CA3196846A1 - Unite de production decarbonee et de distribution de dihydrogene; procede de fonctionnement de cette unite - Google Patents
Unite de production decarbonee et de distribution de dihydrogene; procede de fonctionnement de cette uniteInfo
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Abstract
La présente invention propose une unité de production et de distribution (100) de dihydrogène pour un consommateur (51) de dihydrogène, comprenant au moins un dispositif d'alimentation (1) en hydrocarbure gazeux, au moins un réacteur de plasmalyse (5) à plasma micro-ondes configuré pour générer, à une pression égale à la pression atmosphérique à +/-15%, une plasmalyse de l'hydrocarbure gazeux fourni par le dispositif d'alimentation (1) et produisant, de manière décarbonée, au moins du dihydrogène et du carbone solide, l'unité de production et de distribution (100) comprenant au moins un dispositif de stockage (33) du dihydrogène produit et au moins un dispositif de distribution (35) au consommateur (51) du dihydrogène stocké dans le dispositif de stockage (33).
Description
DESCRIPTION
UNITÉ DE PRODUCTION DECARBONÉE ET DE DISTRIBUTION DE
D'HYDROGENE; PROCÉDÉ DE FONCTIONNEMENT DE CETTE UNITÉ
La présente invention se rapporte au domaine de la production et de la distribution de dihydrogène. La présente invention concerne plus particulièrement une unité de production et de distribution de dihydrogène, de manière décarbonée, c'est-à--dire en utilisant des moyens et des processus supprimant en quasi-totalité la génération de dioxyde de carbone.
Le dihydrogène est considéré comme un vecteur d'énergie d'avenir aux multiples applications telles que le transport ou la production industrielle. Ainsi, il est envisagé
d'utiliser largement le dihydrogène comme carburant pour les voitures et autres moyens de transport.
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 oeuvre 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, principalement carbonée, 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.
UNITÉ DE PRODUCTION DECARBONÉE ET DE DISTRIBUTION DE
D'HYDROGENE; PROCÉDÉ DE FONCTIONNEMENT DE CETTE UNITÉ
La présente invention se rapporte au domaine de la production et de la distribution de dihydrogène. La présente invention concerne plus particulièrement une unité de production et de distribution de dihydrogène, de manière décarbonée, c'est-à--dire en utilisant des moyens et des processus supprimant en quasi-totalité la génération de dioxyde de carbone.
Le dihydrogène est considéré comme un vecteur d'énergie d'avenir aux multiples applications telles que le transport ou la production industrielle. Ainsi, il est envisagé
d'utiliser largement le dihydrogène comme carburant pour les voitures et autres moyens de transport.
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 oeuvre 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, principalement carbonée, 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.
2 Le dihydrogène produit 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 oeuvre.
Alternativement, le site de production peut aussi être un site de distribution ou de consommation. Dans ce cas, le choix de la technologie de production de dihydrogène est limité pratiquement à la seule électrolyse, qui demande des coûts d'investissement et de production, rapportés à la capacité de production, encore plus élevés que dans le cas de l'acheminement du dihydrogène.
Par conséquent, le dihydrogène en tant que carburant reste très onéreux et les coûts d'implantation d'une station-service restent trop élevés pour une démocratisation de son utilisation comme vecteur d'énergie, à partir des technologies connues.
La présente invention a pour objet de palier au moins un des inconvénients précités et de conduire en outre à d'autres avantages en proposant un nouveau type d'unité
de production et de distribution de dihydrogène.
La présente invention propose une unité de production et de distribution de dihydrogène pour un consommateur de dihydrogène, comprenant au moins un dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux, au moins un réacteur de plasmalyse à
plasma micro-ondes configuré pour générer, à une pression égale à la pression atmosphérique à +/-15%, une plasmalyse de l'hydrocarbure gazeux fourni par le dispositif d'alimentation et produisant au moins du dihydrogène, l'unité de production et de distribution comprenant au moins un dispositif de stockage du dihydrogène produit et au moins un dispositif de distribution au consommateur du dihydrogène stocké dans le dispositif de stockage.
L'unité de production et de distribution est configurée pour mettre en oeuvre une plasmalyse de l'hydrocarbure gazeux qui est une réaction de décomposition de l'hydrocarbure gazeux donnant naissance à du dihydrogène gazeux (H2(0) et du carbone solide (CO grâce à un plasma généré par rayonnements micro-ondes.
de production jusqu'au site de distribution ou consommation. Cependant, la logistique de transport est complexe et onéreuse à mettre en oeuvre.
Alternativement, le site de production peut aussi être un site de distribution ou de consommation. Dans ce cas, le choix de la technologie de production de dihydrogène est limité pratiquement à la seule électrolyse, qui demande des coûts d'investissement et de production, rapportés à la capacité de production, encore plus élevés que dans le cas de l'acheminement du dihydrogène.
Par conséquent, le dihydrogène en tant que carburant reste très onéreux et les coûts d'implantation d'une station-service restent trop élevés pour une démocratisation de son utilisation comme vecteur d'énergie, à partir des technologies connues.
La présente invention a pour objet de palier au moins un des inconvénients précités et de conduire en outre à d'autres avantages en proposant un nouveau type d'unité
de production et de distribution de dihydrogène.
La présente invention propose une unité de production et de distribution de dihydrogène pour un consommateur de dihydrogène, comprenant au moins un dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux, au moins un réacteur de plasmalyse à
plasma micro-ondes configuré pour générer, à une pression égale à la pression atmosphérique à +/-15%, une plasmalyse de l'hydrocarbure gazeux fourni par le dispositif d'alimentation et produisant au moins du dihydrogène, l'unité de production et de distribution comprenant au moins un dispositif de stockage du dihydrogène produit et au moins un dispositif de distribution au consommateur du dihydrogène stocké dans le dispositif de stockage.
L'unité de production et de distribution est configurée pour mettre en oeuvre une plasmalyse de l'hydrocarbure gazeux qui est une réaction de décomposition de l'hydrocarbure gazeux donnant naissance à du dihydrogène gazeux (H2(0) et du carbone solide (CO grâce à un plasma généré par rayonnements micro-ondes.
3 Un avantage de l'invention est qu'elle est respectueuse de l'environnement par la mise en oeuvre de la plasmalyse d'hydrocarbure gazeux. L'unité de production et de distribution permet de produire du dihydrogène quasiment totalement décarboné, c'est-à-dire sans émission de dioxyde de carbone, contrairement aux autres technologies de production de dihydrogène, comme le vaporeformage, qui relâchent du dioxyde de carbone et ne peuvent capturer que 70% à 90% du dioxyde de carbone émis.
