Brevet FR2928414A1 — publié le 20090911

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ENERGIE A PARTIR DE BIOMASSE La présente invention se rapporte à un dispositif de production d'énergie, notamment d'énergies électrique et thermique, à partir de biomasse. Dans le domaine de l'énergie, on entend par biomasse l'ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources d'énergie. Elles peuvent être utilisées soit directement, par exemple par combustion de matière solide tel que le bois, soit indirectement, après une gazéification, à savoir en transformant un combustible solide en combustible gazeux, après une méthanisation, à savoir une dégradation de la matière organique ou sous forme liquide. Ces sources d'énergie ont pour avantage d'avoir un bilan quantitatif en CO2 sensiblement équilibré. En effet, même si la combustion rejette du CO2 dans l'atmosphère, ce dernier a été au préalable prélevé et transformé en matière, par photosynthèse par exemple. De manière connue, la biomasse peut être transformée en énergie électrique dans des installations fonctionnant selon un cycle conventionnel vapeur. Mêmes si les centrales électriques à cycle vapeur sont éprouvées, ces installations sont destinées à la production électrique de l'ordre de quelques Mégawatts pour obtenir un rendement intéressant, compte tenu de leur complexité, notamment en raison de la mise en oeuvre d'un fluide secondaire en évolution bi phasique. De manière connue, la biomasse peut être transformée en énergie électrique dans des dispositifs fonctionnant selon le principe des moteurs de type Stirling. Cependant, même si ces installations ont des rendements élevés, elles sont destinées à la production de quelques KiloWatts. Or, s'il existe de nombreuses sources de biomasse générées par l'activité humaine, ces dernières sont généralement disséminées et leur volume n'est adapté ni aux centrales électriques à cycle vapeur, ni aux installations fonctionnant selon le principe des moteurs Stirling. Même si dans certains cas la biomasse peut être collectée et transportée en vue d'être utilisée dans des centrales électriques à cycle vapeur de grandes capacités de production, le transport conduit à déséquilibrer le bilan CO2 et à réduire la rentabilité. Par conséquent, il existe un besoin d'installations dites intermédiaires 10 permettant d'obtenir un rendement satisfaisant dans les plages intermédiaires de l'ordre de quelques Kilowatts à un Mégawatt. Dans le domaine de la production d'énergie par transformation de l'énergie thermique en énergie cinétique, on connait les turbines à gaz à combustion interne. Dans ce cas, un fluide moteur, généralement naturellement oxygéné, 15 traverse un compresseur afin d'augmenter sa pression. En suivant, le fluide moteur subit une élévation de température, généralement par mélange dudit fluide moteur avec un combustible qui effectue une réaction oxydante. Enfin, le fluide moteur est détendu dans une turbine. Ces turbines à combustion interne ont généralement des rendements élevés. 20 Toutefois, elles ne peuvent utiliser qu'un combustible ne contenant pas de particules susceptibles d'endommager les parties constitutives de la turbine et sont limitées aux combustibles parfaitement vaporisables et propres tels le gaz naturel, les gaz parfaitement épurés, les produits liquides raffinés filtrés. Par conséquent, les turbines à combustion interne ne peuvent pas utiliser un 25 combustible telle que la biomasse qui est chargée d'impuretés. Afin de pallier cet inconvénient, il est possible d'utiliser des turbines à gaz à combustion externe. Dans ce cas, la combustion est opérée de manière conventionnelle dans une chambre dédiée, à la pression atmosphérique, l'élévation de température du fluide moteur étant opérée dans un échangeur dans lequel circule les gaz chauds produits lors de la combustion. Selon un principe de fonctionnement appelé simple cycle, on utilise un compresseur et une turbine placés sur une même ligne d'arbres. bans un premier temps, un fluide moteur, généralement l'air ambiant, est comprimé dans le compresseur. Cette compression permet d'obtenir une augmentation de la pression mais également une première élévation de température du fluide moteur. En suivant, le fluide moteur subit une élévation de température en traversant un 10 échangeur dans lequel circule les gaz chauds produits lors de la combustion de la biomasse. Enfin, le fluide moteur est détendu dans une turbine ce qui provoque la rotation du rotor de la turbine qui entraîne la ligne d'arbres commune. Ainsi, une partie de l'énergie est utilisée pour entraîner le compresseur, l'énergie restante peut être 15 convertie en énergie électrique en utilisant une génératrice de courant électrique. Cependant, un fonctionnement selon un cycle simple ne permet pas d'optimiser le rendement de la production d'énergie. Pour améliorer ce rendement, des solutions ont été envisagées, notamment dans 20 le document US-2001/0015060. Pour améliorer le rendement, une technique consiste à récupérer une partie de