EP4716769A1

EP4716769A1 - Procédé et système de production d'hydrogène à partir d'une source de chaleur, et installation comprenant un tel système

Info

Publication number: EP4716769A1
Application number: EP24727319.6A
Authority: EP
Inventors: Romuald COUPAN
Original assignee: Genvia; Services Petroliers Schlumberger SA; Schlumberger Technology BV
Current assignee: Genvia; Services Petroliers Schlumberger SA; Schlumberger Technology BV
Priority date: 2023-05-23
Filing date: 2024-05-16
Publication date: 2026-04-01
Also published as: FR3149022A1; WO2024240599A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de production d'hydrogène par électrolyse de vapeur d'eau, en utilisant la chaleur d'un effluent chaud (102) rejeté par une installation industrielle, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - échange thermique, dans un échangeur thermique (106), entre ledit effluent chaud (102) et un flux d'eau (104) pour produire un premier flux de vapeur d'eau (108), - cogénération d'électricité (118) et d'un deuxième flux de vapeur d'eau (116) par une unité de cogénération (110) alimentée par ledit premier flux de vapeur d'eau (108), et - électrolyse d'au moins une partie dudit deuxième flux de vapeur d'eau (116) dans une unité d'électrolyse (120) alimentée par ladite électricité (118), pour produire un flux d'hydrogène et un flux riche en oxygène. Elle concerne également un système (100) mettant en œuvre un tel procédé et une installation mettant en œuvre un tel système (100).

Description

Procédé et système de production d’hydrogène à partir d’une source de chaleur, et installation comprenant un tel système

La présente invention concerne un procédé et un système de production d’hydrogène par électrolyse à haute température de vapeur d’eau. Elle concerne également une installation industrielle comprenant un tel système.
Le domaine de l’invention est de manière générale le domaine de la production d’hydrogène par électrolyse à haute température de vapeur d’eau, et en particulier dans un électrolyseur à oxyde solide fonctionnant à haute température.

État de la technique

Il existe actuellement différentes techniques de production d’hydrogène. Une de ces techniques est l’électrolyse de la vapeur d’eau dans un électrolyseur à oxyde solide, SOEL (pour « Solide Oxide Electrolyzer » en anglais). En résumé, l’eau est chauffée pour obtenir de la vapeur d’eau à une température supérieure à 150°C. La vapeur d’eau est introduite dans un électrolyseur maintenu à une température comprise entre 700°C et 850° et alimenté en courant électrique pour décomposer la molécule de vapeur d’eau H₂O en molécules de H₂ et O₂ de sorte à obtenir, en sortie de l’électrolyseur, un flux d’hydrogène H₂ et d’oxygène O₂ à partir d’un flux de vapeur d’eau donné en entrée de l’électrolyseur.

Cette solution nécessite un apport énergétique externe, d’une part pour obtenir la vapeur d’eau à la température souhaitée et d’autre part pour alimenter l’électrolyseur en courant de sorte à casser la molécule de H₂O. Cela dégrade l’efficacité globale de production d’hydrogène.

Un but de la présente invention est de remédier à au moins un des inconvénients de l’état de la technique.

Un autre but de l’invention est de proposer une solution de production d’hydrogène par électrolyse de vapeur d’eau présentant une efficacité globale améliorée.

L’invention propose d’atteindre au moins l’un des buts précités par un procédé de production d’hydrogène par électrolyse de vapeur d’eau, en utilisant la chaleur d’un effluent chaud rejeté par une installation industrielle, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

échange thermique, dans un échangeur thermique, entre ledit effluent chaud et un flux d’eau pour produire un premier flux de vapeur d’eau,
cogénération d’électricité et d’un deuxième flux de vapeur d’eau par une unité de cogénération alimentée par ledit premier flux de vapeur d’eau, et
électrolyse d’au moins une partie dudit deuxième flux de vapeur d’eau dans une unité d’électrolyse alimentée par ladite électricité, pour produire un flux d’hydrogène et un flux riche en oxygène.

Ainsi, de manière classique, le procédé selon l’invention propose de produire de l’hydrogène à partir d’un flux de vapeur d’eau introduit dans une unité d’électrolyse de vapeur d’eau alimentée avec un courant électrique.

