WO2024002931A1 - Installation et procédé de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau - Google Patents

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WO2024002931A1
WO2024002931A1 PCT/EP2023/067235 EP2023067235W WO2024002931A1 WO 2024002931 A1 WO2024002931 A1 WO 2024002931A1 EP 2023067235 W EP2023067235 W EP 2023067235W WO 2024002931 A1 WO2024002931 A1 WO 2024002931A1
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WO
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hydrogen
gas
aqueous solution
liquid separation
separation device
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/067235
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English (en)
Inventor
Thibault DE SORBIER
Anne-Sophie VAN-INGHELANDT
Marc Sellini
Original Assignee
Technip Energies France
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells

Definitions

  • the present invention relates to an installation for producing hydrogen by electrolysis of water and to a process for producing hydrogen using said installation.
  • Hydrogen is an alternative to hydrocarbons because it is an easily storable energy source, unlike electricity, and its oxidation releases very significant energy (285 kJ/mole).
  • the electrolysis units are currently made up of a certain number of modules in which the electrolysis takes place as well as a large number of equipment allowing its proper functioning: electrolysers, separation flasks, pumps, gas coolers, heat coolers. liquids, pipes, instrumentation...
  • Large capacity electrolysis production installations are therefore designed using a modular approach: a large number of small electrolysis units are placed side by side, in other words in parallel, until reaching the desired quantity of electrolysis. This results in a very large number of equipment which generates:
  • One solution of the present invention is a hydrogen production installation comprising:
  • a series of n electrolysers 4 configured to electrolyze water 1 and generate a hydrogen-aqueous solution mixture 5, said series having an overall capacity greater than 40 MW,
  • a gas-liquid separation device 8 configured to eliminate the aqueous solution contained in the hydrogen-aqueous solution mixture 5 generated by the series of n electrolysers 4, and produce a flow of hydrogen 9, and
  • a single gas-liquid separation device configured to eliminate the aqueous solution (or water comprising up to approximately 40% by weight of salts; the salts preferably being potassium hydroxide) contained in the hydrogen-aqueous solution mixture is associated with n water electrolysis modules.
  • each electrolyser consists of a stack of several electrolysis cells which can most probably be of the alkaline or PEM type (proton exchange membrane) connected in series, which is commonly called a stack.
  • the stack is supplied with direct current by an electrical distribution system whose output voltage can be adjustable.
  • Other types of electrolysis cells can be used such as AEM (anion exchange membrane) cells, SOEC (solid oxide electrolysis cells), PCECs (protonic ceramic electrochemical cells). More generally, any type of electrolyzer can be used.
  • the series of n water electrolysis modules will have an overall capacity greater than 100MW, or even greater than several hundred MW.
  • n could be between 8 and 200, preferably between 16 and 40.
  • the installation will include a second gas-liquid separation device configured to eliminate the aqueous solution (or water comprising up to approximately 40% by weight of salts) contained in the oxygen-aqueous solution mixture generated by the series of n electrolysers .
  • n lines 13 configured to supply the oxygen-aqueous solution mixture generated by the n electrolysers to the second gas-liquid separation device 14.
  • the oxygen 15 recovered at the outlet of the second gas-liquid separation device will then be cooled in a cooler 16 at a temperature between 30 and 40°C, then collected in a collection system 19 or will more generally be sent to the atmosphere.
  • the water can be stored in a storage tank connected to the water supply circuit upstream of the series of n electrolysers.
  • the water supply circuit can be connected to running water and includes several water purification units, which may be of different type (for example resin and/or activated carbon) for better purification.
  • a conductivity sensor mounted on the water supply circuit makes it possible to continuously check the degree of purity of the water.
  • analyzers can also help monitor the level of salt impurity in purified water.
  • the installation according to the invention may include recycling loops of the aqueous solution between the gas-liquid separation devices and the series of n electrolyzers.
  • each recycling loop will include a cooler in order to cool the aqueous solution to a temperature lower than that of the electrolysers, preferably at a temperature between 50 and 80°C, even more preferably at a temperature between 60 and 70°C.
  • these extraction circuits can be equipped with gas evacuation means, for example valves or vents, intended to instantly reduce the pressure in the event of overpressure or explosion or fire.
  • the installation according to the invention may have one or more of the characteristics below:
  • the gas-liquid separation device 8 is connected to a capacity greater than 40 MW, preferably greater than 100 MW;
  • the gas-liquid separation device 8 has a hydrogen inventory H less than or equal to 0.7nh with:
  • the gas-liquid separation device 8 is made of a material chosen from carbon steel, stainless steel, duplex steel, nickel, electroless nickel, or carbon steel with nickel coating.
  • the gas-liquid separation device 8 is a separator flask, which can contain a separation internal; preferably the separator balloon will be a horizontal balloon.
