FR2930770A1 - Hydrogen production installation useful in township for recovery of wastes and reducing emissions of greenhouse gas, comprises incinerator of industrial/household wastes, generator to produce water vapor, turbo-alternator, and electrolyzer - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne une installation de production et de distribution d'hydrogène utilisé notamment pour alimenter une flotte de véhicules urbains. L'intérêt de l'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique notamment dans le domaine des transports est de plus en plus croissant principalement pour des raisons environnementales liées notamment à l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. The present invention relates to a plant for the production and distribution of hydrogen used in particular for supplying a fleet of urban vehicles. The interest of the use of hydrogen as an energy vector, particularly in the transport sector, is growing more and more mainly for environmental reasons, particularly related to the increase in the concentration of greenhouse gases in the atmosphere. .
Cependant, l'un des freins actuels au développement de l'hydrogène est de nature à la fois technique et économique. En effet, sur le plan technique, quatre étapes sont nécessaires pour la mise en oeuvre d'une filière complète, à savoir la production, le transport, le stockage mobile pour des véhicules, et la transformation de l'hydrogène. En particulier, le transport de l'hydrogène produit s'effectue notamment par camions ou pipe-line, sous forme gazeuse ou liquide, aux différentes stations de distribution éparpillées dans une zone géographique donnée pour permettre aux véhicules d'être alimentés en hydrogène. Un tel transport de l'hydrogène est extrêmement coûteux. En outre, l'hydrogène utilisé peut être produit à partir des combustibles fossiles en particulier le gaz naturel. Cependant, ce type de production nécessite de prévoir des unités de séquestration du dioxyde de carbone CO2 si l'on souhaite qu'elle se poursuive dans les meilleures conditions environnementales possibles. L'hydrogène peut également être produit par craquage de l'eau suivant un procédé thermochimique, la chaleur nécessaire à ce procédé étant alors fournie par des réacteurs nucléaires dédiés à haute température, mais ce procédé est à ce jour relativement coûteux. Une autre technologie de production d'hydrogène est l'électrolyse de l'eau, mais les électrolyseurs utilisés à cet effet consomment une grande quantité d'énergie électrique, augmentant de la sorte le prix de vente final de l'hydrogène produit. La présente invention a pour but de s'affranchir des inconvénients ci-dessus des procédés connus de 5 production d'hydrogène. A cet effet, l'invention propose une installation de production d'hydrogène qui est caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un incinérateur de déchets ménagers, un générateur apte à produire de la vapeur 10 d'eau à partir de la chaleur de combustion des déchets incinérés dans l'incinérateur, un turboalternateur alimenté par la vapeur d'eau du générateur et un dispositif électrolyseur alimenté en courant électrique par le turboalternateur pour fournir de l'hydrogène. 15 De préférence, l'installation comprend au moins un réservoir de stockage relié au dispositif électrolyseur pour alimenter en hydrogène sous pression une ou plusieurs stations de distribution d'hydrogène à des véhicules notamment urbains, chaque station de 20 distribution étant proche de l'installation. L'hydrogène produit par le dispositif électrolyseur alimente un réseau d'hydrogène. Selon une première variante de réalisation, le réservoir de stockage est relié directement au dispositif 25 électrolyseur et alimente en hydrogène les stations de distribution par l'intermédiaire d'un ou plusieurs compresseurs. Selon une seconde variante de réalisation, le dispositif électrolyseur est relié par l'intermédiaire 30 d'au moins un compresseur au réservoir de stockage qui est relié aux stations de distribution d'hydrogène. Le réservoir de stockage peut également alimenter en hydrogène au moins une pile à combustible pour des applications stationnaires. 35 Avantageusement, le dispositif électrolyseur produit de l'oxygène pouvant alimenter en oxygène au moins une grille d'incinération de l'incinérateur. However, one of the current obstacles to the development of hydrogen is of a technical and economic nature. Indeed, at the technical level, four steps are necessary for the implementation of a complete sector, namely production, transport, mobile storage for vehicles, and the transformation of hydrogen. In particular, the transport of hydrogen produced is carried out in particular by trucks or pipeline, in gaseous or liquid form, at different distribution stations scattered in a given geographical area to allow vehicles to be supplied with hydrogen. Such hydrogen transport is extremely expensive. In addition, the hydrogen used can be produced from fossil fuels, particularly natural gas. However, this type of production requires CO2 carbon dioxide sequestration units if it is desired to