FR3005319A1 - Procede et dispositif de production de dioxygene et dihydrogene par electrolyse de l'eau par voie ecologique - Google Patents
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Abstract
La production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse de l'eau est un procédé très grand consommateur d'énergie électrique et d'eau. Les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre (comme le CO2), la préservation de l'environnement, l'augmentation des coûts d'achat de l'eau et de l'énergie, incitent les producteurs à se tourner vers des processus industriels radicalement différents. Le « Procédé et dispositif de production de dihydrogène et dioxygène par électrolyse de l'eau par voie écologique» est une plateforme de production de dioxygène et de dihydrogène totalement autonome et écologique. Cet équipement permet la production de dihydrogène et dioxygène par électrolyse de l'eau à partir d'équipements alimentés par le solaire photovoltaïque et d'une eau de processus ultrapure obtenue par dessalement et des eaux (eau de mer, eau saumâtre) et/ou traitement des eaux douces (eau pluviale, eau fluviale). Aucun additif chimique n'est utilisé dans les processus de production. La plateforme optimise la production de ces composés chimiques (eau ultrapure, dioxygène, dihydrogène) tout en réduisant l'impact environnemental. Le dispositif se définit dès lors comme une solution alternative et écologique pour la production d'eau ultrapure, de dioxygène, de dihydrogène.
Description
DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention concerne le processus de production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse de l'eau.
Ce type de production appartient à deux domaines techniques spécifiques : - La production de composé chimique, - L'énergétique.
La production de ces composés par électrolyse de l'eau est grande consommatrice d'énergie électrique et nécessite un approvisionnement constant en eau (la plus pure possible). Ainsi, les modes de production classiques et standards, utilisent les énergies fossiles et/ou minérales, mais aussi les ressources en eau potable domestique (eaux de ville).
Ce sont ces énergies fossiles ou minérales qui assurent l'apport final en énergie électrique aux processus associés à la production de dihydrogène et dioxygène. L'eau de ville doit être transportée, stockée, contrôlée, traitée, électrolysée ; tandis que le dihydrogène et le dioxygène sont transportés, contrôlés, traités, stockés, distribués.
Tous ces processus sont consommateurs d'énergie électrique. Produire du dihydrogène et du dioxygène par électrolyse de l'eau en ayant recours à un approvisionnement électrique et hydraulique domestique (réseau électrique domestique et eau de ville) concoure à l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre (oxyde de carbone, oxyde d'azote, etc.), à l'accroissement des quantités de déchets ultimes et à un appauvrissement des ressources en eau. La diminution constante des réserves mondiales en énergies fossiles et en eau conduit à une augmentation des coûts de production de l'eau de ville et de l'électricité. Les 30 répercutions sont alors inévitables sur les coûts de production du dihydrogène et du dioxygène.
Le procédé nouveau (écologique) de production de dihydrogène et dioxygène utilise comme source d'énergie électrique une énergie renouvelable, le solaire photovoltaïque et une matière première « eau » provenant : des eaux de mer, des eaux saumâtres, des eaux fluviales, des eaux pluviales et/ou des eaux usées.