De manière innovante, l’invention propose de cogénérer d’une part la vapeur d’eau introduite dans l’unité d’électrolyse et d’autre part le courant alimentant ladite unité d’électrolyse, à partir d’un effluent chaud rejeté par une installation industrielle, et donc déjà existante. Ainsi, il n’est pas nécessaire de prévoir une source énergétique additionnelle pour produire de la vapeur d’eau ou une source de courant dédiée pour alimenter l’unité d’électrolyse.

En d’autres termes, l’invention permet de produire de l’hydrogène en valorisant la chaleur rejetée par un site industriel. Lorsque la température de l’effluent chaud rejeté par l’installation industrielle est suffisamment élevée, l’invention permet de générer de l’hydrogène, de manière totalement autonome, sans nécessiter une source électrique externe ou une source de vapeur d’eau externe.

Par conséquent, l’invention permet de produire de l’hydrogène avec une efficacité globale plus élevée que les solutions actuelles.

Dans la présente demande, par « effluent chaud », on entend un effluent gazeux ou un effluent liquide rejeté par une installation industrielle. Par exemple, l’effluent chaud peut être un effluent gazeux chaud, tel que de la vapeur d’eau, des fumées de combustion, de l’air chaud, rejeté par un site nucléaire, un site de production de ciment, un site métallurgique, etc. Suivant d’autre exemple, l’effluent chaud peut être un effluent liquide chaud, tel que de l’huile ou de l’eau chaude produite par un site industriel.

Suivant des exemples de réalisation, l’effluent chaud rejeté peut présenter une température de l’ordre de 150°C à 900°C.

Suivant des modes de réalisation non limitatifs, le deuxième flux de vapeur d’eau peut présenter une pression comprise entre 1.5 bara et 3,5 bara.

Suivant des modes de réalisation non limitatifs, le deuxième flux de vapeur d’eau présente une température comprise entre 115°C et 750°C.

Suivant des modes de réalisation, le procédé selon l’invention peut comprendre une étape préchauffage du flux d’eau par une partie du deuxième flux de vapeur d’eau généré par l’unité de cogénération.

Dans ce cas, une partie du deuxième flux de vapeur d’eau généré par l’unité de cogénération est envoyée vers l’unité d’électrolyse et une autre partie dudit deuxième flux de vapeur d’eau généré par l’unité de cogénération est utilisée dans un échangeur thermique, ou dans un désaérateur, pour préchauffer le flux d’eau.

Suivant un exemple de réalisation non limitatif, le flux d’eau peut être préchauffé à une température comprise entre 105°C et 125°C.

Suivant des modes de réalisation non limitatifs, le procédé selon l’invention peut comprendre une génération, par l’unité de cogénération, d’un troisième flux de vapeur d’eau, dont la pression est inférieure ou égale à celle du deuxième flux de vapeur d’eau, ledit procédé comprenant en outre une étape de condensation, dans un condenseur, dudit troisième flux de vapeur d’eau pour produire un flux d’eau.

Le troisième flux de vapeur peut présenter pression comprise entre 0,05 bara et 0,5 bara, et pour un titre en vapeur pouvant être comprise entre 0.85 et 0.95.

Ainsi, dans ces modes de réalisation, il y a deux flux de vapeur d’eau sortant de l’unité de cogénération :

le deuxième flux de vapeur d’eau sortant de l’unité de cogénération dont une partie ou la totalité est envoyée dans l’unité d’électrolyse, et
un troisième flux de vapeur d’eau envoyée dans le condenseur pour produire de l’eau.

Ce mode de réalisation permet d’ajuster la quantité de vapeur d’eau envoyée vers l’unité d’électrolyse, tout en valorisant la vapeur d’eau non envoyée à l’unité d’électrolyse dans le système selon l’invention.

Suivant une caractéristique avantageuse, le flux d’eau produit par le condenseur peut être utilisé pour produire le premier flux de vapeur d’eau.

Ainsi, l’invention permet de valoriser ce flux d’eau et de ne pas le rejeter.

Suivant une caractéristique avantageuse, le condenseur peut être alimenté, en partie ou en totalité, par le courant électrique produit par l’unité de cogénération lors de l’étape de cogénération.

Ainsi, l’invention ne nécessite pas l’utilisation d’une source électrique externe pour alimenter le condenseur.

Suivant des modes de réalisation, le procédé selon l’invention peut comprendre une étape de désaération, dans un désaérateur, du flux d’eau en amont de l’échangeur thermique.

