FR2905691A1 - Procede de generation d'une source d'energie a partir d'un flux gazeux humide. - Google Patents

Procede de generation d'une source d'energie a partir d'un flux gazeux humide. Download PDF

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Abstract

Procédé de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux, dit initial, comprenant de la vapeur d'eau (H2O), ledit procédé comprenant une désoxydation d'au moins une partie de ladite vapeur d'eau (H2O) par passage dudit flux gazeux initial au travers d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement du carbone à haute température, ladite désoxydation permettant d'obtenir un premier flux gazeux comprenant de l'hydrogène (H2) obtenu par réaction de ladite vapeur d'eau (H2O) avec lesdits éléments de carbone. Le flux initial peut être un flux gazeux ayant servi au traitement d'une charge de bois (B1).L'hydrogène (H2) obtenu, constitue une source d'énergie et, peut ensuite être utilisé pour produire de l'énergie par des moyens tels qu'une chaudière à gaz, une turbine à gaz, une pile à combustible, un moteur à gaz, un turboalternateur(TAV), etc.

Description

-1- Procédé de génération d'une source d'énergie à partir d'un flux
gazeux humide La présente invention concerne un procédé de génération d'une source d'énergie renouvelable à partir d'un flux gazeux et l'application de cette source d'énergie pour la production d'électricité à haut rendement. Elle vise également un système mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Le domaine de l'invention est le domaine de la génération d'une source d'énergie. L'invention s'applique plus particulièrement à la génération d'une source d'énergie à partir d'un flux gazeux, comprenant de la vapeur d'eau, et ayant servi dans un traitement quelconque, ou produit par un procédé ou système quelconque. Actuellement, il existe de nombreux systèmes de production de flux gazeux à vocation énergétique, notamment à partir de l'eau ou de la vapeur d'eau. La plupart de ces procédés et systèmes mettent en oeuvre des techniques complexes de réaction qui nécessitent des apports énergétiques et de matières premières divers, en aval et en amont de la réaction. La mise en oeuvre de ces procédés et systèmes doit, le plus souvent, être réalisée dans un autre lieu que celui d'exploitation du produit de la réaction.
L'exploitation de cette source d'énergie est, dans la plupart des cas, dédiée à la production d'un flux gazeux thermodynamique, qui est généralement de la vapeur d'eau, produisant un travail mécanique ou de l'électricité. Cependant, ces procédés et systèmes ne permettent de récupérer qu'une partie de l'énergie thermique du flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau. De plus, le rendement de ces procédés et systèmes est peu élevé. Par exemple, dans la plupart des procédés et systèmes actuellement connus, le rendement de production d'électricité ne dépasse pas les 60%. Ces procédés et systèmes présentent des pertes importantes qui diminuent leur attractivité.
Un but de l'invention est de proposer un procédé et un système permettant de générer une source d'énergie à partir d'un flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau avec un meilleur rendement que les procédés et systèmes actuels. 2905691 -2- Un autre but de l'invention est de proposer un procédé et un système qui permettent de générer une source d'énergie à partir d'un flux gazeux de manière plus simple. L'invention propose de remédier aux problèmes précités par un 5 procédé de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux, dit initial, comprenant de la vapeur d'eau, le procédé comprenant une désoxydation d'au moins une partie de la vapeur d'eau par passage du flux gazeux initial au travers d'une couche de matière oxydoréductrice à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement des éléments de carbone 10 à haute température, la désoxydation permettant d'obtenir un premier flux gazeux comprenant de l'hydrogène obtenu par réaction de la vapeur d'eau avec les éléments de carbone à hautes température. Le procédé selon l'invention permet de générer-de l'hydrogène à partir de la vapeur d'eau présente dans le flux gazeux initial, grâce à des éléments 15 de carbone à haute température. L'hydrogène généré est la source d'énergie, qui représente une valeur énergétique très importante. Le procédé selon l'invention permet de récupérer non seulement une grande partie de l'énergie thermique de la vapeur d'eau présente dans le flux initial, mais aussi une grande partie de l'énergie de désoxydation de la molécule 20 H2O par la génération d'hydrogène à partir de cette vapeur d'eau. Ainsi, pour une quantité donnée de vapeur d'eau, le procédé selon l'invention permet de générer plus d'énergie que les procédés et systèmes actuels. De plus l'hydrogène, vecteur de cette énergie, est exploitable dans de nombreux systèmes industriels connus.
