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 C0 ₂ 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 C0 ₂ , 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 C0 ₂ 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 C0 ₂ 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.