  • a horizontal balloon has the advantage of having a larger gas/liquid exchange surface while having a smaller diameter than a vertical balloon. In certain cases, and more particularly when the operating pressure is low, it is possible to consider a vertical separator;
  • the series of n electrolysers 4 is included in at least one closed building B and the gas-liquid separation device 8 is located outside this building B; the size of building B is thus reduced;
  • - lines 7, and preferably the associated valves are located at least largely outside building B; this also makes it possible to reduce the size of building B and limit the risks of hydrogen leaks in building B. Furthermore, by placing the valves outside of building B we facilitate their accessibility.
  • the installation includes a cooler 10 configured to cool the hydrogen 9 leaving the gas-liquid separation device 8; in other words a single cooler is associated with the single gas-liquid separation device 8; the cooler can be a Peltier effect gas cooler, but more generally a plate exchanger or a tubular exchanger.
  • the installation includes a purification unit 11 of the hydrogen flow leaving the cooler 10;
  • the impurities to be eliminated are mainly oxygen and water, as well as some traces of salts...
  • the purification unit 11 can be chosen from: a water washing unit making it possible to eliminate the salts (for example potassium hydroxide), a cooler coupled or not to the water washing unit and making it possible to cool the flow to a temperature between 30 and 40°C, a catalytic deoxygenation unit, and a drying (for example drying by cooling to cool the flow at a temperature between 5 and 10°C or drying on a molecular sieve).
  • these different units will be added in series to the installation. Note that the water recovered at the drying outlet can be recycled in the series of n electrolysers.
  • An analysis unit could be placed downstream of this(these) purification unit(s) in order to check the residual concentration of impurities in the hydrogen flow.
  • the installation includes a hydrogen flow compression unit downstream of the purification unit 11.
  • the type of compressor can be reciprocating, centrifugal or mainly membrane; Note that a compression unit can also be placed upstream of the purification unit 11;
  • the installation includes a static mixer configured to mix the hydrogen from the n lines upstream of the gas-liquid separation device.
  • the static mixer allows for homogeneous bubble sizes and thus facilitates separation in the gas-liquid separation device.
  • the present invention also relates to a process for producing hydrogen using an installation according to the invention and comprising: a) A step of electrolysis of water to generate a hydrogen-aqueous solution mixture 5 using a series of n electrolysers 4 having an overall capacity greater than 40 MW, b) A step of conveying the hydrogen-aqueous solution mixture 5 generated in step a) to the gas-liquid separation device 8 via the n lines 7, and c) A gas-liquid separation step making it possible to eliminate the aqueous solution contained in the hydrogen-aqueous solution mixture 5 generated in step a) by means of the gas-liquid separation device 8.
  • the process according to the invention may have one or more of the characteristics below:
  • step c) is carried out at a temperature between 60 and 100°C.
  • step c) is carried out at a pressure of between 1 and 70 bar, preferably between 1 and 41 bar.
  • the process comprises a step d) of cooling the hydrogen from step c) to a temperature between 30 and 40°C
  • the process comprises a step e) of purifying the hydrogen cooled in step d).
  • the process comprises a step f) of compressing the hydrogen from step e) at a pressure greater than the pressure of the gas-liquid separation device 8, preferably at a pressure between 20 and 60 bar.
  • a compression step at several hundred bars is necessary.
  • the process comprises between steps b) and c) a step of homogenization of the hydrogen flow.
  • the method according to the invention will preferably comprise a step of conveying the oxygen-aqueous solution mixture 6 generated in step a) to the second gas-liquid separation device via the n dedicated lines 13 and a gas-liquid separation step 14 making it possible to eliminate the aqueous solution contained in the oxygen-aqueous solution mixture 6 generated in step a) by means of the gas-liquid separation device 14.
  • the oxygen 15 recovered at the outlet of the second gas-liquid separation device will then be cooled in the cooler 16 to a temperature between 30 and 40°C, then collected in a collection system 19 or will more generally be sent to the 'atmosphere.
  • the process according to the invention will include a step of recycling the aqueous solutions from the gas-liquid separation devices 8 and 14 to the electrolysers 4, preferably after cooling the aqueous solutions to a temperature between 50 and 80°C, even more preferably at a temperature between 60 and 70°C.
  • cooler 10 configured to cool the hydrogen 9 leaving the gas-liquid separation device 8;
  • a cooler configured to cool the aqueous solutions from the gas-liquid separation devices 8 and 14.
  • Water 1 coming from a supply or a storage tank 2 is introduced into a water treatment unit 3 (water treatment preferably means demineralization and deionization).
  • the purified water is then injected into the aqueous solution circuit to then be electrolyzed in a series of n electrolysers 4 (stacks), said series having an overall capacity greater than 40 MW.
  • n electrolysers 4 Leaving the series of n electrolysers 4, a hydrogen-aqueous solution mixture 5 and an oxygen-aqueous solution mixture 6 are recovered.
