La présente invention concerne un procédé et une installation de purification d'hélium, en particulier à partir d'une source fluide contenant de l'hélium et du dihydrogène. Le fluide peut contenir d’autres gaz.

La présente invention concerne en particulier une installation et un procédé industriel pouvant être mise en oeuvre à partir de gaz extrait du sous-sol terrestre.

Etat de la technique

Le procédé usuel de purification de l’hélium est la cryogénie. Un tel procédé présente l’inconvénient d’être très énergivore et son intérêt industriel demande à être amélioré. Selon la publication des Techniques de l’Ingénieur (Épuration et liquéfaction de l’hélium par Guy Gisteau publié le 10/12/2002), à 25°C, il faut en théorie, 808049 J (0,2246 kWh) pour liquéfier 1 litre d’hélium à 1 ,2 bar (22,46 kWh/m3).

Il existe donc un besoin important de fournir un procédé de purification d'hélium moins énergivore et industriellement plus satisfaisant que la cryogénie.

Le brevet US 3,666,415 de 1972 décrit un flux alimentant un dispositif pour collecter de l’hélium, cependant ce flux présente une concentration très faible en Hélium et une concentration très élevée de dihydrogène. Aucune méthode de séparation de l’hélium n’est concrètement envisagée. Ce brevet n’a pas vocation à purifier de l’hélium.

Buts de l’invention

La présente invention se propose de résoudre ces problèmes techniques, et en particulier le problème technique de fournir un procédé de purification d'hélium.

En particulier, la présente invention a pour but de fournir un procédé de purification d'hélium moins énergivore que le procédé actuel de purification par cryogénie.

La présente invention a notamment pour but de fournir un procédé industriel de purification d'hélium industrialisable.

La présente invention se propose également de résoudre le problème technique de l’exploitation d’hydrogène du sous-sol terrestre contenant également de l’hélium. Aucune solution, en particulier industrialisable, n’est proposée à ce jour à la connaissance des inventeurs.

La présente invention a pour but de fournir une installation et un procédé industriels pour la transformation d’hydrogène sub-terrestre (extrait du sous-sol terrestre, appelé également hydrogène natif ou naturel) La présente invention a aussi pour but de fournir une installation et un procédé industriels de valorisation d’hydrogène et l’hélium sub-terrestre.

La présente invention a pour but de fournir de tels installation et procédé industriels de manière économiquement rentable pour un industriel, notamment en prenant en compte la possible indisponibilité de réseau électrique.

La présente invention a en particulier pour but de fournir de tels installation et procédé industriels autonomes en électricité.

Description de l'invention

L’invention concerne une installation industrielle 1 comprenant au moins une conduite d’alimentation en fluide, typiquement un gaz, contenant de l’hélium et du dihydrogène (H ₂ ), appelé aussi par simplicité « hydrogène », et au moins une conduite d’alimentation en azote, ladite conduite alimentant en hélium, dihydrogène et azote un dispositif de transformation 10 du dihydrogène en ammoniac (NH ₃ ) pour la production d’ammoniac par réaction de l’azote et du dihydrogène, le dispositif de transformation 10 comprenant au moins une conduite de sortie d’un fluide enrichi en hélium (gaz) et une conduite distincte de sortie de l’ammoniac, de préférence à l’état liquide.

Il est bien connu de transformer de l'hydrogène en ammoniac, par exemple par le procédé Haber Bosch. Ce procédé nécessite la réaction d'hydrogène avec l'azote pour la production d'ammoniac. Cependant, l’ensemble des installations industrielles à ce jour exploitent de l’hydrogène de synthèse. Cet hydrogène ne comprend donc pas d’hélium, et en particulier pas en quantité variable dans le flux alimentant l’installation.

Selon une variante, le déposant propose d’exploiter industriellement des sources d'hydrogène gazeux du sous-sol terrestre (sub-terrestre) comprenant aussi de l’hélium et potentiellement d’autres gaz comme du méthane et de l’azote par exemple.

A la connaissance des inventeurs, aucune exploitation industrielle n’est décrite et fonctionne à ce jour sur la base d’hydrogène sub-terrestre. Il existe donc un besoin technique et industriel à cet égard. La présente invention se propose également de résoudre le problème technique de l’exploitation d’hydrogène du sous-sol terrestre contenant également de l’hélium. Aucune solution, en particulier industrialisable, n’est proposée à ce jour à la connaissance des inventeurs.

