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DESCRIPTION
DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ENERGIE COMPORTANT UNE UNITE DE
PRODUCTION DE DIHYDROGENE; PROCÉDÉ UTILISANT CE DISPOSITIF
La présente invention se rapporte au domaine de la production d'énergie, et
plus
particulièrement à la production d'énergie impliquant une production de
dihydrogène.
Le dihydrogène est considéré comme une énergie d'avenir aux multiples
applications dans le
transport, la production industrielle ou le chauffage. Ainsi, il est notamment
envisagé
d'utiliser largement le dihydrogène comme carburant pour les voitures et
autres moyens de
transport.
Par ailleurs, il est connu d'avoir des installations de chauffage ou d'autres
installations
industrielles qui utilisent le dihydrogène comme gaz de combustion. Dans ce
contexte, la
production de larges quantités de dihydrogène repose principalement sur deux
procédés
différents. Un premier procédé utilise le vaporeformage qui consiste à faire
réagir un
hydrocarbure, principalement du méthane, avec de l'eau. La formation de
dihydrogène
s'accompagne d'un dégagement de dioxyde de carbone qui est un des principaux
gaz à effet
de serre. Lorsque cette solution est couplée avec un mécanisme de capture de
dioxyde de
carbone, seulement 70% à 90% du dioxyde de carbone ainsi libérés sont
séquestrés pour
éviter leur relargage dans l'atmosphère. Enfin, le rendement énergétique de
conversion est
limité à 82%, notamment du fait que le vaporeformage requiert tin 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, encore carbonée dans de
nombreux pays,
c'est-à-dire produisant notamment du dioxyde de carbone. L'électrolyse de
l'eau, principale
méthode de production de dihydrogène avec le vaporeformage d'hydrocarbures,
utilise plus
d'électricité que le dihydrogène n'en produit lors de son utilisation, par
exemple dans une
pile à combustible.
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Le dihydrogène produit dans des sites industriels est généralement acheminé,
par exemple par
camion, de l'unité de production jusqu'au site de distribution ou
consommation. Cependant,
la logistique de transport est complexe et onéreuse à mettre en uvre.
Dans le cas d'installation de chauffage utilisant du dihydrogène, il est
également connu
d'équiper le site de l'installation de chauffage avec des électrolyseurs qui
permettent de
produire sur site le dihydrogène qui va ensuite être utilisé par
l'installation de chauffage. La
production de dihydrogène par électrolyse n'est toutefois pas encore optimale
du fait des
coûts d'investissement et de production, rapportés à la capacité de
production.
La présente invention s'inscrit dans ce contexte et vise à proposer un
dispositif de production
d'énergie qui utilise du dihydrogène pour cette production d'énergie et qui
intègre une unité
de production de ce dihydrogène qui est économique et écologique et dont le
fonctionnement peut être ajusté à la demande d'énergie.
La présente invention propose un dispositif de production d'énergie comportant
un dispositif
d'alimentation en hydrocarbure gazeux, une unité de conversion d'énergie, une
unité de
production de dihydrogène disposé fluidiquement entre le dispositif
d'alimentation en
hydrocarbure gazeux et l'unité de conversion d'énergie, l'unité de conversion
d'énergie étant
configurée pour convertir l'énergie fournie par le dihydrogène en une énergie
électrique,
thermique et/ou mécanique, l'unité de production de dihydrogène comportant au
moins un
réacteur de plasmalyse à plasma micro-ondes configure pour générer une
plasmalyse de
l'hydrocarbure gazeux de manière à produire au moins du dihydrogène dirigé
vers l'unité de
conversion d'énergie, le dispositif de production d'énergie comportant un
module de
contrôle configure pour générer une instruction de commande de l'unité de
production de
dihydrogène en fonction d'une information relative au dihydrogène présent dans
une zone de
distribution de dihydrogène agencée fluidiquement entre le réacteur de
plasmalyse et l'unité
de conversion d'énergie, la zone de distribution de dihydrogène, agencée
fluidiquement entre
le réacteur de plasmalyse et l'unité de conversion d'énergie, comportant un
ensemble de
stockage disposé en sortie du réacteur de plasmalyse et relié hydrauliquement
au réacteur de
plasmalyse et à l'unité de conversion d'énergie, ledit ensemble de stockage
comprenant au
moins un dispositif de compression, une cuve de stockage et un détendeur, le
dispositif de
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compression étant positionné pour transférer le dihydrogène, en sortie du
réacteur de
plasmalyse, dans la cuve de stockage.
Selon l'invention, une information relative au dihydrogène peut notamment
consister en une
information de pression du dihydrogène et/ou une information de débit du
dihydrogène.
Cette information est notamment détectée dans une zone de distribution de
dihydrogène,
qui peut aussi bien consister d'une part en une conduite de circulation de
dihydrogène seule,
et correctement dimensionnée pour amener le dihydrogène à un débit
suffisamment
important pour ne pas bloquer le fonctionnement de l'unité de conversion
d'énergie en aval,
ou d'autre part, et tel que cela sera détaillé ci-après, en une conduite
équipée d'un moyen de
stockage associé le cas échéant à des moyens de régulation de pression du
dihydrogène.
L'unité de production de dihydrogène est configurée pour mettre en uvre 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 (Cw)
grâce à un
plasma généré par rayonnements micro-ondes, et le dispositif de production
d'énergie selon
l'invention est configure pour piloter le fonctionnement de l'unité de
production de
dihydrogène en fonction des besoins de l'unité de production d'énergie.
L'invention permet
ainsi d'adopter un mode de fonctionnement adapté, et donc à la fois
économique, peu
énergivore et efficace, au type et au dimensionnement de l'unité de production
d'énergie
associée à l'unité de production de dihydrogène.
Un avantage de l'invention est qu'elle est respectueuse de l'environnement par
la mise en
oeuvre de la plasmalyse d'hydrocarbure gazeux. L'unité de production de
dihydrogène permet
de produire du dihydrogène de manière décarbonée, c'est-à-dire sans émission
de dioxyde de
carbone, contrairement aux autres technologies de production de dihydrogène,
comme le
vaporeformage, qui relâche du dioxyde de carbone et ne peut capturer que 70% à
90% du
dioxyde de carbone émis, ou l'électrolyse de l'eau qui dans de nombreux pays
est connectée
pour partie à un système de production d'électricité produisant du dioxyde de
carbone.
La mise en oeuvre d'une plasmalyse permet notamment une production de
dihydrogène
beaucoup moins énergivore en électricité qu'une production de dihydrogène par
électrolyse.
Elle permet également d'associer à la production de dihydrogène des moyens de
contrôle du
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fonctionnement de l'unité de production, l'obtention de dihydrogène par
plasmalyse,
impliquant une génération de micro-ondes, étant plus particulièrement adaptée
à une
modulation du fonctionnement de l'unité de production.
