Reformage d’essence assisté par plasma hors équilibre

Reformage “autotherme”

       Le reformage “autotherme” (ATR) combine l’oxydation partielle et le vaporeformage. Cette opération peut être catalysée ou non catalysée. Ce procédé a été développé vers la fin des années 50 par Haldor Topsoe. La réaction se produit en deux étapes. La première consiste à oxyder partiellement le combustible (à l’oxygène pur ou à l’air) afin de fournir des hydrocarbures légers et la chaleur nécessaire à la deuxième étape. Cette étape produit principalement de l’hydrogène, des hydrocarbures légers, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et de l’eau. La seconde étape s’apparente au vaporeformage. Dans le cas du procédé non catalysé, une étude cinétique [11] montre que les réactions ne restent ni stœchiométriques ni totales au cours du temps. D’où la nécessité de fonctionner en excès d’eau afin de déplacer les réactions du coté de la production de gaz de synthèse. Pour obtenir des conversions significatives et favoriser la cinétique, la température de réaction doit être supérieure à 1100 °C. De nombreux procédés sont basés sur cette combinaison de réactions dont le procédé SBA-Topsoe. Cette méthode est particulièrement adaptée aux charges légères (gaz naturel, GPL…).

Oxydation préférentielle

       Certaines applications, comme l’alimentation des piles à combustible de type PEM, nécessitent une très grande pureté en hydrogène et / ou une très faible teneur en monoxyde de carbone. On procède dans ce cas à l’oxydation préférentielle (PROX) du monoxyde de carbone dans un réacteur à une température comprises entre 100 °C et 200 °C (largement inférieure à la température d’auto inflammation du combustible) avec un catalyseur à base de platine. Cette réaction est exothermique et nécessite des précautions particulières pour ne pas détériorer le catalyseur. Cette filière est très performante et permet de faire chuter le taux de monoxyde de carbone en dessous de 10 ppm.

Cas des applications embarquées

      L’utilisation des piles à combustible pour les applications embarquées est particulièrement intéressante, puisque celle-ci permet d’alimenter directement les moteurs électriques (véhicule à pile à combustible FCV) ou d’être couplée à des batteries (véhicule hybride à pile à combustible, HFCV). L’alimentation des véhicules peut alors s’envisager :
– soit par production centralisée d’hydrogène qui a pour avantage de permettre éventuellement la capture et la séquestration du dioxyde de carbone en provenance des combustibles fossiles. Mais qui se heurte actuellement, aux contraintes techniques de capture et de séquestration du dioxyde de carbone, du stockage de l’hydrogène à bord du véhicule ainsi qu’à l’absence d’infrastructures de distribution. Même si quelques infrastructures pilotes se développent, la mise en place d’une infrastructure globale nécessiterait des investissements colossaux.
– soit par une production décentralisée par petites unités sur site ou par des dispositifs embarqués. Ces solutions ont l’avantage d’utiliser les réseaux de distribution existants, mais elles se heurtent à des rendements moins intéressants et aux émissions inévitables de dioxyde de carbone.

Charbon actif, Nanotubes et Nanofibres de carbone

      Le stockage de l’hydrogène dans des charbons actifs est connu depuis longtemps. Le remplissage se fait par adsorption [28]. A température et pression ambiantes, les densités massiques sont de 0,5 %, mais à très basse température (-186 °C) et haute pression (60 bars), elles atteignent 8 %. Plus récemment, des méthodes de stockage dans les nanofibres et les nanotubes de carbone ont été étudiées [29], notamment au Centre d’Energétique et Procédés [30]. Les résultats encourageants annoncés dans la littérature n’ont pas été confirmés. Ce mode de stockage reste cependant prometteur mais se situe toujours à l’état de recherche.

