Brevet FR2720566A1 — publié le 19951201

CENTRALE ELECTRIQUE D'APPOINT FONCTIONNANT AU GAZ ET SON UTILISATION EN COGENERATION La présente invention se rapporte à une centrale électrique d'appoint fonctionnant au gaz, ainsi qu'à l'utilisation d'une telle centrale pour la cogénération d'énergie électrique et d'une autre énergie, par exemple énergie thermique, chimique, physico-chimique... Actuellement, dans la plupart des pays industrialisés, l'essentiel de l'énergie électrique est produit par trois types de centrales, à savoir les centrales thermiques traditionnelles fonctionnant au charbon ou mazout, les centrales hydroélectriques et les centrales nucléaires. On sait tous les problèmes que peuvent poser les centrales nucléaires, dans leur sécurité de fonctionnement d'abord et dans le problème du stockage des déchets radioactifs ensuite. C'est pourquoi ce type de centrale suscite de plus en plus, à tort ou à raison, l'hostilité du public et parfois de certains scientifiques. En outre, pour que la rentabilité soit convenable, les centrales nucléaires doivent être de la plus grande puissance possible, ce qui amène à concentrer la fabrication de l'électricité en un minimum de sites qui, pour des raisons de sécurité toujours, doivent être le plus éloignées possible des lieux de population dense et, par voie de conséquence, très souvent éloignées des lieux de consommation industriels où cette population travaille. Le résultat est que le sol se couvre de lignes haute-tension disgracieuses, d'autant plus énormes que l'énergie électrique à véhiculer est importante (cas notamment des centrales nucléaires) , suscitant de plus en plus d'opposition de la part du grand public qui se plaint à la fois de la défiguration des paysages et des conséquences mal connues et soupçonnées qu'elles pourraient avoir sur la santé de ceux qui habitent à proximité, même s'il ne s'agit que de suspicions. I1 existe donc un besoin impérieux de produire l'énergie électrique le plus près possible des lieux de consommation, ce qui revient à multiplier les lieux de production en diminuant corrélativement les puissances mises en jeu. Il vaut mieux beaucoup de centrales, du type minicentrales, de peu de puissance que peu de centrales de très grande puissance chacune. I1 existe déjà des mini-centrales et des centrales d'appoint, ainsi appelées quand elles sont connectées au réseau électrique principal, qui fonctionnent généralement au charbon ou au mazout, comme les centrales thermiques classiques, ou qui sont installées sur des rivières secondaires sur de petits barrages ou au fil de 1' eau. Les centrales d'appoint au charbon ou au mazout, combustibles polluants souvent riches en dérivés soufrés par exemple, posent des problèmes de rentabilité, de par leur faible puissance, comparativement aux centrales thermiques de grande puissance. Elles posent exactement les mêmes problèmes de pollution, notamment de pollution atmosphérique que les grandes centrales thermiques, d'autant que leur faible capacité ne permet pas généralement d'amortir les coûts d'une installation de dépollution. Quant aux centrales d'appoint hydroélectriques, elles sont elles aussi décriées par les protecteurs de la nature, accusées de dénaturer les paysages, et par les pêcheurs, qui voient leurs sites de pêche gravement perturbés. La présente invention vise à résoudre ces problèmes en proposant une centrale électrique d'appoint, dont la principale caractéristique est de fonctionner avec une énergie abondante et non polluante, le gaz, étant entendu qu'il s'agira de préférence, à chaque fois que cela est possible, de gaz naturel. Le gaz naturel est un produit porteur dont les réserves mondiales sont les plus importantes parmi les énergies fossiles (pétrole, charbon). C'est un produit propre, écologique dont les composants moléculaires (carbone et hydrogène) constituent la base de la chimie organique. On le trouve à l'état naturel, associé à peu d'éléments polluants : soufre, chlore, vanadium, nickel, chrome. Sa combustion dégage une énergie importante utilisable sous forme mécanique ou électrique, ainsi que des éléments naturels, vapeur d'eau, gaz carbonique parfaitement utilisables ou recyclables. I1 faut savoir de plus que la demande d'électricité est souvent importante en hiver en raison des services en chauffage et éclairage qui viennent s'ajouter aux besoins habituels liés aux activités économiques. Jusqu'à présent ce sont les