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EP4403752A1 - Système et procédé de génération d'énergie électrique - Google Patents

Système et procédé de génération d'énergie électrique Download PDF

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Publication number
EP4403752A1
EP4403752A1 EP23152785.4A EP23152785A EP4403752A1 EP 4403752 A1 EP4403752 A1 EP 4403752A1 EP 23152785 A EP23152785 A EP 23152785A EP 4403752 A1 EP4403752 A1 EP 4403752A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
branch
transfer fluid
heat transfer
energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP23152785.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François Ignace GEINOZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wise Open Foundation
Original Assignee
Wise Open Foundation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wise Open Foundation filed Critical Wise Open Foundation
Priority to EP23152785.4A priority Critical patent/EP4403752A1/fr
Publication of EP4403752A1 publication Critical patent/EP4403752A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/005—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant by means of a heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/02—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for heating purposes, e.g. industrial, domestic

Definitions

  • the present invention relates to the field of energy generation, in particular the cogeneration of electrical and/or mechanical energy and thermal energy.
  • Mechanical energy can be converted into electrical energy, this mechanical energy being generated from a thermal energy transport and distribution network.
  • This thermal energy can for example be energy used in particular for heating buildings, heating domestic hot water, air conditioning buildings, refrigeration and/or freezing.
  • this invention relates to an electrical energy generation system comprising a thermal energy transport and distribution circuit, a cogeneration circuit materially connected to the thermal energy transport and distribution circuit and a thermally connected user circuit said cogeneration circuit.
  • thermo energy transmission and distribution systems connected to one or more energy sources, generally called hot sources, from which energy is taken.
  • This energy is then transmitted to a heat transfer fluid, for example by means of heat exchangers, these heat exchangers allowing a transfer of thermal energy between the hot source and the heat transfer fluid without exchange of material.
  • the heat transfer fluid is circulated in a distribution circuit.
  • Energy consumers or user circuits can be connected to this distribution circuit, for example also by means of heat exchangers. Thermal energy can thus be exchanged between the distribution circuit and the user circuit or the consumers, whether from the distribution circuit to a user circuit or, on the contrary, from a user circuit to the distribution circuit.
  • Such energy distribution systems are often used as district heating, primarily to heat homes or buildings in general. In reversible systems, it is also possible to produce conditioned air or more generally, cold for air conditioning or refrigeration.
  • CO 2 carbon dioxide
  • CO 2 is interesting in particular because at the temperatures in which it is generally used, it does not go into a solid state, unlike water in particular. It is therefore not necessary to take special precautions to prevent it from assuming this state of matter.
  • by choosing an appropriate combination of pressure and temperature it is possible to use the phase transition between the gaseous state and the liquid state of carbon dioxide. This phase transition allows a release or capture of a large amount of energy without a change in temperature.
  • the quantity of energy per unit of volume is much greater in the case where this energy comes from a change in phase between liquid CO 2 and gaseous CO 2 only in the case where it comes from a change in water temperature.
  • the diameter of the tubes in which the heat transfer fluid circulates may be significantly smaller in the case where this heat transfer fluid is CO 2 than in the case where it is water. This results in particular in a simplified installation.
  • the energy transport and distribution system comprises a circuit formed of two branches.
  • the heat transfer fluid consisting of carbon dioxide circulating in one of the branches is in the gaseous state, while it is in the liquid state in the other branch of the circuit. Energy transfer is achieved by phase change from the gas state to the liquid state and vice versa.
  • This document describes an energy distribution system in particular intended for air conditioning or air conditioning installations, the temperature of which is typically between 18°C and 25°C, for refrigeration installations, with a temperature generally between 1°C and 6°C, for domestic heating installations, with temperatures for example between 30°C and 35°C and for domestic hot water heating installations, with a temperature generally between 10°C and 60°C.
  • the heat transfer fluid provides energy to the consumer or it takes energy from the consumer.
  • the energy from energy sources is greater than the energy needed by consumers.
  • This surplus energy is therefore available in particular for storage and/or transfer to other consumers or other networks.
  • This energy is in principle thermal energy.
  • the storage as well as the transport of this type of energy can pose a certain number of problems and require complex and expensive infrastructure. There is therefore a need to be able to convert, store and/or transport surplus energy, so as to be able to use it when energy demand is greater than available energy.
  • the present invention makes it possible to resolve the problems mentioned above by proposing a cogeneration system arranged to generate thermal energy in a form usable by consumers on the one hand and electrical energy on the other hand, in a energy transport and distribution network. Furthermore, this cogeneration system makes it possible to balance energy demand with the quantity of available energy, very flexibly and very quickly, while offering good efficiency, in particular by reducing wasted energy.
  • the amount of electrical energy generated can be adapted according to electrical energy requirements, thermal energy requirements and available primary energy resources. In particular, when thermal energy requirements are less than available energy, excess energy can be converted into electrical energy, allowing efficient transfer of this energy to other consumers or storage and subsequent use of this energy.
  • the system of the invention makes it possible to recover energy from sources which are often not used because their physical characteristics do not correspond to the needs of existing installations .
  • sources can be for example cooling water from industrial installations, return liquid from heating to distance, thermal energy from photovoltaic panels or other types of energy sources generally considered unusable.
  • conventional energy sources in particular electrical energy from photovoltaic panels, hot water from the “flow” liquid of district heating, or thermal energy from thermal solar panels.
  • This recovered energy can then be used as input in a circuit in which carbon dioxide used as a heat transfer fluid circulates.
  • This circuit comprises at least one branch, called the hot branch, in which the carbon dioxide circulates in gaseous form and one branch, called the cold branch, in which the heat transfer fluid circulates in liquid form.
  • These two branches are connected together by at least one device making it possible to modify the state of the heat transfer fluid, this state being liquid or gaseous. It is clear that during the transition from one state to another, a mixture is formed and the heat transfer fluid can contain a part of carbon dioxide in gaseous form and a part in liquid form.
  • the system of the invention further comprises a branch making it possible to adapt the energy needs or demands in relation to the available energy, which allows the entire system to operate optimally. Furthermore, the surplus energy, namely the available energy which is not used, can in particular be converted into mechanical energy, which itself can be converted into electrical energy by means of a turbine. This electrical energy can be stored in particular in batteries or supercapacitors for later use or transmitted remotely, for use in a place other than the place of production.
  • the temperature differences between the hot branch and the cold branch can be chosen so as to be relatively small, in particular due to the high specific enthalpy of carbon dioxide.
  • the temperature of the hot branch and the cold branch can be close to the temperature of the terrestrial register at shallow depth, typically between 1 m and 2 m.
  • the heat transfer fluid can be constantly circulated. Due to the small temperature difference between the branches of the circuit and the ground register, and the continuous circulation of the heat transfer fluid, there is little energy loss between the branches of the circuit and the ground. This means in particular that it is not necessary to insulate the tubes forming the branches in which the heat transfer fluid circulates. This simplifies installation and reduces costs for the entire system.
  • the system of the invention is also interesting in that it makes it possible to form circuit portions, these portions being able to be independent of each other or, on the contrary, to be connected to each other.
  • This connected or independent aspect of the circuit portions can be modified automatically, depending on the needs and resources of each portion.
  • the electrical energy produced by cogeneration can be used to power another portion of a circuit or another circuit when this circuit or this portion of a circuit consumes more energy than what the primary energy sources can provide. This therefore allows great flexibility and dynamic adaptation of the system.
  • the electrical energy generation system 10 operates in an energy transport and distribution network.
  • the latter comprises at least one circuit 11 in which a heat transfer fluid circulates.
  • the heat transfer fluid comprises carbon dioxide.
  • This carbon dioxide is particularly interesting in that it is capable of undergoing a phase transition between the liquid state and the gaseous state at temperatures and pressures achievable in practice in technically feasible installations. Furthermore, at these temperatures and pressures, it does not undergo a phase change towards the solid state, which would make the system unusable.
  • the quantity of energy exchanged per unit mass of carbon dioxide, or specific enthalpy is large, which implies that it is possible to transfer or transport a large quantity of energy for a small volume.
  • Circuit 11 of the invention comprises at least three branches.
  • One of the branches, called the hot branch 12 contains carbon dioxide CO 2 in the gaseous state.
  • the temperature of the gas in this hot branch can be higher than 12°C, for example around 15°C and preferably between 15°C and 60°C. Please note that this temperature is indicative. Indeed, it can vary depending on several parameters, in particular the type of energy consumers connected to the circuit and their specific needs, the type of energy sources available and their characteristics which themselves can vary depending on daily or seasonal cycles in particular, as well as the place where the measurements are taken in the circuit. Furthermore, the temperature can also vary over time depending on the energy taken or the energy received by the circuit.
