Brevet FR3125436A1 — publié le 20230127

TITRE : DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE SÉPARATION D’UN MÉLANGE GAZEUX COMPORTANT AU MOINS DU GAZ NATUREL ET DU DIHYDROGÈNE Un dispositif (100) de séparation d’un mélange de gaz naturel et du dihydrogène, qui comporte : - une conduite d’alimentation (101), - un premier module de séparation par perméation membranaire (102) configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le rétentat s’évacuant par la première conduite de sortie et le perméat étant introduit en entrée d’un deuxième module de séparation par perméation membranaire - un deuxième module de séparation par perméation membranaire (106), le rétentat s’évacuant par une première conduite de recirculation (107) connectée à l’entrée du premier module de séparation et le perméat s’évacuant par une troisième conduite de sortie (108) et - le rétentat du deuxième module de séparation par perméation membranaire recirculé en entrée du premier module de séparation par perméation, présente une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la conduite d’alimentation. Figure de l’abrégé : Figure 7 DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE SÉPARATION D’UN MÉLANGE GAZEUX COMPORTANT AU MOINS DU GAZ NATUREL ET DU DIHYDROGÈNE Domaine technique de l’invention La présente invention vise un dispositif et un procédé de séparation d’un mélange gazeux comportant au moins du gaz naturel et du dihydrogène. L’invention s’applique, notamment, à la séparation d’un mélange gazeux circulant dans un réseau de transport et de distribution de gaz naturel. 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’un mélange gazeux comportant au moins du gaz naturel et du dihydrogène, qui comporte : - une conduite d’alimentation transportant le mélange gazeux, - une première conduite de sortie du dispositif de séparation, - un premier module de séparation par perméation membranaire configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le premier module de séparation par perméation membranaire étant connecté en entrée à la conduite d’alimentation, le rétentat s’évacuant par la première conduite de sortie et le perméat s’évacuant par une deuxième conduite de sortie, - un deuxième module de séparation par perméation membranaire configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le deuxième module de séparation par perméation membranaire étant connecté en entrée à la deuxième conduite de sortie, le rétentat s’évacuant par une première conduite de recirculation connectée à l’entrée du premier module de séparation et le perméat s’évacuant par une troisième conduite de sortie et - le rétentat du deuxième module de séparation par perméation membranaire recirculé en entrée du premier module de séparation par perméation, présente une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la conduite d’alimentation. Grâce à ces dispositions, il est possible de recirculer le flux collecté au rétentat du deuxième étage au niveau de l’alimentation des étages précédents. Cette méthode soulève par ailleurs d’autres difficultés, car la recirculation de ces rétentats modifie la composition d’alimentation des modules précédents et impacte donc leur fonctionnement. Ces modes de réalisation permettent de s’affranchir des difficultés de rétrodépendance en régulant le fonctionnement du deuxième module de séparation par perméation. Le mélange gazeux obtenu, au niveau du rétentat dudit deuxième module de séparation par perméation, un mélange gazeux dont la composition est très proche de la composition alimentant le premier module de séparation par perméation. De cette façon, le fonctionnement du premier module de séparation par perméation n’est pas impacté par le fonctionnement du deuxième module de séparation par perméation. Le dispositif est alors capable de protéger les usages sensibles à l’hydrogène et récupérer et d’épurer de l’hydrogène. Dans des modes de réalisation, le dispositif de séparation objet de la présente invention comporte au moins un compresseur disposé en amont de l’entrée du deuxième de module de séparation. Grâce à ces dispositions, il est possible de compenser la perte de pression au perméat du premier module de séparation par perméation et d’adapter les conditions de fonctionnement du deuxième module de séparation par perméation. Dans des modes de réalisation, la conduite d’alimentation transporte un mélange gazeux présentant une proportion volumique de dihydrogène comprise entre 3 % et 15 %. Grâce à ces dispositions, la proportion volumique de dihydrogène dans la conduite d’alimentation correspond à celle d’une conduite de transport de gaz naturel. Dans des modes de réalisation, le rétentat évacué en sortie du premier module de séparation par perméation membranaire présente une proportion volumique de moins de 2 % en dihydrogène. Grâce à ces dispositions, les usages sensibles à l’hydrogène connectés à la première conduite de sortie sont protégés. