FR2999228A1

FR2999228A1 - Procede et systeme de conversion d'une energie thermique en energie mecanique, notamment pour la conversion de l'energie thermique des mers

Info

Publication number: FR2999228A1
Application number: FR1203328A
Authority: FR
Inventors: Claude Mabile; David Teixeira
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-13
Also published as: WO2014087072A1

Abstract

- Procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, dans lequel on fait circuler dans un circuit fermé un fluide de travail composé d'ammoniac (NH3) et d'eau (H2O). - On chauffe le fluide de travail par un échange thermique avec une première source de chaleur à une température supérieure à la température de vaporisation de NH3, et on sépare le NH3 sous forme vapeur (première portion) d'une deuxième portion sous forme liquide. On transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans cette première portion en énergie mécanique au moyen d'une turbine. On reforme le fluide de travail par condensation au moyen d'une source de frigories Le procédé comporte au moins l'une des étapes suivantes : ○ on chauffe le fluide de travail en amont de l'étape de séparation au moyen d'au moins une source de chaleur ; ○ on chauffe la première portion en amont de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur.

Description

La présente invention concerne le domaine de la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique, en particulier pour la conversion de l'énergie thermique des mers (ETM). Une application de la présente invention se situe dans le domaine de l'Énergie Thermique des Mers (ETM ou OTEC pour Ocean Thermal Energy Conversion) qui concerne l'utilisation d'une énergie obtenue en mettant à profit la différence de température existant dans les régions tropicales et subtropicales entre les eaux de mer de surface et les eaux situées en profondeurs, en particulier de l'ordre de 1000 m. Les eaux de surface sont utilisées pour la source chaude et les eaux profondes pour la source de froid d'un cycle thermodynamique moteur. La différence de température entre la source chaude et la source de froid étant relativement faible, les rendements énergétiques attendus sont eux aussi faibles. Les centrales ETM conventionnelles fonctionnent généralement selon un cycle de Rankine. La demande de brevet WO 81/002229 Al décrit l'utilisation du cycle de Rankine dans le cas de l'ETM. Par ailleurs, il est connu une variante de ce cycle avec surchauffe (cycle de Hirn). Le cycle de Hirn consiste à chauffer suffisamment le fluide moteur pour que, après la détente, il soit toujours gazeux. Mais ces centrales ne présentent pas une optimisation maximale en terme d'efficacité. D'autres cycles thermodynamiques ont été développés dans le but de récupérer cette énergie thermique par exemple les cycles de Kalina, d'Uehara ou de Guohai. Un exemple de cycle d'Uehara est décrit en figure 1. Pour ce cycle, on utilise un fluide de travail composé d'ammoniac (NH3) et d'eau (H20). Le fluide de travail est partiellement vaporisé dans l'évaporateur (1) au moyen de la source d'eau de mer chaude (SC). Le flux de NH3 vapeur presque pur est séparé du liquide dans un ballon de séparation (2) et est envoyé à une première turbine (3) qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. En sortie de la turbine (3) une partie seulement de ce flux est envoyé à une deuxième turbine (5) au moyen d'un extracteur (4). Le liquide en sortie du ballon de séparation (2) sert à réchauffer au moyen d'un échangeur de chaleur (15) le mélange liquide qui sort d'une pompe (14), puis après avoir été détendu (16) il est mélangé (6) au flux de NH3 vapeur presque pur en sortie de la deuxième turbine (5). En entrée d'un condenseur (9) la partie liquide du flux est extraite afin de n'envoyer au condenseur (9) que la partie gazeuse au moyen du ballon de séparation (7). Le condenseur (9) permet un échange de chaleur entre la partie gazeuse du flux et une source d'eau de mer froide (SF). Ces deux flux sont mélangés (10) en sortie du condenseur (9).

Le flux extrait du fluide de travail sert à un préchauffage (12) du liquide en sortie de la pompe (11) avant d'être mélangé (13) avec ce liquide en entrée de la pompe (14). La demande de brevet EP 0 649 985 décrit également un cycle d'Uehara.