continue under the best possible environmental conditions. Hydrogen can also be produced by cracking water by a thermochemical process, the heat required for this process then being supplied by dedicated high temperature nuclear reactors, but this process is relatively expensive to date. Another technology for producing hydrogen is the electrolysis of water, but the electrolysers used for this purpose consume a large amount of electrical energy, thereby increasing the final selling price of the hydrogen produced. The present invention aims to overcome the above disadvantages of known hydrogen production processes. For this purpose, the invention provides a hydrogen production plant which is characterized in that it comprises at least one household waste incinerator, a generator capable of producing water vapor from the heat of the environment. combustion of waste incinerated in the incinerator, a turbo-generator powered by the steam generator and an electrolyser device powered by the electric turboalternator to provide hydrogen. Preferably, the installation comprises at least one storage tank connected to the electrolyser device for supplying pressurized hydrogen to one or more hydrogen distribution stations to vehicles in particular urban vehicles, each distribution station being close to the installation. . Hydrogen produced by the electrolyser device feeds a hydrogen network. According to a first variant embodiment, the storage tank is connected directly to the electrolyser device and supplies the distribution stations with hydrogen via one or more compressors. According to a second variant embodiment, the electrolyser device is connected via at least one compressor to the storage tank which is connected to the hydrogen distribution stations. The storage tank can also supply hydrogen to at least one fuel cell for stationary applications. Advantageously, the electrolyser device produces oxygen capable of supplying oxygen with at least one incineration grate of the incinerator.
L'installation peut comporter au moins un réservoir de stockage relié au dispositif électrolyseur pour alimenter en oxygène sous pression au moins une pile à combustible pour des applications stationnaires ou au moins une grille d'incinération de l'incinérateur. Le dispositif électrolyseur peut être du type à électrolyse alcaline, à électrolyse acide à électrolyte solide à membrane polymère conductrice de protons (PEM), à électrolyse à haute température en étant alimenté en vapeur d'eau par le générateur de vapeur d'eau. Avantageusement, l'installation est située à proximité d'une agglomération et utilise les déchets ménagers provenant de cette agglomération. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la Figure 1 est un schéma synoptique fonctionnel d'une installation de production et de distribution d'hydrogène conforme à l'invention ; et - la Figure 2 représente un exemple d'implantation 25 de l'installation de la Figure 1 à proximité d'une agglomération. L'installation de production et de distribution d'hydrogène qui va être décrite en référence à la Figure 1 est destinée à alimenter en particulier une flotte de 30 véhicules urbains à moteurs thermiques alimentés en hydrogène ou à piles à combustible couplées ou non à des batteries pour des véhicules hybrides, mais il est bien entendu que cette installation peut également être utilisée pour alimenter en hydrogène des piles à 35 combustible produisant de l'électricité sur un réseau électrique, ou alimenter en hydrogène un réseau de distribution. The installation may comprise at least one storage tank connected to the electrolyser device for supplying oxygen under pressure to at least one fuel cell for stationary applications or at least one incineration grate of the incinerator. The electrolyser device may be of the alkaline electrolysis type, with solid electrolyte acid electrolysis proton conducting polymer membrane (PEM), electrolysis at high temperature while being supplied with water vapor by the steam generator. Advantageously, the installation is located near an agglomeration and uses the household waste from this agglomeration. The invention will be better understood, and other objects, features, details and advantages thereof will appear more clearly in the explanatory description which follows, with reference to the appended schematic drawings given solely by way of example, illustrating a mode of embodiment of the invention and in which: - Figure 1 is a functional block diagram of a hydrogen production and distribution plant according to the invention; and FIG. 2 shows an example of implantation of the installation of FIG. 1 near an agglomeration. The hydrogen production and distribution plant that will be described with reference to FIG. 1 is intended to supply in particular a fleet of 30 urban vehicles with thermal engines fueled with hydrogen or with fuel cells coupled or not to batteries. for hybrid vehicles, but it is understood that this installation can also be used to supply hydrogen fuel cells producing electricity on an electrical network, or supply hydrogen a distribution network.
