Brevet FR2882065A1 — publié le 20060818

La présente invention se rapporte à une installation d'électrolyse d'un liquide pour la production séparée d'au moins deux gaz susceptibles de réagir ensemble de manière explosive. L'électrolyse est un procédé électrochimique permettant de dissocier au moins un électrolyte en au moins deux gaz distincts à l'aide d'un courant électrique, au moins une partie des gaz générés pouvant le cas échéant être rejetée dans l'atmosphère. Une de ses applications les plus connue est la production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse de l'eau. Généralement, la réaction de recombinaison des gaz résultant de cette électrolyse est fortement exothermique voire explosive. Un électrolyseur industriel comprend généralement un empilement de cellules unitaires. Chaque cellule unitaire contient de l'électrolyte en phase liquide, une membrane séparatrice imperméable au gaz, et est équipée de deux électrodes, une anode et une cathode, à travers lesquelles circule un courant électrique. Sous l'effet du courant électrique, la cellule produit deux gaz, l'un à l'anode, l'autre à la cathode, qui sont ensuite chacun séparés de la solution d'électrolyte dans un séparateur liquide-gaz. L'électrolyte ainsi dégazé est retourné dans la cellule. Un équilibrage des pressions de chaque circuit de séparation est effectué par le biais d'un circuit direct entre les deux séparateurs par exemple. En cas de dysfonctionnement de l'installation, il est possible qu'une partie des gaz ainsi formés entre accidentellement en contact, notamment au niveau de la cellule électrolytique ou au niveau des séparateurs, et se remélangent, provoquant éventuellement une explosion. Dans le cas où une partie des équipements vient à rompre, une telle explosion peut générer une onde de surpression dans un rayon de plusieurs mètres autour de l'installation d'électrolyse, distance d'autant plus importante que l'installation d'électrolyse fonctionnait à une pression élevée. Généralement, afin d'assurer la sécurité des personnes opérant sur le site d'implantation de l'installation d'électrolyse, celles-ci sont entourées d'un périmètre de sécurité délimité, par exemple, par des murs, barrières, et/ou sont soumises à des procédures d'intervention strictes. Il convient de noter que la nécessité de ce périmètre de sécurité peut rendre difficile l'implantation d'une installation d'électrolyse dans un site industriel. Une autre façon de limiter le risque de dysfonctionnement réside dans le fait d'équiper ces installations d'un système de contrôle instrumenté complexe de manière à détecter en amont l'occurrence du risque et agir en conséquence avant que l'explosion ne se produise. La mise en oeuvre de chaînes instrumentées de sécurité représente toutefois un surcoût important, notamment à la conception et en termes de maintenance. L'amélioration de la sécurité de telles installations est donc un problème important pour lequel l'homme du métier est toujours à la recherche de solutions plus adaptées. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédemment évoqués, et consiste pour cela en une installation d'électrolyse d'un liquide pour la production séparée d'au moins deux gaz susceptibles de réagir ensemble de manière explosive, et dans laquelle on établit une zone sécurisée vis-à-vis des risques d'explosion en cas de mélange accidentel des deux dits gaz, ladite zone sécurisée comprenant différents organes ou équipements creux adaptés par construction pour fonctionner sous une pression nominale, tels que cellules d'électrolyse, tuyaux, séparateurs, échangeurs ou vannes, en communication les uns avec les autres et susceptibles d'établir entre eux un conduit continu de propagation de toute explosion, caractérisée en ce que la zone sécurisée comprend une partie centrale protégée dont chacun desdits organes ou équipements est adapté par construction, le long du conduit continu de propagation, pour résister sans rupture, et sans apparition de fuite, à une surpression par rapport à la pression nominale de fonctionnement générée par une déflagration. En effet, deux types d'explosion peuvent se produire en cas de mélange des gaz, à savoir une déflagration ou une détonation, ces deux types d'explosion se caractérisant par une onde de combustion qui se propage à une vitesse respectivement subsonique ou supersonique. La détonation s'accompagne en outre d'une onde de choc entretenue par la réaction chimique qui la suit. Dans le cas particulier de l'électrolyse de l'eau, la surpression