L'invention concerne le domaine de la production de chaleur par un transformateur thermochimique, et le transfert de cette chaleur vers un site réactionnel, afin d'initier et/ou de favoriser une réaction chimique exothermique.

Les transformateurs thermochimiques sont des systèmes thermiques capables de remonter le potentiel thermique d'une source de chaleur grâce au couplage entre deux équilibres thermodynamiques renversables via une phase gazeuse. Au moins un de ces équilibres est une sorption renversable. Une sorption renversable peut être une absorption ou une adsorption d'un gaz, dit gaz de travail, par un milieu absorbant ou adsorbant pouvant être soit une solution saline ou binaire (cas de l'absorption liquide/gaz), soit un matériau actif tel que la zéolithe, le charbon actif (cas de l'adsorption du gaz de travail sur la surface très développée du matériau actif), soit un matériau réactif (cas de la réaction entre un solide réactif et un gaz).

Une sorption renversable entre un sorbant S et un gaz G est exothermique dans le sens de la synthèse S + G o SG, et endothermique dans le sens de la décomposition SG-> S + G. Dans un changement de phase liquide/gaz de G, la condensation est exothermique et l'évaporation est endothermique.

Ces phénomènes renversables peuvent être représentés sur le diagramme de Clausius-Clapeyron par leur droite d'équilibre définie par : Ln P = f (-1/T) plus précisément Ln#=-###+### P et T étant respectivement la pression et la température, P° une pression de référence (1bar), AH° et AS° étant respectivement l'enthalpie et l'entropie du phénomène (décomposition ou évaporation) mis en jeu, et R étant la constante des gaz parfaits.

Les transformateurs thermochimiques peuvent remplir différentes fonctions notamment : - le stockage de l'énergie sous forme thermique

- la remontée du potentiel thermique d'une source de chaleur - une fonction pompe à chaleur qui permet de produire de la chaleur et/ou du froid selon les conditions opératoires du système.

L'invention concerne essentiellement le cas où le transformateur thermochimique est utilisé pour remonter le potentiel thermique d'une source de chaleur. L'étape exothermique du transformateur thermochimique est mise à profit pour produire de la chaleur à un niveau de température suffisant et transférer cette chaleur vers un dispositif renfermant un site réactionnel dont la température d'équilibre ou de réaction est supérieure à celle de la source de chaleur disponible. La chaleur produite par le transformateur thermochimique est ainsi utilisée pour initier et/ou favoriser ou entretenir une seconde réaction exothermique sur le site réactionnel.

La sorption renversable dans le réacteur peut être choisie parmi les réac- tions chimiques renversables entre le gaz G et un solide, les adsorptions du gaz G sur un solide, et les absorptions du gaz G par un liquide.

Le phénomène renversable dans le dispositif peut être choisi parmi les réactions chimiques renversables entre le gaz G et un solide, les adsorptions du gaz G sur un solide, les absorptions du gaz G par un liquide, les changements de phase liquide/gaz du gaz G. Les changements de phase liquide/gaz sont préférés, car ils permettent une production de chaleur avec une plus grande vitesse qu'avec des sorptions, du fait de la plus faible inertie thermique du système et de la meilleure efficacité des transferts de chaleur et de masse.

Comme exemples de gaz G, on peut citer l'ammoniac et ses dérivés, l'hydrogène, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau, le sulfure d'hydrogène, le méthane et d'autres gaz naturels. Comme réaction de sorption, on peut citer les réactions utilisant des ammoniacates (par exemple des chlorures, des bromures, des iodures ou des sulfates), des hydrates, des carbonates, des hydroxydes ou des hydrures.

Dans les applications connues, le composé solide contenu dans le réacteur du transformateur thermochimique est régénéré au cours d'une opération séparée qui consomme de l'énergie (phase endothermique) et complique la mise en oeuvre du procédé, et la conception du dispositif associé.

Le but de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif d'utilisation d'un transformateur thermochimique pour la remontée du potentiel thermique d'une source de chaleur plus simple et plus économique que ceux existants.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'utilisation d'un transformateur thermochimique du type comportant un réacteur thermochimique renfermant un sorbant solide (S) destiné à réagir avec un composé gazeux (G) selon un processus de sorption exothermique renversable, un dispositif siège d'un phénomène renversable qui met en jeu ledit composé gazeux (G), des moyens permettant alternativement de mettre le dispositif en communication avec le réacteur thermochimique et de les isoler, la courbe d'équilibre du phénomène renversable dans le dispositif étant située dans un domaine de température plus bas, pour une même pression, que celui de la courbe d'équilibre de la sorption renversable dans le réacteur du transformateur thermochimique dans le diagramme de Clausius-Clapeyron, selon lequel on communique la chaleur de sorption dégagée dans ledit réacteur du transformateur thermochimique à un site réactionnel d'un réacteur chimique pour initier et/ou favoriser un réaction chimique exothermique, caractérisé en ce qu'on utilise la chaleur dégagée par la dite réaction chimique exothermique pour régénérer ledit sorbant solide (S) contenu dans le réacteur du transformateur thermochimique par désorption dudit composé gazeux (G).