L'installation de l'invention telle que représentée en figure 1 comprend un incinérateur 1 de déchets ménagers ou industriels comprenant des grilles d'incinération (non représentées) logées dans la chambre de combustion de l'incinérateur 1 qui est équipé d'un récupérateur de la chaleur de combustion des déchets comprenant un générateur de vapeur d'eau disposé dans le trajet d'évacuation des gaz de combustion. L'installation comprend en outre un ensemble turboalternateur dont la turbine 4 est alimentée en vapeur d'eau par le générateur 2 pour entraîner l'alternateur 5 produisant un courant électrique d'alimentation. Une partie du courant électrique produit par le turboalternateur 3 est utilisée pour subvenir aux besoins propres de l'installation (auto-consommation AC) tandis qu'une autre partie du courant électrique est fournie à un réseau électrique RE notamment pour être revendue à un opérateur de distribution d'électricité. The installation of the invention as represented in FIG. 1 comprises an incinerator 1 for household or industrial waste comprising incineration grids (not shown) housed in the combustion chamber of the incinerator 1 which is equipped with a recuperator waste heat of combustion comprising a steam generator disposed in the exhaust path of the combustion gases. The installation further comprises a turboalternator assembly whose turbine 4 is supplied with water vapor by the generator 2 to drive the alternator 5 producing an electric supply current. Part of the electric current produced by the turboalternator 3 is used to meet the specific needs of the installation (self-consumption AC) while another part of the electric current is supplied to an electrical network RE in particular to be resold to an operator electricity distribution.
L'installation comprend également un dispositif électrolyseur 6 apte à produire de l'hydrogène et de l'oxygène par électrolyse. Le dispositif électrolyseur peut comporter un ou plusieurs électrolyseurs. The installation also comprises an electrolyzer device 6 capable of producing hydrogen and oxygen by electrolysis. The electrolyser device may comprise one or more electrolysers.
Dans le cas d'un dispositif électrolyseur 6 utilisant un ou plusieurs électrolyseurs à technologie alcaline, chacun des électrolyseurs est alimenté par le courant électrique produit par le turboalternateur 3. L'électrolyse alcaline utilise des modules fournissant par exemple environ 80 Nm3/h d'hydrogène, ces modules comprenant généralement une alimentation électrique, des cellules d'électrolyse, une unité de purification de l'eau, une unité de déshumidification des gaz, une unité de purification de l'hydrogène et un compresseur, comme cela est connu en soi. Les électrolyseurs à technologie alcaline produisent un hydrogène de bonne qualité avec cependant un niveau global d'impuretés non compatible avec des piles à combustible. Pour produire de l'hydrogène d'excellente qualité compatible avec des piles à combustible, chaque électrolyseur du dispositif électrolyseur 6 peut être du type à électrolyse acide se différenciant de l'électrolyse alcaline par un électrolyte solide à membrane polymère PEM (Proton Exchange Membrane) conductrice de protons. In the case of an electrolyser device 6 using one or more electrolysers with alkaline technology, each of the electrolysers is fed with the electric current produced by the turboalternator 3. The alkaline electrolysis uses modules providing for example about 80 Nm3 / h of hydrogen, these modules generally comprising a power supply, electrolysis cells, a water purification unit, a gas dehumidification unit, a hydrogen purification unit and a compressor, as is known per se . Electrolysers with alkaline technology produce a good quality hydrogen with however an overall level of impurities not compatible with fuel cells. To produce hydrogen of excellent quality compatible with fuel cells, each electrolyser of the electrolyser device 6 may be of acid electrolysis type differentiating from alkaline electrolysis by a solid electrolyte polymer membrane PEM (Proton Exchange Membrane) proton conductor.