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un troisième module de séparation configuré pour produire un deuxième mélange gazeux appauvri en dihydrogène et un troisième mélange gazeux enrichi en dihydrogène. Dans des modes de réalisation, le troisième module de séparation est un module de séparation par perméation membranaire connectée en entrée à la troisième conduite de sortie, le deuxième mélange gazeux s’évacuant par une deuxième conduite de recirculation connectée à l’entrée du deuxième module de séparation et le troisième mélange gazeux s’évacuant par une quatrième conduite de sortie (111), le deuxième mélange gazeux recirculé présente une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la deuxième sortie. Grâce à ces dispositions, le dihydrogène résiduel peut être épuré et récupéré. Dans des modes de réalisation, le troisième module de séparation comporte au moins un module d’adsorption modulée. Dans des modes de réalisation, le troisième module de séparation comporte un module de pompage d’hydrogène électrochimique (d’acronyme « EHP » pour « Electrochemical Hydrogen Pumping » ou « Electrochemical Hydrogen Permeation » en anglais). Dans des modes de réalisation, le troisième module de séparation comporte un module de pompage d’hydrogène électrochimique (d’acronyme « EHP » pour « Electrochemical Hydrogen Pumping » ou « Electrochemical Hydrogen Permeation » en anglais) puis un module d’adsorption modulée en pression connecté à une sortie du module de pompage d’hydrogène électrochimique d’acheminement d’un mélange gazeux enrichi en dihydrogène. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un deuxième compresseur disposé en amont de l’entrée du troisième module de séparation. Grâce à ces dispositions, il est possible de compenser la baisse de pression suite à la séparation par perméation du deuxième module. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de séparation d’un mélange gazeux comportant au moins du gaz naturel et du dihydrogène, qui comporte : - une étape d’alimentation en mélange gazeux, - une première étape de sortie du dispositif de séparation, - une étape de séparation par perméation membranaire par un premier module de séparation par perméation membranaire configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le premier module de séparation par perméation étant connecté en entrée à la conduite d’alimentation, le rétentat s’évacuant par la première conduite de sortie et le perméat s’évacuant par une deuxième conduite de sortie et - une étape de séparation par perméation membranaire par un deuxième module de séparation par perméation membranaire configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le deuxième module de séparation par perméation étant connecté en entrée à la deuxième conduite de sortie, le rétentat s’évacuant par une première conduite de recirculation connectée à l’entrée du premier module de séparation et le perméat s’évacuant par une troisième conduite de sortie, - une étape de recirculation du rétentat du deuxième module de séparation par perméation membranaire en entrée du premier module de séparation par perméation membranaire, le rétentat présentant une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la conduite d’alimentation. Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte, de plus une étape de séparation par un troisième module de séparation configuré pour produire un deuxième mélange gazeux appauvri en dihydrogène et un troisième mélange gazeux enrichi en dihydrogène, le troisième module de séparation étant connecté en entrée à la troisième conduite de sortie. Dans des modes de réalisation, l’étape de séparation par le troisième module de séparation est réalisée par perméation membranaire et le deuxième mélange gazeux s’évacue par une deuxième conduite de recirculation connectée à l’entrée du deuxième module de séparation et le troisième mélange gazeux s’évacuant par une quatrième conduite de sortie ; le procédé objet de la présente invention comportant, de plus, une étape de recirculation du deuxième mélange gazeux en entrée du deuxième module de séparation par perméation membranaire, le deuxième mélange gazeux recirculé présentant une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la deuxième sortie. Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente 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 (100, 200) de séparation d’un mélange gazeux comportant au moins du gaz naturel et du dihydrogène, caractérisé en ce qu’il comporte : - une conduite d’alimentation (101) transportant le mélange gazeux, - une première conduite de sortie (103) du dispositif de séparation, - un premier module de séparation par perméation membranaire (102) configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le premier module de séparation par perméation membranaire étant connecté en entrée à la conduite d’alimentation, la première conduite de sortie configurée pour évacuer le rétentat et une deuxième conduite de sortie (104) configurée pour évacuer le perméat, - un deuxième module de séparation par perméation membranaire (106) configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le deuxième module de séparation par perméation membranaire étant connecté en entrée à la deuxième conduite de sortie, une première conduite de recirculation (107) configurée pour évacuer le rétentat connectée à l’entrée du premier module de séparation et une troisième conduite de sortie (108) configurée pour évacuer le perméat et - le rétentat du deuxième module de séparation par perméation membranaire recirculé en entrée du premier module