Brevet FR3138938A1 — publié le 20240223

La présente invention concerne une machine thermique à cycle de puissance à CO2 supercritique qui peut être utilisée pour la production d’énergie électrique. L’innovation est représentée par l’absence de la pompe/compresseur dans le cycle de puissance et par son fonctionnement à pressions élevées à basses températures. Le circuit fermé contenant le fluide moteur est composé d’un réservoir/condenseur relié par des vannes à deux ou plusieurs dispositifs qui ont la fonction de concentrateurs, d’évaporateurs et de condenseurs selon les besoins. Le réservoir contient du dioxyde de carbone à l’état liquide et gazeux à une température inférieure à sa température critique. La quantité de fluide à l’état liquide doit permettre le remplissage des concentrateurs/évaporateurs/condenseurs par le principe des vases communicants. Les concentrateurs/évaporateurs/condenseurs ont plusieurs fonctions: quand ils sont refroidis le CO2 liquide contenu dans le réservoir passe dans le concentrateur; par réchauffement le CO2 à très haute densité passe à l’état supercritique. Dans ces conditions le concentrateur fonctionne comme un véritable évaporateur pour produire du travail mécanique par le moyen d’un détendeur volumétrique. Ce processus continue jusqu’au moment que sa pression baisse et l’évaporateur termine d’alimenter le détendeur. Une fois exclus de l’alimentation du détendeur il est immédiatement substitué par un deuxième évaporateur prêt à prendre le relais. Pendant la phase d’expansion du gaz il y a toujours un concentrateur froid qui se charge de fluide à état liquide pour, après être chauffé, se transformer en évaporateur à haute densité et à haute pression qui entraîne le détendeur. MACHINE THERMIQUE À BASSE TEMPÉRATURE UTILISANT UN CYCLE DE PUISSANCE À CO2 SUPERCRITIQUE (S-CO2) La présente invention concerne une machine thermique à cycle de puissance à CO2 supercritique (S-CO2) à basse température qui peut être utilisée, entre autres applications, pour la production d’énergie électrique à partir d'énergies renouvelables et de la récupération de chaleur des activités industrielles et tertiaires. Les machines thermiques sont constituées fondamentalement d’un évaporateur, un détendeur, un condenseur et une pompe pour transférer le fluide refroidi à l’état liquide du condenseur à basse pression à l’évaporateur à haute température et à haute pression. Ils existent des solutions qui prévoient l’élimination de la pompe dans le cycle mais pour des différences de pressions moins importantes et avec des pertes du travail utile produit par la machine pour garantir la continuité des cycles. Les systèmes thermodynamiques à basse températures, pour avoir des bons rendements, doivent réduire au maximum les pertes d’énergie utile produite et nous avons éliminé avec cette invention un élément, la pompe, très énergivore et complexe pour un système fonctionnant à des pressions très élevées. La machine thermique objet de cette invention est constitué, dans sa forme la plus simple, des suivants éléments : une source chaude (5), une source froide (4), deux circuits de fluide approprié (17 et 18) qui alimentent les échangeurs de chaleur (6) par les sources froide et chaude, un circuit fermé dans lequel est contenu le fluide moteur, un détendeur volumétrique (8), un volant libre (9) et un générateur d’électricité (10). Le circuit fermé est composé de trois typologies de composants ayant des caractéristiques spécifiques : un réservoir / condenseur (1) avec à l’intérieur un échangeur de chaleur (6) relié à la source froide, deux ou plusieurs concentrateur / évaporateur / condenseur (2 et 3) avec à l’intérieur un échangeur de chaleur (6) relié alternativement à la source froide et à la source chaude et un gaz-cooler (7). Ces éléments sont en communication entre eux par des électrovannes (de 11 à 16) commandées par une unité de contrôle électronique. Deux vannes de sécurité (20) et trois manomètres (19) sont placées dans le circuit. Il est aussi important de remarquer que les composants de ce circuit doivent respecter des positionnements compatibles avec leur fonctionnement et tenir compte des principes de la mécanique des fluides et