WO2019115252A1 - Stockage et restitution d'energie thermique pour chauffage urbain par adsorption et desorption sur moyens de stockage thermochimique de type zeolithique - Google Patents

Stockage et restitution d'energie thermique pour chauffage urbain par adsorption et desorption sur moyens de stockage thermochimique de type zeolithique Download PDF

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WO2019115252A1
WO2019115252A1 PCT/EP2018/083127 EP2018083127W WO2019115252A1 WO 2019115252 A1 WO2019115252 A1 WO 2019115252A1 EP 2018083127 W EP2018083127 W EP 2018083127W WO 2019115252 A1 WO2019115252 A1 WO 2019115252A1
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primary
adsorption
circuit
heating unit
storage means
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PCT/EP2018/083127
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Alain Favre
Catherine Laroche
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IFP Energies Nouvelles
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention is in the field of energy storage processes. More particularly, the invention relates to the storage of thermal energy by adsorption / desorption on a zeolite-type solid allowing the optimized management of the heat produced by a primary heating unit and its use by a collective heating network, the energy Thermal storage is stored in off-peak period and returned at peak to the collective heating network.
  • Another primary means of heating the district heating network to meet European targets for reducing greenhouse gas emissions is to recover heat from household waste incineration units or industrial heat.
  • biomass boilers must limit downtime and restarts and produce at constant power, which is therefore not in line with the power required by the heating network which is variable during the day.
  • the heat recovered from household waste incineration units or industrial units will not necessarily be in line with the power demand of the district heating network.
  • gas and / or oil is the solution commonly used to supplement the renewable or recovery energy produced by the dedicated unit (wood boiler, household waste incineration unit, or industrial unit) during peaks of consumption.
  • Another solution envisaged to optimize these processes is to set up a thermal storage system by hydro-accumulation to store the surplus heat produced during the consumption hollows and return it during peaks.
  • Such a system by its footprint, resulting from a low energy density, can make it difficult and expensive to implement in urban areas. Moreover, it may have significant heat losses generating in fact a lower recoverable energy during periods when it is requested.
  • the approach proposed in the invention overcomes these disadvantages by replacing the hydro-storage by a thermochemical storage on at least one microporous solid of zeolite or related type.
  • the integrated district heating system according to the invention uses the enthalpy of adsorption of a fluid, for example water, brought into play during an adsorption / desorption cycle of said fluid to store or restore water. thermal energy as a function of the heat demand of the secondary circuit.
  • adsorption / desorption fluid said fluid is called "adsorption / desorption fluid”.
  • the invention also relates to a method for storing and recovering thermal energy based on the adsorption / desorption of an adsorption / desorption fluid (for example water) on a zeolite or related solid, which makes it possible to manage a district heating type heat network in an optimized manner, by compensating for the differences between the demand and the heat production.
  • an adsorption / desorption fluid for example water
  • the invention also relates to a system for implementing the method according to any one of these variant embodiments.
  • the invention relates to a method for storing and restoring thermal energy for district heating using a primary heating unit (1001), a primary water circuit of the district heating network, a secondary circuit supplying consumers with hot water at a temperature lower than that of the primary circuit, heat exchange means (1002) between said primary circuit and said secondary circuit, thermal storage means (1003) by adsorption / desorption of an adsorption / desorption fluid ( 201,202) on at least one microporous solid of the zeolite or related type, means for circulating a heat transfer fluid comprising a pipe allowing circulation of a hot heat transfer fluid stream (301) of the primary heating unit (1001) to the thermal storage means (1003) and a conduit for the circulation of a cooled coolant flow (302) from the thermal storage means (1003) to the unit primary heating (1001),
  • the primary heating unit provides thermal energy to the primary circuit for heating a flow of cold water of said primary circuit (105) and forming a stream of hot water of said primary circuit (101, 102) which exchanges heat in said heat exchange means (1002) with a cold water flow of said secondary circuit (401) for outputting from said heat exchange means (1002) a hot water flow of the secondary circuit (402), and a cooled water flow of said primary circuit (103), the method comprising the following steps:
  • the hot water flow of said primary circuit (101) preferably leaves said primary heating unit (1001) at a temperature Te of between 50 ° C. and 120 ° C., preferably between 70 ° C. C and 120 ° C.
  • the cooled water flow of said primary circuit (103) preferably leaves said heat exchange means (1002) at a temperature Tf of between 25 ° C and 80 ° C, preferably between 40 ° C and 70 ° C, and is sent directly as a flow of cold water from said primary circuit (105) to the primary heating unit (1001).
  • the flow of cold water (105) of said primary circuit enters the primary heating unit (1001) to be heated and produce a flow of hot water (101) exiting the primary heating unit (1001) at a temperature included between 50 ° C and 120 ° C, preferably between 70 ° C and 120 ° C, which is sent directly in the form of the stream (102) to the heat exchange means (1002).
  • the cooled stream (103) leaving said heat exchange means (1002) at a temperature of between 25 ° C. and 80 ° C., preferably between 40 ° C. and 70 ° C., is sent directly as a stream of water. cold (105) to the primary heating unit (1001).
  • the surplus power of the primary heating unit (1001) corresponding to the power not demanded by the hollow phase secondary circuit c) is used integrally to heat said heat transfer fluid.
  • said hot heat transfer fluid stream (301) leaves the primary heating unit (1001) at a temperature between 200 ° C and 400 ° C, with a flow pressure greater than the boiling pressure of the fluid coolant at the temperature considered, and such that the difference at said boiling pressure is between 1 and 5 bars inclusive.
  • said cooled heat transfer fluid stream (302) after transferring its heat to the thermal storage means (1003) is returned to the primary heating unit (1001) at a temperature of between 90 ° C and 150 ° C.
  • the vaporous adsorption / desorption fluid stream resulting from the desorption (202) is condensed and recovered in a system external to the storage means (1003) to be revaporized for the adsorption phase.
  • the cooled water stream (103) from the heat exchange means (1002) leaves at a temperature between 25 ° C and 80 ° C, preferably between 40 ° C and 70 ° C.
  • the part derived from the flow of water of the primary circuit (104) in the peak phase (b) represents less than 50%, preferably between 5 and 40% of the flow exiting the primary heating unit (1001) .
  • the primary heating unit (1001) is a boiler and the vaporization adsorption / desorption fluid for storing thermal energy by adsorption on said thermal storage means (1003) is provided in evaporating the amount of said fluid required, using a fluid circuit recovering thermal energy on the fumes of the boiler.
  • the thermal storage means (1003) comprise at least one microporous solid of zeolite or related type selected from aluminosilicates, aluminophosphates, designated AIPO, and silico-aluminophosphates, designated SAPO.
  • the invention also relates to an integrated district heating system comprising:
  • a primary heating unit (1001) supplied with renewable or recovery fuel
  • thermal storage means (1003) by adsorption / desorption of an adsorption / desorption fluid on at least one microporous solid of zeolite or related type.
  • f) means for circulating a heat transfer fluid comprising a pipe allowing the circulation of a flow of heat transfer fluid (301) from the primary heating unit (1001) to the thermal storage means (1003) and a conduit for circulating a cooled heat transfer fluid stream (302) from the thermal storage means (1003) to the primary heating unit (1001).
  • the primary heating unit (1001) is a wood boiler or a household waste incineration unit or an industrial unit supplying thermal energy.
  • the integrated heating system is able to implement at least one variant of the method as described above.
  • FIG. 1 represents the process diagram according to the invention.
  • the secondary district heating circuit is not represented in its entirety, but only the circuit fraction (cold water flow (401) and hot water flow (402)) passing through the exchanger (1002).
