Il est clair qu'à ces températures, l'eau utilisée dans les pompes à chaleur eau-eau ne gèle pas et n'a pas besoin d'antigel. Il en résulte un meilleur pouvoir calorifique comparé à un mélange eau-antigel, un encrassement moindre des circuits dans lesquels circule cette eau et un coût moindre.
  • Dans le mode de réalisation illustré par la figure 2, en plus du circuit représenté par la figure 1, le circuit 13 de fluide caloporteur comporte une branche annexe 32 pourvue d'une entrée 33 matérialisée par une vanne trois voies d'entrée et une sortie 34 également matérialisée par une vanne trois voies, dite vanne trois voies de sortie. Dans cette branche annexe 32, un troisième échangeur de chaleur 35 est prévu, celui-ci étant agencé pour utiliser comme source d'énergie, de l'énergie liée à un bâtiment et considérée généralement comme des pertes. Ces pertes peuvent notamment être de la chaleur s'échappant de l'enveloppe d'un bâtiment, tel que par les murs ou le toit.
  • Elles peuvent également être des pertes dues par exemple à des installations frigorifiques ou autres.
  • Ce troisième échangeur de chaleur 35 comporte une entrée 36 et une sortie 37, la sortie 37 étant connectée à la vanne trois voie de sortie. L'une des sorties de la vanne est utilisée lorsque le dioxyde de carbone ressort de ce troisième échangeur de chaleur 35 sous forme liquide et réinjecte le dioxyde de carbone liquide dans une zone du circuit 13 de fluide caloporteur dans laquelle le dioxyde de carbone se présente sous forme liquide. La deuxième sortie de la vanne trois voies est utilisée lorsque le dioxyde de carbone ressort de ce troisième échangeur de chaleur 35 sous forme gazeuse et réinjecte le dioxyde de carbone gazeux avant l'entrée du deuxième échangeur de chaleur 15 dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  • Comme dans le mode de réalisation illustré par la figure 1, l'énergie stockée dans le registre de stockage peut être utilisée par exemple au moyen d'une pompe à chaleur 31. Dans le mode de réalisation de la figure 2, il est également possible de prélever l'énergie directement au niveau du troisième échangeur de chaleur 35 pour faire fonctionner une pompe à chaleur 31. Dans ce cas, l'énergie récupérée de l'enveloppe du bâtiment n'est pas envoyée au deuxième échangeur de chaleur en vue de son stockage, mais est utilisée directement. Il est clair qu'une partie de l'énergie peut être utilisée directement et une autre envoyée au deuxième échangeur de chaleur pour stockage. Il est également clair que le choix de l'utilisation directe ou du stockage peut être modifié à n'importe quel moment, en fonction des besoins immédiats ou futurs en énergie.
  • Dans la figure 3, le circuit 13 de fluide caloporteur est similaire au circuit de la figure 2, mis à part qu'il comporte un vase d'expansion 38 agencé pour contrôler et régler la pression du fluide caloporteur dans le circuit 13.
  • Ce vase d'expansion 38 est intéressant notamment du fait qu'il permet une utilisation particulière du système de l'invention. La figure 3 illustre en particulier un dispositif permettant l'utilisation d'énergie de manière similaire au mode de réalisation illustré par la figure 2, mettant en œuvre en particulier une pompe à chaleur 31. Cette figure 3 illustre en outre un compresseur 39 comportant une entrée connectée à une partie du circuit 13 de fluide caloporteur dans laquelle circule du dioxyde de carbone sous forme gazeuse. Ce compresseur 39 est associé à un quatrième échangeur 40 de chaleur dont la fonction est décrite ci-dessous.
  • Lorsque du dioxyde de carbone sous forme gazeuse est prélevé dans le circuit 13 de fluide caloporteur à une certaine pression, il est introduit dans le compresseur 39 pour y être comprimé. Comme cela est bien connu, la compression de gaz à volume constant a pour effet d'augmenter sa température. A titre d'exemple, la température du gaz initialement à 50 bars et à une température de 15°C atteint pratiquement 73°C à une pression de 60 bars. Cette augmentation de température étant extrêmement rapide, le gaz chaud peut être transféré au quatrième échangeur de chaleur 40 et peut chauffer par exemple de l'eau chaude sanitaire. Ceci évite les problèmes et la complexité liés au stockage d'eau chaude, notamment le volume requis pour le stockage, l'isolation de l'élément de stockage, son entretien, etc.
  • Le gaz sous pression ressortant du quatrième échangeur de chaleur 40 peut être réinjecté dans le circuit 13 de fluide caloporteur, comme cela est représenté par les flèches en trait interrompus sur la figure 3. La pression du gaz réinjecté étant supérieure à la pression dans le circuit de fluide caloporteur, ce dernier utilise le vase d'expansion 38 pour ajuster la pression et la température du dioxyde de carbone dans le circuit.
