Les échanges 2 et 4 sont effectués entre deux flux de matière différents et nécessiteront des échangeurs de chaleur numérotés E1 et E2 respectivement. Pour les autres échanges, le même flux est concerné et il s’agit d’un chauffage réalisé à partir du refroidissement précédent. Il suffit alors de calorifuger le circuit correspondant pour empêcher le refroidissement en transférant le flux de matière suffisamment chaud dans le réacteur suivant (cas de Fe3O4 et Na2O.Fe2O3). Ceci ne peut pas être envisagé pour le flux 7 qui doit nécessairement être refroidi au-dessous de 100°C pour permettre la séparation H2O/H2.
Le séparateur 2 consomme de l’énergie thermique à 100°C pour séparer NaOH de l’eau par évaporation de cette dernière. Ce besoin énergétique d’un minimum de 140 kJ (3 moles d’eau) ne peut pas être satisfait. Il est donc nécessaire d’envisager un second point d’entrée d’énergie pour évaporer l’eau en excès. La vapeur d’eau formée peut être utilisée pour le chauffage des flux 7 et 8 et pour réaliser la réaction endothermique (132).
La consommation totale d’énergie thermique du cycle Fe2O3/Fe3O4 après optimisations est de 1094,1 kJ. Le rendement énergétique se situe alors à 26%. Mais seulement 954,5 kJ doivent être fournis à haute température donc le rendement énergétique au niveau de la tour solaire est de 30%. Le reste de l’énergie (140 kJ) est utilisé à faible température pour évaporer de l’eau et peut être fourni par des capteurs plans ou cylindro-paraboliques.
2- Cycle à deux étapes Fe
3O
4/FeO.
2-1 Bilans matière et énergétique.
Le cycle Fe3O4/FeO implique une réduction de la magnétite qui est totale à 1700°C sous atmosphère inerte (N2). L’hydrolyse de FeO est effectuée à 600°C. Le rendement de cette réaction dépend de la taille des particules de FeO (dp : diamètre moyen des particules).
Fe3O4 (l) | 3 FeO (l) + ½ O2 ηchimique = 100% (136) 3 FeO + H2O | Fe3O4 + H2 ηchimique = f(dp) (137)
Analyse procédé et étude économique 198 La réduction à haute température produit FeO en phase liquide. Ce composé se solidifie au cours du refroidissement. Pour une hydrolyse optimale, il est nécessaire de disposer de FeO en très fines particules (dp < 20 µm). Une étape de mise en forme de l’intermédiaire doit être envisagée. Pour cette étude, un broyage du solide est considéré bien que cette étape du procédé puisse constituer une voie d’optimisation importante (Fig.VI.A.4). Les bilans de matière et de chaleur (tableau VI.A.3) ont été réalisés en considérant la réaction d’hydrolyse totale (particules fines).
Fig.VI.A.4 : Schéma de principe du cycle thermochimique Fe3O4/FeO.
Tableau VI.A.3: Résultats du bilan thermique pour 1 mol de H2 produit par le cycle Fe3O4/FeO.
Etape Energie fournie (kJ) Energie libérée (kJ)
Chauffage de (25°C | 1700°C) 482,49 Réaction (64) (réduction endothermique) 238,72
Refroidissement de (1700°C | 25°C) 29,09
Refroidissement de (1700°C | 25°C) 375,54
Chauffage de (25°C | 600°C) 93,93 Chauffage de (25°C | 600°C) 64,9
Réaction (137) (hydrolyse) 51,48
Refroidissement de (600°C | 25°C) 16,77
L’énergie totale fournie au cycle thermochimique permet de déterminer un rendement énergétique de 32,5%. Ce rendement correspond au rendement théorique du cycle puisque les deux réactions chimiques sont considérées comme totales.
Réacteur solaire
Analyse procédé et étude économique 199 Pompage du gaz
Le caractère total de la réduction a été démontré expérimentalement sous atmosphère inerte (N2) et sous basse pression (cf. Chapitre III). Le fonctionnement à basse pression (0,01 bar) est indispensable pour avoir une cinétique rapide et donc un temps de séjour dans le réacteur adéquat (2 à 5 minutes). Un pompage du gaz présent dans le réacteur solaire doit être réalisé.
L’énergie électrique requise pour le pompage du gaz est donnée par l’équation (138).