Le cycle d'Uehara permet d'obtenir une efficacité thermique légèrement meilleure que celle du cycle de Rankine mais nécessite un apport plus important de calories. L'efficacité thermique est le rapport entre l'énergie générée nette sur les calories apportées au procédé par l'évaporateur (1). Pour calculer l'énergie générée nette on additionne l'énergie mécanique en sortie des turbines. A cette somme on soustrait l'énergie consommée par les pompes incluses dans le procédé. On connaît également un cycle modifié d'Uehara, décrit par exemple sur le site internet http://www.thermoptim.org/. Le procédé d'Uehara est légèrement modifié en ce qu'il n'y a pas de séparation du liquide et du gaz en entrée du condenseur (voir figure 2). Cette séparation n'a comme objet que de réduire la quantité de liquide à refroidir pour ne condenser que la partie gazeuse et donc réduire partiellement la taille de l'échangeur avec l'eau froide. Le cycle de Kalina (figure 3) est une version simplifiée du cycle d'Uehara: Le fluide gazeux sortant du ballon de séparation (2) est envoyé à la turbine HT (3) qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. Ce fluide gazeux est ensuite mélangé au fluide liquide détendu en (16) à sa sortie de l'échangeur de chaleur (15). Ce mélange est alors envoyé au condenseur (9) puis à la pompe (14). Le cycle de Guohai (figure 4) diffère du cycle d'Uehara par le traitement subit par les fluides sortant du régénérateur (15) et du réchauffeur (12). Dans le cycle de Guohai, ces deux flux sont détendus (16 et 17) puis mélangé au flux sortant de la turbine BT (5) dans le mélangeur (6) L'invention concerne un procédé et un système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'un cycle thermodynamique qui présente une efficacité thermique élevée. Pour cela, l'invention utilise un cycle thermodynamique pour lequel un fluide de travail composé de deux fluides miscibles et présentant des températures de vaporisation distinctes circule dans un circuit fermé. Suivant une réalisation de l'invention, la vapeur circule successivement dans deux turbines de ce circuit, et on chauffe le fluide de travail en amont d'une étape de séparation vapeur/liquide et/ou on chauffe la partie vapeur en amont d'au moins une des deux turbines. Suivant une autre réalisation de l'invention, la vapeur circule dans une turbine de ce circuit, et on chauffe le fluide de travail en amont d'une étape de séparation vapeur/liquide et/ou on chauffe la partie vapeur en amont de la turbine. Le procédé et le système selon l'invention De façon générale, l'invention concerne un procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, dans lequel on fait circuler dans un circuit fermé un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes. Le procédé comporte les étapes suivantes : a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une source de chaleur (SC) à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide ; b) on sépare ledit fluide de travail réchauffé en une première portion sous forme vapeur comportant essentiellement ledit premier fluide et une deuxième portion sous forme liquide comportant au moins ledit deuxième fluide ; c) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique au moyen d'au moins une première turbine (3) ; d) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions ; Selon l'invention, on réalise au moins l'une des étapes suivantes on chauffe ledit fluide de travail en amont de l'étape de séparation au moyen d'au moins une source de chaleur (H1) ; on chauffe ladite première portion en amont de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2).

