Brevet FR3125435A1 — publié le 20230127

TITRE : DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE SÉPARATION DE DIHYDROGÈNE MÉLANGÉ DANS UN RÉSEAU DE GAZ NATUREL Un dispositif (35) de séparation de dihydrogène mélangé dans un réseau de gaz naturel, qui comporte : - une conduite d’entrée (11) d’un mélange gazeux de dihydrogène et de gaz naturel, ladite conduite d’entrée comportant un débitmètre (14), - une première sortie (33) d’un premier mélange gazeux enrichi en dihydrogène, - une deuxième sortie (26) d’un deuxième mélange gazeux appauvri en dihydrogène, ladite deuxième conduite comportant un capteur (22) d’une concentration en dihydrogène, - au moins deux modules de séparation (20-1, 20-2, 20-3, 20-4, 20-5) par perméation membranaire montés en parallèle, produisant un rétentat s’évacuant par la première sortie et un perméat s’évacuant par la deuxième sortie, connecté à la conduite générale d’entrée par un connecteur (16) comportant une vanne (17), et - un automate (34) de commande de chaque vanne déterminant un nombre de vannes ouvertes en fonction du débit du mélange gazeux et de la concentration en dihydrogène et pour commander l’actionnement de tout ou partie des vannes en fonction du nombre déterminé. Figure pour l'abrégé : figure 1 DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE SÉPARATION DE DIHYDROGÈNE MÉLANGÉ DANS UN RÉSEAU DE GAZ NATUREL DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention vise un dispositif et un procédé de séparation de dihydrogène mélangé dans un réseau de gaz naturel. Elle s’applique, notamment, au domaine du transport de gaz par canalisation, et plus particulièrement à des mélanges de gaz naturel et de dihydrogène. ÉTAT DE LA TECHNIQUE L'intégration massive de sources d'énergie renouvelable fluctuantes en remplacement d’énergies issues des ressources fossiles ou nucléaires soulève de nouveaux problèmes. Principalement représentées par le solaire photovoltaïque et l’éolien, ces nouvelles sources d’énergie ne permettent pas d’adapter la production aux besoins du réseau électrique en raison de leur caractère aléatoire et intermittent. Lorsque la proportion de ces énergies est faible à l’échelle d’un pays, ces écarts peuvent être lissés et adaptés en temps réel grâce à l’énergie hydroélectrique. Par ailleurs, au-delà d’un certain seuil, la gestion du réseau électrique se complexifie drastiquement et nécessite la mise en place de solutions alternatives afin de mieux répondre aux besoins énergétiques lors d'épisodes météorologiques défavorables. Idéalement, ces solutions permettraient également de valoriser les surproductions habituellement perdues lors d’épisodes favorables, octroyant ainsi une plus grande efficacité énergétique globale doublée d’une plus grande flexibilité du réseau. Pour répondre à ces problèmes, la conversion en un autre vecteur énergétique tel que l’hydrogène apparaît comme une solution prometteuse. L’électrolyse, technologie de base de conversion d’électricité en gaz (« Power to gas » d’acronyme « P2G » en anglais), permet la conversion d'énergie électrique en énergie chimique sous forme de gaz hydrogène (H 2 ), par décomposition de molécules d'eau (H 2 O). D’autres solutions de transformation d’électricité en gaz, connues sous le nom de « power to gas » permettent aussi de produire du dihydrogène à travers des réactions chimiques impliquant une consommation d’énergie électrique. Le dihydrogène produit peut être valorisé de plusieurs manières sur place : par un industriel pour ses propres besoins de procédé ou par une station-service de remplissage de véhicules fonctionnant à l'hydrogène, ou encore être localement stocké pour être reconverti ultérieurement en électricité via une pile à combustible. Mais il peut aussi être injecté directement dans les réseaux de distribution ou de transport de gaz naturel, créant de fait un couplage entre les différents réseaux et vecteurs énergétiques : ainsi les possibilités de valorisation des excédents d'électricité sont démultipliées tant en termes d'usages finaux qu'en termes temporels et spatiaux. L’hydrogène ainsi produit est considéré comme un vecteur d’énergie durable. Son injection dans le réseau de transport, de même que l’injection de biométhane, contribue à la réduction des émissions de CO 2 du gaz naturel de réseau. Cela contribue aussi à résoudre partiellement un enjeu majeur au cœur du plan gouvernemental pour la transition énergétique qu’est le développement d’infrastructures de transport, de stockage et de distribution de dihydrogène (H 2 ). Cependant, la concentration d’hydrogène dans le gaz naturel est limitée. En France, la teneur maximale autorisée est de six pour cent. Certains usages du gaz naturel sont encore plus sensibles et requièrent des taux inférieurs. On peut citer, comme exemple de telles contraintes, certains procédés industriels hautes