FR2898738A1 - Procede de production d'electricite a partir d'une installation comprenant une pile a combustible et installation de mise en oeuvre - Google Patents

Procede de production d'electricite a partir d'une installation comprenant une pile a combustible et installation de mise en oeuvre Download PDF

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Abstract

Procédé de production d'électricité à partir d'une installation comprenant, au niveau d'une même enceinte (3), :- une pile à combustible (2) destinée à être alimentée en air et en carburant,- une réserve (4, 14) de carburant tel que de l'hydrogène apte à alimenter la pile à combustible (2) de façon à constituer l'équivalent d'une première réserve d'énergie électrique,- au moins un dispositif (5, 6) de génération d'électricité à partir d'énergie renouvelable tel qu'un qu'une éolienne et/ou une cellule photovoltaïque formant l'équivalent d'une seconde réserve d'énergie électrique,l'énergie électrique délivrée par l'installation (1) étant produite par défaut par le dispositif (5, 6) de génération d'électricité à partir de la seconde réserve ou, lorsque le dispositif (5, 6) de génération ou la seconde réserve fait défaut, par la pile à combustible (2) à partir de la première réserve d'énergie.

Description

La présente invention concerne un procédé de production d'électricité à
partir d'une installation comprenant une pile à combustible, ainsi qu'une installation de mise en oeuvre. L'invention concerne plus particulièrement une installation stationnaire de fourniture d'énergie électrique de manière autonome, c'est-à-dire hors d'un réseau de distribution d'électricité. L'invention peut notamment être utilisée pour fournir de l'électricité sur des durées relativement longues, par exemple pendant au moins plusieurs mois. L'invention s'applique notamment la fourniture d'énergie électrique régulière et/ou de secours pour des applications diverses. A cette fin, le procédé de production d'électricité à partir d'une installation selon l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au niveau d'une même enceinte, : - une pile à combustible destinée à être alimentée en air et en carburant, - une réserve de carburant tel que de l'hydrogène apte à alimenter la pile à combustible de façon à constituer l'équivalent d'une première réserve d'énergie électrique, - au moins un dispositif de génération d'électricité à partir d'énergie renouvelable tel qu'un qu'une éolienne et/ou une cellule photovoltaïque formant l'équivalent d'une seconde réserve d'énergie électrique, l'énergie électrique délivrée par l'installation étant produite par défaut par le dispositif de génération d'électricité à partir de la seconde réserve ou, lorsque le dispositif de génération ou la seconde réserve fait défaut, par la pile à combustible à partir de la première réserve d'énergie.
Selon d'autres particularités possibles : - le procédé comporte une étape de production de carburant pour la pile à partir de l'énergie électrique produite par le dispositif de génération d'électricité, - le procédé comporte une étape de remplissage de la réserve avec ledit carburant produit.
L'invention concerne également une installation de fourniture d'énergie électrique de mise en oeuvre du procédé comportant une enceinte comprenant une pile à combustible destinée à être alimentée en air et en carburant, une réserve de carburant tel que de l'hydrogène apte à alimenter la pile à combustible de façon à constituer une première réserve d'énergie électrique pouvant être produite par l'installation via la pile à combustible, caractérisé en ce que l'installation comporte au moins un dispositif de génération d'électricité à partir d'énergie renouvelable, tel qu'un qu'une éolienne et/ou une cellule photovoltaïque, formant une seconde réserve d'énergie électrique pouvant être produite par l'installation, le dispositif de génération d'électricité étant couplé à la pile à combustible par au moins un élément de commutation commandé pour délivrer de l'électricité à partir de la première réserve d'énergie électrique via la pile à combustible lorsque la production d'électricité à partir de la seconde réserve d'énergie via le dispositif fait défaut. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la réserve de carburant comprend un ou plusieurs récipients tels que des bouteilles d'hydrogène gazeux à une pression comprise de préférence entre 50 et 15 800 bar environ, - la réserve de carburant comprend un électrolyseur apte à générer de l'hydrogène gazeux à partir d'énergie électrique et au moins un organe de stockage de l'hydrogène produit par l'électrolyseur relié à la pile à combustible en vue de l'alimentation en carburant de cette dernière, le dispositif de génération 20 d'électricité étant relié électriquement à l'électrolyseur en vue de l'alimentation électrique de ce dernier, -l'organe de stockage de l'hydrogène produit par l'électrolyseur comprend au moins une enveloppe ou bâche en matériau souple étanche, - la pile à combustible est du type fonctionnant avec un carburant gazeux à 25 faible pression comprise entre 50 mbar et quelques bars, et en ce que l'organe de stockage de l'hydrogène produit par l'électrolyseur est couplé directement à l'entrée de carburant de la pile à combustible, l'installation comporte une batterie reliée électriquement à la pile à combustible pour assurer les transitoires de charge tels que les démarrages, 30 - le dispositif de génération d'électricité à partir d'énergie renouvelable comprend des panneaux solaires photovoltaïques ayant une surface comprise entre 10 et 100 m2 et de préférence comprise entre 30 et 6 m2 et une puissance électrique de l'ordre de 3 à 30 kW, - le dispositif de génération d'électricité à partir d'énergie renouvelable comprend au moins une éolienne, - l'enceinte est disposée sur le sol via des plots supports, l'intérieur de l'enceinte communiquant avec l'extérieur via une entrée d'air donnant sur le volume situé entre l'enceinte et le sol. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue de l'arrière et en perspective d'une installation de fourniture d'énergie électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'installation étant en configuration ouverte, - la figure 2 représente une vue de l'arrière et en perspective d'une installation de fourniture d'énergie électrique selon un second mode de réalisation de l'invention, l'installation étant en configuration ouverte, - la figure 3 représente une vue de devant et en perspective de l'installation de fourniture d'énergie électrique de la figure 1. En se référant aux figures 1 et 3, l'installation 1 selon l'invention comprend une enceinte 3 stationnaire constituée d'une structure et de panneaux d'habillage permettant d'abriter des organes décrits plus en détail ci-après. De préférence, l'enceinte 3 est modulable et/ou déployable pour permettre de réaliser un abri ouvert ou fermé ou partiellement fermé, notamment avec un toit étanche à l'au. L'enceinte 3 contient au moins une pile à combustible 2 destinée à être alimentée en air et en carburant tel que de l'hydrogène gazeux pour produire de l'électricité. L'enceinte 3 abrite également une réserve 4 de carburant tel que de l'hydrogène gazeux pour la pile 2. La réserve d'hydrogène comporte par exemple une pluralité de bouteilles 4 de gaz sous pression (typiquement entre 50 et 700 bar voir au-delà). L'installation 1 comporte également deux éoliennes 5 adjacente ou non à l'enceinte 3 destinées à produire de l'énergie électrique à partir de la source d'énergie renouvelable qu'est le vent.
De préférence, l'installation 1 comporte également des panneaux solaires de cellules photovoltaïques 6, disposés par exemple sur le toit de l'enceinte 3, pour produire de l'énergie électrique à partir de la source d'énergie renouvelable qu'est le soleil.
Selon l'invention, l'installation peut fournir de l'électricité à au moins un consommateur à partir de l'énergie produite par les éoliennes 5 et/ou les cellules 6 photovoltaïques. Lorsque l'énergie produite par les éoliennes 5 et/ou les cellules 6 est insuffisante (vent nul par exemple et la nuit), la pile à combustible 2 peut assurer la continuité de la fourniture d'énergie. De façon avantageuse, l'installation peut comprendre également une batterie 8 tampon, par exemple logée dans l'armoire contenant la pile 2 à combustible, pour assurer des transitoires de charge, le démarrage de la pile 2 etc...
