FR3044935A1 - Microcentrale de traitement du co2 et stockage liquide - Google Patents

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Abstract

La présente invention se rapporte à nouveau procédé et dispositif de traitement du dioxyde de carbone (CO2), et à son stockage.

Description

MICROCENTRALE DE TRAITEMENT DU C02 ET STOCKAGE LIQUIDE
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention se rapporte à un nouveau procédé et dispositif de traitement du dioxyde de carbone (C02) généré par exemple par un site industriel ou un véhicule à moteur thermique, qui repose sur le processus de photosynthèse.
Dans la description ci-dessous, les références entre crochets ([]) renvoient à la liste des références présentée à la fin du texte.
Etat de la technique
Le dioxyde de carbone aussi appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique dont la formule est C02, la molécule ayant une structure linéaire de la forme 0=C=0. Il se présente, sous les conditions normales de température et de pression, comme un gaz incolore, inodore, à la saveur piquante.
Le C02 est libéré, à travers la chaîne respiratoire, par le catabolisme des plantes, des animaux, des fungi (mycètes, ou champignons) et des micro-organismes. Ce catabolisme consiste notamment à oxyder les lipides et les glucides en eau et en dioxyde de carbone grâce à l'oxygène de l'air pour produire de l'énergie et du pouvoir réducteur, sous forme respectivement d'ATP et de NADH + H+. Le C02 est par conséquent un élément fondamental du cycle du carbone sur notre planète. Il est également produit par la combustion des énergies fossiles telles que le charbon, le gaz naturel et le pétrole, ainsi que par celle de toutes les matières organiques en général. Des quantités significatives de C02 sont par ailleurs rejetées par les volcans et autres phénomènes géothermiques tels que les geysers.
Le CO2 est un gaz à effet de serre bien connu, transparent en lumière visible mais absorbant dans le domaine infrarouge, de sorte qu'il tend à bloquer la réémission vers l'espace de l'énergie thermique reçue au sol sous l'effet du rayonnement solaire. Il serait responsable de 26 % de l'effet de serre à l'œuvre dans notre atmosphère (la vapeur d'eau en assurant 60 %), où l'augmentation de sa concentration serait en partie responsable du réchauffement climatique constaté à l'échelle de notre planète depuis les dernières décennies du XXe siècle. Par ailleurs, l'acidification des océans résultant de la dissolution du dioxyde de carbone atmosphérique pourrait compromettre la survie de nombreux organismes marins avant la fin du XXIe siècle, notamment tous ceux à exosquelette calcifié tels que les coraux et les coquillages, mais aussi de certains poissons.
Le C02 est utilisé par l'anabolisme des végétaux pour produire de la biomasse à travers la photosynthèse, processus qui consiste à réduire le dioxyde de carbone par l'eau, grâce à l'énergie lumineuse reçue du soleil et captée par la chlorophylle, en libérant de l'oxygène pour produire des oses, et en premier lieu du glucose par le cycle de Calvin.
La photosynthèse est le processus bioénergétique qui permet aux plantes et à certaines bactéries de synthétiser de la matière organique en exploitant la lumière du soleil [Farineau et Morot-Gaudry, « La photosynthèse : processus physiques, moléculaires et physiologiques », Editions Quae, 2011] [1], (http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese-cours/01-organismes.htm). Les besoins nutritifs de ces organismes sont du dioxyde de carbone, de l’eau et des sels minéraux. La photosynthèse est à la base de l'autotrophie de ces organismes. La photosynthèse est la principale voie de transformation du carbone minéral en carbone organique. En tout, les organismes photosynthétiques assimilent environ 100 milliards de tonnes de carbone en biomasse, chaque année. La photosynthèse se déroule dans les membranes des thylakoïdes, chez les plantes, les algues et les cyanobactéries, ou dans la membrane plasmique chez les bactéries photosynthétiques. Une conséquence importante est la libération de molécules de dioxygène (O2).
La capture et la séquestration du carbone est envisagé comme l’un des moyens les plus viables pour diminuer les émissions de C02 provenant de sites industriels ou de véhicules à moteur thermique qui utilisent des énergies fossiles, pour limiter la contribution de ce gaz à l'acidification des milieux et aux modifications climatiques dont il est probablement l’une des causes.
