Brevet FR2689910A1 — publié le 19931015

La présente invention concerne un dispositif permettant une économie d'énergie ou une récupération d'énergie mécanique convertible en énergie électrique par détente de substances gazeuses produites lors d'électrolyses ; cette détente actionne aussi un dispositif de réfrigération Cette invention est basée sur l'observation suivante : " Lors d'une électrolyse, la quantité de gaz produite par kilowattheure, rapportée à la pression atmosphérique, dépend de façon négligeable de la profondeur où est effectuée l'électrolyse ( pour un électrolyte donné " . La présente invention consiste donc à effectuer à de grandes profondeurs dans l'électrolyte, contrairement aux procédés traditionnels, une quelconque électrolyse dont la production comprend un dégagement de substances gazeuses et à récupérer ces gaz à ces profondeurs de sorte qu'ils soient de façon naturelle et sans apport supplémentaire d'énergie à des pressions importantes P . Deux cas se présentent alors - ou bien l'utilisation ou la commercialisation de ces gaz se font à ces pressions P et l'on aura éviter d'avoir à les comprimer; - ou bien celles-ci se font à plus basses pressions p, ce qui permet de mettre à profit la détente de ces gaz qui ont à passer de la pression P à la pression p ; cette détente peut agir sur une turbine relié à un alternateur et, par la baisse de température qu'elle provoque, cette détente peut, de plus, faire fonctionner un réfrigérant Afin de réduire les contraintes mécaniques, dues aux pressions, sur le dispositif, le système peut être immergé en grande partie dans un lac ou dans la mer La figure 1 représente un schéma en coupe de la vue générale de la première version du dispositif La figure 2 représente un schéma en coupe de la vue générale de la troisième version du dispositif La figure 3 représente un schéma d'une vue de haut de la troisième version du dispositif Description du dispositif: A") Description globale: la première version du dispositif comprend a") Un réservoir d'électrolyte (1) d'une hauteur de h mètres b") A partir de ce réservoir descend un tuyau (2) d'une hauteur de h' mètres capable de supporter sans danger des pressions de l'ordre de p' = 1 + 0,102.d.( h + h' )) bars, où d désigne le poids en kilogram mes d'un litre d'électrolyte . Sa hauteur h'dépend des investissements consentis pour l'installation du dispositif ainsi que de la pression désirée dans le réservoir de gaz haute-pression (6) ( voir d )zo)) . Plus h' est importante, plus les contraintes sur le dispositif sont importantes, mais plus aussi le dispositif est efficace c") Le bas du tuyau (2) débouche sur un bac à électrolyse (3), d'une hauteur de h" mètres, auquel il est fixé de façon étanche . Ce bac est prévu pour résister sans danger à des pressions de l'ordre de (p'+ 0,102.d.h") bars. d") Pour chaque électrode produisant des substances gazeuses est prévu a") De façon classique un collecteur de gaz (4) p") Ce collecteur de gaz débouche sur un conduit d'échappement (5) de ces gaz , dirigé vers le haut et fixé de façon étanche au bac à électrolyse (3) . Ce conduit doit pouvoir résister à des pressions de l'ordre de p' bars ) Ce conduit (5) d'échappement des gaz abouti à un réservoir (6), dit de haute-pression, capable lui aussi de supporter des pressions de p' bars . II convient que son entrée soit situer plus haut que le bac à électrolyse (3) a ) La sortie du réservoir à gaz haute-pression (6) est muni d'un système de régulation de sortie des gaz (7) . Le débit de ces gaz peut être réglé par la hauteur H souhaitée entre la surface (8) de l'électrolyte dans le réservoir à électrolyte (1) et la surface (9) de l'électrolyte dans le conduit d'échappement (5) des gaz ou par la pression P souhaitée dans le réservoir haute-pression (6) . En effet, la pression des gaz dans le réservoir (6) est de l'ordre de P = (1 + 0,102.d.H ) bars, si H est exprimée en mètres Si l'utilisation ou la commercialisation des gaz contenus dans le réservoir haute-pression (6) se fait à de plus basses pressions p, les gaz sont dirigés vers un second réservoir (11), mais, auparavant, on les fait passer dans 8 0) une enceinte close (10) placée après ou juste avant le système de régulation du débit des gaz (7) à la sortie du réservoir hautepression (6) . Dans l'enceinte (10) les gaz se détendent, pouvant actionner une turbine (12), inclus dans cette enceinte (10) . Cette turbine fait tourner un alternateur (12a) . Une version plus sophistiquée utilise la baisse de température provoquée par cette détente pour faire fonctionner un réfrigérant (13) Lorsque le système fonctionne, le bac à électrolyse produit des substances gazeuses qui sont à des pressions ( p' + 0,102.d.h") bars, donc un peu supérieures à P, si le débit des gaz en (7) est réglé de sorte que le niveau (9) soit un peu au-dessus du bac à électrolyse; arrivés dans le réservoir à haute-pression (6), ces gaz produits sont à la pression P, puis se détendent dans l'enceinte (10) en actionnant la turbine (12), I'alternateur (12a) et le réfrigérant (13) Dans une deuxième version du dispositif, non illustrée, I'on peut prévoir une série de réservoirs à gaz "haute-pression"(6) ayant des pressions de plus en plus basses; entre deux successifs on installe un régulateur de débit de gaz (7), une enceinte (10) capable de récupérer l'énergie de détente de gaz grâce à une turbine et, éventuellement, un réfrigérant (13), comme il a été expliqué au point d") e O) B") Descriptions particulières: au système précédent, I'on peut apporter les perfectionnements suivants, sans pour autant qu'ils soient indispensables a") Pour l'entretient et d'éventuelles interventions en cas d'incidents, il est conseillé de prévoir un certain nombre de vannes de sécurité (14 ) ; en particulier, à l'entrée et à la sortie des conduits (2) et (5) et des divers réservoirs (6) et (11) . Toujours pour l'entretient, on peut prévoir des ouvertures étanches au bac à électrolyse b") On peut prévoir un tuyau d'aspiration (15) de l'électrolyte usé, ou chargé, ou contenant des dépôts ; cette aspiration se faisant suivant le cas au fond ou au haut du bac à électrolyse (3) ; la sortie de ce tuyau d'aspiration (15) se faisant un peu en dessous du niveau (8) de l'électrolyse dans le réservoir (1) à électrolyte . L'électrolyte sortant de ce tuyau est alors traité, filtré, contrôlé (16) et, éventuellement, remis en circuit après pompage (17) . c") A la mise en route, afin d'évacuer l'air contenu dans les réservoirs à gaz, lors du remplissage de ceux-ci par les gaz de l'électrolyse, il est bon de munir ces réservoirs de systèmes de purge, au haut ou au bas de ces réservoirs suivant la densité de ces gaz Remarques: 1") Lors de la mise en route du système décrit précédemment, il convient que le niveau (8) de l'électrolyte dans le tuyau (2) ou le réservoir (1) ( figure 1 ) soit toujours inférieur au niveau le plus haut (9a) du tuyau d'échappement des gaz (5); puis le remplissage du tuyau (2) et du réservoir (1) doit être réglé de sorte que le niveau (9) reste inférieur au niveau (9a) ; de plus, le système de réglage de sortie de gaz (7) doit rester fermé jusqu'à l'obtention de la pression P désirée dans le réservoir haute-pression (6) 2") Les versions précédentes conviennent particulièrement bien au cas d'électrolyses dans lesquelles les électrodes n'ont pas à être maniées ; un exemple, non limitatif, est donné par la production d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse . II suffit d'installer le dispositif dans un site présentant d'importantes dénivellations (montagnes, mines ou plates-formes de forage marines désaffectées etc ... ) . Sinon, il faut envisager une troisième version du dispositif C") Dans le cas où les électrodes ont à être maniées durant la production, le dispositif est modifié, ainsi que le montre la figure 2, comme suit a") Le réservoir (1), le tuyau (2) et le bac à électrolyse (3) de la figure 1 sont remplacés par une fosse (18) . Pour des questions de rentabilité, le fond de cette dernière peut s'évaser en différentes branches (19) dans lesquelles se passe l'électrolyse et la récolte des gaz produits par l'électrolyse b") Pour faciliter la montée et la descente des électrodes, celles-ci sont groupées par unité (20) ; chacune de ces unités étant surmontée d'un flotteur (21) ouvert vers le bas . Ce dernier fait flotter l'unité lorsqu'il est plein . Pour descendre l'unité, il suffit alors de vider un peu le flotteur et pour le remonter d'y diriger une certaine quantité de gaz, produit par l'électrolyse c") Ces unités (20) d'électrodes