EP4669788A1 - Procédé de pilotage d'une installation contenant plusieurs électrolyseurs - Google Patents

Procédé de pilotage d'une installation contenant plusieurs électrolyseurs

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Publication number
EP4669788A1
EP4669788A1 EP24724091.4A EP24724091A EP4669788A1 EP 4669788 A1 EP4669788 A1 EP 4669788A1 EP 24724091 A EP24724091 A EP 24724091A EP 4669788 A1 EP4669788 A1 EP 4669788A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolysers
installation
load
miel
operating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24724091.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas BALCZUNAS
Sébastien BORGUET
Armand Gering
Philippe D'ANTUONO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
John Cockerill Hydrogen Belgium SA
Original Assignee
John Cockerill Hydrogen Belgium SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by John Cockerill Hydrogen Belgium SA filed Critical John Cockerill Hydrogen Belgium SA
Publication of EP4669788A1 publication Critical patent/EP4669788A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to the field of the production of dihydrogen and dioxygen.
  • dihydrogen there are several methods of producing dihydrogen. The most advantageous is to electrolyze the water molecule because it is a high-yield reaction that does not directly produce CO2, unlike the massively used processes of methane, coal and hydrocarbon reforming.
  • AWE alkaline electrolysers
  • PEM membrane electrolysers
  • the electrolyte of which is a proton-conducting ion exchange membrane In all three cases, the system must be supplied with very high-purity water (supplying, in the case of alkaline electrolysers, an electrolytic solution of sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH)).
  • NaOH sodium hydroxide
  • KOH potassium hydroxide
  • an electrolytic solution (commonly referred to by the English term lye) is brought into a set of electrolytic cells (known as an electrolyser stack) through a specific inlet.
  • the electrolytic solution passes through the electrolyser stack.
  • the water is decomposed into gaseous molecules of dihydrogen H2, at the cathode, and dioxygen 02, at the anode.
  • a diaphragm generally separates the anode from the cathode so that, under normal conditions, the dihydrogen and dioxygen do not mix.
  • the installation comprises an outlet for the dihydrogen and the electrolyte circulating on the cathode side (catholyte) and an outlet for the dioxygen and the electrolyte circulating on the anode side (anolyte).
  • these are two separate streams so that there is a gas-liquid separator dedicated to the separation of dihydrogen from the catholyte, and a gas-liquid separator for the separation of dioxygen from the anolyte.
  • the liquid outputs of the two gas-liquid separators are then mixed before feeding the electrolyzer stack again. In both streams, at the outlet of the electrolyzer stack, the liquid phase (lye) is loaded in gas bubbles.
  • the device produces little or no polluting emissions during its operation
  • the device is simple, efficient, reliable and relatively space-saving... Moreover, the energy efficiency of the installation is not the only issue when considering operating costs. Indeed, objectives
  • the invention aims in particular to improve all or part of the energy aspects of an installation containing several electrolysers.
  • the invention provides a method for optimizing the control of an installation containing several electrolysers in parallel (hereinafter referred to as “MIEL-S”).
  • the essential characteristic of the method of the invention is that the control is carried out to homogenize the individual loads of the electrolysers in operation while tending to minimize the specific consumption of the installation for a predetermined total production load of dihydrogen or for availability of an electrical supply power of the installation.
  • the installation can have optimal performance while promoting responsiveness and flexibility of the whole and taking into account elsewhere the constraints in terms of availability of the electrolysers (called “ELY” in the remainder of the document) with respect to, for example, the maintenance program of the installation.
  • the invention also makes it possible to exploit a strategy for maximizing the electrical power consumed by the "MIEL-S” for a given production of dihydrogen in order to maximize the range of regulation of electrical power absorbed within the framework of the electrical network regulation service (local or not).
  • Other characteristics and advantages of the invention will emerge upon reading the following description of particular and non-limiting modes of implementation of the invention.
  • MIEL-S be a set of N a priori identical electrolysers (Multi Identical ELectolyzor System) and capable of operating a number “n” of electrolysers, “n” ranging from 0 to N.
  • Figure 1 is a characteristic curve of the individual specific consumption of one of the multiple identical electrolysers of the MIEL-S;
  • FIG. 2 shows a network of N HOLOS curves.
  • Each curve in the graph is associated with a number "n", where n can be equal to a value between 1 and N electrolysers in operation within the "MIEL-S" system, which includes N electrolysers in total.
  • the n electrolysers in operation follow a "HOLOS" strategy and the other Nn electrolysers in the MIEL-S system are stopped (or on standby).
  • the network of curves therefore shows the specific consumption ( kWh/Nm 3 ) of the MIEL-S as a function of the system load and the number "n" of electrolysers in operation, considering that the operating strategy is always of the HOLOS type regardless of the number "n".
  • a HOLOS type strategy will always be based on this network of curves.
  • An operating strategy not based on this network of curves is not of the HOLOS type;
  • Figure 3 is analogous to Figure 2 and shows the intersections of the curves with each other. These intersection points are called the "HOLOS points". There are 2*N intersection points. These HOLOS points are numbered from 1 to 2*N in order of occurrence during a ramp-up of the MIEL-S system;
  • Figure 5 is a graph showing the position of the 2*N “HOLOS points” on the individual specific consumption characteristic of the multiple identical electrolysers of the MIEL-S;
  • Figure 6 is a graph showing the evolution of the charge of the electrolysers within the MIEL-S during the occurrences of the 2*N HOLOS points;
  • Figure 7 is a graph showing the relative load ratio at consecutive HOLOS points during a monotonic ramp-up of the MIEL-S;
  • FIG. 8 Figure 8 is analogous to Figure 2 and shows the best efficiency curve (BEL) for electrolysers considered “invisible” in groups of four in terms of load;
  • Figure 10 is analogous to Figure 9 and shows the worst-case efficiency curve (HOLOS-type WEL) under the HOLOS strategy;
  • Figure 12 is analogous to Figure 9 and shows the curve maximizing the number of electrolysers in operation (T MEO L) for a given load of the MIEL-S and aiming to maintain a HOLOS type strategy;
  • Figure 13 shows the number of electrolysers in operation as a function of the MIEL-S load and this for the different HOLOS strategies mentioned above;
  • Figure 14 shows an example of the desired hydrogen production curve of the plant as a function of time and plant load
  • Figure 15 is similar to Figure 14 and additionally shows the response curve in terms of the number of electrolysers in operation when the strategy followed is of the “BEL” type;
  • Figure 16 is similar to Figure 14 and also shows the response curve in terms of specific consumption when the strategy followed is of the “BEL” type;
  • Figure 17 is similar to Figure 14 and also shows the response curve in terms of power consumed by the installation when the strategy followed is of the “BEL” type.
  • the invention is obviously applicable to any other nominal capacity of the electrolyzers (typically from 1 Nm 3 /h to 4000 Nm 3 /h, in particular between 100 Nm 3 /h and 2000 Nm 3 /h, in particular from 500 Nm 3 /h to 1500 Nm 3 /h).
  • the first part of this description sets out a methodology for establishing different operating strategies for a MIEL-S, answering, for example, the following questions:
  • This first part is based on an idealized approach to reality, taking into account only the theoretical behavior of the installation at the start of its life (BOL) to define a strategy for optimizing its management.