La présente invention concerne donc une installation et un procédé industriels pour la transformation d’hydrogène sub-terrestre (extrait du sous-sol terrestre, appelé également hydrogène natif ou naturel). La présente invention concerne aussi une installation et un procédé industriels de valorisation d’hydrogène et l’hélium sub-terrestre. La présente invention concerne de tels installation et procédé industriels de manière économiquement rentable pour un industriel, notamment en prenant en compte la possible indisponibilité de réseau électrique. La présente invention concerne en particulier de tels installation et procédé industriels autonomes en électricité.

En outre, l'hydrogène gazeux produit à partir de telles sources naturelles d'hydrogène gazeux, c'est-à-dire extrait du sous-sol terrestre, présente une qualité et une quantité disponible variable. Ceci présente encore une difficulté technique du point de vue industriel surmontée par l’installation et procédé selon la présente invention. L'hydrogène gazeux produit à partir de sources naturelles d'hydrogène gazeux peut comprendre en outre une quantité substantielle d’hélium qui n’est pas valorisée à ce jour. L’invention concerne aussi la valorisation d’hélium extrait du sous-sol terrestre.

Par ailleurs, l'hydrogène ainsi disponible est présent en général dans des territoires isolés, c’est-à-dire en particulier des territoires non industrialisés, et ne disposant d'aucun réseau électrique. Ceci représente donc un challenge industriel particulièrement important pour pouvoir construire une installation industrielle d'exploitation d'un tel hydrogène sub terrestre. L’invention concerne une installation et un procédé proposant une solution à ce problème technique.

Le dihydrogène gazeux peut être extrait du sous-sol terrestre par exemple par un puits de forage. De telles sources sont localisées en divers endroits de la planète comme par exemples au Mali, aux Etats Unis, en Russie, en France, en Australie, au Brésil, en Argentine, en Islande, au Canada, en Oman, aux Philippines, en Angola. L’avantage d’une telle source est la haute teneur en hydrogène, et typiquement supérieure à 30% en volume par rapport au volume total de la fraction gazeuse considérée. Avantageusement, la teneur en hydrogène est supérieure à 90% en volume par rapport au volume total de la fraction gazeuse considérée.

Selon un mode de réalisation, le fluide contenant de l’hélium et du dihydrogène est extrait du sous-sol terrestre. Ainsi, selon une variante, l’installation 1 comprend au moins un dispositif d’extraction 30 d’un fluide, typiquement un gaz contenant du dihydrogène et de l’hélium du sous-sol terrestre.

L’extraction du fluide comprenant du dihydrogène et de l’hélium se réalise selon un mode de réalisation par forage d’un puit selon les techniques conventionnelles de forage et d’extraction de gaz du sous-sol terrestre. L’extraction se réalise en tenant compte de la sécurité nécessaire à la manipulation de l’hydrogène.

La transformation de l’hydrogène en ammoniac, et les différentes variantes de la mise en oeuvre de cette transformation, et en particulier du procédé Haber Bosch, telles que décrites dans l’état de la technique font partie intégrante de la présente invention. Selon un mode de réalisation, l'installation 1 comprend au moins un dispositif d’extraction 30 d’un fluide, typiquement un gaz, contenant du dihydrogène du sous-sol terrestre.

Avantageusement, l'installation 1 et le procédé selon la présente invention ne sont pas sensibles à la pureté de l'hydrogène.

Par exemple, le fluide, typiquement un gaz, contenant du dihydrogène extrait du sous-sol terrestre peut comprendre un ou plusieurs autres fluides, typiquement des gaz, comme par exemple du méthane et de l’azote, en différentes proportions.

Un exemple de mélange fluide gazeux alimentant l’installation 1 ou le procédé selon l’invention comprend ou est essentiellement constitué de dihydrogène, de diazote de méthane, et d’hélium, par exemple dans les proportions volumiques de dihydrogène allant généralement de 10 à 99% (v/v total du fluide gazeux extrait), de méthane allant généralement de 0,5 à 60% (v/v total du fluide gazeux extrait), de diazote allant généralement de 0,5 à 60% (v/v total du fluide gazeux extrait).

Un exemple de mélange fluide gazeux comprend ou est essentiellement constitué de dihydrogène, de diazote, de méthane, et d’hélium, par exemple dans les proportions volumiques de dihydrogène de 5 à 15% (v/v total du fluide gazeux extrait), de méthane allant généralement de 70 à 90% (v/v total du fluide gazeux extrait), de diazote allant généralement de 0,5 à 5% (v/v total du fluide gazeux extrait).

