Brevet FR3034854A1 — publié le 20161014

PROCEDE DE RECUPERATION D'ENERGIE A PARTIR DE LA GLACE CARBONIQUE A PRESSION INFRA ATMOSPHERIQUE L'invention a trait à un procédé et un dispositif de récupération de la chaleur froide utilisant de la glace carbonique à pression infra atmosphérique. L'expression « infra atmosphérique » désigne ici des pressions inférieures à la pression atmosphérique. Le dioxyde de carbone (CO2) est utilisé dans de nombreuses applications variées, allant du domaine culinaire jusqu'à l'industrie lourde. Dans l'industrie du gaz, par exemple, le méthane d'origine fossile ou d'origine biologique contient du CO2 qu'il convient d'extraire, notamment avant le transport du méthane. En effet, avant son transport, le gaz méthane est liquéfié à des températures de liquéfaction proche de -160°C à la pression atmosphérique. Or, dans les mêmes conditions de pression, le CO2 se solidifie à des températures proches de -80°C. Par conséquent, le méthane liquéfié est saturé en glace carbonique, ce qui est problématique pour les installations industrielles. Le CO2 est donc logiquement extrait par différents moyens connus, notamment en utilisant des techniques de nettoyage. Le CO2 extrait est alors rejeté vers l'atmosphère ou recyclé pour d'autres applications. La présente invention s'intéresse tout particulièrement au recyclage du CO2 dans les installations industrielles. La demande de brevet Français publiée sous le numéro FR 2 820 052 (ARMINES), présente un procédé et un système permettant l'extraction (la capture) du dioxyde de carbone par anti-sublimation à pression atmosphérique, également connu sous l'expression condensation solide. Le CO2 est capturé par anti-sublimation à une 3034854 2 température de l'ordre de -80°C à la pression de 0,89 bar absolu dans un évaporateur d'anti-sublimation. Un fluide caloporteur passe dans l'évaporateur d'anti-sublimation qui, une fois rempli de glace carbonique, passe en phase de dégivrage. Le CO2 solide se liquéfie et 5 le fluide caloporteur récupère l'énergie de liquéfaction. La variation d'enthalpie brute est de 228 kJ/kg. L'efficacité de transferts des échangeurs est de 90%. L'énergie récupérée par le fluide caloporteur est donc de 205 kJ/kg. En outre, le CO2 passe d'une pression initiale de 0,89 bar absolu à l'état solide à une pression supérieure à 5,2 bar à 10 l'état liquide. Ce procédé antérieur présente des carences majeures. Les propriétés thermodynamiques du CO2 ne sont pas exploitées de manière optimale. Une plus grande quantité d'énergie pourrait être recyclée à l'aide d'un procédé différent, et ce afin de récupérer une chaleur froide 15 supérieure, à partir de la glace carbonique. A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un procédé de récupération d'énergie issue du changement d'état de la glace carbonique. Ce procédé est mis en oeuvre au moyen d'un dispositif 20 comprenant : - une enceinte contenant de la glace carbonique à une pression infra-atmosphérique ; - un circuit primaire de récupération d'énergie traversant l'enceinte 25 et dans lequel circule un fluide caloporteur. Ce procédé comprend les étapes suivantes : - passage du fluide caloporteur dans le circuit primaire, cette étape 30 provoquant le réchauffement de la glace carbonique et son changement d'état en CO2 et le refroidissement du fluide caloporteur; - extraction du CO2 contenu dans l'enceinte. 3034854 3 Ce procédé comprend une étape de mise en dépression sensiblement continue de l'enceinte, à une pression infra-atmosphérique. 