Brevet FR3125112A1 — publié le 20230113

Système de production de froid et d’électricité à partir d’une source thermique à basse température, permettant un réglage du rapport entre production de froid et production électrique. L’invention concerne un système de production de froid et d’énergie électrique comprenant: - un désorbeur, appelé générateur (1), - un condenseur (2), - un évaporateur (3), - un absorbeur (4), - un circuit fluidique d’absorption (100) dans lequel circule un fluide de travail comprenant un fluide frigorigène et un absorbant, le circuit fluidique (100) reliant le générateur (1) au condenseur (2), le condenseur (2) à l’évaporateur (3), l’évaporateur (3) à l’absorbeur (4) et l’absorbeur (4) au générateur (1), - une turbine supersonique (5) agencée sur le circuit fluidique (100) entre le générateur (1) et l’absorbeur (4) en dérivation du condenseur (2) et de l’évaporateur (3), la turbine étant configurée pour actionner une génératrice électrique pour produire de l’électricité, - au moins un éjecteur (50) agencé sur le circuit fluidique entre le générateur et la turbine. Figure pour l’abrégé : Fig.1 Système de production de froid et d’électricité à partir d’une source thermique à basse température, permettant un réglage du rapport entre production de froid et production électrique. La présente invention concerne le domaine des systèmes thermodynamiques pour la coproduction d’énergie électrique et d’énergie thermique, plus particulièrement de froid, à partir d’une source thermique à basse température. Les applications de l’invention sont nombreuses parmi lesquelles on peut citer le domaine des systèmes stationnaires, avec des sources thermiques telles que les rejets thermiques de procédés industriels, le solaire thermique, la biomasse, la géothermie, les turbines à gaz. Les politiques énergétiques actuelles posent le problème de la gestion de la fluctuation ou de l’intermittence des sources, mais aussi de la maitrise de la variabilité des pics de demande énergétique et cela tout en valorisant des sources de chaleur de bas niveau thermique, typiquement de 80 à 150°C, telles que le solaire thermique, les chaleurs fatales abondantes mais de faible contenu exergétique. En outre, une vigilance particulière est à porter à la production de froid et d’électricité, demandes énergétiques stationnaires en forte croissance et habituellement responsables de fortes émissions de gaz à effet de serre, en particulier lors des pics de demande. Cette problématique est particulièrement prégnante pour le secteur de la mobilité car il est responsable d’une grande partie de la consommation énergétique et de l’émission de gaz à effet de serre tant pour la propulsion proprement dite que pour les systèmes embarqués (froid). De fait, pour répondre à ces besoins, le cahier des charges fonctionnel des systèmes, que les inventeurs ont formulé, peut être résumé ainsi : A/ pouvoir générer du froid à partir d’une source de chaleur à basse température, éventuellement fluctuante, voire intermittente; B/ pouvoir produire de l’électricité à partir d’une source de chaleur à basse température, éventuellement fluctuante, voire intermittente ; C / pouvoir produire de façon concomitante du froid et de l’électricité à partir d’une source de chaleur à basse température, éventuellement fluctuante, voire intermittente; D/ pouvoir réguler de manière très précise et efficace le rapport entre production de froid et production électrique, et ce de préférence de manière continue (fonction D0). Aucun cycle thermodynamique en tant que tel ne peut, seul, atteindre l’ensemble de ces fonctionnalités. Les systèmes à absorption ammoniac-eau ont des avantages déjà bien identifiés comme celui de permettre d’atteindre des températures négatives ainsi que d’utiliser des pressions supérieures à l’ambiante, en comparaison à des cycles à absorption H 2 O-LiBr. Par ailleurs de tels systèmes ne comportent aucun fluide qui puisse contribuer à la destruction de la couche d’ozone ou à l’augmentation de l’effet de serre, comme c’est le cas de la plupart des fluides organiques utilisés dans la réfrigération. Par ailleurs des systèmes hybrides de co-production d’électricité et de froid ont déjà été conceptualisés. On connait ainsi de la publication [1] un système de coproduction d’électricité et de froid avec échangeur interne. Pour ce faire, le fonctionnement du système est basé sur un cycle qui combine un cycle de Rankine et un cycle de production de froid par absorption. Les différents composants du système sont agencés en série dans un circuit fluidique fermé. Le système décrit dans cette publication ne permet pas de faire varier les conditions de production d’électricité et de froid. La production de froid et la production d’électricité sont toujours simultanées. On connaît également de la publication [2] et de la demande de brevet EP3748274A1, un système de production d’énergie thermique et d’énergie électrique comprenant un dispositif à absorption comprenant un absorbeur, un générateur, un condenseur, un évaporateur et