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La présente invention concerne un contacteur à courant continu haute tension à double coupure comportant des blocs d’ailettes d’extinction d’arc électrique permettant l’extinction de deux arcs électriques de manière simultanée et dans lequel des gaz ionisés au niveau des arcs électriques sont générés pendant la coupure. La présente invention concerne plus particulièrement une zone d’extinction d’arc électrique d’un tel contacteur dans laquelle des moyens sont prévus pour faire circuler les gaz ionisés.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Le courant continu haute tension, en anglais High Voltage Direct Current (HVDC), est une technologie d'électronique de puissance utilisée pour le transport de l'électricité en courant continu haute tension.
Les contacteurs à courant continu haute tension (HVDC) comportent deux contacts électriques permettant d’établir, de supporter et d’interrompre une connexion électriquement conductrice pour des courants en régime continu avec une tension habituellement de l’ordre de 270 à 3000 volts dans le domaine de l’aéronautique ou de l’automobile. Lors de la séparation des contacts, des arcs électriques apparaissent s’accompagnant de contraintes thermiques élevées ainsi que de difficultés à éteindre la connexion électrique. Ces problèmes sont encore plus critiques lorsque la tension électrique est élevée. Il est donc nécessaire que ces arcs électriques s’éteignent rapidement.
Usuellement, dans les contacteurs actuels, l’extinction d’un arc électrique se fait en déplaçant chaque arc électrique par un champ magnétique en direction d’une zone d’extinction d'arc comprenant des blocs d’ailettes d’extinction d’arc. Ce déplacement de chaque arc électrique est obtenu grâce à la force électromagnétique de Laplace. Chaque bloc d’extinction d’arc électrique comporte une pluralité d’ailettes empilées et distantes les unes des autres afin de sectionner l’arc électrique en plusieurs arcs circulants chacun dans une ailette différente d’un même bloc d’extinction d’arc électrique. Le sectionnement de l’arc permet d’augmenter la tension d’arc et ainsi de l’éteindre.
Chaque arc électrique ionise l'air présent dans la zone d’extinction d'arc et ionise également des particules des constituants internes du contacteur qui sont arrachées au contact de l'arc électrique, ce qui génère des gaz dit gaz de coupure. Ces gaz de coupure ionisés présentent une température extrêmement élevée et présentent donc un danger pour les constituants internes du contacteur. De plus, les gaz de coupure, après avoir traversé les ailettes d’un bloc d’extinction d’arc électrique, heurtent la paroi située derrière ledit bloc d’extinction et ont tendance à retourner en arrière en direction de l’arc électrique. Ce reflux des gaz de coupure heurtant les parois externes de la zone d’extinction tend alors à s’opposer à la force de Laplace qui tend à déplacer l’arc électrique en direction des ailettes. La force de ce reflux étant proportionnelle à la puissance de l’arc, dans le cas d’un arc électrique de grande puissance, la force de ce reflux des gaz de coupure est susceptible d’empêcher un tel arc électrique d’entrer en contact avec le bloc d’extinction.
L'arc électrique n’est alors pas divisé et la connexion électrique n’est pas éteinte. En outre, du fait des conditions de pression et de températures dans la zone d’extinction qui résultent de la formation du gaz de coupure, la présence de gaz de coupure dans la zone d’extinction tend à limiter la courant maximal de coupure, notamment à une valeur inférieure à 1000 A.
