EP4355985A1 - Systeme de recuperation d'energie de compression d'un gaz, liquefacteur comprenant un tel systeme et procede de recuperation d'energie de compression d'un gaz - Google Patents

Systeme de recuperation d'energie de compression d'un gaz, liquefacteur comprenant un tel systeme et procede de recuperation d'energie de compression d'un gaz

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EP4355985A1
EP4355985A1 EP22735215.0A EP22735215A EP4355985A1 EP 4355985 A1 EP4355985 A1 EP 4355985A1 EP 22735215 A EP22735215 A EP 22735215A EP 4355985 A1 EP4355985 A1 EP 4355985A1
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EP
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gas
heat
heat exchanger
liquefier
adiabatic
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Loïc PENIN
Géraldine PALISSAT
Louis-Vianney Mabille De La Paumeliere
Pierre CHABERNAUD
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ArianeGroup SAS
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    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream

Definitions

  • This presentation relates to the compression of a gas and in particular the recovery of gas compression energy.
  • the liquefaction of a gas generally requires a step of compressing the gas at high pressure.
  • This compression stage is qualified as isothermal and is generally carried out by a succession of adiabatic compression stages during which the gas is heated. Thus, between each compression stage, the gas is cooled before entering the next compression stage.
  • the gas is cooled in a heat exchanger.
  • liquefiers also called “liquefier” in English
  • the heat recovered in this heat exchanger is either lost to the atmosphere or, for example as described in JP2005241232, used as a hot source for the vaporization of natural gas liquid.
  • the liquefier-liquefied natural gas installation coupling implies that the liquefier and the liquefied natural gas installation are in the same place. Also, this heat recovery solution greatly limits the possibility of recovering this heat, in particular the number of liquefied natural gas installation sites, the fluctuation in demand for liquefied natural gas which will have an impact on cooling compressed gas between two compression stages as well as safety constraints linked to the presence of liquefied natural gas and liquid hydrogen, for example.
  • the present presentation relates to a system for recovering energy from the compression of a gas, the system comprising an organic Rankine cycle module and an adiabatic compressor, the organic Rankine cycle module comprising a fluid coolant and the adiabatic compressor comprising N stages of adiabatic compression of the gas, N being greater than or equal to 2, and, downstream of each stage of adiabatic compression, two heat exchangers, a first heat exchanger configured to extract heat from the gas leaving the adiabatic compression stage and reheating the heat transfer fluid passing through the first heat exchanger and a second heat exchanger configured to extract heat from the gas leaving the first heat exchanger to a cold source passing through the second heat exchanger.
  • upstream and downstream are defined with respect to the normal flow direction of the gas in the system.
  • a second element arranged downstream of a first element receives the gas which leaves the first element.
  • an organic Rankine cycle module comprises at least one heat exchanger configured to heat the heat transfer fluid circulating in the module from a heat source external to the module, a device for expanding the heated heat transfer fluid, a condenser to cool the heat transfer fluid and a pump to circulate the heat transfer fluid in the module.
  • the expansion device makes it possible to expand the heated and pressurized heat transfer fluid and to transform the energy recovered in the form of heat into mechanical energy.
  • the expansion device is generally coupled to an energy recovery device making it possible to transform the mechanical energy recovered at the output of the expansion device into usable energy.
  • the hot source is the gas leaving a compression stage of the adiabatic compressor.
  • the system comprising, after each compression stage, a first heat exchanger configured to exchange heat between the gas leaving a compression stage and the heat transfer fluid of the organic Rankine cycle module, part of the heat generated during the adiabatic compression of the gas is recovered in the heat transfer fluid of the organic Rankine cycle module, the heated heat transfer fluid is then expanded in order to produce energy.
  • the expansion device can be a turbine or a volumetric expansion device, for example of the spiral type, also identified according to the term in English as “scroll” type volumetric expansion devices. .
  • a turbine for example greater than or equal to 7
  • a volumetric expansion device for lower expansion ratios, preference will be given to a volumetric expansion device. Criteria other than the expansion ratio can also be taken into consideration in the choice of the expansion device.
  • the expansion device can be coupled to an electric generator to recover energy in electrical form.
  • the electrical energy produced can be used to power components of the system itself or components external to the system, or even be injected into the electrical network.
  • the compressor of the isothermal compression stage can be a volumetric compressor or a centrifugal compressor.
  • the second heat exchanger can be a gas-air exchanger.
  • the second heat exchanger can be a gas-water exchanger.
  • the heat transfer fluid may have a boiling point between an inlet temperature of the cold source and an outlet temperature of the gas in the adiabatic compression stage.