Selon un avantage de l'invention, la plasmalyse est réalisée à pression atmosphérique, à
+/15%. Ceci permet de limiter les moyens techniques nécessaires à la réaction, ce qui contribue à décarboner l'unité de production et de distribution objet de l'invention.
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.
Un avantage supplémentaire de l'invention réside en un coût d'investissement et d'exploitation faible, avec des durées de vie des équipements équivalentes aux autres technologies permettant ainsi une adoption aisée par les consommateurs.
Un avantage supplémentaire de l'invention réside dans le fait de réduire le coût de production du dihydrogène en consommant beaucoup moins d'électricité par rapport aux autres technologies connues. L'unité de production et de distribution est ainsi conçue pour être économe en ressources et elle est exploitée selon un procédé
qui supprime en quasi-totalité la génération dioxyde de carbone. C'est en cela que l'unité de production et de distribution est décarbonée.
Selon un mode de réalisation, 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. Le gaz naturel peut comprendre majoritairement du méthane CH4, et dans une moindre proportion, du propane C3H8 et/ou du butane C4H10 et ses isomères.
Selon un mode de réalisation, le moyen de transport est un moyen de transport terrestre, un moyen de transport maritime et/ou un moyen de transport aérien. Ainsi, un moyen
Selon un avantage de l'invention, la plasmalyse est réalisée à pression atmosphérique, à
+/15%. Ceci permet de limiter les moyens techniques nécessaires à la réaction, ce qui contribue à décarboner l'unité de production et de distribution objet de l'invention.
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.
Un avantage supplémentaire de l'invention réside en un coût d'investissement et d'exploitation faible, avec des durées de vie des équipements équivalentes aux autres technologies permettant ainsi une adoption aisée par les consommateurs.
Un avantage supplémentaire de l'invention réside dans le fait de réduire le coût de production du dihydrogène en consommant beaucoup moins d'électricité par rapport aux autres technologies connues. L'unité de production et de distribution est ainsi conçue pour être économe en ressources et elle est exploitée selon un procédé
qui supprime en quasi-totalité la génération dioxyde de carbone. C'est en cela que l'unité de production et de distribution est décarbonée.
Selon un mode de réalisation, 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. Le gaz naturel peut comprendre majoritairement du méthane CH4, et dans une moindre proportion, du propane C3H8 et/ou du butane C4H10 et ses isomères.
Selon un mode de réalisation, le moyen de transport est un moyen de transport terrestre, un moyen de transport maritime et/ou un moyen de transport aérien. Ainsi, un moyen
4 de transport terrestre tel qu'un camion ou une voiture peut facilement être ravitaillé. Il est de même pour un moyen de transport maritime tel qu'un bateau ou encore un moyen de transport aérien tel qu'un avion.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux est un réseau de transport de l'hydrocarbure gazeux et/ou au moins une cuve de stockage constitutive de l'unité de production et de distribution. 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 un mode de réalisation, le réacteur de plasmalyse comprend au moins une cavité
de rayonnement micro-ondes résonante configurée pour accueillir le plasma. 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 à l'hydrocarbure gazeux de sorte à former le plasma.
L'association de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante avec le dispositif de stockage du dihydrogène produit et le dispositif de distribution au consommateur du dihydrogène stocké dans le dispositif de stockage garantit une production stabilisée du dihydrogène et un stockage de celui-ci, tout en délivrant de manière ponctuelle ce dihydrogène au consommateur à l'endroit où celui-ci se trouve, sans imposer une logistique de distribution compliquée.
Il est également intéressant que le dispositif de distribution soit en série du dispositif de stockage, de manière à ce que la demande en dihydrogène n'impacte pas la production de dihydrogène via la cavité de rayonnement micro-ondes résonante.
Il faut entendre ici, ainsi que dans tout ce qui suit, par résonance que le rayonnement micro-ondes est réfléchi à 100% de part et d'autre de la cavité de rayonnement micro-ondes par au moins une paroi du bloc délimitant la cavité de rayonnement micro-ondes vers le générateur de rayonnement micro-ondes, lorsqu'il n'y pas de plasma présent dans la cavité de rayonnement micro-ondes.
Selon un mode de réalisation, la pression au sein d'au moins une partie de l'unité de production et de distribution, notamment au sein de la cavité de rayonnement micro-
Selon un mode de réalisation, le dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux est un réseau de transport de l'hydrocarbure gazeux et/ou au moins une cuve de stockage constitutive de l'unité de production et de distribution. 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 un mode de réalisation, le réacteur de plasmalyse comprend au moins une cavité
de rayonnement micro-ondes résonante configurée pour accueillir le plasma. 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 à l'hydrocarbure gazeux de sorte à former le plasma.
L'association de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante avec le dispositif de stockage du dihydrogène produit et le dispositif de distribution au consommateur du dihydrogène stocké dans le dispositif de stockage garantit une production stabilisée du dihydrogène et un stockage de celui-ci, tout en délivrant de manière ponctuelle ce dihydrogène au consommateur à l'endroit où celui-ci se trouve, sans imposer une logistique de distribution compliquée.
Il est également intéressant que le dispositif de distribution soit en série du dispositif de stockage, de manière à ce que la demande en dihydrogène n'impacte pas la production de dihydrogène via la cavité de rayonnement micro-ondes résonante.
Il faut entendre ici, ainsi que dans tout ce qui suit, par résonance que le rayonnement micro-ondes est réfléchi à 100% de part et d'autre de la cavité de rayonnement micro-ondes par au moins une paroi du bloc délimitant la cavité de rayonnement micro-ondes vers le générateur de rayonnement micro-ondes, lorsqu'il n'y pas de plasma présent dans la cavité de rayonnement micro-ondes.
Selon un mode de réalisation, la pression au sein d'au moins une partie de l'unité de production et de distribution, notamment au sein de la cavité de rayonnement micro-
5 ondes, est supérieure ou égale à la pression atmosphérique.
Selon un mode de réalisation, le réacteur de plasmalyse comprend un générateur de rayonnement micro-ondes, un guide de transmission configuré pour guider le rayonnement micro-ondes du générateur de rayonnement micro-ondes vers la cavité de rayonnement micro-ondes et 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.