  • the second part of this description aims to complete this approach with "non-ideal" phenomena such as the impact of performance degradation over time on piloting optimization.
  • This strategy is based on the principle that for a given number of ELYs in operation out of the twenty-four in the installation (MIEL-S), they will minimize the electrical consumption of the installation for a given total production load by all being at the same individual production load. Furthermore, in Figure 2, twenty-four specific consumption curves are considered. They are all of the HOLOS type. The first one mentioned above relates to the case where the twenty-four ELYs are in operation. The other twenty-three curves correspond to 23, 22, 21, ..., 3, 2, 1 ELY in operation, therefore following a HOLOS strategy (i.e. the individual loads of the electrolysers in operation are identical to each other).
  • the next step is to define when to stop or start an ELY when the load of the MIEL-S installation varies.
  • This is the subject of Figure 3 which shows the intersections of the curves HOLOS (24) with HOLOS (23); HOLOS (23) with HOLOS (22); ...; HOLOS (2) with HOLOS (1).
  • the production loads at said intersections are in reality the percentages of production load of the installation (MIEL-S) at which it is theoretically appropriate to vary the number of ELYs in operation in order to minimize the specific consumption of the system.
  • the envelope curve BEL defines the lower limit of the set of specific consumption curves.
  • the individual loads of the ELYs of the installation when the number of ELYs in operation changes at the installation level are shown in Figure 5.
  • the chronology of the numbers shown on the graph corresponds to a ramp-up of the MIEL-S installation starting with an ELY operating at MSOL (point 1).
  • This ELY ramps up, following the Cs curve up to point 2, when a second ELY must be started to minimize the specific consumption Cs while continuing to increase the load of the installation (MIEL-S).
  • MIEL-S the individual load of the two ELYs is positioned “instantaneously” at point 3.
  • the individual loads thus continue to evolve towards points 4, 5, 6, 7, ..., 46, 47.
  • These points are called “HOLOS points” in the following.
  • the start-up/ramp-up times of each additional electrolyser are neglected here: this is a static optimization in steady state.
  • the graph in Figure 6 shows the evolution of the “HOLOS points” located “to the left and right” of the BEP.
  • the WEL corresponds to a two-phase implementation. Considering a monotonic load decrease and starting from an initial situation where the MIEL_S is at full load (all ELYs being at 100% load), during phase 1, the load decrease is organized as follows: a number i (i ranging from N-l to 0) of ELYs at 100%, a number equal to N-i-1 of ELYs at MSOL and an ELY adjusting the load of the installation with its own load. When this ELY reaches MSOL, i becomes i-1 and one of the ELYs operating at 100% load starts to regulate, alone in turn, the load of the MIEL-S. Phase 1 leads to a final situation where the N ELYs are all at MSOL.
  • Phase 2 therefore begins with an initial situation which is the final situation of phase 1, namely all N ELYs at MSOL.
  • the continuation of the load reduction is managed as follows: a number j (j ranging from N-2 to 0) of ELYs at MSOL, a number equal to Nj-1 of ELYs are stopped (or on standby) and an ELY adjusts the load of the installation with its own load.
  • this ELY reaches MSOL, it is shut down (or put on standby), and j becomes j-1.
  • Phase 2 results in a final situation where the N ELYs are all shut down (or put on standby).
  • the graph in Figure 10 shows a deliberately degraded alternative to the Best efficiency line: the "Worst Efficiency Line - HOLOS". Although this alternative still considers a HOLOS approach, it ignores the "HOLOS points" defined above. Indeed, considering for example the case of a monotonic decrease in load and starting from the case of twenty-four ELYs at 100% load, the strategy followed consists of stopping the ELYs as early as possible, one by one, thus leaving the other ELYs to operate at a relatively high individual load and this permanently.
  • a second phase of this strategy consists, when the load of the installation is low enough to cross the HOLOS curve (N), in restarting all the N (N being twenty-four) ELYs to make them all operate at a very low individual load, where the individual specific consumptions are less good.
  • N the load of the installation is low enough to cross the HOLOS curve (N)
  • N the HOLOS curve
  • the rest of the illustration also considers stopping the ELYs one by one until the situation where only one ELY is in operation and goes down to its MSOL.
  • This strategy consists of stopping an ELY as early as possible once the total production load of the MIEL-S installation allows it, while being part of a HOLOS strategy.
  • the number of electrolysers operating simultaneously is therefore reduced to the minimum number necessary to provide the total production load of dihydrogen: the result is that the individual load of the electrolysers in operation is rather relatively high even when the total production load is relatively low.
  • the primary optimisation objective concerns the number of electrolysers and the specific consumption is a secondary objective.
  • This strategy is preferably used during plant maintenance operations that require stopping as many ELYs as possible or in case a rapid drop in a total production load is required.
  • This strategy consists, during a monotonic drop in the MIEL-S load, in maintaining as many ELYs as possible in operation, while being part of a HOLOS strategy.
  • an ELY is shut down (or on standby) and the MIEL-S then evolves to HOLOS (N-1).
  • the continuation of the load drop is managed in an identical manner by successively switching from HOLOS (N-1) to HOLOS (N- (1+1) ) (1 going from 0 to N-2).
  • the last ELY is shut down (or on standby) in turn.
  • the individual load of the electrolysers in operation is relatively low when the total production load is low.
  • This strategy can be used throughout the life of the installation, for example to mitigate the performance degradation related to the individual charge rate of the electrolysers. Furthermore, this strategy offers the widest operating range without stopping and starting (between 27% and 100%). This range without stopping/starting can be described as "SSL" (Start & Stop Less). This SSL range offers on the one hand a minimization of the degradation of performance due to start/stop occurrences and on the other hand a maximization of the reactivity of the system (thanks to the absence of an ELY stop/start procedure within the MIEL-S costly in terms of operating time) in the face of load variations which would have led, through other operating strategies, to ELY stops/starts increasing the degradation of performance and reducing the reactivity of the MIEL-S assembly.
  • the electrolysers are controlled to operate at their optimum operating point a maximum number m of electrolysers less than the total number N of electrolysers, the maximum number m corresponding to a load of the installation varying within a range of operation below a maximum operating range of the installation involving the total number of electrolysers.
  • the plant load can be managed using a first approach based on the production of dihydrogen or a second approach based on the availability of the electrical power supplying the plant.
  • the description in this document assumes the first approach. Indeed, from the graph in Figure 1, the ordinate is expressed as a function of the dihydrogen production load. All the graphs and operating strategies described below are therefore expressed as a function of the dihydrogen production load. To consider the second approach, it is sufficient to reproduce the same reasoning as that used for the first approach, starting from an alternative to the graph in Figure 1 by expressing "the evolution of specific consumption as a function of the electrical load” instead of "the evolution of specific consumption as a function of the dihydrogen production load".
  • the graphs are substantially similar in terms of appearance and lead to the same types of reasoning and analysis.
  • Figure 13 therefore illustrates the first approach and represents the production of dihydrogen by the MIEL-S installation as a function of the number of ELYs in operation and according to different usable strategies, namely BEL, T LEO L, TMEO L (N), HOLOS WEL.
