WO2013076105A2 - Systeme de conversion d'energie solaire en energies electrique et chimique et procede de fonctionnement d'un tel systeme - Google Patents
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Abstract
Système (100) de conversion d'énergie comprenant : - une centrale (110) de conversion d'énergie, notamment une centrale de conversion d'énergie solaire; et un dispositif d'électrolyse (120) de vapeur d'eau incluant un élément (9) de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur (10) de la vapeur d'eau, le dispositif d'électrolyse utilisant de l'énergie convertie par la centrale (110).
Description
Système de conversion d'énergie solaire en énergies électrique et chimique et procédé de fonctionnement d'un tel système.
La présente invention concerne un système de conversion d'énergie comprenant une centrale de conversion d'énergie. L'invention porte aussi sur un procédé de fonctionnement d'un tel système de conversion d'énergie. L'invention porte encore sur un système de stockage et de restitution d'énergie destiné à être couplé énergétiquement à une centrale de conversion d'énergie. Des centrales solaires thermodynamiques permettent de convertir de l'énergie solaire en énergie électrique injectée sur un réseau électrique, comme le réseau électrique commercial. Les centrales solaires thermodynamiques de type « tour » sont de différents types selon le fluide caloporteur qu'elles utilisent et le type de cycle thermodynamique utilisée pour produire de l'électricité via une turbine.
L'un des inconvénients des centrales solaires thermodynamiques et plus particulièrement des centrales à tour est que, du fait qu'elles utilisent l'énergie solaire directe (radiation directe), le passage d'un nuage impacte fortement leur fonctionnement, c'est pourquoi elles sont installées dans des régions à fort ensoleillement, typiquement les déserts. Cependant, il peut arriver qu'un nuage passe, ou qu'il soit nécessaire de la faire fonctionner quelques heures après le coucher du soleil pour répondre aux besoins du réseau électrique ou même toute la nuit dans certains cas.
De plus, le développement des centrales solaires thermodynamiques est provoqué par la recherche d'une augmentation du rendement de conversion électrique et donc, principalement, par celle de la température du fluide entrant dans la turbine du groupe turbo alternateur. Enfin, leur branchement sur des réseaux accroît la recherche de régulation de la production et donc la recherche de possibilité de stockage d'énergie variable dans le temps.
Les principales techniques actuellement utilisées pour pallier à l'intermittence de l'énergie solaire dans ce type de centrale solaire sont :
l'utilisation de stockage de chaleur sous forme sensible ou latente. Les stockages sous forme latente peuvent être effectués en utilisant différents types de matériaux (sels fondus, huiles, solides, métaux, ....) ;
l'utilisation d'une énergie d'appoint d'origine fossile (notamment le gaz dans des centrales hybrides solaire-gaz) ;
le stockage d'énergie électrique dans des batteries, avec restitution par chauffage électrique en amont de la turbine.
Ces solutions ont des limites qui peuvent être rédhibitoires selon le cas de charge et d'exploitation de la centrale solaire, mais aussi selon la performance de conversion électrique visée sur le groupe turbo alternateur.
L'utilisation d'une énergie d'appoint d'origine fossile ne permet pas d'avoir une production électrique complètement décarbonée et surtout nécessite un approvisionnement en gaz naturel (par exemple) qui peut être difficile en site isolé. Il permet par contre de fonctionner avec des turbines à haute température d'entrée et donc un haut rendement de conversion.
Le stockage dans des batteries électriques présente différents problèmes : limite de stockage (volume et coût des batteries), problème générique de couplage puissance-énergie de ce type de stockage qui oblige à sous ou sur- dimensionner l'installation (flexibilité limitée à la charge et à la décharge), durée de vie des batteries (en particulier si les charges et décharges sont incomplètes) et problèmes environnementaux liés à leur gestion. Il présente aussi l'inconvénient de stocker l'énergie sous forme secondaire, c'est-à-dire électrique.
L'utilisation d'un stockage de chaleur pose des problèmes généraux propres à ce mode de stockage et des problèmes spécifiques liés au matériau de stockage utilisé. Les problèmes généraux à ces modes de stockage sont :
La limite de stockage d'énergie. Comme pour les batteries, ce type de stockage est volumineux et a une limite liée à la taille du réservoir ; en cas de surplus d'énergie thermique, il ne permet pas de stockage supplémentaire ;
La faible flexibilité à la fréquence et au niveau des charges et des décharges du stockage en particulier pour le stockage sur chaleur sensible (la température du stockage est fonction de son niveau de « remplissage »);
La difficulté (coût) de disposer les réservoirs éloignés de la turbine. La transmission de la chaleur sur des grandes distances est énergivore ou coûteuse en particulier à haute température ;
- La limite de température de restitution. Les matériaux actuels ne permettent pas des températures de stockage au delà de 750 °C, ce qui implique que la température du fluide entrant dans la turbine est inférieure à 750 °C (plutôt 700 °C) pendant les phases de restitution, ce qui affecte fortement le rendement de conversion du groupe turbo alternateur ;
- L'impossibilité d'adapter la qualité du stockage (température de restitution) à la quantité d'énergie à stocker, c'est-à-dire l'absence de flexibilité à la charge et à la décharge du stockage thermique. Un réservoir thermique n'est utilisable à la température de restitution que s'il est « plein d'énergie » et ne peut donc être utilisé que lorsqu'il est « plein » (cas des stockages sur chaleur sensible). Des prélèvements partiels ou des remplissages partiels affectent la qualité (température) de la restitution de l'énergie ;
la baisse de rendement de stockage avec le temps et la température de stockage. D'autres problèmes spécifiques se rapportent à la sécurité, à l'environnement, par exemple dans le cas d'utilisation d'huiles ou de sels fondus.