  • the pressure of the carbon dioxide in the hot branch 12 can be between 10 bars and 60 bars. Similar to temperature, the carbon dioxide pressure in the hot branch can also vary depending on where in that branch and when the measurement is made.
  • the circuit includes a second branch, called cold branch 13, containing carbon dioxide in the liquid state.
  • the temperature of the liquid CO 2 is also variable in the cold branch, particularly depending on the location in the branch.
  • This temperature is, however, lower than the temperature of the gas in the hot branch 12.
  • the temperature in the cold branch 13 can be lower than 15°C and for example be between 10°C and 12°C. .
  • the energy transport and distribution network also includes a regulation branch 14. This is materially connected on the one hand to the hot branch 12 of the circuit and on the other hand to the cold branch 13 of this circuit.
  • the role of the regulation branch 14 is to ensure the balancing of circuit 11 with regard to heat and refrigeration requirements. This material connection allows an exchange of material between the regulation branch 14 and the hot 12 and cold 13 branches.
  • the regulation branch 14 can advantageously also be thermally connected to the cold branch 13 by means of at least one heat exchanger 8.
  • the latter is arranged to transfer energy between the regulation branch 14 and the cold branch without material is not exchanged.
  • the regulation branch 14 in principle contains a mixture of CO 2 in the gaseous state and in the liquid state, at constant temperature and pressure per zone of the regulation branch.
  • the absorption or release of energy is achieved by changing the proportion of liquid CO 2 and gaseous CO 2 .
  • the regulation branch 14 of the circuit 11 of the invention comprises at least one transformation device 15 whose function is to modify the temperature and/or pressure of the heat transfer fluid when the latter passes through this transformation device.
  • the transformation device 15 can essentially take four distinct forms. According to a first form, this transformation device can include a compressor 16. The latter acts on the carbon dioxide in the gaseous state and has the effect of increasing the pressure in the gas. This increase in pressure also has the effect of increasing the temperature of the gas. The state of the gaseous carbon dioxide is not changed.
  • the transformation device can include a regulator 17.
  • the latter also acts on the carbon dioxide in the gaseous state and has the effect of reducing the pressure in the gas. This reduction in pressure has the effect of reducing the temperature of the heat transfer fluid.
  • the state of gaseous carbon dioxide can be changed to a liquid state or, on the contrary, remain in a gaseous state.
  • the transformation device can comprise a heating device 18.
  • the latter can act on the carbon dioxide in the gaseous state and in the liquid state and increases the temperature of the heat transfer fluid. This increase in temperature, when applied to liquid carbon dioxide, can have the effect of generating a phase transition, from the liquid state to the gaseous state. Depending on the magnitude of the temperature increase, carbon dioxide may also remain in a liquid state or form a mixture of gas and liquid.
  • the transformation device can comprise a cooling device 19.
  • the latter can act on carbon dioxide in the gaseous state as well as on carbon dioxide in the liquid state. It reduces the temperature of the heat transfer fluid. This decrease in temperature, when applied to gaseous carbon dioxide, can have the effect of generating a phase transition, from the gas to the liquid state. Similar to heating, depending on the magnitude of the temperature decrease, carbon dioxide can also remain in a gaseous state or form a mixture of gas and liquid.
  • the heating device 18 and the cooling device 19 have been illustrated by the same element.
  • the compressor 16 and the expander 17 have been represented as two distinct elements. In practice, it is possible to use the same element for heating and cooling the heat transfer fluid or, on the contrary, two separate elements. Similarly, it is possible to use the same element to compress or expand the heat transfer fluid, or on the contrary to use two separate elements.
  • a zone of the regulation branch 14 is defined as a part of this regulation branch between two consecutive transformation devices 15.
  • the temperature, pressure and proportion of liquid carbon dioxide and gaseous carbon dioxide in one area of the control branch 14 are substantially the same throughout the area.
  • the temperature, the pressure and/or the proportion of liquid carbon dioxide and gaseous carbon dioxide can, on the other hand, vary from one zone to another of the regulation branch 14.
  • the pressure can be of the of around 45 bars and the temperature of around 10°C in an area.
  • This temperature and this pressure may be the same or substantially the same in another zone of the regulation branch, the proportion of liquid carbon dioxide and gaseous carbon dioxide may be different in these two zones.
  • this pressure can generally be between 15 and 100 bars, the transition temperature depending on this pressure.
  • This pressure can be fixed over time or, on the contrary, be variable and adapted to the needs of the system, in particular depending on the time of day or year, so as to adapt the system dynamically to the needs of consumers. and available resources.
  • the system of the invention may include, on certain branches and/or certain zones, a storage element 9 making it possible to manage the quantity of heat transfer fluid in the different locations of the circuit.
  • a storage element 9 making it possible to manage the quantity of heat transfer fluid in the different locations of the circuit.
  • the cold branch 13 may in particular comprise one or more pumps 7.
  • the hot branch 12 may comprise one or more compressors or one or more valves, in particular anti-pressure valves. return and/or downstream pressure control valves 6.
  • the compressor 16 of the regulation branch 14 has an input connected to the hot branch 12 of the circuit and/or to the regulation branch 14 of this circuit.
  • An outlet of the compressor 16 is connected to the regulation branch 14 so that the compressed gas is introduced into this regulation branch.
  • the carbon dioxide leaving the compressor 16 can be introduced into the hot branch 12, into the cold branch 13 or into the regulation branch 14 of the circuit.
  • the quantity or proportion of carbon dioxide transferred to each of these branches may in particular depend on the energy requirements, the energy available and the quantities of liquid carbon dioxide and gaseous carbon dioxide contained in the mixture leaving the compressor 16 .
  • This heating device 18 or cooling device 19 has an output which is also connected to the hot branch 12, to the cold branch 13 and to the regulation branch 14 of the circuit.
  • liquid carbon dioxide, gaseous carbon dioxide and/or a mixture of carbon dioxide with gaseous and liquid state it is possible to choose the quantity of liquid carbon dioxide and carbon dioxide which emerges from the heating device 18 and the cooling device 19.
  • Carbon dioxide Liquid can be introduced in whole or in part into the cold branch 13 of the circuit.
  • the gaseous carbon dioxide can be introduced in whole or in part into the hot branch 12 of the circuit.
  • the carbon dioxide which is not introduced into the corresponding branch of the circuit is kept in the regulation branch 14.
  • the choice of the quantities or proportions which are directed towards each of the branches is carried out so that the circuit 11 is balanced in terms of demand and needs, so that this circuit is functional.
  • valves 20 The connections between the different transformation devices and the different branches of the circuit are generally made by means of valves 20 or similar elements, making it possible to choose and adjust the quantities of each fluid which is diverted towards each branch of the circuit or towards each transformation device.
  • These valves 20 are generally controlled automatically, depending on the needs of the entire circuit.
  • the system 10 of the invention is connected to at least one primary energy source 21, for example water coming from a district heating return pipe. It should be noted that generally, the heat from this return duct is considered useless due to the fact that it contains the energy which was not taken by the district heating.
  • Photovoltaic and/or thermal solar panels can also be used as a primary energy source.
  • connection between the energy source(s) and one of the branches of the circuit of the system of the invention can be made by means of a heat exchanger 22 in the case where the energy source comes from a fluid such as water.
  • a heat exchanger is interesting in that it allows a transfer of energy between two fluids, from the hot fluid to the cold fluid, without however there being an exchange of material.
  • a heat exchanger may in particular be a plate exchanger.
  • one of the primary energy sources produces electrical energy, this can be used directly to operate the components of the system which require electrical power. It can also be converted into thermal energy.
  • three primary energy sources 21a, 21b, 21c are represented. Two of these energy sources contain energy in a fluid, specifically water. These energy sources are connected to a heat exchanger 22.
  • one of the heat exchangers is connected to the hot branch 12 of the circuit, in which the carbon dioxide circulates in gaseous form and the The other heat exchanger is connected to the cold branch 13 of the circuit, in which the carbon dioxide circulates in liquid form.
  • the third energy source 21c is a photovoltaic solar panel.
  • the electricity produced by this panel can be used directly by the components of the system, in particular the transformation devices 15; it can be stored in the form of electricity in batteries or supercapacitors in particular; it can also be converted into thermal energy and stored for example in the terrestrial register. It could also be converted to be stored in fuel cells for example.
  • Photovoltaic solar panels also produce thermal energy that usually goes unused.
  • this thermal energy can be recovered for example by means of one or more heat exchangers (not shown) and also be used as an energy source.
  • one of the energy sources (21a) can be an outlet conduit of a remote heating device and have a temperature between 70°C and 90°C.
  • the other energy source (21b) can be a return conduit from the remote heating device and have a temperature between 25°C and 50°C.
