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PRODUCTION D’HYDROGENE PAR ENERGIE SOLAIRE
Gilles Flamant
Institut de science et de génie des Matériaux et ProcédésIMP-CNRS UPR 8521
Four Solaire Odeillo-Font Romeu et Université de Perpignan
HYDROGENEContexte de l’Action Concertée
ENERGIE CNRS-MNRT
• Deux projets sur la production d’hydrogène (2002)1. Par bio-procédés (microalgues) et bio mimétisme2. A partir de l’énergie solaire thermique (HYSOL)
• En 2003 priorité sur le stockage de l’hydrogène
• En 2004 probablement une priorité sur la production
HYDROGENEPositionnement du projet HYSOL
Vers la production d’hydrogène avec zéro émission de CO2 à partir de l’énergie solaire
thermique
• Court/moyen terme: à partir d’hydrocarbures• Long terme : à partir de la décomposition de l’eau
Niveau de température : 500°C-2500°CNiveau de puissance : qq kW-100MW
HYSOLProduction d’hydrogène par énergie solaire
Craquage CyclesReformage
LGPSD-EMACN’Ghy
IMP
Simulation
LSGCEM2CIMP
Expérimentalet théorique
IMP
Base de données
ENJEUXGain d’énergie et réduction des émissions de
CO2
Craquage CyclesReformage
Économie fossiles : 277 MJ/kg H2
Émission CO2 :- 14 kg CO2/ kg H2
Énergie:+ 15-20%
Émission CO2 :- 40%
Pas d’hydrocarbures
Pas de CO2
ENJEUXGain d’énergie et réduction des émissions de
CO2 lié au craquage
Procédéclassique
Gain procédésolaireEnergie
Gain procédésolaire
CO2
Vaporéformage(H2)
183 MJ/kg H2 11,85 kgCO2/kg H2
« Furnace »(noir de carbone)
94 MJ/kg H2 2,07 kgCO2/kg H2
CRAQUAGE du Méthane
•CH4 → C + 2H2 (∆H=75 kJ/mole)Production de H2 et noir de carbone, économie de
consommation d’hydrocarbures par rapport au procédé classique de synthèse de NC, pas de CO2
Contributions:
1. EM2C: Propriétés radiatives à haute température2. LSGC: Mécanismes de décomposition et cinétique3. IMP: Procédé solaire
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������
����������������
����������������
����������������
Thermodynamics of methane decomposition
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Temperature (K)
mol
es
Solid carbon
Methane, CH4
Molecularhydrogen, H2
����������������������������� Hydrogen atoms,HAcetylene, C2H2
CRAQUAGE du MéthaneMécanismes (LSGC-ENSIC)
Argon
Contre-
Foyer image F2
Foyer F’1=F’2
LampeXenonFoyer F1
Miroir M1
Récepteur
EmetteurLaser
Filtre
Tube en quartz
Réacteur HT
(ZrO2)
CH4
Produits
CG
Pyromètre
Rayonnement concentré miroir M2
• Densité de flux disponible au foyer de l’ordre de 6 106 Wm-2
• Tparoi réacteur : 1700 - 2400 K (pyromètre Modline 3G : réponse spectrale 1,5-1,6 mm)
CRAQUAGE du MéthaneMécanismes (LSGC-ENSIC)
2 types de réacteurs utilisés
Argon
Tube en quartz
ZrO2 ou graphite
CH4
CG
Filtre
Pyromètre
4 mm
5-10 mm
Rayonnement
concentré
ZrO2
CH4
CG
Filtre
Pyromètre
Argon
12 mm
6 mm
Rayonnement concentré
tséjour réacteur (calculé à TP et avec augmentation de moles)Réacteur I : 2 – 7 ms Réacteur II : 20 – 70 ms
CRAQUAGE du MéthaneMécanismes (LSGC-ENSIC)
Résultats expérimentaux
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7Taux de conversion X1
Ren
dem
ents
H2
(exp
.)
