Brevet FR3159658A1 — publié le 20250829

L’invention concerne un dispositif de surchauffe comprenant une chambre de combustion (10) comprenant une entrée de carburant, une entrée de comburant et une entrée de chaleur pour recevoir une chaleur à une température moyenne (Tm) comprise entre 150°C et 500°C, la chambre de combustion étant adaptée pour brûler le carburant pour chauffer et produire une chaleur (Th) à une haute température supérieure à 600°C. Application à la réalisation d’installations industrielles nécessitant une énergie thermique à haute température. Figure 1 Dispositif de surchauffe Domaine technique de l’invention Le domaine technique de l’invention concerne les installations industrielles où une chaleur supérieure à 600°C est nécessaire pour la production à grande échelle notamment de produits gazeux, par exemple du dihydrogène H2 ou de l’ammoniac NH3. État de la technique De nombreux procédés industriels nécessitent l’utilisation à grande échelle de chaleur et de fluides à hautes températures, supérieures à 600°C. On peut citer par exemple la fabrication du dihydrogène H2 par vaporeformage de méthane CH4, principal procédé utilisé aujourd’hui pour la production de dihydrogène, ou bien la fabrication du dihydrogène par électrolyse de l’eau à haute température, procédé au rendement bien plus intéressant que l’électrolyse de l’eau à basse température grâce à des dispositifs à membranes, de l’ordre de 80°C à 100°C. On peut citer également la fabrication d’ammoniac à partir de dihydrogène et de diazote. Dans de tels procédés, la chaleur est classiquement apportée par la combustion du méthane CH4 et plus généralement par la combustion de produits issus de ressources fossiles. De tels procédés de chauffage ont l’inconvénient de consommer une énergie non renouvelable ; ils ont également l’inconvénient de produire du CO2. L’invention propose une solution technique pour pallier tout ou partie des inconvénients exposés ci-dessus. A cet effet, l’invention propose un dispositif de surchauffe comprenant une chambre de combustion comprenant une entrée de carburant, une entrée de comburant et une entrée de chaleur pour recevoir une chaleur à une température moyenne (Tm) comprise entre 150°C et 500°C, la chambre de combustion étant adaptée pour brûler le carburant pour chauffer et produire une chaleur (Th) à une haute température supérieure à 600°C. La réaction de combustion est amorcée grâce à la chaleur reçue par la chambre de combustion. L’invention propose ainsi, à partir d’une source de chaleur (c’est-à-dire d’énergie thermique) à température moyenne, inférieure à 500°C, de produire de la chaleur à plus haute température, supérieure à 600°C ; couplé à une source de chaleur à température moyenne, le dispositif selon l’invention forme ainsi un ensemble de cogénération à haut rendement. L’invention propose ainsi une source de chaleur à une température suffisante pour mettre en œuvre des procédés industriels à haute température, à partir d’une énergie de récupération ou, plus généralement, à partir d’une énergie plus verte que les procédés de chauffage actuellement dans l’industrie. L’invention concerne également une installation industrielle comprenant un dispositif de surchauffe tel que décrit ci-dessus et un dispositif de production de dihydrogène dont une entrée est reliée à la sortie de chaleur du dispositif de surchauffe et dont une sortie est reliée à l’entrée de carburant du dispositif de surchauffe. La chaleur à haute température sortant du dispositif de surchauffe est ainsi utilisée pour produire du dihydrogène dont une partie est réintroduite comme carburant dans la chambre de combustion pour entretenir la production de chaleur à haute température. Présentation des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d’un exemple de mise en œuvre de l'invention. Cet exemple est donné à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels : la FIG. 1 est une vue du dispositif essentiel de l’invention, la FIG. 2 est une vue d’une installation utilisant le dispositif de la FIG. 1 Sur les différentes figures, les éléments identiques, dans leur fonction ou leur