EP4756190A1

EP4756190A1 - Batterie de carnot à cycle de charge simplifié par un éjecteur assurant une production de froid

Info

Publication number: EP4756190A1
Application number: EP25220936.6A
Authority: EP
Inventors: Benoît PAYEBIEN; Nicolas Tauveron; Nadia Caney
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Current assignee: Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Priority date: 2024-12-05
Filing date: 2025-12-04
Publication date: 2026-06-10
Also published as: FR3169621A1

Abstract

Batterie de Carnot à cycle de charge simplifié par un éjecteur assurant une production de froid

L'invention concerne une batterie de Carnot comprenant
un cycle moteur destiné à transformer de l'énergie thermique en électricité et un cycle de réfrigération à éjecteur (SERS) comprenant un circuit frigorifique de circulation du fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle:
• une branche motrice et
• une branche frigorifique, et
• une branche de mélange sur laquelle est agencé un éjecteur destiné à assurer le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique
et la batterie comprenant un module de stockage d'énergie thermique comprenant un fluide destiné à stocker de l'énergie thermique froide et formant la source à refroidir de la branche frigorifique, le module de stockage étant connecté thermiquement au condenseur du cycle moteur assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide stocké dans le module de stockage d'énergie vers le cycle moteur.

Description

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne les batteries Carnot et plus particulièrement celle fonctionnant avec un cycle subcritique.
Elle appartient aux domaines techniques correspondants d'une part aux technologies de stockage d'électricité et d'autre part aux systèmes augmentant la flexibilité de centrales thermiques de production électrique.
Les applications potentielles sont le stockage d'électricité lié à une centrale thermique de production électrique. Une autre application liée aux précédentes est l'adjonction d'une batterie de Carnot à une centrale thermique de production d'électricité.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les batteries de Carnot (BC) reposent sur un stockage d'électricité sous forme de chaleur. Lorsqu'une BC stocke de l'électricité, elle la convertit en chaleur via un procédé de charge puis stocke la chaleur dans un module de stockage thermique. Ce procédé de charge peut typiquement être une résistance électrique ou une pompe à chaleur (PAC), tous deux des convertisseurs d'électricité en chaleur. Lorsqu'il est demandé à la batterie de restituer l'électricité qu'elle a préalablement stockée, une décharge de l'énergie conservée dans le module de stockage thermique va s'opérer à l'aide d'un cycle moteur. Ce cycle moteur est un convertisseur symétrique au procédé de charge qui va, cette fois-ci, convertir la chaleur en électricité. Le cycle moteur peut typiquement être un cycle organique ou non de Rankine (RC ou ORC) ou bien encore un cycle de Brayton. Ce type de BC est qualifié de batterie isolée ou « standalone » dans la littérature.
Les batteries de Carnot présentent plusieurs avantages : il s'agit premièrement d'une solution de stockage massif d'électricité. Comme toutes les technologies de stockage d'électricité, les BC peuvent également rendre des services au réseau, notamment en termes de stabilité et de flexibilité. D'autre part, elles ne présentent que peu de contraintes géographiques, car leur lieu d'implantation ne nécessite ni de vallée, ni de cavité et ne génèrent pas de dangers particuliers dans son proche périmètre.
Cependant, les BC pâtissent de différentes limites à leur développement : cette technologie a des rendements de conversion relativement modestes de l'ordre de 30% à 60% d'après la littérature pour les BC isolées. En lien avec ce rendement modeste, la rentabilité économique de projets reposant sur les BC n'est pas toujours assurée. Enfin, les BC isolées pâtissent d'une réactivité limitée, inhérente au temps de montée en température du cycle moteur et des canalisations attenantes lors de l'amorçage de la phase de décharge.
Les BC peuvent être intégrées à travers différentes architectures à des centrales thermiques de production électrique. Deux concepts identifiés à ce jour se distinguent : l'un est qualifié de batteries couplées (BCC) et l'autre dénommé batteries greffées (BCG).
Le concept des batteries de Carnot couplées repose sur une architecture comprenant une centrale thermique de production électrique couplée à une BC par le procédé de charge ainsi que par la partie stockage thermique. Ainsi, une partie du flux thermique de la centrale va, non plus être directement converti en électricité par le cycle moteur, mais temporairement stocké, et ce, sans subir d'élévation de température. Le cycle de charge est utilisé soit pour compenser une partie des pertes du stockage, soit pour augmenter la quantité d'énergie thermique stockée, mais toujours à une température uniforme entre le stockage et la température de la source de chaleur de la centrale.
Le principal intérêt d'avoir réalisé ce couplage est le gain de flexibilité octroyé à la centrale. En effet, la centrale est en opération de manière continue et comme beaucoup de centrales thermiques, elle n'est que peu pilotable. Ce manque de flexibilité au regard de la forte variabilité de la demande en électricité peut occasionner des problèmes de stabilité à l'échelle du réseau. Ainsi, une BC couplée permet lors des phases de tension du réseau d'effacer une partie de la production électrique, en venant dévier une partie du flux thermique pour venir le stocker dans la BCC. Ensuite, lorsque le réseau nécessite de nouveau une augmentation de la production électrique, la BCC peut être déchargée via son cycle moteur, mutualisé avec la centrale thermique. Ainsi, lors de la phase de décharge, la centrale va fonctionner à son régime nominal, mais une décharge de chaleur additionnelle provenant de la BCC va s'opérer en parallèle dans le cycle moteur. Cette décharge de chaleur additionnelle issue de la BCC va occasionner un surplus de production électrique par rapport au régime nominal de la centrale. Ainsi, une BC couplée à une centrale lui octroie un gain en flexibilité se matérialisant par une meilleure adéquation de la production électrique à la demande, via le jeu d'effacement puis de surplus de production électrique. Dans le cas des BCC, la modulation de puissance s'effectue donc sur une régulation du débit du flux thermique qui est envoyé au cycle moteur.
Une autre caractéristique importante des BCC est le fait que leur fonctionnement est corrélé à celui de la centrale thermique de production électrique. En effet, pour que la mutualisation du cycle moteur entre la BCC et la centrale soit réaliste, il est nécessaire que la puissance additionnelle de décharge octroyée par la BCC soit faible au regard de la production nominale de la centrale. Ainsi, la BCC ne peut donc pas fonctionner seule. Pour que la BCC puisse se charger et se décharger, la centrale thermique doit être en fonctionnement.
Les autres intérêts à la réalisation de ce couplage résident principalement dans la mutualisation du cycle moteur. En effet, cette mutualisation permet premièrement de réduire grandement les coûts d'une BCC par rapport à une BC isolée. D'autre part, cette mutualisation permet également d'augmenter de manière significative la réactivité de la BC. En effet, à l'inverse des BC isolées, comme ici la centrale de production est en fonctionnement continu, le cycle moteur est toujours en fonctionnement. Ainsi, le cycle moteur étant toujours en température et toujours en fonctionnement, les effets liés à l'inertie du démarrage du cycle moteur ne pénalisent plus la BCC et donc permettent un gain de réactivité important. On peut noter également que les BCC permettent, grâce à leur meilleure réactivité, de faire du suivi de charge et de fréquence, en plus des autres services classiques que les technologies de stockage sont capables de rendre au réseau.
Le fonctionnement et l'architecture des BCG sont à rapprocher de ceux des BCC. Leur caractéristique différenciante réside dans le mode de valorisation du flux thermique issu de la centrale. Dans le cas des BCC, le flux thermique de la centrale est directement intégré au module de stockage, alors que pour les BCG, il est valorisé dans le procédé de charge.
Ainsi, le flux dévié de la centrale est valorisé lors de la charge de la BCG et est porté à plus haute température que celle de la centrale avant d'être stocké. Lors de la décharge, le flux à plus haute enthalpie est valorisé au cycle moteur et vient donc augmenter l'enthalpie du flux thermique nominal de la centrale. Lors de la phase de décharge, comme le cycle moteur est alimenté par un flux de plus haute enthalpie, la production nette du cycle s'en voit augmentée. Ainsi, lorsque le réseau est en tension et qu'il est nécessaire de stocker de l'électricité, une phase de charge de la BCG va être réalisée, consommatrice d'électricité. Cette phase de charge va permettre de stocker de la chaleur à plus haute température qui va être déchargée ensuite, lorsque le réseau a de nouveau besoin d'électricité, en augmentant la production nette du cycle moteur de la centrale thermique. Réciproquement si la BCG possède un stockage froid, la température atteinte par le cycle de charge sera inférieure à celui de la source froide du cycle moteur.
Ici encore, la centrale thermique est en fonctionnement continu. Ainsi, la différence majeure entre les BCC et les BCG est que la modulation de production de la centrale thermique ne s'effectue pas sur une modulation du débit traversant le cycle moteur comme dans le cas des BCC, mais sur une modulation de la température du flux traversant le cycle moteur pour les BCG. Cette stratégie de régulation basée sur la température et non sur le débit permet de faire porter une contrainte différente sur la turbine ce qui peut être intéressant. Une autre caractéristique importante des BCG est le fait qu'elles ne puissent pas fonctionner de manière indépendante de la centrale, comme pour les BCC.
Les intérêts à la mise en œuvre d'une BCG sont assez similaires à ceux d'une BCC. En effet, une BCG possède pour les mêmes raisons qu'une BCC une bien meilleure réactivité que les batteries isolées, ce qui permet donc de faire du suivi de charge ou de fréquence par exemple. Une diminution des coûts est également possible grâce à la mutualisation du cycle moteur. Enfin, les BCG sont capables d'atteindre des rendements de stockage meilleurs que pour les BC classiques et ce, sans avoir recours à des sources de chaleur additionnelles et externes.
On connait par ailleurs le document brevet FR3060190B1 qui décrit une architecture de BC permettant d'augmenter la flexibilité d'un cycle de Brayton. La BCG comprend un stockage en eau froide alimenté par une machine frigorifique. La décharge de cette BCG est assurée par deux échangeurs raccordés directement sur le circuit en fluide de travail du cycle de Brayton.
Ces différentes solutions sont bien adaptées à des fonctionnements selon des cycles supercritiques et transcritiques. Toutefois, cela implique des couts de développements et d'infrastructures importants pour assurer que les composants puissent être mis en œuvre dans ces cycles exigeants et nécessitent des températures et des pressions élevées.
Or, actuellement avec la volonté grandissante d'optimiser la valorisation des chaleurs fatales issues de nombreux processus industriels présentant des températures inférieures ou égales à 300°C, il existe donc le besoin de proposer une solution pour permettre le fonctionnement des batteries de Carnot et notamment les Batteries de Carnot Greffées (BCG) ou Couplées (BCC) avec des cycles subcritiques à basses températures, c'est-à-dire inférieures ou éventuellement égales à 300° C.

