FR3130356A1 - Installation comprenant un appareil à combustion et un électrolyseur. - Google Patents

Installation comprenant un appareil à combustion et un électrolyseur. Download PDF

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Nicolas Jerez
Olivier Stenuit
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BULANE
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Bdr Thermea France
BULANE
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Abstract

L’installation (102) comprenant : - un appareil à combustion (4), - au moins un cadre écarteur (32) portant l’appareil, et - un électrolyseur (40) configuré pour alimenter l’appareil en hydrogène et/ou en oxygène et logé dans le cadre écarteur. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Installation comprenant un appareil à combustion et un électrolyseur.
DOMAINE DE L’INVENTION
L'invention concerne les installations comprenant un appareil à combustion à brûleur tel qu’une chaudière et un électrolyseur.
ETAT DE LA TECHNIQUE
On cherche constamment à améliorer le rendement énergétique et la durée de vie des équipements à brûleurs (chaudières, fours, etc…), notamment ceux d’habitations individuelles ou collectives ou d’entreprises. En effet, les appareils à combustion ont des rendements limités car ils utilisent principalement de l’air comme comburant/oxydant, air comportant seulement une faible part de dioxygène et le reste étant majoritairement de l’azote.
En outre, on souhaite fortement diminuer les émissions de gaz à effet de serre comme le CO2ou d’autres polluants comme le CO ou les oxydes d’azote (NOx) toxiques générés par ces équipements et donc diminuer la consommation des combustibles fossiles utilisés par ces équipements.
Une autre voie importante pour lutter contre les émissions polluantes est l’utilisation d’énergies renouvelables, notamment sous forme d’électricité, telles que les énergies solaires ou éoliennes. Mais leur application est aujourd’hui limitée dans la mesure où la production d’énergie électrique qu’elles permettent est souvent désynchronisée par rapport à la demande de consommation.
Une solution intéressante est appelée « Power To Gas » (selon la terminologie anglosaxonne). Elle consiste à transformer l’électricité issue des énergies renouvelables en hydrogène par électrolyse de l’eau. Ainsi converties, ces énergies peuvent être stockées et transportées par les réseaux actuels comme les réseaux de gaz de ville. Les solutions « Power to Gas » restent néanmoins peu déployées. En effet, les réseaux urbains souterrains actuels de gaz de ville ne sont pas toujours adaptés à un transport d’hydrogène, combiné ou non au gaz de ville, sous forme comprimé. En outre, les appareils à combustion non raccordés aux réseaux de gaz de ville ne peuvent pas bénéficier de ces solutions. Par ailleurs, la production d’hydrogène par électrolyse s’accompagne d’une production d’oxygène qui n’est pas récupéré et est donc perdu. Enfin, une partie importante de l’énergie électrique utile à l’électrolyse est perdue sous forme de chaleur (effet Joule), ce qui limite le rendement global de l’opération.
Pour remédier à tout cela, on a proposé dans la demande FR-3 090 079 d’alimenter l’appareil à combustion en hydrogène et en oxygène produits par un électrolyseur. L’électrolyseur est branché sur les entrées de combustible et/ou d’oxydant de l’appareil pour injecter l’hydrogène et/ou l’oxygène afin de neutraliser tout ou partie de la génération des gaz polluants comme les NOx, le CO2ou le CO.
Cette installation utilise la génération d’hydrogène et d’oxygène sans transport dans les réseaux de gaz de ville et avec une utilisation directe ou un stockage de l’oxygène généré pendant l’électrolyse. En effet, le cas échéant, le dihydrogène en surplus peut être stocké localement afin d’être utilisé ultérieurement de façon désynchronisée pour alimenter l’appareil à combustion ou être converti en énergie électrique sur site au moyen d’une pile à combustible. Cette solution permet d’hybrider tous types d’appareils à combustion comportant au moins un brûleur avec des électrolyseurs locaux situés à proximité.
Elle permet aussi d’utiliser une source d’électricité, renouvelable ou non, pour générer une chaleur décarbonée dans les appareils à combustion utilisant initialement des combustibles fossiles carbonés. En effet, l’électrolyseur peut être alimenté par une source d’alimentation électrique à énergie renouvelable (solaire, éolien, hydraulique, ou tout générateur « vert » d’électricité). Notamment, cette source peut être utilisée pour générer l’hydrogène et l’oxygène lorsque l’appareil à combustion n’est pas en fonctionnement. L’hydrogène et/ou l’oxygène ainsi produits peuvent alors être stockés.
De plus, afin d’améliorer le rendement, la chaleur dégagée par l’électrolyseur lors de la génération de l’hydrogène et/ou de l’oxygène est utilisée pour préchauffer l’eau circulant dans l’appareil à combustion au moyen d’un échangeur thermique. On réduit ainsi les pertes énergétiques par effet Joule.
En outre, la combustion réalisée est plus propre, avec moins d’encrassement et de génération de particules…, ce qui rend également les appareils à combustion plus durables et diminue le risque de pannes.
De façon générale, un tel système local offre un rendement énergétique et environnemental nettement meilleurs du fait de la production d’hydrogène, de la production et de la récupération de l’oxygène, et de la récupération de l’énergie thermique générée lors de la réaction d’électrolyse. On évite en outre les transports d’hydrogène et/ou d’oxygène sur de longues distances et on est en mesure de garantir sur site la disponibilité de ces gaz et de la chaleur.
