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Applications industriellespotentielles des plasmas

en conversion etstockage de l’énergie

Jean-Christophe Rostaing

Direction Scientifique R&D Europe

Journée Plasmas et Energie Rhône-Alpes 9 déc 2010 2

Domaines d’applications concernés

Production d’hydrogène« Gazéification » (oxydation partielle POX) de solides ouliquides (charbon…): gaz de synthèse à séparer et purifier

Production directe haute pureté pour pile à combustible

Electricité thermiqueCentrales à combustion de dernière génération.

Centrales IGCC (gazéification et cycle combiné intégrés)

Propulsion des véhicules en attendant le réseau H2

Carburants de synthèse

H2 par reformage embarqué des carburants

Moteurs thermiques à gaz pauvres

GasifierCoal

ASU

H2S & CO2

removal

O2

Water

Scrubber

CO Cold

Box

H2O

CO or Oxogas

H2

GasifierCoal

ASU

H2S & CO2

removal

O2

Water

Scrubber

CO Cold

Box

H2O

CO or Oxogas

H2


Les apports potentiels tentants du plasma

Excitation énergétiques élémentaires eV>1 ordre de grandeur à un four ou une flamme

Réactions élémentaires plus rapides et plus complètes

Certaines impossible à accomplir par ailleurs

Milieu hors d’équilibre thermiquePartition sélective de l’énergie entre espèces (casextrême: plasma froid)

Efficacité énergétique (chimie « électrique » quasi froide)

Maîtrise des chemins réactionnels élémentaires etcontrôle des sous-produits


Faiblesses et inconnues du plasma

Fonctionnement à l’électricité : forme supérieured’énergie par rapport à la chaleur

Equipement plasma plus complexe et coûteux àpuissance égale qu’un brûleur ou un four

Science et ingénierie de haut niveau du dispositif decouplage de l’électricité au gaz (source de plasma)

Electrotechnique du générateur de puissance (fréquenceet I-V très différents du réseau public)

Extensibilité d’échelle jamais triviale, hypothétiquepour les très grandes tailles.

Manque total d’expérience en d’intégrabilité,fiabilité et maintenance en embarqué (sauf marine)


Gazéification classique thermique

Réaction globale endothermique, énergie fourniepar la combustion partielle

Produit du gaz de synthèse (« syngas ») i.e.mélange H2/CO + CO2 et impuretés :

Autres gaz acides HCl/SOX, NOX, oléfines, diènes…Goudrons condensables


Gazéification plasma

Source d’énergie alternative (externe) pour lagazéification : plasma thermique

Température 1000-1500 K contre < 550 K

Bain liquide

Pyrolyse Syngas brut

Métaux et silicates


Gazéification plasma : le médiatique

Présentée comme « solution miracle » par denombreuses startups US et autres

Les goudrons et autres sous-produits toxiquesseraient « éliminés du fait de la température »

Valoriserait toutes les sources de carbone solideet liquide:

déchets ménagers et industriels,

pneus usagés,

boues organiques…

Partie minérale fondue et vitrifiée facilementrécupérable


Gazéification plasma : la réalité (I)

Un gâchis énergétique si l’électricité estautoproduite (unité IGCC)

Rendement du génération électrique du cycle combiné <40%, pour reconvertir aussitôt l’électricité en chaleur !Seule une grosse moitié de l’électricité produite par lecycle est disponible à la vente


Gazéification plasma : la réalité (II)

Procédé en quasi-équilibre thermodynamiqueConsommation électrique importante

Chimie des sous-produits pas nécessairement avantageuse(organochlorés…)

En gazéification classique, le problème des sous-produits est sérieux mais gérable (c.f. nombred’unités installées !)

La gazéification plasma doit être vue plutôt commeune technologie environnementale, l’électricitéproduite est un bonus !