due à l'onde de combustion issue d'une détonation peut atteindre jusqu'à environ 40 fois la pression nominale de fonctionnement du générateur. Toutefois, les niveaux maximums de surpression dus aux détonations ne sont observés que sur des durées extrêmement courtes, typiquement de l'ordre de quelques millisecondes. Compte tenu de cette faible durée de chargement, les surpressions de détonation ne sont pas comparables à la pression d'éclatement statique des équipements du générateur. Or, après un temps de propagation suffisamment long de l'explosion, de l'ordre de quelques centièmes de secondes, la surpression atteinte de façon homogène dans les circuits sera celle d'une déflagration. En dehors de toute fuite permettant la détente des gaz, la surpression due à la déflagration est susceptible d'être observée pendant un temps de chargement des équipements relativement long, de l'ordre de la seconde, et est donc comparable à la pression statique d'éclatement des équipements. Par conséquent, l'explosion dans les circuits gazeux engendre, en cas de détonation, des surpressions maximales très importantes pendant des durées très courtes, et qui ensuite tendent vers une valeur stable et uniforme voisine de la surpression due à une déflagration. Ainsi, quelle que soit le type d'explosion, l'utilisation d'organes ou d'équipements structurellement adaptés pour résister et empêcher la propagation de l'onde de combustion générée par une déflagration, permet de s'affranchir d'un périmètre de sécurité autour de l'installation d'électrolyse ou d'un système de contrôle instrumenté complexe, ce qui facilite la mise en place d'une telle installation à l'intérieur d'un site industriel. Par ailleurs, la propagation d'une explosion étant empêchée, la sécurité du personnel opérant à proximité de l'installation et l'intégrité du matériel s'en trouvent grandement améliorées. La présente invention apporte donc une solution technique à un problème nouveau puisque l'homme du métier a toujours considéré que la délimitation d'un périmètre de sécurité autour de l'installation ou l'installation d'un système de contrôle instrumenté complexe, était strictement nécessaire. Il convient de noter que le terme zone sécurisée est utilisé dans un sens différent du terme périmètre sécurisé déjà employé. En effet, le terme périmètre sécurisé se réfère à un espace extérieur autour de l'installation d'électrolyse, tandis que le terme zone sécurisée doit être compris comme étant une zone intérieure à l'installation comprenant l'ensemble de ses organes ou équipements susceptibles d'être endommagés par l'explosion. De manière préférentielle, chaque organe ou équipement dans la partie centrale protégée, le long du conduit continu de propagation, est adapté par construction pour résister sans rupture à une surpression égale à au moins dix fois la pression nominale de fonctionnement. Il a en effet été constaté que dans le cas d'une déflagration, la surpression due à l'onde de combustion issue d'une déflagration vaut environ dix fois la pression nominale de fonctionnement. Ceci est notamment le cas pour l'hydrogène. Avantageusement, dans la partie centrale protégée, chacun desdits organes ou équipements est adapté pour résister avec déformation à la surpression générée par une déflagration, par exemple jusqu'à 70% de la contrainte à la rupture, et cela sans apparition de fuite. Une telle tolérance permet de réduire le coût global de l'installation d'électrolyse selon l'invention en rendant possible l'utilisation de canalisations, tuyaux et parois moins épaisses. Selon une première variante de réalisation de l'invention, notamment dans un milieu confiné du type container par exemple, la zone sécurisée comprend une partie périphérique non protégée adaptée pour résister mécaniquement à la surpression générée par une déflagration. Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, notamment dans un milieu confiné, la zone sécurisée comprend une partie périphérique non protégée comportant des moyens susceptibles de l'isoler par rapport au volume continu de propagation de la partie centrale protégée. Une telle disposition permet de réduire encore le coût global de l'installation. Les moyens d'isolation prévus permettent de découpler l'installation d'électrolyse en une zone soumise à la surpression de l'onde de combustion et une zone non soumise à la surpression. De manière préférentielle les moyens d'isolement sont choisis parmi des dispositifs mécaniques tels que clapets antiretour, limiteurs de débit, limiteurs de pression, soupapes de décharge, peu onéreux par rapport à un renfort de structure global pour tout l'équipement. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, notamment dans un milieu confiné, la zone sécurisée comprend une partie non protégée équipée de moyens de ventilation des gaz, ces moyens de ventilation étant dimensionnés de façon à évacuer les gaz qui s'échappent des équipements pour lesquels une rupture est tolérée dans la mesure où l'explosion susceptible de se produire est sans impact sur la sécurité des personnes. Bien évidemment, lorsque l'installation se trouve à l'air libre, la ventilation naturelle est autorisée à la suite d'une telle rupture si la nature des gaz le permet. Par ailleurs, dans une installation d'électrolyse selon l'invention, la pression nominale de fonctionnement est avantageusement supérieure à cinq bars. La présente invention se rapporte également à un atelier de production d'un gaz par électrolyse, grâce à la mise en oeuvre d'une installation d'électrolyse selon l'invention, caractérisé en ce que l'atelier comprend un site d'implantation, non protégé contre les risques d'explosion, sur lequel est implantée ladite installation. Ainsi, grâce à l'utilisation d'une installation d'électrolyse selon l'invention, installation qui est de par sa structure conçue pour empêcher la propagation des ondes de combustion en cas d'explosion, il est possible de s'affranchir du périmètre de sécurité ou du système de contrôle instrumenté complexe, habituellement prévu. Ceci permet d'obtenir un gain de place important et l'implantation de l'atelier d'électrolyse s'en trouve facilitée. La mise en oeuvre de l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui est exposée ci-dessous en regard du dessin annexé dans lequel la figure unique est une représentation schématique d'une installation d'électrolyse de l'eau selon l'invention. Une installation d'électrolyse de l'eau selon l'invention comprend une cellule électrolytique 1 contenant une solution aqueuse saline, du KOH par exemple. Cette cellule électrolytique 1 renferme un empilement de cellules unitaires comprenant chacune une anode 3 et une cathode 5. L'installation représentée schématiquement sur la figure 1 comprend une cellule unitaire 2 dans laquelle l'anode 3 et la cathode 5 sont séparées l'une de l'autre par une membrane 6 imperméable aux gaz. Une différence de potentiel est établie entre l'anode 3 et la cathode 5 afin d'électrolyser l'eau. La solution aqueuse et le gaz produit à l'anode 3, à savoir le dioxygène, sont évacués par une première canalisation 7 vers un premier séparateur 8 liquide/gaz. La solution aqueuse et le gaz produit à la cathode 5, à savoir le dihydrogène, sont évacués par une deuxième canalisation 9 vers un deuxième séparateur 10 liquide/gaz, chaque séparateur 8, 10 se présentant sous la forme d'un réservoir cylindrique en acier inoxydable. Le premier séparateur 8 et le deuxième séparateur 10 sont en communication par l'intermédiaire d'un canal 11 afin d'équilibrer leurs pressions respectives. Le dioxygène séparé de la solution aqueuse dans le premier séparateur 8 est évacué par une canalisation 13 équipée d'une vanne 14 constituant un moyen d'isolement apte à interdire l'écoulement du gaz en aval de ladite vanne 14. De la même manière le dihydrogène séparé de la solution aqueuse 35 dans le deuxième séparateur 10 est évacué par une canalisation 15 équipée d'une vanne 16 constituant également un moyen d'isolement apte à interdire l'écoulement du gaz en aval de ladite vanne 16. La solution aqueuse séparée de son gaz est retournée des séparateurs 8, 10 vers la cellule électrolytique 1 par des canalisations 17, 18 débouchant respectivement au niveau de l'anode 3 et de la cathode 5. Par ailleurs, une alimentation 19 en eau, destinée à remplacer continuellement l'eau consommée lors de l'électrolyse est prévue au niveau du deuxième séparateur 10. Cette alimentation 19 est également équipée d'un vanne 20 constituant un moyen d'isolement apte à se fermer en cas de rupture de l'alimentation 19. Les organes et équipements formant l'installation d'électrolyse selon l'invention sont réalisés en acier inoxydable et possèdent une épaisseur telle qu'ils sont en mesure de résister à une déflagration sans rupture. Plus précisément, ces organes et équipements sont dimensionnés pour résister sans rupture à une surpression égale à dix fois la pression de fonctionnement nominale. Toutefois, pour limiter les coûts, il est possible d'accepter une certaine