25 Le flux gazeux initial peut comprendre de la vapeur d'eau provenant d'un procédé industriel du lieu d'implantation, du recyclage de la vapeur d'eau après combustion de l'hydrogène, ou de moyens thermomécaniques de vaporisation d'un volume d'eau au démarrage du système. Dans le procédé selon l'invention, la base thermique comprend 30 essentiellement des éléments de carbone à haute température, et permet de fournir dans un unique système, l'énergie thermique et les éléments de carbone pour réaliser la désoxydation de la vapeur d'eau et la production de H2. Les éléments de carbone peuvent être ceux de la composition chimique 2905691 -3- des matières premières connues tels que le charbon, la lignine, la tourbe, la biomasse végétale ou animale. Avantageusement, compte tenu de la valeur énergétique exploitable de l'hydrogène généré, et de l'énergie mise en oeuvre pour la génération de 5 cet hydrogène, le procédé selon l'invention permet d'atteindre un rendement énergétique exploitable supérieur à celui des procédés et systèmes actuels. Dans le procédé selon l'invention la base thermique comprenant du carbone à haute température permet, d'une part d'élever la température de la vapeur d'eau contenue dans le flux initial pour créer la température 10 nécessaire à la désoxydation de cette vapeur d'eau, et d'autre part de fournir les éléments de carbone qui sont mis en jeu dans cette désoxydation. La température au niveau de la base thermique est telle que la vapeur d'eau traversant cette base thermique entre en réaction avec les éléments de carbone à haute température de manière à produire de 15 l'hydrogène par les réactions de désoxydation suivante : C + H2O --> CO + H2: réaction endothermique (- 131 kJ) CO + H2O -* CO2 + H2: réaction exothermique (+ 40 kJ) Le bilan des réactions de désoxydation précédentes est donc : C + 2 H2O - CO2 + 2 H2: réaction endothermique (- 91 kJ) 20 Cette réaction nécessite donc un appoint thermique de 91 kJ pour que la dismutation, formulée ci-dessus, soit réalisée. Cette énergie est fournie par la combustion d'au moins une partie de la base thermique. Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape séparant l'hydrogène des autres éléments contenus dans le flux gazeux 25 après désoxydation de la vapeur d'eau. Cette séparation peut être réalisée par des dispositifs présents dans le commerce et qui peuvent être mis en oeuvre facilement. Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre un stockage de l'hydrogène, obtenu lors de l'étape de séparation.
30 D'une manière avantageuse, le procédé selon l'invention peut comprendre une génération d'électricité dans une pile à combustible à partir d'au moins une partie de l'hydrogène, cette génération produisant en outre un gaz de réaction. Le gaz de réaction comprend essentiellement de la vapeur d'eau qui peut être recyclée et désoxydée au travers de la base 2905691 -4- thermique pour produire de l'hydrogène qui servira de nouveau à générer de l'électricité dans la pile à combustible, et ce en cycle continu. Le procédé selon l'invention peut avantageusement comprendre en outre une combustion d'au moins une partie de l'hydrogène dans une 5 chaudière à gaz, ladite combustion produisant de l'énergie thermique et un gaz de combustion comprenant de la vapeur d'eau à haute température et basse pression. La combustion de l'hydrogène peut aussi être réalisée dans une turbine à gaz, un moteur à gaz, ou une chaudière classique de production de vapeur d'eau.
10 Dans un mode de réalisation du procédé selon l'invention, la combustion de l'hydrogène, dans la chaudière à vapeur, peut être réalisée sous 02. Dans ce mode de réalisation, le flux gazeux de combustion ne comprend pratiquement que de la vapeur d'eau à très haute température et basse pression.
15 Dans un second mode de réalisation du procédé selon l'invention, la combustion de l'hydrogène peut être réalisée sous air. Avantageusement, au moins une partie de l'énergie thermique produite par la combustion de l'hydrogène peut être utilisée pour conditionner un fluide thermodynamique en un deuxième flux gazeux 20 comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température et haute pression. Au moins une partie de la vapeur d'eau haute température et haute pression peut aussi être utilisée dans un système dédié à la production d'énergie mécanique et/ou électrique.
25 Avantageusement, au moins une partie de la vapeur d'eau contenu dans le deuxième flux gazeux est utilisée pour produire de l'électricité dans une turbine à vapeur, ou un turboalternateur, cette production d'électricité comprenant en outre une génération d'un troisième flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau basse pression et basse température. Le couple 30 température/pression que l'on peut obtenir dans le système et procédé selon l'invention, peut atteindre des niveaux très importants qui permettent de réaliser une production d'électricité, au plus haut rendement des systèmes existants et à venir et d'augmenter le rendement de production d'électricité par rapport au potentiel thermique mis en oeuvre à l'origine. 2905691 -5- Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une compression d'au moins une partie de la vapeur d'eau basse température et basse pression contenue dans le troisième flux gazeux amenant la dite vapeur d'eau à une pression de condensation. Cette compression peut être 5 réalisée dans des moyens compresseurs disposés en sortie d'une turbine à vapeur. D'une manière avantageuse, le procédé selon l'invention peut comprendre une récupération d'au moins une partie de l'énergie de condensation de la vapeur d'eau obtenue après compression.
