Brevet FR2930770A1 — publié le 20091106

La présente invention concerne une installation de production et de distribution d'hydrogène utilisé notamment pour alimenter une flotte de véhicules urbains. L'intérêt de l'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique notamment dans le domaine des transports est de plus en plus croissant principalement pour des raisons environnementales liées notamment à l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Cependant, l'un des freins actuels au développement de l'hydrogène est de nature à la fois technique et économique. En effet, sur le plan technique, quatre étapes sont nécessaires pour la mise en oeuvre d'une filière complète, à savoir la production, le transport, le stockage mobile pour des véhicules, et la transformation de l'hydrogène. En particulier, le transport de l'hydrogène produit s'effectue notamment par camions ou pipe-line, sous forme gazeuse ou liquide, aux différentes stations de distribution éparpillées dans une zone géographique donnée pour permettre aux véhicules d'être alimentés en hydrogène. Un tel transport de l'hydrogène est extrêmement coûteux. En outre, l'hydrogène utilisé peut être produit à partir des combustibles fossiles en particulier le gaz naturel. Cependant, ce type de production nécessite de prévoir des unités de séquestration du dioxyde de carbone CO2 si l'on souhaite qu'elle se poursuive dans les meilleures conditions environnementales possibles. L'hydrogène peut également être produit par craquage de l'eau suivant un procédé thermochimique, la chaleur nécessaire à ce procédé étant alors fournie par des réacteurs nucléaires dédiés à haute température, mais ce procédé est à ce jour relativement coûteux. Une autre technologie de production d'hydrogène est l'électrolyse de l'eau, mais les électrolyseurs utilisés à cet effet consomment une grande quantité d'énergie électrique, augmentant de la sorte le prix de vente final de l'hydrogène produit. La présente invention a pour but de s'affranchir des inconvénients ci-dessus des procédés connus de 5 production d'hydrogène. A cet effet, l'invention propose une installation de production d'hydrogène qui est caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un incinérateur de déchets ménagers, un générateur apte à produire de la vapeur 10 d'eau à partir de la chaleur de combustion des déchets incinérés dans l'incinérateur, un turboalternateur alimenté par la vapeur d'eau du générateur et un dispositif électrolyseur alimenté en courant électrique par le turboalternateur pour fournir de l'hydrogène. 15 De préférence, l'installation comprend au moins un réservoir de stockage relié au dispositif électrolyseur pour alimenter en hydrogène sous pression une ou plusieurs stations de distribution d'hydrogène à des véhicules notamment urbains, chaque station de 20 distribution étant proche de l'installation. L'hydrogène produit par le dispositif électrolyseur alimente un réseau d'hydrogène. Selon une première variante de réalisation, le réservoir de stockage est relié directement au dispositif 25 électrolyseur et alimente en hydrogène les stations de distribution par l'intermédiaire d'un ou plusieurs compresseurs. Selon une seconde variante de réalisation, le dispositif électrolyseur est relié par l'intermédiaire 30 d'au moins un compresseur au réservoir de stockage qui est relié aux stations de distribution d'hydrogène. Le réservoir de stockage peut également alimenter en hydrogène au moins une pile à combustible pour des applications stationnaires. 35 Avantageusement, le dispositif électrolyseur produit de l'oxygène pouvant alimenter en oxygène au moins une grille d'incinération de l'incinérateur. L'installation peut comporter au moins un réservoir de stockage relié au dispositif électrolyseur pour alimenter en oxygène sous pression au moins une pile à combustible pour des applications stationnaires ou au moins une grille d'incinération de l'incinérateur. Le dispositif électrolyseur peut être du type à électrolyse alcaline, à électrolyse acide à électrolyte solide à membrane polymère conductrice de protons (PEM), à électrolyse à haute température en étant alimenté en vapeur d'eau par le générateur de vapeur d'eau. Avantageusement, l'installation est située à proximité d'une agglomération et utilise les déchets ménagers provenant de cette agglomération. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la Figure 1 est un schéma synoptique fonctionnel d'une installation de production et de distribution d'hydrogène conforme à l'invention ; et - la Figure 2 représente un exemple d'implantation 25 de l'installation de la Figure 1 à proximité d'une agglomération. L'installation de production et de distribution d'hydrogène qui va être décrite en référence à la Figure 1 est destinée à alimenter en particulier une flotte de 30 véhicules urbains à moteurs thermiques alimentés en hydrogène ou à piles à combustible couplées ou non à des batteries pour des véhicules hybrides, mais il est bien entendu que cette installation peut également être utilisée pour alimenter en hydrogène des piles à 35 combustible produisant de l'électricité sur un réseau électrique, ou alimenter en hydrogène un réseau de distribution. L'installation de l'invention telle que représentée