Ce phénomène est illustré sur la qui illustre un premier exemple de contacteur 1’ de l’art antérieur au niveau d’un zone d’extinction 5a’ prévue dans une chambre de contacteur 23’ et délimitée notamment par deux parois latérales 12a’, 12b’ en vis-à-vis, par une paroi supérieure 13’ et par une paroi inférieure 14’ située en vis-à-vis de la paroi supérieure 13’ et à distance des ailettes 10 des blocs d’extinction d’arc électrique 9a’, 9b’. Les deux parois latérales 12a’, 12b’ sont situées chacune à proximité immédiate d’un bloc d’extinction d’arc électrique 9a’, 9b’ et présentent chacune une surface interne 20a’, 20b’. Dans ce contacteur 1’, chaque bloc d’extinction d’arc électrique 9a’, 9b’ comporte une pluralité d’ailettes 10’ empilées et distantes les unes des autres. Au sein d’un même bloc d’extinction d’arc électrique 9a’, 9b’, les ailettes 10’ sont parallèles et s’étendent chacune selon un axe longitudinal X’ qui est orthogonal aux parois latérales 12a’, 12b’ et qui est parallèle à la direction de la force de Laplace 18a’ générée par une force magnétique 7’ provenant d’un aimant ou d’une bobine. Lorsqu’un un arc électrique 8a’ apparait entre un contact fixe 4a’ d’une borne fixe 24a’ et un contact mobile 3a’ d’un pont mobile 2’ passant à l’état ouvert, la force de Laplace 18a’ déplace cet arc électrique 8a’ en direction d’un bloc d’extinction d’arc électrique 9a’, 9b’. Sur la , on voit bien que les gaz de coupure ionisés 22’ générés par l’arc électrique 8a’ sont dirigés vers la parois latérale 12b’, heurtent la surface interne 20b’ de celle-ci, puis reviennent en arrière en direction des contacts 4a’, 3a’ entre lesquels l’arc électrique 8a’ est apparu. Ces gaz de coupure ionisés 22’ tendent ainsi à s’opposer au déplacement de l’arc électrique 8a’ en direction du bloc d’extinction d’arc électrique 9a’ et sont susceptibles de détériorer les éléments présents au sein de la zone d’extinction 5a’.
Il existe par conséquent un besoin pour faire circuler les gaz ionisés.
Comme cela est représenté sur la une solution envisagée dans l’art antérieur consiste à prévoir un second exemple de contacteur 1", très similaire au premier exemple de contacteur 1’ de l’art antérieur, mais présentant des ouvertures latérales dans chaque zone d’extinction 5a’ en vis-à-vis et à proximité des blocs d’extinction d’arc électrique 9a’, 9b’, de sorte de permettre aux gaz de coupure ionisés 22’ d’être expulsés en dehors de la chambre de contacteur 23’. Dans la solution antérieure représentée sur la , les ouvertures latérales sont réalisées en retirant simplement les parois latérales 12a’, 12b’ habituelles. Des solutions plus élaborées peuvent être envisagées pour créer ces ouvertures latérales. On peut néanmoins constater que la projection de gaz de coupure ionisés 22’ en dehors de la chambre de contacteur 23’ présente cependant un danger pour les équipements installés à côté du contacteur 1". Avec cette solution, il est par conséquent nécessaire de prévoir une zone d’exclusion qui interdit le placement d’autres équipements à côté du contacteur 1". Cette zone d’exclusion, qui peut être de l’ordre de plusieurs centimètres, contraint l’intégration du contacteur 1", et est particulièrement désavantageuse dans certains domaines, notamment celui de l’aéronautique où un volume élevé représente une contrainte critique.
Dans le domaine des disjoncteurs électriques multipolaires à coupure dans l'air, dans lesquels des problèmes de gaz de coupure ionisés similaires peuvent se présenter pour des intensités élevées, une autre solution divulguée par les documents EP 3 179 497 A1 et EP 0 437151 A1 consiste à équiper lesdits disjoncteurs d’un dispositif pour refroidir et déioniser les gaz de coupure ionisés avant leur rejet à l'extérieur des disjoncteurs. Les équipements installés à côté des disjoncteurs sont alors protégés des gaz de coupure ionisés, mais le dispositif utilisé pour refroidir et déioniser les gaz de coupure augmente considérablement le coût, le volume et la masse des disjoncteurs, ce qui est contraignant, et encore plus dans le domaine de l’aéronautique où l’on souhaite utiliser des équipements présentant un volume et une masse minimaux.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant aux gaz ionisés de circuler dans une zone d’extinction sans avoir à prévoir d’ouvertures latérales pour l’expulsion des gaz de coupure ionisés, ni de dispositif pour refroidir et déioniser les gaz de coupure avant leur rejet à l'extérieur.