  • the heat transfer fluid can be methanol, isobutane or ethanol.
  • This presentation also relates to a liquefier comprising a system as defined above.
  • the electrical energy produced can be used to supply components of the liquefier itself or components external to the liquefier, or even be injected into the electrical network.
  • the energy recovery can be around 2% to 5% of the power required to operate the liquefier, which is not negligible with regard to the service life of a liquefier, which can be at least 20 years.
  • the gas may be the gas to be liquefied.
  • the liquefier may be a refrigerated liquefier comprising at least one cooling circuit and the gas is the gas from the at least one cooling circuit of the refrigerated liquefier and/or the gas to be liquefied.
  • the gas compression energy recovery system can be implemented at the level of the compression stages of at least one cooling circuit. cooling.
  • the gas of the cooling circuit of the refrigerated liquefier can be a pure gas or a mixture of gases.
  • Pure gas means a gas comprising at least 99% of a gaseous compound.
  • the gas to be liquefied can be hydrogen, nitrogen, helium or natural gas.
  • This presentation also relates to a method for recovering energy from the compression of a gas, the method comprising the following steps: a) adiabatic compression of the gas in an adiabatic compression stage; b) extracting part of the heat from the gas compressed in a first heat exchanger comprising a heat transfer fluid from an organic Rankine cycle module; c) extracting part of the heat from the gas coming from the first heat exchanger in a second heat exchanger comprising a cold source; repeating steps a) to c) N times, N being greater than or equal to 2; using the heat extracted in the first heat exchanger to generate power in the organic Rankine cycle module.
  • Figure 1 is a schematic view of a liquefier.
  • Figure 2 is a schematic view of a gas compression energy recovery system.
  • Figure 3 is a schematic view of a compression stage of the system of Figure 2.
  • FIG. 4 is a flowchart representing the steps of a method for recovering energy from the compression of a gas.
  • FIG 1 is a schematic view of a liquefier 10, for example a hydrogen (H 2 ) liquefier using the Collins cycle.
  • a liquefier comprises a cold box 12, also designated by the expression “Cold box” in English, an adiabatic compressor 14 and a heat exchanger 16 supplying the cold box 12 with pressurized hydrogen.
  • the whole of the adiabatic compressor 14 and of the heat exchanger 16 forming an isothermal compressor.
  • the cold box 12 is known per se and comprises a plurality of regenerators 18 arranged in series to arrive at a liquid hydrogen storage tank 24 passing through a Joie-Thompson isenthalpic expansion valve 22. Part of the hydrogen, in gaseous form, leaving a regeneration stage 18 is directed to a heat exchanger 20 and redirected to the adiabatic compressor 14.
  • the adiabatic compressor 14 and the heat exchanger 16 have been shown in Figure 1 as single elements.
  • the adiabatic compressor 14 is an adiabatic compressor comprising several stages of adiabatic compression 14A, 14B, 14C, as shown in Figure 2.
  • the heat exchanger 16 comprises a plurality of heat exchangers 50, 52.
  • the heat exchanger 16 comprises, downstream of each adiabatic compression stage 14A, 14B, 14C, two heat exchangers.
  • the adiabatic compressor 14 comprises three stages of adiabatic compression 14A, 14B, 14C. Also, N the number of adiabatic compression stages is equal to 3. It is understood that N is not limited to 3 as long as N is greater than or equal to 2.
  • the heat exchanger 16 downstream of each adiabatic compression stage 14A, 14B, 14C, the heat exchanger 16 comprises a first heat exchanger 50A, 50B, 50C and a second heat exchanger. heat 52A, 52B, 52C.
  • Figure 2 shows a compression energy recovery system of the gas to be liquefied from the liquefier, for example hydrogen.
  • the energy recovery system includes the adiabatic compressor 14 and the heat exchanger 16.
  • the energy recovery system also includes a module 40 organic Rankine cycle.
  • the gas 56 to be compressed enters the first adiabatic compression stage 14A.
  • the first adiabatic compression stage 14A is supplied with gas 56 by a supply line 26 and by the gas recovered from the cold box 12 by a line 28.
  • the organic Rankine cycle module 40 comprises a heat transfer fluid 54 circulating in the module 40.
  • the organic Rankine cycle module 40 comprises three first heat exchangers 50A, 50B, 50C configured to heat the heat transfer fluid 54 circulating in the module 40 from a heat source external to module 40, an expansion device 42, a condenser 46 to cool the heat transfer fluid 54 and a pump 48 to circulate the heat transfer fluid 54 in the module 40.
