FR3119226A1 - Procede et appareil de separation d’air par distillation cryogenique - Google Patents

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Abstract

Titre : PROCEDE ET APPAREIL DE SEPARATION D’AIR PAR DISTILLATION CRYOGENIQUE Dans un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique on fournit au moins une partie des besoins en électricité du procédé à partir d’au moins un accumulateur électrochimique (A) pour permettre de réduire rapidement la consommation électrique du procédé provenant du réseau (R) d’électricité. Figure de l’abrégé : Figure 2

Description

PROCEDE ET APPAREIL DE SEPARATION D’AIR PAR DISTILLATION CRYOGENIQUE
La présente invention concerne un procédé et un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique.
Les appareils de séparation d’air par distillation cryogénique sont alimentés en grandes quantités d’électricité haute tension et/ou moyenne tension pour les moteurs des compresseurs d’air et éventuellement des compresseurs de produits.
WO2012056245 décrit un procédé d’opération d’une centrale électrique alimentant un appareil de séparation d’air où l’énergie envoyée aux compresseurs de l’appareil de séparation d’air est variée en fonction de la demande d’électricité sur le réseau. Il prévoit l’effacement de la séparation d’air en cas de grosse demande d’électricité sur le réseau.
Il est connu de fournir l’électricité pour un appareil de séparation d’air à partir d’une centrale électrique ou une centrale nucléaire,
Pour faire face aux demandes variables d’électricité, les agrégateurs peuvent demander à des clients de réduire leur consommation. L'effacement de consommation consiste, en cas de déséquilibre offre-demande d'électricité, à provisoirement réduire la consommation physique d'un site donné par rapport à sa consommation « normale ». L'effacement est déclenché par une stimulation extérieure, typiquement en période de pointe de consommation électrique journalière ou saisonnière. Il peut permettre simplement de lisser la demande d’électricité voire d’éviter une rupture de fourniture d’électricité en cas extrême.
La présente invention concerne un procédé et un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique capable de réduire rapidement sa consommation d’électricité provenant d’un réseau.
Il est connu de stocker de l’énergie électrique dans un accumulateur électrique par conversion en énergie électrochimique comme une batterie mais stocker de l’énergie dans un accumulateur électrique coûte beaucoup plus cher qu’effacer la consommation électrique d’un appareil de séparation d’air. Par contre, le temps de réaction d’un accumulateur électrique est plus rapide (durant quelques secondes) que celui d’un appareil de séparation d’air.
La présente invention concerne un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique, dont la consommation d’électricité provenant d’un réseau peut être réduite en utilisant un système de stockage d’énergie électrochimique comme un accumulateur électrique. Ce procédé permet d’effacer plus rapidement la consommation énergétique d’un appareil de séparation d’air. Le procédé utilise de préférence au moins un stockage de liquide cryogénique, pouvant être un stockage d’air, un stockage d’oxygène liquide ou un stockage d’azote liquide.
Il serait facile d’étendre ce concept à la liquéfaction d’un fluide cryogénique (O2, N2, Ar, CH4, CO, H2, He, CO2…) ou à d’autres types de séparation par distillation.
L’électricité fournie à un appareil de séparation des gaz de l’air peut avoir trois usages :
  • La séparation oxygène/azote et éventuellement argon.
  • La compression des produits de manière interne par la vaporisation de l’oxygène et/ou de l’azote et/ou de l’argon à haute pression vis-à-vis d’air haute pression qui se condense et/ou de manière externe avec un compresseur d’oxygène et/ou d’azote et/ou d’argon.
  • La liquéfaction des gaz de l’air comme d’oxygène et/ou d’azote et/ou d’argon avec un cycle air intégré ou un cycle azote externe.
Pour effacer l’énergie de séparation, l’invention propose d’utiliser un stockage d’oxygène liquide et un stockage d’air liquide ou éventuellement d’azote liquide tel que décrit dans FR2924203 et FR3066809. La figure 5 de FR3066809 montre le cas où l’oxygène liquide est stocké dans un stockage en amont de la pompe et l’air liquéfié est stocké dans un stockage d’air liquéfié.
