la vision d`un industriel

ATELIER GEDEPEON
Carburants de synthèse
Michel Lecomte
AREVA
Laboratoire PROMES-CNRS
Four Solaire Font-Romeu
8 et 9 septembre 2008
AREVA
Atelier Gédépéon – Font-Romeu 8/9 septembre 2008
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Plan
•
•
•
•
•
Généralités sur les choix d’AREVA
Rappel sur les réactions en jeu
Application aux sables bitumineux
Application au CTL (Carbon to Liquid)
Synthétisation à partir de matière
organique
• Conclusion
AREVA
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Généralités
• L’industriel s’intéresse à des applications
pour le court termeÎ
– Utilisation de procédés prouvés
– Optimisations économiques de synergies
• Il fait une veille active sur l’évolution des
techniques issues de la recherche
Pour AREVA, ces principes conduisent à
adopter la technologie Fischer Tropsch pour
la synthétisation de carburant liquide en
alliant la production d’hydrogène “nucléaire”
et à développer avec le CEA la gazéification
de matières organiques
AREVA
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Réactions chimiques de base (1/2)
•
La réaction de synthèse (Fischer Tropsch) est:
– n CO+(n+m/2) H2 ÎCn Hm + n H2O
• (pour n=1 et m=4,réaction inverse du vaporéformage)
• (pour n=8 et m=18, nous obtenons de l’essence C8H18)
– n et m dépendent de la nature du catalyseur employé et des
conditions de température et pression de la réaction
• Le produit final a une composition :
– CnHm où m=2n+2 en général et n ~8 pour essence,
n~ 16 pour diesel, etc.
– le ratio H/C doit être légèrement supérieur à 2, or Il
est souvent inférieur à 1 dans la matière première.
L’addition de H2 est donc nécessaire.
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Réactions Chimiques de Base (2/2)
AREVA
•
La synthèse est souvent accomplie en gazéifiant la matière en
produisant un gaz de synthèse, mélange de CO et de H2 mais
trop pauvre en H2, puis à faire réagir ce gaz dans un réacteur de
Fischer Tropsch avec de l’hydrogène additionnel apporté soit par
vaporéformage de gaz (très polluant, ~9 kg de CO2 par kg de
H2), soit par la réaction suivante:
– CO + H2O Î CO2 + H2 (réaction du gaz à l’eau)
– Ce CO issue de la matière première non seulement ne
contribue pas à la synthèse mais en plus produit du C02, une
double pénalité de rendement.
•
L’apport d’hydrogène joue un rôle crucial dans le rendement et la
pollution engendrée. On perçoit tout l’intérêt d’un apport massif d’H2
d’une source non polluante comme le nucléaire, diminuant
considérablement les rejets tout en améliorant les rendements
massiques d’un facteur 2 à 3.
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Avantage de l’apport de l’hydrogène
“nucléaire”
• On élimine la réaction de gaz à l’eau et la
production de C02 attenante.
• On convertit presque tout le carbone de la matière
première en combustible.
• On peut envisager de capturer le C02 résiduel
produit pendant la gazéification et de le convertir en
CO par réaction inverse de gaz à l’eau
envisageable quand on a accès à une “source”
d’hydrogène. On fait ensuite réagir ce CO avec de
l’hydrogène additionel dans un réacteur de Fischer
Tropsch:
– C02 + H2 Î CO + H2O + 40.9 kJ (rWGS)
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généralités
• Un besoin générique d’enrichir la matière première
carbonée en hydrogène
• Que celle-ci soit:
– 1) Pétroles lourds (sables asphaltiques ou
schistes bitumineux)
– 2) Tous types de charbons ou lignites
– 3) Biomasse (déchets agricoles, algues, etc..)
– 4) Plastiques
• AREVA travaille donc au développement de la
production massive d’hydrogène par électrolyse
AREVA
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Hydrogen Production Capacity of AREVA
reactors
Reactor
Type
Therm
al
Power
MWth
Electric
Power
Mwe
Max
Process
Heat
Temp
°C
Max
Process
Steam
Pressure
Mpa
Hydrogen
Production
Capability
tons/day
Oxygen Production
Capability
tons/day
current
Advanced
current
Advanced
EPR
4500
1650
250
4
743
1073
5940
8580
SWR 1000
3370
1200
250
4
540
780
4320
6240
Sodium
Cooled
Reactor
2500
1000
450
>15
450
650
3600
5200
600
280
750
>15
126
182
1008
1456
HTR
(ANTARES)
Each model can be used in a cogeneration configuration with a combination of heat and electricity supply,
Nota: These are typical values for general work evaluation,
They are not meant to be contractual values
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Exemple de Cogeneration:
L’extraction et la valorisation des sables
asphaltiques
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Example of application:
Bitumen recovery and upgrading
•
We assume bitumen is recovered with the SAGD (Steam Assisted Gravity
Drainage) process.
