WO2020002474A1 - Installation et procédé de production d'énergie - Google Patents
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- WO2020002474A1 WO2020002474A1 PCT/EP2019/067080 EP2019067080W WO2020002474A1 WO 2020002474 A1 WO2020002474 A1 WO 2020002474A1 EP 2019067080 W EP2019067080 W EP 2019067080W WO 2020002474 A1 WO2020002474 A1 WO 2020002474A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
- F22B1/006—Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B33/00—Steam-generation plants, e.g. comprising steam boilers of different types in mutual association
Definitions
- the present invention relates to an installation and a method for producing energy from renewable energies.
- the production of energy, in particular electricity, can be carried out by the combustion of a material, which delivers heat used to produce water vapor which is then turbinated to supply energy, in particular electricity.
- Solid recovery waste or residues can also be recovered energetically, such as household waste, industrial residues, etc., grouped under the acronym CSR for "Solid Recovery Fuel”.
- biomass such as wood or straw, can also be used as fuel.
- water vapor to be turbined to produce energy, in particular electricity can also be produced by relying on heat sources other than combustion, such as geothermal or solar thermal .
- thermal solar and geothermal energy their use to produce energy does not generate C0 2 and, unlike nuclear energy, can be operated in small units or average; however, the temperature of water vapor produced by thermal solar or geothermal means often remains limited, in particular for reasons related to the technical and economic constraints inherent in these technologies. It is therefore understandable that systems for producing steam with different renewable energy sources, such as biomass and solar thermal or geothermal energy, are difficult to couple, in the sense that the temperature difference between the flows of steam generated respectively by these production systems prevents working in optimal thermodynamic conditions a turbine to which would be sent directly and separately the steam flows.
- EP 2 623 778 discloses an installation and a method for producing electricity, which couple a system for producing steam from the combustion of biomass and a system for producing hot water from solar energy .
- the steam generation system from biomass combustion includes a boiler that heats an evaporator tank to produce steam sent to a superheater before being sent to a turbine.
- the evaporator flask is supplied with water which comes, in part, from condensate from the turbine, heated by a boiler economizer, and, for the rest, from solar collector tubes, these tubes being supplied by condensate of the boiler.
- EP 3 130 770 discloses an installation and a method for producing electricity, which couple a boiler, supplied with heat by the combustion of biomass, and a system for producing steam, including both a vaporizer, supplied with heat by a solar unit, and a boiler supplied with heat by the combustion of an “auxiliary” fuel (coal, gas or fuel).
- the biomass boiler includes an economizer, a vaporizer and a superheater.
- the superheated steam from the biomass boiler is sent to a turbine.
- the water vapor produced by the solar vaporizer and the water vapor produced by the auxiliary boiler are provided saturated to be mixed in a common pipe before joining the superheater of the biomass boiler, in which they are directly admitted in input, together with the water vapor produced by the evaporator of the biomass boiler.
- the auxiliary boiler produces water vapor that complements or even replaces the water vapor produced by the solar evaporator, depending on the variations in solar energy received by the solar unit.
- the aim of the present invention is to propose a new installation and a new process, which make it possible to produce energy in an optimized manner from biomass and from at least one other renewable energy source, such as solar. thermal or geothermal.
- the invention relates to an energy production installation, as defined in claim 1.
- the invention also relates to a method of producing energy, as defined in claim 8.
- the idea underlying the invention is to couple a first system for producing steam, based on the combustion of biomass, and at least a second system for producing steam, based on another renewable energy source, in particular thermal solar or geothermal energy, by providing that the coupling between these systems is done by sending water vapor, produced by the second system or systems, to the boiler of the first system.
- the energy produced by the or each second system is in the form of water vapor, possibly slightly overheated, which is not sent directly to a turbine unit, but which is sent together with the water vapor produced by the first system, to the superheater of the boiler of the first system, the output of this superheater being sent to a turbine unit.
- the above-mentioned turbine unit is therefore common to production systems and can operate under optimal thermodynamic conditions, in particular at high temperature and pressure levels for the superheated steam which is produced by the superheater of the first system from the combination water vapor produced by the first system, and water vapor produced by the second system (s).
- the invention makes it possible to couple a main system, which uses biomass as fuel and whose thermodynamic cycle is optimized for the turbination of the superheated steam which it produces, with one or more secondary systems, which use sources d renewable energy other than biomass and which operate at lower temperatures, in particular for technical and economic reasons.
- the invention can only be implemented if the production of water vapor of the first system, compared to the production of the second system, remains at a sufficient minimum level, below which the energy produced by combustion biomass will not be sufficient to ensure the overheating of the mixture of water vapors from the first and second systems respectively.
- the production of or at least one of the second systems passes through a balloon of the first system, this balloon making it possible to collect the water vapor produced by the vaporizer of the boiler of the first system and the water vapor, produced by this second system.
- the production of at least one other of the second systems can, if necessary, be directly admitted to the inlet of the superheater of the boiler of the first system.
- the production of energy by the second system (s), which are non-emitters of C0 2 can be continuous production or backup production, while being maximally valued: energy production by the second system (s) thus makes it possible to optimize the operating cost of the overall installation and to reduce the production of C0 2 reduced to a unit of energy produced, for example reduced to the MWh of electricity produced.