températures, certaines turbines à gaz, certains moteurs à gaz de cogénération, les véhicules fonctionnant à gaz naturel comprimé (d’acronyme « GNC »). Certains usages nécessitent du dihydrogène de haute pureté pour fonctionner correctement. Ainsi, pour de tels équipements, une séparation du dihydrogène du gaz naturel est nécessaire, dans des conditions techniques et économiques favorables. L’injection d’hydrogène, en mélange avec le gaz naturel, soulève deux principaux problèmes de séparation liés à l’incompatibilité de ces deux gaz pour ces usages spécifiques. Le premier problème est celui dit de « protection des usages sensibles à la présence d’hydrogène ». Pour y répondre, il est nécessaire d’appauvrir en hydrogène le mélange d’alimentation jusqu’à un niveau de concentration non préjudiciable aux usages ne le tolérant pas. En général, la teneur maximale en hydrogène tolérée est de l’ordre de 2% pour les usages « légèrement » sensibles et peut atteindre 1% voire 0,5% pour les usages les plus sensibles. Le second problème est celui dit de « récupération et d’épuration du dihydrogène ». Pour y répondre, il faut récupérer l’hydrogène dilué dans le mélange d’alimentation et de le concentrer jusqu’à des valeurs supérieures à 80%, voire jusqu’à des valeurs d’ultra-pureté pour des applications en pile à combustible. Ces opérations de séparation gazeuse peuvent être réalisées par de nombreuses familles de technologies, mais les plus efficaces, et notamment celles présentant le meilleur ratio performances sur coûts, sont vraisemblablement les technologies de perméation gazeuse de nature polymérique ou encore appelée « perméation membranaire ». Il s’agit de membranes permettant la perméation préférentielle de certaines molécules par rapport à d’autres : les molécules présentant les meilleures perméances sont enrichies au niveau du flux transmembranaire, appelé « perméat » et appauvri au niveau du flux qui longe la membrane sans la traverser, appelé « rétentat ». Un module membranaire comporte une alimentation et deux sorties : un flux transmembranaire (le perméat) enrichi en composés les plus perméables et un flux retenu (le rétentat) alors appauvri en ces composés. Aujourd’hui, ces problèmes de séparation du dihydrogène du gaz naturel n’ont pas lieu d’être, car le marché associé n’est pas prêt. Il n’existe que très peu d’applications nécessitant la séparation d’hydrogène d’un gaz à la composition proche du gaz naturel. Les applications les plus proches concernent la récupération de l’hélium du gaz naturel sur les têtes de puits de forage ainsi que l’épuration du dihydrogène en sortie d’unités de reformage du méthane à la vapeur, mais ces applications n’utilisent pas de procédé de séparation par perméation. La récupération de l’hélium sur les têtes de puits est réalisée par cryogénie : en effet, le gaz naturel « brut » contient également de l’azote qu’il est nécessaire d’éliminer par cryogénie : cette méthode est la plus efficace pour les débits considérés. Une fois le méthane et l’azote condensés, un gaz riche en hélium est obtenu et purifié par PSA (pour « Pressure Swing Adsorption » ou Séparation par Pressurisation Alternée). Le recours aux procédés membranaires n’est pas intéressant ici en raison des débits considérés, très importants, qui justifient les investissements colossaux des usines cryogéniques. La séparation du dihydrogène d’un gaz de synthèse, est réalisée par des technologies de type PSA, car ces technologies sont compétitives pour des teneurs en hydrogène supérieures à 60 – 70% directement compatibles avec les procédés de reformages du gaz naturel. Une unité PSA ne serait, par ailleurs, pas du tout compétitive pour des teneurs en hydrogène inférieures à 40% avec des rendements de récupération qui seraient particulièrement dégradés. La situation est d’autant plus complexe lorsqu’il s’agit de satisfaire à la fois les deux problématiques au sein de la même installation : c’est-à-dire de fournir un flux suffisamment appauvrit en hydrogène pour une application sensible à sa présence tout en fournissant un flux enrichit en hydrogène pour une autre application nécessitant de l’H2 enrichit. Mais un unique étage de séparation par perméation ne permet généralement pas d’obtenir un bon compromis entre un rendement de récupération acceptable et un taux d’enrichissement élevé. La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de séparation d’une espèce chimique sous forme gazeuse mélangé dans un réseau de gaz, caractérisé en ce qu’il comporte : - une conduite générale d’entrée du mélange gazeux, ladite conduite d’entrée comportant un débitmètre pour capter le débit du mélange gazeux entrant, - une première conduite de sortie d’un premier mélange gazeux enrichi en espèce chimique sous forme gazeuse, - une deuxième conduite de sortie d’un deuxième mélange gazeux appauvri en espèce