  • thermochemical storage refers to heat storage involving endothermic and exothermic chemical reactions.
  • thermal storage means used in the following description refers to any system for storing and retrieving heat energy thermochemically, comprising at least one zeolitic or related type solid.
  • adsorption / desorption fluid designates any fluid that can be adsorbed in vapor form on the solid (s) included in the thermal storage means by supplying thermal energy, and desorbed subject to a supply. of equivalent thermal energy.
  • heat exchange means designates any type of heat exchange system between two fluid circuits known to those skilled in the art, in particular any type of heat exchanger, co-current or countercurrent, tubular , with plates, etc.
  • Primary heating unit means any unit that provides thermal energy to a primary district heating water system from renewable or reclaimed energy, such as a wood-fired boiler, incineration of household waste, or an industrial unit supplying heat.
  • primary circuit designates the primary water circuit of the district heating network which is directly heated by the primary heating unit.
  • secondary circuit designates the circuit supplying the consumers of the hot water district heating network at a lower temperature than that of the primary circuit, after heat exchange with said primary water circuit.
  • normal phase denotes the phase or phases in which the thermal energy demand of the secondary circuit is equal to the thermal energy supplied by the primary heating unit under nominal conditions.
  • peak phase means the phase or phases in which the thermal energy demand of the secondary circuit exceeds the thermal energy that can be supplied by the primary heating unit under nominal conditions.
  • high phase denotes the phase or phases in which the thermal energy demand of the secondary circuit is lower than the thermal energy that can be supplied by the primary heating unit under nominal conditions.
  • the adsorption / desorption fluid In peak period (peak phase), the adsorption / desorption fluid, is injected in vapor form into the storage system where said adsorption / desorption fluid is adsorbed on the solid generating heat that is captured and used to meet the additional demand of the heat network.
  • the adsorbed fluid contained in the system is desorbed under the action of heat, and optionally recovered by condensation to be used again in the adsorption phase.
  • each of the phases has a duration of a few hours, which is generally between 1 and 24 hours.
  • the adsorption / desorption fluid is water.
  • the coolant in the liquid state and / or vapor, preferably liquid
  • the coolant is water or an oil such as Dowtherm TM, Therminol TM or Paratherm TM).
  • the possible integration of the storage means with the primary heating unit makes it possible to use, under certain conditions, part of the quantity of heat supplied by the primary heating unit.
  • the adsorption / desorption fluid is water.
  • a primary heating unit (1001) supplied with renewable or recovery fuel, preferably a wood boiler or a household waste incineration unit.
  • This primary heating unit (1001), a boiler in the case of Figure 1 is intended to heat the primary water circuit of the district heating network.
  • Thermal exchange means (1002) are also provided between said primary circuit and a secondary circuit supplying consumers with hot water at a lower temperature than that of the primary circuit, in the form of a heat exchanger.
  • the zeolite adsorption / desorption thermal storage means represented by a thermal storage system (1003), are integrated in this assembly to form an integrated district heating system with storage / energy recovery according to the phases.
  • the primary heating unit, the heat exchange means and the thermal storage means are advantageously connected in parallel.
  • the boiler (1001) operates at its nominal power. All power is used for heating the primary water circuit. This power is transferred integrally to the secondary circuit.
  • the flow of cold water (105) enters the boiler (1001) to be heated to a temperature Te (boiler outlet temperature) between 50 ° C and 120 ° C, preferably between 70 ° C and 120 ° C, typically 95 ° C.
  • Te boiler outlet temperature
  • the hot flow (101) leaving the boiler at the temperature Te is sent directly in the form of the flow (102) to the exchanger (1002), where it will exchange its heat with the cold water flow of the secondary circuit ( 401) arriving at a temperature advantageously between 30 and 60 ° C, typically 45 ° C, and flowing in the secondary circuit.
  • the hot water flow (402) of the secondary circuit makes it possible to supply hot water to secondary consumers at a Tc2 temperature slightly lower than that of the primary circuit, preferably a temperature between 55 ° C and 110 ° C, typically 70 ° C.
  • the cooled water flow (103) of the primary circuit leaving said exchanger (1002) is at a temperature Tf (cold water return temperature) of between 25 ° C. and 80 ° C., preferably between 40 ° C. and 70 ° C. C, typically at 55 ° C. It is sent directly in the form of the cold water flow (105) to the boiler (1001) where it is reheated.
  • Tf cold water return temperature
  • the boiler (1001) operates at its nominal power, the extra power required by the secondary circuit being provided by the storage system (1003).
  • the thermal energy generated by the adsorption makes it possible to output thermal storage means (1003) to a hot water flow (106) providing the additional thermal energy required by the secondary circuit.
  • the flow (105) corresponding to the non-derivative part of the primary circuit, said main part of the flow of the primary circuit, advantageously a portion greater than 50% of the flow of water of the primary circuit (103) is sent directly to the boiler (1001 ).
  • the hot water stream (101) leaves the boiler (1001) at a temperature Te between 50 ° C and 120 ° C, preferably between 70 ° C and 120 ° C, typically at 102 ° C.
  • the flow of hot water (101) is then mixed with the flow of hot water (106) from the storage system (1003) at a temperature Tz between 50 ° C and 120 ° C, preferably between 70 ° C and 120 ° C, typically 95 ° C.
  • the flow of hot water (102) from the mixture of the flow (101) and the flow (106) is at a temperature of 50 ° C. and 120 ° C., preferably between 70 ° C. and 120 ° C., typically at 100 ° C. ° C; it is sent into the heat exchanger (1002) where its heat is used to heat the secondary circuit.
  • the cooled water stream (103) from the heat exchanger (1002) exits at a temperature between 25 ° C and 80 ° C, preferably between 40 ° C and 70 ° C, typically 55 ° C.
  • Part of this stream (103) is withdrawn to constitute the flow (104) which is sent to the storage system (1003) where it is heated by the heat released by the adsorption of a fluid in vapor form (here of water) on the microporous solid contained in the storage system (1003).
  • the amount of heat generated by the adsorption corresponds to the additional power required by the secondary circuit in this phase.
  • the fluid in the form of water vapor is fed by the flow (201) according to a device not described here.
  • the water vapor necessary for the adsorption can for example be provided by evaporating the quantity of water required, by means of a water circuit recovering the heat from the flue gases of the boiler, the latter coming out at a temperature of about 120 ° C.
  • the boiler (1001) operates at its nominal power. Since the secondary circuit has a reduced demand in terms of power, the surplus power of the boiler (1001) can be used for the desorption of the adsorbed fluid in the storage system.
  • the flow of cold water (105) enters the boiler (1001) to be heated to a temperature between 50 ° C and 120 ° C, preferably between 70 ° C and 120 ° C, typically at 89 ° C.
  • the flow (101) leaving the boiler is sent directly in the form of the flow (102) to the exchanger (1002).
  • the cooled water flow (103) exiting the exchanger (1002) is at a temperature of between 25 ° C and 80 ° C, preferably between 40 ° C and 70 ° C, typically at 55 ° C. It is sent directly in the form of the cold water flow (105) to the boiler (1001) where it is reheated.
  • Part of the power of the boiler (1001) is then used to heat a circuit of a coolant (in the liquid state and / or vapor, preferably liquid, the fluid may be water or an oil such as Dowtherm TM, Therminol TM or Paratherm TM) which will provide the thermal energy necessary to desorption of the adsorption / desorption fluid adsorbed during the peak phase on the microporous solid contained in the storage system (1003).