Cette solution étant avantageuse, se pose ensuite la question de son application dans des installations courantes, notamment des habitations, mais également les bâtiments tertiaires et/ou industriels. En effet, aussi intéressante soit-elle, elle prendra tout son sens seulement si on peut la mettre en œuvre de façon simple, sécurisée, rapide et économique, tout en garantissant une emprise au sol minimale voire nulle ainsi qu’un niveau sonore le plus réduit possible. Une approche de standardisation doit également être privilégiée, en ce qui concerne notamment la fluidique, la mécanique, la thermique, l’électronique, et l’informatique, afin de rendre compatible cette solution aux appareils à combustion (chaudières) traditionnels. Or les appareils à combustion à brûleur ne sont pas actuellement conçus pour accueillir un électrolyseur. Le problème de la mise en œuvre se pose donc en première monte. De plus, il est souhaitable que cette solution puisse aussi être mise en œuvre sur une installation existante, donc en deuxième monte, à nouveau de façon simple, sécurisée, rapide et économique, tout en garantissant une emprise au sol minimale voire nulle ainsi qu’un niveau sonore le plus réduit possible. Enfin, au-delà de la mise en œuvre initiale de la solution, il est indispensable de permettre sa maintenance dans le temps.
Un but de l’invention est donc de faciliter la mise en œuvre de la combinaison d’un appareil à combustion à brûleur et d’un électrolyseur.
A cet effet, on prévoit selon l’invention une installation comprenant :
- un appareil à combustion,
- au moins un cadre écarteur portant l’appareil, et
- un électrolyseur configuré pour alimenter l’appareil en hydrogène et/ou en oxygène et logé dans le cadre écarteur.
Ainsi, le cadre écarteur assure non seulement la fonction de support de l’appareil à combustion, mais aussi celle de logement de l’électrolyseur. Celui-ci se trouve donc intégré dans l’installation de façon simple, sécurisée, rapide et économique. La proximité directe de l’appareil à combustion et de l’électrolyseur permet de les connecter l’un à l’autre et aux différents circuits de fluide de façon particulièrement simple. Ces avantages sont présents aussi bien en première monte, lors de la réalisation d’une installation neuve, qu’en deuxième monte, pour l’adaptation d’une installation existante. Ces connexions permettent aussi de faciliter les tâches de maintenance.
L’invention permet ainsi une mise en œuvre simplifiée et sécurisée du système thermique précité permettant de décarboner une chaudière murale à gaz combustible en première monte ou en réhabilitation de logement. L’intégration de l’électrolyseur dans le cadre écarteur rend possible la récupération des énergies fatales en limitant les pertes thermiques. On désigne ici par « énergie fatale » l’énergie thermique produite par les équipements au sein des bâtiments qui traditionnellement est perdue, et donc non récupérable.
L’équipement formé par le cadre écarteur et son électrolyseur est discret et le plus silencieux possible. Il peut fonctionner en mode automatique en étant asservi à la chaudière. Il permet l’intégration dans un environnement contraint des organes de production d’hydrogène et d’oxygène, de leur injection dans la ligne de gaz combustible de la chaudière, et de la récupération des énergies fatales et de toutes les fonctions de maintenance.
L’invention se prête particulièrement bien à une standardisation. En effet, toutes les connexions de fluide de l’électrolyseur peuvent être préparées en usine au sein du cadre écarteur de sorte que, par la suite, l’opérateur en charge de la fixation de la chaudière sur le cadre écarteur au sein de l’installation n’aura qu’à effectuer la connexion des conduits par des moyens simples tels que des raccords à visser et des joints d’étanchéité. Il n’est même pas nécessaire qu’il ait des connaissances particulières sur la façon d’installer un électrolyseur dans une installation.
L’invention permet également la connexion courte et directe des flux électriques, électroniques et informatiques le cas échéant entre l’électrolyseur et la chaudière, que ce soit dans le cas d’un montage simple (un seul cadre écarteur, un seul électrolyseur) ou bien dans le cas d’un montage en série de plusieurs cadres écarteurs.
On peut prévoir que l’appareil à combustion est une chaudière, par exemple une chaudière à gaz à condensation compatible avec l’hydrogène.
On peut prévoir que le cadre présente des orifices et/ou des organes de support en coïncidence avec des orifices et/ou des organes de support de l’appareil à combustion.
On peut prévoir que l’installation comprend un filtre configuré pour filtrer de l’eau entrant dans l’électrolyseur, le filtre étant logé dans le cadre écarteur
On peut prévoir que l’installation est configurée de sorte que des condensats de l’appareil à combustion sont envoyés dans le filtre.
Un tel filtre est apte à traiter, par exemple à purifier, les condensats récupérés en sortie de chaudière.
Avantageusement, l’électrolyseur comprend au moins un échangeur de chaleur configuré pour transmettre de la chaleur à au moins un circuit d’eau de l’installation, l’échangeur étant logé dans le cadre écarteur.
On assure ainsi une récupération d’une grande partie de la chaleur produite par l’électrolyseur.
On peut prévoir que l’installation comprend un boitier d’injection monté sur un conduit de gaz de l’électrolyseur et logée dans le cadre écarteur.
On peut prévoir que l’installation comprend au moins l’un des éléments suivants :
- au moins un connecteur du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission de liquide entre le cadre et l’appareil,
- au moins un connecteur du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission de gaz entre le cadre et l’appareil,
- au moins un connecteur du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission de courant entre le cadre et l’appareil, et
- au moins un connecteur du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission électronique entre le cadre et l’appareil.