  • the hydrogen-aqueous solution mixture 5 is conveyed via n lines 7 to the first gas-liquid separation device 8 configured to eliminate the aqueous solution contained in the hydrogen-aqueous solution mixture generated by the series of n electrolysers 4.
  • the hydrogen flow 9 leaving the gas-liquid separation device 8 is saturated with water.
  • the hydrogen flow 9 is generally cooled to a temperature between 40 and 30°C in a cooler 10 before being introduced into a purification unit 11.
  • the hydrogen flow 12 leaving the purification unit 11 presents a purity greater than 99.99%, preferably greater than 99.999%.
  • the hydrogen flow 12 may possibly be compressed to a pressure greater than that of entry into the purification unit 11, preferably greater than 15 bar before being stored 18 or conveyed in an extraction circuit.
  • the oxygen-aqueous solution mixture 6 for its part is conveyed via n lines 13 to the second gas-liquid separation device 14 configured to eliminate the aqueous solution contained in the oxygen-aqueous solution mixture 6 generated by the series of n electrolysers 4.
  • the flow of oxygen 15 leaving the second gas-liquid separation device 14 is saturated with water.
  • the flow of oxygen 15 is cooled to a temperature between 40 and 30°C in a cooler 16.
  • the flow of oxygen 17 leaving the cooler 16 has a purity greater than 98%, preferably greater than 99%; it will be stored in a collection system 19 or routed to an extraction circuit.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing the hydrogen production installation according to the invention, characterized in that it comprises: i) a step of determining the hydrogen inventory h in each gas-liquid separation device configured to eliminate the aqueous solution contained in the hydrogen-aqueous solution mixture, for an installation of capacity similar to the installation according to the invention and comprising n electrolysers associated in series with n gas-liquid separation devices configured to remove the aqueous solution contained in the hydrogen-aqueous solution mixture; ii) a step of sizing the gas-liquid separation device 8 of the installation according to the invention so that said gas-liquid separation device 8 has an inventory H less than nh, preferably less than 70% nh .
  • the gas-liquid separation device 8 will have a lower hydrogen inventory than a set of n gas-liquid separation devices of the same overall capacity. This results in a reduced HSE risk.
  • the manufacturing method according to the invention also comprises a step of installing the electrolysers in at least one building B (several buildings can be built to house the n electrolysers) and a step of manufacturing, preferably on site, the device for gas-liquid separation 8 outside building B.
  • the gas-liquid separation device can be manufactured by assembling all the equipment on site as opposed to a “modular assembly” which corresponds to the installation of one or more skids, manufactured outside the site.
  • “external manufacturing” means manufacturing on site outside of building(s) B.
  • the installation according to the invention does not include “n” gas-liquid separation devices configured to eliminate the aqueous solution contained in the hydrogen-aqueous solution mixture generated by the series of n electrolysers 4, as is proposed in the art previous, but comprises a single gas-liquid separation device 8 configured to eliminate the aqueous solution contained in the hydrogen-aqueous solution mixture 5 generated by the series of n electrolysers 4.
  • the solution according to the invention makes it possible to:
  • a single gas-liquid separation device 8 configured to eliminate the aqueous solution contained in the hydrogen-solution mixture aqueous solution 5
  • a single gas-liquid separation device 14 configured to eliminate the aqueous solution contained in the oxygen-aqueous solution mixture 6
  • only three coolers the cooler 10 configured to cool the hydrogen 9 leaving the gas-liquid separation device 8, the cooler 16 configured to cool the oxygen 15 leaving the gas-liquid separation device 14 and the cooler of the aqueous solution recycling loop
  • a number of pumps which has been divided by 5 compared to the installations of the prior art, not to mention the reduction in the number of pipes.
  • installations of the prior art we mean installations which include n electrolyzers, n gas-liquid separation devices configured to eliminate the aqueous solution contained in the hydrogen-aqueous solution mixture, n gas-liquid separation devices configured to eliminate the aqueous solution contained in the oxygen-aqueous solution mixture, 3n coolers, as well as the associated number of pumps (typically around fifteen) and pipes. Also, if we count the total number of equipment we notice that it has been divided at least by three in the installation according to the invention. From there, compared to an installation according to the prior art, the installation according to the invention presents a building B whose height has been reduced by at least less 25%, and whose footprint has been divided between 2 and 5 times. This notably results in easier air renewal in the building. Concerning the overall footprint (footprint of the building and other equipment including gas-liquid separation devices) this has also been reduced by 10 to 30%.

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Abstract

Installation de production d'hydrogène comprenant : - Une série de n électrolyseurs (4) configurés pour électrolyser l'eau (1) et générer un mélange hydrogène-solution aqueuse (5), ladite série présentant une capacité globale supérieure à 40 MW, - Un dispositif de séparation gaz-liquide (8) configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse (5) généré par la série de n électrolyseurs (4), et produire un flux d'hydrogène (9), et - n lignes (7) configurées pour fournir le mélange hydrogène – solution aqueuse généré par les n électrolyseurs (4) au dispositif de séparation gaz-liquide (8).