  • Carbon dioxide in the gaseous state can have a temperature greater than or equal to a value between 12°C and 15°C while carbon dioxide in the liquid state can have a temperature less than or equal to the temperature of the carbon dioxide in the gaseous state.
  • the transition temperature between the liquid and gaseous states of carbon dioxide varies depending on the pressure.
  • the carbon dioxide pressure as used in the invention can vary depending on the location of the circuit. It is generally between 10 bars and 60 bars.
  • the pressure of the carbon dioxide can be of the order of 45 bars.
  • the phase transition temperature of carbon dioxide is about 10°C at this pressure.
  • the phase transition temperature as a function of pressure is visible on the figure 2 .
  • the actual carbon dioxide pressure may be higher or lower than this value in certain areas of the circuit.
  • This generation of electrical energy in the system of the invention is detailed below.
  • This generation of electrical energy is carried out in a cogeneration circuit 23 thermally connected to a user circuit 24.
  • This thermal connection between the cogeneration circuit 23 and the user circuit 24 is carried out for example by means of a heat exchanger 25 allowing to exchange energy between the two circuits without exchange of matter.
  • the cogeneration circuit 23 contains heat transfer fluid like the rest of the energy transport and distribution circuit 11.
  • the user circuit 24 contains a heat transfer fluid, here called user heat transfer fluid, which may be of the same nature as the heat transfer fluid of the cogeneration circuit 23 or which may be different. Typically, if the user circuit 24 is used for heating a building or for domestic hot water, this user heat transfer fluid may be water.
  • the cogeneration circuit 23 comprises a compressor 26 having an inlet physically connected to the hot branch 12 and an output connected to an inlet of the heat exchanger 25.
  • This compressor 26 has the function of taking hot heat transfer fluid from the hot branch 12 and compress this gas so as to raise its temperature.
  • the temperature of the carbon dioxide gas leaving the compressor 26 must be compatible with the needs of the user circuit 24.
  • the thermal energy of the carbon dioxide gas entering the heat exchanger 25 must be sufficient to heat the fluid user heat transfer at the temperature required for the desired application. It should be noted that depending on the temperature and pressure of the heat transfer fluid in the hot branch 12 of the circuit, and depending on the temperature required in the heat exchanger 25, it is possible to do without the compressor.
  • the cogeneration circuit 23 further comprises a turbine 27 formed of a chamber connected by an inlet 28 and an outlet 29, and containing a movable member.
  • the turbine 27 also includes an alternator.
  • a flow of material, more precisely of heat transfer fluid, moving between the inlet 28 and the outlet 29 has the effect of moving the mobile member and producing mechanical energy. This mechanical energy is converted into electrical energy using the alternator.
  • the mobile member can be a propeller rotated by the flow of heat transfer fluid. The mechanical rotation of the propeller generates electrical energy by means of the alternator. It is however possible to use other energy conversion systems, as long as they are able to use the heat transfer fluid to produce electrical energy.
  • the cogeneration device 10 operates in the following way. Carbon dioxide in the gaseous state coming from the hot branch 12 of the thermal energy transport and distribution circuit 11 is introduced into the compressor 26. This gaseous carbon dioxide is compressed so that it reaches a temperature compatible with the desired application. This heated carbon dioxide gas is introduced into the heat exchanger 25 in which it transfers part of its energy to the user heat transfer fluid. Depending on the quantity of energy transferred, the heat transfer fluid can leave the heat exchanger 25 in the gaseous state or in the liquid state. This cooled heat transfer fluid is introduced into the inlet 28 of the turbine 27.
  • the heat transfer fluid leaving the heat exchanger 25 is always in the gaseous state, always in the liquid state, that it includes a mixture of gas and liquid, or that the state of carbon dioxide is variable.
  • the turbine 27 can be chosen depending on the state of the heat transfer fluid. Some turbines in fact operate only with heat transfer fluid in a single state while others can operate with heat transfer fluid in the liquid or gaseous state.
  • the flow of carbon dioxide in the turbine 27 generates a movement of the mobile member and therefore mechanical energy. This mechanical energy is converted into electrical energy using an alternator.
  • This electrical energy can be used locally directly. It can also be stored in electrical form in an accumulator, a battery, a supercapacitor or any other suitable equipment.
  • the heat transfer fluid leaving through the turbine outlet can be in the liquid, gaseous state or in the form of a mixture of liquid and gas. Depending on this state, it can be introduced into one or more of the branches of the circuit, namely the cold branch, the hot branch or the regulation branch.
  • the distribution of the quantity of carbon dioxide in the liquid state in the different branches of the thermal energy transport and distribution network can be done by means of a valve such as a three-way valve having a connected inlet to the turbine, an output connected to the cold branch and an output connected to the regulation circuit.
  • a valve such as a three-way valve having a connected inlet to the turbine, an output connected to the cold branch and an output connected to the regulation circuit.
  • the circuit of the invention can be used to power different types of consumers.
  • four types of energy consumers representative of different modes of use of the invention can be described.
  • the system is used for air conditioning or the production of conditioned air.
  • the resulting air can have a temperature generally between 10°C and 25°C.
  • the system of the invention can also be used for refrigeration. In this case, the resulting temperature is generally between 0°C and 6°C.
  • the system of the invention is used to produce hot water, in particular domestic hot water, at a temperature between approximately 15°C and 60°C.
  • the system is used as domestic heating. The temperature is then typically between 16°C and 35°C.
  • the regulation circuit as described in the invention makes it possible to regulate the entire system of the invention, according to the needs of the users. It thus makes it possible to transform carbon dioxide in the liquid state into carbon dioxide in the gaseous state and vice versa, according to needs.
  • the system can be balanced in terms of energy demand and in terms of energy supply, which allows this system to be dynamically adjusted and therefore to operate optimally.
  • the electrical energy generation device of the invention is particularly interesting in that it makes it possible, on the one hand, to transform thermal energy into electrical energy, this thermal energy being able to come from sources whose energy does not is often not used.
  • this electrical energy generation device also makes it possible to regulate the flows of carbon dioxide circulating in the different branches of the thermal energy transport and distribution system, which makes it possible to maintain this system in good condition. of operation, whatever the conditions in which this system finds itself.
  • the transformation devices 15 can use renewable energy, such as solar energy, or energy from system energy sources. In particular, they can use part of the energy produced by the cogeneration device. The entire system can therefore operate with energy sources that are generally not used or renewable energy sources, thus making this system particularly interesting from an economic and ecological point of view.
  • the system of the invention has been described with carbon dioxide as heat transfer fluid.
  • the latter is interesting because of its properties. In fact, he undergoes a phase transition at temperatures and pressures achievable in technically feasible installations. It does not undergo transformation to the solid state under the usual conditions of use of the system. It benefits from a high specific enthalpy. It is not toxic, is found in abundant quantities, and the costs associated with its use are relatively low. However, other heat transfer fluids are not excluded. It is in fact possible to use heat transfer fluids having equivalent properties, and in particular mixtures of different fluids.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un système (10) de génération d'énergie électrique comportant un circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique, un circuit de cogénération (23) connecté matériellement au circuit de transport et de distribution et un circuit utilisateur (24) connecté thermiquement au circuit de cogénération (23). Le circuit (11) de transport et de distribution comporte une branche froide (13) dans laquelle un premier fluide caloporteur circule à l'état liquide, une branche chaude (12) dans laquelle le premier fluide caloporteur circule à l'état gazeux et une branche de régulation (14) connectée matériellement à la branche chaude (12) et à la branche froide (13), la branche de régulation (14) contenant un mélange du premier fluide caloporteur à l'état liquide et à l'état gazeux. Le circuit de cogénération (23) comporte un échangeur de chaleur (25) recevant du fluide caloporteur de ladite branche chaude (12), cet échangeur de chaleur (25) étant agencé pour transmettre de l'énergie thermique au circuit utilisateur (24), et une turbine (27) disposée entre l'échangeur de chaleur (25) et le circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique.L'invention concerne également un procédé de génération d'énergie électrique dans un système tel que décrit ci-dessus, et comportant les étapes consistant à prélever du fluide caloporteur à l'état gazeux de la branche chaude (12) du circuit ; à introduire le fluide caloporteur dans l'échangeur de chaleur (25), dans lequel ce fluide caloporteur cède une partie de sa chaleur à un second fluide caloporteur ; à extraire le premier fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur (25) et le transférer à l'entrée (28) de la turbine (27), dans laquelle il génère un déplacement d'un organe mobile, le déplacement de cet organe mobile étant converti en énergie électrique au moyen d'un alternateur ; et à transférer le fluide caloporteur sortant de la turbine (27) à l'une des branches du circuit.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention concerne le domaine de la génération d'énergie, en particulier la cogénération d'énergie électrique et/ou mécanique et d'énergie thermique. L'énergie mécanique peut être convertie en énergie électrique, cette énergie mécanique étant générée à partir d'un réseau de transport et de distribution d'énergie thermique. Cette énergie thermique peut par exemple être de l'énergie utilisée notamment pour le chauffage de bâtiments, le chauffage d'eau chaude sanitaire, la climatisation de bâtiments, la réfrigération et/ou la congélation.
