Brevet FR2237350A1 — publié le 19750207

La présente invention concerne un procédé de production d'énergie, applicable à la production d'électricité, utilisant l'hy- drogène comme combustible, ainsi qu'une installation permettant de mettre en oeuvre le procédé. On a déJà envisagé de transporter l'énergie sous forme d'hy drogène depuis un lieu de production jusqu'a un lieu de transformation en électricité, proche de zones de consommation, au lieu de transporter ltélectricité par lignes å haute tension depuis une centrale jusqu'aulx régions de consommations. Le transport en conduites de l'hydrogène peut en effet être rendu beaucoup plus économique que celui de l'électricité. De plus, 1'hydrogène peut être stocké à destination (ou ailleurs), ce qui n'est pas le cas de l'électricité sous forme de courant alternatif à haute tension. Par ailleurs, on sait qu'il existe des projets visant à produire de l'hydrogène en-grande~quantité par dissociation de l'eau dans des réacteurs nucléaires. Encore est-il nécessaire de pouvoir transformer énergie aux points de livraison de l'hydrogène. Or, la combustion de l'hydrogène dans 1'air de la chambre de combustion dtune turbine è gaz produit des températures trop élevées pour être supportées par les matériaux usuels. On étudie actuellement, pour surmonter ce problème, des procédés de limitation de la température consistant, soit à admettre un débit d'air excédentaire dans la chambre, soit à y injecter de l'eau en fines gouttelettes, soit même à y injecter de la vapeur d'eau.Le mélange de vapeur d'eau produite et/ou injectée et de gaz comburant ou neutre en excès est ensuite utilisé pour actionner une turbine à gaz. Ces solutions sont loin d'être pleinement satisfaisantes. En effet, on obtient à la sortie de la turbine un mélange de vapeur d'eau et de gaz, où le gaz non condensable représente une fraction importante, surtout si on a injecté de l'air en excès. Les condenseurs en sont compliqués et alourdis. De plus, la tempdra- ture de combustion élevée provoque la formation de polluants atmosphériques, et notamment d'oxydes d'azote. La présente invention vise à fournir un procédé et une installation de-production d'énergie répondant mieux que ceux antérieurement proposés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils ne présentent pas les défauts ci-dessus et profitent du fait que la dissociation de l'eau produit, en même temps que l'hydrogène1 de l'oxygène en proportions stoechiométriquement nécessaire pour la combustion. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de production d'énergie, en particulier sous forme électrique, caractérisé en ce qu'on injecte de l'hydrogène et de l'oxygène en proportions sensiblement stoechiométriques dans une chambre de combustion en même temps que de l'eau, et en ce qu'-on détend dans un corps de turbine et condense l'eau en phase vapeur résultant de la combustion. La chaleur produite dans la chambre de combustion est avantageusement utUiséeen partie pour proddre de l'eau en phase vapeur surchauffée dans un faisceau placé dans la chambre de combustion, la vapeur provenant d'un faisceau étant détendue dans un corps de turbine, une partie du débit de vapeur sortant de ce dernier corps de turbine étant réinjectée dans la chambre. On voit quton ne recueille à la sortie de la chambre que de la vapeur d'eau utilisée dans des corps de turbines à vapeur. Le cycle étant suivi, au moins pour la vapeur provenant de la combustion, d'une condensation, le rendement du cycle peut être très élevé. Le seul sous-produit étant de l'eau, le cycle est parfaitement non polluant. L'invention propose également une installation de production d'énergie, en particulier sous forme électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison, une chambre de combustion, des moyens pour y injecter de l'hydrogène et de l'oxygène en proportions sensiblement stoechiométriques et un débit d'eau suffisant pour ramener la température à une valeur compatible avec la tenue des composants de l'installation, un corps de turbine recevant la vapeur provenant de la chambre, et un condenseur. La chambre contient avantageusement un faisceaud'échange, pouvant être à une seule passe, ou "once u oughtt, qui, par échange thermique avec la vapeur dans la chambre, fournit de la vapeur-su-rchauffée, de préférence super-critique, qui est admise dans un