Description

Installation et procédé de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau
La présente invention est relative à une installation de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau et à un procédé de production d’hydrogène mettant en œuvre ladite installation.
Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la fourniture d'hydrogène en vue de son stockage, par exemple sous forme pressurisée, ou à son utilisation dans une unité, de type raffinerie, de transformation de l’hydrogène en un autre vecteur chimique tel que le méthanol, l’ammoniac, ou des carburants (tel que le carburant durable d’aviation - en anglais sustainable aviation fuel SAF) ou à son exportation vers un système de pipeline, ou à sa consommation en tant que gaz combustible dans une pile à combustible ou dans un brûleur.
On connaît la nécessité de réduire notre production de gaz à effet de serre et d'utiliser des énergies renouvelables. L'hydrogène est une alternative aux hydrocarbures car il s'agit d'une source d'énergie facilement stockable, contrairement à l'électricité, et son oxydation dégage une énergie très importante (285 kJ/mole). On connaît plusieurs façons de produire de l’hydrogène ; la plus avantageuse consiste à électrolyser la molécule d'eau car il s'agit d'une réaction à haut rendement qui ne produit pas de CO2 contrairement aux procédés utilisés massivement que sont le reformage du méthane et d'hydrocarbures.
Les unités d’électrolyse sont actuellement composées d’un certain nombre de modules dans lesquels l’électrolyse a lieu ainsi qu’un nombre important d’équipements permettant son bon fonctionnement : électrolyseurs, ballons de séparation, pompes, refroidisseurs de gaz, refroidisseurs de liquides, tuyauteries, instrumentations... Les installations de production d’électrolyse à grande capacité sont donc conçues dans une approche modulaire : on met côte à côte, autrement dit en parallèle, un nombre important de petites unités d’électrolyse jusqu’à atteindre la quantité d’électrolyse voulue. Il en résulte un nombre d’équipements très important qui engendre :
- Une augmentation des risques HSE (Hygiène - Sécurité - Environnement), en particulier liés aux risques d’explosion dus à la présence d’hydrogène ;
- Une augmentation de la taille de l’installation et de l’occupation au sol de l’installation notamment due aux distances de sécurité à respecter entre les différents équipements mais également entre les équipements et l’environnement extérieur ; et
- Une augmentation du prix important de l’installation. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une installation améliorée de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, autrement dit une installation présentant un nombre réduit d’équipements.
Une solution de la présente invention est une installation de production d’hydrogène comprenant :
- Une série de n électrolyseurs 4 configurés pour électrolyser l’eau 1 et générer un mélange hydrogène-solution aqueuse 5, ladite série présentant une capacité globale supérieure à 40 MW,
- Un dispositif de séparation gaz-liquide 8 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse 5 généré par la série de n électrolyseurs 4, et produire un flux d’hydrogène 9, et
- n lignes 7 configurées pour fournir le mélange hydrogène - solution aqueuse généré par les n électrolyseurs 4 au dispositif de séparation gaz-liquide 8.
Autrement dit, dans la solution selon l’invention un seul dispositif de séparation gaz- liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse (ou eau comprenant jusqu’à environ 40% massique de sels ; les sels étant de préférence de l’hydroxyde de potassium) contenue dans mélange hydrogène-solution aqueuse est associé à n modules d’électrolyse de l’eau.
De préférence, chaque électrolyseur consiste en un empilement de plusieurs cellules d’électrolyse pouvant être le plus probablement de type alcalin ou PEM (membrane échangeuse de protons - « proton exchange membrane » en anglais) montées en série, que l'on appelle communément un stack. Le stack est alimenté en courant continu par un système de distribution électrique dont la tension de sortie peut être réglable. D’autres types de cellules d’électrolyse peuvent être utilisées tels que les cellules AEM (membrane échangeuse d’anions - « anion exchange membrane » en anglais, les SOEC (cellules électrolytique à oxyde solide - « solid oxide electrolysis cells » en anglais, les PCEC (cellules électrochimique céramique protonique - « protonic ceramic electrochemical cell » en anglais). Plus généralement, tout type d’électrolyseur pourra être utilisé.
Par « capacité globale » de la série de n électrolyseurs, on entend le cumul des n capacités des n électrolyseurs.
Préférentiellement, la série de n modules d’électrolyse de l’eau présentera une capacité globale supérieure à 100MW, voire supérieure à plusieurs centaines de MW.
Typiquement, pour une capacité d’électrolyse d’environ 5MW par stack, « n » pourra être compris entre 8 et 200, de préférence entre 16 et 40.
