à partir de matières carbonées

La présente invention concerne en général les procédés de production d'hydrocarbures synthétiques à partir de matières carbonées.

Les procédés connus à ce jour pour la production d'hydrocarbures synthétiques à partir de matières carbonées sont mis en œuvre dans des installations de grandes capacités, ayant par exemple des capacités de production de 10 000 ou 20 000 barils d'hydrocarbures par jour.

De telles unités doivent être installées à côté d'une source très importante de matières carbonées, ou doivent être approvisionnées à partir de nombreuses sources plus petites, réparties sur un grand territoire.

Il existe peu de sources importantes. Par ailleurs, quand l'approvisionnement est fait à partir de nombreuses sources réparties sur un grand territoire, certaines sources sont nécessairement éloignées. L'approvisionnement de l'installation de production d'hydrocarbures synthétiques nécessite alors de nombreux transports, coûteux en énergie.

Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un procédé de production d'hydrocarbures synthétiques qui puissent être mis en œuvre, entre autre, loin des sources importantes de matières carbonées, avec un faible coût en énergie pour l'approvisionnement.

A cette fin, l'invention porte sur un procédé de production d'hydrocarbures synthétiques à partir d'au moins une matière carbonée, le procédé comprenant les étapes suivantes :

- évaluer les ressources en ladite matière carbonée disponible sur un territoire déterminé ;

- déterminer à partir desdites ressources une capacité de production totale d'hydrocarbures synthétiques ;

- déterminer à partir de la capacité de production totale un nombre d'unités de production élémentaires nécessaire pour obtenir la capacité de production totale, chaque unité de production élémentaire ayant une capacité de production élémentaire comprise entre 100 et 1000 barils par jour d'hydrocarbures synthétiques ; - construire ledit nombre d'unités de production élémentaires sur ledit territoire ;

- transporter la matière carbonée depuis le territoire jusqu'aux unités de production élémentaires ;

- produire les hydrocarbures synthétiques dans les unités de production élémentaires à partir de la matière carbonée transportée.

Le procédé peut également présenter une ou plusieurs caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- le territoire présente une superficie inférieure à 10 000 km ² ;

- les ressources en ladite matière carbonée proviennent d'une pluralité de sources localisées, les unités de production élémentaires étant construites sur un même site, ledit site étant éloigné de moins de 200 km de chacune des sources de ladite matière carbonée ;

- les ressources en ladite matière carbonée proviennent d'une pluralité de sources localisées, les unités de production élémentaires étant construites sur un même site, ledit site étant choisi de telle sorte que la distance moyenne desdites sources de matière carbonée audit site soit inférieure à 100 km ;

- chaque un ité de production élémentaire a une capacité de production élémentaire comprise entre 100 et 500 barils par jour d'hydrocarbures synthétiques ;

- chaque unité de production élémentaire comprend :

• un module de production d'un premier flux gazeux comprenant au moins du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone à partir de la matière carbonée, • un module de conversion d'au moins une partie du dioxyde de carbone du premier flux gazeux en monoxyde de carbone,

• un module de production d'au moins un premier flux d'hydrocarbures synthétiques au moins à partir de monoxyde de carbone du premier flux gazeux et de monoxyde de carbone provenant du module de conversion,

• un électrolyseur, apte à fournir de l'hydrogène au module de conversion et au module de production du premier flux d'hydrocarbures et éventuellement de l'oxygène au module de production du premier flux gazeux ; - le module de conversion et le module de production du premier flux d'hydrocarbures synthétiques sont dédiés à l'unité de production élémentaire correspondante ;

- le module de production du premier flux gazeux est dédié à l'unité de production élémentaire correspondante ;

- le module de production du premier flux gazeux est commun à au moins deux unités de production élémentaires ;

- chaque unité de production élémentaire comprend un module de post traitement prévu pour produire au moins un second flux d'hydrocarbures synthétiques à partir du premier flux d'hydrocarbures synthétiques, le module de post traitement étant dédié à l'unité de production élémentaire correspondante ;

