Brevet FR2976317A1 — publié le 20121214

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un système de production d'électricité utilisant la source froide d'un terminal méthanier. De façon plus particulière, l'invention concerne un système de 10 production d'électricité utilisant une source froide d'un terminal méthanier de regazéification de gaz naturel liquéfié, comprenant un dispositif de conduite de gaz naturel liquéfié basse pression de ladite source froide, un dispositif de pompage dudit gaz naturel liquéfié basse pression pour délivrer du gaz naturel liquéfié haute pression, un dispositif de 15 vaporisation du gaz naturel liquéfié haute pression par échange de chaleur avec un fluide d'une source chaude disponible à proximité du terminal méthanier, un dispositif de collecte du gaz haute pression délivré par le dispositif de vaporisation pour approvisionner en gaz d'émission un réseau de transport et de distribution de gaz, et un système de récupération 20 d'énergie à cycle de Rankine ouvert comprenant au moins ledit dispositif de vaporisation, un dispositif de prélèvement d'une partie recyclée du gaz haute pression, une turbine pour détendre ladite partie recyclée et produire de l'électricité dans un réseau électrique à l'aide d'un générateur entraîné par ladite turbine et un échangeur de chaleur comprenant une 25 entrée de fluide chaud et une entrée de fluide froid et configuré pour condenser ladite partie recyclée fournie en sortie de la turbine et introduite dans ladite entrée de fluide chaud par échange de chaleur avec du gaz naturel liquéfié haute pression introduit dans ladite entrée de fluide froid. 30 L'invention concerne ainsi d'une manière générale l'optimisation énergétique des sites industriels, et notamment la génération d'électricité et dans ce cadre a trait plus particulièrement à l'installation d'un cycle de Rankine sur des terminaux méthaniers, 35 Art antérieur On rappelle que le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique de production électrique à partir d'une source chaude 5 et d'une source froide. La figure 2 représente le schéma de principe de la valorisation d'une source d'énergie (chaude ou froide) par cycle de Rankine dans le cas d'un cycle de Rankine fermé. Dans ce cycle de Rankine fermé 9, on trouve typiquement une 10 source chaude 1, qui peut être par exemple de l'eau de mer à une température qui peut être par exemple comprise entre environ 5°C et 25°C, ou encore un autre type de fluide constitué par exemple par des gaz d'échappement d'une turbine à gaz ou autre système de combustion ou encore par de la vapeur basse pression. Le cycle de Rankine 9 comprend 15 également une source froide 2 qui, dans le contexte de la présente invention, comprend du gaz naturel liquéfié (GNL) se trouvant à une température inférieure à son point d'ébullition situé à -160°C. Dans un cycle de Rankine fermé 9 tel que celui représenté sur la figure 2, un fluide de travail 8, qui peut être par exemple de l'éthane ou 20 du propane, circule dans un circuit fermé 5 en étant pompé par une pompe 6 pour être vaporisé dans un vaporiseur 3 au contact de la source chaude 1, puis détendu dans une turbine 7 couplée à un dispositif de production d'énergie électrique, avant d'être condensé dans un condenseur 4 au contact de la source froide 2. L'énergie électrique 25 produite lors de la détente dans la turbine 7 est supérieure à celle nécessaire pour pomper le fluide 8. La figure 3 représente d'une façon schématique une partie d'un terminal méthanier 10 comprenant une entrée 11 de GNL basse pression (BP) provenant de navires méthaniers ou de réservoirs de stockage situés 30 au voisinage du terminal méthanier, des pompes haute pression (HP) 12 destinées à transformer le GNL basse pression en GNL haute pression à la sortie 13 des pompes HP 12 et un vaporiseur 14, qui est typiquement constitué par un échangeur de chaleur avec de 1 eau de mer, pour preluiie à le mitre 15 du `IcIpHti',CM 1 1 :H Hd haute pression ,IiI reine 2 Dans un terminal méthanier, on dispose ainsi d'une importante source froide (le GNL) et l'eau de mer, ou de l'eau de rivière ou de l'eau utilisée dans un processus au voisinage du terminal peut jouer le rôle de source chaude. Dans une démarche d'optimisation énergétique des terminaux méthaniers, on a déjà cherché à récupérer les frigories du GNL qui constituent de l'énergie inutilisée. En mettant en oeuvre un cycle de Rankine dans un terminal méthanier, il a ainsi déjà été possible de produire jusqu'à 5 MW d'électricité, ce qui constitue environ 75% des besoins électriques d'un tel terminal, sans émission de gaz à effet de serre ou autres gaz polluants. La mise en oeuvre d'un cycle de Rankine fermé, tel que celui décrit en référence à la figure 2, est effective sur plusieurs terminaux méthaniers. Ce type de solution nécessite toutefois l'introduction sur le terminal d'un fluide organique de Rankine, par exemple de type éthane ou propane, ce qui peut s'avérer problématique d'un point de vue des études de dangers, notamment par rapport au risque de B.L.E.V.E. On rappelle que le B.L.E.V.E. (de l'expression anglaise « Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion » ou ébullition-explosion) désigne un type d'explosion pouvant survenir sur des réservoirs contenant des liquides (aussi bien de l'eau que du propane ou autre) sous pression à une température supérieure à une limite de surchauffe, qui, suite à une décompression rapide (par rupture du réservoir par exemple), sont le siège d'une ébullition extrêmement violente avec expansion de la vapeur formée. Il a par ailleurs été proposé dans le document EP 1888883 BI de mettre en oeuvre un cycle de Rankine ouvert dans un terminal méthanier, c'est-à-dire d'utiliser le GNL lui-même pour la production d'électricité. Un mode de réalisation d'une installation 50 proposée par le document EP 1888883 BI est illustré de façon schématique sur la figure 4. Du GNL basse pression est fourni par un dispositif d'alimentation 21 à des pompes HP 22 pour produire sur une ligne 23 du GNL haute pression qui traverse un échangeur de chaleur 24 pour être appliqué par une ligne 25 à n mélangeur 6 qui LlTimente une ligne 27 transportant le CNL HP vers un al onneur 30 1s Itu`_' p Lmf)f,, d'an ( haî-lueur d,,' Chaleur _3,e (J~' 1 Il 'Ilr lllnl III , sur une ligne 42 pouvant alimenter un réseau de transport et de distribution et d'autre part une partie recyclée du gaz d'émission, sur une ligne 43 alimentant une turbine 44 dans laquelle la partie recyclée du gaz d'émission est détendue. Lors de cette détente, de l'électricité est produite et récupérée via un alternateur 49 entraîné par la turbine 44 pour alimenter un réseau électrique 51. Le gaz en sortie de la turbine 44 peut déjà contenir une fraction liquide minoritaire, mais est transféré par une ligne 45 vers l'échangeur de chaleur 24 pour être complètement condensé par l'échange de chaleur avec le GNL HP qui circule également dans cet échangeur 24. La partie recyclée condensée dans l'échangeur 24 est transférée par une ligne 46 à une ou plusieurs pompes HP 47 dédiées à cette partie recyclée pour fournir sur une ligne 48 une partie recyclée de GNL à une haute pression compatible avec celle du GNL haute pression circulant dans la ligne principale 23 de manière à permettre un mélange dans le mélangeur 26 entre le flux principal de GNL HP issu de l'échangeur 24 dans la ligne 25 et la partie recyclée de GNL HP transportée par la ligne 48. Une telle installation présente des avantages mais implique également des surcoûts et n'est pas optimisée en ce qui concerne la production électrique. Objet et description succincte de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre d'améliorer l'optimisation énergétique des terminaux méthaniers tout en simplifiant la mise en oeuvre d'un cycle de Rankine au sein de tels terminaux. Ces buts sont atteints grâce à un système de