RESUME

Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit une batterie de Carnot comprenant

un cycle moteur destiné à transformer de l'énergie thermique en électricité comprenant un circuit moteur de circulation d'un fluide de travail, un évaporateur assurant un échange thermique avec une source chaude, une turbine, un condenseur assurant un échange thermique avec une source froide et une pompe, le circuit moteur de circulation étant configuré pour assurer la connexion fluidique successivement de l'évaporateur, de la turbine, du condenseur, de la pompe puis de l'évaporateur, caractérisée par le fait qu'elle comprend
un cycle de réfrigération à éjecteur (SERS) comprenant un circuit frigorifique de circulation du fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle: une branche motrice sur laquelle sont agencés la pompe et l'évaporateur du cycle moteur destiné à assurer un échange thermique entre une source de chaleur et le fluide de travail, et
une branche frigorifique agencée en dérivation du cycle moteur s'étendant depuis l'aval du condenseur du cycle moteur en amont de la pompe du cycle moteur et sur laquelle sont agencés un détendeur et un évaporateur destiné à assurer un prélèvement de chaleur à une source à refroidir, et une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur destiné à assurer le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique et le condenseur du cycle moteur destiné à assurer un échange thermique entre une source froide et le fluide de travail mélangé, issu de l'éjecteur, l'éjecteur comprenant une première entrée connectée fluidiquement à la branche motrice en aval de l'évaporateur du cycle moteur, une deuxième entrée connectée fluidiquement à la boucle frigorifique en aval de l'évaporateur et une sortie connectée fluidiquement au condenseur du cycle moteur et un module de stockage d'énergie thermique comprenant un fluide destiné à stocker de l'énergie thermique froide et formant la source à refroidir de l'évaporateur de la branche frigorifique, le module de stockage étant connecté thermiquement au condenseur du cycle moteur assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide stocké dans le module de stockage d'énergie vers le cycle moteur.

La batterie de Carnot selon l'invention permet de charger un module de stockage de froid en l'alimentant par un éjecteur lors de phase de charge. La batterie de Carnot selon l'invention combine un cycle moteur avec un module de stockage et un cycle de réfrigération à éjecteur.
La batterie selon l'invention permet de simplifier le processus de charge de batterie de Carnot sans avoir recours à une machine tournante lors de la compression.
L'un des intérêts de l'invention est donc de venir substituer le compresseur d'une machine frigorifique par un éjecteur qui est une pièce inerte, et donc plus fiable, plus durable et moins couteuse. D'autre part, le recours à un éjecteur comme moyen de compression en vue de la production de froid permet d'éviter de concevoir une ligne électrique pour alimenter le compresseur, ce qui est une opération couteuse, tant en terme d'installation qu'en terme d'abonnement pour pouvoir consommer l'électricité du réseau. D'autre part, l'invention permet l'utilisation d'un seul et même fluide entre le cycle moteur et le cycle de réfrigération à éjecteur permet la charge, ce qui simplifie le fonctionnement de l'installation ainsi que sa maintenance.
Le stockage d'énergie électrique sous forme de stockage froid permet également de diminuer les pertes lors de la phase de stockage en améliorant ainsi la rentabilité des BCG subcritiques.
Selon une possibilité, la batterie de Carnot comprend un circuit intermédiaire assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide stocké dans le module de stockage d'énergie et le condenseur, le circuit intermédiaire comprend un échangeur thermique de décharge assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide vers la source froide alimentant le condenseur du cycle moteur. Cette possibilité est utile en particulier pour les cycles subcritiques.
La batterie de Carnot selon l'invention permet de décharger le froid stocké de manière optimale dans le cas de cycles subcritiques. En effet, la présence du circuit intermédiaire avec l'échangeur de décharge assurant une décharge indirecte du stockage de froid vers le cycle moteur permet d'élargir le fonctionnement des batteries de Carnot, notamment les batteries de Carnot greffées à cycles subcritiques. La batterie de Carnot selon l'invention présente ainsi une facilité de mise en œuvre grâce à la maturité technologique des composants pour des basses températures qui sont propices aux cycles subcritiques. En outre, les coûts d'infrastructures des batteries de Carnot greffées subcritiques sont donc plus faibles avec un potentiel de démocratisation important.
En introduisant le circuit intermédiaire permettant la décharge, il est possible non plus seulement de jouer sur le degré de sous refroidissement, mais de jouer sur la pression basse du cycle moteur, ce qui conduit à des rapports de restitution bien plus élevés et présageant d'une réalité économique pour le système.
En effet, les architectures adaptées aux cycles transcritiques et supercritiques connues aujourd'hui dans la littérature ne permettent pas une diminution de la pression basse du cycle moteur. Cependant en subcritique la décharge directe de la BCG via un échangeur en série avec l'évaporateur du cycle moteur conduit uniquement à une augmentation du sous-refroidissement.
Or une augmentation du sous-refroidissement n'engendre aucune augmentation des performances de la turbine et ne conduit donc pas à une augmentation de la production électrique pour des cycles subcritiques.
L'intérêt de la présente invention est donc de palier au problème d'ajout uniquement de sous refroidissement au fluide par la BCG.
L'invention permet ainsi d'améliorer la pilotabilité et la flexibilité des centrales thermiques. Le stockage lié à la centrale permet un gain de stabilité pour le réseau, mais également du côté exploitant, de réaliser du suivi de charge et du suivi de fréquence, ainsi que de l'arbitrage énergétique.
Suivre un autre aspect, l'invention concerne un procédé de production d'énergie électrique par une batterie de Carnot telle que décrite ci-dessous comprenant une étape de charge comprenant

un échange thermique dans l'évaporateur du cycle moteur entre la source chaude et le fluide de travail pour assurer l'évaporation du fluide de travail,
une circulation d'au moins une partie d'un flux de fluide de travail dans turbine du cycle moteur assurant la détente du fluide de travail issu de l'évaporateur et la production d'électricité par une génératrice associée,
une circulation d'au moins une partie d'un flux de fluide de travail dans l'éjecteur issu de la turbine ou de l'évaporateur du cycle moteur,
un mélange dans l'éjecteur du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique,
une dérivation au moins une partie du flux de fluide de travail entre l'aval du condenseur et l'amont de la pompe vers la branche frigorifique,
le stockage de l'énergie thermique froide dans le module de stockage par l'échange thermique dans l'évaporateur de la branche frigorifique entre le fluide de travail et le fluide du stockage.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :

La figure 1 représente un schéma de principe de la batterie de Carnot selon l'invention avec la turbine et l'éjecteur agencés en parallèle.
La figure 2 représente un schéma de principe de la batterie de Carnot lors d'une phase stationnaire.
La figure 3 représente un schéma de principe de la batterie de Carnot lors d'une phase de décharge.
La figure 4 représente un schéma de principe de la batterie de Carnot lors d'une phase de charge.
La figure 5 représente un schéma d'une autre possibilité alternative à la figure 1 avec la turbine et l'éjecteur agencés en série.
La figure 6 représente un schéma d'une autre possibilité alternative à la figure 1 sans circuit intermédiaire de décharge.

Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
Selon un exemple, la turbine (201) est agencée sur la branche motrice en aval de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) et en amont de l'éjecteur (101).
Selon un exemple, la turbine (201) est agencée sur une conduite de dérivation agencée entre l'aval de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) et l'aval de l'éjecteur (101) en amont du condenseur (204) sur la branche de mélange.
Selon un exemple, la batterie de Carnot comprend un circuit intermédiaire (1) assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide stocké dans le module de stockage d'énergie thermique (3) froide et le condenseur (204) du cycle moteur (200), le circuit intermédiaire (1) comprend un échangeur thermique de décharge (2) assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide vers la source froide (5) alimentant le condenseur (204) du cycle moteur (200).
Selon un exemple, la batterie de Carnot comprend un premier récupérateur (203) agencé à l'interface de la branche motrice et de la branche de mélange entre l'aval de l'éjecteur (101) et l'aval de la pompe (205).
Selon un exemple, la batterie de Carnot comprend un deuxième récupérateur (103) agencé sur la branche frigorifique entre l'aval du condenseur (204) du cycle moteur (200) et l'aval de l'évaporateur (104) de la branche frigorifique.
Selon un exemple, le procédé de production d'énergie électrique comprend une étape de décharge d'énergie thermique froide comprenant, un déstockage du fluide du module de stockage un échange thermique dans l'échangeur thermique de décharge (2) entre le fluide déstocké du module de stockage d'énergie thermique (3) et une source froide (5) pour abaisser la température de la source froide (5), un échange thermique dans le condenseur (204) du cycle moteur (200) entre la source froide refroidie et un fluide moteur circulant dans le cycle moteur (200) permettant la condensation du fluide moteur.
Selon un exemple, le procédé de production d'énergie électrique comprend un échange thermique dans l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) entre la source de chaleur (6) et le fluide moteur pour assurer l'évaporation du fluide moteur, une détente du fluide moteur issu de l'évaporateur (204) dans la turbine (201) du cycle moteur permettant la production d'électricité par une génératrice (206) associée.
Selon un exemple, le procédé de production d'énergie électrique comprend une étape de fonctionnement stationnaire comprenant

un échange thermique dans l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) entre la source de chaleur (6) et le fluide moteur pour assurer l'évaporation du fluide moteur,
une détente du fluide moteur issu de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) dans la turbine (201) du cycle moteur (200) permettant la production d'électricité par une génératrice (206) associée.
un échange thermique dans le condenseur (204) du cycle moteur (200) entre la source froide (5) et le fluide moteur pour assurer la condensation du fluide moteur.

