FR3126066A1 - Autonomous production system of hydrogen and electricity from natural gas and biogas - Google Patents

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Abstract

Système pour produire, stocker et distribuer du gaz Hydrogène et de l’électricité en utilisant une alimentation en gaz ou biogaz. Les système est constitué d’un reformeur (1) pour la séparation de l’hydrogène contenu dans le gaz ou biogaz, d’un compresseur (2) pour la compression de l’hydrogène, d’un réservoir haute pression (3) pour le stockage de l’hydrogène, d’une pile à combustible (4) pour la production d’énergie électrique, d’un système ORC (5) pour la valorisation de l’énergie calorifique issue de la pile à combustible (4) et du reformeur (1) en énergie électrique, d’un système électrotechnique de conversion, synchronisation et gestion de l’énergie électrique (6) issue de la pile à combustible (4) et du système ORC (5), d’un système de stockage (7) de l’énergie électrique produite par la pile à combustible (4) et le système ORC (5), un système de distribution et de comptage de l’énergie électrique (8) stockée dans le système de stockage (7), d’un système de détente (9), d’un sous-système de distribution et de comptage (10) du gaz Hydrogène stocké dans le réservoir (3), d’un compresseur (11) permettant la compression du CO2 issue du reformeur (1) et son stockage dans un réservoir (12), d’un sous-système de distribution et de comptage du CO2 (13) stocké dans le réservoir (12), d’un sous-système d’analyse, gestion et régulation des sous-systèmes (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13). Le dispositif selon l’invention est destiné à produire, stocker et distribuer du gaz Hydrogène et de l’énergie électrique avec un haut rendement énergétique, en utilisant du gaz ou biogaz.System for producing, storing and distributing hydrogen gas and electricity using a gas or biogas supply. The system consists of a reformer (1) for the separation of the hydrogen contained in the gas or biogas, a compressor (2) for the compression of the hydrogen, a high pressure tank (3) for the storage of hydrogen, of a fuel cell (4) for the production of electrical energy, of an ORC system (5) for the recovery of the calorific energy from the fuel cell (4) and the reformer (1) into electrical energy, an electrotechnical system for converting, synchronizing and managing the electrical energy (6) from the fuel cell (4) and the ORC system (5), an storage (7) of the electrical energy produced by the fuel cell (4) and the ORC system (5), a system for distributing and metering the electrical energy (8) stored in the storage system (7) , an expansion system (9), a distribution and metering subsystem (10) of the hydrogen gas stored in the tank (3), a compressor (11) allowing the c compression of the CO2 from the reformer (1) and its storage in a tank (12), a subsystem for distributing and counting the CO2 (13) stored in the tank (12), a subsystem for analysis, management and regulation of subsystems (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13). The device according to the invention is intended to produce, store and distribute hydrogen gas and electrical energy with high energy efficiency, using gas or biogas.

Description

Système de production autonome d’hydrogène et électricité à partir de gaz naturel et biogazAutonomous production system of hydrogen and electricity from natural gas and biogas

La présente invention concerne un système, composé de sous-systèmes, permettant de produire et de distribuer du gaz Hydrogène et de l’électricité en utilisant le gaz ou biogaz issue du réseau gazier, d’un méthaniseur ou tout autre procédé.The present invention relates to a system, composed of subsystems, making it possible to produce and distribute hydrogen gas and electricity using gas or biogas from the gas network, a methanizer or any other process.

Le système selon l’invention permet de :

  1. Stocker et distribuer l’hydrogène et l’électricité aux différentes solutions de mobilité électrique et Hydrogène, de type terrestre, maritime, aéronautique, ferroviaire ;
  2. Produire de l’énergie électrique à destination du réseau électrique = micro-génération
The system according to the invention makes it possible to:
  1. Store and distribute hydrogen and electricity to the various electric and hydrogen mobility solutions, land, sea, aeronautics, rail;
  2. Produce electrical energy for the electrical grid = micro-generation

Les solutions de recharge actuelles pour la mobilité électrique nécessitent un raccordement sur le réseau électrique, impactant proportionnellement à la puissance de recharge recherchée, ce même réseauCurrent charging solutions for electric mobility require a connection to the electrical network, impacting proportionally to the charging power sought, this same network

Les solutions de recharge pour la mobilité hydrogène, pratiquement inexistantes actuellement, nécessitent une production en masse et délocalisée, impliquant la mise en place d’une logistique complexe de transport, par les caractéristiques moléculaires de l’hydrogèneRecharging solutions for hydrogen mobility, practically non-existent at present, require mass and delocalized production, involving the establishment of complex transport logistics, due to the molecular characteristics of hydrogen