déformation de ces organes et équipements, sans apparition de fuite cependant. Dans le cas de l'acier inoxydable, on prend avantageusement comme critère de se placer à 70% de la contrainte à la rupture des organes ou équipements, ce qui permet de garder une certaine marge vis-à-vis d'éventuels défaut de fabrication. La pression nominale de fonctionnement de l'installation d'électrolyse dépend du modèle de générateur d'hydrogène utilisé. Pour l'exemple, on considérera que la pression nominale de fonctionnement est soit de 11 bars absolus, soit de 26 bars absolus. L'utilisation des logiciels de modélisation CHEMKIN III et STANJAN permet d'estimer les paramètres caractéristiques d'une explosion. Le logiciel STANJAN est un logiciel développé à l'université de Stanford par le professeur William Reynolds (cf. pages internet disponibles notamment aux adresses http://grashof.engr.colostate. edu/tools/equil. html et http://www.me.mtu.edu/ slpost/CLASS/standoc.html). Ce logiciel permet de résoudre des équations d'équilibre chimique à partir de données thermodynamiques. STANJAN calcule les concentrations, pressions, températures, enthalpies, etc... à l'équilibre pour n'importe quel ensemble de réactifs dont les propriétés sont connues. L'utilisateur peut limiter l'équilibre en précisant des conditions thermodynamiques, telles que des valeurs finales de pression et température, ou de pression et d'enthalpie, ou encore d'énergie interne U et de volume, par exemple, et en limitant les espèces présentes dans les produits de réaction. Par ailleurs, le logiciel STANJAN permet de calculer les valeurs de 5 température, pression et vitesse d'onde de détonation selon la théorie de Chapman-Jouguet sur la détonation. Le logiciel CHEMKIN est commercialisé par la société REACTION DESIGN (cf. adresse Internet http://www.reactiondesign.com), et est notamment cité dans les ouvrages de Messieurs RJ. Kee, M. Rupley, JA. Miller, ME. Coltrin, E. Meeks, HK. Moffat, AE. Lutz, G. Dixon-Lewis etc... . Les calculs donnés ci-après ont été réalisés avec la version 3.6 de CHEMKIN. Ce logiciel est destiné à l'analyse de la cinétique chimique en phase gazeuse et de la cinétique des plasmas. CHEMKIN permet de simuler les réactions chimiques élémentaires associées à un système en écoulement et permet par exemple à l'utilisateur de prédire les profils temporels de pression, température et concentration des différentes espèces. Des calculs thermodynamiques classiques permettent aussi la détermination des paramètres à l'équilibre d'un système chimique donné. CHEMKIN comprend un solveur d'équations élémentaires constituant le mécanisme cinétique détaillé représentant la réaction chimique, ainsi qu'une base de données thermodynamiques pour la résolution des équations. Une pluralité de modèles de réacteurs sont proposés sous la forme de sous-programmes et sont destinés à représenter différents systèmes. A l'aide de ces deux logiciels, il est possible de déterminer, tout 25 d'abord, les paramètres physico-chimiques du système électrolytique au moment de l'explosion, ainsi que ses paramètres cinétiques. Pour une installation d'électrolyse fonctionnant à 80 C sous une pression de 11 bars absolus, la pression maximale atteinte dans les séparateurs est de 89 bars absolus. Pour une installation d'électrolyse fonctionnant sous une pression de 26 bars absolus, le logiciel prévoit une pression maximale de 214 bars absolus. Par mesure de sécurité les calculs ont également été fait pour une installation d'électrolyse fonctionnant à température ambiante, soit environ 20 C. Le logiciel prévoit alors des pressions maximales de 107 et 256 bars absolus pour des installations d'électrolyse fonctionnant sous une pression nominale de respectivement 11 et 26 bars absolus. Ces pressions correspondent aux pressions atteintes en cas de déflagration. Les pressions maximales auxquelles sont susceptibles d'être exposés les séparateurs 8, 10 étant plus élevées à 20 C qu'à 80 C, ce sont les valeurs calculées à 20 C qui sont retenues. Ainsi, en utilisant des organes et équipements résistants à dix fois la pression nominale de fonctionnement, ceux-ci ne rompront pas. Les autres éléments sensibles au niveau desquels il peut y avoir remélange des gaz sont dimensionnés de la même manière, l'ensemble de ces organes ou équipements ainsi structurellement agencés pour résister à une explosion formant une partie centrale protégée 21. Les canalisations 13, 15 et l'alimentation 19, et plus généralement l'ensemble des organes et équipements dans