Brevet FR3129935A1 — publié le 20230609

Machine de production de dihydrogène par pyrolyse d’un gaz (G) comprenant : un réacteur comprenant au moins un tube (2), au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité (2a) formant une entrée pour un gaz et une seconde extrémité (2b) opposée formant une sortie du gaz, un circuit d’alimentation électrique (3) relié au tube (2) pour chauffer le tube par effet Joule jusqu’à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz (G) circulant dans le tube (2), à la seconde extrémité du tube (2b), un organe de séparation (4) du gaz sortant du tube (Gp) et des particules solides (S) présentes dans le gaz (Gp), des moyens de collecte (5) des particules solides (S) un dispositif de traitement (6) du gaz après passage dans l’organe de séparation (4). FIGURE DE L’ABREGE: Fig. 1 Dispositif de production d’hydrogène par pyrolyse de gaz La présente invention concerne le domaine de la production de dihydrogène (H 2 ) par pyrolyse d’un gaz pur ou d’un mélange gazeux. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION Le dihydrogène, ou plus communément appelé molécule d’hydrogène ou simplement hydrogène est constitué de deux atomes d’hydrogène. L’hydrogène est couramment utilisé dans l’industrie pour la fabrication d’engrais chimiques ou dans l’industrie pétrolière, mais également comme énergie. La lutte contre le réchauffement climatique et l’utilisation d’énergie décarbonée a renforcé la recherche et le développement sur l’utilisation de l’hydrogène comme énergie, en particulier pour la motorisation des véhicules lourds (camions, bus, trains, avions…). Ainsi, on estime que les besoins mondiaux en hydrogène, tous secteurs confondus, vont passer de 71 millions de tonnes en 2019 à près de 137 millions de tonnes à l’horizon 2040 et jusqu’à 519 millions de tonnes en 2070 avec une utilisation essentiellement dans les transports et l’aviation (plus de 50%), dans l’industrie (environ 15%) et la production d’électricité (environ 15%). Pour répondre à cette demande, il est donc indispensable d’augmenter les capacités mondiales de production d’hydrogène. Actuellement, 45 millions de tonnes d’hydrogène sont produites par an, essentiellement à partir de matières premières fossiles telles que le pétrole, le charbon ou le gaz, par gazéification de charbon ou reformage à la vapeur de gaz naturel. Ces deux procédés émettent de grande quantité de gaz polluants ou à effet de serre tels que le CO ou le CO 2 . Il est aussi possible de produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau, mais cela suppose de consommer de l’eau ce qui n’est pas toujours possible. Des procédés biologiques de production d’hydrogène sont également en cours de développement, ils présentent des rendements encore faibles et produisent également du CO 2 . Un autre procédé connu sous le nom de « Kvaerner Carbon Black & Hydrogen » permet de produire de l’hydrogène et du carbone à partir d’hydrocarbures par craquage thermique à haute température. La quantité de chaleur nécessaire à la réalisation du craquage thermique (que l’on désigne couramment par le mot anglais « cracking ») est fournie par un brûleur à plasma à base d’hydrogène recyclé issu dudit procédé ce qui ampute la quantité d’hydrogène obtenue et en fait un procédé très consommateur en énergie avec un rendement en hydrogène peu efficace. En outre, l’hydrogène est souvent produit dans de grandes unités nécessitant son transport desdites unités jusqu’au lieu d’utilisation finale sur parfois de longues distances, accroissant encore le coût environnemental de la production d’hydrogène. Ainsi, il est nécessaire de développer des procédés plus efficaces, moins polluants et moins énergivores, il convient également de proposer des unités de production de dihydrogène locales, facile à mettre en œuvre et à dimensionner en fonction de la quantité de dihydrogène à produire. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but de proposer une machine de production de dihydrogène par pyrolyse d’un gaz, notamment d’un gaz hydrocarboné, facile à installer localement, que l’on peut dimensionner en fonction de la quantité de dihydrogène à produire, une installation de production de dihydrogène, ainsi qu’un procédé de production de dihydrogène par pyrolyse d’un gaz, notamment d’un gaz hydrocarboné, pouvant être réalisé localement, plus efficace, moins énergivore et moins polluant que les modes de production existants. A cet effet, on prévoit, selon l’invention, une machine de production de dihydrogène par pyrolyse d’un gaz comprenant : un réacteur comprenant au moins un tube, au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité formant une entrée pour un gaz et une seconde extrémité opposée formant une sortie du gaz, un circuit d’alimentation électrique relié au tube pour chauffer le tube par effet Joule jusqu’à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz circulant