  • Dans les trois modes de réalisation illustrés, le registre de stockage 12 peut être utilisé comme source d'énergie pour des utilisateurs. L'utilisation de pompes à chaleur est particulièrement adéquate pour utiliser le registre de stockage comme source d'énergie et pour apporter cette énergie au lieu de son utilisation.
  • Selon un premier mode de réalisation de l'invention, décrit en particulier en référence à la figure 1, le système de l'invention fonctionne de la façon suivante.
  • Tout d'abord, les paramètres physiques du fluide caloporteur sont fixés de façon à permettre une transition de phase de ce fluide le long du circuit 13. Le maintien du fluide caloporteur dans les conditions correspondant à ces paramètres est assuré par au moins un régulateur de pression et/ou de température. Le dioxyde de carbone sous forme liquide se déplace le long du circuit et une partie de ce fluide caloporteur se trouve dans le premier échangeur de chaleur 14, à proximité du panneau solaire 17.
  • Selon un mode de réalisation particulièrement intéressant, le fluide caloporteur est du dioxyde de carbone et la pression est fixée à environ 50 bars. A cette pression, une transition de phase s'opère à une température de l'ordre de 12°C à 15°C.
  • Dans une partie du circuit 13, représentée en traits pleins sur les figures 1 à 3, le dioxyde de carbone se présente sous forme liquide. L'organe de mise en mouvement 16 du fluide caloporteur se trouve dans cette partie du circuit et comporte la pompe 27.
  • Le dioxyde de carbone sous forme liquide se déplace le long du circuit 13 et une partie de ce fluide caloporteur se trouve dans le premier échangeur de chaleur 14, à proximité du panneau solaire. Dans cette zone, le premier échangeur de chaleur est disposé de telle façon que de l'énergie captée par le panneau solaire soit transférée au fluide caloporteur. Cette énergie a pour effet d'induire un changement de phase du dioxyde de carbone qui passe de l'état liquide à l'état gazeux, sans changer de température.
  • Selon la quantité d'énergie captée par les panneaux solaires ou plus généralement par la source chaude, lorsque la transition de phase du fluide caloporteur est terminée et que la totalité du dioxyde de carbone se trouve sous forme gazeuse, la température du CO2 peut augmenter, ce qui permet de stocker une quantité d'énergie plus importante.
  • L'enthalpie massique que peut contenir du dioxyde de carbone lorsque son état se trouve au début de la transition de phase du côté de l'état gazeux est de l'ordre de 235 kJ/kg. Cette enthalpie en fin de transition de phase, du côté de l'état liquide est de l'ordre de 415 kJ/kg. Lors du changement de phase de l'état liquide à l'état gazeux, le dioxyde de carbone est capable de stocker 415 - 235 = 180 kJ/kg.
  • Cette énergie est transportée le long du circuit 13 de fluide caloporteur jusqu'au deuxième échangeur de chaleur 15. Celui-ci est placé dans le lieu de stockage de l'énergie, de façon à pouvoir céder de l'énergie du circuit de fluide caloporteur au registre de stockage 12. Comme indiqué plus haut, le stockage peut avantageusement se faire dans le registre terrestre. Dans ce cas, le dioxyde de carbone sous forme gazeuse est mis en circulation dans le deuxième échangeur de chaleur 15, celui-ci étant disposé dans le sol. Le sol peut avoir une température généralement comprise entre 12°C et 15°C alors que la température du gaz circulant dans le circuit à cet endroit a généralement une température plus élevée. La circulation dans le deuxième échangeur de chaleur a pour effet de transférer une partie de l'énergie du dioxyde de carbone au registre terrestre qui sert alors de stockage d'énergie.
  • Dans la pratique, à partir d'une certaine profondeur, typiquement de l'ordre de 2 m, la température du sol d'une part varie peu en fonction du changement de température en surface et d'autre part est pratiquement toujours en dessous de 15°C. Au pressions et températures choisies, la circulation du dioxyde de carbone dans le deuxième échangeur de chaleur implique que celui-ci subisse un changement de phase de l'état gazeux à l'état liquide. De l'énergie est donc transférée du gaz au registre terrestre.
  • Le gaz poursuit donc sa circulation dans le circuit 13 en retournant au point de départ sous forme liquide.
  • Comme indiqué précédemment, l'énergie stockée dans le registre terrestre ou registre de stockage peut servir de source d'énergie en particulier pour une ou plusieurs pompes à chaleur, notamment des pompes à chaleur de type eau-eau, fonctionnant de façon conventionnelle.
  • Ce système est particulièrement intéressant à plusieurs points de vue. En effet, l'énergie récupérée de systèmes d'énergie renouvelables est généralement relativement difficile à stocker à long terme. Cette énergie est souvent stockée sous forme électrique dans des batteries. Ces batteries sont généralement couteuses et utilisent des matériaux tels que le lithium notamment, dont les ressources sont limitées.
  • Pour résoudre ce problème de stockage et celui du décalage entre le moment où l'énergie et captée et le moment où elle est utilisée, le stockage à moyen ou long terme comme le stockage dans le registre terrestre proposé par l'invention est donc particulièrement intéressant.