Pour effacer l’énergie de compression interne, l'invention propose d’utiliser un stockage thermique constitué d’un média peu onéreux à forte capacité thermique massique et/ou volumique par exemple des billes de quartz, des pastilles de minerai de fer ou de l’eau liquide et/ou solide encapsulée. On peut aussi utiliser un moyen plus cher mais plus efficace car à changement de phase liquide-solide soit avec des corps purs soit avec des mélanges. WO 2010/093400 liste un certain nombre de molécules qui pourraient être utilisées comme matériaux à changement de phase.
Pour effacer l’énergie de liquéfaction, l’invention propose de réduire ou d’arrêter la compression d’air associée au cycle air et/ou de réduire ou d’arrêter la compression d’azote associée au cycle azote.
Ce procédé d’effacement d’une unité de séparation des gaz de l’air permet de réaliser des variations rapides de consommation énergétique :
  • A la baisse (par exemple à la demande du gestionnaire de réseau électrique pour équilibrer l’offre et la demande : réserve primaire, secondaire ou tertiaire), on diminue rapidement la puissance consommée par l’unité vue du réseau en utilisant par exemple des batteries pour fournir de l’énergie à l’unité, celle-ci réduisant sa consommation électrique plus lent que celui résultant de l’agrégation de la puissance électrique consommée par les batteries et l’unité
  • A la hausse, on augmente rapidement la puissance consommée par l’unité vue du réseau en utilisant par exemple des batteries pour stocker de l’énergie, l’unité augmentant sa consommation électrique plus lentement que celle résultant de l’agrégation de la puissance électrique stockée par les batteries et l’unité.
On peut alors avoir un système de fonctionnement à deux niveaux de consommation avec des rampes rapides de changement de marche.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique , dans lequel pendant une première marche on comprime un premier débit d’air dans au moins un compresseur, on le refroidit et on le sépare dans un système de colonnes, on produit un premier débit d’un premier produit de distillation, on fournit les besoins en électricité haute ou moyenne tension du ou des compresseurs du procédé à partir d’un réseau d’électricité caractérisé en ce que pendant une deuxième marche, on comprime un deuxième débit d’air inférieur au premier débit d’air dans un compresseur, on refroidit le deuxième débit et on le sépare dans le système de colonnes, on produit du système de colonnes un deuxième débit d’un premier produit de distillation, inférieur au premier débit du premier produit, les besoins en électricité haute ou moyenne tension du compresseur étant moins élevés que pendant la première marche caractérisé en ce que pendant une marche intermédiaire entre la première et la deuxième marche, on fournit au moins une partie des besoins en électricité du procédé à partir d’au moins un accumulateur électrochimique et la consommation électrique provenant du réseau d’électricité du ou des compresseurs est inférieure à celle pendant la première marche et supérieure à celle pendant la deuxième marche.
Selon d’autres aspects facultatifs :
  • pendant la marche intermédiaire on réduit la consommation électrique haute et/ou moyenne tension du procédé, de préférence une fois que l’alimentation à partir de l’accumulateur a commencé.
  • l’au moins un accumulateur électrochimique ne fournit pas d’électricité moyenne et/ou haute tension au procédé pendant les premières et deuxième marches.
  • l’au moins un accumulateur électrique fournit ne fournit plus d’électricité moyenne et/ou haute tension au procédé à la fin de la marche intermédiaire.
  • l’accumulateur électrique fournit pendant la marche intermédiaire une quantité d’électricité décroissante dans le temps.
  • la différence entre la consommation d’électricité du procédé de séparation d’’air en première marche et celle en deuxième marche est de X MW et la quantité d’électricité maximale fournie pendant la marche intermédiaire est au moins 0,9X MW d’électricité, de préférence au moins X MW d’électricité.