en figure 1 comprend un incinérateur 1 de déchets ménagers ou industriels comprenant des grilles d'incinération (non représentées) logées dans la chambre de combustion de l'incinérateur 1 qui est équipé d'un récupérateur de la chaleur de combustion des déchets comprenant un générateur de vapeur d'eau disposé dans le trajet d'évacuation des gaz de combustion. L'installation comprend en outre un ensemble turboalternateur dont la turbine 4 est alimentée en vapeur d'eau par le générateur 2 pour entraîner l'alternateur 5 produisant un courant électrique d'alimentation. Une partie du courant électrique produit par le turboalternateur 3 est utilisée pour subvenir aux besoins propres de l'installation (auto-consommation AC) tandis qu'une autre partie du courant électrique est fournie à un réseau électrique RE notamment pour être revendue à un opérateur de distribution d'électricité. L'installation comprend également un dispositif électrolyseur 6 apte à produire de l'hydrogène et de l'oxygène par électrolyse. Le dispositif électrolyseur peut comporter un ou plusieurs électrolyseurs. Dans le cas d'un dispositif électrolyseur 6 utilisant un ou plusieurs électrolyseurs à technologie alcaline, chacun des électrolyseurs est alimenté par le courant électrique produit par le turboalternateur 3. L'électrolyse alcaline utilise des modules fournissant par exemple environ 80 Nm3/h d'hydrogène, ces modules comprenant généralement une alimentation électrique, des cellules d'électrolyse, une unité de purification de l'eau, une unité de déshumidification des gaz, une unité de purification de l'hydrogène et un compresseur, comme cela est connu en soi. Les électrolyseurs à technologie alcaline produisent un hydrogène de bonne qualité avec cependant un niveau global d'impuretés non compatible avec des piles à combustible. Pour produire de l'hydrogène d'excellente qualité compatible avec des piles à combustible, chaque électrolyseur du dispositif électrolyseur 6 peut être du type à électrolyse acide se différenciant de l'électrolyse alcaline par un électrolyte solide à membrane polymère PEM (Proton Exchange Membrane) conductrice de protons. Pour augmenter le rendement de la dissociation moléculaire de l'eau, le dispositif électrolyseur 6 peut être du type à électrolyse SOE fonctionnant à température élevée et alimenté à la fois en électricité par le turboalternateur 3 et en chaleur par une partie de la vapeur d'eau produite par le générateur 2. A ce jour, cette technologie d'électrolyse haute température est généralement couplée à un réacteur nucléaire à haute température de l'ordre de 850°C, mais cette technologie peut être plus facilement applicable dans le cadre d'une application à un incinérateur d'ordures ménagères dont la température visée ne dépasse généralement pas les 400°C. L'hydrogène produit par les électrolyseurs du dispositif 6 à une pression de l'ordre de 50 bars (5 x 103 kPa) est stocké dans un réservoir 7 de l'installation d'un volume par exemple d'environ 80 m3 permettant d'assurer une autonomie de quelques jours et d'alimenter une station de distribution d'hydrogène composée principalement de compresseurs 8, dont un seul est représenté en figure 1, pour obtenir une pression d'utilisation de l'hydrogène de l'ordre de 350 bars à 700 bars (35 x 103 kPa à 7 x 104 kPa) et de bornes de distribution de l'hydrogène pour des véhicules urbains VU notamment du type camions de ramassage d'ordures ménagères, bus urbains, véhicules légers de nettoyage de la voirie ou navires de transport collectif. En variante, l'hydrogène peut être comprimé directement de 350 à 700 bars par un ou plusieurs compresseurs 8 en sortie du dispositif électrolyseur 6 puis stocké à cette pression dans le réservoir de stockage 7 pour alimenter ensuite la station de distribution à bornes de distribution d'hydrogène pour les véhicules urbains VU. Le cas échéant, l'hydrogène sous pression sortant du réservoir de stockage 7 peut être distribué à un réseau d'hydrogène RH pour d'autres utilisations. En outre, l'hydrogène présent dans le réservoir de stockage 7 peut être destiné à alimenter une ou plusieurs piles à combustible 9. De telles piles à combustible peuvent être destinées à produire de l'électricité sur le réseau électrique RE. L'oxygène qui est également produit par l'électrolyse dans le dispositif électrolyseur 6 peut être stocké dans un réservoir 10 et utilisé pour l'alimentation en oxygène de chaque pile à combustible 9. Avantageusement, l'oxygène produit par le dispositif électrolyseur 6 peut être également injecté au niveau d'une ou plusieurs des grilles d'incinération de l'incinérateur 1 pour non seulement améliorer le rendement de combustion des déchets ménagers, mais également diminuer le volume des fumées et donc la taille des équipements et le coût d'investissement de l'incinérateur 1. Ceci permet en outre de réduire les coûts liés à l'utilisation d'oxygène par l'incinérateur 1. L'oxygène stocké dans le réservoir 10 peut être utilisé pour alimenter en oxygène une ou plusieurs grilles d'incinération de l'incinérateur 1 pour les mêmes avantages que ceux précédemment décrits. La figure 2 représente l'installation de production et de distribution d'hydrogène située à proximité d'une agglomération A. Cette