Gazéification du GNL par cycle de Brayton associé à une boucle caloportrice et une pompe à chaleur

Dans un contexte de réduction de la pression environnementale des énergies fossiles, le gaz naturel jouit d’un regain d’intérêt car c’est le combustible fossile le moins polluant. En effet, pour une même quantité d’énergie produite, la combustion du gaz naturel qui est constitué principalement de méthane génère moins de polluants et de gaz à effet de serre comparativement à d’autres combustibles fossiles. L’acheminement du gaz naturel se fait, sous forme gazeuse par gazoduc ou par méthanier sous forme liquide (gaz naturel liquéfié). Le marché du gaz naturel liquéfié (GNL) est en plein essor et présente l’avantage de diversifier les approvisionnements et de réduire la dépendance énergétique vis-à-vis des pays qui fournissent le gaz naturel par gazoduc. Dans une usine de liquéfaction, une grande quantité d’énergie est consommée pour liquéfier le gaz naturel. Une partie de l’exergie dépensée lors de la liquéfaction est stockée dans le GNL sous forme liquide à une température de -162 °C et à pression atmosphérique. Une fois le GNL acheminé, il est comprimé, vaporisé et chauffé pour être commercialisé à travers un réseau de distribution. Dans ce travail de recherche, nous nous intéressons à la dernière étape de la chaîne de transport de GNL, qui est la vaporisation et le chauffage, afin d’apporter une solution performante de récupération d’une partie de l’exergie dépensée dans un contexte économique et environnemental où l’efficacité  énergétique est un enjeu pour tous les procédés. L’objet principal de la thèse vise à valoriser l’exergie contenue dans le GNL lors de sa gazéification et de son réchauffage. Cette thèse se compose d’une étude de procédé où l’on s’intéresse à l’architecture thermodynamique d’un nouveau système de vaporisation et de chauffage utilisant l’air ambiant comme source de chaleur. L’utilisation de l’air ambiant conduit à gérer la problématique de la formation de givre sur les échangeurs de chaleur. Pour cela, une deuxième partie de cette thèse traite de la modélisation et de la validation expérimentale d’échangeurs de chaleur fonctionnant en condition de givrage. Une dernière partie traite de la stratégie de dimensionnement des échangeurs à air et du pilotage du procédé en exploitant les résultats de la modélisation.

Gazéification du GNL

Dans un contexte de réduction de la pression environnementale sur les énergies fossiles, le gaz naturel jouit d’un regain d’intérêt car c’est le combustible le moins polluant, comparativement à d’autres combustibles fossiles. En effet, le gaz naturel, constitué principalement de méthane, permet de « produire le plus d’énergie par kg avec le moins d’émission d’oxyde de carbone » [ROJ94]. La commercialisation du gaz naturel (GN) présente des difficultés non négligeables, principalement à cause de son transport qui nécessite la mise en place d’un réseau de conduites reliant les pays exportateurs aux pays importateurs. Cette solution n’est envisageable que s’il y a proximité terrestre entre les fournisseurs et les consommateurs. Le GN peut également être transporté par méthanier sous forme liquide. En effet, lorsque le GN est refroidi jusqu’à -162 °C à pression atmosphérique, il se transforme en gaz naturel liquéfié (GNL). La liquéfaction du gaz naturel réduit son volume de plus de 600 fois, ce qui est plus pratique pour le stocker ou le transporter. Ce mode de transport nécessite la mise en place de toute une chaîne de transport qui comprend principalement (figure 1.1) :
✦ le traitement du gaz naturel à l’extraction et son acheminement par gazoduc jusqu’au littoral
✦ la liquéfaction du gaz
✦ le stockage et le chargement des méthaniers
✦ l’acheminement par méthaniers
✦ la réception et le stockage du GNL
✦ la gazéification.
Nota : Le terme de gazéification est utilisé plutôt que celui de regazéification, puisque l’objet de la thèse est de minimiser les pertes exergétiques lors du passage de la phase liquide du méthane à sa phase gaz.

