Brevet FR2323874A1 — publié le 19770408

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la conversion énergie. En particulier, l'invention concerne un procédé et un appareil pour la conversion d'énergie thermique et plus particulièrement encore pour la conversion d'énergie solaire en énergie mécanique ou électrique. Le prix croissant de l'énergie obtenue à partir des combustibles minéraux ou nucléaires a stimulé la recherche de moyens par lesquels la technique moderne peut envisager l'utilisation d'autres sources d'énergie. Un effort particulier est fait pour trouver des moyens pour récupérer et utiliser des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire. L'utilisation de l'énergie solaire est souvent concentrée dans trois domaines importants, le chauffage des locaux, la production d'énergie électrique et la bioconversion. La production d'électricité est en général obtenue par conversion photovoltaique. Avec ce procédé, les rayons solaires pénètrent dans une cellule formée de plusieurs couches de matières semiconductrices stratifiées sur un conducteur métallique pour produire directement de l'électricité. Bien que ce procédé soit simple, les cellules sont conteuses et elles se dégradent quand elles sont exposées à des atmosphères humides chaudes.En raison de ces limitations, l'utilisation des cellules photovoltaSques a été en général limitée à l'espace extérieur. L'invention concerne un appareil et un procédé pour convertir l'énergie thermique, et plus particulièrement l'énergie thermique des collecteurs d'énergie solaire, en énergie mécanique ou électrique en évitant des problèmes existant avec les cellules photovoltaiques. Selon l'invention, l'énergie thermique est utilisée pour décomposer un hydrure d'un métal en métal et hydrogène, l'énergie interne de l'hydrogène étant ensuite utilisée pour faire fonctionner une turbine ou un dispositif convertisseur d'énergie similaire pour obtenir un travail mécanique par détente du gaz.Plus précisément, l'invention concerne un procédé de conversion de l'énergie comportant (a) l'établissement de plusieurs lits de conversion d'énergie parmi lesquels l'un des lits contient un hydrure métallique stable à la température ambiante et décomposable thermiquement a des températures de 10000 a 3000C en hydrogène et en métal pouvant réagir avec l'hydrogène pour former I 'hydrure de métal du premier lit, l'un des autres lits étant un lit de récupération de l'hydrogène, et en effectuant successívenent th) le chaufge du lit de l'hydrure du métal a la température de décomposition afin de décomposer l'hydrure pour obtenir du métal et de l'hydrogène sous pression, (c) l'en- voi de l'hydrogène à travers un dispositif convertisseur d'énergie pour convertir l'énergie interne du gaz en travail mécanique afin d'obtenir de l'énergie mecanique et de l'hydrogène usé, et (d) l'envoi de l'hydrogène usé dans le lit de récupération de l'hydrogène tout en maintenant la température du lit en dessous de la température de décomposition de l'hydrure en formation, afin que l'hydrogène réagisse avec le métal pour reformer l'hydrure du métal.L'hydrogène sous pression peut ètre continuellement envoyé au dispositif convertisseur d'énergie en établissant au moins trois lits, le troisième étant un lit de préparation, et avec l'étape additionnelle (e) de refroidissement du lit de préparation à une température inférieure à la température de décomposition de l'hydrure du métal, concouramment avec les étapes (b), (c) et (d), afin de préparer le lit pour la réception de l'hydrogène usé gazeux pendant le cycle suivant, et 1'6tablissement d'un cycle par répétition séquentielle des étapes (b), (c)) (d) et (e). Le- procédé et l'appareil selon l'invention peuvent être utilises avec n'importe quelle source d'énergie thermique pouvant établir une température adéquate pour provoquer la dissociation ou la décomposition de l'hydrure du métal sous une pression suffisante pour faire fonctionner un dispositif convertisseur d-'énergie. Le procédé et l'appareil selon l'ln- vention sont ainsi utiles pour l'utilisation de la chaleur perdue de qualité faible qui autrement serait perdue dans l'atmosphère, par