  • a coolant in the liquid state and / or vapor, preferably liquid, the fluid may be water or an oil such as Dowtherm TM, Therminol TM or Paratherm TM
  • the flow of hot heat transfer fluid (301) leaves the boiler (1001) where it has been heated to a temperature of between 200 ° C. and 400 ° C., typically at 234 ° C.
  • the pressure of the flow (301) is greater than the boiling pressure of the heat transfer fluid at the temperature in question, and such that the difference in the pressure of the flow at the boiling pressure is between 1 and 5 bar.
  • the heat transfer fluid stream (301) is sent to the storage system (1003) where it transfers its heat to the microporous solid to desorb the adsorption / desorption fluid which passes in vapor form.
  • the cooled heat transfer fluid is returned to the boiler by the coolant coolant stream (302) at a temperature between 90 ° C and 150 ° C, typically 110 ° C.
  • the vapor desorption / desorption fluid resulting from the desorption is removed by the vapor stream (202) which can then be condensed and recovered in a system not described herein to be revaporized for the adsorption phase.
  • microporous solids of zeolite or related type preferred in the context of the invention are aluminosilicates, such as, for example, zeolite A, of structural type LTA, zeolites LSX, MSX, X and Y, of structural type FAU, and of Si / Al ratio respectively equal to 1, 1,1, 1,2 and 2,7 or more, the zeolite EMT of structural type EMC-2, but also the aluminophosphates, designated AIPO, such as for example AIPO-18 structural type AEI and silico-aluminophosphates, designated SAPO, such as for example SAPO-34 structural type CHA.
  • AIPO such as for example AIPO-18 structural type AEI
  • SAPO silico-aluminophosphates
  • the zeolites and related microporous materials form crystals (generally in the form of powder) whose use in storage is particularly difficult (lack of homogeneity of the crystals within the storage, significant losses of charges).
  • crystals generally in the form of powder
  • agglomerates are preferred, these forms being able to be obtained by extrusion, pelletizing, and other agglomeration techniques known to those skilled in the art. These agglomerates do not have the disadvantages inherent to the pulverulent materials.
  • agglomerates whether in the form of platelets, beads, extrudates, and the like, generally consist of crystals of zeolite (s), which constitute the active element (in the sense of adsorption) and of a binder intended to ensure the cohesion of the crystals in the form of agglomerates and to give them sufficient mechanical strength to guarantee a period of use of several years.
  • zeolite s
  • binder intended to ensure the cohesion of the crystals in the form of agglomerates and to give them sufficient mechanical strength to guarantee a period of use of several years.
  • zeolitization To easily perform this operation, zeolitizable binders are used, most often clays belonging to the family of kaolinite, and preferably previously calcined at temperatures generally between 500 ° C and 700 ° C.
  • the cationic zeolites can be used in sodium form (usually formed at the end of the synthesis) or exchanged with alkaline or alkaline earth cations.
  • thermochemically on a zeolitic or related microporous solid are as follows:
  • the primary heating unit (1001) is a boiler with a nominal capacity of 20 MW.
  • the peak period lasts 4 hours, the off-peak lasts 6 hours.
  • the thermal storage means (1003) comprise a storage system consisting of a bed of zeolitic agglomerates, said agglomerates predominantly consisting of zeolite crystals of structural type FAU.
  • the adsorption / desorption fluid is water.
  • the heat transfer fluid arriving on the storage system is water, at a pressure of 35 bars (ie 1 bar above the boiling pressure which is 34 bars at 234 ° C.).
  • the primary water circuit has a flow rate of 430 t / h with a boiler outlet temperature Te of 95 ° C and a return temperature of cold water Tf of 55 ° C. Peak phase
  • the boiler operates at its rated power of 20 MW and the additional demand for power on the secondary circuit is 3 MW (15%).
  • This additional thermal energy is supplied by drifting 15% of the flow (103) circulating in the primary circuit, ie a portion corresponding to a flow (104) having a flow rate of 64.5 t / h, at the outlet of the exchanger between primary circuit and secondary circuit, to the storage system.
  • the temperature of the streams (103) and (104) at the outlet of the exchanger between the primary circuit and the secondary circuit is 55 ° C.
  • the temperature Tz of the hot water flow (106) is 95 ° C.
  • the heat provided by the adsorption of the water vapor (201) on the zeolite agglomerate bed of the storage means (1003) corresponds to a power of 3 MW.
  • the flow corresponding to the non-derivative part of the primary circuit, called the main part, is a flow of cold water (105) of flow rate 365.5 t / h, enters the boiler at a temperature Tf of 55 ° C where it is heated to form a stream of hot water (101) exiting the boiler at a temperature of 102 ° C.
  • the hot water flow thus generated at a temperature Te (101) is mixed with the flow of hot water at a temperature Tz (106) from the storage system to form a flow of hot water (102) at a temperature of temperature of 101 ° C which is sent on the exchanger (1002) between primary circuit and secondary circuit.
  • the water vapor necessary for adsorption can be provided by evaporating the required amount of water, ie 3.75 t / h, using a water circuit recovering heat from the boiler fumes. , these leaving at a temperature of 120 ° C.
  • the evaporation device is not described here. Hollow phase
  • the boiler operates at its rated power of 20 MW and the power demand on the secondary circuit is reduced to 17 MW. As a result, the power supplied to the primary circuit is also 17 MW, the remaining 3 MW being transferred to the coolant circuit (301, 302) used for the desorption of the adsorption / desorption fluid from the storage system.
  • the primary circuit water (cold water flow (105)) enters the boiler at a temperature of 55 ° C and returns (hot water flow (101)) at a temperature of 89 ° C to be sent by the flow (102) to the primary-secondary heat exchanger (1002).

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Abstract

L'invention concerne un procédé de stockage et restitution d'énergie thermique pour chauffage urbain dans lequel une unité de chauffage primaire (1001) fournit de l'énergie thermique à un circuit primaire d'eau chaude qui échange de la chaleur dans des moyens d'échange thermique (1002) avec un circuit secondaire d'eau chaude, le procédé comprenant les étapes suivantes: une phase normale dans laquelle l'intégralité de l'énergie thermique fournie par ladite unité de chauffage primaire (1001) est transmise audit circuit d'eau primaire, pour échange thermique avec ledit circuit secondaire; une phase de pointe avec restitution d'énergie thermique par adsorption d'un fluide d'adsorption/désorption (201) sur des moyens de stockage thermique (1003) comprenant au moins un solide microporeux de type zéolithe ou apparenté, l'énergie thermique dégagée par l'adsorption permettant de fournir le supplément d'énergie thermique requis par le circuit secondaire; une phase creuse avec stockage d'énergie thermique par désorption dudit fluide d'adsorption/désorption (202) depuis lesdits moyens de stockage (1003), dans laquelle une partie de la puissance de l'unité de chauffage primaire (1001) non demandée par le circuit secondaire est utilisée pour fournir l'énergie thermique nécessaire à la désorption du fluide d'adsorption/désorption adsorbé en phase de pointe sur les moyens de stockage thermique (1003). L'invention concerne également un système de chauffage urbain intégré comprenant des moyens de stockage thermique comprenant au moins un solide microporeux de type zéolithe ou apparenté.

Description

STOCKAGE ET RESTITUTION D'ENERGIE THERMIQUE POUR CHAUFFAGE URBAIN PAR ADSORPTION ET DESORPTION SUR MOYENS DE STOCKAGE THERMOCHIMIQUE DE TYPE
ZEOLITHIQUE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention se situe dans le domaine des procédés de stockage d'énergie. Plus particulièrement, l'invention concerne le stockage d'énergie thermique par adsorption/désorption sur un solide de type zéolithe permettant la gestion optimisée de la chaleur produite par une unité de chauffage primaire et son utilisation par un réseau de chauffage collectif, l'énergie thermique étant stockée en période creuse et restituée en période de pointe au réseau de chauffage collectif.