- chaque unité de production élémentaire comprend un module de post traitement prévu pour produire au moins un second flux d'hydrocarbures synthétiques à partir du premier flux d'hydrocarbures synthétiques, le module de post traitement étant commun à au moins deux unités de production élémentaires ;

- l'électrolyseur est dédié à l'unité de production élémentaire correspondante ;

- les électrolyseurs des unités de production élémentaires sont alimentés en électricité à partir d'un réseau de distribution électrique desservant au moins un consommateur électrique autre que les unités de production élémentaires, le procédé comportant les étapes suivantes :

• évaluer la puissance électrique disponible sur le réseau de distribution électrique ;

• effacer au moins partiellement au moins une unité de production élémentaire du réseau électrique en fonction de la puissance disponible.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :

la figure 1 est un diagramme d'étapes montrant les principales étapes du procédé de l'invention ;

- la figure 2 est une représentation schématique des territoires considérés pour la méthode de la figure 1 ;

la figure 3 est une représentation schématique des sources de matière carbonée dans certains territoires de la figure 2 ; la figure 4 est une représentation schématique des installations de production d'hydrocarbures synthétiques des territoires de la figure 3, mettant en évidence que chaque installation est constituée de plusieurs modules ;

la figure 5 est une représentation schématique des modules des installations de la figure 4, pour un premier mode de réalisation de l'invention, et la figure 6 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 5, pour un second mode de réalisation de l'invention.

Le procédé représenté de manière schématique dans la figure 1 vise à optimiser la production d'hydrocarbures synthétiques à partir de matière carbonée dans une zone géographique, et notamment vise à optimiser les opérations logistiques d'alimentation en matière carbonée des installations de production.

Le procédé comporte les étapes suivantes :

sélectionner, à l'intérieur de la zone géographique considérée, un ou plusieurs territoires destinés à fournir la matière carbonée ;

- évaluer les ressources en ladite matière carbonée disponibles sur chaque territoire ;

déterminer à partir desdites ressources évaluées une capacité de production totale d'hydrocarbures synthétiques ;

déterminer à partir de la capacité de production totale, un nombre d'unités de production élémentaires nécessaire pour obtenir la capacité de production totale, chaque unité de production élémentaire ayant une capacité de production élémentaire comprise entre 100 et 1000 barils par jour d'hydrocarbures synthétiques ;

choisir, dans chaque territoire considéré, le site de construction des unités de production élémentaires ;

construire le nombre d'unités de production élémentaire déterminé sur le site retenu pour chaque territoire ;

transporter la matière carbonée depuis le territoire jusqu'aux unités de production élémentaires ;

- produire les hydrocarbures synthétiques dans les unités de production élémentaires à partir de la matière carbonée transportée. La zone géographique considérée dans le présent procédé peut être un pays entier. Elle peut être, comme illustré sur la figure 2, un pays comme la France.

La zone géographique considérée pourrait également être seulement une partie d'un pays ou au contraire pourrait englober plusieurs pays de petites tailles.

Au sein de la zone géographique considérée, des territoires sont sélectionnés pour la fourniture de matière carbonée, par exemple les territoires T1 à T5 sur la figure 2. Une installation de production d'hydrocarbure synthétique sera installée sur chaque territoire. Ces territoires peuvent être sélectionnés sur la base des critères suivants :

- superficie inférieure à 10 000 km2 ;

- ressources en matière carbonée disponible sur le territoire supérieures à un équivalent de 300 000 tonnes de biomasse sèche par an.

D'une manière générale, les sources de matières carbonées sont de deux sortes :

- les sources carbonées non renouvelables par exemple du type charbon, fumées de combustion de hauts fourneaux ou de cimenterie,

- les sources carbonées renouvelables par exemple du type déchets végétaux, déchets animaux, la partie organique des déchets municipaux triés etc..

Les sources carbonées non renouvelables sont en général concentrées (mines, usines). En revanche les sources carbonées renouvelables sont rarement concentrées, elles sont plutôt réparties sur le territoire.

Dans le présent procédé, on considère plus particulièrement les sources carbonées renouvelables.

