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FR3118024A1 - Dispositif de production d’énergie comportant une unité de production de dihydrogène - Google Patents

Dispositif de production d’énergie comportant une unité de production de dihydrogène Download PDF

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FR3118024A1
FR3118024A1 FR2013573A FR2013573A FR3118024A1 FR 3118024 A1 FR3118024 A1 FR 3118024A1 FR 2013573 A FR2013573 A FR 2013573A FR 2013573 A FR2013573 A FR 2013573A FR 3118024 A1 FR3118024 A1 FR 3118024A1
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Abstract

Titre : Dispositif de production d’énergie comportant une unité de production de dihydrogène La présente invention propose un dispositif de production d’énergie (100) comportant : - un dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux (1) ; - une unité de conversion d’énergie (2) ; - une unité de production (3) de dihydrogène disposé fluidiquement entre le dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux (1) et l’unité de conversion d’énergie (2), l’unité de conversion d’énergie (2) étant configurée pour convertir l’énergie fournie par le dihydrogène en une énergie électrique, thermique et/ou mécanique ; l’unité de production (3) de dihydrogène comportant au moins un réacteur de plasmalyse (5) configuré pour générer une plasmalyse de l’hydrocarbure gazeux de manière à produire au moins du dihydrogène dirigé vers l’unité de conversion d’énergie, le dispositif de production d’énergie comportant un module de contrôle (200) configuré pour générer une instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène en fonction d’une information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène (6) agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse et l’unité de conversion d’énergie. (figure 1)

Description

Dispositif de production d’énergie comportant une unité de production de dihydrogène
La présente invention se rapporte au domaine de la production d’énergie, et plus particulièrement à la production d’énergie impliquant une production de dihydrogène.
Le dihydrogène est considéré comme une énergie d’avenir aux multiples applications dans le transport, la production industrielle ou le chauffage. Ainsi, il est notamment envisagé d’utiliser largement le dihydrogène comme carburant pour les voitures et autres moyens de transport.
Par ailleurs, il est connu d’avoir des installations de chauffage ou d’autres installations industrielles qui utilisent le dihydrogène comme gaz de combustion. Dans ce contexte, la production de larges quantités de dihydrogène repose principalement sur deux procédés différents. Un premier procédé utilise le vaporeformage qui consiste à faire réagir un hydrocarbure, principalement du méthane, avec de l’eau. La formation de dihydrogène s’accompagne d’un dégagement de dioxyde de carbone qui est un des principaux gaz à effet de serre. Lorsque cette solution est couplée avec un mécanisme de capture de dioxyde de carbone, seulement 70% à 90% du dioxyde de carbone ainsi libérés sont séquestrés pour éviter leur relargage dans l’atmosphère. Enfin, le rendement énergétique de conversion est limité à 82%, notamment du fait que le vaporeformage requiert un apport d’énergie. Un tel rendement est encore plus dégradé par la mise en œuvre du mécanisme de capture du dioxyde de carbone.
Un deuxième procédé utilise l’électrolyse de l’eau qui consiste à décomposer l'eau en dioxygène et dihydrogène grâce à un courant électrique. Le courant électrique est fourni par une source extérieure d’énergie qui est, à ce jour, encore carbonée dans de nombreux pays, c’est-à-dire produisant notamment du dioxyde de carbone. L’électrolyse de l'eau, principale méthode de production de dihydrogène avec le vaporeformage d'hydrocarbures, utilise plus d'électricité que le dihydrogène n'en produit lors de son utilisation, par exemple dans une pile à combustible.
Le dihydrogène produit dans des sites industriels est généralement acheminé, par exemple par camion, de l’unité de production jusqu’au site de distribution ou consommation. Cependant, la logistique de transport est complexe et onéreuse à mettre en œuvre.
Dans le cas d’installation de chauffage utilisant du dihydrogène, il est également connu d’équiper le site de l’installation de chauffage avec des électrolyseurs qui permettent de produire sur site le dihydrogène qui va ensuite être utilisé par l’installation de chauffage. La production de dihydrogène par électrolyse n’est toutefois pas encore optimale du fait des coûts d’investissement et de production, rapportés à la capacité de production.
La présente invention s’inscrit dans ce contexte et vise à proposer un dispositif de production d’énergie qui utilise du dihydrogène pour cette production d’énergie et qui intègre une unité de production de ce dihydrogène qui est économique et écologique et dont le fonctionnement peut être ajusté à la demande d’énergie.
La présente invention propose un dispositif de production d’énergie comportant un dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux, une unité de conversion d’énergie, une unité de production de dihydrogène disposé fluidiquement entre le dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux et l’unité de conversion d’énergie, l’unité de conversion d’énergie étant configurée pour convertir l’énergie fournie par le dihydrogène en une énergie électrique, thermique et/ou mécanique, l’unité de production de dihydrogène comportant au moins un réacteur de plasmalyse à plasma micro-ondes configuré pour générer une plasmalyse de l’hydrocarbure gazeux de manière à produire au moins du dihydrogène dirigé vers l’unité de conversion d’énergie, le dispositif de production d’énergie comportant un module de contrôle configuré pour générer une instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène en fonction d’une information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse et l’unité de conversion d’énergie.
Selon l’invention, une information relative au dihydrogène peut notamment consister en une information de pression du dihydrogène et/ou une information de débit du dihydrogène.
Cette information est notamment détectée dans une zone de distribution de dihydrogène, qui peut aussi bien consister d’une part en une conduite de circulation de dihydrogène seule, et correctement dimensionnée pour amener le dihydrogène à un débit suffisamment important pour ne pas bloquer le fonctionnement de l’unité de conversion d’énergie en aval, ou d’autre part, et tel que cela sera détaillé ci-après, en une conduite équipée d’un moyen de stockage associé le cas échéant à des moyens de régulation de pression du dihydrogène.
L’unité de production de dihydrogène est configurée pour mettre en œuvre une plasmalyse de l’hydrocarbure gazeux qui est une réaction de décomposition de l’hydrocarbure gazeux donnant naissance à du dihydrogène gazeux (H2(g)) et du carbone solide (C(s)) grâce à un plasma généré par rayonnements micro-ondes, et le dispositif de production d’énergie selon l’invention est configuré pour piloter le fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène en fonction des besoins de l’unité de production d’énergie. L’invention permet ainsi d’adopter un mode de fonctionnement adapté, et donc à la fois économique, peu énergivore et efficace, au type et au dimensionnement de l’unité de production d’énergie associée à l’unité de production de dihydrogène.
Un avantage de l’invention est qu’elle est respectueuse de l’environnement par la mise en œuvre de la plasmalyse d’hydrocarbure gazeux. L’unité de production de dihydrogène permet de produire du dihydrogène de manière décarbonée, c’est-à-dire sans émission de dioxyde de carbone, contrairement aux autres technologies de production de dihydrogène, comme le vaporeformage, qui relâche du dioxyde de carbone et ne peut capturer que 70% à 90% du dioxyde de carbone émis, ou l’électrolyse de l’eau qui dans de nombreux pays est connectée pour partie à un système de production d’électricité produisant du dioxyde de carbone.
La mise en œuvre d’une plasmalyse permet notamment une production de dihydrogène beaucoup moins énergivore en électricité qu’une production de dihydrogène par électrolyse. Elle permet également d’associer à la production de dihydrogène des moyens de contrôle du fonctionnement de l’unité de production, l’obtention de dihydrogène par plasmalyse, impliquant une génération de micro-ondes, étant plus particulièrement adaptée à une modulation du fonctionnement de l’unité de production.