Cette étape permet d’éliminer l’air se trouvant dans le flux d’eau avant que ce dernier soit fourni à l’échangeur thermique.

Suivant des modes de réalisation, le procédé selon l’invention peut comprendre une étape d’augmentation de la pression du flux d’eau en amont de l’échangeur thermique. Cette étape permet de produire le premier flux de vapeur à la pression attendue en entrée de la turbine de cogénération.

Ainsi, l’échangeur thermique reçoit un flux d’eau qui est déjà comprimé. Ce flux d’eau est ensuite chauffé dans ledit échangeur thermique pour être transformé en le premier flux de vapeur d’eau : ce premier flux de vapeur d’eau est alors à une pression et une température élevée pour ensuite alimenter l’unité de cogénération pour produire un courant électrique et le deuxième flux de vapeur d’eau dont une partie ou la totalité est fournie à l’unité d’électrolyse.

Suivant un exemple de réalisation, le flux d’eau peut être comprimé à une pression comprise entre 12bara et 110 bara.

Suivant des modes de réalisation, le flux d’eau peut être comprimé par un dispositif de compression qui peut être une pompe.

Suivant des modes de réalisation, le dispositif de compression du flux d’eau peut être alimenté en électricité par une partie de l’électricité générée par l’unité de cogénération.

Ainsi, l’invention ne nécessite pas l’utilisation d’une source électrique externe pour alimenter le dispositif de compression.

Suivant des modes de réalisation, le procédé selon l’invention peut en outre comprendre un stockage d’au moins une partie de l’électricité produite par l’unité de cogénération.

En effet, lorsque l’électricité générée par l’unité de cogénération est en excès, celle-ci peut être stockée dans un moyen de stockage en vue de son utilisation ultérieure, par exemple dans le système mettant en œuvre la présente invention. Cette électricité stockée peut être utilisée par exemple pour alimenter un ou plusieurs dispositifs utilisés pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention lorsque la chaleur de l’effluent gazeux diminue de sorte que l’unité de cogénération génère moins d’électricité, ou lorsque la demande en production d’hydrogène augmente, et plus généralement pour équilibrer la production d’hydrogène et/ou s’adapter à des variations.

Le moyen de stockage électrique peut être de tout type, tel que par exemple une ou plusieurs batteries rechargeables.

Suivant des modes de réalisation, le procédé selon l’invention peut en outre comprendre un stockage d’au moins une partie de la chaleur de l’effluent chaud en amont de l’échangeur thermique.

En effet, lorsque la chaleur de l’effluent chaud rejeté par l’installation industrielle est supérieure à celle nécessaire à la production du premier flux de vapeur d’eau, au moins une partie de la chaleur en excès peut être stockée dans un moyen de stockage de chaleur en vue de son utilisation ultérieure, par exemple dans le système mettant en œuvre la présente invention. Cette chaleur en excès stockée peut être utilisée par exemple pour alimenter le procédé selon l’invention lorsque la chaleur de l’effluent gazeux diminue, ou lorsque la demande en production d’hydrogène augmente, et plus généralement pour équilibrer la production d’hydrogène et/ou faire face à des variations.

Le moyen de stockage thermique peut être de tout type, tel que par exemple un réservoir calorifugé de fluide caloporteur réchauffé par un échangeur thermique. Un tel fluide caloporteur peut par exemple être de l’huile ou tout autre fluide.

Suivant un autre aspect de la présente invention, il est proposé un système de production d’hydrogène par électrolyse de vapeur d’eau, en utilisant la chaleur d’un effluent chaud rejeté par une installation industrielle, ledit système comprenant :

au moins un échangeur thermique pour produire un premier flux de vapeur d’eau par échange thermique entre ledit effluent chaud et ledit flux d’eau,
une unité de cogénération d’une part d’électricité et d’autre part d’un deuxième flux de vapeur d’eau, à partir dudit premier flux de vapeur d’eau, et
au moins une unité d’électrolyse d’au moins une partie dudit deuxième flux de vapeur d’eau, alimentée par au moins une partie de ladite électricité, pour produire un flux d’hydrogène.

Le système selon l’invention présente les mêmes avantages que ceux décrits plus haut en référence au procédé selon l’invention et qui ne seront pas repris ici par soucis de concision.