second corps de turbine. Des conduites ramènent la vapeur détendue pour partie au faisceau et pour partie aux moyens d'injection d'eau dans la chambre. C'est donc dans ce cas une partie de la vapeur sortant du second corps de turbine qui est réinjectée dans la chambre. Le corps ou les corps de turbines entrainent avantageusement un alternateur de production d'électricité. LlhY- drogène et l'oxygène, pouvant être amenés par conduites Fur des distances importantes, peuvent être stockés à proximité de la chambre de combustion pour disposer d 'un volant permettant d'absorber les pointes de consommation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une installation constituant un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limita tif, et du procédé qu'elle met en oeuvre. La description se réfère à lafigure unique qui l'accompagne et montreschémati- quement la disposition des divers composants de l'installation. L'installation comporte une chambre de combustion 10 délimitée par une enceinte en matériau réfractaire et munie de plusieurs jeux d'injecteurs ou de brûleurs. Pour plus de simplicité, ces brûleurs ont été schématisés par une arrivée d'hydrogène 11 et une arrivée d.(-oxygène 12. Les arrivées li et 12 sont alimentées à partir dereservoirs'de stockage respec tifs 13 et 14, par l'intermédiaire de tubulures équipées de vannes de réglage respectives 15 et 16, destinées à régler les débits- en fonction de la puissance appelée en les maintenant dans un rapport sensiblement stoechiométrique La chambre 10 est également munie d'injecteurs de vapeur d'-eau, schémati sés-par des arrivées 17. Dans la chambre 10 est disposé un faisceau de tubes évaporateurs-surchauffeurs, schématisé en 18. Ce faisceau est alimenté- en eau et il est parcouru dans le sens ascendant par une circulation d'eau, d'abord en phase liquide,-puis en phase vapeur. Le débit Qa de vapeur surchauffée, avantageusement supercritique, disponible à l'extrémité haute-du faisceau, est envoyé dans un premier corps de turbine 19 par une conduite 20. Les caractéristiques du corps 19 sont choisies pour que la vapeur à l'échappement 21 de la turbine soit à une pression légèrement supérieure à celle de la chambre de combustion 10, par exemple de quelques bars Une fraction Q' du débit Qa sortant du corps de tur bine est renvoyée au faisceau 18, aptes cnndi et mélange avec de 1 'eau supplémentaire pour constituer le débit Qa. L'autre-fraction, représentant un débit Qa - Q', est envoyée aux injecteurs 17 par un canalisation 22. Les points d'injection dans la chambre 10 sont choisis pour limiter a' des valeurs convenables la tempé rature de flamme résultant de -la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène injectés dans cette chambre, la'température de la vapeur léchant extérieurement le faisceau de tubes 18, enfin la température du débit. Qb de vapeur sortant de la chambre par une conduite 23. Ce débit Qb de vapeur alimente un deuxième corps de turbine 24 muni d'un condenseur 25 qui peut être refroidi par exemple par de l'air (réfrigérant atmosphérique) ou de l'eau (condenseur classique). Le corps de turbine 24 est à basse pression, la pression dans la chambre 10 ne dépassant pas en général quelques bars.Une fraction Qo du débit Qb d'eau condensée, représentant en régime permanent le débit provenant de la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène, est à évacuer : l'eau condensée étant pratiquement de liteau distillée, elle peut être utilisée dans un réseau de distribution. Le reste du débit d'eau de condensation, soit Qb - Qu, est renvoyé vers le faisceau 18 pour compenser le débit de vapeur soutiré pour injection dans la chambre 10. L'eau prélevée par une conduite est mélangée au débit Q' en 27 et le débit total Q' + Qb -Qo, égal à Qa est réchauffé dans un échangeur 28.La chaleur de réchauffage est constituée par la chaleur sensible et la chaleur latente de corxensan du dibitdevapeur Q'qui traverse l'échangeur 28. Les gaz (hydrogène ou oxygène) dans le condenseur 25 peuvent en être extraits par une soufflante 29 et être réinjectés dans la chambre de combustion par des conduites non représentées. Un détecteur 30 est avantageusement placé sur le condenseur, ou éventuellement sur la conduite de retour, pour commander l'ouverture relative des vannes 15 et 16 et régler le rapport des débits d'hydrogène et