On peut prévoir que le ou chaque connecteur du cadre s’étend en regard d’un connecteur de l’appareil à combustion.
On facilite ainsi la réalisation de la connexion entre le cadre écarteur et l’appareil à combustion.
Dans un mode de réalisation, l’installation comprend au moins l’un des éléments suivants :
- au moins un connecteur externe d’un conduit de liquide du cadre situé d’un côté du cadre non-dirigé vers l’appareil à combustion,
- au moins un connecteur externe d’un conduit de gaz du cadre situé d’un côté du cadre non-dirigé vers l’appareil à combustion,
- au moins un connecteur externe électrique du cadre situé d’un côté du cadre non-dirigé vers l’appareil à combustion,
- au moins un connecteur externe électronique du cadre situé d’un côté du cadre non-dirigé vers l’appareil à combustion.
On peut prévoir que, le cadre étant un premier cadre, le connecteur du cadre connecté à l’appareil de combustion et le connecteur externe sont disposés de sorte que, lorsque le premier cadre est placé en coïncidence avec un deuxième cadre identique, le connecteur pour appareil de combustion du deuxième cadre et le connecteur externe du premier cadre sont en regard l’un de l’autre.
On facilite ainsi la connexion entre deux cadres écarteurs empilés derrière l’appareil à combustion. En effet, les entrées de l’un des cadres écarteurs correspondent parfaitement aux sorties de l’autre, de sorte à assurer la formation d’un réseau fluidique parfaitement adapté aux spécifications d’usage.
Dans un mode de réalisation, l’installation comprend au moins deux cadres écarteurs, les cadres écarteurs et l’appareil formant une pile de sorte qu’au moins l’un des cadres écarteurs est interposé entre l’appareil et l’autre cadre écarteur ou les autres cadres écarteurs.
Ces cadres peuvent par exemple loger des électrolyseurs respectifs si le dimensionnement de l’appareil à combustion nécessite une production importante d’hydrogène et/ou d’oxygène .
On peut prévoir que les cadres écarteurs sont connectés à au moins un circuit de fluide de l’installation de sorte que le circuit forme une boucle de Tichelmann.
Une boucle de Tichelmann procure un équilibrage au sein d’un réseau hydraulique. Le principe est l'égalisation des pertes de charge entre différentes branches du réseau fermé (chauffage, climatisation, réseau solaire, etc.) en leur attribuant chacune la même longueur, les mêmes coudes et le même équipement. Ainsi, chaque branche du réseau offre la même perte de charge sans avoir besoin d'équiper le réseau en vannes d'équilibrage.
On peut prévoir que l’installation comprend en outre un module s’étendant directement en regard de chacun des cadres écarteurs et assurant une interface entre chacun des cadres écarteurs et au moins un circuit de fluide de l’installation.
Ce module est configuré lui aussi pour faciliter le montage de l’ensemble. Son interface est configurée en effet pour connecter facilement :
- les circuits des cadres écarteurs au module, et
- les circuits de l’installation, notamment de l’appareil de combustion, au module.
On peut prévoir qu’au moins l’un des cadres écarteurs est dépourvu d’électrolyseur à l’intérieur du cadre écarteur et comprend par exemple au moins l’un des éléments suivants :
- une pile à combustible,
- une batterie, et
- un système de stockage d’hydrogène ou d’oxygène.
Ce cadre peut ainsi porter un équipement autre qu’un électrolyseur.
On prévoit aussi selon l’invention un ensemble comprenant :
- au moins un cadre écarteur configuré pour porter un appareil de combustion, et
- un électrolyseur apte à être logé dans le cadre écarteur.
On prévoit enfin selon l’invention un procédé de montage d’un appareil à combustion, dans lequel :
- on fixe au moins un cadre écarteur à un support et on fixe un appareil à combustion au cadre écarteur de sorte que le cadre écarteur est interposé entre l’appareil et le support, et
- le cadre écarteur logeant un électrolyseur, on connecte un conduit d’hydrogène et/ou d’oxygène de l’électrolyseur à l’appareil.
DESCRIPTION DES FIGURES
Nous allons maintenant présenter des modes de réalisation de l'invention à titre d'exemples non-limitatifs à l'appui des dessins sur lesquels :
- les figures 1 à 3 sont des schémas d’un premier mode de réalisation de l’installation selon l’invention ;
- les figures 4 à 6 sont des vues en perspective d’un cadre écarteur du premier mode de réalisation avec plusieurs exemples de configuration des couplages de fluide,
- la est une vue en perspective d’une configuration des couplages de fluide de la chaudière de la ,
- la est un schéma analogue à la montrant un deuxième mode de réalisation de l’invention ; et
- la est une vue d’un cadre écarteur faisant partie d’un troisième mode de réalisation de l’invention
Premier mode de réalisation
Nous allons présenter un premier mode de réalisation de l’invention à l’appui des figures 1 à 7. On pourra si besoin se référer au document FR-3 090 079 pour plus de détails sur certains aspects de la combinaison entre un appareil à combustion à brûleur et un électrolyseur.
L’installation 102 illustrée sur la comporte un appareil à combustion 4 et un électrolyseur 40.