notamment des vases communicants. Le réservoir / condenseur contient la quantité la plus importante de la totalité de CO2 présente dans le circuit. Le CO2 est maintenu constamment à basse température par la source froide (4) au moyen d’un échangeur de chaleur (6). Le réservoir / condenseur doit contenir du CO2 soit à l'état liquide soit à l'état de gaz. La quantité de CO2 à l’état liquide doit atteindre un niveau qui permet d’avoir une densité du fluide comme indiqué dans la (21). Le concentrateur / évaporateur / condenseur constitue la partie la plus importante et innovante du circuit et sert à éliminer la présence de la pompe dans le circuit. Ce dispositif est en effet un échangeur de chaleur contenant du CO2 et en communication par le bas avec le bas du réservoir / condenseur et par le haut soit avec la partie haute du réservoir / condenseur soit avec le détendeur volumétrique. La particularité du dispositif est sa multifonctionnalité en fonction des températures, des densités et des pressions du CO2. Le fonctionnement de cet élément prévoit les opérations suivantes: - dans une première phase l’échangeur de chaleur (6) est relié à la source froide (5) et, avec l’ouverture des vannes vers le réservoir et par le principe des vases communicantes, on a une très forte concentration de CO2 à l'état liquide à basse température et à haute densité (concentrateur); - ensuite, après la fermeture des vannes du réservoir et l’ouverture de la vanne du détendeur, par augmentation de la température au moyen de l’échangeur de chaleur (6) relié cette fois à la source chaude (4), le CO2 passe à l'état supercritique à très forte pression, due à sa haute densité, pour produire du travail mécanique à travers le détendeur volumétrique (évaporateur); - finalement, après que la plupart du CO2 est passé dans le réservoir / condenseur, à travers le détendeur, on refroidi, par le moyen de l’échangeur relié à la source froide, le reste du gaz pour avoir un condenseur à faible quantité de CO2 (condenseur). Les concentrateurs / évaporateurs / condenseurs communiquent avec le réservoir / condenseur par le bas à travers les électrovannes (11 et 12) et par le haute à travers les électrovannes (13 et 14) en permettant, par le principe des vases communicants, le passage du CO2 liquide dans le concentrateur / évaporateur / condenseur pendant la phase de recharge en CO2 liquide du concentrateur. Par la suite de l’exposé on va désigner chaque fois le concentrateur / évaporateur / condensateur avec le nom de la fonction exercée au moment considéré (concentrateur, évaporateur ou condenseur). Le gaz-coolers (7) permet de refroidir plus rapidement le CO2 à l’état supercritique avant d’entrer dans le condenseur. Le détendeur volumétrique (8) peut être de type quelconque et peut être choisi selon les exigences de chaque machine. Le volant (9) sert à corriger les irrégularités d’énergie mécanique produite pendant le cycle. Enfin on peut utiliser, pour la production d’énergie électrique un alternateur ou une dynamo (10). Les caractéristiques les plus significatifs de la présente invention sont: - La possibilité d’avoir des bons rendements à des basses températures du fluide moteur; - L’élimination de la pompe dans le cycle thermodynamique comportant des économies d’énergie utile produite et la réduction de composants mobiles et des coûts de maintenance; - L’utilisation de composants disponibles normalement dans le marché; - Une modularité d’assemblage qui permet d’incrémenter les performances de la machine thermique en ajoutant des modules d’extension; - Une variété de modes de fonctionnement possibles gérée par l’unité électronique de contrôle. Pour atteindre ces objectifs on a utilisé, comme fluide moteur, le dioxyde de carbone soit à l’état supercritique soit à l’état liquide. L’utilisation du dioxyde de carbone permet de travailler à des températures proches des températures ambiantes et avec un écart réduit de températures entre la source à haute température et celle à basse température (à partir d'environ 40-50 degrés). La machine peut atteindre des bonnes performances dans un intervalle de températures proches de la température critique du fluide moteur (31°), en utilisant des