structure, sont référencés avec les mêmes repères. Classiquement, pour les physiciens, la chaleur est une énergie thermique. Par convention, dans le cadre de l’invention, on utilisera le mot « chaleur » pour parler d’un fluide caloporteur transportant une énergie thermique fonction d’une température et d’une capacité calorifique du fluide caloporteur, et on parlera de température de la chaleur pour parler de la température du fluide caloporteur transportant l’énergie thermique associée. On définit également les notions suivantes : une température « moyenne » est une température comprise entre 150°C et 500°C, une « haute » température est une température supérieure à 600°C. Description détaillée Comme dit précédemment, l’invention concerne un dispositif de surchauffe 10 comprenant une chambre de combustion 11 comprenant une entrée de carburant, une entrée de comburant et une entrée de chaleur pour recevoir une chaleur à une température moyenne Tm comprise entre 150°C et 500°C, la chambre de combustion étant adaptée pour brûler le carburant et le comburant pour chauffer et produire une chaleur à une haute température Th supérieure à 600°C. La chaleur (ou fluide caloporteur) peut être de la vapeur d’eau ou tout autre fluide caloporteur approprié. Le dispositif de surchauffe peut ainsi être vu comme un dispositif qui produit de la chaleur, c’est-à-dire une énergie thermique, à haute température. Idéalement, le dispositif de surchauffe selon l’invention est inséré dans une installation industrielle ; il reçoit de la chaleur dite « perdue » issue de la mise en œuvre d’un procédé industriel ou d’une unité de production d’électricité et fournit une chaleur à plus haute température pour permettre la mise en œuvre d’un autre procédé industriel. Dans certaines applications, la différence entre la haute température et la température moyenne peut être faible. Il n’empêche que certains procédés industriels thermochimiques ont besoin d’une température minimale, en plus d’une quantité d’énergie Le carburant est de préférence du dihydrogène gazeux H2 et le comburant est un gaz comprenant du dioxygène gazeux O2 ; la chambre de combustion est agencée pour mettre en œuvre une réaction de combustion de dihydrogène 2H2 + 02 → H2O, réaction connue pour ses capacités exothermiques et son pouvoir calorifique importants. La chaleur issue de la combustion est utilisée pour chauffer et produire la chaleur à haute température. La réaction de combustion est amorcée grâce à la chaleur reçue par la chambre de combustion. Le comburant peut être de l’air comprenant environ 21 % de dioxygène nécessaire à la combustion du dihydrogène. L’inconvénient est la coproduction non souhaitée d’oxydes d’azote (communément appelés NOx) liés à la présence d’azote dans l’air. Avantageusement, le comburant peut être du dioxygène O2 gazeux pour mettre en œuvre une oxycombustion. En excluant l’azote de la combustion, la température de flamme augmente, ce qui augmente la température du deuxième fluide caloporteur et augmente le rendement du dispositif (en terme de quantité de chaleur produite). Egalement, la quantité de fumées générée est limitée et la production d’oxydes d’azote est évitée. Le dispositif de surchauffe comprend également un moyen de réglage configuré pour piloter le fonctionnement de la chambre de combustion. Notamment, le moyen de réglage ajuste le débit de carburant et le débit de comburant pour optimiser le rendement de la combustion. Le moyen de réglage tient compte de la température et de la quantité de chaleur entrante dans la chambre de combustion, et de la température et de la quantité de chaleur souhaitées en sortie de la chambre de combustion. En particulier, le moyen de réglage ajuste le débit de carburant et le débit de comburant pour réaliser une combustion stœchiométrique par la fourniture, dans la chambre de combustion, d’une mole de O2 pour deux moles de H2. Le dispositif de surchauffe représenté FIG. 1 comprend également un échangeur de sortie 12 comprenant un circuit primaire dont une entrée est reliée à une sortie de chaleur de la chambre de combustion 11. La sortie « froide » du circuit