centrales hydrauliques, thermiques et nucléaires qui ont rempli ce rôle avec les aléas liés au transport de l'énergie par ligne haute tension. L'énergie de pointe ne se transporte pas ou se transporte difficilement car à ce moment les réseaux sont saturés, d'où les risques inévitables de coupures ou disfonctions des réseaux. I1 faut donc produire soit à proximité des lieux de consommation, soit dans le voisinage des interconnexions pour des raisons de sécurisation du réseau commutable. Par ailleurs, le réseau de gaz naturel par conduits enterrés est déjà distribué en étoile sur les zones de forte demande énergétique. On a donc une corrélation entre la demande d'énergie électrique et la présence de gaz. On a ainsi l'assurance de la production et de l'écoulement "sur place" en s'affranchissant des contraintes des lignes aériennes dommageables pour l'environnement, l'esthétique ou la saturation. L'énergie électrique produite par la centrale d'appoint selon l'invention est couplée au réseau principal, et la centrale peut être équipée de dispositifs permettant de récupérer aussi et notamment l'énergie thermique produite, par exemple pour le chauffage urbain, puisque elle sera installée là où le besoin s'en fait sentir, c'est-à-dire en milieux urbanisés et densément peuplés. La centrale d'appoint peut être également équipée de dispositifs de récupération des gaz de combustion, essentiellement du gaz carbonique, puisque la combustion du gaz naturel n'entraîne pas de formation de produits fortement polluants, du moins pas dans les proportions liées à la combustion du mazout ou du charbon. Ce gaz carbonique peut être récupéré sous forme d'énergie chimique ou physico-chimique pour alimenter les consommateurs industriels se trouvant à proximité. On aura bien compris que la centrale d'appoint selon l'invention a vocation à être installée sur les sites où le besoin d'énergie électrique est supérieur à la normale et peut être difficilement apportée par le réseau électrique principal, sous peine de faible rentabilité ou de risques pour le réseau principal. Comme déjà indiqué plus haut, ces sites seront principalement des sites urbanisés et industrialisés, là précisément où le besoin en d'autres types d'énergie, thermique ou chimique, se fait également sentir. Une telle centrale peut être considérée comme un "point énergie" situé à proximité des installations de postes-source du réseau électrique principal et de stations de détente de gaz amené par gazoducs. Un autre avantage d'une telle centrale d'appoint est qu'elle est facilement maîtrisable, de par sa faible puissance et qu'elle peut être donc entièrement automatisée et commutée à distance, nécessitant un minimum de personnel de surveillance et n'entraînant de surcroît que des faibles coûts d'assurance. La présente invention sera mieux comprise en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs. Dans ces dessins - la figure 1 est une vue en plan d'une centrale d'appoint au gaz naturel selon la présente invention, - la figure 2 est un schéma de principe expliquant comment récupérer la chaleur générée par le centrale, pour du chauffage urbain par exemple, - la figure 3 est un schéma de principe expliquant comment récupérer aussi l'énergie contenue dans le gaz carbonique produit, en vue d'une utilisation industrielle en chimie, - la figure 4 explique un principe de cogénération dans lequel l'énergie thermique récupérée à l'issue de la production d'électricité par une turbine à vapeur sert à produire aussi de l'électricité, et - la figure 5 explique un principe de cogénération dans lequel l'énergie récupérée à l'issue de la production d'électricité sert à la fois à produire de l'électricité, mais aussi à alimenter un réseau chaleur et un réseau climatisation. Comme on le voit sur la figure 1, la centrale d'appoint au gaz naturel comprend une pluralité de moteurs à gaz, en l'occurrence huit, de type conventionnel à pistons. Le moteur à gaz est d'abord un outil performant de transformation de la molécule de méthane par son cycle thermodynamique à haut rendement énergétique. C'est une machine thermique à la fois propre, économe, d'une très grande fiabilité et longévité. Le mélange air-gaz est comprimé lors de la course de compression du piston et l'allumage du mélange est réalisé par une étincelle produite par une bougie ou par une injection pilote d'un combustible qui s'auto-enflamme avant le point mort haut. Pour les moteurs