Plus particulièrement, la puissance micro-ondes absorbée par le plasma peut être facilement ajustée en fonction du besoin, puisque l’extinction, l’allumage ou la modulation de puissance du générateur de micro-ondes est très rapide, de l’ordre d’une fraction de seconde, sans qu’il y ait d’inertie du dispositif.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la plasmalyse est réalisée à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique, et avantageusement d’une valeur supérieure à la pression atmosphérique, en fonction du débit de dihydrogène nécessaire à l’application. Le choix d’une pression supérieure à la pression atmosphérique permet d’assurer le débit d’hydrocarbure gazeux arrivant en surpression par le dispositif d’alimentation, sans qu’il soit nécessaire de prévoir d’autres composants sur un circuit d’arrivée qu’une vanne de coupure d’alimentation. Par ailleurs, le choix d’une telle pression permet d’éviter une entrée d’oxygène à l’intérieur du réacteur de plasmalyse en cas de perte d’étanchéité.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène consiste en au moins une instruction de commande de l’arrivée d’hydrocarbure gazeux via le dispositif d’alimentation. Plus particulièrement, l’unité de production de dihydrogène peut comporter une vanne pilotable agencée sur un conduit de raccordement au dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux permettant la circulation de cet hydrocarbure seulement dans la direction du réacteur de plasmalyse, et le module de contrôle est configuré pour piloter la vanne, que ce soit dans un fonctionnement marche/arrêt ou dans une modulation du débit de passage. De la sorte, on influe sur la quantité d’hydrocarbure gazeux arrivant dans le réacteur de plasmalyse et on influe sur la quantité de dihydrogène produit par l’unité de production de dihydrogène, indépendamment des paramètres de fonctionnement du réacteur de plasmalyse.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène consiste en au moins une instruction de commande du réacteur de plasmalyse. De la sorte, on influe sur la quantité de dihydrogène produit par l’unité de production, en jouant sur des paramètres de fonctionnement du réacteur de plasmalyse, sans pour autant modifier le débit d’hydrocarbure gazeux dirigé vers l’unité de production.
Il convient de noter que le module de commande peut tout aussi bien générer une ou plusieurs instructions de commande spécifiquement destinées au réacteur de plasmalyse, ou bien générer une unique instruction de commande spécifiquement destinée au dispositif d’alimentation, et/ou générer des instructions de commande à la fois destinée au dispositif d’alimentation et au réacteur de plasmalyse, pour obtenir un fonctionnement optimal du dispositif de production d’énergie.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’hydrocarbure gazeux est choisi parmi le groupe comprenant le méthane, le propane, le butane et ses isomères, le gaz naturel, le biométhane et leurs mélanges.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux est un réseau de transport et de distribution de l’hydrocarbure gazeux et/ou au moins une cuve de stockage constitutive de l’unité de production de dihydrogène. Le réseau de transport permet d’acheminer l’hydrocarbure gazeux depuis des terminaux gaziers. Le réseau de transport est ainsi par exemple un gazoduc. La cuve de stockage peut être approvisionnée par des camions citernes ou être remplacée lorsqu’elle est vide.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le réacteur de plasmalyse comprend au moins un générateur de rayonnement micro-ondes, un guide de transmission de micro-ondes configuré pour guider le rayonnement micro-ondes du générateur de rayonnement micro-ondes vers une cavité de rayonnement micro-ondes.
Une cavité de rayonnement micro-ondes résonante, aussi appelée résonateur, est un espace creux à l'intérieur d'un bloc en métal dans lequel le rayonnement micro-ondes entre en résonance. La cavité de rayonnement micro-ondes résonante permet un couplage très efficace du rayonnement micro-ondes avec l’hydrocarbure gazeux de sorte à former le plasma.
Il faut entendre ici, ainsi que dans tout ce qui suit, par résonance que le rayonnement micro-ondes est réfléchi à 100% par au moins une paroi du bloc délimitant la cavité de rayonnement micro-ondes, lorsqu’il n’y pas de plasma présent dans la cavité de rayonnement micro-ondes.
Le réacteur de plasmalyse peut également comporter un isolateur de rayonnement micro-ondes configuré pour empêcher le rayonnement micro-ondes non absorbé par le plasma de retourner vers le générateur de rayonnement micro-ondes
L’isolateur de rayonnement micro-ondes peut être agencé entre le générateur de rayonnement micro-ondes et le guide de transmission de micro-ondes.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la pression au sein d’au moins une partie de l’unité de production de dihydrogène, notamment au sein de la cavité de rayonnement micro-ondes, est supérieure ou égale à la pression atmosphérique.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le générateur de rayonnement micro-ondes est configuré pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une puissance comprise entre 0,1kW et 100kW et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égale à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’instruction de commande du réacteur de plasmalyse consiste en une instruction de commande du générateur de rayonnement micro-ondes.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le guide de transmission de micro-ondes est un guide d'ondes de section rectangulaire ou cylindrique ou un câble coaxial.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le réacteur de plasmalyse comprend un dispositif de refroidissement configuré pour refroidir le générateur de rayonnement micro-ondes avec de l’eau et/ou avec de l’air.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le réacteur de plasmalyse comprend un dispositif d’allumage de plasma comportant une pointe métallique rétractable configurée pour être insérée ou rétractée dans la cavité de rayonnement micro-ondes à l’aide d’un actionneur. Autrement dit, le dispositif d’allumage est un mécanisme électromécanique doté d’un actionneur qui est configuré pour déplacer une pointe métallique entre une position en dehors de la cavité de rayonnement micro-ondes, c’est-à-dire rétractée, et une position dans la cavité de rayonnement micro-ondes. En position dans la cavité de rayonnement micro-ondes, la pointe métallique est configurée pour créer une décharge électrique qui amorce le plasma nécessaire à la plasmalyse.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’instruction de commande du réacteur de plasmalyse consiste en une instruction de commande du dispositif d’allumage.
Selon différentes caractéristiques optionnelles de l’invention, prises seules ou en combinaison :
- le réacteur de plasmalyse comprend un dispositif d’injection de gaz comportant au moins une buse configurée pour générer un flux d’hydrocarbure gazeux provenant du dispositif d’alimentation et agencée dans la cavité de rayonnement micro-ondes de manière à former un vortex du flux d’hydrocarbure gazeux dans la cavité de rayonnement micro-ondes.
- le réacteur de plasmalyse comprend un circuit de refroidissement à eau ou/et à air
- le réacteur de plasmalyse est configuré pour que l’hydrocarbure gazeux soit le gaz plasmagène et soit le réactif de la plasmalyse pour former le dihydrogène et le carbone solide.
- le réacteur de plasmalyse comprend au moins une tuyère configurée pour contenir le plasma et assurer une réduction progressive de la température des produits issus de la plasmalyse, à la sortie de la cavité de rayonnement micro-ondes.
- la tuyère est composée au moins en partie de céramique et/ou de métal, de telle sorte que la tuyère peut endurer les températures induites par le plasma.
- le réacteur de plasmalyse comprend au moins un tuyau agencé autour de la tuyère de sorte qu’au moins une partie du tuyau délimite une chambre d’isolation thermique du plasma. En d’autres termes, le tuyau présente une forme adaptée, concentrique à une partie de la tuyère et la chambre est l’espace entre la tuyère et le tuyau. Ainsi, la chambre permet d'isoler thermiquement le plasma.
- une autre partie du tuyau délimite une chambre de refroidissement d’au moins certains produits de réaction de la plasmalyse, parmi lesquels le dihydrogène et du carbone solide produits par la plasmalyse. Les produits de réaction regroupent les produits issus de la plasmalyse et d’éventuels résidus de l’hydrocarbure gazeux n’ayant pas été décomposés pendant la plasmalyse.
- le tuyau comporte, sur une face interne, une pluralité d’ailettes qui s’étendent radialement depuis la face interne du tuyau en direction du centre du tuyau et qui sont couplées thermiquement avec la face interne du tuyau. Ainsi, les échanges thermiques avec les produits de réaction sont améliorés facilitant la solidification du carbone. La pluralité d’ailettes peut être agencée dans la chambre de refroidissement du tuyau.
- le tuyau peut être dépourvu d’ailettes et comprendre un face interne lisse.
- l’unité de production de dihydrogène comprend un dispositif de circulation de fluide configuré pour refroidir au moins en partie le tuyau. Ainsi, le refroidissement des produits de réaction est assuré par échanges convectifs et conductifs avec au moins une face interne du tuyau qui est refroidie par le dispositif de circulation lorsque le flux des produits de réactions s’écoule vers un dispositif de séparation. La séparation du dihydrogène des autres produits de réaction est améliorée par ce refroidissement. Lorsque le tuyau comprend en outre les ailettes, la séparation est bien plus efficace. On comprend dans ce contexte que la face interne de l’autre partie du tuyau délimitant la chambre de refroidissement est refroidie par le dispositif de circulation de fluide.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’unité de production de dihydrogène comprend un dispositif de filtration de sorte à purifier le dihydrogène produit par la plasmalyse des autres produits de réaction. Ainsi, le dihydrogène présente une pureté suffisante pour être utilisé par exemple dans une pile à combustible.