Selon un mode de réalisation, l'isolateur de rayonnement micro-ondes est agencé entre le générateur de rayonnement micro-ondes et le guide de transmission.
Selon un mode de réalisation, le générateur de rayonnement micro-ondes est configuré
pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une puissance comprise entre lkW et 100kW et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égale à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Selon un mode de réalisation, le générateur de rayonnement micro-ondes est 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.
Selon un mode de réalisation, le guide de transmission est un guide d'ondes de section rectangulaire ou cylindrique ou un câble coaxial.
Selon un mode de réalisation, 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 un mode de réalisation, le réacteur de plasmalyse comprend un dispositif d'allumage de plasma comportant une pointe métallique rétractable configurée pour être
Selon un mode de réalisation, le réacteur de plasmalyse comprend un générateur de rayonnement micro-ondes, un guide de transmission configuré pour guider le rayonnement micro-ondes du générateur de rayonnement micro-ondes vers la cavité de rayonnement micro-ondes et 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.
Selon un mode de réalisation, l'isolateur de rayonnement micro-ondes est agencé entre le générateur de rayonnement micro-ondes et le guide de transmission.
Selon un mode de réalisation, le générateur de rayonnement micro-ondes est configuré
pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une puissance comprise entre lkW et 100kW et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égale à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Selon un mode de réalisation, le générateur de rayonnement micro-ondes est 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.
Selon un mode de réalisation, le guide de transmission est un guide d'ondes de section rectangulaire ou cylindrique ou un câble coaxial.
Selon un mode de réalisation, 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 un mode de réalisation, le réacteur de plasmalyse comprend un dispositif d'allumage de plasma comportant une pointe métallique rétractable configurée pour être
6 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 plasmolyse.
Selon un mode de réalisation, 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.
Selon un mode de réalisation, le réacteur de plasmolyse est configuré pour que l'hydrocarbure gazeux soit un gaz plasmagène et soit un réactif de la plasmalyse pour former le dihydrogène et le carbone solide.
Selon un mode de réalisation, 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.
Selon un mode de réalisation, la tuyère est composée au moins en partie de céramique et/ou de métal. Ainsi, la tuyère petit endurer les températures induites par le plasma.
Selon un mode de réalisation, 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 la forme d'un cylindre concentrique disposé autour d'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.
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 plasmolyse.
Selon un mode de réalisation, 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.
Selon un mode de réalisation, le réacteur de plasmolyse est configuré pour que l'hydrocarbure gazeux soit un gaz plasmagène et soit un réactif de la plasmalyse pour former le dihydrogène et le carbone solide.
Selon un mode de réalisation, 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.
Selon un mode de réalisation, la tuyère est composée au moins en partie de céramique et/ou de métal. Ainsi, la tuyère petit endurer les températures induites par le plasma.
Selon un mode de réalisation, 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 la forme d'un cylindre concentrique disposé autour d'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.
7 Selon un mode de réalisation, une autre partie du tuyau délimite une chambre de refroidissement du dihydrogène et du carbone solide produits par la plasmalyse. Ainsi, le tuyau permet de refroidir les produits de réaction. La solidification du carbone est améliorée.
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.
Selon un mode de réalisation, le tuyau comporte, sur une face interne, une pluralité
d'ailettes qui s'étendent radialement depuis la face interne du tuyau en direction de la tuyère et couplées thermiquement avec la face interne du tuyau. Ainsi, les échanges thermiques avec les produits de réaction sont améliorés facilitant la solidification du carbone. Selon un mode de réalisation, la pluralité d'ailettes est agencée dans la chambre de refroidissement du tuyau.
Selon un mode de réalisation, le tuyau peut être dépourvu d'ailettes et comprendre un face interne lisse.
Selon un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution 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 et de filtration. 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 un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution comprend un dispositif de séparation et 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 ou un moteur à
explosion. Le carbone solide peut être récupéré à des fins industrielles.
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.
Selon un mode de réalisation, le tuyau comporte, sur une face interne, une pluralité
d'ailettes qui s'étendent radialement depuis la face interne du tuyau en direction de la tuyère et couplées thermiquement avec la face interne du tuyau. Ainsi, les échanges thermiques avec les produits de réaction sont améliorés facilitant la solidification du carbone. Selon un mode de réalisation, la pluralité d'ailettes est agencée dans la chambre de refroidissement du tuyau.
Selon un mode de réalisation, le tuyau peut être dépourvu d'ailettes et comprendre un face interne lisse.
Selon un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution 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 et de filtration. 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 un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution comprend un dispositif de séparation et 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 ou un moteur à
explosion. Le carbone solide peut être récupéré à des fins industrielles.
8 Selon un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution 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 recyclés et leur quantité est réduite.
Selon un mode de réalisation, 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.
Selon un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution comprend un dispositif de compression pour transférer le dihydrogène purifié dans le dispositif de stockage. Ainsi, il est possible de répondre à la demande en dihydrogène du consommateur en toutes circonstances.
Selon un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution comprend un générateur d'électricité à partir du dihydrogène produit par l'unité de production et de distribution et une batterie pour stocker l'électricité produite par le générateur d'électricité en vue d'alimenter en électricité l'unité de production et de distribution.
Cela permet de rendre la génération de dihydrogène possible même en cas d'absence ou d'indisponibilité du réseau électrique. Couplé avec la cuve de stockage comme alimentation de dihydrogène, cela permet de constituer une unité autonome de production décarbonée et distribution de dihydrogène. La cuve de stockage est changée ou ravitaillée à la demande par un véhicule. Lors de cette livraison, le carbone solide produit peut être récupéré par le même véhicule pour être recyclé pour différents usages industriels.
Selon un mode de réalisation, le générateur d'électricité est une pile à
combustible et/ou un moteur à combustion interne associé à une génératrice.
Selon un aspect de l'invention, l'unité de production et de distribution comprend un dispositif de récupération du carbone solide généré par la plasmalyse.
L'invention a aussi pour objet un système de distribution de dihydrogène, notamment décarboné, comprenant une unité de production et de distribution présentant au moins
Selon un mode de réalisation, 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.
Selon un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution comprend un dispositif de compression pour transférer le dihydrogène purifié dans le dispositif de stockage. Ainsi, il est possible de répondre à la demande en dihydrogène du consommateur en toutes circonstances.
