Couplage de turbopompe pour sels fondus

Abstract

 Dispositif comprenant au moins une pompe verticale (3) et au moins une turbine associée (4), pour le transport, sur une différence de niveau, d'un fluide caloporteur porté à haute température, la pompe (3) assurant un mouvement ascendant dudit fluide dans une première section d'un conduit (17) à partir d'un premier réservoir dit froid (2) et la turbine (4) étant actionnée par ledit fluide lors du mouvement de retour descendant dudit fluide dans une seconde section du conduit (17) vers un second réservoir dit chaud (5), caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre un dispositif de couplage de la turbine (4) avec la pompe (3) configuré pour que l'énergie mécanique produite par la turbine (4) soit réutilisée pour l'actionnement de la pompe (3).

Description

Objet de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte au domaine des centrales solaires thermiques à cycle combiné. En particulier, l'objet de la présente demande se rapporte aux installations de production d'énergie à concentration solaire CSP (pour Concentrated Solar Power plant), du type à récepteurs solaires en tour, utilisant comme fluide caloporteur des sels fondus et dans lesquelles sont utilisées des pompes verticales pour la circulation et le transfert des sels fondus portés à haute température.

Etat de la technique

[0002] Dans les CSP du type à tour centrale, un grand nombre d'héliostats (sous forme de miroirs plans) reflètent la lumière solaire vers un ou plusieurs récepteurs solaires, situés au sommet de la tour, les héliostats étant disposés de manière telle que les ombres créées par les miroirs n'interfèrent pas avec les miroirs voisins.

[0003] Le récepteur solaire, chauffé par les rayons solaires incidents concentrés va générer un fluide chaud qui sera ensuite utilisé au niveau du sol pour produire de la vapeur à haute pression capable d'entraîner une turbine et de produire de l'électricité.

[0004] Le fluide chauffé au sommet de la tour peut être directement de la vapeur, ou de l'air, ou une huile thermique. Mais il peut aussi être un sel fondu consistant en un mélange de deux ou trois sels spécifiques, ou plus, utilisé comme fluide de transfert thermique.

[0005] Par exemple, un mélange de nitrate de sodium (NaNO₃) et de nitrate de potassium (KNO₃) est souvent utilisé, par exemple selon un rapport 60%/40%, formant un eutectique à pression atmosphérique ayant une température de fusion réduite à 220°C et offrant une bonne stabilité chimique et thermique entre la température de fusion et 600°C. En utilisant un mélange ternaire de sels, comprenant, outre les deux sels précités, du nitrate de lithium (LiNO₃), on peut même obtenir un eutectique ayant une température de fusion aussi basse que 120°C.

[0006] Un grand avantage de ce mélange de sels est sa possibilité de stockage en grande quantité à haute température sous pression atmosphérique, à un coût réduit. Le stockage permet le découplage entre la captation de l'énergie du soleil et la production d'électricité, indépendamment de l'ensoleillement et de l'heure solaire, en ce compris pendant la nuit.

[0007] Le principe de fonctionnement d'une centrale CSP à cycle combiné est connu et décrit par exemple dans le document WO 2011/077248. La figure 1 montre schématiquement le principe d'une centrale solaire à concentration du type tour 1. Le sel est maintenu liquide dans un premier réservoir de stockage froid isolé 2, à une température qui n'est pas inférieure à 260°C. Des pompes 3 sont nécessaires pour amener le sel fondu au sommet de la tour 1 et vu les grands débits requis ainsi que la haute densité du sel, la puissance absorbée par les pompes est assez élevée, d'une amplitude de 4 MW pour une centrale de grande puissance (typiquement 150 MW). Au sommet de la tour, le sel est chauffé à 550°C par la chaleur solaire concentrée comme précisé ci-dessus via un ou plusieurs échangeurs 20, répartis par exemple selon quatre cavités, constitués de tubes en acier à paroi mince. De là, le sel chauffé est renvoyé vers un second réservoir de stockage chaud isolé 5. La capacité de ce réservoir dépend de la durée d'alimentation requise pour la turbine produisant l'électricité. Lorsque la production d'électricité par la centrale est requise, le sel chaud est envoyé par une pompe 6 vers un système conventionnel de génération de vapeur 7 pour produire de la vapeur surchauffée pour un générateur d'électricité 9 à turbine 8. La figure 1 montre en outre un exemple détaillé, et non limitatif pour la présente invention, de générateur de vapeur 7 selon l'état de la technique.