qui utilisent un allumage par étincelle, celle-ci est générée par une magnéto basse tension et rupteur électronique sans contact. Un transformateur type bonbonne Ruhmhoff transforme l'impulsion basse tension en haute tension. On utilise une bobine par bougie et une bougie par cylindre. Les moteurs à gaz de la centrale, avantageusement d'une puissance unitaire de 1 MW, sont reliés pour chacun deux à un alternateur 50 Hertz/400 volts. En variante, les moteurs à gaz sont des turbines à gaz. L'énergie électrique sortie alternateur est ensuite élevée à la tension de 20 kV par un transformateur triphasé pour être livrée au réseau de distribution (posteservice haute tension d'interconnexions et de distribution). Comme on le voit schématiquement sur la figure 1, la centrale d'appoint est située dans un bâtiment représenté par la référence générale 1, dans lequel on trouve un local électrique 2 permettant le contrôle électrique des diverses installations présentes dans le bâtiment 1, ainsi que la connexion au réseau électrique principal. On trouve également un local à gaz 3 comprenant un détendeur. Une autre salle 4 comprend un réservoir d'huile usée 5 et un réservoir d'huile neuve 6 pour l'alimentation des organes devant être lubrifiés, en particulier des 8 moteurs à gaz 8 placés dans une pièce principale 7. Cette pièce principale est munie de portes insonorisées 9 et équipée de pièges à sons 10 au nombre de 8, c'est-à-dire en un nombre égal à celui des moteurs à gaz. On trouve enfin dans le bâtiment 1 un local 11 servant de local d'entretien et de local pour le personnel. I1 faut préciser ici que les références 8 représentent chacune un moteur thermique muni de son générateur. On aura au préalable vérifié que la puissance appelée sur le réseau de distribution 20 kV est toujours supérieure à la puissance délivrée par la centrale d'appoint. C'est en effet la condition de base du bon fonctionnement économique en période hivernale (du ler novembre au 31 mars). La puissance totale de 8 MW délivrée durant les périodes de forte consommation sur les lieux d'utilisation permet d'atténuer sensiblement les phénomènes de "microcoupures" préjudiciables à la qualité du réseau notamment dans les zones industrielles, tertiaires ou pôles technologiques. Le cycle de fonctionnement de la centrale de production d'énergie électrique continu 24h/24h durant toute la période hivernale se prête particulièrement à la mise-enoeuvre de tous projets de récupération d'énergie thermique, comme on va le voir. Deux sources principales sont captées - le circuit d'eau du moteur assurant l'évacuation des calories des chambres de combustion, culasse, pistons, etc - le circuit des gaz d'échauffement du moteur. Une disposition pouvant être retenue est représentée sur la figure 2. Elle comporte pour chaque groupe de quatre moteurs d'abord un échangeur primaire à plaques ayant la double fonction de préchauffer l'eau de production de vapeur à 15/80 0C et d' alimenter un réseau de chauffage à distance à 70/750C. Elle comporte ensuite un circuit de production de vapeur dont la composante essentielle est une chaudière à tubes de fumée ou tubes d'eau avec pompe de circulation intégrée. Différents circuits d'installations sont représentés afin d'assurer la sécurité du fonctionnement des moteurs. Ainsi, comme on le voit sur cette figure 2, les moteurs 8 sont regroupés par groupe de quatre et sont reliés chacun par des lignes aller 12 et retour 13 par l'intermédiaire d'une vanne thermostatique (VT) 14 à un aérorefroidisseur 15. De la vanne thermostatique (VT) 14 partent des lignes aller 16 et retour 16' qui, passées une autre vanne 17, continuent par des lignes aller 19 et retour 18, à travers une vanne 20, et des lignes aller 22 et retour 21 passant par un clapet d'interconnexion du réseau chaleurchauffage à distance (CAD) 23 et entrant par des lignes aller 25 et retour 24 dans un échangeur à plaques 26 alimenté en eau froide 27. De cet échangeur à plaques 26 part également le circuit chaud, servant de préchauffage avec de l'eau à 70/800C et alimentant un réservoir 29 d'eau chaude à usage domestique. De ce réservoir 29 part une ligne 30 qui entre dans une chaudière à tubes fumée 31, laquelle permet de générer et délivre par une ligne 32 de la vapeur sous pression, par exemple à 1950C sous 13 bars, ainsi que des gaz de combustion à 2300C par une ligne 33,34,35 allant vers un diffuseur 45. Sur le clapet 17 sont