Selon un mode de réalisation, l'unité de production et de distribution comprend un générateur d'électricité à partir du dihydrogène produit par l'unité de production et de distribution et une batterie pour stocker l'électricité produite par le générateur d'électricité en vue d'alimenter en électricité l'unité de production et de distribution.
Cela permet de rendre la génération de dihydrogène possible même en cas d'absence ou d'indisponibilité du réseau électrique. Couplé avec la cuve de stockage comme alimentation de dihydrogène, cela permet de constituer une unité autonome de production décarbonée et distribution de dihydrogène. La cuve de stockage est changée ou ravitaillée à la demande par un véhicule. Lors de cette livraison, le carbone solide produit peut être récupéré par le même véhicule pour être recyclé pour différents usages industriels.
Selon un mode de réalisation, le générateur d'électricité est une pile à
combustible et/ou un moteur à combustion interne associé à une génératrice.
Selon un aspect de l'invention, l'unité de production et de distribution comprend un dispositif de récupération du carbone solide généré par la plasmalyse.
L'invention a aussi pour objet un système de distribution de dihydrogène, notamment décarboné, comprenant une unité de production et de distribution présentant au moins
9 une des caractéristiques précédemment décrites et un consommateur de dihydrogène, le dispositif de distribution étant configuré pour approvisionner un réservoir du consommateur.
Selon un mode de réalisation, le consommateur de dihydrogène est un moyen de transport, notamment une voiture.
L'invention a enfin pour objet un procédé de fonctionnement pour une unité de production et de distribution présentant au moins une des caractéristiques décrites précédemment au cours duquel le générateur de rayonnement micro-ondes est con figuré
pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une puissance comprise entre lkW et 100kW et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égales à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Selon un aspect optionnel de ce procédé, il est prévu une étape ot l'hydrocarbure gazeux est préalablement mélangé à un gaz auxiliaire choisi parmi du dihydrogène, du diazote ou de l'argon, avant son injection dans la cavité résonnante.
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 :
[fig 1] la figure 1 est une représentation schématique d'une unité de production décarbonée et de distribution de dihydrogène utilisant un plasma généré par un rayonnement micro-ondes selon l'invention.
[fig 2] la figure 2 est une représentation schématique d'une cavité de rayonnement micro-ondes de l'unité de production et de distribution de la figure 1, vue dans un plan perpendiculaire à un axe longitudinal du plasma.
[fig 3] la figure 3 est une vue de détails de la cavité de rayonnement micro-ondes de la figure 2 avec une tuyère et un tuyau de l'unité de production et de distribution de la figure 1, vue dans un plan comprenant l'axe longitudinal du plasma.
[fig 4] la figure 4 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 ceuvre, elles peuvent bien entendu servir à mieux définir l'invention le 5 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 figure 1 illustre une unité de production et de distribution de dihydrogène 100, notamment décarboné, pour un consommateur 51 de dihydrogène, comprenant au moins un dispositif d'alimentation 1 en hydrocarbure gazeux, au moins un réacteur de
Selon un mode de réalisation, le consommateur de dihydrogène est un moyen de transport, notamment une voiture.
L'invention a enfin pour objet un procédé de fonctionnement pour une unité de production et de distribution présentant au moins une des caractéristiques décrites précédemment au cours duquel le générateur de rayonnement micro-ondes est con figuré
pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une puissance comprise entre lkW et 100kW et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égales à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Selon un aspect optionnel de ce procédé, il est prévu une étape ot l'hydrocarbure gazeux est préalablement mélangé à un gaz auxiliaire choisi parmi du dihydrogène, du diazote ou de l'argon, avant son injection dans la cavité résonnante.
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 :
[fig 1] la figure 1 est une représentation schématique d'une unité de production décarbonée et de distribution de dihydrogène utilisant un plasma généré par un rayonnement micro-ondes selon l'invention.
[fig 2] la figure 2 est une représentation schématique d'une cavité de rayonnement micro-ondes de l'unité de production et de distribution de la figure 1, vue dans un plan perpendiculaire à un axe longitudinal du plasma.
[fig 3] la figure 3 est une vue de détails de la cavité de rayonnement micro-ondes de la figure 2 avec une tuyère et un tuyau de l'unité de production et de distribution de la figure 1, vue dans un plan comprenant l'axe longitudinal du plasma.
[fig 4] la figure 4 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 ceuvre, elles peuvent bien entendu servir à mieux définir l'invention le 5 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 figure 1 illustre une unité de production et de distribution de dihydrogène 100, notamment décarboné, pour un consommateur 51 de dihydrogène, comprenant au moins un dispositif d'alimentation 1 en hydrocarbure gazeux, au moins un réacteur de
10 plasmalyse 5 à plasma micro-ondes configuré pour générer une plasmalyse de l'hydrocarbure gazeux fourni par le dispositif d'alimentation 1 produisant au moins du dihydrogène, l'unité de production et de distribution 100 comprenant au moins un dispositif de stockage 33 du dihydrogène produit, et au moins un dispositif de distribution 35 au consommateur 51 du dihydrogène stocké dans le dispositif de stockage 33.
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 C4H10 et 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 C3H8 et/ou du butane C41-140 et ses isomères. Lorsque l'hydrocarbure gazeux est le méthane, la réaction de plasmalyse s'écrit :
[Math]
Plasma CI-f4 _________________________________________ ) 2112(9) C(5) Donc, on voit que le procédé de plasmalyse permet de générer du dihydrogène selon un processus totalement décarboné, c'est-à-dire sans émission de dioxyde de carbone.
Autrement dit, le dihydrogène gazeux et le carbone solide sont des produits issus de la plasmalyse.
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 C4H10 et 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 C3H8 et/ou du butane C41-140 et ses isomères. Lorsque l'hydrocarbure gazeux est le méthane, la réaction de plasmalyse s'écrit :
[Math]
Plasma CI-f4 _________________________________________ ) 2112(9) C(5) Donc, on voit que le procédé de plasmalyse permet de générer du dihydrogène selon un processus totalement décarboné, c'est-à-dire sans émission de dioxyde de carbone.
Autrement dit, le dihydrogène gazeux et le carbone solide sont des produits issus de la plasmalyse.
11 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. Le dispositif d'alimentation 1 comprend au moins une cuve de stockage 2 qui peut être approvisionnée par exemple par des camions citernes et/ou être remplacée lorsqu'elle est vide.
Dans un mode de réalisation non représenté, le dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux est un réseau de distribution de l'hydrocarbure gazeux. 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 ou domestiques.