10 Le procédé peut en outre comprendre une élévation en température d'au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans le troisième flux. Avantageusement, au moins une partie de la vapeur d'eau contenu dans le gaz de combustion peut être désoxydée par passage de ladite vapeur d'eau au travers de la base thermique. En effet le procédé selon 15 l'invention peut comprendre un recyclage d'au moins une partie du gaz de combustion comprenant de la vapeur d'eau, par passage d'au moins une partie de ce gaz au travers de la base thermique oxydo-réductrice, pour une nouvelle désoxydation de ladite vapeur dans ce gaz, cette désoxydation produisant à nouveau de l'hydrogène. Le recyclage permanent des flux 20 gazeux restitue logiquement l'intégralité du potentiel énergétique qu'ils recèlent moins les déperditions inhérentes aux systèmes et matériels mis en oeuvre pour l'invention. De ce fait, l'intégralité de la capacité thermique résiduelle de la vapeur d'eau peut ainsi être récupérée à la base thermique et vient en déduction de l'énergie à fournir pour conditionner les éléments 25 de carbone oxydoréducteurs et permettre la dismutation ou la désoxydation de la vapeur d'eau. L'hydrogène obtenu est de nouveau transférée au système de cogénération d'énergie, et cela en cycle continu. Dans ce mode de recyclage, la base thermique doit être apte à désoxyder de la vapeur d'eau en continu, la quantité de carbone à haute 30 température doit donc être suffisante. L'approvisionnement en carbone à haute température doit être continu. Dans un mode de réalisation particulier, au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans le gaz de combustion peut être mélangée à au moins une partie de la vapeur d'eau obtenue dans un système périphérique 2905691 -6- quelconque, tel qu'un système de déshydratation de biomasse végétale ou système d'apport d'eau en phase liquide et d'évaporation dans un échangeur utilisant l'excédent thermique du système selon l'invention. Le mélange peut ensuite être désoxydé au travers de la base thermique et entamer un 5 nouveau cycle dans le procédé selon l'invention, et cela en cycle continu Avantageusement, au moins une partie de la vapeur d'eau du troisième flux, comprimée à une pression de condensation puis élevée en température, peut être recyclée et utilisée pour produire de l'électricité dans une turbine à vapeur, après une élévation de sa température et de sa 10 pression. L'élévation en température de la vapeur d'eau peut être réalisée grâce à l'énergie thermique présente au niveau de la base thermique ou grâce à l'énergie thermique obtenue par combustion de l'hydrogène dans une chaudière à gaz, ou les deux. Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre une 15 génération de la base thermique par combustion de biomasse végétale ou de charbon. La combustion de biomasse peut être réalisée sous 02 ou sous air. La biomasse dont la combustion permet de générer la base thermique peut comprendre de la biomasse végétale dont l'humidité a été diminuée au 20 préalable, tel que de la biomasse séchée à l'air, de la biomasse séchée dans une unité de traitement, de la biomasse torréfiée, etc. Avantageusement le flux gazeux initial peut comprendre au moins une partie d'un flux gazeux de traitement d'une charge de biomasse, tel que le flux gazeux de déshumidification, de séchage ou de torréfaction d'une 25 charge de biomasse. Dans ce cas, la vapeur d'eau présente dans le flux gazeux initial provient de la biomasse séchée, déshumidifiée ou torréfiée. Le flux gazeux initial peut comprendre du CO2 ou tout autre gaz neutre ayant servi de vecteur caloporteur de déshydratation et de traitement. Cependant, la base thermique comprenant des éléments de 30 carbone à haute température, il est préférable que le flux gazeux initial comprenne du CO2. De plus, il est plus avantageux que le flux gazeux initial comprenne du CO2 compte tenu du fait que la séparation de l'hydrogène du CO2 est une opération connue de l'homme du métier et facilement réalisable. 2905691 -7- Après la séparation de l'hydrogène et du CO2, au moins une partie du CO2 peut aussi transiter par au moins un échangeur thermique pour y atteindre une température nécessaire à un traitement prédéterminée et être directement utilisé dans le traitement en question. Le traitement en question 5 peut être la torréfaction, le séchage, la déshumidification, etc. d'une charge de bois par exemple. Avantageusement, après la séparation de l'hydrogène et du CO2, au moins une partie du CO2 peut être condensée et récupérée, par exemple en phase liquide.
10 La base thermique mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention peut être en ignition à une température qui est réglée par injection d'oxygène au coeur de ladite base. Cette injection d'oxygène peut servir à contrôler la température au coeur de la base, en amont de la base ou en aval de la base thermique.
15 Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un système de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux, dit initial, comprenant de la vapeur d'eau, le système comprenant : des moyens de génération d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement 20 du carbone à haute température ; des moyens de passage dudit flux gazeux au travers de ladite base thermique, le passage permettant une désoxydation d'au moins une partie de la vapeur d'eau, la désoxydation permettant d'obtenir de l'hydrogène par réaction de la vapeur 25 d'eau avec le carbone. Dans une version particulièrement avantageuse de l'invention, les moyens de génération comprennent un générateur thermique prévu pour générer au moins une partie de la base thermique, le générateur étant aussi prévu pour désoxyder au moins une partie de la vapeur d'eau qui traverse la 30 base thermique. En effet, la base thermique peut se trouver au sein du générateur thermique. Le générateur thermique peut comprendre un réacteur thermique ou un foyer à combustible solide ou encore un dispositif hybride, permettant la combustion d'un combustible solide, notamment de la biomasse végétale 2905691 -8- dont l'humidité a été réduite par un traitement préalable. Cette combustion produit des éléments de carbone à haute température dont au moins une partie peut être utilisée pour réaliser la base thermique, et utilisée comme carbone oxydoréducteur à haute température.