Suivant des modes de réalisation, l’unité de cogénération peut comprendre au moins une turbine à vapeur couplée à au moins un générateur électrique.

La turbine à vapeur reçoit le premier flux gazeux sous pression et très chaud pour faire tourner ladite turbine qui à son tour entraine le générateur pour produire de l’électricité. La turbine à vapeur fournit le deuxième flux de vapeur dont la pression a été diminuée, par exemple à une pression comprise entre 1.5 bara et 3.5 bara et une température comprise entre 115°C et 160°C.

Comme indiqué plus haut en référence au procédé selon l’invention, suivant des modes de réalisation, l’unité de cogénération, et en particulier la turbine à vapeur, peut fournir en sortie, un troisième flux de vapeur dont la pression a été diminuée encore plus, par rapport au deuxième flux de vapeur d’eau.

Suivant des exemples de réalisation, le troisième flux de vapeur d’eau peut par exemple être à une pression comprise entre 0.05 bara et 0.5 bara et à une température comprise entre 30°C et 80°C, pour un titre en vapeur inférieur à 0.95.

Suivant des modes de réalisation, le système selon l’invention peut en outre comprendre un condenseur pour produire un flux d’eau par condensation du troisième flux de vapeur d’eau.

Suivant une caractéristique avantageuse, le flux d’eau produit par le condenseur peut être utilisé pour produire, au moins en partie, le premier flux de vapeur d’eau.

Suivant une caractéristique avantageuse, le condenseur peut être alimenté, en partie ou en totalité, par le courant électrique produit par l’unité de cogénération.

Suivant des modes de réalisation, l’unité d’électrolyse peut comprendre au moins un électrolyseur de vapeur d’eau à haute température, par exemple un électrolyseur fonctionnant, i.e. réalisant une électrolyse de vapeur d’eau, à une température comprise entre 700°C et 850°C.

Suivant des modes de réalisation, l’unité d’électrolyse peut comprendre au moins un électrolyseur à oxyde solide.

En particulier, l’unité d’électrolyse peut comprendre plusieurs électrolyseurs à oxyde solide disposés en série.

Au moins un électrolyseur peut comprendre un ou plusieurs modules d’électrolyse, chacun comprenant au moins un stack, ou empilement, de cellules d’électrolyse à oxyde solide.

Suivant des modes de réalisation, le système selon l’invention peut en outre comprendre au moins un désaérateur pour désaérer l’eau en amont de l’échangeur thermique.

Suivant des modes de réalisation, le système selon l’invention peut en outre comprendre un dispositif de compression pour augmenter la pression du flux d’eau en amont de l’échangeur thermique.

Suivant un exemple de réalisation, le flux d’eau peut être comprimé à une pression comprise entre 12 bara et 110 bara.

Suivant des modes de réalisation, le dispositif de compression peut être une pompe, ou tout autre dispositif de compression.

Suivant des modes de réalisation avantageux, le dispositif de compression du flux d’eau peut être alimenté en électricité par une partie de l’électricité générée par l’unité de cogénération.

Bien entendu, le système selon l’invention peut comprendre, en termes de moyens techniques, une combinaison quelconque d’une ou plusieurs des caractéristiques décrites plus haut en référence au procédé selon l’invention, et qui ne sont pas toutes reprises en détail dans la suite, par soucis de concision.

En particulier, le système selon l’invention peut comprendre :

un moyen de stockage électrique pour stocker une partie de l’électricité générée par l’unité de cogénération, et/ou
un moyen de stockage thermique pour stocker une partie de de la chaleur de l’effluent chaud, en particulier disposé en amont de l’échangeur.

De tels moyens de stockage permettent de faire face à :

une fluctuation/variation de la chaleur et/ou de la quantité de l’effluent chaud rejeté par l’installation industrielle ; et/ou
une fluctuation/variation de la demande en hydrogène produite dans l’unité d’électrolyse.

Ainsi, il est possible de lisser et d’équilibrer le fonctionnement du système selon l’invention lorsque de telles fluctuations/variations se produisent.

Suivant un autre aspect de la présente invention, il est proposé une installation comprenant :

une installation industrielle produisant un effluent chaud, et
un système de production d’hydrogène selon l’invention couplé à ladite installation industrielle, et utilisant ledit effluent chaud pour produire de l’hydrogène.

