Brevet FR2550016A1 — publié le 19850201

Procédé de stockage et/ou de transport d'énergie électrique. La présente invention concerne un procédé de stockage et/ou de transport d'énergie électrique, et en particulier un procédé suivant lequel le stockage et/ou le transport est à vecteur métal,#c1est-â-dire qu'une énergie électrique est fournie au départ pour procurer le métal, ce métal étant, ultérieurement ou à l'arrivée, mis en réaction pour restituer de l'énergie électrique. On connatt par le Brevet Français 2 457 968 un Procédé dlaccumulation et de production d'énergie par stockage de métaux alcalins". Suivant ce Brevet,un hydroxyde alcalin à l'état. fondu est soumis à une électrolyse en faisant appel à de l'énergie électrique produite pendant des périodes de faible demande de la part du réseau électrique, pour obtenir le métal alcalin correspondant, qui est stocké dans des récipients appropriés. Lorsque l'on souhaite produire de l'électricité, le métal obtenu est mis en réaction exothermiquo avec une solution aqueuse de son hydroxyde, réaction produisant de la vapeur à haute température pouvant tenir lieu soit de fluide moteur d'une centrale de production d'énergie électrique , soit simplement de source de chaleur. Ce procédé présente un certain nombre d'inconvénients, notamment du fait que la réaction exothermique de restitution de l'énergie ne fournit pas directement de l'énergie électrique, une centrale thermique devant être nécessairement associée à l'installation mettant en oeuvre cette réaction. Ceci est particulièrement désavantageux d'une part en ce qui concerne le rendement énergétique du procédé, et d'autre part dans les cas nombreux et particulièrement visés par ce genre de procédé Xoù les quantités produites sont de moyennes à faibles. Par exemple, une installation de ce type serait problématique dans des pays peu équipés en matière d'énergie électrique, où il serait souhaitable de disposer de petites unités permettant de fournir l'énergie directement sous forme électrique. En outre, la quantité de métal alcalin nécessaire pour produire l Kwh est relativement importante; par exemple lorsque le métal alcalin est du sodium, ce brevet indique que la quantité de sodium pour produire une énergie calorifique de 1 Kwh est d'environ 0,9 Kg. Ainsi, pour obtenir une énergie électrique de l Kwh, en tenant compte du rendement d'une centrale thermique, environ 2 Kg de sodium sont nécessaires. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients et de proposer un procédé dans lequel la réaction de restitution de l'énergie à partir du métal fournisse directement de l'énergie électrique. Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé dans lequel la réaction de restitution ne fasse appel qu'au métal et à un second constituant de réaction disponible sans limitation dans la nature. Un autre objet encore de l'invention est de proposer un procédé dans lequel la quantité de métal nécessaire pour fournir une quantité d'énergie électrique de l t Enfin l'invention vise à proposer un procédé dans lequel l'unité de restitution de l'énergie électrique soit relativement peu encombrante et autonome, et dont le rendement ne soit pas limité par le principe de Carnot. A cet effet la présente invention concerne un procédé de stockage et/ou de transport d'énergie électrique à vecteur métal, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes consistant à : a) fournir de l'énergie électrique à un dispositif d'électrolyse pour transformer un oxyde ou un sel métallique en un métal sensiblement pur; b) stocker et/ou transporter le métal ainsi obtenu;et c) fournir le métal à une pile à combustible métal-air, dans laquelle il se transforme en oxyde pour fournir de l'énergie électrique. Il est parfois avantageux de régénérer l'oxyde produit dans la pile à combustible en le ramenant, après un transport éventuel, à ltentrée du dispositif d'électrolyse, après un traitement approprié. Il est en outre préférable que le procédé comprenne une étape supplémentaire consistant à prévoir des moyens de conversion et de régulation du courant continu fourni par la pile, afin de transformer celui-ci en un courant alternatif régulé destiné à alimenter un réseau électrique aux normes commerciales. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'une forme de réalisation préférée du procédé selon l'invention, et d'un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence au dessin annexé, sur lequel la figure unique est un schéma de principe de la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Sur la figure est représenté un dispositif d'électrolyse ou électrolyseur 10, dont les électrodes sont raccordées à une source de tension présentant une différence de potentiel U continue appropriée. Dans le présent exemple, de l'oxyde d'aluminium (Al2 03 ) est introduit dans l'électrolyseur 1C par un trajet d'entrée 12. Tomme il est connu dans la technique l'oxyde d'aluminium ou alumine Au2 0~ est obtenu à partir de la bauxite par réaction en autoclave, à pression et température élevées, avec de la soude caustique (Na0H) pour fournir de l'hydroaluminate de sodium Na(Al (OH)4 ). En initialisant une réaction à froid avec des cristaux dthydroxyde d'aluminium CAl (OH)3) , le produit précipite pour former de l'hydroxyde d'aluminium qui est ensuite calciné pour former l'alumine. L'electrolyseur 10 fait appel au procédé de Hall et Reroult pour transformer en aluminium l'alumine dissoute dans la cryolithe fondue (3 NaF.AlF5 ) , 11 aluminium se déposant sur la cathode. le processus fait appel à une tension U entre les électrodes de l'ordre de 5 à 6 volts. Ce procédé d'électrolyse permet l'obtention de 1 Kg d'aluminium sensiblement pur en fournissant une énergie électrique de l'ordre de 15 à 20 Kwh. L'aluminium métal suit alors le trajet 14 16, 18 en étant soit stocké, soit transporté en 16. Le stockage ne pose aucun problème du fait de ltexcellente conservabilité de l'aluminium. On constate ainsi qu'il est possible de véhiculer de l'énergie électrique selon un procédé dit à vecteur métal, qui s'avère particulièrement avantageux-lorsque les conditions économiques et/ou géographiques ainsi que la demande sont telles qu'il serait inapproprié, voire impossible, d'installer des lignes haute tension. On constate également que le problème du stockage de l'énergie électrique est résolu de façon favorable , l'aluminium étant d'une densité raisonnable et résistant exceptionnellement bien à toute forme de corrosion. Ci-dessous est décrite la suite du procédé, dans laquelle l'aluminium est fourni le long du trajet 18 à une pile à combustible aluminium-air 20, où il est transformé en oxyde, plus ou moins hydraté, et en énergie électrique. La réaction est la suivante : AI + 3/2 H20 + 3/4 02 - > 1/2 A1203 + 3 R O. Comme on le voit, les éléments secondaires de réaction sont l'oxygène de l'air et lteaus et aucun élément réactif complexe à obtenir n'est nécessaire. En conséquenceet comme on l'a dit, le stockage et/ ou le transport concernent exclusivement 1 aluminium. Le produit de réaction A120 . 3H20 (hydrargilite) peut être éventuellement calciné pour devenir le produit départ du processus de Hall-Heroult mentionné plus haut concernant la production de l'aluminium. Cependant, il est possible que les conditions ne se prêtent pas, du point de vue de la rentabilité, à une telle régénération de l'oxyde, notamment si les coûts de traitement et de transport sont élevés et que l'oxyde, ou la bauxite, est facilement disponible sur le lieu de l'électrolyse en 10. On a néanmoins représenté sur la figure un trajet de recyclage 22 24, 26, avec transport et/ou stockage inter médiaire, le long duquel l'hydrargilite obtenue dans la pile 20 est calcinée en 24 pour alimenter à nouveau le catalyseur 10. En ce qui concerne l'entretien de la réaction électrochimique dans la pile 20, le métal peut être apporté soit périodiquement, de façon discontinue, en remplaçant les plaques métalliques d'anode, soit de façon continue, par des moyens d'alimentation automatiques en métal, sous quelle que forme que ce soit, l'aluminium étant à cet égard relativement facile à conformer de la façon appropriée. En ce qui concerne le stockage et/ou le transport, le procédé faisant appel à l'aluminium est tout à fait avantageux du fait que 1 Kg d'aluminium permet de restituer 5 à 6 twn d'énergie électrique. A titre d'exemple , un conteneur conventionnel de 20 pieds (36 m3 ) pourra abriter une pile constituée par une pluralité de branches connectées en parallèle de piles à combustible aluminium-air, avec un poids de 30 tonnes,et développant une puissance de l'ordre de 3000 KW. L'énergie électrique fournie par la pile à combustible 20 sur la ligne électrique de sortie 28 se présente ainsi sous la forme d'une faible tension continue développant de très hautes intensités. Notons à cet égard que cette tension pourra être déterminée par le choix du nombre de cellules individuelles composant la pile 20. Pour une exploitation pratique de cette énergie est prévu un