La matière carbonée peut donc comprendre un ou plusieurs des éléments suivants :

- déchets municipaux,

- déchets d'animaux,

- biomasse,

- matière plastique telle que le polyéthylène, ... etc

De manière à réduire les transports entre les sources de matière carbonée et l'installation de production d'hydrocarbures synthétiques, il est important que le territoire considéré ne soit pas trop grand et que ce territoire présente des ressources suffisantes en matière carbonée.

Pour chaque territoire ainsi sélectionné, les ressources en matière carbonée disponibles sont évaluées. Pour ce faire, comme illustré sur la figure 3, on identifie dans chaque territoire une ou plusieurs sources de matière carbonée, notées R1 à R5 et R'1 à R'7 pour les deux territoires T1 et T3 de la figure 3. Pour chaque source, on évalue la quantité de matière carbonée susceptible d'être fournie à l'installation de production d'hydrocarbure synthétique. Cette quantité est par exemple un flux, en tonnes de carbone par an.

A l'étape suivante, la capacité de production totale d'hydrocarbures synthétiques susceptible d'être obtenue à partir des ressources de chaque territoire est déterminée. Cette opération est une opération de dimensionnement classique, qui ne sera pas détaillée ici. On précisera seulement que la capacité de production totale est fonction de la nature des hydrocarbures synthétiques à produire et du procédé de production retenu. Les hydrocarbures synthétiques peuvent être choisis de telle sorte que l'installation produise essentiellement du diesel, et/ou du kérosène, et/ou tout autre type d'hydrocarbure envisageable.

A l'étape suivante, on détermine, à partir de la capacité de production totale pour chaque territoire, le nombre d'unités de production élémentaires qu'il est nécessaire de mettre en œuvre pour obtenir ladite capacité de production totale.

Les unités de production élémentaires sont des unités standardisées, toutes identiques les unes aux autres, ayant la même capacité de production élémentaire. Seul le module de préparation de la matière première dépend de la nature de celle-ci.

La capacité de production élémentaire est typiquement comprise entre 100 et 1000 barils par jour d'hydrocarbures synthétiques, et est typiquement comprise entre 100 et 500 barils par jour d'hydrocarbures synthétiques. Chaque unité de production élémentaire a donc une faible capacité de production au regard des installations connues à ce jour pour la fabrication d'hydrocarbures synthétiques.

Ainsi, dans le procédé de l'invention, on construit sur chaque territoire un nombre d'unités de production élémentaires qui peut être différent, et qui est fonction des ressources de matière carbonée disponibles sur ledit territoire. Comme illustré sur la figure 4, l'installation 11 de production d'hydrocarbures synthétiques pour le territoire T1 peut comprendre cinq unités de production élémentaire, alors que l'installation 13 de production d'hydrocarbures synthétiques pour le territoire T3 ne comporte que trois unités de production élémentaire. Sur la figure 4, chaque unité de production élémentaire est représentée comme un rectangle.

Chaque installation de production d'hydrocarbures synthétiques comporte typiquement entre 1 et 20 unités de production élémentaire, typiquement entre 1 et 10 unités de production élémentaires.

A l'étape suivante, le site de construction de l'installation de production d'hydrocarbures synthétiques est choisi pour chaque territoire. Toutes les unités de production élémentaires d'une même installation sont construites sur le même site.

De préférence, on choisit le site de telle sorte que toutes les sources de matière carbonée soient éloignées de moins de 200 km du site. De préférence, on choisit le site de telle sorte que la distance entre ledit site et chaque source de matière carbonée soit inférieure à 100 km.

Alternativement, le site est choisi de telle sorte que la distance moyenne entre le site et les sources de matière carbonée soit inférieure à 100 km, de préférence inférieure à 50 km.

La distance entre le site et une source donnée de matière carbonée peut être calculée de multiples façons, notamment en fonction de la nature de la source. Si la source est localisée, par exemple dans le cas de déchets municipaux issus d'un atelier de tri de déchets, la distance retenue correspondra à la distance entre l'atelier de tri et le site. Si la source est étendue géographiquement, par exemple dans le cas de biomasse produite dans plusieurs champs répartis sur une certaine superficie, on peut par exemple considérer la distance entre le centre géographique de ladite superficie et le site. Les distances peuvent être calculées de multiples autres façons qui ne seront pas détaillées ici.