L’installation industrielle peut être de tout type, telle que par exemple une installation nucléaire, une installation métallurgique, une cimenterie, une aciérie, une installation de production chimique, une installation de traitement de déchets, une installation de recyclage, etc.

De préférence, le système de production d’hydrogène se trouve sur le même site que l’installation industrielle.

Description des figures et modes de réalisation

D’autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :

les FIGURES 1-3 sont des représentations schématiques de trois exemples de réalisation non limitatifs d’un système selon l’invention ; et
la est une représentation schématique d’un exemple de réalisation non limitatif d’une installation selon l’invention.

Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si c'est cette partie qui est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.

En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.

Sur les figures et dans la suite de la description, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.

La est une représentation schématique d’un exemple de réalisation non limitatif d’un système selon la présente invention.

Le système 100 de la peut être utilisé pour produire de l’hydrogène en utilisant un effluent chaud 102 rejeté par un site industriel ou une installation industrielle, et un flux d’eau 104.

L’effluent chaud 102 peut présenter une température comprise entre 150°C à 900°C.

L’effluent chaud 102 peut être gazeux ou liquide.

L’effluent chaud 102 peut être rejeté par une installation industrielle de tout type, telle que par exemple une cimenterie, une aciérie, une installation nucléaire, une installation produisant des produits chimiques, une installation de traitement de déchets, etc.

Le système 100 comprend un échangeur thermique 106 dans lequel un échange thermique est réalisé entre l’effluent chaud 102 et le flux d’eau 104. Cet échangeur thermique peut être de tout type, et particulier un économiseur, un vaporisateur, etc. De préférence, l’échangeur thermique est sélectionné, et agencé de sorte à maximiser l’échange thermique être l’effluent chaud 102 et le flux d’eau 104. Ainsi, la majeure partie, voire la quasi-totalité, de la chaleur de l’effluent chaud est récupérée et transféré vers le flux d’eau 104.

En sortie de l’échangeur thermique 106, un premier flux 108 de vapeur d’eau est obtenu.

Suivant des modes de réalisation, le premier flux de vapeur d’eau 108 présente une température comprise entre 150°C et 750°C.

Suivant des modes de réalisation, le premier flux de vapeur d’eau 108 est à une pression comprise entre 12 et 110 bara.

Le premier flux de vapeur d’eau 108 est fourni à une unité de cogénération 110. L’unité de cogénération 110 peut être de tout type. Suivant un exemple de réalisation non limitatif, l’unité de cogénération 110 est formée par une turbine à vapeur 112 couplée à un générateur 114.

L’unité de cogénération 110 permet de générer, à partir du premier flux de vapeur d’eau 108 :

d’une part un deuxième flux de vapeur d’eau 116,
et d’autre part un courant électrique 118.

En particulier, dans le cas où l’unité de cogénération 110 comprend une turbine à vapeur 112 et un générateur 114, le premier flux de vapeur d’eau 108 entraine la turbine à vapeur 112, qui, à son tour entraine un générateur 114.

Le deuxième flux de vapeur d’eau 116 fourni en sortie de l’unité de cogénération présente une pression inférieure à celle du premier flux de vapeur d’eau 108. Suivant un exemple non limitatif, le deuxième flux de vapeur d’eau présente une pression comprise entre 1.5 bara et 3,5 bara.

Le deuxième flux de vapeur d’eau 116 peut être à une température inférieure ou égale à celle du premier flux de vapeur d’eau 108. Suivant un exemple non limitatif, le deuxième flux de vapeur d’eau présente une température comprise entre 115°C et 750°C.

Au moins une partie, ou la totalité, du deuxième flux de vapeur d’eau 116 fourni par l’unité de cogénération 110 est utilisée pour alimenter une unité d’électrolyse 120. De manière optionnelle, une partie du deuxième flux de vapeur d’eau peut être utilisée pour réchauffer le flux d’eau 104, tel que décrit plus loin.

La puissance électrique fournie par l’unité de cogénération 110, et en particulier par le générateur 114, varie en fonction de la quantité et de la pression du premier flux de vapeur d’eau 108, ainsi que des caractéristiques de l’unité de cogénération 110.

Au moins une partie, ou la totalité, du courant électrique 118 fourni par l’unité de cogénération 110 peut être utilisée pour alimenter une unité d’électrolyse 120. De manière optionnelle, une partie du courant électrique 118 peut être utilisé pour alimenter un ou plusieurs composants du système 100, tel que décrit plus loin.