  • Par ailleurs, contrairement à la majorité des systèmes géothermiques existants, de l'énergie géothermique est réinjectée dans le registre de stockage. Ceci permet une bonne gestion de l'énergie stockée et de l'énergie prélevée pour assurer un fonctionnement efficace du système.
  • Dans le cas où le circuit de fluide caloporteur comporte plusieurs branches, ce circuit peut comporter un by-pass permettant de faire circuler le fluide caloporteur dans une ou plusieurs branches choisies du circuit en fonction des températures disponibles. A titre d'exemple, il est possible de fermer le circuit passant à proximité des panneaux solaires lorsque la température des panneaux est inférieure à une valeur de seuil, tout en maintenant le circuit de l'enveloppe de bâtiments ouverts. L'inverse est également bien entendu possible. Il est également possible de maintenir les deux circuits ouverts ou de fermer les circuits si les températures ne sont pas compatibles avec une utilisation du système.

Claims (12)

  1. Système de transfert d'énergie thermique d'au moins une source d'énergie vers un registre de stockage (12), comportant :
    • au moins un circuit (13) de fluide caloporteur, ce fluide caloporteur comportant du dioxyde de carbone ;
    • au moins un premier échangeur de chaleur (14) agencé pour capter de l'énergie de ladite au moins une source (11) d'énergie et pour transférer de l'énergie au fluide caloporteur circulant dans ledit circuit ;
    • au moins un organe (16) de mise en circulation du fluide caloporteur dans ledit circuit (13) ;
    ce système de transfert d'énergie thermique étant caractérisé en ce qu'il comporte :
    • au moins un régulateur de pression et/ou de température agencé pour régler la pression et/ou la température du dioxyde de carbone dans ledit circuit (13) de fluide caloporteur de telle façon que ce fluide caloporteur subisse une transition de phase dans ledit circuit ; et
    • au moins un deuxième échangeur de chaleur (15) agencé pour transférer de l'énergie du fluide caloporteur vers ledit registre de stockage (12).
  2. Système de transfert d'énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit registre de stockage (12) est un registre terrestre.
  3. Système de transfert d'énergie thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit registre de stockage (12) comporte de l'eau.
  4. Système de transfert d'énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (16) de mise en circulation du fluide calorifique est une pompe (27).
  5. Système de transfert d'énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (16) de mise en circulation du fluide calorifique est un compresseur.
  6. Système de transfert d'énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce système comporte au moins un troisième échangeur de chaleur (35) agencé pour récupérer de l'énergie thermique provenant d'une enveloppe de bâtiment.
  7. Système de transfert d'énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit régulateur de pression et/ou de température comporte un vase d'expansion (38).
  8. Procédé de transfert d'énergie thermique d'au moins une source d'énergie vers un registre de stockage (12) au moyen d'un système comportant :
    • au moins un circuit (13) de fluide caloporteur comportant du dioxyde de carbone ;
    • au moins un premier échangeur de chaleur (14) agencé pour capter de l'énergie de ladite au moins une source (11) d'énergie et pour transférer de l'énergie au fluide caloporteur circulant dans ledit circuit ;
    • au moins un deuxième échangeur de chaleur (15) agencé pour transférer de l'énergie du fluide caloporteur vers ledit registre de stockage (12) ;
    ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à :
    • déterminer une température de circulation du fluide caloporteur dans le circuit (13) de fluide caloporteur, cette température de circulation étant telle que :
    ∘ la température du premier échangeur de chaleur (14) soit susceptible d'être supérieure à la température de circulation du fluide caloporteur dans ledit circuit ;
    ∘ la température du deuxième échangeur de chaleur (15) soit susceptible d'être inférieure à la température de circulation du fluide caloporteur dans ledit circuit ;
    ∘ une transition de phase du fluide caloporteur entre l'état liquide et l'état gazeux soit susceptible de se produire dans ledit circuit ;
    • déterminer une pression de circulation du fluide caloporteur dans le circuit (13) telle qu'une transition de phase du fluide caloporteur entre l'état liquide et l'état gazeux soit susceptible de se produire à ladite température de circulation du fluide caloporteur ;
    • régler ladite pression de circulation et ladite température de circulation du fluide caloporteur dans le circuit ;
    • mettre en circulation ledit fluide caloporteur dans le circuit à la pression de circulation et à la température de circulation choisies.
  9. Procédé de transfert d'énergie thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite température de circulation est comprise entre 5°C et 30°C.
  10. Procédé de transfert d'énergie thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite température de circulation est comprise entre 12°C et 15°C.
  11. Procédé de transfert d'énergie thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pression du dioxyde de carbone dans le circuit de fluide caloporteur est comprise entre 40 et 65 bars.
  12. Procédé de transfert d'énergie thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pression du dioxyde de carbone dans le circuit de fluide caloporteur est comprise entre 45 et 55 bars.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6668572B1 (en) * 2002-08-06 2003-12-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Air conditioner having hot/cold water producing device
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