En référence aux figures 1 à 4, le réacteur de plasmalyse 5 comprend au moins une cavité
de rayonnement micro-ondes 13 formée dans un bloc 12 en métal. L'hydrocarbure gazeux provenant du dispositif d'alimentation 1 est injecté dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13 et le rayonnement micro-ondes est également guidé
dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13. La cavité de rayonnement micro-ondes 13 est configurée pour accueillir au moins en partie le plasma 16. Ainsi, la cavité
de rayonnement micro-ondes 13 résonante permet un couplage très efficace du rayonnement micro-ondes au plasma 16.
Tel qu'illustré sur les figures 3 et 4, la cavité de rayonnement micro-ondes 13 est 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% de part et d'autre de la cavité de rayonnement micro-ondes 13 par au moins une paroi de bloc 12 délimitant la cavité de rayonnement micro-ondes 13, lorsqu'il n'y pas de plasma 16 présent dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13.
Tel que visible à la figure 4, les dimensions d'une zone active de décharge 54 de la cavité
de rayonnement micro-ondes résonante 13 sont définies par la fréquence utilisée. La zone active de décharge 54 est la zone oit le plasma 16 se forme. La largeur 55 de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante 13 est définie par la fréquence utilisée et
Dans un mode de réalisation non représenté, le dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux est un réseau de distribution de l'hydrocarbure gazeux. 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 ou domestiques.
En référence aux figures 1 à 4, le réacteur de plasmalyse 5 comprend au moins une cavité
de rayonnement micro-ondes 13 formée dans un bloc 12 en métal. L'hydrocarbure gazeux provenant du dispositif d'alimentation 1 est injecté dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13 et le rayonnement micro-ondes est également guidé
dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13. La cavité de rayonnement micro-ondes 13 est configurée pour accueillir au moins en partie le plasma 16. Ainsi, la cavité
de rayonnement micro-ondes 13 résonante permet un couplage très efficace du rayonnement micro-ondes au plasma 16.
Tel qu'illustré sur les figures 3 et 4, la cavité de rayonnement micro-ondes 13 est 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% de part et d'autre de la cavité de rayonnement micro-ondes 13 par au moins une paroi de bloc 12 délimitant la cavité de rayonnement micro-ondes 13, lorsqu'il n'y pas de plasma 16 présent dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13.
Tel que visible à la figure 4, les dimensions d'une zone active de décharge 54 de la cavité
de rayonnement micro-ondes résonante 13 sont définies par la fréquence utilisée. La zone active de décharge 54 est la zone oit le plasma 16 se forme. La largeur 55 de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante 13 est définie par la fréquence utilisée et
12 par le type de guide d'ondes, la hauteur 56 de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante 13 est égale à la moitié de la largeur 55 de cette cavité de rayonnement micro-ondes résonante 13 et la largeur 57 de la zone active de décharge 54 est inférieure ou égale à la hauteur 56 de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante 13.
Due à la géométrie de la cavité micro-ondes résonante, les micro-ondes se concentrent au voisinage du 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 54, autrement appelée zone de plasma 16, est la zone ot l'interaction entre le champ électromagnétique et le flux d'hydrocarbure gazeux ionisé est optimale. Le plasma est amorcé en introduisant le dispositif d'allumage 15 au centre de la zone active de décharge 54.
L'injection de l'hydrocarbure gazeux dans la cavité de rayonnement micro-ondes
Due à la géométrie de la cavité micro-ondes résonante, les micro-ondes se concentrent au voisinage du 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 54, autrement appelée zone de plasma 16, est la zone ot l'interaction entre le champ électromagnétique et le flux d'hydrocarbure gazeux ionisé est optimale. Le plasma est amorcé en introduisant le dispositif d'allumage 15 au centre de la zone active de décharge 54.
L'injection de l'hydrocarbure gazeux dans la cavité de rayonnement micro-ondes
13 est effectuée par un dispositif d'injection 3 du réacteur de plasmalyse 5. Plus précisément illustré sur la figure 2, le dispositif d'injection 3 comprend au moins une buse 43, ici deux buses 43, couplée à au moins une entrée 4 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13. La buse 43 permet de créer un flux d'hydrocarbure gazeux provenant du dispositif d'alimentation 1.
L'entrée 4 est agencée tangentiellement à une direction d'élongation du plasma 16.
L'entrée 4 est aussi agencée tangentiellement à une paroi délimitant la cavité
de rayonnement micro-ondes 13. Cette configuration permet alors de créer un vortex du flux d'hydrocarbure gazeux 14 dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13 comme cela est illustré sur la figure 2 et sur la figure 3. Le vortex contribue à la stabilité du plasma 16.
Une partie du flux d'hydrocarbure gazeux 14 dans le vortex couplée avec le rayonnement micro-ondes contribue à produire le plasma 16. Cette partie du flux d'hydrocarbure gazeux 14 du vortex produisant le plasma va aussi 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 figure 1, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un générateur de rayonnement micro-ondes 7 qui permet de créer un plasma dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13. Le générateur de rayonnement micro-ondes 7 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 7 est refroidi par un dispositif de refroidissement à eau et/ou à air. Cela permet de garder le générateur de rayonnement micro-ondes 7 à une température optimum de fonctionnement.
Le générateur de rayonnement micro-ondes 7 est configurée pour générer un rayonnement micro-ondes dont la puissance est comprise entre lkW et 100kW à
une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égales à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Comme représenté sur la figure 1, le rayonnement micro-ondes est dirigé vers la cavité
de rayonnement micro-ondes 13 par un guide de transmission 11 couplé au générateur de rayonnement micro-ondes 7. Le guide de transmission 11 est un guide d'ondes rectangulaire ou cylindrique ou un câble coaxial.
Un isolateur 9 de rayonnement micro-ondes est disposé entre le générateur de rayonnement micro-ondes 7 et le guide de transmission 11, c'est-à-dire au niveau du couplage entre le générateur de micro-ondes 7 et le guide de transmission 11.
L'isolateur 9 empêche le rayonnement micro-ondes non absorbé par le plasma 16 de retourner vers le générateur de rayonnement micro-ondes 7 par réflexions dans le guide de transmission 11.
En référence aux figures 1, 3 et 4, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un dispositif d'allumage 15 du plasma 16. Le dispositif d'allumage 15 est un mécanisme
L'entrée 4 est agencée tangentiellement à une direction d'élongation du plasma 16.
