FR2894300A1 - Perfectionnement dans un procede d'hydrogenation catalytique du gaz carbonique de l'athmosphere - Google Patents

Perfectionnement dans un procede d'hydrogenation catalytique du gaz carbonique de l'athmosphere Download PDF

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Abstract

Dans un procédé d'hydrogénation catalytique du gaz carbonique de l'atmosphère réalisé dans un réacteur d'hydrogénation générant des hydrocarbures, la présente invention concerne le perfectionnement consistant à récupérer lesdits hydrocarbures et à les brûler en présence d'oxygène dans une chambre de combustion, les gaz issus de la combustion entraînant une turbine couplée à un générateur électrique, puis les gaz récupérés à la sortie de ladite turbine étant, après décomposition partielle, réinjectés à l'entrée du réacteur d'hydrogénation. L'invention a également pour objet une installation convenant à la mise en oeuvre du procédé.

Description

La présente invention concerne le domaine technique général de la
production d'électricité, à partir d'une source de carbone renouvelable, non fossile.
En particulier, dans le cadre d'un procédé d'hydrogénation catalytique du gaz carbonique de l'atmosphère réalisé dans un réacteur d'hydrogénation générant des hydrocarbures, la présente invention concerne le perfectionnement consistant à récupérer lesdits hydrocarbures et à les brûler en présence d'oxygène dans une chambre de combustion, les gaz issus de la combustion entraînant une turbine couplée à un générateur électrique permettant de produire de l'énergie électrique, puis les gaz récupérés à la sortie de ladite turbine étant recyclés à l'entrée du réacteur d'hydrogénation. L'invention a également pour objet une installation convenant à la mise en oeuvre du procédé. De nos jours, l'humanité a un défi majeur à relever qui pourrait avoir des effets 15 catastrophiques sur nos civilisations. Nos réserves de Détrole et de gaz naturels vont s'épuiser dans les 50 années à venir, et nous risquons ainsi de manquer très prochainement de ces ressources énergétiques fossiles. Parmi les énergies fossiles, la seule à s'épuiser moins vite est le charbon, mais les réserves de charbon auront également une fin dans les 80 ou 100 20 années à venir. Par ailleurs, l'uti-':isation effrénée des énergies fossiles telles que le pétrole, le gaz naturel, et le charbon, augmente la quantité de CO2 de l'atmosphère et a des effets catastrophiques sur l'effet de serre, avec la fonte des glaciers polaires, l'augmentation du niveau des océans et de la température dans notre environnement, l'augmentation 25 des précipitations et du nombre et de l'intensité des ouragans dans certaines parties du globe, mais également avec une sécheresse accentuée et dramatique dans d'autres parties du globe terrestre. Par conséquent, il existait ainsi un besoin de mettre au point un nouveau procédé visant à obtenir des carburants écologiques de grande qualité, tout en réduisant 30 les rejets de gaz à effet de serre. Or, la Demanderesse a découvert que le gaz carbonique, qui augmente l'effet de serre lorsqu'il est en excès dans notre atmosphère, est également un gaz qui constitue une source d'énergie renouvelable non fossile, permettant de produire des carburants propres par hydrogénation catalytique. Cette invention, qui concerne ainsi un procédé de fabrication d'hydrocarbures liquides ou gazeux par hydrogénation catalytique du gaz carbonique de l'atmosphère, a fait l'objet du dépôt de la demande FR 0511041 par la Demanderesse. Dans le cadre d'un tel procédé de fabrication d'hydrocarbures par hydrogénation catalytique dans un réacteur d'hydrogénation, la Demanderesse a découvert un perfectionnement que l'on peut qualifier de Cycle énergétique Arko . Ce nouveau procédé est particulièrement avantageux puisqu'il permet de produire de l'électricité suite à la combustion des hydrocarbures liquides ou gazeux sortant du réacteur d'hydrogénation, puis de recycler les gaz de combustion à l'entrée du réacteur d'hydrogénation pour former un cycle énergétique, qui peut fonctionner en cycle fermé. Par ailleurs, le -procédé selon la présente invention est simple à mettre en 15 oeuvre, et peu coûteux dans la mesure où les composés de départ sont le gaz carbonique de l'atmosphère, de l'oxygène et de l'hydrogène, qui peuvent facilement être obtenus. En outre, le procédé permet de produire en très peu d'étapes de l'énergie électrique, et de récupérer et recycler des gaz tels que CO, CO2, ou encore H2, pour alimenter un réacteur d'hydrogénation, et obtenir un cycle énergétique pouvant 20 fonctionner en continu. Dans le cadre d'un procédé d'hydrogénation catalytique du gaz carbonique de l'atmosphère réalisé dans un réacteur d'hydrogénation (1) générant des hydrocarbures liquides et/ou gazeux, la présente invention a ainsi pour objet le perfectionnement consistant à récupérer lesdits hydrocarbures liquides et/ou gazeux et à les brûler en 25 présence d'oxygène dans une chambre de combustion (2), les gaz issus de la combustion entraînant une turbine (3) couplée à un générateur électrique, puis les gaz récupérés à la sortie de ladite turbine (3) étant, après décomposition partielle, réinjectés à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1). Avantageusement selon la présente invention, la décomposition partielle des 30 gaz comprend la décomposition de la vapeur d'eau en hydrogène par thermolyse, avantageusement en présence de fer rougi.