  • the expansion device 42 makes it possible to expand the heat transfer fluid 54 heated in the heat exchangers 50A, 50B, 50C and under pressure and to transform the energy recovered in the form of heat into mechanical energy.
  • the expansion device 42 can be a turbine or a volumetric expansion device.
  • the expansion device 42 is coupled to an energy recovery device 44.
  • the expansion device 42 can be a turbine and the energy recovery device 44 can be an electric generator to transform the mechanical energy recovered from the turbine into electrical energy. It is understood that the expansion device 42 of the organic Rankine cycle module 40 can be coupled to another energy recovery device 44, allowing for example to transform the recovered energy into mechanical form, for example.
  • the hot source is the gas 56 leaving the compression stages 14A, 14B, 14C and the condenser 46 is a heat exchanger using ambient air 60 as a cold source to cool the heat transfer fluid 54 which came out of the expansion device 42.
  • the heat transfer fluid 54 successively passes through the first heat exchangers 50A, 50B, 50C, where, by heat exchange with the gas 56 leaving the compression stages 14A, 14B, 14C, the heat transfer fluid 54 is brought to a boil .
  • the heat transfer fluid 54 in the form of vapor, is then expanded in the expansion device 42 which is coupled to the energy recovery device 44.
  • the vapor is then condensed in the condenser 46 by exchange with the ambient air 60.
  • the heat transfer fluid 54 is again in the form of liquid and can once again travel through the first heat exchangers 14A, 14B, 14C.
  • each adiabatic compression stage 14A, 14B, 14C passes through the first heat exchanger 50, 50B, 50C and exchanges part of the heat stored in the gas 56 during compression with the coolant 54 circulating in the first heat exchanger 50A, 50B, 50C.
  • the gas 56 leaving the first heat exchanger 50A, 50B, 50C then passes through the second heat exchanger 52A, 52B, 52C and exchanges the rest of the stored heat with a cold source 58.
  • the cold source 58 can be the ambient air or water.
  • the gas 56 enters the adiabatic compression stage arranged downstream of the second heat exchanger 52A, 52C.
  • the gas 56 is sent to the cold box through a pipe 30.
  • the heat transfer fluid 54 can be methanol.
  • Methanol has a boiling temperature at 1 bar approximately equal to 338 K (Kelvin) and the cold source 58 can be ambient air estimated at 300 K.
  • FIG. 3 represents a single stage adiabatic compression, for example the first adiabatic compression stage 14A.
  • the elements common to the different figures are identified by the same reference numerals.
  • the temperature of the gas at the outlet of the adiabatic compression stage will be limited to 400 K.
  • the boiling temperature of the heat transfer fluid 54 is between the temperature of the temperature of entry of the cold source 58 into the second heat exchanger 52A, 52B, 52C and the temperature of the gas at the outlet of the adiabatic compression stage 14A, 14B, 14C.
  • the hydrogen entering the first adiabatic compression stage 14A has an ambient temperature of approximately 300 K (item 1 in FIG. 3).
  • the hydrogen leaves at a temperature of 400 K (item 2 in FIG. 3).
  • the gas 56 is at a temperature of 338 K (item 3 in FIG. 3), which is the boiling temperature of the heat transfer fluid 56).
  • the gas 56 is at a temperature of approximately 300 K (item 4 in FIG. 3). It is understood that in practice, in a non-ideal system, the temperature of gas 56 will be slightly higher than 338 K. Similarly, after passing through the second heat exchanger 52A, the temperature of gas 56 will be slightly higher than the temperature of Ambiant air.
  • the compression energy recovery system can also be implemented in a refrigerated liquefaction cycle.
  • Refrigerated liquefaction cycles are well known in the state of the art and implement cooling/refrigeration circuits of the gas to be liquefied by using another gas or a mixture of gas maintained at low temperature by a refrigeration cycle which comprises compression stages specific to this gas or this gaseous mixture and expansion stages, this other gas or gas mixture being used as refrigerant for the main liquefaction circuit.
  • the nature of the gases or mixtures of gases used as refrigerant gases in such cycles can be distinct from the nature of the gas to be liquefied in the main liquefaction circuit.
  • the compression energy recovery system can be implemented at the level of the compression stages specific to the cooling circuit of the refrigerated liquefaction cycle.
  • the gas compression energy recovery system can be implemented at the level of the compression stages of one or more circuits. cooling.
  • the method 100 comprises: a) an adiabatic compression step 102 of the gas 56 in an adiabatic compression stage 14A, 14A, 14C; b) a step 104 for extracting part of the heat from the gas compressed in a first heat exchanger 50A, 50B, 50C comprising the heat transfer fluid 54 of the module 40 with an organic Rankine cycle; c) a step 106 of extracting part of the heat from the gas coming from the first heat exchanger 50A, 50B, 50C in a second heat exchanger 52A, 52B, 52C comprising a cold source 58;
  • Steps a) to c) are repeated 108 N times, N being greater than or equal to 2.