un circuit fluidique d’absorption apte à recevoir une solution de travail comprenant un fluide frigorigène et un absorbant, de préférence le couple ammoniac/eau (NH3/H2O), le circuit fluidique reliant le générateur au condenseur, le condenseur à l’évaporateur, l’évaporateur à l’absorbeur et l’absorbeur au générateur, le système comprenant en outre un compresseur réversible de type turbomachine en combinaison avec un module de gestion de la circulation du fluide frigorigène de sorte à assurer dans un premier mode de fonctionnement une production d’énergie électrique alternativement avec une production de froid ou de chaleur, et dans un deuxième mode de fonctionnement pour assurer une production d’énergie électrique. Le système décrit est compact, avec un nombre limité de composants et d’un coût réduit, qui permet en outre une intégration possible dans des applications non stationnaires. En revanche, dans ce système selon la publication [2] et EP3748274A1, les fonctions B/ et D/ précitées ne sont pas forcément possibles du fait: de l’importance des fuites conduisant à des pertes pour de très petits débits dans un expandeur de type machine volumétrique, telle qu’un dispositif dénommé « scroll » en langage anglo-saxon ; du comportement hors nominal pour un expandeur de type turbomachine, par exemple une turbine axiale, qui implique une relation précise entre débit et pression d’entrée dans l’expandeur. On connaît également du brevet ES2512990B1 un système de coproduction d’électricité et de froid comprenant, en plus des composants traditionnels d’un système mettant en œuvre un cycle à absorption un expandeur et un éjecteur agencé en aval de l’expandeur, qui n’a pas d’impact positif sur la production d’électricité. La fonction D/ n’est pas possible avec un système selon ES2512990B1. De plus, à la lecture de ce document, il ne ressort pas clairement comment le débit du fluide de travail est divisé entre production de froid et production électrique et s’il est possible d’en varier le rapport. Par ailleurs, récemment des éjecteurs à section variable ont été utilisés dans des cycles à compression mécanique de vapeur, dans le but d’améliorer les performances de ces cycles hors du point nominal : voir par exemple la publication [3]. Il existe par conséquent un besoin de proposer un système de co-production de froid et d’électricité qui permette de répondre à l’ensemble des fonctions du cahier des charges tel qu’énoncé ci-avant, soit des fonctions A/ et D/ et de préférence en outre à la fonction D0/. Pour ce faire, l’invention a pour objet un système de production de froid et d’énergie électrique comprenant : - un désorbeur, appelé générateur, - un condenseur, - un évaporateur, - un absorbeur, - un circuit fluidique d’absorption dans lequel circule un fluide de travail comprenant un fluide frigorigène et un absorbant, le circuit fluidique reliant le générateur au condenseur, le condenseur à l’évaporateur, l’évaporateur à l’absorbeur et l’absorbeur au générateur, - une turbine supersonique agencée sur le circuit fluidique entre le générateur et l’absorbeur en dérivation du condenseur et de l’évaporateur, la turbine étant configurée pour actionner une génératrice électrique pour produire de l’électricité, - au moins un éjecteur agencé sur le circuit fluidique entre le générateur et la turbine. Par « turbine supersonique », on entend ici et dans le cadre de l’invention, une turbine dont le régime en fonctionnement nominal est un écoulement supersonique à forte vitesse. L’éjecteur peut être un éjecteur simple ou à section du col variable. Par « éjecteur », on entend ici et dans le cadre de l’invention, un assemblage mécanique exploitant la dépression créée par l'effet Venturi et permettant de comprimer un fluide secondaire en le mélangeant à fluide primaire pressurisé, l’assemblage ne comportant pas de pièces mobiles transmettant d'énergie aux fluides. Par « éjecteur à section du col variable », on entend ici et dans le cadre de l’invention un éjecteur dans lequel on peut faire varier les dimensions de l’éjecteur que sont principalement les diamètres de la section du col sonique et/ou du mélangeur. Avantageusement, le fluide de travail comprend en tant que fluide frigorigène de l’ammoniac (NH 3 ) et en tant qu’absorbant de l’eau (H 2 O). D’autres couples fluide frigorigène/absorbant peuvent convenir. Selon une variante de réalisation avantageuse, le circuit fluidique comprend un échangeur agencé sur une ligne fluidique de dérivation, en dérivation de la connexion fluidique entre l’évaporateur et l’absorbeur, la ligne de dérivation étant connectée à l’injecteur du fluide secondaire de l’éjecteur, de sorte que l’échangeur réchauffe le fluide secondaire avant son entrée dans l’éjecteur. De préférence, la turbine est configurée pour entrainer la pompe de circulation du fluide de travail. Selon un mode de réalisation avantageux, le système comprend un rectifieur du fluide frigorigène, agencé entre le générateur et le condenseur. Selon ce mode et une variante avantageuse, les flux des solutions