primaire (non représentée FIG. 1 ) est reliée de manière classique à une entrée de la chambre de combustion. L’échangeur 12 comprend également, de manière classique, un circuit secondaire couplé thermiquement au circuit primaire pour assurer le transfert de chaleur du circuit primaire vers le circuit secondaire ; le circuit secondaire comprend une sortie de chaleur couplée à une entrée de chaleur d’un dispositif consommateur de chaleur (non représenté FIG. 1 ) à haute température Th et une entrée « froide » reliée à une sortie du dispositif consommateur de chaleur. De manière classique encore, dans le circuit primaire comme dans le circuit secondaire, la chaleur-énergie est transportée par un fluide caloporteur approprié. En variante (non représentée), l’échangeur de sortie comprend uniquement un circuit secondaire placé en sortie de la chambre de combustion et dont la sortie de chaleur est couplée à une entrée de chaleur du dispositif consommateur de chaleur à haute température. Enfin, l’eau pure produite dans la chambre de combustion sous forme de vapeur peut être condensée et réutilisée dans des procédés où une eau déminéralisée est nécessaire, comme par exemple l’électrolyse de l’eau à des fins de production de dihydrogène. Le dispositif selon l’invention peut encore comprendre une source de chaleur 20 fournissant une chaleur à la température moyenne, et un échangeur d’entrée 30 comprenant un circuit primaire dont une entrée est reliée (flèche en trait plein) à une sortie de chaleur de la source de chaleur et un circuit secondaire dont une sortie est reliée (flèche en trait plein) à une entrée de chaleur de la chambre de combustion pour fournir la chaleur à température moyenne Tm à la chambre de combustion. La source de chaleur peut être de tout type, apte à chauffer un fluide caloporteur à une température moyenne de 150°C à 500°C. Par exemple, la source de chaleur peut être un dispositif de récupération de chaleur perdue d’une installation industrielle. La source de chaleur peut également être un réacteur nucléaire de quatrième génération tel qu’un réacteur à neutrons rapides refroidi au plomb (ou LFR - Lead-cooled fast Reactor) ou au sodium (ou SFR – Sodium Fast Reactor). Le dispositif selon l’invention est ainsi utilisé dans une installation de cogénération pour réutilisation de la chaleur coproduite par la source qui produit principalement une autre énergie (par exemple une énergie électrique) ou un autre produit. L’échangeur d’entrée 30 et les fluides caloporteurs utilisés pour transporter la chaleur dans le circuit primaire et dans le circuit secondaire de l’éhangeur 30 sont choisis notamment en fonction de la source de chaleur 20, des quantités de chaleur à transférer, de la température Tm de la chaleur à transférer. L’échangeur est par exemple un échangeur spiral optimisé pour le transfert de chaleur entre le circuit primaire et le circuit secondaire à la température moyenne comprise entre 150 et 500°C. Dans le cas où la source de chaleur est un réacteur refroidi au plomb, le fluide caloporteur utilisé dans le primaire sera du plomb et le fluide caloporteur utilisé dans le circuit secondaire sera par exemple de l’eau. Le dispositif de surchauffe selon l’invention peut être utilisé dans toute installation industrielle nécessitant de la chaleur (énergie) à une température élevée. Une première application envisagée est la réalisation d’une installation comprenant un dispositif de surchauffe 10 tel que décrit ci-dessus et un dispositif de production de dihydrogène 40 dont une entrée de chaleur est reliée (flèche en trait plein) à la sortie de chaleur du dispositif de surchauffe 10 pour recevoir la chaleur à haute température Th et dont une sortie est reliée (flèche en pointillés) à l’entrée de carburant du dispositif de surchauffe. La chaleur à haute température sortant du dispositif de surchauffe est ainsi utilisée pour produire du dihydrogène dont une partie est ainsi réintroduite comme carburant dans la chambre de combustion pour entretenir la production de chaleur à haute température. A titre d’exemple, 6 à 13 kg de dihydrogène réintroduits dans le dispositif de