  • steps a) to c) are repeated three times.
  • the method 100 includes a step 110 of using the heat extracted in the first heat exchanger 50A, 50B, 50C to produce energy in the organic Rankine cycle module 40.

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Abstract

Système de récupération d'énergie de compression d'un gaz (56), le système comprenant un module (40) à cycle organique de Rankine et un compresseur adiabatique (14), le module (40) à cycle organique de Rankine comportant un fluide caloporteur (54) et le compresseur adiabatique comprenant N étages de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) du gaz, N étant supérieur ou égal à 2, et, en aval de chaque étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C), deux échangeurs de chaleurs, un premier échangeur de chaleur (50A, 50 B, 50C) configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant de l'étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) et réchauffer le fluide caloporteur (54) traversant le premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) et un deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant du premier échangeur de chaleur (50A, 50 B, 50C) vers une source froide (58) traversant le deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C). Liquéfacteur comprenant un tel système et procédé de récupération d'énergie de compression d'un gaz.

Description

SYSTEME DE RECUPERATION D'ENERGIE DE COMPRESSION D'UN GAZ, LIQUEFACTEUR COMPRENANT UN TEL SYSTEME ET PROCEDE DE RECUPERATION D'ENERGIE DE COMPRESSION D'UN GAZ
Domaine technique
[0001] Le présent exposé concerne la compression d'un gaz et en particulier la récupération d'énergie de compression du gaz.
Technique antérieure
[0002] La liquéfaction d'un gaz requiert généralement une étape de compression du gaz à pression élevée. Cette étape de compression est qualifiée d'isotherme et est généralement réalisée par une succession d'étapes de compression adiabatique au cours desquelles le gaz est réchauffé. Ainsi, entre chaque étape de compression, le gaz est refroidi avant d'entrer dans l'étage de compression suivant.
[0003] Le refroidissement du gaz est réalisé dans un échangeur de chaleur. [0004] Dans les liquéfacteurs, aussi appelés « liquéfier » en anglais, la chaleur récupérée dans cet échangeur de chaleur est soit perdue dans l'atmosphère, soit, par exemple comme décrit dans JP2005241232, utilisée comme source chaude pour la vaporisation du gaz naturel liquide.
[0005] Le couplage liquéfacteur-installation de gaz naturel liquéfié implique que le liquéfacteur et l'installation de gaz naturel liquéfié soient en un même lieu. Aussi, cette solution de récupération de la chaleur limite très fortement la possibilité de récupérer cette chaleur de part notamment le nombre de sites de d'installation de gaz naturel liquéfié, de la fluctuation de demande en gaz naturel liquéfié qui aura un impact sur le refroidissement du gaz comprimé entre deux étages de compression ainsi que des contraintes de sécurité liées à la présence de gaz naturel liquéfié et d'hydrogène liquide par exemple.
Exposé de l'invention
[0006] Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.
[0007] A cet effet, le présent exposé concerne un système de récupération d'énergie de compression d'un gaz, le système comprenant un module à cycle organique de Rankine et un compresseur adiabatique, le module à cycle organique de Rankine comportant un fluide caloporteur et le compresseur adiabatique comprenant N étages de compression adiabatique du gaz, N étant supérieur ou égal à 2, et, en aval de chaque étage de compression adiabatique, deux échangeurs de chaleurs, un premier échangeur de chaleur configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant de l'étage de compression adiabatique et réchauffer le fluide caloporteur traversant le premier échangeur de chaleur et un deuxième échangeur de chaleur configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant du premier échangeur de chaleur vers une source froide traversant le deuxième échangeur de chaleur.
[0008] Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal du gaz dans le système. Ainsi, un deuxième élément disposé en aval d'un premier élément reçoit le gaz qui sort du premier élément.
[0009] Grâce au module à cycle organique de Rankine, il est possible de ne pas perdre dans l'atmosphère la chaleur du gaz comprimé dans un étage de compression adiabatique et ce, en s'affranchissant de la contrainte de couplage direct avec une unité de gaz naturel liquéfié.
