Brevet FR2894256A1 — publié le 20070608

Installation autonome de production d'hydrogène et procédé de fonctionnement d'une telle installation. L'invention concerne une installation autonome de production d'hydrogène et son procédé de fonctionnement. Elle concerne en particulier une installation autonome utilisant une source d'énergie hydraulique ou éolienne. De nombreux territoires ont été équipés dans les siècles passés d'installations pour capter l'énergie mécanique disponible dans la nature comme l'énergie hydraulique ou l'énergie éolienne. Ainsi, de petites chutes d'eau ont été aménagées avec des moulins à eau, en particulier pour moudre les céréales, mais aussi pour des applications semi-industrielles comme le travail des métaux, du cuir ou du textile. Elles sont pour la plupart délaissées aujourd'hui, concurrencées par le moteur électrique et les grandes installations de production d'électricité. Aujourd'hui, l'hydraulique des grands barrages a atteint bien souvent ses limites. Face au renchérissement de l'énergie et grâce à des modifications réglementaires, l'exploitation des petites installations peut retrouver de l'intérêt. Cependant, une petite source d'énergie isolée ne peut souvent pas être exploitée avec une production d'électricité raccordée au réseau électrique. Les frais de raccordement au réseau sont prohibitifs. Par ailleurs, le raccordement au réseau impose de fournir du courant à une tension et à une fréquence précise, ce qui impose des installations techniques particulières et onéreuses. Dans une autre optique, l'électricité ne se stocke pas directement. On connaît par le document US 6,104,097 une installation de génération d'électricité à énergie hydraulique comportant un corps submersible. Le corps est placé dans le flux d'un cours d'eau. Le corps est prolongé par une turbine hydraulique entraînant une génératrice électrique montée dans le corps. L'électricité produite est utilisée pour produire de l'hydrogène par électrolyse dans une cuve à électrolyse embarquée dans le corps. L'hydrogène est refoulé par une pompe à travers une conduite vers un réservoir placé sur une berge à côté du cours d'eau. Une telle installation permet de convertir l'électricité en énergie chimique potentielle qui est stockable. Il n'est donc pas nécessaire de relier une telle installation à un réseau électrique. Cependant, l'hydrogène n'est pas fourni sous une forme aisément transportable. C'est donc un objectif de l'invention de proposer une installation de production d'hydrogène conditionnant l'hydrogène sous une forme transportable. Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet une installation de production d'hydrogène comportant un générateur électrique apte à être entraîné par une machine motrice, une cuve d'électrolyse alimentée en électricité par le générateur électrique, et un compartiment à hydrogène recueillant de l'hydrogène. Elle comporte en outre au moins une cuve de compression de l'hydrogène, un collecteur relié à la cuve de compression pour connecter un réservoir d'hydrogène comprimé, une pompe pour remplir la cuve de compression avec de l'eau sous pression par l'intermédiaire d'un circuit d'eau, des moyens de distribution permettant de mettre en communication sélectivement le compartiment à hydrogène avec la cuve de compression ou la cuve de compression avec le collecteur, des moyens de commande du circuit d'eau pour envoyer sélectivement l'eau comprimée vers la cuve de compression ou pour évacuer l'eau de la cuve. Grâce à l'invention, on transforme une énergie naturelle renouvelable en une autre forme d'énergie stockable à volonté. Une telle installation peut être mise en oeuvre à peu près partout dans la nature avec simplement un accès routier. En particulier, elle peut être mise en place en exploitant les nombreuses anciennes installations de moulins à eau ou à vent. La machine motrice peut être déjà en place et l'installation se connecte sur la machine motrice par des moyens d'accouplement adaptés. La machine motrice peut être de tout type et désigne d'une manière générale une machine transformant directement une