  • Plus précisément, cette invention concerne un système de génération d'énergie électrique comportant un circuit de transport et de distribution d'énergie thermique, un circuit de cogénération connecté matériellement au circuit de transport et de distribution d'énergie thermique et un circuit utilisateur connecté thermiquement audit circuit de cogénération.
  • La présente invention concerne également un procédé de génération d'énergie électrique dans un système comportant un circuit de transport et de distribution d'énergie thermique, un circuit de cogénération connecté matériellement au circuit de transport et de distribution d'énergie thermique et un circuit utilisateur connecté thermiquement audit circuit de cogénération, dans lequel
    • le circuit de transport et de distribution d'énergie thermique comporte au moins une branche, dite branche froide, dans laquelle un premier fluide caloporteur circule à l'état liquide, au moins une branche, dite branche chaude, dans laquelle ledit premier fluide caloporteur circule à l'état gazeux et une branche, dite branche de régulation, ayant une connexion matérielle d'une part avec ladite branche chaude et d'autre part avec ladite branche froide, ladite branche de régulation contenant un mélange dudit premier fluide caloporteur à l'état liquide et à l'état gazeux ; et
    • dans lequel le circuit de cogénération comporte un échangeur de chaleur agencé pour recevoir du fluide caloporteur de la branche chaude du circuit et pour transmettre de l'énergie thermique audit circuit utilisateur, et une turbine disposée entre ledit échangeur de chaleur et ledit circuit de transport et de distribution d'énergie thermique.
    ART ANTÉRIEUR
  • Il existe actuellement un certain nombre de systèmes de transport et de distribution d'énergie connectés à une ou plusieurs sources d'énergie, généralement dite sources chaudes, dans lesquelles de l'énergie est prélevée. Cette énergie est ensuite transmise à un fluide caloporteur, par exemple au moyen d'échangeurs de chaleurs, ces échangeurs de chaleur permettant un transfert d'énergie thermique entre la source chaude et le fluide caloporteur sans échange de matière. Le fluide caloporteur est mis en circulation dans un circuit de distribution. Des consommateurs d'énergie ou des circuits utilisateurs peuvent être connectés à ce circuit de distribution, par exemple également au moyen d'échangeurs de chaleur. De l'énergie thermique peut ainsi être échangée entre le circuit de distribution et le circuit utilisateur ou les consommateurs, que ce soit du circuit de distribution vers un circuit utilisateur ou au contraire, d'un circuit utilisateur vers le circuit de distribution.
  • De tels systèmes de distribution d'énergie sont souvent utilisés comme chauffage à distance, essentiellement pour chauffer des logements ou des bâtiments en général. Dans les systèmes réversibles, il est également possible de produire de l'air conditionné ou plus généralement, du froid pour la climatisation ou la réfrigération.
  • Parmi ces systèmes de transport et de distribution d'énergie, certains utilisent du dioxyde de carbone CO2 comme fluide caloporteur. Le dioxyde de carbone est intéressant notamment par la fait qu'aux températures dans lesquelles il est généralement utilisé, il ne passe pas à l'état solide, contrairement à l'eau en particulier. Il n'est donc pas nécessaire de prendre des précautions particulières pour l'empêcher de prendre cet état de la matière. Par ailleurs, en choisissant une combinaison de pression et de température adéquates, il est possible d'utiliser la transition de phase entre l'état gazeux et l'état liquide du dioxyde de carbone. Cette transition de phase permet une libération ou une capture d'une grande quantité d'énergie sans changement de la température. Par ailleurs, la quantité d'énergie par unité de volume est largement plus grande dans le cas où cette énergie provient d'un changement de phase entre le CO2 liquide et le CO2 gazeux que dans le cas où elle provient d'un changement de température de l'eau. Il en résulte que le diamètre des tubes dans lesquels circulent le fluide caloporteur peut-être nettement plus faible dans le cas où ce fluide caloporteur est du CO2 que dans le cas où il s'agit d'eau. Il en résulte notamment une installation simplifiée.
  • En pratique, le système de transport et de distribution d'énergie comporte un circuit formé de deux branches. Le fluide caloporteur constitué de dioxyde de carbone circulant dans l'une des branches se trouve à l'état gazeux, alors qu'il se trouve à l'état liquide dans l'autre branche du circuit. Le transfert d'énergie est réalisé par changement de phase de l'état gazeux à l'état liquide et inversement.
  • Un circuit tel que décrit ci-dessus est notamment détaillé dans le document intitulé "Towards energy-autonomous cities using CO2 networks and Power to Gas storage" de Raluca Suciu, Paul Stadler, Araz Ashouri et François Maréchal, publié dans « Proceedings of ECOS 2016 » et présenté à la « 29th International Conférence on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of energy systems, Postoroz, Slovenia » du 19 au 23 juin 2016.
  • Ce document décrit un système de distribution d'énergie notamment prévu pour des installation d'air conditionné ou de climatisation, dont la température est typiquement comprise entre 18°C et 25°C, pour des installations de réfrigération, avec une température généralement comprise entre 1°C et 6°C, pour des installations de chauffage domestique, avec des températures comprises par exemple entre 30°C et 35°C et pour des installations de chauffage d'eau chaude sanitaire, avec une température généralement comprise entre 10°C et 60°C. Selon l'application (chauffage ou réfrigération) et selon la température du fluide caloporteur, soit le fluide caloporteur apporte de l'énergie au consommateur, soit il en prélève du consommateur.
  • Pour qu'un tel circuit fonctionne, il faut que la consommation d'énergie des consommateurs, soit l'énergie prélevée du circuit par ces consommateurs ou l'énergie apportée par ces consommateurs, soit équilibrée avec l'énergie apportée dans le circuit. En pratique, cela est rarement le cas et même en cas d'équilibre, cet équilibre ne dure que rarement longtemps. Une solution qui a été proposée est d'augmenter la taille du réseau de façon à augmenter le nombre de consommateurs en espérant qu'un équilibre se fasse. Ceci n'améliore en fait pas le système. Il augmente au contraire la difficulté d'installation puisqu'il est nécessaire d'augmenter la taille du réseau et de connecter un plus grand nombre de consommateurs. Par ailleurs, la consommation présentant souvent des cycles journaliers ou saisonnier, l'augmentation du nombre de consommateurs a en réalité tendance à augmenter le déséquilibre. Le circuit fonctionne donc mal, voire pas du tout dans la réalité.
  • A certains moments de la journée ou de l'année, l'énergie provenant des sources d'énergie est plus grande que l'énergie nécessaire aux consommateurs. Cette énergie en surplus est donc disponible notamment pour le stockage et/ou le transfert vers d'autres consommateurs ou d'autres réseaux. Cette énergie est en principe de l'énergie thermique. Le stockage de même que le transport de ce type d'énergie peuvent poser un certain nombre de problèmes et nécessiter des infrastructures complexes et coûteuses. Il existe donc un besoin pour pouvoir convertir, stocker et/ou transporter le surplus d'énergie, de façon à pouvoir l'utiliser lorsque la demande en énergie est plus grande que l'énergie disponible.
    • DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • La présente invention permet de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en proposant un système de cogénération agencé pour générer de l'énergie thermique dans une forme utilisable par des consommateurs d'une part et de l'énergie électrique d'autre part, dans un réseau de transport et de distribution d'énergie. Par ailleurs, ce système de cogénération permet d'équilibrer la demande en énergie avec la quantité d'énergie disponible, de façon très souple et très rapide, tout en offrant un bon rendement, en particulier en diminuant l'énergie perdue. La quantité d'énergie électrique générée peut être adaptée en fonction des besoins en énergie électrique, des besoins en énergie thermique et des ressources d'énergie primaire disponibles. En particulier, lorsque les besoins en énergie thermique sont inférieurs à l'énergie disponible, le surplus d'énergie peut être converti en énergie électrique, ce qui permet un transfert efficace de cette énergie vers d'autres consommateurs ou un stockage et une utilisation ultérieure de cette énergie.
