Brevet FR3101378A1 — publié le 20210402

L’invention concerne un système (1) de production d’énergie électrique pour véhicule comportant une turbomachine (10) comprenant un compresseur (21), une turbine à gaz (11), une première génératrice d’électricité (31), une chambre de combustion (50), un récupérateur (40) disposé entre ledit compresseur (21) et ladite chambre de combustion (50), ledit système (1) comportant en outre une machine à cycle de Rankine (20) à vapeur, dans laquelle circule de l’eau, comportant une pompe (190), un condenseur (180), un évaporateur (140), une turbine à vapeur (112) et une seconde génératrice d’électricité (132), caractérisé en ce que ladite turbomachine (10) comprend en outre ledit évaporateur (140), ledit système (1) étant apte à fonctionner uniquement avec ladite turbomachine dans un premier mode de fonctionnement et avec lesdites turbomachine (10) et machine à cycle de Rankine (20) de manière combinée dans un second mode de fonctionnement. Figure 1 SYSTEME THERMODYNAMIQUE DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE COMPORTANT UNE TURBOMACHINE ET UNE MACHINE METTANT EN OEUVRE LA VAPEUR D’EAU L’invention se rapporte à un système thermodynamique de production d’énergie électrique mettant en œuvre une turbomachine et une machine à cycle de Rankine à vapeur. Ce système est notamment destiné aux véhicules automobiles électriques ou hybrides. Afin de réduire les émissions polluantes provenant des véhicules à moteur, il est connu de l’art antérieur d’incorporer une turbine à gaz dans les systèmes de propulsion des véhicules hybrides. Pour se mouvoir, les véhicules hybrides utilisent soit l’énergie provenant d’un moteur thermique, ce dernier étant alimenté par un carburant, tel que le gasoil, l’essence, l’éthanol, le méthanol ou le gaz naturel, soit l’énergie électrique. L’énergie électrique peut être directement produite par un système de production d’électricité intégré au véhicule. Certains véhicules hybrides sont également rechargeables en électricté. Les turbines à gaz ont ainsi pour rôle de produire cette énergie électrique et permettent de diminuer les émissions de dioxyde de carbone et d’autres polluants atmosphériques tels que les oxydes d’azote. Le cycle de Brayton est un cycle thermodynamique mettant en œuvre une turbine à gaz. Il présente des performances remarquables en termes de réduction des émissions polluantes. Par exemple, il est connu de l’état de la technique un système de turbine à gaz mettant en œuvre un tel cycle, décrit dans la demande de brevet WO2011/152049, comprenant une unité de turbine à gaz comportant un premier compresseur pour comprimer un fluide de travail, une chambre de combustion dans laquelle un combustible est injecté dans le fluide de travail provenant du premier compresseur et brûlé, une première turbine d’expansion dilatant les gaz de combustion générés dans la chambre de combustion, la première turbine d’expansion étant reliée au premier compresseur par un premier arbre et un réservoir à combustible contenant le combustible pour alimenter la chambre de combustion. Le système de turbine à gaz comprend en outre un circuit de circulation de combustible permettant au combustible contenu dans le réservoir à combustible de circuler à travers celui-ci. Le fluide de travail, dont la pression a été augmentée au moyen du premier compresseur, est extrait de l’unité de turbine à gaz. Le système de turbine à gaz comprend également un générateur de fluide de refroidissement comprenant une unité de refroidissement apte à refroidir le fluide de travail extrait de l’unité de turbine à gaz au moyen du combustible lors de sa circulation dans le circuit de circulation de combustible et une seconde turbine d’expansion assurant l’expansion du fluide de travail sortant de l’unité de refroidissement. Il est également connu de l’art antérieur la demande de brevet WO2010/132439 divulguant la combinaison des principes d’un moteur à turbine à gaz et d’un système de transmission électrique. Cette demande de brevet divulgue plus précisément un procédé et un appareil permettant d’utiliser des éléments métalliques et céramiques afin de stocker de l’énergie thermique provenant d’un système de freinage par récupération. L’énergie électrique regénérée est utilisée pour fournir un stockage d’énergie