- the energy production according to the invention can be guaranteed at a target value, by regulating the first system so as to compensate for variations in production for the second system (s), so that the invention makes it possible to overcome energy storage systems, in particular electricity, without risk of production interruption.
- Figure 1 an energy production installation, comprising a first steam production system 100 and a second steam production system 200, as well as a turbine unit 300.
- the system 100 includes a combustion unit 101 designed to burn biomass.
- the biomass burned in the combustion unit 101 consists of wood, in particular in the form of chips, granules or fragments, straw, fodder and / or bagasse of sugar cane.
- the biomass envisaged here consists of products, waste and residues, composed of an agricultural or forestry plant material capable of being used as fuel in order to use its energy content: in essence, biomass is a source of renewable energy and the products, wastes and residues which compose it contain little chlorine and make a fairly clean combustion in the sense that the fumes from their combustion are only slightly corrosive and not very fouling for the equipment through which these fumes, fumes thus requiring only a relatively simple treatment.
- the fumes resulting from combustion by the combustion unit 101 are referenced 1 in the figure.
- the system 100 also includes a boiler 102 which makes it possible to transfer the heat from the fumes 1 to the water 2 supplying this boiler.
- the boiler 102 thus makes it possible to recover part of the thermal energy resulting from the combustion of the biomass.
- the fumes, referenced 3 in the figure have a lower temperature than the fumes 1 and are sent to a smoke treatment unit 103 before being discharged.
- the smoke treatment unit 103 is based on known technology and will not be detailed here further.
- the boiler 102 produces, from the water 2 supplying it, steam 4 which, at the outlet of the boiler, is sent to the turbine unit 300 to be turbinated therein and thus producing energy, in particular electrical energy.
- the boiler 102 includes:
- a superheater 102.3 making it possible to superheat the water vapor produced by the vaporizer 102.2, the superheated water vapor coming from the superheater 102.3 forming the water vapor 4.
- Each of the elements 102.1, 102.2 and 102.3 corresponds to a heat exchanger, which is based on a technology known per se and which makes it possible to recover the thermal energy of the fumes 1.
- the boiler 102 also includes a balloon 102.4 making it possible to collect the water vapor produced by the vaporizer 102.2 and to supply with this water vapor the superheater 102.3.
- the balloon 102.4 serves both to store water vapor for the vaporizer 102.2 and as a nurse in water vapor for the superheater 102.3.
- the water vapor contained in the balloon 102.4 is dry or wet steam: wet steam means water vapor which is at a temperature equal to the dew temperature for the pressure considered, or else which contains a little water in liquid form; dry vapor means water vapor which is entirely in gaseous form and whose temperature is higher than the dew point temperature for the pressure considered.
- the water vapor 4 produced by the superheater 102.3 has a temperature between 450 and 550 ° C. and a pressure between 80 and 130 bars relative, the system 100, in particular its superheater 102.3 , being adapted to bring the water vapor 4 to these temperature and pressure levels.
- the superheater 102.3 and the balloon 102.4 form, within the boiler 102, an integrated block, capable of supplying the superheated steam 4 from the water 2 supplying this block.
- the water vapor 4 is turbinated by the turbine unit 300, seeing its thermodynamic condition change there, until forming, at the output of the turbine unit 300, a flow 5 admitted into a cooling unit 400, such as an air condenser.
- the turbine unit 300 comprises for example a turbine or a turbo-alternator.
- the liquid water 6 leaving the cooling unit 400 is sent to a condensate tank 500.
- the system 200 comprises, for its part, a solar thermal collection unit 201 designed to collect solar energy and communicate it, in the form of heat, to water 8 supplying this thermal solar collection unit.
- the solar thermal collection unit 201 is based on a technology known per se: for example, this unit 201 heats the water 8 by concentrating the solar radiation thereon by a set of mirrors and / or lenses. In all cases, the water 8 supplying the solar thermal collection unit 201 comes from the condensate tank 500 and forms, at the outlet of the unit 201, a flow 10 consisting of water vapor.
- the water vapor 10 is sent to the balloon 102.4 of the system 100, and this totally and directly, in the sense that all or part of this water vapor 10 is not introduced into the turbine unit 300 without passing through the boiler 102 of the system 100.
- the water vapor 10 produced by the solar thermal collection unit 201 is found, in the balloon 102.4, mixed with the water vapor produced by the vaporizer 102.2 of the boiler 102, to form the water vapor supplying the superheater 102.3 of the boiler 102.
- the balloon 102.4 is thus designed to, in the same internal volume of this balloon, together contain the water vapor produced by the vaporizer 102.4 and the vapor of water 10 produced by the solar thermal collection unit 201.
- the water vapor 10 is produced by the thermal solar collection unit 201 at a pressure higher, in particular slightly higher, than the pressure of the internal volume of the balloon 102.4.
- the balloon 102.4 is equipped, at its entrance, with a mixer, making it possible to separately receive then mix the water vapor produced by the vaporizer 102.2 and the water vapor 10 produced by the solar thermal collection unit 201, before sending the resulting mixture into the internal volume of the tank 102.4.
- this flow 10 is mainly, or even exclusively, made up of dry water vapor.