Plus particulièrement, la puissance micro-ondes absorbée par le plasma peut
être facilement
ajustée en fonction du besoin, puisque l'extinction, l'allumage ou la
modulation de puissance
du générateur de micro-ondes est très rapide, de l'ordre d'une fraction de
seconde, sans qu'il
y ait d'inertie du dispositif.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, la plasmalyse est
réalisée à une pression
sensiblement égale à la pression atmosphérique, et avantageusement d'une
valeur supérieure à
la pression atmosphérique, en fonction du débit de dihydrogène nécessaire à
l'application. Le
choix d'une pression supérieure à la pression atmosphérique permet d'assurer
le débit
d'hydrocarbure gazeux arrivant en surpression par le dispositif
d'alimentation, sans qu'il soit
nécessaire de prévoir d'autres composants sur un circuit d'arrivée qu'une
vanne de coupure
d'alimentation. Par ailleurs, le choix d'une telle pression permet d'éviter
une entrée
d'oxygène à l'intérieur du réacteur de plasmalyse en cas de perte
d'étanchéité.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'instruction de
commande de l'unité de
production de dihydrogène consiste en au moins une instruction de commande de
l'arrivée
d'hydrocarbure gazeux via le dispositif d'alimentation. Plus particulièrement,
l'unité de
production de dihydrogène peut comporter une vanne pilotable agencée sur un
conduit de
raccordement au dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux permettant la
circulation
de cet hydrocarbure seulement dans la direction du réacteur de plasmalyse, et
le module de
contrôle est configure pour piloter la vanne, que ce soit dans un
fonctionnement
marche/arrêt ou dans une modulation du débit de passage. De la sorte, on
influe sur la
quantité d'hydrocarbure gazeux arrivant dans le réacteur de plasmalyse et on
influe sur la
quantité de dihydrogène produit par l'unité de production de dihydrogène,
indépendamment des paramètres de fonctionnement du réacteur de plasmalyse.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'instruction de
commande de l'unité de
production de dihydrogène consiste en au moins une instruction de commande du
réacteur
de plasmalyse. De la sorte, on influe sur la quantité de dihydrogène produit
par l'unité de
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production, en jouant sur des paramètres de fonctionnement du réacteur de
plasmolyse, sans
pour autant modifier le débit d'hydrocarbure gazeux dirigé vers l'unité de
production.
Il convient de noter que le module de commande peut tout aussi bien générer
une ou
plusieurs instructions de commande spécifiquement destinées au réacteur de
plasmolyse, ou
5 bien générer une unique instruction de commande spécifiquement destinée
au dispositif
d'alimentation, et/ou générer des instructions de commande à la fois destinée
au dispositif
d'alimentation et au réacteur de plasmolyse, pour obtenir un fonctionnement
optimal du
dispositif de production d'énergie.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'hydrocarbure gazeux
est choisi parmi le
groupe comprenant le méthane, le propane, le butane et ses isomères, le gaz
naturel, le
biométhane et leurs mélanges.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le dispositif
d'alimentation en
hydrocarbure gazeux est un réseau de transport et de distribution de
l'hydrocarbure gazeux
et/ou au moins une cuve de stockage constitutive de l'unité de production de
dihydrogène.
Le réseau de transport permet d'acheminer l'hydrocarbure gazeux depuis des
terminaux
gaziers. Le réseau de transport est ainsi par exemple un gazoduc. La cuve de
stockage peut
être approvisionnée par des camions citernes ou être remplacée lorsqu'elle est
vide.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le réacteur de
plasmolyse comprend au
moins un générateur de rayonnement micro-ondes, un guide de transmission de
micro-ondes
configuré pour guider le rayonnement micro-ondes du générateur de rayonnement
micro-
ondes vers une cavité de rayonnement micro-ondes.
Une cavité de rayonnement micro-ondes résonante, aussi appelée résonateur, est
un espace
creux à l'intérieur d'un bloc en métal dans lequel le rayonnement micro-ondes
entre en
résonance. La cavité de rayonnement micro-ondes résonante permet un couplage
très efficace
du rayonnement micro-ondes avec l'hydrocarbure gazeux de sorte à former le
plasma.
Il faut entendre ici, ainsi que dans tout ce qui suit, par résonance que le
rayonnement micro-
ondes est réfléchi à 100% par au moins une paroi du bloc délimitant la cavité
de
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rayonnement micro-ondes, lorsqu'il n'y pas de plasma présent dans la cavité de
rayonnement
micro-ondes.
Le réacteur de plasmolyse peut également comporter un isolateur de rayonnement
micro-
ondes configure pour empêcher le rayonnement micro-ondes non absorbé par le
plasma de
retourner vers le générateur de rayonnement micro-ondes
L'isolateur de rayonnement micro-ondes peut être agencé entre le générateur de
rayonnement micro-ondes et le guide de transmission de micro-ondes.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, la pression au sein d'au
moins une partie
de l'unité de production de dihydrogène, notamment au sein de la cavité de
rayonnement
micro-ondes, est supérieure ou égale à la pression atmosphérique.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le générateur de
rayonnement micro-
ondes est configure pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une
puissance
comprise entre 0,1kW et 100kW et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz,
préférentiellement égale à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'instruction de
commande du réacteur
de plasmolyse consiste en une instruction de commande du générateur de
rayonnement
micro-ondes.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le guide de transmission
de micro-ondes
est un guide d'ondes de section rectangulaire ou cylindrique ou un câble
coaxial.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le réacteur de
plasmolyse comprend un
dispositif de refroidissement configure pour refroidir le générateur de
rayonnement micro-
ondes avec de l'eau et/ou avec de l'air.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le réacteur de
plasmolyse comprend un
dispositif d'allumage de plasma comportant une pointe métallique rétractable
configurée
pour être insérée ou rétractée dans la cavité de rayonnement micro-ondes à
l'aide d'un
actionneur. Autrement dit, le dispositif d'allumage est un mécanisme
électromécanique doté
d'un actionneur qui est configure 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
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la cavité de rayonnement micro-ondes. En position dans la cavité de
rayonnement micro-
ondes, la pointe métallique est configurée pour créer une décharge électrique
qui amorce le
plasma nécessaire à la plasmalyse.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'instruction de
commande du réacteur
de plasmalyse consiste en une instruction de commande du dispositif
d'allumage.
Selon différentes caractéristiques optionnelles de l'invention, prises seules
ou en
combinaison :
- le réacteur de plasmalyse comprend un dispositif d'injection de gaz
comportant au moins
une buse configurée pour générer tin flux d'hydrocarbure gazeux provenant du
dispositif
d'alimentation et agencée dans la cavité de rayonnement micro-ondes de manière
à former
un vortex du flux d'hydrocarbure gazeux dans la cavité de rayonnement micro-
ondes.
- le réacteur de plasmalyse comprend un circuit de refroidissement à eau ou/et
à air
- le réacteur de plasmalyse est configuré pour que l'hydrocarbure gazeux soit
le gaz
plasmagène et soit le réactif de la plasmalyse pour former le dihydrogène et
le carbone solide.
- le réacteur de plasmalyse comprend au moins une tuyère configurée pour
contenir le plasma
et assurer une réduction progressive de la température des produits issus de
la plasmalyse, à la
sortie de la cavité de rayonnement micro-ondes.
- la tuyère est composée au moins en partie de céramique et/ou de métal, de
telle sorte que la
tuyère peut endurer les températures induites par le plasma.
- le réacteur de plasmalyse comprend au moins un tuyau agencé autour de la
tuyère de sorte
qu'au moins une partie du tuyau délimite une chambre d'isolation thermique du
plasma. En
d'autres termes, le tuyau présente une forme adaptée, concentrique à une
partie de la tuyère
et la chambre est l'espace entre la tuyère et le tuyau. Ainsi, la chambre
permet d'isoler
thermiquement le plasma.
- une autre partie du tuyau délimite une chambre de refroidissement d'au moins
certains
produits de réaction de la plasmalyse, parmi lesquels le dihydrogène et du
carbone solide
produits par la plasmalyse. Les produits de réaction regroupent les produits
issus de la
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plasmalyse et d'éventuels résidus de l'hydrocarbure gazeux n'ayant pas été
décomposés
pendant la plasmalyse.
- le tuyau comporte, sur une face interne, une pluralité d'ailettes qui
s'étendent radialement
depuis la face interne du tuyau en direction du centre du tuyau et qui sont
couplées
thermiquement avec la face interne du tuyau. Ainsi, les échanges thermiques
avec les produits
de réaction sont améliorés facilitant la solidification du carbone. La
pluralité d'ailettes peut
être agencée dans la chambre de refroidissement du tuyau.