Caractéristiques des décharges et des sources de décharges corona

      Les décharges corona sont générées dans les régions de fort champ électrique avoisinant les pointes, les fils et les bordures de morceaux métalliques. Pour les utilisations industrielles à pression atmosphérique, la géométrie filaire est la plus utilisée. L’électrode coronale est entourée d’une région active délimitée par un rayon critique r0. Dans cette région, le champ électrique est supérieur au champ de claquage. L’ionisation, l’excitation et la production d’espèces actives se situent dans la région active qui peut être visible si les courants sont suffisamment élevés. Les décharges corona nécessitent des tensions de 10 à plusieurs dizaines de kilo-volts avec des courants de 1 à 100 mA/m. Les sources corona utilisées industriellement n’opèrent généralement pas à des puissances supérieures à 1 kW. Les décharges corona peuvent être produites soit par des excitations à courant continu (DC) [45] soit par des excitations alternatives hautes fréquences (AC/RF). Les décharges corona positives (fil central chargé positivement) sont généralement uniformes, alors que les décharges corona négatives peuvent être constituées de bourrelets irréguliers formant des sphères lumineuses le long de l’électrode. Lorsqu’une décharge corona est excitée en fréquence (AC ou RF), des couronnes positives et négatives se succèdent. Il n’y a pas de production d’espèces ionisées en dehors de la région active. Seules les espèces ionisées présentes naturellement dans le gaz et celles qui ont migré de la zone active assurent le transport du courant de la décharge corona jusqu’à l’électrode extérieure (il n’y a pas de phénomène de claquage dans la région non active). Ce flux d’ions est appelé vent coronal ou vent ionique. Le rayonnement ultraviolet de la région active de la décharge coronale peut changer l’énergie de surface de certains matériaux, et affecter la capacité de certaines surfaces à se charger en courant statique.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I – ETAT DE L’ART CONTEXTE
1 – L’HYDROGENE
1.1 – GENERALITES
1.2 – ECONOMIE MONDIALE DE L’HYDROGENE
1.3 – PRODUCTION D’HYDROGENE A PARTIR D’HYDROCARBURES FOSSILES
1.4 – CONVERSION ET PURIFICATION DU GAZ DE SYNTHESE
1.5 – CONCLUSION
2 – L’HYDROGENE VECTEUR ENERGETIQUE POUR DES APPLICATIONS EMBARQUEES
2.1 – FILIERE HYDROGENE ET PILE A COMBUSTIBLE
2.2 – CAS DES APPLICATIONS EMBARQUEES
2.3 – STOCKAGE DE L’HYDROGENE
2.4 – PRODUCTION EMBARQUEE D’HYDROGENE
2.5 – CONCLUSION
3 – LES PLASMAS
3.1 – DEFINITION
3.2 – DIFFERENTS TYPES DE PLASMAS
3.3 – INTERET DES PLASMAS HORS EQUILIBRE DANS LE REFORMAGE ASSISTE PAR PLASMA
3.4 – PLASMAS HORS EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE
3.5 – CONCLUSION ET CHOIX D’UNE TECHNOLOGIE PLASMA
4 – LES ARCS NON THERMIQUES
4.1 – REACTEUR A ELECTRODES PLANES : “GLIDARC”
4.2 – REACTEUR A ARC TOURNANT “ROTARC”
4.3 – REACTEUR “PLASMATRON” A ELECTRODES POINTE / CONE
4.4 – REACTEUR “PLASMATRON” A ELECTRODES TUBULAIRES
4.5 – REACTEUR MULTI – ARCS A ELECTRODE DE MASSE AXIALE
4.6 – REACTEUR A DISQUE PLASMA
4.7 – REACTEUR A DECHARGES “TORNADO” : GAT
4.8 – REACTEUR A ELECTRODE CENTRALE TOURNANTE “GLIDARC II”
4.9 – CONCLUSION
5 – DISPOSITIFS DE REFORMAGE ASSISTE PAR PLASMA HORS EQUILIBRE