dites riche et pauvre du fluide de travail sont séparés en sortie du générateur ou en sortie du rectifieur. Selon une autre variante avantageuse, le fluide à la sortie de la pompe de circulation du fluide de travail est utilisé comme source froide du rectifieur. Selon un autre mode de réalisation avantageux, le système comprend une ligne fluidique de dérivation entre l’éjecteur et l’absorbeur, de sorte à augmenter la pression du fluide de travail dans ce dernier. Avantageusement, le système comprend en tant que source de chaleur une chaleur basse température avantageusement comprise entre 70°C et 150°C. L’invention a encore pour objet, un procédé de production d’énergie électrique et d’énergie thermique mis en œuvre par un système tel que décrit précédemment comprenant : - dans un premier mode de fonctionnement de production de froid seule, circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique successivement au travers du générateur, du condenseur, de l’évaporateur puis de l’absorbeur puis à nouveau dans le générateur; - dans un deuxième mode de fonctionnement de production d’énergie électrique seule, circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique successivement au travers du générateur, de la turbine supersonique associée à une génératrice électrique, de l’absorbeur puis à nouveau dans le générateur; - dans un troisième mode de fonctionnement de co-production de froid et d’énergie électrique, circulation d’une partie du fluide de travail dans le circuit fluidique successivement au travers du générateur, du condenseur, de l’évaporateur puis de l’absorbeur puis à nouveau dans le générateur et de l’autre partie du fluide de travail successivement au travers du générateur, de la turbine supersonique associée à une génératrice électrique, de l’absorbeur puis à nouveau dans le générateur; - dans un quatrième mode de fonctionnement de co-production de froid et d’énergie électrique avec un rapport régulé entre production de froid et production électrique, circulation d’une partie du fluide de travail dans le circuit fluidique successivement au travers du générateur, du condenseur, de l’évaporateur puis de l’absorbeur puis à nouveau dans le générateur et de l’autre partie du fluide de travail successivement au travers du générateur, de l’éjecteur, de la turbine supersonique associée à une génératrice électrique, de l’absorbeur puis à nouveau dans le générateur. L’invention a encore pour objet l’utilisation d’un système de production de froid et d’énergie électrique tel que décrit précédemment pour une production électrique d’une puissance supérieure à 100 kWe. Ainsi, l’invention consiste essentiellement à partir d’un système de production d’électricité et de froid comme décrit dans la demande EP3748274A1 à choisir une turbine supersonique pour réduisant le débit de fuite et garantir l’efficacité de la production électrique, et y ajouter en amont un éjecteur simple ou à section variable, permettant d’augmenter de manière continue la production de froid tout en gardant l’efficacité de la production électrique. Pour réaliser les différents modes de fonctionnement réalisant les fonctions A/, B/, C/, D/ et D0/, le système comprend un module de gestion du fluide du travail pilote un ensemble de vannes de réglages, deux vanne de détente dont l’ouverture est réglable et contrôle la vitesse de la pompe en fonction de la fluctuation de la source chaude ou des besoins. L’éjecteur selon l’invention permet d’augmenter le débit traversant la partie froide du circuit du fluide de travail, et donc la puissance froide produite, tout en gardant une bonne efficacité de production électrique (fonction D/). La fonction D0/ est assuré par un changement de la section de l’éjecteur de façon à en optimiser la performance pour chaque condition de fonctionnement. De nombreuses applications peuvent être envisagées pour un système selon l’invention, parmi lesquelles on peut citer : en tant qu’applications stationnaires, la production de froid et d’électricité sur des sources de chaleur à basse température (rejets thermiques sur des procédés industriels, solaire thermique, biomasse, géothermie, turbines à gaz, réseaux) ; les applications de transport avec des moteurs à essence, diesel et turbine à gaz ; les applications de transport sur des véhicules hybrides et électriques avec des besoins de froid. D’autre avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes. la représente un schéma général d’un système selon l’invention. la reprend le schéma du système selon la fonctionnant suivant un mode de fonctionnement permettant la production de froid seule à partir d’une source thermique. la reprend le schéma du système selon la fonctionnant suivant un mode de fonctionnement permettant la production d’énergie électrique seule à partir d’une source thermique. la reprend le schéma du système selon la fonctionnant suivant un mode de fonctionnement permettant la co-production simultanée d’énergie électrique et de froid à partir d’une source thermique. la reprend le schéma du système selon la