- le tuyau peut être dépourvu d'ailettes et comprendre un face interne lisse.
- de production de dihydrogène comprend un dispositif de
circulation de fluide
configuré pour refroidir au moins en partie le tuyau. Ainsi, le
refroidissement des produits de
réaction est assuré par échanges convectifs et conductifs avec au moins une
face interne du
tuyau qui est refroidie par le dispositif de circulation lorsque le flux des
produits de réactions
s'écoule vers un dispositif de séparation. La séparation du dihydrogène des
autres produits de
réaction est améliorée par ce refroidissement. Lorsque le tuyau comprend en
outre les ailettes,
la séparation est bien plus efficace. On comprend dans ce contexte que la face
interne de
l'autre partie du tuyau délimitant la chambre de refroidissement est refroidie
par le dispositif
de circulation de fluide.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'unité de production de
dihydrogène
comprend des moyens de filtration de sorte à purifier le dihydrogène produit
par la
plasmalyse des autres produits de réaction. Ainsi, le dihydrogène présente une
pureté
suffisante pour être utilisé par exemple dans une pile à combustible.
L'unité de production de dihydrogène est ainsi conçue pour être économe en
ressources et
elle est exploitée selon un procédé qui supprime en totalité la génération de
dioxyde de
carbone. C'est en cela que l'unité de production de dihydrogène est
décarbonée. Dès lors, un
avantage supplémentaire de l'invention réside dans sa facilité
d'implémentation sur des sites
industriels exigus ou sur des surfaces de petites tailles, notamment du fait
qu'il n'y a pas
besoin de filtrer ou stocker de grandes quantités de dioxyde de carbone.
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Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'unité de production de
dihydrogène
comprend une conduite de retour configurée pour injecter au moins une partie
des produits
de réaction de la plasmalyse dans la cavité de rayonnement micro-ondes
résonante. Ainsi, les
éventuels résidus d'hydrocarbure gazeux sont systématiquement recyclés.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, les produits de réaction
comprennent
principalement du dihydrogène gazeux et du carbone solide, ainsi que
d'éventuels résidus
d'hydrocarbure gazeux, tel que du méthane, qui sont systématiquement recyclés
via la
conduite de retour vers le réacteur.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'unité de production de
dihydrogène
comprend un dispositif de récupération du carbone solide généré par la
plasmalyse. Le
carbone solide peut notamment être récupéré à des fins industrielles.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le générateur de
rayonnements micro-
ondes est choisi entre un générateur de type magnétron et un générateur de
rayonnement
micro-ondes à semi-conducteurs, aussi appelé un générateur de rayonnement
micro-ondes à
état solide. En d'autres termes, le générateur de rayonnements micro-ondes est
un générateur
à l'état solide ou un magnétron.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'instruction de
commande de l'unité de
production de dihydrogène consiste en une instruction de commande du
dispositif de
compression.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'information relative
au dihydrogène
présent dans une zone de distribution de dihydrogène à partir de laquelle le
module de
contrôle est configure pour piloter le fonctionnement de l'unité de production
de
dihydrogène est une information relative au dihydrogène présent dans
l'ensemble de
stockage, et notamment la cuve de stockage.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, au moins deux
instructions de
commande parmi l'instruction de commande du dispositif de compression,
l'instruction de
commande du dispositif d'alimentation, l'instruction de commande du dispositif
d'allumage
et l'instruction de commande du générateur de rayonnement de micro-ondes, sont
envoyées
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et mises en oeuvre simultanément. Dans un mode de réalisation particulier,
l'ensemble de ces
instructions de commande est mis en oeuvre simultanément.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, et dans le contexte d'un
mode de
réalisation avec un ensemble de stockage présent dans la zone de distribution
de dihydrogène
5 et comprenant au moins un dispositif de compression et une cuve de
stockage, le générateur
de rayonnement micro-ondes est indifféremment un générateur de rayonnement
micro-
ondes à magnétron ou un générateur de rayonnement micro-ondes à état solide.
En effet
dans ce contexte, le format du générateur de rayonnement micro-ondes importe
peu car la
cuve de stockage présente un volume suffisant pour former un effet tampon
efficace quelle
10 que soit la demande en dihydrogène de l'unité de conversion d'énergie et
l'importance de la
réactivité du démarrage de l'unité de production de dihydrogène est moins
fondamentale que
ce qui a pu être évoqué précédemment. Le cas échéant, l'ensemble de stockage
peut
comporter un détendeur permettant de mettre à une pression adéquate le
dihydrogène en
sortie de la cuve de stockage. Il convient de noter que ce détendeur pourrait
faire partie de
l'unité de conversion d'énergie et être raccordé fluidiquement de la même
façon à la sortie de
la cuve de stockage.
A titre d'exemple non limitatif, la cuve de stockage peut présenter un volume
de réception du
dihydrogène de l'ordre du mètre cube (m3).
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, un système de filtration
est disposé en
amont du réacteur de plasmolyse. Un tel système de filtration est plus
particulièrement
disposé entre le dispositif d'alimentation et le réacteur de plasmolyse, et il
permet notamment
de purifier l'hydrocarbure gazeux destiné à être injecté dans la cavité de
rayonnement micro-
ondes afin d'améliorer les performances de la plasmolyse.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, un dispositif de
filtration est disposé en
aval du réacteur de plasmolyse, le dispositif de filtration étant configuré
pour séparer le
dihydrogène d'autres gaz résiduels. Un tel dispositif de filtration est plus
particulièrement
disposé entre le réacteur de plasmolyse et la zone de distribution de
dihydrogène, et il permet
notamment d'assurer un niveau élevé de pureté de dihydrogène destiné à
alimenter l'unité de
conversion d'énergie. La présence d'un tel dispositif de filtration est
notamment avantageuse
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lorsque l'unité de conversion d'énergie consiste en une pile à combustible
nécessitant un
dihydrogène à taux de pureté élevé.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le dispositif de
production comporte
une conduite de retour qui s'étend entre le dispositif de filtration et le
réacteur de plasmalyse,
pour réinjecter dans le réacteur des gaz résiduels collectés dans le
dispositif de filtration.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'unité de conversion
d'énergie est une
installation de chauffage domestique, collectif ou industriel, ou une source
de chaleur de
procédé industriel. L'unité de conversion d'énergie est alors configurée pour
convertir
l'énergie fournie par le dihydrogène en une énergie thermique. Une telle unité
de conversion
d'énergie est avantageusement prévue dans un mode de réalisation du dispositif
de
production d'énergie dans lequel la zone de distribution de dihydrogène est à
isopression
avec le réacteur de plasmalyse et l'unité de conversion d'énergie. La quantité
de dihydrogène
à fournir à l'unité de conversion d'énergie peut alors être fournie sans
coupure, par la
quantité de dihydrogène présent dans la zone de distribution de dihydrogène et
par la
réactivité de l'unité de production de dihydrogène.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'unité de conversion
d'énergie
comporte une turbine à gaz, ou un moteur à combustion interne, associés à une
génératrice.