Par le terme « lignes » on entend un ensemble de tuyauteries, de pompes et de vannes. Il va de soi que la série de n modules d’électrolyse de l’eau génère en plus de l’hydrogène de l’oxygène. Aussi avantageusement, l’installation comprendra un deuxième dispositif de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse (ou eau comprenant jusqu’à environ 40% massique de sels) contenue dans le mélange oxygène- solution aqueuse généré par la série de n électrolyseurs. On aura donc également n lignes 13 configurées pour fournir le mélange oxygène-solution aqueuse généré par les n électrolyseurs au deuxième dispositif de séparation gaz-liquide 14. L’oxygène 15 récupéré en sortie du deuxième dispositif de séparation gaz-liquide sera ensuite refroidi dans un refroidisseur 16 à une température comprise entre 30 et 40°C, puis collecté dans un système de collecte 19 ou sera plus généralement envoyé à l’atmosphère.
L’eau pourra être stockée dans un réservoir de stockage raccordé au circuit d’alimentation en eau en amont de la série de n électrolyseurs. Le circuit d'alimentation en eau peut être branché sur l'eau courante et comporte plusieurs unités de purification de l'eau, pouvant être de type différent (par exemple à résine et/ou à charbon actif) pour une meilleure purification. Par exemple, un capteur de conductivité monté sur le circuit d'alimentation en eau permet de vérifier en continu le degré de pureté de l'eau. L’utilisation d’analyseurs peut également permettre de suivre le niveau d’impureté en sel dans l’eau purifiée.
L’installation selon l’invention pourra comprendre des boucles de recyclage de la solution aqueuse entre les dispositifs de séparation gaz-liquide et la série de n électrolyseurs. Avantageusement chaque boucle de recyclage comprendra un refroidisseur afin de refroidir la solution aqueuse à une température inférieure à celle des électrolyseurs, de préférence à une température comprise entre 50 et 80°C, encore plus préférentiellement à une température comprise entre 60 et 70°C.
A la sortie de l’installation selon l’invention, l’hydrogène et l’oxygène sont conduits vers des circuits d’extraction. Par mesure de sécurité, ces circuits d’extraction peuvent être dotés de moyens d'évacuation des gaz, par exemple des soupapes ou évents, destinées à faire baisser instantanément la pression en cas de surpression ou d’explosion ou d’incendie.
Selon le cas, l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- le dispositif de séparation gaz-liquide 8 est connecté à une capacité supérieure à 40 MW, de préférence supérieure à 100MW ;
- le dispositif de séparation gaz-liquide 8 présente un inventaire H en hydrogène inférieur ou égal à 0.7nh avec :
- n le nombre d’électrolyseurs et, - h l’inventaire en hydrogène dans chaque dispositif de séparation gaz- liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse, pour une installation de capacité similaire à l’installation selon l’invention et comprenant n électrolyseurs associés en série à n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse ; par « inventaire » on entend le volume d’hydrogène accumulé dans le dispositif de séparation gaz-liquide ; il s’exprime généralement en m3 (mètre cube)
- le dispositif de séparation gaz-liquide 8 est en matériau choisi parmi l’acier carbone, l’acier inoxydable, l’acier duplex, le nickel, le nickel autocatalytique, ou l’acier carbone avec revêtement nickel.
- le dispositif de séparation gaz-liquide 8 est un ballon séparateur, pouvant contenir un interne de séparation; de préférence le ballon séparateur sera un ballon horizontal. En effet, un ballon horizontal présente l’avantage d’avoir une surface d’échange gaz/liquide plus importante tout en présentant un plus petit diamètre qu’un ballon vertical. Dans certains cas, et plus particulièrement quand la pression opératoire est faible, il est possible d’envisager un séparateur vertical;
- la série de n électrolyseurs 4 est comprise dans au moins un bâtiment B fermé et le dispositif de séparation gaz-liquide 8 est situé à l’extérieur de ce bâtiment B ; la taille du bâtiment B est ainsi réduite ;
- les lignes 7, et de préférence les vannes associées, sont situées au moins en grande partie à l’extérieur du bâtiment B ; ceci permet également de réduire la taille du bâtiment B et de limiter les risques de fuite d’hydrogène dans le bâtiment B. Par ailleurs en plaçant les vannes à l’extérieur du bâtiment B on facilite leur accessibilité.
- l’installation comprend un refroidisseur 10 configuré pour refroidir l’hydrogène 9 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 8; autrement dit un seul refroidisseur est associé à l’unique dispositif de séparation gaz-liquide 8 ; le refroidisseur peut être un refroidisseur de gaz à effet Peltier, mais plus généralement un échangeur à plaques ou un échangeur tubulaire.