- the temperature of the flow of water vapor 10 is lower than that of the vapor 4 leaving the boiler 102 and supplying the turbine unit 300.
- the water vapor 10 is thus produced by the solar thermal collection unit 201 at a temperature which is both between 250 and 400 ° C, preferably between 250 and 380 ° C, and at least 100 ° C below the temperature of the vapor water 4.
- the invention may comprise, in addition to the system 200, one or more other systems for producing water vapor 200 ’: in FIG. 1, such an additional system is shown in dotted lines, being referenced 200’.
- This system 200 includes a geothermal capture unit 201' making it possible to collect the thermal energy of the Earth and to communicate it, in the form of heat, to water 8 ', which feeds this geothermal capture unit 20T and which , like the water 8, comes from the condensate tank 500, so as to form, at the outlet of the geothermal capture unit 20T, a stream 10 'consisting of water vapor, this stream 10' being sent to the tank 102.4 similarly to flow 10.
- This variant illustrates the possibility of providing several systems, such as systems 200 and 200 ′, making it possible to produce water vapor, such as flows 10 and 10 ′, from various sources renewable energy other than the biomass used by system 100.
- system 200 can be eliminated in favor of the only system 200 ’.
- one or other of these flows 10 and 10 ′ may, preferably when these flows consist of dry water vapor, be directly admitted to the inlet of the 102.3 superheater to supply the latter together with the water vapor produced by the 102.2 vaporizer.
- considerations similar to those developed above can advantageously be applied, concerning the temperature and pressure differentials between the boiler 102 and the systems 200 and 200 ’.
- the intelligent coupling of systems 100 and 200 and / or 200 makes it possible to reduce the production of exogenous C0 2 per unit of energy produced, in particular per MWh of electricity produced, thanks to the use of biomass and other renewable energies.
- combustion unit 101 can be operated so as to regulate the total production of energy by the installation coupling the systems 100 and 200 and / or 200 ′.
- This regulation can for example be provided to reach a target value, requested by an electricity distributor to which the electricity produced by the turbine unit 300 is delivered.
- the power supply to the turbine unit 300 with the superheated steam 4 produced by the boiler 102 is maintained at a value predetermined, linked to the aforementioned target value of energy production, by regulating the system 100 as a function of variations in the water vapor flows 10 and / or 10 ′ sent by the thermal solar collection unit 201 and / or by the geothermal capture unit 201 'to the boiler 102: in practice, the aforementioned variations result from the actual level of production of water vapor by the systems 200 and / or 200', in particular in connection with diurnal or seasonal cycles , and also result from the possible shutdown of the systems 200 and / or 200 ′, in particular when one and / or the other of these does not operate continuously but for an additional production, or else when one and / or the other 200 and / or 200 'systems must be stopped to intervene on all or part of these systems.
- the installation ensures the production of energy, in particular of electricity, thanks to the system 100 and to the turbine unit 300, in particular by avoiding an additional energy storage system which would be associated with systems 200 and / or 200 '.
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Abstract
Cette installation, qui vise à produire de l'énergie de manière optimale à partir de la biomasse et d'une autre source d'énergie renouvelable, comporte un premier système de production de vapeur d'eau (100), avec une unité de combustion (101) pour biomasse et une chaudière (102) incluant à la fois un vaporiseur (102.2) et un surchauffeur (102.3). L'installation comporte aussi une unité de turbinage (300) pour turbiner la vapeur d'eau surchauffée (4) produite par le surchauffeur, afin de produire de l'énergie, notamment de l'énergie électrique. L'installation comporte en outre au moins un second système de production de vapeur d'eau (200, 200'), qui est couplé au premier système, le ou chaque second système étant adapté pour produire, à partir d'une source d'énergie renouvelable autre que la biomasse, de la vapeur d'eau (10, 10') qui est envoyée à la chaudière de manière à, conjointement à la vapeur d'eau produite par le vaporiseur, alimenter le surchauffeur. La chaudière (102) inclut en outre un ballon (102.4) qui est adapté pour collecter dans un même volume interne du ballon à la fois la vapeur d'eau, produite par le vaporiseur (102.2), et la vapeur d'eau (10), produite par le ou au moins l'un des seconds systèmes (200, 200'), le ballon (102.4) étant également adapté pour alimenter le surchauffeur (102.3) avec la vapeur d'eau contenue dans le volume interne du ballon.
Description
Installation et procédé de production d’énergie
La présente invention concerne une installation et un procédé de production d’énergie, à partir d’énergies renouvelables.
La production d’énergie, en particulier d’électricité, peut être réalisée par la combustion d’un matériau, qui délivre de la chaleur servant à produire de la vapeur d’eau qui est ensuite turbinée pour fournir de l’énergie, en particulier de l’électricité.
De nombreux combustibles peuvent être utilisés. On peut mentionner d’abord les produits pétroliers, le gaz naturel, le charbon, le lignite ou le coke. Des déchets ou des résidus solides de récupération peuvent aussi être valorisés énergétiquement, comme les ordures ménagères, les résidus industriels, etc., regroupés sous le sigle CSR pour « Combustibles Solides de Récupération ». Enfin, la biomasse, telle que le bois ou la paille, peut aussi servir de combustible.