L’unité de production de dihydrogène est ainsi conçue pour être économe en ressources et elle est exploitée selon un procédé qui supprime en totalité la génération de dioxyde de carbone. C’est en cela que l’unité de production de dihydrogène est décarbonée. Dès lors, un avantage supplémentaire de l’invention réside dans sa facilité d’implémentation sur des sites industriels exigus ou sur des surfaces de petites tailles, notamment du fait qu’il n’y a pas besoin de filtrer ou stocker de grandes quantités de dioxyde de carbone.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’unité de production de dihydrogène comprend une conduite de retour configurée pour injecter au moins une partie des produits de réaction de la plasmalyse dans la cavité de rayonnement micro-ondes résonante. Ainsi, les éventuels résidus d’hydrocarbure gazeux sont systématiquement recyclés.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, les produits de réaction comprennent principalement du dihydrogène gazeux et du carbone solide, ainsi que d’éventuels résidus d’hydrocarbure gazeux, tel que du méthane, qui sont systématiquement recyclés via la conduite de retour vers le réacteur.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’unité de production de dihydrogène comprend un dispositif de récupération du carbone solide généré par la plasmalyse. Le carbone solide peut notamment être récupéré à des fins industrielles.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la zone de distribution de dihydrogène, agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse et l’unité de conversion d’énergie, comporte un réservoir tampon disposé en sortie du réacteur de plasmalyse et relié fluidiquement à isopression au réacteur de plasmalyse et à l’unité de conversion d’énergie.
Dans ce contexte, l’information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène à partir de laquelle le module de contrôle est configuré pour piloter le fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène est une information relative au dihydrogène présent dans le réservoir tampon. En d’autres termes, le module de contrôle est configuré pour piloter le fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène en fonction d’une information relative à la présence de dihydrogène dans le réservoir tampon, et notamment une information relative à la pression et/ou au débit de dihydrogène dans le réservoir tampon disposé dans la zone de distribution de dihydrogène et relié fluidiquement à isopression au réacteur de plasmalyse et à l’unité de conversion d’énergie.
Un tel mode de réalisation est notamment mis en œuvre lorsque l’unité de conversion d’énergie est susceptible de fonctionner avec une pression de dihydrogène sensiblement équivalente à celle du dihydrogène produit par le réacteur de plasmalyse, qui peut être tel que précédemment évoqué supérieure à la pression atmosphérique. Dans ce contexte, l’unité de production est apte à fournir du dihydrogène en direct, sans opérations intermédiaires de compression, stockage et détente pour ajuster les pressions de fonctionnement, et l’on améliore ainsi la réactivité et le coût du fonctionnement du dispositif de production d’énergie dans son ensemble.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, dans le contexte qui vient d’être évoqué avec un réservoir tampon relié fluidiquement à isopression au réacteur de plasmalyse et à l’unité de conversion d’énergie, le générateur de rayonnements micro-ondes, qui peut notamment être choisi entre un générateur de type magnétron et un générateur de rayonnement micro-ondes à semi-conducteurs, aussi appelé un générateur de rayonnement micro-ondes à état solide, est avantageusement un générateur de rayonnement micro-ondes à état solide. Un tel type de générateur permet notamment un démarrage instantané de la plasmalyse, ce qui permet de prévoir un fonctionnement plus réactif.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la zone de distribution de dihydrogène, agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse et l’unité de conversion d’énergie, comporte un ensemble de stockage disposé en sortie du réacteur de plasmalyse et relié hydrauliquement au réacteur de plasmalyse et à l’unité de conversion d’énergie, ledit ensemble de stockage comprenant au moins un dispositif de compression, une cuve de stockage et un détendeur, le dispositif de compression étant positionné pour transférer le dihydrogène, en sortie du réacteur de plasmalyse, dans le dispositif de stockage.
Dans ce contexte, l’instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène peut notamment consister en une instruction de commande du dispositif de compression. Par ailleurs, l’information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène à partir de laquelle le module de contrôle est configuré pour piloter le fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène peut être une information relative au dihydrogène présent dans la cuve de stockage.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, au moins deux instructions de commande parmi l'instruction de commande du dispositif de compression, l’instruction de commande du dispositif d’alimentation, l’instruction de commande du dispositif d’allumage et l’instruction de commande du générateur de rayonnement de micro-ondes, sont envoyées et mises en œuvre simultanément. Dans un mode de réalisation particulier, l’ensemble de ces instructions de commande est mis en œuvre simultanément.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, et dans le contexte d’un mode de réalisation avec un ensemble de stockage présent dans la zone de distribution de dihydrogène et comprenant au moins un dispositif de compression et une cuve de stockage, le générateur de rayonnement micro-ondes est indifféremment un générateur de rayonnement micro-ondes à magnétron ou un générateur de rayonnement micro-ondes à état solide. En effet dans ce contexte, le format du générateur de rayonnement micro-ondes importe peu car la cuve de stockage présente un volume suffisant pour former un effet tampon efficace quelle que soit la demande en dihydrogène de l’unité de conversion d’énergie et l’importance de la réactivité du démarrage de l’unité de production de dihydrogène est moins fondamentale que ce qui a pu être évoqué précédemment. Le cas échéant, l’ensemble de stockage peut comporter un détendeur permettant de mettre à une pression adéquate le dihydrogène en sortie de la cuve de stockage. Il convient de noter que ce détendeur pourrait faire partie de l’unité de conversion d’énergie et être raccordé fluidiquement de la même façon à la sortie de la cuve de stockage.
Il convient de comprendre que la cuve de stockage présente des dimensions, et notamment un volume de réception du dihydrogène, bien supérieures à celle du réservoir tampon précédemment évoqué. A titre d’exemple non limitatif, la cuve de stockage peut présenter un volume de réception du dihydrogène de l’ordre de du mètre cube (m3) et le réservoir tampon peut présenter un volume de réception du dihydrogène de l’ordre de la centaine de litres.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, un système de filtration est disposé en amont du réacteur de plasmalyse. Un tel système de filtration est plus particulièrement disposé entre le dispositif d’alimentation et le réacteur de plasmalyse, et il permet notamment de purifier l’hydrocarbure gazeux destiné à être injecté dans la cavité de rayonnement micro-ondes afin d’améliorer les performances de la plasmalyse.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, un dispositif de filtration est disposé en aval du réacteur de plasmalyse, le dispositif de filtration étant configuré pour séparer le dihydrogène d’autres gaz résiduels. Un tel dispositif de filtration est plus particulièrement disposé entre le réacteur de plasmalyse et la zone de distribution de dihydrogène, et il permet notamment d’assurer un niveau élevé de pureté de dihydrogène destiné à alimenter l’unité de conversion d’énergie. La présence d’un tel dispositif de filtration est notamment avantageuse lorsque l’unité de conversion d’énergie consiste en une pile à combustible nécessitant un dihydrogène à taux de pureté élevé.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le dispositif de production comporte une conduite de retour qui s’étend entre le dispositif de filtration et le réacteur de plasmalyse, pour un recyclage des gaz résiduels collectés dans le dispositif de filtration.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’unité de conversion d’énergie est une installation de chauffage domestique, collectif ou industriel, ou une source de chaleur de procédé industriel. L’unité de conversion d’énergie est alors configurée pour convertir l’énergie fournie par le dihydrogène en une énergie thermique. Une telle unité de conversion d’énergie est avantageusement prévue dans un mode de réalisation du dispositif de production d’énergie dans lequel la zone de distribution de dihydrogène est à isopression avec le réacteur de plasmalyse et l’unité de conversion d’énergie. La quantité de dihydrogène à fournir à l’unité de conversion d’énergie peut alors être fournie sans coupure, par la quantité de dihydrogène présent dans la zone de distribution de dihydrogène, le cas échéant dans le réservoir tampon, et par la réactivité de l’unité de production de dihydrogène.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’unité de conversion d’énergie comporte une turbine à gaz, ou un moteur à combustion interne, associés à une génératrice. L’unité de conversion d’énergie est alors configurée pour convertir l’énergie fournie par le dihydrogène en une énergie électrique et/ou mécanique. Une telle unité de conversion d’énergie est avantageusement prévue dans un mode de réalisation du dispositif de production d’énergie dans lequel la zone de distribution de dihydrogène est équipée d’un ensemble de stockage avec compresseur, le compresseur permettant le stockage du dihydrogène dans la cuve jusqu’à une pression de 900 bars. La quantité de dihydrogène à fournir à l’unité de conversion d’énergie peut alors être fournie immédiatement sans coupure, à la pression souhaitée par la turbine à gaz ou le moteur à combustion interne, par l’utilisation d’un détendeur formant partie du dispositif de stockage.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’unité de conversion d’énergie comporte une pile à combustible. Une telle unité de conversion d’énergie est avantageusement prévue dans un mode de réalisation du dispositif de production d’énergie dans lequel la zone de distribution de dihydrogène est équipée d’un ensemble de stockage avec compresseur, le compresseur permettant le stockage du dihydrogène dans la cuve jusqu’à une pression de 900 bars. Par ailleurs, une telle unité de conversion d’énergie est avantageusement prévue dans un mode de réalisation du dispositif de production d’énergie dans lequel un dispositif de filtration des produits de réaction en sortie du réacteur de plasmalyse permet de s’assurer du haut taux de pureté du dihydrogène produit.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’information relative au dihydrogène présent dans la zone de distribution de dihydrogène est obtenue via un manostat, ledit module de contrôle étant configuré pour générer et transmettre une instruction de commande à l’unité de production de dihydrogène lorsque la pression mesurée par le manostat est inférieure à un valeur seuil.
