Brevet FR3081471A1 — publié le 20191129

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une installation et un procédé de production de méthane. Elle s'applique, en particulier, à la production de méthane basée sur de l'énergie solaire. ETAT DE LA TECHNIQUE Le Power-to-Gas (que l'on peut traduire en français par « Energie vers gaz ») est une solution apportée à la croissance des installations de production d'énergies renouvelables. En effet, les énergies renouvelables sont des énergies variables, par conséquent il peut exister des pics de surproduction d'électricité à des moments de faible consommation électrique en France. C'est dans cette configuration que le Power-to-Gas prend tout son sens en créant une solution de stockage. En effet, la transformation de l'électricité en gaz permet de valoriser une perte d'électricité en vecteur énergétique via l'hydrogène ou le méthane. Ce modèle Power-to-gas est construit comme suit : l'électricité générée par les sources renouvelables est transformé en hydrogène via un électrolyseur. Le processus peut s'arrêter à cette production et avoir plusieurs utilisations : injection dans les réseaux, mobilité, compression et stockage. Cependant, l'hydrogène (sous sa forme de gaz H2) ne constitue pas un vecteur énergétique facilement stockable et transférable. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. A cet effet, la présente invention vise une installation de production de méthane qui comporte : - des panneaux photovoltaïques fournissant de l'énergie électrique, - un électrolyseur alimenté par l'énergie électrique fournie par les panneaux photovoltaïques, qui fournit de l'hydrogène sous forme de gaz, - un dispositif de capture de dioxyde de carbone atmosphérique fournissant du dioxyde de carbone et de l'eau, 2 - un réacteur de bio-méthanation recevant l'hydrogène fournie par l'électrolyseur, de l'eau et le dioxyde de carbone fournis par le dispositif de capture de dioxyde de carbone atmosphérique et produisant du méthane et 5 - des capteurs solaires pour fournir de la chaleur au dispositif de capture de dioxyde de carbone. Grâce à ces dispositions, on réduit le besoin d'eau de l'installation puisqu'au moins une partie du besoin d'eau du réacteur de bio-méthanation est fournie par le dispositif de capture de dioxyde de carbone atmosphérique. 10 Dans des modes de réalisation, de l'eau de ruissellement des panneaux photovoltaïques et/ou des capteurs solaires est fournie à l'électrolyseur. Dans des modes de réalisation, de l'eau est fournie au réacteur de biométhanation par une unité de déshydratation du méthane sortant du réacteur de bio-méthanation. 15 Dans des modes de réalisation, de l'eau sortant de l'unité de bio- méthanation est fournie à l'électrolyseur. Dans des modes de réalisation, de l'eau sortant du dispositif de capture de dioxyde de carbone atmosphérique est fournie à l'électrolyseur. Chacun de ces modes de réalisation permet une économie d'eau. 20 Dans des modes de réalisation, une partie de la chaleur nécessaire au fonctionnement du dispositif de capture de dioxyde de carbone est fournie l'électrolyseur. Dans des modes de réalisation, une partie de la chaleur nécessaire au fonctionnement du dispositif de capture de dioxyde de carbone est fournie l'unité 25 de bio-méthanation. Dans des modes de réalisation, une partie de la chaleur nécessaire au fonctionnement du dispositif de capture de dioxyde de carbone est fournie un système de refroidissement des panneaux photovoltaïque. Dans des modes de réalisation, l'installation comporte un compresseur 30 pour comprimer le méthane produit par l'unité de bio-méthanation et l'injecter dans un réseau de transport ou de distribution de gaz, une partie de la chaleur nécessaire au fonctionnement du dispositif de capture de dioxyde de carbone étant fournie par le compresseur. 3 Chacun de ces modes de réalisation économise de la chaleur et évite d'avoir à consommer de l'énergie électrique produite par les panneaux photovoltaïques pour fournir de la chaleur au dispositif de capture de dioxyde de carbone. 