Alors que les solutions antérieures incitent l’homme du métier à expulser les gaz de coupure ionisés à l'extérieur du contacteur afin que leur flux ne s’oppose pas à la force électromagnétique visant à diriger l’arc électrique en direction des ailettes des blocs d’extinction d’arc électrique, la solution de l’invention consiste au contraire à dévier ces gaz de coupure vers l'intérieur du contacteur, mais de sorte que leur flux ne retourne pas en arrière après avoir heurté les parois latérales des zones d'extinction d’arc électrique.
Un effet supplémentaire est obtenu grâce à l’invention par le fait que le flux de gaz de coupure peut être dévié vers l’arc électrique selon une trajet en boucle de retour, afin de traverser l’arc électrique en direction des blocs d’extinction d’arc électrique, de sorte d’accélérer de manière supplémentaire l’arc électrique en direction des ailettes de sectionnement d’arc électrique, renforçant ainsi la force de Laplace remplissant déjà ce rôle et renforçant le rôle sécuritaire du dispositif d’extinction d’arc électrique.
Un aspect de l’invention concerne un contacteur à double coupure comprenant : une chambre de contacteur comprenant : un pont mobile entre un état fermé et un état ouvert, comprenant un premier contact mobile et un second contact mobile, un premier contact fixe en vis-à-vis du premier contact mobile, et un second contact fixe en vis-à-vis du second contact mobile, au moins une zone d’extinction d’arc électrique, comprenant chacune deux blocs d’extinction d’arc électrique situés en vis-à-vis de part et d’autre du pont mobile et comportant chacun une pluralité d’ailettes s’étendant chacune selon un axe longitudinal, dans lequel : la chambre de contacteur est fermée ; chaque zone d’extinction d’arc électrique est délimitée notamment par : deux parois latérales en vis-à-vis situées chacune du côté d’un bloc d’extinction d’arc électrique et à distance des ailettes de celui-ci, présentant chacune une surface interne, une paroi supérieure située du côté d’un contact fixe, et une paroi inférieure située en vis-à-vis de la paroi supérieure, à distance des ailettes des blocs d’extinction d’arc électrique et reliée à chaque paroi latérale par une liaison ayant une surface interne concave de section courbe ; et les ailettes de chaque bloc d’extinction d’arc électrique sont inclinées de sorte que leur axe longitudinal forme un angle α compris entre 30 degrés et 85 degrés par rapport à la surface interne de la paroi latérale la plus proche.
Grâce à l’inclinaison des ailettes par rapport à la surface interne de la paroi latérale la plus proche, après avoir heurté ladite paroi, les gaz de coupure ionisés sont dirigés vers la paroi inférieure. Puisque les parois latérales sont situées à distance des ailettes du bloc d’extinction d’arc électrique le plus proche, il existe un volume libre situé entre ces parois et les ailettes des blocs d’extinction, ce qui permet avantageusement au flux gaz de coupure ionisés de circuler librement vers la paroi inférieure, sans retourner en arrière. Lorsqu’il arrive à proximité immédiate de la paroi inférieure, ce flux est dévié par une surface interne concave de section courbe en direction de la paroi latérale opposée pour retourner vers la partie médiane de la zone d'extinction d’arc électrique. Lors de ce trajet, les gaz de coupure ionisés ont le temps de refroidir et de se déioniser, et ne représentent donc plus un danger pour les composants situés au cœur de la zone d'extinction. L’inclinaison des ailettes réduit le volume qu’elles occupent en direction des parois latérales, ce qui compense sensiblement le volume supplémentaire nécessaire entre les parois latérales et les blocs d’extinction, ce volume étant largement exagéré sur les figures 6 à 8 pour des raisons de clarté des figures.