5 Avantageusement, le générateur thermique peut être muni d'un système de régulation de la température des parois, par circulation d'un fluide caloporteur. Le générateur peut comprendre des parois doubles entre lesquelles le liquide caloporteur, par exemple de l'eau sous pression, peut circuler. Le liquide caloporteur peut aussi être projeté sur les parois du 10 générateur thermique. Dans une version particulière de l'invention, le générateur thermique peut comprendre un foyer à grille prévu pour recevoir la base thermique et agencé pour réaliser le transfert des gaz de combustion d'une charge de biomasse réalisant au moins en partie la base thermique et du flux gazeux 15 initial. Le foyer à grille peut avantageusement être muni d'un système de refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur dans les grilles du foyer. Le générateur thermique peut aussi comprendre des moyens 20 d'injection d'oxygène. L'injection d'oxygène peut, d'une part, servir à réaliser la combustion d'un combustible solide destiné à la génération de la base thermique, et d'autre part, à la régulation de la température au niveau de la base thermique. Le générateur peut aussi comprendre des moyens de captation et de 25 séparation de l'hydrogène obtenu par désoxydation de la vapeur d'eau. Le générateur thermique peut en particulier comprendre une chambre de détente du flux gazeux ayant transité au travers de base thermique à haute température. Cette chambre de détente, est mise en oeuvre notamment pour parfaire la dismutation des molécules de vapeur d'eau 30 résiduelles en H2 au contact des éléments de monoxyde de carbone provenant de la combustion incomplète du carbone à haute température. Avantageusement, le générateur thermique peut comprendre au moins un échangeur thermique, cet échangeur thermique étant prévu pour réaliser des échanges thermiques entre le premier flux gazeux, composé 2905691 -9- essentiellement de CO2 et de H2 à haute température et un fluide caloporteur, qui peut être celui d'un circuit de refroidissement d'une partie du système générateur thermique. Ce fluide se charge de l'énergie thermique dudit ensemble gazeux pour la transférer à un système de 5 cogénération d'électricité, par exemple un turboalternateur. Le système selon l'invention peut en outre comprendre un dispositif de production de vapeur d'eau, en valorisant l'énergie thermique provenant d'un élément quelconque du système. Le système peut en outre comprendre des moyens de stockage et/ou 10 de distribution de 02 et/ou de CO2 D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels ; 15 la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention utilisant une chaudière à vapeur ; la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention utilisant une chaudière à 20 vapeur ; la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention utilisant une pile à combustible ; et la figure 4 est une représentation schématique d'un quatrième mode 25 de réalisation du procédé selon l'invention utilisant une pile à combustible. La figure 1 représente d'une manière schématique un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention. Le système représenté en figure 30 1 comprend une unité 1 de stockage d'un combustible solide comprenant du carbone, et plus particulièrement du carbone combustible. Le carbone combustible peut être du charbon ou de la biomasse végétale dont l'humidité à été diminuée par un traitement préalable, tel qu'une déshumidification. 2905691 -Dans l'exemple d'application représenté sur la figure 1, l'unité 1 est une unité de stockage d'une charge de matière première combustible à haute teneur en carbone B1. La charge de matière première combustible B2 à haute teneur en carbone est introduite, par un système régulateur B, dans 5 le réacteur R où elle est brûlée sous 02. Cette matière première combustible est destinée, d'une part à former la base thermique et, d'autre part à porter et maintenir cette base thermique à la température de procédé. La combustion complète de cette matière première sous 02 produit du CO2. Le réacteur R reçoit aussi un flux gazeux initial F1 comprenant de la 10 vapeur d'eau à haute température et basse pression provenant d'un échangeur E2 et d'un caisson de mélange Cm. La vapeur d'eau provenant de E2 subit la réaction oxydo-réductrice lors du passage au travers de la base thermique. Cette dismutation produit le premier flux gazeux Fgl à haute température et basse pression. Ce premier flux gazeux Fgl est composé 15 essentiellement de H2 et CO2. H2 et CO2 sont ensuite séparés dans un système séparateur gazeux industriel S-G. Le CO2 obtenu par séparation est un flux gazeux neutre Fn, trop chaud pour être exploité en l'état, il est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr du CO2 refroidi est rejetée et le reste Fns compressé dans des 20 moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage S1. Une partie Fnsl du CO2 stocké peut être utilisée comme flux de refroidissement du système selon l'invention ou pour la sécurité du système. L'hydrogène obtenu est brûlé sous 02 dans une chaudière à gaz Ch. La combustion de l'hydrogène sous 02 permet, d'une part de générer un flux 25 gazeux de combustion Gcl à très haute température comprenant essentiellement de la vapeur d'eau H2O basse pression, et d'autre part de générer un deuxième flux gazeux Fg2 comprenant essentiellement de la vapeur d'eau obtenu par chauffage d'un fluide thermodynamique Fth comprenant essentiellement de l'eau. En sortie de la chaudière à gaz Ch, ce 30 deuxième flux gazeux Fg2 comprend essentiellement de la vapeur d'eau haute température et très haute pression. Le gaz de combustion Gcl, qui a cédé la plus