Un exemple de mélange fluide gazeux comprend ou est essentiellement constitué de dihydrogène, de diazote, de méthane, et d’hélium, par exemple dans les proportions volumiques de dihydrogène de 15 à 40% (v/v total du fluide gazeux extrait), de méthane allant généralement de 10 à 20% (v/v total du fluide gazeux extrait), de diazote allant généralement de 40 à 60% (v/v total du fluide gazeux extrait).

Un exemple de mélange fluide gazeux comprend ou est essentiellement constitué de dihydrogène, de diazote, de méthane, et d’hélium, par exemple dans les proportions volumiques de dihydrogène de 50 à 80% (v/v total du fluide gazeux extrait), de méthane allant généralement de 5 à 15% (v/v total du fluide gazeux extrait), de diazote allant généralement de 10 à 30% (v/v total du fluide gazeux extrait).

Un exemple de mélange fluide gazeux comprend ou est essentiellement constitué de dihydrogène, de diazote, de méthane, et d’hélium, par exemple dans les proportions volumiques de dihydrogène de 90 à 98% (v/v total du fluide gazeux extrait), de méthane allant généralement de 0,5 à 2% (v/v total du fluide gazeux extrait), de diazote allant généralement de 0,5 à 2% (v/v total du fluide gazeux extrait).

Dans ces fluides gazeux la proportion d’hélium est variable. Typiquement, le débit de mélange gazeux issu d’un dispositif d’extraction 30 présente un débit de 5000 m3/jour à 30 000 m3/jour alimentant le réacteur à ammoniac 100.

Avantageusement, l'installation 1 et le procédé selon la présente invention ne sont pas sensibles à la quantité d'hydrogène disponible. Pour des débits supérieurs à 30,000 m3/jour, il suffira de mettre en série plusieurs installations 1 .

Avantageusement, l'installation 1 et le procédé selon la présente invention évitent l'utilisation de dispositifs de compression d'hydrogène trop coûteux.

L’invention concerne également un procédé industriel pour enrichir en hélium un fluide contenant de l’hélium et du dihydrogène, mettant en oeuvre une installation 1 selon l’invention.

L’invention concerne aussi une méthode de purification d’hélium à partir d’un fluide contenant de l’hélium et du dihydrogène, caractérisée en ce que la méthode comprend la mise en oeuvre d’une une installation 1 selon l’invention, ou d’un procédé selon l’invention, ou comprend dans une installation industrielle : une alimentation d’hélium et de dihydrogène dans un dispositif de transformation 10 du dihydrogène en ammoniac (NH ₃ ) par réaction de l’azote et du dihydrogène, la production d’ammoniac à partir du dihydrogène extrait, et la production d’un gaz enrichi en hélium, et éventuellement la production d’électricité à partir de l’ammoniac produit, et éventuellement l’alimentation en électricité produite au moins de ladite installation industrielle.

Avantageusement, le procédé comprend la fourniture d’un fluide contenant de l’hélium et du dihydrogène, l’alimentation en ce fluide du dispositif de transformation (10) du dihydrogène en ammoniac (NH ₃ ) pour la production d’ammoniac d’une part et d’un fluide enrichi en hélium d’autre part.

Avantageusement, le procédé met en oeuvre un fonctionnement en boucle fermée du dispositif de transformation (10) pour transformer du dihydrogène en ammoniac, ledit dispositif de transformation (10) produisant d’une part un liquide contenant l’ammoniac et d’autre part un gaz contenant de l’hélium.

Selon un mode de réalisation, le fluide circule dans ladite boucle fermée suffisamment de fois pour enrichir le fluide circulant en hélium et obtenir une proportion volumique d’hélium supérieure à 90%, de préférence supérieure à 95%, encore de préférence supérieure à 99% et encore de préférence supérieure à 99,9% par rapport au volume total du fluide en sortie du dispositif de transformation 10.

Selon un mode de réalisation, le fluide circule au moins 8 fois, de préférence au moins 10 fois et encore de préférence au moins 15 fois dans ladite boucle fermée pour enrichir le fluide circulant en hélium. « Fluide enrichi en hélium » signifie un fluide dont la concentration en hélium est supérieure à celle du fluide entrant dans le dispositif de transformation 10 du dihydrogène en ammoniac. Avantageusement, la concentration en hélium est significativement supérieure à celle du fluide entrant dans le dispositif de transformation 10 du dihydrogène en ammoniac.