2 usines au Japon de longue date et une démarrant auxUS, puissance totale qq MW à qq 10 MW

Existe en version embarquée sur navires militaires (etmaintenant civils) pour le traitement des déchets


Gazéification plasma : la réalité (III)

Cas particuliers :Electricité renouvelable abondante et bon marché localementEt/ou source de carbone fossile difficile à gazéifierclassiquement (petrocoke)

Mais dans tous les cas, disproportion des échellespar rapport aux solution thermiques classiques !

Maximum quelques 10 MW en plasmaPlusieurs centaines de MW dans une centrale thermiqueUnités syngas classiques jusqu’à 200 000 m3/h

Donc le plasma est plus réaliste pour l’assistance à lacombustion/gazéification classiques :

« Pré-traitement » par torche du charbon avant injection dansla chaudière« Finition » du syngas : post-traitement des sous-produits parplasma hors d’équilibre (mais attention aux débits !)


Assistance plasma à la combustion du charbon

Développement des modèles en cours

Puissance installée nécessaire réaliste (MW)

Non validé à ce jour sur une vraie installation

Application connexe de grand intérêt : assistance audémarrage de la centrale thermique


Production d’hydrogène par reformage plasma

Un sujet fécond en académique mais longtempsmal perçu en industriel

Rendement de conversion ?Efficacité énergétique ?Sous-produits ? : complexité et coût de la post-purification (pour pile à combustible), surtout pour petitesunités décentralisées, mobiles ou embarquées

La percée récente des plasmas micro-ondesHaute densité électronique (1012-1015 cm-3) la bonnesolution pour l’efficacitéChauffage partiel du gaz (2000-3000 K) mais justecompromis avec les excitations électroniques (vs arc)Haute température du gaz intrinsèquement utile :prévient les réactions inverses de reformationRôle crucial de la conception de la structure d’excitationen guide d’onde et du réacteur


Le concept d’IMP-PAN Gdansk

Système de laboratoire2,45 GHz, 6 kW, tube à décharge vortex, traite CH4 pur

Rendements et bilansConversion CH4 99,88%, sélectivité 100%, 0 sous-produitgazeux (mais noir de carbone à décharger et valoriser)

Production 866 g[H2]/h, efficacité 381 g[H2]/kWh

Compétitif avec l’électrolyse


Voies d’industrialisation et d’extension d’échelle

Exemples directement transposablesDérivés de la destruction des PFC

Système commercial 2,45 GHz, 6 kW

Pilote 915 MHz, 20 kW (influence de la fréquence ?)

Solutions très limitées au-delàGénérateur 915 MHz 75 kW disponible mais pas deconcept connu pour un excitateur plasma de cettepuissance


Peut-on vraiment faire des systèmes embarqués ?

Encore difficile à imaginer en automobileFiabilité démontrée en continu pour applications dedépollution: MTBF > 2000 h, MTBPM > 1200 h

C’est l’ordre de grandeur du temps effectif d’utilisationd’un véhicule au cours de sa vie

Mais c’est loin de sa durée de vie en intermittent

Niveau de maintenance très différent

Et bien sûr contraintes d’implantation et coût !

Beaucoup plus vraisemblable en aéronautiqueProjet FP7 GreenAir (leader EADS)

Reformage embarqué du kérosène

Pile à combustible alimentant les utilités (au lieu de laturbine auxiliaire classique)


En conclusion…

Les avantages uniques de l’outil plasma peuvent trouverà s’exprimer dans ce domaine comme dans biend’autres…

Mais, encore plus qu’ailleurs, il faudra l’appliquer avecdiscernement et savoir prendre les bonnes stratégiestechniques

Le plasma est plutôt un « auxiliaire noble » destechniques classiques qu’un outil de conversiond’énergie par lui-même

Il n’y a cependant pas de raison de se priver d’imaginerce que pourraient être un jour des électrotechniques depuissance et des dispositifs excitateurs « géants »

Pour l’heure il importe que soient prises davantaged’initiatives de démonstration dans la « vraie grandeur »

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