dans le tube, à la seconde extrémité du tube, un organe de séparation du gaz sortant du tube et des particules solides présentes dans le gaz, des moyens de collecte des particules solides un dispositif de traitement du gaz après passage dans l’organe de séparation. La machine selon l’invention est particulièrement adaptée pour traiter un gaz hydrocarboné, dans laquelle les particules solides récupérées par les moyens de collecte sont essentiellement du carbone et le gaz sortant du dispositif de traitement est essentiellement du dihydrogène. Selon des caractéristiques particulières de l’invention, utilisables seules ou en combinaison : le réacteur de la machine comprend un tube dont le diamètre, la longueur déployée, le diamètre de cintrage et le nombre de spires sont définis selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à traiter, selon le temps de séjour et la vitesse minimum du gaz à traiter dans le réacteur et selon le rapport entre la quantité d’énergie électrique nécessaire pour chauffer le tube par effet Joule et l’énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse ; le tube est logé dans un caisson étanche rempli de billes d’isolants résistant à haute température ; le circuit d’alimentation électrique de ladite machine comprend préférentiellement au moins un moteur ou une turbine à gaz ; l’organe de séparation des particules de carbone générées par la pyrolyse est constitué par au moins un cyclone ; le dispositif de traitement du gaz pyrolysé comprend au moins un dispositif d’adsorption par inversion de pression permettant de purifier le dihydrogène ; un dispositif de préchauffage est monté en amont du tube pour préchauffer le gaz préalablement à son entrée dans le tube. L’invention concerne également une installation de production de dihydrogène par pyrolyse d’un gaz hydrocarboné, comprenant : (a) un dispositif de circulation de gaz, (b) un dispositif de préchauffage du gaz, (c) un réacteur comprenant au moins un tronçon de tube, au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité formant une entrée du gaz et une seconde extrémité opposée formant une sortie du gaz, (d) un circuit d’alimentation électrique relié au tube pour chauffer le tronçon de tube par effet Joule jusqu’à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz circulant dans le tube, comprenant au moins un moteur ou une turbine à gaz, (e) un organe de refroidissement/séparation du gaz pyrolysé sortant du tube d’une part et des particules solides présentes dans ledit gaz pyrolysé d’autre part, (f) un dispositif de collecte des particules solides, (g) un dispositif de traitement du gaz pyrolysé pour séparer dans le gaz pyrolysé le dihydrogène des gaz résiduels, le dihydrogène étant mis sous pression et les gaz résiduels étant utilisés pour alimenter le moteur ou la turbine à gaz du circuit d’alimentation électrique. De manière préférentielle et en fonction de la quantité d’hydrogène à produire, le réacteur comprend une batterie de tronçons de tube reliés deux à deux en série et s’étendant parallèlement entre eux et en regard les uns des autres, chaque tronçon, étant conformé en spirale avec un diamètre compris entre 25 et 250 mm, une longueur déployée comprise entre 20 m et 150 m, un diamètre de cintrage compris entre 100 mm et 3000 mm. Les dimensions respectives des tronçons de tube ainsi que le nombre de tronçons sont adaptés en fonction de la quantité d’hydrogène à produire. Préférentiellement encore, le dispositif de traitement de l’installation comprend au moins un dispositif d’adsorption par inversion de pression. L’invention concerne également un procédé de production de dihydrogène à partir de gaz hydrocarboné comprenant les étapes de : préchauffer le gaz à traiter ; injecter le gaz à traiter préchauffé dans au moins un tube à passage de courant, le nombre et la configuration du tube à passage de courant étant dimensionnés selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à traiter et selon le rapport entre la quantité d’énergie électrique nécessaire pour chauffer le tube par effet Joule et l’énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse ; en aval du tube, refroidir le gaz pyrolysé sortant du tube et séparer les particules solides présentes dans ledit gaz pyrolysé dudit gaz pyrolysé ; collecter les particules solides ; traiter le gaz par adsorption par inversion de pression pour séparer dans le gaz le dihydrogène des gaz résiduels conditionner le dihydrogène. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : : schéma d’une machine selon l’invention où la double flèche représente la circulation du gaz, la flèche en gras la récupération des particules solides, la flèche en trait simple l’alimentation électrique et la flèche en pointillée l’échangeur thermique. : vue schématique du réacteur : schéma d’une installation comprenant une batterie de tronçons de tube en série Machine de production de dihydrogène par pyrolyse d’un gaz (G) comprenant : un réacteur comprenant au moins un tube (2), au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité (2a) formant une entrée pour un gaz et une seconde extrémité (2b) opposée formant une sortie du gaz, un circuit d’alimentation électrique (3) relié au tube (2) pour chauffer le tube par effet Joule jusqu’à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz (G) circulant dans le tube (2), à la seconde extrémité du tube (2b), un organe de séparation (4) du gaz sortant du tube (Gp) et des particules solides (S) présentes dans le gaz (Gp), des moyens de collecte (5) des particules solides (S) un dispositif de traitement (6) du gaz après passage dans l’organe de séparation (4). Machine selon la revendication 1, agencée pour traiter un gaz hydrocarboné (G), dans laquelle les particules solides (S) récupérées par les moyens de collecte (5) sont essentiellement du carbone et le gaz (Gp) sortant du dispositif de traitement (6) est essentiellement du dihydrogène (H 2 ). Machine selon la revendication 1, dans laquelle le tube (2) a un diamètre, une longueur déployée, un diamètre de cintrage et un nombre de spires définis selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à traiter, selon le temps de séjour et la vitesse minimum du gaz à traiter dans le réacteur et selon le rapport entre la quantité d’énergie électrique nécessaire pour chauffer le tube par effet Joule et l’énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse. Machine selon la revendication 1, dans laquelle le réacteur comprend au moins un tube à passage de courant (2) logé dans un caisson étanche (2c) rempli de billes d’isolants haute température (2d). Machine selon la revendication 1, dans laquelle le circuit d’alimentation électrique (3) comprend au moins un moteur ou une turbine à gaz (3a). Machine selon la revendication 1, dans laquelle l’organe de séparation (4) comprend au moins un cyclone. Machine selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de traitement (6) comprend au moins un dispositif d’adsorption par inversion de pression. Machine selon la revendication 1, comprenant un dispositif de préchauffage (1) monté en amont du tube pour préchauffer le gaz (G) préalablement à son entrée dans le tube (2). Installation de production de dihydrogène par pyrolyse d’un gaz hydrocarboné, comprenant : un dispositif d’alimentation et de circulation de gaz (3, 3a) ; un dispositif de préchauffage du gaz (1, 1a) ; un réacteur comprenant au moins un tronçon de tube (2), au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité formant une entrée du gaz (2a) et une seconde extrémité opposée (2b) formant une sortie du gaz ; un circuit d’alimentation électrique (3) relié au tube (2) pour chauffer le tronçon de tube par effet Joule jusqu’à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz circulant dans le tube, comprenant au moins un moteur ou une turbine à gaz (3a) ; un organe de refroidissement/séparation (4) du gaz pyrolysé (Gp) sortant du tronçon de tube (2) d’une part et des particules solides (S) présentes dans le gaz pyrolysé (Gp) d’autre part ; un dispositif de collecte (5) des particules solides (S) ; un dispositif de traitement (6) du gaz pyrolysé (Gp) pour séparer dans ledit gaz pyrolysé d’une part le dihydrogène (H 2 ) et d’autre part les gaz résiduels (Off-gaz), le dihydrogène étant mis sous pression et les gaz résiduels étant utilisés pour alimenter le moteur ou la turbine à gaz (3a) du circuit d’alimentation électrique (3). Installation selon la revendication 9, dans laquelle le réacteur comprend une batterie de tronçons reliés deux à deux en série et s’étendant parallèlement entre eux et en regard les uns des autres, chaque tronçon étant conformé en spirale avec un diamètre compris entre 25 et 250 mm, une longueur déployée comprise entre 20 m et 150 m, un diamètre de cintrage compris entre 100 mm et 3000 mm. Installation selon la revendication 9 ou 10 dans laquelle le dispositif de traitement (6) comprend au moins un dispositif d’adsorption par inversion de pression. Procédé de production de dihydrogène à partir de gaz hydrocarboné comprenant les étapes de : préchauffer le gaz à traiter ; injecter le gaz à traiter préchauffé dans au moins un tube à passage de courant, le nombre et la configuration du tube à passage de courant étant dimensionnés selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à traiter et selon le rapport entre la quantité d’énergie électrique nécessaire pour chauffer le tube par effet joule et l’énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse ; en aval du tube, refroidir le gaz pyrolysé sortant du tube et séparer les particules solides présentes dans ledit gaz pyrolysé dudit gaz pyrolysé ; collecter les particules solides ; traiter le gaz par adsorption par inversion de pression pour séparer dans le gaz le dihydrogène et des gaz résiduels conditionner le dihydrogène.