énergie renouvelable en énergie mécanique. L'eau qui est envoyée dans la cuve de compression comprime fortement l'hydrogène présent jusqu'à la pression nécessaire pour son stockage et le chasse dans le réservoir. La pression de stockage est par exemple comprise entre 120 et 150 bars. La pompe permettant la mise en pression du gaz comprime du liquide et est donc plus simple qu'une pompe devant comprimer un gaz tel que l'hydrogène. Le stockage dans des réservoirs à ce niveau de pression est couramment utilisé et est parfaitement maîtrisé. De préférence, l'installation comporte au moins deux cuves de compression, les moyens de distribution permettant le remplissage en hydrogène de l'une des cuves pendant la compression de l'hydrogène dans l'autre cuve. La phase de compression peut ainsi se produire en temps masqué, pendant que la production d'hydrogène continue. Elle peut donc s'étendre sur une durée relativement longue, ce qui permet d'obtenir une compression à température relativement constante et avec un très bon rendement énergétique. L'hydrogène n'est pratiquement pas échauffé avant son transfert dans le réservoir, ce qui lui donne une densité volumétrique maximale, afin d'optimiser le niveau de remplissage du réservoir. Selon une disposition particulière, l'installation comporte un réservoir d'eau pour alimenter la pompe haute pression en eau et pour recevoir l'eau évacuée de la cuve de compression. Ainsi, l'eau utilisée par l'installation reste en permanence dans l'installation. Comme elle reçoit un appoint venant de la condensation de la vapeur d'eau au cours de la compression, il faut prévoir une évacuation par un trop-plein. Selon une disposition constructive, l'installation comporte un châssis sur lequel sont fixés le générateur, la cuve à électrolyse, la cuve de compression et les moyens de distribution et de commande. L'installation se présente alors sous la forme d'un module ou d'un bloc qui est par exemple monté en atelier et mis en place sur le lieu de production. Il reste ensuite à réaliser l'accouplement mécanique à la machine motrice et la connexion du réservoir au collecteur. Dans une configuration particulière, la machine motrice est une turbine hydraulique. L'installation permet alors d'exploiter des cours d'eau, en particulier de faible débit en comparaison des installations hydro- électriques classiques. De plus, l'eau utilisée par l'électrolyse et pour la compression de l'hydrogène est disponible sur place. L'installation est alors parfaitement autonome et, en particulier, elle se dispense de raccordement électrique à un réseau. L'invention a aussi pour objet un procédé de production d'hydrogène par électrolyse dans lequel on fait tourner un générateur électrique entraîné par une machine motrice pour produire de l'électricité et on réalise une électrolyse d'eau dans une cuve à électrolyse pour produire de l'hydrogène, on transfère l'hydrogène produit d'un compartiment à hydrogène de la cuve à électrolyse vers une cuve de compression pleine d'eau et on évacue progressivement l'eau de sorte à remplacer l'eau par l'hydrogène dans la cuve de compression. Lorsque la cuve de compression est pleine d'hydrogène, on isole la cuve du compartiment à hydrogène et on envoie de l'eau sous pression dans la cuve pour comprimer l'hydrogène, on transfère l'hydrogène comprimé dans la cuve de compression vers un réservoir à hydrogène, et on recommence un cycle à partir du transfert d'hydrogène en poursuivant l'électrolyse. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une vue schématique de l'implantation d'une installation conforme à l'invention ; la figure 2 est un schéma fonctionnel d'une installation conforme à l'invention ; les figures 3 et 4 sont des schémas fonctionnels 15 détaillant le fonctionnement de la mise en pression de l'hydrogène ; les figures 5 et 6 sont des vues schématiques de l'installation de la figure 1, respectivement en vue de face et de dessus. 