En d’autres termes, le dispositif selon l’invention comporte un manostat apte à détecter une information, par exemple la pression ou le débit du dihydrogène, dans la cuve de stockage, le réservoir tampon, ou une conduite de circulation de dihydrogène, dès lors que c’est dans la zone de distribution de dihydrogène entre l’unité de production de dihydrogène et l’unité de conversion d’énergie. Et la valeur de pression ou de débit est envoyée au module de contrôle pour que celui-ci puisse comparer cette valeur à une valeur seuil.
La valeur seuil peut varier en fonction du débit d’appel de l’unité de conversion d’énergie du volume du réservoir, c’est à dire selon le cas de la cuve de stockage ou du réservoir tampon. Dans le cas d’une mesure de pression, cette valeur seuil peut notamment être de 10 bars. Dès lors que la pression mesurée est inférieure à la valeur seuil, le module de contrôle génère une instruction de commande conforme à cette situation, à savoir une dépression dans la zone de distribution de dihydrogène significative d’un appel de dihydrogène par l’unité de conversion d’énergie, et l’instruction de commande vise à faire démarrer l’unité de production de dihydrogène ou bien à augmenter son rendement.
L’invention a enfin pour objet un procédé de fonctionnement d’un dispositif de production d’énergie tel que précédemment évoqué, au cours duquel l’unité de production de dihydrogène est pilotée par le module de contrôle par modulation de la production de dihydrogène selon le fonctionnement de l’unité de conversion d’énergie.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la modulation de la production de dihydrogène est réalisée en mode binaire, le réacteur de plasmalyse n’étant en marche que lorsque l’information relative au dihydrogène présent dans la zone de distribution de dihydrogène présente une valeur sortant d’une plage de valeur prédéfinie. Par exemple, on comprend que le réacteur de plasmalyse est mis en marche dès lors que la pression détectée dans la zone de distribution de dihydrogène est inférieure à une valeur seuil, par exemple de 10 bars. En d’autres termes, il s’agit ici d’un fonctionnement de type start and stop, dans lequel on met en marche l’unité de production de dihydrogène à la demande, une fois identifié le besoin de dihydrogène de l’unité de conversion d’énergie.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la modulation de la production de dihydrogène est réalisée par ajustement du débit et/ou de la pression d’hydrocarbure gazeux entrant dans l’unité de production de dihydrogène et/ou par ajustement de la puissance de fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène. On assure ainsi une réactivité du fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène, en réduisant toutefois l’énergie nécessaire pour faire fonctionner cette unité de production. Par puissance de fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène, il convient de comprendre que l’on vise à moduler le fonctionnement d’au moins un composant de l’unité de production de dihydrogène dès lors que cette modulation a un effet sur la quantité de dihydrogène fournie en un temps donné par l’unité de production de dihydrogène.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le générateur de rayonnement micro-ondes est configuré pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une puissance comprise entre 0,1kW et 100kW et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égales à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
la est une représentation schématique d’un premier mode de réalisation d’un dispositif de production d’énergie mettant notamment en œuvre une unité de production de dihydrogène par plasmalyse et une unité de conversion d’énergie de type installation de chauffage ;
la est une représentation schématique d’un deuxième mode de réalisation d’un dispositif de production d’énergie mettant notamment en œuvre une unité de production de dihydrogène par plasmalyse, qui diffère du premier mode de réalisation en ce qu’un unique réservoir tampon remplace un ensemble de stockage avec un dispositif de compression et une cuve de stockage ;
la est une représentation schématique d’un troisième mode de réalisation d’un dispositif de production d’énergie qui diffère de la en ce que l’unité de conversion d’énergie est de type turbine à gaz ;
la est une représentation schématique d’un quatrième mode de réalisation d’un dispositif de production d’énergie qui diffère de la en ce que l’unité de conversion d’énergie est de type pile à combustible ;
la est une représentation schématique d’une cavité de rayonnement micro-ondes de l’unité de production de dihydrogène de la , vue dans un plan perpendiculaire à un axe longitudinal du plasma.
la est une vue de détails de la cavité de rayonnement micro-ondes de la avec une tuyère et un tuyau de l’unité de production de dihydrogène de la , vue dans un plan comprenant l’axe longitudinal du plasma.
la est une vue schématique illustrant des dimensions de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante du réacteur de plasmalyse.
Il faut tout d’abord noter que si les figures exposent l’invention de manière détaillée pour sa mise en œuvre, elles peuvent bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant. Il est également à noter que, sur l’ensemble des figures, les éléments similaires et/ou remplissant la même fonction sont indiqués par la même numérotation.
La illustre un dispositif de production d’énergie 100 qui, conformément à l’invention, comporte principalement un dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux 1, une unité de conversion d’énergie 2 et une unité de production de dihydrogène 3 disposé fluidiquement entre le dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux 1 et l’unité de conversion d’énergie 2, l’unité de production de dihydrogène 3 comportant au moins un réacteur de plasmalyse 5 configuré pour produire au moins du dihydrogène à partir d’hydrocarbure gazeux.
Selon l’invention, le dispositif de production d’énergie 100 comporte par ailleurs un module de contrôle 200 configuré pour générer une instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène en fonction d’une information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène 6 agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse 5 et l’unité de conversion d’énergie 2.
La plasmalyse est un procédé permettant de décomposer l’hydrocarbure gazeux en carbone solide C(s)et en dihydrogène gazeux H2(g)grâce à un plasma généré par un rayonnement micro-ondes. L’hydrocarbure gazeux peut être du méthane CH4, du propane C3H8, du butane C4H10et ses isomères, et/ou du gaz naturel ou du biométhane. Le gaz naturel peut comprendre majoritairement du méthane CH4, et dans une moindre proportion du propane C3H8et/ou du butane C4H10et ses isomères.Lorsque l’hydrocarbure gazeux est le méthane, la réaction de plasmalyse s’écrit :
Le procédé de plasmalyse permet de générer du dihydrogène selon un processus totalement décarboné, c’est-à-dire sans émission de dioxyde de carbone, avec du dihydrogène gazeux et du carbone solide formant des produits de réaction issus de la plasmalyse.
L’hydrocarbure gazeux nécessaire à la réaction de plasmalyse se déroulant dans le réacteur de plasmalyse 5 est fourni par le dispositif d’alimentation 1. Dans l’exemple illustré, le dispositif d’alimentation 1 comprend au moins un dispositif de stockage 8 qui peut être approvisionné par exemple par des camions citernes et/ou être remplacé lorsqu’il est vide.
Dans un mode de réalisation non représenté, le dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux est une partie terminale d’un réseau de distribution de l’hydrocarbure gazeux, assurant une distribution en flux tendu, sans dispositif de stockage. Le réseau de distribution permet d’acheminer l’hydrocarbure gazeux depuis des terminaux gaziers. Le réseau de distribution est ainsi par exemple un réseau de distribution de gaz pour les usages industriels, collectifs ou domestiques.
L’unité de production de dihydrogène comporte par ailleurs une vanne pilotable 10 agencée sur cette partie terminale du réseau de distribution de l’hydrocarbure gazeux, ou en d’autres termes sur un conduit de raccordement disposée fluidiquement entre le dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux 1 et le réacteur de plasmalyse 5. La vanne pilotable 10 est configurée pour recevoir une instruction de commande de l’unité de contrôle 200 précédemment évoquée, et permettre en fonction de cette instruction de commande l’arrivée ou non d’hydrocarbure gazeux dans le réacteur de plasmalyse, et le cas échéant permettre en fonction de cette instruction de commande une arrivée plus ou moins importante d’hydrocarbure gazeux.