Une fois le site choisi pour chaque territoire, on construit sur ledit site le nombre d'unités de production élémentaires déterminé, et ce pour chaque territoire.

L'exploitation de l'installation de chaque territoire est effectuée en transportant la matière carbonée depuis les différentes sources dudit territoire jusqu'aux unités de production élémentaires, et en produisant les hydrocarbures synthétiques dans les différentes unités de production élémentaires à partir de la matière carbonée transportée. Les hydrocarbures synthétiques sont ensuite distribués. Ils peuvent être distribués seulement sur le territoire correspondant, ou au contraire être distribués dans une zone géographique plus large.

Dans un premier mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 5, chaque unité de production élémentaire est pratiquement entièrement indépendante des autres unités de production élémentaire de la même installation. Par exemple, chaque unité de production élémentaire est du type décrit dans la demande de brevet américaine déposée sous le n° US12/319861. Alternativement, chaque unité de production élémentaire peut, comme le montre la figure 5, comporter les modules suivants :

un module 10 de production d'un premier flux gazeux 12 à partir de la matière carbonée, le premier flux gazeux comprenant au moins du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone ;

un module 14 de conditionnement du premier flux gazeux 12, prévu pour séparer le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone dans le premier flux gazeux des autres gaz éventuels ;

un module 16 de conversion de dioxyde de carbone en monoxyde de carbone ;

un module 18 de conversion du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone ;

un module 20 de production d'un premier flux d'hydrocarbures synthétiques à partir de monoxyde de carbone ;

- un module 22 de post-traitement, prévu pour produire un second flux d'hydrocarbures synthétiques à partir du premier flux d'hydrocarbures synthétiques ;

un électrolyseur 24.

Chacun des modules 10, 14, 16, 18, 20, 22, ainsi que l'électrolyseur 24, est dédié à l'unité de production élémentaire correspondante. En d'autres termes, chaque unité de production élémentaire comporte des modules 10, 14, 16, 18, 20, 22 et un électrolyseur 24 qui lui est propre. Le module 10 de production du premier flux gazeux est par exemple un gazéfieur. Le gazéifieur peut être du type à oxydation partielle ou un gazéfieur à vapeur ou un gazéfieur mettant en œuvre les deux procédés en combinaison (du type POS). Le module 10 est alimenté en matière carbonée par la ligne 26, et en oxygène à partir de l'électrolyseur 24, par la ligne 28.

Le module de conditionnement 14 sépare le premier flux gazeux en deux flux, un second flux gazeux 30 comprenant majoritairement du CO2, et un troisième flux gazeux 32 comprenant majoritairement du CO. Ce module de conditionnement est de type connu, et ne sera pas décrit plus en détail ici.

Le module de conversion 16 est du type RWGS (Reverse Water Gas Shift).

Il est alimenté en CO2 par la ligne 30 et en hydrogène, à partir de l'électrolyseur 24, par la ligne 32. Dans le module de conversion 16, le CO2 est converti en CO selon l'équation chimique générale suivante :

CO ₂ + H ₂ ^ CO +H ₂ O

L'eau est par exemple recyclée dans l'électrolyseur 24. Le CO quitte le module de conversion par la ligne 36.

Le module de conversion du CO en CO ₂ est par exemple du type WGS (Water Gas Shift). Il est alimenté en CO venant du module de conditionnement des gaz par la ligne 38. La ligne 38 est montée en dérivation de la ligne 32. Le module de conversion 18 est également alimenté en eau par la ligne 40. L'eau provient de l'extérieur du module. Le module de conversion 18 permet de convertir le CO en CO ₂ , selon l'équation chimique générale suivante :

CO + H ₂ O -> H ₂ + CO ₂

Le H ₂ quitte le module de conversion 18 par la ligne 42. Le CO ₂ quitte le module de conversion 18 par la ligne 44.

Le CO ₂ quittant le module 18 par la ligne 44 est relâché dans l'atmosphère, ou stocké sous une forme quelconque, gazeuse ou liquide.

