Brevet FR2410741A1 — publié le 19790629

L'invention a trait a la récupkration d'énergie calorifique sur un moteur Diesel ou une turbine à gaz, et à son utilisation dans un cycle thermodynamique de l'énergie solaire à évaporation puis condensation Actuellement, de nombreux pays s'emploient a développer des centrales de conversion de lténe-rgie solaire en énergie thermique, puis mécanique et électrique. La conversion en energie thermique s'opère soit par l'intermëdiaire de collecteurs et de récepteurs dispersés plans ou cylindro-paraboliques, soit par l'intermédiaire d'un champ de miroirs concentrant le rayonnement solaire sur une chaudière unique. Compte tenu des fluctuations du rayonnement solaire, ces centrales comportent, en général, un système assurant le stockage de I'énergie thermique, et, pour les périodes insuffisamment ensoleillées, un moteur thermiqueZDiesel ou une turbine à gaz, alimente par un combustible. fossile classique, qui assure tout ou partie-de la puissance nominale de l'installation solaire de conversion thermodynamique. Ces centrales solaires comportent donc, en général, deux installations de production d'énergie électrique, l'une alimentée par l'énergie solaire, l'autre par un combustible fossile. L'installation solaire de production d'énergie électrique comporte un turbo-alternateur, ou mbme un moteur, dans le cas de petites installations, dans lequel se détend un fluide de travail pouvant être soit de la vapeur d'eau soit un fluide organique évoluant en cycle fermé entre une source chaude et une source froide, comme dans les centrales électriques cIassiques, à la seule différence que la source chaude est alimentée de manière plus ou moins directe par l'énergie solaire, et non pas par une énergie d'origine fossile. La seconde installation de production d'énertie électrique comporte un moteur thermique (Diesel, turbine à-.gaz;r-etc.), accouplé à un alternateur, utilisant un combustible fossile (gaz, fuel . . . ). Ce générateur sera générale- ment utilisé pour assurer la couverture des besoins en électricité du ou des clients quand le soleil fait défaut, et donc, plus particulièrement, la nuit et les jours de mauvais temps. On connais divers procécés et dispositifs permettant de récupérer, dans les gaz d'échappement d'un Diesel ou d'une turbine à gaz, ainsi que dans les circuits de refroidissement de ces machines, une quantité de chaleur assez importante, bien qu'a un potentiel relativement bas. Ce procédé de récupération est déjà largement utilisé dans les installations de chauffage de locaux ou de production de froid. En ce qui concerne les centrales solaires, le problème se pose en termes différents, puisqu'il s'agit d'un transfert de calories entre deux cycles thermodynamiques de natures différentes (cycle de HIRN, cycle BEAU DE ROCHAS), fonctionnant à des instants différents. Pour résoudre un tel problème, la présente invention apporte un procédé d'utilisation de cette chaleur récupérable dans les cycles de conversion thermodynamique de l'énergie solaire, qui est caractérisé en ce que la chaleur contenue dans les gaz d'échappement et/ou dans les circuits de refroidissement du moteur thermique est récupérée par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs échangeurs, stockée dans un ou plusieurs réservoirs, puis utilisée dans un cycle de conversion thermodynamique de l'énergie solaire à évaporation, puis condensation. Selon une caractéristique de ce procédé, les calories à haute température récupérées sur les gaz d'échappement du m oteur thermique sont stoc kées dans un accumulateur à haute température, et les calories à basse température récupérées sur les circuits de refroidissement du moteur thermique sont stockées dans un accumulateur à basse température. Selon une autre caractéristique de l'invention, les calories récupérées puis stockées dans l'accumulateur à haute température sont utilisées comme source chaude du cycle thermodynamique de l'énergie solaire évaporation puis condensation. Selon encore une autre caractéristique de cette invention, les calories récupérées et stockées dans l'accumulateur à basse température sont utilisées en appoint pour chauffer le fluide de travail du cycle thermodynamique à évaporation puis condensation. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés, de deux exemples de réalisation non limitatifs. Sur les dessins - la Figure I est un schéma de principe d'une installation mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ; et, - la Figure 2 est un schéma de principe d'une variante de l'installation de la Figure 1. On se réfère en premier lieu à la Figure 1. Sur cette Figure, on voit en 10 l'accumulateù:r de calories de l'ins tallation solaire de production d'énergie-électrique, en ]2 l'échangeur de cette installation, et en 14 la turbine à vapeur , accouplée à un alternateur 16. En 18, on a représenté le moteur thermique (Diesel ou turbine à gaz) de l'installation de production d'énergie électrique, alimenté par combustible fossile, accouplé à un alternateur 20. Cette installation de production d'énergie à partir du moteur thermique comporte un système de récupération conçu de la façon suivante Les gaz chauds 22 issus du moteur thermique 18 , qui sont à une température de l'ordre de 500 C, cèdent une partie de leurs calories, au travers d'un échangeur 24,, au matériau servant de stockage de chaleur pour la partie solaire de la centrale (accumulateur 10). Cet échangeur 24: peut être désolidarisé de l'accumulateur 10 si le matériau de stockage est liquide. Il peut être inclus dans ltaccumulateur 10, s'il s'agit d'un matériau de- stockage difficilement transportable (solides, ou stockages par changement de phase liquide-solide).Les gaz sortant de l'échangeur 24, et ainsi refroidis à une température comprise entre 200 et 300 OC, passent sur un second échangeur 26 , où ils sont refroidis à une température comprise entre ]00 et 2000C, Ie secondaire de cet échangeur étant constitué par de l'eau, celle-là même qui est utilisée comme fluide de travail (canalisation 30) dans le cycle thermodynamique ayant le soleil comme source chaude. Cette eau a été préalablement réchauffée dans un échangeur 22, placé sur le circuit de refroidissement 36, du moteur thermique considéré, d'une température comprise entre 30 C et 60 C, correspondant à la condensation de la vapeur dans le condenseur 38 de la turbine, à une température de l'ordre de 75 C à 900C pour des moteurs Diesel classiques, ou mAeme d'environ ] 10 C-12QQC, pour des moteurs à gaz refroidis par de l'eau sous pression. L'eau ainsi réchauffée dans les échangeurs 32, puis ;26r est stockée dans un réservoir (accumulateur 34) fonctionnant de préférence par stratification, afin de récupérer le maximum de calories. L'eau chaude est introduite, à une température comprise entre 80 C et I 3'O 0C', à la partie supérieure du réservoir 34, tandis que l'eau froide destinée à titre réchauffée dans les échangeurs 32 puis 26 est prélevée à sa partie inférieure. Ces introduc tion et extraction de liquide du réservoir 34 s'effectuent par l'intermédiaire de diffuseurs (non représentés), permettant effectivement d'obtenir une bonne stratification entre les couches chaudes et froides présentes dans ce réservoir. Au contraire, quand la turbine à vapeur 14 fonctionne, l'eau froide provenant du condenseur 38 de la turbine est introduite à la partie inférieure du réservoir '34 , tandis que l'eau chaude produite par récupération de calories sur le moteur thermique est prélevée à sa partie supérieure par la canalisation 30 , pour être utilisée comme fluide de travail dans le cycle classique de l'énergie solaire compression du liquide, évaporation, détente de la vapeur dans la turbine 14, condensation dans le condenseur 38 On a donné ci-après, à titre indicatif, un exemple permettant de mieux situer l'intéret du procédé. On considère ici une turbine à vapeur d'eau d'une puissance électrique nette,aux bornes de l'alternateur, de 800 kW. Dans des conditions favorables d'ensoleillement, l'installation de capteurs solaires fournira dans la journée environ 40.000 kWh sous forme thermique, permettant une marche de la turbine à une puissance constante de 800 kW pendant ]O heures. Pendant les 14 heures restantes, un moteur Diesel fournit une puissance électrique constante de 175 kW. Dans ces conditions, on récupèrera - au niveau de l'échangeur (24) : 100 x 14 = 1.400 kWh thermiques - au niveau de l'échangeur (26) : 34 x 14 = 476 - au niveau de l'échangeur (32) : 145 x 14 = 2.030 " Soit au total , , 3. 