La zone de distribution de dihydrogène 6 est configurée pour relier fluidiquement une sortie du réacteur de plasmalyse et une entrée de l’unité de conversion d’énergie. Dans l’exemple illustré sur la , cette zone de distribution de dihydrogène 6 comporte un ensemble de stockage de dihydrogène dimensionné pour récupérer et stocker le dihydrogène produit par le réacteur de plasmalyse, avant son injection dans l’unité de conversion d’énergie. Un tel ensemble de stockage permet notamment de s’assurer que le dihydrogène fourni à l’unité de conversion d’énergie est distribué à une pression et un débit approprié au bon fonctionnement de l’unité de conversion d’énergie. Ici, l’ensemble de stockage comporte une cuve de stockage 12, un dispositif de compression, ou compresseur, 14 en amont de la cuve de stockage, de sorte que le compresseur est agencé fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse 5 et la cuve de stockage 12 pour permettre de stocker le dihydrogène à une pression appropriée dans la cuve de stockage, et un détendeur 15 en aval de la cuve de stockage, de sorte que le détendeur est agencé fluidiquement entre la cuve de stockage 12 et l’unité de conversion d’énergie 2, pour permettre d’alimenter l’unité de conversion d’énergie avec du dihydrogène à une pression appropriée.
La zone de distribution de dihydrogène 6, et plus particulièrement ici la cuve de stockage 12, est équipée d’un dispositif de mesure permettant un relevé d’une information relative à la présence de dihydrogène dans la zone de distribution de dihydrogène. Plus particulièrement ici, le dispositif de mesure consiste en un manostat 16 apte à relever la pression du dihydrogène présent dans la cuve de stockage. Le manostat 16 est relié à l’unité de contrôle 200, et c’est notamment sur la base de cette information relative à la présence de dihydrogène dans la zone de distribution de dihydrogène que l’unité de commande génère une instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène, et par exemple une unité de commande de la vanne pilotable tel que précédemment évoqué.
Tel qu’évoqué précédemment, l’unité de production de dihydrogène 3 est agencée entre le dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux 1 et l’unité de conversion d’énergie 2 de manière à transformer l’hydrocarbure gazeux issu par exemple du réseau de gaz de ville en un dihydrogène servant de combustible à l’unité de conversion d’énergie.
Cette unité de conversion d’énergie 2 est ici une installation de chauffage apte à convertir le dihydrogène en énergie thermique, et plus particulièrement ici une installation de chauffage industriel, nécessitant d’être alimentée par du dihydrogène avec un débit important. Un tel besoin en alimentation de dihydrogène est notamment assuré par la présence de l’ensemble de stockage dans la zone de distribution de dihydrogène 6.
L’installation de chauffage comporte ici un système de contrôle du gaz injecté 18, un bruleur 20 à flamme ou à catalyse adapté à la combustion du dihydrogène, un corps de chauffe 22 et un système de distribution de la chaleur 23 soit par eau, par air ou par un autre fluide caloporteur.
De manière alternative, un dispositif de production d’énergie tel que précédemment évoqué pourrait comporter, en tant qu’unité de conversion d’énergie, une source de chaleur de procédé industriel, là encore nécessitant du dihydrogène à haut débit, mais il pourrait également comporter une installation de chauffage individuel ou collectif, étant toutefois noté que de telles installations peuvent être plus particulièrement associées à un dispositif de production d’énergie selon un deuxième mode de réalisation qui sera décrit par la suite en référence à la .
Le réacteur de plasmalyse est plus particulièrement décrit maintenant, en référence aux figures 5 à 7.
Le réacteur de plasmalyse 5 comprend au moins une cavité de rayonnement micro-ondes 24 formée dans un bloc 26 en métal. L’hydrocarbure gazeux provenant du dispositif d’alimentation 1 est injecté dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24 et le rayonnement micro-ondes est également guidé dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24. La cavité de rayonnement micro-ondes 24 est configurée pour accueillir au moins en partie le plasma 28. Ainsi, la cavité de rayonnement micro-ondes 24 résonante permet un couplage très efficace du rayonnement micro-ondes au plasma 28.
La cavité de rayonnement micro-ondes 24 peut être couplée avec un guide d’ondes spécifique aux fréquences comprises entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égale à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz. Elle est résonante, c’est-à-dire que le rayonnement micro-ondes est réfléchi à 100% par au moins une paroi de bloc 26 délimitant la cavité de rayonnement micro-ondes 24, lorsqu’il n’y pas de plasma 28 présent dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24.
Tel que visible à la , les dimensions d’une zone active de décharge 25 de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante 24 sont définies par la fréquence utilisée. La zone active de décharge 25 est la zone où le plasma 28 se forme. La largeur L1 de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante 24 est définie par la fréquence utilisée et par le type de guide d’ondes, la hauteur H1 de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante 24 est égale à la moitié de la largeur L1 de cette cavité de rayonnement micro-ondes 24 et la largeur L2 de la zone active de décharge 25 est inférieure ou égale à la hauteur H1 de la cavité de rayonnement micro-ondes 24. Du fait de la géométrie de la cavité micro-ondes résonante, les micro-ondes se concentrent au centre de la cavité pour former une répartition du champ électromagnétique avec une densité de puissance suffisante pour ioniser le flux d’hydrocarbure gazeux. La zone active de décharge 25, autrement appelée zone de plasma, est la zone où l’interaction entre le champ électromagnétique et le flux d’hydrocarbure gazeux ionisé est optimale. Le plasma 28 est amorcé en introduisant un dispositif d’allumage 30 au centre de la zone active de décharge 25.
L’injection de l’hydrocarbure gazeux dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24 est effectuée par un dispositif d’injection 32 du réacteur de plasmalyse 5. Plus précisément illustré sur la , le dispositif d’injection 32 comprend au moins une buse 34, ici deux buses 34, couplée à au moins une entrée 36 de la cavité de rayonnement micro-ondes 24. La buse 34 permet de créer un flux d’hydrocarbure gazeux provenant du dispositif d’alimentation 1.
L’entrée 36 est agencée tangentiellement à une direction d’élongation du plasma 28. L’entrée 36 est aussi agencée tangentiellement à une paroi délimitant la cavité de rayonnement micro-ondes 24. Cette configuration permet alors de créer un vortex du flux d’hydrocarbure gazeux 38 dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24 comme cela est illustré sur la et sur la . Le vortex contribue à la stabilité du plasma 28.
Le flux d’hydrocarbure gazeux 38 ionisé par le rayonnement micro-ondes produit le plasma 28. Le flux d’hydrocarbure gazeux 38 du vortex produisant le plasma est également destinée à subir la plasmalyse. On comprend dans ce contexte que le gaz utilisé pour former le plasma et le gaz qui subit la plasmalyse sont identiques. En d’autres termes, un seul gaz issu d’une source unique permet de produire le plasma, de produire le dihydrogène et le carbone solide. Autrement dit, l’hydrocarbure gazeux sert à la fois de gaz plasmagène et de réactif à la plasmalyse.
En référence à la , le réacteur de plasmalyse 5 comprend un générateur de rayonnement micro-ondes 40 qui permet de créer un plasma dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24. Le générateur de rayonnement micro-ondes 40 peut être un générateur de rayonnement micro-ondes à magnétron ou un générateur de rayonnement micro-ondes à semi-conducteurs, aussi appelé un générateur de rayonnement micro-ondes à état solide.
Dans un mode de réalisation non représenté, le générateur de rayonnement micro-ondes 40 est refroidi par un dispositif de refroidissement à eau et/ou à air. Cela permet de garder le générateur de rayonnement micro-ondes 40 à une température optimum de fonctionnement.
Le générateur de rayonnement micro-ondes 40 est configurée pour générer un rayonnement micro-ondes dont la puissance est comprise entre 0,1kW et 100kW à une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égales à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Comme cela est notamment visible sur la , le rayonnement micro-ondes est dirigé vers la cavité de rayonnement micro-ondes 24 par un guide de transmission de micro-ondes 42 couplé au générateur de rayonnement micro-ondes 40. Le guide de transmission de micro-ondes 42 est un guide d'ondes rectangulaire ou cylindrique ou un câble coaxial.
Un isolateur 44 de rayonnement micro-ondes est disposé entre le générateur de rayonnement micro-ondes 40 et le guide de transmission de micro-ondes 42, c’est-à-dire au niveau du couplage entre le générateur de micro-ondes 40 et le guide de transmission de micro-ondes 42. L’isolateur 44 empêche le rayonnement micro-ondes non absorbé par le plasma 28 de retourner vers le générateur de rayonnement micro-ondes 40 par réflexions dans le guide de transmission de micro-ondes 42.