L'amont et l'aval, l'entrée, la sortie, en un point donné sont pris en référence au sens de circulation du fluide.
On entend par un paramètre "sensiblement égal/supérieur/inférieur à" ou "de l'ordre de" une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur.
Aux fins de la présente divulgation, l'expression « A et/ou B » signifie (A), (B) ou (A et B). Aux fins de la présente divulgation, l'expression "A, B et/ou C" signifie (A), (B), (C), (A et B), (A et C), (B et C), ou (A, B et C).
On entend par supercritique que la batterie de Carnot selon l'invention fonctionne à des niveaux de pression et température au-dessus du point critique du fluide de travail circulant.
On entend par transcritique que la batterie de Carnot selon l'invention fonctionne à des niveaux de pression et de température au-dessus et en dessous du point critique du fluide de travail circulant.
On entend par subcritique que la batterie de Carnot selon l'invention fonctionne à des niveaux de pression et de température au-dessous du point critique du fluide de travail circulant.
On entend par connecté fluidiquement ou en connexion fluidique, lorsqu'une ligne assure une connexion par ou dans laquelle circule un fluide.
Dans la présente description, l'expression « A fluidiquement raccordé à B » est synonyme de « A est en connexion fluidique avec B » et ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B. Les expressions « agencée sur » ou « sur » sont synonymes de « raccordé fluidiquement à ».
L'expression « A fluidiquement connecté à B » ou encore « A fluidiquement raccordé à B » est synonyme de « A est en connexion fluidique avec B » et ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B. Ainsi ces expressions s'entendent d'une connexion fluidique entre deux éléments, cette connexion pouvant ou non être directe. Cela signifie qu'il est possible qu'entre un premier élément et un deuxième élément qui sont fluidiquement connectés, un parcours d'un fluide existe par un ou des conduits ou connexions, éventuellement un organe supplémentaire.
A l'inverse, le terme «fluidiquement connecté directement» s'entend d'une connexion fluidique directe entre deux éléments. Cela signifie qu'entre un premier élément et un deuxième élément qui sont fluidiquement connectés directement aucun autre élément n'est présent, autre qu'un conduit/connexion/canal ou plusieurs conduits/connexions/canaux.
On entend par chaud, froid, refroidi, une température relative par rapport à un autre point du système.
Les termes "premier", "deuxième" et "troisième", "additionnel", etc. sont utilisés simplement comme des étiquettes, et ne sont pas destinés à imposer des exigences numériques sur leurs objets.
L'invention consiste en une batterie de Carnot greffée à une centrale thermique de production d'électricité, se basant sur un cycle moteur de fonctionnant avantageusement en mode subcritique.
La batterie de Carnot selon l'invention comprend une centrale thermique de production d'électricité destinée à convertir de l'énergie thermique en électricité. Dans la présente demande, le terme centrale, centrale de production, centrale thermique sont utilisés de manière indifférenciée pour définir la centrale thermique de production d'électricité.
La centrale thermique peut-être de différents types. La centrale thermique comprend une source de chaleur 6 pouvant être de nature diverse par exemple issue de la géothermie, de la biomasse, des énergies fossiles, de l'énergie solaire, du nucléaire, de la chaleur fatale. La centrale thermique comprend un cycle moteur 200 permettant de transformer la source de chaleur 6 en énergie électrique. À titre d'exemple, la source de chaleur 6 présente une température comprise entre 80 et 800°C.
La batterie de Carnot comprend ainsi cycle moteur 200 destiné à transformer de l'énergie thermique, une source chaude 6, en électricité. Le cycle moteur 200 comprend au moins un évaporateur 202, une turbine 201 et un condenseur 204.
Le cycle moteur 200 est par exemple un cycle de Brayton ou un cycle de Rankine ou un cycle organique de Rankine.
Le cycle moteur 200 comprend un circuit fluidique moteur recevant un fluide moteur et destiné à mettre en connexion fluidique les différents composants du cycle moteur 200. Le circuit fluidique moteur est une boucle de circulation comprenant des connexions fluidiques et des composants. Le circuit fluidique moteur est une boucle fermée.
L'évaporateur 202 est configuré pour assurer un échange thermique entre le cycle moteur 200 et la source chaude 6. L'évaporateur 202 a pour fonction d'assurer l'évaporation du fluide moteur grâce à l'apport d'énergie thermique chaude par la source chaude 6.
La turbine 201 du cycle moteur est configurée pour assurer la détente du fluide moteur pour assurer l'entraînement de la turbine 201. Avantageusement, la turbine 201 est associée à une génératrice 206. La génératrice 206 est mise en mouvement par la turbine 201 lors de la détente du fluide moteur et assure ainsi la production d'électricité.
À titre d'exemple, la turbine 201 est une turbomachine axiale. La présente invention reste fonctionnelle pour tout type de turbine de détente, que ce soit une turbomachine axiale, centripète ou mixte, une machine volumétrique de type scroll, à piston, à vis, etc.
Le condenseur 204 du cycle moteur est configuré pour assurer un échange thermique entre le cycle moteur et une source froide 5. Le condenseur 204 a pour fonction d'assurer la condensation du fluide moteur grâce à un refroidissement réalisé par l'apport d'énergie thermique froide par la source froide 5.
Avantageusement, le cycle moteur comprend une pompe 205 destinée à mettre en mouvement le fluide moteur dans le circuit fluidique du cycle moteur.
Selon une possibilité préférée, le circuit fluidique du cycle moteur 200 assure la mise en connexion fluidique successivement de l'évaporateur 202 connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à la turbine 201, puis la turbine 201 est connectée fluidiquement au condenseur 204, préférentiellement en passant par le premier récupérateur 203, puis le condenseur 204 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à la pompe 205, puis la pompe 205 est connectée fluidiquement à l'évaporateur 202, préférentiellement en passant par le premier récupérateur de 203.
Selon le mode de réalisation illustré, le cycle moteur 200 est un cycle organique de Rankine. À ce titre, le fluide moteur circulant dans le cycle moteur 200 est un fluide organique comme le Novec649.
Selon l'invention, la batterie de Carnot comprend un cycle de réfrigération à éjecteur également dénommé cycle frigorifique à éjecteur simple (SERS) comprenant avantageusement une pompe 205, un générateur 202, un détendeur 104, un évaporateur 102, un condenseur 204 et un éjecteur 101.
Un éjecteur 101 est un composant thermodynamique inerte qui permet la compression et le mélange d'un flux à partir d'un second flux de pression plus importante. L'éjecteur 101 comprend une première entrée de fluide dit primaire ou fluide moteur ou fluide à haute pression, une 2e entrée de fluide dit secondaire ou le fluide de travail ou le fluide frigorifique ou fluide à basse pression et une sortie de fluide mélangé.
Selon l'invention, le cycle de réfrigération à éjecteur comprend la pompe 205 du cycle moteur 200, le générateur est l'évaporateur 202 du cycle moteur 200, le condenseur est le condenseur 204 du cycle moteur 200.
Avantageusement, le cycle de réfrigération comprend un circuit fluidique frigorifique permettant d'assurer la connexion fluidique des différents éléments ainsi que la circulation d'un fluide de travail.
Le circuit fluidique frigorifique est une boucle de circulation comprenant des connexions fluidiques et des composants. Le circuit fluidique frigorifique est une boucle fermée.
Le circuit fluidique frigorifique et le circuit fluidique moteur sont au moins partiellement commun.
Le fluide de travail du cycle de réfrigération et le fluide moteur du cycle moteur sont le même fluide. Il peut être dénommé différemment selon les phases de fonctionnement de la batterie de Carnot, dans la suite de la description, le terme fluide de travail et fluide moteur sont utilisés de manière indifférenciée. Le fluide de travail est donc comme le fluide moteur un fluide organique comme le Novec649.
Le circuit fluidique comprend une branche motrice sur laquelle sont agencés la pompe 205 et l'évaporateur 202 du cycle moteur 200. La branche motrice s'étend depuis l'entrée de la pompe 205 jusqu'à la première entrée de fluide de travail de l'éjecteur 101. Avantageusement, la branche motrice fonctionne à haute pression. Le fluide de travail circulant dans cette branche motrice est préférentiellement comprimé par la pompe 205. La pression dans les branches dépend fortement du fluide de travail. À titre d'exemple, en utilisant du Novec649 comme fluide de travail, la pression dans la branche motrice est de l'ordre de 6,366 pour une température de source chaude de 130° C.
Le circuit fluidique frigorifique comprend une branche frigorifique sur laquelle sont agencés le détendeur 104 et l'évaporateur 102. La branche frigorifique s'étend depuis la sortie du condenseur 204 jusqu'à la 2^e entrée de fluide de travail de l'éjecteur 101. Avantageusement, la branche frigorifique fonctionne à basse pression. Le fluide de travail circulant dans cette branche frigorifique est préférentiellement détendu par le détendeur 104. Puis le fluide de travail détendu issu de du détendeur 104 pénètre dans l'évaporateur 102. Dans l'évaporateur 102, le fluide de travail détendu est vaporisé par échange thermique avec une source à refroidir. La source à refroidir est avantageusement un fluide contenu dans un module de stockage 3. Cet échange dans l'évaporateur 102 permet de stocker de l'énergie thermique froide dans le module de stockage 3. Le fluide de travail, après avoir refroidi le module de stockage 3 en s'évaporant, est donc à l'état de gaz et à faible pression. Pour que ce fluide de travail puisse être réintégré au cycle moteur 200, il est comprimé dans l'éjecteur 101, entrainé par le fluide de moteur à haute pression provenant du cycle moteur 200.
Selon un mode de réalisation avantageux, la branche frigorifique comprend un 2e récupérateur 103 agencé entre l'amont du détendeur 104 et l'aval de l'évaporateur 102. Le 2e récupérateur permet ainsi de refroidir le fluide de travail entrant dans la branche frigorifique, c'est-à-dire en amont du détendeur 104, par transfert d'énergie thermique vers le fluide de travail sortant de la branche frigorifique, c'est-à-dire en sortie de l'évaporateur 102.
Le circuit fluidique comprend une branche de mélange sur laquelle sont agencés l'éjecteur 101 et le condenseur 204. La branche de mélange s'étend depuis la première entrée et la 2e entrée de l'éjecteur 101 jusqu'à la sortie du condenseur 204. Avantageusement, la branche de mélange fonctionne à pression intermédiaire. Le fluide de travail circulant dans cette branche de mélange et le mélange du fluide moteur issu de la branche motrice et du fluide de travail issu de la branche frigorifique. À titre d'exemple, la pression dans la branche de mélange est de l'ordre de 1,012 bars dans le cas d'une source froide à 13°C.
Selon un premier mode de réalisation, tel qu'illustré aux figures 1 à 4 et 6, la turbine 201 et l'éjecteur 101 sont agencés en parallèle en aval de l'évaporateur 202. Le flux de fluide moteur issu de l'évaporateur 202 est réparti avantageusement entre la turbine 201 et l'éjecteur 101. Le flux de fluide moteur ayant circulé dans la turbine 201 et le flux de fluide moteur ayant circulé dans l'éjecteur sont réunis en amont du condenseur 204 et éventuellement en amont du premier récupérateur 203 si celui-ci est présent.
Selon un 2e mode de réalisation, tel qu'illustré à la figure 5, la turbine et l'éjecteur 101 sont agencés en série en aval de l'évaporateur 202. Le flux de fluide moteur issu de l'évaporateur 202 circule dans la turbine 201 puis dans l'éjecteur 101.