P
P : Pression souhaitée dans le réacteur (Pa) P0 : Pression atmosphérique (P0 = 1013 hPa)
La dépense énergétique requise par le pompage est liée à la quantité de gaz présente dans le réacteur, soit l’oxygène émis par la réaction endothermique (0,5 mol) et le gaz inerte utilisé.
Dans le cas des oxydes en phase condensée, une quantité limitée de gaz inerte (5 mol) peut être considérée puisque la recombinaison entre l’oxygène gazeux et l’oxyde solide est moins problématique. Le pompage de 5,5 moles de gaz consomme 62,7 kJ d’énergie électrique. La dépense d’énergie thermique représentée par le chauffage du gaz inerte est prise en compte dans une étape ultérieure sous la forme d’une perte thermique par convection dans le réacteur solaire.
Broyage de la wustite FeO
La réaction d’hydrolyse est supposée totale pour des particules de FeO très fines. L’étape de broyage du FeO issu de la réduction à haute température doit être prise en compte dans le calcul énergétique. La loi de F.C. Bond et J.T. Wang (Eq.139) sur l’énergie à apporter pour la division des matériaux est utilisée.
f
avec W : énergie nécessaire au broyage d’une masse m de particules (kWh) m : masse de solide traité (t)
C : coefficient dépendant de la dureté du matériau (C = 1,58 pour des matériaux durs) di : diamètre initial des particules (di = 1 cm)
df : diamètre final des particules (cm)
En considérant un diamètre initial des particules de 1 cm, l’énergie nécessaire au broyage de 215 g de FeO (3 mol de FeO) en particules de 20 µm de diamètre est estimé à 129,6 kJ. Cette dépense d’énergie électrique et l’énergie requise pour le pompage doivent être ajoutées à l’énergie thermique calculée précédemment. En tenant compte de ces pertes, le rendement énergétique global du cycle Fe3O4/FeO est de 26,7%.
Analyse procédé et étude économique 200 Une relation a pu être mise en évidence entre la taille des particules et le rendement de l’hydrolyse lors de l’étude expérimentale. Cette relation fournit une quantité de FeO excédentaire (fonction du rendement de l’hydrolyse) qui circulera dans le cycle en fonction de la taille des particules. La quantité de FeO excédentaire sera chauffée dans les deux réacteurs, ce qui représente une dépense énergétique supplémentaire. De même, la quantité de matière à broyer sera supérieure. Cependant, le diamètre des particules à l’issue du broyage sera plus important donc la dépense énergétique pour le broyage sera réduite. Ces considérations conduisent à un rendement du cycle qui décroît globalement avec la taille de particules (Fig.VI.A.5).
0 5 10 15 20 25 30
20 30 40 50
Taille des particules broyées (µm)
Rendement global du cycle (%)
Fig.VI.A.5 : Evolution du rendement énergétique du cycle Fe3O4/FeO en fonction de la taille des particules hydrolysées.
N°
Le broyage des particules est indispensable car le rendement global du cycle décroît rapidement avec une augmentation de la taille des particules de FeO hydrolysées. Le rendement global du cycle Fe3O4/FeO est inférieur à celui du cycle Fe2O3/Fe3O4 pour une taille de particules de 50 µm.
2-2 Optimisations
Les premières optimisations ont été décrites lors du bilan énergétique. La quantité de gaz inerte utilisée lors de la réduction doit être minimisée et le broyage des particules de FeO doit conduire à des particules de 20 µm pour une hydrolyse complète de l’oxyde réduit.
Les récupérations de chaleur ont été considérées avec le même objectif et les mêmes hypothèses que pour le cycle Fe2O3/Fe3O4. A partir de la figure VI.A.6, deux échanges de chaleur sont nécessaires pour chauffer les réactifs en entrée de l’hydrolyseur. L’énergie récupérée lors du refroidissement de FeO (187,77 kJ) est suffisante pour chauffer les deux flux de matière entrant dans l’hydrolyseur. Seul l’échange 2 correspondra à un échangeur de chaleur sur le schéma de procédé.
Tableau VI.A.4 : Echanges de chaleur nécessaires pour le cycle Fe3O4/FeO.
Fournisseur de chaleur Bénéficiaire de la chaleur Energie échangée (kJ)
1 Refroidissement de 3 Chauffage de 3 93,93
2 Refroidissement de 3 Chauffage de 4 64,9