Brevet FR3152541A1 — publié le 20250307

Titre : Groupe électrogène à énergie renouvelable à moteur à vapeur et à moteur Stirling L’invention concerne un groupe électrogène comprenant : - une chaudière (1) à énergie renouvelable produisant de la vapeur d’eau sous haute pression (101) à partir d’eau liquide (100) ; - une machine à vapeur (3) entraînant en rotation un premier arbre de transmission (31) à partir de la vapeur d’eau sous haute pression (101) ; - un moteur Stirling (4) entraînant en rotation un second arbre de transmission (41), le moteur Stirling (4) utilisant la vapeur d’eau sortant de la machine à vapeur (3), dite vapeur d’eau sous basse pression (103), comme source chaude du moteur Stirling (4) ; - au moins une génératrice (6) auquel est couplé le premier arbre de transmission (31) pour produire de l’électricité, et le second arbre de transmission (41) pour produire de l’électricité. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Groupe électrogène à énergie renouvelable à moteur à vapeur et à moteur Stirling Le domaine de l’invention est celui de la conception et de la fabrication de groupes électrogène. L’invention concerne plus particulièrement un groupe électrogène utilisant une énergie renouvelable. Les groupes électrogènes permettent de produire de l'électricité de manière autonome, et sont fortement utilisés par exemple en milieu agricole car les exploitations sont souvent en bout de ligne électrique et sont soumises à des coupures courtes mais relativement fréquentes, ou bien sur des chantiers dépourvus d'alimentation en électricité. Dans le domaine de l’invention, il est connu le brevet français publié sous le n°FR2869095 qui décrit une installation de chauffage au bois produisant de l'eau chaude et de la vapeur, cette dernière faisant tourner un alternateur via un moteur à piston. Il est également connu : - le document de brevet publié sous le n°WO2007079561, qui décrit une microcentrale utilisant la combustion d'une biomasse pour produire de la vapeur d'eau qui fait tourner une turbine pour actionner une génératrice ; - le brevet français publié sous le n°FR2901350, qui décrit une installation de chauffage au bois produisant de l'eau chaude et de la vapeur, cette dernière faisant tourner un alternateur via un moteur Stirling et la vapeur étant ensuite condensée et recyclée ; - le brevet taiwanais publié sous le n°TW200819617, qui décrit un dispositif convertissant une biomasse en électricité via un moteur Stirling dont la source chaude est directement la chambre de combustion, puis utilisant le reste de la chaleur pour produire de la vapeur d'eau pour une utilisation ultérieure. Ces dispositifs ne procurent néanmoins des rendements satisfaisant, et plus particulièrement en fonction de leurs encombrements. L’invention a notamment pour objectif de pallier à cet inconvénient de l’art antérieur. Plus précisément, l’invention a pour objectif de proposer un groupe électrogène présentant un rendement meilleur que ce qui est permis par l’art antérieur. L’invention a également pour objectif de proposer un tel groupe électrogène qui présente un rapport rendement/encombrement meilleur que ce qui est permis par l’art antérieur. Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l’invention qui a pour objet un groupe électrogène comprenant : - une chaudière à énergie renouvelable produisant de la vapeur d’eau sous haute pression à partir d’eau ; - une machine à vapeur entraînant en rotation un premier arbre de transmission à partir de la vapeur d’eau sous haute pression ; - au moins une génératrice auquel est couplé le premier arbre de transmission pour produire de l’électricité ; caractérisé en ce qu’il comprend également un moteur Stirling entraînant en rotation un second arbre de transmission couplé à la ou l’une des génératrices pour produire de l’électricité, le moteur Stirling utilisant la vapeur d’eau sortant de la machine à vapeur, dite vapeur d’eau sous basse pression, comme source chaude du moteur Stirling. Le groupe électrogène selon l'invention présente un rendement amélioré grâce à l'énergie mécanique supplémentaire procuré