Brevet FR3024997A1 — publié le 20160226

La présente invention entre dans le domaine de la production simultanée d'énergies, à savoir la cogénération d'énergies thermique et électrique. L'invention concerne particulièrement un dispositif de 5 cogénération, mais également un procédé de génération d'énergie thermique et électrique utilisant ledit dispositif. On notera qu'il existe déjà des dispositifs de cogénération produisant de l'énergie thermique et de l'énergie électrique en valorisant énergiquement de la matière première, 10 par exemple de la biomasse. De manière générale, les dispositifs de cogénération connus présentent des équipements complexes de type chaudière à vapeur reliée à une turbine à vapeur, elle-même connectée à un condenseur et une ou plusieurs pompes de circulation et de 15 pressurisation, le tout formant un circuit fermé communément appelé cycle de Rankine permettant la transformation de l'énergie issue de la matière première. Ces dispositifs présentent comme inconvénient d'être peu flexibles dans leur fonctionnement car ils reposent sur la 20 production de vapeur avec des caractéristiques relativement fixes et une turbine et/ou chaudière à vapeur dont la plage de fonctionnement est à la fois étroite et déterminée dès conception, notamment par un seuil de puissance nominale fonctionnement. Ceci pose problème lorsque le besoin 25 production d'énergie est réduit, très variable, lorsque matière première est de faible qualité énergétique disponible en quantité insuffisante. En conséquence, par manque de possibilité d'ajustement, les dispositifs connus peuvent engendrer une surconsommation, 30 donc une perte d'énergie primaire par rapport à la demande réelle de chaleur et/ou d'électricité. D'autre part la production obtenue est double, à la fois thermique et électrique, et interdépendante : chaque production est dépendante de l'autre et en général une installation est 35 conçue en fonction du besoin de chaleur nominal qui pourra être consommé. S'il est associé à une fonction de chauffage, ce sa de en la ou 3024997 2 besoin de chaleur varie au cours de l'année selon le climat du moment. S'il est associé à une fonction de procédé industriel, ce besoin de chaleur est fixé par ce procédé. Ainsi la production d'énergie électrique sera la conséquence de ce besoin de chaleur et de la conception de l'installation. Avec les dispositifs de Cogénération connus, il est rarement possible d'assurer une production d'énergie électrique défini et régulée librement indépendamment de la production de chaleur. De plus, le dimensionnement du dispositif se fait en prenant d'un besoin de chaleur optimal moyen, qui est lui-même souvent très différent des besoins de chaleurs minimum et maximum. L'ensemble de ces inconvénients, en particulier le manque d'ajustement du dispositif lors de son fonctionnement, impacte le rendement moyen global des dispositifs de cogénération connus et engendre souvent des pertes inutiles de l'énergie produite. Cela implique que des unités dédiées exclusivement à la production d'énergie thermique ou bien d'énergie électrique sont souvent préférées à une unité de cogénération, malgré un rendement théorique largement à l'avantage de l'unité de cogénération. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'état de la technique, en proposant un dispositif de cogénération capable de produire de l'énergie électrique et thermique avec un rendement amélioré, les deux productions étant ajustables et réglables indépendamment l'une de l'autre selon les demandes réelles de ces deux énergies. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de cogénération d'énergies thermique et électrique, ce dispositif 30 1 comportant un circuit principal la comprenant : - des moyens de chauffage d'un fluide principal, lesdits moyens étant conçus pour générer de la vapeur à partir dudit fluide principal; - en sortie desdits moyens de chauffage, une turbine à 35 vapeur approvisionnée par la vapeur générée, ladite turbine activant un équipement mécanique ou un 3024997 3 générateur électrique; - en sortie de ladite turbine, des moyens d'échanges thermiques avec un fluide extérieur circulant dans un réseau extérieur, lesdits moyens d'échanges thermiques 5 libérant en sortie des condensats ; - en sortie desdits moyens d'échanges thermiques, un collecteur de préchauffage et de dégazage desdits condensats ; - en sortie dudit collecteur, des moyens de compression 10 desdits condensats en des condensats pressurisés dit fluide principal liquide remis en pression; - en sortie desdits moyens de compression, lesdits moyens de chauffage du fluide principal approvisionnés en condensats pressurisés ; 15 caractérisé par le fait que ledit dispositif comporte au moins un moyen auxiliaire d'apport calorique audit fluide principal et/ou auxdits condensats et/ou auxdits condensats pressurisés et/ou audit fluide extérieur et/ou audit comburant. La présente invention concerne également un procédé de 20 génération d'énergie thermique et électrique dans lequel: - on chauffe au travers de moyen de chauffage, un fluide principal pour générer de la vapeur, - on approvisionne une turbine à vapeur avec ladite vapeur générée, pour produire de l'énergie électrique ou un 25 travail mécanique et de la vapeur en détente, - on alimente, avec ladite vapeur en détente, des moyens d'échanges thermiques qui libèrent des condensats, pour produire de l'énergie thermique, - on alimente en énergie thermique un fluide extérieur, - on collecte lesdits condensats puis on les compresse pour les transformer en des condensats pressurisés consistant en un fluide principal liquide remis en pression ; - on alimente en fluide principal liquide remis en pression lesdits moyens de chauffage, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer par l'intermédiaire des moyens auxiliaires d'apport calorique 3024997 4 extérieurs au circuit la, ledit fluide principal et/ou ledit fluide principal liquide remis en pression et/ou lesdits condensats et/ou ledit fluide extérieur . Ainsi, les moyens de chauffage destinés à produire la 5 vapeur ainsi que la turbine alimentés par ladite vapeur sont dimensionnés pour un besoin d'énergie thermique moyen et non pas maximal, tel que c'est généralement le cas. En cas d'augmentation du besoin, notamment en énergie électrique, le fluide primaire circulant dans la chaudière à vapeur est en 10 partie chauffé par un fluide secondaire liquide, lui-même chauffé par moyen de chauffage auxiliaire indépendant de ladite chaudière à vapeur. Cela permet donc d'augmenter les apports caloriques en supplément de ladite chaudière à vapeur à sa pleine capacité, permettant au dispositif de cogénération dans 15 sa globalité de produire plus d'énergie thermique et électrique que ladite chaudière à vapeur seule. Ainsi, le dispositif de cogénération aura une plage de fonctionnement beaucoup plus large, permettant de ce fait de limiter les pertes d'énergie primaire, et donc l'augmentation du rendement moyen. Les moyens 20 de chauffage destinés à chauffer le fluide secondaire pourront être alimentés par un combustible moins restrictif que les combustibles imposés par ladite chaudière à vapeur haute pression. Il en résulte une plus grande flexibilité des approvisionnements en énergie primaire, un moindre coût, ou 25 encore une plus grande diversité des approvisionnements. De plus, selon d'autres caractéristiques, ladite chaudière à vapeur est elle-même assistée par le chauffage du comburant par ledit fluide secondaire, cela permettant notamment d'augmenter la température des échanges thermiques, et donc la 30 température de surchauffe de la vapeur. Associée à une augmentation de la pression de la vapeur générée par les moyens de compressions du fluide primaire selon la description qui va suivre, cette augmentation de la température de surchauffe va permettre d'augmenter la puissance de la turbine à vapeur, et 35 donc la production d'énergie électrique.) D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 3024997 5 ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement le dispositif 1 5 de cogénération selon l'invention et son