L'entrée 4 est aussi agencée tangentiellement à une paroi délimitant la cavité
de rayonnement micro-ondes 13. Cette configuration permet alors de créer un vortex du flux d'hydrocarbure gazeux 14 dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13 comme cela est illustré sur la figure 2 et sur la figure 3. Le vortex contribue à la stabilité du plasma 16.
Une partie du flux d'hydrocarbure gazeux 14 dans le vortex couplée avec le rayonnement micro-ondes contribue à produire le plasma 16. Cette partie du flux d'hydrocarbure gazeux 14 du vortex produisant le plasma va aussi 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 figure 1, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un générateur de rayonnement micro-ondes 7 qui permet de créer un plasma dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13. Le générateur de rayonnement micro-ondes 7 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 7 est refroidi par un dispositif de refroidissement à eau et/ou à air. Cela permet de garder le générateur de rayonnement micro-ondes 7 à une température optimum de fonctionnement.
Le générateur de rayonnement micro-ondes 7 est configurée pour générer un rayonnement micro-ondes dont la puissance est comprise entre lkW et 100kW à
une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égales à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Comme représenté sur la figure 1, le rayonnement micro-ondes est dirigé vers la cavité
de rayonnement micro-ondes 13 par un guide de transmission 11 couplé au générateur de rayonnement micro-ondes 7. Le guide de transmission 11 est un guide d'ondes rectangulaire ou cylindrique ou un câble coaxial.
Un isolateur 9 de rayonnement micro-ondes est disposé entre le générateur de rayonnement micro-ondes 7 et le guide de transmission 11, c'est-à-dire au niveau du couplage entre le générateur de micro-ondes 7 et le guide de transmission 11.
L'isolateur 9 empêche le rayonnement micro-ondes non absorbé par le plasma 16 de retourner vers le générateur de rayonnement micro-ondes 7 par réflexions dans le guide de transmission 11.
En référence aux figures 1, 3 et 4, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un dispositif d'allumage 15 du plasma 16. Le dispositif d'allumage 15 est un mécanisme
14 électromécanique comportant une pointe métallique 45 et un actionneur 47 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 7 est transmis à la cavité de rayonnement micro-ondes dans laquelle l'hydrocarbure gazeux est injecté tangentiellement aux parois de la cavité
de rayonnement micro-ondes 13 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 15 dont la pointe métallique 45 reste moins d'une seconde dans la zone active de décharge de la cavité de rayonnement micro-ondes 13. Le flux d'hydrocarbure gazeux 14 servant lui-même à
produire le plasma 16, 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 13 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 et de distribution 100 est supérieure ou égale à la pression atmosphérique.
En référence à la figure 1 et à la figure 3, une sortie 6 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13 est prolongée par une tuyère 17 composée au moins en partie de céramique et/ou de métal. La tuyère 17 est utilisée pour contenir le plasma. La tuyère 17 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 6 de cavité de rayonnement micro-ondes 13. En d'autres mots, la tuyère 17 permet donc une réduction progressive de la température des produits de réaction, notamment des produits issus de la plasmalyse à la sortie 6 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13.
Le plasma 16, une fois créé, s'étend à la fois dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13 et dans la tuyère 17 selon un axe longitudinal L. Ainsi, la tuyère s'étend depuis la sortie 6 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13 dans une direction opposée à la cavité de rayonnement micro-ondes le long de l'axe longitudinal L.
5 En référence à la figure 1, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un tuyau 18 qui s'étend depuis un voisinage de la sortie 6 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13 dans une direction opposée à la cavité de rayonnement micro-ondes 13 le long de l'axe longitudinal L. La dimension du tuyau 18 mesurée le long de l'axe longitudinal L est plus grande que la dimension de la tuyère 17 mesurée le long de l'axe longitudinal L. Le 10 tuyau vient complètement entourer la tuyère 17.
Une première partie 19 du tuyau 18 présente la forme d'un cylindre concentrique à la tuyère 17. Ainsi, une chambre d'isolation thermique du plasma 16 est délimitée entre une face externe de la tuyère 17 et une face interne de la première partie 19 du tuyau 18.
La chambre 20 permet d'isoler thermiquement le plasma 16 pour limiter, voire
Ainsi, pour amorcer le plasma, le rayonnement micro-ondes généré par le générateur de rayonnement micro-ondes 7 est transmis à la cavité de rayonnement micro-ondes dans laquelle l'hydrocarbure gazeux est injecté tangentiellement aux parois de la cavité
de rayonnement micro-ondes 13 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 15 dont la pointe métallique 45 reste moins d'une seconde dans la zone active de décharge de la cavité de rayonnement micro-ondes 13. Le flux d'hydrocarbure gazeux 14 servant lui-même à
produire le plasma 16, 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 13 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 et de distribution 100 est supérieure ou égale à la pression atmosphérique.
En référence à la figure 1 et à la figure 3, une sortie 6 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13 est prolongée par une tuyère 17 composée au moins en partie de céramique et/ou de métal. La tuyère 17 est utilisée pour contenir le plasma. La tuyère 17 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 6 de cavité de rayonnement micro-ondes 13. En d'autres mots, la tuyère 17 permet donc une réduction progressive de la température des produits de réaction, notamment des produits issus de la plasmalyse à la sortie 6 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13.
Le plasma 16, une fois créé, s'étend à la fois dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13 et dans la tuyère 17 selon un axe longitudinal L. Ainsi, la tuyère s'étend depuis la sortie 6 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13 dans une direction opposée à la cavité de rayonnement micro-ondes le long de l'axe longitudinal L.
5 En référence à la figure 1, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un tuyau 18 qui s'étend depuis un voisinage de la sortie 6 de la cavité de rayonnement micro-ondes 13 dans une direction opposée à la cavité de rayonnement micro-ondes 13 le long de l'axe longitudinal L. La dimension du tuyau 18 mesurée le long de l'axe longitudinal L est plus grande que la dimension de la tuyère 17 mesurée le long de l'axe longitudinal L. Le 10 tuyau vient complètement entourer la tuyère 17.
Une première partie 19 du tuyau 18 présente la forme d'un cylindre concentrique à la tuyère 17. Ainsi, une chambre d'isolation thermique du plasma 16 est délimitée entre une face externe de la tuyère 17 et une face interne de la première partie 19 du tuyau 18.