[0008] Le circuit de sel fondu est référencé 17 et le circuit d'eau/vapeur est référencé 18 sur la figure 1.

[0009] Des performances typiques pour une installation de 150 MW sont données dans le tableau 1.

[0010] Il est également connu que l'on pourrait utiliser dans ce type d'installation des turbines de récupération de puissance hydraulique 4 (HRPT pour Hydraulic Power Recovery Turbine). Celles-ci peuvent être installées dans la ligne de retour du sel chauffé au réservoir de stockage, afin de récupérer l'énergie mécanique (gravifique) du sel descendant du sommet de la tour jusqu'au sol, la puissance récupérable ayant une amplitude typique de 3 MW pour la centrale précitée.

[0011] A côté d'un certain nombre d'avantages tels qu'une grande capacité de stockage de l'énergie sous pression atmosphérique, un faible coût du sel compatible avec le respect de l'environnement, une absence totale de risque au feu, une grande simplicité et des coûts réduits pour le récepteur solaire et des équipements associés en sommet de tour, les centrales CSP à tour présentent quelques désavantages dont la nécessité d'utiliser des pompes très spécifiques, la conception d'échangeurs sels fondus/eau-vapeur et la nécessité de surveiller les températures relativement élevées des sels fondus.

Buts de l'invention

[0012] La présente invention vise à s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.

[0013] En particulier, l'invention a pour but de réduire l'absorption de puissance des pompes d'acheminement du fluide caloporteur au sommet de la tour centrale ou de compenser celle-ci par une récupération de puissance à un autre endroit.

Principaux éléments caractéristiques de l'invention

[0014] Un premier objet de la présente invention se rapporte à un dispositif comprenant au moins une pompe verticale et au moins une turbine associée, pour le transport, sur une différence de niveau, d'un fluide caloporteur porté à haute température, la pompe assurant un mouvement ascendant dudit fluide dans une première section d'un conduit à partir d'un premier réservoir dit froid et la turbine étant actionnée par ledit fluide lors du mouvement de retour descendant dudit fluide dans une seconde section du conduit vers un second réservoir dit chaud, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre un dispositif de couplage de la turbine avec la pompe configuré pour que l'énergie mécanique produite par la turbine soit réutilisée pour l'actionnement de la pompe.

[0015] Selon des modes d'exécution préférés de l'invention, le dispositif comprend en outre une ou une combinaison adéquate des caractéristiques suivantes :

• la turbine est du même type que la pompe mais utilisée en sens inverse ;
• le dispositif de couplage est un dispositif mécanique ;
• le dispositif de couplage est un dispositif électrique ;
• le dispositif de couplage mécanique comprend une boîte à engrenages avec un accouplement à cardan situé côté turbine ;
• le dispositif de couplage électrique comprend un moteur asynchrone accouplé à la turbine et faisant office de génératrice, la pompe étant également actionnée par un moteur asynchrone ;
• la pompe ou la turbine est du type à axe vertical, mono- ou multi-étagée (multi)cellulaire avec roues à aubes radiales fermées ou semi-ouvertes ;
• la pompe ou la turbine est située au-dessus du réservoir ou est à corps immergé ;
• la pompe et la turbine sont conçues pour fonctionner avec un mélange de sels fondus dont la température est comprise entre 100 et 600°C.

[0016] Un second objet de la présente invention se rapporte à une installation de production d'énergie à concentration solaire comprenant :

• une pluralité d'héliostats disposés au sol autour d'une tour centrale de concentration, ladite tour comprenant en son sommet au moins un échangeur thermo-solaire ;
• un premier circuit de transport de sels fondus à partir d'un premier réservoir de stockage dit froid vers ledit échangeur et retour vers un second réservoir de stockage dit chaud pour les sels fondus portés à haute température, ledit échangeur se trouvant au somment de la tour, c'est-à-dire à une hauteur supérieure à celle des réservoirs ;
• un second circuit de génération de vapeur par échange thermique avec le premier circuit en sels fondus et de production d'électricité via un système turbine/générateur ;

caractérisée en ce que l'installation comprend en outre le dispositif comprenant au moins une pompe verticale et au moins une turbine associée comme décrit ci-dessus.