Tel que cela a pu être évoqué, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un dispositif d’allumage 30 du plasma 28. Le dispositif d’allumage 30 est un mécanisme électromécanique comportant une pointe métallique 45 et un actionneur 46 qui déplace la pointe métallique 45 entre une position en dehors de la cavité de rayonnement micro-ondes et une position dans la cavité de rayonnement micro-ondes. La pointe métallique 45 est donc rétractable.
Ainsi, pour amorcer le plasma, le rayonnement micro-ondes généré par le générateur de rayonnement micro-ondes 40 est transmis à la cavité de rayonnement micro-ondes 24 dans laquelle l’hydrocarbure gazeux est injecté tangentiellement aux parois de la cavité de rayonnement micro-ondes 24 pour former un vortex d’un flux d’hydrocarbure gazeux. Dès que la puissance du rayonnement micro-ondes requise est atteinte, l’amorçage du plasma est effectué par le dispositif d’allumage 30 dont la pointe métallique 45 reste moins d’une seconde dans la zone active de décharge de la cavité de rayonnement micro-ondes 24. Le flux d’hydrocarbure gazeux 38 servant lui-même à produire le plasma 28, il subit ainsi la réaction de plasmalyse. Après la phase d’amorçage du plasma, celui-ci est maintenu et stabilisé par le flux de micro-ondes et le flux d’hydrocarbure gazeux en vortex.
La pression régnant dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24 est supérieure ou égale à la pression atmosphérique. D’une manière plus générale, la pression régnant au sein d’au moins une partie de l’unité de production de dihydrogène 3 est supérieure ou égale à la pression atmosphérique. Avantageusement, la pression régnant au sein d’au moins une partie de l’unité de production de dihydrogène 3 est supérieure à la pression atmosphérique.
En référence à la et à la , une sortie 48 de la cavité de rayonnement micro-ondes 24 est prolongée par une tuyère 50 composée au moins en partie de céramique et/ou de métal. La tuyère 50 est utilisée pour contenir le plasma. La tuyère 50 est aussi utilisée pour assurer la continuité de la réaction de plasmalyse en protégeant les produits de réaction, notamment les produits issus de la plasmalyse, contre le refroidissement rapide en sortie 48 de cavité de rayonnement micro-ondes 24. En d’autres mots, la tuyère 50 permet donc une réduction progressive de la température des produits de réaction, notamment des produits issus de la plasmalyse à la sortie 48 de la cavité de rayonnement micro-ondes 24.
Le plasma 28, une fois créé, s’étend à la fois dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24 et dans la tuyère 50 selon un axe longitudinal L. Ainsi, la tuyère s’étend depuis la sortie 48 de la cavité de rayonnement micro-ondes 24 dans une direction opposée à la cavité de rayonnement micro-ondes le long de l’axe longitudinal L.
En référence à la , le réacteur de plasmalyse 5 comprend un tuyau 52 qui s’étend depuis un voisinage de la sortie 48 de la cavité de rayonnement micro-ondes 24 dans une direction opposée à la cavité de rayonnement micro-ondes 24 le long de l’axe longitudinal L. La dimension du tuyau 52 mesurée le long de l’axe longitudinal L est plus grande que la dimension de la tuyère 50 mesurée le long de l’axe longitudinal L. Le tuyau vient complètement entourer la tuyère 50.
Une première partie 54 du tuyau 52 présente une forme adaptée, concentrique à la tuyère 50. Ainsi, une chambre d’isolation thermique du plasma 28 est délimitée entre une face externe de la tuyère 50 et une face interne de la première partie 54 du tuyau 52. La chambre permet d'isoler thermiquement le plasma 28 pour limiter, voire supprimer, des inhomogénéités de température au sein du plasma 28, notamment en sa périphérie.
Le tuyau 52 comprend une deuxième partie 56 qui prolonge la première partie 54 du tuyau selon un axe parallèle à l’axe longitudinal L du plasma 28. La deuxième partie 56 du tuyau 52 délimite une chambre de refroidissement 58. Ainsi, la chambre de refroidissement permet de refroidir les produits de réaction. La solidification du carbone en est ainsi améliorée. Les produits de réaction regroupent le méthane n’ayant pas été décomposé pendant la plasmalyse, les produits issus de la plasmalyse, c’est-à-dire le dihydrogène gazeux et le carbone solide.
Dans le mode de réalisation de l’invention sur la , la deuxième partie 56 du tuyau 52 comporte sur sa face interne une pluralité d’ailettes 60 qui s’étendent radialement depuis la face interne de la deuxième partie 56 du tuyau 52 en direction du centre du tuyau et qui sont couplées thermiquement avec la face interne de la deuxième partie du tuyau 52. Ainsi, les échanges thermiques avec les produits de réaction venant en contact des ailettes 60 sont améliorés facilitant la solidification du carbone produit par la plasmalyse.
Un dispositif de circulation de fluide 62 est agencé contre une paroi externe de la deuxième partie 56 du tuyau 52 de sorte à refroidir au moins en partie la deuxième partie 56 du tuyau 52. Ainsi, le refroidissement des produits de réaction dans la chambre de refroidissement 58 est assuré par échanges convectifs et conductifs avec au moins une partie de la face interne de la deuxième partie 56 du tuyau 52 qui est refroidie par le dispositif de circulation de fluide 62. La séparation du dihydrogène des autres produits de réaction est améliorée par ce refroidissement. Lorsque le tuyau 52 comprend en outre les ailettes 60 qui sont alors elle aussi refroidie par conduction thermique, la séparation est encore plus efficace. Cela est notamment très utile lors de l’écoulement du flux de produits de réaction vers un dispositif de séparation 64 équipant l’unité de production de dihydrogène 3.
Le dispositif de séparation 64 comprend notamment un élément séparateur à vortex. L’élément séparateur est configuré pour aspirer le flux de produits de réaction refroidis depuis la chambre de refroidissement 58. Le carbone solide refroidi se dépose soit sur un fond de l’élément séparateur, soit sur une surface interne d’une paroi de l’élément séparateur. D’autres particules solides sont présentes dans le flux de produits de réaction refroidis et viennent aussi se déposer aux mêmes endroits que le carbone solide.
Le carbone solide ainsi récupéré est stocké dans un dispositif de récupération 66 et peut être pris en charge par le même véhicule qui vient changer ou ravitailler les dispositifs de stockage 8 du dispositif d’alimentation le cas échéant. Le carbone solide peut être ensuite recyclé pour différents usages industriels.
Le dihydrogène en sortie du dispositif de séparation 64 circule alors dans la zone de distribution de dihydrogène 6 disposée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse 5 et l’unité de conversion d’énergie 2.
Dans le premier mode de réalisation illustré sur la , la zone de distribution de dihydrogène 6 est pourvue de l’ensemble de stockage comportant ici la cuve de stockage 12, le compresseur 14 et le détendeur 15, et le dihydrogène peut être stocké à une pression pouvant aller jusqu’à environ 900 bars avant d’être détendu à la pression appropriée pour l’alimentation de l’unité de conversion d’énergie 2. Ainsi, il est possible de répondre à la demande en dihydrogène du consommateur en toutes circonstances.
Tel que cela été évoqué précédemment, le module de contrôle 200 du dispositif de production d’énergie est configuré selon l’invention pour générer une instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène en fonction d’une information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse et l’unité de conversion d’énergie.
Plus particulièrement, dans l’exemple illustré, le module de contrôle 200 récupère une information et est apte à générer une ou plusieurs instructions de commande à des composants différents de l’unité de production de dihydrogène et parmi lesquels la vanne pilotable 10, le dispositif d’allumage 30 du réacteur de plasmalyse 5, le générateur de rayonnements micro-ondes 40, et le compresseur 14.
De manière indépendante, en ne réalisant qu’une instruction de commande spécifique, ou bien de manière complémentaire, en réalisant plusieurs instructions de commande simultanément, le module de contrôle 200 peut piloter l’alimentation en hydrocarbure gazeux par le pilotage du fonctionnement de la vanne pilotable 10, ou bien piloter le fonctionnement du réacteur de plasmalyse par le pilotage du dispositif de rayonnements micro-ondes 40 et/ou le pilotage du dispositif d’allumage 30, ou bien encore piloter le fonctionnement de l’ensemble de stockage par le pilotage du compresseur 14.
Ces instructions de commande peuvent consister en une instruction de fonctionnement binaire, de type marche arrêt, ou bien consister en une instruction de fonctionnement ajusté, avec une production de dihydrogène de quantité variable et ajustée à la demande.