- L’installation comprend une unité de purification 11 du flux d’hydrogène sortant du refroidisseur 10 ; Les impuretés à éliminer sont l’oxygène et l’eau principalement, ainsi que quelques traces de sels... L’unité de purification 11 pourra être choisie parmi : une unité de lavage à l’eau permettant d’éliminer les sels (par exemple l’hydroxyde de potassium), un refroidisseur couplé ou non à l’unité de lavage à l’eau et permettant de refroidir le flux à une température comprise entre 30 et 40°C, une unité de désoxygénation catalytique, et une unité de séchage (par exemple un séchage par refroidissement permettant de refroidir le flux à une température comprise entre 5 et 10°C ou séchage sur tamis moléculaire). De préférence, ces différentes unités seront ajoutées en série à l’installation. A noter que l’eau récupérée en sortie de séchage pourra être recyclée dans la série de n électrolyseurs. Une unité d’analyse pourra être placée en aval de cette(ces) unité(s) de purification afin de vérifier la concentration résiduelle en impuretés dans le flux d’hydrogène.
- l’installation comprend une unité de compression du flux d’hydrogène en aval de l’unité de purification 11. Le type de compresseur peut être alternatif, centrifuge ou à membrane principalement; A noter qu’une unité de compression peut également être placée en amont de l’unité de purification 11 ;
- l’installation comprend un mélangeur statique configuré pour mélanger l’hydrogène des n lignes en amont du dispositif de séparation gaz-liquide.
Le mélangeur statique permet d’avoir des tailles de bulles homogène et ainsi avoir une séparation facilitée dans le dispositif de séparation gaz-liquide.
La présente invention a également pour objet un procédé de production d’hydrogène mettant en œuvre une installation selon l’invention et comprenant : a) Une étape d’électrolyse de l’eau pour générer un mélange hydrogène-solution aqueuse 5 à l’aide une série de n électrolyseurs 4 présentant une capacité globale supérieure à 40 MW, b) Une étape d’acheminement du mélange hydrogène-solution aqueuse 5 généré à l’étape a) au dispositif de séparation gaz-liquide 8 via les n lignes 7, et c) Une étape de séparation gaz-liquide permettant d’éliminer la solution aqueuse contenue dans mélange hydrogène-solution aqueuse 5 généré à l’étape a) au moyen du dispositif de séparation gaz-liquide 8.
Selon le cas, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- l’étape c) est réalisée à une température comprise entre 60 et 100°C.
- l’étape c) est réalisée à une pression comprise entre 1et 70 bar, de préférence entre 1 et 41 bar.
- Le procédé comprend une étape d) de refroidissement de l’hydrogène issu de l’étape c) à une température comprise entre 30 et 40°C
- Le procédé comprend une étape e) de purification de l’hydrogène refroidi à l’étape d).
- Le procédé comprend une étape f) de compression de l’hydrogène issu de l’étape e) à une pression supérieure à la pression du dispositif de séparation gaz-liquide 8, de préférence à une pression comprise entre 20 et 60 bar. En fonction des usages et notamment des applications de mobilité, une étape de compression à plusieurs centaines de bar est nécessaire.
- Le procédé comprend entre les étapes b) et c) une étape d’homogénéisation du flux d’hydrogène.
De l’oxygène étant également généré à l’étape a), le procédé selon l’invention comprendra de préférence une étape d’acheminement du mélange oxygène-solution aqueuse 6 généré à l’étape a) au deuxième dispositif de séparation gaz-liquide via les n lignes 13 dédiés et une étape de séparation gaz-liquide 14 permettant d’éliminer la solution aqueuse contenue dans mélange oxygène-solution aqueuse 6 généré à l’étape a) au moyen du dispositif de séparation gaz-liquide 14. Comme indiqué précédemment, l’oxygène 15 récupéré en sortie du deuxième dispositif de séparation gaz-liquide sera ensuite refroidi dans le refroidisseur 16 à une température comprise entre 30 et 40°C, puis collecté dans un système de collecte 19 ou sera plus généralement envoyé à l’atmosphère.
Avantageusement, le procédé selon l’invention comprendra une étape de recyclage des solutions aqueuses issues des dispositifs de séparation gaz-liquide 8 et 14 vers les électrolyseurs 4, de préférence après refroidissement des solutions aqueuses à une température comprise entre 50 et 80°C, encore plus préférentiellement à une température comprise entre 60 et 70°C.
Autrement dit, si on ne tient pas compte des éventuels refroidisseurs qui pourraient être utilisés à l’étape de purification 11 , l’installation comprend non pas 3n refroidisseurs comme cela est enseigné dans l’art antérieur mais uniquement trois refroidisseurs :
- un refroidisseur 10 configuré pour refroidir l’hydrogène 9 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 8 ;
- un refroidisseur 16 configuré pour refroidir l’oxygène 15 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 14 ; et
- un refroidisseur configuré pour refroidir les solutions aqueuses issues des dispositifs de séparation gaz-liquide 8 et 14.
L’installation va à présent être décrite plus en détail à l’aide de la figure 1 .