5 Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : - le CO2 extrait de l'enceinte est gazeux ; 10 - le procédé comprend une étape de transit du CO2 extrait de l'enceinte dans un échangeur de chaleur, dans lequel il cède une partie de sa chaleur à un fluide caloporteur circulant dans un circuit secondaire; 15 - le procédé comprend une étape de mesure sensiblement continue de la pression dans une canalisation d'aspiration, au moyen d'un capteur de pression ; - le procédé comprend une étape de transmission de la pression 20 mesurée par le capteur de pression à une unité centrale ; - le procédé comprend une étape de régulation de la pression dans l'enceinte et dans la canalisation d'aspiration au moyen d'une pompe à vide située à une extrémité de la canalisation d'aspiration ; 25 - la pression dans l'enceinte est d'environ 0,00055 bar absolu. Il est proposé, en second lieu, un dispositif de récupération d'énergie apte à mettre en oeuvre un procédé de récupération d'énergie 30 tel que précédemment décrit, ce dispositif comprenant : une enceinte apte à contenir de la glace carbonique à une pression infra-atmosphérique et à une température de solidification correspondant à la pression infra-atmosphérique ; 35 - un circuit primaire de récupération d'énergie traversant l'enceinte et dans lequel circule un fluide caloporteur ; une canalisation d'aspiration permettant d'extraire du CO2 de l'enceinte. 3034854 4 La canalisation d'aspiration est munie de moyens aptes à extraire le CO2 et à permettre une mise en dépression continue de l'enceinte à une pression infra atmosphérique. 5 Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : - le dispositif comprend un échangeur de chaleur traversé par la canalisation d'aspiration, l'échangeur de chaleur étant également 10 traversé par un circuit secondaire, la canalisation d'aspiration comprenant en outre un capteur de pression et les moyens aptes à extraire le CO2 étant une pompe à vide ; - le dispositif comprend une unité centrale apte à traiter les 15 informations provenant du capteur de pression et à réguler la puissance d'extraction de la pompe à vide. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en 20 référence à la figure représentant une vue schématique d'un dispositif de récupération d'énergie, à partir de la glace carbonique. Sur la figure est représenté un dispositif 1 comprenant une enceinte 2 traversée par un circuit 3 primaire de récupération d'énergie. 25 Le circuit 3 primaire comprend une pompe 4 primaire. La pompe 4 primaire est pilotée par un moteur 5 primaire à vitesse variable lequel est commandé à son tour par un variateur 6 primaire de puissance. 30 Un fluide caloporteur circule dans le circuit 3 primaire. Le fluide caloporteur peut être liquide ou gazeux. Dans le cas où celui-ci est gazeux, la pompe 4 primaire est un compresseur. Le dispositif 1 comprend une canalisation 7 d'aspiration munie d'un 35 capteur 8 de pression d'aspiration. 3034854 5 La canalisation 7 d'aspiration traverse un échangeur 9 de chaleur avant de ressortir à une extrémité 10. L'extrémité 10 est munie d'une pompe 11 à vide pilotée par un variateur 12 de fréquence lequel est commandé par un organe 13 de contrôle. 5 L'échangeur 9 de chaleur est en outre traversé par un circuit 14 secondaire de récupération de chaleur. Un fluide caloporteur circule dans le circuit 14 secondaire. Le circuit 14 secondaire comprend une pompe 15 secondaire. La pompe 15 secondaire est pilotée par un 10 moteur 16 secondaire à vitesse variable lequel est commandé à son tour par un variateur 17 secondaire de puissance. Le procédé de récupération d'énergie va être, maintenant, décrit en référence au tableau ci-dessous : 15 Tableau Température Pression de haleur latente de sublimation (kJ/kg) saturation on Masse volumique (kg/ma ) (°C) (bar absolu) -140 0,00055 0,002 593,75 -135 0,00134 0,005 592,0 -130 0,00304 0,011 590,17 -125 0,00646 0,023 588,25 -120 0,01302 0,045 586,24 -115 0,02500 0,083 584,11 -110 0,04598 0,149 581,87 -105 0,08137 0,257 579,50 -100 0,13907 0,427 577,0 -95 0,23033 0,689 574,32 -90 0,37082 1,082 571,49 -85 0,58193 1,660 568,49 -80 0,89239 2,493 565,31 -75 1,3402 3,678 561,92 -70 1,9753 5,341 558,31 -65 2,8626 7,655 554,44 -60 4,0861 10,86 550,25 -57 5,0258 13,35 547,54 3034854 6 Les données fournies dans le tableau ont trait au 002. Ce tableau donne, en partant de la colonne de gauche, la température de sublimation, la pression absolue de saturation, la masse volumique et 5 la chaleur latente de sublimation. Ces données sont fournies par le logiciel Refprop 9 avec des calculs complémentaire pour la chaleur latente de sublimation, basés sur les formulations de l'ouvrage intitulé Thermodynamic properties in 10 SI de W. C. Reynolds du department of Mechanical Engineering de l'Université de Stanford. Pour schématiser, l'énergie se décompose en deux parts. L'une des parts est transformable en énergie mécanique, tandis que l'autre ne 15 l'est pas. La part transformable en énergie mécanique est appelée exergie. L'exergie permet donc de mesurer la qualité d'une énergie. En ce qui concerne le 002, plus sa température est basse, plus la valeur exergétique de la chaleur latente est élevée. 