par le moteur Stirling qui utilise la vapeur d'eau sortant de la machine à vapeur. Selon une caractéristique avantageuse, le groupe électrogène comprend un condenseur recevant la vapeur d’eau sous basse pression et produisant de l’eau liquide, le moteur Stirling étant associé au condenseur pour utiliser la vapeur sous basse pression située dans le condenseur comme source chaude. L'association du moteur Stirling au condenseur permet d'obtenir de l'eau liquide au sortir de ces deux éléments, sans nécessiter un condenseur présentant des dimensions importantes. L'encombrement global de groupe électrogène, mis en rapport avec son rendement, est notamment plus avantageux que celui d’un groupe électrogène qui ne disposerait pas d'un moteur Stirling, et qui comprendrait un condenseur plus massif pour produire de l’eau liquide. Selon une conception préférée, la chaudière comprend un échangeur thermique dans lequel de l’eau liquide est destinée à être évaporée, et l’eau liquide issue du condenseur est envoyée dans l’échangeur thermique. L'eau utilisée dans le groupe électrogène circule ainsi en circuit fermé. Il n'est alors pas ou peu nécessaire de fournir de l'eau complémentaire au groupe électrogène lors de son fonctionnement. Selon une variante avantageuse, le groupe électrogène comprend un sas entre le condenseur et l’échangeur thermique, le sas comprenant un volume intermédiaire encadré par deux vannes, dont une vanne, dite vanne froide, située entre le volume intermédiaire et le condenseur, et une vanne, dite vanne chaude, située entre le volume intermédiaire et l’échangeur thermique, et le condenseur, le sas, et l’échangeur thermique forment une voie d’écoulement gravitaire en direction de l’échangeur thermique. De cette manière, le réapprovisionnement de l'échangeur thermique en eau liquide issue du condenseur est réalisé de manière simple et économe en énergie. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageuse, le groupe électrogène comprend un stockage de biomasse combustible sous forme de particules, préférentiellement sous forme de pellets, et en ce que la chaudière est une chaudière à biomasse et comprend un four alimenté en biomasse combustible depuis le stockage de biomasse par l’intermédiaire d’un convoyeur, préférentiellement une vis sans fin. Grâce à ce mode de réalisation, le groupe électrogène n'utilise pas une énergie fossile tel que de l'essence ou du diesel, ou bien des gaz, comme source d'énergie. La biomasse utilisée peut correspondre à du bois broyé, ou bien préférentiellement par exemple à des pellets de bois. Une caractéristique préférée, le groupe électrogène comprend un automate asservissant une alimentation en air et une alimentation en biomasse combustible de la chaudière à biomasse en fonction d’une consigne. Un tel automate facilite la mise en œuvre du groupe électrogène et sa régulation. Préférentiellement, le groupe électrogène comprend un accumulateur électrique tampon associé à la génératrice. Il peut ainsi être compensé l'inertie du groupe électrogène pour faire varier sa production de vapeur d'eau à des fluctuations rapides d’une consommation d'électricité. L'invention a également pour objet un procédé de production d’électricité à partir d’énergie renouvelable dans un groupe électrogène, comprenant : - une étape de production d’une vapeur d’eau sous haute pression à partir d’eau liquide dans une chaudière à énergie renouvelable ; - une étape de transformation de la vapeur d’eau sous haute pression en un premier mouvement mécanique par une machine à vapeur ; - une étape de génération d’électricité au moins à partir du premier mouvement mécanique issu de l’étape de transformation ; caractérisé en ce qu’il comprend également : - une étape complémentaire de transformation d’une partie des calories contenues dans la vapeur d’eau sous basse pression issue de l’étape de transformation, en un second mouvement mécanique, par un moteur Stirling et en ce que lors de l’étape de génération d’électricité, de l’électricité est également générée à partir du second mouvement mécanique. Ce procédé présente les mêmes avantages que le groupe électrogène précédemment décrits. Avantageusement, le procédé comprend, concomitamment à l’étape complémentaire de transformation, une étape de condensation de la vapeur d’eau sous basse pression issue de l’étape de transformation. Préférentiellement, l’eau liquide issue de l’étape de condensation est réutilisée pour l’étape de production d’une vapeur d’eau sous haute pression. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de différents modes de réalisation préférentiels de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels : FIG. 1 la FIG. 1 est une représentation schématique d’un générateur électrique selon l'invention ; FIG. 2 la FIG. 2 est une représentation schématique d’un sas entre un condenseur et un échangeur thermique d’une chaudière du générateur électrique selon l’invention. Tel que cela est visible sur En référence à la FIG. 1 , un groupe électrogène selon l'invention est représenté. Le groupe électrogène comprend une chaudière 1 à énergie renouvelable qui produit de la vapeur d’eau sous haute pression 101 à partir d'eau liquide 100. La chaudière 1 comprend un échangeur 11 de chaleur dans lequel de l'eau liquide 100 est évaporée. Selon un mode de réalisation envisageable non représenté, la chaudière 1 à énergie renouvelable est une chaudière solaire, et utilise le rayonnement solaire pour évaporer l'eau liquide 100. Selon le présent mode de réalisation, la chaudière 1 à énergie renouvelable est une chaudière 1 à biomasse. La chaudière 1 comprend alors un four 12 dans lequel la biomasse est brûlée, et qui est associé avec l'échangeur 11 de chaleur pour permettre l'évaporation de l'eau liquide 100. À cet effet, le groupe électrogène comprend un stockage 2 de biomasse combustible 20 sous forme de particules. Préférentiellement, la biomasse combustible 20 sous forme de particules correspond à des pellets de bois. Le stockage 2 est alors formé par un silo dans lequel les pellets de bois sont approvisionnés et qui s'écoulent jusqu'en bas du silo sous l'effet de la gravité. Le groupe électrogène comprend également un convoyeur 21 qui permet d'alimenter le four 12 en biomasse combustible 20 depuis le stockage 2. Ce convoyeur 21 peut prendre la forme d'une vis sans fin mise en rotation par l'intermédiaire d'un moteur. La chaudière 1 comprend encore : - une alimentation en air 13 comprenant par exemple un moteur dont la rotation propulse un flux d’air (illustré par la flèche en pointillés) dans le four 12 ; - des moyens d’évacuation 14 de cendres. La chaudière 1 produit de la vapeur d'eau sous haute pression 101, par exemple à une température de 200°C, et à une pression de 20 bar. Le groupe électrogène, tel que cela est illustré par la FIG. 1 comprend également une machine à vapeur 3. Cette machine à vapeur 3 entraîne en rotation un premier arbre de transmission 31 grâce à la vapeur d’eau sous haute pression 101 produite par la chaudière 1. Cette machine à vapeur 3 peut par exemple prendre la forme d'une machine à piston. La machine à vapeur 3 peut encore prendre la forme d'une turbine à vapeur. Au sortir de la machine à vapeur 3, la vapeur d'eau est sous basse pression. En d'autres termes, la vapeur d'eau a été décomprimée par son travail dans la machine à vapeur 3. Par exemple vapeur d’eau sous basse pression 103 peut être à une pression de 5 bar. Le groupe électrogène comprend encore un moteur Stirling 4. Les moteurs Stirling 4 sont des moteurs bien connus de l'état de la technique, et correspondent à des moteurs à combustion externe et à fluide de travail en cycle fermé, utilisant une source chaude et une source froide. Ce moteur Stirling 4 entraîne en rotation un second arbre de transmission 41 grâce aux calories présente dans la vapeur d’eau sous basse pression 103. La vapeur d’eau sous basse pression 103 forme ainsi la source chaude du moteur Stirling 4. La source froide est formée par l'air ambiant entourant le moteur Stirling 4. A cet effet, ce moteur Stirling 4 comprend un organe radiateur, avantageusement pourvus d’ailettes de refroidissement. Un ventilateur peut avantageusement être intégré dans le groupe électrogène afin