l'énergie perdue à l'échappement de la turbine, soit pour préchauffer le combustible, soit pour préchauffer un autre fluide dit fluide secondaire utilisé dans un cycle vapeur pour produire de l'énergie ou soit pour apporter un 25 complément de calories lors de l'élévation de température du fluide moteur entre le compresseur et la turbine. Le préchauffage du combustible ne conduit pas à une augmentation optimale du rendement. La récupération de la chaleur pour préchauffer un second fluide utilisé dans un cycle vapeur permet d'augmenter le rendement. Cependant, elle conduit à complexifier l'installation en raison notamment de l'utilisation d'un fluide en évolution bi phasique. Par conséquent, ce type d'installations peuvent difficilement être amorties pour des productions d'énergie allant de quelques KW à 1 MW. La récupération de chaleur provenant du fluide moteur à l'échappement de la turbine pour préchauffer le fluide moteur à la sortie du compresseur n'est pas optimale et limitée selon les techniques connues. Ainsi, lorsqu'on choisit pour améliorer le rendement d'augmenter le taux de compression, cela se traduit également par une élévation supplémentaire de la température du fluide moteur à la sortie du compresseur, ce qui réduit d'autant plus la plage de récupération de la chaleur du fluide moteur à la sortie de la turbine. Si on choisit pour améliorer le rendement d'augmenter la température du fluide moteur à l'entrée de la turbine, notamment grâce à la chaleur récupérée à la sortie de la turbine, les limites sont alors technologiques, par exemple la tenue aux hautes températures des matériaux des parties constitutives de la turbine. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un dispositif de production d'énergie, notamment électrique, à partir de la biomasse, permettant d'optimiser le rendement, de conception simple afin de rendre économiquement viable une installation intermédiaire pour la production d'énergie allant de quelques KW à 1 MW. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de production d'énergie à partir de biomasse, comprenant : - un premier train d'arbres auquel sont reliés un compresseur et une première turbine, - un premier échangeur assurant les échanges thermiques entre d'une part, un fluide dit moteur comprimé préalablement par ledit compresseur et détendu dans ladite première turbine, et d'autre part des gaz chauds issus de la combustion de la biomasse, - un second train d'arbres auquel sont reliés une seconde turbine et des moyens de conversion de l'énergie cinétique en une autre énergie, caractérisé en ce que - le fluide moteur utilisé dans ladite seconde turbine est le même fluide moteur ayant traversé au moins le compresseur, - le fluide moteur traverse, préalablement à son introduction dans la seconde turbine, au moins un échangeur assurant les échanges thermiques entre ledit fluide moteur et des gaz chauds issus de la combustion de la biomasse. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant une première variante d'un dispositif de production d'énergie selon l'invention, - la figure 2 est une vue d'ensemble illustrant un dispositif de production selon l'invention, - la figure 3 est un schéma illustrant une première variante d'un dispositif de production d'énergie selon l'invention, - la figure 4 est un diagramme entropique représentant l'évolution des caractéristiques d'un fluide moteur traversant le dispositif de production de la figure 3, - la figure 5 est un schéma illustrant une autre variante d'un dispositif de production d'énergie selon l'invention, et - la figure 6 est un schéma illustrant une autre variante d'un dispositif de production d'énergie selon l'invention. Sur l'ensemble des figures, on a représenté en 20 un dispositif de production d'énergie, notamment d'énergie électrique, à partir d'une source de biomasse 22. Par biomasse, on entend l'ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources d'énergie. Le dispositif 20 de production d'énergie comprend d'une part, une premier train d'arbres 24 comprenant au moins un arbre tournant sur lequel sont montés un compresseur 26 et une première turbine 28, et d'autre part, un premier échangeur 30 comprenant un premier circuit fluidique destiné à un fluide dit moteur, comprimé préalablement par le compresseur 26 et détendu dans la première turbine 28. Avantageusement, le fluide moteur est l'air ambiant qui peut être filtré au préalable. Pour la suite de la description, on entend par turbine un moyen dans lequel un fluide se détend en produisant de l'énergie cinétique. Cette turbine peut avoir 15 différentes configurations. Par train d'arbres, on entend un ou plusieurs arbres liés cinématiquement Par échangeur, on entend un moyen au niveau duquel sont opérés des échanges thermiques entre deux éléments, notamment entre un fluide moteur et des gaz chauds provenant d'une combustion directe ou indirecte de la biomasse. 