20 Le CO2 à l'état solide est appelé glace carbonique. A un instant initial, l'enceinte 2 comprend une masse donnée de glace carbonique. La pression dans l'enceinte 2 est infra atmosphérique, c'est-à-dire qu'elle est inférieure à la pression atmosphérique qui est d'environ 1 25 bar. Cette pression infra atmosphérique est maintenue constante grâce à la pompe 11 à vide. Dans ce mode de réalisation, la pression dans l'enceinte est de 0,00055 bar absolu soit une température de 30 sublimation de -140°C. L'enceinte 2 est revêtue d'une isolation efficace afin de réduire les échanges de chaleur avec le milieu extérieur. Le fluide caloporteur circulant dans le circuit 3 primaire traverse l'enceinte 2 et est refroidi par échange de chaleur avec la glace 35 carbonique. 3034854 7 La glace carbonique se réchauffe sous l'action du fluide caloporteur et se sublime instantanément lorsque sa température dépasse -140°C à la pression de 0,00055 bar absolu 5 La pression et la température tendent alors naturellement à augmenter sous l'effet de la sublimation de la glace carbonique. Pour éviter cela, la pompe 11 à vide extrait plus de CO2 gazeux, afin que la pression de 0,00055 bar absolu reste constante de sorte que la température de sublimation se maintienne à -140°C. En effet, comme 10 expliqué précédemment, la valeur exergétique de la chaleur latente est d'autant plus élevée que la température de sublimation est basse. La récupération d'énergie se fait jusqu'à sublimation complète de la glace carbonique. Une fois que la glace carbonique a intégralement 15 disparue, l'enceinte 2 est rechargée en glace carbonique. La régulation de la pression dans l'enceinte 2 est effectuée en mesurant la pression dans la canalisation 7 d'aspiration au moyen du capteur 8 de pression d'aspiration. 20 La valeur de la pression dans la canalisation 7 d'aspiration est envoyée en continu à une unité centrale, non représentée sur la figure. Lorsque la pression dans la canalisation 7 d'aspiration dépasse la 25 pression cible, en l'occurrence 0,00055 bar absolu, alors l'unité centrale commande à la pompe 11 à vide, via l'organe 13 de contrôle et le variateur 12 de fréquence, d'extraire plus de CO2 gazeux afin que la pression cible soit atteinte et reste constante dans la canalisation 7 d'aspiration. Les pressions dans l'enceinte 2 et dans la canalisation 7 30 d'aspiration sont sensiblement identiques. Le CO2 gazeux sortant de l'enceinte 2 traverse l'échangeur 9 de chaleur et cède une partie de sa chaleur sensible au fluide caloporteur circulant dans le circuit 14 secondaire. 35 Les débits des fluides caloporteurs dans le circuit 3 primaire et dans le circuit 14 secondaire peuvent être adaptés, afin que les 3034854 8 échanges de chaleur avec la glace carbonique pour le circuit 3 primaire et avec le CO2 gazeux pour le circuit 14 secondaire, soient le plus efficace possible. 5 Ainsi, une partie de la chaleur sensible est récupérée par le circuit 14 secondaire. La chaleur sensible par opposition à la chaleur latente correspond à l'énergie cédée sans qu'il n'y ait changement d'état du 002. Avantageusement, le fluide caloporteur dans le circuit 14 10 secondaire et le CO2 dans la canalisation 7 d'aspiration circulent à contre courant. Le fluide caloporteur doit pouvoir ne pas se solidifier à ces températures cryogéniques proches de -140°C. Le propane peut être 15 avantageusement utilisé comme fluide caloporteur pour cette raison. Le transfert de chaleur dans l'échangeur 9 de chaleur s'effectue sur de grands écarts