Le système 100 comprend en outre un dispositif 122 de compression du flux d’eau 104 avant que celui-ci ne soit fourni à l’échangeur thermique 106. Ce dispositif de compression 122 peut être de tout type. Suivant un exemple de réalisation non limitatif, le dispositif de compression 122 est une pompe actionnée par un moteur électrique.

Le dispositif de compression 122 a pour fonction d’augmenter la pression du flux d’eau 104 fourni à l’échangeur thermique. Suivant un exemple de réalisation, le dispositif de compression 122 est dimensionné/configuré pour obtenir un flux d’eau présentant une pression comprise entre 12 bara et 110 bara.

De manière optionnelle, le dispositif compression 122, par exemple le moteur électrique actionnant la pompe, peut être alimenté par une partie du courant 118 fourni par l’unité de cogénération 10. Bien entendu, alternativement, le dispositif de compression 122 peut être alimenté par une source électrique externe, lorsque le courant généré par l’unité de cogénération 110 n’est pas suffisant.

De manière optionnelle, le système 100 peut en outre comprendre un désaérateur 124, ou un dégazeur, destiné à éliminer l'oxygène ou d'autres gaz dissous dans le flux d’eau 104.

Dans l’exemple représenté, la désaérateur 124 est disposé en amont du dispositif de compression 122.

De manière optionnelle, une portion 126 du deuxième flux de vapeur d’eau 116 peut être utilisée pour préchauffer le flux d’eau 104.

Par exemple, un échange thermique peut être réalisée, dans un échangeur thermique, entre la portion 126 du deuxième flux de vapeur d’eau 116 et le flux d’eau 104 pour préchauffer ledit flux d’eau 104.

Dans l’exemple représenté, la portion 126 du deuxième flux de vapeur d’eau 116 est injectée dans le désaérateur 124 où cette portion 126 de vapeur d’eau se mélange avec le flux d’eau 104 et donc préchauffe ledit flux d’eau 104.

De manière optionnelle, l’unité de cogénération 110, et en particulier la turbine à vapeur 112, peut fournir en sortie un troisième flux de vapeur d’eau 128, dont la pression est inférieure à celle du deuxième flux de vapeur d’eau 116. Par exemple, le troisième flux de vapeur d’eau 128 peut présenter une pression comprise entre 0,05 bara et 0,5 bara, pour un titre en vapeur pouvant être comprise entre 0.85 et 0.95.

Ce troisième flux de vapeur d’eau 128 peut être introduit dans un condenseur 130 pour être transformée en eau.

Ce condenseur 130 peut optionnellement être alimenté par une partie du courant 118 généré par l’unité de cogénération 110. Bien entendu, alternativement, le condenseur 130 peut être alimenté par une source électrique externe.

Une partie ou la totalité de l’eau obtenue en sortie du condenseur 130 peut être réutilisée dans le système 100, pour former au moins une partie du flux d’eau 104 fourni à l’échangeur thermique 106. Dans l’exemple non limitatif représenté sur la FUGURE 1, la totalité de l’eau obtenue en sortie du condenseur 130 est introduit dans le désaérateur 124 pour être ajoutée au flux d’eau 104. Ainsi, le flux d’eau fourni à l’échangeur thermique 106 comprend le flux d’eau 104, et éventuellement :

l’eau récupérée en sortie du condenseur 130, et/ou
l’eau provenant de la portion 126 du deuxième flux de vapeur d’eau 116.

De manière optionnelle, le système 100 peut comprendre un moyen 132 de stockage d’au moins une partie de l’électricité 118 produite par l’unité de cogénération 110. Un tel moyen de stockage 132 peut par exemple comprendre une ou plusieurs batteries rechargeables.

Ainsi, l’électricité 118 générée en excès peut être stockée dans le moyen de stockage 132 en vue de son utilisation ultérieure, par exemple dans le système 100. Un tel stockage d’électricité permet de lisser les variations éventuelles :

de la quantité d’électricité générée par l’unité de cogénération 110 ; et/ou
de la quantité d’électricité consommée par le système 100, et en particulier par l’unité d’électrolyse 120, notamment pour s’adapter à une variation de la quantité d’hydrogène à produire.