Une usine de liquéfaction consomme en moyenne 12 % du gaz entrant pour son propre fonctionnement. Cette étape constitue la partie la plus coûteuse d’une chaîne de GNL (plus ou moins 50 % des coûts selon le type d’installations développées). En 1992, les usines de liquéfaction dans le monde présentaient une capacité totale de 69,2 millions de tonnes par an [ROJ94]. Selon Ferschneider et Fischer [FER10], « en 2008, environ 200 millions de tonnes de gaz naturel ont été liquéfiées, dont 40 % dans des unités démarrées dans les années 2000. Les unités actuellement en construction permettront de produire 100 millions de tonnes supplémentaires », Legault [LEG07] prévoit plus de 400 millions de tonnes d’ici 2015.

En parallèle, un plus grand nombre de terminaux méthaniers sera construit dans les pays consommateurs de gaz. Un terminal méthanier est une installation portuaire pouvant accueillir les navires méthaniers. Elle comprend un appontement avec des installations de déchargement, de grands réservoirs de stockage de gaz liquéfié, des installations de gazéification du gaz et d’expédition sur le réseau de transport du gaz. Les projections montrent qu’un développement important de ce type d’installations est à prévoir. Dans ce travail de recherche, nous nous intéressons à la dernière étape de la chaîne de transport de GNL, qui est la gazéification, afin d’apporter une solution de gazéification innovante dans un contexte économique et environnemental où l’efficacité énergétique est un enjeu pour tous les procédés. L’objectif principal de la thèse vise à valoriser l’exergie contenue dans le GNL lors de la gazéification. Nous allons en premier lieu présenter l’état de l’art de la gazéification du GNL, en mettant l’accent sur le fait que le GNL représente une source d’exergie non négligeable et qui est souvent détruite ou mal récupérée. Nous nous intéressons à la valorisation du froid contenu dans le GNL sous forme d’énergie mécanique, comme alternative à l’utilisation directe du froid dans l’industrie (par exemple, la séparation des gaz de l’air, la congélation des aliments, etc.) qui a ses limites. Après avoir caractérisé cette source froide, nous présenterons les travaux existants sur la valorisation du froid du GNL sous forme d’énergie mécanique. Cette revue des travaux en cours montre que la plupart des systèmes proposés intègrent des procédés rejetant de la chaleur avec un système de gazéification. Un brevet proposé par GEA BTT, partenaire de cette thèse, présente un concept original du système de gazéification intégré et autonome utilisant l’air ambiant comme source de chaleur.

Etat de l’art de la gazéification du GNL

Dans un terminal méthanier le Gaz Naturel Liquéfié (GNL) acheminé à -162 °C est comprimé à 90 bar au-dessus de sa pression critique (45,99 bar). Il passe ainsi de la phase liquide à l’état de gaz dense au passage du point pseudo-critique (température critique du méthane de -82,56 °C). Une fois vaporisé, le GNL gazeux est réchauffé à haute pression (90 bar) jusqu’à une température de 5 °C pour être injecté dans le réseau de transport du gaz. Les sources d’énergie thermique disponibles sur un terminal méthanier pour la gazéification du GNL sont :
✦ l’air ambiant
✦ la chaleur de combustion du gaz naturel
✦ l’eau de mer
✦ d’éventuels rejets thermiques industriels
Dans l’état actuel de la technologie, les systèmes de vaporisation les plus utilisés  sont :
➤ la vaporisation par échange de chaleur avec l’eau de mer (Open rack vaporizers – ORV)
➤ la vaporisation par combustion submergée (Submerged combustion vaporizers – SCV) Auxquels s’ajoutent :
➤ la vaporisation par fluide intermédiaire (Intermediate fluid vaporizers – IFV)
➤ la vaporisation avec échangeurs tube et calandre (Shell-and-tube vaporizers – STV) .