Les solutions de production d’Energie Electrique Renouvelable faisant appel aux technologies actuelles, Photovoltaïque, Eolien, hydraulique et de cogénération nécessitent des surfaces et infrastructures importantes, couteuses, impactant le paysage, l’environnement direct, avec des efficacités énergétiques ne dépassant pas 50%Renewable Electricity production solutions using current technologies, Photovoltaic, Wind, hydraulic and cogeneration require large, expensive surfaces and infrastructures, impacting the landscape, the direct environment, with energy efficiencies not exceeding 50%

Le système selon l’invention permet de produire localement de l’énergie électrique verte car issue de la biomasse (Biogaz 100%), grâce à une infrastructure optimisée, limitant ainsi la surface au sol, l’impact visuel et avec un impact nul sur l’environnement directThe system according to the invention makes it possible to locally produce green electrical energy because it comes from biomass (100% Biogas), thanks to an optimized infrastructure, thus limiting the surface area on the ground, the visual impact and with zero impact on the direct environment

Le système selon l’invention est composé de plusieurs briques ou sous-systèmes technologiques existantes et/ou développées spécialement, dimensionnées et couplées de façon à obtenir une efficacité énergétique supérieure à 70%.The system according to the invention is composed of several existing and/or specially developed technological bricks or subsystems, sized and coupled in such a way as to obtain an energy efficiency greater than 70%.

En effet, le système selon l’invention est composé d’une pile à combustible permettant de générer de l’énergie électrique, avec des rendements variant de 60 à 75% selon les technologies. L’adjonction d’un système, dit ORC, de valorisation de l’énergie calorifique issue de la pile à combustible permet de générer de l’énergie électrique avec un rendement de 10 à 15%. Le système selon l’invention permet donc de produire de l’énergie électrique avec un rendement global de 70 à 85%, ponts de conversion déduitsIndeed, the system according to the invention is composed of a fuel cell making it possible to generate electrical energy, with yields varying from 60 to 75% depending on the technologies. The addition of a system, known as ORC, for recovering the heat energy from the fuel cell makes it possible to generate electrical energy with a yield of 10 to 15%. The system according to the invention therefore makes it possible to produce electrical energy with an overall efficiency of 70 to 85%, conversion bridges deducted

Le système selon l’invention est composé d’un reformeur permettant de produire par réaction endothermique de l’hydrogène issue du gaz ou Biogaz. Ce process nécessite une énergie calorifique afin de monter en température de la vapeur d’eau. Le système selon l’invention permet de récupérer l’énergie calorifique issue de la pile à combustible, optimisant ainsi le rendement énergétique du processThe system according to the invention is composed of a reformer making it possible to produce hydrogen from gas or biogas by endothermic reaction. This process requires heat energy to raise the temperature of the water vapour. The system according to the invention makes it possible to recover the heat energy from the fuel cell, thus optimizing the energy efficiency of the process.

Le système selon l’invention permet grâce à sa conception de produire du gaz Hydrogène et de l’électricité en ne réémettant que le CO2 issue de la biomasse (Biogaz) et de l’eau = Cercle vertueux, permettant de définir cette énergie électrique et ce gaz Hydrogène comme étant vert.The system according to the invention makes it possible, thanks to its design, to produce Hydrogen gas and electricity by re-emitting only the CO2 resulting from biomass (Biogas) and water = Virtuous circle, making it possible to define this electrical energy and this Hydrogen gas as being green.

Le système selon l’invention permet également de récupérer le CO2 « vert » issue du process de reformage du Biogaz, le stocker et valoriser ce gaz auprès des industries nécessitantes ou directement avec l’adjonction de briques technologiques dédiées.The system according to the invention also makes it possible to recover the “green” CO2 resulting from the Biogas reforming process, store it and recover this gas with the industries requiring it or directly with the addition of dedicated technological bricks.

Les figures annexées illustrent l’invention :

  1. La représente le dispositif de l’invention utilisant le sous-ensemble de production d’énergie électrique, de technologie PEM
  2. La représente le dispositif de l’invention utilisant le sous-ensemble de production d’énergie électrique, de technologie SOFC ;
The appended figures illustrate the invention:
  1. There represents the device of the invention using the electrical energy production sub-assembly, using PEM technology
  2. There represents the device of the invention using the electrical energy production subassembly, of SOFC technology;

En référence à ces figures, le dispositif de l’invention comporte :