production d'électricité utilisant une source froide d'un terminal méthanier de regazéification de gaz nature( liquéfié, comprenant un dispositif de conduite de gaz naturel liquéfié basse pression de ladite source froide, un dispositif de pompage dudit gaz nature! liquéfié basse pression pour délivrer du gaz naturel liquéfié haute pression, un dispositif de vaporisation du gaz naturel liquéfié haute pression par échange de chaleur un fluide d'une source chaude disponible à prn,imité du terminal35 de transport et de distribution de gaz, et un système de récupération d'énergie à cycle de Rankine ouvert comprenant au moins ledit dispositif de vaporisation, un dispositif de prélèvement d'une partie recyclée du gaz haute pression, une turbine pour détendre ladite partie recyclée et produire de l'électricité dans un réseau électrique à l'aide d'un générateur entraîné par ladite turbine et un échangeur de chaleur comprenant une entrée de fluide chaud et une entrée de fluide froid et configuré pour condenser ladite partie recyclée fournie en sortie de la turbine et introduite dans ladite entrée de fluide chaud par échange de chaleur avec du gaz naturel liquéfié haute pression introduit dans ladite entrée de fluide froid, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de réinjection de ladite partie recyclée sortant de l'échangeur de chaleur en amont dudit dispositif de pompage, de sorte que ladite partie recyclée est amenée à retraverser ledit échangeur de chaleur avec l'ensemble du flux de gaz naturel liquéfié haute pression introduit dans ladite entrée de fluide froid et en ce que ledit dispositif de prélèvement d'une partie recyclée du gaz haute pression est configuré de manière à maintenir un rapport compris entre 45 et 55% entre le débit de ladite partie recyclée du gaz haute pression et le débit du gaz haute pression issu du dispositif de collecte et destiné à approvisionner en gaz d'émission un réseau de transport et de distribution. Avantageusement, ledit fluide d'une source chaude disponible à proximité du terminal méthanier est de l'eau de mer, s'il s'agit d'un terminal maritime, ou de l'eau d'un fleuve, s'il s'agit d'un terminal fluvial, mais la source chaude peut également être constituée par tout autre type de source d'eau de processus externe au terminal. Selon une caractéristique particulière, le système de production d'électricité comprend en outre une vanne de détente interposée sur le trajet de la partie recyclée entre l'échangeur de chaleur et le dispositif de réinjection de ladite partie recyclée en amont du dispositif de pompage. Ce mode de réalisation à détente en deux temps, d'une part dans la turbine et d'autre part dans la vanne de détente, permet d'augmenter sensiblement la capacité liquéfaction l' changeur et de maximiser le débit di i pertie mn« Ir, Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique montrant une mise en oeuvre possible du système selon l'invention, - la Figure 2 représente le schéma de principe de la valorisation d'une source d'énergie (chaude ou froide) par cycle de Rankine dans le 10 cas d'un cycle de Rankine fermé, - la Figure 3 représente d'une façon schématique une partie d'un terminal méthanier classique, et - la Figure 4 est une vue schématique d'une installation connue de production d'électricité utilisant la source froide d'un terminal 15 méthanier de regazéification de GNL. Description détaillée de modes particuliers de réalisation Si l'on se reporte à la figure 1, on voit un exemple conforme à 20 l'invention de système de production d'électricité utilisant la source froide d'un terminal méthanier de regazéification de gaz naturel liquéfié, . Le système selon l'invention représenté sur la figure 1 comprend un dispositif 101 de conduite de gaz naturel liquéfié (GNL) basse pression (BP) constituant ladite source froide, un dispositif mélangeur 102 pour 25 ajouter au GNL basse pression issu du dispositif 101 de conduite de GNL une