De préférence, le fluide enrichi en hélium en sortie du dispositif de transformation 10, présente une proportion volumique d’hélium supérieure à 90%, de préférence supérieure à 95%, encore de préférence supérieure à 99% et encore de préférence supérieure à 99,9% par rapport au volume total du fluide. Typiquement, le mélange gazeux entrant (de préférence après le passage du dispositif de purification 50 (PSA)) a une concentration en He comprise entre 5% et 25%. A la sortie de l’installation et du procédé objet de l’invention, concentration en He est de préférence supérieure à 99%. Ainsi, très avantageusement par rapport aux dispositif antérieur, il n’est pas nécessaire de diriger la conduite de sortie d’un fluide enrichi en hélium (gaz)du dispositif 10 vers un dispositif complexe et/ou coûteux de purification de l’hélium.

Avantageusement, le fluide enrichi en hélium est purifié sur un dispositif de purification 85, typiquement un filtre à membranaire ou un lit de charbon. Un tel procédé est donc très avantageux industriellement, notamment car il est bien moins coûteux que les séparations préconisées dans l’art antérieur.

Le fluide enrichi en hélium peut être par exemple stocké dans un réservoir 200, pour l’utilisation ou la vente d’hélium.

Selon une variante, l’installation 1 comprend un dispositif de purification 60 de l’air en azote et alimentant en azote purifié le dispositif 10 de transformation du dihydrogène en ammoniac, par exemple l’azote provenant du fluide extrait du sous-sol ou d’un réservoir de stockage d’air 40 ou de l’air ambiant. Selon une variante, l’azote est contenu dans le même fluide que le dihydrogène, typiquement lorsque le fluide est extrait du sous-sol.

Selon un mode de réalisation, l’installation 1 comprend un système de purification et/ou de transformation d’un ou plusieurs autres composés que le dihydrogène contenu dans le fluide (gaz) extrait du sous-sol, par exemple cet autre composé est du méthane.

Selon un mode de réalisation, l’installation comprend au moins une source d’électricité qui n’est pas générée à partir d’hydrocarbure, comme par exemple issue d’une pile à combustible, par exemple une pile à hydrogène, une turbine à gaz ammoniac, un dispositif photovoltaïque, une éolienne, un dispositif utilisant la géothermique, l’énergie marémotrice, l’énergie des vagues, une hydrolienne, ou encore une biomasse.

L'invention concerne aussi une installation industrielle 1 de transformation de dihydrogène, caractérisée en ce que l’installation 1 comprend au moins une conduite d’alimentation en fluide extrait du sous-sol terrestre, typiquement un gaz, contenant du dihydrogène, ladite conduite alimentant un dispositif de transformation 10 du dihydrogène en ammoniac (NH ₃ ) pour la production d’ammoniac, ledit ammoniac produit étant dirigé vers au moins une conduite d’alimentation d’au moins un réservoir de stockage d’ammoniac sous forme liquide.

Selon un mode de réalisation, une pile à combustible 130 alimente en électricité au moins ladite installation 1 et/ou un réseau électrique 140 autre que le réseau électrique de l’installation et/ou une ou plusieurs unités de stockage d’électricité 142, par exemple des batteries de stockage d’électricité.

De préférence, l’installation comprend au moins une pile à combustible NH ₃ 130 produisant de l’électricité, et une conduite d’alimentation de la pile à combustible NH ₃ 130 à partir du réservoir d’ammoniac.

Ainsi, selon une variante, l’installation 1 comprend au moins une pile à combustible NH ₃ 130, et l’ammoniac produit par le dispositif de transformation 10 est dirigé vers au moins une conduite d’alimentation d’une pile à combustible NH ₃ 130, ladite pile à combustible NH ₃ 130 produisant de l’électricité.

Avantageusement, ladite pile à combustible NH ₃ 130 produit de l’électricité et alimente en électricité au moins ladite installation 1 .

Avantageusement, l’installation 1 est autosuffisante en consommation électrique par l’électricité produite par la ou les piles à combustible NH ₃ 130 et/ou la source d’électricité qui n’est pas générée à partir d’hydrocarbure.

Typiquement, le dispositif de transformation 10 du dihydrogène en ammoniac comprend un séparateur Gaz/liquide 80, un compresseur de recyclage 90, un réacteur de transformation 100 de dihydrogène en ammoniac, un condenseur d’ammoniac 1 10, et de préférence un réservoir de stockage 120 de l’ammoniac produit. Selon une variante, lesdits séparateur Gaz/liquide 80, compresseur de recyclage 90, réacteur de transformation 100 et condenseur d’ammoniac 1 10 sont agencés en boucle de circulation du fluide contenant l’hélium et le dihydrogène et transformant du dihydrogène en ammoniac, enrichissant ainsi le fluide en hélium.