5 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : 10 - la figure 1 représente, sous forme d'un schéma bloc, un mode de réalisation particulier de l'installation de production d'énergie mixte objet de l'invention, - la figure 2 représente, sous forme d'un schéma bloc, les transferts de chaleurs entre différentes parties de l'installation illustrée en figure 1, 15 - la figure 3 représente, sous forme d'un schéma bloc, en plus des transferts de chaleur, les transferts d'eau entre différentes parties de l'installation illustrée en figures 1 et 2 et - la figure 4 représente, sous forme de courbes, le fonctionnement de différents systèmes de l'installation illustrée en figures 1 à 3. 20 DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION On note que les figures ne sont pas à l'échelle. On observe, en figure 1, une installation 10 de production d'énergie mixte, sous forme d'électricité injectée dans un réseau électrique 13 et de méthane injecté dans un réseau de transport 25 et/ou de distribution de gaz 18. L'installation 10 comporte des panneaux photovoltaïques (ou « solaires ») 11 produisant de l'électricité en courant continu et un transformateur 12 pour fournir de l'électricité en courant alternatif, à la tension et à la fréquence du réseau électrique 13. Dans des variantes, les panneaux photovoltaïques 11 sont remplacés par 30 une autre source d'électricité dont la production peut être excédentaire par rapport à la consommation sur le réseau électrique ou par rapport à la capacité de transport de la partie du réseau électrique reliée à la source d'électricité, par exemple des éoliennes, voire une centrale nucléaire. 4 L'installation 10 comporte aussi, une unité d'électrolyse (ou « électrolyseur ») 14 fournissant du dihydrogène (H2) à un réservoir 21 suivi d'une unité de bio-méthanation 15. Une source 16 de dioxyde de carbone (CO2) fournit du dioxyde de carbone à un réservoir 22 suivi de l'unité de bio-méthanation 15. Une 5 unité de déshydratation 20, suivi d'un compresseur 17 fournissent du méthane sous pression au réseau de gaz 18. Dans l'unité de bio-méthanation 15 des bactéries consomment le dihydrogène (H2) et le dioxyde de carbone (CO2) pour produire du méthane (CH4) selon l'équation : 10 4 02 AH, = -165 kJ/mol Comme l'indique cette équation, cette production de méthane s'accompagne d'un dégagement de chaleur et d'une production d'eau. La méthanation biologique, ou bio-méthanation, est un procédé biologique, qui s'effectue à une température comprise entre 40 et 80 °C et à une pression 15 inférieure à 10 bars. La bio-méthanation permet la conversion de dihydrogène (H2) et de gaz carbonique (CO2) en méthane (CH4) au moyen d'un consortium microbien anaérobie. On distingue deux types de bio-méthanation : - In situ : l'hydrogène est injecté dans un méthaniseur, à l'endroit où l'activité hydrogénotrophe est la plus favorable et 20 - Ex situ : l'hydrogène est injecté dans un réacteur dédié, dont le fonctionnement est réalisé dans des conditions optimisées (température, temps de séjour, typologie de biomasse et apport en nutriments). Le rendement énergétique (calculé en kWhPCS) de l'unité de biométhanation est de 78 % pour la production de méthane (CH4) et de 20 % en 25 chaleur. Concernant les conversions d'H2 et de CO2 : au moins 98% de l'H2 est convertie, et le rendement de conversion des atomes de carbone du gaz carbonique CO2 en CH4 est d'au moins 98%. La bio-méthanation a comme avantage que son fonctionnement peut être intermittent : une fois les conditions de stabilité acquises, les bactéries sont peu 30 sensibles aux variations de quantités de gaz au niveau de la charge d'alimentation en H2 et CO2: cette charge peut devenir nulle ou revenir au débit nominal sans incidence sur la conversion de CO2 et H2 en CH4. La bio-méthanation est ainsi adaptée aux photovoltaïque au sol. De plus, en ce qui concerne le dioxyde de 5 carbone (CO2), la méthanation présente peu de sensibilité aux imperfections et peut accepter des faibles teneurs en sulfure d'hydrogène (H2S), en ammoniac (NH3) et en dioxygène (02). Dans des variantes moins préférentielles, on remplace la bio-méthanation 5 par une méthanation catalytique de même équation chimique. Cette méthanation chimique s'effectue à une