partie recyclée de GNL basse pression fournie par une ligne 117 de manière à délivrer sur une ligne principale 103 un flux total de GNL basse pression qui est introduit dans un dispositif 104 de pompage haute pression dudit flux total de GNL basse pression pour délivrer sur une ligne 30 105 un flux total de GNL haute pression. Le flux total de GNL haute pression circulant dans la ligne 105 est introduit par une entrée de fluide froid dans un échangeur de chaleur puis est conduit par une ligne 107 vers un dispositif 108 de ?pHrI,t-10H Cul vaporise haute échange de chaleur 5 i duo, i iiiii t i Houei 6 vaporiseur 108 et transporté par une ligne 109 est appliqué à un diviseur 110 afin de fournir d'une part, sur une ligne 111, du gaz d'émission haute pression destiné à approvisionner un réseau de transport et de distribution de gaz, et d'autre part, sur une ligne 112, une partie recyclée du gaz haute pression, destinée à alimenter une turbine 113 où ladite partie recyclée est détendue à une pression intermédiaire (MP), afin de maximiser la production d'électricité destinée à un réseau d'alimentation électrique 120 à l'aide d'un générateur 118 entraîné par la turbine 113. La partie recyclée du gaz détendue dans la turbine 113 et pouvant le cas échéant comprendre une fraction liquide minoritaire, est transportée par une ligne 114 vers une entrée de fluide chaud de l'échangeur de chaleur 106 configuré pour condenser ladite partie recyclée par échange de chaleur avec le flux total de GNL haute pression introduit dans l'échangeur de chaleur 106 par l'entrée de fluide froid, comme indiqué plus haut. La partie recyclée condensée sortant de l'échangeur de chaleur 106 est transportée dans une ligne 115 vers une vanne de détente 116, puis, après détente complète jusqu'à la basse pression (BP), est introduite par une ligne 117 dans le mélangeur 102 pour être réintégrée dans le flux total de GNL basse pression circulant dans la ligne 103 en amont du dispositif 104 de pompage haute pression. De la sorte, la partie recyclée est amenée à retraverser l'échangeur de chaleur 106 avec l'ensemble du flux de GNL haute pression introduit dans cet échangeur de chaleur 106 par l'entrée de fluide froid. On notera que la présence de la vanne de laminage 116 permet d'augmenter la capacité de re-liquéfaction de l'échangeur de chaleur 106 et ainsi de maximiser le débit recyclé et donc la production d'électricité par le générateur 118. A titre d'exemple, la vanne de laminage 116 peut être réglée de telle sorte que la chute de pression entre l'amont et l'aval de cette vanne soit de l'ordre d'une dizaine de bar. La partie recyclée après la sortie du vaporiseur 108 constitue le fluide de Rankine pour un cycle de Rankine ouvert comprenant le vaporiseur 108, le dispositif 110, 112 de prélèvement d'une partie recyclée du gaz haute pression, la turbine 11".'i peur détendre partie recyclée 'electricite sur un !escale électrique 120 l'air-1e d un C`I rel iil )irrlin: ]^ 1 ter liane 1;)I-,i p 110 turbine 113 par échange de chaleur avec le flux principal de GNL haute pression circulant dans les lignes 105, 107. De préférence, le dispositif 110, 112 de prélèvement d'une partie recyclée du gaz haute pression est configuré de manière à maintenir un rapport compris entre 45 et 55% entre le débit de la partie recyclée du gaz haute pression et le débit du gaz haute pression issu du dispositif 111 de collecte et destiné à approvisionner en gaz d'émision un réseau de transport et de distribution de gaz. On notera que la partie recyclée est réinjectée par le mélangeur 102 en amont des pompes haute pression 104 qui sont toujours nécessaires, et non pas directement en amont du vaporiseur 108, contrairement au cas d'une installation connue telle que celle représentée sur la figure 4. Selon l'invention, il n'est ainsi pas nécessaire d'implanter de pompes HP supplémentaires dédiées à la partie recyclée et surtout, la production électrique peut être