Selon l'invention, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes : on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ; on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15). On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique. Selon un mode de réalisation, l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique comporte en sus les étapes suivantes : c') en sortie de la première turbine (3), on extrait de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide au moyen d'un extracteur (4) ; C") on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine (5) ; et on chauffe ladite première portion en amont d'au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2, H3). Selon ce mode de réalisation, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes : on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (11) ; on préchauffe le flux sortant de la pompe (11) au moyen d'un échangeur (12) ; on envoie le flux préchauffé vers une pompe (14) ; et on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15). Selon ce mode de réalisation, on peut préchauffer le flux sortant de la pompe (11) en faisant circuler dans l'échangeur (12) la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux préchauffé (12) entrant dans la pompe (14). Selon un mode de réalisation : on extrait une partie liquide de ladite première portion (7) ; on condense au niveau du condenseur (9) uniquement la partie gazeuse de ladite première portion ; on mélange (10) la partie non gazeuse et le flux issu du condenseur (9). Selon l'invention, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes : on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ; on préchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur (12) ; on réchauffe à nouveau le flux sortant de l'échangeur (12) au moyen d'un échangeur de chaleur (15). On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique. On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (11) au moyen d'un échangeur de chaleur (12), en faisant circuler la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux sortant de la pompe (11). Selon l'invention, le fluide de travail peut comporter de l'ammoniac et de l'eau. Il peut par exemple, comporter entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 5 95 % en mole d'ammoniac. Selon l'invention, les sources de chaleur et de froid (SF ; SC) peuvent être constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes. L'objet de l'invention concerne également un système de conversion d'une énergie 10 thermique en énergie mécanique comportant un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes. Le circuit fermé comporte consécutivement : - un premier échangeur de chaleur (1) pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une source de chaleur (SC) à une température supérieure à la température de 15 vaporisation dudit premier fluide, - un ballon de séparation (2), dans lequel ledit fluide de travail est séparé en une première portion comportant essentiellement ledit premier fluide sous forme vapeur et en une deuxième portion liquide comportant au moins ledit deuxième fluide, une première turbine (3) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite 20 première portion en énergie mécanique, des moyens (9 ; 6) pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un second échangeur de chaleur (9) pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un 25 mélangeur (6) pour mélanger lesdites deux portions. Selon l'invention, le circuit fermé comporte au moins : - une source de chaleur (H1) en amont du ballon de séparation (2), pour chauffer ledit fluide de travail ; - une source de chaleur (H2) en amont de la première turbine (3), pour chauffer ladite 30 première portion ; Selon l'invention, le circuit fermé comporte, après la première turbine (3), un extracteur (4) pour extraire de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide, et une deuxième turbine (5) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique.

Selon un mode de réalisation, le circuit fermé comporte une source de chaleur (H3) en amont de la deuxième turbine (5), pour chauffer ladite première portion. Le circuit peut comporter en outre : une pompe (11) dans laquelle est envoyé le flux issu du condenseur (9); un échangeur (12) pour préchauffer le flux sortant de la pompe (11) ; une pompe (14) dans laquelle est envoyé le flux préchauffé ; et un échangeur de chaleur (15) pour réchauffer le flux sortant de la pompe (14) ; Selon un mode de réalisation, le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, circule dans l'échangeur de chaleur (15), et dans lequel le circuit comporte un détendeur (16) et un mélangeur (6) pour détendre et mélanger ladite deuxième portion à ladite première portion sortant de la deuxième turbine (5). Le fluide peut comporter entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac. Les sources de chaleur et de froid (SF, SC) peuvent être constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes. Enfin, les sources chaudes (H1, H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur. Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. La figure 1, déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique d'Uehara selon l'art antérieur. La figure 2, déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique d'Uehara modifié,selon l'art antérieur.

La figure 3, déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique de Kalina selon l'art antérieur. La figure 4, déjà décrite, illustre le cycle thermodynamique de Guohai selon l'art antérieure La figure 5 illustre trois modes de réalisation du cycle thermodynamique d'Uehara selon l'invention. La figure 6 illustre deux modes de réalisation du cycle thermodynamique de Kalina selon l'invention. La figure 7 illustre trois modes de réalisation du cycle thermodynamique de Guohai selon l'invention Description détaillée de l'invention L'invention concerne un procédé et un système de conversion d'énergie thermique provenant de sources de chaleur en énergie mécanique. Les sources de chaleur peuvent être par exemple constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes : la source chaude (par exemple à 28 °C) peut être prélevée à la surface de la mer, alors que la source de froid (par exemple à 4 °C) peut être prélevée à des profondeurs proches ou supérieures de 1000 m. Le procédé et le système sont basés sur l'utilisation d'un cycle thermodynamique mettant en oeuvre un fluide de travail composé de deux fluides miscibles dans un circuit fermé. Ces deux fluides présentent également la caractéristique de posséder des températures de vaporisation distinctes. Par exemple, les deux fluides utilisés peuvent être de l'ammoniac (NH3) et de l'eau (H20), ces deux fluides étant miscibles et la pression de vapeur saturante à 26°C de l'ammoniac est de 1013 kPa alors que pour l'eau elle est de l'ordre de 23 kPa. Des modes de réalisation de circuits fermés utilisé par le procédé et le système selon l'invention sont illustrés sur les figures 5, 6 et 7. Sur ces figures, les éléments similaires aux éléments utilisés pour les figures 1 à 4 possèdent les mêmes signes de référence. Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Kalinaa, d'Uehara ou de Guohai en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé. Premier mode de réalisation : Améliorations du cycle d'Uehara selon l'invention. Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé d'Uehara tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail.