  • l’au moins un accumulateur électrochimique est alimenté par le même réseau d’électricité que le ou les compresseurs du procédé.
  • on charge l’accumulateur électrochimique en électricité quand le prix de l’électricité est en dessous d’un seuil et/ou quand la consommation d’électricité est en dessous d’un seuil et/ou la nuit.
  • on fournit au moins une partie des besoins en électricité du procédé à partir d’un accumulateur électrochimique en cas de réduction de la quantité d’électricité disponible sur le réseau.
  • le procédé comprend une étape de surpression d’air épuré dans un surpresseur entraîné par un moteur, l’air surpressé servant à vaporiser un produit liquide de la distillation, dans lequel le débit surpressé est le même pendant au moins deux des trois marches.
  • le procédé comprend une étape où la surpression d’air est arrêtée. Le débit d'air total diminue (car réduction du surpresseur d’air qui représente entre 20 et 30% de l'air) mais le débit vers la colonne opérant à plus haute pression reste plutôt constant.
  • on stocke de l’air liquéfié et/ou un produit liquide de l’appareil de séparation d’air pendant la première marche.
  • on envoie de l’air liquéfié du stockage à l’appareil de séparation pendant la deuxième marche et/ou pendant la marche intermédiaire.
  • on vaporise un produit liquide du stockage pendant la deuxième marche et/ou pendant la marche intermédiaire pour fournir un produit gazeux.
  • on n’envoie pas de l’air liquéfié du stockage à l’appareil de séparation pendant la première marche et/ou pendant la marche intermédiaire.
  • on ne vaporise pas un produit liquide du stockage pendant la première marche pour fournir un produit gazeux.
  • on augmente la quantité d’air liquéfié envoyé du stockage à l’appareil de séparation pendant la marche intermédiaire.
  • on augmente la quantité d’un produit liquide du stockage vaporisé pendant la marche intermédiaire pour fournir un produit gazeux.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant au moins un compresseur pour comprimer de l’air, des moyens pour refroidir et épurer l’air comprimé, un système de colonnes comprenant au moins une colonne de distillation d’air pour séparer l’air en oxygène et en azote , un moteur pour entraîner au moins un des au moins un compresseurs, des moyens pour alimenter le moteur en électricité haute et/ou moyenne tension provenant d’un réseau, au moins un accumulateur électrochimique, des moyens pour alimenter le moteur en électricité haute et/ou moyenne tension provenant de l’au moins un accumulateur, des moyens d’interrompre la fourniture d’électricité vers le moteur depuis le réseau et des moyens d’interrompre la fourniture d’électricité vers le moteur depuis l’au moins un accumulateur, les moyens d’interrompre la fourniture d’électricité étant commandés à partir d’un système de commande.
De préférence, l’appareil comprend des moyens reliés au système de colonnes pour fournir un produit de la distillation et au moins un stockage de liquide cryogénique relié à ces moyens. Ceci permet de maintenir une production constante même quand le système de colonnes reçoit moins d’air.
L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures.
représente l’évolution de différentes caractéristiques du procédé avec le temps dans des graphiques :
  1. Représentant l’énergie envoyé du réseau électrique vers l’appareil de séparation d’air avec le temps.
  2. Représentant l’énergie envoyé vers l’appareil de séparation d’air d’au moins un accumulateur avec le temps.
  3. Représentation la consommation en énergie du ou des compresseurs d’un appareil de séparation d’air avec le temps.
  4. Représentant le débit d’oxygène gazeux produit avec le temps.
représente un appareil de séparation d’air selon l’invention.
a) montre que pendant une première marche, le réseau d’électricité R envoie une première quantité d’électricité HASUà un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique. Cette électricité sert principalement à faire fonctionner le ou les moteurs du ou des compresseurs de l’appareil, que ce soit un compresseur principal d’air, un surpresseur d’air, un compresseur de produit. Pendant une marche intermédiaire, le réseau envoie moins d’électricité à l’appareil de séparation d’air (quantité BASU).