améliorée. En effet, le GNL recyclé passe dans les pompes HP 104 existantes, et donc ensuite dans l'échangeur 106 permettant de condenser le gaz en sortie de la turbine 113. Le débit côté froid de cet échangeur 106 est considérablement augmenté, ce qui augmente la capacité de condensation. Le débit de la partie recyclée peut donc être bien supérieur à celui des installations existantes, ce qui permet réellement l'alimentation d'un réseau électrique indépendant 120, l'électricité produite pouvant ensuite être ou non autoconsommée au sein du terminal 100. Par ailleurs la machine électrique 118 fonctionne exclusivement en générateur et n'a pas besoin d'être associée à des circuits de pilotage complexes. A titre d'exemple, il est présenté ci-dessous une comparaison chiffrée du potentiel énergétique du cycle de Rankine à boucle ouverte tel que proposé selon la présente invention (voir la figure 1) et de celui proposé dans le document EP 1888883 BI (voir la figure 4). Les deux calculs effectués se basent sur les mêmes hypothèses : Mémé conTposition de GNL Même débit d'émission pompe 35 m3/35 Mêmes paramètres opératoires Entrées-Sorties (Température et Pression du gaz d'émission...) Mêmes règles de conception Résultats : Procédé selon Procédé invention connu Partie recyclée (t/h) 302 232 Puissance brute (MW) 10,05 7,72 Puissance alternateur (MW) 9,8 7,47 Puissance supplémentaire 3,97 3,97 (MW) Puissance nette (MW) 5,83 3,5 La puissance brute est la puissance électrique totale fournie par la 10 turbine. Cette puissance mécanique à l'arbre est fonction du volume à recycler. La puissance supplémentaire est la puissance consommée par les équipements du cycle de Rankine. Elle représente donc la puissance nécessaire pour la circulation et la vaporisation de l'excédent de GNL 15 circulant dans la boucle du cycle de Rankine ouvert ( pompes BP, HP et pompe eau de mer dans les cas considérés ici). La puissance alternateur représente la puissance à la sortie de l'alternateur, qui est égale à la puissance brute moins les pertes liées à l'alternateur. 20 La puissance nette représente la puissance à l'alternateur diminuée de !a puissance supplémentaire. On observe une augmentation de la puissance nette de plus de 65% pour la solution technique selon la présente invention qui présente donc une réelle amélioration. De façon plus particulière, on a représenté dans les tableaux 1 et Il 25 ci-dessous des valeurs numériques de différents paramètres en différents points correspondant à urt ceemple comparatif applique respectivement à rnnniirr, ((5hlf..eu n l'inrtilleti ,n )rl des valeurs des paramètres sont données sont identifiés par le numéro de référence utilisé sur la figure 4, respectivement la figure 1. Tableau I Température (°C) 48 : -135,6 23 : -150,8 25 : -94,54 28 : 3,000 43 : 3,000 42 : 3,000 45 : -86,86 46 : -140,0 21 : -155,0 27 : -104,9 Pression (bar) 48 : 90,50 23 : 91 25 : 90,50 28 : 90,00 43 : 90,00 42 : 90,00 45: 15,50 46 : 15,00 21 : 5,000 27 : 90,50 15 Débit massique (tonne/h) 23 : 619,5 25 : 619,5 28 : 851,5 43 : 232,0 42 : 619,5 45 : 232,0 46 232,0 21 : 619,5 Débit réel (m3/h) 20 48 : 548,6 23 : 1394 25 : 1747 28 : 9296 43 : 2533 42 : 6763 45: 31,51 (fraction liquide) 46 : 551,9 21 : 1400 27 : 2278 Tableau II 25 Température (°C) 103 : -151,3 105 : -146,9 107 : -96,42 109 : 3,000 112 : 3,000 111 3,000 114 : -86,86 115 : -144,0 101 : -155,0 117 : -143,7 Pression (bar) 30 103 : 5,000 105 : 91,00 107 : 90,50 109 : 90,00 112 : 90,00 111 90,00 114 : 15,50 115 : 15,00 101 : 5,000 117 : 5,000 Débit massique (tonne/h.) 103: 921,5 105 ; 921,5 .1.07 21,5 109: 921,5 112: 302,0 111 : 35 619,5 101 : 19,5 21 : 619 10 2976317 Il Débit réel (m3/h) 103: 2109 105 : 2099 107 : 2573 112 : 3297 111 : 6763 114: 41,02 (fraction liquide) 115 : 707,7 101 : 1400 117 : 710,5 On notera la mise en oeuvre préférentielle d'une vanne de détente 116 située après la condensation de la partie recyclée dans l'échangeur 106, comme