[0017] Avantageusement, la différence de niveau entre les réservoirs de stockage en sels fondus et les échangeurs au sommet de la tour est d'au moins 150 m.

[0018] Avantageusement encore, les pressions en sels fondus peuvent aller jusqu'à 60 bar.

[0019] De préférence, les sels fondus comprennent le nitrate de sodium, de potassium et/ou de lithium.

Brève description des figures

[0020] Des exemples de réalisation suivant l'état de la technique et l'invention sont décrits par la suite avec plus de détails à l'aide des figures annexées.

[0021] La figure 1, déjà mentionnée, montre schématiquement une centrale à concentration solaire CSP du type à tour centrale, avec circulation de sel fondu et couplage à un système conventionnel de production d'électricité.

[0022] La figure 2 montre une vue schématique du système de couplage mécanique, selon l'invention, entre la pompe d'acheminement du fluide caloporteur vers la tour centrale et la turbine de récupération de puissance au retour du fluide caloporteur vers le réservoir de stockage.

Description de formes d'exécution préférées de l'invention

[0023] Selon une première forme d'exécution préférée de la présente invention, les pompes 3 et les turbines de récupération de puissance 4 sont mécaniquement couplées ensemble afin de récupérer de l'énergie avec le meilleur rendement possible.

[0024] Le type de pompe nécessaire pour l'application en sel fondu selon l'invention est spécifique. On trouvera par exemple les caractéristiques suivantes pour de telles pompes :

• axe vertical ;
• construction mono- ou multi-étagée (multi)cellulaire avec roues fermées (ou semi-ouvertes) ;
• installation au-dessus du réservoir de sel, de préférence à corps immergé, afin de simplifier le drainage ;
• construction avec arbre en porte-à-faux possible si la profondeur d'immersion de la pompe, c'est-à-dire la distance entre la taque d'assise et la tubulure d'aspiration est suffisamment faible ; à défaut, nécessité de paliers intermédiaires sur la ligne d'arbre ;
• étanchéité d'arbre avec la plaque d'assise réalisée par un labyrinthe, avec retour par gravité des fuites vers le réservoir ;
• moteur électrique à fréquence variable ;
• utilisation de matériaux et d'une construction adéquats pour supporter les hautes températures des sels fondus, etc. Les matériaux utilisés seront par exemple résistants à la corrosion et à l'abrasion.

[0025] De telles pompes ont déjà été utilisées dans le domaine solaire à collecteurs paraboliques au sol mais avec des pressions de fluide relativement faibles.

[0026] La pompe doit être dimensionnée en tenant compte des trois paramètres suivants : sa longueur (environ 15 m par exemple), sa vitesse variable et la forte puissance requise.

[0027] Avantageusement, selon l'invention, les turbines de récupération de puissance seront de la même conception, avec éventuellement des roues à aubes spécifiques. Il suffit en principe de faire fonctionner les pompes centrifuges en sens inverse pour se trouver en mode turbine. Le couplage mécanique pompe-turbine est assuré par une boîte à engrenages 21, avec accouplement à cardan 41 côté turbine afin de permettre les dilatations différentielles entre la pompe 3 et la turbine 4.

[0028] Dans l'état de l'art, on connaît uniquement des systèmes de couplage en ligne entre pompe horizontale et turbine, avec embrayage.

[0029] Bien sûr, les turbines 4 ne peuvent pas récupérer la totalité de la puissance consommée par les pompes, vu les rendements des pompes et des turbines, jouant en sens opposé.

[0030] Toujours selon l'invention, la compensation de la différence de puissance sera assurée par des pompes électriques de même type (non représentées), d'ailleurs nécessaires pour vaincre les pertes de charge et aussi pour démarrer le système.

[0031] Selon une seconde forme d'exécution préférée de la présente invention, les pompes 3 et les turbines de récupération 4 seront couplées électriquement. Les pompes 3 sont actionnées par un moteur asynchrone et les turbines sont accouplées à un moteur asynchrone également faisant office de génératrice, le moteur de turbine étant plus rapide.