  • Les buts de l'invention sont atteints par un système de génération d'énergie électrique tel que défini en préambule et caractérisé en ce que
    • le circuit de transport et de distribution d'énergie thermique comporte au moins une branche, dite branche froide, dans laquelle un premier fluide caloporteur circule à l'état liquide, au moins une branche, dite branche chaude, dans laquelle ledit premier fluide caloporteur circule à l'état gazeux et une branche, dite branche de régulation, ayant une connexion matérielle d'une part avec ladite branche chaude et d'autre part avec ladite branche froide, ladite branche de régulation contenant un mélange dudit premier fluide caloporteur à l'état liquide et à l'état gazeux ; et
    • en ce que le circuit de cogénération comporte un échangeur de chaleur agencé pour recevoir du fluide caloporteur de la branche chaude du circuit et pour transmettre de l'énergie thermique audit circuit utilisateur, et une turbine disposée entre ledit échangeur de chaleur et ledit circuit de transport et de distribution d'énergie thermique
  • Les buts de l'invention sont également atteints par un procédé tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à :
    • prélever du fluide caloporteur à l'état gazeux de la branche chaude du circuit ;
    • introduire ledit fluide caloporteur à l'état gazeux dans ledit échangeur de chaleur, dans lequel ce fluide caloporteur cède une partie de sa chaleur à un second fluide caloporteur ;
    • extraire le premier fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur et le transférer à l'entrée de ladite turbine, dans laquelle le flux de fluide caloporteur génère un déplacement d'un organe mobile, le déplacement de cet organe mobile étant converti en énergie électrique au moyen d'un alternateur ;
    • transférer le fluide caloporteur sortant de la turbine à l'une des branches du circuit.
  • Du fait de sa souplesse en ce qui concerne l'utilisation et le réglage, le système de l'invention permet de récupérer de l'énergie de sources qui ne sont souvent pas utilisées parce que leurs caractéristiques physiques ne correspondent pas aux besoins des installations existantes. De telles sources peuvent être par exemple des eaux de refroidissement d'installations industrielles, du liquide de retour d'un chauffage à distance, de l'énergie thermique de panneaux photovoltaïques ou d'autres types de sources d'énergie généralement considérées comme inutilisables. Il est clair qu'il est également possible d'utiliser des sources d'énergie « conventionnelles », notamment de l'énergie électrique de panneaux photovoltaïques, de l'eau chaude du liquide « aller » d'un chauffage à distance, ou de l'énergie thermique de panneaux solaires thermiques.
  • Cette énergie récupérée peut ensuite être utilisée comme apport dans un circuit dans lequel circule du dioxyde de carbone utilisé comme fluide caloporteur. Ce circuit comporte au moins une branche, dite branche chaude, dans laquelle le dioxyde de carbone circule sous forme gazeuse et une branche, dite branche froide, dans laquelle le fluide caloporteur circule sous forme liquide. Ces deux branches sont reliées entre elles par au moins un dispositif permettant de modifier l'état du fluide caloporteur, cet état étant liquide ou gazeux. Il est clair que lors de la transition d'un état à l'autre, un mélange se forme et le fluide caloporteur peut comporter une part de dioxyde de carbone sous forme gazeuse et une part sous forme liquide.
  • Le système de l'invention comporte en outre une branche permettant d'adapter les besoins ou les demandes en énergie par rapport à l'énergie disponible, ce qui permet à l'ensemble du système de fonctionner de façon optimale. Par ailleurs, le surplus d'énergie, à savoir l'énergie disponible qui n'est pas utilisée, peut notamment être converti en énergie mécanique, qui elle-même peut être convertie en énergie électrique au moyen d'une turbine. Cette énergie électrique peut être stockée en particulier dans des batteries ou des supercondensateurs en vue d'une utilisation ultérieure ou être transmise à distance, en vue d'une utilisation dans un autre lieu que le lieu de production.
  • Lorsque la demande en énergie est plus grande que l'énergie disponible, l'énergie stockée peut être utilisée pour pallier au manque. L'ensemble du système peut ainsi être équilibré aussi bien au niveau des demandes immédiates en énergie que sur le long terme.
  • Dans le système de l'invention, les différences de température entre la branche chaude et la branche froide peuvent être choisies de façon à être relativement faibles, notamment du fait de l'enthalpie massique importante du dioxyde de carbone. Par ailleurs, la température de la branche chaude et de la branche froide peut être proches de la température du registre terrestre à faible profondeur, typiquement entre 1 m et 2 m. En outre, le fluide caloporteur peut-être constamment mis en circulation. Du fait de la faible différence de température entre les branches du circuit et le registre terrestre, et de la circulation continue du fluide caloporteur, il y a peu de pertes d'énergie entre les branches du circuit et le sol. Cela signifie en particulier qu'il n'est pas nécessaire d'isoler les tubes formant les branches dans lesquelles circulent le fluide caloporteur. Ceci simplifie l'installation et diminue les coûts de l'ensemble du système.
  • Le système de l'invention est également intéressant par le fait qu'il permet de former de portions de circuit, ces portions pouvant être indépendantes les unes des autres ou au contraire être connectées les unes aux autres. Cet aspect connecté ou indépendant des portions de circuit peut être modifié automatiquement, en fonction des besoins et des ressources de chaque portion.
  • En particulier, l'énergie électrique produite par cogénération peut être utilisée pour alimenter une autre portion de circuit ou un autre circuit lorsque ce circuit ou cette portion de circuit consomme plus d'énergie que ce que les sources d'énergie primaire peuvent fournir. Ceci permet donc une grande souplesse et une adaptation dynamique du système.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La présente invention et ses avantages seront mieux compris en référence aux figures annexées et à la description détaillée d'un mode de réalisation particulier, dans lesquelles :
    • la figure 1 est une vue schématique générale d'un système de cogénération selon l'invention, tel qu'utilisé dans un système de transport et de distribution d'énergie ; et
    • la figure 2 est un abaque représentant les différents états du dioxyde de carbone CO2 en fonction de la pression et de la température, ainsi que l'enthalpie massique en fonction de ces paramètres.
    MODE DE REALISATION DE L'INVENTION
  • En référence à la figure 1, le système 10 de génération d'énergie électrique selon l'invention fonctionne dans un réseau de transport et de distribution d'énergie. Ce dernier comporte au moins un circuit 11 dans lequel circule un fluide caloporteur. Dans un mode de réalisation concret, le fluide caloporteur comporte du dioxyde de carbone. Ce dioxyde de carbone est particulièrement intéressant par le fait qu'il est susceptible de subir une transition de phase entre l'état liquide et l'état gazeux à des températures et des pressions atteignables en pratique dans des installations techniquement réalisables. Par ailleurs, à ces températures et pressions, il ne subit pas de changement de phase vers l'état solide, qui rendrait le système inutilisable. Enfin, la quantité d'énergie échangée par unité de masse du dioxyde de carbone, ou enthalpie massique, est importante, ce qui implique qu'il est possible de transférer ou de transporter une grande quantité d'énergie pour un volume restreint.
  • Le circuit 11 de l'invention comporte au moins trois branches. L'une des branches, dite branche chaude 12, contient du dioxyde de carbone CO2 à l'état gazeux. A titre d'exemple, la température du gaz dans cette branche chaude peut être supérieure à 12°C, par exemple d'environ 15°C et de préférence entre 15°C et 60°C. Il est à noter que cette température est indicative. En effet, elle peut varier en fonction de plusieurs paramètres, notamment du type de consommateurs d'énergie connectés au circuit et de leurs besoins spécifiques, du type de sources d'énergie disponibles et de leurs caractéristiques qui elles-mêmes peuvent varier en fonction de cycles journaliers ou saisonniers notamment, de même que de l'endroit où les mesures sont prises dans le circuit. Par ailleurs, la température peut également varier dans le temps en fonction de l'énergie prélevée ou de l'énergie reçue par le circuit.
  • La pression du dioxyde de carbone dans la branche chaude 12 peut être comprise entre 10 bars et 60 bars. De manière similaire à la température, la pression du dioxyde de carbone dans la branche chaude peut également varier en fonction de l'endroit dans cette branche et en fonction de l'instant auquel la mesure est faite.
  • Le circuit comporte une deuxième branche, dite branche froide 13, contenant du dioxyde de carbone à l'état liquide. La température du CO2 liquide est également variable dans la branche froide, notamment en fonction de l'endroit dans la branche.
  • Cette température est toutefois plus basse que la température du gaz dans la branche chaude 12. A titre d'exemple, la température dans la branche froide 13 peut être inférieure à 15°C et être par exemple comprise entre 10°C et 12°C.
  • Le réseau de transport et de distribution d'énergie comporte en outre une branche de régulation 14. Celle-ci est connectée matériellement d'une part à la branche chaude 12 du circuit et d'autre part à la branche froide 13 de ce circuit. La branche de régulation 14 a pour rôle d'assurer l'équilibrage du circuit 11 en ce qui concerne les besoins en chaleur et en réfrigération. Cette connexion matérielle permet un échange de matière entre la branche de régulation 14 et les branches chaude 12 et froide 13.