20 Selon les exemples illustrés, le fluide moteur circule dans un circuit fluidique au niveau de l'échangeur qui est placé dans une veine de gaz chauds. Toutefois, d'autres solutions peuvent être envisagées pour assurer ce transfert thermique. Selon les variantes, les échanges thermiques peuvent être de type statique ou dynamique. 25 A titre d'exemple, dans le cas d'un échangeur statique, des tubes, des plaques et/ou des structures alvéolaires sont agencés pour faciliter les échanges thermiques entre les deux flux de fluides qui sont parfaitement étanches entre eux. A titre d'exemple, dans le cas d'un échangeur dynamique, on peut utiliser une structure alvéolaire en forme de disque de préférence en céramique qui tourne sur lui-même. Le flux de gaz chauds charge un secteur du disque qui accumule la chaleur au niveau de sa structure alvéolaire alors que le flux du fluide moteur à chauffer se charge thermiquement au contact de la structure alvéolaire d'un autre secteur du disque préalablement chauffé. Les échangeurs dynamiques ont des encombrements plus réduits à rendement identique. Par combustion directe de la biomasse, on entend que la biomasse subit une réaction chimique d'oxydation. A titre d'exemple, des copeaux de bois peuvent être brûlés dans une chambre de combustion pour générer des gaz chauds. Par combustion indirecte de la biomasse, on entend que la biomasse subit une première réaction, par exemple une gazéification, à savoir une transformation d'un combustible solide en un combustible gazeux, ou une méthanisation, à savoir une dégradation de la matière organique, de manière à produire des gaz qui sont en suivant brûlés pour produire des gaz chauds. Selon l'exemple illustré sur la figure 1 et donné à titre d'exemple, la biomasse peut être gazéifiée dans un gazéificateur associé à un cyclone. Selon l'invention, les caractéristiques du compresseur 26, de la turbine 28 et/ou de l'échangeur 30 sont déterminées de manière à ne pas générer d'énergie résiduelle. Ainsi, la turbine 28 délivre au niveau de l'arbre tournant seulement l'énergie cinétique nécessaire au compresseur 26. Le dispositif de production de l'énergie comprend un second train d'arbres 32 comprenant au moins un arbre sur lequel sont montés une seconde turbine 34 et des moyens de conversion 36 de l'énergie cinétique en énergie électrique ou autre. Selon l'invention, le fluide moteur utilisé dans la seconde turbine est le même fluide moteur ayant traversé au moins le compresseur 26. Selon un mode de réalisation, les moyens de conversion 36 se présentent sous la forme d'un génératrice de courant. Selon les exemples illustrés, le second train d'arbres 32 peut comprendre au moins deux arbres, un premier arbre relié à la seconde turbine 34, un second arbre relié aux moyens de conversion 36, les deux arbres étant reliés par des moyens d'accouplement. Selon l'invention, le fluide moteur traverse, préalablement à son introduction dans la seconde turbine 34, au moins un échangeur comprenant un circuit fluidique destiné au fluide dit moteur. Selon un premier mode de réalisation dit montage en série, représenté sur les 10 figures 1 à 3, le fluide moteur est introduit dans la seconde turbine 34 après avoir traversé la première turbine 28. Dans ce cas, le fluide moteur traverse un second échangeur 38 placé entre la première turbine 28 et la seconde turbine 34. Selon d'autres modes de réalisation dit montage en parallèle, représentés sur les 15 figures 5 et 6, le fluide moteur est introduit dans la seconde turbine 34 après son passage dans le compresseur 26 sans traverser au préalable la première turbine 28. Selon une première variante illustrée sur la figure 5, le fluide moteur est introduit dans la seconde turbine après avoir traversé le premier échangeur 30. 20 bans ce cas, le fluide moteur non utilisé par la première turbine 28 est détendu dans la seconde turbine 34 sous les mêmes conditions que la première turbine. Selon un mode de réalisation, la seconde turbine 34 est reliée au premier échangeur 30 et des moyens de régulation des flux sont prévus à la sortie du premier échangeur afin d'ajuster le flux du fluide moteur orienté vers chacune 25 des deux turbines. Cette solution a pour avantage de ne prévoir qu'une seule chambre de combustion et un seul échangeur. Selon une autre variante illustrée sur la figure 6, le fluide moteur est introduit dans la seconde turbine après avoir traversé un second échangeur disposé en série avec le premier échangeur. Dans ce cas, le fluide moteur non utilisé par la première turbine 28 est détendu dans la seconde turbine 34 à la même pression mais à une température plus élevée. Cette variante est préférée à la variante illustrée sur la figure 5 car elle permet de différencier les températures du fluide moteur à l'entrée des turbines 28 et 34, et d'optimiser ainsi le fonctionnement des deux turbines et d'améliorer le rendement. Selon les cas, le dispositif de production d'énergie peut comprendre une seule chambre de combustion 40 comme illustré sur la figure 5 ou deux chambres 40, 40' de combustion, une pour le premier échangeur 30 et une autre pour le second échangeur 38. Selon un mode de