Selon un mode de réalisation avantageux, la batterie de Carnot comprend un premier récupérateur 203. Le premier récupérateur 203 fait avantageusement partie du cycle de réfrigération à éjecteur. En étant agencé à l'interface entre la branche de mélange et la branche motrice. Qui préférentiellement, le premier récupérateur 203 est agencé à l'interface entre la connexion fluidique entre la pompe 205 et l'évaporateur 202 et la connexion fluidique entre la sortie de l'éjecteur 101, et selon le mode de réalisation de la sortie de la turbine 201, et l'entrée du condenseur de 104. Le premier récupérateur est destiné à assurer un échange thermique entre le fluide de mélange en sortie de l'éjecteur 101, et éventuellement le fluide moteur en sortie de la turbine 201 et le fluide moteur en sortie de pompe 205 permettant un préchauffage du fluide moteur avant son entrée dans l'évaporateur 202 et un refroidissement du fluide moteur avant son entrée dans le condenseur 204.
Préférentiellement, la batterie de Carnot comprend des connexions fluidiques de dérivation N, M permettant d'assurer une circulation du fluide en dérivation du premier récupérateur 203.
Comme illustrée sur l'ensemble des figures, les trois branches du circuit fluidique sont agencées en parallèle les unes des autres.
Préférentiellement, le circuit fluidique frigorifique comprend une boucle motrice, ou boucle primaire, comprenant la branche motrice et la branche de mélange. La boucle motrice comprend l'éjecteur 101, le condenseur 204, le détendeur 104 et l'évaporateur 202 du cycle moteur 200. Le fluide de travail sort sous forme liquide de la sortie du condenseur 204 puis est ici dénommé fluide moteur ou fluide de travail moteur. Le fluide moteur liquide est comprimé par la pompe 205 agencée sur la branche motrice pour être envoyé dans l'évaporateur 202. Dans l'évaporateur 202, le fluide moteur liquide comprimé est vaporisé, avantageusement par transfert d'énergie thermique depuis une source chaude 6. En sortie de l'évaporateur 202, le fluide moteur à l'état de vapeur comprimée, préférentiellement à haute pression pénètre dans l'éjecteur 101, par l'entrée de fluide primaire. L'éjecteur 101 est configuré pour créer une accélération du fluide moteur. Le fluide moteur entraîne la vapeur issue de la branche frigorifique permettant ainsi le mélange du fluide moteur et du fluide de travail. En sortie de l'éjecteur 101, le fluide mélangé à l'état de vapeur pénètre dans le condenseur 204 pour y être condensé.
Préférentiellement, le circuit fluidique frigorifique comprend une boucle frigorifique, ou boucle secondaire, comprenant la branche frigorifique et la branche de mélange. La boucle frigorifique comprend l'éjecteur 101, le condenseur 204, le détendeur 104 et l'évaporateur 102. Le fluide de travail sort sous forme liquide de la sortie du condenseur 204 puis est ici dénommé fluide frigorifique ou fluide secondaire. Le fluide frigorifique liquide subit une détente préférentiellement isenthalpique à travers le détendeur 104 avant d'être acheminé vers l'évaporateur 102 pour la production de froid. Dans l'évaporateur 103, le fluide de travail frigorifique est évaporé en récupérant l'énergie thermique d'une source à refroidir. Préférentiellement la source à refroidir est le fluide du module de stockage 3. En sortie de l'évaporateur 103, le fluide de travail frigorifique est à l'état de vapeur préférentiellement basse pression qui est aspiré par le fluide moteur dans l'éjecteur 101 par l'entrée de fluide secondaire.
Le fluide de travail qui est envoyé vers la branche frigorifique correspond au fluide de travail qui peut être entrainé par l'éjecteur et donc qui n'est pas aspiré par la pompe 205.
L'intérêt de ce cycle frigorifique à éjecteur simple est de remplacer le travail consommé par un compresseur par un travail beaucoup plus faible consommé par la pompe 205, et par une chaleur fournie via l'évaporateur 202 préférentiellement à moyenne ou haute température.
Selon l'invention, la batterie de Carnot comprend un module de stockage thermique 3 comprenant un fluide destiné à stocker l'énergie thermique froide, avantageusement produite par le cycle de réfrigération à éjecteur. Le module de stockage thermique 3 est par exemple un réservoir de fluide, avantageusement isolé thermiquement de l'environnement.
À titre d'exemple préféré, le fluide frigorigène est de l'eau glycolée. À titre d'exemple, le fluide frigorigène stocké dans le module de stockage thermique est à une température comprise entre -50°C et 50°C.
Selon une possibilité non illustrée, un compresseur peut être mis en parallèle de l'éjecteur 101 pour réaliser une compression assistée. Ce compresseur, nécessairement de petite taille, peut venir assister la compression assurée par l'éjecteur 101 quand la demande instantanée en froid est conséquente. Le compresseur peut fonctionner de pair avec l'éjecteur 101, si un flux électrique est généré et a besoin d'être stocké in situ, ou en relai afin d'augmenter la plage de fonctionnement de la BCG.
Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 5, la batterie de Carnot comprend un circuit intermédiaire 1 assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide stocké dans le module de stockage d'énergie 3 vers le cycle moteur 200. Le circuit intermédiaire 1, dit circuit intermédiaire de décharge, comprend un échangeur thermique de décharge 2 assurant le transfert thermique entre le fluide et une source froide 5 alimentant le condenseur 204 du cycle moteur 200.
À titre préféré, le circuit intermédiaire 1 comprend une pompe 4 destinée à mettre en circulation le fluide entre le module de stockage 3 et l'échangeur thermique de décharge 2.
Le circuit intermédiaire 1 est destiné à recevoir un fluide caloporteur et assurer la mise en connexion fluidique des composants du circuit intermédiaire. Le circuit intermédiaire 1 comprend l'échangeur thermique de décharge 2, le module de stockage 3 et éventuellement la pompe 4. L'échangeur thermique de décharge 2 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, au module de stockage thermique 3, puis le module de stockage thermique 3 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à la pompe 4, puis la pompe 4 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement à l'échangeur thermique de décharge 2.
Le circuit intermédiaire 1 est une boucle fluidique comprenant des connexions fluidiques assurant la connexion fluidique en série du module de stockage d'énergie thermique 3 et l'échangeur thermique de décharge 2. Le circuit intermédiaire 1 comprend une connexion fluidique A assurant la connexion fluidique de la sortie du fluide de stockage du module de stockage 3 vers l'entrée de fluide de stockage de l'échangeur thermique de décharge 2. Le circuit intermédiaire 1 comprend une connexion fluidique B assurant la connexion fluidique de la sortie du fluide de stockage de l'échangeur thermique de décharge 2 vers l'entrée de fluide de stockage du module de stockage 3. A titre préférée, la pompe 4 est agencée sur la connexion fluidique A.
L'échangeur thermique de décharge 2 est distinct du condenseur de 204 du cycle moteur. L'échangeur thermique de décharge 2 est agencé en amont du condenseur 204 sur la connexion fluidique C , D d'alimentation en source froide 5.
Le cycle moteur 200 et le cycle intermédiaire 1 sont distincts.
L'architecture de la batterie de Carnot selon l'invention permet d'optimiser la phase de décharge. En effet, après avoir préalablement été chargé, le module de stockage 3 est déchargé grâce au circuit intermédiaire 1 sur le circuit de la source froide 5.
En effet, la présence de circuit intermédiaire 1 permet d'assurer une décharge de la batterie de Carnot optimale en particulier pour les cycles subcritiques.
Selon un autre mode de réalisation illustré à la figure 6, la batterie de Carnot comprend un échangeur thermique additionnel 20 agencé en aval du condenseur 204 et assurant l'échange thermique entre le fluide du module de stockage et le fluide de travail circulant en sortie du condenseur de 204. Le condenseur 204 est alimenté par une source froide 5 permettant un premier refroidissement du fluide moteur circulant dans le condenseur de 104 puis le fluide moteur refroidi circule dans l'échangeur thermique additionnel 20 alimenté par le fluide frigorigène 3 permettant à nouveau en refroidissement de celui-ci. Ce mode de réalisation est particulièrement utilisé dans le cadre de cycles transcritique ou supercritique ne nécessitant pas de circuit intermédiaire.
La source froide 5 est par exemple de l'eau d'un réseau d'eau, de l'eau d'une rivière, etc. À titre préféré, la température de la source froide est comprise entre -50°C et 50°C.
Suivant un aspect, la batterie de Carnot comprend un module de commande comprenant une pluralité de vannes destinée à commander la circulation du fluide de travail dans les circuits fluidiques et une pluralité de capteurs destinés à mesurer des paramètres prédéfinis sur les circuits fluidiques. Le fonctionnement de la batterie de Carnot comprend la mesure de paramètres prédéfinis sur les circuits fluidiques par des capteurs, la comparaison des mesures avec des valeurs prédéfinies et la mise en place les différentes phases de fonctionnement de la batterie.
L'architecture d'une batterie de Carnot selon un exemple de l'invention telle qu'illustrée à la figure 1 est détaillée ci-après.
Au niveau du cycle moteur 200, la source chaude 6 est connectée fluidiquement à l'évaporateur 202 du cycle moteur 200. La source chaude 6 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à l'entrée de la source chaude de l'évaporateur 202 par une connexion fluidique F. Une sortie de la source chaude de l'évaporateur 202 est connectée fluidiquement à la sortie de la source chaude 6 par une connexion fluidique G. Avantageusement, la pompe 11 est agencée sur la connexion fluidique G.
Au niveau du cycle moteur 200, l'évaporateur 202 comprend une entrée et une sortie de fluide moteur. La sortie de fluide moteur de l'évaporateur 202 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à l'entrée de la turbine 201 par une connexion fluidique H. L'entrée de fluide moteur de l'évaporateur 202 est connectée fluidiquement à une deuxième sortie du récupérateur 203, s'il est présent par la connexion fluidique L, sinon à la pompe 5 par les connexions fluidiques K, M, L, sinon au condenseur 204.
Selon le premier mode de réalisation, la sortie du fluide moteur de l'évaporateur 202 est connectée fluidiquement, par la connexion fluidique H à une connexion fluidique O alimentant la turbine 201, préférentiellement directement, et en parallèle à une connexion fluidique P alimentant l'entrée primaire de l'éjecteur 101.
La turbine 201 comprend une entrée et une sortie de fluide moteur. La sortie de fluide moteur de la turbine 201 est connectée fluidiquement à l'entrée du condenseur 204, préférentiellement la sortie de la turbine 201 est connectée fluidiquement directement à une première entrée du récupérateur 203 par les connexions fluidiques I, R, une première sortie du récupérateur 203 étant connecté fluidiquement directement à l'entrée de fluide moteur du condenseur 204 par la connexion fluidique J.
L'éjecteur 101 comprend une sortie de fluide mélangé. La sortie de l'éjecteur 101 est connectée fluidiquement à l'entrée du condenseur 204, préférentiellement la sortie de l'éjecteur 101 est connectée fluidement directement à une première entrée du récupérateur 203 par les connexions fluidiques Q, R, une première sortie du récupérateur 203 étant connecté fluidiquement directement à l'entrée de fluide moteur du condenseur 204 par la connexion fluidique J.
Selon le 2e mode de réalisation, la sortie du fluide moteur de l'évaporateur 202 est connectée fluidiquement par la connexion fluidique H à l'entrée de la turbine 201, préférentiellement directement. La sortie de la turbine 201 est connectée par une connexion fluidique P' à l'entrée primaire de l'éjecteur 101.
L'éjecteur 101 comprend une sortie de fluide mélangé. La sortie de l'éjecteur 101 est connecté fluidiquement à l'entrée du condenseur 204, préférentiellement la sortie de l'éjecteur 101 est connectée fluidement directement à une première entrée du récupérateur 203 par les connexions fluidiques Q, R, une première sortie du récupérateur 203 étant connecté fluidiquement directement à l'entrée de fluide moteur du condenseur 204 par la connexion fluidique J.