•
If the heat source is a nuclear unit it should be able to provide steam to the
field for 30 years at least. Steam must have a sufficient range, say up to 10
km from the steam generator
Î pressure at the source must be sufficient, about 100 bars.
Steam can be dry or up to 20 % wet
•
AREVA
•
•
Steam to oil (SOR) of 2.5 to 3 are required
A field producing 100000 barrels per day (bpd) needs about 120 Mwe for its
operation, mostly for pumping
•
When a field has been treated with steam for several months, steam
injection interruption for up to a month does not affect production due to soil
thermal inertia. Plant refueling can take place without losses.
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AREVA HTR Concept Can Serve
Variety of Process Heat Markets
High Temp.
Process
Heat
Primary
Loop
~550 to 800C
600 MWt
Rx core
Gas
Cycle
IHX
Circulator
S.G.
Gas
turbine
Med. Temp.
Process Heat
He
He or N2/He
Water/steam
~250 to 550C
Steam
Cycle
Low Temp.
Process
Heat
Condenser
Generator
AREVA
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~30 to 250C
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Bitumen Recovery results
Production
SOR
bpd
2.5
Steam quality
80%
Steam Temperature at
the generator
310
°C
Steam pressure at the
Generator
100
bar
Steam flowrate
460
Kg/s
Thermal heat to steam
912
MWth
Number of HTR
modules
AREVA
100000
2
Electricity production
186
MWe
Net electricity export
after SAGD
consumption
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66
MWe
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Bitumen upgrading
•
•
•
•
•
•
AREVA
The recovered bitumen is too viscous for long distance pumping
It is not adequate for feedstock in refinery
Therefore, it is upgraded meaning basically enriched with hydrogen
H2 need is about 3.5 kg per barrel (depends somewhat on the
bitumen)
This is usually produced with steam reforming of natural gas but
several problems are expected in the future:
– Natural gas availability if many SAGD operations are running
– Natural gas price impacts strongly H2 cost
– Extensive CO2 production. Either CO2 sequestration is required
(expensive and not necessarily practical) or a CO2 tax is levied
in a country abiding by the Kyoto agreement
From nuclear electricity, hydrogen can be produced today from
conventional electrolysis of water (about 52 kwhe per kg) and in the
future from advanced electrolysis (hoped for 34 kwhe per kg)
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H2 supply
Conventional
Electrolysis
Advanced
Electrolysis
350 ton/day
350 ton/day
773 Mwe
496 Mwe
Number of
reactor modules
3
2
Available power
for export
82 Mwe
74 Mwe
H2 need for
100000 bpd
Need Electric
power
AREVA
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Total Heat and Electricity Needs
for recovery and upgrading
Number of modules
For 100000 bpd
With conventional
electrolysis
5
Net electric power for export
or other internal use
148 MWe
With advanced
electrolysis
4
140 MWe
Total Nuclear Thermal
Power
3000 MWTh
– 1051 for SAGD
– 1627 for H2
– 312 for Export
2400 MWTh
– 1051 for SAGD
– 1044 for H2
– 295 for Export
CO2 release avoidance
12 000 to 15000
tons/day
(compared to natural
gas use)
12 000 to 15000
tons/day
(compared to natural
gas use)
Sharing the unit output both for electricity and heat brings a very good level of redundancy ensuring
high H2 availability, while steam production can be cut partially or totally, as mentionned before
without impacting production
AREVA
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Exemple du CTL
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“Ideal” Nuclear aided CTL
AREVA
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Exemple CTL
Sans apport H2 extérieur (nucléaire)
avec apport H2 extérieur (nucléaire)
AREVA
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Extension à d’autres matières carbonées
• Le principe énoncé pour le charbon est
applicable à toute matière organique
gazéifiable:
– Biomasse (bois, paille, etc..)
– Algues
– Déchets organiques
AREVA
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Conclusions
• L’apport massif d’hydrogène, produit sans
CO2, à la matière organique contribue:
– à une augmentation de rendement de conversion
significative et donc une meilleure valorisation
– À une diminution importante de rejet en CO2
• Dans le cas de synthèse de carburant par
procédé Fischer Tropsch, la cogénération
n’est généralement pas nécessaire car le
procédé est très exothermique
• Les gazéifieurs classiques font appel à de la
chaleur à une température excédant la
capacité du nucléaire
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Quote of last week
• Spurgeon said. Indeed, the USA could use liquid fuel
derived from coal to eliminate all of its oil imports —
and would need to rely on nuclear energy to do so
effectively and efficiently. The technology to convert
coal to liquid fuel already exists — the Fischer-Tropsch
process — but is very expensive in terms of coal and
water. Not only is the process energy hungry, but also
relies on coal as the feedstock. The combination of
hybrid use of nuclear energy and proven
technology to produce liquid fuel from coal
cleanly could allow the USA to do this — a winwin situation, bringing widespread economic benefits.
US domestic coal resources, used in this way, would
be sufficient to last for at least two centuries.
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