  • Figure 14 shows the required production load of dihydrogen (thin continuous line) according to the first approach (profiles of different shapes were chosen to illustrate the adaptation of the production of the installation to these different profiles).
  • Figure 15 shows this same charge of required production of dihydrogen (thin dotted line) on which we have superimposed the load produced in response by implementing the BEL strategy (thick red solid line) and the number of ELYs in operation (thick blue dashed line).
  • Figure 16 shows this same required production load of dihydrogen (thin dotted line) on which we have superimposed the load produced in response by implementing the BEL strategy (thick solid line) and the specific consumption Cs of this strategy (thin blue solid line).
  • Figure 17 shows the required production load of dihydrogen (thin dotted line) on which the load produced in response by implementing the BEL strategy (thick solid line) and the power of the MIEL-S installation (thin blue solid line) are superimposed.
  • the cubic standard meter is considered at 0°C and 1 atm.
  • the number of electrolysers may be less than or greater than twenty-four.
  • the actual operating parameters are determined by monitoring the plant or by statistical analysis of existing plants.
  • Each electrolyser can be equipped with its own power conversion device (rectifier).
  • at least two stacks can be electrically connected in series (voltage addition).
  • the method may comprise the step of defining a worst-case efficiency mode in which the load of the installation is adjusted by acting on the load of only one of the electrolysers, the other electrolysers being either at their maximum load, or at their minimum operating point, or at a standstill; and the step of controlling the installation between an optimal mode corresponding to the homogenisation of the individual loads of the electrolysers in operation and the worst-case efficiency mode.
  • the Cs versus load curve is preferably representative of the complete installation (therefore including the 'Balance Of Plant') rather than that representative only of the electrolyser stack (and some of its loss mechanisms) since the end user is interested in the overall consumption (i.e. including the BOP).

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Abstract

Procédé de pilotage d' une installation contenant plusieurs électrolyseurs fluidiquement en parallèle, comprenant l ' étape de piloter les électrolyseurs en cherchant à homogénéiser des charges individuelles des électrolyseurs en fonctionnement pour minimiser une consommation électrique spécifique de l ' installation pour une charge de production totale prédéterminée ou pour une puissance électrique disponible pour alimenter l ' installation.

Description

PROCEDE DE PILOTAGE D'UNE INSTALLATION CONTENANT PLUSIEURS ÉLECTROLYSEURS
La présente invention concerne le domaine de la production de dihydrogène et de dioxygène.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
La lutte contre le réchauffement climatique a obligé les autorités et les industriels à repenser l'approvisionnement énergétique de nos sociétés en vue de substituer aux énergies fossiles des énergies émettant moins de dioxyde de carbone, notamment dans le domaine du transport pour la motorisation des véhicules mais aussi pour la fabrication d'engrais et d'acier sans oublier pour le stockage d'énergie et la décarbonation en générale des procédés industriels utilisant des combustibles fossiles . La nécessité de réduire la production de gaz à effet de serre et d'utiliser des énergies renouvelables est maintenant bien connue. Le dihydrogène est une alternative aux hydrocarbures car il s'agit d'un vecteur énergétique facilement stockable, contrairement à l'électricité, et son oxydation dégage une énergie très importante (285 kJ/mole) .
Il existe plusieurs méthodes de production de dihydrogène. La plus avantageuse consiste à électrolyser la molécule d'eau car il s'agit d'une réaction à haut rendement qui ne produit pas directement de C02 contrairement aux procédés utilisés massivement que sont le reformage du méthane, de charbon et d'hydrocarbures.
Trois grands types d' électrolyseurs pour l' électrolyse de l'eau sont bien connus de l'art antérieur :
- les électrolyseurs alcalins (AWE) , qui se caractérisent par l'utilisation d'un électrolyte liquide qui permet le transfert des ions hydroxyles (0H-) de la cathode vers 1' anode, les électrolyseurs à haute température, dont l'électrolyte est une céramique ; et
- les électrolyseurs à membrane (PEM) , dont l'électrolyte est une membrane échangeuse d'ions à conduction protonique. Dans les trois cas, le système doit être alimenté en eau d'une très grande pureté (alimentant, dans le cas des électrolyseurs alcalins, une solution électrolytique d'hydroxyde de sodium (NaOH) ou de potassium (KOH) ) . Dans la suite de la description, pour des raisons de concision, référence sera faite à un électrolyseur alcalin, mais il est bien entendu que la présente invention s'applique également à l' électrolyseur à membrane (par exemple une membrane échangeuse de protons) .
Selon le procédé bien connu de l'art antérieur, une solution électrolytique (couramment désignée par le terme anglais de lye) est amenée au sein d'un ensemble de cellules électrolytiques (connu sous le nom de stack d' électrolyseur ) par une entrée spécifique. La solution électrolytique traverse le stack d' électrolyseur . L'eau est décomposée en molécules gazeuses de dihydrogène H2, à la cathode, et de dioxygène 02, à l'anode. Un diaphragme sépare généralement l'anode de la cathode de sorte que, dans les conditions normales, le dihydrogène et le dioxygène ne se mélangent pas. L'installation comprend une sortie pour le dihydrogène et l'électrolyte circulant du côté de la cathode (catholyte) et une sortie pour le dioxygène et l'électrolyte circulant du côté de l'anode (anolyte) . En d'autres termes, il s'agit de deux flux distincts de sorte qu'il existe un séparateur gaz-liquide dédié à la séparation du dihydrogène du catholyte, et un séparateur gaz-liquide pour la séparation du dioxygène de 1' anolyte. Les sorties liquides des deux séparateurs gaz- liquide sont ensuite mélangées avant d'alimenter à nouveau le stack d' électrolyseur . Dans les deux flux, en sortie de stack d' électrolyseur, la phase liquide (lye) est chargée en bulles de gaz. En sortie de séparateur gaz-liquide, il ne subsiste plus que quelques bulles de gaz dans le lye évacué par l'orifice inférieur du séparateur gaz-liquide dédié à la phase liquide alors que la phase gazeuse majoritaire est extraite du séparateur gaz-liquide par l'orifice supérieur du séparateur gaz-liquide. Pour différentes raisons, il est important de séparer le gaz du lye. Tout d'abord, plus on sépare le gaz de l'électrolyte, plus la production de gaz est importante, ce qui participe au bon rendement électrochimique du procédé. Ensuite, le mélange H2/O2 est hautement explosif. Si la séparation ne s'effectue pas correctement, une quantité importante de gaz, communément appelé « gaz résiduel », est entraînée en sortie liquide du séparateur gaz-liquide. Lors de la circulation suivante dans le stack d' électrolyseur (l'électrolyte tourne en boucle fermée) une partie de ce gaz passe dans l'autre compartiment et donc du mauvais côté .