Le module 20 de production du premier flux d'hydrocarbures synthétiques fonctionne par exemple selon le procédé de Fischer-Tropsch. Ce procédé est connu et ne sera pas détaillé ici. Le module 20 est alimenté en CO par la ligne 32. Il reçoit également le CO de la ligne 36, cette ligne alimentant directement le module 20 ou alimentant le module 20 par l'intermédiaire de la ligne 32, comme représenté sur la figure 5. Le module 20 est également alimenté en hydrogène H ₂ . II reçoit de l'hydrogène H ₂ venant de l'électrolyseur 24 par la ligne 46. Il reçoit également l'hydrogène de la ligne 42, provenant du module de conversion 18.

Dans le module de production 20, le monoxyde de carbone et l'hydrogène réagissent sur des catalyseurs et forment un grand nombre d'hydrocarbures synthétiques. Ce premier flux d'hydrocarbures synthétiques quitte le module de production 20 par la ligne 48.

Le module de post-traitement 22 produit à partir du premier flux d'hydrocarbures synthétiques un second flux d'hydrocarbures synthétiques et un troisième flux d'hydrocarbures synthétiques. Le module 22 est une unité de raffinage de type connu en soi dans le domaine pétrolier. Le deuxième flux correspond par exemple au produit final de l'installation de production. Ce second flux est donc par exemple du carburant diesel ou du kérosène, ...etc. Le troisième flux correspond par exemple aux sous-produits du module 22 autres que le produit final recherché. Il comprend par exemple des naphtas ou tout autre type de produit.

Le second flux d'hydrocarbures synthétiques quitte le module 22 par la ligne 50 et le troisième flux par la ligne 52.

Le second et le troisième flux sont collectés dans des cuves de stockage ou peuvent être recyclés dans l'installation.

L'unité d'électrolyse 24, de type connu en soi, est prévue pour produire de l'oxygène et de l'hydrogène à partir d'eau et d'électricité fournie par le réseau local de distribution d'électricité. L'oxygène quitte l'électrolyseur par la ligne 28 et l'hydrogène par la ligne 54.

L'unité de production élémentaire comporte également des moyens de pilotage des différents modules 10, 14, 16, 18, 20 et 22 et de pilotage de l'électrolyseur 24. Ces moyens ne sont pas représentés. Ils sont notamment prévus pour répartir sélectivement le flux d'hydrogène quittant l'électrolyseur par la ligne 54 entre les lignes 34 et 46. Ces moyens sont prévus par ailleurs pour répartir sélectivement le flux de CO quittant le module de conditionnement des gaz 14 vers le module de production 20 et/ou vers le module de conversion 18.

Le pilotage de l'unité de production peut par exemple être effectué de la manière suivante. Quand l'électricité est disponible en abondance sur le réseau, les moyens de contrôle orientent tout le CO sortant du module 14 vers le module de production 20. Le module de conversion 18 est donc à l'arrêt. Par ailleurs, l'électrolyseur est utilisé de manière à produire une grande quantité d'hydrogène, dirigée en partie vers le module de conversion 16 et en partie vers le module de production 20.

Au contraire, quand l'électricité n'est disponible qu'en faible quantité sur le réseau, les moyens de contrôle dirigent une partie du CO sortant du module de conditionnement 14 vers le module de conversion 18 et une partie du CO vers le module de production 20. En revanche, le module de conversion 16 est mis à l'arrêt. Tout l'hydrogène quittant l'électrolyseur 24 est dirigé vers le module de production 20 par la ligne 46. L'électrolyseur fonctionne à faible capacité, et produit une quantité d'hydrogène plus faible que dans le premier cas. Le CO ₂ séparé dans l'unité de conditionnement des gaz 14 est dirigé vers l'extérieur de l'unité de production élémentaire, via la ligne 56.

Un second mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit, en référence à la figure 6. Seuls les points par l'intermédiaire desquels le second mode de réalisation diffère du premier seront détaillés ci-dessous. Les éléments identiques ou assurant la même fonction dans les deux modes de réalisation seront désignés par les mêmes références.

Le procédé mis en œuvre dans chaque unité de production élémentaire, pour le second mode de réalisation, est sensiblement identique à celui mis en œuvre pour le premier mode de réalisation de l'invention. En revanche, certains modules sont communs à plusieurs unités de production élémentaires, et ne sont donc plus dédiés à une unité déterminée, comme dans le premier mode de réalisation.