réalisation, le fluide moteur sortant de la première turbine 28 et/ou de la seconde turbine 34 peut être utilisé pour préchauffer le combustible dans au moins une des chambres de combustion pour améliorer le rendement de la combustion. Cette configuration permet d'augmenter significativement le rendement de l'ensemble car la chaleur du fluide moteur utilisé comme comburant permet 20 d'augmenter le pouvoir calorifique de la combustion. Avantageusement, le comburant utilisé dans au moins une des chambres de combustion est le fluide moteur sortant d'au moins une turbine 28 et/ou 34. Selon un mode de réalisation illustré en détails sur la figure 2, le fluide moteur, à savoir l'air ambiant, pénètre dans le compresseur 26, via par exemple un 25 silencieux, puis traverse successivement le premier échangeur 30, la première turbine 28, le second échangeur 38 et la seconde turbine 34. A la sortie de cette turbine, le fluide moteur est utilisé comme comburant et forme avec les produits de la combustion une veine de gaz chauds canalisée dans un conduit 42 comprenant successivement une première zone correspondant à une chambre de combustion 40' dans laquelle sont prévus des moyens 44 d'injection du combustible, une deuxième zone dans laquelle est placé le circuit fluidique du second échangeur 38, une troisième zone correspondant à une chambre de combustion 40 dans laquelle sont prévus des moyens 44 d'injection du combustible et une quatrième zone dans laquelle est placé le circuit fluidique du premier échangeur 30. Selon une amélioration, le fluide moteur avant d'être rejeté dans l'atmosphère peut être utilisé comme source de chaleur dans un troisième échangeur 46 comprenant un circuit fluidique prévu pour un autre fluide de manière à produire par cogénération de l'énergie thermique. Selon un mode de réalisation, les chambres à combustion comprennent un brûleur de type à veine d'air. Le combustible, sous forme gazeuse, est introduit dans des rampes vers des injecteurs. Le comburant, le fluide moteur saturé en oxygène, est introduit en tourbillon tangentiel par un dispositif conçu pour assurer la stabilité de la flamme. L'expansion de la flamme, volontairement courte, se réalise dans un conduit adjacent qui constitue la chambre de combustion et qui relie le brûleur à un échangeur. Selon un autre mode de réalisation, on peut utiliser un brûleur pour tube à feu en matériau réfractaire. Dans ce cas, le brûleur peut être complété par une rampe de distribution pour un combustible liquide et un flux auxiliaire de pulvérisation. Ainsi la combustion peut être mixte ou alternative selon la disponibilité du combustible. De préférence, l'échappement des gaz chauds est repris par un ventilateur de tirage qui assure une dépression de la sortie de la seconde turbine à l'échappement. Cette dépression simplifie le fonctionnement avec les gaz combustibles qui peuvent être utilisés sans être préalablement comprimés ou refroidis. Le principe de fonctionnement est maintenant décrit aux regards des figures 3 à 6. Le point référencé 1 correspond à l'entrée du compresseur 26. A ce niveau, l'air ambiant qui va être utilisé comme fluide moteur est à une température Ti (température ambiante) et à une pression P1 (pression atmosphérique). Au point 2 correspondant à la sortie du compresseur 26, le fluide moteur a été comprimé à un faible ratio et réchauffé par la compression. Au point 3 correspondant à la sortie du premier échangeur 30, le fluide moteur a subi une élévation de température. Au point 4 correspondant à la sortie de la première turbine 28, le fluide a subi une détente . Selon l'invention, le travail de détente 3-4 équivaut strictement au travail de compression 1-2. Au point 5 correspondant à l'entrée de la seconde turbine 34, le fluide moteur a subi une élévation de température après avoir traversé un échangeur. Au point 6 correspondant à la sortie de la seconde turbine 34, le fluide moteur a subi une détente. Le travail de détente 5-6 fournit l'énergie mécanique transformable en énergie électrique. Le point 7 correspond à la dilution du fluide moteur avec les produits de combustion dans la première chambre de combustion. La température au point 7 est régulée à une température qui permet de stabiliser au point 5 la température du fluide moteur à une valeur de consigne. Ainsi, la température nécessaire au point 7 (découlant de la combustion) dépend du rendement du second échangeur et de la différence de température entre les points 4 et 5. Au point 8, après avoir traversé le second échangeur, la température des gaz chauds issus de la première combustion a subi une baisse de température. La température au point 8 dépend de la température au point 7, de la différence de températures entre les points 4 et 5 et du rendement du premier échangeur. Ainsi, le travail 7-8 correspond au travail 4-5. Le point 9 correspond à la dilution du fluide moteur avec les produits de combustion dans la seconde chambre de combustion. La température au point 9 est régulée à une température qui permet de stabiliser