L'unité de conversion d'énergie est alors configurée pour convertir l'énergie
fournie par le
dihydrogène en une énergie électrique et/ou mécanique. Une telle unité de
conversion
d'énergie est avantageusement prévue dans un mode de réalisation du dispositif
de
production d'énergie dans lequel la zone de distribution de dihydrogène est
équipée d'un
ensemble de stockage avec compresseur, le compresseur permettant le stockage
du
dihydrogène dans la cuve jusqu'à une pression de 900 bars. La quantité de
dihydrogène à
fournir à l'unité de conversion d'énergie peut alors être fournie
immédiatement sans coupure,
à la pression souhaitée pour la turbine à gaz ou le moteur à combustion
interne, par
l'utilisation d'un détendeur formant partie de l'ensemble de stockage.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'unité de conversion
d'énergie
comporte une pile à combustible. Une telle unité de conversion d'énergie est
avantageusement prévue dans un mode de réalisation du dispositif de production
d'énergie
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dans lequel la zone de distribution de dihydrogène est équipée d'un ensemble
de stockage
avec compresseur, le compresseur permettant le stockage du dihydrogène dans la
cuve jusqu'à
une pression de 900 bars. Par ailleurs, une telle unité de conversion
d'énergie est
avantageusement prévue dans un mode de réalisation du dispositif de production
d'énergie
dans lequel un dispositif de filtration des produits de réaction en sortie du
réacteur de
plasmalyse permet de s'assurer du haut taux de pureté du dihydrogène produit.
Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, le dispositif de production
d'énergie comporte
un organe de filtration du dihydrogène agencé fluidiquement entre le
dispositif de
compression et la cuve de stockage, ledit organe de filtration du dihydrogène
étant configuré
pour garantir une pureté du dihydrogène compatible avec le fonctionnement
d'une pile à
combustible.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, l'information relative
au dihydrogène
présent dans la zone de distribution de dihydrogène est obtenue via un
manostat, ledit
module de contrôle étant configure pour générer et transmettre une instruction
de
commande à l'unité de production de dihydrogène lorsque la pression mesurée
par le
manostat est inférieure à un valeur seuil.
En d'autres termes, le dispositif selon l'invention comporte un manostat apte
à détecter une
information, par exemple la pression ou le débit du dihydrogène, dans la cuve
de stockage ou
une conduite de circulation de dihydrogène, dès lors que c'est dans la zone de
distribution de
dihydrogène entre l'unité de production de dihydrogène et l'unité de
conversion d'énergie.
Et la valeur de pression ou de débit est envoyée au module de contrôle pour
que celui-ci
puisse comparer cette valeur à une valeur seuil.
La valeur seuil peur varier en fonction du débit d'appel de l'unité de
conversion d'énergie du
volume du réservoir. Dans le cas d'une mesure de pression, cette valeur seuil
peut
notamment être de 10 bars. Dès lors que la pression mesurée est inférieure à
la valeur seuil, le
module de contrôle génère une instruction de commande conforme à cette
situation, à savoir
une dépression dans la zone de distribution de dihydrogène significative d'un
appel de
dihydrogène par l'unité de conversion d'énergie, et l'instruction de commande
vise à faire
démarrer l'unité de production de dihydrogène ou bien à augmenter son
rendement.
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L'invention a enfin pour objet un procédé de fonctionnement d'un dispositif de
production
d'énergie tel que précédemment évoqué, au cours duquel l'unité de production
de
dihydrogène est pilotée par le module de contrôle par modulation de la
production de
dihydrogène selon le fonctionnement de l'unité de conversion d'énergie.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, la modulation de la
production de
dihydrogène est réalisée en mode binaire, le réacteur de plasmalyse n'étant en
marche que
lorsque l'information relative au dihydrogène présent dans la zone de
distribution de
dihydrogène présente une valeur sortant d'une plage de valeur prédéfinie. Par
exemple, on
comprend que le réacteur de plasmalyse est mis en marche dès lors que la
pression détectée
dans la zone de distribution de dihydrogène est inférieure à une valeur seuil,
par exemple de
10 bars. En d'autres termes, il s'agit ici d'un fonctionnement de type start
and stop, dans
lequel on met en marche l'unité de production de dihydrogène à la demande, une
fois
identifié le besoin de dihydrogène de l'unité de conversion d'énergie.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, la modulation de la
production de
dihydrogène est réalisée par ajustement du débit et/ou de la pression
d'hydrocarbure gazeux
entrant dans l'unité de production de dihydrogène et/ou par ajustement de la
puissance de
fonctionnement de l'unité de production de dihydrogène. On assure ainsi une
réactivité du
fonctionnement de l'unité de production de dihydrogène, en réduisant toutefois
l'énergie
nécessaire pour faire fonctionner cette unité de production. Par puissance de
fonctionnement
de l'unité de production de dihydrogène, il convient de comprendre que l'on
vise à moduler
le fonctionnement d'au moins un composant de l'unité de production de
dihydrogène dès
lors que cette modulation a un effet sur la quantité de dihydrogène fournie en
un temps
donné par l'unité de production de dihydrogène.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le générateur de
rayonnement micro-
ondes est configure pour fournir un rayonnement micro-ondes présentant une
puissance
comprise entre 0,1kW et 100kW et une fréquence comprise entre 850MHz et 6GHz,
préférentiellement égales à 896MHz, 915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
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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'un premier mode de
réalisation d'un
dispositif de production d'énergie mettant notamment en oeuvre une unité de
production de
dihydrogène par plasmolyse et une unité de conversion d'énergie de type
installation de
chauffage ;
[fig 2] la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de
réalisation
d'un dispositif de production d'énergie qui diffère de la figure 1 en ce que
l'unité de
conversion d'énergie est de type turbine à gaz;
[fig 3] la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de
réalisation d'un
dispositif de production d'énergie qui diffère de la figure 1 en ce que
l'unité de conversion
d'énergie est de type pile à combustible ;
[fig 4] la figure 4 est une représentation schématique d'une cavité de
rayonnement micro
ondes de l'unité de production de dihydrogène de la figure 1, vue dans un plan
perpendiculaire à un axe longitudinal du plasma ;
[fig 5] la figure 5 est une vue de détails de la cavité de rayonnement micro-
ondes de la figure
3 avec une tuyère et un tuyau de l'unité de production de dihydrogène de la
figure 1, vue
dans un plan comprenant l'axe longitudinal du plasma ;
[fig 6] la figure 6 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 oeuvre, elles peuvent bien entendu servir à mieux définir l'invention
le cas échéant. Il
est également à noter que, sur l'ensemble des figures, les éléments similaires
et/ou remplissant
la même fonction sont indiqués par la même numérotation.
La figure 1 illustre un dispositif de production d'énergie 100 qui,
conformément à
l'invention, comporte principalement un dispositif d'alimentation en
hydrocarbure gazeux 1,
une unité de conversion d'énergie 2 et une unité de production de dihydrogène
3 disposé
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fluidiquement entre le dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux 1 et
l'unité de
conversion d'énergie 2, l'unité de production de dihydrogène 3 comportant au
moins un
réacteur de plasmalyse 5 configuré pour produire au moins du dihydrogène à
partir
d'hydrocarbure gazeux.
5 Selon l'invention, le dispositif de production d'énergie 100 comporte
par ailleurs un module
de contrôle 200 configuré pour générer une instruction de commande de l'unité
de
production de dihydrogène en fonction d'une information relative au
dihydrogène présent
dans une zone de distribution de dihydrogène 6 agencée fluidiquement entre le
réacteur de
plasmalyse 5 et l'unité de conversion d'énergie 2.
10 La plasmalyse est un procédé permettant de décomposer l'hydrocarbure
gazeux en carbone
solide Cw et en dihydrogène gazeux H2(0 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
15 C31-18 et/ou du butane C4H10 et ses isomères. Lorsque l'hydrocarbure
gazeux est le méthane,
la réaction de plasmalyse s'écrit :
[Math]
Plasma
CH4 -) 2H2(g) C(s)
Le procédé de plasmalyse permet de générer du dihydrogène selon un processus
totalement
décarboné, c'est-à-dire sans émission de dioxyde de carbone, avec du
dihydrogène gazeux et
du carbone solide formant des produits de réaction issus de la plasmalyse.