On comprend que la présence de ce module de contrôle permet de faire fonctionner l’unité de production de dihydrogène en fonction du besoin de l’unité de conversion d’énergie, pour ajuster la consommation énergétique du dispositif sans pour autant diminuer la prestation de l’unité de conversion d’énergie.
Un premier exemple de procédé de fonctionnement du dispositif de production d’énergie peut être le suivant. Une demande d’énergie, ici thermique, est formée au niveau de l’unité de conversion d’énergie. Il en résulte un appel de dihydrogène et le volume de dihydrogène présent dans la cuve de stockage 12 en est réduit. L’unité de production de dihydrogène reste éteinte, dans un mode d’arrêt non énergivore, et ce jusqu’à ce que la pression du dihydrogène présent dans la cuve de stockage 12, mesurée par le manostat 16, présente une valeur supérieure à une valeur seuil prédéfinie, par exemple de l’ordre de 10 bars. Dès lors que la pression du dihydrogène devient inférieure à cette valeur seuil prédéfinie, le module de contrôle transmet une information de mise en marche à l’un des composants susceptibles d’être pilotés par le module de contrôle. A titre d’exemple, simultanément, la vanne pilotable 10 est ouverte pour laisser passage à l’hydrocarbure gazeux, tandis que le dispositif d’allumage 30 et le générateur de rayonnements micro-ondes 40 sont actionnés. On est ici dans le mode de fonctionnement binaire évoqué précédemment. Une instruction de commande correspondant à la fermeture ou la mise en veille de ces composants est par la suite générée par le module de contrôle lorsque la cuve de stockage est de nouveau remplie de dihydrogène.
Un deuxième exemple de procédé de fonctionnement du dispositif de production d’énergie peut être le suivant. Là encore, une demande d’énergie, ici thermique, est formée au niveau de l’unité de conversion d’énergie. Il en résulte un appel de dihydrogène et le volume de dihydrogène présent dans la cuve de stockage 12 en est réduit. L’unité de production de dihydrogène est alors pilotée pour fonctionner dans un premier temps dans un premier mode, correspondant à un mode de production réduite de dihydrogène, par exemple en diminuant le débit d’arrivée d’hydrocarbure gazeux en limitant l’ouverture de la vanne pilotable 10 et en limitant la quantité de rayonnements micro-ondes dans le réacteur de plasmalyse par un fonctionnement à charge réduite du générateur de rayonnements micro-ondes. Ce premier mode de production réduite de dihydrogène est mis en œuvre tant que la pression du dihydrogène présent dans la cuve de stockage 12, mesurée par le manostat 16, présente une valeur supérieure à une valeur seuil prédéfinie, par exemple de l’ordre de 10 bars. Dès lors que la pression du dihydrogène devient inférieure à cette valeur seuil prédéfinie, le module de contrôle modifie les instructions de commande pour moduler le fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène et le faire fonctionner à plein régime. On est ici dans le mode de fonctionnement modulaire évoqué précédemment.
Un deuxième mode de réalisation est illustré à la et diffère de ce qui vient d’être décrit en ce que la zone de distribution de dihydrogène 6 comporte un réservoir tampon 68 en lieu et place de l’ensemble de stockage du premier mode de réalisation.
Le réservoir tampon 68 est relié fluidiquement à isopression au réacteur de plasmalyse 5 et à l’unité de conversion d’énergie 2. En d’autres termes, il n’y a pas de compresseur en sortie du réacteur de plasmalyse et le dihydrogène produit par le réacteur est directement envoyé vers l’unité de conversion d’énergie 2 via le réservoir tampon 68.
Il convient de noter que le réservoir tampon présente un volume de l’ordre de la centaine de litres. On comprend que ce volume est bien moins important que celui de la cuve de stockage du premier mode de réalisation, qui est lui de l’ordre du mètre cube (m3) étant entendu que le réservoir tampon 68 s’inscrit dans un mode de réalisation où aucun compresseur n’est prévu et où le dihydrogène produit par le réacteur de plasmalyse est directement à la bonne pression pour être fournie à l’unité de conversion d’énergie. Le dihydrogène produit peut ainsi être immédiatement fourni et la réactivité de l’unité de production de dihydrogène par rapport à la demande de l’unité de conversion d’énergie est excellente.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le module de contrôle 200 est configuré pour piloter le fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène 3 en fonction de la pression de dihydrogène présent dans le réservoir tampon. Comme précédemment, un manostat 16 est prévu pour réaliser la mesure de la pression de dihydrogène, ici associé au réservoir tampon 68.
Un troisième mode de réalisation est illustré à la et diffère de ce qui a été décrit pour le premier mode de réalisation en ce que l’unité de conversion d’énergie 2 comporte une turbine à gaz.
En aval du détendeur 15, une chambre de combustion du dihydrogène 70 permet de créer l’énergie suffisante pour entraîner un arbre moteur 72 et un générateur électrique associé, et transformer ainsi l’énergie du dihydrogène en une énergie mécanique ou électrique.
De manière alternative, on peut prévoir que l’unité de conversion d’énergie soit un moteur à combustion interne, étant entendu que la structure de l’unité de production de dihydrogène reste la même que celle qui vient d’être décrite dans ce troisième mode de réalisation, avec là aussi une zone de distribution de dihydrogène 6 qui comporte un compresseur, une cuve de stockage et un détendeur.
Le fonctionnement de la turbine à gaz, ou du moteur à combustion interne, implique la fourniture d’un dihydrogène à haut débit de sorte que l’unité de production de dihydrogène est conformément au premier mode de réalisation équipé d’un compresseur et d’une cuve de stockage permettant de stocker le dihydrogène produit jusqu’à une pression de 900 bars.
Un quatrième mode de réalisation est illustré à la et diffère de ce qui a été décrit pour le premier mode de réalisation en ce que l’unité de conversion d’énergie 2 comporte ici une pile à combustible 73. Tel qu’illustré schématiquement, la pile à combustible reçoit du dihydrogène et de l’air en entrée, et est configurée pour délivrer de l’électricité à destination d’un équipement électrique et/ou d’un réseau électrique 75. A titre d’exemples non limitatifs illustrés sur la , les équipements électriques en aval de la pile à combustible sont le générateur de rayonnement micro-ondes 40, afin de permettre une alimentation autonome de celui-ci, et un organe de stockage d’énergie électrique 74. Ici, un convertisseur de courant 76 approprié est disposé entre la sortie de la pile à combustible 73 et les équipements et réseau électriques.
Le bon fonctionnement de la pile à combustible nécessite un niveau de pureté du dihydrogène plus important qu’il n’était nécessaire pour les autres types d’unité de conversion d’énergie précédemment décrits comme les chaudières par exemple. Dans ce contexte, le dispositif de production d’énergie selon ce quatrième mode de réalisation est équipé d’un dispositif de filtration 65. Les gaz collectés à la sortie du réacteur de plasmalyse 5, et notamment après être passés par le dispositif de séparation 64, passent dans un filtre de ce dispositif de filtration qui est configuré pour séparer le dihydrogène des autres produits gazeux, qui peuvent notamment tel qu’illustré sur la être réinjectés dans le réacteur pour une nouvelle plasmalyse, via une conduite de retour 67. Le dihydrogène collecté à la sortie du dispositif de filtration 65 est dirigé vers la zone de distribution de dihydrogène 6 et plus particulièrement ici vers le compresseur 14 avant d’être stocké dans la cuve de stockage 12.
En d’autres termes, on réalise une filtration en aval du réacteur de plasmalyse qui tend à distinguer dans les produits de réaction de la plasmalyse le dihydrogène apte à être dirigé vers la pile à combustible et les autres gaz résiduels éventuels, en infime quantité. Ces gaz résiduels peuvent par exemple être du méthane qui n’a pas subi la décarbonation totale et les éventuels produits de réaction secondaire type éthane, éthylène, etc. Tous les gaz résiduels sont réinjectés dans le réacteur de plasmalyse pour les décomposer complètement.
Il convient de noter que si le dispositif de filtration 65 n’est illustré que dans le quatrième mode de réalisation, il pourrait, sans sortir du contexte de l’invention, équiper un dispositif de production selon d’autres modes de réalisation de l’invention précédemment décrits, même si ceux-ci mettent en œuvre des bruleurs de dihydrogène au sein des unités de conversion d’énergie et qu’un taux de pureté du dihydrogène arrivant dans ces unités de conversion d’énergie n’est dès lors pas indispensable.