La chambre 20 permet d'isoler thermiquement le plasma 16 pour limiter, voire
15 supprimer, des inhomogénéités de température au sein du plasma 16, notamment en sa périphérie.
Le tuyau 18 comprend une deuxième partie 21 qui prolonge la première partie 19 du tuyau selon un axe parallèle à l'axe longitudinal L du plasma 16. La deuxième partie 21 du tuyau 18 délimite une chambre de refroidissement 22. 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 figure 1, la deuxième partie 21 du tuyau 18 comporte sur sa face interne une pluralité d'ailettes 23 qui s'étendent radialement depuis la face interne de la deuxième partie 21 du tuyau 18 en direction de la tuyère 17 et couplées thermiquement avec la face interne de la deuxième partie du tuyau 18. Ainsi, les échanges thermiques avec les produits de réaction venant en contact
Le tuyau 18 comprend une deuxième partie 21 qui prolonge la première partie 19 du tuyau selon un axe parallèle à l'axe longitudinal L du plasma 16. La deuxième partie 21 du tuyau 18 délimite une chambre de refroidissement 22. 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 figure 1, la deuxième partie 21 du tuyau 18 comporte sur sa face interne une pluralité d'ailettes 23 qui s'étendent radialement depuis la face interne de la deuxième partie 21 du tuyau 18 en direction de la tuyère 17 et couplées thermiquement avec la face interne de la deuxième partie du tuyau 18. Ainsi, les échanges thermiques avec les produits de réaction venant en contact
16 des ailettes 23 sont améliorés facilitant la solidification du carbone produit par la plasmalyse.
Un dispositif de circulation de fluide 24 est agencé contre une paroi externe de la deuxième partie 21 du tuyau 18 de sorte à refroidir au moins en partie la deuxième partie 21 du tuyau 18. Ainsi, le refroidissement des produits de réaction dans la chambre de refroidissement 22 est assuré par échanges convectifs et conductifs avec au moins une partie de la face interne de la deuxième partie 21 du tuyau 18 qui est refroidie par le dispositif de circulation de fluide 27. La séparation du dihydrogène des autres produits de réaction est améliorée par ce refroidissement. Lorsque le tuyau 18 comprend en outre les ailettes 23 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 et de filtration 25, 29 équipant l'unité de production et de distribution 100.
Le dispositif de séparation et de filtration 25, 29 équipant l'unité de production et de distribution 100 comprend un élément séparateur 25 à vortex. L'élément séparateur 25 est configu ré pour aspirer le flux de produits de réaction refroidis depuis la chambre de refroidissement 22. Le carbone solide refroidi se dépose soit sur un fond de l'élément séparateur 25, soit sur une surface interne d'une paroi de l'élément séparateur 25.
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 41 et peut être pris en charge par le même véhicule qui vient changer ou ravitailler les cuves de stockage 2. Le carbone solide peut être ensuite recyclé pour différents usages industriels.
Ensuite, le flux de produits de réaction dépourvus de particules solides est filtré par un système de filtration 29 du dispositif de séparation et filtration 25, 29. Le dihydrogène obtenu après la filtration présente alors un niveau de pureté lui permettant d'être utilisé
soit dans une pile à combustible soit dans un moteur à combustion interne. Les autres produits de réaction après la filtration peuvent être recyclés en les réinjectant dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13 via une conduite retour 30.
Un dispositif de circulation de fluide 24 est agencé contre une paroi externe de la deuxième partie 21 du tuyau 18 de sorte à refroidir au moins en partie la deuxième partie 21 du tuyau 18. Ainsi, le refroidissement des produits de réaction dans la chambre de refroidissement 22 est assuré par échanges convectifs et conductifs avec au moins une partie de la face interne de la deuxième partie 21 du tuyau 18 qui est refroidie par le dispositif de circulation de fluide 27. La séparation du dihydrogène des autres produits de réaction est améliorée par ce refroidissement. Lorsque le tuyau 18 comprend en outre les ailettes 23 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 et de filtration 25, 29 équipant l'unité de production et de distribution 100.
Le dispositif de séparation et de filtration 25, 29 équipant l'unité de production et de distribution 100 comprend un élément séparateur 25 à vortex. L'élément séparateur 25 est configu ré pour aspirer le flux de produits de réaction refroidis depuis la chambre de refroidissement 22. Le carbone solide refroidi se dépose soit sur un fond de l'élément séparateur 25, soit sur une surface interne d'une paroi de l'élément séparateur 25.
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 41 et peut être pris en charge par le même véhicule qui vient changer ou ravitailler les cuves de stockage 2. Le carbone solide peut être ensuite recyclé pour différents usages industriels.
Ensuite, le flux de produits de réaction dépourvus de particules solides est filtré par un système de filtration 29 du dispositif de séparation et filtration 25, 29. Le dihydrogène obtenu après la filtration présente alors un niveau de pureté lui permettant d'être utilisé
soit dans une pile à combustible soit dans un moteur à combustion interne. Les autres produits de réaction après la filtration peuvent être recyclés en les réinjectant dans la cavité de rayonnement micro-ondes 13 via une conduite retour 30.
17 L'unité de production et de distribution 100 comprend un dispositif de compression 31 pour transférer le dihydrogène purifié dans un dispositif de stockage 33 tel qu'un réservoir ou une bombonne. Le dihydrogène est alors stocké à une pression pouvant aller jusqu'à environ 900 bars. Ainsi, il est possible de répondre à la demande en dihydrogène du consommateur en toutes circonstances.
Le système de distribution 35 permet de remplir des réservoirs à dihydrogène d'au moins un consommateur 51 tel que des moyens de transport terrestre, notamment des voitures et/ou des camions, maritime, tel qu'un navire, ou aérien tel qu'un avion. Le système de distribution 35 puise le dihydrogène dans le dispositif de stockage 33.
L'unité de production et de distribution 100 comprend en outre un générateur d'électricité 37 à partir du dihydrogène produit et une batterie 39 pour stocker l'électricité produite par le générateur d'électricité 37. La batterie 39 permet aussi d'alimenter en électricité l'unité de production et de distribution 100 même en cas d'absence ou d'indisponibilité du réseau électrique. Dans ce contexte, on comprend que l'unité de production et de distribution telle qu'illustrée sur la figure 1 peut être autonome.
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.
L'invention, telle qu'elle vient d'être décrite, atteint bien le but qu'elle s'était fixée, et permet de proposer une unité de production décarbonée et de distribution de dihydrogène qui soit notamment facile à mettre en oeuvre, économiquement viable, sans émission de gaz à effets de serre, voire autonome si les contraintes environnementales l'imposent.