Il apparaît donc intéressant sur les centrales solaires thermodynamiques à haute température :
1 - de pallier à la limite de température de restitution du stockage thermique qui pénalise fortement le rendement de conversion électrique ;
2- de supprimer toute utilisation d'énergie d'appoint d'origine fossile ;
3- de dissocier puissance et énergie dans le stockage,
4- d'augmenter les possibilités de stockage d'énergie,
5- d'augmenter la flexibilité ou d'adapter la charge du stockage à la disponibilité et a fortiori à la demande de déstockage.
6- de stocker l'énergie à distance (hors de la zone solaire).
7- de pouvoir éventuellement utiliser l'énergie stockée dans une autre application, en particulier dans une application externe au site de la centrale. On connaît du document US 4,095,1 18 un système de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Une partie de cette énergie est utilisée pour produire de l'hydrogène par électrolyse. Cet hydrogène est ensuite utilisé pendant les périodes de faible ensoleillement. Le système utilise un type de centrale solaire très particulier utilisant un fluide pouvant être ionisé. Il décrit un stockage de l'énergie électrique par électrolyse traditionnelle d'eau liquide.
On connaît du document EP 1 982 954 A1 une centrale solaire à tour couplée avec un système de production d'hydrogène par cycle thermochimique et un stockage d'énergie thermique par sels fondus.
Le but de l'invention est de fournir un système de conversion d'énergie permettant de remédier aux problèmes évoqués précédemment et améliorant les systèmes connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un système permettant de restituer un apport thermique au moment voulu afin de maintenir le fonctionnement de la centrale à son régime nominal. Le moment voulu considéré peut par exemple être le passage d'un nuage d'une durée de
quelques minutes qui fait chuter brutalement la radiation directe du soleil et donc l'énergie thermique pouvant être convertie. Ce dispositif est utilisé pour les turbines à hautes températures soit en complément d'un stockage d'énergie thermique « classique », soit seul. Ce maintien du fonctionnement nominal pendant le passage d'un nuage ou pendant une période de faibles radiations permet d'éviter la diminution forte du rendement de la turbine, voire même son arrêt brutal (risque d'endommagement dû aux cycles thermiques) et garantit un profil de production d'électricité stable pendant le passage du nuage.
Selon l'invention, un système de conversion d'énergie comprend :
une centrale de conversion d'énergie, notamment une centrale de conversion d'énergie solaire ; et
un dispositif d'électrolyse de vapeur d'eau incluant un élément de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur de la vapeur d'eau,
le dispositif d'électrolyse utilisant de l'énergie, notamment de l'énergie thermique, convertie par la centrale. Le système peut comprendre un élément de stockage de dihydrogène et/ou un élément de stockage de dioxygène.
Le système peut comprendre une chambre de combustion pour la combustion de dihydrogène.
Le système peut comprendre un dispositif de stockage d'énergie thermique.
L'électrolyseur peut être agencé de sorte à fonctionner dans un mode allothermique.
La centrale peut être du type fonctionnant avec de l'air chauffé, notamment de l'air chauffé à haute température, en particulier du type à tour fonctionnant avec de l'air chauffé à haute température. Selon l'invention, le procédé de fonctionnement d'un système de conversion d'énergie défini précédemment, comprend les étapes suivantes :
utilisation de l'énergie, notamment de l'énergie thermique, convertie par la centrale pour dissocier de l'eau en dihydrogène et en dioxygène,
- stockage du dihydrogène et/ou du dioxygène,
combustion du dihydrogène, éventuellement dans le dioxygène, pour produire de l'énergie électrique.
L'étape d'utilisation de l'énergie convertie par la centrale peut comprendre :
- l'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour transformer de l'eau en vapeur d'eau, et
l'utilisation de chaleur et d'électricité fournie par la centrale pour dissocier la vapeur d'eau. L'étape d'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour transformer de l'eau en vapeur d'eau peut comprendre l'utilisation de la chaleur d'un fluide sortant d'une turbine de la centrale.
L'étape d'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour dissocier la vapeur d'eau peut comprendre l'utilisation de la chaleur d'au moins une fraction d'un fluide après chauffage dans la centrale, notamment au niveau d'un récepteur solaire de la centrale.
L'étape d'utilisation de l'énergie convertie par la centrale peut comprendre l'utilisation d'énergie pour faire fonctionner le dispositif d'électrolyse dans un mode allothermique.