ART ANTERIEUR
Afin de répondre aux objectifs européens en matière de décarbonation de l'énergie, de développement d'énergies renouvelables et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, des mesures réglementaires et des engagements ont été pris en France, et en Europe. Le recours au chauffage collectif au bois, comme moyen de chauffage primaire pour alimenter le réseau, peut contribuer de façon significative à la réalisation de ces objectifs. En effet, les chaufferies collectives dites « mixtes » ont recours à de l'énergie fossile (gaz naturel et/ou fioul) et à de l'énergie renouvelable (bois). Pour ce type de procédés, l'objectif des exploitants est d'optimiser le fonctionnement des chaudières en privilégiant l'énergie biomasse, d'une part pour des raisons d'économie par rapport à l'utilisation d'énergie fossile, et d'autre part pour satisfaire un taux minimal d'utilisation de sources d'énergie renouvelables permettant de bénéficier d'incitations financières.
Un autre moyen de chauffage primaire du réseau de chaleur urbain permettant de répondre aux objectifs européens en matière de réduction des émissions de gaz à effet de serre consiste à récupérer la chaleur des unités d'incinération d'ordures ménagères ou la chaleur industrielle. Pour un fonctionnement optimal, les chaudières biomasse doivent limiter les arrêts et redémarrages et produire à puissance constante, ce qui n'est donc pas en adéquation avec la puissance appelée par le réseau de chauffage qui est variable au cours de la journée. De même, la chaleur récupérée sur des unités d'incinération d'ordures ménagères ou des unités industrielles, ne sera pas nécessairement en adéquation avec la puissance appelée par le réseau de chauffage urbain.
Le recours au gaz et/ou fioul est la solution couramment utilisée pour compléter l'énergie renouvelable ou de récupération produite par l'unité dédiée (chaudière à bois, unité d'incinération d'ordure ménagère, ou unité industrielle) lors des pics de consommation. Une autre solution envisagée pour optimiser ces procédés est de mettre en place un système de stockage thermique par hydro-accumulation permettant de stocker le surplus de chaleur produit pendant les creux de consommation et de le restituer lors des pics.
Un tel système de par son encombrement au sol, conséquence d'une densité énergétique faible, peut le rendre difficile et coûteux à implanter en zone urbaine. Par ailleurs il peut présenter des pertes thermiques importantes générant de fait une énergie récupérable plus faible lors des périodes où il est sollicité.
OBJET DE L'INVENTION
L'approche proposée dans l'invention remédie à ces inconvénients en remplaçant l'hydro-stockage par un stockage thermochimique sur au moins un solide microporeux de type zéolithes ou apparentés. Le système de chauffage urbain intégré selon l'invention utilise l'enthalpie d'adsorption d'un fluide, par exemple de l'eau, mise en jeu lors d'un cycle d'adsorption/désorption dudit fluide pour stocker ou restituer de l'énergie thermique en fonction de la demande de chaleur du circuit secondaire. Dans la suite de la description, ledit fluide est appelé « fluide d'adsorption/désorption ».
L'invention concerne également un procédé de stockage et restitution d'énergie thermique fondé sur l'adsorption/désorption d'un fluide d'adsorption/désorption (par exemple de l'eau) sur un solide de type zéolithe ou apparenté, qui permet de gérer un réseau de chaleur de type chauffage urbain de façon optimisée, en palliant les écarts entre la demande et la production de chaleur.
L'invention concerne également un système pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque de ces variantes de réalisation.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention concerne un procédé de stockage et restitution d'énergie thermique pour chauffage urbain mettant en œuvre une unité de chauffage primaire (1001), un circuit primaire d'eau du réseau de chauffage urbain, un circuit secondaire alimentant les consommateurs en eau chaude à une température inférieure à celle du circuit primaire, des moyens d'échange thermique (1002) entre ledit circuit primaire et ledit circuit secondaire, des moyens de stockage thermique (1003) par adsorption/désorption d'un fluide d'adsorption/désorption (201,202) sur au moins un solide microporeux de type zéolithe ou apparenté, des moyens de circulation d'un fluide caloporteur comprenant une conduite permettant la circulation d'un flux de fluide caloporteur chaud (301) de l'unité de chauffage primaire (1001) vers les moyens de stockage thermique (1003) et une conduite permettant la circulation d'un flux de fluide caloporteur refroidi (302) des moyens de stockage thermique (1003) vers l'unité de chauffage primaire (1001),
dans lequel l'unité de chauffage primaire fournit de l'énergie thermique au circuit primaire pour chauffer un flux d'eau froide dudit circuit primaire (105) et former un flux d'eau chaude dudit circuit primaire (101,102) qui échange de la chaleur dans lesdits moyens d'échange thermique (1002) avec un flux d'eau froide dudit circuit secondaire (401) pour former en sortie desdits moyens d'échange thermique (1002) un flux d'eau chaude du circuit secondaire (402), et un flux d'eau refroidie dudit circuit primaire (103), le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) une phase normale dans laquelle l'intégralité de l'énergie thermique fournie par ladite unité de chauffage primaire (1001) est transmise audit circuit d'eau primaire, pour former un flux d'eau chaude dudit circuit primaire (101), qui est envoyé directement sous la forme du flux (102) vers les moyens d'échange thermique (1002) pour échange thermique avec ledit circuit secondaire ;
b) une phase de pointe avec restitution d'énergie thermique par adsorption dudit fluide d'adsorption/désorption sur lesdits moyens de stockage thermique (1003), dans laquelle une partie du flux d'eau refroidie (103) dudit circuit primaire est dérivée pour former un flux (104) qui est envoyé vers les moyens de stockage thermique (1003) et chauffé par l'énergie thermique dégagée par l'adsorption sur ledit solide microporeux dudit fluide d'adsorption/désorption envoyé sous forme vapeur par le flux (201) dans les moyens de stockage thermique (1003), l'énergie thermique dégagée par l'adsorption permettant de fournir en sortie des moyens de stockage thermique (1003) un flux d'eau chaude (106) fournissant le supplément d'énergie thermique requis par le circuit secondaire.
c) une phase creuse avec stockage d'énergie thermique par désorption dudit fluide d'adsorption/désorption depuis lesdits moyens de stockage (1003), dans laquelle une partie de la puissance de l'unité de chauffage primaire (1001) non demandée par le circuit secondaire est utilisée pour chauffer ledit fluide caloporteur (301) et fournir ainsi l'énergie thermique nécessaire à la désorption du fluide d'adsorption/désorption adsorbé en phase de pointe sur les moyens de stockage thermique (1003), ledit fluide d'adsorption/désorption ressortant desdits moyens de stockage thermique (1003) sous forme d'un flux vapeur (202).
Dans la phase normale a), le flux d'eau chaude dudit circuit primaire (101) sort de préférence de ladite unité de chauffage primaire (1001) à une température Te comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C.
Le flux d'eau refroidie dudit circuit primaire (103) sort de préférence desdits moyens d'échange thermique (1002) à une température Tf comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C, et est envoyé directement comme flux d'eau froide dudit circuit primaire (105) vers l'unité de chauffage primaire (1001).
Dans la phase creuse c), avantageusement, le flux d'eau froide (105) dudit circuit primaire rentre dans l'unité de chauffage primaire (1001) pour être chauffé et produire un flux d'eau chaude (101) sortant de l'unité de chauffage primaire (1001) à une température comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, qui est envoyé directement sous la forme du flux (102) vers les moyens d'échange thermique (1002).
