Brevet FR3124247A1 — publié le 20221223

Système de récupération d’énergie de compression d’un gaz (56), le système comprenant un module (40) à cycle organique de Rankine et un compresseur adiabatique (14), le module (40) à cycle organique de Rankine comportant un fluide caloporteur (54) et le compresseur adiabatique comprenant N étages de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) du gaz, N étant supérieur ou égal à 2, et, en aval de chaque étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C), deux échangeurs de chaleurs, un premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant de l’étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) et réchauffer le fluide caloporteur (54) traversant le premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) et un deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant du premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) vers une source froide (58) traversant le deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C). Liquéfacteur comprenant un tel système et procédé de récupération d’énergie de compression d’un gaz. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 SYSTEME DE RECUPERATION D’ENERGIE DE COMPRESSION D’UN GAZ, LIQUEFACTEUR COMPRENANT UN TEL SYSTEME ET PROCEDE DE RECUPERATION D’ENERGIE DE COMPRESSION D’UN GAZ Le présent exposé concerne la compression d’un gaz et en particulier la récupération d’énergie de compression du gaz. La liquéfaction d’un gaz requiert généralement une étape de compression du gaz à pression élevée. Cette étape de compression est qualifiée d’isotherme et est généralement réalisée par une succession d’étapes de compression adiabatique au cours desquelles le gaz est réchauffé. Ainsi, entre chaque étape de compression, le gaz est refroidi avant d’entrer dans l’étage de compression suivant. Le refroidissement du gaz est réalisé dans un échangeur de chaleur. Dans les liquéfacteurs, aussi appelés « liquefier » en anglais, la chaleur récupérée dans cet échangeur de chaleur est soit perdue dans l’atmosphère, soit, par exemple comme décrit dans JP2005241232, utilisée comme source chaude pour la vaporisation du gaz naturel liquide. Le couplage liquéfacteur-installation de gaz naturel liquéfié implique que le liquéfacteur et l’installation de gaz naturel liquéfié soient en un même lieu. Aussi, cette solution de récupération de la chaleur limite très fortement la possibilité de récupérer cette chaleur de part notamment le nombre de sites de d’installation de gaz naturel liquéfié, de la fluctuation de demande en gaz naturel liquéfié qui aura un impact sur le refroidissement du gaz comprimé entre deux étages de compression ainsi que des contraintes de sécurité liées à la présence de gaz naturel liquéfié et d’hydrogène liquide par exemple. Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients. A cet effet, le présent exposé concerne un système de récupération d’énergie de compression d’un gaz, le système comprenant un module à cycle organique de Rankine et un compresseur adiabatique, le module à cycle organique de Rankine comportant un fluide caloporteur et le compresseur adiabatique comprenant N étages de compression adiabatique du gaz, N étant supérieur ou égal à 2, et, en aval de chaque étage de compression adiabatique, deux échangeurs de chaleurs, un premier échangeur de chaleur configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant de l’étage de compression adiabatique et réchauffer le fluide caloporteur traversant le premier échangeur de chaleur et un deuxième échangeur de chaleur configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant du premier échangeur de chaleur vers une source froide traversant le deuxième échangeur de chaleur. Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal du gaz dans le système. Ainsi, un deuxième élément disposé en aval d’un premier élément reçoit le gaz qui sort du premier élément. Grâce au module à cycle organique de Rankine, il est possible de ne pas perdre dans l’atmosphère la chaleur du gaz comprimé dans un étage de compression adiabatique et ce, en s’affranchissant de la contrainte de couplage direct avec une unité de gaz naturel liquéfié. De manière connue, un module à cycle organique de Rankine comprend au moins un échangeur de chaleur configuré pour réchauffer le fluide caloporteur circulant dans le module à partir d’une source chaude externe au module, un dispositif détente du fluide caloporteur réchauffé, un condenseur pour refroidir le fluide caloporteur et