fonctionnant suivant un mode de fonctionnement permettant la co-production simultanée d’énergie électrique et de froid à partir d’une source thermique, avec la possibilité de régler le rapport entre production de froid et production électrique. la représente un schéma avantageux d’agencement d’un éjecteur en amont d’une turbine supersonique dans un système selon l’invention. Système de production de froid et d’énergie électrique comprenant : - un désorbeur, appelé générateur (1), - un condenseur (2), - un évaporateur (3), - un absorbeur (4), - un circuit fluidique d’absorption (100) dans lequel circule un fluide de travail comprenant un fluide frigorigène et un absorbant, le circuit fluidique (100) reliant le générateur (1) au condenseur (2), le condenseur (2) à l’évaporateur (3), l’évaporateur (3) à l’absorbeur (4) et l’absorbeur (4) au générateur (1), - une turbine supersonique (5) agencée sur le circuit fluidique (100) entre le générateur (1) et l’absorbeur (4) en dérivation du condenseur (2) et de l’évaporateur (3), la turbine étant configurée pour actionner une génératrice électrique pour produire de l’électricité, - au moins un éjecteur (50) agencé sur le circuit fluidique entre le générateur et la turbine. Système selon la revendication 1, l’éjecteur étant un éjecteur simple ou à section du col variable. Système selon la revendication 1 ou 2, le fluide de travail comprenant en tant que fluide frigorigène de l’ammoniac (NH 3 ) et en tant qu’absorbant de l’eau (H 2 O). Système selon l’une des revendications précédentes, le circuit fluidique (100) comprenant un échangeur (14) agencé sur une ligne fluidique de dérivation (15) en dérivation de la connexion fluidique entre l’évaporateur (3) et l’absorbeur (4), la ligne de dérivation (15) étant connectée à l’injecteur du fluide secondaire de l’éjecteur (50) de sorte que l’échangeur (14) réchauffe le fluide secondaire avant son entrée dans l’éjecteur (50). Système selon l’une des revendications précédentes, la turbine (5) étant configurée pour entrainer la pompe (9) de circulation du fluide de travail. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant un rectifieur (13) du fluide frigorigène, agencé entre le générateur (1) et le condenseur (2). Système selon la revendication 6, les flux des solutions dites riche et pauvre du fluide de travail étant séparés en sortie du générateur (1) ou en sortie du rectifieur (13). Système selon la revendication 6 ou 7, le fluide à la sortie de la pompe (9) de circulation du fluide de travail étant utilisé comme source froide du rectifieur (13). Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant une ligne fluidique de dérivation entre l’éjecteur (50) et l’absorbeur (4) de sorte à augmenter la pression du fluide de travail dans ce dernier. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant en tant que source de chaleur une chaleur basse température avantageusement comprise entre 70°C et 150°C. Procédé de production d’énergie électrique et d’énergie thermique mis en œuvre par un système selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant : - dans un premier mode de fonctionnement de production de froid seule, circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique (100) successivement au travers du générateur (1), du condenseur (2), de l’évaporateur (3) puis de l’absorbeur (4) puis à nouveau dans le générateur (1) ; - dans un deuxième mode de fonctionnement de production d’énergie électrique seule, circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique (100) successivement au travers du générateur (1), de la turbine supersonique (5) associée à une génératrice électrique, de l’absorbeur (4) puis à nouveau dans le générateur (1) ; - dans un troisième mode de fonctionnement de co-production de froid et d’énergie électrique, circulation d’une partie du fluide de travail dans le circuit fluidique (100) successivement au travers du générateur (1), du condenseur (2), de l’évaporateur (3) puis de l’absorbeur (4) puis à nouveau dans le générateur (1) et de l’autre partie du fluide de travail successivement au travers du générateur (1), de la turbine supersonique (5) associée à une génératrice électrique, de l’absorbeur (4) puis à nouveau dans le générateur (1) ; - dans un quatrième mode de fonctionnement de co-production de froid et d’énergie électrique avec un rapport régulé entre production de froid et production électrique, circulation d’une partie du fluide de travail dans le circuit fluidique (100) successivement au travers du générateur (1), du condenseur (2), de l’évaporateur (3) puis de l’absorbeur (4) puis à nouveau dans le générateur (1) et de l’autre partie du fluide de travail successivement au travers du générateur (1), de l’éjecteur (50), de la turbine supersonique (5) associée à une génératrice électrique, de l’absorbeur (4) puis à nouveau dans le générateur (1). Utilisation d’un système de production de froid et d’énergie électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 pour une production électrique d’une puissance supérieure à 100 kWe.