chimique sous forme gazeuse, ladite deuxième conduite comportant un capteur d’un taux représentatif de la concentration en espèce chimique, - au moins deux modules de séparation par perméation membranaire montés en parallèle, chaque dit module étant configuré pour produire un rétentat et un perméat, chaque dit module étant connecté à la conduite générale d’entrée par un connecteur comportant une vanne, et à chaque conduite de sortie, le perméat s’évacuant par la première conduite de sortie et le rétentat s’évacuant par la deuxième conduite de sortie et - un automate de commande de chaque vanne configuré pour déterminer un nombre de vannes en position ouverte en fonction du débit du mélange gazeux et du taux représentatif de la concentration en espèce chimique et pour commander l’actionnement de tout ou partie des vannes en fonction du nombre déterminé. Grâce à ces dispositions, la différence de pression entre l’entrée de chaque module et les sorties peuvent être sensiblement constante, si bien que le dispositif fournit un rétentat à teneur en premier gaz constante au cours du temps, quelle que soit la consommation instantanée en sortie, mais également quelles que soient les fluctuations de la composition du mélange en entrée du dispositif de séparation. Des modélisations ont montré que l’ajustement de la surface membranaire, c’est-à-dire du nombre de modules de séparation en fonctionnement simultané, constitue la meilleure variable d’ajustement permettant de réaliser cette régulation. Le dispositif objet de l’invention fournit un flux suffisamment appauvri en premier gaz pour une application sensible à sa présence tout en fournissant un flux enrichi en premier gaz pour une autre application nécessitant du premier gaz enrichi. Dans des modes de réalisation, l’espère chimique sous forme gazeuse est du dihydrogène et le réseau de gaz est un réseau de gaz naturel. Grâce à ces dispositions, le dispositif est adapté aux réseaux de transport et de distribution de gaz naturel. Dans des modes de réalisation, l’automate de commande comporte : - un moyen de détermination d’au moins une durée d’ouverture de chaque vanne, et - un séquenceur de l’ouverture du nombre de vannes calculé en fonction de la durée d’ouverture déterminée pour chaque vanne. Dans des modes de réalisation, le moyen de détermination détermine une durée d’ouverture cumulée de chaque vanne à partir d’un instant prédéterminé dit « d’initialisation ». Grâce à ces dispositions, l’usure des membranes de chaque module de séparation par perméation membranaire est maitrisée pour être sensiblement égale sur chaque membrane et éviter l’usure d’une unique membrane ouverte à chaque fois que le dispositif est en fonctionnement. Mais on peut également volontairement choisir de solliciter préférentiellement un module de séparation par perméation membranaire pour remplacer un module à la fois sans interruption de service et non l’ensemble des modules en même temps. Dans des modes de réalisation : - chaque module de séparation comporte un capteur de température et - l’automate comporte un moyen de comparaison de la température captée avec une première valeur limite de température prédéterminée, et un moyen de commutation configuré pour fermer la vanne de chaque module de séparation dont la température captée est inférieure à la première valeur limite de température prédéterminée et ouvrir au moins une autre vanne d’un module de séparation dont la température captée est supérieure à la première valeur limite de température prédéterminée. Grâce à ces dispositions, il est possible d’éviter la condensation des éléments les moins volatils contenus dans le gaz naturel. Dans des modes de réalisation, l’automate comporte un moyen de détection de l’indisponibilité d’un module de séparation, la vanne de chaque module de séparation indisponible étant maintenue fermée par l’automate tant que chaque dit module de séparation est indisponible. Grâce à ces dispositions, si un module de séparation est en maintenance, il n’est pas activé. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte : - au niveau de la conduite générale d’entrée, un moyen de capture de la pression du mélange gazeux, - au niveau de la première conduite de sortie, un moyen de capture de la pression et - un moyen d’ajustement de la pression du mélange gazeux au niveau de la première sortie en fonction de pression du mélange gazeux en entrée capturée. Grâce à ces dispositions, il est possible d’ajuster la pression du premier gaz pour adapter la teneur du mélange gazeux dans la deuxième conduite de sortie sans ouvrir ou fermer un module de séparation. Les modélisations ont montré qu’il est possible de satisfaire à ces exigences en termes de pureté (c’est-à-dire de taux de dihydrogène) au rétentat. Un ajustement du différentiel de pression entre l’entrée et la première sortie en plus du