Brevet FR2938003A1 — publié le 20100507

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ELECTRICITE EN UTILISANT DE L'ENERGIE THERMIQUE A PARTIR D'UNE SOURCE CHAUDE, D'UNE SOURCE FROIDE ET D'UN GAZ MOTEUR. La présente invention se rapporte à un procédé de création d'électricité en transformant de l'énergie thermique à partir d'un niveau minimum à 80 à 100 degrés centigrades avec une source froide réalisée à l'aide de la possibilité d'adsorption des zéolithes. Un tel procédé peut donc être mis en oeuvre à partir de déchets thermiques utilisés pour le fonctionnement des zéolithes ainsi que pour le réchauffage d'un gaz moteur. Cette 10 énergie peut provenir, de centrale électrique, de capteur solaire avec des concentrateurs simples ou toutes autres formes d'énergie thermique dégradée. On connaît d'après FR 2489 101 un procédé de refroidissement et son dispositif utilisant le couple zéolithe ùeau en absence de gaz non condensables comme un procédé de refroidissement limité dans l'obtention de basse température. On connaît d'après WO 2004/111556 Al un procédé et dispositif notamment pour la liquéfaction d'un gaz permettant d'obtenir des basses températures en utilisant plusieurs gaz dans une cascade assurant successivement la liquéfaction au environ de la pression atmosphérique et son évaporation assurée par la zéolithe en absence de gaz non condensables à la température recherchée. On connaît comme moteur rotatif les turbines classiques ainsi que d'après FR 350 036, le "Moteur rotatif' de Léon CREUX, les deux systèmes, et d'autres, permettant de transformer en mouvement rotatif une différence de pression occasionnée par une différence de température entre une source chaude et une source froide. 25 On connaît le second principe de la thermodynamique dont la seconde partie du principe de Carnot s'établit suivant le théorème suivant: " Dans toute machine thermique fonctionnant entre deux températures fixes, le rendement maximum que l'on peut obtenir de cette machine est indépendant de la nature du corps qui subit la transformation, et ne dépend que des températures des sources chaudes(T2) et 30 froide(T1. Le rendement théorique R est donné par la relation R = (T2 ù Ti) / T2 ". On connaît aussi la technologie du coulis de glace, procédé pouvant permettre de transporter plus de trente pour cent de la chaleur de changement d'état de l'eau à une température inférieure à moins trente degrés centigrades. L'invention permet la fabrication d'électricité à partir d'énergie dégradée 35 jusqu'à une température de 80 à 100 degrés centigrades. Elle permet aussi la création 15 20 d'énergie électrique à partir d'énergie solaire avec un meilleur rendement que la conversion directe par dispositifs semi-conducteurs. Ce procédé ne semble pas avoir de problème de taille d'installation. L'énergie thermique nécessaire au fonctionnement étant gratuite car inutilisable sans ce procédé permet un prix de revient réel très faible. On entend par source chaude ou source thermique différente forme d'énergie dégradée par exemple des résidus thermiques à la sortie des turbines et échangeurs d'une centrale électrique thermique, d'une cimenterie, l'échappement d'un moteur à explosions, la combustion de biomasse et de déchets urbains. Cette source chaude sera aussi composée, pour les installations dépassant la centaine de kW, d'un échangeur utilisant les résidus thermiques obtenus dans les deux étages d'adsorption assurant le refroidissement des deux étages de la source froide. On entend par gaz moteur le produit pouvant être condensé par la source froide et envoyé par pompe dans l'échangeur chauffé par la source chaude ce qui entraîne une remontée en pression dont la détente jusqu'à la température de la source froide assurera la mise en mouvement des turbines ou moteurs rotatifs. Le circuit du gaz moteur est maintenu à une pression partielle de gaz incondensables, à ces températures, inférieure à 10 millibars. L'invention est l'association de procédés et dispositifs connus qui sont employés ensemble. La synergie des procédés permet d'obtenir des résultats inconnus jusqu'alors. Pour cela, l'invention fournit un procédé de fabrication d'électricité utilisant comme source chaude des déchets thermiques utilisables à partir de cent degrés centigrades. Cette source peut avoir une taille importante, par exemple une centrale thermique électrique nucléaire ou les centrales à combustibles fossiles, solides ou liquides, L'invention vise à fournir aussi de l'électricité en utilisant, pour une petite puissance de quelques kilowatts, des panneaux solaires thermiques à concentrateurs avec tubes sous vide. Ce dernier type d'installation délivre plus de cinq cents watts de chaleur à