Avantageusement, le flux refroidi (103) sortant desdits moyens d'échange thermique (1002) à une température comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C, est envoyé directement comme flux d'eau froide (105) vers l'unité de chauffage primaire (1001). De préférence, le surplus de puissance de l'unité de chauffage primaire (1001) correspondant à la puissance non demandée par le circuit secondaire en phase creuse c) est utilisé intégralement pour chauffer ledit fluide caloporteur.
De préférence, ledit flux de fluide caloporteur chaud (301) sort de l'unité de chauffage primaire (1001) à une température comprise entre 200 °C et 400 °C, avec une pression du flux supérieure à la pression d'ébullition du fluide caloporteur à la température considérée, et telle que l'écart à ladite pression d'ébullition est compris entre 1 et 5 bars, bornes incluses.
De préférence, ledit flux de fluide caloporteur refroidi (302) après transfert de sa chaleur aux moyens de stockage thermique (1003) est renvoyé vers l'unité de chauffage primaire (1001) à une température comprise entre 90 °C et 150 °C.
De préférence, le flux de fluide d'adsorption/désorption sous forme vapeur résultant de la désorption (202) est condensé et récupéré dans un système extérieur aux moyens de stockage (1003) afin d'être revaporisé pour la phase d'adsorption.
De préférence, pendant la phase de pointe, le flux d'eau chaude dudit circuit primaire (101) sortant de l'unité de chauffage primaire (1001) à une température Te comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, est mélangé avec le flux d'eau chaude (106) sortant des moyens de stockage thermique (1003) à une température Tz comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, pour former un flux d'eau chaude (102) à une température de 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, envoyé dans les moyens d'échange thermique (1002) pour échanger sa chaleur avec le circuit secondaire. De préférence, le flux d'eau refroidie (103) issu des moyens d'échange thermique (1002) sort à une température comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C.
Avantageusement, la partie dérivée du flux d'eau du circuit primaire (104) dans la phase de pointe (b) représente moins de 50%, de préférence entre 5 et 40 % du flux sortant de l'unité de chauffage primaire (1001).
Dans un mode de réalisation, l'unité de chauffage primaire (1001) est une chaudière et le fluide d'adsorption/désorption sous forme vapeur pour le stockage d'énergie thermique par adsorption sur lesdits moyens de stockage thermique (1003) est fourni en évaporant la quantité dudit fluide nécessaire, à l'aide d'un circuit de fluide récupérant de l'énergie thermique sur les fumées de la chaudière.
De préférence, les moyens de stockage thermique (1003) comprennent au moins un solide microporeux de type zéolithes ou apparentés choisi parmi les aluminosilicates, les aluminophosphates, désignés AIPO, et les silico-aluminophosphates, désignés SAPO.
L'invention concerne également un système de chauffage urbain intégré comprenant :
a) une unité de chauffage primaire (1001) alimentée en combustible renouvelable ou de récupération ;
b) un circuit primaire d'eau chaude du réseau de chauffage urbain ;
c) un circuit secondaire alimentant les consommateurs en eau chaude à une température inférieure à celle du circuit primaire;
d) des moyens d'échange thermique (1002) entre ledit circuit primaire et ledit circuit secondaire ;
e) des moyens de stockage thermique (1003) par adsorption/désorption d'un fluide d'adsorption/désorption sur au moins un solide microporeux de type zéolithe ou apparenté .
f) des moyens de circulation d'un fluide caloporteur comprenant une conduite permettant la circulation d'un flux de fluide caloporteur chaud (301) de l'unité de chauffage primaire (1001) vers les moyens de stockage thermique (1003) et une conduite permettant la circulation d'un flux de fluide caloporteur refroidi (302) des moyens de stockage thermique (1003) vers l'unité de chauffage primaire (1001).
De préférence, l'unité de chauffage primaire (1001) est une chaudière à bois ou une unité d'incinération des ordures ménagères ou une unité industrielle fournissant de l'énergie thermique.
Avantageusement, le système de chauffage intégré est apte à mettre en œuvre au moins une variante du procédé tel que décrit ci-dessus.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
Description sommaire des figures
La figure 1 représente le schéma de procédé selon l'invention. Le circuit secondaire de chauffage urbain n'est pas représenté dans sa totalité, mais seulement la fraction de circuit (flux d'eau froide (401) et flux d'eau chaude (402)) passant dans l'échangeur (1002).
Description détaillée de l'invention
Le terme « stockage thermochimique » désigne un stockage de chaleur faisant intervenir des réactions chimiques endothermiques et exothermiques.
L'expression « moyens de stockage thermique » employée dans la suite de la description désigne tout système permettant de stocker et déstocker de l'énergie thermique par voie thermochimique, comprenant au moins un solide de type zéolithique ou apparenté. L'expression « fluide d'adsorption/désorption » désigne tout fluide pouvant s'adsorber sous forme vapeur sur le ou les solides compris dans les moyens de stockage thermique en fournissant de l'énergie thermique, et se désorber sous réserve d'une fourniture d'énergie thermique équivalente.
L'expression « moyens d'échange thermique » désigne tout type de système d'échange de chaleur entre deux circuits de fluide connus de l'homme du métier, notamment tout type d'échangeur thermique, co-courant ou contre-courant, tubulaire, à plaques, etc..
L'expression « unité de chauffage primaire » désigne toute unité permettant de fournir de l'énergie thermique à un circuit d'eau primaire de chauffage urbain à partir d'énergie renouvelable ou de récupération, par exemple une chaudière à bois, une unité d'incinération d'ordure ménagère, ou une unité industrielle fournissant de la chaleur.
On désigne par « circuit primaire » le circuit primaire d'eau du réseau de chauffage urbain qui est directement chauffé par l'unité de chauffage primaire.
On désigne par « circuit secondaire » le circuit alimentant les consommateurs du réseau de chauffage urbain en eau chaude à plus basse température que celle du circuit primaire, après échange de chaleur avec ledit circuit d'eau primaire.
On désigne par « phase normale » la ou les phases où la demande en énergie thermique du circuit secondaire est égale à l'énergie thermique fournie par l'unité de chauffage primaire dans des conditions nominales.
On désigne par « phase de pointe », la ou les phases où la demande en énergie thermique du circuit secondaire excède l'énergie thermique qui peut être fournie par l'unité de chauffage primaire dans des conditions nominales. On désigne par « phase creuse », la ou les phases où la demande en énergie thermique du circuit secondaire est inférieure à l'énergie thermique qui peut être fournie par l'unité de chauffage primaire dans des conditions nominales.
Dans la suite de la description, tous les intervalles s'entendent bornes incluses.
En période de pics (phase de pointe), le fluide d'adsorption/désorption, est injecté sous forme vapeur dans le système de stockage où ledit fluide d'adsorption/désorption est adsorbé sur le solide en générant de la chaleur qui est captée et utilisée pour répondre à la demande supplémentaire du réseau de chaleur.
En période creuse (phase creuse), le fluide adsorbé contenu dans le système, est désorbé sous l'action de la chaleur, et éventuellement récupéré par condensation pour être utilisé à nouveau dans la phase d'adsorption.
De manière avantageuse, chacune des phases a une durée de quelques heures, qui est généralement comprise entre 1 et 24 heures.
De préférence le fluide d'adsorption/désorption est l'eau.
De préférence, le fluide caloporteur (à l'état liquide et/ou vapeur, de préférence liquide) est de l'eau ou une huile telle que Dowtherm™, Therminol™ ou Paratherm™).