de séparation par perméation, présentant une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la conduite d’alimentation. Dispositif (100, 200) de séparation selon la revendication 1, qui comporte au moins un compresseur (105) disposé en amont de l’entrée deuxième module de séparation. Dispositif (100, 200) de séparation selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la conduite d’alimentation (101) est configurée pour transporter un mélange gazeux présentant une proportion volumique de dihydrogène comprise entre 3 % et 15 %. Dispositif de séparation (100, 200) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, le premier module de séparation par perméation membranaire est configuré pour que le rétentat présente une proportion volumique de moins de 2 % en dihydrogène. Dispositif (200) de séparation selon l’une des revendications 1 à 4, qui comporte, un troisième module de séparation (110) configuré pour produire un deuxième mélange gazeux appauvri en dihydrogène et un troisième mélange gazeux enrichi en dihydrogène. Dispositif (200) de séparation selon la revendication 5, dans lequel le troisième module de séparation (110) est un module de séparation par perméation membranaire connecté en entrée à la troisième conduite de sortie (108), le deuxième mélange gazeux s’évacuant par une deuxième conduite de recirculation (112) connectée à l’entrée du deuxième module de séparation et le troisième mélange gazeux s’évacuant par une quatrième conduite de sortie (111), le deuxième mélange gazeux recirculé présente une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la deuxième sortie (104). Dispositif (200) de séparation selon la revendication 5, dans lequel le troisième module de séparation (110) comporte au moins un module d’adsorption modulée. Dispositif (200) de séparation selon l’une des revendications 5 ou 7, dans lequel le troisième module de séparation (110) comporte un module de pompage d’hydrogène électrochimique (d’acronyme « EHP » pour « Electrochemical Hydrogen Pumping » ou « Electrochemical Hydrogen Permeation » en anglais). Dispositif (200) de séparation selon les revendications 7 et 8, dans lequel le troisième module de séparation (110) comporte un module de pompage d’hydrogène électrochimique (d’acronyme « EHP » pour « Electrochemical Hydrogen Pumping » ou « Electrochemical Hydrogen Permeation » en anglais) puis un module d’adsorption modulée en pression connecté à une sortie du module de pompage d’hydrogène électrochimique d’acheminement d’un mélange gazeux enrichi en dihydrogène. Dispositif (200) de séparation selon l’une des revendications 5 à 9, qui comporte, un deuxième compresseur (109) disposé en amont de l’entrée du troisième module de séparation. Procédé (400) de séparation d’un mélange gazeux comportant au moins du gaz naturel et du dihydrogène, caractérisé en ce qu’il comporte : - une étape d’alimentation (401) en mélange gazeux, - une première étape de sortie (402) du dispositif de séparation, - une étape de séparation (403) par perméation membranaire par un premier module de séparation par perméation membranaire configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le premier module de séparation par perméation étant connecté en entrée à la conduite d’alimentation, le rétentat s’évacuant par la première conduite de sortie et le perméat s’évacuant par une deuxième conduite de sortie et - une étape de séparation (404) par perméation membranaire par un deuxième module de séparation par perméation membranaire configuré pour produire un rétentat appauvri en dihydrogène et un perméat enrichi en dihydrogène, le deuxième module de séparation par perméation étant connecté en entrée à la deuxième conduite de sortie, le rétentat s’évacuant par une première conduite de recirculation connectée à l’entrée du premier module de séparation et le perméat s’évacuant par une troisième conduite de sortie, - une étape de recirculation (405) du rétentat du deuxième module de séparation par perméation membranaire en entrée du premier module de séparation par perméation membranaire, le rétentat présentant une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la conduite d’alimentation. Procédé (400) de séparation selon la revendication 11, qui comporte, de plus, une étape de séparation (406) par un troisième module de séparation configuré pour produire un deuxième mélange gazeux appauvri en dihydrogène et un troisième mélange gazeux enrichi en dihydrogène, le troisième module de séparation étant connecté en entrée à la troisième conduite de sortie. Procédé (400) de séparation selon la revendication 12, dans lequel : - l’étape de séparation (406) par un troisième module de séparation est réalisée par perméation membranaire et - le deuxième mélange gazeux s’évacue par une deuxième conduite de recirculation connectée à l’entrée du deuxième module de séparation et le troisième mélange gazeux s’évacuant par une quatrième conduite de sortie ; le procédé comportant, de plus, une étape de recirculation (407) du deuxième mélange gazeux en entrée du deuxième module de séparation par perméation membranaire, le deuxième mélange gazeux recirculé présentant une proportion volumique en dihydrogène égale à la proportion volumique en dihydrogène du mélange gazeux de la deuxième sortie.