Différents modes de réalisation sont envisagés : 1. Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1) en amont du ballon de flash HT. 2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H2) en amont de la turbine HT. 3. Un troisième mode dans lequel on ajoute une source chaude (H3) en amont de la turbine BT.

Toutes combinaisons de ces trois modes de réalisation sont également comprises dans l'invention. On peut envisager par exemple un mode de réalisation dans lequel on ajoute les sources H1 et H3, un autre mode où l'on ajoute H1 et H2, un autre mode où l'on ajoute H2 et H3, et un autre mode où l'on ajoute H1, H2 et H3.

Le procédé est décrit selon un exemple où le fluide de travail est composé d'ammoniac (NH3) et d'eau (H2O), et en se référant à la figure 5. Le fluide de travail (NH3 et H20) est partiellement vaporisé dans un premier échangeur de chaleur, dit évaporateur (1) au moyen d'un échange de chaleur avec la source chaude (SC). La source chaude est de l'eau de mer par exemple, à une température supérieure à la température de vaporisation du premier fluide (ammoniac) composant le fluide de travail mais inférieure à la température de vaporisation du deuxième fluide (eau) composant le fluide de travail. Les conditions de pression dans le cycle sont choisies pour que la température de vaporisation de l'ammoniac corresponde bien au critère ci-dessus. Ainsi, dans l'évaporateur (1), on vaporise quasiment uniquement l'ammoniac. Une source d'eau chaude (SC) à une température d'environ 28 °C est adaptée dans le cas où le premier fluide est de l'ammoniac et le deuxième de l'eau. Selon un premier mode de réalisation, ce flux composé de NH3 vapeur et d'eau liquide est chauffé au moyen d'une première source chaude (H1), avant d'être envoyé dans un ballon de séparation (2), dit ballon "Flash HT".

Au sein de ce ballon de séparation (2), une première portion comprenant essentiellement du NH3 sous forme vapeur presque pur, chauffé (selon le premier mode de réalisation) ou non chauffé, est séparée du liquide (deuxième portion). Selon un second mode de réalisation, cette première portion du fluide de travail est chauffée au moyen d'une seconde source chaude (H2).

Ensuite, cette première portion, chauffée (selon le second mode de réalisation) ou non chauffée, est envoyée à une première turbine (3), dite "turbine HT" (HT: haute température). La première turbine (3) permet la transformation d'une partie de l'énergie thermique contenue dans la première portion en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un générateur.

En sortie de la turbine (3), la première portion est envoyée vers un extracteur (4), de façon à extraire partiellement une partie du flux de NH3 vapeur presque pur. Le flux principal gazeux sorti de l'extracteur (4) est ensuite envoyé à une deuxième turbine (5), dite "turbine BT" (BT : basse température). La deuxième turbine (5) permet la transformation d'une partie de l'énergie thermique contenue dans la partie gazeuse de la première portion en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un générateur.