Selon l'invention, le système de stockage et de restitution d'énergie destiné à être couplé énergétiquement à une centrale de conversion d'énergie, notamment à une centrale de conversion d'énergie solaire, comprend :
- un dispositif de stockage d'énergie thermique ;
un dispositif d'électrolyse de vapeur d'eau incluant un élément de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur de la vapeur d'eau ;
un dispositif de stockage d'hydrogène ; et
- une chambre de combustion de dihydrogène ;
le dispositif de stockage et le dispositif d'électrolyse étant destinés à utiliser de l'énergie, notamment de l'énergie thermique, convertie par la centrale.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un système de conversion d'énergie selon l'invention.
La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un système de conversion d'énergie selon l'invention. Un mode de réalisation d'un système 100 de conversion d'énergie est décrit ci- après en référence à la figure 1 . Le système permet de convertir de l'énergie solaire en énergie électrique qui est injectée dans un réseau électrique 13 (ne faisant pas partie du système). Le système permet également de convertir l'énergie solaire en énergie chimique qui peut être stockée puis convertie ultérieurement en énergie électrique. Ainsi, il est possible de convertir de l'énergie chimique en énergie électrique alors que l'énergie solaire n'est plus disponible ou alors que la puissance du rayonnement solaire n'est pas suffisante pour permettre au système de convertir l'énergie avec un rendement désiré.
Le système 1 00 comprend principalement une centrale 1 10 de conversion d'énergie solaire en énergie électrique et un dispositif d'électrolyse 1 20 de vapeur d'eau.
La centrale 1 1 0 de conversion d'énergie solaire en énergie électrique comprend principalement les organes suivants :
un récepteur 3 de rayons solaires permettant de chauffer un fluide (comme de l'air) à haute température, par exemple à environ 900 à 1 000 °C ; ce récepteur est par exemple installé en haut d'une tour 20. un ensemble d'héliostats 1 permettant de dévier des rayons solaires afin de les diriger sur le récepteur 3 ;
un groupe turbine 6 - compresseur 2 ; le compresseur permettant de compresser le fluide avant son chauffage au niveau du récepteur, la turbine permettant de transformer l'énergie du fluide chauffé et sous pression en énergie mécanique par détente du fluide dans la turbine. Le compresseur et la turbine sont liés mécaniquement par exemple grâce à un arbre 7 ;
une génératrice 8 couplée mécaniquement à la turbine 6 et permettant de transformer l'énergie mécanique de la turbine non utilisée par le compresseur en énergie électrique.
La centrale peut être de tout type. De préférence, la centrale est du type à tour fonctionnant avec un cycle gaz utilisant de l'air sous pression à environ 1 000 °C en complément d'un stockage thermique à plus basse température. Les centrales solaires thermodynamiques à tour fonctionnant avec de l'air chauffé à haute température présentent de nombreux avantages : rendement élevé du fait des températures élevées utilisées, fluide utilisé (air) gratuit et abondant, pas d'utilisation d'huile, pas de sels fondus, pas de refroidissement nécessaire du fluide en sortie de turbine. Des récepteurs permettent à l'air d'être chauffé efficacement jusqu'à cette température. Le stockage d'une quantité conséquente d'énergie thermique à une température de 1 000 °C ou
plus est difficilement réalisable voire impossible en l'état actuel de la technique. Par contre, on peut stocker une quantité conséquente d'énergie thermique à une température d'environ 750 °C. Le dispositif d'électrolyse inclut un élément 9 de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur 10 de la vapeur d'eau. Pour dissocier (en dihydrogène et en dioxygène par électrolyse) la vapeur d'eau, le dispositif d'électrolyse utilise de l'énergie solaire convertie par la centrale en une énergie d'un autre type, notamment de l'énergie électrique et de l'énergie thermique. L'électrolyseur est par exemple du type à haute température. L'électrolyseur fonctionne en régime allothermique, c'est-à-dire en utilisant pour dissocier les molécules d'eau (vapeur) de l'énergie électrique et de l'énergie thermique. L'électrolyseur de vapeur d'eau à haute température (EVHT) permet d'électrolyser de la vapeur d'eau à des températures élevées (800-1000 °C). L'avantage d'un tel électrolyseur est de permettre d'utiliser une partie importante de l'énergie nécessaire à la dissociation de l'eau sous forme d'énergie primaire (énergie thermique) et donc de limiter le prélèvement d'énergie secondaire (énergie électrique) nécessaire. D'autre part, on obtient un excellent rendement de conversion électrochimique. Ainsi, l'électrolyseur de vapeur d'eau à haute température (EVHT) se prête bien au couplage avec les centrales solaires fonctionnant à haute température et haut rendement de conversion électrique et l'augmentation de sa température de fonctionnement accroît d'autant le rendement énergétique de conversion d'énergie solaire en énergie chimique. L'électrolyseur est alimenté en électricité par une fraction de l'énergie électrique générée par l'alternateur, lui-même actionné grâce à la turbine fonctionnant grâce au fluide chauffé par l'énergie solaire. La fraction d'énergie électrique utilisée pour l'alimentation de l'électrolyseur est comprise entre 0 et 100% en fonction du dimensionnement du système et des besoins du réseau électrique à chaque instant. La fraction prélevée peut-être plus importante si le besoin d'injection vers le réseau électrique est limité. L'énergie électrique produite non consommée par l'électrolyseur est cédée au réseau