En phase creuse, l'intégration possible des moyens de stockage avec l'unité de chauffage primaire permet d'utiliser sous certaines conditions une partie de la quantité de chaleur fournie par l'unité de chauffage primaire.
La bonne compréhension de l'invention nécessite un rappel du schéma du procédé représenté sur la figure 1. Dans le cas de la figure 1, le fluide d'adsorption/désorption est de l'eau. Globalement, on dispose d'une unité de chauffage primaire (1001) alimentée en combustible renouvelable ou de récupération, préférablement une chaudière bois ou une unité d'incinération d'ordures ménagères. Cette unité de chauffage primaire (1001), une chaudière dans le cas de la figure 1, est destinée à chauffer le circuit primaire d'eau du réseau de chauffage urbain. On dispose également de moyens d'échange thermique (1002) entre ledit circuit primaire et un circuit secondaire alimentant les consommateurs en eau chaude à plus basse température que celle du circuit primaire, sous forme d'un échangeur de chaleur. Les moyens de stockage thermique par adsorption/désorption sur zéolithe, représentés par un système de stockage thermique (1003), sont intégrés dans cet ensemble pour former un système de chauffage urbain intégré avec stockage/restitution d'énergie selon les phases. L'unité de chauffage primaire, les moyens d'échange thermique et les moyens de stockage thermique sont avantageusement connectés en parallèle.
On distingue trois phases de fonctionnement de ce système : a) Phase normale
Dans cette phase, la chaudière (1001) fonctionne à sa puissance nominale. Toute la puissance est utilisée pour la chauffe du circuit d'eau primaire. Cette puissance est transférée intégralement au circuit secondaire.
Sur le circuit primaire, le flux d'eau froide (105) rentre dans la chaudière (1001) pour être chauffé à une température Te (température sortie chaudière) comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, typiquement à 95 °C. Le flux chaud (101) sortant de la chaudière à la température Te est envoyé directement sous la forme du flux (102) vers l'échangeur (1002), où il va échanger sa chaleur avec le flux d'eau froide du circuit secondaire (401) arrivant à une température comprise avantageusement entre 30 et 60°C, typiquement 45 °C, et circulant dans le circuit secondaire. Le flux d'eau chaude (402) du circuit secondaire permet de fournir de l'eau chaude aux consommateurs secondaires à une température Tc2 légèrement inférieure à celle du circuit primaire, avantageusement une température comprise entre 55 °C et 110 °C, typiquement 70 °C.
Le flux d'eau refroidie (103) du circuit primaire sortant dudit échangeur (1002) est à une température Tf (température retour d'eau froide) comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C, typiquement à 55 °C. Il est envoyé directement sous la forme du flux d'eau froide (105) vers la chaudière (1001) où il est à nouveau réchauffé. b) Phase de pointe
Dans cette phase, la chaudière (1001) fonctionne à sa puissance nominale, le supplément de puissance requis par le circuit secondaire étant assuré par le système de stockage (1003).
A cet effet, une partie du flux d'eau (103) du circuit primaire, en sortie de l'échangeur thermique (1002), avantageusement une partie inférieure à 50% du flux (103), de préférence entre 5 et 40%, de manière très préférée entre 10 et 30%, est dérivée pour former le flux (104) qui est envoyé vers les moyens de stockage thermique (1003) où il est chauffé par la chaleur dégagée par l'adsorption d'un fluide sous forme vapeur (ici de l'eau) envoyé par le flux (201) sur le solide contenu dans les moyens de stockage thermique (1003). L'énergie thermique générée par l'adsorption permet de fournir en sortie des moyens de stockage thermique (1003) un flux d'eau chaude (106) fournissant le supplément d'énergie thermique requis par le circuit secondaire.
Le flux (105) correspondant à la partie non dérivée du circuit primaire, dite partie principale du flux du circuit primaire, avantageusement une partie supérieure à 50% du flux d'eau du circuit primaire (103) est envoyé directement vers la chaudière (1001). Le flux d'eau chaude (101) sort de la chaudière (1001) à une température Te comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, typiquement à 102 °C. Le flux d'eau chaude (101) est alors mélangé avec le flux d'eau chaude (106) issu du système de stockage (1003) à une température Tz comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, typiquement 95 °C. Le flux d'eau chaude (102) issu du mélange du flux (101) et du flux (106) est à une température de 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, typiquement à 100 °C ; il est envoyé dans l'échangeur de chaleur (1002) où sa chaleur est utilisée pour chauffer le circuit secondaire. Le flux d'eau refroidie (103) issu de l'échangeur de chaleur (1002) sort à une température comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C, typiquement 55 °C. Une partie de ce flux (103) est soutirée pour constituer le flux (104) qui est envoyé sur le système de stockage (1003) où il est chauffé par la chaleur dégagée par l'adsorption d'un fluide sous forme vapeur (ici de l'eau) sur le solide microporeux contenu dans le système de stockage (1003). La quantité de chaleur dégagée par l'adsorption correspond à la puissance supplémentaire requise par le circuit secondaire dans cette phase. Le fluide sous forme de vapeur d'eau est amené par le flux (201) selon un dispositif non décrit ici. La vapeur d'eau nécessaire à l'adsorption peut par exemple être fournie en évaporant la quantité d'eau nécessaire, à l'aide d'un circuit d'eau récupérant la chaleur sur les fumées de la chaudière, celles-ci sortant à une température d'environ 120 °C.
Le flux (105) résultant du partage du flux (103) est envoyé sur la chaudière (1001) où il est réchauffé à nouveau. c) Phase creuse
Dans cette phase la chaudière (1001) fonctionne à sa puissance nominale. Le circuit secondaire ayant une demande réduite en terme de puissance, le surplus de puissance de la chaudière (1001) peut être utilisé pour la désorption du fluide adsorbé dans le système de stockage.
Sur le circuit primaire, le flux d'eau froide (105) rentre dans la chaudière (1001) pour être chauffé à une température comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, typiquement à 89 °C. Le flux (101) sortant de la chaudière est envoyé directement sous la forme du flux (102) vers l'échangeur (1002). Le flux d'eau refroidie (103) sortant de l'échangeur (1002) est à une température comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C, typiquement à 55 °C. Il est envoyé directement sous la forme du flux d'eau froide (105) vers la chaudière (1001) où il est à nouveau réchauffé.
Une partie de la puissance de la chaudière (1001) est alors utilisée pour chauffer un circuit d'un fluide caloporteur (à l'état liquide et/ou vapeur, de préférence liquide, le fluide pouvant être l'eau ou une huile telle que Dowtherm™, Therminol™ ou Paratherm™) qui va fournir l'énergie thermique nécessaire à la désorption du fluide d'adsorption/désorption adsorbé lors de la phase de pointe sur le solide microporeux contenu dans le système de stockage (1003).
Dans ce circuit dudit fluide caloporteur, le flux de fluide caloporteur chaud (301) sort de la chaudière (1001) où il a été chauffé à une température comprise entre 200 °C et 400 °C, typiquement à 234 °C. La pression du flux (301) est supérieure à la pression d'ébullition du fluide caloporteur à la température considérée, et telle que l'écart de la pression du flux à la pression d'ébullition est compris entre 1 et 5 bars. Le flux de fluide caloporteur chaud (301) est envoyé sur le système de stockage (1003) où il transfère sa chaleur au solide microporeux pour désorber le fluide d'adsorption/désorption qui passe sous forme vapeur. Le fluide caloporteur refroidi est renvoyé vers la chaudière par le flux de fluide caloporteur refroidi (302) à une température comprise entre 90 °C et 150 °C, typiquement à 110 °C . Le fluide d'adsorption/désorption sous forme vapeur résultant de la désorption est évacué par le flux de vapeur (202) qui peut être ensuite condensé et récupéré dans un système non décrit ici, afin d'être revaporisé pour la phase d'adsorption.