Avantageusement, l’invention permet le stockage de l’ammoniac sous forme liquide. Ceci permet d’une part de valoriser une source naturelle d’hydrogène par un produit ayant un marché local et international et d’autre part évite la manipulation et le stockage de gaz.

L’installation industrielle comporte plusieurs modules fonctionnant seuls ou avec d’autres modules.

Selon une variante, l’installation 1 comprend un dispositif de purification 50 du dihydrogène extrait du sous-sol terrestre en amont du dispositif de transformation du dihydrogène en ammoniac, par exemple le dispositif de purification 50 enrichissant le fluide (gaz) purifié en dihydrogène par rapport au fluide (gaz) extrait du sous-sol.

Selon un mode de réalisation, l'installation 1 et le procédé selon la présente invention comprennent un dispositif d’adsorption à pression modulée (APM ou PSA « Pressure Swing Adsorption » en anglais), de préférence formant un dispositif de purification 50 du dihydrogène extrait du sous-sol terrestre, disposé de préférence en amont du dispositif de transformation du dihydrogène en ammoniac.

Selon un mode de réalisation, l'installation 1 et le procédé selon la présente invention comprennent un dispositif de compression 70 (par exemple de type « skid compresser » en anglais), typiquement disposé entre le dispositif de purification 50 et l’entrée dans la boucle avec le réacteur NH ₃ .

Selon un mode de réalisation, l'installation 1 et le procédé selon la présente invention comprennent un dispositif de vaporeformage du méthane (SMR ou « steam methane reforming » en anglais), si du méthane est présent en quantité suffisante pour son vaporeformage. Un dispositif de vaporeformage du méthane est typiquement placé en sortie un dispositif d’adsorption à pression modulée, par exemple en sortie du dispositif 50 selon la figure 1 .

Selon une variante, l’installation 1 comprend un dispositif de traitement des gaz de purge 150 et en particulier d’ammoniac gazeux purgé.

Selon une variante, la pile à combustible 130 alimente un réseau électrique 140 autre que le réseau électrique de l’installation et/ou une ou plusieurs unités de stockage d’électricité 142, par exemple des batteries de stockage d’électricité.

Avantageusement, l’installation 1 est autonome en électricité.

L’invention concerne également un procédé industriel de production d’ammoniac et/ou d’électricité caractérisé en ce qu’il met en oeuvre une installation 1 selon l’invention.

Selon une variante, ledit procédé comprend la fourniture de dihydrogène extrait du sous-sol terrestre, l’alimentation en dihydrogène au dispositif de transformation du dihydrogène en ammoniac (NH ₃ ) pour la production d’ammoniac, l’alimentation d’une pile à combustible en ammoniac 130 produit par le dispositif de transformation 10, la production d’électricité par la pile à combustible 130, l’électricité produite alimentant au moins ladite installation 1 .

L’invention concerne également une méthode de valorisation de dihydrogène, caractérisée en ce que la méthode comprend la mise en oeuvre d’une installation 1 selon l’invention, ou d’un procédé selon l’invention, ou comprend dans une installation industrielle : l’extraction de dihydrogène du sous-sol terrestre et la production d’ammoniac à partir du dihydrogène extrait, et de préférence la production d’électricité à partir de l’ammoniac produit et l’alimentation en électricité produite au moins de ladite installation industrielle.

Avantageusement, la présente invention concerne des installations 1 et procédés industriels valorisant l’hydrogène sous forme d’ammoniac et/ou d’électricité. L’ammoniac est avantageusement utilisé pour la production d’électricité dans une ou plusieurs piles à combustible dédiées.

Selon une variante, la puissance de la pile à combustible à ammoniac 130 va de 100 à 700 kW.

Selon un mode de réalisation, l'installation 1 et le procédé selon la présente invention permettent de produire de l'ammoniac en une quantité de 1 à 5000 tonnes par an, et typiquement jusqu'à 1000 tonnes par an.

Selon une variante, l’ammoniac peut être stocké dans un réservoir de stockage d’ammoniac en amont de la pile à combustible. Ainsi, l’ammoniac peut être stocké avant d’être circulé vers la pile à combustible.

Selon une variante, l’ammoniac excédentaire peut être valorisé par sa vente sur le marché 160. L'ammoniac peut être vendu par exemple sur place ou exporté.

Avantageusement, la présente invention concerne des installations et procédés industriels valorisant l’hydrogène en électricité.