une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur dans le module. Le dispositif de détente permet de détendre le fluide caloporteur réchauffé et sous pression et de transformer l’énergie récupérée sous forme de chaleur en énergie mécanique. Le dispositif de détente est généralement couplé à un dispositif de récupération d’énergie permettant de transformer l’énergie mécanique récupérée à la sortie du dispositif de détente en énergie exploitable. Dans le présent exposé, la source chaude est le gaz sortant d’un étage de compression du compresseur adiabatique. Le système comportant, après chaque étage de compression, un premier échangeur configuré pour échanger de la chaleur entre le gaz sortant d’un étage de compression et le fluide caloporteur du module à cycle organique de Rankine, une partie de la chaleur générée pendant la compression adiabatique du gaz est récupérée dans le fluide caloporteur du module à cycle organique de Rankine, le fluide caloporteur réchauffé est ensuite détendu afin de produire de l’énergie. A titre d’exemple non limitatif, le dispositif de détente peut être une turbine ou un dispositif de détente volumétrique, par exemple de type spirale, aussi identifié selon le terme en anglais comme des dispositifs de détente volumétrique de type « scroll ». De manière générale, pour des rapports de détente importants, par exemple supérieur ou égal à 7, on privilégiera une turbine et pour les rapports de détente moindre, on privilégiera un dispositif de détente volumétrique. Des critères autres que le rapport de détente peuvent également entrer en considération dans le choix du dispositif de détente. A titre d’exemple non limitatif, le dispositif de détente peut être couplé à un générateur électrique pour récupérer l’énergie sous forme électrique. On peut également envisager de coupler un autre dispositif au dispositif de détente pour transformer l’énergie en énergie mécanique. Le couplage du module à cycle organique de Rankine avec les premiers échangeurs de chaleur permet d’augmenter le débit du fluide caloporteur qui est vaporisé et ainsi augmenter la taille de la turbine. Quand on augmente la taille de la turbine, les jeux relatifs dans la turbine diminuent et donc les performances de la turbine sont améliorées, permettant ainsi d’augmenter le rendement de la récupération d’énergie. L’énergie électrique produite peut être utilisée pour alimenter des composants du système lui-même ou des composants extérieurs au système, voire être injectée dans le réseau électrique. A titre d’exemple non limitatif, le compresseur de l’étage de compression isotherme peut être un compresseur volumique ou un compresseur centrifuge. Dans certains modes de réalisation, le deuxième échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz-air. Dans certains modes de réalisation, le deuxième échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz-eau. Dans certains modes de réalisation, le fluide caloporteur peut avoir une température d’ébullition comprise entre une température d’entrée de la source froide et une température de sortie du gaz dans l’étage de compression adiabatique. Dans certains modes de réalisation, le fluide caloporteur peut être du méthanol, de l’isobutane ou de l’éthanol. Le présent exposé concerne également un liquéfacteur comprenant un système tel que défini précédemment. L’énergie électrique produite peut être utilisée pour alimenter des composants du liquéfacteur lui-même ou des composants extérieurs au liquéfacteur, voire être injectée dans le réseau électrique. La récupération d’énergie peut être d’environ 2% à 5% de la puissance requise pour faire fonctionner le liquéfacteur ce qui est non négligeable au regard de la durée de vie d’un liquéfacteur qui peut être au moins de 20 ans. Dans certains modes de réalisation, le gaz peut être le gaz à liquéfier. Dans certains modes de réalisation, le liquéfacteur peut être un liquéfacteur réfrigéré comprenant au moins un circuit de refroidissement et le gaz est le gaz du au moins un circuit de refroidissement du liquéfacteur réfrigéré et/ou le gaz à liquéfier. Dans le cas d’un cycle de liquéfaction réfrigéré à circuits de refroidissement multiples, le système de récupération d’énergie de compression d’un gaz peut être mis en œuvre au niveau des étages de compression d’au moins un circuit de refroidissement. On comprend que le gaz du circuit de refroidissement du liquéfacteur réfrigéré peut être un gaz pur ou un mélange de gaz. On entend par gaz pur un gaz comprenant au moins 99% d’un composé