au point 3 la température du fluide moteur à une valeur de consigne. Ainsi, la température nécessaire au point 9 (découlant de la combustion) dépend du rendement du premier échangeur et de la différence de température entre les points 2 et 3. Au point 10, après avoir traversé le premier échangeur, les gaz chauds issus de la seconde combustion ont subi une baisse de température. La température au point 10 dépend de la température au point 9, de la différence de températures entre les points 2 et 3 et du rendement du premier échangeur. Ainsi, le travail 9-10 correspond au travail 2-3. Le point 11 correspond à la sortie du dispositif. A ce niveau les gaz chauds peuvent avoir subi une baisse de température après avoir traversé un troisième échangeur. Le fait de prévoir deux trains d'arbres et un réchauffage intermédiaire permet d'avoir au niveau de l'entrée de la seconde turbine (point 5) un fluide moteur avec la même température, voire plus élevée, qu'au point 3, donc à la température maximale, et à la même pression qu'au point 4, ce qui se traduit par un travail de détente plus important. Ainsi, cet agencement permet de limiter les élévations de températures dans les turbines. Ainsi, à titre d'exemple, la plage de fonctionnement avec un ratio de compression de 4/1 et une température plafonnée à 700°C équivaut à la plage de fonctionnement avec le même ratio de compression mais des élévations de températures allant jusqu'à 900°C dans une version avec un seul arbre sans réchauffage intermédiaire. Selon un autre avantage découlant de la limitation des élévations de températures, il devient possible de manière rentable et économique de concevoir des installations de production d'énergie à partir de sources intermédiaires de biomasse en utilisant des éléments (compresseur, turbine) utilisés dans d'autres domaines sans avoir besoin de concevoir une turbine spécifique à ce type d'installation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse, comprenant : -un premier train d'arbres (24) auquel sont reliés un compresseur (26) et une première turbine (28), - un premier échangeur (30) assurant les échanges thermiques entre d'une part, un fluide dit moteur comprimé préalablement par ledit compresseur (26) et détendu dans ladite première turbine (28), et d'autre part des gaz chauds issus de la combustion de la biomasse, - un second train d'arbres (32) auquel sont reliés une seconde turbine (34) et des moyens de conversion (36) de l'énergie cinétique en une autre énergie, 10 caractérisé en ce que - le fluide moteur utilisé dans ladite seconde turbine (34) est le même fluide moteur ayant traversé au moins le compresseur (26), - le fluide moteur traverse, préalablement à son introduction dans la seconde turbine (34), au moins un échangeur assurant les échanges thermiques entre 15 ledit fluide moteur et des gaz chauds issus de la combustion de la biomasse. 2. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques du compresseur (26), de la turbine (28) et/ou de l'échangeur (30) sont déterminées de manière à ce que la turbine (28) produit l'énergie correspondant strictement à l'énergie 20 nécessaire au compresseur (26). 3. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide moteur est introduit dans la seconde turbine (34) après avoir traversé la première turbine (28) et en ce qu'un seconde échangeur (38) est placé entre la première turbine (28) et la seconde 25 turbine (34). 4. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide moteur est introduit dans la seconde turbine (34) après son passage dans le compresseur (26) sans traverser au préalable la première turbine (28). 5. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde turbine (34) est relié au premier échangeur (30) et des moyens de régulation des flux sont prévus à la sortie du premier échangeur (30) afin d'ajuster le flux du fluide moteur orienté vers chacune des deux turbines. 6. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde turbine (34) est relié à un second échangeur disposé en série avec le premier échangeur (30). 7. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide moteur sortant d'au moins une turbine (28, 34) est utilisé comme comburant dans au moins une chambre de combustion. 8. Dispositif de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit (42) comprenant successivement une première zone correspondant à une chambre de combustion (40') dans laquelle sont prévus des moyens (44) d'injection du combustible, une deuxième zone dans laquelle est placé le circuit fluidique du second échangeur (38), une troisième zone correspondant à une chambre de combustion (40) dans laquelle sont prévus des moyens (44) d'injection du combustible et une quatrième zone dans laquelle est placé le circuit fluidique du premier échangeur (30). 9. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour assurer une dépression dans le conduit (42). 10. Dispositif de production d'énergie à partir de biomasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les échangeurs sont de type dynamique.