principe de fonctionnement. La présente invention concerne un dispositif 1 de cogénération d'énergies thermique 2 et électrique 3. Ce dispositif 1 se base sur le principe de cogénération, c'est-à- 10 dire sur la production simultanée de deux énergies différentes, à savoir l'énergie thermique 2 et l'énergie électrique 3, dans un même processus. L'énergie électrique 3 produite est issue d'un travail mécanique qui se produit au sein du dispositif 1. Néanmoins, ce travail mécanique peut également être utilisé 15 pour produire autre chose que de l'énergie électrique 3, ou pour alimenter un autre dispositif en travail mécanique. Le dispositif 1 de l'invention est constitué d'un circuit principal la et d'un circuit secondaire auxiliaire lb, de préférence le circuit principal la est fermé. Ces circuits 20 permettent la production d'énergie électrique 3 et la production d'énergie thermique 2. De préférence, le circuit principal la met en oeuvre le cycle de Rankine, qui est un cycle thermodynamique endoréversible, composé d'une compression isentropique, suivi d'une vaporisation isobare, d'une détente 25 isentropique, d'une condensation isobare. Ce cycle permet la production d'énergie électrique 3 et la production d'énergie thermique 2 à partir d'un fluide de travail. Avantageusement, ledit fluide de travail consiste en de l'eau circulant, au sein du circuit la, sous différentes 30 formes, par exemple sous forme de phase vapeur seule, de phase liquide seule ou de phase mixte vapeur et liquide. Cependant, l'eau peut être remplacée par un fluide organique, mettant en oeuvre le même cycle. Selon l'invention, le dispositif 1 comprend des moyens de 35 chauffage 4 du fluide de travail, plus particulièrement d'un fluide principal 5. 3024997 6 On entend par « fluide principal 5», le fluide présent au sein des moyens de chauffage 4 et qui va servir de base pour alimenter tout le circuit la. De préférence, ledit fluide principal 5 est sous forme 5 alternativement de liquide et de vapeur. Avantageusement, le fluide principal 5 consiste en de l'eau. Selon un mode de réalisation particulier, ledit fluide principal 5 récupère de l'énergie thermique 6 provenant d'une 10 source d'énergie 7. Avantageusement cette source d'énergie 7 consiste en de la biomasse valorisable énergiquement présent au sein desdits moyens de chauffage 4. La qualité de la matière première biomasse est très variable selon le taux d'humidité, la 15 capacité calorifique, la température de fusibilité des cendres, le taux de cendres, de souffre, de chlore et de phosphate, mais elle permet dans tous les cas de fournir de l'énergie thermique 6 au fluide principal 5 présent au sein des moyens de chauffage 4. 20 En d'autres termes, ledit fluide principal 5 représente le fluide de travail qui est présent au sein des moyens de chauffage 4. Ces derniers consistent avantageusement en une ou plusieurs chaudières à vapeur alimentée(s) par une source d'énergie carburante, plus particulièrement une source 25 d'énergie par combustion, notamment de la biomasse. Ces moyens de chauffage 4 vont permettre d'apporter de l'énergie calorique au fluide principal 5. Lorsque les moyens de chauffage 4 sont constitués par une chaudière à vapeur, alimentée par une source d'énergie 7 30 constituée par de la biomasse, cette chaudière sera également alimentée par un comburant 18 extérieur au circuit la du dispositif 1. Plus particulièrement, ce comburant 18 consiste en de l'air extérieur. Pour que la biomasse brûle, ledit comburant 18 est nécessaire. 