Ladite sorption renversable dans le réacteur thermochimique peut être choisie parmi les réactions chimiques renversables entre le composé gazeux (G) et le solide (S) et les adsorptions du composé gazeux (G) sur le solide (S).

Le phénomène renversable dans le dispositif peut être choisi parmi les réactions chimiques renversables entre le composé gazeux (G) et un solide, les adsorptions du gaz (G) sur un solide, les absorptions du composé gazeux (G) par un liquide et les changements de phase liquide/gaz du composé gazeux (G).

De préférence, le phénomène renversable dans le dispositif siège d'un phénomène renversable est un changement de phase liquide/gaz.

De préférence, on prélève de la chaleur à une source de chaleur disponible lors de la phase exothermique du fonctionnement du réacteur du transformateur thermochimique pour la transférer dans le dispositif siège d'un

phénomène renversable qui met en jeu le composé gazeux (G), et on rejette de ce dispositif dans un puits de chaleur disponible la chaleur libérée lors de la phase de régénération du réacteur du transformateur thermochimique.

La chaleur de sorption dégagée par ledit réacteur du transformateur thermochimique peut être transmise au réacteur chimique par l'intermédiaire de la source de chaleur disponible.

La source de chaleur disponible peut être constituée par le site réactionnel du réacteur chimique.

L'invention a également pour objet un dispositif du type comportant un réacteur chimique comportant un site réactionnel pour l'exécution d'une réaction chimique exothermique et un transformateur thermochimique comportant un réacteur renfermant un composé solide (S), des moyens d'introduction dans ledit réacteur d'un composé gazeux (G) réagissant avec ledit composé solide (S) selon une réaction de sorption exothermique renversable, un dispositif siège d'un phénomène renversable qui met en jeu ledit composé gazeux (G), des moyens permettant alternativement de mettre le dispositif siège du phénomène renversable en communication avec le réacteur et de les isoler, la courbe d'équilibre du phénomène renversable dans le dispositif étant située dans un domaine de température plus bas, pour une même pression, que celui de la courbe d'équilibre de la sorption renversable dans le réacteur du transformateur thermochimique dans le diagramme de Clausius-Clapeyron, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens pour transmettre la chaleur dégagée par ladite réaction chimique exothermique vers ledit réacteur du transformateur thermochimique de manière à assurer la régénération dudit composé solide (S).

Ledit réacteur du transformateur thermochimique peut être situé au voisinage immédiat dudit site réactionnel.

Lesdits moyens pour transmettre la chaleur dégagée par ladite réaction chimique exothermique vers ledit réacteur du transformateur thermochimique peuvent alors être constitués par une paroi permettant une mise en contact thermique entre ledit réacteur du transformateur thermochimique et ledit réacteur chimique.

Ledit réacteur du transformateur thermochimique peut être situé à l'écart dudit site réactionnel.

Lesdits moyens pour transmettre la chaleur dégagée par ladite réaction chimique exothermique vers ledit réacteur du transformateur thermochimique peuvent alors comporter un caloduc, ou une boucle de fluide caloporteur, ou des moyens pour orienter des produits chauds issus de ladite réaction chimique exothermique vers ledit réacteur du transformateur thermochimique.

De préférence, le dispositif siège d'un phénomène renversable est muni de moyens pour prélever de la chaleur dans une source de chaleur disponible lors de la phase exothermique du fonctionnement du réacteur du transformateur thermochimique, et de moyens pour rejeter dans un puits de chaleur disponible la chaleur libérée lors de la phase de régénération du transformateur thermochimique.

Lesdits moyens pour prélever et rejeter de la chaleur peuvent comporter un fluide caloporteur, ou un caloduc.

De préférence, le dispositif comporte des moyens pour détecter le début de ladite réaction chimique exothermique, lesdits moyens commandant les moyens de mise en communication du dispositif siège d'un phénomène renversable avec le réacteur.