exemple la chaleur des gaz d'échappement des cheminées ou la chaleur perdue des usines de production d'électricité. Cependant, le procédé et l'appareil sont particulièrement utiles quand ils sont utilisés conjointement avec des collecteurs ou concentrateurs d'énergie solaire.Un tel dispositif est le collecteur d'énergie rayonnante décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 492.074 du 26 juillet 1974. La présente invention a par suite pour objet un procédé et un appareil pour la production d'énergie. L'invention a aussi pour objet un procédé et un appareil pour la conversion d'énergie thermique. L'invention a aussi pour objet un procédé et un appareil pour la conversion de l'énergie thermique des collecteurs d'énergie solaire. L'invention a aussi pour objet un procédé et un appareil pour la conversion énergie solaire en travail mécanique. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemp'e et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel la figure unique représente schématiquement un appareil selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les buts de l'invention pour la conversion de énergie peuvent etre atteints (a) en établissant trois lits de conversion d'énergie un lit contenant hydrure métallique LaNi5H6-7 et les autres lits conte- nant le métal hydrurable LaNi5 l'un étant un lit de récupération d'hydrogène et l'autrc un lit de préparation, e t (b) en chaulant le lit contenant hydrure au moins à 150 C afin que le LaNi5H6-7 soit décomposé en LaNi5 et en hydrogène gazeux sous pression, (c) en faisant passer l'hydrogène sous pression à travers un dispositif convertisseur d'énergie pour convertir l.inergie interne du gaz en travail mécanique afin de produire de l'énergie mécanique et de l'hydrogène usé, (d) en faisant passer l'hydrogène usé dans le lit récepteur d'hydrogène maintenu à environ 25tC afin que l'hydrogène réagisse avec le LaNi5 pour former du LaNi5H6-7 et concouramment avec les étapes (b), (c) er (d) en effectuant létape (e) pour refroidir le lit de praparation a environ 25e C afin de préparer le lit pour la réception de l'hydrogène gazeux usé pendant le cycle suivant.De l'hydrogène saute pression peut entre envoyé continuellement au dispositif convertisseur d'énergie en établissant un cycle répétant la séquence d'étapes (h) (c), (d) et (e) L'hydrure métallique pouvant être utilise avec le procédé et appareil selon l'invention peut etre n'importe quel hydrure métallique stable à la teppérature ambiante et se décomnosant thermiquement a des températures supérieure avec une pression d'hydtogène suffisante, tout n fournissant une quantité suffisante d'hydrogène pour l'entraîne- ment d'un dispositif convertisseur d'éuergie. Idéalement, la pression doit pouvoir atre obtenue à une température aussi élevée que possible pour permettre dans le cycle global un rendement de Carnot aussi élevé que possible Les températures pouvant être atteintes avec les collecteurs d'énergie solaire actuels sont d'environ lOOC à environ 300 Ç, mais cependant, il est prévu que les températures supérieures seront possibles avec des concentrateurs d'énergie solaire plus puissants. la valeur de la pression d'hydrogène nécessaire dépendra des besoins du dispositif particulier de conversion énergie qui sera utilisé. Un hydrure particulièrement satisfaisant est le LaNisH6 7 qui se décompose z environ 150 C sous une pression d'environ 40 atmosphères. D'autres hydrures métalliques donnant des rEsul- tats satisfaisants avec le procédé et l'appareil selon l'invention sont SmCo5H2,5 et FeTiH1,95. Il doit âtre noté-que les hydrures métalliques ne sont pas stoachiométriques et retiennent une structure de monocristal dans une plage large d'hydrogène de composition. Le rapport hydrogène/métal varie par cuite de façon caractéristique dans une plage large. Les différences dans les formules des hydrures métalliques relativement à l'hydrogène de composition ne sont pas considérées comme représentant des hydrures métalXi- ques différents. I1 doit aussi etre noté que le terme "métal" ou flmétalliquelî tel qu'il est utilisé ne désigne pas seulement un métal pris seul mais aussi n'importe quel système