supplémentaire par rapport aux procédés de stockage électrique conventionnels adaptés aux moteurs à turbine à gaz. Cette demande de brevet concerne l’obtention d’un frein moteur pour un moteur à turbine à gaz ainsi que la réduction de la consommation de carburant. Les dispositifs et les procédés de l’art antérieur proposent de stocker l’énergie électrique produite en excès dans des batteries, des éléments métalliques ou des éléments céramiques. L’inconvénient principale de ces solutions est d’augmenter la masse embarquée par les véhicules et, par conséquent, d’augmenter leur consommation énergétique. En outre, les batteries, les éléments métalliques et céramiques occupent un volume non négligeable dans les véhicules où ces solutions sont mises en œuvre. Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un système thermodynamique de production d’électricité pour véhicule plus léger et occupant moins d’espace que les systèmes conventionnels. Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un système de production d’énergie électrique pour véhicule, notamment automobile, comportant une turbomachine, dans laquelle circule un fluide de travail, comprenant un compresseur, une turbine à gaz, une première génératrice d’électricité, reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission de puissance, une chambre de combustion, un récupérateur disposé entre ledit compresseur et ladite chambre de combustion, ledit système comportant en outre une machine à cycle de Rankine à vapeur, dans laquelle circule de l’eau, comportant une pompe, un condenseur, un évaporateur, une turbine à vapeur et une seconde génératrice d’électricité, ladite turbine à vapeur et ladite seconde génératrice d’électricité étant reliées ensemble au moyen d’un second arbre de transmission de puissance, caractérisé en ce que ladite turbomachine comprend en outre ledit évaporateur, ledit système étant apte à fonctionner uniquement avec ladite turbomachine dans un premier mode de fonctionnement et avec lesdites turbomachine et machine à cycle de Rankine de manière combinée dans un second mode de fonctionnement. Grâce au système selon l’invention, le véhicule a une masse embarquée plus faible qu’un véhicule mettant en œuvre un moteur à turbine à gaz classique. En outre, le système occupe un volume plus faible que les moteurs à turbine à gaz de l’art antérieur permettant ainsi d’intégrer de nouveaux composants dans le compartiment moteur du véhicule. Avantageusement, ladite turbine à gaz est reliée audit évaporateur et audit récupérateur par l’intermédiaire d’une première vanne trois voies, ledit compresseur étant relié audit récupérateur et à ladite chambre de combustion par l’intermédiaire d’une deuxième vanne trois voies. De cette manière, il est aisé d’alterner entre les premier et second modes de fonctionnement. De préférence, ladite première vanne trois voies est apte à bloquer la circulation dudit fluide de travail entre ladite turbine à gaz et ledit évaporateur et à autoriser la circulation dudit fluide de travail entre ladite turbine à gaz et ledit récupérateur dans un premier mode de fonctionnement dudit système, ladite deuxième vanne trois voies étant apte à bloquer la circulation dudit premier fluide de travail entre ledit compresseur et ladite chambre de combustion et à autoriser la circulation dudit premier fluide de travail entre ledit compresseur et ledit récupérateur dans le premier mode de fonctionnement dudit système, ladite première vanne trois voies étant apte à autoriser la circulation dudit fluide de travail entre ladite turbine à gaz et ledit évaporateur et à bloquer la circulation dudit fluide de travail entre ladite turbine à gaz et ledit récupérateur dans le second mode de fonctionnement dudit système, ladite deuxième vanne trois voies étant apte à autoriser la circulation dudit premier fluide de travail entre ledit compresseur et ladite chambre de combustion et à bloquer la circulation dudit premier fluide de travail entre ledit compresseur et ledit récupérateur dans le second mode de fonctionnement dudit système. De préférence, ladite turbomachine comporte en outre un compresseur additionnel. De manière préférée, ladite turbomachine comporte en outre une turbine additionnelle. Selon un aspect préféré, ladite turbomachine comporte un échangeur de