La chaudière
L’appareil 4 comporte un brûleur et peut être de tout type : chaudière, four, etc… L’installation dont il fait partie peut équiper un bâtiment, par exemple une habitation individuelle ou collective ou un bâtiment d’entreprise.
Dans l’exemple de la , l’appareil à combustion 4 est une chaudière individuelle à combustible fossile gazeux : propane, butane, gaz de ville, etc…, et dont l’oxydant/comburant est de l’air. Elle assure le chauffage central de l’habitation et le chauffage d’un circuit d’eau chaude principal ou encore celui d’un circuit secondaire.
La chaudière comprend un corps de chauffe 6, un hydrobloc 8 et un échangeur de chaleur à plaques sanitaire 10.
La illustre tous les circuits de fluide et les figures 2 et 3 montrent respectivement plus distinctement les circuits hydrauliques et le circuit de gaz combustible et d’hydrogène et d’oxygène.
Dans le présent exemple, le circuit d’eau de chauffage entre dans la chaudière par un conduit de retour 12 et en sort par un circuit de départ 14 portant une soupape 13. L’eau du conduit de retour 12 traverse un circulateur de chauffage 16 puis passe par le corps de chauffe 6 puis par une vanne d’inversion 18 communiquant avec le circuit de départ 14.
La chaudière comprend un conduit d’arrivée d’eau froide 20 et un conduit de départ d’eau chaude sanitaire 22 reliés par un conduit de liaison 28.
Un conduit de dérivation 24 part du conduit de retour 12 en amont du circulateur 16 et rejoint la vanne d’inversion 18. Il traverse l’échangeur de chaleur 10 également traversé par le conduit de liaison 28.
Un disconnecteur 30 relie directement le conduit de retour 12 et le conduit d’arrivée d’eau froide 20 en amont de la chaudière. Le cadre écarteur que l’on présentera plus loin bénéficie de ce disconnecteur hydraulique. Ce dernier, connu en lui-même, assure une protection contre les remontées de pression pouvant engendrer une rupture mécanique entre le circuit d’eau chaude et l’échangeur de chaleur 10.
La chaudière comprend aussi un conduit d’arrivée de gaz combustible 31. De façon non-illustrée, elle comprend également un raccordement pour l’évacuation des produits de combustion via des conduits homologués.
Tous ces éléments, à l’exception du disconnecteur 30, sont logés dans la chaudière. Le disconnecteur est sur la barrette de raccordement de la chaudière qui est équipée des vannes d’isolements.
Le cadre écarteur
L’installation comprend un cadre écarteur 32 ou dosseret portant à lui-seul l’appareil 4 qui y est fixé rigidement par des moyens classiques tels que des boulons. Ce cadre est illustré en détail aux figures 4 à 6. Le cadre écarteur 32 est fixé rigidement sur un support, par exemple un mur 33 de l’habitation. Il est donc interposé entre le mur 33 et l’appareil 4. Le cadre est par exemple formé par une structure métallique peinte en blanc ou de couleur identique à celle de la chaudière. L’ensemble des composants est solidement attaché à sa structure. Son enveloppe métallique permet de réduire fortement l’empreinte acoustique des équipements qu’il renferme. Le cadre écarteur 32 est suffisamment résistant pour porter la chaudière tout en intégrant les fonctions de production d’hydrogène et d’oxygène à la demande comme on le verra. Il est compatible mécaniquement avec les chaudières existantes et notamment s’intègre aux espaces déjà réservés pour les chaudières dans les habitations. Selon les contraintes de l’installation, on pourra adapter l’épaisseur du cadre, par exemple pour qu’elle soit comprise entre 100 et 132 mm.
Le cadre présente des orifices 17 et/ou des organes de support en coïncidence avec des orifices et/ou des organes de support de l’appareil à combustion.
L’électrolyseur
L’électrolyseur 40 est configuré pour alimenter l’appareil 4 en hydrogène gazeux et/ou en oxygène gazeux et est logé tout entier dans le cadre écarteur 32. Il peut utiliser tout type de technologie d’électrolyse, par exemple le type alcalin, AEM (pour l’expression anglaiseanion exchange membrane) ou PEM (pour l’expression anglaiseproton exchange membrane). Sa puissance est dimensionnée en fonction de l’appareil 4 dont il doit optimiser le rendement et la combustion. Par exemple, pour un usage domestique individuel, la puissance de l’électrolyseur peut être située entre 1200 et 3000 W. L’électrolyseur comprend une alimentation 52 en énergie électrique.
Il s’agit par exemple à la base d’un électrolyseur développé et commercialisé par la société Bulane sous la marque dyomix et adapté pour faire partie de cette installation.
Afin de générer l’hydrogène et l’oxygène, une partie de l’eau entrant dans l’électrolyseur 40 depuis le conduit d’eau froide 20 est déviée comme illustré à la pour y être électrolysée. L’installation comprend aussi un filtre 27 configuré pour filtrer cette eau et placé en amont de l’électrolyseur, le filtre étant lui aussi logé dans le cadre écarteur. Le filtre fournit une eau purifiée (par exemple déminéralisée, osmosée ou distillée…) ayant les caractéristiques nécessaires au fonctionnement de l’électrolyseur.
Dans le présent mode de réalisation, comme illustré à la , l’installation est configurée de sorte que des condensats de la chaudière sont récupérés pour alimenter l’électrolyseur via le filtre.