électrique. Le fluide refroidi (150 à 500 °C) en sortie de turbine est acheminé vers l'élément 9 de transformation de l'eau en vapeur d'eau, comme un échangeur de chaleur. Un ensemble de tuyauterie, vannes, détendeurs, éléments de sécurité etc .. est utilisé pour cet acheminement mais non représenté. L'élément de transformation 9 permet de chauffer et de vaporiser l'eau nécessaire à l'électrolyseur haute température. L'air froid est ensuite rejeté dans l'atmosphère. La vapeur issue de l'élément 9 de transformation est ensuite acheminée jusqu'à l'électrolyseur. Un ensemble de tuyauterie, vannes, détendeurs, éléments de sécurité etc .. est utilisé pour cet acheminement mais non représenté. Une fraction du fluide chaud sortant du récepteur solaire (800 à 1200°C) est aussi acheminée jusqu'à l'électrolyseur de façon à maintenir la température de l'électrolyseur à environ 900-1000 °C. Un ensemble de tuyauterie, vannes, détendeurs, éléments de sécurité etc .. est utilisé pour cet acheminement mais non représenté. Le dihydrogène d'une part et le dioxygène d'autre part, générés par dissociation de l'eau à l'intérieur de l'électrolyseur sont stockés dans un dispositif de stockage. Les réseaux de conduite et de stockage de l'hydrogène et de l'oxygène sont de préférence maintenus indépendants afin d'éviter une recombinaison en eau. Le dispositif de stockage consiste en un ou plusieurs réservoirs de structure et de volume adaptés au stockage du dihydrogène et/ou du dioxygène. Ces réservoirs permettent de stocker les gaz sous une pression relative d'environ 10 à 700 bar. Le stockage de l'hydrogène peut alternativement ou complémentairement être effectué sous d'autres formes. L'hydrogène peut être stocké à basse température sous forme liquide. Dans ce cas, un système de liquéfaction de l'hydrogène est mis en place entre la sortie du dihydrogène de l'électrolyseur et l'entrée de l'élément de stockage du dihydrogène. Un tel système de liquéfaction comprend des surpresseurs, des échangeurs de chaleur, une utilité froide et un ensemble des composants nécessaires à la liquéfaction de l'hydrogène (vannes, éléments de sécurité...). Alternativement ou complémentairement, l'hydrogène peut être stocké à basse pression relative (10 à 60 bar) sous la forme d'hydrures métalliques où il est adsorbé lors de
phases de stockage et désorbé lors de phases d'utilisation. Alternativement ou complémentairement encore, l'hydrogène peut être stocké sous la forme d'hydrocarbures liquides (méthanol, acide formique...) pour des stockages de plus longue durée (stockage plus compact). Le stockage sous la forme d'hydrocarbures liquides implique l'utilisation d'étapes de transformations chimiques supplémentaires.
Concernant l'électrolyseur, à une température de vapeur de 1000 °C, l'énergie électrique nécessaire est de 2.2 kWh par Nm3 de dihydrogène produit. L'énergie thermique ou chaleur complémentaire nécessaire à la dissociation de la vapeur d'eau est de 0.9kWh par Nm3 de dihydrogène produit. A cela il faut ajouter la chaleur nécessaire à la vaporisation (génération de vapeur) de l'eau. Elle est égale à 0.5 kWh par Nm3 de dihydrogène produit. Dans l'absolu, on peut donc apporter 39% de l'énergie de dissociation sous forme d'énergie primaire (énergie thermique obtenue par chauffage grâce au rayonnement solaire). La quantité d'énergie apportée pour vaporiser l'eau peut être apportée par le fluide sortant de la turbine. En effet, cette chaleur serait simplement rejetée autrement. La quantité d'énergie pour maintenir la température de l'électrolyseur à 900-1000 °C (correspondant à l'énergie d'allo-thermicité) est de 0.5 kWh par Nm3 de dihydrogène produit.
La majeure partie du temps, une fraction de la chaleur et une fraction de l'électricité produites par la centrale sont dérivées pour assurer le maintien en température de l'électrolyseur en fonctionnement allothermique et fournir l'électricité nécessaire à l'opération d'électrolyse. L'électricité et la chaleur nécessaire au fonctionnement de l'électrolyseur est une fraction respective des énergies correspondantes prélevées en aval et en amont de la turbine. Cette fraction d'énergies dédiée à la production de dihydrogène peut varier selon le besoin en hydrogène nécessaire pour pallier l'intermittence de rayonnement solaire et le besoin en électricité à fournir au réseau.