Selon un troisième mode de réalisation, la partie gazeuse sortie de l'extracteur (4) est chauffée au moyen d'une troisième source chaude (H3), avant d'être envoyé à la deuxième turbine (5). En sortie de la deuxième turbine (5), la première portion essentiellement sous forme vapeur est envoyé dans un troisième échangeur de chaleur, appelé "condenseur" (9) pour être liquéfié. Le condenseur (9) permet un échange de chaleur de la première portion avec la source de froid (SF). Ce fluide est à une température inférieure aux températures de vaporisation des deux fluides composant le fluide de travail. Une source de froid (SE) à une température d'environ 4 °C est adaptée dans le cas où le premier fluide est de l'ammoniac et le deuxième fluide est de l'eau. Le flux issu du condenseur (9) est envoyé vers une pompe (11). Le liquide en sortie du ballon de séparation (2), (appelé deuxième portion) sert à réchauffer au moyen d'un échangeur de chaleur (15) appelé "régénérateur" le mélange liquide qui sort d'une pompe (14), puis après avoir été détendu (16) il est mélangé par un mélangeur (6) au flux de NH3 vapeur presque pur en sortie de la deuxième turbine (5). La partie gazeuse extraite partiellement du fluide de travail au moyen de l'extracteur (4) sert à un préchauffage (12) du liquide en sortie de la pompe (11) avant d'être mélangé (13) avec ce liquide en entrée de la pompe (14). Ce flux, après avoir été réchauffé dans l'échangeur de chaleur (15), reconstitue le fluide de travail qui est alors envoyé à l'évaporateur (1). Avant d'être envoyé dans le condenseur (9) la partie liquide du flux sortant du mélangeur (6) peut être extraite (comme illustré figure 1) afin de n'envoyer au condenseur (9) que la partie gazeuse, au moyen d'un séparateur (7). Dans ce cas, la partie non gazeuse et le flux issu du condenseur (9) sont mélangés par un mélangeur (10) en sortie du condenseur (9), avant d'être envoyés vers une pompe (11). Selon l'invention, les sources chaudes (H1, H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur. Pour la source H1, on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Uehara. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide (deuxième portion) sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1, on trouve un flux de 17 % (contre 38 % dans le procédé original). La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de flash permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux. En amont de la turbine BT l'ammoniac est presque pur. En réchauffant ce gaz au moyen de la source H3, on fait fonctionner la turbine dans de meilleures conditions ce qui permet de baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux. A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1, H2 et H3: - H1 : 3 MVV - H2 : 1 MW - H3 : 1.75 MVV Second mode de réalisation : Améliorations du cycle de Kalina selon l'invention. Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Kalina en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé (figure 6).

Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé de Kalina tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail. Différents modes de réalisation sont envisagés : I. Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1) en amont du ballon de flash HT. 2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H2) en amont de la turbine HT. Selon l'invention, les sources chaudes (H1 et H2) peuvent être des pompes à chaleur. Pour la source H1, on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Kalina. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1, on trouve un flux de 60% (contre 63 % dans le procédé original).

La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de "flash HT" (2) permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.

A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1 et H2: - H1 : 3 MW - H2 : 1 MW Troisième mode de réalisation : Amélioration du cycle de Guohai selon l'invention. Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Guohai en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé (figure 7). Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé Guohai tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail. Différents modes de réalisation sont envisagés : 1. Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1) en amont du ballon de flash HT. 2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H2) en amont de la turbine HT. 3. Un troisième mode dans lequel on ajoute une source chaude (H3) en amont de la turbine BT. Selon l'invention, les sources chaudes (H1, H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur. Pour la source H1, on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Guohai. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1, on trouve un flux de 27 % (contre 31 % dans le procédé original).

La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de flash permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.

