Brevet FR2537206A1 — publié le 19840608

La présente invention concerne une installation d'énergie thermique à cycle fermé prévu pour fonctionner de préférence dans une ambiance sans air ou sans échange d'air avec l'extérieur par exemple en milieu aquatique pour une exploitation sous marine. Le développement de l'exploitation pétrolière en mer profonde nécessite des engins sous-marins habités ou non dont l'autonomie de fonctionnement doit être portée de quelques dizaines de kWhe a quelques centaines de kWhe pour une puissance crête de l'ordre de 30 kWe. Actuellement, les véhicules sous marins utilisés pour l'of shore sont des véhicules habités,équipés de batteries d'une puissance de 30 kWe crête mais avec une autonomie limitée à 40 kWhe ; l'énergie stockée par unité de masse est de l'ordre de 30 Whe/kg : afin d'augmenter d'un ordre de grandeur l'autonomie du véhicule sans avoir un compartiment énergie trop important par rapport à la charge utile, l'énergie massique devra être portée de 30 a' plus de 70 whe/kg. Ainsi, un module ayant une autonomie de 250 kWhe aurait une masse de 8,7 tonnes avec des batteries pour seulement 4 tonnes avec une machine thermique et réservoirs de combustibles. Pour cette raison de poids, en parallele avec les systèmes de batteries, divers procédés s'appuyant sur des moteurs thermiques sont envisagés pour répondre aux besoins définis précédemment, à savoir - les moteurs thermiques à combustion interne Diésel dans les quels les gaz d'échappement sont traités sur une solution de potasse pour éviter le problème du rejet dans l'eau extérieure à haute pression. - les moteurs thermiques du type STIRLING avec chambre de combus tion à haute pression pour permettre le rejet,des gaz en pro fondeur ou à basse pression mais dont les gaz sont recomprimés avant d'être traités dans un condenseur (brevet USA 3 559 402). L'installation suivant l'invention comprend une source de chaleur constituée par une chambre de combustion pour avoir une énergie massique importante et un stockage longue durée la combustion est effectuée à une pression qui permette une liquéfaction complète des gaz brûlés autorisant leur stockage sous un faible volume. Ce stockage des gaz brûlés évite les problèmes de rejet de gaz à l'extérieur du sous-marin et affranchit le procédé de toute limitation de la profondeur de plongée. L'énergie est stockée sous forme de combustible liquide (le méthanol) et de comburant gazeux (oxygène sous pression) ; la combustion est effectuée sous une pression de l'ordre de 60 bars dans une chambre de type aéronautique avec une dilution par les gaz brûlés. La pression de fonctionnement a été choisie pour effectuer une Xiquéfaction totale à la température de l'eau de mer des gaz de combustion, ce qui permet de stocker ces gaz dans un volume réduit au lieu de les rejeter à l'extérieur de la coque du module : les problèmes d'éjection de gaz dans de l'eau sous pression sont donc évités ainsi que les problèmes de variation de masse du sous-marin ; de plus, le procédé est tout à fait indépendant de la profondeur de plongée. La chaleur dégagée par la combustion est recueillie par exemple dans la chaudière d'une machine à vapeur à fluide organique à un potentiel de température de 2500 C. Le niveau de température permet d'obtenir un rendement de la chaudière de S0'/o tout en ayant un rendement du cycle thermodynamique de conversion thermique/mécanique supérieur à 20%. Ces performances conduisent à un module d'énergie d'une densité massique supérieuraà 70 Whe/kg contre 30 Whe/kg pour les systèmes de batteries actuellement en service. L'utilisation des technologies décrites ci-dessus doit permettre de disposer de sources d'énergies sous-marines autonomes et fiables. Les explications et figures données ci-après, à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue schématique de l'installation d'énergie thermique à cycle fermé suivant l'invention. Les figures 2a et -2b sont des vues en coupe de l'installation d'énergie thermique à cycle fermé. La figure 3 est une vue de la chambre de combustion en coupe longitudinale. En regard de la figure 1, on peut voir un bloc diagramme de l'installation suivant l'invention, comportant une chambre de combustion à haute pression 1, alimentée en combustible et comburant, stockés respectivement dans les réservoirs 2 et 3. Ce stockage se fait sous la forme chimique la plus aisée, de préférence un combustible liquide facile à mettre sous pression par exemple du méthanol et un comburant, de l'oxy- gène gazeux dans des bouteilles de 250 bars. Les gaz issus de la chambre de combustion à une température de 9000C environ sont envoyés dans une chaudière 4 où ils cèdent leur chaleur par l'intermédiaire d'un échangeur à un fluide thermodynamique utilisé par une machine thermique. A la sortie de la chaudière, les gaz, dont la température est abaissée à 200qu environ traversent un condenseur 6 constitué d'un échangeur parcouru par un fluide de refroidissement, de l'eau de mer dans le cas d'un sous-marin. Les gaz condensés, gaz carbonique et eau sont entreposés dans un réservoir 7. L'installation suivant l'invention permet