La Demande de Brevet européen EP 2 241 367 [2] est relative à un procédé d’élimination de substances toxiques telles que le dioxyde ou le monoxyde de carbone des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne ou d’une centrale d’incinération en libérant les gaz contenant lesdites substances toxiques dans un liquide qui contient au moins une bactérie photosynthétique, une levure et une bactérie lactique pour éliminer lesdites substances toxiques, sans nécessiter l’utilisation d’un catalyseur de métaux rares (e.g. platine, vanadium).
La Demande de Brevet européen EP 2 110 524 [3] est relative à un catalyseur pour un moteur à combustion disposant d’un bioréacteur dans lequel les molécules de C02 sont rompues lors du passage de gaz générant ainsi une forme de photosynthèse ; la lumière étant remplacée par le courant électrique et une haute température. Ledit catalyseur permet de réduire le niveau des gaz polluants et des particules, de même que le niveau de bruit résultant de l’échappement des moteurs à combustion interne.
La Demande de Brevet canadien CA 2 630 297 [4] est relative à un procédé d’extraction de gaz C02 en continu à partir des gaz d’échappement de moteur via un bioréacteur constitué d’une série de réservoirs traversés successivement par les gaz et dans lesquels les gaz sont mis en contact avec un flux labyrinthique d’eau contenant des organismes photosynthétiques.
La Demande de Brevet allemand DE 10 2008 005 264 [5] est relative à un procédé de transformation du CO2, émanant d’un site de production d’énergie, en glucose et en oxygène par l’action d’un réactif à base d’algues via un processus de photosynthèse.
La Demande Internationale WO 2011/002419 [6] est relative à un procédé et un dispositif pour réduire la concentration en CO2 provenant de fumées à traiter via une série d’unités de photosynthèse dans lesquels lesdites fumées sont mises en contact successivement avec au moins un agent photosynthétique (e.g. composé Vigna Radiata) pendant un temps prédéterminé.
La Demande de Brevet américain US 2010/0190241 [7] est relative à un dispositif de filtration du CO2 qui comprend un récipient contenant une solution d’algues photosynthétiques et ayant des membranes perméables au gaz comme ports d’entrée et de sortie. Le C02 est transformé en oxygène et en sucre, et l’oxygène est libéré par le port de sortie.
Il existe donc un réel besoin d’un procédé de traitement du CO2 alternatif, palliant les défauts, inconvénients et obstacles de l’art antérieur, en particulier d’un procédé permettant de maîtriser les émissions de CO2, réduire les coûts et d’améliorer la transformation de cette énergie chimique en énergie électrique.
Description de l’invention L’idée à la base de la présente invention est de transformer le CO2 suivant un processus de photosynthèse.
Pour ce faire, au départ, le CO2 se présente sous une forme gazeuse et est généré par exemple par un site industriel ou un véhicule à moteur thermique. Ce gaz est tout d’abord transformé pour l’amener en phase liquide afin d’être stocké sous forme palpable (par baisse de température et/ou augmentation de la pression) dans un réservoir. Ledit réservoir est alors connecté à un distributeur qui va alimenter en gaz un module de photosynthèse. Ledit module de photosynthèse peut fonctionner selon les deux équations suivantes : CO2 + bactérie + lumière —► glucide + soufre ou bactérie HO CO2 + eau + lumière + plante -* glucose + O2 + eau
Le traitement du C02 est réalisé en prélevant les gaz d’échappement à traiter et en les mettant en circulation dans le bioréacteur. Le bioréacteur comprend une pluralités de réservoirs/modules. Le bioréacteur comprend des bactéries et/ou algues qui convertissent le CO2 en oxygène et/ou en eau et/ou en sulfate, en présence de nutriments et de lumière. Dans le procédé de traitement du CO2 en oxygène, les microorganismes photosynthétiques se multiplient. Ils sont récoltés et peuvent être ultérieurement transformés en biodiésel ou sous-produits associés. En pratique, le gaz à traiter est introduit dans le bioréacteur. Les nutriments et microorganismes photosynthétiques sont mélangés et introduits dans le bioréacteur. La lumière est apportée dans le bioréacteur. Les microorganismes utilisent la lumière, le CO2 et les nutriments pour produire des glucides, de l’oxygène, de l’eau et/ou du sulfate et pour se reproduire après quoi ils sont retirés du bioréacteur, séparés de la circulation de l’eau, et éventuellement ultérieurement traités en biodiésel et sous-produits associés. L’eau et les microorganismes photosynthétiques restants sont mélangés à des nutriments et utilisés de nouveau. Le gaz d’échappement est libéré dans l’atmosphère après avoir été nettoyé du CO2. Les glucides produits par les microorganismes photosynthétiques sont récupérés (e.g. extraction à l’aide de filtres) et stockés, pour être ultérieurement transformés en énergie.