En amont de la turbine BT l'ammoniac est presque pur. En réchauffant ce gaz au moyen de la source H3, on fait fonctionner la turbine dans de meilleures conditions ce qui permet de baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux. A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1, H2 et H3: - H1 : 3 MW - H2 : 1 MW - H3 : 1.75 MW Comparaison avec les cycles de l'état de la technique Afin de montrer les avantages du procédé et du système selon l'invention, différents essais ont été menés. Pour chaque cycle on cherché les points de fonctionnement pour la fourniture d'énergie maximale, et les points de fonctionnement en efficacité thermique maximale. Ces cycles dit optimisés, sont comparés aux cycles selon l'invention. Pour mener ces essais, 20 nous avons pris comme hypothèses : D les sources de chaleur/froid (SF; SC) sont constituées d'eau de mer, de telle sorte que : o température de l'eau chaude en entrée de l'évaporateur (SC) : 28 °C, o température en sortie de l'évaporateur : 26 °C 25 o température de l'eau froide en entrée du condenseur (SF) : 4°C, o température en sortie du condenseur : 6°C D Le fluide de travail est composé de 97% d'ammoniac en mole et 3% d'eau en mole pour tous les cycles. > débit total du mélange ammoniac plus eau est de 100 kg/s 30 Sans sources de chaleur Energie Efficacité (MW) (%) Kalina: Optimisé en efficacité 1.94 5.01% Uehara: Optimisé en efficacité 2.60 3.93% Guohai: Optimisé en efficacité 2.05 4.43% Kalina: Optimisé en énergie 3.13 3.88% Uehara: Optimisé en énergie 2.78 3.57% Guohai: Optimisé en énergie 3.00 3.29% Avec sources de chaleur Energie Efficacité (MW) (%) Kalina: Optimisé en efficacité 2.29 5.13% Uehara: Optimisé en efficacité 3.58 5.42% Guohai: Optimisé en efficacité 2.61 4.72% Kalina: Optimisé en énergie 4.19 4.86% Uehara: Optimisé en énergie 4.72 4.39% Guohai: Optimisé en énergie 3.64 3.64% Gains obtenus selon l'invention Energie Efficacité (MW) (%) Kalina: Optimisé en efficacité 0.36 0.12% Uehara: Optimisé en efficacité 0.99 1.49% Guohai: Optimisé en efficacité 0.55 0.28% Kalina: Optimisé en énergie 1.07 0.98% Uehara: Optimisé en énergie 1.95 0.82% Guohai: Optimisé en énergie 0.64 0.35% L'apport de 5.75 MW par les différentes sources H1, H2 et H3 permet d'améliorer l'efficacité thermique. Par exemple elle passe de 3.93% pour le procédé d'Uehara (avec des paramètres optimisés) à 5.42%. Cet apport permet aussi d'augmenter la production 5 d'énergie qui passe de 2.6 MW à 3.6 MW soit 1 MW en plus. Des simulations de pompes à chaleur ont été effectuées avec comme base la même température pour l'eau chaude (28 °C). Le fluide de travail de ces pompes est l'ammoniac. On obtient pour la puissance nécessaire au compresseur : H1 : 0.025 MW 10 H2 : 0.019 MW H3 : 0.050 MW Soit 0.094 MW que l'on arrondit à 0.1 MW. Le bilan total est donc un gain en énergie produite de 0.9 MW et au final 3.5 MW sont générés.

L'énergie maximale générée est obtenue avec le cycle de Kalina amélioré selon l'invention. La meilleure efficacité thermique est obtenue avec le cycle d'Uehara amélioré suivant l'invention.

Avantages L'étude menée ci-dessus montre que pour les procédés Ammoniac-Eau de Kalina, d'Uehara et de Guohai, cet apport de chaleur permet d'améliorer à la fois l'efficacité thermique et la quantité d'énergie électrique produite par rapport au procédé de Rankine.