densités appropriées. Avant d'exposer le fonctionnement de la machine, il faut rappeler les caractéristiques du dioxyde de carbone qui sera désigné par la suite CO2. Le CO2 est un gaz incolore, inodore, ininflammable, chimiquement peu réactif et non toxique. La présente invention utilise ce fluide à des températures proches de son point critique (31°C) pour en disposer soit à l'état liquide, soit à l'état supercritique. Il faut aussi rappeler que la basse valeur de la chaleur spécifique du gaz carbonique permet de faire varier sa température plus facilement. Dans un mode de réalisation, non limitatif, représenté dans la le moteur thermique comporte les éléments base déjà exposés: - une source chaude (5) et une source froide (4) ; - deux circuits de fluide approprié qui alimentent les échangeurs de chaleur par les sources froide et chaude (17 et 18) - un réservoir / condenseur (1) avec à l’intérieur un échangeur de chaleur (6) - deux concentrateur / évaporateur / condenseur (2 et 3) avec un échangeur de chaleur (6) - un gaz-cooler (7) - un détendeur volumétrique (8) - un volant libre (9) - un générateur d’électricité (10) - des électrovannes (de 11 à 16) commandées par une unité de contrôle électronique - deux vannes de sécurité (20) et trois manomètres (19) Pour simplifier l'exposé du fonctionnement de la machine thermique dans cet exemple, et de façon non limitative, pour haute température (H.T.) du fluide moteur (gaz carbonique) on entend environ 70-80 degrés, et pour basse température (B.T.) environ 15-25 dégrées. Dans ces conditions on peut avoir, selon la densité du CO2, des valeurs très importantes de pression du CO2 à haute température et, dans un cycle thermodynamique classique, le passage du condenseur à basse pression à l’évaporateur à haute pression demande une partie importante de travail produit pour le fonctionnement de la pompe. L’élimination de la pompe nous permet dans notre cas de récupérer cette énergie. Au début du cycle les conditions sont les suivantes: - les électrovannes (11 et 13) sont ouvertes et les électrovannes (12, 14, 15 et 16) sont fermées; - le réservoir / condenseur (1) est rempli de CO2 de façon que le niveau de la partie liquide supère la hauteur du concentrateur (2); - le concentrateur (2) maintenue à basse température (B.T.) par le moyen de l’échangeur (6) relié à la source froide (4) est complètement rempli de CO2 à l’état liquide par le principe des vases communicants et, étant en communication avec le réservoir / condenseur la pression globale est uniforme; - le condenseur (3) refroidit et maintenu à basse température (B.T.) par le moyen de l’échangeur (6) relié à la source froide (4) contient seulement du CO2 à l’état de vapeur à basse densité et à basse pression; Le cycle commence par la fermeture des électrovannes (11 et 13), l’ouverture des vannes (12 et 14) et le réchauffement de l’évaporateur (2) par le moyen de l’échangeur (6) relié à la source chaude (5). La fermeture des vannes détermine une forte augmentation de la densité du CO2 dans le concentrateur. Par l’augmentation de la température dans l’évaporateur (2) la pression du fluide monte et quand elle arrive au valeur de consigne l’unité de contrôle électronique commande l’ouverture de l’électrovannes 15 pour démarrer le détendeur volumétrique. À la sortie du détendeur le CO2 traverse le gaz-cooler (7) où il se refroidit pour passer dans le condenseur (1) et le condenseur (3). La pression exercée par le gaz provenant du détenteur sur la surface du CO2 liquide contenu dans le réservoir (1) facilite le passage de CO2 liquide dans le condenseur (3). Une fois réduite, dans l’évaporateur (2), la quantité de CO2 nécessaire à obtenir la pression pour produire le travail prévu, l'électrovanne (15) est fermée. Pendant la première série de cycles réalisée par l’évaporateur (2) le condenseur (3) est rempli de CO2 liquide en se transformant d’abord en concentrateur (3) par la fermeture des vannes (12 et 14) et ensuite, après son réchauffement et l’ouverture de la vanne (16), en évaporateur (3) pour la nouvelle série de cycles thermodynamiques. Après la fermeture des vannes (12 et 14), l’ouverture des vannes (11 et 13) et l’inversion de la température (de H.T. à B.T.) dans l’évaporateur (2) déterminera sa transformation en condenseur (2) pour la nouvelle série de cycles thermodynamiques. Le système décrit a éliminé la nécessité d’une pompe pour le transfert du fluide moteur du condenseur à l’évaporateur. On a une discontinuité de valeurs de pression du gaz carbonique dans l’évaporateur en raison des variations de densité du gaz mais on peut aussi choisir les intervalles de température et de pression selon les besoins. Toutes les différences de valeurs de travail produit dues aux variations des pressions du CO2 créées par les variations de sa densité au long du cycle sont régularisées par un volant (9). Enfin un générateur d’énergie électrique (10) relié au volant transforme l’énergie mécanique produite en énergie électrique. Pour résumer, le fonctionnement de la machine comporte les phases suivantes: - une phase initiale d'équilibre: la température du CO2 dans la totalité du circuit fermé est maintenue basse par les échangeurs de chaleur. La densité globale du CO2 dans le circuit doit permettre d'avoir la quantité nécessaire de CO2 en phase liquide. La forme et la disposition des éléments permettent d'avoir dans le concentrateur (1) du CO2 liquide en grande quantité; - une phase d’expansion du gaz : le concentrateur (2), contenant du fluide moteur à l'état liquide et à basse température, est isolé du reste du circuit par des électrovannes. Le CO2 à haute densité est réchauffé en déterminant une forte augmentation de sa pression. Une fois la pression nécessaire atteinte, l'ouverture de l'électrovanne (15), positionnée entre l’évaporateur (2) et le détendeur (8) permet au gaz de générer du travail mécanique qui est transformé en énergie électrique par un générateur d’électricité (10); - une phase de condensation du gaz: le gaz sortant du détendeur volumétrique à haute température est transféré, en se refroidissant à travers le gas-cooler (7), au condenseur (3) et au réservoir / condenseur (1). Dans cette phase la pression du CO2 n'augmente pas, mais il y a une transformation de part du CO2 à l'état liquide. - et enfin une phase de retour aux conditions initiales : après la condensation du CO2 dans le réservoir / condenseur (1) et le condenseur (3), la fermeture des vannes (12 et 14) augmente la densité du concentrateur (3) pour revenir ainsi aux conditions de départ pour une nouvelle série de cycles. Dans ce moteur thermique le passage du fluide moteur du condenseur froid et à basse pression à l’évaporateur chaud et à haute pression est effectué sans apports d’énergie mécanique (pompe ou compresseur). Les concentrateurs / évaporateurs / condensateurs fonctionnent comme concentrateurs du fluide moteur et comme condenseurs quand ils sont refroidis par l’échangeur relié à la source froide et ils sont en communication avec le conteneur / condenseur par l’ouverture des vannes en bas et en haut qui permettent le transfert du CO2 liquide par le principe des vases communicants. Les concentrateurs / évaporateurs / condensateurs fonctionnent comme évaporateurs du fluide moteur quand ils sont chauffés par l’échangeur relié à la source chaude, ils sont isolés du conteneur par la fermeture des vannes et ils sont en communication avec le détendeur volumétrique par l’ouverture de la vanne. Le volume du concentrateur / évaporateur / condenseur par rapport au détendeur et la pression minimale de consigne déterminent la durée du cycle d’expansion pour chaque recharge en CO2 liquide. Les ouvertures et les fermetures des électrovannes sont gérées par une unité de contrôle électronique qui permet d’optimiser les performances de la machine en fonction des conditions externes comme les valeurs de la source froide, de la source chaude et des pressions dans l’évaporateur et dans le condenseur. Des vannes de sécurité (20) sont prévues dans les parties soumises à des hautes pressions pendant le fonctionnement du moteur. Les manomètres (19) contrôlent les pressions du CO2 dans le circuit. Le moteur thermique objet de cette invention peut, parmi d'autres utilisations, entraîner un générateur d’énergie électrique (10) pour la production d’énergie électrique. Les combustibles nécessaires à la création de la source