5.1 – PSFC-MIT
5.2 – DREXEL PLASMA INSTITUTE
5.3 – SOCIETE “ETUDE CHIMIQUE ET PHYSIQUE”
5.4 – SIEMENS
5.5 – GREMI
5.6 – DEPARTEMENT D’INGENIERIE CHIMIQUE DU “TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY”
5.7 – LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES GAZ ET DES PLASMAS
5.8 – DEPARTEMENT DE CHIMIE APPLIQUEE DE L’UNIVERSITE DE WASEDA
5.9 – EQUIPE PLASMA DU CEP
6 – CONCLUSION
CHAPITRE II – DEVELOPPEMENT D’UNE TORCHE PLASMA HAUTE TENSION, FAIBLE COURANT ET DE SON ALIMENTATION
1 – DEVELOPPEMENT D’UNE TORCHE PLASMA FONCTIONNANT A HAUTE TENSION ET FAIBLE COURANT
1.1 – LES DIFFERENTS PROTOTYPES
1.2 – PRINCIPE DE LA TORCHE PLASMA
2 – ALIMENTATION ELECTRIQUE
2.1 – INTRODUCTION
2.2 – CARACTERISTIQUE DE LA DECHARGE
2.3 – LES GENERATEURS DE DECHARGE
2.4 – GENERATEUR HAUTE TENSION ELECTROTECHNIQUE
2.5 – GENERATEURS HAUTE TENSION D’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
3 – CARACTERISATION ELECTRIQUE DE LA TORCHE PLASMA COUPLEE A UNE ALIMENTATION DE TYPE CONVERTISSEUR A RESONANCE
3.1 – INTRODUCTION
3.2 – ANALYSE ELECTRIQUE
3.3 – RAPPEL SUR LA PHYSIQUE DE L’ARC
3.4 – LES DIFFERENTS REGIMES DE DECHARGE OBSERVES A PRESSION ATMOSPHERIQUE
3.5 – REGIME FILAMENTAIRE
3.6 – REGIME GLIDARC
3.7 – REGIME CONTINU
3.8 – INFLUENCE DU DEBIT DE GAZ
3.9 – INFLUENCE DE LA PRESSION
3.10 – INFLUENCE DU COURANT
3.11 – INFLUENCE DE L’ALIMENTATION ELECTRIQUE
4 – CONCLUSION
CHAPITRE III – MODELISATION THERMODYNAMIQUE ET CINETIQUE DU REFORMAGE ASSISTE PAR PLASMA
1 – REACTIONS CARACTERISTIQUES DU REFORMAGE
1.1 – OXYDATION PARTIELLE
1.2 – VAPOREFORMAGE
1.3 – CRAQUAGE DE L’HYDROCARBURE
1.4 – PRINCIPALES REACTIONS COMPLEMENTAIRES
2 – PARAMETRES ETUDIES
2.1 – REACTIFS DU REFORMAGE
2.2 – PARAMETRES DE REACTION
2.3 – PARAMETRES DE CONVERSION
3 – THERMODYNAMIQUE
3.1 – INTRODUCTION
3.2 – PARAMETRES DE L’ETUDE
3.3 – RESULTATS
3.4 – CONCLUSION
4 – CINETIQUE CHIMIQUE
4.1 – REACTEUR PLASMA
4.2 – MODELISATION DU REACTEUR
4.3 – CODE DE CALCUL ET MECANISME REACTIONNEL
4.4 – EVOLUTION ISOTHERME DE L’OXYDATION PARTIELLE DU METHANE
4.5 – APPROCHE 1 : REACTEUR PARFAITEMENT MELANGE
4.6 – APPROCHE 2 : REACTEUR A ECOULEMENT PISTON AVEC APPORT D’ENERGIE
4.7 – APPROCHE 3 : REACTEUR HETEROGENE
5 – PLASMA ET FLAMME
6 – CONCLUSION
CHAPITRE IV – REFORMAGE ASSISTE PAR PLASMA HORS EQUILIBRE
1 – BANC D’ESSAI
1.1 – DESCRIPTION
1.2 – SPECIFICATIONS
1.3 – LE REACTEUR PLASMA
1.4 – SYSTEME D’ALIMENTATION
1.5 – SYSTEME D’ANALYSE DES GAZ
1.6 – SYSTEME DE DIAGNOSTICS
1.7 – SYSTEME D’ACQUISITION DE DONNEES
2 – RESULTATS EXPERIMENTAUX
2.1 – PREMIERE SERIE D’ESSAIS : PROTOTYPE 4
2.2 – DEUXIEME SERIE D’ESSAIS : TUYERE DE SECONDE GENERATION
3 – ETUDE COMPARATIVE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX DE REFORMAGE ASSISTE PAR PLASMA HORS EQUILIBRE
4 – EVALUATION DU SYSTEME REFORMEUR PLUS PILE A COMBUSTIBLE
4.1 – INTRODUCTION
4.2 – INTEGRATION D’UN REFORMEUR PLASMA
5 – PERSPECTIVES ET EVOLUTION DU SYSTEME PLASMA
5.1 – ARCHITECTURE ACTUELLE
5.2 – EVOLUTION DE L’ARCHITECTURE DE LA TORCHE
5.3 – EVOLUTION DU SYSTEME POST DECHARGE
5.4 – AUGMENTATION DE L’ECHELLE
6 – CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
NOMENCLATURE
ANNEXES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Télécharger le rapport complet