Un conduit de gaz (hydrogène et oxygène) 35 part de l’électrolyseur 40 et débouche dans le conduit d’arrivée de gaz combustible 31 en amont d’une électrovanne 29 de ce dernier. L’installation comprend une électrovanne 46 montée sur le conduit de gaz 35 et logée dans le cadre écarteur. L’hydrogène et l’oxygène produits par l’électrolyseur sont ainsi mélangés au gaz combustible lors de son entrée dans la chaudière afin d’améliorer la combustion de celle-ci.
En variante, l’hydrogène et l’oxygène produits par l’électrolyseur peuvent être injectés dans le brûleur de l’appareil à combustion 4, séparément ou simultanément, par l’admission d’air ou directement, par exemple via un système d’injection multivoies non-illustré. En variante encore, le mélange entre l’hydrogène, l’oxygène et le fluide combustible (ou l’oxydant) peut être réalisé à l’intérieur d’un système d’injection non-illustré configuré à cet effet.
Le régime d’hybridation, c’est-à-dire le ratio d’admission entre l’hydrogène, l’oxygène et le combustible fossile et/ou l’oxydant initial peut aller de 0% à 100%. Typiquement, avec le gaz de ville, le mélange dans l’appareil à combustion 4 peut être enrichi avec de l’hydrogène (de l’ordre de 6 à 20% en volume ou davantage). L’hybridation fournit un apport énergétique décarboné à la combustion fossile ainsi réalisée. Elle améliore notamment le bilan carbone et environnemental (par exemple, les flammes du brûleur de l’appareil 4 génèrent moins de NOx, CO2, CO…) et améliore le rendement énergétique (par exemple, lors du couplage avec une installation solaire). Elle permet également de ne pas toucher au réglage de la chaudière initialement adapté pour le gaz combustible utilisé. L’injection d’oxygène permet la combustion de l’hydrogène sans avoir besoin de complément d’oxygène supplémentaire.
La production de l’hydrogène et l’oxygène étant réalisée sur site, on évite les problématiques d’acheminement et d’adaptation des réseaux de gaz combustible.
On peut prévoir de revaloriser l’oxygène produit en excès le cas échéant par l’électrolyseur 40 au lieu de le relarguer dans l’atmosphère car il ne peut pas être stocké et/ou transporté simultanément avec l’hydrogène dans les réseaux de gaz de ville. Cela augmente le rendement global de l’installation, le rendement thermique global de l‘électrolyseur 40 pouvant dépasser les 98%.
Echangeurs thermiques
L’électrolyseur 40 comprend en l’espèce deux échangeurs de chaleur 42, illustrés comme un seul sur la figure, eux aussi logés dans le cadre écarteur. On peut ainsi se dispenser de ventilateur dans l’électrolyseur.
Un conduit de chauffage 44 part du conduit de retour d’eau de chauffage 12, traverse l’un des échangeurs 42 et revient dans le conduit de retour d’eau de chauffage. Une électrovanne 47 est disposée sur le conduit 12 entre ce départ et cette arrivée. Le débit d’eau est assuré par le circulateur de la chaudière. L’énergie cédée est fournie à l’installation de chauffage et participe activement au maintien de la température de confort de l’habitation.
De même, un conduit de dérivation d’arrivée d’eau froide 48 part du conduit d’arrivée d’eau froide 20, traverse l’autre échangeur 42 et revient dans le conduit d’arrivée d’eau froide. Une électrovanne 50 est disposée sur le conduit 20 entre ce départ et cette arrivée. Cet échangeur 42 cède sa puissance à l’eau froide sanitaire, la circulation étant assurée par la pression d’eau de la ville. (Le standard est de 7 bars. On rappelle qu’un bar vaut 105Pa.). Cette eau préchauffée est ensuite injectée dans l’échangeur sanitaire 10 de la chaudière pour garantir la température de confort.
Ainsi, les échangeurs 42 sont configurés pour transmettre à chacun de ces circuits d’eau de la chaleur générée lors de l’opération d’électrolyse, ce qui permet le refroidissement de l’électrolyseur. Chaque échangeur 42 peut être situé à l’intérieur ou en sortie de l’électrolyseur et être intégré ou non à la cellule d’électrolyse. Il est par exemple de type liquide/liquide ou air/liquide. Les deux échangeurs 42 sont dimensionnés à la puissance générée tout en limitant les pertes de charges.
Connections fluidiques
L’électrolyseur et tous les équipements nécessaires à son fonctionnement sont intégrés d’origine dans le cadre en usine.
Les figures 4 à 6 illustrent ainsi trois exemples de configuration du cadre et des tubulures 37 de transport des fluides intégrées au cadre en usine. La montre une configuration des tubulures 39 de raccordement de la chaudière.
Lors de l’intégration à une installation, la totalité des connections entre les conduits de l’installation et le cadre 32 d’une part et entre les conduits de la chaudière 4 et du cadre d’autre part est réalisée par simple assemblage d’écrous à visser et de joints plats pour les liaisons hydrauliques. Les liaisons fluidiques sont intégrées à cette fin au cadre écarteur et permettent son montage rapide tout en garantissant leur étanchéité. Le cadre gère ainsi les entrées et sorties permettant le couplage de l’appareil aux circuits d’eau. Il est compatible avec les circuits de fluide de toutes les chaudières du marché. La liaison au circuit de gaz combustible est effectuée dans un distributeur après la vanne de sécurité de gaz. La partie spécifique liée à l’hydrogène et l’oxygène est totalement sécurisée par sa construction. Les connecteurs de fluide ont été illustrés ensemble sur la par le cadre 49, étant entendu qu’il s’agit de connecteur séparés pour chaque fluide. Les connecteurs 49 sont en l’espèce situés sur une face inférieure du cadre écarteur, sauf le connecteur 49 pour les condensats, situés en face avant du cadre. Ces connecteurs comprennent :
- des connecteur pour une transmission d’eau entre le cadre et l’appareil, et
- un connecteur pour une transmission d’hydrogène et d’oxygène entre le cadre et l’appareil.