On comprend que l'intérêt, tant économique qu'écologique, de l'utilisation de l'hydrogène dans un processus énergétique dépend en grande partie des performances du dispositif de production de l'hydrogène. Idéalement, il est nécessaire que :
- les coûts de fabrication et d'exploitation du dispositif de production soient les plus faibles possibles ;
- l'impact sur les ressources naturelles pour la fabrication et l'exploitation du dispositif de production soit limité ;
- le dispositif ne produise que peu ou pas d'émissions polluantes lors de son exploitation ;
- le dispositif soit simple, efficace, fiable et relativement peu encombrant... Par ailleurs, l'efficacité énergétique de l'installation n'est pas le seul enjeu lorsque l'on considère les coûts d'exploitation. En effet, des objectifs
- de f lexibilité/réactivité d'adaptation à une variation rapide de la demande de production de dihydrogène ;
- et de maintenabilité sont également cruciaux pour ces installations comprenant souvent plusieurs électrolyseurs fonctionnant sur le même site de production et/ou contrôlés de manière centralisée. Enfin, la capacité à maximiser la consommation d'énergie électrique pour une production donnée de dihydrogène peut paradoxalement se révéler intéressante dans certaines circonstances, notamment en termes de service à la régulation du réseau électrique (local ou pas) .
OBJET DE L'INVENTION
L'invention a notamment pour but d'améliorer tout ou partie des aspects énergétiques d'une installation contenant plusieurs électrolyseurs.
RESUME DE L'INVENTION
A cet effet, on prévoit, selon l'invention un procédé d'optimisation du pilotage d'une installation contenant plusieurs électrolyseurs en parallèle (dénommée « MIEL-S » ci après) .
La caractéristique essentielle du procédé de l'invention est que le pilotage est réalisé pour homogénéiser les charges individuelles des électrolyseurs en fonctionnement tout en tendant à minimiser la consommation spécifique de l'installation pour une charge de production totale de dihydrogène prédéterminée ou pour une disponibilité d'une puissance d'alimentation électrique de l'installation.
C'est dans ces conditions que l'installation peut avoir un rendement optimal tout en favorisant une réactivité et une flexibilité de l'ensemble et en prenant en compte par ailleurs les contraintes en termes de disponibilités des electrolyseurs (dénommés « ELY » dans la suite du document) vis-à-vis par exemple du programme de maintenantce de l ' installation . L' invention permet également d' exploiter une stratégie de maximisation de la puissance électrique consommée par le « MIEL-S » pour une production de dihydrogène donnée afin de maximiser la plage de régulation de puissance électrique absorbée dans le cadre de service de régulation du réseau électrique ( local ou pas ) D' autres caractéristiques et avantages de l ' invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de mise en œuvre particuliers et non limitatifs de 1 ' invention .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Soit « MIEL-S » un ensemble de N électrolyseurs a priori identiques (Multi Identical ELectolyzor System) et pouvant opérer un nombre « n » d' électrolyseurs , « n » allant de 0 à N .
Soit une stratégie HOLOS (n) , consistant à répartir la charge de manière homogène au sein des « n » électrolyseurs en fonctionnement (Homogenous Load Operation Strategy) .
Il sera fait référence aux dessins annexés , parmi lesquels :
[ Fig . 1 ] la figure 1 est une courbe caractéristique de la consommation spécifique individuelle d' un des multiples électrolyseurs identiques du MIEL-S ;
[ Fig . 2 ] la figure 2 montre un réseau de N courbes HOLOS . Chaque courbe du graphique est associée à un nombre « n », n pouvant être ici égal à une valeur comprise entre 1 et N électrolyseurs en fonctionnement au sein du système « MIEL- S » qui comporte N électrolyseurs au total . Les n électrolyseurs en fonctionnement suivent une stratégie « HOLOS » et les N-n autres électrolyseurs du système MIEL- S sont quant à eux à l ' arrêt (ou en veille ) . Le réseau de courbes montre donc la consommation spécifique ( kWh/Nm3 ) du MIEL-S en fonction de la charge du system et du nombre « n » d' électrolyseurs en opération, considérant que la stratégie d'opération soit toujours de type HOLOS quel que soit le nombre « n ». Une stratégie de type HOLOS se calquera toujours sur ce réseau de courbes. Une stratégie d'opération ne se calquant pas sur ce réseau de courbe n'est pas de type HOLOS ;
[Fig. 3] la figure 3 est analogue à la figure 2 et montre les intersections des courbes entre elles. Ces points d'intersection sont appelés les « HOLOS points ». Il existe 2*N points d'intersection. Ces HOLOS points sont numérotés de 1 à 2*N par ordre d'occurrence lors d'une montée en charge du system MIEL-S ;
[Fig. 4] la figure 4 est analogue à la figure 2 et montre la courbe de meilleure efficacité (BEL = Best Efficiency Line) d'un MIEL-S ;
[Fig. 5] la figure 5 est un graphique montrant la position des 2*N « HOLOS points » sur la caractéristique de consommation spécifique individuelle des multiples électrolyseurs identiques du MIEL-S ;
[Fig. 6] la figure 6 est un graphique qui montre l'évolution de la charge des électrolyseurs au sein du MIEL-S lors des occurrences des 2*N HOLOS points ;
[Fig. 7] la figure 7 est un graphique qui montre le rapport de charges relatives à des HOLOS points consécutifs lors d'une montée en charge monotone du MIEL-S ;
[Fig. 8] la figure 8 est analogue à la figure 2 et montre la courbe de meilleure efficacité (BEL) pour des électrolyseurs considérés « invisibles » par groupe de quatre en termes de charge ;
[Fig. 9] la figure 9 est analogue à la figure 4 et montre la courbe de pire efficacité (WEL = Worst Efficiency Line) qui ne suit pas une stratégie de type HOLOS. Son intérêt, dans un contexte de service de régulation du réseau électrique (local ou pas) , est d'identifier la borne supérieure d' énergie électrique que le MIEL-S peut consommer pour une production de dihydrogène donnée ;
[ Fig . 10 ] la figure 10 est analogue à la figure 9 et montre la courbe de pire efficacité (HOLOS-type WEL) dans le cadre de la stratégie HOLOS ;
[ Fig . 11 ] la figure 11 est analogue à la figure 9 et montre la courbe minimisant le nombre d' électrolyseurs en opération (T LEO L = The Less Electrolyser in Operation Line) pour une charge donnée du MIEL-S et visant à conserver une stratégie de type HOLOS ;
[ Fig . 12 ] la figure 12 est analogue à la figure 9 et montre la courbe maximisant le nombre d' électrolyseurs en opération (T MEO L) pour une charge donnée du MIEL-S et visant à conserver une stratégie de type HOLOS ;
[ Fig . 13 ] la figure 13 montre le nombre d' électrolyseurs en opération en fonction de la charge du MIEL-S et ce pour les différentes stratégies HOLOS mentionnées ci-avant ;
[ Fig . 14 ] la figure 14 montre un exemple de courbe de production souhaitée de dihydrogène de l ' installation en fonction du temps et de la charge de l ' installation ;
[ Fig . 15 ] la figure 15 est analogue à la figure 14 et montre en plus la courbe de réponse en termes de nombre d' électrolyseurs en fonctionnement lorsque la stratégie suivie est de type « BEL » ;
[ Fig . 16 ] la figure 16 est analogue à la figure 14 et montre en plus la courbe de réponse en termes de consommation spécifique lorsque la stratégie suivie est de type « BEL » ;
[ Fig . 17 ] la figure 17 est analogue à la figure 14 et montre en plus la courbe de réponse en termes de puissance consommée par l ' installation lorsque la stratégie suivie est de type « BEL » .