  1. Un sous-système (1) de reformage du gaz/biogaz en Hydrogène ;
  2. Un sous-système (2) de compression de l’hydrogène issue du reformeur ;
  3. Un sous-système (4) de stockage de l’hydrogène issue du reformeur (1) et comprimé par le compresseur (2) ;
  4. Un sous-système (4) de production d’énergie électrique utilisant la technologie de la pile à combustible de type PEM (Proton Exchange Membrane), SOFC (Solid Oxide Fuel Cells);
  5. Un sous-système (5) dit ORC (Organic Rankine Cycle) qui permet de produire de l’énergie électrique en valorisant l’énergie fatale (Energie Calorifique) issue des deux sous-systèmes précédemment listés (1) et (6) ;
  6. Un sous-système (6) de gestion, conversion et de synchronisation au réseau électrique pour la réinjection du surplus d’énergie électrique produite par les sous-systèmes précédemment listés (4) et (5) ;
  7. Un sous-système (7) de stockage de l’énergie électrique produite par les deux sous-systèmes précédemment listés (4) et (5), et pouvant être composé de différentes technologies non limitatives : Lithium ion, sel, … ;
  8. Un sous-système (8) de distribution et de comptage de l’énergie électrique issue du sous-système de stockage précédemment listé (7) ;
  9. Un sous-système (9) de détente de l’hydrogène ;
  10. Un sous-système (10) de distribution et de comptage du gaz Hydrogène issue du réservoir de stockage ;
  11. Un sous-système (optionnel) de compression du CO2 (11) issue du reformeur (1) ;
  12. Un sous-système (12) (optionnel) de stockage du gaz CO2 issue du reformeur (1), et comprimé par le compresseur (11) ;
  13. Un sous-système (optionnel) de distribution et de comptage du gaz CO2 (13) issue du réservoir (12) ;
  14. Un sous-système de gestion et de régulation des sous-ensembles précédemment listés (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10) ,(11), (12) et (13) ;
With reference to these figures, the device of the invention comprises:
  1. A subsystem (1) for reforming the gas/biogas into Hydrogen;
  2. A subsystem (2) for compressing the hydrogen from the reformer;
  3. A subsystem (4) for storing hydrogen from the reformer (1) and compressed by the compressor (2);
  4. A subsystem (4) for producing electrical energy using fuel cell technology of the PEM (Proton Exchange Membrane), SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) type;
  5. A subsystem (5) called ORC (Organic Rankine Cycle) which makes it possible to produce electrical energy by recovering the fatal energy (Calorific Energy) resulting from the two subsystems previously listed (1) and (6);
  6. A subsystem (6) for management, conversion and synchronization with the electrical network for the reinjection of the excess electrical energy produced by the previously listed subsystems (4) and (5);
  7. A subsystem (7) for storing the electrical energy produced by the two previously listed subsystems (4) and (5), and which can be composed of various non-limiting technologies: lithium ion, salt, etc.;
  8. A subsystem (8) for distributing and metering electrical energy from the previously listed storage subsystem (7);
  9. A hydrogen expansion subsystem (9);
  10. A subsystem (10) for distributing and metering the hydrogen gas from the storage tank;
  11. A CO2 compression subsystem (optional) (11) from the reformer (1);
  12. A subsystem (12) (optional) for storing the CO2 gas from the reformer (1), and compressed by the compressor (11);
  13. A subsystem (optional) for distributing and metering the CO2 gas (13) from the reservoir (12);
  14. A subsystem for managing and regulating the previously listed subassemblies (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9) , (10), (11), (12) and (13);

Le système selon l’invention est destiné à de multiples applications non limitatives telles que :

  1. Point de recharge / distribution d’hydrogène et d’électricité neutre en carbone pour les véhicules électriques et hydrogènes et de micro-génération électrique pour le réseau local ;
  2. Point de recharge / distribution d’hydrogène et d’électricité neutre en carbone pour tous types de transports ;
  3. Système embarqué de production d’hydrogène et d’électricité neutre en carbone ;
The system according to the invention is intended for multiple non-limiting applications such as:
  1. Recharging / distribution point of hydrogen and carbon-neutral electricity for electric and hydrogen vehicles and electric micro-generation for the local network;
  2. Charging point / distribution of hydrogen and carbon-neutral electricity for all types of transport;
  3. On-board carbon-neutral hydrogen and electricity production system;

De manière préférentielle, le système permettant de produire de l’hydrogène (gaz) et de l’énergie électrique comporte :