Comme le montre la figure 6, le module de production 10 du premier flux gazeux est commun à au moins deux unités de production élémentaires. Il peut être commun à plusieurs unités de production élémentaires, voire même être commun à toutes les unités de production élémentaires. Le premier flux gazeux est réparti entre les différentes unités de production élémentaires partageant le module de production 10.

Le module de post-traitement 22 est également partagé entre plusieurs unités de production élémentaires. Il peut être commun à deux unités de production élémentaires, voire trois et peut être commun à toutes les unités de production élémentaires. Comme visible sur la figure 6, le premier flux d'hydrocarbures synthétiques 48 produit par chacune des unités de production élémentaires est collecté dans un stockage tampon 58, par exemple dans un ensemble de cuves de stockage. Le module de post-traitement 22 est alimenté à partir de ce stockage tampon 58. Le deuxième flux d'hydrocarbures synthétiques 50, contenant le produit final, est collecté en sortie du module de post-traitement 22 dans un stockage 60. De même, le troisième flux d'hydrocarbures synthétiques 52, comprenant par exemple les autres hydrocarbures, est collecté en sortie du module de post-traitement 22 dans un stockage 62.

Le procédé de production décrit ci-dessus présente de multiples avantages.

Du fait que ce procédé repose sur l'utilisation de plusieurs unités de capacité comprise entre 100 et 1000 barils par jour, en nombre déterminé en fonction des ressources du territoire considéré, il est possible de mettre en œuvre le procédé de l'invention loin des sources importantes de matière carbonée, sur des territoires de taille limitée et ayant chacun des ressources totales limitées.

Le procédé est particulièrement adapté aux territoires de faibles superficies. Il permet de placer le site de construction de production d'hydrocarbures synthétiques à distance modérée des sources de matière carbonée du territoire.

Les transports nécessaires pour acheminer la matière carbonée jusqu'à l'installation de production d'hydrocarbures synthétiques se font sur des courtes distances, ce qui permet de limiter la consommation de carburant liée à ce transport ainsi que les émission de CO ₂ .

De même, les transports en vue de la distribution du produit final se font également sur des distances limitées, ce qui permet d'économiser le carburant et de limiter les émissions de CO ₂ .

Par ailleurs, l'installation est conçue pour pouvoir s'effacer au moins partiellement vis-à-vis du réseau de distribution électrique. Cet effacement partiel est réalisé en mettant à l'arrêt une ou plusieurs unités de production élémentaires. L'effacement peut aussi être réalisé en utilisant l'unité 18 de conversion des CO en CO ₂ , qui permet de produire de l'hydrogène à partir de monoxyde de carbone. On soulage ainsi l'électrolyseur, dont la consommation d'électricité et la production d'hydrogène peuvent être diminuées en conséquence. Ceci facilite également la gestion du réseau électrique au niveau local, en rendant localement la demande électrique quasi-constante. Cette souplesse de fonctionnement permet de profiter de tarifs attractifs sur l'électricité en adaptant la charge de production de l'installation en fonction du prix de l'électricité.

Par ailleurs, l'utilisation d'unités de production élémentaires standardisées toutes identiques permet de réduire les coûts de construction et de maintenance de ces unités par effet de série, et donc de réduire les coûts de production des hydrocarbures synthétiques.

Le procédé de production d'hydrocarbures synthétiques décrit ci-dessus peut présenter de multiples variantes.

Chaque unité de production élémentaire peut mettre en œuvre un procédé de synthèse d'hydrocarbures différent du procédé de Fischer-Tropsch. Il peut par exemple mettre en œuvre un procédé connu sous le sigle MTG (Methanol To Gazoline).

Les modules communs ou dédiés aux différentes unités de production élémentaire peuvent être différents de ce qui est représenté sur la figure 6. Par exemple, le module de production 10 du premier flux gazeux peut être commun alors que le module de post-traitement peut être dédié ou inversement. Par ailleurs l'électrolyseur peut être commun, ou tout autre module.