  • La branche de régulation 14 peut avantageusement également être connecté thermiquement à la branche froide 13 au moyen d'au moins un échangeur de chaleur 8. Ce dernier est agencé pour transférer de l'énergie entre la branche de régulation 14 et la branche froide sans que de la matière ne soit échangée.
  • La branche de régulation 14 contient en principe un mélange de CO2 à l'état gazeux et à l'état liquide, à température et pression constante par zone de la branche de régulation. L'absorption ou la libération d'énergie est réalisée en modifiant la proportion de CO2 liquide et de CO2 gazeux.
  • La branche de régulation 14 du circuit 11 de l'invention comporte au moins un dispositif de transformation 15 dont la fonction est de modifier la température et/ou la pression du fluide caloporteur lorsque ce dernier passe dans ce dispositif de transformation. De façon concrète, le dispositif de transformation 15 peut essentiellement prendre quatre formes distinctes. Selon une première forme, ce dispositif de transformation peut comprendre un compresseur 16. Ce dernier agit sur le dioxyde de carbone à l'état gazeux et a pour effet d'augmenter la pression dans le gaz. Cette augmentation de pression a également pour effet d'augmenter la température du gaz. L'état du dioxyde de carbone gazeux n'est pas modifié.
  • Selon une deuxième forme, le dispositif de transformation peut comprendre un détendeur 17. Ce dernier agit également sur le dioxyde de carbone à l'état gazeux et a pour effet de diminuer la pression dans le gaz. Cette diminution de pression a pour effet de diminuer la température du fluide caloporteur. En fonction de la diminution de la température et de la pression, l'état du dioxyde de carbone gazeux peut être modifié en état liquide ou au contraire, rester à l'état gazeux.
  • Selon une troisième forme, le dispositif de transformation peut comprendre un dispositif de chauffage 18. Ce dernier peut agir sur le dioxyde de carbone à l'état gazeux et à l'état liquide et augmente la température du fluide caloporteur. Cette augmentation de température, lorsqu'elle est appliquée au dioxyde de carbone liquide, peut avoir pour effet de générer une transition de phase, de l'état liquide à l'état gazeux. En fonction de l'ampleur de l'augmentation de la température, le dioxyde de carbone peut également rester à l'état liquide ou former un mélange de gaz et de liquide.
  • Selon une quatrième forme de réalisation, le dispositif de transformation peut comprendre un dispositif de refroidissement 19. Ce dernier peut agir aussi bien sur le dioxyde de carbone à l'état gazeux que sur le dioxyde de carbone à l'état liquide. Il diminue la température du fluide caloporteur. Cette diminution de température, lorsqu'elle est appliquée au dioxyde de carbone gazeux, peut avoir pour effet de générer une transition de phase, de l'état gazeux à l'état liquide. De manière similaire au chauffage, en fonction de l'ampleur de la diminution de la température, le dioxyde de carbone peut également rester à l'état gazeux ou former un mélange de gaz et de liquide.
  • Dans la figure 1, le dispositif de chauffage 18 est le dispositif de refroidissement 19 ont été illustrés par le même élément. Au contraire, le compresseur 16 et le détendeur 17 ont été représentés comme deux éléments distincts. En pratique, il est possible d'utiliser un même élément pour le chauffage et le refroidissement du fluide caloporteur ou au contraire deux éléments distincts. De manière similaire, il est possible d'utiliser un même élément pour comprimer le fluide caloporteur ou le détendre, ou au contraire d'utiliser deux éléments distincts.
  • Une zone de la branche de régulation 14 est définie comme une partie de cette branche de régulation comprise entre deux dispositifs de transformation 15 consécutifs. En principe, la température, la pression et la proportion de dioxyde de carbone liquide et de dioxyde de carbone gazeux dans une zone de la branche de régulation 14 sont sensiblement les mêmes dans toute la zone. La température, la pression et/ou la proportion de dioxyde de carbone liquide et de dioxyde de carbone gazeux peuvent par contre varier d'une zone à l'autre de la branche de régulation 14. À titre d'exemple, la pression peut-être de l'ordre de 45 bars et la température de l'ordre de 10°C dans une zone. Cette température et cette pression peuvent être les mêmes ou sensiblement les mêmes dans une autre zone de la branche de régulation, la proportion de dioxyde de carbone liquide et de dioxyde de carbone gazeux pouvant être différente dans ces deux zones. Comme indiqué plus haut, cette pression peut généralement être comprise entre 15 et 100 bars, la température de transition dépendant de cette pression. Cette pression peut-être fixe dans le temps ou au contraire être variable et être adaptée aux besoins du système, en particulier en fonction du moment de la journée ou de l'année, de manière à adapter le système de façon dynamique aux besoins des consommateurs et aux ressources disponibles.
  • Le système de l'invention peut comporter, sur certaines branches et ou certaines zones, un élément de stockage 9 permettant de gérer la quantité de fluide caloporteur dans les différents endroits du circuit. Bien que ces éléments de stockage ne soient pas indispensables, ils facilitent la gestion du circuit.
  • Par ailleurs, pour assurer une circulation du fluide caloporteur dans le sens souhaité, la branche froide 13 peut en particulier comporter une ou plusieurs pompes 7. La branche chaude 12 peut comporter un ou plusieurs compresseurs ou une ou plusieurs vannes, notamment des vannes anti-retour et ou des vannes à contrôle de pression aval 6.
  • Comme on peut le voir sur la figure 1, le compresseur 16 de la branche de régulation 14 comporte une entrée reliée à la branche chaude 12 du circuit et/ou à la branche de régulation 14 de ce circuit. Une sortie du compresseur 16 est reliée à la branche de régulation 14 de sorte que le gaz comprimé est introduit dans cette branche de régulation. En fonction de son état, le dioxyde de carbone sortant du compresseur 16 peut être introduit dans la branche chaude 12, dans la branche froide 13 ou dans la branche de régulation 14 du circuit. La quantité ou la proportion de dioxyde de carbone transférée à chacune de ces branches peut notamment dépendre des besoins en énergie, de l'énergie disponible et des quantités de dioxyde de carbone liquide et de dioxyde de carbone gazeux contenus dans le mélange sortant du compresseur 16.
  • Le dispositif de chauffage 18, de même que le dispositif de refroidissement 19, qui sont représentés sur la figure 1 par le même élément, comportent une entrée qui est reliée à la branche chaude 12 du circuit, à la branche froide 13 de ce circuit ainsi qu'à la branche de régulation 14. Ce dispositif de chauffage 18 ou de refroidissement 19 comporte une sortie qui est également reliée à la branche chaude 12, à la branche froide 13 et à la branche de régulation 14 du circuit. En fonction des besoins du système, il est ainsi possible d'introduire dans le dispositif de chauffage 18 et dans le dispositif de refroidissement 19, du dioxyde de carbone liquide, du dioxyde de carbone gazeux et/ou un mélange de dioxyde de carbone à l'état gazeux et liquide. De manière similaire, en fonction du réchauffement ou du refroidissement du fluide caloporteur, il est possible de choisir la quantité de dioxyde de carbone liquide et de dioxyde de carbone qui ressort du dispositif de chauffage 18 et du dispositif de refroidissement 19. Le dioxyde de carbone liquide peut être introduit en totalité ou en partie dans la branche froide 13 du circuit. Le dioxyde de carbone gazeux peut être introduit en totalité ou en partie dans la branche chaude 12 du circuit. Le dioxyde de carbone qui n'est pas introduit dans la branche correspondante du circuit est conservé dans la branche de régulation 14. Le choix des quantités ou des proportions qui sont dirigées vers chacune des branches est réalisé de façon à ce que le circuit 11 soit équilibré en termes de demande et de besoins, de telle façon que ce circuit soit fonctionnel.
  • Les connexions entre les différents dispositifs de transformation et les différentes branches du circuit sont généralement réalisées au moyen de vannes 20 ou d'éléments similaires, permettant de choisir et de régler les quantités de chaque fluide qui est déviée vers chaque branche du circuit ou vers chaque dispositif de transformation. Ces vannes 20 sont généralement commandées automatiquement, en fonction des besoins de l'ensemble du circuit.
  • Le système 10 de l'invention est connecté à au moins une source d'énergie primaire 21, par exemple de l'eau provenant d'un conduit de retour d'un chauffage à distance. Il est à noter que généralement, la chaleur de ce conduit de retour est considérée comme inutile du fait qu'elle contient l'énergie qui n'a pas été prélevée par le chauffage à distance.