d’envoyer un flux d’air sur les ailettes de refroidissement. Le moteur Stirling 4 peut également comprendre un circuit de liquide caloporteur associé à l’organe radiateur afin d’optimiser le refroidissement, et ainsi le maintien à une température stable de la source froide formée. Selon le présent mode de réalisation, le groupe électrogène comprend un condenseur 5. Ce condenseur 5 reçoit la vapeur d’eau sous basse pression 103 et produit de l'eau liquide 100. Tel que cela est illustré, le condenseur 5 est associé au moteur Stirling 4. Le moteur Stirling 4 utilise ainsi la vapeur d’eau sous basse pression 103 située dans le condenseur 5 comme source chaude. Le moteur Stirling 4 participe ainsi à la condensation de la vapeur d’eau sous basse pression 103 en eau liquide 100. Selon un mode de réalisation envisageable, le groupe électrogène comprend également des moyens d’échange de calories servant d’interface entre la vapeur d’eau sous basse pression 103 et le moteur Stirling 4. Ces moyens d’échange de calories peuvent comprendre un circuit à fluide caloporteur, par exemple un circuit à huile. Dans ce cas, le moteur Stirling 4 utilise la vapeur d’eau sous basse pression 103 comme source chaude de manière indirecte grâce au circuit à huile qui sert d’interface. Ce circuit à huile peut être intégré au condenseur 5. Les moyens d’échange de calories peuvent également comprendre des ailettes de transfert plongeant dans le condenseur. Ces ailettes de transfert peuvent être parcourues par le circuit à fluide caloporteur, ou s’étendre à partir d’un bloc intégrant le circuit à fluide caloporteur. Selon le présent mode de réalisation, l'eau liquide 100 issu du condenseur 5 est envoyée dans l'échangeur 11 thermique de la chaudière 1. En conséquence, l'eau circule dans le groupe électrogène en circuit fermé. Pour envoyer l’eau liquide 100 depuis le condenseur 5 jusque dans l'échangeur 11 thermique, le groupe électrogène comprend un sas 9 entre le condenseur 5 et l'échangeur 11 thermique. En référence à la FIG. 2 , le sas 9 comprend un volume intermédiaire 91 qui est encadré par deux vannes : une vanne froide 92, et une vanne chaude 93. Ces vannes sont notamment des électrovannes qui comprennent une voie ouverte O et une voie fermée F. La vanne froide 92 est située entre le volume intermédiaire 91 et le condenseur 5. La vanne chaude 93 est quant à elle située entre le volume intermédiaire 91 et l'échangeur 11 thermique. Tel que cela est illustré par la FIG. 2 , l'axe de la gravité F et sa direction sont représentés par une flèche. Le condenseur 5, le sas 9, et l'échangeur 11 thermique forment une voie d'écoulement gravitaire G en direction de l’échangeur 11 thermique. Cette voie d'écoulement gravitaire G s'étend le long de l'axe de la gravité F dans la direction de la gravité, et préférentiellement parallèlement à l'axe de la gravité F. Selon un mode de réalisation envisageable, le groupe électrogène pourrait comprendre une pompe pour injecter l’eau liquide 100 produite par le condenseur 5 dans l'échangeur 11 thermique. Un cycle de fonctionnement du sas 9 est décrit ci-après. Les vannes sont initialement dans un état fermé. Le volume intermédiaire 91 comprend alors de la vapeur d’eau sous haute pression 101. Tout d'abord, la vanne froide 92 s’ouvre. Les pressions s'équilibrent alors entre le conduit intermédiaire et le condenseur 5, et le conduit intermédiaire 91 se remplit d'eau liquide 100 depuis le condenseur 5, et se vide de la vapeur d’eau sous haute pression 101. La vanne froide 92 est ensuite fermée, puis la vanne chaude 93 ouverte. Il se produit un équilibrage de pression entre le conduit intermédiaire 91 et l'échangeur 11 thermique de la chaudière 1, et le conduit intermédiaire 91 se vide de son eau liquide 100 dans l'échangeur 11 et se remplit de vapeur d’eau sous haute pression 101. La vanne chaude 93 peut alors être fermée. En référence à la FIG. 1 , le groupe électrogène comprend au moins une génératrice 6 auquel est couplé le premier arbre de transmission 31, et le second arbre de transmission 41 pour produire de l’électricité. Selon le présent mode de