température comprise entre 250 et 350 °C, à une pression comprise entre 10 et 20 bar et est sensible au sulfure. Dans d'autres variantes, on réalise la bio-méthanation par voie thermochimique. La source 16 de dioxyde de carbone (CO2) est préférentiellement un 10 dispositif de capture du dioxyde de carbone par extraction atmosphérique. Une telle source est, par exemple, décrite dans le document US2017 326 494 et dans les documents qui y sont cités. La séparation de gaz par adsorption permet de cibler un composant spécifique d'un courant gazeux. Une application importante consiste à capturer du 15 dioxyde de carbone (CO2) à partir de courants gazeux, par exemple, à partir d'air atmosphérique. Plusieurs méthodes de capture de CO2 atmosphérique ont été développées sur la base de diverses approches technologiques. Par exemple, le brevet US 8 163 066 décrit des structures et des techniques de capture et régénération de 20 dioxyde de carbone. Le document US 2009/0120288 décrit un procédé pour éliminer le dioxyde de carbone de l'air. Le document US 2012/0174778 décrit un procédé de capture et régénération de dioxyde de carbone utilisant un ascenseur vertical. Le document W02010022339 décrit un procédé et une installation de capture de dioxyde de carbone. 25 Une approche particulière est basée sur un processus d'adsorption / désorption cyclique sur des matériaux solides et chimiquement fonctionnalisés. Par exemple, dans le document W02010 091831, une structure basée sur des matériaux adsorbants solides fonctionnalisés par une amine conjointement avec un procédé d'adsorption / désorption cyclique utilisant ce matériau pour l'extraction de 30 dioxyde de carbone de l'air ambiant est décrite. Dans ce cas, le processus d'adsorption a lieu dans les conditions ambiantes où l'air est diffusé à travers le matériau adsorbant et une partie du CO2 contenu dans l'air est chimiquement liée à la surface fonctionnalisée par l'amine du matériau. Pendant la désorption subséquente, le matériau est chauffé à environ 50-110 ° C 6 et la pression partielle de dioxyde de carbone entourant le matériau est réduite en appliquant un vide ou en exposant le matériau à un écoulement de gaz de purge. Ainsi, le dioxyde de carbone capturé précédemment est éliminé du matériau adsorbant et obtenu sous une forme concentrée. 5 Dans le document W02012 168346A1, on décrit un matériau à base de cellulose fonctionnalisée par une amine, qui peut être utilisé pour le procédé décrit ci-dessus. Le matériau est de préférence un matériau modifié par amine, de préférence à base de résine échangeuse d'ions de base faible, en particulier de 10 matériau de matrice de polystyrène modifié avec des groupes amine, spécialement des groupes amine primaire ou à base de cellulose, de la cellulose nanofibrilée, dans chaque cas de préférence avec un diamètre de particule moyen dans la plage de 60 à 1200 pm, pour l'adsorption de dioxyde de carbone. Dans un procédé typique d'adsorption et désorption cyclique, l'adsorption 15 peut avoir lieu aux conditions ambiantes, par exemple dans une plage de température de -30 à 40 ° C et à une pression absobe de 0,7 à 1,3 bar. Après l'adsorption du dioxyde de carbone ou du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau, le matériau adsorbant peut être régénéré ou désorbé en le chauffant jusqu'à, par exemple 50 à 120 °C, et en léduisant la pression partielle de 20 CO2 autour du matériau adsorbant en réduisant la pression absolue à, par exemple, 1 à 250 mbar, à savoir, appliquer un vide et / ou exposer le matériau à un flux de gaz de purge. Si la désorption est obtenue en chauffant le matériau et en appliquant un vide, l'ensemble du processus cyclique est appelé processus de variation de température et de vide (dont l'acronyme est TVS). Si la désorption est réalisée en 25 chauffant le matériau et en l'exposant à un flux de gaz de purge, le processus cyclique global est appelé processus de balayage de concentration en température (dont l'acronyme est TCS). Dans des modes de réalisation, les couches de matériau individuelles sont formées sur des structures de châssis rigides, chacune comprenant un cadre 30 rectangulaire avec