représenté sur la figure 1. La représentation de cette vanne 116 signifie que la détente s'effectue en deux temps : d'abord dans la turbine 113 avant condensation, puis dans cette vanne de détente 116 après condensation. A pression élevée en sortie de la turbine 113 et dans l'échangeur 106, la condensation est facilitée, donc le débit de la partie recyclée pourra être plus important car non limité par la capacité de condensation. En revanche, la détente est dans ce cas un peu moins importante que sans la mise en oeuvre de la vanne 116, mais on peut trouver un optimum de pression pour que la production électrique soit maximisée. La comparaison chiffrée présentée ci-dessus dans les tableaux I et II a pris en compte cet optimum (dans ce cas : 15,5 bar pour la ligne 114 de la figure 1), y compris pour le procédé de la figure 4 (valeur de 15,5 bar pour la ligne 45) reflétant l'art antérieur. Les chiffres présentés (nombre de pompes, rendement, pression optimale ...) dépendent naturellement du terminal méthanier pris en compte et des conditions opératoires du cas traité (débit d'émission en particulier) ne constituent que des exemples.25 REVENDICATIONS1. Système de production d'électricité utilisant une source froide d'un terminal méthanier de regazéification de gaz naturel liquéfié , comprenant un dispositif (101) de conduite de gaz naturel liquéfié basse pression de ladite source froide, un dispositif (104) de pompage dudit gaz naturel liquéfié basse pression pour délivrer du gaz naturel liquéfié haute pression, un dispositif (108) de vaporisation du gaz naturel liquéfié haute pression par échange de chaleur avec un fluide d'une source chaude disponible à proximité du terminal méthanier, un dispositif (111) de collecte du gaz haute pression délivré par le dispositif (108) de vaporisation pour approvisionner en gaz d'émission un réseau de transport et de distribution de gaz, et un système de récupération d'énergie à cycle de Rankine ouvert comprenant au moins ledit dispositif (108) de vaporisation, un dispositif (110, 112) de prélèvement d'une partie recyclée du gaz haute pression, une turbine (113) pour détendre ladite partie recyclée et produire de l'électricité dans un réseau électrique (120) à l'aide d'un générateur (118) entraîné par ladite turbine (113) et un échangeur de chaleur (106) comprenant une entrée de fluide chaud et une entrée de fluide froid et configuré pour condenser ladite partie recyclée fournie en sortie de la turbine (113) et introduite dans ladite entrée de fluide chaud par échange de chaleur avec du gaz naturel liquéfié haute pression introduit dans ladite entrée de fluide froid, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (102) de réinjection de ladite partie recyclée sortant de l'échangeur de chaleur (106) en amont dudit dispositif (104) de pompage, de sorte que ladite partie recyclée est amenée à retraverser ledit échangeur de chaleur (106) avec l'ensemble du flux de gaz naturel liquéfié haute pression introduit dans ladite entrée de fluide froid et en ce que ledit dispositif (110, 112) de prélèvement d'une partie recyclée du gaz haute pression est configuré de manière à maintenir un rapport compris entre 45 et 55% entre le débit de ladite partie recyclée du gaz haute pression et le débit du gaz haute tes' !on Issu du dispositif (111 collecte ,r -etine eppnVHIonner en 1,1 ! ,!,Il (ifl V 1»u1i « elli, il( 2. Système de production d'électricité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une vanne de détente (116) interposée sur le trajet de la partie recyclée entre l'échangeur de chaleur (106) et le dispositif (102) de réinjection de ladite partie recyclée en amont du dispositif de pompage (104). 3. Système de production d'électricité selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit fluide d'une source chaude disponible à proximité du terminal méthanier est de l'eau de mer, de l'eau fluviale ou de l'eau d'un processus externe au terminal.