Le système de distribution 35 permet de remplir des réservoirs à dihydrogène d'au moins un consommateur 51 tel que des moyens de transport terrestre, notamment des voitures et/ou des camions, maritime, tel qu'un navire, ou aérien tel qu'un avion. Le système de distribution 35 puise le dihydrogène dans le dispositif de stockage 33.
L'unité de production et de distribution 100 comprend en outre un générateur d'électricité 37 à partir du dihydrogène produit et une batterie 39 pour stocker l'électricité produite par le générateur d'électricité 37. La batterie 39 permet aussi d'alimenter en électricité l'unité de production et de distribution 100 même en cas d'absence ou d'indisponibilité du réseau électrique. Dans ce contexte, on comprend que l'unité de production et de distribution telle qu'illustrée sur la figure 1 peut être autonome.
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.
L'invention, telle qu'elle vient d'être décrite, atteint bien le but qu'elle s'était fixée, et permet de proposer une unité de production décarbonée et de distribution de dihydrogène qui soit notamment facile à mettre en oeuvre, économiquement viable, sans émission de gaz à effets de serre, voire autonome si les contraintes environnementales l'imposent.
Claims (15)
1- Unité de production et de distribution (100) de dihydrogène pour un consommateur (51) de dihydrogène, comprenant au moins un dispositif d'alimentation (1) en hydrocarbure gazeux, au moins un réacteur de plasmalyse (5) à plasma micro-ondes configure pour générer, à une pression égale à la pression atmosphérique à +/-15%, une plasmalyse de l'hydrocarbure gazeux fourni par le dispositif d'alimentation (1) et produisant au moins du dihydrogène, ce réacteur de plasmalyse (5) à plasma micro-ondes comprenant au moins une cavité de rayonnement micro-ondes (13) résonante configurée pour accueillir un plasma (16), l'unité de production et de distribution (100) comprenant au rnoins un dispositif de stockage (33) du dihydrogène produit et au moins un dispositif de distribution (35) au consommateur (51) du dihydrogène stocké
dans le dispositif de stockage (33).
dans le dispositif de stockage (33).
2- Unité de production et de distribution (100) selon la revendication précédente, dans lequel l'hydrocarbure gazeux est du rnéthane et/ou du gaz naturel.
3- Unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif d'alimentation (1) en hydrocarbure gazeux est un réseau de transport de l'hydrocarbure gazeux et/ou au moins une cuve de stockage (2) constitutive de l'unité de production et de distribution (100).
4- Unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réacteur de plasmalyse (5) comprend au moins un générateur de rayonnement micro-ondes (7), un guide de transmission (11) configure pour guider le rayonnement micro-ondes du générateur de rayonnement micro ondes (7) vers la cavité de rayonnement micro ondes (13) du réacteur de plasmalyse (5) et un isolateur (9) de rayonnement micro-ondes configure pour empêcher le rayonnement micro-ondes non absorbé par le plasma (16) de retourner vers le générateur de rayonnement micro-ondes.
5- Unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réacteur de plasmalyse (5) comprend tin dispositif d'allumage (15) de plasma (16) comportant une pointe métallique rétractable (45) configurée pour être insérée ou rétractée dans la cavité de rayonnement micro-ondes (13) à l'aide d'un actionneur (47).
6- Unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réacteur de plasmalyse (5) comprend un dispositif d'injection de gaz (3) comportant au moins une buse (43) configurée pour générer un flux gazeux d'hydrocarbure gazeux provenant du dispositif d'alimentation (1) et agencée dans la cavité de rayonnement micro-ondes (13) de manière à former un vortex du flux d'hydrocarbure gazeux dans la cavité de rayonnement micro-ondes (13).
7- Unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réacteur de plasmalyse (5) comprend au moins une tuyère (17) configurée pour contenir le plasma (16) et assurer une réduction progressive de la température des produits issus de la plasmalyse à la sortie (6) de la cavité de rayonnement micro-ondes (13).
8- Unité de production et de distribution (100) selon la revendication précédente, dans laquelle le réacteur de plasmalyse (5) comprend au moins un tuyau (18) agencé
autour de la tuyère (17) de sorte qu'au moins une partie (19) du tuyau (18) délimite une chambre (20) d'isolation thermique du plasma (16).
autour de la tuyère (17) de sorte qu'au moins une partie (19) du tuyau (18) délimite une chambre (20) d'isolation thermique du plasma (16).
9- Unité de production et de distribution (100) selon la revendication précédente, dans lequel au rnoins une autre partie (21) du tuyau (18) délimite une chambre de refroidissement (22) du dihydrogène et du carbone solide produits par la plasmalyse.
10- Unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dispositif de séparation et de filtration (25, 29) de sorte à purifier le dihydrogène produit par la plasmalyse.
11- Unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un générateur d'électricité (37) à
partir du dihydrogène produit par l'unité de production et de distribution (100) et une batterie (39) pour stocker l'électricité produite par le générateur d'électricité (37) en vue d'alimenter en électricité l'unité de production et de distribution (100).
partir du dihydrogène produit par l'unité de production et de distribution (100) et une batterie (39) pour stocker l'électricité produite par le générateur d'électricité (37) en vue d'alimenter en électricité l'unité de production et de distribution (100).
12- Unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dispositif de récupération (41) d'un carbone solide généré par la plasmalyse.
13- Système de distribution de dihydrogène (200) comprenant une unité de 5 production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes et un consommateur (51) de dihydrogène, le dispositif de distribution (35) étant configure pour approvisionner un réservoir (53) du consommateur (51).
14- Procédé de fonctionnement d'une unité de production et de distribution (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 en combinaison avec la revendication 10 4, au cours duquel le générateur de rayonnement micro-ondes (7) est configuré pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une puissance comprise entre lkW
et 100kw et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz.
15- Procédé de fonctionnement d'une unité de production et de distribution (100) selon la revendication précédente, où l'hydrocarbure gazeux est préalablement mélangé à
et 100kw et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz.
15- Procédé de fonctionnement d'une unité de production et de distribution (100) selon la revendication précédente, où l'hydrocarbure gazeux est préalablement mélangé à
15 un gaz auxiliaire choisi parmi du dihydrogène, du diazote ou de l'argon, avant son injection dans la cavité résonnante (13).
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