De manière encore plus avantageuse selon la présente invention, la décomposition de la vapeur d'eau par thermolyse est réalisée par échange thermique en faisant circuler les gaz dans la chambre de combustion (2). Selon une caractéristique particulière de la présente invention, l'hydrogénation du gaz carbonique est réalisée en présence de catalyseur à haute température, avantageusement à une température comprise entre 100 et 400 C. Dans un exemple de réalisation particulier de la présente invention, le catalyseur est un catalyseur contenant du fer, du cobalt, ou du nickel. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, l'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère pour former des hydrocarbures liquides et/ou gazeux est réalisée selon la réaction (A) suivante : CO2 + 3H2 (-CH2-) + 2H20 (A) où (ùCH2ù) est l'élément structural de base des hydrocarbures. Dans un autre mode de réalisation particulier de la présente invention, l'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère est réalisée selon la réaction (B) suivante pour former du méthane : CO2 + 4 H2 CH4 + 2H20 (B) Dans une installation d'hydrogénation catalytique du gaz carbonique de l'atmosphère comprenant un réacteur d'hydrogénation (1), la présente invention a également pour objet le perfectionnement consistant à ajouter une chambre de combustion (2) en sortie du réacteur d'hydrogénation (1), ladite chambre de combustion (2) étant reliée à une turbine (3) couplée à un générateur électrique, et les gaz récupérés à la sortie de ladite turbine (3) étant recyclés à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1) par un conduit de recirculation (7). L'installation de la présente invention convient à la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. Selon une caractéristique particulière de la présente invention, les gaz récupérés à la sortie de la turbine (3) sont partiellement décomposés par échange thermique en faisant circuler les gaz dans la chambre de combustion (2), avant de les recycler à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1).
Divers objets et avantages de la présente invention deviendront apparents pour l'homme du métier par le biais de références au dessin illustratif suivant : la figure 1 est une vue schématique d'une installation selon la présente invention, fonctionnant selon le Cycle énergétique Arko , comportant : un réacteur d'hydrogénation (1) catalytique permettant d'obtenir des hydrocarbures liquides et/ou gazeux à partir du gaz carbonique de l'atmosphère, ledit réacteur (1) comprenant des moyens d'entrée du gaz carbonique de l'atmosphère (4), des moyens d'entrée d'hydrogène (5), et des moyens de sortie des hydrocarbures liquides et/ou gazeux et de la vapeur d'eau, une chambre de combustion (2) comportant des moyens d'entrée des hydrocarbures liquides et/ou gazeux, ainsi que des moyens d'entrée d'oxygène (6), une turbine (3) reliée à la chambre de combustion (2), ladite turbine étant couplée à un générateur électrique qui n'est pas représenté, permettant de produire de l'énergie électrique, un conduit de recirculation (7), reliant la sortie de la turbine (3) à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1), permettant de recycler les gaz issus de la combustion, le conduit de recirculation (7) passant avantageusement par la chambre de combustion (2) afin d'opérer une décomposition partielle des gaz de combustion avant de les réinjecter à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1).
Le procédé selon la présente invention permet de former un cycle énergétique au cours duquel intervient la combustion d'hydrocarbures liquides et/ou gazeux obtenus à partir du gaz carbonique de l'atmosphère, les gaz de combustion permettant d'entraîner une turbine (3) couplée à un générateur électrique permettant la production d'énergie électrique, et au cours duquel les gaz de combustion sont recyclés pour produire des hydrocarbures liquides et/ou gazeux, avantageusement de manière continue. Par le terme de gaz carbonique de l'atmosphère , on entend au sens de la présente invention le gaz carbonique qui est par exemple produit ou rejeté par les êtres humains, les animaux, et les végétaux, ou qui provient de la combustion de la biomasse ou de la combustion de gaz, tels que les gaz émis par les véhicules (à essence ou gazole), les moteurs, et les usines telles que les centrales thermiques.