Les équipements de sécurité intégrés à la chaudière (soupape de sécurité, vase d’expansion et disconnecteur) sont partagés avec la partie hydraulique de l’électrolyseur.
Le cadre écarteur procure une diminution du niveau sonore du circuit d’eau chaude grâce à l’encapsulation qu’il constitue derrière la chaudière.
Connections électronique et électrique
L’ensemble formé par le cadre 32 et l’électrolyseur 40 présente des connections électriques et électroniques compatibles avec la plupart des chaudières en mode plug and play, par exemple au moyen d’une liaison série selon le protocole modbus. Les raccordements électriques se font par des connecteurs équipés de détrompeurs. Ainsi, l’installation comprend :
- au moins un connecteur du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission de courant entre le cadre et l’appareil, et
- au moins un connecteur du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission électronique entre le cadre et l’appareil.
L’électrolyseur 40 est connecté en l’espèce à une interface numérique non-illustrée de la chaudière 4 pour qu’elle affiche tous les paramètres fonctionnels de l’électrolyseur ainsi que ses états pour faciliter son entretien.
L’alimentation 52 de l’électrolyseur 40 peut-être couplée à une source d’alimentation électrique par énergie renouvelable, par exemple des panneaux photovoltaïques qui servent également à alimenter le réseau électrique du bâtiment. Le choix de certaines sources électriques, par exemple une source photovoltaïque dédiée en autoconsommation ou/et le raccordement asservi à une source d’électricité en énergie renouvelable certifiée, garantit l’utilisation exclusive d’électrons décarbonés pour la production d’hydrogène dit vert. L’installation peut comprendre une batterie pour stocker de l’énergie électrique afin d’alimenter l’électrolyseur lors des phases d’absence de production de l’équipement photovoltaïque. L’énergie stockée sera en rapport avec la source d’électricité disponible, les besoins en hydrogène et les heures de fonctionnement de la chaudière.
Moyens de commande
La commande et le réglage de l’injection de l’hydrogène et de l’oxygène peuvent être réalisés soit électroniquement, soit manuellement afin de s’adapter correctement à chaque modèle d’appareil à combustion 4 et notamment à son régime de fonctionnement et/ou à son modèle de brûleur.
En l’espèce, l’installation 102 comporte des moyens de commande automatisés reliés à l’électrolyseur 40, à l’appareil de combustion 4 et à des capteurs de l’installation dont le nombre et le type dépendent de l’appareil à combustion 4 à hybrider. Les capteurs sont typiquement des sondes thermiques, des débitmètres de gaz, des capteurs de pression ou des débitmètres de gaz/liquides. Ils sont par exemple situés sur les circuits d’eau, de combustibles et d’oxydant. Ils peuvent être internes à l’appareil à combustion 4 et/ou à l’électrolyseur 40.
Le cadre écarteur comprend un module électronique de commande 43 qui pilote l’électrolyseur 40 et/ou l’admission de l’hydrogène et de l’oxygène dans l’appareil 4. Ce module 43 peut, ou non, être intégré dans l’électrolyseur 40. Le pilotage qu’il réalise est fonction d’informations transmises par une électronique que comporte l’appareil à combustion 4 et/ou par les capteurs de l’installation.
Par exemple, le module 43 met en route l’électrolyseur 40 lorsque la mise en route de l’appareil à combustion 4 est détectée par la consommation de combustible fossile au moyen d’un débitmètre de gaz ou d’un capteur de pression ou détectée par la commutation électrique de la vanne d’admission du combustible fossile. On peut aussi prévoir que le module 43 commande l’admission d’hydrogène et d’oxygène dans l’appareil 4 tant que l’eau circulant dans l’un des circuits n’a pas atteint une consigne de température donnée.
Le module 43 peut être prévu pour régler l’injection selon différentes phases de fonctionnement de l’appareil à combustion 4 et définir les flux de gaz de façon à admettre le meilleur ratio combustible/oxydant dans le brûleur de l’appareil.
Également, on peut prévoir que les moyens de commande, notamment le module 43, comprennent des moyens de télécommunication leur permettant d’échanger des données avec un serveur distant. Les données transférées vers le serveur sont par exemple des données de fonctionnement de l’appareil à combustion 4, celles de l’électrolyseur 40, ainsi que les données des capteurs de l’installation ou encore du réglage des composants fluidiques du système d’injection. Le serveur permet ainsi d’assurer entre autres les fonctions suivantes : surveillance, maintenance, stockage et analyse des données.