Comme on l'aura compris, l'invention consiste à utiliser un transformateur thermochimique qui permet, lors de la phase exothermique de son fonctionnement, d'élever la température d'un site réactionnel dans le but soit d'initier, soit de favoriser ou d'entretenir une réaction chimique exothermique, et à utiliser la chaleur dégagée par cette réaction chimique exothermique pour la régénération du réacteur du transformateur thermochimique. Ainsi les deux étapes de fonctionnement du transformateur thermochimique se succèdent immédiatement dans le temps, la seconde étape consistant à régénérer le transformateur thermochimique n'étant pas consommatrice d'énergie coûteuse puisqu'elle utilise la chaleur de la réaction initiée par le transformateur thermochimique.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées : - la figure 1 qui schématise le principe général du procédé selon l'invention ;

- les figures 2 et 3 qui schématisent les transferts thermiques ayant lieu lors des deux phases du procédé selon l'invention ; - les figures 4 et 5 qui schématisent deux variantes de l'invention.

Les différents éléments d'un dispositif comportant un transformateur thermochimique selon l'invention, tel que représenté sur la figure 1, sont : - un réacteur 1 du transformateur thermochimique, renfermant un sorbant solide S destiné à absorber ou adsorber un composé gazeux G selon un processus de sorption exothermique renversable, dite « première réaction exothermique » ; - un dispositif 2 qui est le siège d'un phénomène renversable mettant en jeu le gaz G ; - un réacteur chimique 3, renfermant un site réactionnel siège d'une « seconde réaction chimique exothermique », qui est à initier et/ou à favoriser ou à entretenir au moyen du transformateur thermochimique.

- des moyens tels qu'une vanne 4 permettant, à la commande (par exemple sous l'effet de moyens de détection du début de la seconde réaction chimique exothermique), de mettre en communication c'est à dire à la même pression, le dispositif 2 et le réacteur 1 du transformateur thermochimique ; Le dispositif dispose également, à proximité ou non, d'une « source de chaleur disponible » 9 qui est un milieu matériel susceptible de fournir de la chaleur à un niveau de température donnée, ainsi que d'un « puits de chaleur disponible » 10 qui est un milieu matériel capable de recevoir de la chaleur à un niveau de température donné.

Le dispositif 2 siège d'un phénomène renversable mettant en jeu le gaz G est muni de moyens 7 pour prélever de la chaleur à la température de la source de chaleur disponible 9 mise en oeuvre lors de la phase exothermique du fonctionnement du réacteur 1 du transformateur thermochimique. II comporte également de préférence des moyens 8 pour rejeter la chaleur libérée lors de la phase de régénération du sorbant S du transformateur thermochimique.

L'évacuation de cette chaleur est effectuée dans le puits de chaleur disponible 10 dont le niveau de température peut être compris entre celui de l'environnement extérieur et celui du site réactionnel du réacteur chimique 3 lors de l'exécution de la réaction à initier et/ou favoriser. Ces moyens d'amenée 7 et d'extraction 8 de

chaleur liés au dispositif 2 peuvent, par exemple, comprendre des fluides caloporteurs monophasiques ou diphasiques, ou des caloducs.

Sur la figure 2 sont schématisés les transferts thermiques se produisant lors de l'étape de fonctionnement exothermique du réacteur 1 du transformateur thermochimique. La source de chaleur disponible 9 cède de la chaleur au dispositif 2 qui envoie le gaz G dans le réacteur 1. La chaleur de la réaction S+G o SG est transmise au réacteur chimique 3. Sur la figure 3 sont schématisés les transferts thermiques se produisant lors de l'étape de fonctionnement endothermique du réacteur 1 du transformateur thermochimique. Le réacteur chimique 3 cède de la chaleur au réacteur 1 du transformateur thermochimique, ce qui provoque la désorption du gaz G selon SG o S+G. Le gaz retourne au dispositif 2 et y cède sa chaleur au puits de chaleur disponible 10.

Dans une variante de l'invention, le réacteur 1 du transformateur thermochimique est situé au voisinage immédiat du réacteur chimique 3 comportant un site réactionnel où a lieu la réaction que le transformateur thermochimique doit initier et/ou favoriser lors de la phase exothermique de son fonctionnement. Selon cette variante, le réacteur 1 du transformateur thermochimique transfère directement par contact thermique la chaleur de la première réaction exothermique S + G-SG vers le réacteur chimique 3 pour initier et/ou favoriser la seconde réaction exothermique. En retour, La chaleur de la seconde réaction exothermique ainsi initiée ou favorisée dans le réacteur chimique 3 est communiquée directement, aussi par contact thermique, au réacteur 1 du transformateur thermochimique pour régénérer le sorbant, cette régénération consistant en la désorption du composé gazeux G par le sorbant S selon la réaction SG-S + G (phase endothermique du fonctionnement du transformateur thermochimique). Le composé gazeux G est alors libéré par le sorbant S et peut, grâce à l'ouverture de la vanne 4, être récupéré dans le dispositif 2, par exemple au moyen d'un condenseur, rendant ainsi le dispositif apte à exécuter une nouvelle opération.