[0010] De manière connue, un module à cycle organique de Rankine comprend au moins un échangeur de chaleur configuré pour réchauffer le fluide caloporteur circulant dans le module à partir d'une source chaude externe au module, un dispositif détente du fluide caloporteur réchauffé, un condenseur pour refroidir le fluide caloporteur et une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur dans le module. Le dispositif de détente permet de détendre le fluide caloporteur réchauffé et sous pression et de transformer l'énergie récupérée sous forme de chaleur en énergie mécanique. Le dispositif de détente est généralement couplé à un dispositif de récupération d'énergie permettant de transformer l'énergie mécanique récupérée à la sortie du dispositif de détente en énergie exploitable. Dans le présent exposé, la source chaude est le gaz sortant d'un étage de compression du compresseur adiabatique. [0011] Le système comportant, après chaque étage de compression, un premier échangeur configuré pour échanger de la chaleur entre le gaz sortant d'un étage de compression et le fluide caloporteur du module à cycle organique de Rankine, une partie de la chaleur générée pendant la compression adiabatique du gaz est récupérée dans le fluide caloporteur du module à cycle organique de Rankine, le fluide caloporteur réchauffé est ensuite détendu afin de produire de l'énergie.
[0012] A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de détente peut être une turbine ou un dispositif de détente volumétrique, par exemple de type spirale, aussi identifié selon le terme en anglais comme des dispositifs de détente volumétrique de type « scroll ». De manière générale, pour des rapports de détente importants, par exemple supérieur ou égal à 7, on privilégiera une turbine et pour les rapports de détente moindre, on privilégiera un dispositif de détente volumétrique. Des critères autres que le rapport de détente peuvent également entrer en considération dans le choix du dispositif de détente.
[0013] A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de détente peut être couplé à un générateur électrique pour récupérer l'énergie sous forme électrique.
[0014] On peut également envisager de coupler un autre dispositif au dispositif de détente pour transformer l'énergie en énergie mécanique.
[0015] Le couplage du module à cycle organique de Rankine avec les premiers échangeurs de chaleur permet d'augmenter le débit du fluide caloporteur qui est vaporisé et ainsi augmenter la taille de la turbine. Quand on augmente la taille de la turbine, les jeux relatifs dans la turbine diminuent et donc les performances de la turbine sont améliorées, permettant ainsi d'augmenter le rendement de la récupération d'énergie.
[0016] L'énergie électrique produite peut être utilisée pour alimenter des composants du système lui-même ou des composants extérieurs au système, voire être injectée dans le réseau électrique.
[0017] A titre d'exemple non limitatif, le compresseur de l'étage de compression isotherme peut être un compresseur volumique ou un compresseur centrifuge.
[0018] Dans certains modes de réalisation, le deuxième échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz-air. [0019] Dans certains modes de réalisation, le deuxième échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz-eau.
[0020] Dans certains modes de réalisation, le fluide caloporteur peut avoir une température d'ébullition comprise entre une température d'entrée de la source froide et une température de sortie du gaz dans l'étage de compression adiabatique.
[0021] Dans certains modes de réalisation, le fluide caloporteur peut être du méthanol, de l'isobutane ou de l'éthanol.
[0022] Le présent exposé concerne également un liquéfacteur comprenant un système tel que défini précédemment.
[0023] L'énergie électrique produite peut être utilisée pour alimenter des composants du liquéfacteur lui-même ou des composants extérieurs au liquéfacteur, voire être injectée dans le réseau électrique. La récupération d'énergie peut être d'environ 2% à 5% de la puissance requise pour faire fonctionner le liquéfacteur ce qui est non négligeable au regard de la durée de vie d'un liquéfacteur qui peut être au moins de 20 ans.
[0024] Dans certains modes de réalisation, le gaz peut être le gaz à liquéfier.
[0025] Dans certains modes de réalisation, le liquéfacteur peut être un liquéfacteur réfrigéré comprenant au moins un circuit de refroidissement et le gaz est le gaz du au moins un circuit de refroidissement du liquéfacteur réfrigéré et/ou le gaz à liquéfier.
[0026] Dans le cas d'un cycle de liquéfaction réfrigéré à circuits de refroidissement multiples, le système de récupération d'énergie de compression d'un gaz peut être mis en œuvre au niveau des étages de compression d'au moins un circuit de refroidissement.
[0027] On comprend que le gaz du circuit de refroidissement du liquéfacteur réfrigéré peut être un gaz pur ou un mélange de gaz. On entend par gaz pur un gaz comprenant au moins 99% d'un composé gazeux.
[0028] Dans certains modes de réalisation, le gaz à liquéfier peut être de l'hydrogène, de l'azote, de l'hélium ou du gaz naturel.
