Brevet FR2851304A1 — publié le 20040820

La présente invention concerne un procédé d'extraction de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Avant que le monde ne se chauffe, s'éclaire ou roule proprement à l'hydrogène, encore faut-il que ce gaz puisse être produit et acheminé au moindre cot. Car si la démocratisation du tandem pile à combustible - hydrogène se profile déjà, une série d'obstacles se dressent encore sur sa route. Le premier est aussi le plus décisif: o trouver le précieux hydrogène ? Eh bien!, il faut l'extraire, puisque cet élément ne se trouve sur terre, qu'associé à d'autres, oxygène ou carbone, par exemple. De fait, il n'est pas une source primaire d'énergie, comme le 10 pétrole. Or, l'extraction de l'hydrogène n'a, en apparence, rien de compliqué. Chaque années, les industriels en extraient plus de 500 milliards de m3. Et 95% de l'hydrogène produite à ce jour l'est par des pétroliers! Toutefois cet hydrogène n'a pas aujourd'hui vocation à servir de vecteur d'énergie: la moitié de la production mondiale entre dans la fabrication d'engrais ammoniaques, le 15 reste sert à élaborer carburants et à fabriquer des aciers, des verres et... de la margarine. Il n'empêche: quelle que soit la destination, le procédé d'extraction, appelé vaporeformage, reste le même. Il consiste à faire réagir le méthane du gaz naturel avec de la vapeur d'eau sur un catalyseur en nickel à haute température (900'C environ) pour en libérer l'hydrogène. L'inconvénient majeur tient à l'utilisation même du gaz naturel: comme le pétrole, il s'agit d'un hydrocarbure dont les ressources ne sont pas éternelles! De plus, le vaporeformage rejette du CO2 qu'il faudrait piéger à grand prix (25% du cot de production) sous peine d'aggraver l'effet de serre. Outre celle du vaporeformage, la fabrication de l'hydrogène peut emprunter trois 25 filières: la biomasse, l'électrolyse et le craquage. Or toutes trois se heurtent à de vraies difficultés. Face au vaporeformage et à la production de biomasse, l'électrolyse de l'eau fait figure de solution miracle: très simple à mettre en oeuvre, le procédé ne rejette que de l'hydrogène et de l'oxygène! Ces deux composants primaires de l'eau sont obtenus par le passage d'un courant électrique entre deux électrodes. Mais le rendement énergétique de l'électrolyse est désastreux: si 5 kWh sont nécessaires pour produire 1 m3 d'hydrogène, on n'en récupère que 1,8 kWh d'électricité dans une pile à combustible. Cette faiblesse physique ne condamne pas totalement l'électrolyse du point de vue économique: elle remplirait éventuellement une mission d'appoint, en stockant les surplus d'électricité issus de l'atome. En raison de l'inertie de leur fonctionnement, les centrales nucléaires ne peuvent s'accorder instantanément avec les fluctuations de la demande, ce qui induit une inévitable surproduction. Selon les experts, (pour qui le reformage de gaz naturel constituera la principale source d'hydrogène en 2050), à qui l'on on demande si l'électrolyse sortira un jour d'une logique de surplus, la réponse est: difficile, mais pas exclu. Et c'est ici, précisément, que se situe l'objectif de présente invention. La technologie progresse, sur la voie de l'élévation des pressions et du temps de réactivité des électrolyseurs. De nouvelles voies expérimentales à très hautes températures (8000C) sont aussi explorées, en tandem avec un nouveau type de réacteur nucléaire, le Very High Temperature Reactor (VTRH), dont le premier prototype pourrait voir le jour, vers 2015. Etudié dans le cadre d'un programme international dit " Generation IV " auquel dix pays 15 participent, dont la France. L'ultime filière de production actuellement envisagée est celle du craquage catalytique. Ce procédé consiste à "casser" les liaisons moléculaires de l'eau en la chauffant à 700'C, en présence d'un catalyseur. Toutefois, le craquage catalytique, comme du reste l'électrolyse à haute température, n'est encore qu'une hypothèse de recherche, et 20 qui plus est, liée à l'utilisation d'un nouveau type de réacteur nucléaire. La présente invention consiste en un dispositif récupérateur d'énergie permettant d'améliorer le rendement énergétique de l'électrolyse de l'eau, en vue d'en extraire l'hydrogène à moindre cot. Il exploite le principe de la poussée d'Archimède. Le fonctionnement du dispositif est similaire à celui d'un tapis roulant à godets, dont le 25 moteur serait remplacé par une génératrice de courant, et les godets par des récipients destinés à recueillir les gaz. L'ensemble est immergé, et disposé verticalement, de manière à ce que les récipients, recouvrant les électrodes, récupèrent les gaz. Lors du passage du courant entre les électrodes, il se produit des dégagements gazeux sous forme de bulles. Ces dernières remontent sous l'effet de la poussée d'Archimède, et se 30 retrouvent piégées dans le récipient. Ce dernier accumule les gaz hydrogène et oxygène ainsi que la somme de leur énergie. Ainsi, l'accumulation d'énergie, due à la poussée d'Archimède, est transmise mécaniquement par le récipient au tapis roulant, puis à l'axe de la génératrice, qui à son tour la transforme en énergie électrique, destinée aux électrodes. L'hydrogène et l'oxygène ainsi produits seront récupérés en haut du dispositif avant que le récipient plein n'entre en phase descendante. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure la représente en perspective, le dispositif de l'invention, La figure lb représente en perspective, le récipient en détail. Le dispositif est destiné à fonctionner en immersion dans une eau constituant l'électrolyte, comme par exemple en milieu marin dont l'eau salée constitue l'électrolyte; ou dans tout autre réservoir d'eau, suffisamment profond. Dans ce dernier cas, l'adjonction d'un élément chimique tel que du sel et analogue, rendra l'eau conductrice. En référence à la fig. la, l'invention est constitué d'un tapis roulant (6) sur lequel sont fixés les récipients (5). Le tapis est tendu entre deux axes posés sur roulements (11) et supportés par le cadre (10). Le tout étant disposé verticalement. L'axe (7) est libre, tandis que l' axe (8) est relié à un générateur électrique (9). L'ensemble est fixé sur un même 15 socle (2) que les électrodes (1), et de manière à ce que les récipients, lors de leur déplacement en phase ascendante, circulent à l'aplomb des électrodes. Lorsqu'elles sont alimentées en courant continu, les électrodes (1) produisent des dégagements gazeux, sous forme de bulles d'hydrogène (3) d'une part, et d'oxygène (4) de l'autre. Ces dernières remontent sous l'effet de la poussée d'Archimède et se trouvent piégées dans le récipient (5) couvrant les électrodes sur toute leur longueur. Les gaz s'accumulant dans le récipient; la somme des énergies de chaque bulle de gaz est transmise mécaniquement au tapis roulant (6). Le récipient au dessus des électrodes se remplit de gaz au fur et à mesure de sa 25 progression, jusqu'à ce que le suivant prenne la relève. Les énergies ainsi emmagasinées dans les récipients ascendants confèrent à la structure son mouvement et transmettent de l'énergie mécanique au générateur électrique (9). L'énergie électrique ainsi récupérée est destiné à être ajouté à la source d'alimentation des électrodes. En référence à la figure lb, les gaz sont accumulés séparément du fait de la présence d'une cloison (12). Les gaz hydrogène et oxygène sont récupérés à des fins de stockage, par un système d'aspiration, avant que le récipient plein n'entre en phase descendante. Aussi, pourrait-on envisager un tel système entièrement autonome (nécessitant une source auxiliaire seulement pour l'amorcer) s'il est immergé à une profondeur suffisante, et équipé de récipients ad hoc. On peut ajouter des flotteurs au dessus de la structure, de manière à mettre à 5 contribution l'énergie mécanique des vagues présente à la surface. Celle-ci viendrait s'ajouter directement sur l'axe du générateur. La structure présentant déjà le système de conversion mécaniqueélectrique. D'autres énergies renouvelables disponibles sur site: photovoltaque, éolienne, marée motrice,... pourront également y être associés. On peut remarquer l'existence de temps morts, du fait que le récipient s'éloigne progressivement des électrodes, En effet, quand une bulle est produite, son énergie n'est pas récupérée durant la distance parcourue avant d'atteindre le récipient. Aussi, une solution non représentée ici, consistant en une version hélicodale du dispositif est à l'étude. 1 5 Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à produire à moindre cot de l'hydrogène gazeux par électrolyse de l'eau. 5 REVENDICATION 1. Dispositif destiné a améliorer le rendement de l'électrolyse de l'eau dans le but d'en extraire l'hydrogène, ledit dispositif étant composé d'une part, d'au moins deux électrodes immergées dans une eau électriquement conductrice telle que de l'eau de mer, et alimentées en courant électrique; d'autre part, d'un dispositif spécifique de transformation d'une énergie mécanique en énergie électrique constitué d'une génératrice (9) chargée de transformer un travail mécanique en énergie électrique, - d'un système de transmission de l'énergie mécanique à la génératrice, 10 constitué d'un tapis roulant (6) équipé de récipients (5) et disposé verticalement de manière à ce que les récipients ascendants se trouvent être en position renversée à l'aplomb des électrodes, les récipients comportant une cloison (12), de manière à ce que les gaz s'accumulent séparément dans leur compartiment respectif, caractérisé en ce que lesdits récipients sont disposés au dessus desdites électrodes (1) de manière à accumuler les bulles de gaz et par conséquent l'énergie mécanique résultante de la poussée d'Archimède exercée par les gaz sur les parois dudit récipient, lequel récipient transmet, par le biais dudit système spécifique de transmission, ladite énergie mécanique à la génératrice (9).