L’eau 1 provenant d’une alimentation ou d’un réservoir de stockage 2 est introduite dans une unité de traitement d’eau 3 (par traitement d’eau on entend préférentiellement une déminéralisation et une déionisation). L’eau purifiée est ensuite injecté dans le circuit de solution aqueuse pour être ensuite électrolysée dans une série de n électrolyseurs 4 (stacks), ladite série présentant une capacité globale supérieure à 40 MW. En sortant de la série de n électrolyseurs 4, un mélange hydrogène-solution aqueuse 5 et un mélange oxygène-solution aqueuse 6 sont récupérés. Le mélange hydrogène-solution aqueuse 5 est acheminé via n lignes 7 au premier dispositif de séparation gaz-liquide 8 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse généré par la série de n électrolyseurs 4. Le flux d’hydrogène 9 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 8 est saturé en eau. Le flux d’hydrogène 9 est généralement refroidi à une température comprise entre 40 et 30°C dans un refroidisseur 10 avant d’être introduit dans une unité de purification 11. Le flux d’hydrogène 12 sortant de l’unité de purification 11 présente une pureté supérieure à 99,99%, de préférence supérieure à 99,999%. Le flux d’hydrogène 12 pourra éventuellement est comprimé à une pression supérieure à celle d’entrée dans l’unité de purification 11 , de préférence supérieure à 15 bar avant d’être stocké 18 ou acheminé dans un circuit d’extraction.
Le mélange oxygène-solution aqueuse 6 quant à lui est acheminé via n lignes 13 au second dispositif de séparation gaz-liquide 14 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange oxygène-solution aqueuse 6 généré par la série de n électrolyseurs 4. Le flux d’oxygène 15 sortant du second dispositif de séparation gaz-liquide 14 est saturé en eau Le flux d’oxygène 15 est refroidi à une température comprise entre 40 et 30°C dans un refroidisseur 16. Le flux d’oxygène 17 sortant du refroidisseur 16 présente une pureté supérieure à 98 %, de préférence supérieure à 99% ; il sera stocké dans un système de collecte 19 ou acheminé vers un circuit d’extraction.
Enfin, la présente invention a également pour objet un procédé de fabrication de l’installation de production d’hydrogène selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend : i) une étape de détermination de l’inventaire h en hydrogène dans chaque dispositif de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse, pour une installation de capacité similaire à l’installation selon l’invention et comprenant n électrolyseurs associés en série à n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse ; ii) une étape de dimensionnement du dispositif de séparation gaz-liquide 8 de l’installation selon l’invention de manière à ce que ledit dispositif de séparation gaz-liquide 8 présente un inventaire H inférieure à nh, de préférence inférieure à 70%nh.
Autrement dit, le dispositif de séparation gaz-liquide 8 présentera un inventaire en hydrogène plus faible qu’un ensemble de n dispositifs de séparation gaz-liquide de même capacité globale. Ceci a pour conséquence un risque HSE amoindri.
De préférence, le procédé de fabrication selon l’invention comprend également une étape d’installation des électrolyseurs dans au moins un bâtiment B (plusieurs bâtiments peuvent construits pour abriter les n électrolyseurs) et une étape de fabrication, préférentiellement sur site, du dispositif de séparation gaz-liquide 8 à l’extérieur du bâtiment B. Par « préférentiellement sur site » on entend que le dispositif de séparation gaz-liquide peut être fabriqué par assemblage de tous les équipements sur site par opposition à un « assemblage modulaire » qui correspond à la mise en place d’un ou plusieurs skids, fabriqués à l’extérieur du site. A noter que « par fabrication à l’extérieur » on entend une fabrication sur site en dehors du ou des bâtiments B.
L’installation selon l’invention ne comprend pas « n » dispositifs de séparation gaz- liquide configurés pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène- solution aqueuse généré par la série de n électrolyseurs 4, comme cela est proposé dans l’art antérieur, mais comprend un seul dispositif de séparation gaz-liquide 8 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse 5 généré par la série de n électrolyseurs 4. Autrement dit, la solution selon l’invention permet de :
- réduire le nombre d’équipements ;
- limiter les risques HSE (Hygiène - Sécurité - Environnement) en diminuant les dispositifs accumulant l’hydrogène ;
- réduire la taille de l’installation et de l’occupation au sol. En effet, en réduisant le nombre d’équipements, les distances de sécurité sont également réduites ; et
- réduire le coût de l’installation.