20 Une installation conforme à l'invention est implantée le long d'un cours d'eau comme montré sur la figure 1. De l'eau est stockée dans une retenue 3 et est canalisée vers une turbine 2 hydraulique puis vers un chenal d'évacuation 4. L'installation 1 de production 25 d'hydrogène est reliée à la turbine 2 et est protégée des intempéries par un abri 5. Des réservoirs 6 d'hydrogène sous pression sont posés à proximité immédiate de l'abri 5. En se référant à la figure 2, l'installation 1 30 comporte un générateur électrique 10, une cuve d'électrolyse 11 et deux cuves de compression 12, 13 de l'hydrogène, montés sur un châssis 100, comme montré sur les figures 5 et 6. Le générateur électrique 10 est accouplé mécaniquement à la roue de la turbine 2 par 35 l'intermédiaire d'un multiplicateur 15 de vitesse. Il produit de l'électricité en courant continu et alimente la cuve d'électrolyse 11. La cuve à électrolyse 11 contient de l'eau mélangée avec des sels d'électrolyte. Elle comporte un compartiment à hydrogène 110 recueillant l'hydrogène et un compartiment à oxygène 111 recueillant l'oxygène. Le compartiment à oxygène 111 est relié directement à l'atmosphère par un conduit d'évacuation 114 pour évacuer l'oxygène, qui n'est pas recueilli. En effet son exploitation à petite échelle ne s'avère pas intéressante. La cuve d'électrolyse 11 peut être alimentée sur commande par de l'eau et par de la saumure, du sel ou de l'acide contenu dans une réserve 113 pour maintenir le niveau d'eau et la concentration de l'électrolyte. Il est également prévu une purge 115 pour évacuer de l'électrolyte afin d'éviter la concentration de sels indésirables. Le compartiment à hydrogène 110 est relié aux cuves de compression 12, 13 par l'intermédiaire d'un compensateur 116 volumique. Une première 12 des deux cuves de compression peut être reliée ou isolée du compensateur 116 sur commande par une première vanne d'entrée 122. La deuxième cuve de compression 13 peut être reliée ou isolée du compensateur 116 sur commande par une deuxième vanne d'entrée 132. La première cuve de compression 12 peut être reliée ou isolée d'un collecteur 14 par l'intermédiaire d'une première vanne de sortie 123, tandis que la deuxième cuve de compression 13 peut être reliée ou isolée du collecteur 14 par l'intermédiaire d'une deuxième vanne de sortie 133. De préférence, une vanne anti-retour 140 placée en amont du collecteur 14 garantit que le flux d'hydrogène est toujours orienté des cuves de compression 12, 13 vers le collecteur 14. Le collecteur 14 est relié de manière amovible au réservoir 6 d'hydrogène. Un générateur secondaire 101, monté sur le même axe de rotation que celui du générateur électrique 10, fournit de l'électricité pour alimenter un circuit de commande 17. Une batterie d'accumulateurs 170 permet également de garantir la présence d'électricité pour le circuit de commande 17 même si le générateur secondaire 101 n'est pas entraîné. L'installation 1 comporte un circuit de circulation d'eau à basse pression et un circuit d'eau à haute pression. Le circuit d'eau à basse pression BP, repéré par des traits simples obliques sur les lignes symbolisant des conduites, sert au refroidissement des éléments de l'installation 1. Le circuit à haute pression HP, repéré par des traits doubles obliques sur les lignes symbolisant les conduites, sert à la compression de l'hydrogène. Une première 18 et une deuxième pompe 19 sont entraînées par l'intermédiaire du multiplicateur 15. La première pompe 18 prélève de l'eau dans le cours d'eau et la fait circuler dans le circuit à basse pression. La deuxième pompe 19 prélève de l'eau dans un réservoir d'eau 16 pour l'envoyer dans le circuit à haute pression. Le niveau de l'eau dans le réservoir d'eau 16 est à l'air libre. Le circuit à basse pression alimente une première chambre de refroidissement 117 qui entoure la cuve à électrolyse 11, une deuxième 124 et une troisième chambre 134 de refroidissement entourant la première 12 et la deuxième cuve de compression 13 respectivement. Chaque chambre de refroidissement 117, 124, 134 comporte une ligne de retour pour évacuer l'eau vers le cours d'eau. L'eau circule dans les chambres de refroidissement 117, 124, 134 dès que la turbine 2 transmet son mouvement à l'installation 1. La