La production de dihydrogène et dioxygène par voie écologique est un système de production utilisant une source d'énergie électrique non émettrice de gaz à effet de serre et une matière première « eau » indépendante des réseaux de distribution. Ce procédé se décompose en 11 processus distincts et interdépendants (plateaux): 1- Plateau 1 : Production d'électricité (solaire photovoltaïque). 2- Plateau 2 : Captage d'eau. 3- Plateau 3 : Prétraitement d'eau. 4- Plateau 4 : Traitement d'eau. 5- Plateau 5 : Electrolyse de l'eau. 6- Plateau 6 : Stockage du dihydrogène. 7- Plateau 7 : Stockage du dioxygène. 8- Plateau 8 : Production d'électricité par pile à combustible. 9- Plateau 9 : Dilution et rejet des saumures. 10- Plateau 10 : Utilités. 11- Plateau 11 : Contrôle commande et Distribution électrique. En combinant ces processus, une production de dihydrogène et dioxygène devient possible sans utilisation d'énergie fossile et/ou minérale, d'eau de ville et d'additif 25 chimique. Cette technique de production, maximise les possibilités offertes par la mer, les fleuves, les rivières, la pluie, les eaux usées et s'affranchie de tous les obstacles énergétiques associées à la fabrication de ces composés chimiques. 30 Les plateaux peuvent ainsi être décrits : Plateaux 1: Production d'électricité (énergie renouvelable) L'énergie électrique utilisée pour la production de dihydrogène et dioxygène provient de ce plateau. La centrale électrique (solaire photovoltaïque) comprend des équipements de production (modules), des équipements de mise en forme des courants et tensions 5 (onduleurs, régulateurs de charge), des équipements de distribution et de contrôle. Cette centrale électrique a une puissance crête suffisante pour alimenter tous les systèmes électriques hors détente du dihydrogène, édairage des installations et dispositifs de surveillance, contrôle et maintenance nocturnes. 10 Plateaux 2 : Captage d'eau Dans le cas d'un captage d'eau de mer, d'eau saumâtre, d'eau fluviale, l'unité de captage est constituée d'un puits côtier, d'une pompe hydraulique, d'une unité de désinfection. Dans le cas d'un captage d'eau de pluie, l'unité de captage est constituée d'un système de 15 récupération des eaux de pluie, d'une pompe hydraulique, d'une unité de désinfection. La désinfection s'effectue sans apport d'additif chimique. Le dimensionnement de ces équipements assure la prise d'eau, la désinfection et 20 l'acheminement vers le prétraitement (plateau 3). Les caractéristiques techniques (débits, pressions) sont proportionnelles aux besoins des systèmes de production de dihydrogènes et dioxygène (plateaux 5). Plateaux 3 : Prétraitement d'eau 25 Le prétraitement est assuré par des colonnes de filtration. Ces étages de filtres permettent de retenir des particules en suspension de plus en plus petites. La dernière colonne de filtration est paramétrée à quelques microns. L'eau filtrée est acheminée vers le traitement d'eau (plateaux 4). 30 Plateaux 4 : Traitement d'eau Le traitement de l'eau débute par une mise sous pression de l'eau filtrée (plateau3) par une pompe haute pression.
Des unités d'osmose inverse assurent le traitement effectif de l'eau en générant un perméat (eau ultrapure) et un concentrât (saumure). La déminéralisation du perméat est assurée par le paramétrage des différentes unités d'osmose inverse. Les membranes d'osmose inverse sont rincées à l'eau douce après chaque arrêt à l'aide 10 des pompes d'alimentation. En sortie d'osmose inverse, le perméat produit est stocké dans un réservoir spécifique. Il est ensuite transféré vers l'électrolyse (plateau 5). 15 Les équipements sont paramétrés afin de répondre aux besoins des systèmes de production de dihydrogènes et dioxygène (plateaux 5). Plateaux 5 : Electrolyse de l'eau Le perméat est électrolysé en suivant la réaction chimique : 2H20 -> 21-12 + 02 20 En sortie d'électrolyseur deux effluents gazeux sont produits : le dihydrogène et le dioxygène. Les composés chimiques (dihydrogène et dioxygène) sont acheminés vers des purificateurs et des équipements connexes (système de refroidissement, compresseurs) 25 d'où ils sortent avec les niveaux de pression, de températures et de pureté requis pour le stockage (plateau 6, plateau 7). Plateaux 6 : Stockage du dihydrogène Le stockage du dihydrogène suit les règles de sécurité en vigueur. Il est effectué aux 30 pressions et température adéquates.
Plateaux 7 : Stockage du dioxygène Le stockage du dioxygène suit les règles de sécurité en vigueur. Il est effectué aux pressions et température adéquates.
Plateaux 8 : Production d'électricité par pile à combustible Une partie de la production de dihydrogène est acheminée vers un bloc « pile à combustible » afin de produire l'énergie électrique nécessaire, entre autre, à la détente du dihydrogène et à l'éclairage des systèmes.
Cette alimentation électrique sera générer en suite à la réaction chimique inverse de l'électrolyse : 2I-h + 02 --> 21-120 Un système de refroidissement et de régulation de la pression permet un fonctionnement optimal du bloc « pile à combustible ».