installation comprend une usine U d'incinération de déchets ménagers provenant de l'agglomération A et comprenant un ou plusieurs incinérateurs 1 et une unité de production d'hydrogène UPH comprenant le dispositif électrolyseur 6 et, le cas échéant, le turboalternateur 3 dans le cas où ce dernier ne serait pas intégré à l'usine d'incinération U, et une station S de distribution d'hydrogène reliée à l'unité de production d'hydrogène UPH. La station de distribution d'hydrogène S comprend au moins une borne permettant de distribuer de l'hydrogène à des véhicules urbains VU. Le ou les réservoirs de stockage de l'hydrogène pourront être localisés soit dans l'unité de production d'hydrogène UPH, soit dans la station S de distribution d'hydrogène. Le ou les réservoirs d'oxygène pourront être localisés soit dans l'unité UPH soit dans l'usine d'incinération U. Du fait que l'installation de production et de distribution d'hydrogène de l'invention soit proche d'une agglomération, le ravitaillement des véhicules directement à cette installation est facilité, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de transporter l'hydrogène vers les stations de distribution en centre ville pour alimenter des véhicules urbains. Une telle disposition permet de réduire considérablement le coût de transport de l'hydrogène. En outre, le prix de vente du kilowattheure (kWh) de l'électricité produite par une usine d'incinération peut être avantageux en comparaison au prix de vente du kilowattheure par un opérateur de distribution. Le procédé de production d'hydrogène par électrolyse consomme une quantité relativement importante d'énergie électrique représentant environ 30% du prix final de vente de cet hydrogène. En utilisant l'électricité produite par l'usine d'incinération U pour alimenter le dispositif électrolyseur 6 présent dans l'unité de production d'hydrogène UPH, le prix de vente de l'hydrogène peut être ainsi diminué d'environ 10%. En couplant un dispositif électrolyseur à un ensemble à incinérateur de déchets ménagers et turboalternateur produisant l'énergie électrique d'alimentation du dispositif électrolyseur à partir de la vapeur d'eau générée par l'incinérateur, on assure l'autonomie énergétique à une agglomération vis-à-vis de ses besoins en énergie pour ses flottes de véhicules urbains et ce à des coûts de production relativement bas. REVENDICATIONS1. Installation de production d'hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un incinérateur (1) de déchets ménagers ou industriels, un générateur (2) apte à produire de la vapeur d'eau à partir de la chaleur de combustion des déchets incinérés dans l'incinérateur (1), un turboalternateur (3) alimenté en vapeur d'eau du générateur (2) et un dispositif électrolyseur (6) alimenté en courant électrique par le turboalternateur (3) pour fournir de l'hydrogène. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un réservoir de stockage (7) relié au dispositif électrolyseur (6) pour alimenter en hydrogène sous pression une ou plusieurs stations (S) de distribution d'hydrogène à des véhicules notamment urbains (VU), chaque station de distribution (S) étant proche de l'installation. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'hydrogène produit par le dispositif électrolyseur (6) alimente un réseau d'hydrogène (RH). 4. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réservoir de stockage (7) est relié directement au dispositif électrolyseur (6) et alimente en hydrogène les stations de distribution (S) par l'intermédiaire d'un ou plusieurs compresseurs (8). 5. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif électrolyseur (6) est relié par l'intermédiaire d'au moins un compresseur (8) au réservoir de stockage (7) relié aux stations de distribution d'hydrogène (S). 6. Installation selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que le réservoir de stockage (7) est également apte à alimenter également en hydrogène au moins une pile à combustible (9). 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif électrolyseur (6) alimente en oxygène au moins une grille d'incinération de l'incinérateur (1). 10 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un réservoir de stockage (10) relié au dispositif électrolyseur (6) pour alimenter en oxygène sous pression 15 au moins une pile à combustible (9). 9. Installation selon l'une des revendications 1 à 6 , caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un réservoir de stockage (10) relié au dispositif 20 électrolyseur (6) pour alimenter en oxygène au moins une grille d'incinération de l'incinérateur (1). 10. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif 25 électrolyseur (6) est du type à électrolyse alcaline. 11. Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le dispositif électrolyseur (6) est du type à électrolyse acide à électrolyte solide à 30 membrane polymère conductrice de protons PEM. 12. Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le dispositif électrolyseur (6) est du type à électrolyse à haute température alimenté en 35 vapeur d'eau par le générateur de vapeur d'eau.5 13. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est située à proximité d'une agglomération (A) et utilise les déchets ménagers provenant de cette agglomération.