Ceci étant, de la vapeur d’eau à turbiner pour produire de l’énergie, notamment de l’électricité, peut aussi être produite en reposant sur d’autres sources de chaleur qu’une combustion, telles que la géothermie ou le solaire thermique.
Chacun de ces divers modes de production d’énergie a ses avantages et ses inconvénients propres. En particulier, la combustion des CSR, qui sont des produits contenant souvent beaucoup de chlore, ne peut être opérée qu’en limitant les niveaux de température pour la vapeur produite, pour des raisons liées à la corrosion, à l’encrassement ou au dépôt de sels fondus sur les équipements d’échange thermique entre les fumées de combustion et l’eau à vaporiser. De son côté, la biomasse, qui est une source d’énergie renouvelable, peut nourrir une combustion plus propre, en produisant de la vapeur d’eau à plus haute température, ce qui permet d’atteindre un cycle thermodynamique optimal. Pour ce qui concerne les autres énergies renouvelables que sont le solaire thermique et la géothermie, leur utilisation pour produire de l’énergie ne génère pas de C02 et, à la différence de l’énergie nucléaire, sont opérables dans des unités de taille petite ou moyenne ; toutefois, la température de la vapeur d’eau produite par voie solaire thermique ou par voie géothermique reste souvent limitée, notamment pour des raisons liées aux contraintes technico-économiques inhérentes à ces technologies. On comprend donc que des systèmes de production de vapeur d’eau ayant des sources d’énergie renouvelable différentes, telles que la biomasse et le solaire thermique ou la géothermie, sont difficiles à coupler, dans le sens où la différence de température entre les flux de vapeur d’eau respectivement générés par ces systèmes de production empêche de faire travailler dans des conditions thermodynamiques optimales une turbine à laquelle seraient envoyés directement et séparément les flux de vapeur d’eau. US 2015/0007567 a proposé d’adosser, à une chaudière à combustible, une
centrale solaire thermique, cette dernière n’étant toutefois pas utilisée pour produire de la vapeur d’eau mais pour chauffer les condensais résultant du turbinage de la vapeur produite par la chaudière, avant que ces condensais ne soient renvoyés à la chaudière pour être vaporisés.
EP 2 623 778 divulgue une installation et un procédé de production d’électricité, qui couplent un système de production de vapeur d’eau à partir de la combustion de biomasse et un système de production d’eau chaude à partir de l’énergie solaire. Le système de production de vapeur à partir de la combustion de biomasse comprend une chaudière qui chauffe un ballon-évaporateur pour produire de la vapeur envoyée à un surchauffeur avant d’être envoyée à une turbine. Le ballon-évaporateur est alimenté par de l’eau qui provient, pour partie, de condensais de la turbine, chauffés par un économiseur de la chaudière, et, pour le reste, de tubes de collecteurs solaires, ces tubes étant alimentés par des condensais de la chaudière.
EP 3 130 770 divulgue une installation et un procédé de production d’électricité, qui couplent une chaudière, alimentée en chaleur par la combustion de biomasse, et un système de production de vapeur d’eau, incluant à la fois un vaporiseur, alimenté en chaleur par une unité solaire, et une chaudière alimentée en chaleur par la combustion d’un combustible « auxiliaire » (charbon, gaz ou fuel). La chaudière biomasse comprend un économiseur, un vaporiseur et un surchauffeur. La vapeur d’eau surchauffée, sortant de la chaudière biomasse, est envoyée à une turbine. La vapeur d’eau produite par le vaporiseur solaire et la vapeur d’eau produite par la chaudière auxiliaire sont prévues saturées pour être mélangées dans une conduite commune avant de rejoindre le surchauffeur de la chaudière biomasse, dans lequel elles sont directement admises en entrée, conjointement avec la vapeur d’eau produite par le vaporiseur de la chaudière biomasse. La chaudière auxiliaire permet de produire de la vapeur d’eau qui complète, voire se substitue à la vapeur d’eau produite par le vaporiseur solaire, en fonction des variations de l’énergie solaire reçue par l’unité solaire.
Le but de la présente invention est de proposer une nouvelle installation et un nouveau procédé, qui permettent de produire de l’énergie de manière optimisée à partir de la biomasse et d’au moins une autre source d’énergie renouvelable, telle que le solaire thermique ou la géothermie.
A cet effet, l’invention a pour objet une installation de production d’énergie, telle que définie à la revendication 1.
L’invention a également pour objet un procédé de production d’énergie, tel que défini à la revendication 8.