d'alliage de métaux répondant aux critères indiqués ci-dessus pour des hydrures métalliques et des métaux hydrurables. La quantité d'hydrure métallique présent dans le système dépendra de la quantité d'hydrogène sous pression nécessaire pour maintenir une entrée d'énergie dans le dispositif convertisseur d'énergie pendant le passage cyclique d'un lit au suivant, et dépendra aussi de la rapidité avec laquelle les lits peuvent etre chauffés et refroidis.La quantité de métal hydrurable dans chaque lit doit pitre suffisante pour que le métal réagisse complètement avec l1hydrogène du système pour former l'hydrure métallique. Les températures auxquelles les lits récepteurs d'hydro- gène et de préparation doivent etre refroidis et etre maintenus dépendront de la pression de l'hydrog-ene usé au moment de son contact avec les lits la température peut ainsi etré inférieure à la tempdrature de décomposition de l'hydrure métallique formé sous la pression de l'hydrogène gazeux à partir du métal hydrurable. Il est préféré que la température soit voisine de la température ambiante, c'est-s-dire environ 25 C pour améliorer le rendement de Carnot. Les lits peuvent etre refroidis de n'importe-quelle façon efficace pouvant maintenir les lits à la température ou en dessous de la température de décomposition. Ainsi, un lit de dimensions faibles peut etre convenablement refroidi par un courant d'air froid envoyé au-dessus du lit, tandis que des lits plus importants peuvent nécessiter des moyens plus puissants, par exemple un échangeur de chaleur pour un fluide de refroidissement tel que de I'eau, afin d'atteindre les températures désirées. Le dispositif convertisseur d'énergie peut Btre un dispositif mécanique de n'importe quel type pouvant convertir ou utiliser l'énergie interne de l'hydrogène gazeux sous pression pour produire un travail mécanique par détente. Des exemples de ces dispositifs sont les turbines et les moteurs à pistons. Ces dispositifs peuvent a leur tour être couples à d'autres dispositifs tels qu'un compreseur de réfrigérateur pour constituer une source de réfrigérant dans le but de refroidissement d'un espa-ce ou bien il peut être~couplé à une génératrice pour la production d'électricité. Le procédé selon l'invention permet un fonctionnement intermittent du dispositif convertisseur d'énergie avec deux lits. L'un des lits contient l'hydrure métallique et l'autre lit contient le métal hydrurable agissant en lit récepteur dlhydrogène, avec chauffage alternatif du lit contenant l'hydrure en refroidissant le lit récepteur d'hydrogène avec circulation cyclique de l'hydrogène à travers le dispositif convertisseur d'énergie entre les deux lits. Pour obtenir un travail mécanique continu a la sortie, il est nécessaire d'assurer une alimentation continue d'hydrogene sous pression pour le dispositif convertisseur d'énergie, ce qui peut être obtenu en établissant au moins trois lits convertisseurs d'énergie Llun des lits contient l'hydrure du métal et les autres lits contiennent un métal hydrurable capable de réagir avec l'hydrogène pour former l'hydrure. Parmi ces autres lits, l'un des lits est le lit récepteur d'hydrogène pour recevoir i 'bydrogène usé provenant du dispositif convertisseur d'énergie, tandis que le lit suppldmentaire est le lit de préparation.Le lit de préparation t-st refroidi en dessous de la température de décomposition de l'hydrure métallique à former concouramment avec le passage d'hydrogène entre le lit d'hydrure métallique et le lit récepteur d'hydrogène afin que pendant le cycle suivant le lit de préparation devienne le lit récepteur d'hydrogène. L'appareil selon l'invention représenté sur la figure unique comporte une source d'énergie thermique 10, qui peut être un concentrateur d'énergie solaire pour transférer l'énergie thermique a un fluide de transfert de chaleur circulant à travers une boucle 12 sous l'action d'une pompe 14, la boucle ayant un côté d'entrée 13 et un côté sortie 15. L'écoulement du fluide de transfert de chaleur dans la canalisation d'entrée de la chaleur 16 est commandé par un distributeur 18. A partir de la canalisation 16,le fluide passe à travers l'échangeur