On notera que les valeurs sont mentionnées à titre indicatif afin de donner des ordres de grandeur et dépendent par ailleurs des configurations des équipements constituant les électrolyseurs .
Il en est de même des échelles de temps qui sont elles aussi mentionnées à titre indicatif .
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
A titre d' exemple , l ' installation ou système multi- électrolyseurs (MIEL-S ou « Multi Identical ELectrolyzer System ») est ici composée de N=24 électrolyseurs (ELY) identiques de 1000Nm3 /h f luidiquement connectés en parallèle, chacun est supposé totalement indépendant en terme de charge de production . L ' invention est évidemment applicable à n ' importe quelle autre capacité nominale des électrolyseurs (typiquement de 1 Nm3/h à 4000 Nm3/h, en particulier entre 100 Nm3/h et 2000 Nm3/h, en particulier de 500 Nm3/h à 1500 Nm3/h) .
L' optimisation du pilotage d' une installation multi- électrolyseurs n' est pas triviale et nécessite d' être construite conceptuellement étape par étape .
La première partie de la présente description expose une méthodologie permettant d' établir différentes stratégies d' opération d' un MIEL-S répondant par exemple aux questions suivantes :
• comment distribuer la charge de production au sein d' un MIEL-S ?
• à quelle charge de production arrêter ou démarrer un ELY au sein d' un MIEL-S ?
• la réponse à ces deux premières questions change-t- elle en fonction de l ' obj ectif poursuivi comme : o minimiser la consommation d' énergie nécessaire à la production de dihydrogène ; o maximiser la réactivité en termes de variation de charge de production ; o augmenter la maintenabilité du système ; ou o minimiser la dégradation des performances énergétiques du système ? Cette méthodologie permet également à l'exploitant d'un MIEL-S (ou à son concepteur) connaissant les propriétés des installations (consommation spécifique en fonction de la charge, temps d'arrêt/de démarrage, taux de dégradation en fonction des sollicitations opérationnelles,...) d'arbitrer entre les différentes stratégies d'opération et d' identifier celle qui conviendra le mieux à son contexte d' exploitation .
Cette première partie est basée sur une approche idéalisée de la réalité, en ne prenant en compte que le comportement théorique de l'installation en début de vie (BOL) pour définir une stratégie d'optimisation de son pilotage.
La seconde partie de la présente description a pour but de compléter cette approche avec les phénomènes « non- idéaux » comme par exemple l'incidence de la dégradation des performances dans le temps sur l'optimisation du pilotage .
L'hypothèse de départ est que la demande en termes de charge de production de dihydrogène est parfaitement connue sur un horizon de temps T et que le problème à résoudre est de minimiser la consommation électrique spécifique de l'installation (consommation spécifique Cs [kwh/Nm3] ) compte tenu de cette charge de production sur cet horizon de temps T .
1. Approche idéalisée a. Points critiques d'une courbe d'efficacité d'un électrolyseur (voir la figure 1) Trois points caractéristiques sont à noter sur la courbe de consommation spécifique, Cs, de l'ELY :
- MCR ou maximum continuous rate (débit continu maximum) . Soit, dans l'exemple de la figure 1, 100% de charge (équivalent à une production nominale de par exemple 1000 Nm3/h) pour une Cs de 4,66 kwh/Nm3 ;
- BEP ou best efficiency point (point d'efficacité maximum) . Soit 52% de charge pour une Cs de 4,56 kwh/Nm3 sur l ' exemple de la figure 1 . La courbe de consommation spécifique passe effectivement par un minimum (BEP) qui résulte des phénomènes antagonistes internes au stack d' électrolyseur lorsque la densité de courant de celui-ci varie ;
- MSOL ou « minimum stable operating point » (point de fonctionnement stable minimum) . Dans la figure 1 , le point de fonctionnement stable minimum se situe à 27% de charge de production de dihydrogène . b . Ligne de meilleure efficacité ou Best Efficiency Line (BEL) - Optimisation du fonctionnement d' une installation MIEL-S
Etant donné la concavité de la courbure (dérivée seconde positive) de la courbe Cs de la figure 1 mentionnée ci- dessus , un système fonctionnant avec plusieurs ELY et devant rencontrer une charge donnée minimisera touj ours sa consommation spécifique en homogénisant au maximum la charge de production individuelle de chaque ELY au sein du système . Dans l ' exemple d' installation ici décrit, considérons que les vingt-quatre ELY fonctionnent chacun à 70% de leur charge, l ' installation sera alors à 70% de sa capacité (ou charge) totale . La consommation spécifique de l ' installation serait alors (voir la figure 2 , échelle de gauche) d' environ 4 , 59kwh/Nm3 . Nous pourrions imaginer de faire varier la charge individuelle d' un des vingt-quatre ELY à la baisse et de maintenir la charge totale de l ' installation inchangée en faisant varier dans les mêmes proportions un autre des vingt-quatre ELY . Le résultat serait moins bon en termes de consommation spécifique de 1 ' installation .
Ceci définit une première stratégie d' optimisation par homogénéisation de charge de fonctionnement, nommée HOLOS pour « Homogeneous Load Operation Strategy », en considérant pour simplifier que tous les électrolyseurs ont à tout moment la même courbe de consommation spécifique .
Cette stratégie repose sur le principe qui veut que pour un nombre donné d'ELY en fonctionnement sur les vingt- quatre que compte l'installation (MIEL-S) , ceux-ci minimiseront la consonsommation électrique de l'installation pour une charge de production totale donnée en étant tous à la même charge de production individuelle. Par ailleurs, on considère, dans la figure 2, vingt-quatre courbes de consommation spécifique. Elles sont toutes de type HOLOS. La première dont nous avons fait mention ci- avant est relative au cas où les vingt-quatre ELY sont en fonctionnement. Les vingt-trois autres courbes correspondent à 23, 22, 21, ..., 3, 2, 1 ELY en fonctionnement suivant donc une stratégie HOLOS (c'est-à-dire que les charges individuelles des électrolyseurs en fonctionnement sont identiques les unes aux autres) .
L'étape suivante consiste à définir quand arrêter ou démarrer un ELY lorsque la charge de l'installation MIEL- S varie. C'est l'objet de la figure 3 qui montre les intersections des courbes HOLOS (24) avec HOLOS (23) ; HOLOS (23) avec HOLOS (22) ; ... ; HOLOS (2) avec HOLOS (1) . Les charges de production auxdites intersections (HOLOS points) sont en réalité les pourcentages de charge de production de l'installation (MIEL-S) auxquels il est théoriquement opportun de faire varier le nombre d'ELY en fonctionnement afin de minimiser la consommation spécifique du système.
Cette optimisation ne prend pas en compte, à ce stade-ci, la pénalité que l'installation MIEL-S subit en termes de dégradation de performance pour l'avenir, ou les variations de performances au sein d'un même lot du fait des tolérances de fabrication. Cet aspect « non-idéal » sera traité dans la section dédiée de cette description.