Pour augmenter le rendement de la dissociation moléculaire de l'eau, le dispositif électrolyseur 6 peut être du type à électrolyse SOE fonctionnant à température élevée et alimenté à la fois en électricité par le turboalternateur 3 et en chaleur par une partie de la vapeur d'eau produite par le générateur 2. A ce jour, cette technologie d'électrolyse haute température est généralement couplée à un réacteur nucléaire à haute température de l'ordre de 850°C, mais cette technologie peut être plus facilement applicable dans le cadre d'une application à un incinérateur d'ordures ménagères dont la température visée ne dépasse généralement pas les 400°C. L'hydrogène produit par les électrolyseurs du dispositif 6 à une pression de l'ordre de 50 bars (5 x 103 kPa) est stocké dans un réservoir 7 de l'installation d'un volume par exemple d'environ 80 m3 permettant d'assurer une autonomie de quelques jours et d'alimenter une station de distribution d'hydrogène composée principalement de compresseurs 8, dont un seul est représenté en figure 1, pour obtenir une pression d'utilisation de l'hydrogène de l'ordre de 350 bars à 700 bars (35 x 103 kPa à 7 x 104 kPa) et de bornes de distribution de l'hydrogène pour des véhicules urbains VU notamment du type camions de ramassage d'ordures ménagères, bus urbains, véhicules légers de nettoyage de la voirie ou navires de transport collectif. En variante, l'hydrogène peut être comprimé directement de 350 à 700 bars par un ou plusieurs compresseurs 8 en sortie du dispositif électrolyseur 6 puis stocké à cette pression dans le réservoir de stockage 7 pour alimenter ensuite la station de distribution à bornes de distribution d'hydrogène pour les véhicules urbains VU. Le cas échéant, l'hydrogène sous pression sortant du réservoir de stockage 7 peut être distribué à un réseau d'hydrogène RH pour d'autres utilisations. En outre, l'hydrogène présent dans le réservoir de stockage 7 peut être destiné à alimenter une ou plusieurs piles à combustible 9. De telles piles à combustible peuvent être destinées à produire de l'électricité sur le réseau électrique RE. L'oxygène qui est également produit par l'électrolyse dans le dispositif électrolyseur 6 peut être stocké dans un réservoir 10 et utilisé pour l'alimentation en oxygène de chaque pile à combustible 9. Avantageusement, l'oxygène produit par le dispositif électrolyseur 6 peut être également injecté au niveau d'une ou plusieurs des grilles d'incinération de l'incinérateur 1 pour non seulement améliorer le rendement de combustion des déchets ménagers, mais également diminuer le volume des fumées et donc la taille des équipements et le coût d'investissement de l'incinérateur 1. Ceci permet en outre de réduire les coûts liés à l'utilisation d'oxygène par l'incinérateur 1. L'oxygène stocké dans le réservoir 10 peut être utilisé pour alimenter en oxygène une ou plusieurs grilles d'incinération de l'incinérateur 1 pour les mêmes avantages que ceux précédemment décrits. La figure 2 représente l'installation de production et de distribution d'hydrogène située à proximité d'une agglomération A. Cette installation comprend une usine U d'incinération de déchets ménagers provenant de l'agglomération A et comprenant un ou plusieurs incinérateurs 1 et une unité de production d'hydrogène UPH comprenant le dispositif électrolyseur 6 et, le cas échéant, le turboalternateur 3 dans le cas où ce dernier ne serait pas intégré à l'usine d'incinération U, et une station S de distribution d'hydrogène reliée à l'unité de production d'hydrogène UPH. La station de distribution d'hydrogène S comprend au moins une borne permettant de distribuer de l'hydrogène à des véhicules urbains VU. Le ou les réservoirs de stockage de l'hydrogène pourront être localisés soit dans l'unité de production d'hydrogène UPH, soit dans la station S de distribution d'hydrogène. Le ou les réservoirs d'oxygène pourront être localisés soit dans l'unité UPH soit dans l'usine d'incinération U. In order to increase the yield of the molecular dissociation of the water, the electrolyser device 6 can be of the SOE electrolysis type operating at high temperature and supplied both with electricity by the turbo-alternator 3 and with heat through a portion of the steam of 2. To date, this high-temperature electrolysis technology is generally coupled to a high temperature nuclear reactor of the order of 850 ° C, but this technology can be more easily applicable in the context of an application to a garbage incinerator whose target temperature does not generally exceed 400 ° C. The hydrogen produced by the electrolysers of the device 6 at a pressure of the order of 50 bars (5 × 10 3 kPa) is stored in a tank 7 of the installation of a volume of, for example, about 80 m 3 allowing provide autonomy for a few days and supply a hydrogen distribution station composed mainly of compressors 8, only one of which is shown in FIG. 1, to obtain a hydrogen utilization pressure of the order of 350 bars. at 700 bar (35 x 103 kPa at 7 x 104 kPa) and hydrogen distribution terminals for urban vehicles including VUs such as garbage collection trucks, city buses, light-duty