de chaleur 20 situé dans la cuve sous pression 22 et à travers une canalisation de sortie 24 comportant une soupape de retenue 26 pour revenir vers le coté de sortie 15 de la boucle de chauffage 12. Le récipient sous pression 22 contient un lit convertisseur d'énergie qui peut être un hydrure métallique ou un métal hydrurable pouvant réagir avec l'hydrogène pour former hydrure métallique dans l'autre lit.Le récipient sous pression 26 contient aussi une boucle de réfrigération 28 pour refroidir le lit de conversion d'énergie contenant le métal hydrurable à une température inférieure à la température de décomposition. Une canalisation de sortie d'hydrogène sous pression 30 part de l'extrémité supérieure du récipient 22, cette canalisation comportant une soupape de décharge réglée 32 et communiquant avec la tubulure d'admission 34 du dispositif convertisseur d'énergie 36. L'hydrogène usé échappe du dispositif 36 à travers le collecteur de sortie 38 et la canalisation de retour 40 à travers laquelle le retour de l'hydrogène vers le lit voulu de récupération d'hydrogène est commandé par un distributeur 42. Pendant le fonctionnement, le fluide de transfert circulant à travers la boucle de chauffage 12 est chauffé par l'énergie thermique de la source 10. La vanne 18a est ouverte pour permettre le passage du fluide à travers la canalisation l6a vers l'échangeur de chaleur 20a du récipient 22a pour -le chauffage de l'hydrure métallique à une température supérieure à la température de décomposition de l'hydrure pour le dégagement d'hydrogène gazeux sous pression. Le fluide de transfert de chaleur traverse ensuite la soupape de retenue 26a de la canalisation de sortie 24a vers le coté de sortie 15 de la boucle 12 dans laquelle le fluide continue à circuler. Quand la pression de l'hydrogène dégagé du fait de la décomposition de l'hydrure métallique dans le récipient 22a est supérieure à la pression réglée de la soupape de retenue 32a, cette soupape s'ouvre et l'hydrogène s'écoule à travers la canalisation 30a vers 11 entrée 34,et ensuite le dispositif convertisseur d'énergie 36 dans lequel l'énergie interne du gaz est convertie par détente en énergie mécanique. L'hydrogène usé d'échappement passe du dispositif 36 à travers le collecteur d'échappement 38 dans lequel il est dirigé par ouverture de la vanne 42b vers la canalisation 40b et le récipient 22b dans lequel lthydrogène se combina avec le métal hydrurable contenu dans ce récipient, pour former l'hydrure métallique.Pendant la formation de l'hydrure métallique, le lit 22b est maintenu en dessous de la température de décomposition de l'hydrure rlétallique formé cette température étant maintenuepar le passage d'un fluide réfrigérant a travers la boucle de réfrigération 28b. En même temps, le lit de préparation contenu dans le récipient 22c est maintenu en dessous de la température de décomposition par passage de réfrigérant travers la boucle de réfrigération 28c.Dès que l'hydrure métallique est formé dans le récipient 22b, la vanne de conaPende 18a est fermée et la vanne de commande 18b est ouverte pour permettre le passage du fluide de chauffage à travers l1échangeur de chaleur 20b pour chauffer le métal hydrurable contenu dans le récipient 22b à une température supérieure a la température de décomposition de l'hydrure métallique en métal et hydrogène gazeux qui sort à travers la canalisation de sortie de l'hydrogène 30b pour passer a travers le dispositif convertisseur 36. En même temps, le récipient 22a (contenant maintenant le lit de préparation) est refroidi en dessous de la température de décomposition par passage de réfrigérant a travers la boucle de refroidissement 28a.Après le passage de l'hydrogène provenant du récipient 22b a travers le dispositif 36, l'hydrogene usé est dévié par la vanne de commande 42c vers le récipient 22e dans lequel ii se combine avec le métal hydrurable contenu dans ce récipient et maintenu en dessous de la température de décomposition par la boucle de réfrigération pour former l'hydrure métallique.Dès que l'hydrure métallique est formé dans le récipient 22c la vanne de commande 18c est ouverte pour permettre le passage du