plus de cent cinquante degré centigrade par heure et par mètre carré de dispositif pendant six à huit heures par jour avec un ensoleillement normal. L'invention vise à fournir en utilisant les sources chaudes à basse température grâce à la détente d'un gaz moteur chauffé par la source chaude et condensé ou refroidi dans un échangeur de chaleur refroidi par la source froide. Cette source froide est entretenue à une température de moins cent à moins cinquante degrés centigrades par un dispositif utilisant de la zéolithe dont la régénération est assurée par la même source chaude que précédemment. Pour atteindre ces températures, on utilise les deux premier étages décrit dans le brevet WO 2004/111556. Une turbine ou un moteur rotatif, mue par le gaz moteur pendant sa détente entraîne une dynamo ou un alternateur produisant l'électricité. Le procédé de production d'électricité permet en limite inférieure l'utilisation d'une source chaude jusqu'à une température pouvant être de 100 degrés centigrades et une source froide maintenue à un maximum de moins 50 degrés centigrades en utilisant les deux premiers étages du dispositif tel que décrit dans le brevet WO 2004 / 111556. La montée en pression du gaz moteur est assurée par l'échangeur chauffé par la source chaude, la détente du gaz moteur entraîne en mouvement soit dans une turbine classique, soit dans un moteur rotatif type CREUX. Cette détente est assurée par la paroi froide de l'échangeur refroidi et maintenu en température de moins cinquante à moins cent degrés par les étages de refroidissement. Ce procédé de production d'électricité qui utilise donc une source chaude jusqu'à une température pouvant être au minimum de 80 degrés centigrades et une source froide maintenue à un maximum de moins 50 degrés centigrades la source froide étant obtenue en deux étages, le premier étage refroidissant l'eau par évaporation sous vide d'air, l'eau étant adsorbée dans une zéolithe le froid produit permet la liquéfaction d'un hydrocarbure en C3, C4, C5, hydrocarbure liquide destiné à être évaporé donc refroidi dans le second étage par adsorption dans un évaporateur-échangeur en absence d'air sur une zéolithe permettant d'obtenir une température inférieure à moins cent degrés centigrades avec une puissance en rapport avec la quantité d'énergie thermique disponible, le procédé utilisant aussi un gaz moteur pouvant être alors préchauffé par l'utilisation des chaleurs d'adsorption et les chaleurs spécifiques dégagées par la réaction exothermique d'adsorption ainsi que la récupération des chaleurs spécifiques dans les adsorbeurs contenant les zéolithes lors des phases de régénération le chauffage final étant assuré par la source chaude objet de l'équipement, la détente du gaz moteur entraînant en rotation soit une turbine classique, soit un moteur rotatif type CREUX, ces deux dispositifs étant choisis en fonction de la puissance thermique disponible et la puissance électrique demandée. Le circuit du gaz moteur est maintenu à une pression partielle de gaz incondensables inférieure à 10 millibars. De manière préférentielle, la source froide pour une température de moins 50 degrés centigrades peut être obtenue et maintenue en température avec un coulis de glace du type eau alcool ou eau glycérols. De manière également préférentielle, l'emploi de zéolithes pour obtenir la source froide, à partir d'une partie de la source chaude, permet de réutiliser une part plus importante que la chaleur utilisée pour la réutiliser pour le préchauffage du gaz moteur. Préférentiellement aussi, le maintien en température de la source froide en permanence permet de répondre à une demande de puissance instantanée si la source chaude est disponible. Selon un mode particulier de l'invention, le mode de régulation comporte une mesure de pression totale des évaporateurs- échangeurs 4 ou 8 assurant la température des fluides utilisés en 4 et 8 et une mesure de pression entre 4 et 1 et 8 et 9 assurant une pression totale plus faible dans les adsorbeurs correspondants que dans les évaporateurs. Selon un autre mode particulier de l'invention, une différence de pression entre les échangeurs-évaporateurs utilisés ne peut être compensée par la vanne,celle-ci indique que la zéolithe de l'adsorbeur se sature et qu'il faut procéder au changement d'adsorbeurs et réaliser une régénération de la zéolithe. La présente invention concerne également un dispositif tel que l'énergie thermique est fournie par des sources diverses, continue ou non, la demande de puissance électrique étant non constante, tous les dispositifs pourront être maintenus en "prêts à l'emploi" en maintenant l'échangeur 10 froid et l'échangeur 13 en température, les vannes resteront