L’idée à la base de l’invention est de coupler un premier système de production de vapeur d’eau, reposant sur la combustion de la biomasse, et au moins un second système de production de vapeur d’eau, reposant sur une autre source d’énergie renouvelable, notamment le solaire thermique ou la géothermie, en prévoyant que le couplage entre ces systèmes se fait en envoyant la vapeur d’eau, produite par le ou les seconds systèmes, à la chaudière du premier système. L’énergie produite par le ou chaque second système est sous forme de vapeur d’eau, éventuellement légèrement surchauffée, qui n’est pas envoyée directement à une unité de turbinage, mais qui est envoyée conjointement avec la vapeur d’eau produite par le premier système, au surchauffeur de la chaudière du premier système, la sortie de ce surchauffeur étant envoyée à une unité de turbinage. L’unité de turbinage précitée est donc commune aux systèmes de production et peut opérer dans les conditions thermodynamiques optimales, notamment à des hauts niveaux de température et de pression pour la vapeur surchauffée qui est produite par le surchauffeur du premier système à partir de la combinaison de la vapeur d’eau, produite par le premier système, et de la vapeur d’eau produite par le ou les seconds systèmes. Autrement dit, l’invention permet de coupler un système principal, qui utilise la biomasse comme combustible et dont le cycle thermodynamique est optimisé pour le turbinage de la vapeur surchauffée qu’il produit, avec un ou plusieurs systèmes secondaires, qui utilisent des sources d’énergie renouvelable autres que la biomasse et qui opèrent à des températures moindres notamment pour des raisons technico-économiques. Bien entendu, l’invention ne peut être mise en oeuvre que si la production de vapeur d’eau du premier système, comparativement à la production du second système, reste à un niveau minimal suffisant, en deçà duquel l’énergie produite par la combustion de la biomasse ne sera pas suffisante pour assurer la surchauffe du mélange des vapeurs d’eau provenant respectivement des premier et second systèmes. La production du ou d’au moins un des seconds systèmes transite par un ballon du premier système, ce ballon permettant de collecter ensemble la vapeur d’eau, produite par le vaporiseur de la chaudière du premier système, et la vapeur d’eau, produite par ce second système. La production d’au moins un autre des seconds systèmes peut, le cas échéant, être directement admise à l’entrée du surchauffeur de la chaudière du premier système. Dans tous les cas, la production d’énergie par le ou les seconds systèmes, qui sont non émetteurs de C02, peut être une production continue ou une production d’appoint, en étant valorisée de façon maximale : la production d’énergie par le ou les seconds systèmes permet ainsi d’optimiser le coût de fonctionnement de l’installation d’ensemble et de réduire la production de C02 ramenée à une unité d’énergie produite, par exemple ramenée au MWh d’électricité produite. De
plus, la production d’énergie selon l’invention peut être garantie à une valeur cible, en régulant le premier système de manière à compenser des variations de production pour le ou les seconds systèmes, si bien que l’invention permet de s’affranchir de systèmes de stockage de l’énergie, notamment de l’électricité, sans risque d’interruption de production.
Des caractéristiques additionnelles avantageuses de l’installation et du procédé conformes à l’invention sont spécifiés aux revendications dépendantes.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant à la figure unique qui est un schéma d’une installation conforme à l’invention, mettant en oeuvre un procédé conforme à l’invention.
Sur la figure 1 est représentée une installation de production d’énergie, comportant un premier système de production de vapeur d’eau 100 et un second système de production de vapeur d’eau 200, ainsi qu’une unité de turbinage 300.
Le système 100 comporte une unité de combustion 101 conçue pour brûler de la biomasse. A titre d’exemples non limitatifs, la biomasse brûlée dans l’unité de combustion 101 est constituée de bois, notamment sous forme de copeaux, de granulés ou de fragments, de paille, de fourrage et/ou de bagasse de canne à sucre. Plus généralement, la biomasse envisagée ici est constituée de produits, déchets et résidus, composés d’une matière végétale agricole ou forestière susceptible d’être employée comme combustible en vue d’utiliser son contenu énergétique : par essence, la biomasse est une source d’énergie renouvelable et les produits, déchets et résidus qui la composent contiennent peu de chlore et font une combustion assez propre dans le sens où les fumées issues de leur combustion ne sont que peu corrosives et peu encrassantes pour les équipements traversés par ces fumées, ces fumées ne requérant ainsi qu’un traitement relativement simple. Les fumées résultant de la combustion par l’unité de combustion 101 sont référencées 1 sur la figure.
Le système 100 comprend également une chaudière 102 qui permet de transférer la chaleur des fumées 1 à de l’eau 2 alimentant cette chaudière. La chaudière 102 permet ainsi de récupérer une partie de l’énergie thermique résultant de la combustion de la biomasse. En sortie de la chaudière 102, les fumées, référencées 3 sur la figure, présentent une température moindre que les fumées 1 et sont envoyées à une unité de traitement de fumées 103 avant d’être rejetées. L’unité de traitement de fumées 103 relève d’une technologie connue et ne sera pas détaillée ici plus avant.
La chaudière 102 produit, à partir de l’eau 2 l’alimentant, de la vapeur d’eau 4 qui, en sortie de la chaudière, est envoyée à l’unité de turbinage 300 pour y être turbinée et
produire ainsi de l’énergie, en particulier de l’énergie électrique. Pour produire la vapeur d’eau 4 à partir de l’eau 2, la chaudière 102 inclut :
- un économiseur 102.1 permettant d’élever la température de l’eau 2 alimentant la chaudière 102,
- un vaporiseur 102.2 permettant de vaporiser l’eau chauffée par l’économiseur
102.1 , et
- un surchauffeur 102.3 permettant de surchauffer la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 102.2, la vapeur d’eau surchauffée issue du surchauffeur 102.3 formant la vapeur d’eau 4.
Chacun des éléments 102.1 , 102.2 et 102.3 correspond à un échangeur de chaleur, qui relève d’une technologie connue en soi et qui permet de récupérer l’énergie thermique des fumées 1.