Divers
L’installation peut comporter également un système de stockage local apte à stocker tout ou partie de l’hydrogène et/ou de l’oxygène généré en surplus par l’électrolyseur 40 le cas échéant. Par « local », on entend un stockage dans le bâtiment ou à proximité immédiate de celui-ci. Le module électronique 43 pilote le système d’injection afin, le cas échéant, d’alimenter ultérieurement, de façon désynchronisée à la production d’hydrogène et/ou d’oxygène, la chaudière avec l’hydrogène et/ou l’oxygène ainsi stockés. L’hydrogène et/ou l’oxygène en surplus ainsi stockés peuvent en outre eux-mêmes être utilisés pour générer de l’énergie électrique, par exemple dans une pile à combustible recevant en entrée de l’hydrogène stocké dans le système et convertissant l’hydrogène en énergie électrique pour alimenter le réseau du bâtiment.
Le système proposé est facilement compatible avec des installations existantes intégrant un appareil à combustion 4 à brûleur. Il permet d’en optimiser le rendement énergétique sans avoir à modifier ou à développer de nouvelles infrastructures de transport de combustible fossile.
Cette technologie a l’avantage de ne rien changer pour l’utilisateur qui conserve le même niveau de service et de confort tout en limitant ses émissions de gaz à effet de serre. Eventuellement, un réseau photovoltaïque de quelques capteurs suffit pour alimenter l’électrolyseur et une batterie de stockage permet le fonctionnement tout au long de la journée.
Pour l’adaptation d’une installation existante, on peut prévoir un ensemble comprenant :
- le cadre écarteur 32 configuré pour porter un appareil de combustion 4, et
- l’électrolyseur 40 apte à être logé dans le cadre écarteur, et éventuellement déjà reçu dans ce dernier.
Qu’il s’agisse d’une première ou d’une deuxième monte, le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre comme suit :
- on fixe le cadre écarteur 32 logeant l’électrolyseur à un support tel qu’un mur 33,
- on relie les conduits de fluides et d’électricité du cadre écarteur à ceux de l’installation,
- on fixe l’appareil à combustion 4 au cadre écarteur 32 en interposant le cadre écarteur entre l’appareil et le support, et
- on relie les conduits de fluides et d’électricité du cadre écarteur à ceux de l’appareil.
Ces étapes sont exécutées dans cet ordre mais un autre ordre est aussi possible.
Le montage de l’ensemble est rapide et aisé et ne nécessite aucune compétence complémentaire à celles habituelles du chauffagiste.
Deuxième mode de réalisation
Nous allons maintenant présenter en référence à la un deuxième mode de réalisation de l’invention. Ce mode est identique au premier mises à part les caractéristiques qui vont être présentées.
L’installation 202 comprend cette fois au moins deux cadres écarteurs 32 et en l’espèce en comprend trois. Les cadres écarteurs 32 et l’appareil 4 sont empilés suivant la direction horizontale. Le cadre 32 le plus à gauche est interposé entre l’appareil 4 et les autres cadres écarteurs. Le cadre du centre est interposé entre l’appareil et le cadre de gauche d’une part, et le cadre de droite et le mur 33 d’autre part. Chacun des cadres comprend un électrolyseur 40 et fonctionne conformément au premier mode.
Les cadres écarteurs 32 sont connectés en parallèle à l’installation pour chacun des circuits de fluide, chacun suivant le même agencement que dans le premier mode. Les connexions à chaque circuit de fluide sont faites en formant une boucle de Tichelmann.
L’installation 202 comprend en outre un module 54 s’étendant directement en regard de chacun des cadres écarteurs 32. Il assure une interface entre chacun des cadres et les circuits de fluide et loge des conduits à cette fin. Le module 54 est fixé directement aux cadres, sous ceux-ci.
On peut prévoir d’ajouter à ce montage des moyens de support mécanique de l’ensemble en plus des cadres écarteurs. Ces moyens peuvent être intégrés au module 54.
Ici encore, une communication électronique entre les cadres peut avoir lieu, par exemple au moyen du protocole modbus.
En variante, on peut prévoir que l’un des cadres écarteurs comprend non pas un électrolyseur mais un dispositif tel qu’une pile à combustible ou une batterie reliée à l’installation comme expliqué dans le premier mode.
Troisième mode de réalisation
Nous allons maintenant présenter en référence à la un troisième mode 302 de réalisation de l’invention. Ce mode est identique au premier mises à part les caractéristiques qui vont être présentées. Il diffère par l’agencement du cadre écarteur 32 et cet agencement est compatible avec les premier et deuxième modes.
Cette fois, les connecteurs 49 permettant de relier le cadre écarteur à l’appareil à combustion se trouvent sur une face avant 51 du cadre, orientée vers l’appareil. On retrouve donc ainsi par exemple parmi ceux-ci :
- au moins un connecteur pour une transmission de liquide entre le cadre et l’appareil,
- au moins un connecteur pour une transmission d’hydrogène et d’oxygène entre le cadre et l’appareil,
- au moins un connecteur pour une transmission de courant entre le cadre et l’appareil, et
- au moins un connecteur pour une transmission électronique entre le cadre et l’appareil.
En l’espèce, chacun de ces connecteurs avant 49 s’étend en regard d’un connecteur correspondant de l’appareil à combustion. Sur la , le nombre et la disposition des connecteurs 49 illustrés ne sont pas limitatifs.
De plus, le cadre écarteur 32 comprend des connecteurs arrière 53 permettant de connecter le cadre écarteur à une autre élément de l’installation. Il s’agit par exemple des conduits et des câbles de l’habitation ou encore d’un autre cadre écarteur 32 dans la situation d’un empilement comme dans le deuxième mode.