Avantageusement selon la présente invention, le gaz carbonique de l'atmosphère provient de la combustion de gaz tels que le gaz naturel, de combustibles fossiles émanant de centrales thermiques, ou de fumées émanant de sites industriels, tels que les installations cimentières qui émettent des quantités particulièrement élevées de CO2. Le gaz carbonique de l'atmosphère peut également provenir, dans le cadre de la présente invention, des cuves de fabrication de mélanges alcooliques du type vins ou bières. Le gaz carbonique de l'atmosphère peut également provenir de la combustion de la biomasse végétale, en faisant brûler tout consistuant de la biomasse tel que la paille, les herbes, le bois, etc..., et en récupérant les fumées de la combustion. L'hydrogénation catalytique selon la présente invention utilise comme matière première le gaz carbonique de l'atmosphère, et permet de produire des hydrocarbures renouvelables, non fossiles. L'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère est réalisée en présence de catalyseur et d'hydrogène à haute température, éventuellement sous pression. L'hydrogénation est réalisée par injection d'hydrogène dans le milieu réactionnel. Par le terme de haute température , on entend au sens de la présente invention une température supérieure à 100 C, avantageusement supérieure à 150 C, encore plus avantageusement supérieure à 200 C.
Avantageusement selon la présente invention, l'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère est réalisée à une température comprise entre 100 et 400 C, avantageusement entre 150 et 300 C, encore plus avantageusement entre 150 et 250 C, par exemple aux environs de 150 à 200 C. En règle générale, si on utilise une température d'hydrogénation comprise entre 100 et 200 C, on produit surtout des hydrocarbures à longues chaînes linéaires. Par contre, si on utilise par exemple une température plus élevée, comprise entre 300 et 400 C, on produit surtout des hydrocarbures branchés et/ou aromatiques. On produit également typiquement du méthane, par exemple à raison de 10 à 20%. Avantageusement selon la présente invention, l'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère est réalisée en présence d'un catalyseur contenant du fer, du cobalt, et/ou du nickel. D'autres types de catalyseurs peuvent être utilisés, en particulier des catalyseurs contenant du platine, du baryum, du ruthénium et/ou du rhodium, éventuellement sur un support du type alumine, silice, titane ou zéolite. Des catalyseurs contenant du palladium, du cuivre, du chrome, et/ou du zinc peuvent également être utilisés, éventuellement sur un support du type alumine, silice, titane ou zéolite. Avantageusement, le catalyseur selon la présente invention contient du potassium. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, l'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère de manière à former des hydrocarbures liquides et/ou gazeux est réalisée selon la réaction (A) suivante : CO2 + 3H2 (-CH2-) + 2H2O (A) où (ùCH2ù) est l'élément structural de base des hydrocarbures. La réaction (A) telle que mentionnée ci-dessus peut se dérouler en une seule étape ou en deux étapes, comme cela est décrit dans la demande FR 0511041 déposée par la Demanderesse. Typiquement, la réaction (A) se déroule à une température de l'ordre de 100 à 300 C, avantageusement entre 150 et 200 C, en présence d'un catalyseur à base de fer, de cobalt, de cuivre, et/ou de zinc. Avantageusement, on utilise un catalyseur contenant du fer, par exemple un catalyseur contenant du fer, du cuivre, SiO2 et K2O. Dans un autre mode de réalisation particulier de la présente invention, l'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère est réalisée selon la réaction (B) suivante pour former du méthane : 002 + 4 H2 CH4 + 2H2O (B) Typiquement, la réaction (B) est réalisée à une température de l'ordre de 250 à 400 C, par exemple à une température comprise entre 300 et 350 C. On utilise de préférence du nickel comme catalyseur, en particulier du nickel réduit. D'autres catalyseurs tels que le cobalt réduit ou le cuivre réduit peuvent également être utilisés. Par ailleurs, la réaction (B) se déroule avantageusement à pression atmosphérique. Lorsque l'on utilise du nickel réduit à titre de catalyseur, la réaction (B) est de préférence réalisée à une température de l'ordre de 250 à 350 C, notamment de l'ordre de 300 C. Lorsque l'on utilise du cobalt réduit ou du cuivre réduit à titre de catalyseur, la réaction (B) est de préférence réalisée à une température de l'ordre de 270 à 300 C.