Pour répondre à ces besoins, les procédés mettant en œuvre des agrégats microalgues-bactéries (« MABAs » ou « Microalgal-bacterial aggregates » en anglais) pour le traitement des eaux usées se sont développés.
Les microalgues-bactéries sont des systèmes symbiotiques dans lesquels les algues fournissent par photosynthèse du dioxygène (O 2 ) qui est ensuite utilisé par les bactéries pour la nitrification et l’abattement en carbone, synthétisent du polyphosphate ce qui permet de réduire la consommation d'énergie, et utilisent le dioxyde de carbone (CO 2 ) produit par les bactéries, réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre. Par conséquent, les systèmes microalgues-bactéries ont le potentiel d'auto-entretenir leur consommation d’oxygène, ce qui permet de réduire, voire de supprimer, l’aération nécessaire à l’action des bactéries et de réduire ainsi les coûts énergétiques associés, tout en limitant l’émission des gaz à effet de serre générés par les bactéries.
Cependant, en raison de leur petite taille (3-30 µm) et de leurs cellules algales chargées négativement, il est difficile et coûteux de séparer les microalgues et/ou MABAs de leur milieu de croissance. De plus, les algues libres ont une faible capacité de décantation, ce qui nécessite un temps de décantation long ou des surfaces de sédimentation de grandes dimensions. On estime qu'environ 20 à 30 % des coûts d'exploitation de la culture des microalgues sont liés à la séparation des algues, principalement par coagulation/floculation, centrifugation, flottation, etc. Récemment, l'utilisation de procédés d'immobilisation ou de fixation des algues pour résoudre ce problème de séparation a suscité un intérêt croissant. L'immobilisation des algues dans plusieurs matériaux tels que l'alginate et le chitosan a ainsi montré une meilleure décantabilité. Cependant, leur application à grande échelle pour la récupération des ressources est limitée en raison du coût élevé de l'opération (provenant principalement des matériaux ajoutés) et des matériaux polymères résiduels ajoutés dans le milieu de culture.
Il existe typiquement quatre stratégies de récolte et de déshydratation des MABAs qui sont la centrifugation directe, la décantation par gravité suivie d'une centrifugation, la flottation à l'air dissous suivie d'une centrifugation et la filtration sur membrane suivie d'une centrifugation. De plus, une étape d'épaississement en amont de la déshydratation permet de réduire la taille et la consommation d'énergie de l'étape de déshydratation, qui est généralement réalisée par centrifugation.
Aujourd'hui, les première et deuxième stratégies sont généralement considérées comme non rentables lors du traitement des eaux usées. En effet, la centrifugation directe induit des CAPEX et OPEX élevés tandis que l'utilisation de la décantation gravitaire nécessite une empreinte importante en raison du faible Indice de Mohlman (« SVI » ou « sludge volume index » en anglais) des boues. L'utilisation d’un procédé de flottation à l’air dissous impose le recours à l’ajout de polymères ce qui engendre des coûts élevés et complexifie le procédé. Enfin, même si la filtration sur membrane comme approche d'épaississement semble intéressante dans la mesure où elle ne nécessite pas l’ajout de composés chimiques tels que des polymères, elle est limitée par le coût et la durée de vie de la membrane (environ 8 ans), ce qui compromet la faisabilité économique à l'échelle industrielle. De plus, toutes les solutions mentionnées ci-dessus concentrent les agrégats granulaires microalgues-bactéries avec tous les sables et microsables et autres contaminants (microplastiques, composés chimiques éventuellement ajoutés, etc.) présents dans les eaux usées. Ces contaminants ne présentent aucune valeur du point de vue de l'application (agronomique, extraction de produits à valeur ajoutée) et réduisent donc la qualité du produit final.