Sur l’exemple représenté sur la , le moyen de stockage d’électricité 132 est positionné entre l’unité de cogénération 110 et l’unité d’électrolyse 120. Bien entendu, cet exemple n’est pas limitatif et le moyen de stockage d’électricité peut être positionné ailleurs dans le système 100.

De manière optionnelle, le système 100 peut comprendre un moyen 134 de stockage d’au moins une partie de la chaleur de l’effluent chaud 102.

En effet, lorsque la chaleur de l’effluent chaud 102 rejeté par l’installation industrielle est supérieure à celle nécessaire à celle utilisée dans le système 100, au moins une partie de la chaleur en excès peut être stockée dans le moyen de stockage de chaleur 134, en vue de son utilisation ultérieure, par exemple dans le système 100. Cette chaleur en excès stockée peut être utilisée par exemple pour alimenter le système 100 lorsque la chaleur de l’effluent chaud 102 diminue, ou lorsque la demande en production d’hydrogène augmente, et plus généralement pour équilibrer la production d’hydrogène.

Le moyen de stockage thermique 134 peut être de tout type, tel que par exemple un réservoir de fluide caloporteur réchauffé par un échangeur thermique. Un tel fluide caloporteur peut par exemple être de l’huile ou tout autre fluide.

Sur l’exemple représenté sur la , le moyen de stockage de chaleur 134 est positionné en amont de l’échangeur thermique 106. Bien entendu, cet exemple n’est pas limitatif et le moyen de stockage de chaleur 134 peut être positionné ailleurs dans le système, par exemple en amont, ou en aval, de l’unité de cogénération 120.

L’unité d’électrolyse 120 peut comprendre au moins un électrolyseur à oxyde solide, SOEL, en particulier un SOEL fonctionnant à haute température, par exemple à une température comprise entre 700°C et 850°C. De préférence, l’unité d’électrolyse 120 comprend plusieurs électrolyseurs à oxyde solide disposés en série.

L’unité d’électrolyse 120 prend en entrée :

une partie ou la totalité du deuxième flux de vapeur d’eau 116, et
une partie ou la totalité du courant électrique généré 118 ;

pour produire de l’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau.

Dans l’exemple représenté sur la , l’unité d’électrolyse 120 prend en entrée une portion 136 du deuxième flux de vapeur d’eau 116, et une partie 138 du courant électrique. La vapeur d’eau est soumise à une réaction d’électrolyse avec le courant 138, cassant la molécule de vapeur d’eau pour produire, en sortie :

un premier flux de sortie enrichi en, ou constitué de, d’hydrogène sous la forme de dihydrogène, H₂, et
un deuxième flux de sortie enrichi en, ou constitué de, d’oxygène sous la forme de dioxygène, O₂,

De manière optionnelle, tel que représenté sur la , l’unité d’électrolyse 120 peut prendre en entrée un flux d’air, en particulier pour équilibrer la pression au sein du ou des électrolyseurs. Dans ce cas, le deuxième flux de sortie peut en outre comprendre de l’azote et éventuellement d’autres composants se trouvant dans le flux d’air donné en entrée de l’unité d’électrolyse 120.

La est une représentation schématique d’un autre exemple de réalisation non limitatif d’un système selon la présente invention.

Le système 200 de la peut être utilisé pour produire de l’hydrogène en utilisant un effluent chaud 102 rejeté par un site industriel ou une installation industrielle, et un flux d’eau 104.

Le système 200 de la comprend tous les éléments du système 100 de la à l’exception de l’élément de stockage d’électricité 132 et de l’élément de stockage de chaleur 134.

Suivant une alternative non représentée, un système selon l’invention peut comprendre l’un des éléments de stockage 132 et 134.

Le système 300 de la peut être utilisé pour produire de l’hydrogène en utilisant un effluent chaud 102 rejeté par un site industriel ou une installation industrielle, et un flux d’eau 104.

Le système 300 de la comprend tous les éléments du système 200 de la à l’exception du désaérateur 124 et du condenseur 130. Dans le système 300, le deuxième flux de vapeur d’eau 116 est entièrement fourni à l’unité d’électrolyse 120, et l’unité de cogénération 110 ne fourni pas de troisième flux de vapeur d’eau.

Suivant une alternative non représentée, un système selon l’invention peut comprendre le désaérateur 124 ou le condenseur 130.

La est une représentation schématique d’un exemple de réalisation non limitatif d’une installation selon l’invention.