Les hydrocarbures obtenus, sortant du réacteur d'hydrogénation (1), sont des produits liquides et/ou gazeux riches en hydrocarbures paraffiniques, en alcanes cycliques, et en hydrocarbures oléfiniques. Ils peuvent également être riches en méthane, en particulier si la réaction d'hydrogénation (B) a eu lieu de manière prépondérante dans le réacteur (1). Les hydrocarbures obtenus ont une qualité de combustion élevée. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de la présente invention, on recueille l'eau en excès provenant du réacteur d'hydrogénation (1), par exemple à l'aide d'un bassin de condensation (8), avant de brûler les hydrocarbures liquides et/ou gazeux dans la chambre de combustion (2). On peut utiliser une pompe pour entraîner les hydrocarbures liquides et/ou gazeux sortant du réacteur d'hydrogénation (1) vers la chambre de combustion (2), en particulier lorsque lesdits hydrocarbures sont épais. Avantageusement selon la présente invention, les hydrocarbures liquides et/ou gazeux formés suite à l'hydrogénation catalytique du gaz carbonique de l'atmosphère sont ensuite utilisés à titre de combustibles qui, en brûlant en présence d'oxygène dans une chambre de combustion, entraînent une turbine en rotation. Cette turbine est couplée à un générateur électrique qui permet ainsi de produire de l'énergie électrique. Avantageusement, les gaz de combustion sortant de la turbine (3), qui sont typiquement des composés tels que CO2, CO, ou encore de la vapeur d'eau H2O, sont ensuite partiellement décomposés avant d'être réinjectés à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1). La décomposition partielle des gaz de combustion permet notamment de décomposer la vapeur d'eau en hydrogène qui va pouvoir être recyclé à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1), avec les composés tels que CO2 et CO, afin de mettre en oeuvre à nouveau une réaction d'hydrogénation (A) et/ou (B). Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, la décomposition de la vapeur d'eau en hydrogène est réalisée par thermolyse, avantageusement en présence de fer rougi, à une température de l'ordre de 800 à 1300 C.
De manière particulièrement avantageuse selon la présente invention, la décomposition de la vapeur d'eau par thermolyse est réalisée par échange thermique en faisant circuler les gaz de combustion dans la chambre de combustion (2). Dans un autre mode de réalisation particulier de la présente invention, la décomposition de la vapeur d'eau en hydrogène est réalisée à l'aide d'un laser, avantageusement à des longueurs d'onde de l'ordre de 120 à 150 nm. Avantageusement selon la présente invention, on recueille l'eau en excès sortant de la turbine (3) qui ne s'est pas décomposée en hydrogène, par exemple à l'aide d'un bassin de condensation (9), avant de recirculer les gaz de combustion à 10 l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1). Les gaz de combustion, contenant notamment H2, CO et CO2, permettent de former à nouveau des hydrocarbures liquides et/ou gazeux dans le réacteur d'hydrogénation (1) par hydrogénation catalytique. Les hydrocarbures alors formés vont à nouveau alimenter la chambre de combustion (2) et être brûlés en présence 15 d'oxygène. L'oxygène est avantageusement injecté dans la chambre de combustion (2) à l'aide des moyens d'injection d'oxygène (6). L'injection d'oxygène en (6) peut être stoppée en partie, lorsque la vapeur d'eau en se décomposant a produit de l'hydrogène, mais également de l'oxygène qui sert à la combustion. 20 Les gaz de combustion vont ensuite à nouveau circuler dans la turbine (3) qui est couplée à un générateur électrique, en vue de produire de l'énergie électrique. Les gaz issus de la combustion vont ensuite être décomposés partiellement avant d'être réinjectés à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1). Avantageusement selon la présente invention, on peut ajouter si nécessaire de 25 l'hydrogène dans le réacteur (1), à l'aide des moyens d'injection d'hydrogène (5), afin de réaliser l'hydrogénation catalytique des gaz de combustion. Le Cycle énergétique Arko peut ainsi fonctionner continuellement avec injection de temps à autre d'hydrogène en (5) et d'oxygène en (6), mais il n'est plus nécessaire d'injecter du CO2 de l'atmosphère à l'entrée du réacteur d'hydrogénation 30 (1). Avantageusement, on élimine l'excès d'eau sous forme liquide à l'aide des bassins (8) et (9).
L'exemple suivant est donné à titre non limitatif et illustre la présente invention.