Partant de là, il est possible de tracer la courbe enveloppe BEL du MIEL-S. Celle-ci est représentée sur la figure 4 et constitue une borne inférieure de la consommation spécifique de l'installation (MIEL-S) . Autrement dit, la courbe enveloppe BEL définit la limite inférieure de l'ensemble de courbes de consommation spécifique. Bien que cette ligne semble décrire un plateau (en particulier entre 25% et 50% de charge dans l'exemple considéré ici) elle passe en réalité sur vingt-quatre minima, tous égaux et correspondant au BEP défini plus haut .
Les charges individuelles des ELY de l'installation lorsque le nombre d'ELY en fonctionnement évolue au niveau de l'installation sont représentées à la figure 5. La chronologie des numéros repris sur le graphique correspond à une montée en charge de l'installation MIEL-S commençant par un ELY fonctionnant à MSOL (le point 1) . Cet ELY monte en charge, suivant la courbe Cs jusqu'au point 2, moment où un second ELY doit être démarré pour minimiser la consommation spécifique Cs tout en continuant d'augmenter la charge de l'installation (MIEL-S) . Ce faisant, la charge individuelle des deux ELY se positionnent « instantanément » au point 3. Les charges individuelles continuent ainsi d'évoluer vers les points 4, 5, 6, 7, ..., 46, 47. Ces points sont dénommés « HOLOS points » dans la suite. Pour simplifier, on néglige ici les temps de démarrage/montée en charge de chaque électrolyseur supplémentaire : il s'agit d'une optimisation statique en régime établi.
Le graphique de la figure 6 montre l'évolution des « HOLOS points » situés « à gauche et à droite » du BEP.
Le rapport de charges individuelles des HOLOS points consécutifs (juste avant et juste après le changement du nombre d'ELY en fonctionnement) est conforme à une suite logique illustrée sur le graphique de la figure 7.
Si l'installation MIEL-S devait comporter des ELY solidaires quatre par quatre en termes de charge (par exemple en considérant six ELY4000 au lieu de vingt-quatre ELY1000) , la BEL évoluerait comme le montre le graphique de la figure 8 (considérer la ligne rouge et non la ligne noire) . c. Ligne de pire efficacité ou Worst Efficiency Line (WEL) d'une installation MIEL-S
Sur la figure 9, on a tracé la ligne de pire efficacité WEL (en rouge) en plus de la ligne de meilleure efficacité BEL (en noir) afin de montrer le potentiel d'amélioration maximale permis en tentant de se rapprocher de la ligne de meilleure efficacité BEL. Egalement, la différence entre ces deux courbes, pour une production de dihydrogène donnée, est l'image du levier de variation de puissance électrique consommée par le MIEL-S. Cette notion est utile dans le cadre d'un service de régulation du réseau électrique, que celui-ci soit local ou pas.
La WEL correspond à une mise en œuvre en deux phases. Considérant une baisse monotone de charge et partant d'une situation initiale où le MIEL_S est à pleine charge (tous les ELY étant à 100% de charge) , lors de la phase 1, la diminution de charge s'organise comme suit: un nombre i (i allant de N-l à 0) d'ELY à 100%, un nombre égal à N-i-1 d'ELY à MSOL et un ELY ajustant la charge de l'installation avec sa propre charge. Lorsque cet ELY atteint MSOL, i devient i-1 et un des ELY fonctionnant à 100% de charge commence à réguler, seul à son tour, la charge du MIEL-S. La phase 1 aboutit à une situation finale où les N ELY sont tous à MSOL.
La phase 2 débute donc avec une situation initale qui est la situation finale de la phase 1, à savoir tous les N ELY à MSOL. Durant la phase 2, la poursuite de la baisse de charge est gérée comme suit: un nombre j (j allant de N-2 à 0) d'ELY à MSOL, un nombre égal à N-j-1 d'ELY sont à l'arrêt (ou en veille) et un ELY ajuste la charge de l'installation avec sa propre charge. Lorsque cet ELY atteint MSOL, il est mis à l'arrêt (ou en veille) , et j devient j-1. La phase 2 aboutit à une situation finale où les N ELY sont tous à l'arrêt (ou en veille) .
Le graphique de la figure 10 montre une alternative volontairement dégradée de la Best efficiency line : la « Worst Efficiency Line - HOLOS ». Bien que cette alternative considère toujours une approche HOLOS, elle fait en revanche fi des « HOLOS points » définis plus haut. En effet, considérant par exemple le cas d'une diminution monotone de charge et partant du cas de vingt-quatre ELY à 100% de charge, la stratégie suivie consiste à arrêter au plus tôt les ELY, un par un, laissant ainsi fonctionner les autres ELY à une charge individuelle relativement haute et ce en permanence. Après l'arrêt d'un certain nombre K d'ELY (K valant quinze dans l'exemple chiffré défini) et baissant la charge des N-K (N-K valant neuf- dans l'exemple chiffré décrit) autres ELY restant en opération, une deuxième phase de cette stratégie consiste, lorsque la charge de l'installation est suffisamment basse pour croiser la courbe HOLOS (N) , à redémarrer l'ensemble des N (N valant vingt-quatre) ELY pour tous les faire fonctionner à une très basse charge individuelle, là où les consommations spécifiques individuelles sont moins bonnes. La suite de l'illustration considère également un arrêt un par un des ELY jusqu'à la situation où un seul ELY est en fonctionnement et descend jusqu'à son MSOL.
L'utilisation des stratégies WEL et WEL HOLOS entraine un manque d'optimisation relative croissant au fur et à mesure que la charge de l'installation diminue. d. Ligne HOLOS du minimum d' électrolyseurs en fonctionnement (T LEO L = The Less Electrolyzer in Operation Line) d'une installation MIEL-S
Cette stratégie, illustrée sur la figure 11, consiste à arrêter le plus tôt possible un ELY une fois que la charge de production totale de l'installation MIEL-S le permet, tout en s'inscrivant dans une stratégie HOLOS. On réduit donc le nombre d' électrolyseurs simultanément en fonctionnement au nombre minimum nécessaire pour fournir la charge de production totale de dihydrogène : il en résulte que la charge individuelle des électrolyseurs en fonctionnement est plutôt relativement élevée même quand la charge de production totale est relativement faible. L'objectif primaire d'optimisation concerne le nombre d' électrolyseurs et la consommation spécifique est un objectif secondaire.
Cette stratégie est utilisée de préférence pendant les opérations de maintenance de l'installation qui requièrent d'arrêter le plus grand nombre possible d'ELY ou dans le cas où une baisse rapide d'une charge de production totale est requise. e. Ligne HOLOS du maximum d' électrolyseurs en fonctionnement (T MEO L = The More Electrolyzer in Operation Line) d'une installation MIEL-S
Cette stratégie, illustrée sur la figure 12, consiste lors d'une baisse monotone de charge du MIEL-S, à maintenir en fonctionnement un maximum d'ELY possible, tout en s'inscrivant dans une stratégie HOLOS. Lorsque la charge baisse sous le seuil de charge correspondant à N ELY à MSOL, un ELY est mis à l'arrêt (ou en veille) et le MIEL- S évolue alors sur HOLOS (N-l) . La poursuite de la baisse de charge est gérée de manière identique en passant successivement de HOLOS (N-l) à HOLOS (N- (1+1) ) (1 allant de 0 à N-2) . Lorsque la charge conduit à MSOL sur HOLOS-1, le dernier ELY est mis à l'arrêt (ou en veille) à son tour. Il résulte de cette stratégie que la charge individuelle des électrolyseurs en fonctionnement est plutôt relativement basse lorsque la charge de production totale est faible.