chaleur. Avantageusement, ladite machine à cycle de Rankine comporte une turbine à vapeur additionnelle et un évaporateur additionnel. De préférence, ladite turbomachine comprend en outre ledit évaporateur additionnel. Selon un aspect préféré de l’invention, ladite turbomachine comporte en outre une boucle de chauffage apte à chauffer l’habitacle dudit véhicule. De préférence, la boucle de chauffage est reliée auxdits échangeur de chaleur et condenseur. On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, des formes d’exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles : illustre schématiquement un système thermodynamique selon un premier mode de réalisation de l’invention ; est une représentation schématique d’un système thermodynamique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; est une représentation schématique d’un système thermodynamique selon un troisième mode de réalisation de l’invention. En référence à la figure 1, il est représenté de manière schématique un système thermodynamique 1 de production d’énergie électrique selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Le système 1 comporte une turbomachine 10 comprenant un compresseur 21, une turbine à gaz 11 et une première génératrice d’électricité 31 reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission, un récupérateur 40 et une chambre de combustion 50. Un fluide de travail circule au sein de la turbomachine 10. Le récupérateur 40 permet d’améliorer le rendement du système 1 en réchauffant le fluide de travail sortant du compresseur 21. Une première vanne trois voies 321 est disposée entre la sortie du compresseur 21 et l’entrée du récupérateur 40. Le système 1 comporte en outre une machine à cycle de Rankine à vapeur, au sein de laquelle circule de l’eau, comportant une pompe 190, un condenseur 180, un évaporateur 140, une turbine à vapeur 112 et une seconde génératrice d’électricité 132. Un second arbre de transmission relie la turbine à vapeur 112 et la seconde génératrice d’électricité 132. Une deuxième vanne trois voies 311 est reliée à la sortie de la turbine à gaz 11, à l’entrée d’échappement de l’évaporateur 140 et à l’entrée d’échappement du récupérateur 40. Le circuit d’échappement traverse ainsi l’évaporateur 140 et le récupérateur 40 permettant ainsi de récupérer une partie de la chaleur des gaz d’échappement pour chauffer respectivement le fluide de travail circulant dans la turbomachine et l’eau circulant dans la machine à cycle de Rankine. Une vanne trois voies supplémentaire est reliée à la première vanne trois voies 321, à la sortie du récupérateur 40 et à l’entrée de la chambre de combustion 50 afin de réaliser un contournement du récupérateur 40. Le système 1 est prévu pour opérer suivant un premier mode de fonctionnement lorsque que le besoin en puissance électrique est faible, par exemple 15 KW, et suivant un second mode de fonctionnement lorsque le besoin en puissance électrique est élevé, par exemple 25 KW. Le premier mode de fonctionnement utilise uniquement la turbomachine 10. Le second mode de fonctionnement utilise la turbomachine 10 et la machine à cycle de Rankine 20 de manière combinée. Dans le premier mode de fonctionnement, l’eau ne circule pas au sein de la machine à cycle de Rankine 20 car la pompe 190 n’est pas activée et le fluide de travail ne circule qu’au sein de la turbomachine 10 car la deuxième vanne trois voies 311 bloque sa circulation vers l’évaporateur 140. Le fluide de travail est ainsi orienté vers le récupérateur 40. En outre, la première vanne trois voies 321 autorise la circulation du fluide de travail entre la sortie du compresseur 21 et l’entrée de la chambre de combustion 50, par l’intermédiaire du récupérateur 40. Dans le second mode de fonctionnement du système 1, la deuxième vanne trois voies 311 autorise le fluide de travail provenant de la turbomachine 10 à circuler vers l’évaporateur 140 et bloque sa circulation vers le récupérateur 40. En outre, la première vanne trois voies 321 autorise la circulation du fluide de travail provenant du compresseur 21 directement vers la chambre de combustion 50 et bloque sa circulation vers le récupérateur 40. De cette manière, le fluide de travail sortant sous la forme de gaz d’échappement de la turbine à gaz 11 vient chauffer l’eau circulant dans la