lesquels le risque de remélange est inexistant, ne sont pas nécessairement structurellement agencés selon l'invention, mais sont néanmoins protégés contre toute surpression intempestive en provenance de la partie centrale protégée 21 par les moyens d'isolement que constituent les vannes 14, 16, 20. Ces différents équipements appartiennent alors à une partie périphérique non protégée 22 qui forme néanmoins une zone sécurisée 23 avec la partie centrale protégée 21. Il doit toutefois être bien compris que tous ou une partie seulement de ces organes et équipements peuvent être renforcés dans leurs structure. Notamment, dans le cas d'une installation d'électrolyse en milieu confiné du type container, il est important de ne pas avoir de fuite de gaz à l'intérieur du container, ceux-ci en s'accumulant risquant alors de provoquer une explosion plus importante. Pour ce faire, la zone sécurisée 23 pourra être renforcée mécaniquement dans sa structure au niveau de la zone périphérique non protégée 21 afin de pouvoir résister à la surpression générée par la déflagration et ainsi empêcher toute fuite de gaz. Alternativement, la partie périphérique non protégée 21 comporte des moyens 14, 16, 20 susceptibles de l'isoler par rapport au volume continu de la partie centrale protégée et qui empêche l'échappement des gaz. En variante, des moyens de ventilation (non représentés) peuvent être prévus pour éliminer le gaz de la partie périphérique non protégée 22 provenant de la rupture tolérée de certains organes et équipements au niveau desquels l'explosion susceptible de se produire est sans impact sur la sécurité des personnes. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Installation d'électrolyse d'un liquide pour la production séparée d'au moins deux gaz susceptibles de réagir ensemble de manière explosive, et dans laquelle on établit une zone sécurisée (23) vis-à-vis des risques d'explosion en cas de mélange accidentel des deux dits gaz, ladite zone sécurisée comprenant différents organes ou équipements (1 à 20) creux adaptés par construction pour fonctionner sous une pression nominale, tels que cellules d'électrolyse (1), tuyaux (7, 9, 13, 15, 17, 18, 19), séparateurs (8, 10), échangeurs ou vannes (14, 16, 20), en communication les uns avec les autres et susceptibles d'établir entre eux un conduit continu de propagation de toute explosion, caractérisée en ce que la zone sécurisée comprend une partie centrale protégée (21) dont chacun desdits organes ou équipements est adapté par construction, le long du conduit continu de propagation, pour résister sans rupture à une surpression par rapport à la pression nominale de fonctionnement, générée par une déflagration. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque organe ou équipement (1 à 11, 17, 18) dans la partie centrale protégée (21), le long du conduit continu de propagation, est adapté par construction pour résister sans rupture à une surpression égale à au moins dix fois la pression nominale de fonctionnement. 3. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que, dans la partie centrale protégée (21), chacun desdits organes ou équipements (1 à 11, 17, 18) est adapté pour résister avec déformation à la surpression générée par une déflagration, par exemple jusqu'à 70% de la contrainte à la rupture. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la zone sécurisée (23) comprend une partie périphérique non protégée (22) adaptée pour résister mécaniquement à la surpression générée par une déflagration. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la zone sécurisée (23) comprend une partie périphérique non protégée (22) comportant des moyens (14, 16, 20) susceptibles de l'isoler par rapport au volume continu de propagation de la partie centrale protégée (21). 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens (14, 16, 20) d'isolement sont choisis parmi les clapets antiretour, les limiteurs de débit, les limiteurs de pression, les soupapes de décharge. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la zone sécurisée (23) comprend une partie non protégée (22) équipée de moyens de ventilation des gaz. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la pression nominale de fonctionnement est supérieure 10 à cinq bars. 9. Atelier de production d'un gaz par électrolyse, grâce à la mise en oeuvre d 'une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'atelier comprend un site d'implantation, non protégé contre les risques d'explosion, sur lequel est implantée ladite installation.