branchées des lignes aller 37 et retour 36 qui permettent de connecter par un même circuit tous les moteurs 8. Chaque moteur est par ailleurs muni d'un clapet anti-retour 38, qui par une ligne 40, mène à un pot de détente calorifugé 40 à environ 5000C d'où sort d'une part une ligne 41 menant à la chaudière à tubes fumée 31, et d'autre part une ligne 42 passant par une vanne motorisée servant de clapet by-pass 43, la ligne 44 rejoignant la ligne 33,34,35 vers le diffuseur 45. On aura ainsi compris que, par ce circuit, il est possible de produire à la fois de l'eau chaude à usage domestique (réservoir 29), de l'eau chaude sous pression à usage industriel (circuit CAD) et de la vapeur sous pression à usage industriel (circuit 32). Avantageusement, les gaz d'échappement du moteur thermique sont évacués vers une tour à condensation refroidie par un circuit d'eau primaire à basse température et permettant tout à la fois de récupérer la chaleur latente de vaporisation de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement selon la réaction de base CH4 + 202 = CO2 + 2H2O et de dissoudre au moins partiellement le gaz carbonique CO2. De cette façon, le gaz carbonique présent dans les gaz d'échappement n'est pas rejeté dans l'atmosphère, ce qui contribue à réduire l'effet de serre. Cette récupération peut être associée à des filières d'utilisation de la molécule de CO2. Trois filières sont décrites sur la figure 3, où par soucis de simplification afin de faciliter la compréhension, aucun chiffre de référence n'a été attribué aux lignes de raccordement qui s'expliquent d'elles-mêmes - filière de la chimie minérale avec production de produits carbonatés CaCO3, NaCO3, utilisables notamment dans le traitement des terres acides, - filière de la chimie organique, avec production de lignes C-H lourdes, d'urée, etc, - filière de la biochimie. Le moteur à gaz 8, alimenté en énergie E sous forme de gaz naturel, fournit directement l'énergie de transformation électrique 46 au réseau, la chaleur dégagée étant exploitée dans un récupérateur 31, déjà cité, pour la production de vapeur industrielle 47. Une turbine à vapeur 48 couplée au récupérateur 31 permet de récupérer un surcroît d'énergie électrique 49. Le moteur à gaz 8 permet également la génération d'eau chaude domestique dans le réservoir 29 destiné par exemple à un chauffage urbain à distance. L'énergie ainsi récupérée est essentiellement de l'énergie thermique ou calorique. La combustion du gaz naturel (hydrocarbure CH4 et homologues supérieurs) produit du gaz carbonique CO2 et de l'eau H2O qui peuvent être dirigés vers une tour de condensation 50 qui permet de récupérer une solution de gaz carbonique dans l'eau, utilisable telle quelle. Cependant, le gaz carbonique CO2 peut être récupéré aussi dans une filière de chimie minérale, utilisant des réacteurs 51 pour la fabrication par exemple de carbonates de calcium ou de carbonates de sodium. Il peut être également utilisé dans une filière de chimie organique, notamment dans des réacteurs 52 d'un procédé permettant la fabrication de l'urée. Il peut être enfin dirigé vers une filière biochimique mettant en oeuvre des réacteurs 53 dans lequel, par apport d'oxygène, et le cas échéant, d'énergie photochimique, on peut procéder à diverses opérations - culture d'algues en milieu de type marin ou en pisciculture, - traitement des eaux usées ou des eaux chargées en produits organiques telles que des lisiers. On observera que ces différentes filières peuvent être combinées entre elles et l'une ou l'autre ou la combinaison de celles-ci permet de consommer tout ou partie du gaz carbonique produit, ce qui fait qu'en tout état de cause, le gaz carbonique dissous qui pourrait être rejeté dans l'eau à la sortie de la tour de condensation 50 se trouve très dilué, suffisamment pour être éliminé sans susciter de problèmes d'environnement Comme on le voit sur les figures 4 et 5, la centrale de base décrite précédemment, comptant le même ensemble de huit moteurs alternatifs (dont un seul est représenté) de 8 kVA (Po) alimentés au gaz naturel E pour la production d'électricité livrée au réseau de distribution, peut servir à la cogénération à cycle combiné, permettant l'alimentation d'un réseau électrique force (figure 4), laquelle peut être associée à un réseau chaleur ou climatisation par utilisation du cycle de Carnot (figure 5). Sur ces deux figures qui reprend des éléments de la figure 3, une