grande partie de son potentiel thermique au deuxième flux gazeux Fg2, détient encore une charge thermique importante, à sa sortie de la chaudière Ch : environ 10 à 20% du pouvoir calorifique de la combustion 2905691 -11- de H2 sous 02 dans le système. Ce gaz de combustion comprenant de la vapeur d'eau est recyclé dans le réacteur R après passage dans un échangeur/caisson de mélange E2 et Cm où il peut être mélangé à un apport F1-1 de H2O liquide qui sert d'appoint. L'H2O liquide est évaporée dans 5 l'échangeur/caisson de mélange E2 et Cm, un système Pch accouplé à un système de chauffage pour la phase de démarrage vaporise l'eau d'apport. Le mélange gazeux ainsi formé, en sortie du caisson de mélange Cm, devient le flux gazeux initial F1, il est à haute température et basse pression et participe à l'échange thermique utile au sein de la base thermique. Toute 10 l'énergie thermique contenue dans ce mélange gazeux est ainsi recyclée, de même que la vapeur d'eau qui est de nouveau désoxydée au passage de la base thermique et cela en cycle continu. Le deuxième flux gazeux Fg2 comprenant de la vapeur d'eau surchauffée et très haute pression obtenue en sortie de la chaudière à gaz 15 Ch entraîne une turbine à vapeur TAV qui génère de l'électricité par un alternateur A accouplé au système. La turbine permet d'exploiter l'essentiel de l'énergie mécanique de la vapeur. En sortie de la turbine à vapeur TAV, on obtient un troisième flux gazeux Fg3 comprenant de la vapeur d'eau à une très basse pression et à basse température. Cette vapeur d'eau est 20 comprimée par un compresseur à vapeur C2, à une pression suffisante pour son changement physique à l'état liquide dans le préparateur/échangeur VAP. L'eau obtenue, par condensation dans ce préparateur à la pression relative à l'enthalpie de la vapeur résiduelle est surchauffée dans l'échangeur El, elle est ainsi recyclée en flux thermodynamique Fth avant 25 d'être réintroduite dans le circuit secondaire de la chaudière à gaz Ch. Une grande partie de l'énergie résiduelle en sortie de la turbine à vapeur est ainsi recyclée. L'électricité utile à la compression génère de l'énergie thermique, par effet "Joule", qui est exploitée par le système, neutralisant ainsi une partie de l'incidence de la consommation d'électricité du 30 compresseur sur le bilan d'exploitation. Le recyclage continu de la vapeur d'eau dans le cycle de dismutation et du CO2 génère des excédents : - de CO2 Fn qui est refroidi dans un aéroréfrigérant E3 (Une partie Fnr de ce CO2 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est compressée par 2905691 - 12 - des moyens compresseurs Cl et stockée dans des moyens de stockage Si) de H2O, le recyclage permanent de la vapeur d'eau et la combustion de la base thermique peut générer de l'excédent de vapeur d'eau, qui 5 sera alors extrait du circuit de recyclage. La figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, le système selon l'invention est utilisé pour le recyclage d'un flux gazeux de traitement Ft d'une charge de biomasse B1 et pour la valorisation 10 énergétique du flux gazeux ayant servi au traitement de la charge de biomasse. La biomasse B1 est déshydratée ou torréfiée dans l'unité de traitement 1. Après traitement, l'ensemble gazeux extrait comprend : - le flux gazeux de traitement Ft, CO2 caloporteur de traitement de la 15 charge de biomasse, et de la vapeur provenant de la biomasse initiale B1. Cet ensemble gazeux devient alors le flux gazeux initial F1 qui sera recyclé dans le système et procédé selon l'invention. Une partie B3 de la biomasse B:1 traitée, par exemple en torréfaction 20 ou en séchage, est stockée. Une autre partie B2 de la biomasse B1 est introduite, par un système régulateur B, dans le réacteur R où elle est mise en réaction thermique sous 02 pour former la base thermique dont une partie a pour objet de porter et maintenir cette base thermique à la température de procédé. De plus, la combustion complète de la biomasse 25 sous 02 produit du CO2 qui peut être utilisé comme flux caloporteur Ft pour le traitement de la biomasse d'origine E31. Le flux gazeux initial F1, comprenant du CO2 caloporteur utilisé dans le traitement de la biomasse B1 et la vapeur d'eau extraite de la biomasse d'origine est recyclée dans le réacteur R après un échange thermique dans 30 un échangeur thermique E2 et un transit dans un caisson de mélange Cm, expliqué ci-après. Le flux gazeux initial est ainsi à haute température lorsqu'il est introduit dans le réacteur R. Le CO2 est neutre pour la réaction de désoxydation de la vapeur d'eau, mais la vapeur d'eau subit la réaction 2905691 - 13 - oxydo-réductrice de la base thermique. Cette dismutation produit un premier flux gazeux Fgl comprenant essentiellement du H2 et du CO2. H2 est séparé des autres composants du premier flux gazeux, et notamment du CO2, dans un système séparateur gazeux industriel S-G, connu par l'homme 5 du métier. Le CO2 peut être réutilisé comme gaz caloporteur Ft qui transmettra sa capacité thermique à la biomasse à déshydrater ou à torréfier. A la sortie du séparateur S-G, le CO2 a cédé une partie de sa charge thermique dans l'échangeur El. Il se peut toutefois qu'il soit encore trop chaud pour être utilisable en gaz de traitement Ft, une injection de CO2 10 froid Fnsl le régulera alors. L'hydrogène est brûlé sous 02 dans une chaudière à gaz Ch à production de vapeur d'eau surchauffée à très haut rendement. La combustion de l'hydrogène sous 02 permet, d'une part de générer un gaz de combustion Gcl comprenant essentiellement de la vapeur d'eau H2O haute température/basse pression, et d'autre part de générer un 15 deuxième flux gazeux Fg2 comprenant essentiellement