L'hydrocarbure gazeux nécessaire à la réaction de plasmalyse se déroulant dans
le réacteur de
plasmalyse 5 est fourni par le dispositif d'alimentation 1. Dans l'exemple
illustré, le dispositif
d'alimentation 1 comprend au moins un dispositif de stockage 8 qui peut être
'approvisionné
par exemple par des camions citernes et/ou être remplacé lorsqu'il est vide.
Dans un mode de réalisation non représenté, le dispositif d'alimentation en
hydrocarbure
gazeux est une partie terminale d'un réseau de distribution de l'hydrocarbure
gazeux, assurant
une distribution en flux tendu, sans dispositif de stockage. Le réseau de
distribution permet
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d'acheminer l'hydrocarbure gazeux depuis des terminaux gaziers. Le réseau de
distribution est
ainsi par exemple un réseau de distribution de gaz pour les usages
industriels, collectifs ou
domestiques.
L'unité de production de dihydrogène comporte par ailleurs une vanne pilotable
10 agencée
sur cette partie terminale du réseau de distribution de l'hydrocarbure gazeux,
ou en d'autres
termes sur un conduit de raccordement disposée fluidiquement entre le
dispositif
d'alimentation en hydrocarbure gazeux 1 et le réacteur de plasmalyse 5. La
vanne pilotable
est configurée pour recevoir une instruction de commande de l'unité de
contrôle 200
précédemment évoquée, et permettre en fonction de cette instruction de
commande l'arrivée
10 ou non d'hydrocarbure gazeux dans le réacteur de plasmalyse, et le cas
échéant permettre en
fonction de cette instruction de commande une arrivée plus ou moins importante
d'hydrocarbure gazeux.
La zone de distribution de dihydrogène 6 est configurée pour relier
fluidiquement une sortie
du réacteur de plasmalyse et une entrée de l'unité de conversion d'énergie.
Dans l'exemple
illustré sur la figure 1, cette zone de distribution de dihydrogène 6 comporte
un ensemble de
stockage de dihydrogène dimensionné pour récupérer et stocker le dihydrogène
produit par
le réacteur de plasmalyse, avant son injection dans l'unité de conversion
d'énergie. Un tel
ensemble de stockage permet notamment de s'assurer que le dihydrogène fourni à
l'unité de
conversion d'énergie est distribué à une pression et un débit approprié au bon
fonctionnement de l'unité de conversion d'énergie. Ici, l'ensemble de stockage
comporte une
cuve de stockage 12, un dispositif de compression, ou compresseur, 14 en amont
de la cuve
de stockage, de sorte que le compresseur est agencé fluidiquement entre le
réacteur de
plasmalyse 5 et la cuve de stockage 12 pour permettre de stocker le
dihydrogène à une
pression appropriée dans la cuve de stockage, et un détendeur 15 en aval de la
cuve de
stockage, de sorte que le détendeur est agencé fluidiquement entre la cuve de
stockage 12 et
l'unité de conversion d'énergie 2, pour permettre d'alimenter l'unité de
conversion d'énergie
avec du dihydrogène à une pression appropriée.
La zone de distribution de dihydrogène 6, et plus particulièrement ici la cuve
de stockage 12,
est équipée d'un dispositif de mesure permettant un relevé d'une information
relative à la
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présence de dihydrogène dans la zone de distribution de dihydrogène. Plus
particulièrement
ici, le dispositif de mesure consiste en un manostat 16 apte à relever la
pression du
dihydrogène présent dans la cuve de stockage. Le manostat 16 est relié à
l'unité de contrôle
200, et c'est notamment sur la base de cette information relative à la
présence de dihydrogène
dans la zone de distribution de dihydrogène que l'unité de commande génère une
instruction
de commande de l'unité de production de dihydrogène, et par exemple une unité
de
commande de la vanne pilotable tel que précédemment évoqué.
Tel qu'évoqué précédemment, l'unité de production de dihydrogène 3 est agencée
entre le
dispositif d'alimentation en hydrocarbure gazeux 1 et l'unité de conversion
d'énergie 2 de
manière à transformer l'hydrocarbure gazeux issu par exemple du réseau de gaz
de ville en un
dihydrogène servant de combustible à l'unité de conversion d'énergie.
Cette unité de conversion d'énergie 2 est ici une installation de chauffage
apte à convertir le
dihydrogène en énergie thermique, et plus particulièrement ici une
installation de chauffage
industriel, nécessitant d'être alimentée par du dihydrogène avec un débit
important. Un tel
besoin en alimentation de dihydrogène est notamment assuré par la présence de
l'ensemble
de stockage dans la zone de distribution de dihydrogène 6.
L'installation de chauffage comporte ici un système de contrôle du gaz injecté
18, un bruleur
à flamme ou à catalyse adapté à la combustion du dihydrogène, un corps de
chauffe 22 et
un système de distribution de la chaleur 23 soit par eau, par air ou par un
autre fluide
20 caloporteur.
De manière alternative, un dispositif de production d'énergie tel que
précédemment évoqué
pourrait comporter, en tant qu'unité de conversion d'énergie, une source de
chaleur de
procédé industriel, là encore nécessitant du dihydrogène à haut débit, mais il
pourrait
également comporter une installation de chauffage individuel ou collectif.
Le réacteur de plasmalyse est plus particulièrement décrit maintenant, en
référence aux
figures 4 à6.
Le réacteur de plasmalyse 5 comprend au moins une cavité de rayonnement micro-
ondes 24
formée dans un bloc 26 en métal. L'hydrocarbure gazeux provenant du dispositif
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d'alimentation 1 est injecté dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24 et
le rayonnement
micro-ondes est également guidé dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24.
La cavité de
rayonnement micro-ondes 24 est configurée pour accueillir au moins en partie
le plasma 28.
Ainsi, la cavité de rayonnement micro-ondes 24 résonante permet un couplage
très efficace
du rayonnement micro-ondes au plasma 28.
La cavité de rayonnement micro-ondes 24 peut être couplée avec un guide
d'ondes spécifique
aux fréquences comprises entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égale à
896MHz,
915MHz, 922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz. Elle est résonante, c'est-à-dire que le
rayonnement micro-ondes est réfléchi à 100% par au moins une paroi de bloc 26
délimitant
la cavité de rayonnement micro-ondes 24, lorsqu'il n'y pas de plasma 28
présent dans la
cavité de rayonnement micro-ondes 24.
Tel que visible à la figure 6, les dimensions d'une zone active de décharge 25
de la cavité de
rayonnement micro-ondes résonante 24 sont définies par la fréquence utilisée.
La zone active
de décharge 25 est la zone où le plasma 28 se forme. La largeur Li de la
cavité de
rayonnement micro-ondes résonante 24 est définie par la fréquence utilisée et
par le type de
guide d'ondes, la hauteur H1 de la cavité de rayonnement micro-ondes résonante
24 est égale
à la moitié de la largeur Li de cette cavité de rayonnement micro-ondes 24 et
la largeur L2
de la zone active de décharge 25 est inférieure ou égale à la hauteur H1 de la
cavité de
rayonnement micro-ondes 24. Du fait de la géométrie de la cavité micro-ondes
résonante, les
micro-ondes se concentrent au centre de la cavité pour former une répartition
du champ
électromagnétique avec une densité de puissance suffisante pour ioniser le
flux
d'hydrocarbure gazeux. La zone active de décharge 25, autrement appelée zone
de plasma, est
la zone où l'interaction entre le champ électromagnétique et le flux
d'hydrocarbure gazeux
ionisé est optimale. Le plasma 28 est amorcé en introduisant un dispositif
d'allumage 30 au
centre de la zone active de décharge 25.