Le condenseur 204 comprend une entrée et une sortie de fluide moteur. La sortie de fluide moteur du condenseur 204 est connectée fluidiquement à une deuxième entrée du récupérateur 203 par la connexion fluidique K. Avantageusement, la pompe 205 est agencée sur la connexion fluidique K, avantageusement en aval du condenseur 204 et en amont du récupérateur 203, s'il est présent ou sinon en amont de l'évaporateur 202.
Le condenseur 204 comprend une entrée de source froide 5 connectée fluidiquement à l'entrée de source froide dans la batterie de Carnot.
Selon un mode de réalisation, au niveau du circuit intermédiaire 1, l'échangeur thermique de décharge 2 comprend une entrée et une sortie de source froide 5, l'entrée de source froide de l'échangeur de décharge 2 est connectée à la connexion fluidique C permettant l'arrivée de la source froide dans la batterie de Carnot, la sortie de source froide de l'échangeur de décharge 2 est connectée fluidiquement à l'entrée de source froide du condenseur 204 par la connexion fluidique D, préférentiellement directement.
Le condenseur 204 comprend une sortie de source froide connectée fluidement à la sortie de source froide hors de la batterie Carnot par la connexion fluidique E.
Le module de stockage 3 comprend une sortie de fluide stocké connectée fluidiquement à l'entrée de fluide frigorigène de l'échangeur thermique de décharge 2 par la connexion fluidique A. Avantageusement, une pompe 4 est agencée sur la connexion fluidique A. L'échangeur thermique de décharge 2 comprend une sortie de fluide connectée fluidiquement à l'entrée du module de stockage 3 par la connexion fluidique B.
Selon un autre mode de réalisation, La batterie de Carnot comprend un échangeur thermique additionnel 20 agencé en aval de l'évaporateur 104 sur la connexion fluidique K. La sortie du condenseur 204 est connectée fluidement à l'entrée de l'échangeur thermique additionnel 20 par la connexion fluidique K'. La sortie de l'échangeur thermique additionnel 20 il est connecté par la connexion fluidique K' à la pompe 205.
Le module de stockage 3 comprend une sortie de fluide stocké connectée fluidiquement à l'entrée de fluide frigorigène de l'échangeur thermique additionnel 20 par la connexion fluidique A. Avantageusement, une pompe 4 est agencée sur la connexion fluidique A. L'échangeur thermique additionnel 20 comprend une sortie de fluide connectée fluidiquement à l'entrée du module de stockage 3 par la connexion fluidique B.
La branche frigorifique débute par la connexion fluidique S s'étendant entre la connexion fluidique K et l'évaporateur 102. Sur la connexion fluidique S est agencé avantageusement le 2e récupérateur 103 puis le détendeur 104. L'évaporateur 102 comprend une entrée connectée à la connexion fluidique S et une sortie connectée à la connexion fluidique T. La connexion fluidique T s'étend entre l'évaporateur 102 et l'entrée secondaire de l'éjecteur 101. Avantageusement, le 2e récupérateur 103 est agencé sur la connexion fluidique T.
La batterie de Carnot selon l'invention fonctionne suivant 3 phases dont une phase stationnaire correspondant au fonctionnement de transformation de l'énergie thermique en énergie électrique, une phase de charge correspondant au fonctionnement pour stocker de l'énergie thermique et une phase de décharge correspondant au fonctionnement pour déstocker l'énergie thermique.
En phase stationnaire, la batterie de Carnot selon l'invention fonctionne telle qu'illustrée à la figure 2 ci-après détaillée.
La source chaude 6, le cycle moteur 200 et l'alimentation en source froide du condenseur 204 sont actifs en phase stationnaire. On entend par actif qu'une circulation de fluide est réalisée. En phase stationnaire, l'éjecteur 101, la branche frigorifique et le circuit intermédiaire 1 assurant l'échange thermique entre le module de stockage 3 et le cycle moteur 200 ne sont pas actifs, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de circulation de fluide. Avantageusement, dans cette phase stationnaire, la batterie de Carnot fonctionne avec uniquement une activation du cycle moteur 200 sans activation du cycle de réfrigération par éjecteur. Avantageusement, le premier récupérateur 203 n'est pas actif.
La phase stationnaire va être décrite ci-après d'un point de vue fonctionnement.
La source chaude 6 alimente l'évaporateur 202 du cycle moteur 200.
La source chaude 6 entre dans l'évaporateur 202 à une température supérieure à sa température en sortie de l'évaporateur 202. La source chaude 6 transfère son énergie thermique au cycle moteur 200 au travers de l'évaporateur 202. Le cycle moteur 200 permet la production d'énergie électrique par sa turbine 201 associée à la génératrice de 206. Le condenseur 204 est alimenté par la source froide 5 issue de l'environnement et qui n'est pas alimentée ni refroidie par le module de stockage. L'éjecteur 1 n'est pas en fonctionnement, il n'y a pas de production de froid ni de stockage de froid dans le module de stockage 3. Il n'y a pas de déstockage de froid depuis le module de stockage. La phase stationnaire est un mode de fonctionnement correspondant à une simple conversion d'énergie.
En phase de décharge, la batterie de Carnot selon l'invention est illustrée à la figure 3 ci-après détaillée.
La source chaude 6, le cycle moteur 200, le circuit intermédiaire 1 et l'alimentation en source froide du condenseur 204 sont actifs en phase de décharge. On entend par actif qu'une circulation de fluide est réalisée. L'éjecteur 101 et la branche frigorifique et plus généralement le cycle de réfrigération par éjecteur ne sont pas actifs, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de circulation de fluide. Avantageusement, le premier récupérateur 203 n'est pas actif.
La phase de décharge de la batterie de Carnot est destinée à la transmission du froid préalablement stocké vers le cycle moteur.
En phase de décharge, le fonctionnement de la batterie de Carnot selon l'invention est identique au fonctionnement en phase stationnaire avec en plus le fonctionnement de la décharge du module de stockage 3 soit par le circuit intermédiaire 1, soit par l'échangeur thermique additionnel qui permet le déstockage de l'énergie thermique froide stockée dans le module de stockage 3 vers le cycle moteur 200.
Selon le mode de réalisation illustré à la figure 3 comprenant le circuit intermédiaire 1, le fluide stocké dans le module de stockage 3 est déstocké vers l'échangeur thermique de décharge 2 qui permet le transfert de l'énergie thermique du fluide stocké vers la source froide 5, celle-ci alimentant ensuite le condenseur 204 du cycle moteur 200. Le fluide retourne vers le module de stockage 3 à une température supérieure à celle à laquelle il en est sorti.
Ainsi, l'échangeur de décharge 2, via un transfert de chaleur sensible uniquement, diminue la température de la source froide 5 du cycle moteur 200. La source froide 5 entre donc dans le condenseur 204 du cycle moteur à une température plus faible que lors du fonctionnement stationnaire, également dénommé nominal de la batterie de Carnot. La température de la source froide 5 entrant dans le condenseur 204 résulte de l'apport de froid depuis le module de stockage 3 au flux thermique nominal de la source froide 5. Ainsi, le profil de la source froide 5 au condenseur 204 étant plus bas, cela permet d'atteindre une pression de condensation du fluide moteur plus faible que lors du fonctionnement nominal de la batterie de Carnot. Cette diminution de la pression basse résultant de la décharge du module de stockage 3 est intéressante, car meilleur est le taux de pression entre l'amont et l'aval de la turbine 201, meilleures en sont ses performances. Ainsi, l'abaissement de la pression basse du fait de la décharge du module de stockage 3 permet une augmentation notoire de la production électrique du cycle moteur 200, ce qui est donc recherché dans le cadre du fonctionnement d'une batterie de Carnot selon l'invention. Ce mode de réalisation est avantageusement mis en œuvre pour des cycles sub critiques.
Selon le mode de réalisation illustré à la figure 6 ne comprenant pas le circuit intermédiaire 1, le fluide stocké dans le module de stockage 3 est déstocké vers l'échangeur thermique additionnel qui permet le transfert de l'énergie thermique du fluide stocké vers le fluide moteur. Ainsi l'échangeur additionnel 20, via un transfert de chaleur sensible uniquement, diminue la température du fluide moteur du cycle moteur 200. Ce mode de réalisation est avantageusement mis en œuvre pour des cycles transcritiques et supercritiques.
La phase de charge de la batterie de Carnot est destinée à la conversion d'électricité depuis une source froide 5 via l'éjecteur 101.
En phase de charge, la batterie de Carnot selon l'invention est illustrée à la figure 4 ci-après détaillée.
La source chaude 6, le cycle moteur 200, le cycle à réfrigération par injecteur et l'alimentation en source froide du condenseur 204 sont actifs en phase de charge. On entend par actif qu'une circulation de fluide est réalisée. Le déstockage de l'énergie thermique stockée par le module de stockage, notamment par le circuit intermédiaire 1 ou l'échangeur thermique additionnel 20, assurant l'échange thermique entre le module de stockage 3 et le cycle moteur 200 n'est pas actif, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de circulation de fluide.
Cette phase de charge est mise en œuvre lorsqu'il y a un surplus d'énergie électrique par rapport à la demande sur le réseau. La batterie de Carnot selon l'invention permet ainsi de stocker l'énergie électrique en surplus sous forme d'énergie thermique froide. En phase de charge, le fonctionnement de la batterie de Carnot selon l'invention est identique au fonctionnement en phase stationnaire avec en plus le fonctionnement de la machine frigorifique 100 qui permet le stockage de l'énergie électrique sous forme d'énergie thermique froide.
Lors de la charge de la batterie, au moins une partie du flux en fluide de travail du cycle moteur est dévié de la turbine 201 puis détendu par l'éjecteur 101 afin de réaliser une production de froid. Cette dernière va être stockée par le module de stockage 3. Le flux, après avoir refroidi le module de stockage 3 en s'évaporant, est donc à l'état de gaz et à faible pression. Pour que ce flux puisse être réintégré au cycle moteur, il est comprimé dans l'éjecteur 101, entrainé par un flux à haute pression provenant du cycle moteur.
La source chaude 6 alimente l'évaporateur 202 du cycle moteur 200.
La source chaude 6 entre dans l'évaporateur 202 à une température supérieure à sa température en sortie de l'évaporateur 202. La source chaude 6 transfère son énergie thermique au cycle moteur 200 au travers de l'évaporateur 202. Le fluide moteur réchauffé issu de l'évaporateur 202 est envoyé au moins en partie vers la turbine 201 pour y être détendu et permettre la production d'énergie électrique par sa turbine 201 associée à la génératrice de 206. L'autre partie étant envoyée vers l'éjecteur 101. Le fluide moteur détendu en sortie de turbine 201 et le fluide mélangé issu de l'éjecteur 101 sont réunis en aval de l'éjecteur 101, en amont du condenseur 204 et éventuellement en amont du premier récupérateur 203 s'il est présent. Selon le mode de réalisation de la figure 5, tout le fluide moteur issu de l'évaporateur 202 est envoyé d'abord vers la turbine 201 puis vers l'éjecteur 101. Le fluide mélangé issu de l'éjecteur 101 est envoyé vers le condenseur 204 et éventuellement en passant par le premier récupérateur 203.
Le condenseur 204 est alimenté par la source froide 5 issue de l'environnement et qui n'est pas alimentée ni refroidie par le module de stockage 3.
Le fluide mélangé issu du condenseur 204 est en partie aspiré par la pompe 205. L'autre partie non aspirée par la pompe 205 est envoyée vers la branche frigorifique du cycle de réfrigération par éjecteur. Le fluide envoyé vers la branche frigorifique circule avantageusement dans le 2e récupérateur 103 puis dans le détenteur 104 dans lequel sa pression est abaissée avant d'être envoyée dans l'évaporateur 102. Dans l'évaporateur 102 le fluide de travail détendu permet de refroidir le fluide contenu dans le module de stockage 3. Le flux de travail détendu issu de l'évaporateur 102 circule avantageusement dans le 2e récupérateur 103 avant d'être envoyé vers la 2e entrée de l'éjecteur 101.