La chaudière 102 inclut également un ballon 102.4 permettant de collecter la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 102.2 et d’alimenter avec cette vapeur d’eau le surchauffeur 102.3. Autrement dit, le ballon 102.4 sert à la fois de stockage de vapeur d’eau pour le vaporisateur 102.2 et de nourrice en vapeur d’eau pour le surchauffeur 102.3. En pratique, la vapeur d’eau contenue dans le ballon 102.4 est de la vapeur sèche ou humide : on entend par vapeur humide de la vapeur d’eau qui est à une température égale à la température de rosée pour la pression considérée, ou bien qui contient un peu d’eau sous forme liquide ; on entend par vapeur sèche de la vapeur d’eau qui est entièrement sous forme gazeuse et dont la température est supérieure à la température de rosée pour la pression considérée.
Suivant un mode opératoire préférentiel du système 100, la vapeur d’eau 4 produite par le surchauffeur 102.3 présente une température comprise entre 450 et 550°C et une pression comprise entre 80 et 130 bars relatifs, le système 100, en particulier son surchauffeur 102.3, étant adapté pour porter la vapeur d’eau 4 à ces niveaux de température et de pression.
On notera que, d’un point de vue fonctionnel, l’économiseur 102.1 , le vaporiseur
102.2, le surchauffeur 102.3 et le ballon 102.4 forment, au sein de la chaudière 102, un bloc intégré, à même de fournir la vapeur d’eau surchauffée 4 à partir de l’eau 2 alimentant ce bloc.
A l’extérieur de la chaudière 102, la vapeur d’eau 4 est turbinée par l’unité de turbinage 300, en y voyant changer sa condition thermodynamique, jusqu’à former, en sortie de l’unité de turbinage 300, un flux 5 admis dans une unité de refroidissement 400, telle qu’un aérocondenseur. L’unité de turbinage 300 comprend par exemple une turbine ou un turbo-alternateur. L’eau liquide 6 sortant de l’unité de refroidissement 400 est
envoyée à un ballon de condensats 500. Un flux d’eau liquide, issu du ballon condensât 500, retourne à la chaudière 102, en constituant l’eau 2 alimentant cette chaudière, ce qui boucle ainsi le cycle thermodynamique de l’eau.
Le système 200 comporte, quant à lui, une unité de captage solaire thermique 201 conçue pour recueillir l’énergie solaire et la communiquer, sous forme de chaleur, à de l’eau 8 alimentant cette unité de captage solaire thermique. L’unité de captage solaire thermique 201 relève d’une technologie connue en soi : par exemple, cette unité 201 chauffe l’eau 8 en y concentrant le rayonnement solaire par un jeu de miroirs et/ou de lentilles. Dans tous les cas, l’eau 8 alimentant l’unité de captage solaire thermique 201 provient du ballon de condensats 500 et forme, en sortie de l’unité 201 , un flux 10 constitué de vapeur d’eau.
La vapeur d’eau 10 est envoyée au ballon 102.4 du système 100, et ce totalement et directement, dans le sens où tout ou partie de cette vapeur d’eau 10 n’est pas introduite à l’unité de turbinage 300 sans transiter par la chaudière 102 du système 100. Ainsi, la vapeur d’eau 10 produite par l’unité de captage solaire thermique 201 se retrouve, dans le ballon 102.4, mélangées avec la vapeur d’eau produite par le vaporisateur 102.2 de la chaudière 102, pour former la vapeur d’eau alimentant le surchauffeur 102.3 de la chaudière 102. Le ballon 102.4 est ainsi conçu pour, dans un même volume interne à ce ballon, contenir ensemble la vapeur d’eau produite par le vaporisateur 102.4 et la vapeur d’eau 10 produite par l’unité de captage solaire thermique 201 . En pratique, pour permettre la circulation et la régulation du flux de vapeur d’eau 10 entre la chaudière 102 et l’unité de captage solaire thermique 201 , la vapeur d’eau 10 est produite par l’unité de captage solaire thermique 201 à une pression supérieure, en particulier légèrement supérieure, à la pression du volume interne du ballon 102.4. Par ailleurs, suivant une disposition optionnelle avantageuse, le ballon 102.4 est équipé, à son entrée, d’un mélangeur, permettant de recevoir de manière distincte puis de mélanger la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 102.2 et la vapeur d’eau 10 produite par l’unité de captage solaire thermique 201 , avant d’envoyer le mélange résultant dans le volume interne du ballon 102.4.
Notamment pour faciliter le transport du flux de vapeur d’eau 10 depuis l’unité de captage solaire thermique 201 jusqu’au ballon 102.4, ce flux 10 est majoritairement, voire exclusivement constitué de vapeur d’eau sèche.
Dans tous les cas, en particulier pour des raisons technico-économiques relatives à l’unité de captage solaire thermique 201 , la température du flux de vapeur d’eau 10 est inférieure à celle de la vapeur 4 sortant de la chaudière 102 et alimentant l’unité de turbinage 300. Suivant un mode opératoire préférentiel, la vapeur d’eau 10 est ainsi
produite par l’unité de captage solaire thermique 201 à une température qui est à la fois comprise entre 250 et 400°C, de préférence entre 250 et 380°C, et inférieure d’au moins 100°C à la température de la vapeur d’eau 4.