Lorsque de l'énergie thermique est nécessaire pour chauffer le fluide en sortie du récepteur (en l'absence de stockage thermique ou en cas de stockage vide) ou en sortie du dispositif de stockage thermique (si le stockage thermique est opérationnel) afin de compenser une baisse de radiation solaire, du dihydrogène et du dioxygène sont transportés jusqu'à la chambre de combustion, où ils se recombinent de façon très exothermique. Cette chambre de combustion peut être soit intégrée à la turbine (combustion interne) ou bien être positionnée en amont de la turbine (combustion externe). Dans le premier cas, on réalise la combustion (2H2 + 02 -> 2H20) dans le fluide (air) en profitant de l'apport de débit supplémentaire, le rendement énergétique de déstockage est alors maximum. Dans le deuxième cas (illustré à la figure 1 ), un échangeur thermique intermédiaire permet de transférer la chaleur de combustion au fluide sans introduction de vapeur d'eau. L'énergie thermique générée par la combustion du dihydrogène permet de maintenir la température du fluide à la température nominale de fonctionnement de la turbine. La combustion de l'hydrogène permet de compenser la diminution de l'énergie solaire disponible pendant une durée t qui dépend (1 ) de la quantité de dihydrogène stocké et (2) de la température de fluide avant la chambre de combustion (présence ou non de stockage thermique opérationnel). Cette durée t est déterminée au moment du dimensionnement du système.
Le système 100 comprend encore un dispositif 1 1 , 12 de stockage d'énergie chimique (le dihydrogène et le dioxygène obtenus par électrolyse) et une chambre de combustion 5 du dihydrogène, éventuellement avec le dioxygène pour réchauffer le fluide en cas de besoin. Le dispositif de stockage comprend de préférence un élément de stockage 1 1 du dihydrogène et/ou un élément 12 de stockage du dioxygène. La chambre de combustion peut se trouver dans la turbine, la combustion étant réalisée dans la turbine. Le stockage peut être éloigné ou non de la tour solaire, le transport de gaz sur de grande distances ne posant pas de problème énergétique. Le dihydrogène et le dioxygène peuvent être stockés sous pression (typiquement de 10 à 50 bars relatifs).
Avantageusement, le système 100 comprend aussi un dispositif 4 de stockage d'énergie thermique à une température comprise entre 300 et 750 °C. Le stockage thermique est réalisé par chaleur sensible ou latente. Il peut être dimensionné pour maintenir la température du fluide à 750°C pendant une durée définie qui peut être supérieure à celle imposée par la quantité d'hydrogène disponible. Le dimensionnement du stockage thermique est effectué en fonction des besoins de productions d'électricité et de la place disponible sur le site d'installation du système. Dans le cas de la présence d'un dispositif de stockage thermique, le système de conversion comprend un système 130 de stockage et de restitution d'énergie couplé énergétiquement à la centrale 1 10 de conversion d'énergie, ce système de stockage et de restitution d'énergie comprenant :
le dispositif 4 de stockage d'énergie thermique ;
- le dispositif d'électrolyse 120 de vapeur d'eau incluant l'élément 9 de transformation de l'eau en vapeur d'eau et l'électrolyseur 10 de la vapeur d'eau ;
le dispositif 1 1 de stockage d'hydrogène ; et
la chambre 5 de combustion de dihydrogène.
Le dispositif de stockage et le dispositif d'électrolyse utilisent de l'énergie (chaleur, électricité) convertie par la centrale 1 10. De préférence, ils n'utilisent que cette énergie.
En utilisant les rendements de conversion connus des différents éléments du système, on calcule que si l'on dérive pendant un temps t1 la production électrique intégralement vers l'électrolyseur, le dihydrogène produit permet de faire fonctionner la centrale de façon autonome pendant un temps t2= 0.6 χ t1 . L'utilisation d'un stockage thermique à 750 °C de dimensions suffisantes permet d'augmenter ce temps de restitution.
Le dihydrogène permet de compléter l'apport d'énergie pendant une durée définie représentative de la durée de passage d'un nuage ; le chauffage du fluide passe de 750 à 1000°C permettant un fonctionnement normal de la turbine sans aucun transitoire sur la turbine et donc sans aucune variation du rendement ni diminution de la durée de vie de celle-ci.