RP RPA
CRAQUAGE du MéthaneMécanismes (LSGC-ENSIC)
Résultats expérimentaux
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 20 40 60 80 100 120 140Temps de séjour (ms)
Tau
x de
con
vers
ion
X1
(%)
T=1650 KT=1750 KT=1775 KT=1800 KT=1825 KT=1850 KT=1875 KT=1900 KT=2000 K
Dahl et al (2002)
Présent travail
RP RPA
CRAQUAGE du MéthaneMécanismes (LSGC-ENSIC)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Rendements H2 (théor.)
Ren
dem
ents
H2
(exp
.)
RP RPA
Modèle cinétique supposé : CH4→ 1/2 C2H6 + ½ H2
C2H6→ C2H4 + H2
C2H4→ C2H2 + H2
C2H2→ 2C + H2
CRAQUAGE du MéthaneRéacteur Solaire (IMP-CNRS)
Ar
Ar + CH4
Eau
T latérale
T zone de mélange
T filtre
T sortie
Filtre en téflon
Verre pyrex
Pastille de fluorine
Dispositif de craquage thermique CH4 par énergie solaire :
REFORMAGE Rappels
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 ∆H0 = 63 kJ/moleH2
Etape 1, CH4 + H2O → CO + 3H2 (gaz de synthèse)Etape 2, CO + H2O → CO2 + H2 (shift conversion)
Vaporéformeurs classiques :- Température : 750°C à 850°C- Pression : 30 – 40 bars max
- H2O/C : 2,5 mini- Catalyseur : Ni sur alumine
REFORMAGE CATALYTIQUE Pré-pilote Solaire
After SOLASYS EU Project, Möller et al.,European Conf on H2 Energy, Grenoble, 2003
REFORMAGE non CatalytiqueLGPSD-H’Ghy-IMP
CORéacteur
CnHm
H2O
H2
CnHm + n H2O → n CO + (n+m/2) H2
Concentrateur d’énergie solaire
Flux solaire concentré
REFORMAGE non CatalytiqueLGPSD - N’Ghy - IMP
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%
0,001 0,01 0,1 1 10 100
temps(s)
Frac
tion
mol
aire
H2
1300K
1500K
1700k
1900K
2200K
Propane, Code cinétique « Dsmoke » (150 espèces ; plus de 3000 réactions chimiques), facteur d’eau = 1
REFORMAGE non CatalytiqueLGPSD - N’Ghy - IMP
Modèle :Équations de conservation pour le gaz et le solide
Et conditions de flux et température en surface
[ ]gSm TThddz
dHq −−
=)1(6 ε
ε
)()1(6)1( gSrS
S TThd
qdivdzdT
dzd
−−
=+
−
→∗ ε
λε
0fg HTCH ∆+=
REFORMAGE non CatalytiqueLGPSD - N’Ghy - IMP
Réacteur Solaire
z 0
C3H8 + H2OH2, CO, H2O …
Φsol
0 0.005 0 .01 0 .015 0 .02 0 .025 0 .03 0 .035 0 .04-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
z (m )
T (K
)
T s o lide T ga z (10E -4)*e n tha lp ie m oy
0 0 .005 0 .01 0 .015 0 .02 0 .025 0 .03 0 .035 0 .04
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
z (m )
Fra
ctio
n m
olai
re d
es p
rodu
its e
n %
XH2 XH2O XC O 2 XC O XC 3H8XC H4
Ps=30 kW, Lambda=20, L=4 cm, qm= 0 .0325 kg/(m2 .s)
DONNEES ECONOMIQUES
Procédé Coût (euro/GJ) en 2020
ReformageReformage GN avec séq. du CO2BiomasseNucléaire + ElectrolyseEolien + Electrolyse (terre)Solaire thermique + ElectrolyseSolaire PV + Electrolyse
3 – 5 (8-11 en 2003)7 – 1110 – 1815 – 2017 – 2327 – 3547 - 75
Source: Rapport IEA 2002
Procédé solaire thermique Coût (euro/GJ)
Reformage (sans séq. de CO2)Craquage (N de C à 0,8 euro/kg)Cycle ZnO/Zn
1310 – 1230 - 40
CONCLUSION
• Nécessité de recherches amont (rayonnement, cinétique…)
• Besoin de développements technologiques à une échelle significative
• Proposition d’une vision avec des échéances