Par ailleurs, le dispositif selon le quatrième mode de réalisation diffère ici de ce qui précède en ce qu’une bouteille de stockage 78 et un détendeur 79 associé participent à former le dispositif d’alimentation 1. Il convient de noter que cette réalisation du dispositif d’alimentation pourrait être différente et être remplacée par les réalisations précédemment décrites, et que plus généralement, l’une ou l’autre des réalisations décrites pourrait être mise en œuvre dans chacun des modes de réalisation sans sortir du contexte de l’invention.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
A titre d’exemple non limitatif, il pourrait être prévu un système de filtration en amont du réacteur de plasmalyse, c’est-à-dire entre le dispositif d’alimentation et le réacteur de plasmalyse, qui permette notamment de purifier l’hydrocarbure gazeux destiné à être injecté dans la cavité de rayonnement micro-ondes afin d’améliorer les performances de la plasmalyse. Notamment lorsque le gaz en entrée est du gaz naturel provenant d’un réseau de gaz composé principalement de méthane, un filtrage des composants indésirables comme par exemple l’azote, le monoxyde de carbone ou le dioxyde de carbone peut ainsi être effectué avant injection dans le réacteur à plasmalyse.
L’invention, telle qu’elle vient d’être décrite, atteint bien le but qu’elle s’était fixée, et permet de proposer un dispositif de production d’énergie, que ce soit thermique, électrique ou mécanique qui est configuré pour utiliser une alimentation en hydrocarbure gazeux, qui peut notamment consister en un réseau de gaz de ville et des bruleurs à dihydrogène, plus écologiques, grâce à la présence d’une unité de production de dihydrogène par plasmalyse combinée à un module de contrôle apte à piloter le fonctionnement de cette unité de production pour répondre de façon efficace mais économe à la demande de production d’énergie.

Claims (22)

  1. Dispositif de production d’énergie (100) comportant :
    - un dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux (1) ;
    - une unité de conversion d’énergie (2) ;
    - une unité de production (3) de dihydrogène disposé fluidiquement entre le dispositif d’alimentation en hydrocarbure gazeux (1) et l’unité de conversion d’énergie (2), l’unité de conversion d’énergie (2) étant configurée pour convertir l’énergie fournie par le dihydrogène en une énergie électrique, thermique et/ou mécanique ;
    l’unité de production de dihydrogène comportant au moins un réacteur de plasmalyse (5) à plasma micro-ondes configuré pour générer une plasmalyse de l’hydrocarbure gazeux de manière à produire au moins du dihydrogène dirigé vers l’unité de conversion d’énergie,
    le dispositif de production d’énergie (100) comportant un module de contrôle (200) configuré pour générer une instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène (3) en fonction d’une information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène (6) agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse (5) et l’unité de conversion d’énergie (2).
  2. Dispositif de production d’énergie selon la revendication précédente, dans lequel l’instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène (3) consiste en au moins une instruction de commande de l’arrivée d’hydrocarbure gazeux via le dispositif d’alimentation (1) et/ou en au moins une instruction de commande du réacteur de plasmalyse (5).
  3. Dispositif de production d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le réacteur de plasmalyse (5) comprend au moins un générateur de rayonnement micro-ondes (40), un guide de transmission de micro-ondes (42) configuré pour guider le rayonnement micro-ondes du générateur de rayonnement micro-ondes (40) vers une cavité de rayonnement micro-ondes (24) du réacteur de plasmalyse (5).
  4. Dispositif de production d’énergie selon la revendication précédente, en combinaison avec la revendication 2, dans lequel l’instruction de commande du réacteur de plasmalyse (5) consiste en une instruction de commande du générateur de rayonnement micro-ondes (40).
  5. Dispositif de production d’énergie selon l’une des revendications 3 ou 4, dans laquelle le réacteur de plasmalyse (5) comprend un dispositif d’allumage (30) de plasma (28) comportant une pointe métallique rétractable (45) configurée pour être insérée ou rétractée dans la cavité de rayonnement micro-ondes (24) à l’aide d’un actionneur (46).
  6. Dispositif de production d’énergie selon la revendication précédente, en combinaison avec la revendication 2, dans lequel l’instruction de commande du réacteur de plasmalyse (5) consiste en une instruction de commande du dispositif d’allumage (30).
  7. Dispositif de production d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la zone de distribution de dihydrogène (6), agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse et l’unité de conversion d’énergie, comporte un réservoir tampon (68), ledit réservoir tampon étant relié fluidiquement à isopression au réacteur de plasmalyse (5) et à l’unité de conversion d’énergie (2).
  8. Dispositif de production d’énergie selon la revendication précédente, dans lequel l’information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène (6) à partir de laquelle le module de contrôle (200) est configuré pour piloter le fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène (3) est une information relative au dihydrogène présent dans le réservoir tampon (68).
  9. Dispositif de production d’énergie selon l’une des revendications 7 ou 8, en combinaison avec l’une des revendications 3 à 6, dans lequel le générateur de rayonnements micro-ondes (40) est un générateur à l’état solide.
  10. Dispositif de production d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la zone de distribution de dihydrogène (6), agencée fluidiquement entre le réacteur de plasmalyse et l’unité de conversion d’énergie, comporte un ensemble de stockage disposé en sortie du réacteur de plasmalyse (5) et relié hydrauliquement au réacteur de plasmalyse et à l’unité de conversion d’énergie (2), ledit ensemble de stockage comprenant au moins un dispositif de compression (14), une cuve de stockage (12) et un détendeur (15), le dispositif de compression (14) étant positionné pour transférer le dihydrogène, en sortie du réacteur de plasmalyse, dans le dispositif de stockage (12).
  11. Dispositif de production d’énergie selon la revendication précédente, dans lequel l’instruction de commande de l’unité de production de dihydrogène (3) consiste en une instruction de commande du dispositif de compression (14).
  12. Dispositif de production d’énergie selon l’une des deux revendications précédentes, dans lequel l’information relative au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène (6) à partir de laquelle le module de contrôle (200) est configuré pour piloter le fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène (3) est une information relative au dihydrogène présent dans la cuve de stockage (12).
  13. Dispositif de production d’énergie selon la revendication 8 ou 12, l’information relative au dihydrogène présent dans la zone de distribution de dihydrogène (6) est obtenue via un manostat (16), ledit module de contrôle (200) étant configuré pour générer et transmettre une instruction de commande à l’unité de production de dihydrogène (3) lorsque la pression mesurée par le manostat est inférieure à un valeur seuil.
  14. Dispositif de production d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un système de filtration est disposé en amont du réacteur de plasmalyse.
  15. Dispositif de production d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un dispositif de filtration (65) est disposé en aval du réacteur de plasmalyse (5), le dispositif de filtration étant configuré pour séparer le dihydrogène d’autres gaz résiduels.
  16. Dispositif de production d’énergie selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de production comporte une conduite de retour (67) qui s’étend entre le dispositif de filtration (65) et le réacteur de plasmalyse (5), pour un recyclage des gaz résiduels collectés dans le dispositif de filtration.
  17. Dispositif de production d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’unité de conversion d’énergie (2) est une installation de chauffage domestique, collectif ou industriel, ou une source de chaleur de procédé industriel.
  18. Dispositif de production d’énergie selon l’une des revendications 1 à 16, dans lequel l’unité de conversion d’énergie (2) comporte une turbine à gaz ou un moteur à combustion interne, couplé mécaniquement à un générateur électrique.
  19. Dispositif de production d’énergie selon l’une des revendications 1 à 16, dans lequel l’unité de conversion d’énergie (2) comporte une pile à combustible.
  20. Procédé de fonctionnement d’un dispositif de production d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 19, au cours duquel l’unité de production de dihydrogène (3) est pilotée par le module de contrôle (200) par modulation de la production de dihydrogène selon le fonctionnement de l’unité de conversion d’énergie (2).
  21. Procédé de fonctionnement selon la revendication précédente, au cours duquel la modulation de la production de dihydrogène est réalisée en mode binaire, le réacteur de plasmalyse (5) n’étant en marche que lorsque l’information relative au dihydrogène présent dans la zone de distribution de dihydrogène (6) présente une valeur sortant d’une plage de valeur prédéfinie.
  22. Procédé de fonctionnement selon la revendication précédente, au cours duquel la modulation de la production de dihydrogène est réalisée par ajustement du débit et/ou de la pression d’hydrocarbure gazeux entrant dans l’unité de production de dihydrogène (3) et/ou par ajustement de la puissance de fonctionnement de l’unité de production de dihydrogène (3).
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