Comme vu précédemment, le stockage d'hydrogène peut être de n'importe quel type et de n'importe quel volume. Il est dimensionné de façon à répondre au besoin considéré au moment du dimensionnement de l'installation, en fonction de la durée et de la fréquence des périodes de faible ensoleillement pendant lesquelles l'installation doit fonctionner. Le dimensionnement du stockage thermique et de l'électrolyseur sont effectués de façon à pallier à un certain type de baisse d'ensoleillement. Le système peut par exemple être dimensionné pour pallier à des passages de nuage de 10 minutes (voir exemple chiffré ci-dessous) mais également à des périodes de plus longue durée. Pour pallier à des intermittences plus longues, il est nécessaire de prélever une fraction plus importante de l'énergie thermique et électrique produite et donc de limiter l'injection d'électricité sur le réseau. L'exemple ci-dessous donne des valeurs de dimensionnement du dispositif assurant seul le stockage d'énergie ayant pour objectif de pallier au passage d'un nuage de 10 minutes chaque jour pour une installation solaire fonctionnant 8 heures par jour. En considérant un fonctionnement à un taux d'allothermicité de 100%, un exemple chiffré est exposé ci-après :
Hypothèses
Puissance de la turbine à gaz : 2MWe
· Rendement de la turbine couplé à l'alternateur : 50%
Puissance thermique du récepteur solaire : 4 MWt
% de Puissance dérivée vers l'électrolyseur sur un fonctionnement de 8 heures à puissance nominale : 2.5 % (ou prélèvement pendant 12 minutes de la puissance nominale)
Valeurs calculées :
· Energie électrique consommée par l'électrolyseur 0.4 MWh (=0.025x2x8)
Energie thermique consommée par l'électrolyseur et par le générateur de vapeur : 0.27MWh (à 1000 °C environ 40% de l'énergie de dissociation de l'eau peut être amenée par la chaleur, comme décrit plus haut)
Masse de dihydrogène produite à stocker : 16.3 kg. Voir plus haut: 2.2 kWh électrique plus 1 .39 kWh thermique donne 1 Nm3 de dihydrogène soit 0.09 kg donc 400 kWh électrique plus 270 kWh thermique donne 182 Nm3 de dihydrogène )
· Masse d'oxygène à stocker :130 kg
(0.5 mole d'oxygène généré par l'électrolyseur pour 1 mole d'hydrogène)
Rendement de stockage : 60%
(rendement = Energie stockée / Energie nécessaire pour produire le dihydrogène. Soit : Energie stockée : m(H2) x PCS = 16.3 x 39.41 = 642 kWh
Energie nécessaire à la production : Energie thermique + Energie électrique/rendement de turbine = 270 + 800 = 1070
Soit rendement = 60%)
· Temps de passage de nuage sans complément de stockage thermique :
9 minutes (16.3 kg H2 donne 642 kWh soit 4MWt pendant 9 minutes) Temps de passage de nuage compensé si seulement la moitié de l'énergie est apportée par le dihydrogène : environ 18 minutes
Cet exemple chiffré montre qu'en prélevant uniquement 2.5 % de l'énergie électrique produite par la turbine et une fraction de l'énergie thermique en
sortie de récepteur solaire, on peut pallier le passage d'un nuage de dix-huit minutes en combinant l'apport énergétique de l'hydrogène et celui d'un stockage thermique classique en conservant un fonctionnement et un rendement de turbine optimal. Un passage de nuage d'une durée de 18 minutes chaque jour est une hypothèse qui peut être représentative des endroits où sont susceptibles d'être installés ces systèmes de conversion. On peut imaginer k jours sans diminution de radiation solaire, la durée cumulée de compensation par l'énergie thermique vaut alors k x 18 minutes. Un mode de réalisation d'un procédé de fonctionnement d'un système de conversion d'énergie est décrit ci-après.
Dans un premier mode de fonctionnement du système, on utilise de l'énergie convertie par la centrale pour dissocier de l'eau en dihydrogène et en dioxygène et on stocke le dihydrogène et le dioxygène. De préférence, on n'utilise que de l'énergie fournie par la centrale, notamment que de l'énergie convertie par la centrale. L'utilisation de l'énergie convertie par la centrale comprend par exemple les actions suivantes :
On utilise de la chaleur fournie par la centrale pour transformer de l'eau en vapeur d'eau au niveau de l'élément 9 de transformation d'eau en vapeur d'eau. Pour ce faire, on peut par exemple utiliser l'énergie thermique du fluide sortant de la turbine de la centrale. On utilise de la chaleur et de l'électricité fournie par la centrale pour dissocier la vapeur d'eau au niveau de l'électrolyseur 10 de transformation d'eau en vapeur d'eau. Pour ce faire, on peut par exemple utiliser au moins une fraction d'un fluide après chauffage de celui-ci dans la centrale, notamment au niveau du récepteur solaire 3 de la centrale. De préférence, on fait fonctionner le dispositif d'électrolyse, en particulier l'électrolyseur dans un mode allothermique.
Complémentairement, dans ce premier mode de fonctionnement, on peut stocker de l'énergie thermique au niveau du dispositif de stockage d'énergie thermique. Dans ce cas, une fraction du fluide est utilisée après compression dans le compresseur 2 et chauffage, par exemple au niveau du récepteur 3, pour chauffer le dispositif de stockage d'énergie thermique.