L'injection de l'hydrocarbure gazeux dans la cavité de rayonnement micro-ondes
24 est
effectuée par un dispositif d'injection 32 du réacteur de plasmalyse 5. Plus
précisément
illustré sur la figure 4, le dispositif d'injection 32 comprend au moins une
buse 34, ici deux
buses 34, couplée à au moins une entrée 36 de la cavité de rayonnement micro
ondes 24. La
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buse 34 permet de créer un flux d'hydrocarbure gazeux provenant du dispositif
d'alimentation 1.
L'entrée 36 est agencée tangentiellement à une direction d'élongation du
plasma 28. L'entrée
36 est aussi agencée tangentiellement à une paroi délimitant la cavité de
rayonnement micro-
ondes 24. Cette configuration permet alors de créer un vortex du flux
d'hydrocarbure gazeux
38 dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24 comme cela est illustré sur la
figure 4 et
sur la figure 5. Le vortex contribue à la stabilité du plasma 28.
Le flux d'hydrocarbure gazeux 38 ionisé par le rayonnement micro-ondes produit
le plasma
28. Le flux d'hydrocarbure gazeux 38 du vortex produisant le plasma est
également destinée à
subir la plasmalyse. On comprend dans ce contexte que le gaz utilisé pour
former le plasma
et le gaz qui subit la plasmalyse sont identiques. En d'autres termes, un seul
gaz issu d'une
source unique permet de produire le plasma, de produire le dihydrogène et le
carbone solide.
Autrement dit, l'hydrocarbure gazeux sert à la fois de gaz plasmagène et de
réactif à la
plasmalyse.
En référence à la figure 1, le réacteur de plasmolyse 5 comprend un générateur
de
rayonnement micro-ondes 40 qui permet de créer un plasma dans la cavité de
rayonnement
micro-ondes 24. Le générateur de rayonnement micro-ondes 40 peut être un
générateur de
rayonnement micro-ondes à magnétron ou un générateur de rayonnement micro-
ondes à
semi-conducteurs, aussi appelé un générateur de rayonnement micro-ondes à état
solide.
Dans un mode de réalisation non représenté, le générateur de rayonnement micro-
ondes 40
est refroidi par un dispositif de refroidissement à eau et/ou à air. Cela
permet de garder le
générateur de rayonnement micro-ondes 40 à une température optimum de
fonctionnement.
Le générateur de rayonnement micro-ondes 40 est configurée pour générer un
rayonnement
micro-ondes dont la puissance est comprise entre 0,1kW et 100kW à une
fréquence
comprise entre 850MHz et 6GHz, préférentiellement égales à 896MHz, 915MHz,
922MHz, 2,45GHz ou 5,8GHz.
Comme cela est notamment visible sur la figure 1, le rayonnement micro-ondes
est dirigé
vers la cavité de rayonnement micro-ondes 24 par un guide de transmission de
micro-ondes
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42 couplé au générateur de rayonnement micro-ondes 40. Le guide de
transmission de
micro-ondes 42 est un guide d'ondes rectangulaire ou cylindrique ou un câble
coaxial.
Un isolateur 44 de rayonnement micro-ondes est disposé entre le générateur de
rayonnement
micro-ondes 40 et le guide de transmission de micro-ondes 42, c'est-à-dire au
niveau du
5 couplage entre le générateur de micro-ondes 40 et le guide de
transmission de micro-ondes
42. L'isolateur 44 empêche le rayonnement micro-ondes non absorbé par le
plasma 28 de
retourner vers le générateur de rayonnement micro-ondes 40 par réflexions dans
le guide de
transmission de micro-ondes 42.
Tel que cela a pu être évoqué, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un
dispositif d'allumage
10 30 du plasma 28. Le dispositif d'allumage 30 est un mécanisme
électromécanique
comportant une pointe métallique 45 et un actionneur 46 qui déplace la pointe
métallique
45 entre une position en dehors de la cavité de rayonnement micro-ondes et une
position
dans la cavité de rayonnement micro-ondes. La pointe métallique 45 est donc
rétractable.
Ainsi, pour amorcer le plasma, le rayonnement micro-ondes généré par le
générateur de
15 rayonnement micro-ondes 40 est transmis à la cavité de rayonnement micro-
ondes 24 dans
laquelle l'hydrocarbure gazeux est injecté tangentiellement aux parois de la
cavité de
rayonnement micro-ondes 24 pour former un vortex d'un flux d'hydrocarbure
gazeux. Dès
que la puissance du rayonnement micro-ondes requise est atteinte, l'amorçage
du plasma est
effectué par le dispositif d'allumage 30 dont la pointe métallique 45 reste
moins d'une
20 seconde dans la zone active de décharge de la cavité de rayonnement
micro-ondes 24. Le flux
d'hydrocarbure gazeux 38 servant lui-même à produire le plasma 28, il subit
ainsi la réaction
de plasmalyse. Après la phase d'amorçage du plasma, celui-ci est maintenu et
stabilisé par le
flux de micro-ondes et le flux d'hydrocarbure gazeux en vortex.
La pression régnant dans la cavité de rayonnement micro-ondes 24 est
supérieure ou égale à
la pression atmosphérique. D'une manière plus générale, la pression régnant au
sein d'au
moins une partie de l'utilité de production de dihydrogène 3 est supérieure ou
égale à la
pression atmosphérique. Avantageusement, la pression régnant au sein d'au
moins une partie
de l'unité de production de dihydrogène 3 est supérieure à la pression
atmosphérique.
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En référence à la figure 1 et à la figure 5, une sortie 48 de la cavité de
rayonnement micro-
ondes 24 est prolongée par une tuyère 50 composée au moins en partie de
céramique et/ou
de métal. La tuyère 50 est utilisée pour contenir le plasma. La tuyère 50 est
aussi utilisée pour
assurer la continuité de la réaction de plasmolyse en protégeant les produits
de réaction,
notamment les produits issus de la plasmalyse, contre le refroidissement
rapide en sortie 48
de cavité de rayonnement micro-ondes 24. En d'autres mots, la tuyère 50 permet
donc une
réduction progressive de la température des produits de réaction, notamment
des produits
issus de la plasmalyse à la sortie 48 de la cavité de rayonnement micro-ondes
24.
Le plasma 28, une fois créé, s'étend à la fois dans la cavité de rayonnement
micro-ondes 24 et
dans la tuyère 50 selon un axe longitudinal L. Ainsi, la tuyère s'étend depuis
la sortie 48 de la
cavité de rayonnement micro-ondes 24 dans une direction opposée à la cavité de
rayonnement micro-ondes le long de l'axe longitudinal L.
En référence à la figure 1, le réacteur de plasmalyse 5 comprend un tuyau 52
qui s'étend
depuis un voisinage de la sortie 48 de la cavité de rayonnement micro-ondes 24
dans une
direction opposée à la cavité de rayonnement micro-ondes 24 le long de l'axe
longitudinal L.
La dimension du tuyau 52 mesurée le long de l'axe longitudinal L est plus
grande que la
dimension de la tuyère 50 mesurée le long de l'axe longitudinal L. Le tuyau
vient
complètement entourer la tuyère 50.
Une première partie 54 du tuyau 52 présente une forme adaptée, concentrique à
la tuyère 50.
Ainsi, une chambre d'isolation thermique du plasma 28 est délimitée entre une
face externe
de la tuyère 50 et une face interne de la première partie 54 du tuyau 52. La
chambre permet
d'isoler thermiquement le plasma 28 pour limiter, voire supprimer, des
inhomogénéités de
température au sein du plasma 28, notamment en sa périphérie.