fermées jusqu'à l'instant de la demande de puissance, le délai de mise en production est le même que pour les barrages hydrauliques. De manière avantageuse, le dispositif de production d'électricité comporte pour obtenir la basse température un premier étage comprenant un évaporateur-échangeur , au moins un ou plusieurs adsorbeurs, un condenseur, un receveur pour l'eau condensée et eau-glycollée ou eau alcools si une température de moins cinquante degrés centigrades est souhaitée dans un fluide circulant en, ledit fluide est envoyé par pompe dans le receveur pour liquéfier un hydrocarbure en C3,C4,C5 du second étage, ou autre gaz liquéfiable de façon à être introduit, en contrôlant le débit, à l'état liquide dans un évaporateur- échangeur pompé par l'ensemble adsorbeur, l'échangeur placé à la base d'un autre évaporateur peut être alors amené à une température de moins cent degrés centigrades, ce fluide froid de l'évaporateur-échangeur va refroidir la source froide constituée par l'échangeur du sous-ensemble produisant le mouvement qui permet de produire l'électricité en utilisant la détente d'un gaz moteur pour transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique qui sera à son tour transformée en énergie électrique, le fluide moteur de ce sous-ensemble doit être réchauffé dans l'échangeur par la source extérieure qui assure aussi le chauffage pour le recyclage des zéolithes contenues dans les adsorbeurs, le fluide monte en pression pour entraîner pendant la détente les turbines ou moteurs rotatifs. Le procédé de l'invention est également caractérisé en ce qu'un échangeur comporte deux étapes, la première étape de chauffage du fluide moteur utilise les déchets thermiques pouvant être récupérés dans les adsorbeurs les condenseurs des étages permettant de réaliser la source froide, la seconde étape du chauffage du fluide moteur étant l'utilisation directe de l'énergie thermique de la source chaude utilisée. Le procédé de production d'électricité peut être comme système moteur pouvant créer un mouvement rotatif pour tout usage mécanique. Enfin, selon l'invention, l'hydrocarbure en C3,C4,C5 peut être choisi parmi les butanes. L'invention sera bien comprise avec la description d'un de ses dispositifs, le plus simple possible, avec lequel est réalisé la mise en oeuvre du procédé. Cette description n'est pas limitative, l'homme de l'art pourra faire varier les annexes sans changer le but du procédé. D'une façon générale les différentes zéolithes sélectionnées pour leur taille de porosité, seront utilisées dans les adsorbeurs. Dans la figure 1 est représenté une installation travaillant sur un mode séquentiel. Si la demande est continue, il sera nécessaire de multiplier les adsorbeurs qui, pour des raisons d'équilibre des alimentations seront souvent aux nombres de quatre. La source froide est réalisée en deux étages d'adsorption le premier étage assure la production de froid dans un échangeur-évaporateur 4 en utilisant soit la technologie des coulis de glace soit la pulvérisation de glace sur la partie échangeur interne destiné à transférer le froid ainsi créé vers le receveur de butane liquide du second étage frigorifique. Le refroidissement de l'eau ou du coulis de glace est réalisé par adsorption dans la zéolithe contenue dans l'adsorbeur 1. La régulation de température dans l'échangeur 4 est réalisée par la vanne placée entre les deux enceintes 1 et 4. La régulation est obtenue en maintenant une pression totale dans l'échangeur 4 plus haute que dans l'adsorbeur 1. Dans le cas d'utilisation de plusieurs adsorbeurs pour obtenir un fonctionnement continu, une remontée de pression dans l'adsorbeur conduisant à l'impossibilité de maintenir une pression plus faible dans l'adsorbeur en fonctionnement est l'indication de la nécessité de changement d'adsorbeur, pour un système fonctionnant avec un seul adsorbeur, la remontée de pression détermine l'arrêt pour effectuer une régénération. Le même principe sera employé pour la régulation de température du deuxième étage entre l'échangeur du butane 8 et l'adsorbeur 9. Lors de la régénération de la zéolithe, la vapeur d'eau émise par la zéolithe est condensée dans le condenseur 2 et stockée dans le receveur 3. Les vannes, les pompes à vide, les canalisations auxiliaires ne sont pas représentées pour simplifier la compréhension du procédé. La canalisation 5 comporte une pompe de circulation pour le transfert du fluide caloporteur destiné à condenser l'hydrocarbure utilisé dans le receveur 6. Cet hydrocarbure, souvent un butane, lors de la régénération de l'adsorbeur 9 est en premier refroidis à la température ambiante dans l'échangeur 7 il sera ensuite condensé dans le receveur 6. Cet