35 Lesdits moyens de chauffage 4 permettent un réchauffement du fluide principal 5, pour obtenir un fluide chauffé 3024997 7 générateur de vapeur 8a. Ladite vapeur 8a est présente en sortie des moyens de chauffage 4. De préférence, les moyens de chauffage 4 consistent en une seule chaudière à vapeur qui transforme ledit fluide principal 5 5, par exemple de l'eau sous pression, en vapeur surchauffée 8a. Ladite vapeur surchauffée 8a constitue donc le fluide de travail en sortie des moyens de chauffage 4. De plus, en sortie desdits moyens de chauffage 4, ladite 10 vapeur générée 8a va permettre l'approvisionnement d'une turbine à vapeur 9, cette dernière étant reliée en entrée auxdits moyen de chauffage 4. Ladite turbine 9 alimentée par cette vapeur 8a en assure sa détente et son refroidissement En d'autres termes, en sortie de turbine 9, la vapeur en 15 détente 8b consistera en une vapeur 8b présentant une température et une pression inférieure à celle de la vapeur 8a entrant dans la turbine 9. Selon l'invention, la turbine 9 va permettre de préférence l'activation d'un générateur électrique 10, lui-même connecté 20 mécaniquement à la turbine 9. Ledit générateur électrique 10 va permettre la production d'énergie électrique 3. De préférence, ledit générateur électrique 10 consiste en un alternateur en mode générateur. Selon un autre mode de réalisation, la turbine 9 est 25 connectée mécaniquement à des équipements non générateurs d'électricité qui assure l'utilisation directe du travail mécanique disponible, comme par exemple des pompes, des machines tournantes, des compresseurs. Au sein du circuit la du dispositif 1 de cogénération, la 30 turbine 9 est reliée en sortie à des moyens d'échanges thermiques 11. Plus précisément, lesdits moyens d'échanges thermiques 11 peuvent consister en un échangeur thermique couplé à un condenseur. 35 Le rôle de ces moyens d'échanges thermiques 11 est de produire de l'énergie thermique 2. 3024997 8 Le condenseur va permettre de transformer une partie de la vapeur en détente 8b, généralement soutirée depuis la turbine 9 au cours de la détente ou sortant de la turbine 9, en des condensats 14, ces derniers étant donc le fluide principal 5 revenu à l'état liquide. L'échangeur va permettre le transfert de l'énergie thermique 2, issue d'une partie de la vapeur en détente 8b. Selon un mode de réalisation particulier, l'échangeur va permettre le transfert de l'énergie thermique 2 produite vers 10 un fluide extérieur 12 au dispositif 1, sans qu'il y ait un mélange entre la vapeur en détente 8b et ledit fluide extérieur 12. Plus particulièrement, ledit fluide extérieur 12 appartient à un réseau 13 qui est en dehors du circuit du 15 dispositif 1, ledit réseau 13 pouvant être relié au circuit la du dispositif 1 par l'intermédiaire dudit fluide extérieur 12. En d'autres termes, lesdits moyens d'échanges thermiques 11 peuvent être connectés en alimentation à un fluide extérieur 12, ce dernier alimentant un réseau 13. 20 Selon un premier mode de réalisation, ledit réseau 13 est un réseau de chaleur et consiste par exemple en un réseau de consommation de chaleur urbain ou industrielle. Selon un autre mode de réalisation, lesdits moyens d'échanges thermiques 11 sont simplement connectés à un réseau 25 extérieur 13 qui consiste en de l'atmosphère. Dans ce cas, l'énergie thermique 2 produite est dissipée dans l'atmosphère, ce qui constitue une non valorisation d'une fraction de l'énergie primaire. En outre, lesdits moyens d'échanges thermiques 11 libèrent 30 en sortie des condensats 14. Ces derniers approvisionnent en entrée un collecteur 15 de condensats 14 pour assurer leur préchauffage et leur dégazage. En d'autres termes, en sortie des moyens d'échanges thermiques 11, un collecteur 15 est présent pour réceptionner 35 les condensats 14. En d'autres termes, ledit collecteur 15 permet de 3024997 9 préchauffer et de dégazer les condensats 14 qui proviennent des moyens d'échanges thermiques 11. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif 1 présente plusieurs collecteurs 15 en série connectés entre eux. 5 Le dispositif 1 de l'invention comprend en outre, en sortie du collecteur 15, des moyens de compression 16 desdits condensats 14 en des condensats pressurisés 17, ces derniers étant nommés ci-après « fluide principal liquide 17 ». Ces moyens de compressions 16 permettent de pressuriser les 10 condensats 14 en un fluide principal 17, revenu à sa phase liquide. De préférence, ces moyens de compression 16 consistent en une ou plusieurs pompes. En d'autres termes, lesdits moyens de compressions 16 sont connectés en