gazeux. Dans certains modes de réalisation, le gaz à liquéfier peut être de l’hydrogène, de l’azote, de l’hélium ou du gaz naturel. Le présent exposé concerne également un procédé de récupération d’énergie de compression d’un gaz, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) compression adiabatique du gaz dans un étage de compression adiabatique ; b) extraction d’une partie de la chaleur du gaz compressé dans un premier échangeur de chaleur comprenant un fluide caloporteur d’un module à cycle organique de Rankine ; c) extraction d’une partie de la chaleur du gaz provenant du premier échangeur de chaleur dans un deuxième échangeur de chaleur comprenant une source froide ; répétition des étapes a) à c) N fois, N étant supérieur ou égal à 2 ; utilisation de la chaleur extraite dans le premier échangeur de chaleur pour produire de l’énergie dans le module à cycle organique de Rankine. D'autres caractéristiques et avantages de l'objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées. La est une vue schématique d’un liquéfacteur. La est une vue schématique d’un système de récupération d’énergie de compression d’un gaz. La est une vue schématique d’un étage de compression du système de la . La est un ordinogramme représentant les étapes d’un procédé de récupération d’énergie de compression d’un gaz. Sur l’ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. Système de récupération d’énergie de compression d’un gaz (56), le système comprenant un module (40) à cycle organique de Rankine et un compresseur adiabatique (14), le module (40) à cycle organique de Rankine comportant un fluide caloporteur (54) et le compresseur adiabatique (14) comprenant N étages de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) du gaz, N étant supérieur ou égal à 2, et, en aval de chaque étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C), deux échangeurs de chaleurs, un premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant de l’étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) et réchauffer le fluide caloporteur (54) traversant le premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) et un deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) configuré pour extraire la chaleur du gaz sortant du premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) vers une source froide (58) traversant le deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C). Système selon la revendication 1, dans lequel le deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) est un échangeur gaz-air. Système selon la revendication 1, dans lequel le deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) est un échangeur gaz-eau. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le fluide caloporteur (54) a une température d’ébullition comprise entre une température d’entrée de la source froide (58) et une température de sortie du gaz dans l’étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C). Système selon la revendication 4, dans lequel le fluide caloporteur (54) est du méthanol, de l’isobutane ou de l’éthanol. Liquéfacteur (10) comprenant un système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5. Liquéfacteur (10) selon la revendication 6, dans lequel le gaz est le gaz à liquéfier. Liquéfacteur selon la revendication 6, dans lequel le liquéfacteur est un liquéfacteur réfrigéré comprenant au moins un circuit de refroidissement et le gaz est le gaz du au moins un circuit de refroidissement du liquéfacteur réfrigéré et/ou le gaz à liquéfier. Liquéfacteur (10) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le gaz (56) à liquéfier est de l’hydrogène, de l’azote, de l’hélium ou du gaz naturel. Procédé (100) de récupération d’énergie de compression d’un gaz, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) compression adiabatique (102) du gaz dans un étage de compression adiabatique (14A, 14B, 14C) ; b) extraction (104) d’une partie de la chaleur du gaz compressé dans un premier échangeur de chaleur comprenant un fluide caloporteur (54) d’un module (40) à cycle organique de Rankine ; c) extraction (106) d’une partie de la chaleur du gaz provenant du premier échangeur de chaleur (50A, 50B, 50C) dans un deuxième échangeur de chaleur (52A, 52B, 52C) comprenant une source froide (58) ; répétition (108) des étapes a) à c) N fois, N étant supérieur ou égal à 2 ; utilisation (110) de la chaleur extraite dans le premier échangeur de chaleur (50a, 50B, 50C) pour produire de l’énergie dans le module (40) à cycle organique de Rankine.