Le tuyau 52 comprend une deuxième partie 56 qui prolonge la première partie 54
du tuyau
selon un axe parallèle à l'axe longitudinal L du plasma 28. La deuxième partie
56 du tuyau
52 délimite une chambre de refroidissement 58. Ainsi, la chambre de
refroidissement permet
de refroidir les produits de réaction. La solidification du carbone en est
ainsi améliorée. Les
produits de réaction regroupent le méthane n'ayant pas été décomposé pendant
la
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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
56 du tuyau 52
comporte sur sa face interne une pluralité d'ailettes 60 qui s'étendent
radialement depuis la
face interne de la deuxième partie 56 du tuyau 52 en direction du centre du
tuyau et qui sont
couplées thermiquement avec la face interne de la deuxième partie du tuyau 52.
Ainsi, les
échanges thermiques avec les produits de réaction venant en contact des
ailettes 60 sont
améliorés facilitant la solidification du carbone produit par la plasmalyse.
Un dispositif de circulation de fluide 62 est agencé contre une paroi externe
de la deuxième
partie 56 du tuyau 52 de sorte à refroidir au moins en partie la deuxième
partie 56 du tuyau
52. Ainsi, le refroidissement des produits de réaction dans la chambre de
refroidissement 58
est assuré par échanges convectifs et conductifs avec au moins une partie de
la face interne de
la deuxième partie 56 du tuyau 52 qui est refroidie par le dispositif de
circulation de fluide
62. La séparation du dihydrogène des autres produits de réaction est améliorée
par ce
refroidissement. Lorsque le tuyau 52 comprend en outre les ailettes 60 qui
sont alors elle
aussi refroidie par conduction thermique, la séparation est encore plus
efficace. Cela est
notamment très utile lors de l'écoulement du flux de produits de réaction vers
un dispositif
de séparation 64 équipant l'unité de production de dihydrogène 3.
Le dispositif de séparation 64 comprend notamment un élément séparateur à
vortex.
L'élément séparateur est configuré pour aspirer le flux de produits de
réaction refroidis
depuis la chambre de refroidissement 58. Le carbone solide refroidi se dépose
soit sur un
fond de l'élément séparateur, soit sur une surface interne d'une paroi de
l'élément séparateur.
D'autres particules solides sont présentes dans le flux de produits de
réaction refroidis et
viennent aussi se déposer aux mêmes endroits que le carbone solide.
Le carbone solide ainsi récupéré est stocké dans un dispositif de récupération
66 et peut être
pris en charge par le même véhicule qui vient changer ou ravitailler les
dispositifs de stockage
8 du dispositif d'alimentation le cas échéant. Le carbone solide peut être
ensuite recyclé pour
différents usages industriels.
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Le dihydrogène en sortie du dispositif de séparation 64 circule alors dans la
zone de
distribution de dihydrogène 6 disposée fluidiquement entre le réacteur de
plasmalyse 5 et
l'unité de conversion d'énergie 2.
Dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, la zone de
distribution de
dihydrogène 6 est pourvue de l'ensemble de stockage comportant ici la cuve de
stockage 12,
le compresseur 14 et le détendeur 15, et le dihydrogène peut être stocké à une
pression
pouvant aller jusqu'à environ 900 bars avant d'être détendu à la pression
appropriée pour
l'alimentation de l'unité de conversion d'énergie 2. Ainsi, il est possible de
répondre à la
demande en dihydrogène du consommateur en toutes circonstances.
Tel que cela été évoqué précédemment, le module de contrôle 200 du dispositif
de
production d'énergie est configuré selon l'invention pour générer une
instruction de
commande de l'unité de production de dihydrogène en fonction d'une information
relative
au dihydrogène présent dans une zone de distribution de dihydrogène agencée
fluidiquement
entre le réacteur de plasmalyse et l'unité de conversion d'énergie.
Plus particulièrement, dans l'exemple illustré, le module de contrôle 200
récupère une
information et est apte à générer une ou plusieurs instructions de commande à
des
composants différents de l'unité de production de dihydrogène et parmi
lesquels la vanne
pilotable 10, le dispositif d'allumage 30 du réacteur de plasmalyse 5, le
générateur de
rayonnements micro-ondes 40, et le compresseur 14.
De manière indépendante, en ne réalisant qu'une instruction de commande
spécifique, ou
bien de manière complémentaire, en réalisant plusieurs instructions de
commande
simultanément, le module de contrôle 200 peut piloter l'alimentation en
hydrocarbure
gazeux par le pilotage du fonctionnement de la vanne pilorable 10, ou bien
piloter le
fonctionnement du réacteur de plasmalyse par le pilotage du dispositif de
rayonnements
micro-ondes 40 et/ou le pilotage du dispositif d'allumage 30, ou bien encore
piloter le
fonctionnement de l'ensemble de stockage par le pilotage du compresseur 14.
Ces instructions de commande peuvent consister en une instruction de
fonctionnement
binaire, de type marche arrêt, ou bien consister en une instruction de
fonctionnement ajusté,
avec une production de dihydrogène de quantité variable et ajustée à la
demande.
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On comprend que la présence de ce module de contrôle permet de faire
fonctionner l'unité
de production de dihydrogène en fonction du besoin de l'unité de conversion
d'énergie, pour
ajuster la consommation énergétique du dispositif sans pour autant diminuer la
prestation de
l'unité de conversion d'énergie.
Un premier exemple de procédé de fonctionnement du dispositif de production
d'énergie
peut être le suivant. Une demande d'énergie, ici thermique, est formée au
niveau de l'unité
de conversion d'énergie. Il en résulte un appel de dihydrogène et le volume de
dihydrogène
présent dans la cuve de stockage 12 en est réduit. L'unité de production de
dihydrogène reste
éteinte, dans un mode d'arrêt non énergivore, et ce jusqu'à ce que la pression
du dihydrogène
présent dans la cuve de stockage 12, mesurée par le manostat 16, présente une
valeur
supérieure à une valeur seuil prédéfinie, par exemple de l'ordre de 10 bars.
Dès lors que la
pression du dihydrogène devient inférieure à cette valeur seuil prédéfinie, le
module de
contrôle transmet une information de mise en marche à l'un des composants
susceptibles
d'être pilotés par le module de contrôle. A titre d'exemple, simultanément, la
vanne pilotable
10 est ouverte pour laisser passage à l'hydrocarbure gazeux, tandis que le
dispositif d'allumage
30 et le générateur de rayonnements micro-ondes 40 sont actionnés. On est ici
dans le mode
de fonctionnement binaire évoqué précédemment. Une instruction de commande
correspondant à la fermeture ou la mise en veille de ces composants est par la
suite générée
par le module de contrôle lorsque la cuve de stockage est de nouveau remplie
de
dihydrogène.
Un deuxième exemple de procédé de fonctionnement du dispositif de production
d'énergie
peut être le suivant. Là encore, une demande d'énergie, ici thermique, est
formée au niveau
de l'unité de conversion d'énergie. Il en résulte un appel de dihydrogène et
le volume de
dihydrogène présent dans la cuve de stockage 12 en est réduit. L'unité de
production de
dihydrogène est alors pilotée pour fonctionner dans un premier temps dans un
premier
mode, correspondant à un mode de production réduite de dihydrogène, par
exemple en
diminuant le débit d'arrivée d'hydrocarbure gazeux en limitant l'ouverture de
la vanne
pilotable 10 et en limitant la quantité de rayonnements micro-ondes dans le
réacteur de
plasmalyse par un fonctionnement à charge réduite du générateur de
rayonnements micro-
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ondes. Ce premier mode de production réduite de dihydrogène est mis en oeuvre
tant que la
pression du dihydrogène présent dans la cuve de stockage 12, mesurée par le
manostat 16,
présente une valeur supérieure à une valeur seuil prédéfinie, par exemple de
l'ordre de 10
bars. Dès lors que la pression du dihydrogène devient inférieure à cette
valeur seuil
5 prédéfinie, le module de contrôle modifie les instructions de commande
pour moduler le
fonctionnement de l'unité de production de dihydrogène et le faire fonctionner
à plein
régime. On est ici dans le mode de fonctionnement modulaire évoqué
précédemment.