nombre de modules de séparation dont l’entrée est ouverte, offre une certaine souplesse d’utilisation et il est possible d’ajuster le différentiel de pression entre l’entrée et la première sortie en fonction du débit d’entrée maximum admissible tout en conservant une teneur en dihydrogène dans le rétentat prédéfini. Dans des modes de réalisation, l’automate comporte : - un moyen de comparaison du débit de mélange gazeux avec au moins un débit limite prédéterminé et - un moyen de comparaison du taux de concentration de l’espèce chimique avec un taux limite prédéterminée, dans lequel l’automate est configuré pour augmenter ou diminuer le nombre de vannes en position ouverte en fonction des comparaisons obtenues. Grâce à ces dispositions, le nombre de modules ouverts est adapté pour maintenir un taux inférieur au taux limite prédéterminé. Dans des modes de réalisation, le taux limite prédéterminé est d’un pour cent. Grâce à ces dispositions, le mélange gazeux en deuxième sortie est compatible avec les usages sensibles à l’hydrogène. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de séparation d’une espèce chimique sous forme gazeuse mélangé dans un réseau de gaz, qui comporte : - une étape d’entrée d’un mélange gazeux, ladite conduite d’entrée comportant un débitmètre pour capter le débit du mélange gazeux entrant, - une étape de sortie d’un premier mélange gazeux enrichi en espèce chimique sous forme gazeuse, - une étape de sortie d’un deuxième mélange gazeux appauvri en espèce chimique sous forme gazeuse, ladite deuxième conduite comportant un capteur d’un taux représentatif de la concentration en espèce chimique, - une étape de séparation par perméation membranaire par au moins deux modules de séparation par perméation membranaire montés en parallèle, chaque dit module étant configuré pour produire un rétentat et un perméat, chaque dit module étant connecté à la conduite générale d’entrée par un connecteur comportant une vanne, et à chaque conduite de sortie, le perméat s’évacuant par la première sortie et le rétentat s’évacuant par la deuxième sortie et - une étape de détermination d’un nombre de vannes en position ouverte en fonction du débit du mélange gazeux et du taux représentatif de la concentration en espèce chimique et - une étape d’actionnement de tout ou partie des vannes en fonction du nombre déterminé. Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de l’invention, ils ne sont pas rappelés ici. Selon un troisième aspect, la présente invention vise un programme d’ordinateur comportant un ensemble d'instructions qui, quand exécutées par un ordinateur, réalise les étapes du procédé objet de la présente invention. Les buts, avantages et caractéristiques particulières du programme d’ordinateur objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de l’invention, ils ne sont pas rappelés ici. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de l’invention. représente, la courbe de la concentration en dihydrogène du gaz issu de la deuxième sortie, en fonction de la pression du gaz en première sortie et d’un facteur de charge, lorsque le mélange gazeux en entrée est composé de dihydrogène et de gaz naturel, représente, la courbe du ratio entre le débit du gaz issu de la deuxième sortie et du mélange gazeux entrant, en fonction de la pression du gaz en première sortie et d’un facteur de charge, lorsque le mélange gazeux en entrée est composé de dihydrogène et de gaz naturel, représente, la courbe de la concentration en dihydrogène du gaz issu de la première sortie, en fonction de la pression du gaz en première sortie et d’un facteur de charge, lorsque le mélange gazeux en entrée est composé de dihydrogène et de gaz naturel, représente, sous forme de courbe schématique, un séquencement de l’ouverture ou de la fermeture de vannes en fonction du temps. représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, représente, schématiquement, un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, représente, schématiquement, les proportions et quantités de gaz circulant dans le quatrième mode de réalisation représenté en et représente, schématiquement et sous forme de logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention. Dispositif (35) de séparation d’une espèce chimique sous forme gazeuse mélangé dans un réseau de gaz, caractérisé en ce qu’il comporte : - une conduite générale d’entrée (11) du mélange gazeux, ladite conduite d’entrée comportant un débitmètre (14) pour capter le débit du mélange gazeux entrant, - une première conduite de sortie (33) d’un premier mélange gazeux enrichi en espèce chimique sous forme gazeuse, - une deuxième conduite de sortie (26) d’un deuxième mélange gazeux appauvri en espèce chimique sous forme gazeuse, ladite deuxième conduite comportant un capteur (22) d’un taux représentatif de la concentration en espèce chimique, - au