[0029] Le présent exposé concerne également un procédé de récupération d'énergie de compression d'un gaz, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) compression adiabatique du gaz dans un étage de compression adiabatique ; b) extraction d'une partie de la chaleur du gaz compressé dans un premier échangeur de chaleur comprenant un fluide caloporteur d'un module à cycle organique de Rankine ; c) extraction d'une partie de la chaleur du gaz provenant du premier échangeur de chaleur dans un deuxième échangeur de chaleur comprenant une source froide ; répétition des étapes a) à c) N fois, N étant supérieur ou égal à 2 ; utilisation de la chaleur extraite dans le premier échangeur de chaleur pour produire de l'énergie dans le module à cycle organique de Rankine.
Brève description des dessins
[0030] D’autres caractéristiques et avantages de l’objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées.
[0031] [Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique d'un liquéfacteur.
[0032] [Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique d'un système de récupération d'énergie de compression d'un gaz.
[0033] [Fig. 3] La figure 3 est une vue schématique d'un étage de compression du système de la figure 2.
[0034] [Fig. 4] La figure 4 est un ordinogramme représentant les étapes d'un procédé de récupération d'énergie de compression d'un gaz.
[0035] Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.
Description détaillée
[0036] La figure 1 est une vue schématique d'un liquéfacteur 10, par exemple un liquéfacteur d'hydrogène (H2) utilisant le cycle de Collins. Un liquéfacteur comprend une boîte froide 12, aussi désignée par l'expression « Cold box » en anglais, un compresseur adiabatique 14 et un échangeur de chaleur 16 alimentant la boîte froide 12 en hydrogène sous pression. L'ensemble du compresseur adiabatique 14 et de l'échangeur de chaleur 16 formant un compresseur isotherme. La boîte froide 12 est connue en soi et comprend une pluralité de régénérateurs 18 disposés en série pour arriver à un réservoir de stockage d'hydrogène liquide 24 en passant par une vanne de détente isenthalpique Joie-Thompson 22. Une partie de l'hydrogène, sous forme gazeuse, sortant d'un étage de régénération 18 est dirigée vers un échangeur de chaleur 20 et redirigée vers le compresseur adiabatique 14.
[0037] Par simplicité, le compresseur adiabatique 14 et l'échangeur de chaleur 16 ont été représentés sur la figure 1 comme des éléments uniques. Toutefois, le compresseur adiabatique 14 est un compresseur adiabatique comprenant plusieurs étages de compression adiabatique 14A, 14B, 14C, comme représenté sur la figure 2. De même, l'échangeur de chaleur 16 comprend une pluralité d'échangeurs de chaleurs 50, 52. En particulier, l'échangeur de chaleur 16 comprend, en aval de chaque étage de compression adiabatique 14A, 14B, 14C, deux échangeurs de chaleurs.
[0038] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le compresseur adiabatique 14 comprend trois étages de compression adiabatique 14A, 14B, 14C. Aussi, N le nombre d'étage de compression adiabatique est égal à 3. On comprend que N n'est pas limité à 3 tant que N est supérieur ou égal à 2.
[0039] Dans le mode de réalisation de la figure 2, en aval de chaque étage de compression adiabatique 14A, 14B, 14C, l'échangeur de chaleur 16 comprend, un premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C et un deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, 52C.
[0040] La figure 2 représente un système de récupération d'énergie de compression du gaz à liquéfier du liquéfacteur, par exemple de l'hydrogène. [0041] Le système de récupération d'énergie comprend le compresseur adiabatique 14 et l'échangeur de chaleur 16. Le système de récupération d'énergie comprend également un module 40 à cycle organique de Rankine. [0042] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le gaz 56 à compresser entre dans le premier étage de compression adiabatique 14A. Le premier étage de compression adiabatique 14A est alimenté en gaz 56 par une canalisation d'alimentation 26 et par le gaz récupéré de la boîte froide 12 par une canalisation 28.
[0043] Le module 40 à cycle organique de Rankine comprend un fluide caloporteur 54 circulant dans le module 40.
[0044] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le module 40 à cycle organique de Rankine comprend trois premiers échangeurs de chaleur 50A, 50B, 50C configurés pour réchauffer le fluide caloporteur 54 circulant dans le module 40 à partir d'une source chaude externe au module 40, un dispositif de détente 42, un condenseur 46 pour refroidir le fluide caloporteur 54 et une pompe 48 pour faire circuler le fluide caloporteur 54 dans le module 40. Le dispositif de détente 42 permet de détendre le fluide caloporteur 54 réchauffé dans les échangeurs de chaleur 50A, 50B, 50C et sous pression et de transformer l'énergie récupérée sous forme de chaleur en énergie mécanique. [0045] A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de détente 42 peut être une turbine ou un dispositif de détente volumétrique.