Des équipements connexes au bloc « pile à combustible » mettent en forme l'énergie électrique pour sa distribution et son utilisation dans les systèmes souhaités. L'eau pure produite après la réaction chimique est acheminée vers la cuve de stockage du 20 perméat (plateau 4). Plateaux 9 : Dilution et rejet du concentrât Le concentrât en sortie du traitement d'eau (plateau 4) est dilué par de l'eau brute captée (plateau 2). 25 Cette dilution du concentrât garantie une salinité, une température, un Ph (potentiel hydrogène) répondant à la réglementation en vigueur pour un rejet dans le milieu naturel. 30 Plateaux 10 : Utilités Les utilités constituent les fluides (et équipements connexes) nécessaires au bon fonctionnement des systèmes. Il s'agit de l'air comprimé et de l'azote.
L'air comprimé et les équipements connexes sont utilisés pour le refroidissement des électrolyseurs et la ventilation des espaces fermés susceptibles d'être en contact avec le dihydrogène. L'azote et les équipements connexes sont utilisés pour rendre inerte les tuyauteries et les dispositifs potentiellement en contact avec le dihydrogène et le dioxygène. L' « inertage » 10 étant pratiqué avant toute intervention de maintenance sur ces dispositifs. Plateau 11: Contrôle commande et Distribution électrique Tous les plateaux seront alimentés en énergie électrique. Il s'agit d'effectuer la distribution de la puissance électrique, de commander et superviser tous les dispositifs et 15 équipements. Ces éléments de commande et de distribution concernent : - La distribution électrique : courant fort et faible ; - Le fonctionnement (ou non) des équipements moteur, le contrôle commande 20 associé ; - La supervision de l'ensemble des plateaux ; - La remontés des alarmes ; - L'acquisition des données ; - La gestion des sécurités. 25 Un automate assure le transfert des données auprès de (des) l'opérateur(s) et des relais électriques. La programmation de ce dispositif permet la prise en charge global et l'interconnexion des systèmes. 30 Les composés chimique dihydrogène et dioxygène sont utilisés dans un très grand nombre d'industries. On les retrouve comme matières premières ou additifs dans la sidérurgie, l'aéronautique, le spatial, la pétrochimie, la chimie, les industries agroalimentaires, le médical ou encore l'énergétique.
Les champs d'application de ces composés sont vastes. Le dioxygène sert aussi bien à alimenter des systèmes de propulsion d'engins spatiaux qu'à sauver des vies (oxygène médical).
Le dihydrogène est fréquemment utilisé dans l'industrie chimique, mais peut tout aussi bien servir de vecteur d'énergie électrique. La plateforme écologique produit du dihydrogène et du dioxygène en s'affranchissant de l'utilisation des énergies fossiles et/ou minérales et des réseaux de distribution en eau de ville. Le dispositif est autonome en énergie électrique et en eau. Le procédé n'utilise par ailleurs aucun additif chimique dans ses processus de production. Le système présente de grands avantages pour certaines régions et représente une 20 alternative aux modes de production conventionnels du dihydrogène et du dioxygène.
Claims (2)
- REVENDICATIONS1. Procédé de production de dihydrogène et dioxygène par électrolyse de l'eau caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a. Production d'électricité (solaire photovoltaïque). b. Captage d'eau. c. Prétraitement d'eau. d. Traitement d'eau. e. Electrolyse de l'eau. f. Stockage du dihydrogène. g. Stockage du dioxygène. h. Production d'électricité par pile à combustible. i. Dilution et rejet des saumures. j. Purge des systèmes (utilités). k. Contrôle commande et Distribution électrique.
- 2. Dispositif de production de dihydrogène et dioxygène par électrolyse de l'eau pour la mise en oeuvre du procédé de production de dihydrogène et dioxygène par électrolyse de l'eau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend : A- Un champ Photovoltaïque (plateau 1) ; B- Un bâtiment de conditionnement de l'électricité photovoltaïque (Plateau 1) ; C- Un bâtiment de captage d'eau salée ou douce (plateau 2) ; D- Un bâtiment de dessalement ou traitement de l'eau (plateau 3 et 4) ; E- Un bâtiment « Hall Electrolyse » (plateau 5) ; F- Un bâtiment « salle de contrôle » (plateau 11) ; G- Un bâtiment de production d'électricité « piles à combustible » (plateau 8) ; H- Une zone de stockage du dihydrogène (plateau 6) ; I- Une zone de stockage du dioxygène (plateau 7) ; J- Une zone d'accueil des « utilités » (plateau 10) ; K- Une zone d'accueil des équipements de dilution (plateau 9).
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