Ce premier mode de fonctionnement est mis en œuvre lorsque le réseau ne requiert pas toute la puissance électrique fournie par le système de conversion. Ce premier mode de fonctionnement est en particulier mis en œuvre lorsque la source primaire d'énergie est abondante, notamment, dans le cas d'une centrale solaire lorsque celle-ci est complètement exposée au rayonnement solaire. Plusieurs types de stockages peuvent avoir lieu. Ils peuvent permettre un stockage d'énergie journalier ou saisonnier. Dans un deuxième mode de fonctionnement du système, on utilise de l'énergie chimique qui a préalablement été stockée pour chauffer le fluide en amont de la turbine ou dans la turbine 6. Pour ce faire, on réalise, dans la chambre de combustion 5, une combustion du dihydrogène stocké préalablement. De préférence, on utilise le dioxygène stocké comme comburant. L'énergie chimique stockée est donc utilisée pour produire de l'énergie électrique. Ce chauffage est réalisé en complément du chauffage du fluide réalisé ailleurs dans la centrale, par exemple au niveau du récepteur 3.
Complémentairement, dans ce deuxième mode de fonctionnement, on peut utiliser de l'énergie thermique stockée au niveau du dispositif de stockage d'énergie thermique pour chauffer le fluide. Dans ce cas, le fluide ou une fraction de celui-ci récupère de la chaleur jusqu'à une température de par exemple 750 °C au niveau du dispositif de stockage d'énergie thermique après compression dans le compresseur 2 et chauffage par exemple jusqu'à environ 300 °C, par exemple au niveau du récepteur 3.
Ce deuxième mode de fonctionnement est mis en œuvre lorsque le réseau requiert plus que ne peut fournir la centrale en ne tenant compte que de la source d'énergie primaire, comme le rayonnement solaire dans le cas de la centrale solaire. Ce deuxième mode de fonctionnement est en particulier mis en œuvre lors d'un passage d'un nuage ou lors d'une période de faible radiation, de manière à continuer de chauffer le fluide destiné à être détendu dans la turbine. Le produit de la combustion du dihydrogène dans le dioxygène est uniquement de l'eau qui est récupérée par simple condensation soit en sortie de turbine soit en sortie de chambre de combustion. Ainsi, dans ce deuxième mode de fonctionnement, l'énergie chimique stockée (et éventuellement l'énergie thermique stockée) est utilisée pour augmenter la température du fluide avant détente dans la turbine ou lors de la détente dans la turbine. L'augmentation de température par l'énergie chimique permet par exemple de chauffer le fluide de 750°C à 1000°C. Ainsi, la turbine peut continuer à fonctionner dans des conditions nominales sans diminution importante de son rendement, ni détérioration prématurée due à un fonctionnement en mode dégradé.
Les avantages principaux de cette invention sont ceux de :
- pallier à la limitation en température de restitution du stockage thermique et de pouvoir fonctionner avec une température d'entrée de turbine bien supérieure à 800 °C et ceci sans apport de combustible d'origine fossile ;
stocker et déstocker en charge partielle sans nuire au rendement de stockage ou de turbinage ;
stocker des quantités importantes d'énergie et ceci éventuellement à grande distance de la centrale ;
limiter la quantité d'énergie secondaire prélevée dans la phase de stockage d'énergie en consommant pour partie de l'énergie primaire solaire ;
permettre un stockage sûr de longue durée sans perte de rendement de stockage ;
permettre un déstockage si besoin vers d'autres sites ou d'autres utilisations (camion, pipeline...).
Les variantes suivantes du système de conversion peuvent être envisagées :
La température du stockage thermique peut être n'importe laquelle, elle est juste inférieure à la température de fonctionnement de la turbine. Une fois le stock d'hydrogène vidé, la turbine peut fonctionner en mode dégradé à 750 °C uniquement avec l'énergie issue du dispositif de stockage thermique.
Le stockage thermique peut être de différents types :
# Chaleur sensible (sels fondus, huile, solide, métal...),
# Chaleur latente (Matériaux à changement de phase).
La fraction d'énergie électrique utilisée pour la production d'hydrogène peut varier en fonction des besoins en hydrogène et en électricité.
Toute forme de stockage chimique peut être envisagée.
Tout type de centrale solaire peut être envisagé.
Le système peut mettre en œuvre un cycle combiné de turbinage du fluide et de la vapeur.
Le principe d'associer un stockage thermique et un stockage chimique généré in-situ à partir de surplus d'énergie peut être étendu aux chaufferies thermiques biomasse et aux incinérateurs qui sont également prévus pour alimenter un réseau dont le besoin est fluctuant et/ou dont l'apport en énergie primaire fluctue.