moins deux modules de séparation (20-1, 20-2, 20-3, 20-4, 20-5) par perméation membranaire montés en parallèle, chaque dit module étant configuré pour produire un rétentat et un perméat, chaque dit module étant connecté à la conduite générale d’entrée par un connecteur (16) comportant une vanne (17), et à chaque conduite de sortie, le perméat s’évacuant par la première conduite de sortie et le rétentat s’évacuant par la deuxième conduite de sortie et - un automate (34) de commande de chaque vanne configuré pour déterminer un nombre de vannes en position ouverte en fonction du débit du mélange gazeux et du taux représentatif de la concentration en espèce chimique et pour commander l’actionnement de tout ou partie des vannes en fonction du nombre déterminé. Dispositif (35) selon la revendication 1, dans lequel l’espère chimique sous forme gazeuse est du dihydrogène et le réseau de gaz est un réseau de gaz naturel. Dispositif (35) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel l’automate (34) de commande comporte : - un moyen de détermination d’au moins une durée d’ouverture de chaque vanne (17), et - un séquenceur de l’ouverture du nombre de vannes calculé en fonction de la durée d’ouverture déterminée pour chaque vanne. Dispositif (35) selon la revendication 3, dans lequel le moyen de détermination détermine une durée d’ouverture cumulée de chaque vanne (17) à partir d’un instant prédéterminé dit « d’initialisation ». Dispositif (35) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel : - chaque module de séparation comporte un capteur de température (28) et - l’automate (34) comporte un moyen de comparaison de la température captée avec une première valeur limite de température prédéterminée, et un moyen de commutation configuré pour fermer la vanne de chaque module de séparation dont la température captée est inférieure à la première valeur limite de température prédéterminée et ouvrir au moins une autre vanne d’un module de séparation dont la température captée est supérieure à la première valeur limite de température prédéterminée. Dispositif (35) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’automate (34) comporte un moyen de détection de l’indisponibilité d’un module de séparation, la vanne (17) de chaque module de séparation indisponible étant maintenue fermée par l’automate tant que chaque dit module de séparation est indisponible. Dispositif (35) selon l’une des revendications 1 à 6, qui comporte : - au niveau de la conduite générale d’entrée, un moyen de capture (13) de la pression du mélange gazeux, - au niveau de la première conduite de sortie, un moyen de capture (31) de la pression, - un moyen d’ajustement (29) de la pression du mélange gazeux au niveau de la première sortie en fonction de pression du mélange gazeux en entrée capturée. Dispositif (35) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’automate (34) comporte : - un moyen de comparaison du débit de mélange gazeux avec au moins un débit limite prédéterminé et - un moyen de comparaison du taux représentatif de la concentration en espèce chimique avec un taux limite prédéterminée, dans lequel l’automate est configuré pour augmenter ou diminuer le nombre de vannes (17) en position ouverte en fonction des comparaisons obtenues. Dispositif (35) selon la revendication 8, dans lequel le taux limite prédéterminé est d’un pour cent. Procédé (40) de séparation d’une espèce chimique sous forme gazeuse mélangé dans un réseau de gaz, caractérisé en ce qu’il comporte : - une étape d’entrée (41) d’un mélange gazeux, ladite conduite d’entrée comportant un débitmètre pour capter le débit du mélange gazeux entrant, - une étape de sortie (42) d’un premier mélange gazeux enrichi en espèce chimique sous forme gazeuse, - une étape de sortie (43) d’un deuxième mélange gazeux appauvri en espèce chimique sous forme gazeuse, ladite deuxième conduite comportant un capteur d’un taux représentatif de la concentration en espèce chimique, - une étape de séparation (44) par perméation membranaire par au moins deux modules de séparation par perméation membranaire montés en parallèle, chaque dit module étant configuré pour produire un rétentat et un perméat, chaque dit module étant connecté à la conduite générale d’entrée par un connecteur comportant une vanne, et à chaque conduite de sortie, le perméat s’évacuant par la première sortie et le rétentat s’évacuant par la deuxième sortie et - une étape de détermination (45) d’un nombre de vannes en position ouverte en fonction du débit du mélange gazeux et du taux représentatif de la concentration en espèce chimique et - une étape d’actionnement (46) de tout ou partie des vannes en fonction du nombre déterminé. Programme d’ordinateur comportant un ensemble d'instructions qui, quand exécutées par un ordinateur, réalise les étapes du procédé selon de la revendication 10.