hydrocarbure liquide sera, lors de la mise en marche de l'installation, introduit dans l'échangeur-évaporateur 8. Le liquide sera refroidit à moins cinquante ou jusqu'à moins cent degrés centigrades. Ce liquide refroidi alimente la surface froide du condenseur du gaz moteur 10 de la partie production d'électricité. Dans cette partie de la figure 1 ne sont pas représentés les deux, trois ou quatre adsorbeurs de chaque étage, ainsi que les vannes, canalisations, et les pompes à vide destinées à maintenir une pression partielle des gaz non condensables (la plupart des gaz de l'air) inférieure à la pression nécessaire pour permettre une circulation libre des gaz utiles au procédé. Tous ces sous-ensembles sont décrits et expliqués entre autre dans les textes du FR 2489101 et du WO 2004/111556A1 et sont donc à la disposition de l'homme de l'art. La seconde partie de la description est celle de la partie production de l'électricité. Nous ne décrirons pas les alternateurs ou les dynamos ils sont parfaitement définis et existent dans le commerce. Un échangeur 13 est maintenu en température par la source chaude à partir de laquelle on veut produire de l'électricité, cet échangeur 13 sera une enceinte résistant à la pression suivant le type d'hydrocarbure devant circuler comme gaz moteur. Cet échangeur 13 sera mis en communication avec la turbine 14 ou un moteur rotatif, qui fourniront l'un ou l'autre le mouvement rotatif entraînant l'alternateur ou la dynamo. En fonction de la quantité, et du niveau de l'énergie disponible de la source chaude on utilise un réchauffeur 15 placé en amont d'une seconde turbine 16 fournissant aussi un mouvement rotatif. La détente est alors assurée par la différence de température entre l'échangeur 13 et l'échangeur 10. La pompe 12 assure le transfert de l'hydrocarbure condensé dans l'échangeur 10 à travers une canalisation munie d'un clapet anti-retour 11. Pour la plupart des applications le fluide moteur sera un C4 de la famille des butanes, propane, pentane, hexane ou un hydrocarbure en C3, C4, C5, choisi pour être liquide à moins cent degrés centigrades, et pour être gazeux au-dessus de cinquante degrés centigrades. Le rendement théorique de cet ensemble suivant le second principe de la thermodynamique quelque soit la quantité d'énergie thermique dont on dispose est de: Pour la gamme + 100 °C à - 50 °C R= 0,40 + 100 - 100 R= 0,53 + 200 - 50 R= 0,53 + 200 - 100 R= 0,63 + 300 - 100 R = 0,70 Malgré la densité du gaz moteur, il faut compter sur une perte globale de 25 %, pertes dues aux frottements, et pertes calorifiques. Il faut noter un rendement global supérieur à celui obtenu dans les capteurs solaires silicium. Le mode de fonctionnement est le suivant, les adsorbeurs étant régénérés, on lance la mise en froid permanent de l'étage eau. Quand la température de moins 30°C est atteinte dans l'évaporateur échangeur 4, on met en route la liquéfaction du butane L'évaporation du butane liquide injecté dans l'évaporateur de butane 8 permet d'atteindre une température de moins 50 ou moins 100 degrés centigrades suivant la demande dans l'échangeur 10. La pompe 12 est alors mise en marche ainsi que le chauffage dans l'échangeur 13. Est assuré alors le chauffage de l'hydrocarbure permettant la détente entre les échangeurs 13 et 10 entraînant ainsi les moteurs rotatifs ou les turbines 14 et 16. Si l'on dispose d'énergie permanente et gratuite, il est possible avec un ensemble prévu pour un service continu de maintenir les sources froides en marche permanente et de pouvoir ainsi répondre instantanément à une demande de puissance électrique. Figure 1 unique 35 5 10 15 20 25 30 REVENDICATIONS1/ Procédé de production d'électricité caractérisé en ce qu'il utilise : une source chaude jusqu'à une température pouvant être au minimum de 80 degrés centigrades, une source froide maintenue à un maximum de moins 50 degrés centigrades, la source froide étant obtenue en deux étages, le premier étage refroidissant l'eau par évaporation et adsorption sous vide d'air dans une zéolithe, le froid ainsi produit servant à la liquéfaction d'un hydrocarbure des groupes propanes, butanes ou pentanes, hydrocarbure liquide destiné à être évaporé donc refroidi dans le second étage par adsorption en absence d'air sur une zéolithe permettant d'obtenir une température inférieure de moins cent à moins cinquante degrés centigrades dans l'évaporateur-échangeur (8) avec une puissance en rapport avec la quantité d'énergie thermique disponible, un gaz moteur pouvant être alors préchauffé par l'utilisation des chaleurs d'adsorption et les chaleurs spécifiques dégagées par la réaction exothermique d'adsorption ainsi que la récupération des chaleurs spécifiques dans les adsorbeurs contenant les zéolithes lors des phases de régénération le chauffage final étant assuré par la source chaude objet de l'équipement, la détente du gaz moteur entraînant en rotation soit une turbine classique, soit un moteur rotatif type CREUX, ces deux dispositifs étant choisis en fonction de la puissance thermique disponible et la puissance électrique demandée. 