surchauffe peuvent permettre d’obtenir, à partir d’une chaleur entrante comprise entre 150 et 500°C, une chaleur sortante à 850°C, tout en évitant le craquage de l’eau, phénomène qui apparaît pour une vapeur d’eau à 850°C (dans le cas où la chaleur est sous forme de vapeur d’eau). De manière similaire, si le procédé de production de dihydrogène mis en œuvre génère du dioxygène comme gaz coproduit, le dioxygène peut être réintroduit dans la chambre de combustion. L’installation complète est ainsi autonome en dihydrogène et éventuellement également en dioxygène pour la production de chaleur, tout en produisant, massivement, du dihydrogène. Idéalement, le dispositif de production de dihydrogène 40 est configuré pour mettre en œuvre un procédé de production de dihydrogène à une température supérieure à 600°C ; par exemple un procédé de type reformage, pyrolyse d’un produit issu du pétrole (méthane, éthanol, etc.). Ces procédés sont actuellement les plus utilisés pour produire du dihydrogène ; l’invention permet de les rendre plus vertueux en utilisant une chaleur issue de la combustion du dihydrogène plutôt qu’une chaleur issue de la combustion de produits pétroliers comme c’est le cas actuellement. En variante, le dispositif de production de dihydrogène peut mettre en œuvre un procédé d’électrolyse de l’eau à haute température, notamment à oxydes solides (ou SOEC – Solid Oxide Electroliser Cell), qui a un rendement intéressant, en termes de transformation de chaleur en énergie chimique H2. D’autres applications de l’invention peuvent être envisagées. Par exemple, un dispositif de surchauffe peut être couplé à une installation de production d’ammoniac NH3. L’ammoniac étant produit essentiellement à partir de dihydrogène H2 et de diazote, une partie du dihydrogène produit ou introduit dans l’installation peut être réinjecté dans la chambre de combustion. Dispositif de surchauffe (10) comprenant une chambre de combustion (11) comprenant une entrée de carburant, une entrée de comburant et une entrée de chaleur pour recevoir une chaleur à une température moyenne (Tm) comprise entre 150°C et 500°C, la chambre de combustion étant adaptée pour brûler le carburant pour chauffer et produire une chaleur (Th) à une haute température supérieure à 600°C. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le carburant est du dihydrogène gazeux (H2), dans lequel le comburant est un gaz comprenant du dioxygène gazeux (O2) et dans lequel la chambre de combustion est agencée pour mettre en œuvre une réaction de combustion de dihydrogène 2H2 + 02 → H2O. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel le comburant est du dioxygène gazeux (O2). Dispositif selon la revendication 3 comprenant un moyen de réglage configuré pour ajuster un débit de comburant et un débit de carburant pour réaliser une combustion stœchiométrique. Dispositif selon l’une des revendications précédentes comprenant également un échangeur de chaleur de sortie (12) comprenant un circuit primaire dont une entrée est reliée à une sortie de chaleur de la chambre de combustion (10). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant également une source de chaleur (20) fournissant la chaleur à la température moyenne, et un échangeur d’entrée de chaleur comprenant un circuit primaire dont une entrée chaude est reliée à une sortie de la source de chaleur et un circuit secondaire dont une sortie chaude est reliée à une entrée de chaleur de la chambre de combustion. Installation industrielle comprenant un dispositif de surchauffe (10) selon l’une des revendications précédentes et un dispositif de production de dihydrogène (40) dont une entrée est reliée à la sortie de chaleur du dispositif de surchauffe et dont une sortie est reliée à l’entrée de carburant du dispositif de surchauffe. Installation selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de production de dihydrogène est configuré pour mettre en œuvre un procédé de production de dihydrogène à une température supérieure à 600°C, de type procédé de reformage ou procédé de pyrolyse d’un produit issu du pétrole ou procédé d’électrolyse de l’eau à haute température.