  • Il est clair que d'autres sources d'énergie primaire peuvent être utilisées, comme par exemple de l'énergie contenue dans un liquide de refroidissement d'une installation industrielles, d'une installation de production d'énergie ou d'autres installations similaires. Des panneaux solaires photovoltaïques et/ou thermiques peuvent également être utilisés comme source d'énergie primaire. Par ailleurs, il est possible de combiner plusieurs sources d'énergie. Il est par exemple possible d'utiliser une source d'eau combinée avec un ou plusieurs panneaux solaires.
  • La connexion entre la ou les sources d'énergie et l'une des branches du circuit du système de l'invention peut se faire au moyen d'un échangeur de chaleur 22 dans le cas où la source d'énergie provient d'un fluide tel que de l'eau. Un tel échangeur est intéressant par le fait qu'il permet un transfert d'énergie entre deux fluides, du fluide chaud vers le fluide froid, sans toutefois qu'il y ait un échange de matière. Un tel échangeur de chaleur peut notamment être un échangeur à plaques.
  • Dans le cas où l'une des sources d'énergie primaire produit de l'énergie électrique, celle-ci peut être utilisée directement pour faire fonctionner les composants du système qui requièrent une alimentation électrique. Elle peut également être convertie en énergie thermique.
  • Dans le mode de réalisation illustré par la figure 1, trois sources d'énergie primaire 21a, 21b, 21c sont représentées. Deux de ces sources d'énergie contiennent de l'énergie dans un fluide, en particulier de l'eau. Ces sources d'énergie sont connectées à un échangeur de chaleur 22. Dans le mode de réalisation illustré, l'un des échangeurs de chaleur est connecté à la branche chaude 12 du circuit, dans laquelle circule le dioxyde de carbone sous forme gazeuse et l'autre échangeur de chaleur est connecté à la branche froide 13 du circuit, dans laquelle circule le dioxyde de carbone sous forme liquide.
  • La troisième source d'énergie 21c est un panneau solaire photovoltaïque. L'électricité produite par ce panneau peut être utilisée en direct par les composants du système, en particulier les dispositifs de transformation 15; elle peut être stockée sous forme d'électricité dans des batteries ou des supercondensateurs notamment ; elle peut également être convertie en énergie thermique et être stocké par exemple dans le registre terrestre. Elle pourrait également être convertie pour être stockée dans des piles à combustible par exemple.
  • Les panneaux solaires photovoltaïques produisent également de l'énergie thermique qui est généralement inutilisée. Dans l'invention, cette énergie thermique peut-être récupérée par exemple au moyen d'un ou plusieurs échangeurs de chaleur (non représentés) et être également utilisée comme source d'énergie.
  • A titre d'exemple concret, l'une des sources d'énergie (21a) peut être un conduit de départ d'un dispositif de chauffage à distance et avoir une température comprise entre 70°C et 90°C. L'autre source d'énergie (21b) peut être un conduit de retour du dispositif de chauffage à distance et avoir une température comprise entre 25°C et 50°C. Le dioxyde de carbone à l'état gazeux peut avoir une température supérieure ou égale à une valeur comprise entre 12°C et 15°C alors que le dioxyde de carbone à l'état liquide peut avoir une température inférieure ou égale à la température du dioxyde de carbone à l'état gazeux. La température de transition entre l'état liquide et l'état gazeux du dioxyde de carbone varie en fonction de la pression. La pression du dioxyde de carbone telle qu'utilisée dans l'invention peut varier en fonction de l'endroit du circuit. Elle est généralement comprise entre 10 bars et 60 bars. Selon un exemple de réalisation concret, la pression du dioxyde de carbone peut être de l'ordre de 45 bars. La température de transition de phase du dioxyde de carbone est d'environ 10°C à cette pression. La température de transition de phase en fonction de la pression est visible sur la figure 2. La pression réelle du dioxyde de carbone peut être supérieure ou inférieure à cette valeur dans certaines zones du circuit.
  • La génération d'énergie électrique dans le système de l'invention est détaillée ci-dessous. Cette génération d'énergie électrique est réalisée dans un circuit de cogénération 23 connecté thermiquement à un circuit utilisateur 24. Cette connexion thermique entre le circuit de cogénération 23 et le circuit utilisateur 24 est réalisée par exemple au moyen d'un échangeur de chaleur 25 permettant d'échanger de l'énergie entre les deux circuits sans échange de matière.
  • Le circuit de cogénération 23 contient du fluide caloporteur comme le reste du circuit 11 de transport et de distribution d'énergie. Le circuit utilisateur 24 contient un fluide caloporteur, nommé ici fluide caloporteur d'utilisateur, qui peut être de même nature que le fluide caloporteur du circuit de cogénération 23 ou qui peut être différent. Typiquement, si le circuit utilisateur 24 est utilisé pour le chauffage d'un bâtiment ou pour de l'eau chaude sanitaire, ce fluide caloporteur d'utilisateur peut-être de l'eau.
  • Le circuit de cogénération 23 comporte un compresseur 26 ayant une entrée connectée matériellement à la branche chaude 12 et une sortie connectée à une entrée de l'échangeur de chaleur 25. Ce compresseur 26 a pour fonction de prélever du fluide caloporteur chaud de la branche chaude 12 et de comprimer ce gaz de façon à élever sa température. La température du dioxyde de carbone gazeux en sortie du compresseur 26 doit être compatible avec les besoins du circuit utilisateur 24. En particulier, l'énergie thermique du dioxyde de carbone gazeux entrant dans l'échangeur de chaleur 25 doit être suffisante pour chauffer le fluide caloporteur d'utilisateur à la température requise pour l'application souhaitée. Il est à noter que selon la température et la pression du fluide caloporteur dans la branche chaude 12 du circuit, et selon la température requise dans l'échangeur de chaleur 25, il est possible de se passer du compresseur.
  • Le circuit de cogénération 23 comporte en outre une turbine 27 formée d'une chambre reliée par une entrée 28 et une sortie 29, et contenant un organe mobile. La turbine 27 comporte en outre un alternateur. Un flux de matière, plus précisément de fluide caloporteur, se déplaçant entre l'entrée 28 et la sortie 29 a pour effet de déplacer l'organe mobile et de produire une énergie mécanique. Cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique au moyen de l'alternateur. En pratique, l'organe mobile peut être une hélice mise en rotation par le flux de fluide caloporteur. La rotation mécanique de l'hélice génère de l'énergie électrique au moyen de l'alternateur. Il est toutefois possible d'utiliser d'autres systèmes de conversion d'énergie, pour autant qu'ils soient en mesure d'utiliser le fluide caloporteur pour produire de l'énergie électrique.
  • Le dispositif de cogénération 10 selon l'invention fonctionne de la façon suivante. Du dioxyde de carbone à l'état gazeux provenant de la branche chaude 12 du circuit 11 de transport et de distribution d'énergie thermique est introduit dans le compresseur 26. Ce dioxyde de carbone gazeux est comprimé de façon à ce qu'il atteigne une température compatible avec l'application souhaitée. Ce dioxyde de carbone gazeux chauffé est introduit dans l'échangeur de chaleur 25 dans lequel il cède une partie de son énergie au fluide caloporteur d'utilisateur. En fonction de la quantité d'énergie cédée, le fluide caloporteur peut sortir de l'échangeur de chaleur 25 à l'état gazeux ou à l'état liquide. Ce fluide caloporteur refroidi est introduit dans l'entrée 28 de la turbine 27. Il est à noter que selon l'installation, il est possible de choisir que le fluide caloporteur sortant de l'échangeur de chaleur 25 soit toujours à l'état gazeux, toujours à l'état liquide, qu'il comporte un mélange de gaz et de liquide, ou que l'état du dioxyde de carbone soit variable. La turbine 27 peut être choisie en fonction de l'état du fluide caloporteur. Certaines turbines fonctionnent en effet uniquement avec du fluide caloporteur dans un seul état alors que d'autres peuvent fonctionner avec du fluide caloporteur à l'état liquide ou gazeux.
  • Le flux de dioxyde de carbone dans la turbine 27 génère un déplacement de l'organe mobile et donc une énergie mécanique. Cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique au moyen d'une alternateur.
  • Cette énergie électrique peut être utilisée localement de façon directe. Elle peut également être stocké sous forme électrique dans un accumulateur, une batterie, un supercondensateur ou tout autre équipement adapté.
  • Le fluide caloporteur sortant par la sortie de la turbine peut se trouver à l'état liquide, gazeux ou sous forme de mélange de liquide et de gaz. En fonction de cet état, il peut être introduit dans une ou plusieurs des branches du circuit, à savoir la branche froide, la branche chaude ou la branche de régulation.