de températures. Typiquement, cet écart s'étend de -140°C à 20°C. La chaleur sensible est d'environ 120 kJ/kg. 20 Dans l'enceinte 2, la chaleur latente de sublimation est d'environ 594 kJ/kg, en référence au tableau. La chaleur totale récupérable est donc d'environ 714 kJ/kg. Avec 25 des équipements permettant un échange de chaleur efficace à 90%, la chaleur totale effectivement récupérée est d'environ 643 kJ/kg. Le procédé et le dispositif, ainsi décrits, permettent une récupération d'énergie de la glace carbonique bien plus efficace, en 30 exploitant avantageusement les propriétés thermodynamiques du dioxyde de carbone. REVENDICATIONS1. Procédé de récupération d'énergie issue du changement d'état de la glace carbonique, ce procédé étant mis en oeuvre au moyen d'un dispositif (1) comprenant : une enceinte (2) contenant de la glace carbonique à une pression infra-atmosphérique ; un circuit (3) primaire de récupération d'énergie traversant l'enceinte (2) et dans lequel circule un fluide caloporteur ; le procédé comprenant les étapes suivantes : passage du fluide caloporteur dans le circuit (3) primaire, cette étape provoquant le réchauffement de la glace carbonique et son changement d'état en CO2 et le refroidissement du fluide caloporteur; extraction du CO2 contenu dans l'enceinte (2) ; caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de mise en dépression sensiblement continue de l'enceinte (2) à une pression infra-atmosphérique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le CO2 extrait de l'enceinte (2) est gazeux. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de transit du CO2 extrait de l'enceinte (2) dans un échangeur (9) de chaleur dans lequel il cède une partie de sa chaleur à un fluide caloporteur circulant dans un circuit (14) secondaire. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le procédé comprend une étape de mesure sensiblement continue de la pression dans une canalisation (7) d'aspiration au moyen d'un capteur (8) de pression. 3034854 10 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, le procédé comprend une étape de transmission de la pression mesurée par le capteur (8) de pression à une unité centrale. 5 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, le procédé comprend une étape de régulation de la pression dans l'enceinte (2) et dans la canalisation (7) d'aspiration au moyen d'une pompe (11) à vide située à une extrémité de la canalisation (7) d'aspiration. 10 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression dans l'enceinte (2) est d'environ 0,00055 bar absolu 15 8. Dispositif (1) de récupération d'énergie apte à mettre en oeuvre un procédé de récupération d'énergie selon l'une des revendications 1 ou 2, ce dispositif (1) comprenant : une enceinte (2) apte à contenir de la glace carbonique à une 20 pression infra-atmosphérique et à une température de solidification correspondant à la pression infra-atmosphérique ; un circuit (3) primaire de récupération d'énergie traversant l'enceinte (2) et dans lequel circule un fluide caloporteur ; une canalisation (7) d'aspiration permettant d'extraire du CO2 de 25 l'enceinte (2), caractérisé en ce que la canalisation (7) d'aspiration est munie de moyens aptes à extraire le CO2 et à permettre une mise en dépression continue de l'enceinte (2) à une pression infra atmosphérique. 30 9. Dispositif (1) selon la revendication 8 pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que, le dispositif (1) comprend un échangeur (9) de chaleur traversé par la canalisation (7) d'aspiration, l'échangeur (9) de chaleur étant 35 également traversé par un circuit (14) secondaire, la canalisation (7) d'aspiration comprenant en outre un capteur (8) de pression et les moyens aptes à extraire le CO2 étant une pompe (11) à vide. 3034854 11 10. Dispositif (1) selon la revendication 9 pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que le dispositif (1) comprend une unité centrale apte à traiter les informations 5 provenant du capteur (8) de pression et à réguler la puissance d'extraction de la pompe (11) à vide. 10