chaude peuvent être les plus variés, le moteur étant à combustion externe et à basse température. Des ressources renouvelables, comme l'énergie solaire, la géothermie ou la biomasse, peuvent fournir les calories nécessaires au fluide moteur pour atteindre les températures de travail. La source de chaleur plus intéressante que on peut utiliser pour produire de l’électricité avec la machine thermique objet de cette invention est celle que on a déjà disponible en grande quantité en milieu industriel: la chaleur fatale. Comme déjà indiqué une caractéristique importante de cette invention est sa modularité qui, avec la possibilité d’obtenir des résultats différents en fonction des températures utilisées, permet de bien définir le choix du produit et d’évoluer, avec l’intégration de modules spécifiques, vers solutions plus performantes. L’intégration, par exemple, d’un ou plusieurs concentrateurs / évaporateurs / condenseurs dans la machine que nous venons d’exposer permet d’éliminer les temps inactifs entre les séries de cycles ou de travailler à des pressions plus élevées pour les mêmes températures ou encore de travailler à des températures plus basses. Tous ces modes de fonctionnement différents sont gérés par l’unité électronique de contrôle. Avec une intervention sur le logiciel nous pouvons, par exemple, faire travailler la machine dans de conditions différentes de celles initialement prévues. Le mode de réalisation présenté n’est pas limitatif. Sans sortir du cadre de l’invention, de nombreuses variantes technologiques sont possibles, notamment dans les choix des matériaux et des composants les plus adaptés à chaque usage. Moteur thermique à combustion externe et à basse température caractérisé en ce qu’il est constitué par: une source chaude (5) et une source froide (4) ; deux circuits de fluide approprié qui relient les échangeurs de chaleur (6) et les sources froide et chaude (17 et 18); un circuit fermé dans lequel est contenu le fluide moteur composé d’un réservoir / condenseur (1), deux ou plusieurs concentrateurs / évaporateurs / condenseurs (1 et 2) et un gaz-cooler (7); des électrovannes (de 11 à 16) commandées par une unité de contrôle électronique; un détendeur volumétrique (8); un volant libre (9); un générateur d’électricité (10). Moteur thermique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le fluide moteur est constitué par le dioxyde de carbone utilisé soit à l’état liquide soit à état supercritique. Moteur thermique suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le passage du fluide moteur du condenseur froid et à basse pression à l’évaporateur chaud et à haute pression est effectué sans apports d’énergie mécanique (pompe ou compresseur). Moteur thermique suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que les concentrateurs / évaporateurs / condensateurs fonctionnent comme concentrateurs du fluide moteur et comme condenseurs quand ils sont refroidis par l’échangeur relié à la source froide et ils sont en communication avec le conteneur / condenseur par l’ouverture des vannes en bas et en haut qui permettent le transfert du CO2 liquide par le principe des vases communicants. Moteur thermique suivant les revendication 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que les concentrateurs / évaporateurs / condensateurs fonctionnent comme évaporateurs du fluide moteur quand ils sont chauffés par l’échangeur relié à la source chaude, ils sont isolés du conteneur par la fermeture des vannes et ils sont en communication avec le détendeur volumétrique par l’ouverture de la vanne. Moteur thermique suivant les revendication 1, 2, 3, 4 et 5 caractérisé en ce que les ouvertures et les fermetures des électrovannes sont gérées par une unité de contrôle électronique, qui permet d’optimiser les performances de la machine en fonction des conditions externes comme les valeurs de la source froide, de la source chaude et des pressions dans l’évaporateur et dans le condenseur. Moteur thermique suivant selon l'une quelconque des revendications de 1 à 6 caractérisé en ce que l’énergie mécanique produite par le détendeur volumétrique est régularisée par un volant (9) qui entraîne un générateur d'énergie électrique (10).