Au moment t0où l’alimentation en électricité baisse b), un accumulateur d’électricité est mis en marche pour fournir à l’appareil de séparation fonctionnant toujours en plein régime la quantité d’électricité qui manque.
Pendant une marche intermédiaire entre la première et la deuxième marche, on fournit au moins une partie des besoins en électricité du procédé à partir d’au moins un accumulateur électrochimique A et la consommation électrique provenant du réseau d’électricité est inférieure à celle pendant la première marche et supérieure à celle pendant la deuxième marche.
Ainsi juste après la réduction d’arrivée d’électricité depuis le réseau, l’appareil de séparation d’air est toujours alimenté par la même quantité d’électricité que pendant la première marche.
L’accumulateur A fonctionne pendant une marche intermédiaire, le temps que le procédé de séparation d’air s’adapte à la réduction d’électricité provenant du réseau. Pendant cette marche intermédiaire, la production d’électricité depuis l’au moins un accumulateur A baisse régulièrement pour être nulle en fin de marche intermédiaire au temps t1.
Pendant la marche intermédiaire, la production d’électricité depuis le réseau R est à une valeur basse B correspondant à celle de la deuxième marche ( a)).
c) montre que pendant la marche intermédiaire, la consommation du procédé de séparation d’air baisse mais ne commence à baisser qu’une fois l’alimentation à partir de l’accumulateur mise en place donc après t0.
La consommation du procédé de séparation d’air baisse pendant la marche intermédiaire pour arriver à une valeur basse BASUet le débit comprimé du compresseur d’air principal baisse en même temps, de sorte que le moteur consomme moins d’électricité. Si le procédé comprend une étape de surpression d’air d’alimentation, cet air servant à comprimer l’air pour vaporiser un produit liquide de la distillation par exemple l’oxygène, le surpresseur d’air peut avoir un débit constant pendant au moins deux des marches : première marche, deuxième marche et marche intermédiaire. Ainsi la production d’oxygène d) vaporisé par l’air surpressé ne varie pas dans ce cas. Au moins une partie d’oxygène peut être fournie par un stockage d’oxygène liquide alimenté par une colonne de l’appareil de séparation. Ainsi on voit dans d) que la production de l’oxygène total OG ne varie pas, la quantité d’oxygène manquant de la production des colonnes étant fournie par le stockage d’oxygène liquide.
Il est également possible de laisser varier la production d’oxygène, en la laissant baisser entre t1 et t2, ou entre t0 et t3, si le client peut supporter des réductions de débit.
De préférence un surpresseur de l’air épuré est entraîné par un moteur.
Pendant la marche intermédiaire on réduit la consommation électrique haute et/ou moyenne tension du procédé, de préférence une fois que l’alimentation à partir de l’accumulateur a commencé.
Quand l’accumulateur ne produit plus d’électricité, le procédé fonctionne à bas régime produisant éventuellement moins de produit. Dans ce cas, la consommation électrique du procédé réduit avant que la production baisse à cause du temps nécessaire pour effectuer la distillation.
La deuxième marche commence au temps t1. Pendant la deuxième marche, on comprime un deuxième débit d’air inférieur au premier débit d’air dans un compresseur, on refroidit le deuxième débit et on le sépare, on produit un deuxième débit d’un premier produit de distillation, éventuellement inférieur au premier débit du premier produit, les besoins en électricité haute ou moyenne tension étant moins élevés que pendant la première marche.
Au temps t2le réseau produit de nouveau de l’énergie à la quantité initiale H. L’accumulateur commence à se charger à t2ou après t2pour terminer de se charge à t3. Pendant ce chargement l’appareil de séparation d’air augmente sa consommation d’énergie pour arriver à la valeur HASUà t3.
Une fois l’accumulateur chargé à t3, la consommation de l’appareil de séparation est de nouveau à HASU. La production du réseau ne change pas pendant le chargement de l’accumulateur.