Solides microporeux
Les solides microporeux de type zéolithes ou apparentés préférés dans le cadre de l'invention sont les aluminosilicates, tels que par exemple la zéolithe A, de type structural LTA, les zéolithes LSX, MSX, X et Y, de type structural FAU, et de rapport Si/Al respectivement égal à 1, 1,1, 1,2 et 2,7 ou plus, la zéolithe EMT de type structural EMC-2, mais aussi les aluminophosphates, désignés AIPO, tel que par exemple AIPO-18 de type structural AEI et les silico-aluminophosphates, désignés SAPO, tel que par exemple SAPO-34 de type structural CHA.
Lors de leur synthèse, les zéolithes et matériaux microporeux apparentés forment des cristaux (généralement sous forme de poudre) dont l'emploi dans le stockage est particulièrement malaisé (manque d'homogénéité des cristaux au sein du stockage, pertes de charges importantes). On préfère alors les formes agglomérées de ces cristaux, sous forme de grains, de filés et autres agglomérés, ces dites formes pouvant être obtenues par extrusion, pastillage, et autres techniques d'agglomération connues de l'homme du métier. Ces agglomérés ne présentent pas les inconvénients inhérents aux matières pulvérulentes. Ces agglomérés, qu'ils soient sous forme de plaquettes, de billes, d'extrudés, et autres, sont en général constitués de cristaux de zéolithe(s), qui constituent l'élément actif (au sens de l'adsorption) et d'un liant destiné à assurer la cohésion des cristaux sous forme d'agglomérés et de leur conférer une résistance mécanique suffisante pour garantir une durée d'utilisation de plusieurs années.
Cependant, les propriétés d'adsorption de ces agglomérés sont évidemment réduites par rapport à la poudre de cristaux, en raison de la présence de liant d'agglomération inerte vis-à-vis de l'adsorption.
Divers moyens ont déjà été proposés pour pallier cet inconvénient du liant d'agglomération d'être inerte quant aux performances d'adsorption, parmi lesquels, la transformation de la totalité ou d'au moins une partie du liant d'agglomération en zéolithe active du point de vue de l'adsorption. Cette opération est maintenant bien maintenant connue de l'homme du métier, par exemple sous la dénomination de « zéolithisation ». Pour effectuer facilement cette opération, on utilise des liants zéolithisables, le plus souvent des argiles appartenant à la famille de la kaolinite, et de préférence préalablement calcinés à des températures généralement comprises entre 500°C et 700°C.
Les zéolithes cationiques peuvent être utilisées sous forme sodiques (généralement forme à l'issue de la synthèse) ou échangées avec des cations alcalins ou alcalino-terreux. AVANTAGES DE L'INVENTION
Contrairement à de nombreux systèmes de stockage classiques, les avantages liés au stockage de l'énergie thermique par voie thermochimique sur un solide microporeux de type zéolithique ou apparenté sont les suivants :
-il n'y a pas de pertes thermiques durant la phase de stockage, ce qui permet d'envisager un stockage de durée illimitée ;
- le stockage offre une forte densité énergétique en raison des importantes enthalpies d'adsorption/désorption ;
-il est possible de restituer la chaleur pour obtenir en phase de pointe un même niveau de température;
- il est possible de conserver la quantité d'énergie stockée pour une température donnée.
EXEMPLE
Dans le présent exemple, l'unité de chauffage primaire (1001) est une chaudière d'une puissance nominale de 20 MW. La période de pointe dure 4 heures, la période creuse dure 6 heures.
Les moyens de stockage thermique (1003) comprennent un système de stockage constitué d'un lit d'agglomérés zéolithiques, lesdits agglomérés étant majoritairement constitués de cristaux de zéolithe de type structural FAU.
Le fluide d'adsorption/désorption est de l'eau.
Le fluide caloporteur arrivant sur le système de stockage est de l'eau, sous une pression de 35 bars (soit 1 bar au-dessus de la pression d'ébullition qui est de 34 bars à 234 °C).
En phase normale, le circuit d'eau primaire a un débit de 430 t/h avec une température en sortie chaudière Te de 95 °C et une température de retour d'eau froide Tf de 55 °C. Phase de pointe
La chaudière fonctionne à sa puissance nominale soit 20 MW et la demande supplémentaire en puissance sur le circuit secondaire est de 3 MW (15%).
Ce supplément d'énergie thermique est fourni en dérivant 15 % du flux (103) circulant dans le circuit primaire, soit une partie correspondant à un flux (104) ayant un débit de 64,5 t/h, en sortie de l'échangeur entre circuit primaire et circuit secondaire, vers le système de stockage. La température des flux (103) et (104) en sortie de l'échangeur entre circuit primaire et circuit secondaire est de 55 °C. En sortie du système de stockage, la température Tz du flux d'eau chaude (106) est de 95 °C. La chaleur fournie par l'adsorption de la vapeur d'eau (201) sur le lit d'agglomérés zéolithiques des moyens de stockage (1003) correspond à une puissance de 3 MW.
Le flux correspondant à la partie non dérivée du circuit primaire, dite partie principale, soit un flux d'eau froide (105) de débit 365,5 t/h, rentre dans la chaudière à une température Tf de 55°C où il est chauffé pour former un flux d'eau chaude (101) qui sort de la chaudière à une température Te de 102 °C. Le flux d'eau chaude ainsi généré à une température Te (101) est mélangé avec le flux d'eau chaude à une température Tz (106) en provenance du système de stockage pour former un flux d'eau chaude (102) à une température de 101 °C qui est envoyé sur l'échangeur (1002) entre circuit primaire et circuit secondaire.
La vapeur d'eau nécessaire à l'adsorption peut être fournie en évaporant la quantité d'eau nécessaire, soit 3,75 t/h, à l'aide d'un circuit d'eau récupérant la chaleur sur les fumées de la chaudière, celles-ci sortant à une température de 120 °C. Le dispositif d'évaporation n'est pas décrit ici. Phase creuse
La chaudière fonctionne à sa puissance nominale soit 20 MW et la demande en puissance sur le circuit secondaire est réduite à 17 MW. En conséquence la puissance fournie au circuit primaire est également de 17 MW, les 3 MW résiduels étant transférés au circuit de fluide caloporteur (301,302) utilisé pour la désorption du fluide d'adsorption/désorption depuis le système de stockage.
L'eau du circuit primaire (flux d'eau froide (105)) rentre dans la chaudière à une température de 55 °C et en ressort (flux d'eau chaude (101)) à une température de 89 °C pour être envoyée par le flux (102) à l'échangeur primaire-secondaire (1002).