dwoxygène, afin d'assurer une combustion stoechiométrique et diminuer au minimum la proportion de gaz imbrûlés. Les corps de turbine entratnent, de façon classiae, un alternateur 31. On voit que l'invention fournit un procédé présentant de nombreux avantages sur les procédés antérieurs utilisant l'hydrogène comme combustible : le fluide primaire de travail du cycle thermodynamique étant entièrement condensable, il est possible de diminuer sa température finale et donc d'améliorer le rendement du cycle ; le fonctionnement du cycle s'effectue sans aucune création de polluants, le seul sous-produit étant de l'eau distillée, récupérable et utilisable ; les machines génératrices d'énergie mécaniques sont compactes et de ce fait peu onéreuses. L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet détend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'énergie, caractérisé en ce qu'on injecte de l'hydrogène et de l'oxygène en proportions sensiblement stoechiométriques dans une chambre de combustion en même temps que de la vapeur d'eau, et en ce qu'on détend dans un corps de turbine et condense l'eau en phase vapeur résultant de la combustion. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on produit de la vapeur surchauffée dans un faisceau d'échange évaporateur-surchauffeur placé dans la chambre de combustion, en ce qu'on détend la vapeur provenant du surchauffeur dans un second corps de turbine et en ce que c'est une partie de la vapeur sortant du second corps de turbine qui est réinfectée dans la chambre de combustion. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la partie restante dé la vapeur sortant du second corps de turbine est renvoyée au faisceau d'échange après condensation et après adjonction d1un débit d'eau supplémentaire destiné à compenser le débit renvoyé à la chambre de combustion. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le débit de vapeur provenant du second corps de turbine et retourné au faisceau est condensé dans un échangeur de chaleur parcouru par la totalité du débit d'eau renvoyé au faisceau d'échange. 5. Procédé suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le débit d'eau complémentaire provient du premier corps de turbine. 6. Installation de production d'énergie, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison, une chambre de combustion, des moyens pour y injecter de l'hydrogène et de l'oxygène en proportions sensiblement stoechiométriques et un débit d'eau suffisant pour ramener la température à une valeur compatible avec la tenue des composants de l'installation, un corps de turbine recevant la vapeur provenant de la chambre, et un condenseur de la vapeur provenant de la turbine. 7. Installation suivant la revendication 6, caractérisée par un faisceau d'échange thermique, par exemple à une seule passe, disposé dans la chambre de combustion, par un second corps de turbine relié au faisceau par une conduite d'amenée de vapeur surchauffée, et par des canalisations de retour au faisceau d'une fraction de l'eau.provenant du second corps de turbine 8.Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les canalisations de retour du second corps de turbine au faisceau comportent un échangeur de condensation de l'eau provenant du second corps de turbine et en ce que des canalisations supplémentaires prélèvent une fraction du débit d'eau en phase vapeur sortant du second corps de turbine pour l'amener à des moyens d'injection d'eau en phase vapeur en des points répartis dans la chambre de combustion. 9. Installation suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le corps ou chaque corps de turbine est attelé à-un alternateur-de production d'électricité. 10. Installation suivant 1tune quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée par des moyens de stockage dthydrogène et d'oxygène reliés aux moyens d'injection par des organes de réglage de débit, pouvant être alimentés par des conduites provenant d'une installation de production d'hydrogène ou d'oxygène en proportions stoechiométriques. li Installation suivant la revendication 10, caractérisée par des moyens de détection des gaz au condenseur du premier corps de turbine et par des moyens de réglage du rapport des débits d'oxygène et d'hydrogène introduits dans la chambre de combustion en fonction de la teneur de ces gaz au condenseur en oxygène et hydrogène.