machine à cycle de Rankine 20 par l’intermédiaire de l’évaporateur 140 permettant ainsi de générer une puissance mécanique supplémentaire au niveau du second arbre de transmission reliant la turbine à vapeur 112 et la seconde génératrice d’électricité 132. En outre, la configuration du système 1 permet de réduire le volume du récupérateur 40, par rapport aux configurations de turbomachines de l’art antérieur. L’évaporateur 140 présente un faible volume car les échanges thermiques entre le fluide de travail, sous forme de gaz d’échappement, et l’eau ne nécessitent pas de grandes surfaces d’échange. Ainsi, le système 1 selon l’invention permet un gain de masse et de volume dans le véhicule. En référence maintenant à la figure 2, il est représenté schématiquement un système 1 thermodynamique de production d’énergie électrique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Ce deuxième mode de réalisation est identique au premier mode de réalisation hormis que le système thermodynamique 1 comporte un double étage de compression, refroidi par un échangeur de chaleur 60, air/air ou air/eau, appelé couramment intercooler. Ainsi, la turbomachine 10 comporte en supplément, par rapport à la turbomachine 10 du premier mode de réalisation, un compresseur additionnel 41. L’échangeur de chaleur 60 est disposé entre le compresseur additionnel 41 et le compresseur 21. L’échangeur de chaleur 60 est reliée à la sortie du compresseur additionnel 41 et à l’entrée du compresseurs 21. Cette configuration présente l’avantage d’améliorer le rendement énergétique du système thermodynamique 1 par rapport à celui décrit dans le premier mode de réalisation. De manière optionnelle, il est ajouté une boucle de chauffage reliée à l’échangeur de chaleur 60 et au condenseur 180 afin de chauffer l’habitacle du véhicule, par exemple en hiver. Dans un mode de réalisation alternatif, la turbomachine 10 comprend une turbine à gaz additionnelle ainsi qu’une chambre de combustion additionnelle afin d’en améliorer le rendement. La turbomachine comporte en outre une troisième vanne trois voies 341 disposée en sortie du compresseur additionnelle 41 et reliée à l’entrée de l’échangeur de chaleur 60 et une quatrième vanne trois voies 360 disposée en sortie de l’échangeur de chaleur 60 et reliée à l’entrée du compresseur 21. Les troisième et quatrième trois voies 341, 360 sont également directement reliées entre elles afin de réaliser un contournement de l’échangeur de chaleur 60. Dans le premier mode de fonctionnement, les troisième et quatrième vannes trois voies 341, 360 autorise le fluide de travail à circuler au travers de l’échangeur de chaleur 60. Dans le second mode de fonctionnement, les troisième et quatrième vannes trois voies 341, 360 bloque la circulation du fluide de travail au travers de l’échangeur de chaleur 60. Par conséquent, le fluide de travail circule au sein du contournement. De cette manière, on garde une température élevée à l’entrée de la chambre de combustion 50 permettant ainsi de réduire la quantité de carburant à injecter dans la chambre de combustion 50. En référence maintenant à la figure 3, il est représenté schématiquement un système 1 thermodynamique de production d’énergie électrique selon un troisième mode de réalisation de la présente invention. Ce troisième mode de réalisation est identique au deuxième mode de réalisation hormis que le système thermodynamique 1 comporte un double étage de détente pour la turbomachine 10 et un autre double étage de détente pour la machine à cycle de Rankine 20. Ainsi, la turbomachine 10 comporte en supplément, par rapport à la turbomachine 10 du deuxième mode de réalisation, une turbine à gaz additionnelle 51 et la machine à cycle de Rankine 20 comporte en supplément, par rapport à la machine 20 du deuxième mode de réalisation, une turbine à vapeur additionnelle 152. Il est également ajouté, par rapport au système thermodynamique 1 du deuxième mode de réalisation, une chambre de combustion additionnelle 70 disposée entre la turbine à gaz additionnelle 51 et la turbine à gaz 11, et un évaporateur additionnel 150 disposé entre la turbine à vapeur 112 et la turbine à vapeur additionnelle 152. Cette configuration présente l’avantage d’améliorer le rendement énergétique du système thermodynamique 1 par rapport à celui décrit