[0046] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le dispositif de détente 42 est couplé à un dispositif de récupération d'énergie 44.
[0047] A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de détente 42 peut être une turbine et le dispositif de récupération d'énergie 44 peut être un générateur électrique pour transformer l'énergie mécanique récupérée de la turbine en énergie électrique. On comprend que le dispositif de détente 42 du module 40 à cycle organique de Rankine peut être couplée à un autre dispositif de récupération d'énergie 44, permettant par exemple de transformer l'énergie récupérée sous forme mécanique, par exemple.
[0048] Dans le mode de réalisation de la figure 2, la source chaude est le gaz 56 sortant des étages de compression 14A, 14B, 14C et le condenseur 46 est un échangeur de chaleur utilisant l'air ambiant 60 comme source froide pour refroidir le fluide caloporteur 54 qui est sorti du dispositif de détente 42.
[0049] Le fluide caloporteur 54 passe successivement dans les premiers échangeurs de chaleur 50A, 50B, 50C, où, par échange de chaleur avec le gaz 56 sortant des étages de compression 14A, 14B, 14C, le fluide caloporteur 54 est porté à ébullition. Le fluide caloporteur 54, sous forme de vapeur, est ensuite détendu dans le dispositif de détente 42 qui est couplée au dispositif de récupération d'énergie 44. La vapeur est ensuite condensée dans le condenseur 46 par échange avec l'air ambiant 60. Le fluide caloporteur 54 est à nouveau sous forme de liquide et peut parcourir à nouveau les premiers échangeurs de chaleur 14A, 14B, 14C.
[0050] Le gaz 56 à la sortie de chaque étage de compression adiabatique 14 A, 14B, 14C passe dans le premier échangeur de chaleur 50, 50B, 50C et échange une partie de la chaleur emmagasinée dans le gaz 56 lors de la compression avec le fluide caloporteur 54 circulant dans le premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C. Le gaz 56 sortant du premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C passe ensuite dans le deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, 52C et échange le reste de la chaleur emmagasinée avec une source froide 58. [0051] A titre d'exemple non limitatif, la source froide 58 peut être l'air ambiant ou de l'eau.
[0052] A la sortie du deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, le gaz 56 entre dans l'étage de compression adiabatique disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur 52A, 52C. A la sortie du deuxième échangeur de chaleur 52C disposé en aval du dernier étage de compression adiabatique 14C, le gaz 56 est envoyé dans la boîte froide par une canalisation 30.
[0053] A titre d'exemple non limitatif, le fluide caloporteur 54 peut être du méthanol. Le méthanol a une température d'ébullition à 1 bar environ égale à 338 K (Kelvin) et la source froide 58 peut être l'air ambiant estimé à 300 K. [0054] Par simplicité de représentation, la figure 3 représente un seul étage de compression adiabatique, par exemple le premier étage de compression adiabatique 14A. Les éléments communs aux différentes figures sont identifiés par les mêmes références numériques.
[0055] A titre d'exemple non limitatif, on limitera la température du gaz en sortie de l'étage de compression adiabatique à 400 K. Aussi, la température d'ébullition du fluide caloporteur 54 est comprise entre la température de la température d'entrée de la source froide 58 dans le deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, 52C et la température du gaz à la sortie de l'étage de compression adiabatique 14A, 14B, 14C.
[0056] Ainsi, dans un exemple idéal, l'hydrogène entrant dans le premier étage de compression adiabatique 14A a une température ambiante d'environ 300 K (repère 1 de la figure 3). Après compression adiabatique, l'hydrogène sort à une température de 400 K (repère 2 de la figure 3). Après passage dans le premier échangeur de chaleur 50A, le gaz 56 est à une température de 338 K (repère 3 de la figure 3), qui est la température d'ébullition du fluide caloporteur 56). Après passage dans le deuxième échangeur de chaleur 52A, le gaz 56 est à une température d'environ 300 K (repère 4 de la figure 3). On comprend qu'en pratique, dans un système non idéal, la température du gaz 56 sera légèrement supérieure à 338 K. De même, après passage dans le deuxième échangeur de chaleur 52A, la température du gaz 56 sera légèrement supérieure à la température de l'air ambiant. [0057] Le système de récupération d'énergie de compression peut également être mis en œuvre dans un cycle de liquéfaction réfrigéré.