Les connecteurs arrière 53 du cadre se trouvent sur une face arrière 55 du cadre écarteur, orientée en direction opposée à l’appareil à combustion et à la face avant 51. On retrouve par exemple parmi ceux-ci :
- au moins un connecteur externe d’un conduit de liquide,
- au moins un connecteur externe d’un conduit d’hydrogène et l’oxygène,
- au moins un connecteur externe électrique, et
- au moins un connecteur externe électronique.
Dans le situation du deuxième mode de réalisation, il est avantageux que chacun des cadres écarteurs 32 soient de ce type et identiques entre eux. En effet, une fois empilés, les cadres écarteurs sont en coïncidence. Dès lors, pour chaque fluide, pour le courant électrique et pour le signal informatique, le connecteur avant 49 du deuxième cadre (celui du milieu) et le connecteur arrière 53 du premier cadre (le plus à gauche) sont en regard l’un de l’autre. Il en va de même pour les connecteurs des deuxième et troisième cadres. Il est donc particulièrement facile de raccorder l’un à l’autre les connecteurs en regard.
On pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci.

Claims (16)

  1. Installation (102 ; 202 ; 302) comprenant :
    - un appareil à combustion (4),
    - au moins un cadre écarteur (32) portant l’appareil, et
    - un électrolyseur (40) configuré pour alimenter l’appareil en hydrogène et/ou en oxygène et logé dans le cadre écarteur.
  2. Installation selon la revendication précédente dans laquelle l’appareil est une chaudière (4).
  3. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le cadre présente des orifices (17) et/ou des organes de support en coïncidence avec des orifices et/ou des organes de support de l’appareil à combustion.
  4. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend un filtre (27) configuré pour filtrer de l’eau entrant dans l’électrolyseur (40), le filtre étant logé dans le cadre écarteur (32).
  5. Installation selon la revendication précédente configurée de sorte que des condensats de l’appareil à combustion sont envoyés dans le filtre (27).
  6. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l’électrolyseur comprend au moins un échangeur de chaleur (42) configuré pour transmettre de la chaleur à au moins un circuit d’eau de l’installation, l’échangeur étant logé dans le cadre écarteur.
  7. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend au moins l’un des éléments suivants :
    - au moins un connecteur (49) du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission de liquide entre le cadre et l’appareil,
    - au moins un connecteur (49) du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission de gaz entre le cadre et l’appareil,
    - au moins un connecteur (49) du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission de courant entre le cadre et l’appareil, et
    - au moins un connecteur (49) du cadre connecté à l’appareil à combustion pour une transmission électronique entre le cadre et l’appareil.
  8. Installation selon la revendication précédente dans laquelle le ou chaque connecteur (49) du cadre s’étend en regard d’un connecteur de l’appareil à combustion.
  9. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend au moins l’un des éléments suivants :
    - au moins un connecteur externe (53) d’un conduit de liquide du cadre situé d’un côté du cadre non-dirigé vers l’appareil à combustion,
    - au moins un connecteur externe (53) d’un conduit de gaz du cadre situé d’un côté du cadre non-dirigé vers l’appareil à combustion,
    - au moins un connecteur externe électrique (53) du cadre situé d’un côté du cadre non-dirigé vers l’appareil à combustion,
    - au moins un connecteur externe électronique (53) du cadre situé d’un côté du cadre non-dirigé vers l’appareil à combustion.
  10. Installation selon les revendications 7 et 9, dans laquelle,
    le cadre étant un premier cadre,
    le connecteur (49) du cadre connecté à l’appareil de combustion (4) et le connecteur externe (53) sont disposés de sorte que, lorsque le premier cadre est placé en coïncidence avec un deuxième cadre identique, le connecteur (49) pour appareil de combustion du deuxième cadre et le connecteur externe (53) du premier cadre sont en regard l’un de l’autre.
  11. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend au moins deux cadres écarteurs (32), les cadres écarteurs et l’appareil (4) formant une pile de sorte qu’au moins l’un des cadres écarteurs est interposé entre l’appareil et l’autre cadre écarteur ou les autres cadres écarteurs.
  12. Installation selon la revendication précédente dans laquelle les cadres écarteurs (32) sont connectés à au moins un circuit de fluide de l’installation de sorte que le circuit forme une boucle de Tichelmann.
  13. Installation selon l’une quelconque des revendications 11 à 12, qui comprend en outre un module (54) s’étendant directement en regard de chacun des cadres écarteurs (32) et assurant une interface entre chacun des cadres écarteurs et au moins un circuit de fluide de l’installation.
  14. Installation selon l’une quelconque des revendications 11 à 13 dans laquelle au moins l’un des cadres écarteurs est dépourvu d’électrolyseur à l’intérieur du cadre écarteur et comprend par exemple au moins l’un des éléments suivants :
    - une pile à combustible, et
    - une batterie.
  15. Ensemble comprenant :
    - au moins un cadre écarteur (32) configuré pour porter un appareil de combustion (4), et
    - un électrolyseur (40) apte à être logé dans le cadre écarteur.
  16. Procédé de montage d’un appareil à combustion (4), dans lequel :
    - on fixe au moins un cadre écarteur (32) à un support (33) et on fixe un appareil à combustion (4) au cadre écarteur de sorte que le cadre écarteur est interposé entre l’appareil et le support, et
    - le cadre écarteur logeant un électrolyseur (40), on connecte un conduit d’hydrogène ou d’oxygène de l’électrolyseur à l’appareil.
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