de la vapeur d'eau par chauffage d'un fluidethermodynamique Fth comprenant essentiellement de l'eau. En sortie de la chaudière à gaz Ch, ce deuxième flux gazeux Fg2 comprend essentiellement de la vapeur d'eau haute température et très haute pression. Le gaz de combustion Gcl qui a cédé la plus grande partie 20 de son potentiel thermique au deuxième flux gazeux Fg2, détient encore une charge thermique importante : 10 à 20% du pouvoir calorifique de la combustion de H2 sous 02. La vapeur d'eau contenue dans le gaz de combustion est recyclée dans le réacteur R après passage dans le caisson de mélange Cm où elle sera mélangée au flux gazeux initial F1, c'est-à-dire, à 25 l'ensemble gazeux de traitement de la biomasse d'origine : CO2 + H2O issus de la déshydratation de la biomasse B1. Le mélange gazeux ainsi formé devient le nouveau flux initial F1 qui sera recyclé dans le réacteur R, il est à haute température et participe à l'échange thermique utile au sein de la base thermique. Toute l'énergie thermique contenu dans ce mélange gazeux 30 est ainsi recyclée. La vapeur d'eau est de nouveau désoxydée au passage de la base thermique et ce en cycle continu. Le deuxième flux gazeux Fg2 comprenant de la vapeur d'eau surchauffée à très haute pression, obtenue en sortie de la chaudière à gaz Ch, entraîne une turbine à vapeur TAV qui génère de l'électricité par 2905691 - 14 - l'alternateur A accouplé au système. La turbine permet de transformer l'essentiel du couple "température/pression" de la vapeur en énergie mécanique qui entraînera l'alternateur A. En sortie de la turbine à vapeur TAV, on obtient un troisième flux gazeux Fg3, comprenant essentiellement 5 de la vapeur d'eau à une très basse pression et à basse température. Cette vapeur d'eau est alors comprimée par un compresseur à vapeur C2, à une pression suffisante pour son changement physique à l'état liquide dans le préparateur VAP : l'eau obtenue dans ce préparateur (à la pression relative à l'enthalpie de la vapeur résiduelle) est surchauffée dans l'échangeur El 10 avant d'être réintroduite dans le circuit secondaire de la chaudière à gaz Ch. Une grande partie de l'énergie résiduelle en sortie de la turbine à vapeur est ainsi recyclée. L'électricité utile à la compression génère de l'énergie thermique par effet "Joule" qui est exploitée par le système, neutralisant ainsi une partie de l'incidence de la consommation d'électricité du 15 compresseur, sur le bilan d'exploitation. Le recyclage continu de la vapeur d'eau dans le cycle de dismutation et du CO2 génère des excédents. L'eau en excédent est rejetée dans l'écosystème. Le CO2 en excédent Fn est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr de ce CO2 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est 20 compressée par des moyens compresseurs Cl et stockée dans des moyens de stockage S1. La figure 3 est une représentation d'un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention faisant intervenir une pile à combustible PAC. Dans l'exemple d'application représenté sur la figure 3, l'unité 1 est une 25 unité de stockage d'une charge de matière première combustible B1 à haute teneur en carbone. Cette matière première est un combustible pour générer, dans le même temps les conditions physiques et chimiques de la dismutation de la vapeur d'eau contenu dans le flux gazeux initial. Le combustible sera de préférence solide, pour créer les meilleures conditions 30 d'homogénéisation pour la réaction de dismutation de H2O. Le choix du combustible se portera sur une matière première combustible qui sera de préférence renouvelable, soit de la biomasse végétale déshydratée ou torréfiée, ou de la tourbe ou toute autre combustible à forte teneur en carbone. 2905691 - 15 - La charge de matière première combustible B2 à haute teneur en carbone est introduite, par un système régulateur B, dans le réacteur R où elle est brûlée sous 02. La matière première combustible forme ainsi la base thermique dont une partie a pour objet de porter et maintenir ladite base 5 thermique à la température de procédé. La combustion complète de cette matière première sous 02 produit du CO2. Le réacteur R reçoit aussi le flux gazeux initial F1 comprenant de la vapeur d'eau à haute température et basse pression. La vapeur d'eau provenant de l'échangeur El subit la réaction oxydo-réductrice lors du 10 passage au travers de la base thermique. Cette dismutation produit un premier flux gazeux Fgl composé essentiellement de H2 et du CO2 de la réaction thermique et de la dismutation. Le premier flux gazeux Fgl est à haute température et basse pression. H2 et CO2 sont séparés dans un système "séparateur gazeux" industriel S-G. Le séparateur S-G peut faire 15 partie intégrante de la pile à combustible dont il est alors un des constituant. Le CO2 obtenu Fn est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr du CO2 refroidi est rejetée et le reste Fns est compressé par des moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage S1. Une partie Fnsl du CO2 stocké peut être utilisé pour le refroidissement du système 20 selon l'invention ou pour la sécurité du système. L'hydrogène obtenu est introduit dans la pile à combustible PAC où il sera mis en réaction chimique par les moyens physiques du système et une injection d'02 industriel. Cette réaction permet, d'une part de générer de l'électricité avec un très haut rendement par rapport au potentiel 25 énergétique mis en oeuvre au départ et, d'autre part de générer un flux gazeux de réaction Fgr comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température et basse pression. L'électricité est directement exploitable par tous les moyens conventionnels.