2/ Procédé de production d'électricité selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source froide pour une température de moins 50 degrés centigrades peut être obtenue et maintenue en température avec un coulis de glace du type eau alcool ou eau glycérols. 3/ Procédé de production d'électricité selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'emploi de zéolithes pour obtenir la source froide, à partir d'une partie de la source chaude, permet de réutiliser une part plus importante que la chaleur utilisée pour la réutiliser pour le préchauffage du gaz moteur. 10 15 20 25 30 354/ Procédé de production d'électricité caractérisé selon la revendication 1, 2 ou 3 en ce que le maintien en température de la source froide en permanence permet de répondre à une demande de puissance instantanée si la source chaude est disponible. 5/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le mode de régulation comporte une mesure de pression totale des évaporateurs-échangeurs (4) ou (8) assurant la température des fluides utilisés en (4) et (8) et une mesure de pression entre (4 et 1) et (8 et 9) assurant une pression totale plus faible dans les adsorbeurs correspondants que dans les évaporateurs 6/ Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que si une différence de pression entre (4 et 1) ou (8 et 9) ne peut être compensée par la vanne,celle-ci indique que la zéolithe de l'adsorbeur se sature et qu'il faut procéder au changement d'adsorbeurs et réaliser une régénération de la zéolithe. 7/ Dispositif de production d'électricité mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'énergie thermique est fournie par des sources diverses, continue ou non, la demande de puissance électrique étant non constante, tous les dispositifs pourront être maintenus en "prêts à l'emploi" en maintenant l'échangeur (10) froid et l'échangeur (13) en température du sous-ensemble produisant le mouvement, les vannes resteront fermées jusqu'à l'instant de la demande de puissance, le délai de mise en production est le même que pour les barrages hydrauliques. 8/ Dispositif de production d'électricité mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte pour obtenir la basse température un premier étage comprenant un évaporateur-échangeur (4), au moins un ou plusieurs adsorbeurs (1), un condenseur (2), un receveur (3) pour l'eau condensée et eauglycollée ou eau alcools si une température de moins cinquante degrés centigrades est souhaitée dans un fluide circulant en (5), ledit fluide est envoyé par pompe dans le receveur (6) pour liquéfier un hydrocarbure des groupes propanes, butanes ou pentanes du second étage, ou autre gaz liquéfiable de façon à être introduit, en contrôlant le débit, à l'état liquide dans l'évaporateur- échangeur (8) pompé par l'ensemble adsorbeur (9), l'échangeur placé à la base de l'évaporateur (8) peut être alors amené à une température de moins cent degrés centigrades, ce fluide froid de l'évaporateur- 10 15échangeur (8) va refroidir la source froide constituée par l'échangeur (10) du sous-ensemble produisant le mouvement qui permet de produire l'électricité en utilisant la détente d'un gaz moteur pour transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique qui sera à son tour transformée en énergie électrique, le fluide moteur de ce sous-ensemble doit être réchauffé dans l'échangeur (13) par la source extérieure qui assure aussi le chauffage pour le recyclage des zéolithes contenues dans les adsorbeurs, le fluide monte en pression pour entraîner pendant la détente les turbines ou moteurs rotatifs (14) et (16). 9 / Dispositif de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications Tou 8 caractérisé en ce que l'échangeur (13) comporte deux étapes, la première étape de chauffage du fluide moteur utilise les déchets thermiques pouvant être récupérés dans les adsorbeurs (1) et (9) les condenseurs (2) et (7) des étages permettant de réaliser la source froide, la seconde étape du chauffage du fluide moteur étant l'utilisation directe de l'énergie thermique de la source chaude utilisée. 10 / Dispositif de production d'électricité selon la revendication 8 ou la revendication 9 lorsqu'elle dépend de la revendication 8 caractérisé en ce que l'hydrocarbure des groupes propanes, butanes ou pentanes, est choisi parmi les butanes. 20 25 30 35