Cette stratégie peut être utilisée pendant toute la durée de vie de l'installation par exemple pour atténuer la dégradation de performance liée au taux de charge individuelle des électrolyseurs . Par ailleurs cette stratégie offre la plus large plage d' opération sans arrêt et démarrage (entre 27% et 100% ) . Cette plage sans arrêt/démarrage peut être qualifiée de « SSL » ( Start & Stop Less ) . Cette plage SSL offre d' une part une minimisation de la dégradation des performances due à des occurrences de démarrages/arrêts et d' autre part une maximisation de la réactivité du système (grâce à l ' absence de procédure d' arrêt/démarrage d' ELY au sein du MIEL-S coûteuse en temps d' opération) face à des variations de charge qui auraient menée , au travers d' autres stratégies d' opération, à des arrêts /démarrages d' ELY augmentant la dégradation des performances et diminuant la réactivité de l ' ensemble MIEL-S . Par ailleurs , cette stratégie permet de simplifier la commande de l ' installation et son fonctionnement . Notons qu' il est possible de généraliser la notion de T MEO L comme suit . Le cas qui vient d' être décrit considère la situation initiale « HOLOS (N) » ( ici « HOLOS ( 24 ) ») . La plage SSL qui en découle peut être précisément nommée SSL (N) ( ici « SSL ( 24 ) ») . Et nous notons alors que cette stratégie peut être notée spécifiquement T_MEO_L (N) . Pour un MIEL-S donné, il est tout à fait envisageable de faire le constat que pendant une période donnée la charge variera souvent, principalement , dans une plage « P » non inscrite dans la plage SSL (N) . Il sera alors tout à fait possible d' optimiser le choix d' une autre T MEO L (m) (avec m < N) qui conduirait à mieux inscrire la plage P dans la SSL (m) ainsi générée par ce choix de stratégie d' opération . Dit autrement, on commande les électrolyseurs pour faire fonctionner à leur point de fonctionnement optimal un nombre maximum m d' électrolyseurs inférieur au nombre total N d' électrolyseurs , le nombre maximum m correspondant à une charge de l ' installation variant dans une plage de fonctionnement inférieure à une plage de fonctionnement maximal de l ' installation mettant en j eu le nombre total d' électrolyseurs . f . Gestion de la charge d' une installation MIEL-S
On peut gérer la charge de l' installation selon une première approche reposant sur la production de dihydrogène ou selon une deuxième approche reposant sur la disponibilité de la puissance électrique alimentant l ' installation . La description dans le présent document suppose la première approche . En effet dès le graphique de la figure 1 , l ' ordonnée est exprimée en fonction de la charge de production de dihydrogène . L' ensemble des graphiques et des stratégies d' opération décrites par la suite s ' expriment dès lors en fonction de la charge de production de dihydrogène . Pour envisager la seconde approche il suffit de reproduire les mêmes raisonnements que ceux tenus pour la première approche en partant d' une alternative au graphique de la figure 1 en exprimant « l ' évolution de la consommation spécifique en fonction de la charge électrique » au lieu de « l ' évolution de la consommation spécifique en fonction de la charge de production de dihydrogène » . Les graphiques sont sensiblement proches en termes d' allure et amènent les mêmes types de raisonnement et d' analyse .
La figure 13 illustre de ce fait la première approche et représente la production de dihydrogène par l ' installation MIEL-S en fonction du nombre d' ELY en fonctionnement et selon différentes stratégies utilisables , à savoir BEL, T LEO L, TMEO L (N) , HOLOS WEL .
On a représenté sur la figure 14 la charge de production requise de dihydrogène ( ligne continue fine ) conformément à la première approche (on a choisi des profils de formes différentes pour illustrer l ' adaptation de la production de l ' installation à ces différents profils ) .
On a représenté sur la figure 15 cette même charge de production requise de dihydrogène ( ligne pointillée fine ) sur laquelle on a superposé la charge produite en réponse en mettant en œuvre la stratégie BEL ( ligne continue épaisse rouge ) et le nombre d' ELY en fonctionnement ( ligne discontinue épaisse bleue ) .
On a représenté sur la figure 16 cette même charge de production requise de dihydrogène ( ligne pointillée fine ) sur laquelle on a superposé la charge produite en réponse en mettant en œuvre la stratégie BEL ( ligne continue épaisse) et la consommation spécifique Cs de cette stratégie ( ligne continue fine bleue ) .
On a représenté sur la figure 17 la charge de production requise de dihydrogène ( ligne pointillée fine ) sur laquelle on a superposé la charge produite en réponse en mettant en œuvre la stratégie BEL ( ligne continue épaisse) et la puissance de l ' installation MIEL-S ( ligne continue fine bleue) .
2 . Prise en compte des phénomènes non-idéaux a . Liste des phénomènes « non-idéaux » influençant l ' optimisation de la gestion de la charge de l ' installation MIEL-S :
- Limitation de la plage de fonctionnement ( % de charge de production de dihydrogène ) liée à certains composants de l ' installation (y compris internes aux ELY en cas de mise en commun de plusieurs ELY) ;
- Dégradation des performances liée aux arrêts et démarrages des ELY ;
- Dégradation des performances liée aux heures de fonctionnement des ELY ;
- Temps d' arrêt et de démarrage des ELY ainsi que les pertes énergétiques pendant les transitoires ;
- Déséquilibre de performance entre les ELY du stack d' électrolyseur ( les électrolyseurs sont théoriquement tous identiques mais en réalité leurs performances sont différentes ) ; - Besoin dynamique d'absorption ou diminution de charge de l'installation MIEL-S en fonction de la prédiction de la demande de production ;
- L'indisponibilité totale ou partielle d'un ou plusieurs ELY ;
- Survenance d'arrêt d'urgence. b. Prise en compte des phénomènes « non-idéaux » influençant l'optimisation de la gestion de la charge de l'installation MIEL-S
De manière générale, la réponse à la question « à quelle charge de l'installation faut-il arrêter ou démarrer les ELY au sein d'un système multi-ELY (MIEL-S) ? », compte tenu de ces phénomènes « non-idéaux », sera fonction de la prédiction de la charge future et du temps de vie restant de l'installation...
En effet, ayant en tête par exemple que chaque arrêt d'un ELY implique une dégradation de ses performances futures, faut-il, en cours d'opération et faisant face à une augmentation de la demande de production de dihydrogène :
- démarrer un ELY supplémentaire pour diminuer la charge moyenne des ELY et ainsi diminuer la consommation énergétique de l'installation à court terme alors que nous sommes en même temps informés que cette charge, jusque là croissante, est sur le point de diminuer et que l'ELY qui vient d'être démarré devra être bientôt arrêté ? ou
- au contraire, tolérer un défaut d'optimisation à court terme pour préserver les performances de l'installation à plus long terme ?