En variante, l’invention peut comporter, en plus du système 200, un ou plusieurs autres systèmes de production de vapeur d’eau 200’ : sur la figure 1 , un tel système additionnel est représenté en pointillés, en étant référencé 200’. Ce système 200’ comporte une unité de captage géothermique 201’ permettant de recueillir l’énergie thermique de la Terre et de la communiquer, sous forme de chaleur, à de l’eau 8’, qui alimente cette unité de captage géothermique 20T et qui, comme l’eau 8, provient du ballon de condensais 500, de manière à former, en sortie de l’unité de captage géothermique 20T, un flux 10’ constitué de vapeur d’eau, ce flux 10’ étant envoyé au ballon 102.4 de manière similaire au flux 10. Cette variante illustre la possibilité de prévoir plusieurs systèmes, tels que les systèmes 200 et 200’, permettant de produire de la vapeur d’eau, telle que les flux 10 et 10’, à partir de diverses sources d’énergie renouvelable autres que la biomasse utilisée par le système 100.
Bien entendu, en variante non représentée, le système 200 peut être supprimé au profit du seul système 200’.
A titre de variante, plutôt que de faire transiter par le ballon 102.4 les flux de vapeur d’eau 10 et 10’, l’un ou l’autre de ces flux 10 et 10’ peut, de préférence lorsque ces flux sont constitués de vapeur d’eau sèche, être directement admis à l’entrée du surchauffeur 102.3 pour alimenter ce dernier conjointement à la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 102.2. Dans cette variante, peuvent avantageusement s’appliquer des considérations similaires à celles développées plus haut, concernant les différentiels de température et de pression entre la chaudière 102 et les systèmes 200 et 200’.
L’installation décrite jusqu’ici et le procédé mis en oeuvre par cette installation présentes des avantages multiples.
En particulier, le couplage intelligent des systèmes 100 et 200 et/ou 200’ permet de réduire la production de C02 exogène par unité d’énergie produite, en particulier par MWh d’électricité produite, grâce à l’utilisation de la biomasse et d’autres énergies renouvelables.
Par ailleurs, l’unité de combustion 101 peut être opérée de manière à réguler la production totale d’énergie par l’installation couplant les systèmes 100 et 200 et/ou 200’. Cette régulation peut par exemple être prévue pour atteindre une valeur cible, demandée par un distributeur d’électricité auquel est délivrée l’électricité produite par l’unité de turbinage 300. Pour ce faire, l’alimentation de l’unité de turbinage 300 avec la vapeur d’eau surchauffée 4 produite par la chaudière 102 est maintenue à une valeur
prédéterminée, liée à la valeur cible précitée de la production d’énergie, en régulant le système 100 en fonction de variations des flux de vapeur d’eau 10 et/ou 10’ envoyés par l’unité de captage solaire thermique 201 et/ou par l’unité de captage géothermique 201’ à la chaudière 102 : en pratique, les variations précitées résultent du niveau effectif de production de vapeur d’eau par les systèmes 200 et/ou 200’, notamment en lien avec des cycles diurnes ou saisonniers, et résultent aussi du possible arrêt des systèmes 200 et/ou 200’, notamment lorsque l’un et/ou l’autre de ces derniers ne fonctionnent pas en continu mais pour une production d’appoint, ou bien lorsque l’un et/ou l’autre des systèmes 200 et/ou 200’ doivent être arrêtés pour intervenir sur tout ou partie de ces systèmes. Plus globalement, quel que soit l’état de fonctionnement des systèmes 200 et/ou 200’, l’installation assure une production d’énergie, en particulier d’électricité, grâce au système 100 et à l’unité de turbinage 300, notamment en s’affranchissant d’un système additionnel de stockage d’énergie qui serait associé aux systèmes 200 et/ou 200’.
Enfin, divers aménagements et variantes à l’installation et au procédé décrits jusqu’ici sont envisageables.
Claims
1.- Installation de production d’énergie, comportant :
- un premier système de production de vapeur d’eau (100), qui comprend :
- une unité de combustion (101 ) adaptée pour brûler de la biomasse, et
- une chaudière (102) adaptée pour transférer à de l’eau (2) alimentant la chaudière la chaleur produite par l’unité de combustion, la chaudière incluant à la fois un vaporiseur (102.2), adapté pour vaporiser l’eau alimentant la chaudière, et un surchauffeur (102.3), adapté pour surchauffer la vapeur d’eau produite par le vaporiseur,
- une unité de turbinage (300) adaptée pour turbiner la vapeur d’eau surchauffée (4) produite par le surchauffeur (102.3), afin de produire de l’énergie, notamment de l’énergie électrique, et
- au moins un second système de production de vapeur d’eau (200, 200’), qui est couplé au premier système (100), le ou chaque second système étant adapté pour produire, à partir d’une source d’énergie renouvelable autre que la biomasse, de la vapeur d’eau (10, 10’) qui est envoyée à la chaudière (102) de manière à, conjointement à la vapeur d’eau produite par le vaporiseur, alimenter le surchauffeur (102.3),
caractérisée en ce que la chaudière (102) inclut en outre un ballon (102.4) qui est adapté pour collecter dans un même volume interne du ballon à la fois la vapeur d’eau, produite par le vaporiseur (102.2), et la vapeur d’eau (10), produite par le ou au moins l’un des seconds systèmes (200, 200’), le ballon (102.4) étant également adapté pour alimenter le surchauffeur (102.3) avec la vapeur d’eau contenue dans le volume interne du ballon.