La vaporisation par combustion submergée (SCV)

Description du procédé 

Le GNL est réchauffé en s’écoulant à travers un faisceau de tubes immergés dans un bain d’eau, qui est chauffé par la chaleur de combustion de gaz naturel. Le brûleur du système de vaporisation à combustion submergée émet des gaz chauds (produits de combustion) qui chauffent directement l’eau du bain par barbotage. L’air de combustion est introduit dans le brûleur à travers une volute qui donne à l’air un mouvement tourbillonnant. Il en résulte un mélange plus homogène avec les gaz de combustion. Le bain d’eau est généralement à une température comprise entre 12 et 18 °C. La vapeur d’eau issue de la combustion est condensée dans le bain, ce qui améliore l’efficacité thermique de la SCV.

Consommation énergétique de la SCV et son impact sur l’environnement

Pendant le fonctionnement, 1,5 à 2 % de la cargaison de GNL sont utilisés pour alimenter le brûleur, ce qui correspond à un coût d’exploitation très important. De plus, l’eau du bain devient acide car les produits de combustion sont absorbés lors du barbotage. Il est donc nécessaire de neutraliser les acides formés (soude caustique, carbonate de sodium, bicarbonate de sodium…). L’eau du bain doit être déconcentrée en sel ; ceci est effectué par un renouvellement partiel du volume d’eau qui doit être traité avant d’être rejeté. Enfin, la SCV produit des quantités importantes de gaz de combustion. Ceci requiert l’installation d’une technologie de contrôle de la pollution des gaz de combustion, qui vient se rajouter aux coûts de fonctionnement de la SCV.

En raison de l’importance de la quantité de gaz de combustion, les émissions de NOx et de CO2 ne sont pas à négliger, même si une émission de NOx de moins de 46 ppm est réalisable. La quantité de NOx peut encore être réduite à 5 ppm en utilisant le système de réduction catalytique sélective (SCR), mais il double le coût du système.