Liste des repères

[0032] 

1

Tour à concentration solaire

2

Réservoir de sel froid

3

Pompe d'alimentation vers la tour

4

Turbine de récupération

5

Réservoir de sel chaud

6

Pompe de circulation vers le générateur de vapeur

7

Générateur de vapeur

8

Turbine(s)

9

Générateur d'électricité

10

Condenseur

11

Désaérateur

12

Economiseur

13

Chaudière bouilloire

14

Surchauffeur

15

Resurchauffeur

16

Pompe de mélange

17

Circuit de sel fondu

18

Circuit eau/vapeur

20

Récepteurs solaires et échangeurs

21

Boîte à engrenages

41

Arbre à cardans

Tableau 1

		TOUR		CYCLE DE TURBINE
					Nominal
Durée	heures	6		24	17,9
Stockage	MWh therm	2553	MWh élec	894	894
Puissance absorbée	MW	425	Turbine	37,3	50
Débit de sel	kg/s	970	Vers les échangeurs	242	325
Temp. du réservoir froid	°C	260	Condenseur T	°C	45,8
Temp. du réservoir chaud	°C	550	Condenseur P	bar	0,10
Poids de sel	tonnes	20952	Déaérateur T	°C	105
Volume	m3	12040
Diamètre	m	31
Hauteur	m	16
Débit de vapeur	kg/s			30,8	41,2
Pression de vapeur	bar			120	120
Temp. de vapeur	°C			530	530
Pression de réchauffage	bar			20	20
Temp. de réchauffage	°C			530	530

Revendications

1. Dispositif comprenant au moins une pompe verticale (3) et au moins une turbine associée (4), pour le transport, sur une différence de niveau, d'un fluide caloporteur porté à haute température, la pompe (3) assurant un mouvement ascendant dudit fluide dans une première section d'un conduit (17) à partir d'un premier réservoir dit froid (2) et la turbine (4) étant actionnée par ledit fluide lors du mouvement de retour descendant dudit fluide dans une seconde section du conduit (17) vers un second réservoir dit chaud (5), caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre un dispositif de couplage de la turbine (4) avec la pompe (3) configuré pour que l'énergie mécanique produite par la turbine (4) soit réutilisée pour l'actionnement de la pompe (3).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que la turbine (4) est du même type que la pompe (3) mais utilisée en sens inverse.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de couplage est un dispositif mécanique (21, 41).

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de couplage est un dispositif électrique.

5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif de couplage mécanique comprend une boîte à engrenages (21) avec un accouplement à cardans (41) situé côté turbine (4).

6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisée en ce que le dispositif de couplage électrique comprend un moteur asynchrone accouplé à la turbine (4) et faisant office de génératrice, la pompe (3) étant également actionnée par un moteur asynchrone.

7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisée en ce que la pompe (3) ou la turbine (4) est du type à axe vertical, mono- ou multi-étagée (multi)cellulaire avec roues à aubes radiales fermées ou semi-ouvertes.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisée en ce que la pompe (3) ou la turbine (4) est située au-dessus du réservoir ou est à corps immergé.

9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pompe (3) et la turbine (4) sont conçues pour fonctionner avec un mélange de sels fondus dont la température est comprise entre 100 et 600°C.

10. Installation de production d'énergie à concentration solaire comprenant :

- une pluralité d'héliostats disposés au sol autour d'une tour centrale (1) de concentration, ladite tour comprenant en son sommet au moins un échangeur thermo-solaire (20) ;

- un premier circuit (17) de transport de sels fondus à partir d'un premier réservoir de stockage dit froid (2) vers ledit échangeur (20) et retour vers un second réservoir de stockage dit chaud (5) pour les sels fondus portés à haute température, ledit échangeur (20) se trouvant au sommet de la tour (1), c'est-à-dire à une hauteur supérieure à celle des réservoirs (2, 5) ;

- un second circuit (18) de génération de vapeur par échange thermique avec le premier circuit (17) en sels fondus et de production d'électricité via un système turbine/générateur (7, 8, 9) ;

caractérisée en ce que l'installation comprend en outre le dispositif comprenant au moins une pompe verticale (3) et au moins une turbine associée (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes.

11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que la différence de niveau entre les réservoirs de stockage en sels fondus (2, 5) et les échangeurs (20) au sommet de la tour est d'au moins 150 m.

12. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que les pressions en sels fondus peuvent aller jusqu'à 60 bar.

13. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que les sels fondus comprennent le nitrate de sodium, de potassium et/ou de lithium.

Dessins