A noter que la taille de l’installation et le coût de l’installation sont également minimisés par la diminution du nombre d’équipements : un seul dispositif de séparation gaz-liquide 8 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse 5, un seul dispositif de séparation gaz-liquide 14 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange oxygène-solution aqueuse 6, seulement trois refroidisseurs (le refroidisseur 10 configuré pour refroidir l’hydrogène 9 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 8, le refroidisseur 16 configuré pour refroidir l’oxygène 15 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 14 et le refroidisseur de la boucle de recyclage de la solution aqueuse), un nombre de pompes qui a été divisé par 5 comparé aux installations de l’art antérieur, sans compter la diminution du nombre de tuyauteries. Par « installations de l’art antérieur » on entend des installations qui comprennent n électrolyseurs, n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse, n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange oxygène-solution aqueuse, 3n refroidisseurs, ainsi que le nombre associé de pompes (typiquement une quinzaine) et de tuyauteries. Aussi, si on comptabilise le nombre total d’équipements on remarque que celui-ci a été divisé au moins par trois dans l’installation selon l’invention. De là, comparé à une installation selon l’art antérieur l’installation selon l’invention présente un bâtiment B dont la hauteur a été réduite d’au moins 25%, et dont l’empreinte au sol a été divisée entre 2 et 5 fois. Ceci a notamment pour conséquence un renouvellement d’air du bâtiment facilité. Concernant l’empreinte globale au sol (empreinte au sol du bâtiment et des autres équipements dont les dispositifs de séparation gaz-liquide) celle-ci a été également réduite de 10 à 30%.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation de production d’hydrogène comprenant :
- Une série de n électrolyseurs (4) configurés pour électrolyser l’eau (1) et générer un mélange hydrogène-solution aqueuse (5), ladite série présentant une capacité globale supérieure à 40 MW,
- Un dispositif de séparation gaz-liquide (8) configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse (5) généré par la série de n électrolyseurs (4), et produire un flux d’hydrogène (9), et
- n lignes (7) configurées pour fournir le mélange hydrogène - solution aqueuse généré par les n électrolyseurs (4) au dispositif de séparation gaz-liquide (8).
2. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le dispositif de séparation gaz-liquide (8) est connecté à une capacité supérieure à 40 MW, de préférence supérieure à 100MW.
3. Installation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif de séparation gaz-liquide 8 présente un inventaire H en hydrogène inférieur ou égal à 0.7nh avec :
- n le nombre d’électrolyseurs et,
- h l’inventaire en hydrogène dans chaque dispositif de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse, pour une installation de capacité similaire à l’installation selon l’invention et comprenant n électrolyseurs associés en série à n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse.
4. Installation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif de séparation gaz-liquide (8) est en matériau choisi parmi l’acier carbone, l’acier inoxydable, l’acier duplex, le nickel, le nickel autocatalytique, ou l’acier carbone avec revêtement nickel.
5. Installation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le dispositif de séparation gaz-liquide (8) est un ballon séparateur, de préférence un ballon séparateur horizontal.
6. Installation selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la série de n électrolyseurs est comprise dans au moins un bâtiment B fermé et le dispositif de séparation gaz-liquide (8) est situé à l’extérieur de ce bâtiment B.
7. Installation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les lignes 7 sont situées au moins en partie à l’extérieur du bâtiment B.
8. Installation selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu’elle comprend un refroidisseur (10) configuré pour refroidir l’hydrogène (9) sortant du dispositif de séparation gaz-liquide (8).
9. Installation selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu’elle comprend un mélangeur statique configuré pour homogénéiser le mélange hydrogène- solution aqueuse (5) en amont du dispositif de séparation gaz-liquide (8).
10. Procédé de production d’hydrogène mettant en œuvre une installation telle que définie dans l’une des revendications 1 à 9 et comprenant : a) Une étape d’électrolyse de l’eau pour générer un mélange hydrogène-solution aqueuse (5) à l’aide une série de n électrolyseurs (4) présentant une capacité globale supérieure à 40 MW, b) Une étape d’acheminement du mélange hydrogène-solution aqueuse (5) généré à l’étape a) au dispositif de séparation gaz-liquide (8) via les n lignes (7), et c) Une étape de séparation gaz-liquide permettant d’éliminer la solution aqueuse contenue dans mélange hydrogène-solution aqueuse (5) généré à l’étape a) au moyen du dispositif de séparation gaz-liquide (8).
11. Procédé de production selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’étape c) est réalisée à une température comprise entre 60 et 100°C.
12. Procédé de production selon l’une des revendications 10 ou 11 , caractérisé en ce que l’étape c) est réalisée à une pression comprise entre 1 et 40 bar.
13. Procédé de production selon l’une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d) de refroidissement de l’hydrogène issu de l’étape c) à une température comprise entre 30 et 40°C.
14. Procédé de fabrication de l’installation de production d’hydrogène telle que définie dans l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend : i) une étape de détermination de l’inventaire h en hydrogène dans chaque dispositif de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse, pour une installation de capacité similaire à l’installation telle que définie dans l’une des revendications 1 à 9 et comprenant n électrolyseurs associés en série à n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse ; ii) une étape de dimensionnement du dispositif de séparation gaz-liquide (8) de l’installation telle que définie dans l’une des revendications 1 à 10 de manière à ce que ledit dispositif de séparation gaz-liquide (8) présente un inventaire H inférieure à nh, de préférence inférieure à 70%nh.
15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’installation des électrolyseurs dans au moins un bâtiment B et une étape de fabrication, préférentiellement sur site, du dispositif de séparation gaz-liquide (8) à l’extérieur du bâtiment B.
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