La présente invention a pour objectif triple (i) de diminuer les taux de dioxyde de carbone (C02) dégagés dans l’atmosphère et donc de limiter l’effet de serre qui en résulte, mais également (ii) de produire une énergie (glucide, glucose) avec ce CO2, et (iii) d’émettre de l’oxygène dans l’atmosphère au lieu de CO2.
La présente invention a donc pour objet un procédé de traitement du CO2, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes de : a) récupération de CO2 gazeux ; b) transformation du CO2 gazeux en CO2 liquide ; c) stockage du C02 liquide ; d) transformation du CO2 liquide stocké en CO2 gazeux ; e) transformation du CO2 gazeux en glucides par photosynthèse ; f) récupération des glucides formés.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, la récupération du C02 peut être réalisée par aspiration, ventilation et dépression, selon des moyens bien connus de l’homme du métier. Par exemple, le C02 gazeux est récupéré après le silencieux d’un véhicule à combustion interne.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, le C02 gazeux récupéré, par exemple par aspiration, est refroidi de 0 à -40°C, puis mis sous pression de 1 à 20 bars (e.g. par piston) avant une dépression instantanée afin de le mettre sous forme liquide. Le C02 est alors palpable et stockable.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, le C02 liquide stocké en interne ou en externe au dispositif de l’invention, par exemple dans des containers de 30 tonnes, est transformé en CO2 gazeux selon des moyens bien connus de l’homme du métier avant son injection dans le module de photosynthèse. Par exemple, le CO2 liquide est soumis à une hausse de température (30 à 50°C) et à une baisse de pression (1 bar).
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, la photosynthèse est réalisée au moins par l’un des trois types de photosynthèse suivants : « plante » : 6CO2 + 6H20 + lumière —> glucides(C6Hi2C>6) + 6Ο2 (ce type de photosynthèse permet la production d’oxygène mais nécessite de l’eau) ; « H2S » : 6CO2 + I2H2S + lumière —> glucides(C6Hi2C>6) + 6H20 + 12S (ce type de photosynthèse permet la production d’eau mais produit également du sulfate (à éliminer par exemple par filtration) et nécessite le réapprovisionnement du système) ; “bactéries HO”: 6CO2 + 12HO + lumière -*· glucides(C6Hi206) + 6HO + 6Ο2 (ce type de photosynthèse permet la production d’oxygène mais nécessite le réapprovisionnement du système). De préférence, la photosynthèse utilise les trois types de photosynthèse définis ci-dessus afin d’optimiser les avantages et minimiser les inconvénients. La lumière utilisée sera traitée par exemple sous forme de fibre prismatique pour rendre le système rentable : réglage de la longueur d’onde. L’alimentation en lumière jour et nuit pourra provenir de panneaux solaires, lumière fluorescente ou LED. En général la photosynthèse est instantanée et permet de produire une quantité d’énergie fabuleuse sans rejeter de C02 dans l’atmosphère : 1000 km de carburant produisent environ 60 litres de C02 liquide, qui produisent environ 40 kg de glucose sachant que 10 g de glucose produisent 150kjoule d’énergie.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, le CO2 gazeux non traité est recyclé par réinjection directe dans le module de photosynthèse, sans nécessiter une re-transformation en CO2 liquide. L’ensemble du système est régulé par un capteur de concentration en C02.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, les glucides sont récupérés par filtration par des moyens bien connus de l’homme du métier, et de ce fait sont séparés des autres produits de la photosynthèse. Les glucides peuvent être stockés en interne ou en externe au dispositif de l’invention, par exemple dans des containers de 30 tonnes. Les glucides étant très solubles dans l’eau (900 litres par m3) peuvent par la suite être traités dans une centrale énergétique pour créer de l’électricité.