Les avantages de la SCV

La capacité thermique du bain d’eau est très importante, il est donc possible de maintenir un fonctionnement stable, même en cas d’arrêt soudain ou lors de fluctuations importantes de la charge. Ce système s’adapte rapidement à l’évolution de la demande en gaz naturel. De plus, la SCV est conçue pour utiliser du gaz combustible à basse pression provenant de l’évaporation des gaz de l’installation comme les gaz lourds (C2 et plus) extraits du GNL.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : GAZEIFICATION DU GNL
Introduction
1. Etat de l’art de la gazéification du GNL
1.1. La vaporisation par combustion submergée (SCV)
1.1.1. Description du procédé
1.1.2. Consommation énergétique de la SCV et son impact sur l’environnement
1.1.3. Les avantages de la SCV
1.2. La vaporisation par échange de chaleur avec l’eau de mer (ORV)
1.2.1. Description générale de l’ORV
1.2.2. L’impact environnemental de l’ORV
1.2.3. Avantages de l’ORV
1.3. Comparaison entre la SCV et l’ORV
1.4. La vaporisation par fluide intermédiaire (IFV)
1.5. La vaporisation avec échangeurs tube et calandre (STV)
1.6. La vaporisation par l’air ambiant (AAV)
2. Analyse exergétique des systèmes de gazéification actuels
2.1. Analyse exergétique du GNL
2.2. Destruction d’exergie dans les systèmes actuels
3. Valorisation par cycles de Carnot réversible et endo-réversible
4. Travaux en cours sur la valorisation du froid du GNL sous forme d’énergie mécanique
4.1. Etude bibliographique sur les systèmes de valorisation du froid du GNL sous forme d’énergie mécanique
4.2. Nouveau concept de gazéification avec valorisation à l’air ambiant (Brevet WO 2011/055045 A1)
5. Optimisation de l’architecture thermodynamique des cycles moteurs
5.1. Introduction
5.2. Contraintes et irréversibilités d’un cycle moteur réel
5.3. Choix des fluides de travail candidats
5.4. Analyse énergétique et exergétique
5.4.1. Compresseur (ou pompe)
5.4.2. Récupérateur
5.4.3. Echangeur Fluide/Propane
5.4.4. Turbine
5.4.5. Gazéifieur du GNL
5.5. Recherche de la meilleure solution
5.5.1 Solution avec un seul cycle thermodynamique
5.5.2. Solution de revalorisation avec deux cycles thermodynamiques
5.6. Conclusion
6. Analyse exergétique saisonnière préliminaire
Conclusions
Sommaire
CHAPITRE 2 : MODELISATION D’ECHANGEURS A AILETTES RONDES DISCONTINUES EN CONDITION DE GIVRAGE ET VALIDATION EXPERIMENTALE
Introduction
1. Description du dispositif expérimental
1.1. Conditions opératoires
1.2. Choix des maquettes d’échangeur
1.3. Circuit aéraulique
1.4 Circuit hydraulique
1.4.1. Circuit du frigoporteur (Temper -55)
1.4.2. Circuit de dégivrage
1.5. Système d’acquisition
2. Procédure expérimentale
3. Calcul d’incertitude
3.1 Tolérance des appareils de mesures
3.2. Incertitude sur le bilan de masse
4. Résultats expérimentaux
4.1. Dépôt de givre
4.2. Flux de chaleur sensible
4.3. Perte de pression et chute du débit
4.4. Conclusion
5. Modèle de croissance du givre sur les ailettes d’un échangeur de chaleur (avec validation par la littérature)
5.1. Etude bibliographique et présentation des mécanismes de formation de givre
5.1.1 Introduction
5.1.2. Description du phénomène de formation de givre
5.1.3. Modèles décrivant la formation de givre
5.2. Modélisation de la croissance de givre sur les ailettes d’un échangeur de chaleur
5.2.1. Hypothèses
5.2.2. Bilan de masse et d’énergie
5.2.3. Conditions aux limites
5.2.4. Validation du modèle
5.2.5. Conclusion
6. Modélisation d’échangeurs à ailettes discontinues en condition de givrage
6.1. Introduction
6.2. Modèle d’un élément de tube à ailettes en condition de givrage
6.2.1. Modèle « Géométrie »
6.2.2. Modèle « air »
6.2.3. Modèle « Tube+ Ailettes »
6.2.4. Modèle » fluide frigoporteur »
6.3 Schéma d’un modèle d’une maquette d’échangeurs
7. Etude bibliographique des corrélations du coefficient de transfert de chaleur et de la perte de pression (échangeurs à ailettes rondes discontinues)
7.1 Bibliographie des corrélations du coefficient de transfert de chaleur externe
7.1.1. Corrélation de Briggs et Young (1963)
7.1.2. Corrélation de Krupiczka et al. (2003)
7.1.3. Corrélation de Vampola (1966)
7.1.4. Corrélation de Ganguli et al (1985)
7.1.5. Comparaison entre les différentes corrélations du coefficient de transfert de chaleur externe
7.2. Bibliographie des corrélations de perte de pression
7.2.1. Corrélation de Robinson et Briggs
7.2.2. Corrélation Vampola (1966)
7.2.3. Validation expérimentale des corrélations de perte de pression
7.3. Corrélations du coefficient de transfert de chaleur interne
8. Corrélation des coefficients de transfert de chaleur et de masse en conditions de givrage
8.1. Introduction
8.2. Identification et corrélation du coefficient de transfert de chaleur et de la fonction de Lewis en condition de givrage
8.2.1. Coefficient de transfert de masse
8.2.2. Coefficient de transfert de chaleur
9. Validation du modèle
10. Corrélation de la perte de pression en condition de givrage
Conclusions
CHAPITRE 3 : STRATEGIE DE CONCEPTION ET DE PILOTAGE DU PROCEDE
Introduction
1. Données d’entrée, besoins et variables de design
2. Définition des besoins thermiques du procédé
2.1. Cycles moteurs
2.2. Boucle de fluide caloporteur
2.3. Pompe à chaleur
2.3.1. Le dégivrage
3. Recherche du cas défavorable
4. Etude du dégivrage
5. Dimensionnement des évaporateurs et de la pompe à chaleur
6. Analyse exergétique saisonnière (6 FPI)
Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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