L’au moins un accumulateur électrochimique ne fournit pas d’électricité moyenne et/ou haute tension au procédé pendant les premières et deuxième marches.
L’au moins un accumulateur électrique fournit ne fournit plus d’électricité moyenne et/ou haute tension au procédé à la fin de la marche intermédiaire.
L’accumulateur électrique fournit pendant la marche intermédiaire une quantité d’électricité décroissante dans le temps.
La différence entre la consommation d’électricité du procédé de séparation d’’air en première marche et celle en deuxième marche est de X MW et la quantité d’électricité maximale fournie pendant la marche intermédiaire est au moins 0,9X MW d’électricité, de préférence au moins X MW d’électricité.
L’au moins un accumulateur électrochimique est alimenté par le même réseau d’électricité que le ou les compresseurs du procédé.
De préférence on charge l’accumulateur électrochimique en électricité quand le prix de l’électricité est en dessous d’un seuil et/ou quand la consommation d’électricité est en dessous d’un seuil et/ou la nuit.
On fournit au moins une partie des besoins en électricité du procédé à partir d’un accumulateur électrochimique en cas de réduction de la quantité d’électricité disponible sur le réseau.
L’accumulateur n’est pas nécessairement sur le même site que l’appareil de séparation d’air. L’invention peut aussi mettre en œuvre plusieurs accumulateurs et plusieurs appareils de séparation d’air situés sur des sites différents mais reliés électriquement au même réseau.
L’invention peut aussi être mise en œuvre pour améliorer l’adéquation à tout instant entre la consommation d’une ou plusieurs unités de séparation d’air avec la production d’une ou plusieurs installations de production d’électricité renouvelable intermittente comme l’éolien ou le solaire.
Selon une variante, le procédé utilise un stockage d’air liquéfié et/ou un stockage d’un produit liquéfié. On peut stocker de l’air liquéfié et/ou un produit liquide de l’appareil de séparation d’air pendant la première marche.
Selon les besoins d’un procédé, on utilise au moins un des étapes de procédés suivants :
  • on envoie de l’air liquéfié du stockage à l’appareil de séparation pendant la deuxième marche et/ou pendant la marche intermédiaire.
  • on vaporise un produit liquide du stockage pendant la deuxième marche et/ou pendant la marche intermédiaire pour fournir un produit gazeux.
  • on n’envoie pas de l’air liquéfié du stockage à l’appareil de séparation pendant la première marche et/ou pendant la marche intermédiaire.
  • on ne vaporise pas un produit liquide du stockage pendant la première marche pour fournir un produit gazeux.
  • on augmente la quantité d’air liquéfié envoyé du stockage à l’appareil de séparation pendant la marche intermédiaire.
  • on augmente la quantité d’un produit liquide du stockage vaporisé pendant la marche intermédiaire pour fournir un produit gazeux.
illustre un appareil de séparation d’air selon l’invention. L’appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprend au moins un compresseur C pour comprimer de l’air, des moyens ER pour refroidir et épurer l’air comprimé, un système de colonnes K comprenant au moins une colonne de distillation d’air pour séparer l’air en oxygène OG et azote, un moteur M pour entraîner au moins un des au moins un compresseurs, des moyens pour alimenter le moteur en électricité haute et/ou moyenne tension provenant d’un réseau R , au moins un accumulateur électrochimique A, des moyens pour alimenter le moteur en électricité haute et/ou moyenne tension provenant de l’au moins un accumulateur, des moyens d’interrompre la fourniture d’électricité vers le moteur depuis le réseau et des moyens d’interrompre la fourniture d’électricité vers le moteur depuis l’au moins un accumulateur, les moyens d’interrompre la fourniture d’électricité étant commandés à partir d’un système S de commande.