Selon une variante, l’électricité excédentaire peut être valorisée par sa vente sur le marché. Selon une variante, l’électricité excédentaire peut alimenter des habitations et/ou installations industrielles environnantes. Ainsi l’invention présente un caractère particulièrement intéressant du point de vue de l’économie et du développement d’un écosystème humain proche d’une installation selon l’invention en produisant de l’électricité dans des zones terrestres isolées, par exemple où les populations locales n’ont pas accès à l’électricité. La présente invention présente donc un caractère humanitaire important.

Pour les besoins du démarrage de l’installation 1 et du procédé selon l’invention, une alimentation électrique sera généralement nécessaire. Une alimentation électrique peut être concrétisée à titre d’illustration par toute source d’électricité apte en particulier à fonctionner en milieu isolé, sans raccordement à un réseau électrique existant. On parle ici de source d'énergie électrique externe 170. Cette source peut être par exemple une source d’électricité à partir d’énergie renouvelable comme par exemple des modules photovoltaïques, des éoliennes, ou si besoin un moteur thermique ou encore une pile à combustible, par exemple à acide phosphorique (« Phosphoric acid fuel cells » (PAFC)).

Avantageusement, une pile à combustible à acide phosphorique qui convertit l'hydrogène et l'air en électricité est peu sensible à la pureté de l'hydrogène et peut donc être mise en oeuvre également à partir de la source d'hydrogène sub-terrestre. L’étape de démarrage de l’installation 1 avec de l’électricité non générée par l’installation est de préférence limitée dans le temps et mise en œuvre de préférence uniquement le temps que l’installation produise l’électricité suffisante pour être autonome en électricité, et éventuellement lors d’une baisse de production d’électricité, le cas échéant.

Selon une variante, lorsque l'installation 1 et le procédé selon la présente invention sont mis en œuvre, la source d'énergie électrique externe 170 ne fournit plus d’électricité à l’installation 1 et le procédé de l’invention après l'étape de démarrage et l’électricité requise par l'installation 1 et le procédé selon la présente invention provient de l'électricité générée par l'installation 1 elle-même. Ainsi, l'installation 1 et le procédé selon la présente invention sont autonomes ou autrement dites autosuffisants.

Selon une variante, la puissance électrique nécessaire au démarrage de l'installation 1 est typiquement inférieure ou égal à 100 kW. La période de démarrage de l'installation 1 est en général inférieure à 48 heures, de préférence inférieure à 24 heures et selon un mode de réalisation particulier inférieure à 20 heures.

Ainsi, la présente invention permet de valoriser et de transformer de l'hydrogène extrait du sous-sol terrestre en particulier dans des territoires reculés, en particulier ne disposant pas d'installations électriques.

Selon l’invention, on utilise indifféremment les termes d’« installation », de « dispositif », de « système » ou d’« appareillage », qui sont interchangeables. Toutefois, l’installation désigne en général ici l’installation 1 de manière générale.

Dans la présente invention, il est fait référence indépendamment aux différents éléments par leur numéro de référence sur les figures, sans aucune limitation de la portée de l’invention. Les références à un élément avec plusieurs numéros de référence signifient que la description s’applique généralement et indépendamment, mais aussi en combinaison, à l’élément portant le signe auquel il est fait référence.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 représente un schéma de principe général d’un mode de réalisation selon l’invention. Il n’est aucunement limitatif des différents modes de réalisation de l’invention.

Le schéma général de la figure 1 est constitué de l’installation 1 avec deux blocs appelés ISBL 10 et OSBL 20 respectivement pour « Inside Battery Limit » ou interne aux limites de la batterie qui permet avantageusement la production d’ammoniac à partir de dihydrogène et « Outside Battery Limit » ou externe aux limites de la batterie, qui permet avantageusement la purification au moins du dihydrogène potentiellement non suffisamment purifié et mis en jeu dans la transformation selon l’invention. A ces deux blocs 10,20 viennent s’ajouter une source d'énergie électrique externe 170, un réservoir de stockage d’ammoniac 120, un système de purification et/ou récupération (50,60) des autres gaz valorisables potentiellement associés au dihydrogène (notamment méthane) et optionnellement une pile à combustible 130 fonctionnant à l’ammoniac. L’installation 1 comprend une conduite d’entrée du fluide contenant le dihydrogène, l’azote et l’hélium alimentant typiquement la boucle contenant le réacteur NH ₃ entre le condenseur d’ammoniac 1 10 et le séparateur Gaz/Liquide 80. L’installation 1 comprend une conduite sortant le gaz enrichi en hélium du séparateur Gaz/Liquide 80 en direction d’un dispositif 85 de purification complémentaire du fluide pour l’enrichir encore en hélium, comme par exemple un lit à charbon ou une membrane. Le fluide enrichi en hélium est par exemple stocké dans le réservoir 200.