Les boues granulaires aérobies algales-bactéries (« AGS » ou « Algal-bacterial Granular Sludge » en anglais), également appelées « OPS » ou « Oxygenic Photo Granules » en anglais, ont attiré l’attention des chercheurs dans la mesure où les bactéries sous forme granulaire pouvaient significativement améliorer la vitesse de décantation des microalgues. Ces boues sont obtenues par introduction des microalgues dans un système d'exploitation des boues granulaires aérobies (AGS) conduisant à l’établissement de systèmes de symbiose algues-bactéries granulaires. Par rapport aux MABAs (consortiums en cultures libres), l’utilisation des granulés aérobies tend à être plus attractive. Les boues granulaires bactériennes aérobies ont ainsi été proposées comme une technologie efficace et innovante pour le traitement des eaux usées, qui possède une vitesse de décantation élevée, une riche rétention de biomasse, une capacité d'élimination simultanée des matières organiques et des nutriments, et une résistance aux charges de choc et aux substances toxiques.
Néanmoins, les techniques de séparation et déshydratation de ces boues granulaires restent similaires aux techniques présentées plus haut pour les MABAs avec les mêmes inconvénients.
Il existe donc un besoin pour un procédé amélioré de séparation de la biomasse granulaire microalgues-bactéries d’un effluent aqueux, permettant notamment de déshydrater la biomasse sans nécessiter d’ajout de composé chimique et de produire un résidu solide de haute qualité qui contient principalement de la biomasse bactérienne algale contenant avantageusement une quantité très limitée de sable ou de microsable, microplastiques et matières minérales ou autres contaminants qui ne font pas partie de la biomasse et qui sont présents dans les eaux usées. Il existe également un besoin pour un procédé amélioré de séparation de la biomasse permettant de récupérer un effluent aqueux présentant une teneur très faible en solides.
Un premier objet de l’invention concerne un procédé de séparation d’un effluent aqueux contenant de la biomasse mixte algues-bactéries présente sous forme granulaire et en suspension, et optionnellement des impuretés, et une eau traitée, le procédé comprenant : (a) Une première étape de séparation physique d’au moins une partie de la biomasse granulaire de l’eau traitée réalisée sans ajout préalable de composé d’aide à la séparation, produisant un premier flux épaissi enrichi en biomasse granulaire dont les granules présentent des dimensions supérieures à un seuil et un premier flux aqueux appauvri en biomasse granulaire dont les granules présentent des dimensions inférieures au seuil et enrichi en biomasse en suspension ; (b) Une première étape de déshydratation du premier flux épaissi enrichi en biomasse granulaire produisant un premier gâteau et un deuxième flux aqueux appauvri en biomasse granulaire, (c) Une seconde étape de séparation physique du premier flux aqueux produisant un deuxième flux épaissi enrichi en biomasse en suspension, et optionnellement en impuretés, et un troisième flux aqueux formant une eau traitée ; (d) Une seconde étape de déshydratation du deuxième flux épaissi enrichi en biomasse en suspension, et optionnellement en impuretés, produisant un deuxième gâteau et un quatrième flux aqueux appauvri en biomasse en suspension.
Cet enchaînement d’étapes, et en particulier l’utilisation de deux étapes successives de séparation de la biomasse granulaire puis de la biomasse en suspension permet de déshydrater la biomasse sans nécessiter d’ajout de composé d’aide à la séparation de type polymère et de produire un premier gâteau qui forme un résidu solide de haute qualité contenant principalement de la biomasse granulaire mixte algues-bactéries. Ce résidu pourra notamment être réutilisé dans l’agriculture par exemple, notamment en tant que biostimulant. De plus, un second avantage est que le résidu solide à haute valeur ajoutée contient une quantité très limitée de sable ou de microsable, microplastiques et matières minérales ou autres contaminants qui ne font pas partie de la biomasse et qui proviennent du traitement des eaux usées ayant produit l’effluent aqueux séparé par le procédé selon l’invention.