906 kWh thermiques, soit près de 10 % de l'énergie recueillie dans ajournée par les capteurs solaires. En admettant un rendement du cycle turbine à vapeur de 20 %, les 3. 906 kWh thermiques récupérés permettront de produire environ 780 kWh électriques supplémentaires. Le rendement de conversion du combustible consommé dans le Diesel en électricité passe ainsi de 34 %, sans récupération, à près de 45 %, soit une augmentation relative de près de 32 %. Inversement, on peut considérer que cette énergie récupérée, qui représente 10 % de l'énergie recueillie par les capteurs solaires (héliostats, réflecteurs cylindro-paraboliques, capteurs plans ...) n'a plus à être fournie par ceux-ci. On réalise ainsi, grâce au procédé de récupération, une économie d'investissement de 10 % sur ces capteurs qui, dans l'état actuel des techniques, compense très largement le surcot d-'investissement nécessaire pour mettre en oeuvre le procédé. Dans la variante représentée à la Figure 2, l'énergie récupérée sur les gaz d'échappement du moteur, au niveau de l'échangeur 26" sert'à déminéraliser de l'eau chargée en sels minéraux. Selon ce procédé, l'échangeur 26' est un bouilleur alimenté en eau salée. Les calories récupérées sur les gaz d'échappement du moteur thermique 18 permettent de réaliser l'évaporation à une température comprise entre 95" et 120"C d'une eau chargée en sel. La vapeur ainsi produite est condensée dans un échangeur 42, la chaleur produite par la condensation de cette vapeur permettant d'échauffer l'eau prélevée à la partie basse de l'accumulateur 34 et préchauffée dans l'échangeur 32 jusqu'à une température comprise entre 90" et 115 C. Les calories récupérées au niveau de l'échangeur 26' sont donc intégralement transférées' à l'échangeur :42t, puis stockées dans l'accumulateur 34', aux pertes thermiques près, dues aux purges de déconcentration nécessaire dans l'échangeur 26', et aux pertes thermiques du système. Dans cette variante, on produit tout à la fois de I'eau pure avec un très bon rendement (de l'ordre de 50 kcal/kg), qui est nécessaire au cycle de conversion thermódynamique, si celui-ci utilise l'eau comme fluide de travail, et, comme précédemment, des calories utilisables dans ce même cycle. il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de realisation décrits et représentés ici, mais qu' elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'utilisation de la chaleur récupérable sur des moteurs thermiques,dans les cycles de conversion thermodynamique de l'énergis solaire, d'une installation de production d'énergie électrique alimentée, d'une part par l'énergie solaire, et, d'autre part, par un combustible classique, ce procédé étant caractérisé en ce que la chaleur contenue dans les gaz d'échappement et/ou les circuits de refroidissement du moteur thermique est récupérée par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs échangeurs, stockée ensuite dans un ou plusieurs réservoirs servant d'accumulateurs d'énergie, puis utilisée dans le cycle de conversion thermodynamique de l'énergie solaire à évaporation puis condensation. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les calories à haute température récupérées sur les gaz d'échappement du moteur thermique sont stockées dans un accumulateur à haute température, et les calories à basse température sont stockées dans un accumulateur à basse température. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les calories récupérées et stockées dans l'accumulateur à haute température sont utilisées comme source chaude du cycle thermodynamique à évaporation puis condensation. 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les calories récupérées et- stockées dans l'accumulateur à basse température sont utilisées en appoint, pour chauffer le fluide de travail du cycle thermodynamique à évaporation puis condensation.