La réponse à cette question ne sera pas nécessairement la même en fonction du moment où nous la posons dans la vie de l'installation. Ceci fait intervenir la notion de LCOH et de son recalcul en continu sur base des prédictions de charge à court et long termes.
Ainsi, l'optimisation du rendement d'une installation peut être obtenue par, séparément ou tout ou partie en combinaison :
- l'homogénéisation individuelle des ELY ;
- le fonctionnement d'un maximum d'ELY à son point de fonctionnement optimal ;
- la détermination dynamique de la charge de chaque ELY individuellement en fonction de son rendement spécifique particulier (lié à son vieillissement propre, sa capacité propre, ...) ;
- l'adaptation des capacités individuelles de l'installation en vue d'affiner la capacité de charge ou de production et d'optimiser le rendement de l'installation.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications .
En particulier, les valeurs numériques ne sont indiquées qu'à titre d'exemple.
Les valeurs de consommation spécifique Cs et de production de dihydrogène sont valables pour des électrolyseurs à la limite maximale de leur fonctionnement, en tenant compte des pertes d'énergie (stack d' électrolyseur, redresseur, transformateur, séparateur gaz-liquide, purificateur, pompe...) et des pertes en dihydrogène dans les unités de séparation gaz-liquide et de purification.
Le normo mètre cube est considéré à 0°C et 1 atm.
Le nombre d' électrolyseurs peut être inférieur ou supérieur à vingt-quatre.
Les paramètres réels de fonctionnement sont déterminés par une surveillance de l'installation ou par une analyse statistique d'installations existantes.
Chaque électrolyseur peut être équipé de son propre dispositif de conversion de puissance (redresseur) . Dans un autre cas, au moins deux stacks peuvent être mis en série électriquement (addition de la tension) .
Le procédé peut comprendre l'étape de définir un mode de pire efficacité dans lequel la charge de l'installation est ajustée en jouant sur la charge d'un seul des électrolyseurs, les autres électrolyseurs étant soit à leur charge maximale, soit à leur point de fonctionnement minimal, soit à l'arrêt ; et l'étape de piloter l'installation entre un mode optimal correspondant à l'homogénéisation des charges individuelles des électrolyseurs en fonctionnement et le mode de pire efficacité .
On notera que la courbe Cs versus charge est de préférence représentative de l'installation complète (donc incluant le 'Balance Of Plant') plutôt que celle représentative uniquement du stack d ' électrolyseur (et de certains de ses mécanismes de perte) puisque l'utilisateur final est intéressé par la consommation globale (i.e. incluant le BOP) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de pilotage d'une installation contenant plusieurs électrolyseurs f luidiquement en parallèle, comprenant l'étape de piloter les électrolyseurs en cherchant à homogénéiser des charges individuelles des électrolyseurs en fonctionnement pour minimiser une consommation électrique spécifique de l'installation pour une charge de production totale prédéterminée ou pour une puissance électrique disponible pour alimenter 1' installation .
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape de déterminer des courbes de consommation spécifique correspondant chacune à un nombre n d' électrolyseurs en fonctionnement, le nombre n variant de 1 à N qui est le nombre total d' électrolyseurs de l'installation.
3. Procédé selon la revendication 2, comprenant l'étape de déterminer une courbe enveloppe représentant une limite inférieure de l'ensemble de courbes de consommation spécifique .
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le nombre d' électrolyseurs à maintenir simultanément en fonctionnement est déterminé en fonction de la courbe enveloppe .
5. Procédé selon la revendication 4, comprenant l'étape de réduire le nombre d' électrolyseurs simultanément en fonctionnement à un nombre minimum nécessaire pour fournir la charge de production totale.
6. Procédé selon la revendication 4, comprenant l'étape d'augmenter le nombre d' électrolyseurs simultanément en fonctionnement à un nombre maximum nécessaire pour fournir la charge de production totale.
7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine dans un premier temps un mode théorique de pilotage de l'installation sur la base de l'état de l'installation en début de vie puis on modifie le mode théorique de pilotage en fonction d' au moins un paramètre réel de fonctionnement de l'installation.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le paramètre réel de fonctionnement appartient au groupe de paramètres suivants :
- limitation d'une plage de fonctionnement d'au moins un composant de l'installation ;
- dégradation de performance liée au cycle d' arrêt et de démarrage des électrolyseurs ;
- dégradation de performance liée à un temps de fonctionnement des électrolyseurs ;
- temps d' arrêt et de démarrage des électrolyseurs et pertes énergétiques pendant la phase transitoire entre l'arrêt et le démarrage des électrolyseurs ;
- déséquilibre de performance entre les électrolyseurs ;
- besoin dynamique d' absorption ou de diminution de charge de l'installation en fonction d'une prédiction de demande de production ;
- indisponibilité totale ou partielle d'au moins un électrolyseur ;
- survenance d'arrêt d'urgence de tout ou partie de l'installation.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le paramètre réel de fonctionnement est déterminé par une surveillance de l'installation ou par une analyse statistique d'installations existantes.
10. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape de commander les électrolyseurs pour faire fonctionner un maximum d' électrolyseurs à leur point de fonctionnement optimal .
11. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape de commander les électrolyseurs pour faire fonctionner à leur point de fonctionnement optimal un nombre maximum d' électrolyseurs inférieur au nombre total d' électrolyseurs , le nombre maximum correspondant à une charge de l'installation variant dans une plage de fonctionnement inférieure à une plage de fonctionnement maximal de l'installation mettant en jeu le nombre total d' électrolyseurs .
12. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape de déterminer dynamiquement la charge individuelle de chaque électrolyseur en fonction de son rendement spécifique particulier.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'étape de définir un mode de pire efficacité dans lequel la charge de l'installation est ajustée en jouant sur la charge d'un seul des électrolyseurs, les autres électrolyseurs étant soit à leur charge maximale, soit à leur point de fonctionnement minimal, soit à l'arrêt.
14. Procédé selon la revendication 13, comprenant l'étape de piloter l'installation entre un mode optimal correspondant à l'homogénéisation des charges individuelles des électrolyseurs en fonctionnement et le mode de pire efficacité.
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Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3027034B1 (fr) * 2014-10-13 2016-12-23 Commissariat Energie Atomique Procede de pilotage d'un systeme d'electrolyse prenant en compte la temperature des modules electrolyseurs dudit systeme d'electrolyse
KR20230014548A (ko) * 2021-07-21 2023-01-30 현대자동차주식회사 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치 및 방법과 이를 이용한 수전해 시스템
EP4124674B1 (fr) * 2021-07-30 2024-09-04 Abb Schweiz Ag Installation d'électrolyseur comprenant une pluralité de modules d'électrolyseur et système permettant de commander le fonctionnement de l'installation d'électrolyseur
CN115044924B (zh) * 2022-06-30 2024-04-09 中国科学院电工研究所 一种串联变流器水电解制氢系统及控制方法
CN115572990B (zh) * 2022-12-09 2023-03-10 长春吉电氢能有限公司 一种制氢系统及其控制方法

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