d'effectuer la combustion sans rejet de gaz brûlés, à l'extérieur pour s'affranchir de toute limitation relative par exemple à la profondeur de plongée d'un sous-marin et éviter les problèmes technologiques propres à l'expulsion des gaz brûlés hors de l'en- ceinte. Ainsi la combustion dans la chambre 1 s'effectue å une pression de 60 bars environ afin de pouvoir condenser la vapeur d'eau et le gaz carbonique résultant de la combustion sur des surfaces d'échange dans le condenseur 6 maintenues par exemple à 200C. A cette température, le gaz carbonique liquide a une masse volumique de 770 kg/m3, ce qui permet un stockage dans un volume limite de 2,5 l/kWhe pour l'eau et le C02. Suivant une autre caractéristique de l'invention, une première recirculation du gaz carbonique sous forme gazeuse en sortie du condenseur6,par conduit 8, est organisée de façon à refroidir la paroi de la chambre de combustion et à limiter à 22000C la température de combustion de l'oxygène pur et du combustible pour réduire les problèmes de tenue mécanique de la chambre. Une seconde dilution des gaz de combustion par du gaz carbonique en sortie de chaudière peut être effectuée en sortie de la chambre 1 par le conduit 9. Cette seconde dilution permet de refroidir les gaz qui sont envoyés dans la chaudière à une température inférieure à 9000C compatible avec les matériaux de l'échangeur. Les gaz de combustion ainsi dilués sont refroidis par la chaudière jusqu'a un niveau de température défini par le cycle thermodynamique utilisé par -la machine thermique. Deux machines thermodynamiques sont envisagées pour convertir en énergie mécanique et/ou électrique l'énergie thermique délivrée à la chaudière : les moteurs Stirling et les machines à vapeur à cycle de Rankine. Dans le cas du moteur Stirling le niveau de température nécessaire à la source chaude serait de 7000C, ce qui conduirait à un rendement de chaudière trés faible de l'ordre de nc = 0,25 si le schéma de base était retenu ; un recyclage partiel à chaud ou l'introduction d'un échangeur récupérateur, pour la préchauffe du comburant, devrait permettre de porter le rendement de la chaudière a' nc = 0,50. Cette efficacité est à multiplier par l'efficacité du cycle de Stirling de 0,35. Dans le cas d'une machines vapeur à cycle de Rankine utilisant un fluide organique, la chaleur sensible des gaz brûlés peut être utilisée jusqu'à un niveau de température de 2000C ce qui conduit à un rendement de la chaudière de 0, 80. Cette efficacité est à multiplier par l'efficacité du cycle de Rankine de 0,20. Ces chiffres montrent que les efficacité globales des ensembles chaudière - machine thermique pour les Stirlings et les Rankines sont sensiblement équivalentes - chaudière sans récupérateur x Rankine : 0,80 x 0,20 = 0,160 - chaudière-avec récupérateur x Stirling : 0,50 x 0,35 = 0,175. Cela signifie. donc que les quantités de combustible nécessaires par kWhe sont également du même ordre ; mais si les rendements globaux sont les mêmes pour les deux systèmes, par contre, les complexités constructives et les coûts de développement sont différents et l'option Rankine semble à cet égard nettement préférable. Les figures 2a et 2b illustrent une installation d'énergie thermique à cycle fermé utilisant un cycle de Rankine. Sur ces figures on peut voir une enceinte 10 contenant la chambre de combustion 1 å haute pression dont les gaz issus alimentent une chaudière 4 qui est un générateur de vapeur avant d'être envoyés dans un condenseur 6, le condensat étant stocké dans l'enceinte 7. Une partie des gaz à la sortiede la chaudière 4 est envoyée par le conduit 9 dans un mélangeur ll à la sortie de la chambre de combustion. Une autre partie des gaz à la sortie du condenseur 6 est envoyée autour et dans la chambre de combustion 1 par le conduit 8. Les autres composants du Rankine sont la turbine 12 entrainant un alternateur 13 par l'intermédiaire d'un réduc teur 14, le récupérateur 15 et le condenseur 6 refroidi à l'eau de mer. Un agencement possible est illustré figures 2a et 2b sur lesquelles on voit également les réservoirs de combustibles 16 (méthanol) et de comburant 17( oxygène) ainsi que des batteries 18. Avantageusement, le stockage du condensat 7 est disposé à la périphérie du réservoir de combustible 16. La figure 3 montre à plus grande échelle la chambre de combustion 1. Elle se compose d'une zone primaire avec injecteur 21 alimenté en combustible par le conduit 22 et en comburant par le conduit 23 et une zone de dilution avec des trous d'injection 24 des gaz recyclés pris à la sortie condenseur et amenés par les tubes d'injection 25 dans l'enceinte 28. De façon a éviter des températures de parois trop élevées notamment dans la zone primaire, le carter 27 de la chambre de combustion est refroidi par les gaz recyclés. La chambre de combustion fonctionnant à 60 bars conduit à des intensités de combustion du même ordre de grandeur que dans les chambres de combustion aéronautiques (10 à 120 MW/m3 x atm). Le méthanol a été choisi comme combustible de préférence au kérogène pour les raisons suivantes - la combustion du méthanol ne génère pas de suies : la flamme est donc moins rayonnante, l'efficacité de combustion meil fleuret et les échangeurs risquent moins l'encrassement et la corrosion (pas de soufre), - la température de combustion est moins haute ce qui limite les taux de recirculation nécessaires (9 pour le kérosène contre 7 pour le méthanol) et réduit les problèmes de tenue des maté riaux dans la chambre primaire. Par contre, le méthanol a un PCI deux fois plus faible que le kérosène ce qui conduit à un réservoir de combustible deux fois plus important. Le taux de dilution de 7 a été choisi pour limiter la température des gaz à l'entrée de la chaudière à 9000C. La combustion proprement dite se fait dans une chambre primaire avec un taux de dilution de 1,9 conduisant à une température de 2200 K compatible avec la tenue des matériaux Le taux de dilution de 7 conduit à la composition suivante du gaz de combustion t C02 = 86% H20 = 13% Q2 = 1% La condensation des gaz brûlés va être effectuée par deux échangeurs successifs. Tout d'abord la chaudière va refroidir les gaz brûlés en sortie de chambre de combustion jusqu t à 2000C en vaporisant le fluide thermodynamique. puis les gaz brûlés seront refroidis et liquéfiés dans un échangeur à eau de mer. La chaudière chargée de vaporiser le fluide ther modynamique va être un échangeur liquide - gaz sous pression d'une puissance de 150 kwth. En se plaçant dans le cas d'un cycle de Rankine à fluide organique la surface d'échange serait comprise dans un volume inférieur à 150 dm3 pour réaliser les échanges thermiques correspondants aux températures indiquées à-la figure 3. Le condenseur de vapeur d'-eau et de gaz carbonique sera refroidi par de l'eau de mer à aOOC. Les mélanges d'eau et de C02 liquides font apparaître des solubilités d'un corps dans l'autre A moins de LOOC, il peut y avoir formation d'hydrates avec phénomènes de corrosion ; pour éviter cette difficulté, la température. des surfaces d'échange sera maintenue au-dessus de 150C. Tant pour l'eau que pour le C02, les débits de condensation vont être pilotés par la diffusion d'un gaz dans l'autre selon des lois du type dm = p .a( . dS . (w - w paroi) dm débit masse du gaz qui se condense sur l'élément de surface dS, o( coefficient de transfert de masse (calculé à partir de llanalogie transfert de chaleur - transfert de masse), P masse volumique du gaz, dS élément de surface d'échange, paroi titre massique à l'interface gaz-liquide du gaz à condenser, qui dépend de la température de paroi et des constantes d'équilibre dans les phases liquide et gazeuse. w titre massique local du gaz à condenser. Côté eau de mer de refroidissement, les surfaces d'échange doivent également être adaptées de façon à assurer convenablement les transferts thermiques. Les calculs menés selon ce schéma conduisent à mettre en oeuvre une surface d'échange de l'ordre de 4 m2 sous un volume de 50 dm3 pour la puissance thermique du projet (156 kW). Le train d'échangeur ainsi dimensionné conduit à une surface d'échange et à des volumes compatibles avec les objectifs de masse et de compacité du projet. De préférence, le fluide thermodynamique sera un fluide organique, de masse molaire élevé (5 à 20 fois supérieures à celle de la vapeur d'eau) ce qui permet de diminuer considérablement la vitesse de rotation de la turbine (6700tr/mn) et le nombre d'étages (2). REVENDICATIONS 1. Installation d'énergie thermique à cycle fermé comprenant des moyens de stockage et de distribution de combustible et due comburant, une chambre due combustion, un condenseur des gaz de combustion issus de ladite chambre et des moyens de stockage des gaz liquéfiés résultant, caractérisée en ce que dans la chambre de combustion et le condenseur règne une pression élevée permettant un liquéfaction complète des gaz brûlés. 2. Installation suivant la revendication 1 caractériséeen ce que la chambre de combustion et le condenseur sont à une pression d'environ 60 bars. 3. Instaiclation suivant l'une des revendication 1 ou 2 caractériséeen ce qu'elle comporte une chaudière dans laquelle les gaz de combustion cèdent leur chaleur à un fluide de travail. 4. Installation- suivant la revendication 3 caractériséeen ce que le fluide de travail est envoyé dans une machine thermodynamique de type à cycle de STIRLING ou de préférence à cycle de RANKINE. 5. Installation suivant l'une des revendications précédentescaractériséeen ce que les gaz de combustion sont condensés dans un échangeur refroidi à l'eau de mer. 6. Installation suivant l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une partie des gaz de combustion en sortie de la chaudière est envoyée dans la chambre de combustion et mélangée avéc les gaz de combustion. 7. Installation suivant l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une partie des gaz en sortie du condenseur est envoyée autour et dans la chambre de combustion. 8. Installation suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle le combustible est du méthanol et le comburant de l'oxygène sous pression. 9. Application de l'installation d'énergie suivant l'une des revendications précédentes à la propulsion d'un engin sous-marin.