fluide de chauffage a travers ce réci- pient pour le chauffage de l'hydrure métallique a la température de décomposition pour la formation d'hydrogène passant à travers la canalisation de sortie d'hydrogène 30c a travers le dispositif 36 avec formation de métal hydrurable.En même temps, le lit contenu dans le récipient 225 est refroidi par la boucle de réfrigération 28b en dessous de la température de décompo- sition de l'hydrure métallique et l'hydrogène usé sortant du dispositif 36 passe dans la canalisation de retour de llhydrogène et à travers la vanne de commande 40e vers le récipient 22a,apres quoi, le cycle recoriaence. Par répétition séquentielle des étapes de chauffage du lit contenant le métal hydrurable à la température de décomposition pour le dégagement dthydrogbnev de passage de l'hydrogène d travers le dispositif convertisseur d'énergie, d'envoi de l'hydrogène usé à partir du dispositif convertisseur a un second lit contenant du métal hydrurable tout en refroidissant à une température inférieure à la température de ddcompositíon,un un troisième lit contenant du métal hydrurable, il est possible dgenvoyer de façon continue de l'hydrogène haute pression au dispositif convertisseur en obtenant ainsi à la sortie de l'énergie mécanique de façon continue. Llinvention est illustrée plus particulièrement par l'exemple suivant. EXEMPLE Un appareil est établi essentiellement de la façon représentée sur la figure unique. Chacun des trois récipients est rempli avec environ 5.000 grammes de LaNi. Le LaNis du premier récipient réagit avec 33 moles (68 g) d'hydrogène pour former du LaNi5H6,5. Le premier récipient est chauffé à environ 150 C en environ 90 secondes, température s laquelle de l'hydrogène est désorbé pendant 240 secondes.Cet hydrogène est dirigé vers le second lit qui est maintenu a environ 250C et dans lequel il est absorbé pendant 180 secondes, tan dis que le troisième lit est refroidi en 90 secondes à 259C. Claque récipient est ainsi refroidi en 90 secondes a 25oC et il absorbe ensuite de l'hydrogène pendant 180 secor.des a 25 C, et il est ensuite chauffé en 90 secondes à 150 C pour ddsorberlthydrogène à 1500C pendant 240 secondes avant entre refroidi à nouveau en 90 secondes a 25 C.Les trois récipients sont déphasés exactement de deux périodes les uns par rapport aux autres et la durée totale du cycle est d'environ 12 minutes. Avec un cycle de désorption de 4 minutes, il est obtenu un débit massique d'hydrogène d'environ 0,24 g/s, se traduisant par la production d'environ 430 moles de H? à l'heure à environ 50 atmosphères et 150 C. te gaz haute pression haute température travaille dans.un moteur a détente et il échappe vers l'un des récipients contenant le LaNi5. Le gaz est absorbé à nouveau dans ce récipient au voisinage de la pression et de la température ambiantes. La libération de 430 moles de H2 à 50 atmosphères e 150 C nécessite l'absorption d'environ 3.000 kcal/h. Pour un rendement de conversion de 10 % de chaleur en travail, il est obtenu une puissance de 300 W d'une façon continue. Il ressort de ce qui précède que le procédé et L appareil selon l'invention constîtuent un moyen efficace pour la conversion d'énergie et en particulier d'énergie thermique en travail mécanique Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. R E V E N-D I C A T I O N S 1. Procédé pour la conversion d'énergie, caractérisé par ta) tablissement de plusieurs lits de conversion d'énergie, l'un de ces lits contenant hydrure métallique, cet hydrure étant stable å la température ambiante et pouvant être décomposé a une température de 1000C à 30 C en hydrogène et métal hydrurable, les autres lits contenant du métal hydrurable pouvant réagir avec l'hydrogène pour former un hydrure métallique, l'un de ces autres lits étant un lit récepteur d'hydrogène, et la conduite de la séquence d'étapes consistant (b) à chauffer le lit contenant l'hydrure au moins a la température de décomposition de l'hydrure métallique pour sa décomposition en métal hydrurable et hydrogène, (c) a faire passer llhydrogène à travers un dispositif convertisseur d'énergie pour convertir l'énergie interne de l'hydrogene en travail