sont guidées dans les différentes branches (19) du fond de la fosse (18) par un système de rails (22) d") Le reste du dispositif est semblable à son équivalent dans le premier système, à ceci près que, pour chaque électrode produisant des substances gazeuses, le collecteur de gaz (4), le conduit d'échappement ( 5 ) de gaz, le tuyau éventuel de remontée de l'électrolyte (15) sont à l'intérieur de la fosse (18) et remontent jusqu'au haut de celle-ci D") Dans les versions précédentes de nombreux éléments ( 2, 3, 5, 6, 10 dans les deux premières versions ; 18, 5, 6,10 dans la troisième) sont soumis à des contraintes mécaniques importantes dues aux pressions qu'ils subissent ; ces pressions sont compensées dans une version, non illustrée, où le système est, en grande partie, immergé dans un lac un dans la mer . Le réservoir haute-pression (6) se place juste au-dessus du bac (3), dans le cas immergé dans la première version ; le conduit (5) pouvant avoir alors la forme d'un U renversé . Dans le cas de la deuxième version immergé les divers réservoirs sont situés aux profondeurs correspondants à la pression des gaz qu'ils retiennent . Dans le cas de la troisième version le conduit d'échappement des gaz (5) ne reste plus dans la fosse (18) mais sort de celle-ci juste au-dessus du début des évasements (19) et le ( ou les ) réservoir(s) haute-pression (6) se place aussi à ce niveau à l'extérieur de la fosse (18) Ce dispositif selon l'invension est particulièrement destiné à à diminuer le coup énergétique d'une électrolyse à production gazeuse par la réutilisation d'une partie ou de la totalité de l'èlectricité produite par la turbine (12) pour faire fonctionner la bac (3) I'exemple le plus typique, mais non limitatif, est la production d'oxygène et d'hydrogène Revendications 1") Dispositif pour économiser ou récupérer de l'énergie lors d'électrolyses, produisant des substances gazeuses, caractérisé en ce que le bac (3) à électrolyse est surmonté, de façon étanche, d'un tuyau (2) communiquant avec un réservoir (1) à électrolyte, placé quelques mètres, quelques dizaines, voir centaines de mètres audessus du bac à électrolyse (3), ainsi que, pour chacune des deux électrodes produisant des gaz, d'un conduit (5) d'échappement de ces gaz, débouchant sur un réservoir (6) haute-pression où les gaz sont comprimés par la seule pression de l'éléctrolyte 2") Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le bac à électrolyse (3), le ou les tuyaux de communication (2) de l'électrolyte entre le réservoir d'éléctrolyte (1) et le bac à électrolyse (3), ainsi que le réservoir d'électrolyte (1) sont remplacés par une fosse (18) s'évasant en son fond en différentes branches (19) où est effectuée l'électrolyse et où sont recueillis (4), séparément pour chacune des deux électrodes qui produit des substances gazeuses, les gaz ainsi produits; les gaz sont ensuite dirigés dans un conduit (5) communiquant avec un réservoir hautepression (6) 3 ) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la sortie du réservoir haute-pression (6) est muni d'un système de régulation du débit des gaz (7) sortant de ce réservoir et d'une enceinte de détente (10) de ces gaz où une turbine (12) est actionnée par cette détente ; cette turbine pouvant fournir de l'électricité, grâce à un alternateur (1 2a) ; les gaz étant recueillis dans un réservoir à plus basse pression (11) 4 ) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'on dispose entre les réservoirs à gaz (6) et (11) une série de réservoir à gaz à pressions intermédiaires ; entre deux successifs sont placés une enceinte de détente (10), une turbine (12) et un régulateur de débit (7) 5 ) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la baisse calorifique due à la détente des gaz dans chaque enceinte (10) fait fonctionner un réfrigérant (13) 6 ) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les électrolytes sont groupés en unités (20) surmontées de flotteurs (21) facilitant la montée et la descente de ceux-ci dans la fosse (18) ; leurs montées et descentes étant guidées par des rails (22) 7 ) Dispositif selon la revendication 4 ) caractérisé en ce que le système est en majeure partie immergé dans la mer ou dans un lac, afin de réduire les contraintes sur le système dues aux pressions