Cette pile à combustible 130 optionnelle, mais avantageuse, remplace partiellement, et de préférence totalement, la source d'énergie électrique externe 170 (par exemple générateur diesel) pour fournir l’énergie électrique à l’installation 1 après démarrage. L’excédent d’électricité peut être vendu, par exemple via un réseau électrique 140, et/ou stocké, par exemple dans des batteries 142. Si aucune solution n’est disponible pour l’excédent d’électricité, alors l’ammoniac produit est stocké en amont de la pile 130 pour une utilisation ultérieure, par exemple d’un récipient de stockage 120.

La source d'énergie électrique externe 170 fournit la puissance électrique nécessaire au démarrage à l’installation 1 qui une fois en fonctionnement devient autonome. La source d'énergie électrique externe 170 peut alors ne plus être utilisée pour fournir de l’électricité à l’installation 1 . Cette source d'énergie électrique externe 170 présente typiquement une puissance typiquement de 10 à 200 kW (idéalement 100 kW). La source d'énergie électrique externe 170 peut être par exemple un générateur diesel 170 ou une pile à combustible à acide phosphorique (PAFC), avantageusement peu sensible aux impuretés du combustible hydrogène.

Selon un mode de réalisation, le bloc OSBL 20 comporte des systèmes auxiliaires de traitement de gaz 60 pour la séparation de l’azote à partir de l’air du réservoir de stockage 40, l’azote étant avantageusement mis en oeuvre dans la transformation du dihydrogène, typiquement selon le procédé Haber Bosch.

Selon un mode de réalisation, le système de purification 50 du dihydrogène peut aussi comprendre un système de séparation et/ou récupération de tout autre gaz valorisable (hélium, méthane, azote,...).

Selon un mode de réalisation avantageux, le bloc ISBL 10 représente un module de transformation de l’hydrogène en ammoniac avec de l’azote provenant soit du mélange gazeux issus du sous-sol et séparé par le module 50, soit typiquement de l’air du réservoir 40, et de préférence provenant du générateur d’azote 60.

Selon un mode de réalisation, l’ISBL 10 est alimenté en un ou plusieurs fluides contenant le dihydrogène et l’azote. Par exemple les fluides de sortie des purificateurs 50 et 60 sont mis en contact avant alimentation de l’ISBL 10, par exemple avant le compresseur 70 sur la figure 1.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'homme de l'art suite à la lecture de la description explicative qui fait référence à des exemples qui sont donnés seulement à titre d'illustration et qui ne sauraient en aucune façon limiter la portée de l'invention.

Les exemples font partie intégrante de la présente invention et toute caractéristique apparaissant nouvelle par rapport à un état de la technique antérieure quelconque à partir de la description prise dans son ensemble, incluant les exemples, fait partie intégrante de l'invention dans sa fonction et dans sa généralité.

Ainsi, chaque exemple a une portée générale.

D'autre part, dans les exemples, la température est exprimée en degré Celsius sauf indication contraire, et la pression est la pression atmosphérique, sauf indication contraire.

Exemples

Pour rappel la réaction principalement mise en oeuvre pour la transformation de dihydrogène en ammoniac est la suivante :

3H ₂ + N ₂ ® 2NH ₃

Remarques préliminaires :

I kg d’ammoniac se forme à partir de 176 g d’H ₂ . (3 moles H ₂ = 6g pour donner 2 moles NH ₃ =17 ^* 2=34 g). Le réacteur ammoniac (par exemple NFuel® de Proton Ventures) est basé sur le procédé Haber Bosch. La réaction se fait entre 300 °C et 500 °C et une pression de 150 à 250 atmosphères (15-25 MPa).

II faut fournir de l’énergie pour la compression et le chauffage des gaz. La réaction chimique, quant à elle étant exothermique, cette chaleur peut être utilisée pour réchauffer les gaz en mode continue.