une longueur de bord de 0,5 m x 0,6 m et une hauteur de 1 cm, constitué de profilés en acier inoxydable. La fabrication et l'assemblage de la structure globale comprennent les étapes suivantes : 7 1. Les structures de châssis sont fabriquées par soudage de profilés en acier inoxydable ou par moulage par injection d'une matière plastique ou d'aluminium ; 2. Dans les cadres, un grillage en aluminium et un tube en caoutchouc 5 contenant un fluide caloporteur sont insérés pour assurer un bon transfert de chaleur ; 3. Une couche de tissu non tissé est collée de chaque côté (haut et bas) de la structure du cadre en utilisant un adhésif à deux composants. 4. Un matériau à base de fibres de cellulose modifiées par une amine est 10 produit selon une version agrandie de la procédure décrite dans le document W02012 168346: a. Isolement des nanofibres de cellulose à partir de la suspension raffinée de pâte de bois de hêtre fibreuse (voir "1. Isolement de nanofibres de cellulose "dans W02012 168346) ; 15 b. Ajout d'une solution de 3-aminopropylméthyldiéthoxysilane hydrolysée à une suspension de nanofibres ayant une teneur en masse sèche de 3,2%; c. Homogénéisation et agitation de la solution pendant deux heures ; 20 d. Congélation de la solution par lots dans du cuivre se fait dans l'azote liquide ; e. Lyophilisation du mélange congelé pendant 48 heures ; f. Traitement de la matière séchée à 120 °C dans un four sous atmosphère d'argon ; et 25 g. Compression et râpe du matériau pour obtenir un matériau granulaire avec une taille moyenne de particules d'environ 400 pm ; 5. Le matériau est injecté dans la structure du cadre à travers un trou qui est ensuite fermé ; 6. Une couche de matériau absorbant est obtenue. L'épaisseur de cette 30 couche varie entre 1 et 1,5 cm ; 7. Au total, 26 cadres sont empilés les uns sur les autres tandis que des pièces distantes forment les canaux d'entrée et de sortie ; 8 8. L'empilement est monté à l'intérieur d'une chambre à vide rectangulaire ayant des dimensions internes de 0,55 m x 0,55 m x 0,65 m avec une entrée et une ouverture de sortie pour le flux d'air ; 9. Une vanne papillon actionnée pneumatiquement est connectée à 5 chacune des ouvertures pour sceller et ouvrir la chambre vers l'environnement ; 10. L'ouverture d'entrée est connectée à un ventilateur pour produire le flux d'air pendant l'adsorption. En outre, la chambre est connectée à une pompe à vide pour réduire la pression pendant la désorption et à un thermostat pour chauffer et refroidir l'empilement pendant les étapes du cycle individuel. 10 Avec la structure proposée, l'extraction d'une partie substantielle du CO2 contenu dans un flux d'air atmosphérique en utilisant un matériau modifié aux amines est possible à une chute de pression inférieure à 100 Pa avec une structure pouvant être fabriquée avec un effort raisonnable. Dans le cas, représenté en figure 1, où la source 16 de dioxyde de carbone 15 est un dispositif de capture du dioxyde de carbone de l'air atmosphérique, des capteurs solaires 19 chauffent un fluide caloporteur (eau sous-pression, huile ou sels fondus). Dans des modes de réalisation, le CO2 provient d'un biogaz issu d'un méthaniseur traitant par exemple des boues de station d'épuration. 20 L'unité de déshydratation 20 permet au méthane injecté dans le réseau de gaz 18 de répondre aux spécifications du gaz fourni aux consommateurs reliés à ce réseau 18. On note que cette unité de déshydratation fournit de l'eau. Le compresseur 17 comprime le méthane sous pression. Du fait des lois de la thermodynamique, le compresseur fournit aussi de la chaleur. De plus, les 25 spécifications du réseau de gaz 18 peuvent imposer que le gaz comprimé soit refroidit, ce qui implique un dégagement de chaleur supplémentaire. En figure 2, les transferts de chaleur sont représentés en traits discontinus fins. Comme illustré en figure 2, dans le cas d'une source 16 de CO2 nécessitant de la chaleur, par exemple un dispositif de capture du dioxyde de carbone 30 atmosphérique, cette chaleur est, au moins partiellement, fournie par : - des capteurs solaires 19 chauffant un fluide caloporteur (par exemple eau sous-pression, huile