L'invention permet d'assurer un fonctionnement continu au rendement nominal de la turbine produisant l'électricité dans une centrale solaire thermodynamique dite « à tour », tout particulièrement au passage d'un nuage devant le soleil afin d'éviter une diminution forte de la production électrique et
du rendement de la turbine, voire l'arrêt complet de la production électrique jusqu'à ce qu'il soit passé. Ce fonctionnement continu est réalisé par un dispositif réalisant pendant les périodes de baisse de l'éclairement (nuages,..) un stockage d'une partie de l'énergie thermique reçue et d'une partie de l'énergie électrique fabriquée par un vecteur chimique de type hydrogène ou composé d'hydrogène synthétisé par l'intermédiaire d'un électrolyseur de vapeur d'eau fonctionnant en régime allo-thermique et hybridée par la voie thermique et électrique à la centrale solaire. Ainsi, dans le système de conversion, le dispositif d'électrolyse est hybridé ou couplé à la centrale solaire thermodynamique qui lui fournit de l'énergie thermique et de l'énergie électrique. De même, dans le système de conversion, un dispositif de stockage d'énergie thermique peut être hybridé ou couplé à la centrale solaire thermodynamique afin de permettre un stockage à une température inférieure à la température de fonctionnement du cycle thermodynamique et pouvant constituer une réserve passive de sécurité ou d'appoint. Le dimensionnement des différents composants du système est optimisé pour que son fonctionnement couvre une gamme de ratios « temps de passage de nuages sur temps d'ensoleillement » compatible avec le fonctionnement nominal de la centrale solaire en intégrant les spécificités météorologiques de l'endroit où est installé le système. L'énergie chimique stockée est utilisée pendant les périodes d'ensoleillement plus faible (notamment le passage d'un nuage) en complément ou remplacement de l'utilisation de l'énergie thermique stockée qui constitue une source dont la température est limitée et inférieure à la température de fonctionnement nominal de la turbine.
La notation « Nm3 » signifie un mètre cube dans les conditions normales de température et de pression.
Ainsi, avantageusement, le dispositif d'électrolyse de vapeur d'eau utilise
- un prélèvement d'énergie thermique ou de chaleur (par exemple basse température, c'est-à-dire inférieure à 500 °C, en particulier comprise entre 150°C et 250 °C) en sortie de turbine pour vaporiser de l'eau, et/ou
- un prélèvement d'énergie thermique ou de chaleur en sortie du récepteur de rayons solaires (par exemple à haute température, c'est-à- dire à plus de 800 °C) apportant directement dans le dispositif d'électrolyse une énergie thermique permettant un fonctionnement « allo-thermique » de celui-ci. Ce dernier point garantit un rendement de conversion optimal.
Les prélèvements peuvent être réalisés en différents points du système et/ou être réalisés à des températures différentes. L'un et/ou l'autre des prélèvements peut être réalisé via un ou plusieurs flux d'air dont une énergie thermique est transmise au dispositif d'électrolyse.
Claims
1 . Système (100) de conversion d'énergie comprenant :
une centrale (1 10) de conversion d'énergie, notamment une centrale de conversion d'énergie solaire ; et
un dispositif d'électrolyse (120) de vapeur d'eau incluant un élément
(9) de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur
(10) de la vapeur d'eau,
le dispositif d'électrolyse utilisant de l'énergie, notamment de l'énergie thermique, convertie par la centrale (1 10).
2. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un élément (1 1 ) de stockage de dihydrogène et/ou un élément (12) de stockage de dioxygène.
3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de combustion (5) pour la combustion de dihydrogène.
4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (4) de stockage d'énergie thermique.
5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrolyseur (10) est agencé de sorte à fonctionner dans un mode allothermique.
6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la centrale (1 10) est du type fonctionnant avec de l'air chauffé, notamment de l'air chauffé à haute température, en particulier du type à tour fonctionnant avec de l'air chauffé à haute température. Procédé de fonctionnement d'un système (100) de conversion d'énergie selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
utilisation de l'énergie, notamment de l'énergie thermique, convertie par la centrale pour dissocier de l'eau en dihydrogène et en dioxygène,
stockage du dihydrogène et/ou du dioxygène,
combustion du dihydrogène, éventuellement dans le dioxygène, pour produire de l'énergie électrique.
Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape d'utilisation de l'énergie convertie par la centrale comprend :
l'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour transformer de l'eau en vapeur d'eau, et
l'utilisation de chaleur et d'électricité fournie par la centrale pour dissocier la vapeur d'eau.
Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape d'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour transformer de l'eau en vapeur d'eau comprend l'utilisation de la chaleur d'un fluide sortant d'une turbine de la centrale.
Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'étape d'utilisation de chaleur fournie par la centrale pour dissocier la vapeur d'eau comprend l'utilisation de la chaleur d'au moins une fraction d'un fluide après chauffage dans la centrale, notamment au niveau d'un récepteur solaire (3) de la centrale.
Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'étape d'utilisation de l'énergie convertie par la centrale comprend l'utilisation d'énergie pour faire fonctionner le dispositif d'électrolyse dans un mode allothermique.
Système (130) de stockage et de restitution d'énergie destiné à être couplé énergétiquement à une centrale (1 10) de conversion d'énergie, notamment à une centrale de conversion d'énergie solaire, comprenant : un dispositif (4) de stockage d'énergie thermique ;
un dispositif d'électrolyse (120) de vapeur d'eau incluant un élément
(9) de transformation de l'eau en vapeur d'eau et un électrolyseur
(10) de la vapeur d'eau ;
un dispositif (1 1 ) de stockage d'hydrogène ; et
une chambre (5) de combustion de dihydrogène ;
le dispositif de stockage et le dispositif d'électrolyse étant destinés à utiliser de l'énergie, notamment de l'énergie thermique, convertie par la centrale (1 10).
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