Il faut par exemple environ 1000 kWh par tonne d’ammoniac produite (1 kWh par kg). La grande partie de cette puissance sert à la compression des gaz car le chauffage consomme peu après le démarrage de la réaction (réaction exothermique). Le mélange gazeux (H ₂ / N ₂ / He) avec une concentration en He comprise entre 5% et 25% rentre dans le réacteur ammoniac dans lequel une mole de N ₂ réagit avec 3 moles d'H2 pour former 2 moles d'NH ₃ alors que l’He qui est un gaz non réactif n’est pas consommé. Le réacteur de formation d’ammoniac 100 par exemple le Nfuel®4 fourni par Proton Ventures, fonctionne sous 150 à 250 atmosphères de pression à une température de 350 à 500 °C. Dans ces conditions, le rendement de chaque passe (ou boucle) dans le réacteur ammoniac 100 est typiquement de 25%. Le mélange en sortie du réacteur ammoniac 100 est envoyé dans le condenseur à ammoniac 1 10 afin de le piéger. En sortie du condenseur 1 10, un peu d'ammoniac liquide est présent qui à son tour est séparé du mélange dans le séparateur vapeur/liquide 80. Lorsqu'on atteint le niveau de pureté d’He désiré (typiquement 15 passes pour faire réagir 90 % de l’Hydrogène), les gaz de sortie contenant majoritairement de l'He sont envoyés vers le filtre membranaire 85 (ou dispositif équivalent) par exemple pour éliminer le résidu d'N ₂ . Le fluide enrichi en He est stocké dans un réservoir 200.

Exemple 1 :

Dans une installation selon la figure 1 , on utilise un mélange gazeux issu d’un dispositif d’extraction 30 avec un débit de 5000 m3/jour à 30 000 m3/jour contenant 10% d’Hydrogène, 1 % d’azote, 85% de méthane et 4% d’hélium. Après le PSA (Pressure Swing Adsorption 50) le méthane est séparé. Le mélange gazeux sortant est composé de 66,66% d’H2, 6,66% d’azote et de 26,67% d’hélium. L’air 40 est passé dans un autre PSA 60 pour séparer l’azote et de compléter le mélange entrant dans le réacteur ammoniac (3 volumes d’hydrogène pour un volume d’azote). Le flux purifié est envoyé vers un dispositif de transformation de H ₂ en NH ₃ 10 comprenant un réacteur ammoniac 100 (par exemple NFuel®1 , 4 ou 20 de Proton Venture de capacités de 120 kg/h, 415 kg/h et 2500 kg/h respectivement). On choisit le modèle adapté à la quantité d’ammoniac voulue (NFuel®1 pour la plupart des cas et NFuel®4 dans certains cas). On apporte une énergie électrique de respectivement 240 kWh, 721 kWh et 1442 kWh par jour de fonctionnement pour les débits de 5000 à 30 000 m3/jour. Les gaz de sortie sont composés de NH ₃ , du H ₂ et N ₂ qui n’ont pas encore réagit et de l’Hélium qui n’entre pas dans la réaction. A chaque passage du mélange gazeux dans le réacteur ammoniac 100, la teneur en hydrogène est baissée de 25%. L’ammoniac est condensé par refroidissement à -30°C dans le condenseur 1 10 et séparé du mélange notamment par le dispositif de séparation vapeur/liquide 80. Les gaz sont réinjectés dans le réacteur ammoniac pour une nouvelle boucle réactionnelle après passage dans le dispositif de compression 90. Si on utilise le réacteur 100 NFuel®1 de Proton Ventures qui peut produire jusqu’à 120 kg/h d’ammoniac, on aura consommé la totalité de l’hydrogène (> 99%) disponible du premier cas de cet exemple en 2 heures. Avec un rendement de 25% le calcul est le suivant :

Passe 1 1 mole H2 en entrée 1 -25%=0,75 restant en sortie

Passe 2 0,75 H2 en entrée 0,75-(0,75 ^* 25%)=0,56 restant en sortie

Passe 3 0,56 H2 en entrée 0,56-(0,56 ^* 25%)=0,42 restant en sortie

Passe 4 0,42 0,32

Passe 5 0,32 0,24

Etc..

Passe 15 0,1 restant

Le mélange gazeux de l’exemple 1 à 5000 m3 par jour contenant 4% d’hélium correspond à 200 m3 d’hélium gazeux par jour. Il faut une énergie de 4492 kWh (200x22,46) pour la cryogénie. L’installation et le procédé objet de l’invention consomme quant à lui 240 kWh.

Exemple 2 :

De la même manière que pour l’exemple 1 , Dans une installation selon la figure 1 , on utilise un mélange gazeux avec un débit de 5000 m3/jour à 30 000 m3/jour contient 97% d’Hydrogène, 1 % d’azote, 1 % de méthane et 1 % d’hélium. Le seuil du méthane est suffisamment bas. Le mélange est utilisé sans passage par le PSA avec le complément d’azote (3 volumes d’hydrogène pour un volume d’azote) venant de l’air après le PSA (Pressure Swing Adsorption 50). On peut ainsi obtenir d’une part une source d’ammoniac liquide et d’autre part un gaz enrichi en hélium.