Claims

REVENDICATIONS1) Procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, dans lequel on fait circuler dans un circuit fermé un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes, dans lequel : a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une source de chaleur (SC) à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide ; b) on sépare ledit fluide de travail réchauffé en une première portion sous forme vapeur comportant essentiellement ledit premier fluide et une deuxième portion sous forme liquide comportant au moins ledit deuxième fluide ; c) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique au moyen d'au moins une première turbine (3) ; d) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions ; caractérisé en ce qu'on réalise au moins l'une des étapes suivantes - on chauffe ledit fluide de travail en amont de l'étape de séparation au moyen d'au moins une source de chaleur (HI); - on chauffe ladite première portion en amont de 'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2).
2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on reforme ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes : - on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ; on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
4) Procédé selon- l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique comporte en sus les étapes suivantes :d) en sortie de la première turbine (3), on extrait de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide au moyen d'un extracteur (4) ; c") on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine (5) ; et on chauffe ladite première portion en amont d'au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (F12, H3).
5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel on reforme ledit fluide de 'travail en réalisant les étapes suivantes : on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (11) ; on préchauffe le flux sortant de la pompe (11) au moyen d'un échangeur (12): on envoie le flux préchauffé vers une pompe (14) ; et on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
6) Procédé selon la revendication 5, dans lequel on préchauffe le flux sortant de la pompe (11) en faisant circuler dans l'échangeur (12) la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux préchauffé (12) entrant dans la pompe (14).
7) Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel : on extrait une partie liquide de ladite première portion (7) ; on condense au niveau du condenseur (9) uniquement la partie gazeuse de ladite première portion ; on mélange (10) la partie non gazeuse et le flux issu du condenseur (9).
8) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on reforme ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes : on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ; on préchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur (12) ; on réchauffe à nouveau le flux sortant de l'échangeur (12) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
9) Procédé selon la revendication 8, dans lequel on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
10) Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel on réchauffe le flux sortant de la pompe (11) au moyen d'un échangeur de chaleur (12), en faisant circuler la partieliquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux sortant de la pompe (11).
11) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau.
12) Procédé selon la revendication 11, dans lequel ledit fluide de travail comporte entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
13) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites sources de chaleur et de froid (SF ; SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
14) Système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique comportant un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes, ledit circuit fermé comportant consécutivement : un premier échangeur de chaleur (1) pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une source de chaleur (SC) à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, un ballon de séparation (2), dans lequel ledit fluide de travail est séparé en une première portion comportant essentiellement ledit premier fluide sous forme vapeur et en une deuxième portion liquide comportant au moins ledit deuxième fluide, une première turbine (3) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique, des moyens (9 ; 6) pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un second échangeur de chaleur (9) pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un mélangeur (6) pour mélanger lesdites deux portions. caractérisé en ce que ledit circuit fermé comporte au moins : une source de chaleur (H1) en amont du ballon de séparation (2), pour chauffer ledit fluide de travail ; une source de chaleur (H2) en amont de la première turbine (3), pour chauffer ladite première portion ;
15) Système selon la revendication 14, dans lequel ledit circuit fermé comporte, après la première turbine (3), un extracteur (4) pour extraire de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide, et une deuxième turbine (5) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique.
16) Système selon la revendication 15, dans lequel ledit circuit fermé comporte une source de chaleur (H3) en amont de la deuxième turbine (5), pour chauffer ladite première portion.
17) Système selon l'une des revendications 14 à 16, dans lequel ledit circuit comporte en outre une pompe (11) dans laquelle est envoyé le flux issu du condenseur (9); un échangeur (12) pour préchauffer le flux sortant de la pompe (11) ; une pompe (14) dans laquelle est envoyé le flux préchauffé ; et un échangeur de chaleur (15) pour réchauffer le flux sortant de la pompe (14) ; 10
18) Système selon l'une des revendications 14 à 17, dans lequel le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, circule dans l'échangeur de chaleur (15), et dans lequel le circuit comporte un détendeur (16) et un mélangeur (6) pour détendre et mélanger ladite deuxième portion à ladite première portion sortant de la deuxième turbine (5). 15
19) Système selon l'une des revendications 14 à 18, dans lequel ledit fluide comporte entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
20) Système selon l'une des revendications 14 à 19, dans lequel lesdites sources de chaleur et de froid (SF, SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes. 20
21) Système selon l'une des revendications 14 à 19, dans lequel lesdites sources chaudes (H1, H2 et H3) sont des pompes à chaleur.