Les bouteilles 4 d'hydrogènes constituent ainsi une réserve d'électricité au travers de la pile 2 à combustible qui permet de s'affranchir des batteries volumineuses ou des groupes électrogènes des systèmes de l'art antérieur. L'installation 3 peut ainsi avoir un encombrement réduit. L'utilisation d'énergie renouvelable (solaire et/ou éolien par exemple) permet également de réduire la consommation d'hydrogène de l'installation via la pile 2, typiquement d'un facteur de l'ordre de trois. Ainsi, le couplage de la pile 2 à combustible, de sa réserve d'hydrogène 4 et des dispositifs 5,6 de génération d'électricité à partir d'énergies renouvelables permet de réduire et d'optimiser le dimensionnement de chacun de ces systèmes de production d'électricité l'un par rapport à l'autre et également par rapport à leurs utilisations antérieures connues. L'installation 3 peut comprendre également un électrolyseur 7 disposé dans l'enceinte 3 pour générer de l'hydrogène gazeux à partir d'énergie électrique fournie par exemple par les éoliennes 5, et/ou les cellules solaires 6 et/ou la pile à combustible 2. En se référant à la figure 2, l'installation 1 peut comprendre au moins une enveloppe ou une bâche étanche permettant de stocker l'hydrogène gazeux produit par l'électrolyseur 7. Par exemple, la bâche se compose de plusieurs sphères 14 formées chacune d'une enveloppe étanche et souple (telles que celles utilisées pour les applications de ballons éclairant à l'hélium par exemple). Les sphères 14 sont ainsi formées en un matériau approprié pourvu de coutures et/ou collages étanches dans les zones d'interface. L'hydrogène gazeux peut être stocké dans les bâches à une pression de l'ordre, par exemple, de quelques centaines de millibar, typiquement 200 millibar ou plus (par exemple 1 bar à 5 bar ou plus) en fonction de la structure de la bâche et des sphères 14. Les sphères 14 sont abritées par l'enceinte 3. Les parties supérieures des sphères 14 sont pourvues de préférence de soupapes de décharge en cas de surpression, pour évacuer le surplus d'hydrogène vers le toit de l'enceinte 3, le toit étant lui-même pourvu d'une sortie vers l'extérieur. Le volume de gaz pouvant être stocké dans les sphères 14 peut être dimensionné pour permettre d'alimenter en carburant la pile 2 à combustible pendant les périodes typiques d'inactivité des dispositifs 5, 6 de génération d'électricité à partir d'énergies renouvelables (périodes sans soleil et/ou sans vent). Par exemple, une énergie équivalente à 70 kWh est stockée sous forme d'hydrogène gazeux dans les sphères 14, par exemple 48 m3 d'hydrogène gazeux à une pression de 3 bar répartie dans quatre sphères ayant chacune une capacité de 4 m3. Ceci représente 1 kW d'électricité fourni par la pile à combustible pendant trois jours complets. De préférence, la pile à combustible 2 est du type fonctionnant avec un carburant gazeux à faible pression (par exemple inférieure à 200 millibar). De cette façon, les sphères 14 de stockage de l'hydrogène produit par l'électrolyseur 7 peuvent être couplées directement à l'entrée de carburant de la pile 2 à combustible, par exemple via une liaison flexible basse pression et sans recourir à une installation de re-compression coûteuse et consommatrice d'énergie. De plus, la fiabilité de l'installation 1 est ainsi améliorée. Par exemple, les panneaux solaires 6 ont une surface comprise entre 30 et 60 m2 pour une puissance de 7,5 kW environ, permettant à la fois d'alimenter un consommateur d'électricité relié à l'installation 1 et de produire de l'hydrogène via l'électrolyseur 7. De même, les éoliennes 5 peuvent avoir une puissance de l'ordre de 8 à 30 kW pour permettre à la fois d'alimenter un consommateur d'électricité relié à l'installation 1 et de produire de l'hydrogène via l'électrolyseur 7.
De façon avantageuse, la production d'eau générée par la pile à combustible 2 peut être récupérée pour être stockée en vue par exemple de son utilisation pour le nettoyage des panneaux solaires 6, l'eau déminéralisée produite par la pile étant d'une grande efficacité pour un tel nettoyage. Par exemple, un système de nettoyage par ruissellement et distribution peut être prévu. L'enceinte 3 présente une structure ne nécessitant pas de travail de génie civil pour son installation sur un site. La masse de l'installation suffit par ailleurs à reprendre les efforts de basculement créés par la pression des vents sur les panneaux 6 solaires notamment. Les panneaux solaires 6 protègent l'ensemble de l'installation et notamment la pile 2 à combustible contre le rayonnement solaire direct, améliorant ainsi le fonctionnement de la pile 2 lors des périodes estivales.