Claims (12)

  1. Procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans lequel pendant une première marche on comprime un premier débit d’air dans au moins un compresseur (C), on le refroidit et on le sépare dans un système de colonnes, on produit un premier débit (OG) d’un premier produit de distillation, on fournit les besoins en électricité haute ou moyenne tension du ou des compresseurs du procédé à partir d’un réseau (R ) d’électricité caractérisé en ce que pendant une deuxième marche, on comprime un deuxième débit d’air inférieur au premier débit d’air dans un compresseur, on refroidit le deuxième débit et on le sépare dans le système de colonnes, on produit du système de colonnes un deuxième débit d’un premier produit de distillation, inférieur au premier débit du premier produit, les besoins en électricité haute ou moyenne tension du compresseur étant moins élevés que pendant la première marche caractérisé en ce que pendant une marche intermédiaire entre la première et la deuxième marche, on fournit au moins une partie des besoins en électricité du procédé à partir d’au moins un accumulateur électrochimique (A) et la consommation électrique provenant du réseau d’électricité du ou des compresseurs est inférieure à celle pendant la première marche et supérieure à celle pendant la deuxième marche.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel pendant la marche intermédiaire on réduit la consommation électrique haute et/ou moyenne tension du procédé, de préférence une fois que l’alimentation à partir de l’accumulateur (A) a commencé.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l’au moins un accumulateur électrochimique (A) ne fournit pas d’électricité moyenne et/ou haute tension au procédé pendant les premières et deuxième marches.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 ou 3 dans lequel l’au moins un accumulateur électrique (A) fournit ne fournit plus d’électricité moyenne et/ou haute tension au procédé à la fin de la marche intermédiaire.
  5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l’accumulateur électrique (A) fournit pendant la marche intermédiaire une quantité d’électricité décroissante dans le temps.
  6. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la différence entre la consommation d’électricité du procédé de séparation d’’air en première marche et celle en deuxième marche est de X MW et la quantité d’électricité maximale fournie pendant la marche intermédiaire est au moins 0,9X MW d’électricité, de préférence au moins X MW d’électricité.
  7. Procédé selon la revendication 1 à 3 dans lequel l’au moins un accumulateur électrochimique (A) est alimenté par le même réseau (R) d’électricité que le ou les compresseurs (C) du procédé.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on charge l’accumulateur électrochimique (A) en électricité quand le prix de l’électricité est en dessous d’un seuil et/ou quand la consommation d’électricité est en dessous d’un seuil et/ou la nuit.
  9. Procédé selon l’une revendications précédentes dans lequel on fournit au moins une partie des besoins en électricité du procédé à partir d’un accumulateur électrochimique (A) en cas de réduction de la quantité d’électricité disponible sur le réseau (R).
  10. Procédé selon l’une des revendications précédentes comprenant une étape de surpression d’air épuré dans un surpresseur entraîné par un moteur, l’air surpressé servant à vaporiser un produit liquide de la distillation, dans lequel le débit surpressé est le même pendant au moins deux des trois marches.
  11. Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant au moins un compresseur (C) pour comprimer de l’air, des moyens (ER) pour refroidir et épurer l’air comprimé, un système de colonnes (K) comprenant au moins une colonne de distillation d’air pour séparer l’air en oxygène et azote, un moteur (M) pour entraîner au moins un des au moins un compresseurs, des moyens pour alimenter le moteur en électricité haute et/ou moyenne tension provenant d’un réseau (R) , au moins un accumulateur électrochimique (A), des moyens pour alimenter le moteur en électricité haute et/ou moyenne tension provenant de l’au moins un accumulateur, des moyens d’interrompre la fourniture d’électricité vers le moteur depuis le réseau et des moyens d’interrompre la fourniture d’électricité vers le moteur depuis l’au moins un accumulateur, les moyens d’interrompre la fourniture d’électricité étant commandés à partir d’un système (S) de commande.
  12. Appareil selon la revendication 11 comprenant des moyens reliés au système de colonnes (K) pour fournir un produit de la distillation et au moins un stockage de liquide cryogénique relié à ces moyens.
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