L’installation 400 de la comprend un système 402 selon l’invention de production d’hydrogène par électrolyse de vapeur d’eau. Le système 402 peut par exemple être l’un quelconque des systèmes 100, 200 ou 300 décrits plus haut.

L’installation 400 comprend en outre une installation industrielle 404, couplé au système 402 et fournissant l’effluent chaud 102.

De préférence, l’installation industrielle 404 et le système 402 sont situés sur le même site ou du moins à proximité immédiate l’un de l’autre. Alternativement, l’installation industrielle 404 et le système 402 peuvent être disposés sur des sites distants l’un de l’autre.

L’installation industrielle 404 peut être de tout type d’installation industrielle rejetant un effluent chaud, sous forme liquide ou gazeuse. Suivant des exemples non limitatifs l’installation industrielle peut être une cimenterie, une aciérie, une installation nucléaire, une installation produisant des produits chimiques, une installation de traitement de déchets, etc.

Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.

Claims

Procédé de production d’hydrogène par électrolyse de vapeur d’eau, en utilisant la chaleur d’un effluent chaud (102) rejeté par une installation industrielle (404), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
échange thermique, dans un échangeur thermique (106), entre ledit effluent chaud (102) et un flux d’eau (104) pour produire un premier flux de vapeur d’eau (108),

cogénération d’électricité (118) et d’un deuxième flux de vapeur d’eau (116) par une unité de cogénération (110) alimentée par ledit premier flux de vapeur d’eau (108), et

électrolyse d’au moins une partie dudit deuxième flux de vapeur d’eau (116) dans une unité d’électrolyse (120) alimentée par ladite électricité (118), pour produire un flux d’hydrogène et un flux riche en oxygène.
Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de préchauffage du flux d’eau (104) par une partie (126) du deuxième flux de vapeur d’eau (116) généré par l’unité de cogénération (110).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une génération, par l’unité de cogénération, d’un troisième flux de vapeur d’eau, dont la pression est inférieure ou égale à celle du deuxième flux de vapeur d’eau, ledit procédé comprenant en outre une étape de condensation, dans un condenseur (130), dudit troisième flux de vapeur d’eau pour produire un flux d’eau.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de désaération, dans un désaérateur (124), du flux d’eau (104) en amont de l’échangeur thermique (106).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’augmentation de la pression du flux d’eau (104) en amont de l’échangeur thermique (106).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre, un stockage d’au moins une partie de l’électricité (118) produite par l’unité de cogénération (110).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre, un stockage d’au moins une partie de la chaleur de l’effluent chaud (102) en amont de l’échangeur thermique (106).
Système (100;200;300) de production d’hydrogène par électrolyse de vapeur d’eau, en utilisant la chaleur d’un effluent chaud (102) rejeté par une installation industrielle (404), ledit système (100;200;300) comprenant :
au moins un échangeur thermique (106) pour produire un premier flux de vapeur d’eau (108) par échange thermique entre ledit effluent chaud (102) et ledit flux d’eau (104),

une unité de cogénération (110) d’une part d’électricité (118) et d’autre part d’un deuxième flux de vapeur d’eau (116), à partir dudit premier flux de vapeur d’eau (108), et

au moins une unité d’électrolyse (120) d’au moins une partie dudit deuxième flux de vapeur d’eau (116), alimentée par au moins une partie de ladite électricité (118), pour produire un flux d’hydrogène.
Système (100;200;300) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de cogénération (110) comprend au moins une turbine à vapeur (112) couplée à au moins un générateur électrique (114).
Système (100;200;300) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un condenseur (130) pour produire un flux d’eau par condensation d’un troisième flux de vapeur d’eau (128) fourni par l’unité de cogénération.
Système (100;200;300) selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l’unité d’électrolyse (120) comprend au moins un électrolyseur à oxyde solide.
Système (100;200;300) selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un désaérateur (124) pour désaérer l’eau en amont de l’échangeur thermique (106).
Système (100;200;300) selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de compression (122) pour augmenter la pression du flux d’eau (104) en amont de l’échangeur thermique (116).
Installation (400) comprenant :
une installation industrielle (404) produisant un effluent chaud (102), et

un système (402) de production d’hydrogène selon l’une quelconque des revendications 8 à 13 couplé à ladite installation industrielle (404), et utilisant ledit effluent chaud (102) pour produire de l’hydrogène.