Exemple

Une batterie de Carnot selon l'invention a été simulée sous le logiciel EES (Engineering Equations Solver).
Concernant la source chaude 6, sa nature, son débit ainsi que sa température peuvent être quelconques, cependant des hypothèses de température et de puissance typiques ont été adoptées. Ainsi, la source chaude 6 de la centrale a été modélisée par une source de chaleur 6 à 130°C constante dans le temps et délivrant une puissance maximale de 80kW constante dans le temps également. Le profil de cette source chaude 6 est laissé comme degré de liberté. La source froide 5 elle est considérée à température constante de 13°C, mais de puissance et débit infini. Le profil de cette source 5 est également un degré de liberté. L'hypothèse de puissance et débit infini modélise une batterie de Carnot dont la source froide 5 serait assurée par un cours d'eau ou un réservoir à température limitée et constante dans le temps, mais avec un débit disponible d'un ordre de grandeur très supérieur aux besoins de la centrale.
Les rendements des composants ont été considérés comme constants et sont issus de la littérature. Les valeurs adoptées pour le rendement sont données ci-après :

Turbine 201 isentropique : 0,75
Génératrice 206 : 0,95
Pompes 4, 205, 11 : 0,5
Éjecteur 101 isentropique : 0,2

Les pertes lors du stockage ont été négligées et un pincement constant a été adopté pour les différents échangeurs de la BCG.
Les données sur les performances de la batterie de Carnot selon l'invention sont renseignées ci-après :

Degré de greffe : 10,3%
Ratio de charge/décharge : 300%
Rendement du cycle moteur lors de la phase stationnaire : 8,0%
Rendement du cycle moteur lors de la phase de charge : 8,7%
Rendement du cycle moteur lors de la phase de décharge : 7,7%
Rapport de restitution de la BCG : 64,3%

Le degré de greffe est un indicateur permettant d'obtenir des renseignements sur la taille de la batterie. La taille de la batterie est ici considérée relativement aux services qu'elle est capable de rendre au réseau en termes de modulation de puissance de la production de la centrale thermique. Ici, la batterie de Carnot simulée a un degré de greffe d'environ 10%, c'est-à-dire qu'elle sera capable d'effectuer une modulation de puissance du cycle moteur, lors de la décharge, de 10% par rapport à la production nominale. La batterie Carnot simulée ici est donc de taille suffisante pour rendre des services au réseau.
Le ratio de charge vis-à-vis de la décharge est réglé sur 300% c'est-à-dire que la phase de charge est 3 fois plus longue que la phase de décharge.
Le rapport de restitution de la batterie de Carnot est ici de 64,3%, ce qui signifie que 64,3% de l'électricité qui a été consommée lors de la charge (c'est-à-dire stockée dans la batterie Carnot) a été restituée lors de la décharge de la batterie Carnot.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s'étend à tous les modes de réalisation couverts par l'invention.