première cuve de compression 12 est alimentée en eau sous pression par la deuxième pompe 19, par l'intermédiaire d'une première vanne de compression 120. De même, la deuxième cuve de compression 13 est alimentée de la même manière par l'intermédiaire d'une deuxième vanne de compression 130. La première 12 et la deuxième cuve de compression 13 sont également reliées au réservoir d'eau 16 par l'intermédiaire respectivement d'une première 121 et d'une deuxième vanne de détente 131. L'arrivée et la sortie de l'eau haute pression des cuves de compression 12, 13 sont connectées en partie inférieure des cuves. Le circuit de commande 17 permet de piloter des moyens de distribution formés par les vannes de compression 120, 130 et les vannes de détente 121, 131, ainsi que des moyens de commande formés par les vannes d'entrée 122, 132 et les vannes de sortie 123, 133. Il permet également de piloter la concentration de l'électrolyte par des moyens classiques qui ne seront pas décrits. Sur les figures, les vannes sont représentées par un cercle centré sur une conduite symbolisée par un trait. La position de la vanne est symbolisée par une barre placée à côté du cercle : lorsque la barre est dans le sens de la conduite, la vanne est ouverte, tandis que quand la barre est perpendiculaire à la conduite, la vanne est fermée. Grâce au circuit de commande 17, le fonctionnement de l'installation 1 est le suivant. On considère au départ que la première cuve de compression 12 est pleine d'hydrogène et vide d'eau, et que la deuxième cuve de compression est pleine d'eau. La première vanne de détente 121 est fermée, et la première vanne de compression 120 est ouverte. La deuxième vanne de détente 131 est ouverte, et la deuxième vanne de compression 130 est fermée. La première vanne d'entrée 122 est fermée, et la première vanne de sortie 123 est ouverte. La deuxième vanne d'entrée 132 est ouverte, et la deuxième vanne de sortie 133 est fermée. La première cuve de compression 12 se remplit d'eau tandis que la deuxième cuve de compression 13 se vide d'eau et se remplit d'hydrogène en provenance de la cuve à électrolyse, comme illustré sur la figure 3. Le niveau d'eau monte progressivement dans la première cuve de compression 12, ce qui comprime l'hydrogène. Dès que le niveau de pression dépasse la pression de l'hydrogène dans le réservoir 6, la vanne anti-retour 140 autorise l'écoulement de l'hydrogène comprimé vers le réservoir 6. Dans le même temps, l'eau s'écoule complètement de la deuxième cuve de compression 13 qui se remplit d'hydrogène. Dès que l'eau atteint le niveau bas de la deuxième cuve, la deuxième vanne de détente 131 est fermée. Dès que l'eau atteint le haut de la première cuve de compression 12, la première vanne de sortie 123 et la première vanne de compression 120 sont fermées. Dès que ces deux conditions sont remplies, les moyens de distribution et les moyens de commande sont permutés pour inverser le fonctionnement des cuves de compression 12, 13. La première vanne de détente 121 est ouverte, et la première vanne de compression 120 est fermée. La deuxième vanne de détente 131 est fermée, et la deuxième vanne de compression 130 est ouverte. La première vanne d'entrée 122 est ouverte, et la première vanne de sortie 123 est fermée. La deuxième vanne d'entrée 132 est fermée, et la deuxième vanne de sortie 133 est ouverte. La deuxième cuve de compression 13 se remplit d'eau tandis que la première cuve de compression 12 se vide d'eau et se remplit d'hydrogène en provenance de la cuve à électrolyse, comme illustré sur la figure 4. Les rôles de la première 12 et de la deuxième cuve de compression 13 sont alors inversés et le cycle se poursuit jusqu'à l'évacuation complète de l'hydrogène hors de la deuxième cuve de compression 13. On se retrouve alors dans la situation de départ, et on peut recommencer un nouveau cycle. A titre d'exemple, l'installation 1 est implantée sur une chute d'eau avec un dénivelé de deux mètres, pour un débit de 323 litres par seconde. La puissance mécanique développée est de 6,3 kW et permet de fournir 1 m3/h d'hydrogène aux conditions normales, soit environ 90 g. Le montage de l'installation 1 sur un châssis 100 permet de constituer un ensemble facile à transporter et à installer. Si l'ensemble doit être remplacé ou déplacé, il n'est pas nécessaire de réaliser un gros travail de remise en service. En effet, toutes les connexions entre les éléments restent en place. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple. Le générateur électrique 10 pourrait générer du courant électrique alternatif qui serait redressé par un redresseur électronique. De même, le courant alimentant le circuit de commande 17 pourrait être prélevé sur le générateur électrique 10 et transformé. Les vannes d'entrée et de sortie peuvent être remplacées avantageusement par des clapets anti-retour, passants dans le sens du flux d'hydrogène. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'hydrogène comportant : un générateur électrique (10) apte à être entraîné par une machine motrice (2) ; une cuve d'électrolyse (11) alimentée en électricité 5 par le générateur électrique (10) ; un compartiment à hydrogène (110) recueillant de l'hydrogène ; caractérisée en ce qu'elle comporte en outre : - au moins une cuve de compression (12, 13) de 10 l'hydrogène ; un collecteur (14) relié à la cuve de compression (12, 13) pour connecter un réservoir (6) d'hydrogène comprimé ; une pompe (19) pour remplir la cuve de compression (12, 15 13) avec de l'eau sous pression par l'intermédiaire d'un circuit d'eau ; - des moyens de distribution (122, 123, 132, 133) permettant de mettre en communication sélectivement le compartiment à hydrogène (110) avec la cuve de 20 compression (12, 13) ou la cuve de compression (12, 13) avec le collecteur (14) ; des moyens de commande (120, 121, 130, 131) du circuit d'eau pour envoyer sélectivement l'eau comprimée vers la cuve de compression (12, 13) ou pour évacuer l'eau 25 de la cuve. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux cuves de compression (12, 13), les moyens de distribution (122, 123, 132, 133) et de commande (120, 121, 130, 131) 30 permettant le remplissage en hydrogène de l'une des cuves de compression (12, 13) pendant la compression de l'hydrogène dans l'autre cuve. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un réservoir d'eau(16) pour alimenter la pompe (19) en eau et pour recevoir l'eau évacuée de la cuve de compression (12, 13). 4. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un châssis (100) sur lequel sont fixés le générateur électrique (10), la cuve à électrolyse (11), la cuve de compression (12, 13) et les moyens de distribution (122, 123, 132, 133) et de commande (120, 121, 130, 131). 5. Installation selon la revendication 1, dans 10 laquelle la machine motrice (2) est une turbine hydraulique. 6. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la pompe (19) est entraînée par la machine motrice (2). 15 7. Procédé de production d'hydrogène par électrolyse dans lequel : a) on fait tourner un générateur électrique (10) entraîné par une machine motrice (2) pour produire de l'électricité et on réalise une électrolyse d'eau dans 20 une cuve à électrolyse (11) pour produire de l'hydrogène ; b) on transfère l'hydrogène produit d'un compartiment à hydrogène (110) de la cuve à électrolyse (11) vers une cuve de compression (12, 13) pleine d'eau et on évacue 25 progressivement l'eau de sorte à remplacer l'eau par l'hydrogène dans la cuve de compression (12, 13) ; c) lorsque la cuve de compression (12, 13) est pleine d'hydrogène, on isole la cuve du compartiment à hydrogène (110) et on envoie de l'eau sous pression 30 dans la cuve de compression (12, 13) pour comprimer l'hydrogène ; d) on transfère l'hydrogène comprimé dans la cuve de compression {12, 13) vers un réservoir (6) à hydrogène ; 35 e) on recommence un cycle à partir de l'étape b) en poursuivant l'étape a). 8. Procédé de production d'hydrogène selon la revendication 1, dans lequel on utilise au moins deux cuves de compression (12, 13), et on effectue les étapes c) et d) avec l'une des cuves de compression (12) pendant qu'on effectue l'étape b) pour une autre des cuves de compression (13).