Exemple de réalisation de l'invention : 1 mole de CO2 (44kg) est injectée avec 4 moles d'H2 (8kg) dans le réacteur d'hydrogénation (1) pour donner 1 mole de CH4 (16 kg) et 2 moles de H2O (36 kg). Cette réaction se fait à une température de l'ordre de 300 C dans le réacteur d'hydrogénation (1) qui contient des catalyseurs à base de Nickel réduit. Le méthane est ensuite transféré dans une chambre de combustion (2), où il brûle avec de l'oxygène (6) injecté dans la chambre de combustion (2). La combustion permet de faire fonctionner une turbine (3) qui va produire de l'électricité. Tous les gaz de combustion sont récupérés à la sortie de la turbine (3) dans un tuyau qui passe dans la chambre de combustion (2), où une partie de la vapeur d'eau est décomposée notamment en H2 sous l'effet de la chaleur. Les gaz sont injectés ensuite à l'entrée du réacteur (1) via le conduit de recirculation (7). L'arrivée de CO2 en (4) et de l'hydrogène en (5) est coupée. La production de méthane se fait alors dans le réacteur d'hydrogénation (1) avec de l'hydrogène provenant de la décomposition de la vapeur d'eau et du gaz carbonique du mélange de combustion. Ensuite, le méthane produit est de nouveau brûlé dans la chambre de combustion (2), et les moyens d'injection d'oxygène en (6) sont en partie fermés, car la vapeur d'eau en se décomposant a produit de l'hydrogène, mais également de l'oxygène qui sert à la combustion. Le Cycle énergétique Arko peut ainsi fonctionner continuellement avec injection de temps à autre d'hydrogène en (5) et d'oxygène en (6), mais il n'est plus nécessaire d'injecter du CO2 de l'atmosphère à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1). Avantageusement, on élimine l'excès d'eau sous forme liquide à l'aide des bassins de condensation (8) et (9). Le Cycle énergétique Arko permet ainsi de produire de l'électricité verte, tout en recyclant le gaz carbonique et l'hydrogène. Une mole de CH4 en brûlant dégage 800 millions de Kjoules. On peut ainsi produire de l'énergie perpétuelle à moindre côut.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Dans un procédé d'hydrogénation catalytique du gaz carbonique de l'atmosphère réalisé dans un réacteur d'hydrogénation (1) générant des hydrocarbures liquides et/ou gazeux, le perfectionnement consistant à récupérer lesdits hydrocarbures liquides et/ou gazeux et à les brûler en présence d'oxygène dans une chambre de combustion (2), les gaz issus de la combustion entraînant une turbine (3) couplée à un générateur électrique, puis les gaz récupérés à la sortie de ladite turbine étant, après décomposition partielle, réinjectés à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1), avec injection de temps à autre d'hydrogène dans ledit réacteur d'hydrogénation (1) et d'oxygène dans ladite chambre de combustion (2).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la décomposition partielle des gaz comprend la décomposition de la vapeur d'eau en hydrogène par thermolyse, avantageusement en présence de fer rougi.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la décomposition de la vapeur d'eau par thermolyse est réalisée par échange thermique en faisant circuler 20 les gaz dans la chambre de combustion (2).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'hydrogénation du gaz carbonique est réalisée en présence de catalyseur à haute température, avantageusement à une température comprise entre 100 et 400 C.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 25 en ce que le catalyseur est un catalyseur contenant du fer, du cobalt, ou du nickel.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère pour former des hydrocarbures liquides et/ou gazeux est réalisée selon la réaction (A) suivante : CO2 + 3H2 ----)- (-CH2-) + 2H2O (A) 30 où (ùCH2ù) est l'élément structural de base des hydrocarbures.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'hydrogénation du gaz carbonique de l'atmosphère est réalisée selon la réaction (B) suivante pour former du méthane : CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O (B)
8. Dans une installation d'hydrogénation catalytique du gaz carbonique de l'atmosphère comprenant un réacteur d'hydrogénation (1), le perfectionnement consistant à ajouter une chambre de combustion (2) en sortie du réacteur d'hydrogénation, ladite chambre de combustion (2) étant reliée à une turbine (3) couplée à un générateur électrique, et les gaz récupérés à la sortie de ladite turbine (3) étant recyclés à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1) par un conduit de recirculation (7), ledit réacteur d'hydrogénation (1) contenant des moyens d'injection d'hydrogène (5) et ladite chambre de combustion (2) contenant des moyens d'injection d'oxygène (6).
9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que les gaz récupérés à la sortie de la turbine (3) sont partiellement décomposés par échange thermique en faisant circuler les gaz dans la chambre de combustion (2), avant de les recycler à l'entrée du réacteur d'hydrogénation (1).
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