dans le deuxième mode de réalisation. De manière optionnelle, il est ajouté une boucle de chauffage reliée à l’échangeur 60 et au condenseur 180 afin de chauffer l’habitacle du véhicule, par exemple en hiver. Système (1) de production d’énergie électrique pour véhicule, notamment automobile, comportant une turbomachine (10), dans laquelle circule un fluide de travail, comprenant un compresseur (21), une turbine à gaz (11), une première génératrice d’électricité (31), reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission de puissance, une chambre de combustion (50), un récupérateur (40) disposé entre ledit compresseur (21) et ladite chambre de combustion (50), ledit système (1) comportant en outre une machine à cycle de Rankine (20) à vapeur, dans laquelle circule de l’eau, comportant une pompe (190), un condenseur (180), un évaporateur (140), une turbine à vapeur (112) et une seconde génératrice d’électricité (132), ladite turbine à vapeur (112) et ladite seconde génératrice d’électricité (132) étant reliées ensemble au moyen d’un second arbre de transmission de puissance, caractérisé en ce que ladite turbomachine (10) comprend en outre ledit évaporateur (140), ledit système (1) étant apte à fonctionner uniquement avec ladite turbomachine dans un premier mode de fonctionnement et avec lesdites turbomachine (10) et machine à cycle de Rankine (20) de manière combinée dans un second mode de fonctionnement. Système (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite turbine à gaz (11) est reliée audit évaporateur (140) et audit récupérateur (40) par l’intermédiaire d’une première vanne trois voies (311), ledit compresseur (21) étant relié audit récupérateur (40) et à ladite chambre de combustion (50) par l’intermédiaire d’une deuxième vanne trois voies (321). Système (1) selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite première vanne trois voies (311) est apte à bloquer la circulation dudit fluide de travail entre ladite turbine à gaz (11) et ledit évaporateur (140) et à autoriser la circulation dudit fluide de travail entre ladite turbine à gaz (11) et ledit récupérateur (40) dans un premier mode de fonctionnement dudit système (1), ladite deuxième vanne trois voies (321) étant apte à bloquer la circulation dudit premier fluide de travail entre ledit compresseur (21) et ladite chambre de combustion (50) et à autoriser la circulation dudit premier fluide de travail entre ledit compresseur (21) et ledit récupérateur (40) dans le premier mode de fonctionnement dudit système (1), ladite première vanne trois voies (311) étant apte à autoriser la circulation dudit fluide de travail entre ladite turbine à gaz (11) et ledit évaporateur (140) et à bloquer la circulation dudit fluide de travail entre ladite turbine à gaz (11) et ledit récupérateur (40) dans le second mode de fonctionnement dudit système (1), ladite deuxième vanne trois voies (321) étant apte à autoriser la circulation dudit premier fluide de travail entre ledit compresseur (21) et ladite chambre de combustion (50) et à bloquer la circulation dudit premier fluide de travail entre ledit compresseur (21) et ledit récupérateur (40) dans le second mode de fonctionnement dudit système (1). Système (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite turbomachine (10) comporte en outre un compresseur additionnel (41). Système (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite turbomachine (10) comporte en outre une turbine additionnelle (51). Système (1) selon l’une quelconque des revendications 4 à 5 précédentes caractérisé en ce que ladite turbomachine (10) comporte un échangeur de chaleur (60). Système (1) selon la revendication 6 caractérisé en ce que ladite machine à cycle de Rankine (20) comporte une turbine à vapeur additionnelle (152) et un évaporateur additionnel (150). Système (1) selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite turbomachine (10) comprend en outre ledit évaporateur additionnel (150). Système (1) selon l’une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que ladite turbomachine (10) comporte en outre une boucle de chauffage apte à chauffer l’habitacle dudit véhicule. Système (1) selon la revendication 9 caractérisé en ce que ladite boucle de chauffage est reliée auxdits échangeur de chaleur (60) et condenseur (180).