Selon cette variante, les moyens 5 et 6 de transfert de la chaleur respectivement du réacteur 1 du transformateur thermochimique vers le réacteur chimique 3 et inversement peuvent être une simple paroi de contact.

Selon une autre variante de l'invention, le réacteur 1 du transformateur thermochimique est situé à distance du réacteur chimique 3 renfermant le site de la réaction à initier et/ou favoriser. La chaleur produite par le réacteur 1 du transformateur thermochimique est transmise à ce site réactionnel d'une quelconque façon, par exemple au moyen d'un caloduc ou d'une boucle de fluide caloporteur. Inversement la chaleur de la réaction ainsi initiée et/ou favorisée est transmise au réacteur 1 du transformateur thermochimique pour sa régénération par les mêmes moyens ou des moyens différents.

Cette autre variante peut être mise à profit, par exemple, dans le cas où la réaction que l'on veut initier et/ou favoriser est une réaction exothermique entre un composé solide et un composé gazeux. Le réacteur 1 du transformateur thermochimique est alors disposé autour d'une conduite d'amenée du composé gazeux au site réactionnel, de manière à réchauffer le gaz avant son introduction dans le réacteur chimique 3 comportant le site réactionnel. En aval de ce site réactionnel, les gaz chauds produits lors de la réaction initiée et/ou favorisée, et/ou les gaz excédentaires réchauffés n'ayant pas réagi, sont renvoyés en direction du réacteur 1 du transformateur thermochimique de manière à le porter à une température suffisante pour assurer sa régénération.

De manière générale, il est possible de faire en sorte que, comme le schématise la figure 4, la source de chaleur disponible 9 alimentant en chaleur le dispositif 2 par les moyens d'amenée 7 constitue également un milieu intermédiaire pour le transfert de chaleur depuis le réacteur 1 du transformateur thermochimique vers le réacteur chimique 3. Des moyens 5'assurent les transferts thermiques entre la source de chaleur disponible 9 et le réacteur chimique 3. Dans l'exemple particulier représenté sur la figure 5, c'est le réacteur chimique 3 lui-même qui constitue la source de chaleur disponible.

Une application particulière du procédé selon l'invention vise les reformeurs d'hydrogène, notamment utilisés pour les piles à combustible, et en particulier les reformeurs utilisant des techniques de reformage autotherme.

Ceux-ci nécessitent un apport de chaleur au démarrage pour vaporiser le carburant et l'eau, afin d'initier la réaction catalytique produisant l'hydrogène entre le carburant gazeux, de l'eau à l'état gazeux et de l'air. Le reformage autotherme est une technique qui combine la technique de vaporeformage

(endothermique) et la technique d'oxydation partielle (exothermique), et qui n'a donc pas besoin de chaleur en régime de fonctionnement nominal. Au démarrage, cependant, il est nécessaire de fournir de la chaleur pour chauffer et vaporiser le carburant (hydrocarbures, du méthane à l'essence). Le réacteur autotherme est donc alimenté en carburant gazeux et en air (oxydation partielle) ; une première réaction exothermique a lieu, puis lorsque la température a atteint un niveau suffisamment élevé, le reformeur passe en fonctionnement autotherme (mélange gazeux eau, carburant et air) en lui adjoignant simultanément la technique de vaporeformage (réaction catalytique endothermique entre le carburant gazeux et l'eau vapeur) afin de produire l'hydrogène. Ici, l'utilisation d'un transformateur thermochimique permet de vaporiser le carburant et d'initier ainsi le fonctionnement dans les conditions nominales du réacteur autotherme.

Après quoi le réacteur autotherme cède une partie de la chaleur issue de l'oxydation partielle du carburant gazeux par l'air, afin de régénérer le réacteur du transformateur thermochimique.

L'invention permet, en définitive, d'utiliser un transformateur thermochimique pour initier et/ou favoriser une réaction chimique exothermique sans recourir à une source d'énergie extérieure coûteuse, tout en utilisant l'énergie dégagée par la réaction initiée pour la régénération dudit transformateur. Le fonctionnement du transformateur est ainsi"auto-entretenu" ce qui le rend particulièrement économique.

L'invention dans son concept peut être appliquée à une grande diversité de réacteurs chimiques qui sont le siège d'une réaction chimique exothermique, le terme de « réacteur chimique » devant être compris comme désignant toute installation ou partie d'installation où se produit une réaction chimique.