Avantageusement, l'enceinte 3 peut être disposée sur le sol via des plots supports, l'intérieur de l'enceinte 3 communiquant avec l'extérieur via une entrée d'air donnant sur le volume situé entre l'enceinte et le sol. Par ailleurs, l'enceinte peur comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'entrée d'air de l'enceinte 3 comprend un ventilateur débitant dans l'enceinte - l'entrée d'air comprend un filtre à air, - le plancher de l'enceinte 3 comprend un matériau thermiquement isolant. La pile à combustible peut être une pile du type à membrane échangeuse 20 de protons.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Procédé de production d'électricité à partir d'une installation comprenant, au niveau d'une même enceinte (3), : - une pile à combustible (2) destinée à être alimentée en air et en carburant, - une réserve (4, 14) de carburant tel que de l'hydrogène apte à alimenter la pile à combustible (2) de façon à constituer l'équivalent d'une première réserve d'énergie électrique, - au moins un dispositif (5, 6) de génération d'électricité à partir d'énergie renouvelable tel qu'un qu'une éolienne et/ou une cellule photovoltaïque formant l'équivalent d'une seconde réserve d'énergie électrique, l'énergie électrique délivrée par l'installation (1) étant produite par 15 défaut par le dispositif (5, 6) de génération d'électricité à partir de la seconde réserve ou, lorsque le dispositif (5, 6) de génération ou la seconde réserve fait défaut, par la pile à combustible (2) à partir de la première réserve d'énergie.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte 20 une étape de production de carburant pour la pile (2) à partir de l'énergie électrique produite par le dispositif (5, 6) de génération d'électricité.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de remplissage de la réserve (4, 14) avec ledit carburant produit.
4. Installation de fourniture d'énergie électrique de mise en oeuvre du 25 procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant une enceinte (3) comprenant une pile à combustible (2) destinée à être alimentée en air et en carburant, une réserve (4, 14) de carburant tel que de l'hydrogène apte à alimenter la pile à combustible (2) de façon à constituer une première réserve d'énergie électrique pouvant être produite par 30 l'installation via la pile (2) à combustible, caractérisé en ce que l'installation (1) comporte au moins un dispositif (5, 6) de génération d'électricité à partir d'énergie renouvelable, tel qu'un qu'une éolienne et/ou une cellule photovoltaïque, formant une seconde réserve d'énergie électrique pouvant 10être produite par l'installation, le dispositif (5, 6) de génération d'électricité étant couplé à la pile (2) à combustible par au moins un élément de commutation commandé pour délivrer de l'électricité à partir de la première réserve d'énergie électrique via la pile (2) à combustible lorsque la production d'électricité à partir de la seconde réserve d'énergie via le dispositif (5, 6) fait défaut.
5. Installation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la réserve de carburant comprend un ou plusieurs récipients (14) tels que des bouteilles d'hydrogène gazeux à une pression comprise de préférence entre 50 et 800 bar environ.
6. Installation selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la réserve (4, 14) de carburant comprend un électrolyseur (7) apte à générer de l'hydrogène gazeux à partir d'énergie électrique et au moins un organe (14) de stockage de l'hydrogène produit par l'électrolyseur (7) relié à la pile à combustible (2) en vue de l'alimentation en carburant de cette dernière, le dispositif (5, 6) de génération d'électricité étant relié électriquement à l'électrolyseur (7) en vue de l'alimentation électrique de ce dernier.
7. Installation selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe de stockage de l'hydrogène produit par l'électrolyseur (7) comprend au moins une enveloppe (14) ou bâche en matériau souple étanche.
8. Installation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pile à combustible (2) est du type fonctionnant avec un carburant gazeux à faible pression comprise entre 50 mbar et quelques bars, et en ce que l'organe (14) de stockage de l'hydrogène produit par l'électrolyseur (7) est couplé directement à l'entrée de carburant de la pile (2) à combustible.
9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'elle comporte une batterie reliée électriquement à la pile à combustible (2) pour assurer les transitoires de charge tels que les démarrages.
10. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif de génération d'électricité à partir d'énergie renouvelable comprend des panneaux solaires photovoltaïques (6) ayant unesurface comprise entre 10 et 100 m2 et de préférence comprise entre 30 et 6 m2 et une puissance électrique de l'ordre de 3 à 30 kW.
11. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dispositif de génération d'électricité à partir d'énergie 5 renouvelable comprend au moins une éolienne (5).
12. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'enceinte (3) est disposée sur le sol via des plots supports, l'intérieur de l'enceinte (3) communiquant avec l'extérieur via une entrée d'air donnant sur le volume situé entre l'enceinte et le sol. 10
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