[0058] Les cycles de Les cycles de liquéfaction réfrigérés sont bien connus de l'état de l'art et mettent en œuvre des circuits de refroidissement/réfrigération du gaz à liquéfier par l'utilisation d'un autre gaz ou d'un mélange de gaz maintenu à basse température par un cycle de réfrigération qui comprend des étages de compression propres à ce gaz ou à ce mélange gazeux et des étages de détente, cet autre gaz ou mélange de gaz étant utilisé comme réfrigérant pour le circuit de liquéfaction principal. La nature des gaz ou des mélanges de gaz utilisés comme gaz réfrigérants dans de tels cycles peut être distincte de la nature du gaz à liquéfier du circuit de liquéfaction principal.
[0059] On comprend alors que dans le cadre d'un cycle de liquéfaction réfrigéré, le système de récupération d'énergie de compression peut être mis en œuvre au niveau des étages de compression propres au circuit de refroidissement du cycle de liquéfaction réfrigéré.
[0060] Dans le cas d'un cycle de liquéfaction réfrigéré à circuits de refroidissement multiples, le système de récupération d'énergie de compression d'un gaz peut être mis en œuvre au niveau des étages de compression d'un ou de plusieurs circuits de refroidissement.
[0061] Le procédé 100 de récupération d'énergie de compression du gaz 56 va être décrite en référence aux figures à 4.
[0062] Le procédé 100 comprend : a) une étape de compression adiabatique 102 du gaz 56 dans un étage de compression adiabatique 14A, 14A, 14C ; b) une étape d'extraction 104 d'une partie de la chaleur du gaz compressé dans un premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C comprenant le fluide caloporteur 54 du module 40 à cycle organique de Rankine ; c) une étape d'extraction 106 d'une partie de la chaleur du gaz provenant du premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C dans un deuxième échangeur de chaleur 52A, 52B, 52C comprenant une source froide 58 ;
[0063] Les étapes a) à c) sont répétées 108 N fois, N étant supérieur ou égal à 2.
[0064] Dans le mode de réalisation de la figure 2, les étapes a) à c) sont répétées trois fois. [0065] Le procédé 100 comprend une étape d'utilisation 110 de la chaleur extraite dans le premier échangeur de chaleur 50A, 50B, 50C pour produire de l'énergie dans le module 40 à cycle organique de Rankine.
[0066] Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Système de récupération d'énergie de compression d'un gaz (56), le système comprenant un module (40) à cycle organique de Rankine et un compresseur adiabatique (14), le module (40) à cycle organique de Rankine comportant un fluide caloporteur (54) et le compresseur adiabatique (14) comprenant N étages de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) du gaz, N étant supérieur ou égal à 2, et, en aval de chaque étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C), deux échangeurs de chaleurs, un premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant de l'étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) et réchauffer le fluide caloporteur (54) traversant le premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) et un deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant du premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) vers une source froide (58) traversant le deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C).
[Revendication 2] Système selon la revendication 1, dans lequel le deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) est un échangeur gaz-air.
[Revendication 3] Système selon la revendication 1, dans lequel le deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) est un échangeur gaz-eau.
[Revendication 4] Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le fluide caloporteur (54) a une température d'ébullition comprise entre une température d'entrée de la source froide (58) et une température de sortie du gaz dans l'étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C).
[Revendication 5] Système selon la revendication 4, dans lequel le fluide caloporteur (54) est du méthanol, de l'isobutane ou de l'éthanol.
[Revendication 6] Liquéfacteur (10) comprenant un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
[Revendication 7] Liquéfacteur (10) selon la revendication 6, dans lequel le gaz est le gaz à liquéfier.
[Revendication 8] Liquéfacteur selon la revendication 6, dans lequel le liquéfacteur est un liquéfacteur réfrigéré comprenant au moins un circuit de refroidissement et le gaz est le gaz du au moins un circuit de refroidissement du liquéfacteur réfrigéré et/ou le gaz à liquéfier.
[Revendication 9] Liquéfacteur (10) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le gaz (56) à liquéfier est de l'hydrogène, de l'azote, de l'hélium ou du gaz naturel.
[Revendication 10] Procédé (100) de récupération d'énergie de compression d'un gaz, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) compression adiabatique (102) du gaz dans un étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) ; b) extraction (104) d'une partie de la chaleur du gaz compressé dans un premier échangeur de chaleur comprenant un fluide caloporteur (54) d'un module (40) à cycle organique de Rankine ; c) extraction (106) d'une partie de la chaleur du gaz provenant du premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) dans un deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) comprenant une source froide (58) ; répétition (108) des étapes a) à c) N fois, N étant supérieur ou égal à 2 ; utilisation (110) de la chaleur extraite dans le premier échangeur de chaleur (50a, 50B, 50C) pour produire de l'énergie dans le module (40) à cycle organique de Rankine.
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