ou sels fondus) ; - l'unité d'électrolyse 14 (20 à 40 % des besoins de chaleur de la source 16) ; 9 - l'unité de bio-méthanation 15 (20 à 40 % des besoins de chaleur de la source 16) ; - un système de refroidissement (non représenté) des panneaux photovoltaïque 11 et/ou 5 - le compresseur 17. Optionnellement, une unité de géothermie (non représentée) fournit de la chaleur à la source 16. En figure 3, les transferts d'eau sont représentés en traits discontinus épais. Comme illustré en figure 3, de l'eau fournie par la source 16 est utilisée dans l'unité 10 de bio-méthanation 15, par exemple pour diluer les nutriments nécessaires au consortium microbien anaérobie et couvre l'intégralité des besoins d'eau de l'unité de bio-méthanation. De l'eau est fournie par l'unité de déshydratation 20 à l'unité de bio-méthanation 15 et/ou à l'unité d'électrolyse 14. De l'eau fournie par l'unité de bio-méthanation 15 est fournie à l'unité d'électrolyse 14. Ainsi, entre 40 % et 80 % 15 de l'eau utilisée par l'unité d'électrolyse 14 peut être fournie par l'unité de bio- méthanation 15. On note, néanmoins, qu'il est alors préférable de purifier l'eau. Par ailleurs, de l'eau de ruissellement des panneaux photovoltaïques 11 et/ou des capteurs solaires 19 est fournie à l'unité d'électrolyse 14 pour couvrir jusqu'à 40 % des besoins d'eau de l'unité d'électrolyse 14. Comme illustré en figure 3, 20 optionnellement, une partie (15 à 35 °/0) des besoins d'eau de l'unité d'électrolyse 15 est couverte par la source 16 de dioxyde de carbone (CO2). Dans des variantes (non représentées), l'intégralité de la production électrique provenant des panneaux photovoltaïques 11 est utilisée pour produire du méthane, et non uniquement l'excédent d'électricité. 25 Comme on le comprend à la lecture de la description qui précède, l'installation objet de l'invention présente de nombreux avantages. Les centrales d'énergie renouvelable produisent une électricité intermittente à prix bas. Une partie excédentaire de l'électricité produite peut être utilisée, via une électrolyse de l'eau, à produire de l'H2 qui est stockable mais dans des conditions assez coûteuses. Le 30 captage et le stockage de CO2 est une solution d'avenir pour réduire la pollution des industries et des villes mais aussi répondre à l'engagement de diviser par quatre les émissions de CO2 d'ici 2050. L'invention combine les avantages de la capture et du stockage du CO2 avec ceux de l'électrolyse de l'eau en mettant en oeuvre une bio-méthanation et des synergies en termes de flux de chaleur et de flux 10 d'eau. On obtient ainsi non seulement le captage du CO2 de l'air, mais aussi la valorisation du CO2 en énergie, une étape de plus dans la lutte contre le réchauffement climatique mais également pour l'indépendance énergétique. De l'eau étant produite par cette technologie de bio-méthanation (sensiblement une 5 tonne d'eau par tonne de dioxyde de carbone capté), on réduit le besoin en eau de l'installation de production d'énergie mixte. On observe, en figure 4, une courbe 30 de production d'électricité au cours du temps pendant deux journées successives. Cette courbe présente un lobe pour chaque journée d'ensoleillement, la production nocturne étant nulle. 10 On observe aussi une valeur limite 31 de production d'électricité au-delà de laquelle la production d'électricité est excédentaire, le réseau électrique 13 ne pouvant pas absorber l'électricité produite au-delà de cette valeur limite 31. Cette valeur limite 31 peut être fixe dans le temps, par exemple à cause du dimensionnement des câbles électriques reliés à l'installation 10, comme on le 15 suppose en figure 4. Cette valeur limite 31 peut aussi être variable, en fonction de la consommation d'énergie sur le réseau électrique 13. Seule la partie 32 de l'électricité produite est alors fournie au réseau électrique 13. La partie 33 de l'électricité produite alimente les systèmes de l'installation 10, notamment l'unité d'électrolyse 14. La quantité de dihydrogène produite est représentée par la courbe 20 34. Les courbes 35 et 36 représentent le fonctionnement de la source 16 de dioxyde de carbone. Préférentiellement, comme illustré en figure 4, pendant les heures nocturnes froides, la source 16 adsorbe le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique, selon la courbe 36. Au contraire, pendant les heures diurnes les 25 plus chaudes, la source 16 libère le dioxyde de carbone adsorbé et reçoit de la chaleur des différents composants de l'installation, comme exposé en regard de la figure 3. En variante, la capture et la fourniture de dioxyde de carbone (CO2) par la source 16 sont réalisées alternativement de manière continue tout au long de la période de fourniture d'électricité par les panneaux photovoltaïques 11. 