road cleaning vehicles or public transport vessels. Alternatively, the hydrogen can be compressed directly from 350 to 700 bar by one or more compressors 8 at the outlet of the electrolyser device 6 and then stored at this pressure in the storage tank 7 to then feed the distribution station with distribution terminals. hydrogen for urban vehicles VU. If necessary, the pressurized hydrogen leaving the storage tank 7 can be distributed to a hydrogen network RH for other uses. In addition, the hydrogen present in the storage tank 7 may be intended to supply one or more fuel cells 9. Such fuel cells may be intended to produce electricity on the electrical network RE. The oxygen which is also produced by the electrolysis in the electrolyser device 6 can be stored in a tank 10 and used for the oxygen supply of each fuel cell 9. Advantageously, the oxygen produced by the electrolyser device 6 can also be injected at one or more incineration grids of the incinerator 1 to not only improve the combustion efficiency of the household waste, but also to reduce the volume of the fumes and therefore the size of the equipment and the cost of This also makes it possible to reduce the costs associated with the use of oxygen by the incinerator 1. The oxygen stored in the tank 10 may be used to supply oxygen to one or more grids. incineration of the incinerator 1 for the same advantages as those previously described. FIG. 2 shows the hydrogen production and distribution plant located near an agglomeration A. This installation comprises a plant U for the incineration of household waste from agglomeration A and comprising one or more incinerators 1 and a unit for producing UPH hydrogen comprising the electrolyser device 6 and, where appropriate, the turboalternator 3 in the case where the latter is not integrated in the incineration plant U, and a hydrogen distribution station S connected to the UPH hydrogen production unit. The hydrogen distribution station S comprises at least one terminal for dispensing hydrogen to urban vehicles VU. The hydrogen storage tank or tanks may be located either in the UPH hydrogen production unit or in the hydrogen distribution station S. The oxygen tank (s) may be located either in the UPH unit or in the U incineration plant.
Du fait que l'installation de production et de distribution d'hydrogène de l'invention soit proche d'une agglomération, le ravitaillement des véhicules directement à cette installation est facilité, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de transporter l'hydrogène vers les stations de distribution en centre ville pour alimenter des véhicules urbains. Une telle disposition permet de réduire considérablement le coût de transport de l'hydrogène. En outre, le prix de vente du kilowattheure (kWh) de l'électricité produite par une usine d'incinération peut être avantageux en comparaison au prix de vente du kilowattheure par un opérateur de distribution. Le procédé de production d'hydrogène par électrolyse consomme une quantité relativement importante d'énergie électrique représentant environ 30% du prix final de vente de cet hydrogène. En utilisant l'électricité produite par l'usine d'incinération U pour alimenter le dispositif électrolyseur 6 présent dans l'unité de production d'hydrogène UPH, le prix de vente de l'hydrogène peut être ainsi diminué d'environ 10%. En couplant un dispositif électrolyseur à un ensemble à incinérateur de déchets ménagers et turboalternateur produisant l'énergie électrique d'alimentation du dispositif électrolyseur à partir de la vapeur d'eau générée par l'incinérateur, on assure l'autonomie énergétique à une agglomération vis-à-vis de ses besoins en énergie pour ses flottes de véhicules urbains et ce à des coûts de production relativement bas. Since the hydrogen production and distribution plant of the invention is close to an agglomeration, the refueling of the vehicles directly at this facility is facilitated, so that it is not necessary to transport the hydrogen to distribution stations in the city center to supply urban vehicles. Such an arrangement can significantly reduce the cost of transporting hydrogen. In addition, the selling price of the kilowatt-hour (kWh) of electricity produced by an incineration plant may be advantageous in comparison with the selling price of a kilowatt-hour by a distribution operator. The process for producing hydrogen by electrolysis consumes a relatively large amount of electrical energy representing about 30% of the final price of sale of this hydrogen. By using the electricity produced by the incineration plant U to supply the electrolyser device 6 present in the UPH hydrogen production unit, the selling price of the hydrogen can thus be reduced by approximately 10%. By coupling an electrolyser device to a household waste incinerator and turboalternator generating electrical energy supply of the electrolyser device from the water vapor generated by the incinerator, energy autonomy is ensured to an agglomeration its energy needs for its urban vehicle fleets at relatively low production costs.
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