30 Le flux gazeux de réaction Fgr est donc essentiellement composé de vapeur d'eau à haute température et basse pression qui détient une charge thermique importante. Ce flux gazeux de réaction Fgr comprenant de la vapeur d'eau est recyclé dans le réacteur R après passage dans un échangeur/caisson de mélange E2 et Cm où il est mélangé à un apport de 2905691 - 16 - H20 liquide qui sert d'appoint F1-1. L'H20 liquide est évaporée dans l'échangeur/caisson de mélange E2 et Cm, un système Pch, accouplé à un système de chauffage pour la phase de démarrage, vaporise l'eau d'apport. Le mélange gazeux ainsi formé, en sortie du caisson de mélange Cm, 5 constitue au moins en partie le flux gazeux initial F1. Ce mélange gazeux est à haute température et basse pression et participe à l'échange thermique utile au sein de la base thermique. Toute l'énergie thermique contenue dans ce mélange gazeux est ainsi recyclée. La vapeur d'eau est recyclée dans le réacteur R, elle est ainsi de 10 nouveau désoxydée au passage de la base thermique et cela en cycle continu. Le recyclage continu de la vapeur d'eau dans le cycle de dismutation et génère des excédents : de CO2 Fn (produit de la dismutation de H2O par la base thermique, 15 composée de carbone) qui est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr de ce CO2 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est compressée par des moyens compresseurs Cl et stockée dans des moyens de stockage S1 - de H2O, le recyclage permanent de la vapeur d'eau et la combustion 20 de la base thermique peut générer de l'excédent de vapeur d'eau, qui sera alors extrait du circuit de recyclage. La figure 4 est une représentation d'un quatrième mode de réalisation du procédé selon l'invention faisant intervenir une pile à combustible PAC. Dans ce mode de réalisation, le système selon l'invention est utilisé pour le 25 recyclage d'un flux gazeux de traitement Ft d'une charge de biomasse B1 et le recyclage (pour la valorisation énergétique et élémentaire) du flux gazeux ayant servi au traitement de la charge de biomasse. La biomasse B1 est déshydratée ou torréfiée dans l'unité de traitement 1. Après traitement, l'ensemble gazeux extrait comprend : 30 le flux gazeux de traitement Ft, du CO2 caloporteur de traitement de la charge de biomasse B1, et de la vapeur d'eau provenant de la biomasse initiale B1. Cet ensemble gazeux devient alors le flux gazeux initial F1 qui sera recyclé dans le système et procédé selon l'invention. 2905691 17 - Une partie B3 de la biomasse traitée B1, par exemple en torréfaction ou en séchage, est stockée. Une autre partie de la biomasse B2 est introduite, par un système régulateur B, dans le réacteur R où elle est mise en réaction thermique sous 02 pour former la base thermique. Une partie de 5 cette biomasse B2 à pour objet de porter et maintenir cette base thermique à la température de procédé. De plus, la combustion complète de la biomasse sous 02 produit du CO2 qui peut être utilisé comme flux caloporteur Ft pour le traitement de la biomasse d'origine B1. Le flux gazeux initial F1, comprenant du CO2 caloporteur utilisé dans 10 le traitement de la biomasse B1 et la vapeur d'eau extraite de la biomasse d'origine, est recyclé dans le réacteur R après un échange thermique dans un échangeur thermique E1 et un transit dans un caisson de mélange Cm, expliqué ci-après. Le flux gazeux initial F1 est ainsi à haute température lorsqu'il est 15 introduit dans le réacteur R. Le CO2 est neutre pour la réaction thermique, mais la vapeur d'eau subit la réaction oxydo-réductrice de la base thermique. Cette dismutation produit un premier flux gazeux Fgl comprenant essentiellement du H2 et du CO2. H2 est ensuite séparé des autres éléments gazeux composant le premier flux, et notamment du CO2, 20 dans un système séparateur gazeux industriel S-G, connu par l'homme du métier. Le CO2 peut être réutilisé comme flux gazeux caloporteur de traitement Ft qui transmettra sa capacité thermique à la biomasse à déshydrater ou à torréfier. A la sortie du séparateur S-G, le CO2 a cédé une 25 partie de sa charge thermique dans l'échangeur El, il se peut toutefois qu'il soit encore trop chaud pour être utilisable en gaz de traitement Ft, une injection de CO2 froid Fns1 le régulera alors. L'hydrogène obtenu est introduit dans la pile à combustible PAC où il sera mis en réaction chimique par les moyens physiques du système et une 30 injection d'O2 industriel. Cette réaction permet, d'une part de générer de l'électricité avec un très haut rendement par rapport au potentiel énergétique mis en oeuvre à la base et d'autre part de générer un flux gazeux de réaction Fgr comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température et basse pression. 2905691 - 18 - L'électricité est directement exploitable par tous les moyens conventionnels. Le flux gazeux de réaction Fgr comprend essentiellement de la vapeur d'eau à haute température et basse pression qui détient une charge 5 thermique importante. Ce flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau est introduit dans un caisson de mélange Cm où il est mélangé au flux gazeux extrait de l'unité 1 de traitement de la biomasse, et qui a transité par l'échangeur thermique El où il a acquis une capacité thermique importante. Le mélange gazeux ainsi formé en sortie du caisson de mélange Cm, 10 constitue au moins en partie le flux gazeux initial F1 et est à haute température et basse pression et participe à l'échange thermique utile au sein de la base thermique. Toute l'énergie thermique contenue dans ce mélange gazeux est ainsi recyclée. La vapeur d'eau est recyclée et de nouveau désoxydée au passage de 15 la base thermique et cela en cycle continu. Une partie Fn du CO2 obtenu est refroidie dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr du CO2 refroidi est rejetée et le reste Fns est compressé par des moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage S1. Une partie Fnsl du CO2 stocké peut être utilisé pour le refroidissement du 20 système selon l'invention ou pour la sécurité du système. L'eau en excédent est aussi rejetée à l'écosystème en sortie de la pile à combustible PAC. Le CO2, qui sera utilisé comme flux caloporteur de traitement Ft, est à très haute température à la sortie du séparateur. Il échange la plus grande part de sa charge thermique, au flux gazeux extrait de l'unité de traitement 25 de la biomasse, dans l'échangeur El. Ce flux caloporteur sera ensuite régulé, à la température utile à son exploitation, par un apport de CO2 froid Fnsi. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient 30 de décrire et peut être utilisée pour une génération d'énergie à partir de tout flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau.