Un deuxième mode de réalisation est illustré à la figure 2 et diffère de ce
qui a été décrit pour
le premier mode de réalisation en ce que l'unité de conversion d'énergie 2
comporte une
10 turbine à gaz.
En aval du détendeur 15, une chambre de combustion du dihydrogène 70 permet de
créer
l'énergie suffisante pour entraîner un arbre moteur 72 et un générateur
électrique associé, et
transformer ainsi l'énergie du dihydrogène en une énergie mécanique ou
électrique.
De manière alternative, on peut prévoir que l'unité de conversion d'énergie
soit un moteur à
15 combustion interne, étant entendu que la structure de l'unité de
production de dihydrogène
reste la même que celle qui vient d'être décrite dans ce troisième mode de
réalisation, avec là
aussi une zone de distribution de dihydrogène 6 qui comporte un compresseur,
une cuve de
stockage et un détendeur.
Le fonctionnement de la turbine à gaz, ou du moteur à combustion interne,
implique la
20 fourniture d'un dihydrogène à haut débit de sorte que l'unité de
production de dihydrogène
est conformément au premier mode de réalisation équipé d'un compresseur et
d'une cuve de
stockage permettant de stocker le dihydrogène produit jusqu'à une pression de
900 bars.
Un troisième mode de réalisation est illustré à la figure 3 et diffère de ce
qui a été décrit pour
le premier mode de réalisation en ce que l'unité de conversion d'énergie 2
comporte ici une
25 pile à combustible 73. Tel qu'illustré schématiquement, la pile à
combustible reçoit du
dihydrogène et de l'air en entrée, et est configurée pour délivrer de
l'électricité à destination
d'un équipement électrique et/ou d'un réseau électrique 75. A titre d'exemples
non limitatifs
illustrés sur la figure 3, les équipements électriques en aval de la pile à
combustible sont le
générateur de rayonnement micro-ondes 40, afin de permettre une alimentation
autonome
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de celui-ci, et un organe de stockage d'énergie électrique 74. Ici, un
convertisseur de courant
76 approprié est disposé entre la sortie de la pile à combustible 73 et les
équipements et
réseau électriques.
Le bon fonctionnement de la pile à combustible nécessite un niveau de pureté
du
dihydrogène plus important qu'il n'était nécessaire pour les autres types
d'unité de
conversion d'énergie précédemment décrits comme les chaudières par exemple.
Dans ce
contexte, le dispositif de production d'énergie selon ce troisième mode de
réalisation est
équipé de moyens de filtration.
Tel qu'illustré sur la figure 3, le dispositif de production d'énergie selon
ce troisième mode de
réalisation peut notamment être équipé d'un dispositif de filtration 65 agencé
en sortie du
réacteur de plasmalyse. Les gaz collectés à la sortie du réacteur de
plasmalyse 5, et notamment
après être passés par le dispositif de séparation 64, passent dans un filtre
de ce dispositif de
filtration qui est configuré pour séparer le dihydrogène des autres produits
gazeux, qui
peuvent notamment tel qu'illustré sur la figure 3 être réinjectés dans le
réacteur pour une
nouvelle plasmalyse, via une conduite de retour 67. Le dihydrogène collecté à
la sortie du
dispositif de filtration 65 est dirigé vers la zone de distribution de
dihydrogène 6 et plus
particulièrement ici vers le compresseur 14 avant d'être stocké dans la cuve
de stockage 12.
En d'autres termes, on réalise une filtration en aval du réacteur de
plasmalyse qui tend à
distinguer dans les produits de réaction de la plasmolyse le dihydrogène apte
à être dirigé vers
la pile à combustible et les autres gaz résiduels éventuels, en infime
quantité. Ces gaz résiduels
peuvent par exemple être du méthane qui n'a pas subi la décarbonation totale
et les éventuels
produits de réaction secondaire type éthane, éthylène, etc. Tous les gaz
résiduels sont
réinjectés dans le réacteur de plasmalyse pour les décomposer complètement.
Par ailleurs, le dispositif de production d'énergie selon le troisième mode de
réalisation, c'est-
à-dire avec une unité de conversion d'énergie comportant une pile à
combustible, peut
notamment être équipé d'un organe de filtration du dihydrogène 69 qui est
configuré pour
augmenter la pureté du dihydrogène passant à travers cet organe de filtration
du dihydrogène
69. De la sorte, on vise à obtenir un taux de pureté d'hydrogène compatible
avec le
fonctionnement d'une pile à combustible 73.
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Tel qu'illustré sur la figure 3, l'organe de filtration du dihydrogène 69 est
agencé
fluidiquement entre le dispositif de compression 14 et la cuve de stockage 12.
Il convient de noter que si les moyens de filtration, c'est-à-dire le
dispositif de filtration 65 et
l'organe de filtration 69, ne sont illustrés que dans le troisième mode de
réalisation, ils
pourraient, sans sortir du contexte de l'invention, équiper un dispositif de
production selon
d'autres modes de réalisation de l'invention précédemment décrits, même si
ceux-ci mettent
en uvre des bruleurs de dihydrogène, et/ou une turbine et/ou un moteur à
combustion
interne au sein des unités de conversion d'énergie et qu'un taux de pureté du
dihydrogène
arrivant dans ces unités de conversion d'énergie n'est dès lors pas
indispensable.
Par ailleurs, le dispositif selon le troisième mode de réalisation diffère ici
de ce qui précède en
ce qu'une bouteille de stockage 78 et un détendeur 79 associé participent à
former le
dispositif d'alimentation 1. Il convient de noter que cette réalisation du
dispositif
d'alimentation pourrait être différente et être remplacée par les réalisations
précédemment
décrites, et que plus généralement, l'une ou l'autre des réalisations décrites
pourrait être mise
en oeuvre dans chacun des modes de réalisation sans sortir du contexte de
l'invention.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être
décrits et de
nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du
cadre de
l'invention.
A titre d'exemple non limitatif, il pourrait être prévu un système de
filtration en amont du
réacteur de plasmalyse, c'est-à-dire entre le dispositif d'alimentation et le
réacteur de
plasmolyse, qui permette notamment de purifier l'hydrocarbure gazeux destiné à
être injecté
dans la cavité de rayonnement micro-ondes afin d'améliorer les performances de
la
plasmalyse. Notamment lorsque le gaz en entrée est du gaz naturel provenant
d'un réseau de
gaz composé principalement de méthane, un filtrage des composants indésirables
comme par
exemple l'azote, le monoxyde de carbone ou le dioxyde de carbone peut ainsi
être effectué
avant injection dans le réacteur à plasmolyse.
L'invention, telle qu'elle vient d'être décrite, atteint bien le but qu'elle
s'était fixée, et permet
de proposer un dispositif de production d'énergie, que ce soit thermique,
électrique ou
mécanique qui est configuré pour utiliser une alimentation en hydrocarbure
gazeux, qui peut
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notamment consister en un réseau de gaz de ville et des bruleurs à
dihydrogène, plus
écologiques, grâce à la présence d'une unité de production de dihydrogène par
plasmalyse
combinée à un module de contrôle apte à piloter le fonctionnement de cette
unité de
production pour répondre de façon efficace mais économe à la demande de
production
d'énergie.
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