  • La répartition de la quantité de dioxyde de carbone à l'état liquide dans les différentes branches du réseau de transport et de distribution d'énergie thermique peut se faire au moyen d'une vanne telle qu'une vanne à trois voies comportant une entrée connectée à la turbine, une sortie connectée à la branche froide et une sortie connectée au circuit de régulation.
  • Le circuit de l'invention peut être utilisé pour alimenter différents types de consommateurs. En particulier quatre types de consommateurs d'énergie, représentatifs de différents modes d'utilisation de l'invention peuvent être décrits. Selon l'un de ces modes, le système est utilisé pour de la climatisation ou la production d'air conditionné. Dans un tel mode d'utilisation, l'air résultant peut avoir une température généralement comprise entre 10°C et 25°C. Le système de l'invention peut également être utilisé pour de la réfrigération. Dans ce cas, la température résultante est généralement comprise entre 0°C et 6°C. Selon un troisième mode d'utilisation, le système de l'invention est utilisé pour produire de l'eau chaude, notamment de l'eau chaude sanitaire, à une température comprise entre 15°C et 60°C environ. Dans un quatrième mode d'utilisation, le système est utilisé comme chauffage domestique. La température est alors comprise typiquement entre 16°C et 35°C.
  • Le circuit de régulation tel que décrit dans l'invention permet de réguler l'ensemble du système de l'invention, en fonction des besoins des utilisateurs. Il permet ainsi de transformer du dioxyde de carbone à l'état liquide en dioxyde de carbone à l'état gazeux et inversement, selon les besoins. Ainsi, le système peut être équilibré en termes de demande en énergie et en termes d'approvisionnement en énergie, ce qui permet à ce système d'être réglé de façon dynamique et donc de fonctionner de façon optimale.
  • Le dispositif de génération d'énergie électrique de l'invention est particulièrement intéressant par le fait qu'il permet d'une part de transformer de l'énergie thermique en énergie électrique, cette énergie thermique pouvant provenir de sources dont l'énergie n'est souvent pas utilisée. D'autre part, ce dispositif de génération d'énergie électrique permet en outre de réguler les flux de dioxyde de carbone circulant dans les différentes branches du système de transport et de distribution d'énergie thermique, ce qui permet de maintenir ce système en état de fonctionnement, quelles que soient les conditions dans lesquelles ce système se trouve. En particulier, il est possible d'adapter en temps réel, les flux lors de modifications des besoins en énergie pour la production d'air conditionné, de réfrigération, de production d'eau chaude ou de chauffage. Cette adaptation en temps réel permet une production et une utilisation optimale de l'énergie disponible, sous forme d'énergie thermique et sous forme d'énergie électrique.
  • Selon une variante, les dispositifs de transformation 15 peuvent utiliser de l'énergie renouvelable, telle que de l'énergie solaire, ou de l'énergie provenant des sources d'énergie du système. En particulier, ils peuvent utiliser une partie de l'énergie produite par le dispositif de cogénération. L'ensemble du système peut donc fonctionner avec des sources d'énergie qui ne sont généralement pas utilisées ou des sources d'énergie renouvelables, rendant ainsi ce système particulièrement intéressant du point de vue économique et écologique.
  • Le système de l'invention a été décrit avec du dioxyde de carbone comme fluide caloporteur. Ce dernier est intéressant de par ses propriétés. En effet, il subit une transition de phase à des températures et des pressions atteignables dans des installations techniquement réalisables. Il ne subit pas de transformation vers l'état solide dans les conditions d'utilisation habituelles du système. Il bénéficie d'une enthalpie massique importante. Il n'est pas toxique, se trouve en quantités abondantes et les coûts liés à son utilisation sont relativement faibles. D'autres fluides caloporteurs ne sont toutefois pas exclus. Il est en effet envisageable d'utiliser des fluides caloporteurs ayant des propriétés équivalentes, et en particulier des mélanges de différents fluides.

Claims (10)

  1. Système de génération d'énergie électrique comportant un circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique, un circuit de cogénération (23) connecté matériellement au circuit de transport et de distribution d'énergie thermique et un circuit utilisateur (24) connecté thermiquement audit circuit de cogénération (23), caractérisé en ce que
    • le circuit de transport et de distribution d'énergie thermique comporte au moins une branche, dite branche froide (13), dans laquelle un premier fluide caloporteur circule à l'état liquide, au moins une branche, dite branche chaude (12), dans laquelle ledit premier fluide caloporteur circule à l'état gazeux et une branche, dite branche de régulation (14), ayant une connexion matérielle d'une part avec ladite branche chaude (12) et d'autre part avec ladite branche froide (13), ladite branche de régulation (14) contenant un mélange dudit premier fluide caloporteur à l'état liquide et à l'état gazeux ; et
    • en ce que le circuit de cogénération (23) comporte un échangeur de chaleur (25) recevant du fluide caloporteur de ladite branche chaude (12), cet échangeur de chaleur (25) étant agencé pour transmettre de l'énergie thermique audit circuit utilisateur (24), et une turbine (27) disposée entre ledit échangeur de chaleur (25) et ledit circuit de transport et de distribution d'énergie thermique.
  2. Système de génération d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de cogénération (23) comporte en outre un compresseur (26) disposé entre la branche chaude (12) du circuit et ledit échangeur de chaleur (25).
  3. Système de génération d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (25) comporte une entrée connectée matériellement à une sortie dudit compresseur (26).
  4. Système de génération d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (25) comporte une sortie connectée matériellement à une entrée (28) de ladite turbine (27).
  5. Système de génération d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite turbine (27) comporte un organe mobile et un alternateur, ledit organe mobile étant mis en mouvement par un flux de fluide caloporteur à l'état gazeux et/ou à l'état liquide.
  6. Système de génération d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite turbine (27) comporte une sortie (29) de fluide caloporteur, cette sortie étant connectée matériellement à l'une des branches chaude (12) ou de régulation (14) du circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique.
  7. Système de génération d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine (27) comporte une chambre de détente et en ce que l'entrée (28) de la turbine (27) reçoit du fluide caloporteur au moins partiellement sous forme gazeuse, ce fluide caloporteur gazeux subissant une détente dans ladite chambre de détente de la turbine (27).
  8. Procédé de génération d'énergie électrique dans un système comportant un circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique, un circuit de cogénération (23) connecté matériellement au circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique et un circuit utilisateur (24) connecté thermiquement audit circuit de cogénération (23), dans lequel
    • le circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique comporte au moins une branche, dite branche froide (13), dans laquelle un premier fluide caloporteur circule à l'état liquide, au moins une branche, dite branche chaude (12), dans laquelle ledit premier fluide caloporteur circule à l'état gazeux et une branche, dite branche de régulation (14), ayant une connexion matérielle d'une part avec ladite branche chaude (12) et d'autre part avec ladite branche froide (13), ladite branche de régulation (14) contenant un mélange dudit premier fluide caloporteur à l'état liquide et à l'état gazeux ; et
    • en ce que le circuit de cogénération (23) comporte un compresseur (26) agencé pour prélever du fluide caloporteur de ladite branche chaude (12) du circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique, un échangeur de chaleur (25) agencé pour transmettre de l'énergie thermique audit circuit utilisateur (24) et une turbine (27) disposée entre ledit échangeur de chaleur (25) et ledit circuit (11) de transport et de distribution d'énergie thermique,
    ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à :
    • prélever du fluide caloporteur à l'état gazeux de la branche chaude (12) du circuit ;
    • introduire ledit fluide caloporteur à l'état gazeux dans ledit échangeur de chaleur (25), dans lequel ce fluide caloporteur cède une partie de sa chaleur à un second fluide caloporteur ;
    • extraire le premier fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur (25) et le transférer à l'entrée (28) de ladite turbine (27), dans laquelle le flux de fluide caloporteur génère un déplacement d'un organe mobile, le déplacement de cet organe mobile étant converti en énergie électrique au moyen d'un alternateur ;
    • transférer le fluide caloporteur sortant de la turbine (27) à l'une des branches du circuit.
  9. Procédé de génération d'énergie électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de compression du fluide caloporteur à l'état gazeux avant son introduction dans ledit échangeur de chaleur (25).
  10. Procédé de génération d'énergie électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce ledit fluide caloporteur sortant de la turbine (27) est transféré à la branche chaude (12) ou de régulation (14) du circuit.
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RALUCA SUCIUPAUL STADLERARAZ ASHOURIFRANÇOIS MARÉCHAL: "Towards energy-autonomous cities using CO2 networks and Power to Gas storage", PROCEEDINGS OF ECOS 2016 » ET PRÉSENTÉ À LA « 29TH INTERNATIONAL CONFÉRENCE ON EFFICIENCY, COST, OPTIMIZATION, SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS, POSTOROZ, SLOVENIA

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