mécanique afin d'obtenir de- l'énergie mécanique et de lthydrogene usé, et (d) à faire passer l'hydrogène gazeux usé dans le lit récepteur d'hydrogène tout en maintenant la température du lit en dessous de la température de décomposition de l'hydrure métallique en cours de formation afin que l'hydrogène réagisse avec le métal pour former l'hydrure métallique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'établissement d'au moins trois lits de conversion d'énergie, le troisième lit étant un lit de préparation et le procédé comportant l'étape additionnelle consistant (e) a refroidir le lit de préparation en dessous de la température de décomposition de l'hydrure métallique concouramment avec les étapes (b), (c) et (d), afin-de préparer le lit pour la réception de l'hydrogene usé pendant le cycle suivant, et l'établissement d'un cycle constitué par la répétition séquentielle des étapes (b), (c), (d) et (e) afin que le dispositif convertisseur d'énergie reçoive de façon continue de l'hydrogène sous pression. 3. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pression de décomposition de l'hydrure métallique est au moins de 10 atmosphères à une température comprise entre 100 C et 3000 C. 4.. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'hydrure métallique est choisi dans le groupe constitué par 'aNi H67, SmCo5H2,5 et FeTiH2,95. 5. Procédé selon la revendlcation 4, caractérisé en ce que l'hydrure métallique est du IaNi5H6 7 et l'hydrure métallique est chauffé au moins à 1X)OC. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le lit récepteur d'hydrogène et le lit de préparation sont refroidis a environ 25"C. 7. Appareil pour une conversion d'énergie, caractérisé par une source d'énergie thermique, une canalisation de transfert de chaleur ayant un c8té d'entrée et un cbté de sortie, cette canalisation contenant un fluide de transfert de chaleur circulant pour extraire de l'énergie thermique de la source, plusieurs récipients sous pression, chacun contenant un lit de conversion d'énergie, le lit de l'un de ces récipients étanc un hydrure métallique stable à la température ambiante et décomposable thermiquement à une température comprise entre lOOoC et 300*C en hydrogène et métal hydrurable, les lits de conversion d'énergie des autres récipients étant un métal hydrurable pouvant réagir avec l'hydrogène pour former L'hydrure de métal, chaque récipient contenant un échangeur de chaleur dans le lit de conversion d'énergie, chaque échangeur de chaleur étant connecté du cOté d'entrée de la boucle de transfert de chaleur par une canalisation d'entrée comportant une vanne de coutiande pour régler le courant de fluide à travers la canalisation, et au c5té de sortie de la boucle de transfert de chaleur par une canalisation de sortie, chaque récipient de pression étant de plus caractérisé par une canalisation de sortie de lthydrogène sous pression comportant une soupape de décharge à pression réglée et une canalisation de retour de l'hydrogène gazeux comportant une vanne de commande de façon que ltouverture de la vanne de commande de la canalisation d'entrée permette le passage du fluide de transfert de chaleur à travers l'changeur de chaleur dans le récipient sous pression chauffant l'hydrure métallique à la température de décomposition pour la formation de métal hydrurable et d'hydrogène gazeux, cet hydrogène gazeux passant à travers la soupape de décharge à pression réglée dans la canalisation de sortie de l'hydrogène gazeux, et un dispositif convertisseur d'énergie connecte à la canalisation de sortie de l'hydrogène sous pression pour convertir il'énergie interne de lihydrogène en travail mécanique, ce dispositif convertisseur d'énergie ayant un coté d'échappement connecté a la canalisation de retour dshydrogene pour diriger l'hydrogène usé vers celui des récipients sous pression contenant le lit de conversion d'énergie en métal hydrurable. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'hydrure métallique est choisi dans le groupe constitué par LaNi5H6-7, SmCo5H2,5 et FeTiH1,95. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source d'énergie thermique est un collecteur d'énergie solaire.