La biomasse granulaire à haute valeur ajoutée est récupérée grâce à la première séparation qui correspond à une séparation grossière avec un seuil déterminé pour ne récupérer que des algues-bactéries sous forme granulaire, généralement sans, ou avec une quantité réduite, de polluants ou autres impuretés. Cette étape ne nécessite donc pas l’ajout de composés chimiques tels que des polymères ou des coagulants pour favoriser la séparation de la biomasse.
La seconde étape de séparation quant à elle correspond à une séparation fine dont le but est de séparer la biomasse restante en suspension, et optionnellement les impuretés et les polluants, présents dans le premier flux aqueux issu de la première étape de séparation pour obtenir une eau traitée respectant les normes de rejet.
Avantageusement, le seuil peut-être d’au moins 50µm, optionnellement d’au moins 70µm, 125µm, 0,250mm ou 1mm. Le seuil est fixé de sorte que seule la biomasse granulaire mixe algues-bactéries soit retenue, avantageusement sans les polluants et impuretés, ce qui permet d’obtenir après la déshydratation un gâteau à haute valeur ajoutée, car dépourvu de composés chimiques d’aide à la séparation, avec une importante fraction de biomasse.
Préférentiellement, la première étape de séparation physique (a) peut être une étape de séparation par tamisage au cours de laquelle l’effluent aqueux passe au travers d’un support perforé choisi parmi une grille, un tamis ou une plaque perforée. Cette étape peut par exemple être mise en œuvre au moyen d’un dispositif choisi parmi une table d’égouttage, un tamis, un tamis vibrant, une grille, un filtre à bandes, un filtre, un filtre vibrant. Ainsi, le support perforé ne comprend pas ou n’est pas une membrane, ce qui permet de réduire les coûts de mise en œuvre de cette étape tout en assurant une séparation efficace de la biomasse granulaire.
Préférentiellement, la seconde étape de séparation (c) peut être choisie parmi une filtration membranaire et une filtration sur toile. Ces deux types de séparation permettent ainsi une séparation fine et précise pour ainsi retenir la biomasse en suspension, et optionnellement les polluants et les impuretés, présents dans le flux aqueux traité. De plus, le risque d’encrassement de la membrane ou de la toile est réduit car la concentration en matière en suspension (biomasse) est plus faible puisqu’une majeure partie a déjà été retenue lors de la première séparation physique.
Dans un mode de réalisation, un coagulant peut être ajouté au premier flux aqueux avant la seconde étape (c) de séparation. Par exemple, lorsque l’eau traitée doit respecter des normes de rejets strictes en phosphore, un coagulant, par exemple choisi parmi le chlorure ferrique, le sulfate d’alumine, du chlorure de polyaluminium, WAC qui est un polymère d’aluminium, ou autre, peut être injecté et ainsi permettre de lier le phosphore résiduel qui n’a pas pu être éliminé lors du traitement de l’effluent aqueux et de le retenir lors de la deuxième séparation. La coagulation du premier flux aqueux avant la seconde étape (c) de séparation peut permettre de réduire la charge colloïdale à filtrer sur la seconde étape (c) de séparation, ce qui permet d’encore réduire l’encrassement dans le cas d’une filtration sur membrane ou sur toile.
Dans un autre mode de réalisation de cette première variante ladite composition d’extrusion selon l’invention comprend en poids:
Avantageusement, dans cette première variante et ses deux modes de réalisation, ladite composition est constituée desdits constituants.
Dans une seconde variante, ladite composition d’extrusion comprend en poids:
la somme des composants a + c + d + e est égale à 100%.
Dans un mode de réalisation de cette seconde variante les fibres de renforts sont exclues de ladite composition d’extrusion selon l’invention