Claims (20)

REVENDICATIONS
1) Procédé de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux (F1), dit initial, comprenant de la vapeur d'eau (H20), ledit procédé comprenant une désoxydation d'au moins une partie de ladite vapeur d'eau (H20) par passage dudit flux gazeux initial (F1) au travers d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement des éléments de carbone à haute température, ladite désoxydation permettant d'obtenir un premier flux gazeux (Fgl) comprenant de l'hydrogène (H2) obtenu par réaction de ladite vapeur d'eau (H20) avec lesdits éléments de carbone.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape séparant l'hydrogène (H2) des autres éléments contenus 15 dans le premier flux gazeux (Fgl).
3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un stockage de l'hydrogène (H2). 20
4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une génération d'électricité dans une pile à combustible (PAC) à partir d'au moins une partie de l'hydrogène, ladite génération produisant en outre un gaz de réaction (Fgr) comprenant de la vapeur d'eau (H20). 25
5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H20) contenu dans le gaz de réaction (Fgr) est recyclée pour être de nouveau désoxydée par passage de ladite vapeur d'eau (H20) au travers de la base thermique.
6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une combustion d'au moins une partie de l'hydrogène (H2) dans une chaudière à gaz (Ch), ladite combustion produisant de l'énergie thermique et un gaz de combustion (Gcl) 30 2905691 - 20 - comprenant de la vapeur (H20) d'eau à haute température et basse pression.
7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins une 5 partie de l'énergie thermique produite par la combustion de l'hydrogène (H2) est utilisée pour conditionner un fluide thermodynamique (Fth) en un deuxième flux gazeux (Fg2) comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température et haute pression. 10
8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H20) contenu dans le deuxième flux gazeux (Fg2) est utilisée pour produire de l'électricité dans une turbine à vapeur (TAV), ladite production comprenant en outre une génération d'un troisième flux gazeux (Fg3) comprenant de la vapeur d'eau (H20) basse pression et basse température.
9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une compression d'au moins une partie de la vapeur (H20) d'eau basse température et basse pression contenu dans le troisième flux gazeux (Fg3) amenant la dite vapeur d'eau (H20) à une pression de condensation.
10) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une récupération d'au moins une partie de l'énergie de condensation de la vapeur d'eau obtenue après compression.
11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H20) est utilisée pour produire de l'électricité dans une turbine à vapeur (TAV). 30
12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H20) contenu dans le gaz de combustion (Gcl) est recyclée pour être de nouveau désoxydée par passage de ladite vapeur d'eau au travers de la base thermique. 2905691 -21 -
13) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que la combustion de l'hydrogène (H2) est réalisée sous 02.
14) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé 5 en ce que la combustion de l'hydrogène (H2) est réalisée sous air.
15) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une génération de la base thermique par combustion de biomasse (B2) végétale ou minérale.
16) Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la combustion de biomasse (B2) est réalisée sous 02.
17) Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 ou 16, 15 caractérisé en ce que la biomasse (B2) comprend de la biomasse végétale dont l'humidité a été diminuée au préalable.
18) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux gazeux initial (F1) comprend au moins une 20 partie d'un flux gazeux de traitement (Ft) d'une charge de biomasse (B1).
19) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux gazeux initial (F1) comprend du CO2. 25
20) Système de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux (F1), dit initial, comprenant de la vapeur d'eau, ledit système comprenant : des moyens (R) de génération d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement du carbone à haute température ; des moyens de passage dudit flux gazeux (F1) au travers de ladite base thermique, ledit passage permettant une désoxydation d'au moins une partie de ladite vapeur d'eau (H2O), ladite désoxydation permettant d'obtenir de l'hydrogène (H2) par réaction de ladite vapeur d'eau (H2O) avec ledit carbone. 10
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