réalisation, le groupe électrogène comprend une génératrice 6 pour chaque arbre de transmission. Selon un mode de réalisation envisageable, le premier arbre de transmission 31 et le second arbre de transmission 41 sont formés par un unique arbre de transmission et le groupe électrogène comprend alors des moyens de transmission permettant d’adapter l’un à l’autre les mouvements mécaniques issus de la machine à vapeur et du moteur Stirling, et cet unique arbre de transmission est couplé à une génératrice 6. Le groupe électrogène comprend également : - un accumulateur 7 électrique tampon associé à la ou les génératrices 6 ; - des moyens de fourniture 8 d’électricité comprenant un onduleur et/ou un régulateur de tension, associé aux génératrices 6 et à l’accumulateur 7 électrique tampon. Afin d’ajuster la consommation du groupe électrogène à la demande, le groupe électrogène comprend un automate (non représenté) Cet automate comprend une unité de traitement électronique, des capteurs et des actionneurs permettant de contrôler les paramètres de fonctionnement du groupe électrogène, et de les modifier. L’automate réalise notamment un asservissement de l’alimentation en air 13 et de l’alimentation en biomasse combustible 20 de la chaudière 1 à biomasse en fonction d’une consigne, et ce plus spécifiquement en modifiant la vitesse de rotation du moteur de l’alimentation en air, et du moteur entrainant en rotation la vis de l’alimentation en biomasse. Cette consigne peut être prédéfinie par l’intermédiaire d’une interface homme/machine, ou bien être ajustable automatiquement par l’automate, par exemple en fonction des paramètres de fonctionnement captés des moyens de fourniture d’électricité 8 et/ou de l’accumulateur 7 électrique tampon. Par exemple, la captation d’une hausse de la consommation d’électricité, et d’une diminution de la charge de l’accumulateur 7 électrique tampon est susceptible d’entraîner une augmentation d’approvisionnement du four 12 en biomasse en en air pour augmenter la chaleur produite. Les différentes parties du groupe électrogène précédemment décrites sont avantageusement conçues solidaires d’un châssis. Ce châssis permet le transport du groupe électrogène dans son ensemble. Par exemple le châssis peut être solidaire d’un véhicule ou d’une remorque. Le châssis peut également être autoportant pour permettre la dépose du groupe électrogène sur un lieu d’utilisation à l’aide de moyens de levage. Le groupe électrogène précédemment décrit met en œuvre un procédé de production d’électricité à partir d’une biomasse dans un groupe électrogène, comprenant : - une étape de production d’une vapeur d’eau sous haute pression 101 à partir d’eau liquide 100 dans une chaudière 1 à énergie renouvelable, et plus spécifiquement à partir d’une biomasse telle que des pellets de bois ; - une étape de transformation de la vapeur d’eau sous haute pression 101 en un premier mouvement mécanique par une machine à vapeur 3, ce premier mouvement mécanique correspondant en la mise en rotation du premier arbre de transmission 31 ; - une étape complémentaire de transformation d’une partie des calories contenues dans la vapeur sous basse pression issue de l’étape de transformation, en un second mouvement mécanique, par un moteur Stirling 4, ce second mouvement mécanique correspondant en la mise en rotation du second arbre de transmission 41 ; - une étape de génération d’électricité à partir du premier mouvement mécanique issu de l’étape de transformation, et également à partir du second mouvement mécanique issu de l’étape complémentaire de transformation. De plus, concomitamment à l’étape complémentaire de transformation, le procédé comprend une étape de condensation de la vapeur d’eau sous basse pression 103 issue de l’étape de transformation. Il est ainsi produit de l’eau liquide 100 qui est avantageusement réutilisée pour l’étape de production d’une vapeur d’eau sous haute pression 101. Les caractéristiques du groupe électrogène précédemment décrit sont applicable au procédé de production d’électricité. Groupe électrogène comprenant : - une chaudière (1) à énergie renouvelable