LISTE DES REFERENCES

1. Circuit intermédiaire
2. Échangeur de décharge
3. Module de stockage
4. Pompe de décharge
5. Source froide
6. source chaude
11. Pompe source chaude
20. Echangeur thermique additionnel
101. Éjecteur
102. Evaporateur
103. deuxième récupérateur
104. Détendeur
200. Cycle moteur
201. Turbine
202. Évaporateur
203. premier Récupérateur
204. Condenseur
205. Pompe
206. Génératrice
A. connexion fluidique entre la sortie du module de stockage de froid et l'entrée de l'échangeur de décharge
B. connexion fluidique entre la sortie de l'échangeur de décharge et l'entrée du module de stockage de froid
C. ligne d'aller d'une première source froide du cycle moteur alimentant l'échangeur de décharge
D. connexion fluidique entre l'échangeur de décharge et le condenseur du cycle moteur
E. ligne retour de la première source froide du cycle moteur hors du condenseur
F. Connexion fluidique entre la source chaude et l'évaporateur du cycle moteur
G. connexion fluidique entre l'évaporateur du cycle moteur et la source chaude
H. Connexion fluidique entre l'évaporateur du cycle moteur et la turbine ou la déviation entre la turbine et l'éjecteur.
I. connexion fluidique entre la turbine du cycle moteur et la sortie de l'éjecteur
J. connexion fluidique entre le premier récupérateur et le condenseur du cycle moteur
K. connexion fluidique entre le condenseur du cycle moteur et le premier récupérateur
K'. connexion fluidique entre le condenseur du cycle moteur et l'échangeur thermique additionnel
K". connexion fluidique entre l'échangeur thermique additionnel et le premier récupérateur
L. connexion fluidique entre le premier récupérateur et l'évaporateur du cycle moteur
M. connexion fluidique de dérivation du premier récupérateur
N. Connexion fluidique de dérivation du premier récupérateur
O. Connexion fluidique entre la connexion fluidique H et la turbine
P. Connexion fluidique entre la connexion fluidique H et la première entrée de l'éjecteur
Q. Connexion fluidique entre la sortie de l'éjecteur et la jonction avec la connexion I
R. Connexion fluidique entre les connexions fluidiques I et Q et le premier récupérateur
S. Connexion fluidique de dérivation de la branche fluidique entre l'aval du condenseur du cycle moteur et l'évaporateur de la branche frigorifique
T. Connexion fluidique entre l'évaporateur de la branche frigorifique et la 2e entrée de l'éjecteur

Claims

Batterie de Carnot comprenant
un cycle moteur (200) destiné à transformer de l'énergie thermique en électricité comprenant un circuit moteur de circulation d'un fluide de travail, un évaporateur (202) assurant un échange thermique avec une source chaude (6), une turbine (201), un condenseur (204) assurant un échange thermique avec une source froide (5) et une pompe (205), le circuit moteur de circulation étant configuré pour assurer la connexion fluidique successivement de l'évaporateur (202), de la turbine (201), du condenseur (204), de la pompe (205) puis de l'évaporateur (202),

caractérisée par le fait qu'elle comprend

un cycle de réfrigération à éjecteur (SERS) comprenant un circuit frigorifique de circulation du fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle:
• une branche motrice sur laquelle sont agencés la pompe (205) et l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) destiné à assurer un échange thermique entre une source de chaleur (6) et le fluide de travail, et

• une branche frigorifique agencée en dérivation du cycle moteur s'étendant depuis l'aval du condenseur (204) du cycle moteur (200) en amont de la pompe (205) du cycle moteur (200) et sur laquelle sont agencés un détendeur (104) et un évaporateur (102) destiné à assurer un prélèvement de chaleur à une source à refroidir, et

• une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur (101) destiné à assurer le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique et le condenseur (204) du cycle moteur (200) destiné à assurer un échange thermique entre une source froide (5) et le fluide de travail mélangé, issu de l'éjecteur (201), l'éjecteur (201) comprenant une première entrée connectée fluidiquement à la branche motrice en aval de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200), une deuxième entrée connectée fluidiquement à la boucle frigorifique en aval de l'évaporateur (102) de la branche frigorifique et une sortie connectée fluidiquement au condenseur (204) du cycle moteur (200) et

un module de stockage d'énergie thermique (3) comprenant un fluide destiné à stocker de l'énergie thermique froide et formant la source à refroidir de l'évaporateur (102) de la branche frigorifique, le module de stockage d'énergie thermique (3) étant connecté thermiquement au condenseur (204) du cycle moteur (200) assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide stocké dans le module de stockage d'énergie (3) vers le cycle moteur (200).
Batterie de Carnot selon la revendication précédente dans laquelle la turbine (201) est agencée sur la branche motrice en aval de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) et en amont de l'éjecteur (101).
Batterie de Carnot selon la revendication 1 dans laquelle la turbine (201) est agencée sur une conduite de dérivation agencée entre l'aval de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) et l'aval de l'éjecteur (101) en amont du condenseur (204) sur la branche de mélange.
Batterie de Carnot selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un circuit intermédiaire (1) assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide stocké dans le module de stockage d'énergie thermique (3) froide et le condenseur (204) du cycle moteur (200), le circuit intermédiaire (1) comprend un échangeur thermique de décharge (2) assurant le transfert thermique de l'énergie thermique froide du fluide vers la source froide (5) alimentant le condenseur (204) du cycle moteur (200).
Batterie de Carnot selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un premier récupérateur (203) agencé à l'interface de la branche motrice et de la branche de mélange entre l'aval de l'éjecteur (101) et l'aval de la pompe (205).
Batterie de Carnot selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un deuxième récupérateur (103) agencé sur la branche frigorifique entre l'aval du condenseur (204) du cycle moteur (200) et l'aval de l'évaporateur (104) de la branche frigorifique.
Procédé de production d'énergie électrique par une batterie de Carnot selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une étape de charge comprenant
un échange thermique dans l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) entre la source chaude (6) et le fluide de travail pour assurer l'évaporation du fluide de travail,

une circulation d'au moins une partie d'un flux de fluide de travail dans turbine (201) du cycle moteur (200) assurant la détente du fluide de travail issu de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) et la production d'électricité par une génératrice (206) associée,

une circulation d'au moins une partie d'un flux de fluide de travail dans l'éjecteur (101) issu de la turbine (201) ou de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200),

un mélange dans l'éjecteur (101) du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique,

une dérivation au moins une partie du flux de fluide de travail entre l'aval du condenseur (204) du cycle moteur (200) et l'amont de la pompe (205) vers la branche frigorifique,

le stockage de l'énergie thermique froide dans le module de stockage par l'échange thermique (3) dans l'évaporateur (104) de la branche frigorifique entre le fluide de travail et le fluide du stockage.
Procédé de production d'énergie électrique selon la revendication précédente comprenant une étape de décharge d'énergie thermique froide comprenant,
un déstockage du fluide du module de stockage

un échange thermique dans l'échangeur thermique de décharge (2) entre le fluide déstocké du module de stockage d'énergie thermique (3) et une source froide (5) pour abaisser la température de la source froide (5),

un échange thermique dans le condenseur (204) du cycle moteur (200) entre la source froide refroidie et un fluide moteur circulant dans le cycle moteur (200) permettant la condensation du fluide moteur.
Procédé de production d'énergie électrique selon la revendication précédente dans lequel l'étape de décharge d'énergie thermique froide comprend
un échange thermique dans l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) entre la source de chaleur (6) et le fluide moteur pour assurer l'évaporation du fluide moteur,

une détente du fluide moteur issu de l'évaporateur (204) dans la turbine (201) du cycle moteur permettant la production d'électricité par une génératrice (206) associée.
Procédé de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des trois revendications précédentes comprenant une étape de fonctionnement stationnaire comprenant
un échange thermique dans l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) entre la source de chaleur (6) et le fluide moteur pour assurer l'évaporation du fluide moteur,

une détente du fluide moteur issu de l'évaporateur (202) du cycle moteur (200) dans la turbine (201) du cycle moteur (200) permettant la production d'électricité par une génératrice (206) associée.

un échange thermique dans le condenseur (204) du cycle moteur (200) entre la source froide (5) et le fluide moteur pour assurer la condensation du fluide moteur.