2.- Installation suivant la revendication 1 , caractérisée en ce que le ou au moins l’un des seconds systèmes (200) comporte une unité de captage solaire thermique (201 ) adaptée pour produire, à partir de l’énergie thermique du rayonnement solaire, la vapeur d’eau (10) envoyée à la chaudière (102).
3.- Installation suivant l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le ou au moins l’un des seconds systèmes (200’) comporte une unité de captage géothermique (20T) adaptée pour produire, à partir de l’énergie thermique de la Terre, la vapeur d’eau (10’) envoyée à la chaudière (102).
4.- Installation suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le surchauffeur (102.3) est adapté pour porter la vapeur d’eau
surchauffée (4) qu’il produit à une première température, et en ce que le ou chaque second système (200, 200’) est adaptée pour porter la vapeur d’eau (10) qu’il produit à une seconde température qui est à la fois comprise entre 250 et 400°C et inférieure d’au moins 100°C à la première température.
5.- Installation suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le surchauffeur (102.3) est adapté pour porter la vapeur d’eau surchauffée (4) qu’il produit à une température comprise entre 350 et 550°C et à une pression comprise entre 80 et 130 bars relatifs.
6.- Installation suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ballon (102.4) est équipé, en entrée, d’un mélangeur qui est adapté pour recevoir de manière distincte puis mélanger la vapeur d’eau, produite par le vaporiseur (102.2), et la vapeur d’eau (10, 10’), produite par le ou au moins l’un des seconds systèmes (200, 200’), avant d’envoyer le mélange résultant dans le volume interne du ballon.
7.- Installation suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’au moins l’un des seconds systèmes (200, 200’) est couplé au premier système (100) de manière que la vapeur d’eau (10), produite par ce second système, est envoyée directement à l’entrée du surchauffeur (102.3).
8.- Procédé de production d’énergie, dans lequel on utilise :
- un premier système de production de vapeur d’eau (100), qui comprend :
- une unité de combustion (101 ) adaptée pour brûler de la biomasse, et
- une chaudière (102) adaptée pour transférer à de l’eau (2) alimentant la chaudière la chaleur produite par l’unité de combustion, la chaudière incluant à la fois un vaporiseur (102.2), adapté pour vaporiser l’eau alimentant la chaudière, et un surchauffeur (102.3), adapté pour surchauffer la vapeur d’eau produite par le vaporiseur,
- au moins un second système de production de vapeur d’eau (200, 200’), le ou chaque second système étant adapté pour produire, à partir d’une source d’énergie renouvelable autre que la biomasse, de la vapeur d’eau (10, 10’), et
- une unité de turbinage (300) adaptée pour turbiner la vapeur d’eau surchauffée (4) produite par le surchauffeur (102.3), afin de produire de l’énergie,
dans lequel la vapeur d’eau (10, 10’), produite par le ou les seconds systèmes (200, 200’), est envoyée à la chaudière (102) de manière à, conjointement à la vapeur d’eau produite par le vaporiseur (102.2), alimenter le surchauffeur (102.3),
et dans lequel, avant d’alimenter, conjointement à la vapeur d’eau produite par le vaporiseur (102.2), le surchauffeur (102.3), la vapeur d’eau (10), produite par le ou au moins l’un des seconds systèmes (200, 200’), transite par un ballon (102.4) de la chaudière (102), dans un même volume interne duquel sont collectées la vapeur d’eau, produite par le vaporiseur (102.2), et la vapeur d’eau (10), produite par ce second système (200, 200’).
9.- Procédé suivant la revendication 8, dans lequel la vapeur d’eau (10, 10’), produite par le ou les seconds systèmes (200, 200’), présente une température, qui est à la fois comprise entre 250 et 400°C et inférieure d’au moins 100°C à la température de la vapeur d’eau surchauffée (4) produite par le surchauffeur (102.3).
10.- Procédé suivant l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel la vapeur d’eau surchauffée (4) produite par le surchauffeur (102.3) présente une température comprise entre 350 et 550°C et une pression comprise entre 80 et 130 bars relatifs.
1 1 .- Procédé suivant l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel la vapeur d’eau (10) produite par au moins l’un des seconds systèmes (200, 200’) est admise directement à l’entrée du surchauffeur (102.3).
12.- Procédé suivant l’une quelconque des revendications 8 à 1 1 , dans lequel l’énergie produite par l’unité de turbinage (300) est électrique, et dans lequel le premier système (100) est régulé en fonction de variations de la vapeur d’eau (10, 10’) envoyée à la chaudière (102) par le ou les seconds systèmes (200, 200’), de manière à maintenir à une valeur prédéterminée l’alimentation de l’unité de turbinage (300) avec la vapeur d’eau surchauffée (4) produite par le surchauffeur (102.3).
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