produisant de la vapeur d’eau sous haute pression (101) à partir d’eau liquide (100) ; - une machine à vapeur (3) entraînant en rotation un premier arbre de transmission (31) à partir de la vapeur d’eau sous haute pression (101) ; - au moins une génératrice (6) auquel est couplé le premier arbre de transmission (31) pour produire de l’électricité ; caractérisé en ce qu’il comprend également un moteur Stirling (4) entraînant en rotation un second arbre de transmission (41) couplé à la ou l’une des génératrices (6) pour produire de l’électricité, le moteur Stirling (4) utilisant la vapeur d’eau sortant de la machine à vapeur (3), dite vapeur d’eau sous basse pression (103), comme source chaude du moteur Stirling (4). Groupe électrogène selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un condenseur (5) recevant la vapeur d’eau sous basse pression (103) et produisant de l’eau liquide (100), le moteur Stirling (4) étant associé au condenseur (5) pour utiliser la vapeur d’eau sous basse pression (103) située dans le condenseur (5) comme source chaude. Groupe électrogène selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la chaudière (1) comprend un échangeur (11) thermique dans lequel de l’eau liquide (100) est destinée à être évaporée, et en ce que l’eau liquide (100) issue du condenseur (5) est envoyée dans l’échangeur (11) thermique. Groupe électrogène selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un sas (9) entre le condenseur (5) et l’échangeur (11) thermique, le sas (9) comprenant un volume intermédiaire (91) encadré par deux vannes, dont une vanne, dite vanne froide (92), située entre le volume intermédiaire (91) et le condenseur (5), et une vanne, dite vanne chaude (93), située entre le volume intermédiaire (91) et l’échangeur (11) thermique, et en ce que le condenseur (5), le sas (9), et l’échangeur (11) thermique forment une voie d’écoulement gravitaire (G) en direction de l’échangeur (11). Groupe électrogène selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu’il comprend un stockage (2) de biomasse combustible (20) sous forme de particules, préférentiellement sous forme de pellets, et en ce que la chaudière (1) est une chaudière (1) à biomasse et comprend un four (12) alimenté en biomasse combustible depuis le stockage (2) de biomasse par l’intermédiaire d’un convoyeur (21), préférentiellement une vis sans fin. Groupe électrogène selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un automate asservissant une alimentation en air (13) et une alimentation en biomasse combustible de la chaudière (1) à biomasse en fonction d’une consigne. Groupe électrogène selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un accumulateur (7) électrique tampon associé à la ou les génératrices (6). Procédé de production d’électricité à partir d’énergie renouvelable dans un groupe électrogène, comprenant : - une étape de production d’une vapeur d’eau sous haute pression (101) à partir d’eau liquide (100) dans une chaudière (1) à énergie renouvelable ; - une étape de transformation de la vapeur d’eau sous haute pression (10) en un premier mouvement mécanique par une machine à vapeur (3) ; - une étape de génération d’électricité au moins à partir du premier mouvement mécanique issu de la première étape de transformation ; caractérisé en ce qu’il comprend également : - une étape complémentaire de transformation d’une partie des calories contenues dans de la vapeur d’eau sous basse pression (103) issue de l’étape de transformation, en un second mouvement mécanique, par un moteur Stirling (4), et en ce que lors de l’étape de génération d’électricité, de l’électricité est également générée à partir du second mouvement mécanique. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend, concomitamment à l’étape complémentaire de transformation, une étape de condensation de la vapeur d’eau sous basse pression (103) issue de l’étape de transformation. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’eau liquide (100) issue de l’étape de condensation est réutilisée pour l’étape de production d’une vapeur d’eau sous haute pression (101).