convertisseur ou onduleur 30 qui, par la commutation répétée de thyristors ou de transistors de puissance, transforme la tension continue d'entrée en une tension alternative. Un transformateur approprié 32 pourra être prévu en aval du convertisseur 30. Selon le type de réseau électrique dans lequel débite la pile à combustibles réseau autonome ou réseau déjà existant de faible ou forte puissance, on pourra prévoir de façon avantageuse tout type de régulateurs de tensions de fréquence ou de phase (cos 'j: ) appropriés, et non illustrés car bien connus de l'Somme de l'Art. En particulier, on pourra prévoir un volant d'inertie accouplé à un compensateur qui permettra, dans le cas insuffisance de la réponse de la pile à des demandes brutales de puissance, de fournir l'appoint de puissance active. Enfin le convertisseur pourra être d'une grande simplicité grâce audit compensateur synchrone, ou encore grâce aux alternateurs d'un groupe électrogène existant déjà sur le réseau, car on peut, dans ce cas, profiter de la commutation naturelle de des onduleurs. D'une façon générale, dans le cas où le procédé suivant l'invention est utilisé en mode stockage dans un réseau important déjà existant, il pourra avantageusement être en phase de production d'aluminium pendant les périodes de faible demande du réseau, par exemple la nuit, l'énergie électrique produite étant alors par définition perdue, et en phase de production d'électricité à partir de cet aluminium pendant les périodes de forte demande, couramment entre 19 h et 22 h. Il tiendra alors lieu avantageusement d'étage tampon, une énergie électrique non négligeable étant ainsi économisée. Bien que la description ci-dessus ait envisagé le cas où le vecteur métal est l'aluminium, on pourra mettre en oeuvre le procédé avec tout métal approprié. On pourra en particulier faire appel au zinc, dans la mesure où l'on prend les dispositions indispensables pour éviter la formation de zincates dans l'électrolyseur 10. Bien que 1,2 Kg de zinc soit nécessaire pour produire 1 Kwh ( contre environ 200 g pour l'aluminium, comme on l'a vu), cette seconde solutiornest avantageuse en ce qu'elle permet d'obtenir un meilleur rendement électrique. Dans ce cas 11 électrolyse a lieu de la façon suivante : l'oxyde de zinc ZnO est dissous dans l'acide sulfurique H2S04. La solution de sulfate de zinc ZnSO4 + H20 est soumise à une électrolyse selon la réaction suivante : Le zinc produit est ensuite stocké et/ou transporté pour alimenter une pile à combustible Zinc-air dans laquelle a lieu la réaction suivante : le recyclage de l'hydroxyde de zinc est obtenu par calcination de celui-ci pour former l'oxyde de zinc ZnO de départ. On pourrait également faire appel au fer comme vecteur métal, auquel cas le fer pur serait obtenu non pas par électrolyse, mais avantageusement par des étapes de métallurgie connues. Il est entendu que la présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite, mais tout changement ou modification de détail pourront autre apportés par l'Homme de l'irt sans sortir de la portée des revendications. .REVENDICATIONS 1. Procédé de stockage et/ou de transport d'énergie électrique à vecteur métal, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) fournir de l'énergie électrique à un dispositif d'électrolyse (10) pour transformer un oxyde ou un sel métallique en métal sensiblement pur; b) stocker et/ou transporter le métal ainsi obtenu,et c) fournir le métal à une pile à combustible (20) métal-air, dans laquelle il se transforme en oxyde et/ou en hydroxyde pour fournir de énergie électrique. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le métal est choisi dans le groupe contenant l'aluminium, le zinc et le fer. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à régégérer l'oxyde et/ou l'hydroxyde produit dans la pile à combustible (20) en le ramenant à l'entrée du dispositif d'électrolyse (10), après un traitement de calcination approprié et un transport éventuel,. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le métal est 11 aluminium , le traitement d'électrolyse ayant lieu selon le processus de Hall et Heroult, et la pile à combustible étant une pile aluminiumair dans laquelle a lieu la réaction : 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 , caractérisé par le fait que la sortie de la pile à combustible '20) est raccordee à un onduleur (30). ó. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'onduleur (30) est associé à un compensateur synchrone muni d'un volant d'inertie.