  1. Un reformeur (1) permettant de produire de l’hydrogène issue d’une alimentation en gaz ou biogaz,
  2. Un compresseur (2) et un réservoir (3) haute pression permettant de compresser et stocker cet hydrogène,
  3. Une pile à combustible (4) de technologie PEM, SOFC permettant de produire de l’énergie électrique en utilisant l’hydrogène issue du sous-système de reformage (1) (2) (3) ou / et, en utilisant directement l’alimentation en gaz ou biogaz,
  4. Un sous-système dit ORC (5) permettant de valoriser l’énergie calorifique issue de la pile à combustible (4) et du reformeur (1),
  5. Un sous-système de gestion, conversion, synchronisation et comptage (6) permettant de réinjecter l’énergie électrique sur réseau électrique local,
  6. Un sous-système de stockage d’énergie électrique (7) permettant de restituer l’énergie électrique via un sous-système de distribution et de comptage (8),
  7. Un sous-système de distribution et de comptage de l’hydrogène (10) issue du réservoir (3) via le sous-système de compression (2) ou via le système de détente (9),
  8. Un compresseur (11) permettant de comprimer le CO2 issue du reformeur (1),
  9. Un réservoir (12) de stockage du CO2 issue du reformeur (1) et comprimé par le compresseur (11),
  10. Un système d’analyse, de gestion et de régulation de tous les sous-ensembles (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9 (10) (11) (12) (13).
Preferably, the system for producing hydrogen (gas) and electrical energy comprises:
  1. A reformer (1) for producing hydrogen from a gas or biogas supply,
  2. A compressor (2) and a high pressure tank (3) for compressing and storing this hydrogen,
  3. A PEM, SOFC technology fuel cell (4) making it possible to produce electrical energy by using hydrogen from the reforming subsystem (1) (2) (3) or/and, by directly using the gas or biogas supply,
  4. A so-called ORC subsystem (5) making it possible to recover the heat energy from the fuel cell (4) and the reformer (1),
  5. A management, conversion, synchronization and counting subsystem (6) making it possible to reinject electrical energy into the local electrical network,
  6. An electrical energy storage subsystem (7) making it possible to restore electrical energy via a distribution and metering subsystem (8),
  7. A hydrogen distribution and metering subsystem (10) from the tank (3) via the compression subsystem (2) or via the expansion system (9),
  8. A compressor (11) for compressing the CO2 from the reformer (1),
  9. A tank (12) for storing CO2 from the reformer (1) and compressed by the compressor (11),
  10. A system for the analysis, management and regulation of all sub-assemblies (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9 (10) (11) ( 12) (13).

Claims (1)

Système permettant de produire de l’hydrogène (gaz) et de l’énergie électrique, caractérisé en ce qu’il comporte un reformeur (1) permettant de produire de l’hydrogène issue d’une alimentation en gaz ou biogaz, un compresseur (2) et un réservoir (3) haute pression permettant de compression et stocker cet hydrogène, une pile à combustible (4) de technologie PEM, SOFC permettant de produire de l’énergie électrique en utilisant l’hydrogène issue du sous-système de reformage (1) (2) (3) ou / et, en utilisant directement l’alimentation en gaz ou biogaz, un sous-système dit ORC (5) permettant de valoriser l’énergie calorifique issue de la pile à combustible (4) et du reformeur (1), un sous-système de gestion, conversion, synchronisation et comptage (6) permettant de réinjecté l’énergie électrique sur réseau électrique local, un sous-système de stockage d’énergie électrique (7) permettant de restituer l’énergie électrique via un sous-système de distribution et de comptage (8), un sous-système de distribution et de comptage de l’hydrogène (10) issue du réservoir (3) via le sous-système de compression (2) ou via le système de détente (9), un compresseur (11) permettant de comprimer le CO2 issue du reformeur (1), un réservoir (12) de stockage du CO2 issue du reformeur (1) et comprimé par le compresseur (11), un système d’analyse, de gestion et de régulation de tous les sous-ensembles (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9 (10) (11) (12) (13).System for producing hydrogen (gas) and electrical energy, characterized in that it comprises a reformer (1) for producing hydrogen from a gas or biogas supply, a compressor ( 2) and a high-pressure tank (3) allowing the compression and storage of this hydrogen, a fuel cell (4) of PEM, SOFC technology making it possible to produce electrical energy using the hydrogen from the reforming subsystem (1) (2) (3) or/and, by directly using the gas or biogas supply, a so-called ORC subsystem (5) making it possible to recover the calorific energy from the fuel cell (4) and of the reformer (1), a management, conversion, synchronization and counting subsystem (6) making it possible to reinject electrical energy into the local electrical network, an electrical energy storage subsystem (7) making it possible to restore the electrical energy via a distribution and metering subsystem (8), a subsystem th distribution and metering of hydrogen (10) from the tank (3) via the compression subsystem (2) or via the expansion system (9), a compressor (11) for compressing the CO2 from of the reformer (1), a tank (12) for storing CO2 from the reformer (1) and compressed by the compressor (11), a system for analyzing, managing and regulating all the sub-assemblies (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9 (10) (11) (12) (13).
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