turbine à vapeur 54 dite à condensation travaillant en boucle fermée permet, après la production d'énergie électrique principale 46, la production d'énergie électrique complémentaire 49, améliorant ainsi le rendement global de l'installation. Cette turbine 54 est alimentée en vapeur haute pression par une chaudière à récupération d'énergie des gaz d'échappement, qui peut être à simple ou double étage de récupération, par exemple un étage 55 de production de vapeur, récupérant une énergie P2, et un étage 56 de production d'eau surchauffée, récupérant une énergie P3 Pour l'alimentation du réseau chaleur, un échangeur principal 57 récupère l'énergie calorifique P1 de l'eau des moteurs, T1 et T2 étant les températures de sortie de l'échangeur 57 et Tg la température d'entrée. L'eau est surchauffée à travers l'étage 56 de la chaudière de récupération et emmagasine une énergie P3 qui la porte à une température T3. En fonction des conditions climatiques, une chaudière d'appoint 58 porte à la température T4 le fluide caloporteur du réseau de chaleur dont la puissance calorifique est alors P6, somme P1+P2+P3. Le réseau de climatisation est alimenté par deux sources d'énergie selon le système utilisé - système à absorption : énergie thermique P7 de la chaudière d'appoint 58 alimentée au gaz naturel, - système à compresseurs frigorifiques : énergie électrique P4 de la turbine à vapeur 54, l'ensemble des paramètres pouvant être contrôlée séparément en fonction des conditions d'utilisation (appel de chaleur ou de froid variables). On notera sur la figure 4 que le passage de la température T2 à T3 est réalisé à l'aide d'un condenseur/aérorefroidisseur, le circuit étant fermé sur l'étage 56 par l'intermédiaire d'une bâche à eau 60 et d'une pompe de relevage 61. En résumé, le bilan de l'installation de la figure 5 par exemple s'établit comme suit cogénération : énergie mécanique Po+P4 chaleur P1+P3 taux de rendement : E/(Po+P1+P3+P4) réseau chaleur : P6=P1+P3+P5 réseau climatisation : P8=P4+P7 réseau électrique : Po+P4 On arrive ainsi à des installations pouvant atteindre des rendements énergétiques de 80 à 90 %, ce qui constitue la meilleure réponse à la protection de l'environnement quant à l'utilisation de l'énergie. REVENDICATIONS 1. Centrale électrique, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une centrale d'appoint couplée au réseau électrique principal et qu'elle fonctionne au gaz. 2. Centrale électrique d'appoint selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle fonctionne au gaz naturel. 3. Centrale électrique d'appoint selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une pluralité de moteurs à gaz. 4. Centrale électrique d'appoint selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de récupération de l'énergie thermique générée. 5. Centrale électrique d'appoint selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de récupération de l'énergie thermique sont placés sur le circuit d'eau du ou des moteurs qui assure l'évacuation des calories. 6. Centrale électrique d'appoint selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de récupération de l'énergie thermique sont placés sur le circuit des gaz d'échappement du moteur. 7. Centrale électrique d'appoint selon la revendication 6, caractérisée en ce que les gaz d'échappement du ou des moteurs thermiques sont évacués vers une tour à condensation refroidie par un circuit d'eau primaire à basse température, qui permet tout à la fois de récupérer la chaleur latente de vaporisation de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement et de dissoudre au moins partiellement le gaz carbonique. 8. Centrale électrique d'appoint selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour la transformation du gaz carbonique récupéré en vue de son utilisation en chimie minérale pour la production de produits carbonatés, en chimie organique pour la production de lignes C-H lourdes, d'urée, etc..., en photochimie, et en biochimie ou biotechnologie par photosynthèse ou fermentation. 9. Utilisation de la centrale d'appoint selon l'une des revendications 4 à 8, dans la cogénération d'énergie électrique et/ou thermique et/ou chimique et/ou biochimique. 10. Utilisation selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'énergie récupérée après la production électrique principale sert à une production électrique complémentaire et/ou à l'alimentation d'un réseau de chaleur ou de climatisation.