La présente invention a également pour objet un dispositif pour le traitement du C02 caractérisé en ce qu’il comprend un module de récupération du C02 gazeux (1) connecté à un tuyau (T1) qui alimente un module de transformation du CO2 gazeux en CO2 liquide (2) connecté à un tuyau (T2) qui alimente un réservoir de stockage du CO2 liquide (3) connecté à un distributeur (D) qui alimente en CO2 gazeux un module de photosynthèse (5) connecté à un module de récupération du glucide (6).
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif de l’invention, ledit module de récupération du CO2 gazeux (1 ) est en outre connecté à un silencieux de la ligne d’échappement (7) d’un véhicule à moteur thermique.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, ledit module de photosynthèse comprend un espace contenant un milieu liquide contenant des microorganismes photosynthétiques (bactéries, algues), une pluralité de sources lumineuses pour fournir un éclairage au milieu liquide, un système d’alimentation en CO2 gazeux arrangé pour fournir ledit milieu liquide en CO2 à traiter, un système d’alimentation en milieu liquide, un système d’extraction du milieu liquide, un système d’extraction du CO2, un système pour décharger le C02 et l’oxygène depuis le système d’extraction dans l’atmosphère, une entrée pour ajouter des nutriments au milieu liquide et/ou pour ajouter des microorganismes photosynthétiques au milieu liquide, un système de chauffage/refraidissement pour maintenir une température dans le bioréacteur dans une plage prédéterminée pour la croissance des microorganismes photosynthétiques. Ledit module de photosynthèse est en outre équipé de filtres H2S, sulfate et glucide.
De préférence, les différents modules sont arrangés en série de sorte que chaque module est alimenté en CO2 prélevé sur le module précédent.
De préférence, le module de photosynthèse comprend un système de recirculation du CO2 pour éliminer le surplus de CO2 non traité dudit module et le retourner au système d’alimentation en CO2 arrangé pour fournir le milieu liquide. D’autres avantages pourront encore apparaître à l’homme du métier à la lecture des figures annexées, donnés à titre illustratif.
Brève description des figures
La figure 1 représente (A) le schéma de transformation du C02 gazeux en C02 liquide et son stockage (B) un diagramme de phase de corps pur (C) un graphique présentant les relations entre les états de la matière
La figure 2 représente le schéma détaillé du module de photosynthèse (5). - La figure 3 représente un schéma d’un dispositif de l’invention.
Listes des références 1. Farineau et Morot-Gaudry, «La photosynthèse: processus physiques, moléculaires et physiologiques », Editions Quae, 2011 2. Demande de Brevet européen EP 2 110 524 3. Demande de Brevet canadien CA 2 630 297 4. Demande de Brevet allemand DE 10 2008 005 264 5. Demande Internationale WO 2011/002419 6. Demande de Brevet américain US 2010/0190241

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de traitement du CO2, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes de : a) récupération de C02 gazeux ; b) transformation du C02 gazeux en C02 liquide ; c) stockage du C02 liquide ; d) transformation du C02 liquide stocké en C02 gazeux ; e) transformation du C02 gazeux en glucide par photosynthèse ; f) récupération du glucide formé.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape de stockage du glucide à l’issue de l’étape g).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une étape e’) de recyclage de l’excès de C02 gazeux de l’étape e).
  4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant en outre une étape h) de transformation du glucide en énergie électrique. k
  5. 5. Dispositif pour le traitement du C02 caractérisé en ce qu’il comprend un module de récupération du C02 gazeux (1) connecté à un tuyau (T1) qui alimente un module de transformation du C02 gazeux en C02 liquide (2) connecté à un tuyau (T2) qui alimente un réservoir de stockage du C02 liquide (3) connecté à un distributeur (D) qui alimente en C02 gazeux un module de photosynthèse (5) connecté à un module de récupération du glucide (6).
  6. 6. Dispositif selon la revendication 5, où ledit module de récupération du C02 gazeux (1) est connecté à un silencieux de la ligne d’échappement (7) d’un véhicule à moteur thermique.
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