Le fluide caloporteur dont le débit est de 18,5 t/h sort de la chaudière par le flux (301) à une température de 234 °C et, après avoir échangé sa chaleur dans le système de stockage pour désorber le fluide d'adsorption/désorption (ici de l'eau) à un débit de 2,5 t/h, sort à 110 °C par le flux de fluide caloporteur refroidi (302) avant de retourner vers la chaudière.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de stockage et restitution d'énergie thermique pour chauffage urbain mettant en œuvre une unité de chauffage primaire (1001), un circuit primaire d'eau du réseau de chauffage urbain, un circuit secondaire alimentant les consommateurs en eau chaude à une température inférieure à celle du circuit primaire, des moyens d'échange thermique (1002) entre ledit circuit primaire et ledit circuit secondaire, des moyens de stockage thermique (1003) par adsorption/désorption d'un fluide d'adsorption/désorption (201,202) sur au moins un solide microporeux de type zéolithe ou apparenté, des moyens de circulation d'un fluide caloporteur comprenant une conduite permettant la circulation d'un flux de fluide caloporteur chaud (301) de l'unité de chauffage primaire (1001) vers les moyens de stockage thermique (1003) et une conduite permettant la circulation d'un flux de fluide caloporteur refroidi (302) des moyens de stockage thermique (1003) vers l'unité de chauffage primaire (1001),
dans lequel l'unité de chauffage primaire fournit de l'énergie thermique au circuit primaire pour chauffer un flux d'eau froide dudit circuit primaire (105) et former un flux d'eau chaude dudit circuit primaire (101,102) qui échange de la chaleur dans lesdits moyens d'échange thermique (1002) avec un flux d'eau froide dudit circuit secondaire (401) pour former en sortie desdits moyens d'échange thermique (1002) un flux d'eau chaude du circuit secondaire (402), et un flux d'eau refroidie dudit circuit primaire (103), le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) une phase normale dans laquelle l'intégralité de l'énergie thermique fournie par ladite unité de chauffage primaire (1001) est transmise audit circuit d'eau primaire, pour former un flux d'eau chaude dudit circuit primaire (101), qui est envoyé directement sous la forme du flux (102) vers les moyens d'échange thermique (1002) pour échange thermique avec ledit circuit secondaire ;
b) une phase de pointe avec restitution d'énergie thermique par adsorption dudit fluide d'adsorption/désorption sur lesdits moyens de stockage thermique (1003), dans laquelle une partie du flux d'eau refroidie (103) dudit circuit primaire est dérivée pour former un flux (104) qui est envoyé vers les moyens de stockage thermique (1003) et chauffé par l'énergie thermique dégagée par l'adsorption sur ledit solide microporeux dudit fluide d'adsorption/désorption envoyé sous forme vapeur par le flux (201) dans les moyens de stockage thermique (1003), l'énergie thermique dégagée par l'adsorption permettant de fournir en sortie des moyens de stockage thermique (1003) un flux d'eau chaude (106) fournissant le supplément d'énergie thermique requis par le circuit secondaire ;
c) une phase creuse avec stockage d'énergie thermique par désorption dudit fluide d'adsorption/désorption depuis lesdits moyens de stockage (1003), dans laquelle une partie de la puissance de l'unité de chauffage primaire (1001) non demandée par le circuit secondaire est utilisée pour chauffer ledit fluide caloporteur (301) et fournir ainsi l'énergie thermique nécessaire à la désorption du fluide d'adsorption/désorption adsorbé en phase de pointe sur les moyens de stockage thermique (1003), ledit fluide d'adsorption/désorption ressortant desdits moyens de stockage thermique (1003) sous forme d'un flux vapeur (202).
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, dans la phase normale a), le flux d'eau chaude dudit circuit primaire (101) sort de ladite unité de chauffage primaire (1001) à une température Te comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C.
3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le flux d'eau refroidie dudit circuit primaire (103) sort desdits moyens d'échange thermique (1002) à une température Tf comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C, et est envoyé directement comme flux d'eau froide dudit circuit primaire (105) vers l'unité de chauffage primaire (1001).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel, dans la phase creuse c), le flux d'eau froide (105) dudit circuit primaire rentre dans l'unité de chauffage primaire (1001) pour être chauffé et produire un flux d'eau chaude (101) sortant de l'unité de chauffage primaire (1001) à une température comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, qui est envoyé directement sous la forme du flux (102) vers les moyens d'échange thermique (1002).
5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le flux refroidi (103) sortant desdits moyens d'échange thermique (1002) à une température comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C, est envoyé directement comme flux d'eau froide (105) vers l'unité de chauffage primaire (1001).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le surplus de puissance de l'unité de chauffage primaire (1001) correspondant à la puissance non demandée par le circuit secondaire en phase creuse c) est utilisé intégralement pour chauffer ledit fluide caloporteur.
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel ledit flux de fluide caloporteur chaud (301) sort de l'unité de chauffage primaire (1001) à une température comprise entre 200 °C et 400 °C, avec une pression du flux supérieure à la pression d'ébullition du fluide caloporteur à la température considérée, et telle que l'écart à ladite pression d'ébullition est compris entre 1 et 5 bars, bornes incluses.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel ledit flux de fluide caloporteur refroidi (302) après transfert de sa chaleur aux moyens de stockage thermique (1003) est renvoyé vers l'unité de chauffage primaire (1001) à une température comprise entre 90 °C et 150 °C.
9. Procédé selon la revendication 6 à 8 dans lequel le flux de fluide d'adsorption/désorption sous forme vapeur résultant de la désorption (202) est condensé et récupéré dans un système extérieur aux moyens de stockage (1003) afin d'être revaporisé pour la phase d'adsorption.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant la phase de pointe, le flux d'eau chaude dudit circuit primaire (101) sortant de l'unité de chauffage primaire (1001) à une température Te comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, est mélangé avec le flux d'eau chaude (106) sortant des moyens de stockage thermique (1003) à une température Tz comprise entre 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, pour former un flux d'eau chaude (102) à une température de 50°C et 120°C, de préférence entre 70 °C et 120 °C, envoyé dans les moyens d'échange thermique (1002) pour échanger sa chaleur avec le circuit secondaire.
11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel le flux d'eau refroidie (103) issu des moyens d'échange thermique (1002) sort à une température comprise entre 25 °C et 80 °C, de préférence entre 40 °C et 70 °C.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la partie dérivée du flux d'eau du circuit primaire (104) dans la phase de pointe (b) représente moins de 50%, de préférence entre 5 et 40 % du flux sortant de l'unité de chauffage primaire (1001).
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'unité de chauffage primaire (1001) est une chaudière et le fluide d'adsorption/désorption sous forme vapeur pour le stockage d'énergie thermique par adsorption sur lesdits moyens de stockage thermique (1003) est fourni en évaporant la quantité dudit fluide nécessaire, à l'aide d'un circuit de fluide récupérant de l'énergie thermique sur les fumées de la chaudière.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les moyens de stockage thermique (1003) comprennent au moins un solide microporeux de type zéolithes ou apparentés choisi parmi les aluminosilicates, les aluminophosphates, désignés AIPO, et les silico-aluminophosphates, désignés SAPO.
15. Système de chauffage urbain intégré comprenant :
a) une unité de chauffage primaire (1001) alimentée en combustible renouvelable ou de récupération ;
b) un circuit primaire d'eau chaude du réseau de chauffage urbain ; c) un circuit secondaire alimentant les consommateurs en eau chaude à une température inférieure à celle du circuit primaire; d) des moyens d'échange thermique (1002) entre ledit circuit primaire et ledit circuit secondaire ;
e) des moyens de stockage thermique (1003) par adsorption/désorption d'un fluide d'adsorption/désorption (201,202) sur au moins un solide microporeux de type zéolithe ou apparenté .
f) des moyens de circulation d'un fluide caloporteur comprenant une conduite permettant la circulation d'un flux de fluide caloporteur chaud (301) de l'unité de chauffage primaire (1001) vers les moyens de stockage thermique (1003) et une conduite permettant la circulation d'un flux de fluide caloporteur refroidi (302) des moyens de stockage thermique (1003) vers l'unité de chauffage primaire (1001).
16. Système de chauffage urbain selon la revendication 15 dans lequel l'unité de chauffage primaire (1001) est une chaudière à bois ou une unité d'incinération des ordures ménagères ou une unité industrielle fournissant de l'énergie thermique.
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