sortie du collecteur 15 et permettent de 15 compresser les condensats 14 collectés et d'en faire un fluide principal liquide 17 remis en pression. Lesdits moyens de compression 16 sont reliés en sortie auxdits moyens de chauffage 4 et permettent leur approvisionnement en fluide principale liquide 17 remis en 20 pression. En d'autres termes, le fluide principal liquide 17remis en pression peut constituer une source de fluide principale 5 et alimenter directement les moyens de chauffage 4. Selon une particularité de l'invention, ledit dispositif 1 25 comporte au moins un moyen auxiliaire d'apport calorique 19 audit fluide de travail circulant au sein dudit circuit la. Lesdits moyen auxiliaire d'apport calorique 19 sont en dehors du circuit principal la et appartienne à un circuit secondaire auxiliaire lb. 30 De préférence, ledit moyen auxiliaire d'apport calorique 19 consiste en au moins une chaudière à eau distincte et extérieure au circuit la dudit dispositif 1 de cogénération. Le fluide circulant au sein dudit moyen auxiliaire d'apport calorique 19 constitue le fluide auxiliaire 20. 35 En d'autres termes, les moyens auxiliaires d'apport calorique 19 approvisionnent le fluide de travail, circulant au 3024997 10 sein du circuit la en énergie calorique, plus spécifiquement en énergie thermique 2 par le biais d'échangeurs de chaleur En alternative, le fluide auxiliaire 20 caloporteur dudit moyen auxiliaire d'apport calorique 19 peut être un fluide 5 différent de l'eau. En outre, le fluide auxiliaire 20 approvisionne le fluide de travail en énergie calorique, plus spécifiquement en énergie thermique par le biais d'échangeurs de chaleur De plus, il est à noter que le fluide de travail circulant 10 dans tous le circuit est constitué par le fluide principale 5, la vapeur surchauffée 8a, la vapeur en détente 8b, les condensats 14, les condensats pressurisés 17 dit « fluide principal liquide remis en pression » . Ledit fluide de travail permet la production d'énergie 15 thermique 2 et électrique 3, il circule à la fois au sein et entre les moyens de chauffage 4, la turbine à vapeur 9, les moyens d'échanges thermiques 11, le collecteur 15 et les moyens de compression 16. De préférence, lesdits moyens auxiliaires d'apport 20 calorique 19 comprennent des moyens d'élévation en température des condensats 14 en sortie desdits moyens d'échange thermique 11. De préférence, l'élévation en température desdits condensations 14 par lesdits moyens auxiliaires d'apport 25 calorique 19 est accompagnée par une augmentation de la pression desdits condensats par lesdits moyens de compression 16. De préférence, lesdits moyens auxiliaires 19 comprennent des moyens d'apport calorique audit fluide extérieur 12 en 30 dehors dudit circuit la. De préférence, lesdits moyens auxiliaires 19 comprennent des moyens d'élévation en température du fluide principal 5 présent au sein des moyens de chauffage 4. De préférence, lesdits moyens auxiliaires 19 comprennent 35 des moyens d'apport calorique auxdits condensats pressurisés 17 ou « fluide principal liquide 17 remis en pression ». 3024997 11 Plus particulièrement, les moyens auxiliaires 19 comprennent des moyens d'élévation en température et de réchauffement du fluide principal 5 et/ou des condensats pressurisés 17 et/ou des condensats 14 et/ou du fluide 5 extérieur 12. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits moyens auxiliaires d'apport calorique 19 peuvent être conçus pour chauffer le comburant 18, ceci préalablement et/ou simultanément à son introduction dans les 10 moyens de chauffage 4. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits moyens auxiliaires d'apport calorique 19 peuvent être conçus pour monter en température la source d'énergie 7 carburante, plus particulièrement la biomasse 15 introduite au sein de la chaudière à vapeur. Selon un autre mode de réalisation particulier, lesdits moyens auxiliaires d'apport calorique 19 peuvent être conçus pour réduire le taux d'humidité et monter en température la source d'énergie 7, plus particulièrement la biomasse présente 20 au sein de la chaudière à vapeur. De manière spécifique, de tels moyens auxiliaires d'apport calorique sont conçus pour approvisionner en énergie calorifique lesdits moyens de chauffage 4 et/ou lesdits moyens d'échanges thermiques 11 et/ou ledit collecteur 15 de dégazage 25 et de stockage. La présente invention concerne également un procédé de génération thermique et dans lequel : - on chauffe au travers de moyen de chauffage 4, un fluide principal 5 pour générer de la vapeur 8a, 30 - on approvisionne une turbine à vapeur 9 avec ladite vapeur générée 8a, pour produire de l'énergie électrique 3 et de la vapeur en détente 8b - on alimente, avec ladite vapeur en détente 8b, des moyens d'échanges thermiques 11 qui libèrent des condensats 14, 35 pour produire de l'énergie thermique 2 3024997 12 - on alimente en énergie thermique 2 un fluide extérieur 12, - on dégaze et chauffe lesdits condensats 14 puis on les compresse pour les transformer en condensats pressurisées 17, 5 - on alimente en condensats pressurisés 17 lesdits moyens de chauffage 4. Selon une caractéristique particulière du procédé de l'invention, ledit fluide principal 5 et/ou lesdits condensats 14 et/ou lesdits condensats pressurisés 17 et/ou ledit fluide 10 extérieur 12 sont chauffés par l'intermédiaire des moyens auxiliaires d'apport calorique 19 extérieurs au circuit principal la. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de cogénération d'énergies thermique (2) et électrique (3), ce dispositif 1 comportant un circuit principal (la) comprenant : - des moyens de chauffage (4) d'un fluide principal (5), lesdits moyens (4) étant conçus pour générer de la vapeur (8a) à partir dudit fluide principal (5); - en sortie desdits moyens de chauffage (4), une turbine à vapeur (9) approvisionnée par la vapeur générée (8a), ladite turbine (9) activant un équipement mécanique ou un générateur électrique (10); - en sortie de ladite turbine (9), des moyens d'échanges thermiques (11) avec un fluide extérieur (12) circulant dans un réseau extérieur (13), lesdits moyens d'échanges thermiques (11) libérant en sortie des condensats (14); - en sortie desdits moyens d'échanges thermiques (11), un collecteur (15) de préchauffage et de dégazage desdits condensats (14); - en sortie dudit collecteur (15), des moyens de compression (16) desdits condensats (14) en des condensats pressurisés (17) dit fluide principal liquide (17) remis en pression; - en sortie desdits moyens de compression (16), lesdits moyens de chauffage (4) du fluide principal (5) approvisionnés en condensats pressurisés (17); caractérisé par le fait que ledit dispositif (1) comporte au 30 moins un moyen auxiliaire d'apport calorique (19) audit fluide principal (5) et/ou auxdits condensats (14) et/ou auxdits condensats pressurisés (17) et/ou audit fluide extérieur (12) et/ou audit comburant (18). 3024997 14 2. Procédé de génération d'énergie thermique (2) et électrique (3) dans lequel: - on chauffe au travers de moyen de chauffage (4), un fluide principal (5) pour générer de la vapeur (8a), 5 - on approvisionne une turbine à vapeur (9) avec ladite vapeur générée (8a), pour produire de l'énergie électrique (3) ou un travail mécanique et de la vapeur en détente (8b), - on alimente, avec ladite vapeur en détente (8b), des moyens d'échanges thermiques (11) qui libèrent des condensats 10 (14), pour produire de l'énergie thermique, - on alimente en énergie thermique (2) un fluide extérieur (12), - on collecte lesdits condensats (14) puis on les compresse pour les transformer en des condensats pressurisés 15 (17) consistant en un fluide principal liquide (17) remis en pression ; - on alimente en fluide principal liquide (17) remis en pression lesdits moyens de chauffage (4), caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer par 20 l'intermédiaire des moyens auxiliaires d'apport calorique (19) extérieurs au circuit (la), ledit fluide principal (5) et/ou ledit fluide principal liquide (17) remis en pression et/ou lesdits condensats (14) et/ou ledit fluide extérieur (12). 25