30 En variante (non représentée), l'intégralité de l'électricité produite par les panneaux photovoltaïque est utilisée pour générer du méthane. En d'autres termes, la valeur limite 31 est nulle. En variante (non représentée), selon les saisons, on produit plus ou moins d'électricité ou de méthane, en faisant varier la valeur limite 31. Par exemple, en 11 hiver, période de l'année où la consommation de gaz (pour le chauffage) est maximale, l'installation 10 est essentiellement utilisée pour produire du méthane, la valeur limite 31 étant alors faible ou nulle. En revanche, en été, période où la consommation de gaz est minimale, l'installation 10 est essentiellement utilisée 5 pour produire de l'électricité, REVENDICATIONS1. Installation (10) de production de méthane, caractérisée en ce qu'elle comporte : - des panneaux photovoltaïques (11) fournissant de l'énergie électrique, - un électrolyseur (14) alimenté par l'énergie électrique fournie par les panneaux photovoltaïques, qui fournit de l'hydrogène sous forme de gaz, - un dispositif (16) de capture de dioxyde de carbone atmosphérique fournissant du dioxyde de carbone et de l'eau, - un réacteur (15) de bio-méthanation recevant l'hydrogène fournie par l'électrolyseur, de l'eau et le dioxyde de carbone fournis par le dispositif de capture de dioxyde de carbone atmosphérique et produisant du méthane et - des capteurs solaires (19) pour fournir de la chaleur au dispositif de capture de dioxyde de carbone. 2. Installation (10) selon la revendication 1, dans laquelle de l'eau de ruissellement des panneaux photovoltaïques (11) et/ou des capteurs solaires (19) est fournie à l'électrolyseur (14). 3. Installation (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle de l'eau est fournie au réacteur de bio-méthanation (15) par une unité (20) de déshydratation du méthane sortant du réacteur de bio-méthanation. 4. Installation (10) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle de l'eau est fournie à l'électrolyseur (14) par une unité (20) de déshydratation du méthane sortant du réacteur de bio-méthanation (15). 5. Installation (10) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle de l'eau sortant de l'unité de bio-méthanation (15) est fournie à l'électrolyseur (14). 6. Installation (10) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle de l'eau sortant du dispositif (16) de capture de dioxyde de carbone atmosphérique est fournie à l'électrolyseur (14). 13 7. Installation (10) selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle une partie de la chaleur nécessaire au fonctionnement du dispositif (16) de capture de dioxyde de carbone est fournie l'électrolyseur (14). 5 8. Installation (10) selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle une partie de la chaleur nécessaire au fonctionnement du dispositif (16) de capture de dioxyde de carbone est fournie l'unité de bio-méthanation (15). 9. Installation (10) selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle une partie de 10 la chaleur nécessaire au fonctionnement du dispositif (16) de capture de dioxyde de carbone est fournie un système de refroidissement des panneaux photovoltaïque (11). 10. Installation (10) selon l'une des revendications 1 à 9, qui comporte un 15 compresseur (17) pour comprimer le méthane produit par l'unité de bio-méthanation (15) et l'injecter dans un réseau (18) de transport ou de distribution de gaz, une partie de la chaleur nécessaire au fonctionnement du dispositif (16) de capture de dioxyde de carbone étant fournie par le compresseur.